Инновации в области возобновляемой энергии: обеспечение устойчивого будущего во всем мире

Мир столкнулся с беспрецедентной энергетической проблемой. Растущее население, увеличение потребностей в энергии и острая необходимость борьбы с изменением климата подталкивают глобальный переход к возобновляемым источникам энергии. Инновации лежат в основе этого перехода, снижая затраты, повышая эффективность и расширяя области применения возобновляемых технологий. В этой статье рассматриваются ключевые инновации, формирующие будущее возобновляемой энергетики, анализируются достижения в области солнечной, ветровой, гидро-, геотермальной энергии и энергии биомассы, а также технологий накопления энергии и интеллектуальных сетей.

Актуальность внедрения возобновляемой энергии

Необходимость перехода на возобновляемую энергию вытекает из нескольких критических факторов:

• Смягчение последствий изменения климата: Сокращение выбросов парниковых газов от ископаемого топлива имеет решающее значение для ограничения глобального потепления и его разрушительных последствий.
• Энергетическая безопасность: Диверсификация источников энергии снижает зависимость от нестабильных мировых рынков ископаемого топлива и повышает энергетическую независимость.
• Экономический рост: Сектор возобновляемой энергетики — это растущая отрасль, создающая рабочие места и стимулирующая экономическую активность в производстве, установке и техническом обслуживании.
• Защита окружающей среды: Возобновляемые источники энергии оказывают значительно меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с ископаемым топливом, сокращая загрязнение воздуха и воды.
• Всеобщий доступ к энергии: Технологии возобновляемой энергии, особенно децентрализованные решения, такие как солнечные домашние системы, могут обеспечить доступ к электроэнергии для отдаленных и недостаточно обслуживаемых сообществ.

Солнечная энергия: оседлав волну инноваций

В последние годы солнечная энергетика пережила замечательный рост, обусловленный технологическими достижениями и снижением затрат. Основные инновации в солнечной энергетике включают в себя:

Солнечные элементы следующего поколения

Традиционные кремниевые солнечные элементы становятся более эффективными и доступными. Однако исследования и разработки сосредоточены на технологиях следующего поколения, таких как:

• Перовскитные солнечные элементы: Перовскиты — это класс материалов с превосходными светопоглощающими свойствами. Перовскитные солнечные элементы добились впечатляющего повышения эффективности за короткий период, предлагая потенциал для снижения производственных затрат и гибкого применения. Ведутся исследования по улучшению их стабильности и долговечности.
• Органические солнечные элементы: Органические солнечные элементы (OPV) изготавливаются из материалов на основе углерода и могут производиться с использованием недорогих методов печати. Они легкие, гибкие и могут использоваться в различных областях, включая встроенную в здания фотоэлектрику (BIPV) и носимую электронику.
• Квантово-точечные солнечные элементы: Квантовые точки — это наноразмерные полупроводники, обладающие уникальными оптическими и электронными свойствами. Квантово-точечные солнечные элементы могут достигать высокой эффективности и могут быть настроены на поглощение различных длин волн света.

Пример: Oxford PV, дочерняя компания Оксфордского университета, является ведущим разработчиком технологии перовскитных солнечных элементов. Они работают над коммерциализацией тандемных солнечных элементов на основе перовскита на кремнии, которые могут достигать значительно более высокой эффективности, чем традиционные кремниевые солнечные элементы.

Концентрированная солнечная энергия (CSP) с теплоаккумуляцией

В системах CSP используются зеркала для концентрации солнечного света на приемнике, который нагревает рабочую жидкость для выработки электроэнергии. Интеграция теплоаккумуляции (TES) позволяет электростанциям CSP генерировать электроэнергию даже тогда, когда солнце не светит, обеспечивая управляемый возобновляемый источник энергии.

Пример: Проект Noor Energy 1 в Дубае — крупнейшая в мире электростанция CSP мощностью 700 МВт и 15 часами теплоаккумуляции. Этот проект демонстрирует потенциал CSP с TES для обеспечения надежной и доступной возобновляемой энергии.

Плавающие солнечные фермы

Плавающие солнечные фермы — это фотоэлектрические (PV) системы, установленные на водоемах, таких как озера, водохранилища и океан. Они предлагают несколько преимуществ по сравнению с наземными солнечными фермами, включая уменьшение землепользования, увеличение производства энергии из-за более низких рабочих температур и уменьшение испарения воды.

Пример: Китай стал лидером в области плавающих солнечных технологий, установив несколько крупномасштабных плавающих солнечных ферм на водохранилищах и затопленных угольных шахтах.

Ветроэнергетика: использование силы ветра

Ветроэнергетика — еще один быстрорастущий возобновляемый источник энергии. Основные инновации в ветроэнергетике включают в себя:

Более крупные и эффективные ветряные турбины

Технология ветряных турбин значительно продвинулась за последние годы, турбины стали больше и эффективнее. Большие диаметры роторов и более высокие башни позволяют турбинам улавливать больше энергии ветра и генерировать больше электроэнергии.

Пример: Haliade-X компании GE Renewable Energy — одна из крупнейших в мире морских ветряных турбин с диаметром ротора 220 метров и мощностью 12-14 МВт. Эти турбины предназначены для работы в суровых морских условиях и выработки больших объемов электроэнергии.

Плавающие морские ветряные электростанции

Плавающие морские ветряные электростанции позволяют устанавливать ветряные турбины в более глубоких водах, где ресурсы ветра сильнее и более стабильны. Плавучие ветряные турбины крепятся ко дну моря с помощью швартовых линий, что делает их подходящими для районов со сложной топографией морского дна.

Пример: Проект Hywind Scotland — первая в мире коммерческая плавучая морская ветряная электростанция. Она состоит из пяти турбин мощностью 6 МВт, расположенных в Северном море, демонстрируя осуществимость технологии плавучих морских ветряных электростанций.

Воздушная ветроэнергетика

В системах воздушной ветроэнергетики (AWE) используются кайты или дроны для доступа к более сильным и устойчивым ветрам на больших высотах. Системы AWE могут быть развернуты быстрее и дешевле, чем традиционные ветряные турбины.

Пример: Такие компании, как Kite Power Systems и Ampyx Power, разрабатывают системы AWE, которые могут генерировать электроэнергию от высотных ветров. Эти системы могут произвести революцию в выработке ветряной энергии, особенно в отдаленных и автономных местах.

Гидроэнергетика: надежный возобновляемый источник энергии

Гидроэнергетика — хорошо зарекомендовавший себя возобновляемый источник энергии, но инновации продолжают повышать ее эффективность и устойчивость. Основные инновации в гидроэнергетике включают в себя:

Накопление электроэнергии с помощью гидроаккумулирующих электростанций

Накопление электроэнергии с помощью гидроаккумулирующих электростанций (PHS) — это тип накопления энергии, который использует воду для хранения и выработки электроэнергии. Системы PHS перекачивают воду из нижнего резервуара в верхний в периоды низкого спроса на электроэнергию, а затем выпускают воду для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса. PHS может обеспечить крупномасштабное накопление энергии и услуги по стабилизации сети.

Пример: Гидроаккумулирующая электростанция в округе Бат, штат Вирджиния, США, является одним из крупнейших в мире объектов PHS мощностью 3003 МВт. Она предоставляет ценные услуги по стабилизации сети PJM Interconnection, региональной организации по передаче электроэнергии.

Малая гидроэнергетика

Системы малой гидроэнергетики (SHP) предназначены для выработки электроэнергии из небольших рек и ручьев. Системы SHP могут обеспечить надежный и доступный источник электроэнергии для удаленных сообществ и могут быть интегрированы с существующей водной инфраструктурой.

Пример: Многочисленные проекты SHP разрабатываются в Непале и других горных регионах для обеспечения электроэнергией отдаленных деревень, не подключенных к национальной сети.

Экологически чистые гидроэнергетические технологии

Гидроэнергетические плотины могут оказывать негативное воздействие на популяции рыб. Экологически чистые гидроэнергетические технологии предназначены для минимизации этих воздействий, например, рыбоходы, рыбозащитные экраны и конструкции турбин, которые снижают смертность рыбы.

Пример: Лаборатория исследований Олдена разрабатывает передовые технологии пропуска рыбы, которые могут улучшить показатели выживаемости рыбы на гидроэлектростанциях.

Геотермальная энергия: использование тепла Земли

Геотермальная энергия — это возобновляемый источник энергии, который использует тепло из недр Земли. Основные инновации в геотермальной энергетике включают в себя:

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

Технология EGS позволяет извлекать геотермальную энергию из районов, не имеющих природных гидротермальных ресурсов. EGS предполагает бурение глубоко в земную кору и разрушение горячей сухой породы для создания резервуара. Затем вода циркулирует через резервуар для извлечения тепла, которое используется для выработки электроэнергии.

Пример: Геотермальная электростанция Desert Peak в штате Невада, США, является одним из первых коммерческих проектов EGS. Она демонстрирует потенциал EGS для разблокировки огромных геотермальных ресурсов по всему миру.

Геотермальные тепловые насосы

Геотермальные тепловые насосы (GHP) используют стабильную температуру Земли для обогрева и охлаждения зданий. GHP более эффективны, чем традиционные системы отопления и охлаждения, и могут снизить энергопотребление и выбросы парниковых газов.

Пример: GHP широко используются в Скандинавии и других регионах с холодным климатом для обеспечения эффективного и устойчивого отопления домов и предприятий.

Сверхкритические геотермальные системы

Сверхкритические геотермальные системы используют чрезвычайно горячие и высоконапорные геотермальные ресурсы. Эти системы могут вырабатывать значительно больше электроэнергии, чем обычные геотермальные электростанции.

Пример: Ведутся исследования по разработке сверхкритических геотермальных систем в Исландии и других вулканических регионах.

Энергия биомассы: универсальное возобновляемое топливо

Энергия биомассы получена из органических веществ, таких как древесина, сельскохозяйственные культуры и сельскохозяйственные отходы. Основные инновации в области энергии биомассы включают в себя:

Усовершенствованное биотопливо

Усовершенствованное биотопливо производится из непищевого сырья, такого как водоросли, целлюлозная биомасса и отходы. Усовершенствованное биотопливо может сократить выбросы парниковых газов и снизить зависимость от ископаемого топлива.

Пример: Такие компании, как Amyris и LanzaTech, разрабатывают передовые технологии производства биотоплива, которые могут преобразовывать биомассу в экологически чистое авиационное топливо и другие продукты с высокой добавленной стоимостью.

Газификация биомассы

Газификация биомассы — это процесс, который преобразует биомассу в газовую смесь, называемую синтез-газом, который может использоваться для выработки электроэнергии или производства химикатов и топлива.

Пример: Проект GoBiGas в Гетеборге, Швеция, представляет собой установку газификации биомассы, которая производит биогаз из лесных отходов. Биогаз используется для питания автобусов и других транспортных средств.

Переработка отходов в энергию

Установки по переработке отходов в энергию (WtE) преобразуют твердые бытовые отходы в электроэнергию или тепло. Заводы WtE могут сократить отходы на свалках и производить возобновляемую энергию.

Пример: В Европе и Азии действует множество заводов WtE, обеспечивающих устойчивое решение для управления отходами и производства энергии.

Накопление энергии: обеспечение интеграции прерывистых возобновляемых источников

Накопление энергии имеет решающее значение для интеграции прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветряная энергия, в сеть. Основные инновации в области накопления энергии включают в себя:

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее широко используемым типом хранения энергии для крупномасштабного применения. Литий-ионные аккумуляторы становятся более доступными и эффективными, что делает их экономически эффективным решением для хранения возобновляемой энергии.

Пример: Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии — это крупномасштабная литий-ионная батарея, которая предоставляет услуги по стабилизации сети и повышает надежность выработки возобновляемой энергии.

Проточные батареи

Проточные батареи — это тип хранения энергии, который использует жидкие электролиты для хранения и высвобождения энергии. Проточные батареи обеспечивают длительное хранение и хорошо подходят для крупномасштабного применения.

Пример: Такие компании, как ESS Inc. и Primus Power, разрабатывают системы проточных батарей, которые могут обеспечить долгосрочное хранение энергии для проектов в области возобновляемой энергетики.

Хранение водорода

Хранение водорода предполагает хранение газообразного или жидкого водорода для последующего использования в качестве энергоносителя. Водород может быть получен из возобновляемых источников энергии посредством электролиза и может использоваться для питания топливных элементов, транспортных средств и промышленных процессов.

Пример: Ведется несколько пилотных проектов, демонстрирующих использование хранения водорода для крупномасштабного накопления энергии и транспортировки.

Интеллектуальные сети: повышение эффективности и надежности сети

Интеллектуальные сети используют передовые технологии для повышения эффективности, надежности и безопасности электроэнергетической сети. Основные инновации в интеллектуальных сетях включают в себя:

Передовая инфраструктура учета (AMI)

Системы AMI используют интеллектуальные счетчики для сбора и передачи данных о потреблении электроэнергии. Системы AMI могут обеспечивать цены в режиме реального времени, программы реагирования на спрос и улучшенное управление сетью.

Пример: Многие коммунальные предприятия по всему миру развертывают системы AMI для повышения эффективности сети и предоставления потребителям возможности управлять своим энергопотреблением.

Автоматизация распределения

Системы автоматизации распределения (DA) используют датчики и средства управления для автоматизации работы распределительной сети. Системы DA могут повысить надежность сети, сократить отключения и оптимизировать уровни напряжения.

Пример: Системы DA развертываются во многих городах для повышения устойчивости сети и обеспечения увеличения проникновения распределенных возобновляемых источников энергии.

Микросети

Микросети — это локализованные энергетические сети, которые могут работать независимо от основной сети. Микросети могут повысить энергетическую безопасность и устойчивость, особенно в отдаленных районах или во время отключений сети. Микросети также могут интегрировать возобновляемые источники энергии и системы накопления энергии.

Пример: Многочисленные проекты микросетей разрабатываются в островных государствах и отдаленных сообществах для обеспечения надежного и доступного электроснабжения.

Проблемы и возможности

Хотя инновации в области возобновляемой энергии ускоряются, остается несколько проблем:

• Перемежаемость: Солнечная и ветряная энергия являются прерывистыми ресурсами, требующими накопления энергии или гибкости сети для обеспечения надежного электроснабжения.
• Стоимость: Хотя стоимость возобновляемой энергии значительно снизилась, ей все еще необходимо конкурировать с ископаемым топливом на некоторых рынках.
• Инфраструктура: Модернизация сетевой инфраструктуры необходима для обеспечения увеличения проникновения возобновляемой энергии.
• Политика и регулирование: Необходимы поддерживающие политику и нормативные акты для стимулирования развития и развертывания возобновляемой энергии.
• Землепользование: Крупномасштабные проекты в области возобновляемой энергетики могут потребовать значительных земельных площадей, что может вызвать экологические и социальные проблемы.

Однако эти проблемы также открывают возможности для инноваций и роста:

• Разработка передовых технологий хранения энергии: Инновации в области аккумуляторных технологий, проточных батарей и хранения водорода могут решить проблему прерывистости.
• Снижение стоимости технологий возобновляемой энергии: Дальнейшие исследования и разработки могут еще больше снизить стоимость солнечной, ветряной и других технологий возобновляемой энергии.
• Улучшение инфраструктуры сети: Инвестиции в технологии интеллектуальных сетей и модернизацию сети могут повысить эффективность и надежность сети.
• Внедрение поддерживающей политики и нормативных актов: Правительства могут внедрять политику, которая стимулирует развитие возобновляемой энергии, такую ​​как тарифы, налоговые льготы и ценообразование на выбросы углерода.
• Продвижение устойчивых методов землепользования: Тщательное планирование и управление земельными ресурсами могут минимизировать экологическое и социальное воздействие проектов в области возобновляемой энергетики.

Будущее инноваций в области возобновляемой энергии

Инновации в области возобновляемой энергии необходимы для достижения устойчивого глобального энергетического будущего. Постоянные инвестиции в исследования и разработки, поддерживающая политика и международное сотрудничество имеют решающее значение для ускорения развертывания технологий возобновляемой энергии и смягчения последствий изменения климата.

Практические выводы:

• Инвестировать в исследования и разработки в области возобновляемой энергетики: Правительства и частные компании должны увеличить инвестиции в исследования и разработки для ускорения инноваций в области технологий возобновляемой энергии.
• Поддерживать политику и нормативные акты в области возобновляемой энергии: Правительства должны проводить политику, стимулирующую развитие и развертывание возобновляемой энергии, такую ​​как тарифы, налоговые льготы и ценообразование на выбросы углерода.
• Содействовать международному сотрудничеству: Международное сотрудничество необходимо для обмена знаниями, передовым опытом и технологиями для ускорения глобального перехода к возобновляемой энергии.
• Образовывать и привлекать общественность: Образование и участие общественности имеют решающее значение для формирования поддержки возобновляемой энергии и продвижения устойчивых методов энергопотребления.
• Поддерживать разработку технологий хранения энергии и интеллектуальных сетей: Технологии хранения энергии и интеллектуальных сетей необходимы для интеграции прерывистых возобновляемых источников энергии в сеть.

Приняв инновации и работая вместе, мы можем создать устойчивое энергетическое будущее, основанное на возобновляемых ресурсах.