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

Тем не менее солнечная и ветряная энергии имеют один недостаток: неравномерное поступление. Солнце ночью не светит, ветер дует не всегда. Необходимо научиться интегрировать все установки, использующие возобновляемые источники энергии, в единую энергосистему. Сегодня сложные методы прогнозирования способны подсказать, когда облака закроют Солнце или поднимется ветер, а сетевые операторы балансируют спрос и предложение с гораздо меньшим запаздыванием. Сеть со множеством связей может передавать избыточную энергию на большие расстояния туда, где она необходима больше всего. А при возникновении нехватки энергии Солнца или ветра предусмотрены работающие на природном газе так называемые пиковые электростанции, которые могут быстро восполнить недостачу.

Но не все сети одинаково надежны и доступны. И некоторые элементы просто не способны посылать электричество на большие расстояния или быстро запускать дополнительные блоки. Другим вариантом сглаживания кривых поступления энергии от возобновляемых источников является хранение ее избытков для последующего использования.

Подача энергии населению

Хотя сегодня и существуют многочисленные технологии сохранения энергии, как правило, они достаточно дорогостоящие. Наиболее распространенный и наименее технологичный вариант — использование воды (гидроэлектростанция). Другой подход предполагает сжатие и удержание воздуха в больших резервуарах или в подземных пещерах. При необходимости он высвобождается и вращает турбину, генерируя энергию.

Помимо этого, для хранения можно использовать различные типы аккумуляторов. В них устанавливаются электрохимические элементы, реакции в которых приводят к выработке энергии. Все более популярными становятся литий-ионные батареи. Поскольку литий — относительно легкий материал и позволяет упаковать много энергии в небольшом объеме, такие батареи сегодня можно найти в самых разных устройствах, начиная от портативных электронных до электромобилей. Ученые считают, что смогут значительно улучшить конструкции батарей и компонентов, что помогло бы как минимум удвоить количество запасенной энергии на единицу веса.

Еще одна перспективная технология для применения в сетях — проточные батареи. Они состоят из набора емкостей, содержащих два типа жидкостей и отдельную электрохимическую ячейку. Когда обе первые прокачиваются через последнюю, ионы через мембрану переходят из одной жидкости в другую, в то время как пропорциональное количество электронов совершает путешествие по внешней цепи. Поскольку проточные батареи хранят энергию в жидких электролитах, ее плотность определяется размером емкости для хранения. На данный момент такие батареи продаются не слишком широко, но если появится возможность их производства из более дешевых и менее токсичных материалов, они могут стать доступнее.

Калифорнийская мечта

Размещенные во всем мире емкости для хранения энергии кажутся почти мизерными по сравнению с мощностью ее производства. Но в ближайшие десятилетия все изменится. Калифорния, получившая предписание к 2030 году производить 50 % электроэнергии с помощью возобновляемых источников, уже потребовала от трех своих крупнейших принадлежащих инвесторам сетей к 2020 г. добавить 1,3 гВт накопленной и сохраненной энергии. AES Energy, «дочка» энергетического гиганта AES, устанавливает огромную 100-мегаваттную литий-ионную систему аккумуляторов, которая сможет быстро обеспечить подачу энергии на срок более четырех часов. Southern California Edison (SCE) — крупное предприятие, обслуживающее около 15 млн человек в центральной и южной Калифорнии, уже закупило несколько сотен мегаватт хранящейся энергии. SCE также сотрудничает с основанной в Кремниевой долине компанией Stem. Последняя, предоставляющая услуги в области электроснабжения, сочетает в себе небольшое модульное хранилище литий-ионных аккумуляторов и интеллектуальное программное обеспечение для снижения предприятиями расхода электроэнергии. Контракт с SCE предусматривает установку хранилища на 85 мВт, распределяемых примерно на 1000 потребителей в течение 10 лет.

Директор отдела накопительных энергетических установок компании GTM Research Рави Мангани утверждает, что к 2020 г. большинство новых хранилищ в виде «электрогенерирующего объекта, находящегося вне собственности поставщика», появятся не только на предприятиях, но и в частных домах. То же самое предсказывает и эксперт по хранению энергии из крупной немецкой компании RWE Кристиан Метцгер. Он полагает, что в ближайшие десятилетия объединенная система распределенных энергохранилищ по всей Германии станет достаточно большой, чтобы поставлять всевозможные услуги в сеть — это сделает ненужным строительство дорогостоящих крупных энергохранилищ. «Дополнительное долгосрочное ее хранение потребуется только после 2050 года, когда возобновляемые источники энергии, как ожидается, будут обеспечивать 80 % (или даже больше) электроэнергии Германии», — говорит Метцгер.

В настоящее время наиболее технологичным выбором для новых систем хранения энергии во всем мире является литий-ионный аккумулятор, на который, по данным исследовательской фирмы Navigant, в 2015 году приходилось более 85 % существующих емкостей хранения. Для удовлетворения растущего спроса на электромобили, а также на модульные системы накопления энергии для домов и предприятий, получившие название Powerwall и Powerpack соответственно, калифорнийский производитель электромобилей и решений для хранения энергии Tesla Motors совместно со своим поставщиком батарей компанией Panasonic строят в Неваде завод Gigafactory стоимостью в 5 млрд доллларов. Другие крупные производители литий-ионных батарей тоже наращивают обороты.

Все это благодаря увеличению экономии энергии за счет вертикальной интеграции и других мер повышения эффективности работы должно привести к значительному уменьшению затрат на аккумуляторы. Согласно отчету Bloomberg New Energy Finance, к 2030 году стоимость батарейного блока для электромобиля может опуститься с нынешних 350 долларов за киловатт-час ниже 120. Тогда электромобили смогут достойно конкурировать с обычными машинами без каких-либо субсидий. В докладе говорится, что к 2040 году 35 % всех проданных новых автомобилей в мире могут быть электрическими и гибридными.

По мере роста доли возобновляемых источников энергия для подзарядки электромобилей будет поступать из наболее чистых из них. Кроме того, для снижения счетов за электроэнергию владельцы электромобилей смогут предложить свои аккумуляторы энергосбытовым компаниям, чтобы снизить таким образом счет за электричество. Сеть станет более чистой, доступной и распределенной. У частных лиц и предприятий появится возможность не только накапливать энергию в аккумуляторах, но и продавать ее излишки другим.

Долгожданное

Несмотря на то что в период до 2050 года очень большое значение будут иметь технологии, связанные с возобновляемыми видами энергии, и им подобные, другие виды энергетики тоже не прекратят развиваться. Атомная энергетика также производит электроэнергию, при этом не выделяя газы, изменяющие климат. Ядерное деление расщепляет атомы тяжелых элементов — таких, как уран — на легкие, в процессе генерируя энергию. Первые атомные электростанции начали функционировать в 1950-х годах. Сегодня в мире работают около 450 ядерных реакторов, обеспечивающих порядка 11 % общемировой электроэнергии. По оценкам МЭА, к настоящему моменту ядерная энергетика помогла сократить выбросы CO2 в атмосферу примерно на столько, сколько человечество выбрасывает его в атмосферу в течение двух лет.