Возможен ли полный переход на возобновляемую энергию Фото: Солнечные панели. Sebastian Ganso. Pixabay

Помимо солнечного излучения, энергия Солнца также проявляется в виде потоков ветра и воды. Потенциал этих двух источников значительно ниже, чем у солнечной возобновляемой энергии

Высокий спрос на чистую устойчивую энергию появился в большинстве стран в результате страха перед парниковым эффектом и стремления к чистому воздуху. Поэтому сейчас возникает естественный вопрос: достаточно ли в мире устойчивой энергии для удовлетворения всех потребностей?

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА) в 2016 году общее мировое энергопотребление составляло 13 761 млн toe (миллион тонн нефтяного эквивалента), что соответствует 18,3 ТВт в год (тераватт-год).

Из этого можно сказать, что да и нет. Если вопрос поставить прямо сейчас, то на него будет ответ - нет, так как до сих пор только небольшая часть всех источников устойчивой энергии доступна для эффективного извлечения, чтобы покрыть мировые энергетические потребности, но если рассматривать потенциал в целом, то ответ - да, потому что, если этот потенциал полностью раскрыть, то устойчивой энергии окажется более чем достаточно.

Чтобы вырабатывать 18,3 ТВт электрической энергии из фотоэлектрических элементов с консервативным КПД 10%, потребуется годовое солнечное облучение мощностью 183 ТВт в электрическом эквиваленте. Средний приток энергии от Солнца (с поправкой на рассеяние в атмосфере и поглощение облаками) на сушу между полярными кругами соответствует средней электрической мощности в 21 000 ТВт, то есть в 115 раз больше, чем необходимо.

На самом деле, для обеспечения всей необходимой энергией в мире, требуется лишь небольшая часть пустынь мира. На рисунке 1 показана карта с уровнем глобального горизонтального солнечного облучения (GHI), на которой показано, насколько это занимаемое пространство невелико, даже в том случае, если предполагаемая фотоэлектрическая эффективность составляет 10%. Следует отметить, что для размещения фотоэлектрических устройств не требуется обязательное использование ценных сельскохозяйственных угодий.

Рисунок 1

Карта солнечного ресурса, исходя из глобального горизонтального облучения (GHI)

Карта солнечного ресурса, исходя из глобального горизонтального облучения (GHI). Площадь солнечных фотоэлектрических установок, необходимых для покрытия сегодняшнего мирового спроса на энергию, при эффективности 10%, в общей сложности составляет более 700 000 км², если она будет установлена, например, в шести областях, отмеченных черными пятнами в пустынных районах с высоким GHI в течение года. Для сравнения, площадь 700 000 км² отображена в виде красного квадрата, который расположен на карте в Индийском океане на уровне экватора. Карта основана на данных о солнечных ресурсах, полученных из Глобального солнечного атласа, принадлежащего Группе Всемирного банка: https://globalsolaratlas.info/.

Помимо солнечного излучения, энергия Солнца также проявляется в виде потоков ветра и воды. Потенциал этих двух источников значительно ниже, чем у возобновляемой солнечной энергии. Реалистичный технический потенциал энергии ветра составляет 23 ТВт, а гидроэнергии для выработки электричества - в среднем 1,6 ТВт.

Таким образом, кажется очевидным, что в будущем придется полагаться на солнечное излучение как на основной источник устойчивой энергии. Следовательно, необходимо научиться использовать в полной мере возможности преобразования и хранения энергии, чтобы заполучить постоянное и надежное энергоснабжение.

Кроме того, в ближайшем будущем производство электроэнергии от солнечных и ветровых источников может быть в целом конкурентоспособным, относительно ее выработки из ископаемого топлива, так как в последнее время неоднократно сообщалось о ценах, которые оказывались ниже, в сравнении с выработкой электричества из угля, и они, по-видимому, продолжают достаточно быстро снижаться.

Глобальная средневзвешенная стоимость электроэнергии, которая вырабатывается с помощью солнечных фотоэлектрических установок бытового сегмента, упала на 73% в период с 2010 по 2017 год до 0,10 долларов США/кВт-ч, а что касается крупногабаритных фотоэлектрических установок, то в 2017 году стоимость снизилась до 0,06 долларов США/кВт-ч. Сейчас имеет место тенденция дальнейшего снижения цен на фотоэлектрическую энергию до 0,03 долларов США/кВт-ч. Таким образом, солнечная энергия становится конкурентоспособной по сравнению с углем.

Необходимость преобразования и хранения энергии

Тем не менее, как солнечная, так и ветровая энергия непостоянны, и поэтому не всегда доступны при возникновении необходимости. Во многих регионах мира гидроэнергетика также страдает от недоступности в течение определенных периодов года. Биомасса - это устойчивый источник энергии, который постоянно доступен, но он не может покрыть потребности всего мира, потому что плодородные земли необходимы для производства продуктов питания и других биологических ресурсов.

Таким образом, для удовлетворения мирового спроса на энергию требуются эффективные и недорогие системы для ее преобразования и хранения, чтобы иметь возможность использования полного потенциала непостоянной энергии солнца, ветра и гидроэнергии.

Существует целый ряд таких технологий преобразования и хранения, например, перекачивание воды в горные резервуары, сжимание воздуха или использование электрических аккумуляторов. Все они уже сегодня используются, но ни один из них не подходит для сезонного хранения (от нескольких месяцев до нескольких лет) и не подходит для заправки тяжелого транспорта, такого как грузовики, корабли и самолеты.

Таким образом, виды топлива, такие как водород, СО₂-нейтральное топливо и/или аммиак, полученные с помощью возобновляемых источников, могут использоваться для хранения и транспортировки энергии.

Технологии конверсии, которые могут производить такое топливо из возобновляемых источников, в настоящее время нуждаются в электролизе, для преобразования энергии в водород H₂ из воды и окись углерода CO из двуокиси углерода CO₂.

Из смеси H₂ и CO (синтез-газ) можно получить топливо, такое как метан CH₄, также называемый синтетическим природным газом, метанол CH₃OH, диметиловый эфир CH₃OCH₃ и многие другие виды углеродно-нейтрального топлива. К ним же относится аммиак NH₃.

Технические преимущества такого топлива (запасенная химическая энергия) по сравнению, например, с электрическими батареями и физическими методами, могут быть проанализированы, основываясь на плотности энергии и эквивалентной плотности мощности.

В таблице 1 приведены приблизительные значения плотности энергии и точек кипения (для химических энергоносителей). Ясно, что, учитывая точки кипения и плотности энергии, CH₄, CH₃OCH₃, CH₃OH и NH₃ являются наиболее простыми в обращении.

Очень низкая температура кипения H₂ добавляет значительные затраты в контексте обращения с ним, даже если во многих случаях H₂ может оказаться весьма сжатым (до 700 бар). Сжатый воздух, хранение воды на большой высоте и аккумуляторы, по-видимому, не подходят для хранения в течение длительных периодов в контексте транспортного сектора. Аргумент плотности энергии решительно поддерживает ее преобразование путем электролиза в химическую энергию.

Таблица 1

Данные для сравнения объемной и гравиметрической плотности энергии для выбранных технологий накопления энергии. Значения являются только приблизительными из-за разброса в литературных данных. Все технологии обработки хорошо проверены и кажутся безопасными.

Тип хранения МДж/л  МДж/кг Точка кипения, °С
 Жидкий метан 22 56  -162
 Жидкий диметиловый эфир (ДМЭ) 22  30  -25 
 Метанол 16  20  +65 
 Жидкий аммиак 12  19  -33 
 Жидкий водород 10  141  -253 
 Сжатый воздух, 20 МПа 0,1  0,4   
 Вода на высоте 100 м 10⁻³  10⁻³  
 Свинцово-кислотные батареи 0,4 0,15   
 Литий-ионные аккумуляторы 1  

 

Следующий короткий пример иллюстрирует это. Предполагая, что скорость наполнения резервуара жидким ДМЭ составляет 20 л/мин, это означает, что объем жидкости 60 л, который будет закачан за 3 минуты даст 1320 МДж запасенной энергии. Эквивалентная плотность мощности при транспортировке топлива также решительно благоприятствует хранению в виде топлива для самолетов, кораблей и грузовиков, а также, в некоторой степени, для легковых автомобилей.

Для сравнения: для подзарядки литиевых батарей требуется около 8 часов без нанесения дополнительного ущерба сроку службы батареи. Для 300-килограммового аккумулятора (1 МДж/кг) требуется 8 часов, чтобы получить 300 МДж запасенной энергии и, кроме этого, это в 700 раз медленнее, чем заполнение резервуара диметиловым эфиром.

 

Источник: М. Б. Могенсен, М. Чен, Х. Л. Франдсен, С. Грейвс, Дж. Б. Хансен, К. В. Хансен, А. Хаух, Т. Якобсен, С. Х. Дженсен, Т. Л. Скафте, X Sun, Обратимые твердооксидные элементы для чистой и устойчивой энергии, Чистая энергия , Том 3, Выпуск 3, сентябрь 2019 г., страницы 175–2010, https://doi.org/10.1093/ce/zkz023

Комментарии

Сергей Барболин

Россия давным-давно использует возобновляемую энергетику, получаемую методом фотосинтеза, - растительные виды топлива, то бишь дрова... Я в этом году отапливаю опилом дом площадью 460 кв. м. Затратил на топливо одну тысячу рублей... Можно делать заявку в книгу рекордов. Вашим ветрякам такая эффективность и не снилась, и еще сто лет не будет такого...

Слава Варлимонт

Пока нет. Нет систем хранения - кроме сильно ограниченных по времени хранения. И что немаловажно - нет понимания кто и как будет владеть генерацией, транспортировкой, хранением и сбытом - в условиях капитализма... Теории великолепны - что с практикой?

Владимир Темников

"и хранения энергии...", а вот тут можно поподробней. Куда складывать? (Мой любимый вопрос для агитаторов СССР). Почему Зелёная энергия дороже традиционной? Может просто конкурентная борьба? Подсадить Европу на заведомо убыточный энергоресурс? Ведь эти вбросы о Зелёной энергии кто-то хорошо оплачивает, иначе с чего такой хипиш? :)

Валерий Волошин

Данная система будет работать эффективно только при всемирной интеграции всех солнечных электростанций в единую энергетическую систему.

Сергей Ложечко

В водород надо вкладывать

Иванов Владимир

Нет

Василий Шкромада

Возможно, если не грабить население Земли.

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Другие публикации по теме