Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Дэниел Франклин

Рис. 9.2. Изменение мощности.

Потребление энергии в США, %

Пусть всегда будет солнце

С тех пор как в 1954 году Bell Laboratories представила первый реальный элемент солнечной батареи, многое изменилось. Эффективность преобразования солнечного света в электроэнергию выросла почти в четыре раза — с 6 до % (для лучших панелей на кремниевой основе). Между тем стоимость модулей снизилась с почти 300 долларов за ватт в 1950-е годы до примерно 60 центов на сегодняшний день (рис. 9.3). В результате в некоторых местах солнечная энергия уже является экономически конкурентоспособной с ископаемым топливом (без государственных субсидий).

Рис. 9.3. Солнечные дни.

Кривая ценообразования солнечной энергии

В настоящее время солнечная энергия составляет около 1 % от всей генерируемой в мире. Может показаться, что это совсем немного, но гелиотехническая промышленность развивается очень быстро. В 2000–2014 гг. среднегодовой прирост количества фотоэлектрических установок составил 44 %. С 2012 года гелиотехническими установками в мире было выработано больше энергии, чем во все предыдущие годы, вместе взятые.

Солнечные батареи делаются из светопоглощающих материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Чаще всего это кремний — хрупкое вещество, которое необходимо инкапсулировать и заключить в жесткую раму, чтобы оно не крошилось. Это ограничивает развертывание панелей на крышах или использование крупных установок в полевых условиях. Тем не менее согласно отчету Массачусетского технологического института (MIT) «Будущее солнечной энергии» («The Future of Solar Energy»), современные технологии на основе кремния достаточно хороши для широкого распространения к 2050 году: благодаря им можно добиться значительного сокращения выбросов углекислого газа даже без крупных технологических достижений.

Однако в докладе также говорится о том, что разрабатываемые сегодня технологии потенциально проще и дешевле и могут быть развернуты в различных формах с эффективностью, аналогичной кремнию. Новые солнечные элементы можно размещать более тонкими слоями и на гибких подложках, благодаря чему они станут более легкими и проще устанавливаемыми. Кроме того, они могут быть сделаны из прозрачных материалов, поглощающих невидимый человеческому глазу свет и, таким образом, сливающихся с любым окружением. Один из авторов отчета, профессор в области новых технологий MIT Владимир Булович, говорит, что новые технологии позволят генерировать энергию, располагая батареи на любой поверхности.

Если это так, то в течение следующих десятилетий, по мере выхода из лабораторий на рынок, солнечные батареи могут появиться в карманных электронных товарах (в виде прозрачных пленок), а позже — в тканях, в том числе в шторах или одежде.

И кремниевые, и только появляющиеся тонкопленочные солнечные батареи изготавливаются из широко распространенных в природе материалов, поэтому могут производиться в больших объемах и их распространение не составит проблем. Согласно расчетам MIT, в 2050 году площадь, необходимая для обеспечения 100 % прогнозируемого в США спроса на электроэнергию с использованием имеющихся в настоящее время кремниевых технологий, будет равна примерно 0,4 % земной поверхности, или около половины Западной Виргинии. Но развертывание лишь самых эффективных панелей в особо солнечных районах страны способно сократить эту площадь почти на две трети.

Энергия ветра

Так же, как и Солнце, ветер — доступный, не выделяющий углекислого газа и возобновляемый источник. В настоящее время ветряные турбины обеспечивают около 4 % мировой потребности в электроэнергии. Стоимость энергии ветра упала с 30 центов за киловатт-час в 1980-х до 3 центов сегодня.

Первые ветряные турбины были короткими и маленькими, их мощность составляла всего лишь десятки киловатт. Современные машины намного больше, и их типовая мощность — примерно 2,5 мВт, а высота ступицы колеблется от 80 до 120 м. Преимущество более высоких башен в том, что они могут получить доступ к более быстрым ветрам, дующим на больших высотах. При этом длинные лопасти огромных роторов собирают больше энергии.

«Непрерывные усовершенствования открывают для ветроэнергетики новые горизонты», — сообщает в отчете «Перспективы ветроэнергетики» («Wind Vision») Министерства энергетики США управляющий консультант Эдгар Демео. Согласно этому документу, опубликованному в 2015 году и посвященному потенциалу ветроэнергетики в США до 2050 года, следующее поколение турбин может добавить для использования в ветроэнергетике почти 1,9 млн квадратных километров земли, таким образом, почти утроив площади, которые были доступны с более старой технологией в 2008 году.

Сегодня производятся в основном традиционные трехлопастные турбины, но в стадии разработки находятся и другие проекты, в том числе двухлопастные и безлопастные. Наибольшее финансирование получила калифорнийская фирма Makani, работающая над воздушно-ветряными турбинами, использующими трос для подключения и передачи энергии на наземные станции. Разработанные этой компанией «змеи-ветрогенераторы» на базе пропеллера работают на тех же аэродинамических принципах, что и обычные турбины, но потенциально могут достигать высоты до 310 м (или примерно вдвое выше существующих), при этом используя значительно меньше материалов.

В 2013 году Google купила Makani. Компания планирует протестировать прототип турбины на 600 кВт на Гавайях и сотрудничает с местными пилотами, а также с Федеральным авиационным управлением США для повышения заметности этого «воздушного змея». Но бросить вызов господству традиционных турбин будет непросто. «Сегодняшние машины имеют преимущество 30-летней истории развития с четко понятными критериями проектирования», — говорит главный инженер Национального центра ветроэнергетики США Пол Вирс. Еще одной проблемой станет доставка компонентов турбин. По мере увеличения размеров роторов и башен они станут нетранспортабельными, и компаниям придется собирать и даже производить их на месте. По словам директора Бюро ветроэнергетических технологий DOE Хосе Зайаса, в настоящее время идея получать лопасти при помощи 3D-печати лопастей уже переходит от стадии проектирования к созданию прототипа. Этот процесс должен стать быстрее привычного и может снизить стоимость лопастей на 5 %. Кроме того, исследователи изучают способы оптимизации компоновки и эксплуатации ветряных установок, что при незначительных дополнительных затратах должно повысить их производительность примерно на 5 %.

В течение многих лет основные прогнозы занижали темпы роста как солнечной, так и ветряной энергетики. Например, в прогнозе Международного энергетического агентства «Прогноз мировой энергетики 2008 года» («World Energy Outlook 2008») прогнозировалось, что в 2030 г. солнечная энергия будет составлять 1 % от мировой. Эта точка была достигнута уже в 2015 году, на 15 лет раньше.