Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

Китайская госкомпания Dongfang Electric Corporation сообщила, что на днях завершила установку самой высокой в мире прибрежной ветряной турбины мощностью 18 МВт. Установка сможет вырабатывать 72 ГВт·ч чистой энергии в год, обеспечивая баланс потребления на восточном побережье Поднебесной вместе с поставками солнечной энергии с западных пустошей.

Источник изображения: Dongfang Electric Corporation

Западные эксперты призывают не спешить следовать по пути Китая и не создавать сверхгигантские ветряные установки. Это экономически невыгодно по массе причин, включая отсутствие вменяемых цепочек поставок и необходимого кранового оборудования. Китай, в свою очередь, делает ставку на ветряную энергию, как на основу безуглеродной энергетики после 2060 года. С прошлого года в стране создали технологию возведения 16-МВт ветряков всего в течение одних суток. Теперь они могут расти как грибы.

Только что развёрнутый ветряной генератор мощностью 18 МВт имеет ротор диаметром 260 м. Это примерная площадь более 7 стандартных футбольных полей. Чем больше площадь «пропеллера», тем быстрее окупается генератор и тем больше мощности он вырабатывает. Новым рекордом обещает стать 22-МВт ветряк выше Эйфелевой башни с диаметром ротора 310 м. Но это будет уже другая эпичная история. Пока это только проект.

В понедельник в энергосистему Китая была включена крупнейшая в мире солнечная электростанция. Её пиковая мощность достигает 5 ГВт, а за год эксплуатации создаётся до 6 ГВт·ч электрической энергии. Теперь три крупнейших в мире солнечных фермы размещены в Поднебесной: две по 3 ГВт и одна на 5 ГВт. Это настолько много, что, по мнению аналитиков, национальные линии электропередач перестают справляться с распределением выработки.

Источник изображения: CGTN

Согласно грандиозному плану китайских властей, в стране должно быть создано 455 ГВт генерирующих мощностей на возобновляемых источниках энергии — солнечной и ветряной. Солнечные станции создаются в отдалённых пустынных районах страны, откуда энергия передаётся в центральные и восточные прибрежные мегаполисы. Это подразумевает создание сверхсовременных линий электропередач со сниженными потерями. К тому же, учёные пока не до конца понимают степень воздействия электромагнитных полей таких линий на экосистему и климат. Но голова боится, а руки делают.

Новая солнечная электростанция была включена в сеть в минувший понедельник. Солнечная ферма мощностью 5 ГВт раскинулась на площади 81 тыс. га недалеко от столицы Синьцзян-Уйгурского автономного района города Урумчи. Примерный подсчёт говорит, что возможностей этой электростанции хватит на круглогодичное обеспечение энергией 2 млн электромобилей. Это означает, например, что для снабжения энергией всего парка автомобилей США (285 млн), если бы они были электрическими, потребовалась бы солнечная ферма площадью со штат Пенсильвания.

Впрочем, от солнечных электростанций масса других выгод, кроме эксплуатации бесплатной энергии Солнца. Во-первых, они поддерживают экономику Китая. Во-вторых, они вытесняют ископаемую энергетику с её выбросами. В-третьих, это позволяет рационально использовать не имеющую других выгод территорию. Для густозаселённых стран это не самое лучшее решение, но никто не мешает вырабатывать энергию в пустынях и, например, по подводным кабелям передавать в Европу. Но это уже другая история.

Министерство внутренних дел и коммуникаций Японии заявило, что будет на законных основаниях закрывать проекты фотоэлектрической генерации в случае создания ими радиочастотных помех. С 2021 года Министерство получило 44 жалобы от оборонных и правительственных структур на помехи связи со стороны солнечных электростанций. Производители фотопанелей и интеграторы должны ответственно отнестись к этому заявлению и принять меры.

Безэховая камера для тестирования на радиопомехи. Источник изображения: Stan Zurek, Wikimedia Commons

В основном жалобы на создание помех радиосвязи поступали на крупномасштабные проекты, но не ограничивались ими. В этой связи Министерство уведомило Японскую ассоциацию производителей электрооборудования и Японскую ассоциацию фотоэлектрической энергетики (JPEA) о нежелательных радиопомехах от систем солнечной генерации, которые способны приводить к сбоям беспроводной связи. Если на таких объектах проблемы не будут устранены, то у властей есть все законные основания закрыть их.

В частности, жалобы были на помехи цифровым радиосистемам местных органов власти, используемым для предотвращения стихийных бедствий, служб реагирования на пожары и экстренной связи. Чтобы этого не было, производителям панелей и интеграторам следует использовать систему фильтрации помех в электрических цепях солнечной генерации, а также учитывать вероятность их появления в случае тех или иных недоработок в проектах.

Также регулятор призвал японских проектировщиков взять на вооружение соответствующие рекомендации Международной электротехнической комиссии (IEC). В документах IEC есть положения, которые регламентируют вопросы снижения нежелательного излучения радиоволн от систем солнечной генерации. Но это не сильно помогло в Европе, где регуляторы Нидерландов и Швеции, например, сообщали о радиопомехах от солнечных электростанций ещё в 2023 и, соответственно, 2021 годах.

Молодая компания Airiva представила модульную вертикальную ветряную турбину для установки в частных домовладениях. Сообщается, что это почти бесшумное решение, которое способно вырабатывать до 2,2 МВт·ч энергии в год на каждый модуль из восьми лопастей. Использование новинки позволит отказаться от солнечных панелей там, где есть постоянные ветра и это не будет сопровождаться обычным для ветрогенераторов шумом.

Источник изображений: Airiva

Впервые разработка была представлена три года назад. Над проектом в одиночку долго работал дизайнер из Нью-Йорка Джо Дусе (Joe Doucet). Он поставил перед собой задачу создать наиболее бесшумный профиль вертикальной лопасти, которая бы не создавала шум при вращении или этот шум был бы максимально низким. Впоследствии он создал компанию Airiva, которая теперь занимается вопросами коммерциализации проекта.

Испытания в аэродинамической трубе позволили отобрать наиболее перспективный профиль вертикальных лопаток. Другим преимуществом предлагаемого решения, как утверждают в компании, стала инновационная система синхронизации лопастей и процесса выработки ими электроэнергии. Базовый модуль размерами 4,2 × 2,1 м с восемью вертикальными лопастями способен вырабатывать до 2,2 МВт·ч энергии в год.

Для среднестатистического американского домохозяйства потребуется пять таких модулей, но в продаже их пока нет. Разработчик всё ещё изучает возможность производства и распространения этих решений. Но выглядит интересно, этого не отнять.

Базовые знания по биологии подсказывают, что жизненные процессы в растениях сопровождаются производством электричества. Водно-ионный обмен в живых тканях создаёт потенциал на подключённых электродах. В теории зелёные насаждения могут стать прямым источником электрической энергии, к чему учёные из Индии призывают готовиться уже сейчас. Для этого они изучили динамику выработки тока растениями в зависимости от циркадных ритмов.

Источник изображения: Indian Institute of Technology (IIT) Kharagpur

Очевидно, что растения по-разному ведут себя днём и ночью, а также в зависимости от погодных факторов. Из этого также следует, что производство электрической энергии тоже будет зависеть от суточных ритмов насаждений. Исследователи из Индийского технологического института в Харагпуре решили с максимально возможной точностью изучить влияние циркадных ритмов и других факторов на генерирующие свойства растений.

В качестве подопытных были выбраны эйхорния толстоножковая (водяной гиацинт, Eichhornia crassipes) и лаки бамбук (драцена сандера, Dracaena sanderiana). Учёные прикрепили к ним электроды, а также подключили датчики к резервуарам с питающей жидкостью для контроля за щелочным составом.

«Этот потоковый [генерирующий] потенциал, по сути, являющийся следствием естественной энергии, получаемой на растении, предлагает возобновляемый источник энергии, который работает непрерывно и может быть устойчивым в течение длительного периода, — сказал автор работы Суман Чакраборти (Suman Chakraborty). — Вопрос, на который мы хотели ответить, заключался в том, какой потенциал оно может вырабатывать и как на электрический потенциал влияют биологические часы растения?».

Эксперименты показали, что электричество на растении можно производить в циклическом ритме. Также учёные установили точную связь между генерацией и присущим растениям суточным ритмом. Сверх того, процессы генерации удалось привязать к потреблению растением воды и ионному обмену в процессе движения сока по их сосудам.

«Мы не только заново открыли электрический ритм растений, описав его в терминах напряжений и токов, но мы также предоставили информацию о возможном использовании вырабатываемой растениями электроэнергии устойчивым образом без воздействия на окружающую среду и без нарушения экосистемы, — пояснили учёные. — Полученные результаты могут помочь в разработке биомиметических, вдохновленных природой систем, способных противостоять глобальному энергетическому кризису с помощью экологически чистого, устойчивого решения, при котором посадка дерева не только устраняет кризис изменения климата и ухудшения качества окружающей среды, но и обеспечивает получение электроэнергии из насаждений».

Учёные придумали множество реакций по превращению углекислого газа в топливо или химреактивы, но все они имеют недостатки и далеки от 100-% эффективности. Такие реакции ведут к побочным продуктам в виде водорода или карбонатов и зря расходуют энергию. Но учёные из США придумали техпроцесс, в ходе которого происходит абсолютно эффективное преобразование CO₂ в топливо или химические реактивы с использованием дешёвого цинкового катализатора, что меняет всё.

Источник изображения: Nature

Открытие сделали исследователи из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago Pritzker School of Molecular Engineering). Рецензируемая публикация по работе вышла в журнале Nature. Учёные поставили перед собой цель создать условия для высочайшего контроля молекул воды в растворе, чтобы каждый протон в электрохимическом процессе преобразования CO₂ во что-то полезное расходовался не на пустышки типа образования газообразного водорода или карбонатов, а вовлекался в синтез синтетического топлива или химических реактивов: этанола, метилового спирта, муравьиной кислоты и других соединений.

«Представьте, что мы можем получать экологически чистое электричество от солнца и ветра, а затем использовать это электричество для преобразования любого углекислого газа обратно в топливо», — поделился своей мечтой первый автор статьи Реджи Гомес (Reggie Gomes).

Исследователи не стали изобретать велосипед, а воспользовались хорошо известной реакцией электрохимического восстановления диоксида углерода (CO₂R, electrochemical carbon dioxide reduction). В ходе этой реакции углекислый газ в присутствии воды разлетается на атомы углерода, кислорода и водорода как бильярдные шары после первого удара. Задача состоит в том, чтобы в итоге собрать необходимые молекулы без образования побочных продуктов. Учёные решали её с помощью получения контроля над поведением молекул воды в растворе. Для этого они игрались с его кислотностью и регулировали электрохимические и электростатические связи молекул.

Наилучший результат был получен в присутствии катализаторов из золота, серебра и платины. Эти металлы наиболее эффективно подавляли реакции образования водорода в процессе электрохимической реакции. Но для массового производства химреактивов и синтетического топлива это не годится — они получатся буквально золотыми. Поиск привёл к катализаторам из обычного цинка, которого в земных недрах более чем достаточно и по бросовой цене.

«На данный момент лучший способ сделать это [преобразовать CO₂] электрохимически при комнатной температуре — это использовать драгоценные металлы. Золото и серебро могут немного подавлять реакцию выделения водорода, — поясняют авторы работы. — Благодаря нашему открытию мы теперь можем использовать распространенный на Земле металл цинк, потому что у нас теперь есть отдельный способ контроля воды».

Китай, крупнейший в мире производитель и потребитель солнечной энергии, столкнулся с неожиданной проблемой — избытком солнечной электроэнергии, которую его энергосистема не в состоянии полностью использовать и хранить.

Источник изображения: Moritz Kindler/Unsplash

Согласно отчету агентства Reuters, опубликованному на днях, Китай установил настолько много солнечных панелей, что страна просто не в состоянии потребить или сохранить сгенерированную электроэнергию в таком количестве даже с помощью систем хранения.

Источник изображения: Reuters

Эта ситуация заставила китайские власти сократить некоторые субсидии для солнечной отрасли, что привело к замедлению темпов установки новых мощностей. Тем не менее, несмотря на это замедление, Китай по-прежнему опережает все остальные страны по объемам ввода новых мощностей солнечной генерации. Так, по состоянию на март 2024 года, установленные мощности солнечной энергетики Китая достигли 660 ГВт. Для сравнения, в США, которые занимают второе место в мире в этой сфере, на конец 2023 года работало 179 ГВт солнечных станций.

Как отмечает Businessinsider, стремительный рост солнечной энергетики является частью китайской стратегии развития «новых трех отраслей» — ветряной энергетики, солнечной энергетики и электромобилей. Однако теперь Китай столкнулся с тем, что его энергосистема не поспевает за высоким ростом генерации электроэнергии.

Эксперты предупреждают, что избыток производства солнечных панелей в Китае может привести к еще большему затовариванию мирового рынка и падению цен. Так, крупнейший китайский производитель солнечных панелей Longi Green Energy уже объявил о сокращении нескольких тысяч рабочих мест из-за перепроизводства и, соответственно, низких цен.

Чтобы справиться с ситуацией, Китайская ассоциация фотоэлектрической промышленности призывает к консолидации отрасли, ограничению внутренней конкуренции и большему контролю за мощностями. Однако пока неизвестно, будут ли предприняты конкретные шаги правительством для решения этой проблемы и если будут, то когда.

Тем временем, несмотря на внутренние трудности, Китай, вероятно, продолжит наращивать экспорт солнечных панелей. Это, в свою очередь, вызывает обеспокоенность США, ЕС и других стран, которые видят в этом угрозу для своих производителей. Запад призывает Китай сдерживать экспорт.

Из Калифорнии сообщают, что последние 45 суток штат ежедневно живёт с превышением выработки электрической энергии из возобновляемых источников над спросом. Излишки либо оседают в аккумуляторах, либо экспортируются в другие штаты. «Это не аномалия, — заявляют аналитики. — Это новая реальность!»

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Баланс потребляемой и вырабатываемой штатом электроэнергии отслеживает профессор гражданского строительства и охраны окружающей среды Стэнфордского университета Марк З. Джейкобсон (Mark Z. Jacobson). Он докладывает о состоянии энергосети Калифорнии в сети X (бывшая Twitter). В последнем обновлении от 21 мая 2024 года Джейкобсон сообщил, что в течение 45 дней подряд (69 из 75 дней подряд) предложение солнечной энергии #WindWaterSolar в Калифорнии каждый день частично превышало спрос. 20 мая это продолжалось в течение 7,58 часов, достигнув максимума в 135,4 % от спроса.

Как следует из хештега, учитываются показатели выработки солнечной, ветряной и гидроэнергетики. Благодаря обильным дождям в штате в последние месяцы гидроэнергетика бьёт все рекорды. Поэтому аналитики призывают не спешить праздновать победу в сфере энергетики с нулевым выбросом. Впереди частые в этом штате периоды засухи, а одни только солнце и ветер возможный дефицит в электричестве не покроют.

Джейкобсон отмечает, что предложение превышает спрос «на 0,25-6 часов в день», и это важный факт. Непрерывность заключается не в том, что возобновляемые источники энергии обеспечивают работу сети в течение всего дня, а в том, что это происходит ежедневно, чего раньше никогда не достигалось. Иначе говоря, в вечернее и ночное время штат закрывает вопрос со спросом либо гидроэнергетикой, либо поставкой из аккумуляторных хранилищ. В дневное время происходит запасание энергии в хранилищах, а также продажа излишков в соседние штаты.

Отметим, что в Калифорнии находится крупнейшее в мире сетевое хранилище энергии на аккумуляторных батареях (оно было запущено в эксплуатацию в январе 2024 года), а это означает, что эти батареи теперь весь день наполняются избыточной солнечной энергией и отдают её в сеть в вечернее и ночное время. Подобные проекты будут множиться в штате. Также в Калифорнии будут создаваться новые солнечные и ветряные электростанции. Существует рекомендация начать 26 новых «зелёных» проектов в штате общей стоимостью $6,1 млрд. В основном это должны быть ветряные электростанции в прибрежных водах.

Ранее Калифорния приняла закон, который обязывает к 2045 году обеспечить 100-% переход на выработку электричества с нулевым выбросом. По мнению Джейкобсона, Калифорния полностью перейдёт на возобновляемые источники энергии и аккумуляторы в режиме 24/7 ещё раньше — к 2035 году.

Итальянская компания Enel Green Power совместно со швейцарской компанией Energy Vault сообщила о планах построить в Техасе первый на Западе гравитационный аккумулятор. Проект был предложен более двух лет назад, но начало работ по нему было отложено по неизвестной причине. Мощность аккумулирующей установки составит 18 МВт, а её ёмкость — 36 МВт·ч. Энергия в аккумуляторе будет запасаться в 24-тонных поднятых на высоту блоках.

Источник изображения: Energy Vault

Швейцарская Energy Vault уже построила аналогичную по принципам работы аккумулирующую установку в Китае. Первый объект, а всего их будет девять, был подключён к национальной энергораспределительной сети Китая весной этого года. Объект вырабатывает электричество мощностью 25 МВт и обладает ёмкостью 100 МВт·ч. Компьютерная система с машинным зрением поднимает 24-т блоки на высоту до 120 м за счёт использования избыточной энергии от возобновляемых источников. В моменты отсутствия «зелёной» энергии — ночью или в штиль — блоки спускаются на уровень земли и вырабатывают электричество, которое уходит в сеть.

По предварительным данным, высота объекта Energy Vault в США будет достигать 140 м, что позволит запасать больше энергии на установке меньшей площади. После ввода объекта в строй он будет включён в распределительную систему Техаса под управлением Совета по надёжности электроснабжения Техаса (ERCOT).

Построенная ранее в Швейцарии первая и экспериментальная установка компании Energy Vault ёмкостью 5 МВт·ч показала полный КПД (на подъём и спуск) на уровне 75 %. В компании уверены, что они смогут поднять этот показатель до 80 %, что сравняет гравитационные аккумуляторы с возможностями гидроаккумулирующих электростанций и даже аккумуляторных систем хранения. Во всяком случае, эксплуатация и обслуживание гравитационных аккумуляторов будут дешевле и в более продолжительный период, а аккумуляторы в виде тяжёлых блоков можно изготовить на месте буквально из земли под ногами — из вынутого под фундамент грунта и вообще из любого мусора.

По данным китайской госкомпании China Southern Power Grid Energy Storage, 11 мая в стране начала функционировать первая промышленная станция хранения энергии, использующая натрий-ионные аккумуляторные батареи. Её построили в Наньнине, административном центре и крупнейшем городе Гуанси-Чжуанского автономного районе на юге Поднебесной.

Источник изображения: China Southern Power Grid Energy Storage

По данным источника, ёмкость станции на момент запуска составляет 10 мегаватт-часов, а после того, как будет завершены все этапы её расширения, этот показатель увеличится до 100 мегаватт-часов. В сообщении сказано, что на станции используются натрий-ионные элементы питания ёмкостью 210 А·ч каждый.

Отмечается, что зарядить такой аккумулятор до 90 % можно всего за 12 минут. В общей сложности в состав системы входит 22 тыс. элементов питания. Когда проект выйдет на полную мощность, станция будет отдавать ежегодно 73 тыс. мегаватт-часов энергии в год. Этого достаточно для обеспечения энергией 35 тыс. домохозяйств. При этом выбросы углекислого газа в атмосферу снизятся на 50 тыс. тонн в год.

По данным китайских специалистов, эффективность преобразования энергии в системе хранения на основе натрий-ионных аккумуляторов превышает 92 %. Это сопоставимо с аналогичным показателем традиционных систем хранения энергии на основе литий-ионных элементов, где показатель эффективности обычно составляет 85-95 %.

Отмечается, что к моменту организации крупномасштабных производств натрий-ионных аккумуляторов, цена таких элементов может снизиться на 20-30 %. Этому также будет способствовать дальнейшее совершенствование конструкции элементов питания, улучшение производственных процессов, используемых материалов и др. Конечная цель состоит в том, чтобы за счёт перераспределения максимально снизить стоимость электроэнергии для конечных потребителей.

Борьба за экологию выходит на новый уровень — крупнейшие японские судостроители приступили к технико-экономическому обоснованию проекта сухогруза на древесных пеллетах. Транспортное судно на опилках водоизмещением до 35 тыс. т позволит снизить выбросы парниковых газов на 22 % по сравнению с использованием ископаемого топлива. Стремление судостроителей подчёркивает курс Японии на работу с возобновляемыми источниками энергии.

Источник изображений: NYK Line

О заключении меморандума о взаимопонимании для работы над проектом сообщили японские компании NYK Line, NYK Bulk & Projects Carriers и Tsuneishi Shipbuilding и британская компания Drax Group. Участники проекта уже доставляют в Японию древесные пеллетты из США и Канады, где их производит Drax Group и другие компании. Древесное топливо считается в некоторых странах возобновляемым источником энергии и разрешено к сжиганию промышленными и иными установками.

Если технико-экономическое обоснование проекта сухогруза класса Handysize на пеллетах удовлетворит консорциум, то первое такое судно будет построено к 2029 году. Как и в случае других газогенерирующих платформ, на биосудне древесное топливо будет превращаться в газы в процессе сжигания при высокой температуре, после чего газы — монооксид углерода, водород и метан — будут сжигаться для получения электрической энергии и использоваться для работы двигателей.

Вырубка лесов растёт, отмечают участники консорциума, поэтому распорядиться отходами лесной промышленности необходимо грамотно и с лучшей отдачей. Одновременно с этим прореживание лесов и насаждение новых улучшит степень поглощения углекислого газа растениями естественным образом, что только добавит проекту больше плюсов. Впрочем, после экспериментов японцев со спутниками из дерева разве нас должны удивлять подобные проекты?

Доля возобновляемых источников в производстве всей электроэнергии в мире достигла рекордного показателя — 33 %. Особенно стремительный рост показали солнечная и ветровая энергия. По прогнозам через 10 лет доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Источник изображения: Copilot

Согласно недавнему отчету независимого аналитического центра Ember, 2023 год стал поворотным для возобновляемой энергетики. Объемы выработки электроэнергии солнечными электростанциями выросли на 23 %, а ветровыми — на 10 %. В то же время производство электроэнергии с использованием ископаемого топлива, такого как уголь и газ, увеличилось лишь на 0,8 %. Такие темпы роста возобновляемых источников энергии являются беспрецедентными.

Стоит отметить, что ещё в 2000 году на возобновляемые источники приходилось лишь 19 % мирового производства электроэнергии, но за последние два десятилетия ситуация радикально изменилась. Аналитики прогнозируют, что в ближайшие 10 лет мир вступит в новую эру, когда доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Причины стремительного роста возобновляемой энергетики очевидны. Во-первых, стоимость солнечных панелей и ветряных турбин неуклонно снижается. Во-вторых, все больше стран вводят жесткие экологические нормы, стимулируя развитие «зеленой» энергетики. Наконец, растет общественное давление на правительства и корпорации с требованиями ускорить энергетический переход.

Впрочем, пока рано говорить о тотальном доминировании возобновляемых источников энергии. В 2023 году мировое производство гидроэлектроэнергии упало до пятилетнего минимума, что частично компенсировалось за счет угля и газа. Кроме того, глобальный спрос на электричество продолжает расти примерно на 2 % в год, и чтобы удовлетворить этот спрос исключительно за счет «зеленой» энергетики потребуются колоссальные инвестиции в ветровые и солнечные мощности.

Источник изображения: Ember

Тем не менее, общая тенденция такова — мир неуклонно движется к возобновляемому энергетическому будущему, а согласно прогнозам Ember, в ближайшее десятилетие масштабы использования ископаемого топлива будут неуклонно сокращаться, что приведет к существенному снижению выбросов парниковых газов. И хотя полная декарбонизация энергетики потребует значительных усилий, 2023 год продемонстрировал, что этот процесс необратим.

В отчете Ember собраны данные из 215 различных стран, включая данные по 80 странам, на которые приходится 92 процента мирового спроса на электроэнергию. Также включены данные из 13 географических и экономических регионов, таких как Азия, Африка, ЕС и G7.

Системы накопления энергии в сжатом воздухе — это не новость. Первый такой накопитель заработал в Германии в 1978 году, и он всё ещё в строю. Избыток энергии превращается в сжатый воздух и затем расходуется в обратном направлении через турбины. Израильская компания придумала самый дешёвый вариант установки такого рода. Они предложили закачивать воздух в ёмкости на дне моря, где естественное давление воды будет обеспечивать обратную работу.

Источник изображений: BaroMar

Изюминка проекта компании BaroMar — в максимальной дешевизне установки. Поскольку ёмкости для сжатого воздуха будут находиться в толще воды под её давлением, то накопители могут быть относительно низкого качества из стали или бетона. Для ёмкостей на воздухе требования были бы совсем иные. Чтобы ёмкости не всплывали, разработчики предлагают накрывать их шапкой из насыпи обычной скальной породы. Всё это удешевит проект.

Излишки возобновляемой энергии будут подаваться на компрессор, который будет нагнетать давление в ёмкостях на глубине от 200 до 700 м (20–70 атмосфер). Фишка в том, что ёмкости заполняются водой через односторонние клапаны. Когда воздух нагнетается, вода выталкивается из ёмкостей — система накапливает энергию, а когда воздух надо подать по обратному маршруту на генераторы — ночью или в безветренную погоду, то вода естественным давлением на глубине вытеснит его на поверхность по трубопроводу в установки по производству электрической энергии.

По словам BaroMar, КПД установки составит 70 %. Для системы мощностью 100 МВт ёмкостью 1 ГВт·ч при работе 350 дней в году в течение 20 лет стоимость хранения энергии составит $100 за каждый МВт·ч, тогда как конкурирующие предложения не будут дешевле $131 за МВт·ч.

В настоящий момент компания проектирует демонстратор системы хранения ёмкостью 4 МВт·ч на Кипре. Технические вопросы не единственные, которые придётся решать в процессе реализации демонстратора. Есть вопросы к геологии, экологии и правовым последствиям мероприятия.

Добавим, сегодня самая мощная установка по хранению энергии в сжатом воздухе введена в эксплуатацию в Китае. Это система мощностью 100 МВт ёмкостью 400 МВт·ч. КПД установки достигает 70 %. Чтобы его достичь разработчики создали систему рекуперации тепла. Горячий воздух расширяется и лучше преобразует энергию сжатия в работу генераторов (турбин). Но на его сжатие в процессе закачки в ёмкость под давлением 140 атмосфер также расходуется тепло. Китайцы смогли аккумулировать это тепло и использовать для нагрева в процессе расходования сжатого воздуха, благодаря чему достигли высокого КПД.

Немецкая компания Voodin Blade Technology запустила процесс опытного производства лопастей ветрогенераторов из клеёного бруса. Такие лопасти могут полностью перерабатываться в отличие от современных лопастей из стеклоткани, эпоксидной смолы и углепластика. Лопасти производятся на станках с ЧПУ и по ряду характеристик обещают оказаться лучше синтетических.

Источник изображений: Voodin Blade Technology

Оборудование современных ветроэлектростанций перерабатываются на 85–90 %. Что совершенно не подлежит переработке — это лопасти, произведённые из углепластика, стеклоткани и эпоксидной смолы. Сегодня их свозят на свалки либо закапывают в землю. Со временем эта практика приведёт к проблемам с экологией. Переработка в данном случае очень и очень дорогая, поскольку требует массы химических реактивов, воды и энергии для растворения эпоксидной смолы и последующего изъятия материалов.

Молодая немецкая компания Voodin Blade Technology предлагает разом отказаться от практики использования синтетики при изготовлении лопастей для ветряных турбин. Для доказательства этой концепции они разработали техпроцесс и с его помощью изготовили 9,3-м деревянные лопасти из клеёного бруса. Затем лопасти установили на действующую ветряную турбину в Бреуне, недалеко от города Кассель в Германии.

Одним из преимуществ изготовления лопастей на станках с ЧПУ в компании называют возможность производства лопастей любой формы без необходимости создавать пресс-формы. Лопасти можно производить на месте, где создаётся ветроэлектростанция, снижая воздействие на экологию производства и транспортировки.

Более того, компания утверждает, что клеёный брус более долговечен, чем композитные материалы, которые обычно используют для изготовления лопастей турбин. В частности, соучредитель компании Хорхе Кастильо (Jorge Castillo ) сказал: «За последние два года мы провели сотни лабораторных испытаний, чтобы усовершенствовать материал лопастей. Согласно всем нашим тестам, наши лопасти даже более долговечны, чем существующие лопасти из стеклопластика, поскольку они обладают меньшими усталостными характеристиками и, как доказано, отлично переносят любые погодные условия на суше».

В дополнение к испытаниям прототипа турбины с деревянными лопастями, компания Voodin в настоящее время разрабатывает новые прототипы с лопастями большего размера — 60-м и 80-м.