Читать книгу "Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей"

9. Энергетические технологии: развитие возобновляемых источников энергии

Энн Шукат

Благодаря прогрессу в использовании и способах хранения солнечной и ветряной энергии на горизонте уже маячат большие изменения в ее потреблении.

Промышленная революция сделала мир зависимым от ископаемых видов топлива, ставших основными источниками энергии. Это способствовало необычайному росту экономики, а также уровня жизни многих людей. К сожалению, нашлись и минусы. Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ и двуокиси углерода. Вот уже более века человечество использует грязный и конечный источник энергии, который к тому же необратимо меняет климат планеты.

Однако в ближайшие десятилетия должны произойти значительные изменения: мы уйдем от ископаемого топлива. В частности, весьма быстро совершенствуются технологии в области солнечной и ветряной энергетики. К 2040 году их доля в выработке электроэнергии может вырасти с сегодняшних 5 до 30 %, даже если выделение поддерживающих субсидий после 2020 года и прекратится (на рис. 9.1 показана аналогичная картина в отношении мощности). Источником энергии для электромобилей смогут служить батарейки, становящиеся все лучше и дешевле. Кроме того, они будут в состоянии получать больше энергии из возобновляемых источников.

Уже можно заметить неоспоримые признаки этих преобразований. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2015 году на электроэнергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками, приходилось около 90 % нового производства (причем более половины – на энергию ветра). Основатель исследовательской компании Bloomberg New Energy Finance Майкл Либрайх утверждает, что сегодня в электросети во всем мире поступает больше энергии от возобновляемых источников, чем от ископаемого топлива.

Рис. 9.1. Мир будет зеленее.

Глобальная установленная мощность, в долях от общего объема

Ископаемые виды топлива исчезнут не внезапно; скорее всего, со временем их использование просто уменьшится. Но история производства энергии – это многолетний цикл смены источников: древесина, уголь, нефть, газ (рис. 9.2). Поскольку производство и использование энергии является причиной двух третей выбрасываемых в атмосферу парниковых газов, скорость и масштаб перехода к следующим источникам определят, можно ли свести глобальное потепление к минимуму.

Рис. 9.2. Изменение мощности.

Потребление энергии в США, %

С тех пор как в 1954 году Bell Laboratories представила первый реальный элемент солнечной батареи, многое изменилось. Эффективность преобразования солнечного света в электроэнергию выросла почти в четыре раза – с 6 до % (для лучших панелей на кремниевой основе). Между тем стоимость модулей снизилась с почти 300 долларов за ватт в 1950-е годы до примерно 60 центов на сегодняшний день (рис. 9.3). В результате в некоторых местах солнечная энергия уже является экономически конкурентоспособной с ископаемым топливом (без государственных субсидий).

Рис. 9.3. Солнечные дни.

Кривая ценообразования солнечной энергии

В настоящее время солнечная энергия составляет около 1 % от всей генерируемой в мире. Может показаться, что это совсем немного, но гелиотехническая промышленность развивается очень быстро. В 2000–2014 гг. среднегодовой прирост количества фотоэлектрических установок составил 44 %. С 2012 года гелиотехническими установками в мире было выработано больше энергии, чем во все предыдущие годы, вместе взятые.

Солнечные батареи делаются из светопоглощающих материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Чаще всего это кремний – хрупкое вещество, которое необходимо инкапсулировать и заключить в жесткую раму, чтобы оно не крошилось. Это ограничивает развертывание панелей на крышах или использование крупных установок в полевых условиях. Тем не менее согласно отчету Массачусетского технологического института (MIT) «Будущее солнечной энергии» («The Future of Solar Energy»), современные технологии на основе кремния достаточно хороши для широкого распространения к 2050 году: благодаря им можно добиться значительного сокращения выбросов углекислого газа даже без крупных технологических достижений.

Однако в докладе также говорится о том, что разрабатываемые сегодня технологии потенциально проще и дешевле и могут быть развернуты в различных формах с эффективностью, аналогичной кремнию. Новые солнечные элементы можно размещать более тонкими слоями и на гибких подложках, благодаря чему они станут более легкими и проще устанавливаемыми. Кроме того, они могут быть сделаны из прозрачных материалов, поглощающих невидимый человеческому глазу свет и, таким образом, сливающихся с любым окружением. Один из авторов отчета, профессор в области новых технологий MIT Владимир Булович, говорит, что новые технологии позволят генерировать энергию, располагая батареи на любой поверхности.

Если это так, то в течение следующих десятилетий, по мере выхода из лабораторий на рынок, солнечные батареи могут появиться в карманных электронных товарах (в виде прозрачных пленок), а позже – в тканях, в том числе в шторах или одежде.

И кремниевые, и только появляющиеся тонкопленочные солнечные батареи изготавливаются из широко распространенных в природе материалов, поэтому могут производиться в больших объемах и их распространение не составит проблем. Согласно расчетам MIT, в 2050 году площадь, необходимая для обеспечения 100 % прогнозируемого в США спроса на электроэнергию с использованием имеющихся в настоящее время кремниевых технологий, будет равна примерно 0,4 % земной поверхности, или около половины Западной Виргинии. Но развертывание лишь самых эффективных панелей в особо солнечных районах страны способно сократить эту площадь почти на две трети.

Так же, как и Солнце, ветер – доступный, не выделяющий углекислого газа и возобновляемый источник. В настоящее время ветряные турбины обеспечивают около 4 % мировой потребности в электроэнергии. Стоимость энергии ветра упала с 30 центов за киловатт-час в 1980-х до 3 центов сегодня.

Первые ветряные турбины были короткими и маленькими, их мощность составляла всего лишь десятки киловатт. Современные машины намного больше, и их типовая мощность – примерно 2,5 мВт, а высота ступицы колеблется от 80 до 120 м. Преимущество более высоких башен в том, что они могут получить доступ к более быстрым ветрам, дующим на больших высотах. При этом длинные лопасти огромных роторов собирают больше энергии.

«Непрерывные усовершенствования открывают для ветроэнергетики новые горизонты», – сообщает в отчете «Перспективы ветроэнергетики» («Wind Vision») Министерства энергетики США управляющий консультант Эдгар Демео. Согласно этому документу, опубликованному в 2015 году и посвященному потенциалу ветроэнергетики в США до 2050 года, следующее поколение турбин может добавить для использования в ветроэнергетике почти 1,9 млн квадратных километров земли, таким образом, почти утроив площади, которые были доступны с более старой технологией в 2008 году.

Сегодня производятся в основном традиционные трехлопастные турбины, но в стадии разработки находятся и другие проекты, в том числе двухлопастные и безлопастные. Наибольшее финансирование получила калифорнийская фирма Makani, работающая над воздушно-ветряными турбинами, использующими трос для подключения и передачи энергии на наземные станции. Разработанные этой компанией «змеи-ветрогенераторы» на базе пропеллера работают на тех же аэродинамических принципах, что и обычные турбины, но потенциально могут достигать высоты до 310 м (или примерно вдвое выше существующих), при этом используя значительно меньше материалов.

В 2013 году Google купила Makani. Компания планирует протестировать прототип турбины на 600 кВт на Гавайях и сотрудничает с местными пилотами, а также с Федеральным авиационным управлением США для повышения заметности этого «воздушного змея». Но бросить вызов господству традиционных турбин будет непросто. «Сегодняшние машины имеют преимущество 30-летней истории развития с четко понятными критериями проектирования», – говорит главный инженер Национального центра ветроэнергетики США Пол Вирс. Еще одной проблемой станет доставка компонентов турбин. По мере увеличения размеров роторов и башен они станут нетранспортабельными, и компаниям придется собирать и даже производить их на месте. По словам директора Бюро ветроэнергетических технологий DOE Хосе Зайаса, в настоящее время идея получать лопасти при помощи 3D-печати лопастей уже переходит от стадии проектирования к созданию прототипа. Этот процесс должен стать быстрее привычного и может снизить стоимость лопастей на 5 %. Кроме того, исследователи изучают способы оптимизации компоновки и эксплуатации ветряных установок, что при незначительных дополнительных затратах должно повысить их производительность примерно на 5 %.

В течение многих лет основные прогнозы занижали темпы роста как солнечной, так и ветряной энергетики. Например, в прогнозе Международного энергетического агентства «Прогноз мировой энергетики 2008 года» («World Energy Outlook 2008») прогнозировалось, что в 2030 г. солнечная энергия будет составлять 1 % от мировой. Эта точка была достигнута уже в 2015 году, на 15 лет раньше.

Тем не менее солнечная и ветряная энергии имеют один недостаток: неравномерное поступление. Солнце ночью не светит, ветер дует не всегда. Необходимо научиться интегрировать все установки, использующие возобновляемые источники энергии, в единую энергосистему. Сегодня сложные методы прогнозирования способны подсказать, когда облака закроют Солнце или поднимется ветер, а сетевые операторы балансируют спрос и предложение с гораздо меньшим запаздыванием. Сеть со множеством связей может передавать избыточную энергию на большие расстояния туда, где она необходима больше всего. А при возникновении нехватки энергии Солнца или ветра предусмотрены работающие на природном газе так называемые пиковые электростанции, которые могут быстро восполнить недостачу.

Но не все сети одинаково надежны и доступны. И некоторые элементы просто не способны посылать электричество на большие расстояния или быстро запускать дополнительные блоки. Другим вариантом сглаживания кривых поступления энергии от возобновляемых источников является хранение ее избытков для последующего использования.

Хотя сегодня и существуют многочисленные технологии сохранения энергии, как правило, они достаточно дорогостоящие. Наиболее распространенный и наименее технологичный вариант – использование воды (гидроэлектростанция). Другой подход предполагает сжатие и удержание воздуха в больших резервуарах или в подземных пещерах. При необходимости он высвобождается и вращает турбину, генерируя энергию.

Помимо этого, для хранения можно использовать различные типы аккумуляторов. В них устанавливаются электрохимические элементы, реакции в которых приводят к выработке энергии. Все более популярными становятся литий-ионные батареи. Поскольку литий – относительно легкий материал и позволяет упаковать много энергии в небольшом объеме, такие батареи сегодня можно найти в самых разных устройствах, начиная от портативных электронных до электромобилей. Ученые считают, что смогут значительно улучшить конструкции батарей и компонентов, что помогло бы как минимум удвоить количество запасенной энергии на единицу веса.

Еще одна перспективная технология для применения в сетях – проточные батареи. Они состоят из набора емкостей, содержащих два типа жидкостей и отдельную электрохимическую ячейку. Когда обе первые прокачиваются через последнюю, ионы через мембрану переходят из одной жидкости в другую, в то время как пропорциональное количество электронов совершает путешествие по внешней цепи. Поскольку проточные батареи хранят энергию в жидких электролитах, ее плотность определяется размером емкости для хранения. На данный момент такие батареи продаются не слишком широко, но если появится возможность их производства из более дешевых и менее токсичных материалов, они могут стать доступнее.

Размещенные во всем мире емкости для хранения энергии кажутся почти мизерными по сравнению с мощностью ее производства. Но в ближайшие десятилетия все изменится. Калифорния, получившая предписание к 2030 году производить 50 % электроэнергии с помощью возобновляемых источников, уже потребовала от трех своих крупнейших принадлежащих инвесторам сетей к 2020 г. добавить 1,3 гВт накопленной и сохраненной энергии. AES Energy, «дочка» энергетического гиганта AES, устанавливает огромную 100-мегаваттную литий-ионную систему аккумуляторов, которая сможет быстро обеспечить подачу энергии на срок более четырех часов. Southern California Edison (SCE) – крупное предприятие, обслуживающее около 15 млн человек в центральной и южной Калифорнии, уже закупило несколько сотен мегаватт хранящейся энергии. SCE также сотрудничает с основанной в Кремниевой долине компанией Stem. Последняя, предоставляющая услуги в области электроснабжения, сочетает в себе небольшое модульное хранилище литий-ионных аккумуляторов и интеллектуальное программное обеспечение для снижения предприятиями расхода электроэнергии. Контракт с SCE предусматривает установку хранилища на 85 мВт, распределяемых примерно на 1000 потребителей в течение 10 лет.

Директор отдела накопительных энергетических установок компании GTM Research Рави Мангани утверждает, что к 2020 г. большинство новых хранилищ в виде «электрогенерирующего объекта, находящегося вне собственности поставщика», появятся не только на предприятиях, но и в частных домах. То же самое предсказывает и эксперт по хранению энергии из крупной немецкой компании RWE Кристиан Метцгер. Он полагает, что в ближайшие десятилетия объединенная система распределенных энергохранилищ по всей Германии станет достаточно большой, чтобы поставлять всевозможные услуги в сеть – это сделает ненужным строительство дорогостоящих крупных энергохранилищ. «Дополнительное долгосрочное ее хранение потребуется только после 2050 года, когда возобновляемые источники энергии, как ожидается, будут обеспечивать 80 % (или даже больше) электроэнергии Германии», – говорит Метцгер.

В настоящее время наиболее технологичным выбором для новых систем хранения энергии во всем мире является литий-ионный аккумулятор, на который, по данным исследовательской фирмы Navigant, в 2015 году приходилось более 85 % существующих емкостей хранения. Для удовлетворения растущего спроса на электромобили, а также на модульные системы накопления энергии для домов и предприятий, получившие название Powerwall и Powerpack соответственно, калифорнийский производитель электромобилей и решений для хранения энергии Tesla Motors совместно со своим поставщиком батарей компанией Panasonic строят в Неваде завод Gigafactory стоимостью в 5 млрд доллларов. Другие крупные производители литий-ионных батарей тоже наращивают обороты.

Все это благодаря увеличению экономии энергии за счет вертикальной интеграции и других мер повышения эффективности работы должно привести к значительному уменьшению затрат на аккумуляторы. Согласно отчету Bloomberg New Energy Finance, к 2030 году стоимость батарейного блока для электромобиля может опуститься с нынешних 350 долларов за киловатт-час ниже 120. Тогда электромобили смогут достойно конкурировать с обычными машинами без каких-либо субсидий. В докладе говорится, что к 2040 году 35 % всех проданных новых автомобилей в мире могут быть электрическими и гибридными.

По мере роста доли возобновляемых источников энергия для подзарядки электромобилей будет поступать из наболее чистых из них. Кроме того, для снижения счетов за электроэнергию владельцы электромобилей смогут предложить свои аккумуляторы энергосбытовым компаниям, чтобы снизить таким образом счет за электричество. Сеть станет более чистой, доступной и распределенной. У частных лиц и предприятий появится возможность не только накапливать энергию в аккумуляторах, но и продавать ее излишки другим.

Несмотря на то что в период до 2050 года очень большое значение будут иметь технологии, связанные с возобновляемыми видами энергии, и им подобные, другие виды энергетики тоже не прекратят развиваться. Атомная энергетика также производит электроэнергию, при этом не выделяя газы, изменяющие климат. Ядерное деление расщепляет атомы тяжелых элементов – таких, как уран – на легкие, в процессе генерируя энергию. Первые атомные электростанции начали функционировать в 1950-х годах. Сегодня в мире работают около 450 ядерных реакторов, обеспечивающих порядка 11 % общемировой электроэнергии. По оценкам МЭА, к настоящему моменту ядерная энергетика помогла сократить выбросы CO₂ в атмосферу примерно на столько, сколько человечество выбрасывает его в атмосферу в течение двух лет.

В 2011 году землетрясение и последовавшее за ним цунами привели к аварии на АЭС в Фукусиме (Япония). Хотя вырвавшаяся радиация никого не убила, переселить пришлось более 150 тысяч человек. Общественность сильно обеспокоилась по поводу вероятности дальнейших аварий.

Большая часть из 60 строящихся ныне реакторов расположены в Китае, Индии и России, где законодательные барьеры, а значит и затраты, ниже. При этом в ближайшие десятилетия устареют около 200 ядерных реакторов, расположенных в основном в США, Европе, России и Японии. Как следствие, по прогнозу МЭА, общая доля атомной энергетики в мировой энергосистеме к 2040 году может вырасти лишь незначительно.

Другой вид ядерной энергетики – ядерный синтез – потенциально может обеспечить гораздо более безопасный и почти безграничный поток энергии без высокорадиоактивных отходов или угрозы расплавления активной зоны реактора. Во время ядерного синтеза, являющегося процессом, происходящим на Солнце и внутри других звезд, атомы легких элементов (например, водорода) соединяются при высоких температуре и давлении и образуют более тяжелые атомы (как гелий), испуская при этом огромное количество энергии. С 1950-х правительства всего мира вливали в разработку этой технологии миллиарды долларов. Ученые тогда предсказывали, что работающие реакторы будут введены в строй в течение нескольких десятилетий. Однако воспроизведение этого процесса на Земле оказалось сложнее, чем ожидалось, и первоначальный прогноз стал дежурной шуткой. Похоже, он будет реализован не ранее чем через 20–30 лет.

Более того, никак не получается избегать задержек и в совсем недавно стартовавшем проекте международного экспериментального термоядерного реактора ITER («путь» на латыни). Первоначально планировалось запустить его в 2016 году. Но на строительство крупного реакторного комплекса во Франции потребовались миллиарды долларов сверх бюджета и годы сверх графика. По некоторым нынешним оценкам, он должен начать работу примерно через 10 лет. Тем не менее многие ученые продолжают считать, что это лучшая перспектива получения Святого Грааля ядерного синтеза: реактора, который производит гораздо больше энергии, чем потребляет. На данный момент цель еще далеко. Мировой рекорд 1997 года по мощности, полученной при ядерном синтезе, по-прежнему составляет 16 мВт – и на это потребовалось 24 мВт для разогрева плазмы.

Решением этой проблемы занялись и несколько частных компаний. Они считают, что смогут осуществить синтез быстрее и дешевле. Каждая из них имеет различное видение способов контроля и поддержания чрезвычайно высокой температуры плазмы для облегчения реакции синтеза. Калифорнийская Tri Alpha Energy привлекла сотни миллионов долларов инвестиций, в том числе капитал сооснователя Microsoft Пола Аллена. Ее схема включает высокоэнергетические пучки частиц, помогающих сохранить тепло и стабилизировать плазму. Другие фирмы, такие как General Fusion в Канаде и Helion Energy близ Сиэтла, также получили деньги от крупных инвесторов (включая главу и основателя Amazon Джеффа Безоса и сооснователя PayPal Питера Тиля соответственно). При этом General Fusion для сжатия и нагрева частиц топлива использует поршень, Helion Energy предпочитает задействовать импульсное магнитное поле.

Роднит обе компании убеждение в том, что они смогут добиться своей цели в течение 5–10 лет. Однако некоторые эксперты обеспокоены. «Подобные заявления могут подорвать доверие к нам», – говорит директор британского центра по энергетике синтеза Culham Centre for Fusion Energy Стивен Коули. Он считает, что до коммерческого применения подобных реакторов остается еще не менее 30–40 лет.