Лидеры возобновляемой энергетики
«Планы по сокращению вредных выбросов и достижению углеродной нейтральности есть у всех стран с развитыми или быстро развивающимися экономиками, в том числе у России. Применение возобновляемой энергетики — фактически самый дешевый вариант энергоснабжения в большинстве регионов мира. За последние десять лет стоимость технологий ВИЭ-генерации неуклонно снижалась, что отражается на средневзвешенной стоимости электроэнергии», — рассказывает руководитель аналитического отдела АРВЭ Евгения Франке.
Эксперт отметила, что на солнечные и ветровые электростанции приходится почти 80% всей мощности ВИЭ-генерации — 2,6 и 2,2 ГВт соответственно. А при реализации запланированных и потенциально возможных проектов установленная мощность всех объектов ВИЭ-генерации составит 17 ГВт, что позволит снизить ежегодные выбросы парниковых газов примерно на 20 млн тонн. Но как так получилось, что именно солнечные и ветровые установки оказались лидерами по производству зеленой энергии? Сейчас разберемся.
Путь света
По словам профессора кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), доктора технических наук Ирины Кирпичниковой, энергия Солнца используется в основном в двух направлениях: для получения тепловой и электрической энергии.
В первом случае применяются коллекторы, накапливающие тепло, а во втором — солнечные батареи, преобразующие энергию частиц света, фотонов, в электрическую. Более внушительными на их фоне выглядят фотоэлектрические станции. Процесс генерации энергии на этих огромных площадках происходит так же, как и на тепловых электростанциях.
«В центре станции находится башня, на которой расположен гелиостат — прибор, перенаправляющий солнечные лучи с помощью зеркал. Отражаясь от зеркал, лучи концентрируются на приемнике, расположенном на вершине башни. Теплоноситель (расплавленная соль или масло) нагревается до высокой температуры и испаряется. Пар подается на лопасти турбины, вращая вал электрогенератора, который вырабатывает энергию», — объясняет эксперт. Хотя подобные технологии встречаются нечасто, интерес к солнечным энергоустановкам продолжает расти. Не отстают от этого направления и научные исследования.
Например, недавно ученым удалось увеличить срок службы солнечных батарей (обычно он составляет порядка 25 лет) с помощью двумерных материалов на основе нитридов цинка. Использовав компьютерное моделирование, они выяснили, что эти соединения хорошо защищают конструкцию от пагубного воздействия кислорода, воды и химических веществ, а также обладают высокой подвижностью электронов, что важно для эффективности преобразования света в электричество. Подробнее о том, как работают солнечные батареи, можно узнать здесь.
В погоне за ветром
Бурными темпами развивается и ветроэнергетика. На самом деле получать энергию буквально из воздуха научились еще несколько тысячелетий назад.
Первую в мире ветряную мельницу создал греческий математик Герон Александрийский в I веке н. э. Но практическое применение у нее лежало в области музыки: устройство помогало органу издавать звук. Позднее, в IX веке, персы построили ветряные мельницы с вертикальной осью и использовали их для перекачки воды и измельчения зерна. Для этих же целей в XII веке в Европе начали использовать мельницы-столбовки. Постепенно, с научным развитием технологии усложнялись и стали автоматизированными.
Современные ветряки оснащены множеством различных элементов, основные из которых: гондола, генератор и ротор, расположенные на башне. В гондоле находятся основные компоненты управления: гидравлическая система и система торможения, двигатели, датчик поворота гондолы и другое оборудование. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую, а также регулирует обороты вращения вала. Ротор крепится к генератору и представляет собой ступицу с тремя лопастями, преобразующими энергию ветра в энергию вращения главного вала.
«У ветроэнергетических установок мегаваттного класса три лопасти, которые спроектированы аналогично крыльям самолета. Они используют „подъем“ от ветра для вращения. Электроэнергии от турбины „Росатома“ мощностью 2,5 МВт, например, хватает на освещение более 1500 домов», — рассказывает технический директор Адыгейской ВЭС Ветроэнергетического дивизиона «Росатома» Анатолий Коваль.
Как правило, ветрогенераторы используют до 45-50% энергии из воздушного потока. Для максимальной эффективности их оснащают дополнительными устройствами. Например, установка «Росатома», в среднем, состоит из 7000-8000 различных деталей. Это и сетевые преобразователи, превращающие постоянный ток в переменный, и панель управления, отображающая технические параметры в реальном времени, система смазки, система управления поворотом лопасти и другие элементы.
Как и остальные возобновляемые источники энергии, ветроустановки безопасны для окружающей среды и позволяют экономить на ископаемом топливе. Однако в отличие от своих «зеленых» собратьев, прилегающую к станциям территорию можно использовать для сельского хозяйства. В настоящее время компания уже запустила девять ветроэлектростанций (ВЭС) на юге России, в том числе самую крупную в стране — Кочубеевскую ВЭС в Ставропольском крае. Всего ветропарк состоит из 84 объектов с общей установленной мощностью 210 МВт.
Внезапные трудности
И вот, кажется, что с этими технологиями все в порядке: они экологичны, неисчерпаемы, да и мощность у них можно повысить. Но проблемы, увы, есть.
Трудность первая: и Солнце, и ветер на самом деле не так уж и постоянны. Без ветра или в темное время суток, а также зимой эти источники будут не столь эффективны, подчеркивает профессор отделения электроэнергетики и электротехники Томского политехнического университета (ТПУ) Борис Лукутин.
«Наши желания могут не совпадать с природой, поэтому практически невозможно обеспечить энергетическую безопасность потребителей, используя только ветровые и солнечные электростанции», — считает эксперт.
Стоит отметить, что для одной из этих проблем недавно придумали интересное решение. Чтобы накопленная электроэнергия дольше хранилась при отсутствии ветра, ученые предложили преобразовывать ее в водород. Сделать это можно с помощью электролиза — окислительно-восстановительной реакции, которая происходит под действием электрического тока. Позднее из этого же водорода можно получить электроэнергию обратно. Такой способ уже применяется в ряде стран, аналогичную разработку с некоторыми преимуществами представили в ЮУрГУ.
Другой вопрос связан с утилизацией «зеленых» технологий. Дело в том, что эти устройства состоят из большого набора разнообразных компонентов, в том числе опасных для окружающей среды тяжелых металлов. Солнечные батареи, которые можно причислить к категории электронных отходов, нуждаются в правильной переработке. То же самое касается ветроустановок. Например, только одну лопасть изготавливают из стекловолокна, алюминия и других материалов. При этом длина самой детали обычно составляет порядка 50 метров, а вес — более восьми тонн.
На сегодня единых стандартов относительно того, что делать с отслужившими солнечными батареями или ветрогенераторами, нет. В разных странах тестируют свои варианты, и поиски эффективных методов продолжаются.
Секреты устойчивой энергетики
Но есть и хорошие новости. Развитие этой отрасли никто не отменял. Гонка экотехнологий продолжается, разработчики стремятся сделать их мощнее, а материалы и стоимость конечного продукта — доступнее.
Значит ли это, что полный переход на альтернативные источники энергии все же случится? Эксперты сомневаются, и вот почему.
Согласно «Прогнозу развития энергетики мира и России», подготовленному Институтом энергетических исследований РАН, возобновляемые источники энергии и ископаемые топлива будут не только конкурировать, но и взаимодополнять друг друга. При этом последние останутся «одними из наиболее экономически доступных источников устойчивого энергоснабжения».
Универсального рецепта по электроснабжению в ближайшие 30 лет ожидать не стоит, утверждают авторы прогноза. Каждому государству нужно найти свое рациональное решение с учетом приоритетов, финансовых возможностей, природно-климатических особенностей и доступности источников энергии.
По мнению Бориса Лукутина, в обозримой перспективе самыми надежными и управляемыми энергоисточниками по-прежнему будут энергоустановки на углеводородном топливе — нефти и газе, а также ядерное топливо. В настоящее время заметно интенсивное развитие атомных электростанций. Поэтому несмотря на успехи возобновляемой энергетики, пока рано говорить о возможности полного перехода на зеленую энергетику.
Однако дополнить традиционную энергетику такими технологиями в нашей стране в ближайшие годы вполне возможно. Причем не ради новшества — в ряде случаев они могут оказаться незаменимыми.
«Помимо централизованной энергетики, есть так называемые автономные системы электроснабжения. Там, где линии электропередач провести невозможно или слишком высока стоимость транспортировки электроэнергии, выручают автономные электростанции с использованием возобновляемых источников энергии. Например, в районах Северного морского пути, где необходимо обеспечивать бесперебойную работу навигационных систем в условиях сурового климата и полного отсутствия инфраструктуры», — заметил эксперт.
Большие перспективы у возобновляемых источников энергии видят на Дальнем Востоке. Учитывая короткие сроки строительства, а также то, что ветровая и солнечная генерация уже стала дешевле тепловой в несколько раз, возобновляемая энергетика будет одним из ключевых решений в борьбе с локальными дефицитами энергии, отмечает руководитель аналитического отдела АРВЭ Евгения Франке.
Кроме того, развитие солнечной и ветрогенерации планируют поддержать на государственном уровне. Об этом сообщил премьер-министр РФ Михаил Мишустин на стратегической сессии по нацпроекту «Новые атомные и энергетические технологии». Председатель Правительства отметил, что в совокупности эти меры должны простимулировать качественные изменения в зеленой энергетике.
Очевидно, что в ближайшие годы возобновляемые источники энергии не потеряют своей актуальности. Вопрос лишь в том, насколько гармонично их удастся встроить в существующую энергосистему. Успешные разработки имеются, и, как следует из примеров выше, применение этим технологиям найдется. Главное — найти баланс.
Анна Шиховец
