Нетрадиционные ВИЭ: реальность или фантастика?

Сегодня наблюдается общая мировая тенденция к экологической осведомленности, и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) находятся под пристальным вниманием. Все они вносят что-то положительное по сравнению с ископаемым топливом – сокращение выбросов углерода, снижение цен на топливо, уменьшение уровня загрязнения и т.д. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), более 25% мировой электроэнергии в настоящее время поступает из возобновляемых источников, причем этот процент быстро растет. Когда мы слышим о ВИЭ, то подсознательно понимаем, что речь идет о получении энергии из таких природных ресурсов, как солнечный свет, ветер, дождь, волны, приливы, тепло земли, а также из биотоплива (древесины, растительного масла, этанола). Мы условно называем эти ВИЭ традиционными. А что же мы знаем о нетрадиционных, или нестандартных ВИЭ? В какие технологии инвестируют сильные мира сего? Реально и целесообразно ли использовать такие источники в повседневной жизни для получения энергии? Давайте разбираться вместе.

Рост доли ВИЭ в мировом энергобалансе

Согласно анализу рынка МЭА на ближайшие 5 лет (2019-2024) прогнозируется значительное увеличение доли ВИЭ в мировом энергетическом балансе. И лидировать будет солнечная энергетика (рис.1, 2).

Рис. 1. Рост мощности ВИЭ по технологиям в период с 2019 по 2024 год. Источник: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 1. Рост мощности ВИЭ по технологиям в период с 2019 по 2024 год. Источник: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 2. Рост мощности ВИЭ по странам/регионам. Источник: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.
Рис. 2. Рост мощности ВИЭ по странам/регионам. Источник: IEA, Renewables 2019, Market analysis and forecast from 2019 to 2024.

Грозовая энергетика

Что касается нестандартных ВИЭ, то подборку открывает грозовая энергетика. Ее суть состоит в том, чтобы поймать молнию для дальнейшего ее превращения в электроэнергию. В этом же заключается и сложность: оказывается, не так уж и просто захватить и перенаправить разряд. Для этого необходимо использовать мощное и дорогое оборудование. К тому же только в «избранных» частях света грозы случаются часто.

Одним из самых урожайных мест планеты по количеству гроз считается Венесуэла: в некоторых частях страны небо озаряется ярким разрядом почти 300 ночей в год. К слову, когда-то штурманы использовали эти вспышки света как маяк. Яркий тому пример – озеро Маракайбо в штате Сулия, Венесуэла (фото 1), количество грозовых дней здесь варьирует от 70 до 297 дней в год.

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

Устье водоема с трех сторон окружено горными хребтами. Когда холодный сухой воздух с гор встречается с горячим и влажным воздухом с низины, создаются идеальные условия для возникновения молнии. Грозовые тучи достигают высоты более километра, и через час после формирования этих облаков начинают вспыхивать молнии. Их частота быстро увеличивается до 200 вспышек в секунду. Продолжаться подобные явления могут в течение 10 часов.

Как правило, каждая молния несет около 500 мегаджоулей энергии, что равняется 38 литрам бензина. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией средний по размерам дом в течение недели или вскипятить около 1500 чайников воды.

Согласно исследованиям американских ученых, один разряд молнии может питать весь город Санта-Фе около минуты. Однако чтобы осуществить это, необходимо решить проблему с захватом молнии в качестве источника энергии, точнее, с ее попаданием в приемники.

Даже если бы люди смогли «соблазнить» молнию регулярно наносить удары именно там, где необходимо, осталась бы проблема интенсивности и продолжительности удара. Молния невероятно мощная и безумно быстрая: каждый удар – около 50 тысяч ампер тока в батарею всего за микросекунды. Никакая существующая батарея пока что не может выдержать этот натиск.

Криоэнергетика

Это накопление избыточной энергии путем сжижения воздуха в холодильных установках. Криогенная энергетическая установка аккумулирует энергию от ВИЭ или непиковой генерации, сжижая воздух. Когда жидкий воздух нагревается, он расширяется и может приводить в движение турбину для выработки электроэнергии.

Одна из крупнейших в мире установок для хранения «холодной» энергии была введена в эксплуатацию в 2016 году под Манчестером, Великобритания (фото 2). Эта электростанция мощностью 5 МВт может обслуживать до пяти тысяч домов в течение трех часов.

Фото 2. Демонстрационная установка холодного хранения работает рядом с существующим полигоном по производству свалочного газа. Источник: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
Фото 2. Демонстрационная установка холодного хранения работает рядом с существующим полигоном по производству свалочного газа. Источник: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.

Компания Highview Power, разработавшая установку, считает, что заложенная в нее технология имеет большой потенциал для долгосрочного использования с экологическими источниками энергии. Технология похожа на локализованную версию насосной гидросистемы.

На рис. 3 показано, как работает холодильная установка. Криогенное хранилище функционирует с использованием возобновляемого или непикового электричества для охлаждения воздуха до -190 °C, что превращает его в жидкую смесь азота и кислорода, которая потом хранится в изолированном резервуаре, похожем на большую термосную колбу. Чтобы высвободить накопленную энергию, жидкий воздух подвергается воздействию условий окружающей среды, заставляя его расширяться обратно в газ. Огромное увеличение объема, примерно в 700 раз, используется для привода турбины для выработки электроэнергии.

Рис. 3. Работа холодильной установки в 3 этапа. Источник: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
Рис. 3. Работа холодильной установки в 3 этапа. Источник: Cryogenic storage offers hope for renewable energy, Dec’16.
  • Highview Power – не единственная компания, которая может решить проблему хранения в сети. Hydrostor на базе Торонто (Канада) имеет систему для хранения энергии в виде сжатого воздуха. Компания Gravity в Эдинбурге (Шотландия) предлагает поднимать и опускать в шахтных стволах грузы весом в три тысячи тонн. Gravity Power в Калифорнии (США) хочет хранить энергию в воде под давлением. А Energy Vault в Швейцарии планирует укладывать бетонные блоки роботизированными кранами и опускать их для выработки электроэнергии.

Но криогенные батареи Highview Power являются одними из наиболее разработанных решений для длительного хранения, которые могут быть расположены в любом месте, где это необходимо.

Работая с частным финансированием в размере 50 миллионов долларов, компания уже построила пять заводов в своей стране, еще несколько находятся в процессе строительства, а также планируется строительство в США.

В конце октября 2019 года представители компании Highview Power объявили о том, что планируют построить свой первый крупный коммерческий объект в Великобритании – 50 МВт/250 МВт*ч (фото 3). По данным Highview Power, завод будет расположен на месте выведенной из эксплуатации теплоэлектростанции на севере Англии.

Фото 3. Highview Power планирует построить свой первый крупный коммерческий объект в Великобритании на 50 МВт/250 МВт*ч. Источник: онлайн-издание Power Engineering. Highview Power bringing 50-MW cryogenic storage plant to UK. Oct’19.
Фото 3. Highview Power планирует построить свой первый крупный коммерческий объект в Великобритании на 50 МВт/250 МВт*ч. Источник: онлайн-издание Power Engineering. Highview Power bringing 50-MW cryogenic storage plant to UK. Oct’19.

Гравитационная энергетика

Согласно исследованию, недавно опубликованному в академическом журнале Energy, накопление энергии в горах под действием силы тяжести может быть жизнеспособным способом хранения электроэнергии в течение более длительного времени и в более крупных масштабах, чем хранение в литий-ионных батареях.

Использование гор для хранения может быть объединено с гидроэнергетикой и может оказаться экономически привлекательным для микросетей, островов и районов с высокими затратами на электроэнергию, говорится в исследовании, опубликованном австрийской научной группой Международного института прикладного системного анализа (IIASA).

Исследователи предполагают, что моторизованная система, похожая на подъемник, может тянуть контейнеры с песком к крану на вершине горы. Песок затем можно отправить обратно с горы, приводимую в движение только силой тяжести, вырабатывая при этом электричество.

Авторы исследования утверждают, что накопление горной гравитационной энергии (MGES) может открыть возможности для длительного хранения в новых местах. Аккумулируемое гидроэнергетическое хранилище, одна из наиболее распространенных форм накопления энергии в настоящее время в эксплуатации, является примером долговременного хранения и может использовать накопленную энергию в течение от 6 до 20 часов.

Одним из преимуществ системы накопления гравитационной энергии то, что песок дешев и, в отличие от воды, не испаряется, поэтому потенциальная энергия никогда не теряется и ее можно повторно использовать бесчисленное количество раз. Это делает MGES очень привлекательным вариантом для засушливых регионов.

Базовая концепция похожа на технологию гравитационного хранения, предложенную швейцарской компанией Energy Vault, которая недавно получила инвестиции в акционерный капитал SoftBank на сумму более 100 миллионов долларов. Эта технология генерирует электричество посредством гравитации, опуская бетонные блоки в башне.

Механизм, предложенный Energy Vault, представляет собой стальной шестирукий кран высотой почти 122 метра (рис. 4). Используя запатентованное программное обеспечение, возвышающаяся конструкция организует размещение 35-тонных бетонных блоков в ответ на падение спроса и колебания условий окружающей среды.

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

Когда потребность в энергии уменьшается, краны окружают себя концентрическими кольцами из бетонных кирпичей, поднятых остатками энергии от окружающих ветровых и солнечных ферм. Как только спрос увеличивается, краны начинают опускать кирпичи, которые приводят в движение турбины, преобразуя кинетическую энергию в электричество, которое перекачивается обратно в энергосистему.

Концентрация солнечного света, зеркальная мозаика

Еще одно из ноу-хау ВИЭ – зеркальная мозаика в пустыни Мохаве (фото 4). Это часть предприятия, принадлежащего Heliogen. Данная компания занимается солнечной энергией, разрабатывая метод концентрации солнечного света.

Фото 4. Зеркальная мозаика в пустыни Мохаве, США. Источник: онлайн-издание 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. Зеркальная мозаика в пустыни Мохаве, США. Источник: онлайн-издание 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.

Массив зеркал компании направляет свет в одну точку башни. Как только свет попадает, жидкость в башне нагревается, и эта тепловая энергия питает тепловой двигатель.

В то время как солнечные фермы производят электричество для домов и предприятий, этот процесс предназначен для промышленных предприятий, которые производят цемент, сталь или нефтехимические продукты. Производство этих материалов требует температуры не менее 1000 °С, в то время, как другие технологии использования ВИЭ не способны генерировать такого рода тепло. Один из богатейших людей планеты Билл Гейтс также значится в числе первых инвесторов. В заявлении Гейтс назвал технологию компании «многообещающей разработкой в стремлении однажды заменить ископаемое топливо».

Команда Heliogen, в которую входят ученые и инженеры из Caltech и MIT, использует компьютерные модели для программирования зеркал для отражения света под точными углами. Это гарантирует, что все солнечные лучи достигают одной и той же точки, что приводит к чрезвычайно высоким температурам.

Как мы видим, время и технологии не стоят на месте – все движется, меняется и усовершенствуется. В скором времени мы услышим о новых изобретениях, которые помогут людям сделать планету Земля чище и экологичнее.