Будущее ВИЭ в транспортной отрасли

Мировой спрос на транспортные услуги быстро растет. С учетом нынешних тенденций к 2050 году активность пассажирских и грузовых перевозок удвоится. Такой рост – признак социального и экономического прогресса, однако он ведет к увеличению спроса на энергию (половину мирового спроса на нефть) и четверти мировых выбросов углекислого газа (CO₂) в атмосферу. Поэтому изменения в транспортной отрасли эквивалентны энергетическим переходам во всем мире. Как применить возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в самолетах, поездах, автомобилях и других видах транспорта?

Воздушный транспорт

Авиация

Если бы авиационная отрасль была страной, она бы вошла в десятку мировых лидеров по эмиссии углекислого газа в атмосферу. Авиационные выбросы с 2005 года увеличились на 70%, а по мере роста спроса в богатых и более бедных странах к 2050 году прогнозируется увеличение на 300–700%. Но человечество не стоит на месте, а активно ищет пути сокращения CO₂ и предотвращения глобального потепления.

Мы слышали о самолетах, которые смогут летать с помощью ВИЭ. Большинство из них – еще на чертежах, но есть и уже готовые к полету. Первый в мире коммерческий электрический авиалайнер представлен в Париже в июне 2019 года (фото 1). Самолет называется Alice, рассчитан на перевозку 9 пассажиров и может пролететь до 1040 км без подзарядки на высоте 3000 метров при скорости 440 км/ч на один заряженный аккумулятор. Ожидается, что ввод в эксплуатацию состоится в 2022 году.

Расходы на ископаемое топливо для небольших самолетов составляют около 400 долларов на 100 миль. По прогнозам разработчиков Alice, затраты на преодоление такого же расстояния составят 8 долларов, и, если электроэнергия будет производиться из возобновляемых источников энергии (например, генерироваться солнечными батареями в аэропорту), тогда самолет будет безуглеродным.

В прошлом году во французских Альпах двухместный самолет установил семь новых мировых рекордов. Он поднялся более чем на 6000 метров менее чем за две минуты и достиг скорости 228,5 км/ч, пролетев чуть меньше 500 км без остановок. Впечатляет, поскольку самолет с полностью электрическим двигателем, работающим от одной батареи.

Самолет создали инженеры из Университета Штутгарта и назвали e-Genius. По словам пилота, во время 100-километрового полета самолет использовал около 25 киловатт электроэнергии при общей стоимости энергии чуть более 3 долларов. E-Genius потреблял лишь пятую часть энергии типичного двухместного самолета, работающего на топливе.

Такие компании, как Safran S.A., Boeing, Airbus и Raytheon, уже обнародовали планы по переосмыслению современного самолета. В Boeing инженеры создали концептуальный самолет SUGAR Volt, который сочетает электричество и топливо для полетов, подобно гибридному автомобилю. Airbus недавно представил самолет с батарейным питанием под названием E-Fan.

Скандинавская авиакомпания SAS нацелена на выполнение внутренних рейсов на биотопливе и сокращении выбросов на 25% в течение следующего десятилетия.

EasyJet в сотрудничестве с американской компанией Wright Electric разрабатывает электрические самолеты, которые к 2030 году смогут обслуживать короткие маршруты.

Во время пресс-конференции в Тель-Авиве сэр Ричард Брэнсон, основатель корпорации Virgin Group, заявил, что в будущем авиационный сектор может быть на 100% обеспечен ВИЭ. Его авиакомпания обсуждает с рядом компаний варианты оснащения самолетов экологически чистой энергией.

Воздухоплавание

Ранее у нас была низкоуглеродная альтернатива сжиганию огромного количества ископаемого топлива – воздушные шары. Катастрофа цеппелина «Гинденбург» обрекла отрасль на относительную безвестность на столетие, хотя окончательно и не погубила.

Воздушные шары большинства современных дирижаблей заполнены гелием (фото 2), а не взрывоопасным водородом, как в «Гинденбурге». Концентрированный гелий легче воздуха, и при разделении на газовые мешки (если таковые имеются) судно может оставаться в воздухе, в то время как винты, приводимые в действие гибкими солнечными батареями, могут помочь в навигации.

В отличие от реактивных самолетов, для удержания дирижаблей на высоте не требуется много энергии.
Поскольку дирижабли достаточно медленные, их лучше воспринимать как воздушные круизные лайнеры. Ожидается, что в романтическую эру ранних коммерческих рейсов дирижабли станут «летающими отелями» со столовыми и танцполами.

Железнодорожный транспорт

Железнодорожные перевозки – один из наиболее энергоэффективных видов транспорта для грузовых и пассажирских перевозок. Железнодорожный сектор перевозит 8% пассажиров в мире и 7% грузов, составляя 2% от общего спроса на транспортную энергию.

Обычная железная дорога охватывает поездки на средние и дальние расстояния с максимальной скоростью до 250 км/ч и поездки на пригородных поездах. Большинство обычных железнодорожных сетей сегодня расположены в Северной Америке, Европе, Китае, России, Индии и Японии. Высокоскоростная железная дорога – перевозки на большие расстояния между станциями, работающие на максимальной скорости свыше 250 км/ч.

Международное энергетическое агентство (International Energy Agency – IEA) отмечает два сценария развития железнодорожного транспорта к 2050 году (рис. 1): базовый и претенциозный. В базовом описывается, как железнодорожная система и ее потребности в энергии будут развиваться до 2050 года на основе объявленных политик, правил и проектов. Претенциозный основывается на трех столпах: минимизация затрат на пассажиро-километр перемещения, максимизация доходов от железнодорожных систем и обеспечение того, чтобы все виды транспорта платили не только за использование необходимой им инфраструктуры, но и за выхлопы углекислого газа в атмосферу. Спрос на энергию в железнодорожном секторе в 2050 году согласно претенциозному сценарию увеличится на 42%.

Поезд, работающий исключительно на солнечных батареях, уже стал реальностью в Австралии. Компания Byron Bay использует солнечные батареи на поезде и платформах для питания бортовых батарей и экспортировала 60 000 кВт*ч в сеть в 2018 году. Оборудование в поезде питается от литий-ионных аккумуляторов, включая тяговое питание, воздушные компрессоры и цепи управления. Для уменьшения потребления электроэнергии освещение заменено на светодиодное.

Автомобильный транспорт

По результатам анализа IEA, электромобили имеют значительный потенциал роста. Глобальные запасы легковых электромобилей в 2018 году превысили 5 миллионов, что на 63% больше, чем в предыдущем году. Около 45% (2,3 млн) электромобилей было на дорогах Китая в 2018 году по сравнению с 39% в 2017 году. Для сравнения, на долю Европы пришлось 24% мирового автопарка, а в США – 22% (рис. 3).

На конец 2018 года количество точек зарядки в мире составило приблизительно 5,2 миллиона, что на 44% больше, чем годом ранее (рис. 4). Большая часть была в частных пунктах зарядки, составив более 90% от 1,6 миллиона установок в прошлом году.

К 2030 году может насчитываться более 10 миллионов электроавтобусов и легковых автомобилей. В гонке за инновациями многое поставлено на карту: в ближайшие 15 лет рынок электромобилей достигнет более 22 миллиардов долларов.

Водный транспорт

Во всем мире разрабатывается ряд проектов, направленных на использование преимуществ ветроэнергетики и энергии солнца для судоходной отрасли. Ниже приводятся некоторые из основных концепций и технологий экологически чистого судна.

1. Компания Eco Marine Power работает на применение энергии солнца и ветра в судоходстве. Для этого они разработали Aquarius MRE System. В зависимости от размера, типа и профиля судна, система Aquarius MRE снизит расход топлива на 10-40%. В основе системы лежит запатентованный EnergySail – жесткий парус, который позволит судам использовать энергию солнца и ветра.
2. Sky Sails / Kite Ship. Технология Skysail использует буксировочные воздушные змеи для перемещения судна вперед, снижения нагрузки на двигатель и снижения расхода топлива. Технология «небесного паруса», как было доказано, уменьшает потребление топлива судами, когда используется при сильном ветре.

3. NYK Super Eco-Ship 2030. Мечтая создать к 2030 году судно с нулевым выбросом, NYK разработало футуристический Eco-Ship 2030. Концепция экологичного корабля обладает множеством уникальных особенностей: конструкция для снижения веса, оптимизированная форма корпуса для эффективности тяги, солнечная и ветровая энергии.
4. STX Eoseas. Инновационная концепция круизных лайнеров, разработанная STX Europe. Проект направлен на использование морских чистых технологий для снижения энергопотребления на 50%, выбросов CO₂ на 50%, SO₂ на 100%, NOx на 90% и золы на 100%. Судно будет оснащено четырьмя дизельными электрогенераторными установками с использованием энергии ветра для движения.

Орбитальное кольцо

Еще один вариант, который многим пока что нереально вообразить… Орбитальное кольцо (фото 3) представляет собой прочный стальной трос на орбите чуть выше атмосферы, примерно 80 тыс. км над Землей. Предполагается, вращаться оно будет с помощью сил, выталкивающих кольцо дальше в космос, с одной стороны, и притягивающих его к Землю, с другой. Таким образом можно будет перевозить пассажиров с невероятной скоростью, достигая другой стороны света за 45 минут.

Мы живем во времена научного, технического и технологического прогресса. Освоение ВИЭ в транспорте уже идет полным ходом. Не за горами тот день, когда мы сможем лично испытать полет на электрическом самолете, купить билет на круизный эколайнер и подарить другу романтическое путешествие на дирижабле…