Топ-10 прорывных идей в энергетике на ближайшие 10 лет

Отчет Глобальной энергетической ассоциации предлагает 10 идей на будущее по сокращению выбросов CO2 и созданию сбалансированных энергетических систем.

По мере того как миллионы людей справляются с последствиями изменения климата и глобального потепления, возрастает потребность в глобальных энергетических стратегиях, направленных на решение вполне реальных проблем, стоящих перед правительствами и населением во всем мире.

Нет ничего удивительного в том, что крупные инвестиции направляются на поиск путей урегулирования кризисов, с которыми сегодня сталкивается весь мир, в частности на поиск альтернативных источников энергии, которые являются эффективной и действенной заменой ископаемым видам топлива.

Темпы глобального изменения климата создают серьезную угрозу для природных экосистем из-за вызванных им необратимых последствий.

«С точки зрения экономической эффективности идеи, представленные в докладе, не являются широким отходом от традиционной энергетики. Потребность в углеводородах, нефти, газохимической промышленности никуда не денется», — говорит Сергей Брилев, президент Глобальной энергетической ассоциации, некоммерческой организации, созданной для стимулирования и поддержки научных исследований и инноваций в области энергетики, а также для развития энергетического сотрудничества.

«Но это идеи будущего по сокращению выбросов CO2 и созданию выравнивания сбалансированных энергетических систем и интегрированных энергетических компаний», — добавляет Брилев, указывая, что технологии, основанные на этих идеях, требуют роста энергоэффективности и энергосбережения, а также развития возобновляемых источников энергии.

Соучредителями Ассоциации, действующей с 2002 года, являются ОАО «Газпром», группа «Россети» и ОАО «Сургутнефтегаз» – российские энергетические компании, работающие в газовой, электрической и углеводородной отраслях соответственно.

10. Искусственный фотосинтез

По разным прогнозам, в обозримом будущем мировое потребление энергии будет расти. Этот рост сопровождается увеличением спроса на ископаемое топливо, которое является основным источником энергии.

Мы должны либо заменить углеводородное топливо безуглеродным, либо научиться синтезировать углеводороды из атмосферного CO2. Современный углеродный бюджет несбалансирован; это происходит потому, что выбросы CO2 превышают его потребление для производства биомассы. Главная цель экологической политики — поддерживать концентрацию CO2 в воздухе на постоянном уровне.

Если бы мы могли синтезировать углеводы из атмосферного CO2 со скоростью, сравнимой с антропогенным производством CO2, это частично решило бы экологическую проблему. Углекислый газ — это низкоэнергетическая молекула; получение из него богатых энергией углеводородов требует энергии. Природа предлагает нам использовать солнечную энергию для сокращения выбросов CO2.

Организмы, осуществляющие кислородный фотосинтез, получают CO2 из атмосферы и объединяют его с водородом (электронами и протонами) из вездесущей воды, используя солнечную энергию. Основным способом получения углеводородов из СО2 солнечным светом для выращивания топливной культуры является фотосинтез.

9. Химическое топливо из солнечного света

Солнечный свет открывает множество различных путей для производства химического топлива. Эти пути включают производство биотоплива из биомассы; производство водорода через жизнедеятельность микроводорослей; производство биотоплива через фотокатализ, выполняемый искусственными устройствами.

Каждый из этих путей имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества заключаются в том, что некоторые из этих видов солнечного топлива могут заменить ископаемые виды топлива в будущем. Дальнейшие исследования во всех этих секторах необходимы для успешного развития этих методов и преодоления существующих недостатков.

Биотопливо из растительной биомассы в настоящее время является самым популярным солнечным топливом. В то же время молекулярный водород считается топливом будущего. Это происходит потому, что это безуглеродное, обогащенное энергией химическое соединение. Фотогидроген может быть получен либо за счет активности микроорганизмов, либо за счет фотокатализа.

Недорогие, стабильные, эффективные, экологически чистые искусственные или полуавтоматические системы, вдохновленные естественным фотосинтезом для производства водорода из воды, являются наиболее привлекательными объектами для исследований и разработок в области солнечной энергетики. Современные достижения в разработке этих устройств значительны, но многие препятствия мешают им стать более широко используемой технологией.

8. Рециркуляция энергии

Основной тенденцией в развитии мусоросжигания является переход от прямого сжигания твердых отходов к оптимизированному сжиганию горячей (топливной) фракции, выделяемой из твердых отходов, и переход от сжигания как процесса утилизации твердых отходов к сжиганию как процессу, обеспечивающему наряду с утилизацией отходов тепловую и электрическую энергию.

Термическая утилизация является важным элементом любой системы обращения с отходами. Извлечение энергии из отходов получило широкое распространение в мире и является глобальной тенденцией преобразования отходов в энергию.

Энергия от заводов по переработке отходов является очевидной частью решения по переработке энергии. Для дальнейшей оптимизации процессов переработки отходов с выработкой тепла и электроэнергии, снижения вредного воздействия на окружающую среду необходимо использовать эксергетический подход.

7. Превращение отходов в энергию

Исследования показывают, что отходы жизнедеятельности человечества, наряду с глобальным потеплением и нехваткой чистой воды, вызывают наибольшую озабоченность как у населения в целом, так и у специалистов.

В общей сложности в мире образуется около 25 миллиардов тонн отходов в год. Лидером по производству специфических отходов является Канада, которая производит 36 тонн отходов на человека в год (но большинство из них — промышленные отходы нефтепереработки, металлообработки и химической промышленности). За ней следуют Болгария (26,7 тонны) и США (26 тонн). Россия весит около семи миллиардов тонн в год.

За последние десять лет количество отходов удвоилось. Как и в других странах, подавляющее большинство связано с промышленностью, причем добыча полезных ископаемых создает 91 процент отходов.

Твердые бытовые отходы (ТБО) занимают небольшую долю – всего около пяти процентов в общем объеме отходов. Но ей следует уделить самое пристальное внимание, потому что именно здесь сосредоточено наибольшее количество проблем.

6. Компактные и эффективные технологии накопления энергии

Прорывы в электрохимических технологиях хранения энергии, таких как литий — (или натриевые) ионные аккумуляторы и суперконденсаторы, для мобильной электроники (малые размеры), транспорта (средние размеры), хранения электроэнергии в электросетях (большие размеры), а также портативных и стационарных приложений, проложили дорогу к развивающемуся рынку с неограниченным потенциалом.

Электрохимическое накопление энергии играет важную роль в эффективном использовании солнца и ветра в качестве возобновляемых источников энергии для достижения более чистого мира. Сегодня производство, разработка и внедрение нового поколения высокоэффективных, доступных по стоимости электрохимических систем хранения энергии с повышенной безопасностью на крупных новых рынках требуют понимания, контроля и прогнозирования новых разработанных структур с новыми подходами синтеза и улучшенными свойствами.

Суперконденсаторы играют ключевую роль в преодолении разрыва между традиционными конденсаторами и аккумуляторными батареями, которые занимают видное место в развитии накопителей энергии.

Эти устройства хранения энергии широко используются в качестве портативных устройств, промышленной энергетики и энергетических приложений для создания долгосрочных изменений в направлении устойчивого производства, управления и потребления энергии без явной зависимости от возобновляемых ресурсов.

5. Преобразование энергии в газ

Преобразование энергии в газ может сыграть ключевую роль в декарбонизации энергетических систем и, следовательно, в энергетическом переходе наших обществ. После нескольких «пусков и остановок» Международное энергетическое агентство (МЭА) в своем недавнем докладе, посвященном водороду, подчеркнуло, насколько сейчас благоприятны условия для того, чтобы этот энергоноситель и химическое сырье вновь появились на мировой арене глобальной энергетической системы и создали рынок.

Таким образом, водород становится молекулой платформы, которая может быть использована – в качестве вектора энергии и топлива – или для синтеза широко используемых химических веществ, таких как аммиак или метанол, специальных химических веществ, обычных видов топлива, таких как заменитель природного газа или бензина.

Кроме того, преобразование электроэнергии в газ может обеспечить сезонное хранение излишков электроэнергии в дополнение к перекачиваемой гидроэнергии и с большей энергетической мощностью при условии, что будут определены подходящие места хранения. Сезонное хранение необходимо, поскольку несколько исследований показали, что высокий уровень возобновляемой генерации на основе прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая генерация, потребует сезонных систем хранения.

4. Малые модульные реакторы

Ядерная энергетика сталкивается с критическими и глубокими проблемами конкурентоспособности, препятствующими ее способности играть значительную роль в борьбе с изменением климата. Малые модульные реакторы (SMR) мощностью менее 500 МВт рассматриваются в связи с тем, что они могут быть более легко финансируемы и могут быть поставлены более быстро с использованием модульных методов строительства и развертывания.

По мнению многих, SMR являются неэкономичными. Новый анализ SMR показал, что радикальное использование методов проектирования производства — использование стандартизации и модульности — может обеспечить маршрут для компенсации этого недостатка затрат. Эти средства широко используются в других отраслях промышленности и позволили бы капитальным затратам на SMR улучшить экономическую эффективность крупных реакторов.

SMR также имеют потенциал для гораздо более коротких графиков сборки за счет применения модульной конструкции. Создание большего числа стандартизированных SMR позволило бы еще больше снизить затраты за счет производственного обучения, что потенциально позволило бы достичь энергетических затрат на уровне 75 долларов США/МВтч.

3. Водород и высокоемкие водородоносители

Водород обладает огромным потенциалом, поскольку он эффективно представляет собой платформу для широкого спектра применений, включая топливо для транспортировки, сырье для химической и перерабатывающей промышленности или объемные хранилища энергии для производства тепловой и электрической энергии.

В то время как для производства возобновляемого водорода доступно несколько процессов, способ преобразования энергии в газ имеет то преимущество, что дополняет прерывистое энергоснабжение от ветровых и солнечных генераторов, и поэтому представляется наилучшей краткосрочной возможностью для получения большого количества водорода, доступного для развертывания декарбонизации. Помимо водорода, высокоемкие водородоносители имеют хорошие возможности для выхода на рынок вместо ископаемых аналогов, чтобы ускорить путь к сильно декарбонизированному обществу.

Преимущества зеленых синтетических топлив заключаются в том, что они, как правило, являются более практичным топливом, чем водород, просто потому, что они лучше напоминают (физически и химически) ископаемое топливо, которое вытеснило бы его. Более высокая плотность энергии и (как правило) жидкая или твердая форма могут сделать синтез-топливо более легко адаптируемым к нашей текущей инфраструктуре и более совместимым с технологиями конечного использования, чем водород.

2. Интеллектуальная сеть и цифровизация энергетических систем

Мир нуждается в более устойчивых и гибких энергетических системах, и энергосистема должна играть в этом важную роль. Чтобы сделать это, цифровизация может стать стимулом для раскрытия истинного потенциала энергосистемы, обладающей способностью создавать новые архитектуры взаимосвязанных энергетических систем, включая разрушение традиционных границ между спросом и предложением.

Проникновение возобновляемых источников энергии, хранение и рост электромобилей начнут оказывать большое влияние на управление сетями из-за их большей изменчивости. Необходимо будет управлять сетью более гибко, более чутко к клиентам, окружающей среде и новым электрифицированным технологиям.

Данные будут необходимы для понимания того, как работает грид в любой данный момент времени, для управления изменениями, возможно автономно и автоматически, по мере изменения параметров, а также для понимания потребностей клиентов и их взаимодействия с грид-сервисами.

1. Улавливание углерода

Улавливание углерода — это технология, позволяющая улавливать отработанный углекислый газ. Его можно захватить сразу из воздуха или от других источников, как газообразный отход электростанций, используя различный вид технологий включая абсорбцию, адсорбцию, химическую петлю, мембранную сепарацию газа или технологии газогидрата.

Технология улавливания углерода, применяемая на современной традиционной электростанции, позволяет сократить выбросы CO2 до 80 или 90 процентов по сравнению с установкой без технологии улавливания углерода.

Ключевая проблема заключается в том, что если улавливание углерода используется на электростанции, то другие системные затраты, по оценкам, увеличивают стоимость ватт-часа энергии, производимой на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, на 21-91 процент. Применение этой технологии на существующих заводах обойдется еще дороже.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ