Мир

Газ и уголь заменит энергия космоса

В ближайшие десятилетия человечество начнет собирать энергию Солнца на околоземной орбите, а в перспективе научится использовать энергию звезд

По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA), энергопотребление на Земле удваивается каждые 10 лет. При сохранении этого тренда угля человечеству хватит на 250 лет, нефти - на 40, а природного газа - на 65. Это означает, что уже через несколько поколений человечеству придется полностью перейти на альтернативные источники энергии. По прогнозам специалистов IEA, к 2035 г. процент использования энергии солнца, ветра и воды уже приблизится к 70%. В прошлом году инвестиции в эти виды возобновляемой энергии составили порядка $95 млрд, а до 2035 г. они увеличатся до $ 4,8 трлн. Более половины средств уже заложено в проекты, которые планируется завершить до 2020 г.

Альтернативка станет традиционной

Наибольшие ожидания в среднесрочной перспективе связаны с ветроэнергетикой. По прогнозам британской исследовательской компании GlobalData, совокупная мощность в мировом секторе ветроэнергетики увеличится с 322,5 ГВт в 2013 г. до 688 ГВт к 2020 г. Ветроэнергетический бум охватил США, Испанию, Китай и Германию. Истинный же потенциал энергии ветра показал проект Эль Йерро, самого маленького из Канарских островов Испании. Он стал первым в мире участком суши, полностью независимым от внешнего энергопитания. На днях здесь завершилось строительство новой ветровой электростанции Gorona del Viento стоимостью в $110

К 2030 г. JAXA планирует ввести в строй коммерческую систему из серии наземных и орбитальных станций общей мощностью 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией

млн и мощностью в 11,5 МВт. Ввод ее в эксплуатацию позволит сократить годовые выбросы углекислого газа на 18,7 тыс. т и полностью отказаться от годового потребления 40 тыс. баррелей нефти.

Ученые уже близки к решению главных проблем ветроэнергетики. Первая - нестабильность источника энергии. Недавно в Колорадо построили ветропарки, турбины которых каждые несколько секунд записывают скорость ветра и свою собственную выходную мощность. Данные обрабатываются Национальным центром атмосферных исследований, который с предельной точностью определяет, сколько энергии будет поступать каждые 15 мин. в течение предстоящей недели, что позволяет подстраховываться за счет других альтернативных источников и традиционных ресурсов.

Вторая - внешнее воздействие на лопасти ветровых турбин. Исследовательский центр General Electric разработал новое водоотталкивающее покрытие - гидрофобный наноматериал, способный защитить лопасти от атмосферного обледенения, образующегося на определенных высотах или на уровне моря в холодном климате.

До 600 ГВт к 2020 г. должна увеличиться суммарная мощность солнечных электростанций. Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия, как ожидается, к 2050 г. будет обеспечивать 20-25 % всей потребляемой на планете энергии. В ближайшее время новые солнечные энергопарки откроются на Ближнем и Среднем Востоке, в Южной Америке и Африке. Впрочем, и в этом секторе в лидерах остается Германия. В июне Фраунгоферовский институт систем солнечной энергетики сообщил о новом рекорде - суточное потребление солнечной энергии составило 50,6% от всего объема использованной энергии.

Развитие гидроэнергетики для развитых стран утратило свою актуальность. Поскольку там уже освоена большая часть экономически целесообразного гидропотенциала: в Европе - 75%, в Северной Америке - около 70%, и возможности для строительства крупных ГЭС практически исчерпаны. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) пока вносят в мировую выработку гидроэлектроэнергии лишь 5 и 18 % соответственно. Южная Америка и Австралия вместе взятые, располагая примерно 15% ресурсов, дают только 11% производимой в мире гидроэлектроэнергии. Мировые же лидеры ищут новые возможности использования воды в качестве энергоресурса. В частности, энергию приливов (самые крупные электростанции Shihwa в Южной Корее мощностью 254 МВт и "Ля Ранс" в Северной Бретани мощностью 240 МВт) и волн (технический потенциал энергии волн оценивается примерно в 3 млрд кВт.ч в год). В перспективе рассматривается возможность использования энергетического потенциала океанских и морских течений. Например, Гольфстрим, основная часть которого проходит между Флоридой и Багамскими островами, имеет эквивалентную энергетическую мощность в 50 млн кВт, и эксперты в США считают, что реально использовать примерно 10% этой мощности. А также энергии океана, в том числе и тепловой. Программы "Преобразование термальной энергии океана" уже осуществляются в США, Японии, Франции. Построены опытные моретермальные электростанции у Гавайских островов, острова Науру, у побережья Кот-д'Ивуара. Впрочем, пока их мощность не превышает сотен киловатт, коэффициент преобразования энергии 10-15 %, а себестоимость энергии неконкурентоспособна с большинством других энерготехнологий.

Многие страны развивают также геотермальную и гидроэнергетику, биотопливо. К примеру, геоэлектростанции работают почти в 30 странах мира, а их суммарная мощность более 10 тыс. МВт. Но эти виды не рассматриваются как перспективные: они дороги, не всегда доступны и неэкологичны.
"Зеленая" экзотика
Параллельно ученые ищут принципиально новые источники энергии. Например, исследователи Гарвардской школы технических и прикладных наук создали устройство, способное превращать в непрерывный поток чистой энергии инфракрасные лучи, излучаемые Землей в атмосферу. Новый прибор работает по принципу фотогальванических устройств, но, вместо того чтобы поглощать падающий из видимого диапазона свет, он "переизлучает" инфракрасные лучи, создавая электрический ток.

Группа французских архитекторов представила проект небоскреба Soundscraper, питающийся энергией шума. Здание покрыто специальными датчиками, которые улавливают любые звуковые вибрации и превращают их в электроэнергию - 150 МВт.ч. Аналогичный источник энергии использовал дизайнер Хьенг-Юэй Джоу при создании устройства Green Noise: оно способно превращать в энергию шум аэропорта. Каждый взлетающий самолет производит шум в 140 дБ, что эквивалентно 240 кВт мощности.

Едва ли не каждый месяц научные журналы публикуют разработки, позволяющие использовать и более экзотические источники для получения энергии - от человеческих экскрементов, алкоголя и подгузников до энергии стихийных бедствий. Бывший инженер ExxonMobil Луи Мишо в партнерстве с канадской AVEtec Energy Corp. за счет использования энергетических отходов надеется создать искусственный торнадо высотой более 14,5 км (самые высокие природные торнадо не превышали 9 км), который в сочетании с турбинами позволит вырабатывать больше энергии, чем сейчас дает ядерная или ископаемые виды топлива. При этом стоимость такого источника энергии будет вдвое меньше, чем самого дешевого традиционного источника.

Ученый-биолог Озгур Сахин из американского Института Виса в качестве источника энергии предложил использовать трансформацию почвенных бактерий - сенной палочки. Почвенные бактерии, высыхая, становятся жесткой сморщенной спорой, а при попадании в воду возвращают исходную "живую" форму. Например, увлажнение одного фунта (0,45 кг) сухих спор будет генерировать достаточно энергии, чтобы поднять автомобиль на 1 метр над землей.

Электростанции уходят в космос

Впрочем, все эти открытия могут решить лишь локальные энергетические проблемы, но явно не способны полностью заменить нынешних традиционных источников. Главные научные изыскания сконцентрированы на поиске возможностей более эффективного использования космической энергии. Физики, пытаясь классифицировать цивилизации, оценивают их по потребляемой энергии. Первым такую классификацию ввел советский астрофизик Николай Кардашев еще в 60-е годы прошлого столетия. Цивилизации I типа - планетарные, потребляющие лишь ту долю излучаемой солнцем энергии, которая приходится на планету. Ко II типу относятся звездные цивилизации, потребляющие всю энергию солнца. К III типу относятся галактические цивилизации, потребляющие энергию звезд. По этой классификации наша сегодняшняя цивилизация относится к типу 0. Карл Саган более точно оценил наше положение на этой космической шкале - тип 0,7.
Но уже к концу этого столетия у землян есть шанс дорасти до цивилизации первого типа.

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) недавно презентовало проект создания фотоэлектрической платформы на орбите нашей планеты для сбора солнечной энергии с ее последующим направлением в виде микроволн на приемные станции на Земле. Полученная энергия затем будет преобразована в электричество.
К 2030 г. JAXA планирует ввести в строй коммерческую систему из серии наземных и орбитальных станций общей мощностью 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором будет развернута сеть из 5 млрд антенн для преобразования радиоволн сверхвысоких частот в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км над поверхностью Земли. В реализации этого проекта JAXA придется заручиться поддержкой международных организаций, финансирующих масштабные эксперименты с частицами.

Некоторые ученые уже рассматривают идею создания космических электростанций не у Земли, а в областях, более близких к Солнцу, на уровне орбиты Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства могут быть вынесены с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Но при современном уровне техники стоимость полученной электроэнергии была бы в 200 раз выше стоимости электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций.