Электроэнергия будущего и его использование. Энергетика будущего: реальность и фантазии

20.09.2023

В 1872 году русский изобретатель Александр Лодыгин создал электрическую лампочку накаливания, но в те времена он не мог даже предположить, что со второй половины XX столетия электростанции привычных типов не смогут удовлетворять растущие потребности человечества без нанесения вреда окружающей среде. И дело даже не в освещении жилых помещений, ведь во многих странах галогеновые лампы уже стали стандартом, а на подходе еще более энергоэффективная технология - светодиоды. Главная причина быстро растущего уровня потребления электричества на планете заключается в возникновении абсолютно новых типов устройств, расходующих гигаватты электроэнергии. В первую очередь речь идет о дата-центрах и электромобилях.

Дата-центры - вычислительные технологии сегодняшнего дня - не только потребляют столько же электричества, сколько целый жилой микрорайон города, но и выделяют огромные объемы тепла. Кроме того, сложно представить, как высоко в самом ближайшем будущем поднимут уровень энергопотребления электрокары - очень перспективные, но пока непригодные для повсеместного применения разработки. Данные проблемы заставляют лучшие умы современности искать новые, экономически выгодные способы выработки электроэнергии, минимизирующие негативное влияние на биосферу. Многие технологии уже активно эксплуатируются на всех континентах. На основе других пока созданы только экспериментальные установки - их творцам еще предстоит доказать рациональность своих идей. Но, возможно, именно за самыми фантастическими методами - будущее нашей планеты.

Солнечная энергия

Гелиоэнергетика подразумевает непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Как и ветер, солнце является ее возобновляемым источником.

Солнечные батареи на основе фотоэлементов, преобразующих энергию фотонов в электричество, не вырабатывают никаких вредных отходов. Главным их преимуществом является возможность комбинирования с тепловыми машинами, что позволяет обеспечить человека не только электричеством, но и отоплением и горячей водой. Компании First Solar, Suntech и Sharp составляют тройку лидеров рынка фото-элементов. Солнечные электростанции (СЭС) широко распространены в Германии, Испании и Японии. К сожалению, в 2010 году на долю гелиоэнергетики приходилось лишь 0,1% всего выработанного в мире электричества, потому что у данного метода есть свои недостатки. Солнечные батареи дорогостоящие (производство фотоэлементов с высоким КПД требует немалых затрат), к тому же их эффективность напрямую зависит от погоды и времени суток. Кроме того, фотоэлементы на основе кадмия сложны в утилизации. Тем не менее миниатюрные солнечные батареи в последнее время широко используются в электронике.

Получение электроэнергии из волн

Мощью волн восхищались еще древнегреческие поэты и философы. Современные специалисты более практичны: они применяют энергию волн не только для выработки электричества, но и опреснения воды в регионах с чрезмерно сухим климатом. В теории вода обладает намного большей кинетической энергией, чем воздух, что позволяет получать в разы больше электричества. Оборудование для строительства волновых электростанций проектируют Marine Current Turbine, Wavegen, Ocean Power Delivery и другие предприятия. Подобные решения идеальны для государств с большой протяженностью морского побережья и сильными порывами ветра. К примеру, волновая электростанция Oyster в Великобритании использует вырабатываемую электроэнергию для получения водорода и алюминия.

Водород и сероводород

Водород является полностью безотходным источником электроэнергии, ведь в результате его горения помимо большого количества тепла выделяется только вода (Н2О) - естественное и совершенно безвредное для окружающей среды вещество. Ведущие автомобилестроительные концерны - Daimler, Honda, General Motors, Hyundai и Fiat - уже выпускают автомобили, двигатель внутреннего сгорания которых способен работать на водороде. Япония готовит к введению в эксплуатацию первый в мире поезд на водороде, а в Германии уже поставлены на конвейер подводные лодки класса U-212 с водородными топливными элементами Siemens. В США идет строительство электростанций на водороде FutureGen мощностью 275 МВт, Китай готовит свой ответ - электростанцию GreenGen со вдвое более высокой мощностью.

Оба проекта применяют технологию газификации угля, которая на данный момент является самой дешевой - $2 (16 гривен) за килограмм водорода. Сырьем для его получения также служит сероводород (H2S) - в глубинных водах морей и океанов его концентрация очень высока. Переработка сероводорода в водород не только позволит получить большие объемы топлива для транспортных средств и электростанций, но и предотвратит повышение концентрации этого ядовитого вещества в морских водах.

Энергия из космоса

Все ранее описывавшиеся альтернативные источники электроэнергии давно прошли этап экспериментальных установок и реально функционируют, принося ощутимую пользу.

Чего нельзя сказать об этом варианте: он все еще балансирует на тонкой грани между произведениями классиков научной фантастики и новейшими технологиями.

Речь идет о космической энергетике. Данная отрасль тесно связана с гелиоэнергетикой, так как использует аналогичные солнечные батареи на основе фотоэлементов. Разница только в одном: исполинского размера солнечные батареи должны расположиться на земной орбите, откуда вырабатываемый ток будет передаваться в виде радиоволн. Трудность проведения практических экспериментов препятствует быстрому развитию данного типа энергетики, ведь позволить себе запустить на орбиту тестовые установки могут только страны, имеющие собственные космодромы. К тому же пока неясно, как именно инженеры планируют минимизировать вред от гигаватт энергии, которая в виде радиоволн хлынет в земную атмосферу, и без того сильно перегруженную спутниковым телевидением и сотовой связью. В целом, космическая энергетика пока является скорее экспериментом, и в ближайшие десятилетия ей предстоит продемонстрировать свой потенциал. Но уже сейчас ясно, что вскоре человечеству станет не хватать электроэнергии, вырабатываемой только на Земле, - придется искать ее источники за пределами планеты.

Получение электроэнергии из биотоплива

Схема автомобиля, работающего на биогазе и обычном топливе Ошибочно называть биотопливом только продукты переработки стеблей и семян растений. На самом деле человек использует простейшее твердое биотопливо еще со времен зарождения цивилизации. Речь идет, конечно же, о дереве. Сейчас древесина расходуется все реже: это слишком ценный материал. На смену ей пришли брикеты из прессованных стружек. Но будущее все же не за твердым, а за жидким биотопливом.

Биоэтанол получают путем переработки рапса, кукурузы и сахарного тростника, биометанол - в результате брожения фитопланктона, биодизель - из животных и растительных жиров. Чаще всего биотопливо применяется как заменитель бензина, но во многих странах тепловые электростанции (ТЭС) перешли на него с мазута и угля. Биоэтанол, производство которого сконцентрировано в Бразилии и США, покрывает 1,5% глобальной потребности в жидком топливе. Эта цифра может показаться незначительной, но, по оценкам ведущих аналитиков, остановка выработки всех видов биотоплива приведет к 15-процентному росту стоимости барреля нефти. В 2010 году Европейский союз ввел унифицированную стандартизацию биотоплива - EN-PLUS.

Но и в случае с этим источником энергии не обошлось без негатива. Мировую общественность волнует проблема растущего потребления биотоплива, ведь поля с плодородной землей все чаще засеивают не продовольственными культурами (пшеницей, рожью или рисом), а рапсом.

Действующие экспериментальные технологии

Существует множество проектов по добыче экологически чистой электроэнергии, которые обладают большим потенциалом, но все еще находятся на стадии разработки. Одним из самых перспективных на сегодняшний день является получение биотоплива третьего поколения в результате переработки особого вида водорослей с высоким содержанием масла. По своим энергетическим характеристикам они значительно превосходят другое сырье. Такие водоросли не распространены широко в естественной среде, но очень быстро растут в искусственных водоемах. Однако основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли очень чувствительны к изменениям температуры - она должна поддерживаться на определенном уровне с отсутствием даже минимальных колебаний.

Антиматерия

Давней мечтой ученых является получение антивещества. Любое вещество состоит из частиц, а антивещество - из античастиц. Эти две субстанции полностью противоположны: в обычном веществе протоны в атоме имеют положительный заряд, а электроны - отрицательный, в антивеществе все наоборот - антипротоны с отрицательным зарядом и позитроны с положительным. Частицы антивещества и обычного вещества при контакте аннигилируют - исчезают, и при этом выделяется огромное количество энергии. Тонна антивещества могла бы покрыть годовую энергетическую потребность всей планеты.

Резервация и хранение электроэнергии

Избыток вырабатываемой энергии в одно время и недостаток ее в другое свойственны всем без исключения непостоянным источникам - ветру, солнцу, волнам и т. п.

Теоретически у этой проблемы есть довольно простое решение - использовать аккумуляторы. Но на практике все намного сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Необходимость применения батарей в разы увеличивает себестоимость мегаватта вырабатываемой электроэнергии.

На сегодняшний день широко распространены свинцово-кислотные, никель-металл-гидридные, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Свинцово-кислотные, самые распространенные в мире, отличаются высокой ЭДС (электродвижущей силой) и широким диапазоном рабочих температур (от –40 до +40 °С). Именно они чаще всего применяются в качестве аварийных источников электроэнергии. Зато в пользу литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов говорят их миниатюрные размеры и простота в обслуживании. Но стоит отметить, что они подвержены эффекту старения, и продолжительность их жизненного цикла оставляет желать лучшего.

Вывод

Несмотря на серьезные инвестиции в развитие альтернативных источников энергии, сейчас они удовлетворяют менее 1% глобальных нужд человечества в электричестве. Но этот показатель с каждым годом стабильно растет из-за быстро снижающейся себестоимости мегаватта электроэнергии, вырабатываемой подобными методами. На данный момент больше всего средств в развитие экологически чистой энергетики вкладывают Китай, США, Великобритания и Индия. К 2020 году глобальные инвестиции в возобновляемые источники энергии должны вырасти до 1,7 триллиона долларов.

Ежегодное Обозрение мировой энергетики содержит обновленный анализ, показывающий, какие данные, технологические тенденции и политические усилия будут влиять на энергетический сектор до 2040 года.

Международное энергетическое агентство представило ежегодное Обозрение мировой энергетики (World Energy Outlook - WEO-2018). Особое внимание в этом году сосредоточено на развитии электроэнергетической отрасли.

Обозрение мировой энергетики

Сценарии новой политики

По мнению аналитиков МЭА, главные цели, которые стоят перед человечеством, заключаются в последовательной работе, направленной на исправление нежизнеспособной экологической ситуации на планете: предотвращении последствий климатических изменений и улучшении качества воздуха. В новом обозрении отмечается роль геополитических факторов, которые оказывают комплексное влияние на энергетические рынки и энергобезопасность поставок. Агентство также отмечает необходимость привлечения инвестиций в разработку новых энергетических технологий.

«Мир постепенно строит другой вид энергетической системы, но трещины появились в несущих столпах», - утверждает МЭА в новом обзоре. Стоимость производства солнечной и ветроэнергетики продолжает падать, тогда как цены на нефть взлетали в этом году выше 80 долларов за баррель, а ряд государств стоят перед непростыми решениями, столкнувшись с необходимостью реформирования субсидирования потребления нефти и газа.

Как продемонстрировала ушедшая в фатальный штопор экономика Венесуэлы, производство и надежные поставки углеводородного сырья находятся в зоне высоких рисков. Тренд, направленный на появление взаимосвязанного глобального газового рынка в результате роста торговли сжиженным природным газом (СПГ) усиливает конкуренцию между поставщиками, меняет в странах-потребителях представления о том, как нужно управлять возможным дефицитом поставок.

В мире, в котором каждый восьмой человек не имеет доступа к электроэнергии, появились новые угрозы для уже работающих энергетических систем: генерирующим компаниям необходимо обеспечить их гибкость и приспособить к скачкам потребления, а также защитить от киберугроз. Доступность, надежность и стабильность работы энергетических систем тесно связаны и требуют комплексного подхода к энергетической политике.

Ветровая и солнечная энергетика являются базовым источником доступного электричества с низким уровнем выбросов, но развитие ВИЭ предъявляет дополнительные требования к надежности работы энергосистем. По данным агентства, в 2017 г. выбросы углекислого газа (CO2), связанные с энергетикой, выросли на 1,6%. Эта тенденция продолжается и в 2018 г. Загрязнение воздуха, связанное с энергетикой, по-прежнему приводит к миллионам преждевременных смертей каждый год.

Сценарии новой политики

В новом обозрении мировой энергетики МЭА не ставит целью предсказать будущее, а пытается понять возможные пути развития ситуации и выявить взаимосвязи в сложных энергетических системах. Сценарий современной политики (Current Policies Scenario) исходит из того, что все продолжит развиваться также, как и сейчас, и приходит к выводам об усилении напряженности во всех аспектах энергетической безопасности. Сценарий новой политики (New Policies Scenario) проясняет ситуацию разрыва между текущей политикой и достижением целей стабильного развития (Sustainable Development Scenario), а также выявляет необходимость перехода к чистой энергетике.

Согласно выводам агентства, определяющим фактором развития мировой энергетики станут действия, предпринятые правительствами стран - крупнейших потребителей энергоресурсов. Сделанный государствами выбор определит развитие энергетической системы будущего. «Наш анализ показывает, что более 70% глобальных инвестиций в энергетику находится в руках государства. Правительственные решения определяют судьбу мировой энергетики.

Разработка правильной политики и надлежащих стимулов будет иметь решающее значение для достижения наших общих целей по обеспечению поставок энергии, сокращения выбросов углекислого газа, улучшения качества воздуха в городских центрах, откроют доступ к энергии в Африке и в других проблемных регионах», - отметил глава Международного энергетического агентства Фатих Бироль, представляя обозрение.

Так, сценарий новой политики предполагает рост доходов до 2040 г. примерно 1,7 млрд человек, большинство из которых пополнит городское население развивающихся стран, что приведет к увеличению потребления энергии более чем на четверть от текущего уровня. Если в 2000-х годах на Европу и Северную Америку приходилось более чем 40% в глобальном спросе на энергетические ресурсы, тогда как на развивающиеся страны Азии - примерно 20%, то к 2040 г. этот расклад полностью поменяется.

Прирост потребления на энергоресурсы обеспечат государства с развивающейся экономикой во главе с Индией. Развитие энергосистем в азиатских странах будет зависеть от поставок всех существующих видов энергетических ресурсов, а также технологий. На Азию придется более половины прироста спроса на природный газ, более чем 80% - на нефть, 100% - в потреблении угля и атомной энергии, а также 60% увеличения потребления ветровой и солнечной энергии.

Сланцевая революция продолжит оказывать давление на уже сложившуюся ситуацию с поставками нефти и газа. Соединенные Штаты, став крупнейшим в мире их производителем, будут выдавливать с рынков традиционных экспортеров углеводородного сырья, которые до сих пор для поддержания развития национальной экономики в значительной степени полагаются на доходы от продаж нефти и газа за рубежом. Согласно сценарию новой политики МЭА, на США придется более половины глобального прироста добычи нефти и газа до 2025 г. (около 75% для нефти и 40% для газа).

К середине 2020-х годов примерно каждый пятый баррель нефти и каждый четвертый кубический метр газа в мире будет извлекаться в Штатах. Согласно прогнозу агентства, производство нефти в США вырастет с конца 2018 г. до 2025 г. еще на 10 млн баррелей н. э. в сутки, превысив уровень в 20 тыс. баррелей н. э. в сутки.

Общая доля углеводородного сырья в первичном энергопотреблении оставалась неизменной в последние 25 лет. Однако до 2040 г. она будет постепенно сокращаться, но сохранит свои доминирующие позиции в топливно-энергетическом балансе в этот период. Согласно прогнозу агентства, потребление нефти на автомобильном транспорте достигнет пика в середине 2020-х годов. Среди трендов, которые выделяет МЭА, можно отметить повышение эффективности использования автомобильного топлива на машинах с двигателем внутреннего сгорания, что поможет экономии порядка 9 млн баррелей н. э. в сутки в ближайшие 22 года.

Кроме того, к 2040 г. на дороги выйдут 300 млн электромобилей, что позволит снизить потребление «черного золота» еще 3 млн баррелей н. э. в сутки. Однако спрос на нефть со стороны нефтехимии, а также грузового, морского и авиатранспорта продолжит стимулировать рост потребления нефти. В два раза вырастет эффект от повторной переработки пластика, но это поможет снизить глобальный спрос на нефть лишь на 1,5 млн баррелей н. э. в сутки. В результате МЭА прогнозирует дальнейший рост спроса на нефть более чем на 5 млн баррелей н. э. в сутки, до 106 млн баррелей н. э. в сутки к 2040 г.

Потребление природного газа обгонит по объемам уголь к 2030 г., что выведет газ на второе место после нефти в мировом топливно-энергетическом балансе. Россия останется крупнейшим в мире газовым экспортером, открыв новые маршруты поставок российского газа на азиатские рынки. Тогда как Европа сохранит позиции крупнейшего импортера природного газа.

По данным Международного энергетического агентства, спрос на газ в европейских странах, достигнув пика в 2010 г. в 545 млрд куб. м, уже прошел четырехлетний период спада потребления. Однако с 2014 г. низкие цены на газ и увеличение спроса со стороны электроэнергетики спровоцировали рост его потребления в Европе на 4-7% в год.

В перспективе приоритет, отданный в ЕС развитию ВИЭ, может спровоцировать замедление этого роста и постепенное снижение спроса на газ к 2040 г. Тем не менее, из-за падения добычи природного газа внутри Европы, зависимость от импортных поставок газа в ближайшее время будет нарастать. Согласно выводам МЭА, даже в случае заметного сокращения потребления газа в ЕС, к концу прогнозируемого периода Россия будет обеспечивать примерно 37% от импортируемого газа в Евросоюз, или 140 млрд куб. м из 385 млрд куб. м в 2040 г.

Таким образом в ближайшие 22 года Российская Федерация, пройдя период рекордного роста поставок в европейском направлении, может столкнуться с обвалом экспорта газа в Европу примерно на 60 млрд куб. м по сравнению с современным уровнем. Рост доли ветровой и солнечной энергии в энергосистемах европейских стран сократит спрос на газ, а модернизация уже построенных зданий поможет снизить его потребление в отопительных системах.

Электроэнергетика как звезда современного энергетического шоу

По данным МЭА, электроэнергия, вырабатываемая из возобновляемых источников энергии, обеспечивает четверть потребностей человечества в ней. Солнечные панели подешевели настолько, что агентство предсказывает возможное замедление в развитии этого сегмента из-за снижения инвестиций. Спустя столетие с момента своего появления, электроэнергетическая отрасль проходит период значительных изменений. Доля электричества в конечном потреблении энергоресурсов приблизилась к 20%, и, согласно прогнозам агентства, она продолжит свой рост до 40% к 2040 г. Спрос на электроэнергию в прогнозируемый период вырастет на 60%, на развивающиеся страны придется 90% из этого прироста.

В WEO-2018 агентство представило новую методику оценки конкурентоспособности различных вариантов генерации на основе эволюционирующих технологических затрат, а также отдачи энергосистем в разное время. Масштабная электрификация становится выбором стран с ориентиром на легкую промышленность, цифровые технологии и развитие сегмента услуг. «В государствах с развитой экономикой увеличение спроса на электроэнергию демонстрирует низкие показатели.

Однако инвестиции в электроэнергетику по-прежнему огромны на фоне модернизации инфраструктуры и изменений, происходящих внутри генерирующих комплексов. Электричество – звезда шоу, но насколько ярко она будет сиять в дальнейшем?», – отмечают эксперты агентства. В развивающих странах, в которых МЭА прогнозирует удвоение спроса на электроэнергию, главными проблемами являются доступность электроэнергии, а также сокращение вредных выбросов при ее производстве.

Когда государство определяет тренды в развитии электроэнергетики возможны перекосы, которые в дальнейшем ложатся на плечи потребителей непосильной ношей. Международное энергетическое агентство подсчитало, что в регионах с сильным регулированием отрасли, Китае, Индии, Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока, уже созданы порядка 350 ГВт избыточных мощностей, что привело к дополнительным затратам для потребителей. Агентство в своем новом исследовании мировой энергетики отмечает ключевую роль государства в трансформации энергетической системы, но цена ошибок, сделанных правительствами на этом пути, может оказаться слишком велика для граждан этих стран. опубликовано

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

Ни для кого не секрет, что используемые сегодня человечеством ресурсы конечны, более того, их дальнейшая добыча и использование может привести не только к энергетической, но и к экологической катастрофе. Традиционно используемые человечеством ресурсы — уголь, газ и нефть — закончатся уже спустя несколько десятилетий, и меры нужно принимать уже сейчас, в наше время. Конечно, можно надеяться, что мы вновь найдем какое-либо богатое месторождение, так же как было в первой половине прошлого века, однако ученые уверены, что таких крупных залежей уже нет. Но в любом случае даже открытие новых месторождений только отсрочит неизбежное, необходимо найти способы производства альтернативной энергии, и переходить на возобновляемые ресурсы, такие как ветер, солнце, геотермальная энергия, энергия водных потоков и другие, а наряду с этим нужно продолжать разработки энергосберегающих технологий.

В этой статье мы рассмотрим несколько самых перспективных, на взгляд современных ученых, идей, на которых будет строиться энергетика будущего.

Солнечные станции

Люди издавна задумывались над тем, возможно ли Под солнечными лучами нагревали воду, сушили одежду и глиняную посуду перед ее отправкой в печь, однако эти способы нельзя назвать эффективными. Первые технические средства, преобразующие солнечную энергию, появились еще в 18 веке. Французский ученый Ж. Бюффон показал опыт, в котором ему удалось с помощью большого вогнутого зеркала в ясную погоду воспламенить сухое дерево с расстояния около 70 метров. Его соотечественник, известный ученый А. Лавуазье, применял линзы, чтобы концентрировать энергию солнца, а в Англии создали двояковыпуклое стекло, которое, фокусируя солнечные лучи, расплавляло чугун всего за несколько минут.

Естествоиспытатели проводили множество опытов, которые доказывали, что солнца на земле возможно. Однако солнечная батарея, которая превращала бы солнечную энергию в механическую, появилась сравнительно недавно, в 1953 году. Ее создали ученые из Национального аэрокосмического агентства США. Уже в 1959 году солнечную батарею впервые применили для оснащения космического спутника.

Возможно уже тогда, осознав, что в космосе такие батареи гораздо эффективнее, ученым пришла идея о создании космических солнечных станций, ведь за час солнце вырабатывать столько энергии, сколько все человечество не потребляет и за год, так почему же не использовать это? Какой будет солнечная энергетика будущего?

С одной стороны кажется, что использование солнечной энергии идеальный вариант. Однако себестоимость огромной космической солнечной станции очень высока, да и к тому же она будет дорога в эксплуатации. Со временем, когда будут введены новые технологии по доставке грузов в космос, а также новые материалы, реализация подобного проекта станет возможной, но пока мы можем пользоваться только относительно небольшими батареями на поверхности планеты. Многие скажут, что это тоже неплохо. Да, возможно в условиях частного дома, но для энергообеспечения больших городов, соответственно, необходимо либо множество солнечных батарей, либо технология, которая сделает их эффективнее.

Экономическая сторона вопроса здесь тоже присутствует: любой бюджет сильно пострадает, если на него будет возложена задача перевести целый город (или всю страну) на солнечные батареи. Казалось бы, можно обязать жителей городов выплачивать некоторые суммы на переоснащение, но в таком случае недовольны будут они, ведь если бы люди готовы были бы пойти на такие траты, они уже давно сделали бы это сами: возможность купить солнечную батарею есть у каждого.

Касательно солнечной энергии есть и еще один парадокс: затраты на производство. Перевод энергии солнца в электричество напрямую — не самая эффективная вещь. До сих пор еще не найдено способа лучше, чем использовать солнечные лучи для нагревания воды, которая, превращаясь в пар, в свою очередь вращает динамо-машину. В таком случае энергопотеря минимальна. Человечество хочет использовать "экологичные" солнечные панели и солнечные станции, чтобы сохранить ресурсы на земле, однако для подобного проекта потребуется огромное количество тех же ресурсов, и "неэкологичной" энергии. Например, во Франции недавно была построена солнечная электростанция, площадью около двух квадратных километров. Стоимость постройки составила около 110 миллионов евро, не считая затрат на эксплуатацию. При всем этом следует учитывать, что срок службы подобных механизмов составляет около 25 лет.

Ветер

Энергия ветра — также использовалась людьми еще с древности, самым простым примером можно назвать хождение под парусом и ветряные мельницы. Ветряки используются и сейчас, особенно они эффективны в областях с постоянными ветрами, например на побережье. Ученые постоянно выдвигают идеи, как модернизировать уже имеющиеся приспособления для преобразования ветряной энергии, одна из них - ветряки в виде парящих турбин. За счет постоянного вращения они могли бы "висеть" в воздухе на расстоянии нескольких сотен метров от земли, где ветер сильный и постоянный. Это помогло бы в электрификации сельской местности, где невозможно использование стандартных ветряков. К тому же такие парящие турбины могли бы быть оснащены интернет-модулями, с помощью которых осуществлялось бы обеспечение людей доступом в мировую паутину.

Приливы и волны

Бум на солнечную и ветряную энергетику постепенно проходит, и интерес исследователей привлекла другая природная энергия. Более перспективной считается использование приливов и отливов. Уже сейчас этим вопросом занимается около ста компаний по всему миру, существует и несколько проектов, доказавших эффективность данного способа добычи электричества. Преимущество перед солнечной энергетикой в том, что потери при переводе одной энергии в другую минимальны: приливная волна вращает огромную турбину, которая и вырабатывает электричество.

Проект "Устрица" — это идея установить на дне океана шарнирный клапан, который будет подавать воду на берег, тем самым вращая простую гидроэлектрическую турбину. Всего одна такая установка могла бы обеспечить электричеством небольшой микрорайон.

Уже сейчас в Австралии успешно применяют приливные волны: в городе Перте установлены опреснители, работающие на этом типе энергии. Их работа позволяет обеспечить пресной водой около полумиллиона человек. Природная энергетика и промышленность также могут сочетаться в этой отрасли производства энергии.

Использование несколько отличается от технологий, которые мы привыкли видеть в речных гидроэлектростанциях. Часто ГЭС наносят вред окружающей среде: затопляются прилегающие территории, разрушается экосистема, а вот станции, работающие на приливных волнах, в этом плане гораздо безопаснее.

Энергия человека

Одним из самых фантастических проектов в нашем списке можно назвать использование энергии живых людей. Звучит ошеломляюще и даже несколько ужасающе, но не все так страшно. Ученые лелеют мысль о том, как использовать механическую энергию движения. Речь в этих проектах идет о микроэлектронике и нанотехнологиях с низким энергопотреблением. Пока звучит как утопия, реальных разработок нет, но идея весьма интересная и не покидает умы ученых. Согласитесь, весьма удобны будут устройства, которые подобно часам с автоматической подзаводкой, будут заряжаться от того, что по сенсору проводят пальцем, или от того, что планшет или телефон просто болтается в сумке при ходьбе. Не говоря уж об одежде, которая, наполненная разными микроустройствами, могла бы преобразовывать в электричество энергию движения человека.

В Беркли, в лаборатории Лоуренса, например, ученые попытались воплотить в жизнь идею о том, чтобы использовать вирусы для давления в электричество. Небольшие механизмы, работающие от движения, так же имеются, однако пока что на поток подобная технология не поставлена. Да, с глобальным энергетическим кризисом подобным образом не справиться: скольким же людям придется "крутить педали", чтобы заставить работать целый завод? Но как одна из мер, применяемых в комплексе, теория вполне жизнеспособна.

Особенно подобные технологии будут эффективны в труднодоступных местах, на полярных станциях, в горах и тайге, среди путешественников и туристов, у которых не всегда есть возможность зарядить свой гаджет, а вот оставаться на связи важно, особенно если группа попала в критическую ситуацию. Как много всего можно было бы предотвратить, если бы у людей всегда было надежное устройство связи, не зависящее "от розетки".

Топливные ячейки водорода

Пожалуй, у каждого владельца авто, глядящего на индикатор количества бензина, приближающийся к нулю, возникала мысль о том, как отлично было бы, если бы машина работала на воде. Но сейчас ее атомы попали в поле зрения ученых как настоящие объекты энергетики. Дело в том, что в частицах водорода — самого распространенного газа во вселенной — содержится громадное количество энергии. Более того, двигатель сжигает этот газ практически без побочных продуктов, то есть, мы получаем очень экологичное топливо.

Водородом заправляют некоторые модули МКС и шатлы, но на Земле он существует в основном в виде соединений, таких как вода. В восьмидесятых годах в России были разработки самолетов, использующих в качестве топлива водород, эти технологии даже применяли на практике, и экспериментальные модели доказали свою эффективность. Когда водород отделяется, он перемещается в специальную топливную ячейку, после чего возможна генерация электричества напрямую. Это не энергетика будущего, это уже реальность. Подобные автомобили уже производятся и довольно большими партиями. Компания Honda, дабы подчеркнуть универсальность источника энергии и авто в целом, провела эксперимент в результате которого машина была подключена к электрической домашней сети, однако не для того, чтобы получить подзарядку. Автомобиль может обеспечивать энергией частный дом в течение нескольких дней, или проехать без дозаправки почти пятьсот километров.

Единственный недостаток подобного источника энергии на данный момент — это относительно высокая стоимость таких экологичных машин, и, конечно, достаточно небольшое количество водородных заправок, однако во многих странах уже планируется их постройка. Например, в Германии уже стоит план об установке ста заправочных станций к 2017 году.

Тепло земли

Превращение тепловой энергии в электричество — это и есть сущность геотермальной энергетики. В некоторых странах, где затруднено использование других отраслей, она используется довольно широко. Например, на Филлипинах 27 % всего электричества приходится именно на геотермальные станции, а в Исландии этот показатель составляет около 30 %. Сущность этого способа добычи энергии довольно проста, механизм схож с простой паровой машиной. До предполагаемого "озера" магмы необходимо пробурить скважину, через которую подается вода. При контакте с раскаленной магмой вода мгновенно превращается в пар. Он поднимается, где крутит механическую турбину, тем самым вырабатывая электричество.

Будущее геотермальной энергетики состоит в том, чтобы найти большие "хранилища" магмы. Например, в вышеупомянутой Исландии это удалось: раскаленная магма за долю секунды превратила всю закачанную воду в пар температурой около 450 градусов по Цельсию, что является абсолютным рекордом. Подобный пар высокого давления способен повысить эффективность геотермальной станции в несколько раз, это может стать толчком к развитию геотермальной энергетики во всем мире, особенно в областях, насыщенных вулканами и термальными источниками.

Использование ядерных отходов

Атомная энергетика, в свое время, произвела настоящий фурор. Так было до тех пор, пока люди не осознали всю опасность этой отрасли энергетики. Аварии возможны, от подобных случаев никто не застрахован, но они весьма редки, а вот радиоактивные отходы появляются стабильно и до недавнего времени ученые не могли решить эту проблему. Дело в том, что стержни урана — традиционное "топливо" АЭС, может быть использовано только на 5 %. После выработки этой небольшой части, весь стержень отправляется на "свалку".

Ранее применялась технология, при которой стержни погружались в воду, которая замедляет нейтроны, поддерживая устойчивую реакцию. Сейчас вместо воды стали использовать жидкий натрий. Эта замена позволяет не только использовать весь объем урана, но и переработать десятки тысяч тонн радиоактивных отходов.

Избавить планету от отходов атомной энергетики важно, но в самой технологии есть одно "но". Уран относится к ресурсам, и его запасы на Земле конечны. В случае если всю планету перевести исключительно на энергию, получаемую от АЭС (к примеру, в США АЭС производят лишь 20% всего потребляемого электричества), запасы урана будут истощены довольно быстро, и это снова приведет человечество на порог энергетического кризиса, так что атомная энергетика, пусть и модернизированная, только временная мера.

Растительное топливо

Еще Генри Форд, создав свою "Модель Т", рассчитывал, что она уже будет работать на биотопливе. Однако в то время были открыты новые нефтяные месторождения, и нужда в альтернативных источниках энергии отпала еще на несколько десятков лет, но теперь снова возвращается.

За последние пятнадцать лет использование растительных видов топлива, таких как этанол и биодизель, возросло в несколько раз. Их используют как самостоятельные источники энергии, так и в качестве добавок к бензину. Некоторое время назад надежды возлагались на особую просяную культуру, получившую название "канола". Она совершенно непригодна в пищу ни для людей, ни для скота, однако обладает высокими показателями масличности. Из этого масла и стали производить "биодизель". Но эта культура займет слишком много места, если попытаться вырастить ее столько, чтобы обеспечить топливом хотя бы часть планеты.

Теперь ученые заговорили об использовании водорослей. Их масличность около 50 %, что позволит так же легко извлекать масло, а отходы можно превращать в удобрения, на основе которых будут выращиваться новые водоросли. Идея считается интересной, но свою жизнеспособность пока что не доказала: публикация об успешных экспериментах в этой области пока не опубликовано.

Термоядерный синтез

Будущая энергетика мира, по мнению современных ученых, невозможна без технологий Это, на данный момент, самая перспективная разработка, в которую уже вкладывают миллиарды долларов.

В используется энергия деления. Она опасна тем, что есть угроза возникновения неуправляемой реакции, которая уничтожит реактор, и приведет к выбросу огромного количества радиоактивных веществ: пожалуй, все помнят аварию на Чернобыльской АЭС.

В реакциях термоядерного синтеза, что следует из названия, используется энергия, выделяемая при слиянии атомов. В результате, в отличие от атомного деления, не образуется никаких радиоактивных отходов.

Главной проблемой является то, что в результате термоядерного синтеза образуется вещество, имеющее настолько высокую температуру, что может уничтожить весь реактор.

Будущего — реальность. И фантазии здесь неуместны, на данный момент на территории Франции уже началась постройка реактора. Несколько миллиардов долларов вложено в экспериментальный проект, который профинансирован многими странами, в число которых, помимо ЕС, входят Китай и Япония, США, Россия и другие. Изначально первые эксперименты планировалось запустить уже в 2016 году, однако расчеты показали, что бюджет слишком мал (вместо 5 миллиардов потребовалось 19), и запуск перенесли еще на 9 лет. Возможно, через несколько лет мы увидим, на что способна термоядерная энергетика.

Проблемы настоящего и возможности будущего

Не только ученые, но и писатели-фантасты, дают множество идей для воплощения технологии будущего в энергетике, однако все сходятся на том, что пока что ни один из предложенных вариантов не может произвести полное обеспечение всех потребностей нашей цивилизации. К примеру, если все автомобили в США будут ездить на биотопливе, полями канолы придется засадить территорию, равную половине всей страны, без учета того, что земель, пригодных для земледелия в Штатах не так уж много. Более того, пока что все способы производства альтернативной энергии - дороги. Пожалуй, каждый из простых городских жителей, согласен, что важно использовать экологически чистые, возобновляемые ресурсы, однако не в случае, когда им озвучивают стоимость такого перехода на данный момент. Ученым предстоит еще много работать в этой сфере. Новые открытия, новые материалы, новые идеи - все это поможет человечеству успешно справиться с назревающим ресурсным кризисом. Решить планеты можно только комплексными мерами. В некоторых областях удобнее применять добычу энергии с помощью ветра, где-то - солнечные батареи, и так далее. Но, возможно, главным фактором станет снижение энергопотребления в целом и создание энергосберегающих технологий. Каждый человек должен понимать, что несет ответственность за планету, и каждый должен задать себе вопрос: "Какую энергетику я выбираю для будущего?" Прежде чем перейти на другие ресурсы, каждый должен осознать, что это действительно необходимо. Только при комплексном подходе удастся решить проблему энергопотребления.

Наверное, практически каждый человек на Земле хоть раз вступал в обсуждение альтернативной энергии будущего, задаваясь вопросом, есть ли в этом смысл, и стоит ли оно того. Вести полемику на данную тематику можно бесконечно долго. Сейчас разработки проектов альтернативной энергии будущего набирают все больше оборотов. Человечество стремится к более комфортной и безопасной жизни. И ее обеспечение требует постоянных изменений, открытий и инноваций. Мы хотим жить в прогрессивном мире, при этом, нанося как можно меньший урон окружающей среде, сохраняя и грамотно используя всевозможные ресурсы.

Альтернативные источники энергии будущего – сказка или реальность?

Альтернативная и свободная энергия будущего — звучит ли это как атрибут фантастических произведений, или же это абсолютно реальная и достижимая цель ближайших лет? Человечество занимается исследованиями и разработками практически все время своего существования. Начиная от изобретения колеса, продолжая электричеством и подходя к использованию энергии атома, люди не перестают искать, создавать и воплощать в жизнь все новые и новые устройства, методы исследования и способы функционирования. Жить комфортно и легко – вот главная цель всех этих нововведений и инноваций.

Одним из таких направлений, способных значительно изменить жизнь человека, является развитие энергетики будущего. Многие источники уже используются достаточно активно, некоторые лишь входят во всеобщий обиход, другие находятся пока только на стадии разработок.

Что мы знаем об альтернативные источники энергии будущего?

Гелиоэнергетика.

Солнечными батареями сейчас вряд ли кого-то можно поистине удивить. В нынешнее время данный ресурс используется достаточно активно, пусть и не повсеместно. Механизм работы такого оборудования достаточно прост, но его цена все же не позволяет использовать подобный вид автономного обеспечения энергией любому человеку.

Также климатические условия играют огромную роль в продуктивности солнечных батарей. Ведь в широтах, где больший период года холодный и пасмурный, подобное оснащение будет менее действенным, чем в жарких и солнечных краях.

Ветровые электростанции.

Еще один достаточно популярный источник альтернативной энергии – это ветер. Подобные электростанции часто встречаются в сельских районах и зачастую расположены в районе полей, на равнинах. Выработок электричества осуществляется посредством преобразования механической энергии в электрическую. Это происходят благодаря специальным генераторам. Лопасти ветряков вращаются, получая энергию ветра, после чего она перерабатывается в используемое нами электричество.

К сожалению, стоимость данного оборудования не является общедоступной, а климатические условия также играют решающую роль.

Энергия геотермальных источников.

Следующий вид энергетических ресурсов не столь широко известен, как два предыдущих. Тем не менее, он также имеет место быть. Пар из горячих источников – это еще один вариант обеспечения альтернативного автономного питания. Принцип работы оснащения для получения такой энергии заключается в том, что турбины приводятся в движение паром, после чего начинают функционировать электрогенераторы.

Этот метод не может быть широко распространенным, так как его работа обеспечивается только при наличии геотермальных источников.

В местности, где есть выход к морю или океану успешно используется энергия воды. Во время приливов и отливов механическая сила воды приводит в работу специальные турбины, установленные на станции. После чего она преображается в электроэнергию.

Подобные электростанции не так распространены. Не всегда они могут достаточно хорошо окупаться, и в некоторых случаях характеризуются невысокой эффективностью.

Может ли быть альтернативная энергия эффективной для частного дома?

Если рассматривать вышеперечисленные энергетические ресурсы, то они зачастую используются в промышленных масштабах для выработки большого количества энергии, способной обеспечить работу целого предприятия или небольшой населенный пункт. Но есть ли возможность подобрать альтернативные источники энергии для дома, чтобы удовлетворять потребности, к примеру, одного конкретного участка?

Ответ на этот вопрос – бесспорно да! Если грамотно рассчитать необходимое количество тепловой или электрической энергии, то можно найти способ обеспечения данной потребности посредством автономных источников.

Какие ресурсы могут использоваться в таком случае?

Источниками электроэнергии могут быть фотомодули или же ветрогенераторы. Выбирая то или иное оборудование очень важно оценить климат в местности, где предполагается установка. Также расчёт необходимого количества оснащение для удовлетворения энергетических потребностей. А также, каким образом будет регулироваться работа самих устройств.
Что касается обеспечения тепловой энергией здесь стоит обратить внимание на солнечные коллекторы или же котлы, работающие на твердом топливе. В данном случае, выбирая второй вариант, вам следует позаботиться о наличии топлива. Что же касается коллектора, то его продуктивность будет меняться с приходом того или иного времени года. В таком случае выработка тепла будет неоднородной в течение года.

Таким образом, мы видим, что альтернативные источники энергии для частного дома могут быть доступны и эффективны. Тем не менее, для этого нужно грамотно провести все предварительные исследования местности, оценку энергопотребления, анализ продуктивности того или иного ресурса и подбор наиболее подходящего по всем пунктам и параметрам оборудования. При этом, вложенные средства принесут пользу и окупятся только в случае правильного и целесообразного использование оснащения.

Какое будущее у альтернативной энергии, и есть ли оно?

Конечно же, высокая стоимость оборудования и привязанность к климатическим условиям немного замедляет более широкое внедрение возобновляемых энергоресурсов. Тем не менее, прогресс у данной сферы наблюдается, при чем, весьма стремительный даже с учетом определенных неудобств и затруднений на первых этапах.

Отвечая на вопрос, «Есть ли будущее у альтернативных источников энергии?», можно с уверенностью сказать, что оно существует. Важно заметить, что данная сфера включает в себя не только развитие новых ресурсов, но и оптимизацию уже имеющегося потенциала. Выработка энергии процесс во многом не простой и требует больших вложений и усилий. Поэтому помимо внедрения альтернативной энергии для дома или производства, уделяется огромное внимание реконструированию старой системы энерговыработки и снабжения.

Существуют разные мнения касательно развития энергетики в стране. Кто-то видит, что альтернативные ресурсы будут все более и более применимы в будущем, другие же придерживаются мнения, что проверенные и опробованные источники являются более надежными и выгодными. Здравая нотка есть в обеих позициях, так как плюсы и минусы, выгодные и невыгодные стороны встречаются в любой сфере. Поэтому, следует заметить, что наиболее грамотным решением будет совокупное и оптимизированное использование, как инновационных методов, так и проверенных временем и зарекомендовавших себя ресурсов.

Вопросы энергобезопасности достаточно остро встали перед человечеством в начале XXI века. Установившиеся высокие цены на углеводороды стимулируют продолжение работ по поиску альтернативного сырья, генерирующего энергию. Поиски альтернативного горючего ведутся во многих странах, каждая из которых использует наиболее доступное и дешевое сырье. Бразильцы, например, добавляют в бензин этанол, произведенный из сахарного тростника, японцы - полученный из риса, североамериканцы - из кукурузы. А вот в Саудовской Аравии ведутся опыты по созданию автомобильного топлива из фиников. В ходе экспериментов из 1 т фиников удалось получить 300 л этанола; опыты признаны успешными.

Среди других альтернативных источников энергии пристальное внимание, как и прежде, уделяется солнечной энергии. Эксперты утверждают, что к 2010 г. производство солнечных батарей, как бы к нему ни относились сегодня, станет крупным бизнесом. К тому времени у ряда компаний появятся заводы с десятком производственных линий, каждая из которых сможет ежегодно выпускать солнечные элементы общей емкостью 100 МВт. Это составляет 1000 МВт в год на завод, что примерно эквивалентно мощности тепловой или атомной электростанции, так что год работы одного такого завода исключает необходимость в строительстве целой электростанции. Каждый день эти заводы будут производить столько солнечных элементов, сколько их было выпущено за весь 1980-й год. И это будут настоящие заводы-гиганты: в 200 раз крупнее, чем типичный завод по производству 300-мм полупроводниковых пластин, площадь которого часто превышает 10 тыс. кв. м.

В отличие от микросхем, солнечные элементы нельзя уменьшать в размерах без снижения КПД, поэтому таким заводам потребуется много кремния. По оценкам экспертов, на каждый ватт выделяемой мощности уходит 7 г кремния, а это значит, что 1000-МВт завод будет потреблять 7000 т обработанного кремния в год, или 1 т в час. Сейчас индустрия солнечных панелей страдает от дефицита обработанного кремния, но несколько химических компаний в Китае, Японии и Корее наращивают мощности, так что к концу 2008 г. проблема дефицита должна быть преодолена.

Министерство энергетики США спонсирует некоторые исследования, направленные на поиск способов преодоления так называемого 40%-ного барьера для КПД солнечных элементов. В начале прошлого года Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (http://www.lbl.gov) сообщила, что элементы, изготовленные из полупроводника нового типа - цинка-марганца-теллура (ZnMnTe) с добавлением атомов кислорода, способны преобразовать в электричество 45% энергии солнечного света. Sharp Solar, одна из крупнейших компаний отрасли, продемонстрировала солнечный элемент с КПД 36%. Этот элемент содержит концентратор - тонкую линзу, фокусирующую солнечный свет, но изготовлен не из кремния, а из элементов III и V групп Периодической таблицы Менделеева.

Сегодня у лучших коммерческих кремниевых солнечных элементов КПД достигает 22%, а «потолок» его значений, по утверждению физиков, составляет 26%. Компания Boeing в своей лаборатории Spectrolab (http://www.spectrolab.com), которая изготавливает прожекторы и устройства для моделирования солнечного облучения, разработала элемент, способный преобразовать в электричество почти 41% энергии падающего на него солнечного света. Boeing преодолела барьер, соединив две технологии - собственно солнечный элемент и слой концентраторов. К тому же сам солнечный элемент состоит из нескольких материалов: кремниевые элементы взаимодействуют лишь с ограниченной частью солнечного спектра, а дополнительный слой арсенида галлия или других материалов расширяет эту полосу. Однако так называемые многопереходные солнечные элементы дороже в производстве, и многие компании считают, что эти расходы сводят на нет экономию, получаемую от повышенного КПД.

Химические источники тока

Развитие мобильных технологий заставляет разработчиков уделять больше внимания питанию портативных устройств. Сегодня в этом сегменте рынка практически безраздельно господствуют химические источники тока - гальванические элементы и аккумуляторы. Так, ионно-литиевые аккумуляторы используются в самых разных портативных устройствах, в том числе в ноутбуках, сотовых телефонах, карманных ПК и мр3-плеерах. При этом производители всеми силами пытаются повысить плотность хранения энергии, увеличив тем самым время автономной работы гаджетов. Однако высокая плотность энергозапаса может провоцировать внутреннее короткое замыкание и последующее возгорание источника питания. Известно, что с проблемой перегрева ионно-литиевых аккумуляторов в прошлом году столкнулась корпорация Sony (http://www.sony.net): в общей сложности ей пришлось отозвать 9,6 млн батарей, которые поставлялись вместе с ноутбуками таких производителей, как Apple, Toshiba, Fujitsu, Sharp и Acer.

Японская компания Matsushita Electric Industrial, выпускающая продукцию под торговой маркой Panasonic (http://www.panasonic.co.jp), сообщила о разработке ионно-литиевых аккумуляторов нового типа. Утверждается, что данные батареи по сравнению с обычными более безопасны в использовании, поскольку защищены от перегрева и воспламенения. Новые аккумуляторы Matsushita Electric помимо полиолефинового изолятора содержат дополнительный слой, устойчивый к повышенной температуре. Именно благодаря этому слою снижается вероятность перегрева и воспламенения источника питания. Производство ионно-литиевых аккумуляторов нового типа планируется начать в текущем году. Правда, такие батареи будут дороже обычных и потому на первом этапе найдут применение преимущественно в высококачественных бытовых и компьютерных устройствах.

Кстати, Sony в настоящее время предлагает заменить ионно-литиевые аккумуляторы в ноутбуках на ионно-литиевые полимерные, в которых литий входит в состав полимерного геля. Такие батареи не способны генерировать столь большой ток, как ионно-литиевые, но теперь это считается плюсом: они не вызовут пожара в случае внутреннего короткого замыкания. До сих пор полимерные батареи не могли обеспечить такого срока непрерывной работы, который требуется производителям и пользователям. В 1997 г. Mitsubishi поместила ионно-литиевую батарею в свой ноутбук Pedion, который оказался неудачным. Этот ноутбук отличался несколькими конструктивными новшествами - он был тоньше других и впервые размещался в блестящем металлическом корпусе, - но стоил почти 6 тыс. долл., и в нем имели место некоторые проблемы с механикой. Конструкторам всегда нравились ионно-литиевые полимерные батареи, несмотря на связанные с ними трудности, так как гель может заполнять все пустоты внутри устройства.

Ряд компаний откликнулся на опасность ионно-литиевых батарей, предлагая модели без лития. Например, Zinc Matrix Power (http://www.zmp.com) и PowerGenix (http://www.powergenix.com) анонсировали цинковые батареи для ноутбуков и других устройств. Zinc Matrix обещает начать выпуск таких батарей в этом году.

В начале нынешнего года компания Boston-Power (http://www.boston-power.com) сообщила о значительных успехах в совершенствовании конструкции ионно-литиевых аккумуляторов для ноутбуков. Новые батареи Boston-Power, получившие название Sonata, будут иметь ряд преимуществ по сравнению с обычными аккумуляторами. В конструкции этих источников питания, как утверждают в Boston-Power, применяются такие инновационные решения, как особые прерыватели тока, специальные вентиляционные клапаны, регулирующие давление, и новые плавкие предохранители. Разработчики утверждают, что при подзарядке аккумуляторы Sonata набирают 80% емкости за 30 мин, что по крайней мере вдвое быстрее, чем у обычных батарей. Кроме того, эти источники питания для ноутбуков не будут требовать замены в течение примерно трех лет. Сейчас же, как заявляют в Boston-Power, большинство владельцев портативных компьютеров вынуждены приобретать новые аккумуляторы ежегодно. Первые ноутбуки с батареями Sonata должны появиться в продаже летом нынешнего года. Кстати, аккумуляторы Boston-Power не требуют изменений в конструкции самих портативных компьютеров и соответственно могут использоваться в существующих моделях. О стоимости батарей Sonata, разрабатывавшихся при поддержке специалистов НР, пока ничего не сообщается.

Кстати, в ближайшее время могут появиться и очень необычные зарядные устройства, способные передавать энергию по беспроводной связи. Система беспроводной передачи энергии, разрабатываемая специалистами компании Fulton Innovation, получила название eCoupled (http://www.ecoupled.com). Технология основана на использовании индуктивной связи. Система eCoupled способна подстраиваться под различные конфигурации, адаптироваться к пространственным изменениям и динамически настраивать резонанс между источником и получателем энергии. Благодаря этому потери, связанные с передачей энергии, по заявлениям разработчиков, не превышают 2%. Другая особенность системы eCoupled заключается в том, что с ее помощью можно передавать не только энергию, но и информацию. Взаимодействуя с питаемыми устройствами в режиме реального времени, зарядное устройство на базе технологии eCoupled может получать сведения о типе аккумулятора, его возрасте и емкости. Эти данные затем могут быть использованы для оптимизации процесса подзарядки. Коммерциализацией методики eCoupled вместе с Fulton Innovation занимаются компании Herman Miller, Motorola, Visteon и Mobility Electronics. Например, фирма Visteon уже летом нынешнего года планирует начать продажи автомобильного зарядного устройства на основе технологии eCoupled. Посредством этого устройства пользователи смогут заряжать батареи мобильников Motorola, портативные мр3-плееры Apple iPod и так далее. Стоить беспроводное зарядное устройство Visteon будет меньше 100 долл. Правда, его владельцам также придется приобрести специальные адаптеры для своих гаджетов, поскольку на рынке пока нет оборудования со встроенной поддержкой eCoupled.

Портативные компьютеры на водороде

О топливных элементах для портативных устройств начали говорить столь давно, что ряд пользователей, еще не попробовав, уже успел разочароваться в этой технологии. Так, очередные обещания скорого приближения эры топливных элементов прозвучали в конце прошлого года от японской компании Casio Computer (http://www.casio.co.jp), хотя, по имеющейся информации, разработанные в Casio топливные элементы уже в то время были готовы к массовому применению. Разработка коммерчески выгодных зарядных устройств на топливных элементах ведется во многих компаниях на протяжении последнего десятилетия, и сейчас некоторые из разработчиков сообщают о планах начать массовое производство топливных элементов. Прототип топливной ячейки Casio был продемонстрирован на ноябрьской выставке Fuel Cell Seminar 2006 (http://www.fuelcellseminar.com) в Гонолулу (США). Размеры ячейки составили 27,2x46x2,8 мм. В качестве топлива в прототипе используется метанол.

Если верить утверждению крупнейшего игрока мобильного бизнеса компании Nokia (http://www.nokia.com), топливные элементы в качестве аккумуляторов для сотовых телефонов отделяет от нас какая-то пара лет. Впрочем, уже сегодня интересных решений и успешных промышленных наработок довольно много.

В конце прошлого года корпорация Samsung Electronics (http://www.samsungelectronics.com) объявила о создании топливного элемента для ноутбуков энергоемкостью 1200 Вт.ч. Он разработан совместно с Samsung SDI и Samsung Advanced Institute of Technology и применяется в ноутбуках модели Samsung Sense Q35. В предположении, что портативный компьютер работает 8 ч в день пять дней в неделю, запаса энергии топливного элемента должно хватить на месяц. Блок питания располагается в подставке для ноутбука; тем не менее вся конструкция остается мобильной. Инженеры Samsung Electronics утверждают, что удельная емкость источника составляет 650 Вт.ч/л, что почти вчетверо превышает показатели конкурирующих устройств. Еще одно достоинство новой системы на базе топливного элемента - пониженный уровень шума, такой ноутбук работает тише обычного. В топливных элементах Samsung Electronics применяется оригинальная технология генерирования электроэнергии с использованием химической реакции окисления водорода. Корпорация разработала также малогабаритный топливный элемент, которому 100 мл топлива хватает на 15 ч непрерывной работы. Вице-президент компьютерного отделения Samsung Electronics Ким Хон Су акцентировал внимание на том, что разработка на год опережает коммерческие топливные элементы для ноутбуков и что к концу 2007 г., когда будут удовлетворены все требования стандартов безопасности, компания возглавит усилия по продвижению топливных элементов на рынок.

Японская корпорация Toshiba (http://www.toshiba.co.jp) на выставке Ceatec 2006 продемонстрировала несколько портативных устройств с питанием от прямых метанольных топливных элементов (DMFC, Direct Methanol Fuel Cells). Напомним, что в таких элементах электричество получается в результате химической реакции между кислородом и метанолом на специальной каталитической мембране. Для портативных устройств топливные элементы DMFC удобнее водородных, так как заправлять элементы жидким спиртом проще, чем газом. В имеющихся прототипах для заправки используются герметичные картриджи со спиртом, учитывая, что сам по себе метанол ядовит. На выставке Ceatec 2006 корпорация Toshiba показала прототипы ноутбука и портативного медиацентра с метанольными топливными элементами.

Компания MTI MicroFuel Cells (http://www.mtimicrofuelcells.com) продемонстрировала прототип топливного элемента DMFC-типа, ориентированного на использование в военной сфере. Особенность элементов MTI MicroFuel Cells заключается в отсутствии традиционного насоса, собирающего сгенерированную в ходе реакции воду и доставляющего ее к аноду для получения раствора метанола нужной концентрации. За счет этого уменьшаются габариты и масса топливного элемента. Прототип элемента, продемонстрированный представителям информационного бюро Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, получил название Mobion-30M. По заявлениям разработчиков, новинка способна выдавать до 600 Вт.ч энергии на одной заправке метанолом. Выходная мощность в среднем составляет 30 Вт (около 100 Вт в пиковом режиме). Предполагается, что военные будут использовать топливные элементы MTI MicroFuel Cells в качестве источников питания для терминалов спутниковой связи. По сравнению с обычными батареями метанольные элементы обеспечат выигрыш в весе и эффективности. Так, элементы Mobion-30M в комплекте с двумя дополнительными картриджами теоретически увеличат время автономной работы портативных устройств в два раза по сравнению с батареями эквивалентной массы. Впрочем, сроки массового производства элементов Mobion-30M пока не уточняются.

Компания Maxell (http://www.maxell.co.jp) также разработала новый источник питания на основе топливного элемента. Поставщиком энергии в представленном устройстве служит топливный элемент, работающий на водороде. При этом сам водород выделяется в результате реакции активированного алюминия с обычной водой. По заявлениям разработчиков, 1 г алюминия достаточно для генерации 1,3 л водорода при комнатной температуре. Плотность хранения энергии составляет 280 мВт/см2, что примерно в пять раз выше аналогичного показателя для топливных элементов DMFC-типа. Выходная мощность источника питания Maxell достигает 10 Вт, допускается замена картриджей с алюминием и водой. Предполагается, что устройства, выполненные по технологии Maxell, будут использоваться для питания карманных гаджетов или портативных компьютеров. Продемонстрированный прототип имеет размеры 160х100x60 мм и массу около 920 г. В перспективе Maxell надеется выпустить модификацию, которая будет на 70% компактнее.

На Форуме Intel для разработчиков IDF 2006 компания UltraCell (http://www.ultracellpower.com) продемонстрировала топливный элемент RMFC-типа (Reformed Methanol Fuel Cell), получивший название XX25. Источник питания XX25 предназначен прежде всего для военной отрасли. В топливном элементе применяется преобразователь фирменной конструкции, обеспечивающий выработку водорода из высококонцентрированного раствора метанола. Подачу топлива регулирует микроконтроллер, управляющий насосом. По заявлениям разработчиков, одного резервуара с раствором метанола достаточно для питания ноутбука в течение двух рабочих дней. Кстати, конструкция топливного элемента допускает горячую замену резервуаров, так что подключенное к источнику питания оборудование может работать постоянно. Элемент UltraCell XX25 обладает повышенной прочностью, устойчивостью к внешним воздействиям и может эксплуатироваться в неблагоприятных условиях, например, при низких температурах или сильной запыленности. При этом новинка значительно легче аналогичных по мощности аккумуляторных батарей, предназначенных для военного использования.

Топливный элемент XX25.

Топливный элемент компании Enerage (http://www.enerage.com) имеет весьма редкую для подобных устройств особенность - универсальность. Его можно заправлять метаном, бутаном, метанолом, этанолом и другими углеводородами. Как известно, большинство топливных элементов для портативной электроники снабжено мембраной, способной вырабатывать электрический ток только из метанола. Топливный элемент Enerage работает по принципу прямого окисления. Он смешивает воздух с углеводородом, и когда эта смесь вступает в контакт с мембраной, в ней высвобождаются электроны. В результате реакции образуются также вода и углекислый газ. Возможность использовать разные виды топлива достигается благодаря тому, что топливный элемент (и форсунка топливного резервуара) позволяет регулировать топливно-воздушную смесь. Например, если резервуар заполнен метаном, в смесь будет подаваться одно количество воздуха, а если этанолом - другое. Однако Enerage придется преодолеть одну серьезную техническую проблему: температура внутри топливного элемента достигает 500-600ºС, и это вряд ли понравится пользователям портативных устройств. Но в компании уверяют, что ограничение тепловыделения и понижение температуры - это инженерная задача, которая разработчикам вполне по плечу.

Новые подходы к созданию топливных элементов

Многие эксперты оптимистично подчеркивают, что до широкого использования новых источников энергии даже в повседневной жизни ждать осталось совсем недолго, тем более что работы над конструкцией перспективных топливных элементов не прекращаются. Так, ученые из Принстонского университета (http://www.princeton.edu) создали новый способ управлять количеством вырабатываемой топливными элементами энергией. Предложенная для этого схема основана на увеличении или уменьшении количества газа в системе. Ранее такой подход, традиционный для двигателей внутреннего сгорания, считался неприменимым для топливных элементов. В разработанной схеме контроль количества поступающего в реакционную камеру водорода основан на изменении объема камеры, причем для этого используется вода, которая получается в ходе реакции водорода и кислорода (эта реакция применяется в топливных элементах для выработки электричества). Часть воды, полученной в реакции, собирается на дне реакционной камеры под действием гравитации, а другая часть выводится во внешний бак. При увеличении подачи водорода в камеру его давление вытесняет воду со дна во внешний бак, и наоборот. Таким образом, объем реакционной камеры увеличивается и уменьшается в зависимости от объема поданного водорода. Вода на дне реакционной камеры служит также для поддержания влажной среды, необходимой для проведения реакции. Благодаря такому конструкционному решению разработчикам из Принстона удалось решить одну из проблем топливных элементов. Множество каналов для подвода газов и отвода воды, применяющихся в традиционных топливных элементах, иногда забиваются сконденсировавшейся влагой, что приводит к неэффективной и неравномерной выработке энергии. Помимо этого, вода на дне реакционной камеры не позволяет газам покидать камеру до того, как они прореагируют между собой. Это, по утверждению ученых, позволяет добиться почти 100%-ной конверсии топлива вместо традиционных 30-40% и исключить из конструкции дорогостоящую и большую по размеру систему рециркуляции газов.

А вот исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (http://www.ucla.edu) создали кристаллический материал, который способен удерживать в своих порах в три раза больше водорода, чем все существовавшие до этого материалы. При полном насыщении образца водородом содержание газа в его порах составляет 7,5% по массе - однако такого результата удалось добиться лишь при температуре 77 К (-196°С). Своей следующей задачей ученые называют достижение тех же результатов при температурах от 0 до 45°С, что позволит применять такие материалы для обеспечения водородом автомобилей, мобильных телефонов и других устройств, получающих энергию от топливных элементов. Стоит напомнить, что в начале 1990-х гг. изобрели материалы, названные металлоорганическими структурами (MOF), которые получают из вполне доступных веществ - оксида цинка и терефталата. Внутренняя структура MOF образована очень маленькими соединенными между собой стержнями, благодаря чему кристаллы имеют большую удельную поверхность. Нанометровые размеры пор кристаллов позволяют заключать в них различные газы, что облегчает их хранение и транспортировку. Помимо хранения газа, внутри пор металлоорганических структур можно проводить синтез полимеров. Малый размер пор позволяет четко контролировать свойства получаемых макромолекулярных соединений.

Еще одна интересная новость - в ближайшем будущем ферменты оксидоредуктазы, возможно, смогут заменить дорогие платиносодержащие катализаторы в водородных топливных элементах. Ученые из Оксфордского университета использовали фермент для катализа окисления водорода до воды в безопасной невоспламеняющейся смеси, содержащей всего 3% (по объему) водорода. Водородные топливные элементы позволяют получать электричество за счет реакции кислорода с водородом. Этот способ получения энергии можно считать «зеленым» только в том случае, если водород получается не за счет нефти или других природных источников углеводородов. Энергетические элементы такого типа пока не могут обходиться без катализаторов на основе драгоценных металлов. Подкласс оксидоредуктаз - ферменты гидрогеназы также способствуют окислению водорода, причем эффективнее, чем катализаторы на основе платины. К сожалению, большинство этих ферментов инактивируется в присутствии даже следовых количеств кислорода. Окисление водорода протекает в топливном элементе, который состоит из графитового анода, модифицированного устойчивой к кислороду гидрогеназой, и графитового катода, модифицированного лакказой грибного происхождения, погруженных в водный раствор электролита в атмосфере, содержащей 3% водорода. Гидрогеназа, окисляющая водород до протона, должна создавать достаточный электрический ток для восстановления кислорода.

Исследователи из Оксфорда изучили ферменты гидрогеназы, выделяемые из водородоокисляющих бактерий семейства knallgas. Эти оксидоредуктазы устойчивы к кислороду и другим газам, действующим как каталитические яды для традиционных платиновых катализаторов. Ученые отмечают, что обнаружение гидрогеназы, способной окислять водород, находящийся в газовых смесях в весьма разбавленном состоянии, воодушевило их проверить, насколько реально создание топливного элемента, работающего на безопасной смеси водорода и воздуха. Эксперты также подчеркивают, что исследование впервые объединяет возможности каталитической системы природного происхождения с практически значимыми экспериментальными условиями. Все это делает более доступной экологически чистую водородную энергетику.

Японская компания Kurita Water Industries (http://www.kurita.co.jp) предложила использовать в топливных элементах метанол, находящийся в твердом состоянии. Первые образцы «сухого горючего» были показаны на выставке Expo 2007. Основная область специализации Kurita Water Industries - оборудование для водоочистки. Накопленный опыт позволил специалистам компании создать твердый метанол с помощью технологии решетчатых структур, применяемой в водоочистных установках. По мнению компании, твердый метанол представляет собой безопасную альтернативу жидкому метанолу для топливных элементов. Суть технологии решетчатых структур заключается в том, что «гостевой компаунд» (в данном случае метанол) удерживается в твердом состоянии за счет «принимающего компаунда». Известно, что жидкий метанол легко воспламеняется и токсичен, поэтому в топливных элементах приходится применять прочные картриджи для хранения и транспортировки метанола (а перевозка метанола авиатранспортом вообще запрещена). Новая технология позволит преодолеть эти ограничения.

Первые сведения о разработках Kurita были опубликованы еще в октябре 2005 г.; тогда для «включения» элементов была нужна вода. Показанные в этом году прототипы обходятся без воды: достаточно поместить сухой гранулированный материал в топливный элемент, как начинается выработка электроэнергии. По плотности энергии твердый метанол примерно вдвое уступает своему жидкому аналогу, зато не требует громоздкого картриджа. С учетом этого показатели двух видов топлива становятся сопоставимыми. Первые серийные продукты (по всей видимости, это будут устройства, позволяющие пополнить заряд встроенной батареи мобильного телефона) ожидаются на рынке летом этого года. Перспективные планы компании включают создание компактного источника, по размерам не превышающего карточку памяти SD. Такие «батарейки» будут вставляться непосредственно в мобильные телефоны.