Возможен ли полный переход на возобновляемую энергию

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). 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.

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