Энергия будущего: Cолнце, воздух и вода — наши лучшие друзья
Нефть дорожает, и перспектива ее как источника энергии в будущем весьма неопределенна. Пять новых методов добычи энергии – от волновых электростанций, способных отнимать энергию у морских волн, до бактерий, выделяющих электричество из сточных вод, – могут вдохнуть новые силы в наш старый мир
Представьте себе, что вы месяцами катаетесь на машине, не доливая в бак бензина, обеспечиваете дом энергией океанских волн или подключаете ваш ноутбук к розетке прямо на пиджаке. Впрочем, глядя на ценник на бензоколонке (18 рублей за литр 95-го), можно подумать, что эта энергетическая утопия – совсем уж далекая сказка. С другой стороны, нынешняя мрачная ситуация в энергетике имеет и утешительную сторону. Растущие цены, общая тревога и озабоченность, новая политика правительства – все это, хочешь не хочешь, подталкивает нас к новым усилиям, направленным на обновление всей энергосистемы. Для полномасштабного внедрения некоторых из этих идей потребуются годы и годы. Другие прямо сейчас можно брать на вооружение. Доживем ли мы когда-нибудь до эпохи с бездонными источниками энергии?
Строго говоря, вряд ли. Запасы нефти на Земле безусловно ограниченны. Даже водород, которым питается ядерная реакция на Солнце, и тот – увы! – когда-нибудь закончится. До этого страшного мига осталось всего-то миллиардов пять лет. Если не брать в расчет шансов на неожиданный прорыв в технологиях ядерного синтеза, никакой другой источник не обещает в мановение ока решить все наши проблемы. Скорее, энергетические запросы человечества будут удовлетворяться путем объединения различных передовых технологий. В этом союзе сыграют свою роль энергия солнца, ветра, морских волн и другие альтернативные источники. Промышленность как потребитель тоже сделает шаг навстречу – современная технология успешно учится делать больше, потребляя меньше.
Очерченные в этой статье пять генеральных идей должны облегчить бремя, которое человечество возлагает на ископаемые виды горючего. Каждая из этих идей подошла вплотную к этапу внедрения, а вместе они должны вымостить дорогу для дальнейших прорывов в производстве и энергосбережении. Не надейтесь, что завтра мы проснемся в новом мире, но сейчас, когда эти проблемы привлекают все более пристальное внимание со стороны ученых, промышленности и потребителей, темпы прогресса растут не по дням, а по часам. В конце концов, смиримся с тем, что запасы всех энергоресурсов ограниченны, зато безграничной остается способность человека порождать новые идеи.
Ветер: простые решения
Если ваш дом стоит не «на семи ветрах», – не огорчайтесь. Даже маленький ветряк благодаря небольшой переделке сможет обеспечивать половину потребностей вашего жилища.
Как это работает. У небольших ветряков все устроено просто: ветер крутит турбину, от нее вращается генератор, а тот выдает переменный ток. Однако скорость ветра изменчива, так что меняется и напряжение на выходе. Напряжение может упасть до такого уровня, при котором невозможно заряжать батареи или питать сеть потребителей. Энди Найт, профессор электротехнического факультета в университете Альберты, и руководимая им группа исследователей предложили новую схему, при которой энергию ветряка можно накапливать даже при относительно спокойной погоде. В устройстве Найта переменный ток проходит через выпрямитель, где превращается в постоянный, которым заряжается 12-вольтовый аккумулятор. Поскольку батарея не может заряжаться при напряжении меньше ее собственного, разработчики включили в схему особый контроллер – он отслеживает частоту переменного тока, приходящего от генератора. Если напряжение оказывается слишком низким, контроллер подает команду на переключатель, и зарядка прекращается, пока напряжение не достигнет 12 В. Коммутатор преобразователя размыкает и замыкает цепь примерно тысячу раз в секунду. Постоянно подстраивая соотношение открытой и закрытой фазы, это устройство способно с высокой точностью регулировать напряжение.
Сроки. Этот контроллер уже сейчас можно включать в стандартные схемы.
Экономический эффект. Использование такого контроллера может оказаться решающим для тех регионов, которые находятся на границе зоны сильных ветров, то есть там, где средняя сила ветра не достигает 18 км/ч. Испытания показали, что эта система способна повысить энергоотдачу небольшого ветряка на 50%. Это значит, что ветряк диаметром 2 м может давать в день 24 кВтч электроэнергии. Суточное энергопотребление среднего американского дома составляет 35 киловатт-часов.
Детали. Контроллер и преобразователь содержат меньше электронных компонентов, чем аналогичные устройства «ветряных ферм» промышленного масштаба. Конструкция разработана так, чтобы можно было легко наладить производство таких недорогих «примочек» ко всем автономным ветрогенераторам.
Возражения. Если вы решили поставить у себя даже небольшой ветряк, не забудьте, что он должен располагаться на открытом месте, подставляясь под ветер с любого направления.
Гибрид следующего поколения
На этой машине вы сможете без заправки целую неделю ездить на работу, а потом смотаться за несколько сот километров в заслуженный отпуск.
Как это работает. «Эта машина отличается от обычной только трансмиссией», – утверждает Эндрю Фрэнк, профессор механико-авиационного факультета в университете города Дэйвис (штат Калифорния). Он предлагает добавить к уже привычным сегодня гибридным автомобильным системам адаптеры, которые позволят владельцам подключать свои машины к обычной электросети. (В сегодняшних гибридах подзарядка батарей происходит только в моменты торможения, когда двигатели работают в качестве генераторов.) Подкачка добавочной электроэнергии позволит существенно экономить горючее. Конструкция Фрэнка представляет собой сверхлегкую машину, с которой снято все лишнее и смонтированы простой 2-цилиндровый бензиновый двигатель и электропривод. Воткните обычную вилку в 110-вольтовую розетку, и вы сможете за несколько часов перезарядить аккумуляторы вашей машины. (В США некоторые умельцы уже переделывают гибридные автомобили Toyota Prius на такую схему работы. При этом им удается достигнуть рекордных показателей экономичности – 1,3 л на 100 км! – Редакция «ПМ».)
Сроки. Несколько прототипов уже существует – они построены группой университетских энтузиастов. Еще год, и гибриды с подзарядкой от сети будут представлены широкой публике – по крайней мере в виде адаптеров к уже имеющимся гибридным автомобилям. «Чтобы построить всю машину с нуля и продвинуть ее на рынок, потребуется больше времени, – говорит Фрэнк, – как минимум года два или три». Некоторые водители уже сейчас предпочитают не ждать и сами переделывают свои гибридные машины, хотя рискуют при этом потерять гарантию – автопроизводители не одобряют такой практики. Впрочем, та же Toyota внимательно наблюдает за подобными экспериментами, и, может быть, следующее поколение Prius будет иметь возможность заряжаться от сети.
Экономический эффект. Средний годовой пробег американских машин составляет примерно 20 000 км, а средний дневной – всего лишь около 50-ти, которые составляются из поездки на работу и обратно. Для гибрида с подзарядкой от сети большая часть этих километров пролетит в одном только электрическом режиме. Фрэнк строит планы создать автомобиль, у которого бензиновый двигатель будет включаться только на больших перегонах или при скоростях выше 100 км/ч. Розничные цены на такие машины могут оказаться на 20–30% выше, чем у аналогичных машин традиционной компоновки, но если учесть непрерывно растущие цены на бензин, то эта переплата может быстро окупиться. Кроме того, ваши деньги будут экономиться на техобслуживании. «В разрабатываемых нами автомобилях содержится только 15–20% от общего числа механических деталей, присутствующих в обычном автомобиле», – так объясняет Фрэнк. Фрэнк рассматривает эту конструкцию как очередную ступень на пути к подзаряжаемому гибриду на топливных элементах, который сможет работать и от сети, и на жидком горючем, и на водороде. Университетская команда Фрэнка уже конструирует такой прототип на высокоэффективных металл-гидридных аккумуляторах. Отличным источником энергии был бы водород, однако оптимальные способы производства, хранения и доставки этого распространенного газа пока не разработаны.
Детали. Подзаряжаемые гибриды не предполагают каких-либо изменений в транспортной инфраструктуре – дело только за решением производителей двинуть этот товар на рынок. Разумеется, электричество достается тоже не бесплатно. Зато автомобили будут потреблять свои киловатты в основном по ночам, в периоды спада потребления, когда в сети наличествует избыточная энергия.
Возражения. Оппоненты утверждают, что дополнительные батареи окажутся слишком тяжелым и дорогостоящим довеском, что износ аккумуляторов в циклах перезарядки сделает эксплуатацию таких гибридов весьма дорогостоящим мероприятием. Фрэнк отвечает, что добавочный вес батарей будет скомпенсирован уменьшением веса самого бензинового двигателя, а новые никель-металл-гидридные или литий-ионные аккумуляторы позволят не только снизить стоимость, но и переживут сам автомобиль, который обычно используется около 20 лет, успевая проехать примерно 300 000 км.
Волны: энергия океана
В океанских волнах скрыто столько энергии, что с лихвой хватило бы для освещения множества огромных городов. Осталось только придумать, как ее извлечь.
Как это работает. Линейный генератор на постоянных магнитах представляет собой цепочку постоянных магнитов на 4-метровом стержне. Эта конструкция привязана к якорю, лежащему на глубине около 30 метров. Охватывающая стержень медная катушка заключена в «поплавок», то есть в стеклопластиковый буй, который вместе с волнами гуляет вверх и вниз. Катушка при движении пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает электрический ток. Основанный на этом принципе 100-киловаттный генератор был разработан Анеттой фон Жоанн и Аланом Уоллесом, профессорами электротехнической школы в университете штата Орегон. В отличие от прежних конструкций, в которых использовался принцип гидравлических или пневматических насосов, данный принцип обещает КПД вплоть до 90 процентов.
Сроки. Меньше чем через пять лет поля из таких буев смогут питать энергией жилища и промышленные предприятия.
Экономический эффект. По словам фон Жоанн, энергия волн имеет существенные преимущества перед другими видами возобновляемых источников, к примеру, перед ветром. Поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии в них в 50 раз выше, чем в ветре. Переменное напряжение от сети буев можно подать на единый коммутационный блок, преобразовать в постоянный ток, повысив напряжение до 12 000 вольт, и отправить на берег, где вспомогательная подстанция снова преобразует его в переменный ток. Прототип имеет 5 метров в диаметре, но тот же принцип можно использовать и в более скромных масштабах. К примеру, если такой агрегат встроить в судовую якорную систему, на стоянках он мог бы питать энергией бортовую электронику.
Детали. Будущим летом прототип будет подвергнут испытаниям на природе. Тогда мы увидим, способен ли он выдержать атаку коррозии, штормов и просто непрерывной качки. «Когда почти десять лет назад мы только начинали эти разговоры, люди смотрели на нас как на идиотов, – говорит фон Жоанн, – но техника за это время ушла далеко вперед. Теперь все это представляется вполне реальным».
Возражения. Один буй или пять сотен – разница. Чтобы организовать прибрежную буйковую электростанцию, потребуется согласование с Орегонским отделом рыболовства и охраны природы или Федеральной комиссией по регулированию в области энергетики. Считая орегонское побережье «лакомым кусочком для получения энергии из морских волн», фон Жоанн признает, что это буйковое поле может повлиять на жизнь океана, в частности на миграцию китов. Не исключено также, что будут задеты интересы местных рыбаков.
Бактерии: микробиологический топливный элемент
Любовь бактерий к сточным водам – не только путь к их очищению. Побочные продукты этого процесса могут снабжать энергией сами очистные сооружения, а когда-нибудь сгодятся и для того, чтобы заправить ваш автомобиль.
Как это работает. Естественно присутствующие в сточных водах бактерии разлагают органические вещества в процессе окисления. При этом образуются свободные электроны. Брюс Логан, профессор экологических технологий в университете штата Пенсильвания, предложил идею топливного элемента, в котором углеродные аноды помещены в бескислородный осадок сточных вод. При этом бактерии растут на анодах, а избыток электронов создает ток при замыкании внешней цепи.
Сроки. Подобные топливные элементы можно было бы поставить на очистных сооружениях не позже чем через пять лет.
Экономический эффект. «Используя отходы воды от жизнедеятельности человека, можно получать до 500 милливатт с одного квадратного метра поверхности анода, – говорит Логан, – этого достаточно, чтобы засветилось 750 огоньков на рождественской елке. В сточных водах от пищеперерабатывающих комбинатов содержатся биоразлагаемые сахара, и в этом отношении они более перспективны. Чистая глюкоза может дать до 1500 милливатт на 1 м2. Если доработать эту технологию, очистные сооружения смогли бы сами обеспечивать себя энергией, а это не такие уж пустяки – на переработку сточных вод уходит 5 процентов от всей вырабатываемой в США энергии. Нетрудно представить, что когда-нибудь к очистным предприятиям будут подъезжать на заправку работающие на водороде автомобили. Если бактерии на аноде будут получать небольшой электрический заряд, а выделяющийся на катоде кислород удалять, такие топливные элементы окажутся также аппаратами для получения водорода. Сейчас бЧльшая часть водорода производится с использованием ископаемых видов горючего – процесс дорогой и разрушительный для окружающей среды.
Детали. «По сути дела, нужно только отправиться на ближайшее очистное предприятие, выкинуть оттуда старые реакторы и поставить наши новые», – говорит Логан.
Возражения. Топливный элемент создан для получения электричества. Пока еще не ясно, насколько он будет соответствовать множеству требований, предъявляемых муниципальными службами в отношении очистки сточных вод.
Солнце: органические солнечные батареи
Похоже, солнечные батареи готовы тесно срастись с нашим бытом. Элементы на основе органических молекул получились такими легкими и тонкими, что скоро вы сможете запитать ваш карманный плеер прямо от рукава собственной ветровки.
Как это работает. Как в органических солнечных элементах, так и в традиционных кремниевых, полупроводниковый материал поглощает фотоны света. Под воздействием энергии фотонов происходит возбуждение электронов и их движение к границе элемента, где они попадают в контакт с металлом, обычно медью. Этот проводник отводит ток туда, где он нужен, скажем, к моторчику или контактам аккумулятора. Если кремниевые батареи состоят из неорганических веществ, таких как медный сплав, галлий и кремний, то в составе органических солнечных элементов преобладают атомы углерода, водорода и кислорода. Исследовательская группа под руководством Бернарда Киппелена, профессора Центра органической фотоники и электроники в Институте технологии штата Джорджия, смогла объединить пленку из органического вещества, названного «пентацен», с наночастицами фуллерена С60, называемого за свою форму buckyball («маркерный шарик»). В результате получился новый светочувствительный полупроводник, способный с 1 см2 выдавать энергию в 3 милливатта.
Сроки. Через два-три года органические солнечные элементы будут применяться для питания таких маломощных устройств, как бирки радиочастотной идентификации (RFID). Что касается питания ноутбуков и мобильных телефонов, то здесь придется подождать лет 5–10.
Экономический эффект. Органические материалы легко совместимы с пластиковой подложкой. Как говорит Киппелин, «в перспективе их можно будет печатать, как газеты, на ролевых печатных машинах». А поскольку эти элементы получились тонкими и гибкими – толщина пленки 50 нм, – ими можно покрывать стенки палатки или элементы одежды, запитывая от них небольшие персональные электронные устройства, – например мобильные телефоны.
Детали. Технология кремниевых фотоэлементов отработана уже весьма хорошо, а вот наука об органических полупроводниковых пленках пока еще только в зародыше.
Возражения. Кремниевые солнечные элементы достигают КПД примерно 15%. Сегодня эффективность органических элементов не превышает 3–5%. Но если удастся наладить массовое производство таких материалов, любые поверхности можно будет превратить в собиратели солнечной энергии. Представьте себе навесы, крыши домов, кузова автомобилей, неспешно вырабатывающие нам электроэнергию.