Перспективы энергетической промышленности

Сегодня ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, обеспечивают 80% мировой энергии для обогрева домов, зарядки устройств и транспортировки электроэнергии [1]. Они также являются основным источником выбросов парниковых газов. Сокращение использования ископаемого топлива принесет значительные выгоды человечеству, например, улучшение здоровья и сокращение количества стихийных бедствий. Однако пока ведутся споры о том, что может наиболее эффективно заменить ископаемое топливо.

Ветер и солнце – популярные источники энергии, но солнце не всегда светит, и ветер не всегда дует. Батареи для хранения такой энергии еще не являются дешевыми и достаточно мощными, чтобы заполнить требуемые пробелы. Ядерная энергия напрямую не производит парниковых газов, но у нынешнего поколения реакторов есть другие проблемы. Такие решения, как хранение углекислого газа под землей или превращение его в чистое топливо, являются многообещающими, но они также нуждаются в серьезных доработках. Таким образом, пока ни одно из возможных решений по замене ископаемого топлива на другой вид энергии не обходится без существенных сложностей.

Для большинства людей именно ветряные турбины и солнечные панели олицетворяют дальнейшее развитие возобновляемых источников энергии. По данным

Международного энергетического агентства, в 2021 году возобновляемые источники составляют 30% мировой энергетики, и большая часть этого обеспечена проектами солнечной и ветровой энергии, которые продолжают развиваться [2]. К примеру, технологические гиганты, такие как Apple, Google и Amazon, инвестируют в солнечную энергию.

Эксперты сходятся во мнении, что развитие электрификации в ближайшие десятилетия должно ускорить переход к возобновляемым источникам энергии. Согласно некоторым прогнозам, электрификация европейской промышленности, зданий и транспорта на основе возобновляемых источников энергии позволит континенту сократить выбросы углекислого газа, связанные с энергетикой, на 90% к 2050 году.

Тихая революция в области возобновляемых источников энергии – это растущая доступность и популярность так называемой распределенной генерации электроэнергии. Это означает местное производство электроэнергии либо в розничном, либо в коммерческом секторе: от солнечных панелей в частных домах до заводов, использующих комбинированные системы тепла и электроэнергии. Расширение распределенной генерации дает множество преимуществ: от снижения зависимости от централизованных источников энергии до повышения надежности сети и создания жизнеспособных малых возобновляемых источников энергии. В сочетании с интел- лектуальными сетями, которые регулируются компьютерами для точной настройки передачи, распределенная генерация становится еще более эффективной [3].

Потенциал накопления энергии для ускорения перехода к возобновляемым источникам энергии широко обсуждается в научных кругах и, похоже, станет ключевым в ближайшие годы. Существует несколько технологий хранения энергии, их нужно объединить в систему. Некоторые из решений, которые будут расширяться в ближайшие годы, включают гидроаккумуляторы, батареи, топливо Power-to-X и сезонное хранение тепловой энергии. Эти же технологии также будут полезны для стран с крупной атомной энергетикой. В целом, накопление энергии позволяет поддерживать эффективный поток энергии, несмотря на непостоянный характер ветровых или солнечных источников.

Однако самый надежный возобновляемый источник энергии в мире – это не ветер или солнечный свет, а вода. Установленная мощность гидроэнергетики в 2019 году достигла 1308 ГВт – она выработала рекордное количество электроэнергии – 4306 ТВт.ч. [4]. Коммунальные предприятия во всем мире полагаются на гидроэнергетику для выработки электроэнергии, потому что она относительно дешевая, ее легко хранить и отправлять, а также производить без сжигания топлива, что означает, что она не будет выделять углекислый газ или загрязняющие вещества, как электростанции, сжигающие ископаемое топливо, такое как уголь или природный газ.

Однако, как и в случае с другими источниками энергии, гидроэнергетика также связана с экологическими издержками. Помимо глубокого воздействия на экосистему строительства плотин и отвода огромных водных путей, гидроэнергетика может нанести ущерб местным водным видам и их экосистемам. Большинство водосборных бассейнов по всему миру, некоторые из которых работают на гидроэлектростанциях более века, сильно деградированы, имеют загрязненные водные пути и устаревшие технологии. Традиционные водоемы часто представляют собой стоячие водоемы; из-за этого они часто являются участками вредоносного цветения водорослей, которые токсичны для людей, рыб, моллюсков, морских млекопитающих и птиц. Крупные гидроэлектростанции не только серьезно изменяют водоток, но препятствуют миграционному пути рыб.

Можно ли получать чистую возобновляемую энергию из рек, восстанавливая при этом дикую природу и среду обитания в более широком смысле? Инженеры пытались изменить будущее гидроэнергетики с помощью безопасных для рыбы турбин. Калифорнийская компания Natel Energy в партнерстве с инвестиционной фирмой Breakthrough Energy Ventures создала инновационную турбину, которая улучшает выживаемость рыб. Помимо спасения рыбы, турбина Natel направлена на создание устойчивой к климатическим условиям гидроэнергетики, способной противостоять непредсказуемости осадков.

Задача, которую необходимо решить, заключается правильном использовании атрибутов гидроэнергетики как возобновляемого источника энергии – надежности и управляемости – при одновременном снижении затрат воздействия на окружающую среду. Традиционные гидроэлектростанции работают, используя силу и давление воды, текущей из верхней точки в нижнюю по желобам в плотине. Рядом с нижней частью желоба находится турбина – вода вращает турбину, которая создает энергию, передающуюся на предприятия и дома. Но это также является основным проходом для мигрирующих рыб, таких как лосось или угорь, которые могут попасть в тонкие острые лезвия механизма.

В турбине Natel, напротив, используются изогнутые толстые лопасти. Благодаря своей конструкции турбина может удвоить допустимую скорость удара, что позволяет ей иметь относительно небольшой и недорогой размер, который также обеспечивает безопасный проход мигрирующей рыбы. Конфигурация вертушки (вместо спиц, выходящих прямо из ступицы турбины) означает, что лопасти турбины наносят скользящий удар вместо удара ножа. С инженерной точки зрения толстое лезвие создает зону давления, которая помогает сбрасывать материал с его пути, – это почти как подушка безопасности для рыбы, потому что сила удара минимальна. Такая конструкция также устраняет необходимость в «стеллаже для мусора» – тонком экране, который традиционно используется для улавливания мусора на входе в турбину и часто устанавливается, чтобы не допустить попадания мелкой рыбы в оборудование [5].

Изменение климата – это изменение воды. Существует возможность переосмыслить гидроэнергетические объекты с помощью технологий гражданского и экологического строительства, использования безопасных для рыбы турбин, машинного обучения и спутниковых изображений. При рациональном использовании гидроэнергетика может работать как источник зеленого топлива с рядом побочных преимуществ, включая борьбу с наводнениями, ирригацию, смягчение последствий засухи и водоснабжение.

По мере того, как компании во всем мире стремятся перейти на энергосистему с низким или нулевым выбросом углерода, улучшенные турбины могут помочь в достижении высокой надежности и накопления энергии, повышая устойчивость к изменению климата, сохраняя при этом рыбу, плывущую вверх по течению.