HOMO SCIENCE
|
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Научно-просветительский проект, в котором физики, химики, биологи и другие ученые рассказывают о практическом применении открытий и исследований, их настоящем и будущем. На основе этих дискуссий мы подготовили цикл мультимедийных материалов с актуальной информацией о пяти направлениях наукоемких технологий.
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ТЕМА ПЕРВАЯ
ПРОЧИТАТЬ ЗА 13 МИНУТ
ПОСМОТРЕТЬ ЗА 22 МИНУТЫ
Как углеводородная энергетика будет дальше уживаться с альтернативной, сохранит ли свои позиции атомная генерация и чем полезна такая конкуренция на энергорынке. Разбираемся вместе с экспертами.
Виктор Свистунов,
Данила Саранин,
заместитель генерального директора по развитию технического и нормативного регулирования
ВЭС АО «НоваВинд»
старший научный сотрудник Лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСиС
|
За время своего существования человечество несколько раз отказывалось от одного вида топлива в пользу другого. Первый энергетический переход произошел в XIX веке и сопровождал знаменитую промышленную революцию в Англии: люди постепенно перестали использовать биотопливо (древесину и т. п.), заменив его каменным углем. Это позволило серьезно увеличить эффективность энергопроизводства и обеспечило качественный скачок в развитии человечества.
В первой половине XX века уголь сменила нефть. Использование более энергоемкого топлива стимулировало развитие автотранспорта и появление огромных заводов. И тоже привело к промышленной революции.
Затем случился третий энергопереход — нефть хотя и не заменил полностью, но заметно потеснил газ.
До начала 2000-х энергию получали в основном из полезных ископаемых — а их объем, как известно, органичен. К тому же углеродные выбросы, сопровождающие использование газа и нефти, ведут к неуклонному повышению температуры окружающей среды. Один из способов сократить их, замедлить глобальное потепление на планете и при этом не зависеть от запасов недр Земли — частичный переход на безуглеродные и возобновляемые источники энергии.
В первой половине XX века уголь сменила нефть. Использование более энергоемкого топлива стимулировало развитие автотранспорта и появление огромных заводов. И тоже привело к промышленной революции.
Затем случился третий энергопереход — нефть хотя и не заменил полностью, но заметно потеснил газ.
До начала 2000-х энергию получали в основном из полезных ископаемых — а их объем, как известно, органичен. К тому же углеродные выбросы, сопровождающие использование газа и нефти, ведут к неуклонному повышению температуры окружающей среды. Один из способов сократить их, замедлить глобальное потепление на планете и при этом не зависеть от запасов недр Земли — частичный переход на безуглеродные и возобновляемые источники энергии.
В первой половине XX века уголь сменила нефть. Использование более энергоемкого топлива стимулировало развитие автотранспорта и появление огромных заводов. И тоже привело к промышленной революции.
Затем случился третий энергопереход — нефть хотя и не заменил полностью, но заметно потеснил газ.
До начала 2000-х энергию получали в основном из полезных ископаемых — а их объем, как известно, органичен. К тому же углеродные выбросы, сопровождающие использование газа и нефти, ведут к неуклонному повышению температуры окружающей среды. Один из способов сократить их, замедлить глобальное потепление на планете и при этом не зависеть от запасов недр Земли — частичный переход на безуглеродные и возобновляемые источники энергии.
В прошлом году солнце и ветер в совокупности впервые обеспечили более 10% всей мировой электрогенерации. Более того, впервые в истории они дали больше электроэнергии, чем все атомные электростанции. Еще одна показательная цифра: в том же 2021-м Китай построил в море больше ветровых станций, чем весь остальной мир за пять лет.
Активный переход к возобновляемым источникам энергии в России начался меньше десяти лет назад. В 2013 году государство выработало систему, которая позволяет инвесторам получать отдачу от вложений в ВИЭ и в конечном итоге компенсировать свои инвестиции. Эта программа распространяется на ветроэнергетику, солнечную энергетику и малые ГЭС. Пока производство энергии из возобновляемых источников обходится дороже традиционной энергетики, но предполагается, что к 2035 году цены сравняются. Из всех видов ВИЭ в России активнее всего развиваются ветро- и солнечная энергетика.
Затем случился третий энергопереход — нефть хотя и не заменил полностью, но заметно потеснил газ.
До начала 2000-х энергию получали в основном из полезных ископаемых — а их объем, как известно, органичен. К тому же углеродные выбросы, сопровождающие использование газа и нефти, ведут к неуклонному повышению температуры окружающей среды. Один из способов сократить их, замедлить глобальное потепление на планете и при этом не зависеть от запасов недр Земли — частичный переход на безуглеродные и возобновляемые источники энергии.
В прошлом году солнце и ветер в совокупности впервые обеспечили более 10% всей мировой электрогенерации. Более того, впервые в истории они дали больше электроэнергии, чем все атомные электростанции. Еще одна показательная цифра: в том же 2021-м Китай построил в море больше ветровых станций, чем весь остальной мир за пять лет.
Активный переход к возобновляемым источникам энергии в России начался меньше десяти лет назад. В 2013 году государство выработало систему, которая позволяет инвесторам получать отдачу от вложений в ВИЭ и в конечном итоге компенсировать свои инвестиции. Эта программа распространяется на ветроэнергетику, солнечную энергетику и малые ГЭС. Пока производство энергии из возобновляемых источников обходится дороже традиционной энергетики, но предполагается, что к 2035 году цены сравняются. Из всех видов ВИЭ в России активнее всего развиваются ветро- и солнечная энергетика.
|
В нашей стране используется два типа ветроустановок:
— оншорные, которые располагаются в материковой зоне;
— офшорные, их устанавливают в прибрежной зоне.
Офшорные установки мощнее, но в силу географического положения в России больше развивается оншорная ветроэнергетика. Занимается этим направлением, в частности, компания «НоваВинд», ветроэнергетический дивизион госкорпорации «Росатом».
— оншорные, которые располагаются в материковой зоне;
— офшорные, их устанавливают в прибрежной зоне.
Офшорные установки мощнее, но в силу географического положения в России больше развивается оншорная ветроэнергетика. Занимается этим направлением, в частности, компания «НоваВинд», ветроэнергетический дивизион госкорпорации «Росатом».
"
Мы разрабатываем и производим промышленное оборудование, строим ветростанции и эксплуатируем их. То есть мы закрываем практически полный жизненный цикл ветра. Наши установки собраны в России. Степень локализации производства сейчас составляет 68%, и в ближайшее время мы планируем этот показатель увеличить.
ВИКТОР СВИСТУНОВ
Сейчас компания «НоваВинд» строит ветропарки в Адыгее, Ставропольском крае, Ростовской области. В планах — Дагестан, Сахалин и Чукотка.
Чтобы выбрать место для ветростанции, специалисты по атласам ветров определяют, с какой скоростью и сколько часов в году дует ветер в том или ином районе, причем не у земли, а на высоте ветряной вышки (например, 100 метров). Затем выясняется, можно ли подключить ветростанции к общей энергосети, и уточняется статус земли, на которой планируется установить станцию. Если условия оказываются подходящими, на месте устанавливают ветроизмерительные комплексы. И уже по результатам их показателей принимается решение о строительстве. Кстати, сельскохозяйственной деятельности ветроустановки не мешают. Ссылаясь на ряд исследований Виктор Свистунов утверждает, что в Соединенных Штатах урожай некоторых сельхозкультур под ветряками вырос на 0,5−2% за счет лучшей вентиляции почвы.
Построить ветряную энергостанцию — половина дела. Нужно, чтобы она приносила энергию. А ветер сегодня есть — завтра нет. Как тут быть?
Построить ветряную энергостанцию — половина дела. Нужно, чтобы она приносила энергию. А ветер сегодня есть — завтра нет. Как тут быть?
"
Когда количество энергии ветра в общей энергосистеме небольшое, непостоянство выработки не слишком заметно и не создает проблем. Когда ветер начинает играть в энергобалансе существенную роль, появляется эффект масштаба: большое количество ветростанций за счет распределения по территории компенсирует простои друг друга.
ВИКТОР СВИСТУНОВ
|
«Солнечные батареи» — это те синие квадратики, приделанные к светофорам и автобусным остановкам, и бескрайние поля красивых солнечных ферм, которые показывают по телевизору. Они сделаны из кристаллического кремния, превращают свет в электричество и могут накапливать его в аккумуляторах.
Человечество училось делать кремниевые батареи более 70 лет, но относительно дешевыми они стали всего десять лет назад, когда почти все производство кремния вывели в Азию. За ее пределами осталось лишь два производителя кремниевых солнечных батарей, которые используют современные технологии: итальянский Enel и российский «Хевел».
Эффективность солнечных батарей, или, как их еще называют, панелей, зависит от инсоляции района, в котором они находятся, то есть от того, сколько ватт мощности попадает на единицу площади. Считается, что использование солнечных батарей рентабельно, когда на 1 м² приходится 800 Вт. В России установка таких панелей не имеет смысла только на Крайнем Севере, в остальных регионах она вполне эффективна.
Человечество училось делать кремниевые батареи более 70 лет, но относительно дешевыми они стали всего десять лет назад, когда почти все производство кремния вывели в Азию. За ее пределами осталось лишь два производителя кремниевых солнечных батарей, которые используют современные технологии: итальянский Enel и российский «Хевел».
Эффективность солнечных батарей, или, как их еще называют, панелей, зависит от инсоляции района, в котором они находятся, то есть от того, сколько ватт мощности попадает на единицу площади. Считается, что использование солнечных батарей рентабельно, когда на 1 м² приходится 800 Вт. В России установка таких панелей не имеет смысла только на Крайнем Севере, в остальных регионах она вполне эффективна.
Конечно, в Африке солнца больше, чем, например, в Москве или Петербурге, и кажется, что если заставить солнечными батареями всю Сахару, можно было бы запросто обеспечить электроэнергией многие страны. Увы, это не так: при передаче электричества по проводам большая его часть потеряется из-за сопротивления. Так что в итоге такая энергодобыча окажется неэффективной.
Несмотря на то что производство солнечных панелей из кремния за десятилетия стало значительно дешевле, устанавливать их все еще финансово не выгодно. Если бы для генерации электричества мы использовали только батареи из кремния, один ватт электричества обошелся бы нам в 20−40 центов или примерно в 12−25 рублей за ватт по текущему курсу. Напомним, что киловатт электроэнергии в Москве стоит сегодня максимум 6 с лишним рублей, то есть приблизительно в 2000 раз дешевле.
В поисках новых материалов и технологий ученые делали солнечные панели из лавсана, отходов нефти и даже батареи на соке овощей и фруктов. Все они работают, но КПД остается низким.
Несмотря на то что производство солнечных панелей из кремния за десятилетия стало значительно дешевле, устанавливать их все еще финансово не выгодно. Если бы для генерации электричества мы использовали только батареи из кремния, один ватт электричества обошелся бы нам в 20−40 центов или примерно в 12−25 рублей за ватт по текущему курсу. Напомним, что киловатт электроэнергии в Москве стоит сегодня максимум 6 с лишним рублей, то есть приблизительно в 2000 раз дешевле.
В поисках новых материалов и технологий ученые делали солнечные панели из лавсана, отходов нефти и даже батареи на соке овощей и фруктов. Все они работают, но КПД остается низким.
"
В 2000-е стало активно развиваться направление полимерных полупроводников, которые стали печатать на тонких пленках лавсана. Получились полупрозрачные батареи, которые ничего не весят. Ими можно было бы завешивать стены зданий вместо рекламных щитов или использовать в качестве штор в квартирах. Но оставался вопрос КПД. У полимерных полупроводников он составляет 15%. Неплохо, но все-таки не 20%, как у кремния.
ДАНИЛА САРАНИН
Реальный конкурент кремнию — перовскитные галогенидные полупроводники — появился в 2010 году. Это металлоорганика в виде тонких пленок, которые поглощают свет лучше, чем кремний. Их можно делать полупрозрачными, их можно печатать. И при КПД как у кремния их производство обходится существенно дешевле.
"
Мы с коллегами разрабатываем полный цикл нового поколения солнечных батарей, которые можно печатать. Также мы занимаемся стабилизацией этих солнечных батарей: сейчас они выцветают под действием света за пару лет, а должны работать пять-десять. Я ожидаю, что первые солнечные батареи из перовскита появятся на рынке в течение пяти лет.
ДАНИЛА САРАНИН
Солнечные батареи из перовскита печатают, как на струйном принтере. Естественно, специальным составом на специальных подложках. Сегодня уже существуют производства полного промышленного цикла изготовления такого типа батарей, и вопрос только в сроках их эксплуатации.
Отметим, что батареи из перовскита могут работать при тусклом свете, а их КПД в пасмурную погоду в разы больше, чем у кремния. Поэтому его можно интегрировать в гаджеты, в устройства интернета вещей и системы телекома, обеспечив таким образом беспроводную зарядку для целых экосистем устройств.
Отметим, что батареи из перовскита могут работать при тусклом свете, а их КПД в пасмурную погоду в разы больше, чем у кремния. Поэтому его можно интегрировать в гаджеты, в устройства интернета вещей и системы телекома, обеспечив таким образом беспроводную зарядку для целых экосистем устройств.
"
Поскольку толщина пировскитных батарей около 1 микрона (в десятки раз тоньше человеческого волоса), мы полагаем, что они могут быть использованы в производстве бионического глаза и элементов питания имплантатов конечностей.
ДАНИЛА САРАНИН
|
Могут ли ВИЭ полностью заменить все остальные? Ответ экспертов на этот вопрос однозначен: нет. Самый низкий уровень выбросов CO2 остается у атомной генерации энергии — менее 10 граммов на 1 КВт. Для сравнения: у ветростанции — около 20 граммов, у солнечной — от 27 до 120.
В представлении большинства людей атомная электростанция — не совсем экологически чистый объект, но фактически получается, что, если мы хотим прийти к безуглеродному будущему, придется сочетать разные типы генерации энергии.
В представлении большинства людей атомная электростанция — не совсем экологически чистый объект, но фактически получается, что, если мы хотим прийти к безуглеродному будущему, придется сочетать разные типы генерации энергии.
"
Энергетика должна быть сбалансированной, с разумным соотношением атома, гидро и ВИЭ. Наша страна обладает гигантским гидропотенциалом. В Европе он использован на 92%, у нас — на 28%. Пересмотр энергобаланса в сторону снижения сжигания углеводородов точно произойдет. Из газа и нефти можно сделать еду. Из электричества еду сделать нельзя. Поэтому сжигать нефть и газ — не очень рачительно.
ВИКТОР СВИСТУНОВ
"
Идеальный баланс — это нишевое использование в различных областях. Таким образом вся энергосистема будет работать эффективнее и станет дешевле для потребителей.
ДАНИЛА САРАНИН
Просветительская программа, реализуемая при поддержке Госкорпорации «Росатом» для молодых людей, которые интересуются наукой и технологиями. В фокусе проекта — достоверная информация из мира современной науки, представленная понятным адаптивным языком в виде подкастов, эксплейнеров, курсов и публикаций в актуальном для молодежи интерактивном формате. Контент готовит научная редакция, привлекая ученых, экспертов и популяризаторов науки. В контур программы входят также флагманские проекты: «Ледокол Знаний. Homo Science project» и «Атомный урок» для педагогов и школьников.
