Топливо будущего: как прогрессирует сфера альтернативных источников энергии
В России созданием новых видов топлива занимаются множество исследовательских центров. Например, ТПУ при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030» развивает стратегический проект «Энергия будущего», направленный на дополнительное образование студентов и школьников. Среди других центров — Кузбасский государственный технический университет имени Горбачева, Самарский университет имени Королева, Казанский федеральный университет, Тюменский государственный университет. У всех единые цели: тестирование перспективных технологий, обучение кадров, поиск принципиально новых видов топлива. Сегодня мы подробнее рассмотрим сферу альтернативных источников энергии и попробуем спрогнозировать будущее энергетики.
Направление №1 — ВИЭ
Стремительный уход от ископаемого топлива в сторону «зеленых» возобновляемых источников энергии критикуется некоторыми специалистами. Например, Константин Симонов, глава Фонда национальной энергетической безопасности, напоминает про «активное и даже агрессивное государственное субсидирование» в сфере ВИЭ по всему миру. Как итог, направление развивается не в условиях рыночной экономики, а «насильно». Но факт остается фактом: по итогам 2023-го глобальные мощности возобновляемой энергетики выросли на 50% по сравнению с 2022 годом. Эксперты Международного энергетического агентства (МЭА) прогнозируют, что «в 2028 году на долю ВИЭ будет приходиться более 42% мировой электрогенерации, при этом доля ветра и солнца удвоится до 25%».
Участие госаппаратов в техническом прогрессе не проходит бесследно: к разработкам привлекаются ученые и ведущие инженеры, постоянно растут инвестиции. Чем сейчас заняты разработчики:
Повышением эффективности. Проблема некоторых ВИЭ — низкий КПД. Например, КПД серийных солнечных батарей редко превышает 16–20%. В декабре 2023 года китайская корпорация China Three Gorges Corporation успешно запустила первую в мире СЭС на перовскитных солнечных панелях — по расчетам, КПД здесь составит около 25%. Ранее в ноябре 2023 года компания Longi установила рекорд для фотоэлементов — КПД до 33,9%. Испытания проводились в лабораторных условиях. Это стало возможным благодаря тандему перовскита и кремния. После запуска в массовое производство это значительно снизит стоимость солнечной энергии.
Повышением рентабельности. Далеко не все «зеленые» технологии оказываются экономически выгодными — бизнесу гораздо проще сжигать уголь, чем закупать дорогостоящие ветрогенераторы. Поэтому цель ученых — удешевить и упростить установки ВИЭ. Так, в декабре 2023 года американская компания T-Omega приступила к испытаниям инновационного пирамидного ветрогенератора. Агрегат устанавливается в море и крепится ко дну тросами, а поддерживает конструкцию основание в виде граней пирамиды. Разработчики уверяют, что такая форма позволяет сэкономить на земле под генерацию, на материалах и ремонте, поскольку генератор легко транспортируется к берегу лодками. Плюс, он выдерживает волны до 30 метров высотой. Прототип устройства прошел испытание в масштабе 1:16. Полноразмерная турбина мощностью 10 МВт разместит ротор длиной 198 м, а общий вес составит от 1200 до 1800 метрических тонн.
Расширение географии. Мощность ВИЭ определяется окружающими условиями. Поэтому ВЭС строят там, где дуют ветра, а СЭС — в местах повышенной солнечной активности. Геотермальные станции находятся недалеко от вулканов или горячих источников. Получается, построить ГеоЭС можно только на ограниченных территориях, где, зачастую, нет нужды в большой генерации. В июле 2023 года корпорация Fervo Energy заявила об успешном испытании принципиально нового способа бурения скважин под геотермальные станции — горизонтально, а не вертикально. Итоги эксперимента доказывают, что таким способом можно построить ГеоЭС практически везде.
Нельзя забывать и про цифровые технологии. Энергосистема — сложный организм, который не сможет функционировать без надежного программно-аппаратного комплекса. Для ВИЭ это важнее вдвойне, поскольку новые типы станции подключаются к традиционным электросетям через инвертор — это не позволяет им реагировать на возможные сбои в энергосистеме. Специалисты Национального исследовательского университета МЭИ нашли выход из ситуации: они разработали ПО, позволяющее обойти существующие ограничение и встроить ветряные или солнечные станции так, будто они традиционные.
Направление №2 — Переработка
Всемирный Банк посчитал, что в мире каждый год образуются 2,01 млрд тонн твердых коммунальных отходов. То есть, ежедневно на одного человека приходятся 0,74 кг. Треть из этого объема утилизируется совсем не так, как хотели бы экологи. А ведь любой мусор — это потенциальный источник вторичного сырья и энергии.
В России по итогам 2023 года на утилизацию и переработку направились только 13% всего мусора. Получается, остальные 87% — это неиспользуемый энергетический потенциал. Не удивительно, что именно в России в последнее время наблюдается исследовательский «бум» переработки отходов в топливо. Несколько интересных проектов:
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) научились получать мазут из старых автомобильных покрышек. В экспериментальной установке перемолотая крошка из шин обрабатывается горячим паром, в результате чего масса распадается на полезные продукты. Среди них есть и мазут с морозостойкими свойствами.
Ученые ТюмГУ предложили метод переработки любых органических отходов в экологически чистое топливо. Биоугольный материал, как его называют специалисты, прочнее и дешевле в производстве, чем древесный уголь. Также при изготовлении не выделяется вредный смог.
И вновь ТПУ: в январе 2024 году исследователи показали установку полного цикла, позволяющую производить композиционные виды топлива. Себестоимость горючего — всего 2,5 рубля за 1 кг. Главное отличие от аналогов — утилизация широкого спектра отходов в рамках одного технологического процесса.
Сотрудники Института химической физики разработали и построили реактор, перерабатывающий биологические отходы в топливо. В нем мусор подвергается воздействию ультраперегретого водяного пара при температуре около 2000 ℃, в результате чего образуется синтез-газ. Для поддержания работы реактора требуется всего 10% производимого газа, остальное — полезная выработка.
В Новосибирском государственном университете проверили новый метод переработки пластиковых пакетов. Их установка подвергает собранный пластик пиролизу при температуре около 600 ℃, а затем делит на компоненты с фирменной обработкой. В результате ученым удалось получить прозрачную жидкость с привычным нерезким запахом моторного топлива без серы. Такое топливо подходит для ДВС. Сейчас работают над модернизацией установки, чтобы производительность перерабатываемого сырья была не в граммах, а в килограммах.
В Европе и США переработкой отходов обеспокоились гораздо раньше, чем в России, поэтому мусор там активно сортируют и отправляют на утилизацию. Технологии на месте не стоят. Так, в сентябре 2023 года инженеры из Университета Райса разработали технологию получения водорода из пластмассового мусора с низким уровнем выбросов парниковых газов. Чуть позже американские инженеры-экологи нашли способ натуральной обработки навоза крупного рогатого скота, превращающий отходы жизнедеятельности в горючий газ метан.
Направление №3 — Принципиально новые источники
Все перечисленные выше источники основаны на привычных технологиях — получении энергии из солнечного света, ветра, недр планеты, биологических отходов и т. д. Но периодически приходят новости о принципиально новых способах добычи. Например:
Батареи на основе хлоратов. В них используется водород без катализаторов. Разработку представили российские ученые в 2022 году. По их словам, простота и дешевизна новых батарей позволяет использовать энергокомплекты не только в космических и подводных аппаратах, но и в экстремальных земных условиях.
Энергия из нейтрино. Нейтрино — это легчайшие элементарные частицы, пронизывающие все вокруг. Американская компания Neutrino Energy Group заявляет, что научилась использовать космические частицы невидимого спектра и теплового (броуновского) движения атомов графена для производства электроэнергии. Возможность реализации проекта на практике пока подвергается сомнениям, но перспективы есть.
«Горючий лёд». Так называют газовые гидраты — соединения из газа в ледяной и водной оболочке, скапливающиеся на дне морей и океанов. Некоторые специалисты называют их топливом будущего. В марте 2023 года ученые Томского политеха спроектировали и построили установку, позволяющую производить и сжигать «горючий лед» в лабораторных условиях.
Электричество из влажного воздуха. В мае 2023-го инженеры Массачусетского технологического института (MIT) успешно протестировали пленку, способную генерировать электрические импульсы под воздействием влажного воздуха. Её особенность — наличие пор размером менее 100 нанометров. Молекулы воды в воздухе, проходя через такие микроскопические «туннели», ударяются о стенки, благодаря чему на поверхности образуется заряд.
Принципиально новые источники пока не имеют практического применения. Все-таки, эта сфера изучена слишком плохо, и вложения не окупают себя. Поэтому они не конкурируют с ВИЭ.
Прогнозы
В октябре 2023-го участники сессии «Сценарии развития мировой энергетики» в рамках Российской энергетической недели (РЭН) обсудили вопрос, связанный с переходом к углеродной нейтральности в 2050 году. По словам экспертов, сценарий отказа от ископаемого топлива в ближайшие 20–30 лет потребует неподъемных инвестиций. В Институте энергетических исследований РАН считают так же: по их прогнозу, уголь и нефть продолжат играть ключевую роль в мировой экономике как минимум до 2040 года.
Но игнорировать массовый интерес к альтернативным источникам нельзя. Если в 2020 году доля солнечной и ветровой энергии в структуре генерации составляла 8%, то к 2050 году этот показатель увеличится до 40–60% в зависимости от сценария — так считают в научном отделе ПАО «ЛУКОЙЛ». Транснациональная нефтегазовая компания BP придерживается такого же мнения. Эксперты прогнозируют, что доля ископаемого топлива в первичной энергии снизится примерно с 80% в 2019 году до 55–20% к 2050 году. Высвободившееся место займут как раз альтернативные источники.
Какой вывод можно сделать: ископаемые виды топлива постепенно уйдут в прошлое, но это пока далекая перспектива — даже в 2050 году они продолжат играть заметную роль на мировой арене. Поэтому развитие альтернативных источников энергии — задел на будущее, а не сиюминутное решение проблемы.
