Источники энергии будущего

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 энергия

Гелиоэнергетика 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 и сероводород

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 космоса

Все 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 технологии

Существует 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.

Антиматерия

Давней 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 электроэнергии

Избыток 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.

Вывод

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 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.