Идея использования альтернативных источников энергии прошла немалый путь развития, но серьезно о них, как о замене традиционным электростанциям, заговорили относительно недавно. Энергетика будущего – неоднозначное понятие. Эта область активно развивается в разных направлениях. Некоторые из них находятся на стадии лабораторных испытаний, некоторые уже применяются на практике.
Солнечная энергияСреди всех 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. Основные преимущества гелиоэнергетики – использование возобновляемых ресурсов и простотой принцип работы. Недостаток – немалая стоимость оборудования и зависимость от климатических условий.
Хорошо подходит использование для энергообеспечения удаленных районов, где возникают затруднения с прокладкой кабелей, сельской местности. Небольшие можно использовать даже в качестве автономной электростанции для конкретно взятого дома.
Ветровая энергетика
Еще одно направление, способное стать альтернативой традиционной
энергетике. Впервые интерес к этому источнику энергии возник в 70-е годы прошлого век, в связи с нефтяным кризисом. Прошло десятилетие, и в сельских районах Европы, Индии, Китая заработали ветровые электрогенераторы.
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.
Справедливости ради стоит отметить, что над преодолением климатической зависимости альтернативных электростанций ведется весьма успешная работа. Уже разработаны электростанции, способные аккумулировать энергию даже в условиях плохой освещенности.
В основе лежит использование горячих источников. Пар источника направляется на турбину, которая своим движением приводит в силу электрогенераторы. Подобные станции уже работают в 24 странах мира. Первая из них была открыта в далеком 1904 году в городе Лардерелло в Италии. Так как источником энергии в таких станциях являются геотермальные источники, их можно использовать только в местах нахождения последних, что является немалым ограничением для того, чтобы рассматривать этот метод в качестве энергетики будущего.
Океанами покрыта значительная часть поверхности земного шара, и возможность использования этого огромного неисчерпаемого ресурса могла бы стать отличной альтернативой традиционной углеводородной энергетике. Принцип действия приливных электростанций заключается в следующем. Область прилива делится плотиной на две зоны. Во время прилива и отлива вода перемещается по этим зонам, вращая турбины.
При всех своих преимуществах приливная энергетика имеет ограничения на свое использование. Строительство электростанции в зоне прилива потребует значительных капиталовложений. Для того, чтобы немалые инвестиции смогли окупиться, станция должна вырабатывать большое количество энергии, а значит, расстояние между двумя бассейнами должно быть не менее пяти метров. Это ограничение сразу делает повсеместное строительство электростанций на побережье морей и океанов невозможным, так как по критерию экономической целесообразности строительства на земле насчитается всего лишь порядка 40 мест, где электростанция действительно будет эффективной.
Когда-то возможность использования водорода в качестве источника энергии считалась едва ли не панацеей для развития отрасли. Такое отношение определили преимущества водородной энергетики. Основой получения энергии являются реакции водорода, во время которых выделяется тепло и вода, образуется электричество. Метод экологически чистый. Источник энергии – доступен и неисчерпаем. Водородная энергетика отличается высоким КПД.
Проблема, как всегда, в огромных инвестициях, необходимых для реализации подобных проектов. Еще одной немаловажной проблемой является отсутствие технологий, позволяющих контролировать температуру, образующуюся в ходе водородных реакций. Пока подобные технологии не будут разработаны, о повсеместном применении водорода в качестве источника энергии говорить не приходится.
Что в перспективеВышеперечисленные отрасли – далеко не единственные направления, в которых ведутся активные разработки. На сегодняшний день они являются наиболее изученными и внедренными в эксплуатацию на практике, в отличие от, например, сложных технологий термоядерного синтеза, холодного ядерного синтеза и т. д. Некоторые направления, напротив, давно и успешно применяются в качестве автономных источников, но разработок, позволяющих им стать альтернативой традиционной энергетике пока нет. Примером таких направлений могут служить вихревые генераторы, которые с завидной регулярностью объявляются лженаукой, несмотря на немалый опыт практического использования.
В любом случае, говорить о том, что сейчас существуют технологии, способные полностью вытеснить углеводороды, как основной источник энергии, не приходится. В США, странах Европы существует продолжительная (более 20 лет) практика внедрения энерготехнологий на основе , но и там говорить о полной замене традиционных технологий «зелеными» не приходится. На настоящий момент альтернативные отрасли энергетики – идеальное решение для энегообеспечения удаленных и труднодоступных районов, сельской местности.
Самой большой проблемой внедрения альтернативных методов являются огромные капиталовложения в строительство станций, необходимость использования технологичного, дорогостоящего оборудования для захвата потока энергии и ее преобразования и аккумулирования.
В существующую силовую сеть альтернативные электростанции сейчас интегрировать невозможно. Не разработаны сейчас и методы, позволяющие скоординировать производство и потребление энергии. Солнечные, ветровые, приливные и другие подобные электростанции являются нерегулируемыми, поэтому на их долю должно приходиться не более 15% общей мощности силовой сети. В общей доле мирового энергобаланса на нетрадиционные источники энергии приходится около 3%. Эти цифры выглядят весьма скромно, но именно с такими электростанциями все чаще связывают будущее энергетики.
В том случае, если произойдет переход от базовой к распределенной нагрузке электричества, альтернативная энергетика займет достойное место. Децентрализация энергопроизводства и энергообеспечения не просто повысит конкурентоспособность альтернативных источников, а позволит им занять основное место в системе.
Реферат
Энергетика будущего. Альтернативные методики будущего
План
К солнечной эре энергетики
Термоядерный синтез
Высотный ветер
Космическое зеркало
Нанотехнологические солнечные элементы
Глобальная суперсеть
Волны и приливы
Микробиологическая энергетика
Создание атомной техники по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте энергопроизводства уже очевидно, что скоро развитие земной энергетики будет сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать вне Земли. В то же время идет быстрое совершенствование процессов улавливания и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.
Еще более замечательные перспективы открываются перед солнечной энергетикой в космосе. Не случайно о развитии этого направления очень заботился, будучи руководителем советской космической программы, академик М. В. Келдыш. «На совещаниях у него, - вспоминает академик В. С. Авдуевский, - не раз рассматривались различные варианты конструкций орбитальных солнечных электростанций, способы выведения и сборки в космосе, вопросы создания пленок для солнечных батарей, проблемы преобразования энергии и передачи ее на Землю с учетом охраны окружающей среды и экономического эффекта».
В наши дни проблема овладения солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она послужила основой самого рождения научной космонавтики. Тогда К. Э. Циолковский поразился общеизвестному факту, что почти вся энергия Солнца пропадает бесполезно для людей, и целеустремленно стал искать способ овладения всей этой энергией. В результате им была создана теория реактивного движения и изобретена ракета на жидком топливе как реальное средство осуществления космических полетов. Мечта о полете к звездам превратилась в науку - теоретическую космонавтику. Опубликованную в 1912 году вторую часть своей основополагающей работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский завершил словами: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле.
Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу по мере их погасания»...
Исторический оптимизм ученья Циолковского вдохновил многих на самоотверженный труд по осуществлению его идей. А в СССР после победы Октября эти идеи получили всенародное признание, по всей стране стали возникать кружки, общества, группы по изучению межпланетных сообщений и реактивного движения. Проблеме стали уделять внимание дипломированные инженеры и ученые. Один из них, академик Д. А. Граве, в 1925 году посчитал необходимым ободрить энтузиастов космонавтики своим авторитетным приветствием, в котором писал: «Кружки исследования и завоевания мирового пространства встречают несколько скептическое к себе отношение во многих общественных кругах. Людям кажется, что дело идет о фантастических необоснованных проектах путешествий по межпланетному пространству в духе Жюля Верна, Уэллса или Фламмариона и вообще других романистов.
Профессиональный ученый, скажем, например, академик, конечно, не может стоять на этой точке зрения.
Мое сочувствие к вашему кружку покоится на серьезных соображениях. Уже пять лет тому назад я указывал на страницах газеты «Коммунист» на необходимость использовать электромагнитную энергию Солнца. При этом я руководствовался не какими-нибудь фантастическими соображениями, а неумолимой логикой совокупности фактов...
Единственный способ практического подхода к использованию электромагнитной энергии Солнца намечен русским ученым К.Э. Циолковским при помощи реактивных приборов или межпланетных аппаратов, которые вполне уже разработаны для этих целей и являются реальной действительностью завтрашнего дня. Так что организация данных кружков своевременна и целесообразна».
Сам Циолковский и его последователи, кроме исходной цели овладения энергией Солнца, выявили для космонавтики множество других, сравнительно более просто достижимых и потому более актуальных целей и задач по исследованию и освоению космического пространства в интересах науки и народного хозяйства, ставших основным стимулом для бурного развития ракетно-космической техники. Но основоположник космонавтики постоянно обращал внимание и на проблемы, связанные с решением исходной цели. Вот фрагменты его работ.
1920 год. Электрический ток можно получать в эфире теми же разнообразными способами, как и на Земле. Непосредственно с помощью солнечной теплоты, при посредстве термоэлектрических батарей. Последнее будет неэкономично, хотя со временем, может быть, найдут такие вещества для термоэлектрических батарей, которые почти всю теплоту Солнца будут превращать в электричество.
Надежнее для добывания электричества солнечные двигатели, которые могут утилизировать очень высокий процент (до 50 и более) солнечной энергии. Сущность их устройства такая же, как обыкновенных паровых двигателей с холодильником... Как и на Земле, большой многосильный двигатель почти целиком превращает свою энергию с помощью динамо-машины в электричество.
1926 год. Мы можем достигнуть завоевания солнечной системы очень доступной тактикой. Решим сначала легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости Земли, в качестве ее спутника... Поселившись тут устойчиво и общественно, освоившись хорошо с жизнью в эфире, мы уже более легким путем будем изменять свою скорость, удаляться от Земли и Солнца, вообще разгуливать, где нам понравится. Энергии же кругом великое изобилие в виде никогда не погасающего, непрерывного и девственного лучеиспускания Солнца. Этой энергии сколько угодно, и улавливать ее нетрудно в огромном количестве протянутыми от ракеты проводниками или иными неизвестными средствами...
1927 год. Солнечная энергия - главное; только мы не умеем ею пользоваться, и мешает тому еще атмосфера, ничтожное население (Циолковский считал, что население Земли в будущем должно возрасти во много раз. - Примеч. ред.), незнание и прочее. Эта энергия подобна электрической, и потому найдут средства ее почти целиком переводить в механическую, химическую и прочие виды энергии. Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом. Да и надолго ли хватит минерального горючего?
1929 год. Какие выгоды может извлечь человечество из доступности небесных пространств? Многие воображают себе небесные корабли с людьми, путешествующими с планеты на планету, постепенное заселение планет и извлечение отсюда выгод, какие дают земные обыкновенные колонии. Дело пойдет далеко не так. Главная цель и первые достижения относятся к распространению человека в эфире, использованию солнечной энергии и повсюду рассеянных масс. Из них создается сфера, которую может занять человек! На двойном расстоянии от Солнца она в 2,2 миллиарда раз больше всей поверхности Земли. Во столько же раз эта сфера получает больше и солнечной энергии сравнительно с Землей.
И вот началась предсказанная Циолковским космическая эра человечества. Хотя полеты первых спутников преследовали чисто научные цели, они вдохнули новую жизнь и в солнечную энергетику. Уже в 1958 году третий советский и первый американский спутники были оснащены солнечными батареями. С ними в реальных многомесячных условиях космического полета не мог конкурировать никакой другой источник энергии. С развитием практической космонавтики шло быстрое совершенствование и солнечных генераторов. Опыт работы орбитальной станции «Салют-6» показал, что проблема снабжения электроэнергией очень энергоемкого оборудования современных космических аппаратов за счет солнечной энергии полностью разрешена. Успехи космонавтики открыли перспективы создания в будущем грандиозных космических солнечных электростанций (КЭС) для снабжения энергией не только аппаратов и сооружений, работающих на орбитах, но и Земли.
Мы уже немного писали о проектах КЭС (см. «ТМ», № 3 за 1973 год), представляя их как возможную к 2050 году, но маловероятную из-за низкой экономической эффективности область развития космической техники. Но представления меняются. На сегодня сформировалось мнение, что энергетические потребности человечества могут сделать рентабельными КЭС уже в самом начале XXI века. В результате эта тема превратилась в одну из наиболее обсуждаемых на международных и национальных конгрессах и симпозиумах по космонавтике. Например, на Циолковских чтениях 1980 года было 5 научных докладов по КЭС.
XXVI съезд КПСС поставил задачу, с одной стороны, сосредоточить усилия на дальнейшем изучении и освоении космического пространства в интересах развития науки, техники и народного хозяйства, а с другой - увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии. Выполнение его решений, несомненно, приблизит время «солнечной эры» энергетики.
В начале февраля 2006 г. под председательством РФ в «Большой восьмерке» и в рамках Международного партнерства по водородной экономике (IPHE) состоялся всемирный форум «Водородные технологии для производства энергии», генеральным спонсором которого стали Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» и ГМК «Норильский никель».
Ископаемое топливо, к которому относятся уголь, нефть, газ и некоторые другие минералы и вещества, когда-нибудь закончится. Через сколько лет это случится, не имеет значения: рано или поздно человечество столкнется с нехваткой энергоресурсов. Некоторые шаги по решению отдаленной в будущем проблемы уже предпринимаются, однако не всегда эффективность новых способов высока.
Не все источники энергии в действительности являются в полной мере «альтернативными», заметно снижающими потребление той же нефти. Яркий тому пример - наподобие тех, что выпускает Tesla. Электричество не берется из ниоткуда, его необходимо выработать и доставить до потребителя, обеспечить хранение и последующую утилизацию носителей - батарей. Эксперты от автомобилестроения и энергетики утверждают, что данная проблема преувеличена, однако в некоторых регионах она все же актуальна.
В перспективе ситуация изменится и компании смогут полностью перейти на получение , воды и иных теоретически неистощимых источников (хотя все когда-то кончается). До тех пор можно лишь заглядывать в будущее в ожидании появления того самого «неистощимого».
Мы решили обратить внимание на потенциально эффективные, но на данный момент недоступные или нераспространенные по разным причинам энергоносители. Преграды могут иметь различный характер: например, недостаточно развитая технология делает получение и хранение энергии экономически нецелесообразным или слишком трудозатратным, что, в общем-то, одно и то же. Или источник существует лишь в умах ученых в качестве теории, реализация которой также пока невозможна.
1. Антиматерия (или антивещество)
Ее применяют в качестве топлива для межзвездных кораблей и обеспечения энергией целых городов и планет. Но лишь в фантастических романах и рассказах.
Производство антиматерии является весьма дорогостоящим процессом, а в «дикой» природе она не встречается (вернее, ее не обнаружили в обозреваемой Вселенной). Согласно подсчетам NASA, сделанным еще в 1999 году, синтез одного грамма антиводорода обошелся бы в $62,5 трлн. Но для полета на Марс достаточно куда меньшего объема - всего 1 мг. Ученым уже удалось создать немного антивещества и даже удержать его на краткий промежуток времени. Дело осталось за малым: добиться технологического прорыва на Земле или найти источник компонентов для производства антиматерии за пределами нашей планеты. Правда, потребуется еще и «батарейка» для ее хранения.
В NASA считают, что антивещество как поставщика энергии рассматривать пока нет смысла. В нашем же рейтинге оно является наиболее фантастическим, недостижимым, но очень лакомым источником благоденствия человечества.
2. Холодный ядерный синтез
Еще один гипотетический и, главное, дешевый источник, который позволит обезопасить ядерную энергетику и обеспечить Землю «электричеством». При «обычной» термоядерной реакции для сближения ядер рабочего вещества необходима температура в миллионы градусов. Холодный же ядерный синтез при достижении аналогичного результата не предполагает сильного нагревания. Ученые и исследователи со всего мира регулярно сообщают об успешных испытаниях рабочих установок ХЯС, однако дальше заявлений, к сожалению, дело не идет.
Государственные институты и частные организации продолжают трудиться в заданном направлении, но значимых успехов достигнуто не было, а Американское патентное агентство (USPTO) и вовсе перестало принимать заявки на технологии и устройства, в названии или описании которых упоминается холодный ядерный синтез. Объяснение простое: «Как и вечные двигатели, ХЯС не работает».
Некоторые называют холодный ядерный синтез алхимией. Сторонники же заговоров разного уровня утверждают, что успехи в данной области давно превзошли самые оптимистичные ожидания, а крупные корпорации намеренно препятствуют повсеместному применению ХЯС - они не заинтересованы в дешевой энергии для всех.
На данный момент технология находится даже не в зачаточном состоянии, а ее коммерческое применение начнется не раньше, чем человечество освоит производство антиматерии в промышленных масштабах.
3. Управляемый термоядерный синтез
Более приближенная к реальности технология получения энергии. На этот раз за счет высоких, а не комнатных температур, как при холодном ядерном синтезе. В отличие от ядерной энергетики, при использовании установок УТС проблема радиоактивных отходов стоит менее остро, теоретически и в случае аварии уровень загрязнения окружающей среды окажется заметно меньше.
К настоящему времени в разных странах мира было построено более трех сотен токамаков - установок для магнитного удержания плазмы. Однако наиболее заметной и, вероятно, перспективной является реализация проекта ITER, в рамках которого ведется реальная работа над созданием термоядерного реактора.
В проекте участвуют страны ЕС, а также США, Япония, Россия и некоторые другие государства. Запуск первых экспериментов запланирован на 2020 год, однако сроки могут измениться. Впрочем, сам ITER не будет производить электроэнергию: проект реализуется для проведения экспериментов и изучения существующих проблем для последующего создания коммерческого реактора подобного типа.
Американцы же готовы выпустить компактный термоядерный реактор менее чем через 10 лет. Предполагается, что он будет иметь размеры грузовика и на 20 кг топлива в год обеспечит энергией 80 тыс. домов. В России также реализуется подобный проект, однако в несколько измененном виде - речь идет о гибридной установке, в которой термоядерная реакция используется для улучшения производительности обычного ядерного реактора.
Добывать энергию возможно не только на поверхности Земли, но и в непосредственной близости от планеты. Многие знают, что такое солнечные батареи и насколько их эффективность зависит от различных аспектов окружающей среды. Еще в прошлом веке была предложена идея создания на орбите Земли солнечных «ферм», которые передавали бы собранную энергию вниз посредством электромагнитных волн - тянуть провода окажется слишком накладно.
Система зеркал вокруг нашей планеты улавливала бы свет Солнца на протяжении практически всего времени функционирования, что в разы выше показателей солнечных электростанций на поверхности Земли. В теории поток добытой энергии можно было бы передавать адресно в точки размещения приемников. Некоторые ученые также предлагают размещение солнечных электростанций на Луне, однако это значительно повысит затраты на создание системы передачи энергии на Землю.
Основные минусы, которые не позволят реализовать нечто подобное в ближайшем будущем, заключаются в дороговизне, сложности обслуживания и огромном количестве космического мусора (земляне оставляют свой след везде, куда могут добраться).
Кстати, ученые регулярно проводят испытания по беспроводной передаче энергии, однако пока расстояния слишком малы для применения подобных систем на орбите. Так, в марте 2015 года Mitsubishi смогла отправить 10 кВт к приемнику в полукилометре от излучателя. В любом случае, технология найдет свое применение и на Земле, например для передачи энергии в труднодоступных местах или электромобилям на дорогах. Однако цель перед инженерами стоит куда более высокая - во всех смыслах.
5. Биотопливо и компания
Замыкает список сборная «солянка» с весьма специфическим составом, но доступная уже сегодня. В качестве источника энергии могут применяться , различные сельскохозяйственные культуры и даже отходы жизнедеятельности человека и животных. Главное в этом вопросе - умеренность. Ведь даже самые «экологичные» варианты могут нанести непоправимый вред.
По крайней мере, именно такая ситуация сложилась после того, как популярность в качестве топлива обрело пальмовое масло: повышенный спрос на этот продукт привел к росту плантаций растений за счет других культур. В частности, имели место вырубка лесов и уничтожение торфяников.
Британцы, известные всему миру своими учеными, весной 2015 года доказали, что свою славу они заработали не на пустом месте: автобус, работающий на коровьих «лепешках», поставил рекорд скорости (123,5 км/ч) для рейсовых транспортных средств. Работала машина, конечно, не на оригинальном сырье, а на добытом из него газе.
Даже Билл Гейтс решил профинансировать создание работающего на моче зарядного устройства для мобильных девайсов: уже готовая экспериментальная установка содержит микробные топливные элементы, которые питаются содержащимися в урине органическими элементами. Возможностей море, необходимо лишь разработать требуемые для их использования технологии.
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.
Представляем вам список из десяти самых многообещающих источников энергии будущего.
Каждый час земля получает столько солнечной энергии, больше, чем земляне ее используют за целый год. Один из способов использование этой энергии, создание гигантских солнечных ферм, которые будут собирать часть высокоинтенсивного и бесперебойного солнечного излучения.
Огромные зеркала будут отражать солнечные лучи на коллектора меньшего размера. Затем эта энергия будет передаваться на землю с помощью микроволновых или лазерных пучков.
Одна из причин, почему этот проект находится на стадии идеи – это его огромная стоимость. Тем не менее, он может стать реальностью не в столь отдаленное время из-за развития гелеотехнологий и уменьшения стоимости вывоза грузов в космос.
9. Энергия человека
У нас уже есть устройство заряжаемое человеком, но ученые работают над тем, как получить энергию от обычного движения. Речь идет о микроэлектронике, но потенциал велик, при целевой аудитории в миллиард людей. Сегодня разрабатывается электроника, потребляющая все меньше энергии и однажды возможно, ваш телефон будет заряжаться, болтаясь в сумке, в кармане или в ваших руках и при вождением пальцем по экрану.
В национальной лаборатории Лоуренса в Беркли ученые представили устройство, использующие вирусы для трансформации давления в электричество. Это звучит потрясающе, но пока объяснить, как это работает невозможно. Так же есть небольшие переносные системы пассивно производящие энергию во время вашего движения. Энергия человека не спасет от глобального потепления, но может спасти любая мелочь.
