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.

Гидроаккумулирующие электростанции не являются чем-то новым. Вот только построить их можно далеко не везде. Необходим значительный перепад высот, чтобы в моменты пикой выработки солнечной и ветряной энергетики поднимать воду повыше, а в ночное время и штиль спускать обратно через турбины. Британцы нашли выход — предложили повысить плотность воды за счёт минеральных присадок, что снизит требования к установкам по высоте и объёму.

Источник изображения: RheEnergise

Проект гидроаккумулирующих электростанций на жидкости повышенной плотности разрабатывает компания RheEnergise. На днях она получила разрешение на строительство пилотного объекта мощностью 500 кВт и рассчитывает в течение 2 лет создать установку мощностью 10 МВт. Строительной площадкой станет участок, принадлежащий добывающей компании Sibelco в Корнвуде недалеко от Плимута в графстве Девон, Великобритания. Проект финансируется из бюджета британской программы LoDES по реализации передовых проектов в области возобновляемой энергетики.

Компания RheEnergise создала патентованную минеральную присадку R19, которая превращает воду в тяжёлую пастообразную жидкость. По факту присадка увеличивает плотность воды в 2,5 раза. Это означает, что верхний резервуар для гидроаккумулирующей электростанции можно будет сделать на 40 % меньше, а также необходимо будет поднимать жидкость на высоту на 40 % ниже, чем в случае для гидроаккумулирующих мощностей на основе чистой воды для той же вырабатываемой мощности.

Для строительства гидроаккумулирующих мощностей на воде с присадками подойдут обычные холмы. Только при первичном изучении вопроса в Великобритании обнаружилось до 7000 подходящих площадок, тогда как для гидроаккумулирующих мощностей на основе обычной воды таких мест очень и очень мало. К тому же строительство объекта будет дешевле создания хранилища на основе литиевых аккумуляторов, как говорят разработчики, и износ оборудования тоже будет ниже.

25 апреля 1954 года американские исследователи представили прототип первого пригодного к практическому использованию солнечного элемента. Его КПД в то время составлял около 6 %. С тех пор многое произошло, а солнечная энергетика вышла на пик популярности.

Солнечные элементы образца 1956 года. Источник изображения: John Marton, Wikimedia

В момент демонстрации разработки 70 лет назад издание New York Times не скрывало энтузиазма: «Это изобретение может ознаменовать начало новой эры — использования почти безграничной солнечной энергии для нужд человеческой цивилизации». Но прошли десятилетия, прежде чем это пожелание обрело реальные черты. По-настоящему глобальный рост фотовольтаики начался в последние 10 лет. Так, если в 2004 году во всём мире установили солнечных панелей суммарной мощностью 1 ГВт, то к 2010 году более 1 ГВт панелей устанавливали каждый месяц. К 2015 году темпы выросли до 1 ГВт в неделю, а теперь это 1 ГВт в день.

По мнению немецкой отраслевой ассоциации Bundesverband Neue Energiewirtschaft Association, в течение текущего десятилетия можно рассчитывать на ежегодный прирост солнечных мощностей на 1 ТВт в год.

Изобретатели кремниевых фотопанелей за работой

Более 70 лет назад перед американскими учёными Дэрилом Чапином, Джеральдом Пирсоном и Кэлвином Фуллером изначально ставилась задача разработать надежный источник энергии для удаленных телефонных систем, для которых обычные батареи были неэффективны. К тому времени уже были созданы солнечные элементы из селена, но их КПД был крайне низким для практического использования.

Многомесячная работа учёных привела к созданию первого кремниевого солнечного элемента, пригодного к использованию в составе солнечного модуля. Он был представлен 25 апреля 1954 года. Заявленный на тот момент КПД составлял всего 6 %. Этот показатель медленно рос в течение нескольких десятилетий, совершив рывок только в последние 20 лет. Сегодня КПД кремниевого элемента приблизился к 25 %, что недалеко от теоретического предела для этого материала, но ему на смену идут новые технологии. Например, перовскитные и тандемные солнечные ячейки.

Реклама первых коммерческих солнечных панелей

Даже сегодня Bell Labs, которая тогда была частью компании AT&T (сейчас она работает под управлением Nokia Bell Labs), называет «солнечный элемент» одной из своих «величайших инноваций». Трое ученых были посмертно награждены за свое изобретение в 2008 году — их имена внесли в Национальный зал славы изобретателей США.

В прошлом году власти Германии начали процесс смягчения правил, облегчающих гражданам самостоятельную установку солнечных панелей на балконах. Но ещё до этого Германия стала европейской страной, где солнечные панели на балконах жилых домов встречаются наиболее часто. К этому привела практика поощрения энергетического перехода, а также создание простого и понятного оборудования как с позиций монтажа без квалификации, так и с точки зрения его подключения.

Источник изображения: Meyer Burger

Установка солнечных панелей на балконах жилых домов является частью обширной программы использования любых поверхностей для фотовольтаики. До недавнего времени жители многоквартирных домов были лишены удовольствия использовать солнечную энергетику для снижения своих счетов за электричество. Установка солнечных мини-ферм на крышах требовала согласования со всеми жильцами, а также услуг квалифицированных монтажников. Также при установке солнечных панелей на крышах необходимо учитывать нагрузки, затенение и архитектурную ценность зданий. Поэтому балконы стали спасением для желающих участвовать в энергетическом переходе.

По данным ассоциации SolarPower Europe, в Германии установлено более 400 000 подключаемых солнечных систем, большинство из которых представляют собой балконные варианты. Сегодня число панелей, разрешённых для установки на одном балконе, ограничено, но власти планируют расширить его до четырёх, что только подстегнёт интерес к таким решениям, ведь добавить всегда проще, чем создать что-то с нуля. Впрочем, даже без этого обновления число балконных установок в Германии быстро растёт и только в первом квартале 2024 года увеличилось на 50 тыс. систем, если не больше.

По данным SolarPower Europe, в Германии на балконах установлено солнечных панелей суммарной мощностью около 200 МВт. При этом на крышах жилых зданий размещено панелей на 16 ГВт. Балконная фотовольтаика удерживает примерно 10 % солнечных мощностей жилого сектора, хотя упрощение процедур установки обещает быстро увеличить её долю. Помогают и субсидии. Например, желающим установить балконную фотоэлектрическую систему предлагается до 500€. Технология окупается примерно через три года, и если батарея прослужит положенные ей 20 лет, то она окупится многократно .

Согласно реестру основных рыночных данных, в Северном Рейне-Вестфалии в настоящее время больше всего подключаемых солнечных систем — более 80 000, за ним следуют Бавария с более чем 60 000 и Нижняя Саксония с более чем 50 000. Солнечные панели удобны для съёмщиков квартир, и это — ещё один аргумент в их пользу. Переезжая на новое место, систему можно забрать с собой. Некоторые опасения возникают с точки зрения безопасности установки панелей на балконы. Как ни крути, а падение 25-кг панели с 10-го этажа способно повлечь за собой множество неприятностей. Но в то же время технологии оттачиваются и наборы «сделай сам» для установки батарей на балконы становятся всё проще и всё надёжнее.

Опыт Германии по эксплуатации балконных солнечных панелей уже готовятся перенимать в Австрии, Франции, Италии, Польше и Люксембурге. В Испании также движутся к этому, но пока дело не вышло на финишную прямую. В Бельгии, напротив, запретили гражданам подключать солнечные панели в домашнюю сеть, опасаясь неконтролируемых скачков энергии. Аналитики считают, что это перебор. Вклад балконных солнечных панелей в энергетику настолько мал, что он никак не скажется на перепадах энергии в распределительной сети.

Согласно планам властей Германии, к 2030 году солнечная энергетика будет обеспечивать не менее 80 % потребностей в электрической энергии в стране. Но пока вне компетенции властей остаются два кричащих вопроса — это производство солнечных панелей в Германии или в ЕС, а также утилизация отработанных панелей.

Исследователи из Линцского университета создали миниатюрный квадрокоптер, который для своего питания использует энергию исключительно от солнечных панелей. Тончайшие лепестки солнечных панелей из перовскита в 40 раз тоньше листа бумаги и вместе с креплением составляют лишь 5 % массы дрона. У них рекордный показатель соотношения вырабатываемой мощности к весу, что обещает появление интересных мобильных решений и гаджетов.

Источник изображения: Nature Energy

Перовскитные солнечные панели имеют большие перспективы в области фотовольтаики. Однако они пока в основном проявляют себя в лабораторных условиях, поскольку крайне чувствительны, например, к влажности. Для защиты экспериментальных солнечных элементов из перовскита учёные из Австрии покрыли их оксидом алюминия, а саму основу нанесли на полимерную плёнку. Общая толщина элемента составила 2,5 мкм, что является отличительной чертой перовскитных материалов.

Всего на небольшом дроне с четырьмя электродвигателями (и винтами) было установлено 24 отдельных модуля, каждый площадью в 1 см². Генерируемой этими элементами энергии оказалось достаточно для приведения в движение роторов и взлёта дрона. КПД панелей не отличался рекордными значениями — он был не выше 20 %. Но важным стал их маленький вес: каждая из ячеек весила чуть меньше 1 мг, а их доля в общем весе дрона была значительно ниже 1 %. Есть также учесть электронику и крепёжные материалы, то даже в этом случае вклад подсистемы питания остается ниже 5 % массы квадрокоптера.

Нехитрые расчёты показывают, что соотношение генерируемой панелями дрона мощности к его массе составляет 44 Вт/г. Для сравнения, обычные солнечные панели из кремния для установки на частных площадках характеризуются соотношением 0,03 Вт/г. Согласитесь, разница есть и она колоссальная. Развитие этой разработки будет встречено с радостью ценителями мобильности во всех её проявлениях.

В 2020 году Apple объявила о «плане масштаба всей планеты» по переводу всей цепочки поставок на экологически чистую энергию к 2030 году. Это непростая задача, так как основным поставщиком Apple остаётся Китай, который ощутимо зависит от угольных электростанций. Собственные операции Apple с 2018 года на 100 % углеродно-нейтральны. А сегодня компания рассказала об успехах в осуществлении плана по переводу цепочки поставок на экологичную энергию.

Электричество — как для производства продуктов Apple, так и для их зарядки и питания — составляет наибольшую часть совокупного углеродного следа Apple. В рамках обновлённой экологической инициативы компания призвала своих глобальных поставщиков к 2030 году перейти на использование чистой электроэнергии и стать углеродно-нейтральными во всех своих операциях, связанных с Apple.

Источник изображения: Pixabay

Apple сообщила, что более 320 «прямых» поставщиков, на долю которых приходится 95 % непосредственных производственных затрат компании, уже используют экологически чистую энергию в операциях, связанных с Apple. Сегодня в цепочке поставок используется 16,5 гигаватт возобновляемой энергии. В прошлом году было выработано более 25,5 млн мегаватт-часов чистой энергии, что позволило избежать выброса в атмосферу более 18,5 млн тонн углерода. К сожалению, из заявления Apple остаётся неясным, какой процент всей цепочки поставок использует чистую энергию, поскольку существует целая сеть компаний, поставляющих компоненты «прямым» поставщикам Apple.

Apple также предоставила обновлённую информацию о своих усилиях по выработке достаточного количества «чистой» энергии для компенсации электроэнергии, используемой для зарядки устройств компании. Apple инвестирует в проекты солнечной энергетики в штате Мичиган, которые в этом году позволят ввести в эксплуатацию 132 мегаватт «чистой» энергии. В Испании Apple заключила партнёрское соглашение с международной платформой ib Vogt, которое предусматривает генерацию 105 мегаватт солнечной энергии после запуска в конце 2024 года.

Источник изображений: unsplash.com

Apple также продвинулась к достижению ещё одной амбициозной цели к 2030 году: компания обязуется восполнить 100 % пресной воды, используемой в корпоративных операциях в проблемных регионах. Apple совместно с партнёрами «вернёт» почти 26,5 млн кубометров воды путём восстановления водоносных горизонтов и рек, и будет финансировать доступ населения к питьевой воде в течение следующих 20 лет. В прошлом году поставщики Apple сэкономили более 45,5 млн кубометров пресной воды, а общая экономия с начала программы «Чистая вода» в 2013 году составила 288 млн кубометров.

Примерно год назад американский спутник SSPD-1 впервые передал энергию с орбиты на Землю. Спутниковая платформа Momentus Vigoride российского бизнесмена Михаила Кокорича несла на себе три экспериментальных модуля в области выработки и получения энергии из космоса. Самым значимым из них стал блок по передаче микроволновой энергии с орбиты на наземный приёмник. Это было первое такого рода испытание, и оно увенчалось успехом.

Художественное представление миссии. Источник изображения: Mmdi/Getty Images

Эксперимент стартовал в январе 2023 года. На проведение одних исследований потребовались дни или недели, а другие затянулись на месяцы. Сейчас настал срок первых публикаций по проведённым экспериментам и время узнать интересные подробности.

На платформе Momentus Vigoride были размещены модули DOLCE, ALBA и MAPLE. Самый внушительный из них — это DOLCE. Это система автоматического развёртывания полей солнечных батарей на орбите. В перспективе, если создание солнечных электростанций в космосе для передачи энергии на Землю станет реальностью, солнечные фермы должны разворачиваться самостоятельно из достаточно компактных конструкций, помещающихся в обтекатели ракет. Это будут сегменты со сторонами в сотни метров.

Модуль DOLCE — это лишь первый шаг в этом направлении. Он не несёт солнечных панелей. Это лишь голый каркас со сторонами 1,8 м. Целью эксперимента была проверка способности конструкции развернуться в космосе, а камеры должны были снять этот процесс. Эксперимент признан удачным, а его проведение можно увидеть на видео ниже. В далёком будущем подобные модули будут разворачиваться и дрейфовать по орбите. Они не будут крепиться один к одному. Вместо этого на каждом углу площадки-панели будут установлены двигатели ориентации для выбора лучшего освещения. Сложная система управления будет следить за Солнцем и соседними модулями, чтобы они не перекрывали друг другу свет от звезды и караваном кружили по орбите.

Модуль ALBA представлял собой коллекцию из 32 миниатюрных фотоэлектрических панелей. Что хорошо работает на Земле, может не подойти для открытого космоса, поэтому учёные Калтеха отобрали наиболее перспективные образы для проверки их в условиях космоса в течение года. От части образцов отказались ещё до старта. Например, была идея создавать миниатюрные фотоприемники с линзами, чтобы увеличить сбор солнечного света и повысить мощность фотоприёмников. Но в итоге от этого отказались ввиду необходимости строгой ориентации подобных систем в сторону Солнца.

Крайне перспективными признаны фотопанели из арсенида галлия. Они очень тонкие и при этом высокоэффективные, а вес для космических систем всегда на вес золота. Также они могут быть лучше приспособлены для развёртывания по типу парусов, что важно для автоматических конструкций будущих орбитальных электростанций. Оказался интересен для космоса и перовскит. На Земле он подвержен влаге и быстро теряет свои свойства. В космосе влаги нет, поэтому перовскитные панели меньше подвержены деградации, хотя в открытом пространстве полно других воздействий на материалы.

Эксперимент MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) был центральным в программе испытаний, но он был разбит на две фазы. Во-первых, он продемонстрировал возможность специализированной электроники работать в условиях космоса. Во-вторых, он обеспечил передачу мощности на Землю. Платформа управления должна была суметь поменять прицеливание по передаче энергии с космических объектов на наземные и наоборот. Также в космосе проверялась беспроводная передача энергии, но на короткую дистанцию — от стенки до стенки внутри модуля MAPLE. В отличие от других подобных разработок, созданная в Калтехе платформа отличается компактностью, лёгкостью и гибкостью, что может в будущем изменить подход к космической электронике. Будущие интернет-спутники могут стать многократно легче и дешевле, чем современные спутники сети Starlink, например.

Модуль MAPLE изнутри. Разнесённые пустым пространством приёмник и передатчик энергии и светодиод, подтверждающий передачу энергии. Источник изображения: Caltech

Что касается передачи энергии на Землю в эксперименте MAPLE, то разработчики говорят скорее о регистрации сигнала, чем о передаче мощности. Передающая фазированная антенная решётка была небольшая и поэтому она не могла сфокусировать микроволновый луч на небольшой площади. Сигнал разошёлся по большой площади на Земле, но смог попасть на приёмный антенный комплекс на крыше одного из кампусов Калтеха. Фактически разработчики зафиксировали уровень сигнала, сравнимый со спутниковой передачей, чем подтвердили расчётные характеристики опытной платформы. Это с трудом можно назвать передачей энергии из космоса. Тем не менее, система работала так, как от неё ожидали, а остальное приложится, хотя путь предстоит долгий.