Дэниел Франклин - Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей

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.

Энергия ветра

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.

Подача энергии населению

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.