Майбутнє ВДЕ у транспортній галузі

Світовий попит на транспортні послуги швидко зростає. З урахуванням нинішніх тенденцій до 2050 року активність пасажирських і вантажних перевезень подвоїться. Таке зростання ознака соціального й економічного прогресу, проте він призводить до збільшення попиту на енергію (половину світового попиту на нафту) і чверті світових викидів вуглекислого газу (CO2) в атмосферу. Тому зміни у транспортній галузі відповідають енергетичним переходам у всьому світі. Як застосувати відновлювані джерела енергії (ВДЕ) в літаках, поїздах, автомобілях та інших видах транспорту?

Повітряний транспорт

Авіація

Якби авіаційна галузь була країною, вона б увійшла до десятки світових лідерів із емісії вуглекислого газу в атмосферу. Авіаційні викиди з 2005 року збільшилися на 70%, а в міру зростання попиту в багатих і бідніших країнах до 2050 року прогнозується збільшення на 300-700%. Однак людство не стоїть на місці й активно шукає шляхи скорочення CO2 для запобігання глобальному потеплінню.

Ми чули про літаки, які зможуть літати за допомогою ВДЕ. Більшість із них – ще на кресленнях, але є і вже готові до польоту. Перший у світі комерційний електричний авіалайнер представлений в Парижі в червні 2019 року (фото 1). Літак називається Alice, розрахований на перевезення 9 пасажирів і може пролетіти до 1040 км без підзарядки на висоті 3000 метрів при швидкості 440 км/год на один заряджений акумулятор. Очікується, що введення в експлуатацію відбудеться 2022 року.

Фото 1. Літак Alice Electric Aircraft ізраїльської авіаційної компанії Eviation представлений на Міжнародному паризькому авіасалоні 18 червня 2019 року. Джерело: How will we travel the world in 2050? The Conversation, Aug’19
Фото 1. Літак Alice Electric Aircraft ізраїльської авіаційної компанії Eviation представлений на Міжнародному паризькому авіасалоні 18 червня 2019 року. Джерело: How will we travel the world in 2050? The Conversation, Aug’19

Витрати на викопне паливо для невеликих літаків становлять близько 400 доларів на 100 миль. Згідно з прогнозами розробників Alice, витрати на подолання такої ж відстані складуть 8 доларів, та, якщо електроенергія буде вироблятися з відновлюваних джерел енергії (наприклад, генеруватися сонячними батареями в аеропорту), тоді літак буде безвуглецевим.

Минулого року у французьких Альпах двомісний літак встановив сім нових світових рекордів. Він піднявся на понад 6000 метрів менш ніж за дві хвилини та досяг швидкості 228,5 км/год, пролетівши менш як 500 км без зупинок. Вражає, оскільки літак із повністю електричним двигуном, що працює від однієї батареї.

Літак створили інженери з Університету Штутгарта і назвали e-Genius. За словами пілота, під час 100-кілометрового польоту літак використав близько 25 кіловатів електроенергії при загальній вартості енергії понад 3 доларів. E-Genius споживав лише п’яту частину енергії типового двомісного літака, що працює на паливі.

Такі компанії, як Safran S.A., Boeing, Airbus і Raytheon, вже оприлюднили плани щодо переосмислення сучасного літака. У Boeing інженери створили концептуальний літак SUGAR Volt, який поєднує електрику і паливо для польотів, подібно гібридному автомобілю. Airbus недавно представив літак на батарейках під назвою E-Fan.

Скандинавська авіакомпанія SAS націлена на виконання внутрішніх рейсів на біопаливі та скороченні викидів на 25% протягом наступного десятиліття. EasyJet у співпраці з американською компанією Wright Electric розробляє електричні літаки, які до 2030 року зможуть обслуговувати короткі маршрути.

Під час прес-конференції в Тель-Авіві сер Річард Бренсон, засновник корпорації Virgin Group, заявив, що в майбутньому авіаційний сектор може бути на 100% забезпечений ВДЕ. Його авіакомпанія обговорює з рядом компаній варіанти оснащення літаків екологічно чистою енергією.

Повітроплавання

Раніше у нас була низьковуглецева альтернатива спалюванню величезної кількості викопного палива – повітряні кулі. Катастрофа цепеліна “Гінденбург” прирекла галузь на відносну безвість на століття, хоча остаточно й не згубила.

Повітряні кулі більшості сучасних дирижаблів заповнені гелієм (фото 2), а не вибухонебезпечним воднем, як в “Гінденбурзі”. Концентрований гелій легший за повітря, і при поділі на газові мішки (якщо такі є) судно може залишатися в повітрі, в той час як гвинти, які приводяться в рух гнучкими сонячними батареями, можуть допомогти в навігації.

Фото 2. Дирижабль. Джерело: Four bold visions for the future of flying, QUARTZ, Aug’19
Фото 2. Дирижабль. Джерело: Four bold visions for the future of flying, QUARTZ, Aug’19

На відміну від реактивних літаків, для утримання дирижаблів на висоті не потрібно багато енергії. Оскільки дирижаблі досить повільні, їх краще сприймати як повітряні круїзні лайнери. Очікується, що в романтичну епоху ранніх комерційних рейсів дирижаблі стануть “льотовими готелями” зі столовими та танцзалами.

Залізничний транспорт

Залізничні перевезення – один із найбільш енергоефективних видів транспорту для вантажних і пасажирських перевезень. Залізничний сектор перевозить 8% пасажирів у світі та 7% вантажів, складаючи 2% від загального попиту на транспортну енергію.

Звичайна залізниця охоплює поїздки на середні та дальні відстані з максимальною швидкістю до 250 км/год і поїздки на приміських поїздах. Більшість звичайних залізничних мереж сьогодні розташовані в Північній Америці, Європі, Китаї, Росії, Індії та Японії. Високошвидкісна залізниця – перевезення на великі відстані між станціями, що працюють на максимальній швидкості понад 250 км/ч.

Рис. 1. Прогнозоване зростання попиту на залізничну енергію в окремих регіонах за сценаріями, 2017-2050 рр. Джерело: IEA, The Future of Rail. Opportunities for energy and the environment. Jan’19.
Рис. 1. Прогнозоване зростання попиту на залізничну енергію в окремих регіонах за сценаріями, 2017-2050 рр. Джерело: IEA, The Future of Rail. Opportunities for energy and the environment. Jan’19.

Міжнародне енергетичне агентство (International Energy Agency – IEA) зазначає два сценарії розвитку залізничного транспорту до 2050 року (рис. 1): базовий і претензійний. У базовому описується, як залізнична система і її потреби в енергії будуть розвиватися до 2050 року на основі оголошених політик, правил і проєктів. Претензійний ґрунтується на трьох стовпах: мінімізація витрат на пасажиро-кілометр переміщення, максимізація доходів від залізничних систем і забезпечення того, щоб всі види транспорту платили не тільки за використання необхідної їм інфраструктури, а й за вихлопи вуглекислого газу в атмосферу. Попит на енергію в залізничному секторі у 2050 році відповідно до претензійного сценарію збільшиться на 42%.

Поїзд, який працює виключно на сонячних батареях, вже став реальністю в Австралії. Компанія Byron Bay використовує сонячні батареї на поїзді та платформах для живлення бортових батарей і експортувала 60 000 кВт*год у мережу 2018 року. Устаткування в поїзді живиться від літій-іонних акумуляторів, включаючи тягове зусилля, повітряні компресори та ланцюги управління. Для зменшення споживання електроенергії освітлення замінено на світлодіодне.

Автомобільний транспорт

Згідно з результатами аналізу IEA, електромобілі мають значний потенціал зростання. Глобальні запаси легкових електромобілів 2018 року перевищили 5 мільйонів, що на 63% більше, ніж попереднього року. Близько 45% (2,3 млн) електромобілів було на дорогах Китаю 2018 року у порівнянні з 39% 2017 року. Для порівняння, на частку Європи припало 24% світового автопарку, а в США – 22% (рис. 3).

На кінець 2018 року кількість точок зарядки у світі склало приблизно 5,2 мільйона, що на 44% більше, ніж роком раніше (рис. 4). Велика частина була в приватних пунктах зарядки, склавши понад 90% від 1,6 мільйона установок минулого року.

До 2030 року може налічуватися понад 10 мільйонів електроавтобусів і легкових автомобілів. У гонці за інноваціями багато поставлено на кін: у найближчі 15 років ринок електромобілів досягне понад 22 мільярдів доларів.

Рис. 3. Кількість електромобілів в окремих країнах, 2013-2018 рр. Джерело: Global EV Outlook 2019. Scaling up the transition to electric mobility. May'19
Рис. 3. Кількість електромобілів в окремих країнах, 2013-2018 рр. Джерело: Global EV Outlook 2019. Scaling up the transition to electric mobility. May'19
Рис. 4. Пункти зарядки в світі, 2013-2018 рр. Джерело: Global EV Outlook 2019. Scaling up the transition to electric mobility. May'19
Рис. 4. Пункти зарядки в світі, 2013-2018 рр. Джерело: Global EV Outlook 2019. Scaling up the transition to electric mobility. May'19

Водний транспорт

У всьому світі розробляється ряд проєктів, спрямованих на використання переваг вітроенергетики й енергії сонця для судноплавної галузі. Нижче наводяться деякі з основних концепцій і технологій екологічно чистого судна.

  1. Компанія Eco Marine Power працює над застосуванням енергії сонця та вітру в судноплавстві. Для цього вони розробили Aquarius MRE System. Залежно від розміру, типу та профілю судна, система Aquarius MRE знизить витрата палива на 10-40%. В основі системи лежить запатентований EnergySail – жорсткий парус, який дозволить судам використовувати енергію сонця та вітру.
  2. Sky Sails / Kite Ship. Технологія Skysail використовує буксирувальні повітряні змії для переміщення судна вперед, зниження навантаження на двигун і зниження витрат палива. Технологія “небесного вітрила”, як було доведено, зменшує споживання палива судами, коли використовується при сильному вітрі.

  1. NYK Super Eco-Ship 2030 Мріючи створити до 2030 року судно з нульовим викидом, NYK розробило футуристичний Eco-Ship 2030. Концепція екологічного корабля має безліч унікальних особливостей: конструкція для зниження ваги, оптимізована форма корпусу для ефективності тяги, сонячна та вітрова енергії.
  2. STX Eoseas. Інноваційна концепція круїзних лайнерів, розроблена STX Europe. Проєкт спрямований на використання морських чистих технологій для зниження енергоспоживання на 50%, викидів CO2 на 50%, SO2 на 100%, NOx на 90% і золи на 100%. Судно буде оснащено чотирма дизельними електрогенераторними установками з використанням енергії вітру для руху.

Орбітальне кільце

Ще один варіант, який багатьом поки нереально уявити… Орбітальне кільце (фото 3) – це міцний сталевий трос на орбіті трохи вище атмосфери, приблизно 80 тис. км над Землею. Передбачається, обертатися воно буде за допомогою сил, що виштовхують кільце далі в космос, з одного боку, і притягують його до Землі, з іншого. Таким чином можна буде перевозити пасажирів із неймовірною швидкістю, досягаючи іншої сторони світу за 45 хвилин.

Ми живемо в часи наукового, технічного і технологічного прогресу. Освоєння ВДЕ в транспорті йде вже повним ходом. Не за горами той день, коли ми зможемо особисто випробувати політ на електричному літаку, купити квиток на круїзний еколайнер і подарувати другу романтичну подорож на дирижаблі…

Фото 3. Орбітальне кільце. Джерело: How will we travel the world in 2050? The Conversation, Aug’19
Фото 3. Орбітальне кільце. Джерело: How will we travel the world in 2050? The Conversation, Aug’19