Несмотря на серьезные инвестиции в развитие альтернативных источников энергии, сейчас они удовлетворяют менее 1% глобальных нужд человечества в электричестве. Но этот показатель с каждым годом стабильно растет.
В 1872 году русский изобретатель Александр Лодыгин создал электрическую лампочку накаливания, но в те времена он не мог даже предположить, что со второй половины XX столетия электростанции привычных типов не смогут удовлетворять растущие потребности человечества без нанесения вреда окружающей среде. И дело даже не в освещении жилых помещений, ведь во многих странах галогеновые лампы уже стали стандартом, а на подходе еще более энергоэффективная технология - светодиоды. Главная причина быстро растущего уровня потребления электричества на планете заключается в возникновении абсолютно новых типов устройств, расходующих гигаватты электроэнергии. В первую очередь речь идет о дата-центрах и электромобилях.
Дата-центры - вычислительные технологии сегодняшнего дня - не только потребляют столько же электричества, сколько целый жилой микрорайон города, но и выделяют огромные объемы тепла. Кроме того, сложно представить, как высоко в самом ближайшем будущем поднимут уровень энергопотребления электрокары - очень перспективные, но пока непригодные для повсеместного применения разработки. Данные проблемы заставляют лучшие умы современности искать новые, экономически выгодные способы выработки электроэнергии, минимизирующие негативное влияние на биосферу. Многие технологии уже активно эксплуатируются на всех континентах. На основе других пока созданы только экспериментальные установки - их творцам еще предстоит доказать рациональность своих идей. Но, возможно, именно за самыми фантастическими методами - будущее нашей планеты.
Солнечная энергияГелиоэнергетика подразумевает непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Как и ветер, солнце является ее возобновляемым источником.
Солнечные батареи на основе фотоэлементов, преобразующих энергию фотонов в электричество, не вырабатывают никаких вредных отходов. Главным их преимуществом является возможность комбинирования с тепловыми машинами, что позволяет обеспечить человека не только электричеством, но и отоплением и горячей водой. Компании First Solar, Suntech и Sharp составляют тройку лидеров рынка фото-элементов. Солнечные электростанции (СЭС) широко распространены в Германии, Испании и Японии. К сожалению, в 2010 году на долю гелиоэнергетики приходилось лишь 0,1% всего выработанного в мире электричества, потому что у данного метода есть свои недостатки. Солнечные батареи дорогостоящие (производство фотоэлементов с высоким КПД требует немалых затрат), к тому же их эффективность напрямую зависит от погоды и времени суток. Кроме того, фотоэлементы на основе кадмия сложны в утилизации. Тем не менее миниатюрные солнечные батареи в последнее время широко используются в электронике.
Получение электроэнергии из волн
Мощью волн восхищались еще древнегреческие поэты и философы. Современные специалисты более практичны: они применяют энергию волн не только для выработки электричества, но и опреснения воды в регионах с чрезмерно сухим климатом. В теории вода обладает намного большей кинетической энергией, чем воздух, что позволяет получать в разы больше электричества. Оборудование для строительства волновых электростанций проектируют Marine Current Turbine, Wavegen, Ocean Power Delivery и другие предприятия. Подобные решения идеальны для государств с большой протяженностью морского побережья и сильными порывами ветра. К примеру, волновая электростанция Oyster в Великобритании использует вырабатываемую электроэнергию для получения водорода и алюминия.
Водород является полностью безотходным источником электроэнергии, ведь в результате его горения помимо большого количества тепла выделяется только вода (Н2О) - естественное и совершенно безвредное для окружающей среды вещество. Ведущие автомобилестроительные концерны - Daimler, Honda, General Motors, Hyundai и Fiat - уже выпускают автомобили, двигатель внутреннего сгорания которых способен работать на водороде. Япония готовит к введению в эксплуатацию первый в мире поезд на водороде, а в Германии уже поставлены на конвейер подводные лодки класса U-212 с водородными топливными элементами Siemens. В США идет строительство электростанций на водороде FutureGen мощностью 275 МВт, Китай готовит свой ответ - электростанцию GreenGen со вдвое более высокой мощностью.
Оба проекта применяют технологию газификации угля, которая на данный момент является самой дешевой - $2 (16 гривен) за килограмм водорода. Сырьем для его получения также служит сероводород (H2S) - в глубинных водах морей и океанов его концентрация очень высока. Переработка сероводорода в водород не только позволит получить большие объемы топлива для транспортных средств и электростанций, но и предотвратит повышение концентрации этого ядовитого вещества в морских водах.
Энергия из космосаВсе ранее описывавшиеся альтернативные источники электроэнергии давно прошли этап экспериментальных установок и реально функционируют, принося ощутимую пользу.
Чего нельзя сказать об этом варианте: он все еще балансирует на тонкой грани между произведениями классиков научной фантастики и новейшими технологиями.
Речь идет о космической энергетике. Данная отрасль тесно связана с гелиоэнергетикой, так как использует аналогичные солнечные батареи на основе фотоэлементов. Разница только в одном: исполинского размера солнечные батареи должны расположиться на земной орбите, откуда вырабатываемый ток будет передаваться в виде радиоволн. Трудность проведения практических экспериментов препятствует быстрому развитию данного типа энергетики, ведь позволить себе запустить на орбиту тестовые установки могут только страны, имеющие собственные космодромы. К тому же пока неясно, как именно инженеры планируют минимизировать вред от гигаватт энергии, которая в виде радиоволн хлынет в земную атмосферу, и без того сильно перегруженную спутниковым телевидением и сотовой связью. В целом, космическая энергетика пока является скорее экспериментом, и в ближайшие десятилетия ей предстоит продемонстрировать свой потенциал. Но уже сейчас ясно, что вскоре человечеству станет не хватать электроэнергии, вырабатываемой только на Земле, - придется искать ее источники за пределами планеты.
Получение электроэнергии из биотоплива
Схема автомобиля, работающего на биогазе и обычном топливе Ошибочно называть биотопливом только продукты переработки стеблей и семян растений. На самом деле человек использует простейшее твердое биотопливо еще со времен зарождения цивилизации. Речь идет, конечно же, о дереве. Сейчас древесина расходуется все реже: это слишком ценный материал. На смену ей пришли брикеты из прессованных стружек. Но будущее все же не за твердым, а за жидким биотопливом.
Биоэтанол получают путем переработки рапса, кукурузы и сахарного тростника, биометанол - в результате брожения фитопланктона, биодизель - из животных и растительных жиров. Чаще всего биотопливо применяется как заменитель бензина, но во многих странах тепловые электростанции (ТЭС) перешли на него с мазута и угля. Биоэтанол, производство которого сконцентрировано в Бразилии и США, покрывает 1,5% глобальной потребности в жидком топливе. Эта цифра может показаться незначительной, но, по оценкам ведущих аналитиков, остановка выработки всех видов биотоплива приведет к 15-процентному росту стоимости барреля нефти. В 2010 году Европейский союз ввел унифицированную стандартизацию биотоплива - EN-PLUS.
Но и в случае с этим источником энергии не обошлось без негатива. Мировую общественность волнует проблема растущего потребления биотоплива, ведь поля с плодородной землей все чаще засеивают не продовольственными культурами (пшеницей, рожью или рисом), а рапсом.
Действующие экспериментальные технологииСуществует множество проектов по добыче экологически чистой электроэнергии, которые обладают большим потенциалом, но все еще находятся на стадии разработки. Одним из самых перспективных на сегодняшний день является получение биотоплива третьего поколения в результате переработки особого вида водорослей с высоким содержанием масла. По своим энергетическим характеристикам они значительно превосходят другое сырье. Такие водоросли не распространены широко в естественной среде, но очень быстро растут в искусственных водоемах. Однако основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли очень чувствительны к изменениям температуры - она должна поддерживаться на определенном уровне с отсутствием даже минимальных колебаний.
АнтиматерияДавней мечтой ученых является получение антивещества. Любое вещество состоит из частиц, а антивещество - из античастиц. Эти две субстанции полностью противоположны: в обычном веществе протоны в атоме имеют положительный заряд, а электроны - отрицательный, в антивеществе все наоборот - антипротоны с отрицательным зарядом и позитроны с положительным. Частицы антивещества и обычного вещества при контакте аннигилируют - исчезают, и при этом выделяется огромное количество энергии. Тонна антивещества могла бы покрыть годовую энергетическую потребность всей планеты.
Резервация и хранение электроэнергииИзбыток вырабатываемой энергии в одно время и недостаток ее в другое свойственны всем без исключения непостоянным источникам - ветру, солнцу, волнам и т. п.
Теоретически у этой проблемы есть довольно простое решение - использовать аккумуляторы. Но на практике все намного сложнее, чем кажется на первый взгляд.
Необходимость применения батарей в разы увеличивает себестоимость мегаватта вырабатываемой электроэнергии.
На сегодняшний день широко распространены свинцово-кислотные, никель-металл-гидридные, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Свинцово-кислотные, самые распространенные в мире, отличаются высокой ЭДС (электродвижущей силой) и широким диапазоном рабочих температур (от –40 до +40 °С). Именно они чаще всего применяются в качестве аварийных источников электроэнергии. Зато в пользу литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов говорят их миниатюрные размеры и простота в обслуживании. Но стоит отметить, что они подвержены эффекту старения, и продолжительность их жизненного цикла оставляет желать лучшего.
ВыводНесмотря на серьезные инвестиции в развитие альтернативных источников энергии, сейчас они удовлетворяют менее 1% глобальных нужд человечества в электричестве. Но этот показатель с каждым годом стабильно растет из-за быстро снижающейся себестоимости мегаватта электроэнергии, вырабатываемой подобными методами. На данный момент больше всего средств в развитие экологически чистой энергетики вкладывают Китай, США, Великобритания и Индия. К 2020 году глобальные инвестиции в возобновляемые источники энергии должны вырасти до 1,7 триллиона долларов.
Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией благодаря сжиганию угля и газа (ископаемое топливо), эксплуатации водного потока и управлению ядерной реакцией. Эти подходы достаточно эффективны, но в будущем нам придётся от них отказаться, обратившись к такому направлению, как альтернативная энергетика.
Во многом эта необходимость обусловлена тем, что ископаемое топливо ограничено. Кроме того традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому мир нуждается в «здоровой» альтернативе .
Предлагаем свою версию ТОПа нетрадиционных способов получения энергии, которые в будущем могут стать заменой привычным электростанциям.
7 место. Распределённая энергетикаПеред тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.
Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества . Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.
В качестве источников энергии могут использоваться:
- микротурбинные электростанции;
- газотурбинные электростанции;
- паровые котлы;
- солнечные батареи;
- ветряки;
- тепловые насосы и пр.
Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.
Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.
6 место. Грозовая энергетикаЗачем генерировать электричество, когда его можно просто «ловить» из воздуха? В среднем один разряд молнии – это 5 млрд Дж энергии, что эквивалентно сжиганию 145 л бензина. Теоретически грозовые электростанции позволят снизить стоимость электроэнергии в разы.
Выглядеть всё будет так: станции размещаются в регионах с повышенной грозовой активностью, «собирают» разряды и накапливают энергию. После этого энергия подаётся в сеть. Ловить молнии можно с помощью гигантских громоотводов, но остается главная проблема – за доли секунды накопить как можно больше энергии молнии. На современном этапе не обойтись без суперконденсаторов и преобразователей напряжения, но в будущем возможно появление более деликатного подхода.
Если говорить об электричестве «из воздуха», нельзя ни вспомнить о приверженцах образования свободной энергии. Например, Никола Тесла в своё время якобы продемонстрировал устройство для получения электрического тока из эфира для работы автомобиля.
5 место. Сжигание возобновляемого топливаВместо угля на электростанциях можно сжигать так называемое «биотопливо ». Таковым является переработанное растительное и животное сырьё, продукты жизнедеятельности организмов и некоторые промышленные отходы органического происхождения. В качестве примера можно привести обычные дрова, щепу и биодизель, который встречается на заправках.
В энергетической сфере чаще всего применяется древесная щепа. Она собирается при лесозаготовке или на деревообрабатывающем производстве. После измельчения она прессуется в топливные гранулы и в таком виде отправляется на ТЭС.
К 2019 году в Бельгии должно завершиться строительство крупнейшей электростанции, которая будет работать на биотопливе. Согласно прогнозам, она должна будет производить 215 МВт электроэнергии. Этого хватит на 450 000 домов.
Интересный факт! Многие страны практикуют выращивание так называемого «энергетического леса» – деревья и кустарники, наилучшим образом подходящие для энергетических нужд.
Будет ли альтернативная энергетика развиваться в направлении биотоплива пока маловероятно, ведь есть более перспективные решения.
4 место. Приливные и волновые электростанцииТрадиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:
Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.
Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов .
«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750 , которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.
Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни. Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну. В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.
3 место. Геотермальные станцииАльтернативная энергетика неплохо развита и в геотермальном направлении. Геотермальные станции вырабатывают электричество, фактически преобразуя энергию земли, а точнее - тепловую энергию подземных источников.
Существует несколько типов таких электростанций, но во всех случаях они основываются на одинаковом принципе работы : пар из подземного источника поднимается по скважине и вращает турбину, подключенную к электрогенератору. Сегодня распространена практика, когда в подземный резервуар на большую глубину закачивается вода, там она под воздействием высоких температур испаряется и в виде пара под давлением поступает на турбины.
Лучше всего для целей геотермальной энергетики подходят районы с большим количеством гейзеров и открытых термальных источников, которые разогреваются вследствие вулканической активности.
Так, в Калифорнии работает целый геотермальный комплекс под названием «Гейзеры ». Он объединяет 22 станции, вырабатывающие 955 МВт. Источник энергии в данном случае – очаг магмы диаметром 13 км на глубине 6,4 км.
Энергия ветра – один из самых популярных и перспективных источников для получения электричества.
Принцип работы ветрогенератора прост:
- под воздействием силы ветра вращаются лопасти;
- вращение передаётся на генератор;
- генератор вырабатывает переменный ток;
- полученная энергия обычно накапливается в аккумуляторах.
Мощность ветрогенератора зависит от размаха лопастей и его высоты. Поэтому их устанавливают на открытых территориях, полях, возвышенностях и в прибрежной зоне. Эффективнее всего работают установки с 3 лопастями и вертикальной осью вращения.
Интересный факт! На самом деле энергия ветра является разновидностью солнечной энергии. Объясняется это тем, что ветры возникают из-за неравномерного прогрева солнечными лучами земной атмосферы и поверхности.
Чтобы сделать ветряк, не нужны глубокие познания в инженерии. Так, многие умельцы смогли себе позволить отключиться от общей электросети и перейти на альтернативную энергетику.
Vestas V-164 – самый мощный ветрогенератор на сегодня. Он вырабатывает 8 МВт. Для производства электричества в промышленных масштабах используются ветровые электростанции, состоящие из множества ветряков. Крупнейшей является электростанция «Альта », расположенная в Калифорнии. Её мощность – 1550 МВт.
1 место. Солнечные электростанции (СЭС)Наибольшие перспективы имеет солнечная энергетика. Технология преобразования солнечного излучения с помощью фотоэлементов развивается из года в год, становясь всё эффективнее.
Идея использовать волнение моря для получения энергии не то чтобы нова: заявка на патент волновой мельницы была подана аж в 1799 году. В конце XIX века кинетическую энергию волн научились преобразовывать в электричество - и только в 2008-м в Португалии была запущена первая волновая электростанция. Мощность ее была невелика - всего 2,25 МВт, - но зато потенциал волновой энергетики был оценен по достоинству, и теперь аналогичные проекты создаются в десятке стран, включая Россию.
По подсчетам ученых, в перспективе волновая энергетика окажется выгоднее, чем ветровая (удельная мощность волн на порядок превышает удельную мощность ветра), а прилегающие к морям страны смогут генерировать до 5% электроэнергии за счет волн.
Энергия вирусовПредставь себе, вирусы - микроскопические вредители, которые переносят болезни, - могут быть неплохим источником энергии. Приспособить их для такого использования удалось ученым Национальной лаборатории имени Лоуренса (США). Модифицированный ими вирус-бактериофаг под названием M13 создает электрический заряд при прикосновении к «инфицированной» им поверхности. Иными словами, чтобы получить от него электричество, достаточно провести пальцем, например, по экрану смартфона - делов-то! Правда, максимальный заряд, которого ученым удалось добиться от M13, составлял четверть батарейки AAA. Впрочем, это был лишь первый прорыв в микроэнергетике: ученые полагают, что ее потенциал значительно больше.
Биотопливо из водорослейДругим не менее изобретательным решением стало использование водной растительности в качестве топлива. Получаемая таким образом энергия едва ли сравнится по объемам с энергией, получаемой от добычи нефти и газа, - зато сможет решить проблему загрязнения водоемов, с каждым годом встающую в ряде стран все острее. Скажем, в Японии. Правительство страны ежегодно выделяет немалые суммы на очистку берегов от водорослей - их переработка позволит хотя бы отбить затраченные средства.
Как водоросли превращаются в топливо? Первым делом собранную растительность помещают в резервуар. Потом при помощи специальных бактерий в нем запускается процесс брожения. При брожении выделяется метан, который в итоге и направляется в электрический генератор.
Как ты понимаешь, получаемой из водорослей энергии недостаточно, чтобы пытаться обеспечить ей жилые дома, - однако она в разы превосходит энергию всех прочих источников биологического топлива и сравнительно просто добывается. А значит, к ней будут обращаться все чаще.
Энергетический потенциал Мирового океанаВолновая энергетика и водоросли лишь часть источников энергии, доступных благодаря океану. Остальные менее популярны - но не менее перспективны:
Энергия приливов. Для ее получения используются приливные электростанции. Подобные установки существуют уже в десятке стран, включая Россию. По подсчетам ученых, данный источник немногим уступает волновой энергетике.
Энергия течений. Представляешь, сколько энергии мог бы вырабатывать, скажем, Гольфстрим? И не пытайся: много. Пока что разработкой этого направления занимаются Великобритания и США. В Штатах, кстати, уже разработана турбина мощностью 400 кВт.
Энергия температурного градиента морской воды. Или попросту энергия, полученная из разницы между температурой воды на поверхности и на глубине. Сравнительно новый источник, исследуемый главным образом США. Потенциал пока не вполне изучен.
Осмотическая энергия. Называемая также энергией диффузии жидкостей, она получается в местах смешивания соленой и пресной воды. Единственная на данный момент подобная электростанция построена в Норвегии.
Не стоит забывать и про так называемую энергию водного потока. Ничего нового: именно ее выработкой занимаются известные тебе гидроэлектростанции.
Энергия земных недрНефть и газ не единственное, зачем стоит бурить землю: геотермальная энергия, или энергия земных недр, однажды сможет составить им конкуренцию. Для ее получения используются геотермальные станции. Устанавливаемые вблизи вулканов, такие установки успешно снабжают энергией Исландию, Японию, Индонезию и ряд других стран. При этом сама магма ими не используется: энергию дает кипящая вода вроде той, что вырывается на поверхность в гейзерах.
Энергетический потенциал недр не так высок, как у вышеперечисленных источников. Зато этот вид энергии подходит странам, лишенным выхода к морю.
Термоядерная энергияСколько бы альтернативная энергетика ни использовала естественные процессы, происходящие на планете, самый мощный источник энергии будет полностью рукотворным. Им станет ITER - Международный экспериментальный термоядерный реактор, способный воссоздавать процессы, происходящие внутри звезд.
Первоначально запуск ITER планировался на 2016 год, однако теперь сроки сдвинулись к началу 30-х. Более того, подключить установку к энергетической сети удастся от силы к 2040-му. Впрочем, результат стоит ожиданий: выделяемой при термоядерном синтезе энергии должно хватить на несколько стран.
Об отказе от добычи полезных ископаемых заговорили несколько десятилетий назад. Доступных запасов нефти, газа и угля землянам хватит ненадолго, поэтому надо повышать энергоэффективность. Еще одна причина — экологические проблемы, которые ощущают все жители планеты. Но для того, чтобы отказаться от классических источников энергии, необходимо найти им замену — если не более выгодную, то хотя бы сопоставимую по эффективности. Что предлагают ученые взамен газа, нефти и угля?
1. Космические солнечные станции собирают больше энергии светила, чем наземныеЭкономически выгодное производство солнечной энергии — штука сложная, так как из-за атмосферы Земли интенсивность солнечного освещения недостаточна. Один из вариантов решения проблемы — построить космические "солнечные фермы", которые будут собирать излучение Солнца "в чистом виде" и передавать накопленную энергию на Землю при помощи лазерных лучей или микроволн. Проблема в цене — она превышает разумную. Но в будущем солнечные батареи будут эффективнее, цена вывода кораблей и грузов на орбиту уменьшится, и "космические солнечные фермы" вполне смогут доставлять нам энергию.
Схема, показывающая разницу в количестве лучей, попадающих на земную солнечную станцию (слева) и на космическую (справа).
Концепт станции, которая собирала бы энергию Солнца, авторства НАСА
2. Энергия человека заряжает гаджетыСистемы, которые можно зарядить с помощью силы мышц, уже существуют. Но человек производит огромное количество движений, которые — теоретически — можно было бы трансформировать в энергию. Условно говоря, сейчас вы водите пальцем по экрану смартфона "впустую" — а могли бы в процессе заряжать смартфон. Если девайс может посчитать количество шагов и реагировать на движение, почему его нельзя зарядить от движения пальцев? Ученые исследуют этот вопрос, но результатов или прототипов самозаряжающихся устройств пока нет.
3. Приливы — еще один источник энергииВ приливной энергетике работает сотня компаний, а энергия волн в некоторых регионах используют в практических целях. Так, в Австралии часть опреснительных установок полностью обеспечивают энергией за счет приливов и отливов.
4. Водород — дёшево и экологически чистоРаньше шаттлы NASA заправлялись именно этим видом топлива. Проблема в том, что водород хоть самый распространенный элемент в космосе, на Земле есть только в виде соединений. А значит, для получения чистого элемента нужно потратить энергию. Зато после его можно "упаковать" в топливные ячейки и использовать по назначению. Honda, например, производит автомобили, которые передвигаются на энергии из таких "водородных ячеек". Водородные заправки строят в Калифорнии (США), Южной Корее и Германии.
5. Геотермальная энергетика — энергия лавыБлагодаря лаве получают 27% энергии на Филиппинах и 30% энергии в Исландии. В Исландии же недавно открыли крутой источник геотермальной энергии — подземное магматическое озеро, и эффективность производства геотермальной энергии выросла в 10 раз.
Это выгодная система, но она слишком зависит от геологических особенностей территории. Магму, в отличие от газа или нефти, по трубопроводу не перекачаешь.
6. Ядерные отходы — старые урановые стержни можно использовать зановоВ конструкции "классической" атомной электростанции урановые стержни погружены в воду, а к концу срока их службы использованными оказываются только 5% атомов урана — остальные 95% отправляются в утиль с маркировкой "ядерные отходы". Новая технология предполагает погружать стержни в жидкий натрий и позволит поменять соотношение использованных и неиспользованных ресурсов — 5% урана уйдет в отходы, а 95% превратятся в энергию. Причем в таких реакторах можно повторно использовать стержни, списанные с атомных электростанций предыдущего поколения. Компания Hitachi уже построила новые "быстрые реакторы" и продаёт их, но построить такую станцию очень дорого. К тому же мир все еще с опаской относится к атомным электростанциям — все помнят о нескольких крупных авариях, включая и катастрофу на Чернобыльской АЭС.
7. Прозрачные (оконные) солнечные батареиГермания, где климат не слишком отличается от украинского, занимается производством солнечной энергии. Стоимость производства батарей падает, а эффективность и популярность растут. Тем более что ученые из Лос-Анжелеса придумали прозрачные солнечные батареи , которые монтируются прямо на оконное стекло. Технология дорогая, но в ближайшие 2-3 года подешевеет достаточно, чтобы предложение было экономически выгодным.
8. Биотопливо из водорослейЗа 11 лет — с 2002 по 2013 год — производство биотоплива выросло примерно на 500%. Причина — потребность в этаноле (спирте) и биодизеле, которые добавляют к топливу. По задумке Генри Форда, изобретателя современного автомобиля, двигатель и должен был работать на этаноле. Но тогда как раз открыли много новых месторождений нефти, и она была очень дешёвой. Сейчас это не самый выгодный вид топлива, и этанол возвращается. Проблема "классического" биотоплива — этанола — в том, что для его производства используют то же сырье и те же земли, что и для выращивания пищевых культур. То есть энергетическая отрасль начинает конкурировать с пищевой.
Решить эту проблемы можно с помощью водорослей. Неприхотливые, быстрорастущие, позволяющие легко добывать необходимые компоненты, а "сухой остаток" пускать в переработку и использовать для выращивания нового урожая водорослей.
9. Летающие ветряки — перерождение старой технологииИспользование энергии ветра — классическая технология. Но её эффективность можно существенно увеличить, а энергию добывать по всему миру, а не только в регионах с благоприятным рельефом. Для того, чтобы "ветряные мельницы" были эффективными, нужна значительная сила ветра. А решается проблема просто: достаточно поднять ветряную турбину на 300-600 метров над уровнем моря, где потоки воздуха сильнее и стабильнее. Первые "летающие ветряки" установят на Аляске. Конструктивно это дирижабль со смонтированной турбиной. При слишком сильном ветре такой ветряк самостоятельно "паркуется" на земле. А автоматика позволит ей выбирать оптимальное положение в пространстве.
10. Термоядерный синтез — источник почти бесконечной энергииЯдерный синтез безопасен, так как, в отличие от ядерного реактора, он соединят атомы, а не расщепляет их. Существует международный проект по разработке термоядерного реактора — ITER , к которому подключились страны ЕС (официально заявленные как единое целое в рамках данного проекта), а также Китай, Индия, Россия, Республика Корея, США, Казахстан и Япония. Проект существует уже 25 лет, инженерная разработка технической конструкции реактора давно завершена. В 2013 году его начали строить во Франции. К 2020 ученые планируют начать первые эксперименты с плазмой.
Параллельно некоторые коммерческие организации ведут собственные исследования в том же направлении. В случае успеха мир будет обеспечен дешевой и практически бесконечной энергией.
Как получить энергию в нужные сроки и там, где она необходима?Стремительный экономический рост таких стран, как Китай и Индия, означает, что к 2030 году потребность в энергии во всем мире увеличится как минимум на 50%. Многие крупные развивающиеся экономические зоны находятся в регионах, где никогда не было инфраструктуры для поставки электроэнергии. В то же время ресурсы, традиционно используемые для производства энергии, истощаются. Все это заставляет человечество активно искать новые источники энергии - и новые способы ее передачи.
Основная задача - поиск и максимально эффективное использование возобновляемых источников энергии, а также разработка инновационных методов хранения полученной энергии, позволяющих использовать ее при отсутствии солнечного света или ветра. Важный инструмент для достижения этой цели - интеллектуальные электросети с использованием программного обеспечения, датчиков, электронных счетчиков и Интернета. Эти компоненты позволяют управлять информацией, более эффективно контролировать спрос и поставки энергии и доставлять ее туда, где она требуется в данный момент.
Представленные ниже материалы (видео, статья и инфографика) иллюстрируют значительные преобразования в энергетике и то, как эти преобразования влияют на обеспечение нашего мира энергией. Это большой шаг вперед. Изменения охватывают все аспекты, включая производство, измерение, монетизацию, потребление, контроль, хранение, торговлю и передачу электроэнергии. Какую роль в этом процессе играют интеллектуальные энергосистемы? Как платформа 3D EXPERIENCE помогает компаниям преобразовать процессы производства и поставки энергии и повысить эффективность совместной работы и инноваций?
Правда ли, что наступает эра солнечной энергетики?Наступил 2035 год. В мировых пустынях и тропиках установлены мощные солнечные батареи, собирающие энергию солнца для производства электричества, которое доставляется по современным беспроводным электросетям. Достаточные запасы энергии позволяют продолжать производство электричества после заката солнца.
В миллионах жилых домов и офисов устанавливаются недорогие и экономичные солнечные панели и оснащенные солнечными батареями окна, вырабатывающие небольшое количество энергии в дневные часы. Еще в 2010 году ведущие мировые производители, включая Audi, BMW, Toyota и Honda, разработали экологичные автомобили, работающие на водородном топливе. Водородное топливо создается с использованием солнечной энергии путем расщепления излишков воды на водород и кислород. А когда наступает ночь, на звездном небе мерцают гигантские орбитальные спутники с солнечными батареями, ежедневно и круглосуточно собирающие солнечную энергию в космическом пространстве и передающие ее на наземные приемные устройства с помощью микроволн или лазерных лучей.
Фантастика? Отнюдь. Идея использования солнечной энергии - одного из важнейших энергоресурсов на Земле - зародилась задолго до появления угрозы климатических изменений и истощения легко добываемых органических топливных ресурсов. Первая солнечная батарея была создана в 1883 году, а в 1941 году писатель Айзек Азимов опубликовал рассказ "Логика" (Reason), в котором описывалась космическая станция, излучающая большие объемы солнечной энергии посредством микроволновых импульсов. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер решил воплотить мечты Азимова в жизнь, но его планам не суждено было осуществиться из-за технологических ограничений того времени.
Но технологии получения солнечной энергии применяются уже сегодня, несмотря на мнения критиков, утверждающих, что мировая солнечная энергетика никогда не сможет решить проблемы передачи энергии на большие расстояния из более солнечных в менее солнечные регионы или изобрести решения для хранения, позволяющие генерировать энергию после наступления темноты.
Например, в Китае уже строятся высоковольтные линии электропередач для обширного распространения энергии, вырабатываемой новыми солнечными электростанциями. Только в течение первых трех месяцев 2015 года это государство добавило в свою энергосистему несколько солнечных электростанций мощностью 5 гигаватт, что эквивалентно совокупному объему энергии, вырабатываемому в одной из ведущих в этом области страны Европы - Франции.
Системы хранения энергии уже используются по всему миру, и в них успешно применяются две технологии. В одних системах солнечная энергия используется для создания расплавленных солей, обладающих свойством удерживать тепло. Так обеспечивается достаточное количество энергии для вращения турбин электрогенераторов в ночное время. На других электростанциях солнечные лучи вызывают сжатие газа, который возвращается в исходное состояние после наступления темноты и поддерживает вращение турбин.
Взгляд вверхКосмос - радикальный ответ на вопрос о том, как будет вырабатываться энергия после захода солнца, ведь в космосе не существует таких понятий, как закат и рассвет. Китай и Япония планируют запустить первые космические электростанции (SBSP) в 2030 году, и вероятно, это будут одни из самых масштабных проектов в истории. "Экономически целесообразная космическая электростанция должна быть огромной. Общая площадь ее солнечных панелей составит от 5 до 6 кв. км", - поясняет Ван Сидзи (Wang Xiji), академик Китайской Академии наук.
Но зачем строить электростанции в космосе? Основная причина - значительно более высокая концентрация солнечного излучения в космическом пространстве. Более 60% солнечной энергии теряется в процессе ее отражения и поглощения атмосферой Земли, а в космосе она доступна в полном объеме и круглосуточно. "Космические солнечные панели могут вырабатывать в десять раз больше электричества, чем наземные панели такой же площади", - отмечает космический инженер Дуань Баоянь (Duan Baoyan).
Разработка SBSP сопряжена со значительными трудностями, одна из которых - необходимость обеспечивать сверхточную передачу энергии. В противном случае мощный блуждающий луч энергии может выжечь обширные поверхности Земли. "Когда энергия передается посредством микроволновых импульсов, очень сложно направить ее поток так, чтобы он попал точно на наземный приемник. Передачу микроволн с высоты 36 000 км на плоскую поверхность диаметром 3 км можно сравнить с продеванием нитки в иголку", - говорит Ясуюки Фукумуро (Yasuyuki Fukumuro) из японского аэрокосмического агентства JAXA.
Японская корпорация Shimizu предлагает еще более невероятную альтернативу - полосу солнечных батарей шириной 400 км, которая размещена вокруг экватора Луны и длина которой составляет 11 000 км. Эта энергосистема, опоясывающая Луну, могла бы вырабатывать столько энергии, что все мировые потребности были бы удовлетворены в одно мгновение.
Затруднения связаны также с обслуживанием систем в опасных условиях космоса и выводом станций SBSP на орбиту. Вес коммерчески целесообразной космической электростанции составил бы более 10 000 тонн, в то время как современные ракеты рассчитаны на полезную нагрузку чуть более 100 тонн.
Строительство станций SBSP сопряжено с огромными сложностями, которые сравнимы с тем, что приходилось преодолевать 60-х годах прошлого века людям, впервые вышедшим в космос. Тогда многие сомневались в том, что людей вообще стоит отправлять в космос, однако технологические и научные преимущества, полученные после преодоления этих трудностей, не теряют своей важности для современного мира.
Наземное дистанционное управлениеНо несмотря на то, что станции SBSP создают площадку для развития новых технологий, все они строятся на земле, а ведь именно в ней заложен настоящий потенциал. Правда в том, что мощность достигающей поверхности Земли солнечной энергии - даже ослабленной атмосферой - во много раз превосходит потребности человечества. В 2015 году ведущие британские эксперты по энергетике обнародовали программу Global Apollo, утверждая, что солнце посылает на Землю в 5000 раз больше энергии, чем в данный момент требуется людям.
Более того, производство электричества на основе солнечной энергии с каждым годом становится все дешевле. Стоимость современных солнечных панелей снизилась до 1/20 от их стоимости 25 лет назад, в то время как эффективность, наоборот, возросла. Современные полупроводниковые солнечные панели преобразуют в электричество около 20% всего попадающего на них солнечного света - в три раза больше, чем раньше. Новые панели, изготовленные из таких композитов, как арсенид галлия, который обладает более высокой электрической проводимостью по сравнению с кремнием, позволят достичь еще более впечатляющих результатов. И это несмотря на то, что эффективность солнечных панелей ограничивается различными физическими факторами. К этим факторам относится, например, потеря энергии при отражении и ее частичное поглощение проводящими материалами (предел Шокли-Квейссера).
Так почему же солнечная энергетика на сегодняшний день обеспечивает всего 1% от мировой потребности в электричестве? Согласно программе Global Apollo и отчету MIT о будущем солнечной энергии за 2015 год, основное ограничение заключается не в технологиях, а в политической инертности, которая поддерживается в основном интересами гигантских корпораций, производящих органическое топливо. Кроме того, сказывается нехватка инвестиций. В этих отчетах показано, как огромные мировые субсидии скрывают настоящую стоимость электроэнергии, производимой на основе органического топлива, и как в эту стоимость безуспешно пытаются включить стоимость устранения экологических проблем и проблем здравоохранения, связанных с этими источниками энергии.
По мнению Стефана Декле (Stéphane Declée), вице-президента направления Энергетика, переработка, ЖКХ в корпорации Dassault Systèmes, еще одна причина сводится к "отсутствию согласованности между законодательными органами, регуляторами и технологическими лидерами".
"Наши клиенты вынуждены адаптироваться к меняющимся требованиям регуляторов. С помощью платформы 3D EXPERIENCE поставщики солнечной энергии смогут продемонстрировать жизнеспособность и надежность своих решений множеству заинтересованных лиц, включая регуляторов, финансовые организации, население и СМИ".
По словам Декле, ситуация усложняется тем, что "по мере роста доли промежуточных возобновляемых источников энергии, включая солнечную, объемы производства энергии не всегда совпадают с периодами высокого спроса". В качестве решения Декле предлагает разрабатывать системы, позволяющие лучше контролировать спрос (например, интеллектуальные энергосистемы), и системы, обеспечивающие более гибкий спрос на промежуточные источники, например, за счет частичного сохранения возобновляемой энергии для будущего использования.