Энергетика будущего

Введение

В большинстве случаев в энергетике будущего видят полный отказ от сжигания углеводородов и переход на использование возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР). Идея использования альтернативных источников энергии не нова и прошла немалый путь развития, но всерьез заговорили о их использовании в замен традиционных электростанций, относительно недавно. Энергетика будущего может быть представлена в различных формах. Эта область активно развивается в разных направлениях. На сегодняшний день на стадии разработок находятся множество идей, которые ранее могли существовать только на разделе исследований.

Инновационные технологии использования ВЭР существующие уже сейчас

Согласно [1] В 2015 году инвестиции в ВИЭ достигли рекордного показателя за всю историю и составили 329 млрд. долларов. Причем это произошло на фоне не очень благоприятного для роста «зеленой» энергетики события – стремительного падения цен на углеводороды, главным из которых является нефть. Впервые с 2011 года, прирост капиталовложений в возобновляемое направление составил 4 процента по сравнению с предыдущим годом.

По мнению Илона Маска, основателя компаний Tesla, основным источником энергии станет солнце. И действительно годовая выработка электроэнергии в мире на CЭС постоянно увеличивается, так, согласно [2] в 2004 году на ее долю приходилось 0,01%, а в 2014 0,79%.

Итак рассмотрим основные типы ВИЭ использующихся в настоящее время.

1. Солнечная энергия

Среди всех альтернативных источников энергии на гелиоэнергетику возлагаются немалые надежды. Первые работающие технологии появились в 70-х годах прошлого столетия. Сегодня солнечные электростанции уже используются на практике, хотя доля вырабатываемой ими энергии не велика. Все солнечные электростанции ( CЭС) подразделяют на несколько типов:

Недостаток – немалая стоимость оборудования и зависимость от климатических условий.

2. Ветровая энергия

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью.

Выработка электричества в таких электростанциях осуществляется за счет вращения лопастей, подключенных к генератору. Большая электростанция, оснащенная мощными турбинами, способна обеспечить основные нужды в энергоснабжении. Небольшие турбины и ветряки могут применяться в качестве автономных электрогенераторов.

Недостатки ветровой энергетики те же, что и у солнечной – зависимость от климатических условий, высокая стоимость оборудования[3]

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра – фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации.

3. Энергия волн и приливов

Обуздание всей энергии движения океана могло зарядить весь мир несколько раз. Более сотни компаний уже работает в этой отрасли. В некоторых странах энергию волн используют на практике. Например, в Австралии энергию для некоторых опреснительных установок полностью обеспечивают приливы и отливы.

Недостатки приливных ГЭС:

Перспективные разработки применимые в недалеком будущем

1. Дороги, покрытые солнечными панелями

Во Франции началось строительство 1000 км дорог, которые будут покрыты фотоэлектрическими панелями. В течение пяти лет инженеры создавали солнечные панели под названием Wattway. Они аккумулируют энергию солнца благодаря тонкой пленке поликристаллического кремния. Четыре метра такой дороги должно хватить, чтобы полностью обеспечить электроэнергией одно домохозяйство [4]

Подобными проектами занимаются и в США. Автор проекта – инженер с 25-летним стажем Скотт Брюсо (Scott Brusaw) – верит, что если заменить покрытие на дорогах, то это полностью решит все энергетические и многие экологические проблемы в мире. Сократится практически до нуля добыча нефти и газа, добыча угля, загрязнение атмосферы, исчезнут многие вредные промышленные производства и дымящие ТЭЦ. В общем, наступит практически рай на земле.

Солнечные панели Solar Roadways покрыты многослойным стеклом, которое по прочности не уступает бетону. Шипованно-структурированная текстура улучшает сцепление с шинами автомобилей и не даёт им скользить. На таких панелях со светодиодами можно изображать дорожные знаки и предупреждающие надписи, высвечивать сигналы светофора. Например, если дорога перед вами стала красной, значит, на светофоре включился запрещающий сигнал. Кроме того, панели естественным образом подогреваются за счёт выделения тепловой энергии, так что они будут растапливать снег и лёд[5].

Разумеется, проект вызвал многочисленные критические уколы. Критики говорят от том, что стеклянное покрытие стирается, что с такой сети ячеек трудно собирать энергию, что нельзя охладить встроенный микропроцессор в жаркой пустыне, что проект просто будет нерентабельным и никогда не окупится. Для переделки шоссе только в США потребуется от 20 до 56 триллионов долларов.

Тем не менее, подобный проект под названием «Solar Road» уже тестируется в небольшом голландском городке Krommenie. Там была построена солнечная велодорожка длиной около 70 метров. И, что интересно, после полугодовых испытаний, производительность солнечных модулей, вмонтированных в основу дороги, даже превзошла ожидания разработчиков.

2. Космические солнечные станции

В последние годы передовые научно-исследовательские заведения ведут интенсивные разработки, связанные с возможностью постройки солнечных электростанций в космосе. Это связано с тем, что их эффективность может быть значительно выше в сравнении с солнечными электростанциями, размещенными на земной поверхности – ведь значительная часть солнечной энергии теряется при прохождении света через атмосферу. К тому же космические солнечные станции не будут зависеть от изменчивости погоды.

Основные проблемы, связанные с практической реализацией проекта – поиск дешевого способа доставки солнечных панелей в космос, и проблема передачи полученной энергии из космоса на земную поверхность.

С технической точки зрения обе проблемы решаемы – сегодня транспортировка грузов на земную орбиту является обыденным делом, да и передача энергии на расстояние с помощью высокочастотных радиоволн давно перестала быть чем-то сверх естественным. Однако вся загвоздка не в технической реализации, а в экономической целесообразности.

Решением проблемных вопросов, связанных с уменьшением стоимости транспортировки космических солнечных электростанций на земную орбиту и поиском эффективных способов передачи энергии на Землю, занимаются ведущие исследовательские центры США, Японии и ЕС и плоды их работы будут воплощены в жизнь уже в самое ближайшее время. Одним из возможных решений проблемы транспортировки грузов на космическую орбиту может стать реализация проекта Космический лифт

Выводы. Рост использования ВИЭ в мире

Рост доли генерации электроэнергии за счет использования возобновляемых источников энергии в общей генерации представлен на рисунке. Статистические данные взяты с [6].

Рисунок – Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии (в том числе гидро)
(размер: 233Кб; кадров: 11; повторов: не ограничено; задержка: 1 сек)

Согласно данным аналитиков Bloomberg [1], в 2015 году мощность производимой энергии альтернативами источниками увеличилась на 30% по отношению к 2014 году. Общая мощность возобновляемых источников энергии по всему миру составила 121 гВт, 64 из которых принадлежит ветрогенерационным, а 57 – солнечным энергетическим установкам.

Еще большему развитию отрасли возобновляемых источников энергии может послужить климатический саммит, прошедший в Париже под эгидой ООН в декабре 2015 года. По его итогам было заключено рамочное соглашение, определяющее нормативные объемы выбросов CO2 на ближайшие пять лет и меры по их сокращению для каждой страны.

Список источников