Нетрадиційні ВДЕ: реальність чи фантастика?

Сьогодні спостерігається загальна світова тенденція до екологічної обізнаності, і відновлювані джерела енергії (ВДЕ) знаходяться під пильною увагою. Всі вони вносять щось позитивне порівняно з викопним паливом – скорочення викидів вуглецю, зниження цін на паливо, зменшення рівня забруднення тощо. Згідно з даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), понад 25% світової електроенергії в даний час надходить із відновлюваних джерел, причому цей відсоток швидко зростає. Коли ми чуємо про ВДЕ, то підсвідомо розуміємо, що мова йде про отримання енергії з таких природних ресурсів, як сонячне світло, вітер, дощ, хвилі, припливи, тепло землі, а також з біопалива (деревини, рослинної олії, етанолу). Ми умовно називаємо ці ВДЕ традиційними. А що ж ми знаємо про нетрадиційні, або нестандартні ВДЕ? В які технології інвестують сильні світу цього? Чи реально та доцільно використовувати такі джерела в повсякденному житті для отримання енергії? Давайте розбиратися разом.

Зростання частки ВДЕ у світовому енергобалансі

Згідно з аналізом ринку МЕА на найближчі 5 років (2019-2024) прогнозується значне збільшення частки ВДЕ в світовому енергетичному балансі. І лідирувати буде сонячна енергетика (рис.1, 2).

Рис. 1. Зростання потужності ВДЕ за технологіями в період із 2019 по 2024 рік. Джерело: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 1. Зростання потужності ВДЕ за технологіями в період із 2019 по 2024 рік. Джерело: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 2. Зростання потужності ВДЕ по країнам/регіонам. Джерело: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 2. Зростання потужності ВДЕ по країнам/регіонам. Джерело: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.

Грозова енергетика

Щодо нестандартних ВДЕ, то добірку відкриває грозова енергетика. Суть її в тому, щоб зловити блискавку для подальшого перетворення в електроенергію. У цьому ж полягає і складність: виявляється, не так вже й просто захопити і перенаправити розряд. Для цього необхідно використовувати потужне і дороге обладнання. До того ж тільки в «обраних» частинах світу грози трапляються часто.

Одним із найбільш врожайних місць планети за кількістю гроз вважається Венесуела: в деяких частинах країни небо спалахує яскравим світлом майже 300 ночей на рік. До слова, колись штурмани використовували ці спалахи як маяк. Яскравий тому приклад – озеро Маракайбо в штаті Сулія, Венесуела (фото 1), кількість грозових днів тут варіює від 70 до 297 днів на рік.

Фото 1. Озеро Маракайбо, Венесуела. Джерело: онлайн-видання https://www.abc.net.au/. Great Moments In Science, Could we capture and store energy from lightning, Feb’17.
Фото 1. Озеро Маракайбо, Венесуела. Джерело: онлайн-видання https://www.abc.net.au/. Great Moments In Science, Could we capture and store energy from lightning, Feb’17.

Гирло водойми з трьох боків оточене гірськими хребтами. Коли холодне сухе повітря з гір зустрічається з гарячим і вологим повітрям з низини, створюються ідеальні умови для виникнення блискавки. Грозові хмари досягають висоти понад кілометр, і через годину після формування цих хмар починають спалахувати блискавки. Їх частота швидко збільшується до 200 спалахів у секунду. Тривати подібні явища можуть протягом 10 годин.

Як правило, кожна блискавка несе близько 500 мегаджоулів енергії, що дорівнює 38 літрам бензину. Цього достатньо, щоб забезпечити електроенергією середній за розмірами будинок протягом тижня або закип’ятити близько 1500 чайників води.

Згідно з дослідженнями американських вчених, один розряд блискавки може живити все місто Санта-Фе близько хвилини. Однак щоб здійснити це, необхідно вирішити проблему із захопленням блискавки в якості джерела енергії, точніше, з її потраплянням у приймачі.

Навіть якби люди змогли «спокусити» блискавку регулярно вдаряти саме там, де необхідно, залишилася б проблема інтенсивності та тривалості удару. Блискавка неймовірно потужна і шалено швидка: кожен удар – близько 50 тисяч ампер струму в батарею всього за мікросекунди. Ніяка існуюча батарея поки що не може витримати цей натиск.

Кріоенергетика

Це накопичення надлишкової енергії шляхом зрідження повітря в холодильних установках. Кріогенна енергетична установка акумулює енергію від ВДЕ чи непікової генерації, скраплюючи повітря. Коли рідке повітря нагрівається, воно розширюється і може приводити в дію турбіну для вироблення електроенергії.

Одна з найбільших у світі установок для зберігання «холодної» енергії була введена в експлуатацію 2016 року під Манчестером, Великобританія (фото 2). Ця електростанція потужністю 5 МВт може обслуговувати до п’яти тисяч будинків протягом трьох годин.

Фото 2. Демонстраційна установка холодного зберігання працює поруч із існуючим полігоном із виробництва звалищного газу. Джерело: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
Фото 2. Демонстраційна установка холодного зберігання працює поруч із існуючим полігоном із виробництва звалищного газу. Джерело: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.

Компанія Highview Power, яка розробила установку, вважає, що закладена в неї технологія має великий потенціал для довгострокового використання з екологічними джерелами енергії. Технологія схожа на локалізовану версію насосної гідросистеми.

На рис. 3 показано, як працює холодильна установка. Кріогенне сховище функціонує з використанням відновлюваної або непікової електрики для охолодження повітря до -190 °C, що перетворює його в рідку суміш азоту та кисню, яка потім зберігається в ізольованому резервуарі, схожому на велику термосну колбу. Щоб вивільнити накопичену енергію, рідке повітря піддається впливу умов навколишнього середовища, змушуючи його розширюватися назад у газ. Величезне збільшення обсягу, приблизно у 700 разів, використовується для запуску турбіни для вироблення електроенергії.

Рис. 3. Робота холодильної установки в 3 етапи. Джерело: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
Рис. 3. Робота холодильної установки в 3 етапи. Джерело: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
  • Highview Power – не єдина компанія, яка може вирішити проблему зберігання в електромережі. Hydrostor на базі Торонто (Канада) має систему для зберігання енергії у вигляді стислого повітря. Компанія Gravity в Единбурзі (Шотландія) пропонує піднімати й опускати в шахтних стовбурах вантажі вагою в три тисячі тонн. Gravity Power в Каліфорнії (США) хоче зберігати енергію в воді під тиском. А Energy Vault в Швейцарії планує укладати бетонні блоки роботизованими кранами й опускати їх для вироблення електроенергії.

Але криогенні батареї Highview Power є одними з найбільш розроблених рішень для тривалого зберігання, які можуть бути розташовані в будь-якому місці, де це необхідно.
Працюючи з приватним фінансуванням у розмірі 50 мільйонів доларів, компанія вже побудувала п’ять заводів у своїй країні, ще кілька перебувають у процесі будівництва, а також планується будівництво в США.

Наприкінці жовтня 2019 року компанія Highview Power оголосила, що планує побудувати свій перший великий комерційний об’єкт у Великобританії – 50 МВт/250 МВт*год (фото 3). Згідно з даними Highview Power, завод буде розташований на місці виведеної з експлуатації теплоелектростанції на півночі Англії.

Фото 3. Highview Power планує побудувати свій перший великий комерційний об'єкт у Великобританії на 50 МВт/250 МВт*год. Джерело: онлайн-видання Power Engineering. Highview Power bringing 50-MW cryogenic storage plant to UK. Oct’19.
Фото 3. Highview Power планує побудувати свій перший великий комерційний об'єкт у Великобританії на 50 МВт/250 МВт*год. Джерело: онлайн-видання Power Engineering. Highview Power bringing 50-MW cryogenic storage plant to UK. Oct’19.

Гравітаційна енергетика

Згідно з даними дослідження, нещодавно опублікованого в академічному журналі Energy, накопичення енергії в горах під дією сили тяжіння може бути життєздатним способом зберігання електроенергії протягом більш тривалого часу і в більших масштабах, ніж зберігання в літій-іонних батареях.

Використання гір для зберігання може бути об’єднано з гідроенергетикою і може виявитися економічно привабливим для мікромереж, островів і районів із високими витратами на електроенергію, йдеться в дослідженні, опублікованому австрійської науковою групою Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (IIASA).

Дослідники припускають, що моторизована система, схожа на підйомник, може тягнути контейнери з піском до крана на вершині гори. Пісок потім можна відправити назад з гори, що приводиться в рух тільки силою тяжіння, виробляючи при цьому електрику.

Автори дослідження стверджують, що накопичення гірської гравітаційної енергії (MGES) може відкрити можливості для тривалого зберігання в нових місцях. Акумульоване гідроенергетичне сховище, одна з найбільш поширених форм накопичення енергії в даний час в експлуатації, є прикладом довгострокового зберігання і може використовувати накопичену енергію протягом 6–20 годин.

Однією з переваг системи накопичення гравітаційної енергії є те, що пісок дешевий і, на відміну від води, не випаровується, тому потенційна енергія ніколи не втрачається і її можна повторно використовувати незліченну кількість разів. Це робить MGES дуже привабливим варіантом для посушливих регіонів.

Базова концепція схожа на технологію гравітаційного зберігання, запропоновану швейцарською компанією Energy Vault, яка недавно отримала інвестиції в акціонерний капітал SoftBank на суму понад 100 мільйонів доларів. Ця технологія генерує електрику за допомогою гравітації, опускаючи бетонні блоки у вежі.

Механізм, запропонований Energy Vault, являє собою сталевий шестирукий кран заввишки майже 122 метра (рис. 4). Використовуючи запатентоване програмне забезпечення, ця конструкція організовує розміщення 35-тонних бетонних блоків у відповідь на падіння попиту і коливання умов навколишнього середовища.

Рис. 4. 122-метрові вежі Energy Vault. Джерело: The Architect’s Newspaper. This gravity-powered battery could be the future of energy storage. Nov’18.
Рис. 4. 122-метрові вежі Energy Vault. Джерело: The Architect’s Newspaper. This gravity-powered battery could be the future of energy storage. Nov’18.

Коли потреба в енергії зменшується, крани оточують себе концентричними кільцями з бетонної цегли, піднятої залишками енергії від навколишніх вітрових і сонячних ферм. Щойно попит збільшується, крани починають опускати цеглу, які запускають турбіни, перетворюючи кінетичну енергію в електрику, що перекачується назад в енергосистему.

Концентрація сонячного світла, дзеркальна мозаїка

Ще одне з ноу-хау ВДЕ – дзеркальна мозаїка в пустелі Мохаве (фото 4). Це частина підприємства, що належить Heliogen. Дана компанія займається сонячною енергією, розробляючи метод концентрації сонячного світла.

Фото 4. Дзеркальна мозаїка в пустелі Мохаве, США. Джерело: онлайн-видання Business Insider. Bill Gates is backing a technology that concentrates sunlight to generate temperatures of 1,000 degrees. It looks like a mosaic of mirrors. Nov’19.
Фото 4. Дзеркальна мозаїка в пустелі Мохаве, США. Джерело: онлайн-видання Business Insider. Bill Gates is backing a technology that concentrates sunlight to generate temperatures of 1,000 degrees. It looks like a mosaic of mirrors. Nov’19.

Масив дзеркал компанії спрямовує світло в одну точку вежі. Щойно світло потрапляє, рідина в башті нагрівається, і ця теплова енергія живить тепловий двигун.

У той час як сонячні ферми виробляють електрику для будинків і підприємств, цей процес призначений для промислових підприємств, які виробляють цемент, сталь або нафтохімічні продукти. Виробництво цих матеріалів вимагає температури не менше 1000 °С, тоді як інші технології використання ВДЕ не здатні генерувати такого роду тепло. Один із найбагатших людей планети Білл Гейтс також значиться серед перших інвесторів. У заяві Гейтс назвав технологію компанії «багатообіцяючою розробкою в прагненні якось замінити викопне паливо».

Команда Heliogen, до складу якої входять вчені та інженери з Caltech і MIT, використовує комп’ютерні моделі для програмування дзеркал для відбиття світла під точними кутами. Це гарантує, що всі сонячні промені досягають однієї й тієї ж точки, що призводить до надзвичайно високих температур.

Як ми бачимо, час і технології не стоять на місці – все рухається, змінюється і вдосконалюється. Незабаром ми почуємо про нові винаходи, які допоможуть людям зробити планету Земля чистішою й екологічнішою.