Мы с вами живем в захватывающее время, которое по накалу страстей и полету научной мысли превосходит любой роман Жюля Верна. Сегодня мечта о прекрасном и безвредном топливе может возвести капитализацию компании на вершину и породить миллионы сторонников по всей планете. Вопрос, как и в жизни, лишь в том, насколько эта мечта связана с реальностью, где правда, а где вымысел. Подключаем критическое мышление, чтобы во всем разобраться.
Ископаемые или возобновляемые?
Большую часть энергии, которую мы потребляем сегодня, получают из нефти, угля и природного газа. Эти углеводороды обеспечивают электричеством, теплом и холодом дома и рабочие места. Точно так же они снабжают транспортные системы, которые доставляют нас на работу или в школу, и даже те, которые мы используем, чтобы отправиться в отпуск. Кроме того, они позволяют промышленности поддерживать наш образ жизни, а также производить химические ингредиенты, которые входят во многие продукты, которые мы покупаем, например, в устройство, которое вы используете, чтобы читать эту страницу.
Ископаемое топливо производит энергию путем сжигания, вызывая вредные выбросы в виде парниковых газов, таких как углекислый газ. И проклятие здесь в том, что чем больше на планете людей, тем больше потребляется топлива.
В 2018 году глобальные выбросы ископаемого топлива оказались на 60% выше, чем в 1990 году [La Vanguardia, 2019].
Мировой спрос на энергию растет, что обусловлено ростом населения и ожидаемым повышением уровня жизни. Ожидается, что к 2050 году численность населения планеты достигнет 9 млрд человек. Многие люди из стран с развивающейся экономикой присоединятся к мировому среднему классу. Они купят холодильники, компьютеры и другие энергоемкие устройства. И многие из них будут покупать автомобили, количество которых на улицах, как ожидается, увеличится как минимум вдвое, хотя ожидается, что оно увеличится еще больше.
Процветание и развитие людей и домохозяйств, а также экономики и сообществ зависят от своевременного, безопасного и жизнеспособного наличия энергии. Сегодня люди связаны больше, чем когда-либо. Все больше и больше из нас наслаждаются лучшими возможностями, лучшим здоровьем и более высоким уровнем жизни.
Чтобы поддерживать эти темпы, миру потребуется еще больше энергии, чем раньше. Вопрос о том, где ее взять.
Основные варианты:
- Вернуться в прошлое, к древесине и углю. Но правда в том, что древесины становится все меньше, а ее ценность возрастает, в том числе с точки зрения защиты биоразнообразия планеты и мест обитания животных. А «скормить» тот же уголь своему гаджету технически невозможно.
- Жить как раньше. Тоже не вариант, потому что сухопутные источники ископаемого топлива сокращаются, новых месторождений очень мало, а добывать на море на порядок дороже. В долгосрочной перспективе этот вариант грозит истощением ресурсов.
- Перейти на энергию солнца, воды и ветра. Человечество уже этим занимается, но пока проблема упирается в коэффициент полезного действия (КПД), высокие расходы на старте и непредвиденные обстоятельства.
- Изобрести другие источники энергии. Например, раньше водород поднимал в воздух гигантские дирижабли. И они взрывались. Поэтому одних идей мало, нужны конкретные разработки и обоснования безопасности.
Человечество глобально задумалось над вопросом энергетики после Второй мировой войны, когда была создана Организация Объединенных Наций и началась космическая эпоха. Тогда была высказана гипотеза, что для противодействия изменению климата энергия предпочтительно должна поступать из источников с более низким содержанием углерода. Проще говоря, нужна глобальная альтернатива ископаемому топливу. Это и есть «возобновляемые источники энергии».
ООН описывает возобновляемую энергию как тип энергии, получаемой из природных источников, который можно заменить быстрее, чем он может быть потреблен. Примером таких источников являются, например, солнечный свет, вода и ветер. Их источники постоянно обновляются.
Возобновляемых источников энергии много, и мы находим их в любой среде, в то время как ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и газ, представляет собой невозобновляемые источники энергии, на формирование которых требуются сотни миллионов лет.
Возобновляемая энергия – это энергия, которая может восполняться естественным путем до бесконечности. В нормальных условиях и при рациональном и систематическом использовании этот ресурс не будет израсходован. Т.е. возобновляемые источники энергии – это те, которые основаны на источниках, которые можно регенерировать.
В этом заключается главное отличие большинства используемых энергий, например, энергий ископаемого происхождения, которые ограничены, поскольку в какой-то момент ресурсы будут исчерпаны.
Таким образом, чем больше мы будем откладывать переход от ископаемой энергии к возобновляемой и чистой энергии, тем больше затрат мы будем иметь на экономическом, экологическом и социальном уровне, поскольку возобновляемая энергия является наиболее экономическим, экологическим и социально ответственным, равноправным и справедливым вариантом для сохранения нашей планеты, подчеркивают в ООН.
Производство все большего количества возобновляемой энергии – это потребность, которую признают все страны мира. Согласно данным последнего отчета Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в 2022 году до 83% всей добавленной электрической мощности пришлось на возобновляемые источники. В то время как в 2021 году, согласно отчету, опубликованному Ember – независимым аналитическим центром по вопросам климата – возобновляемые источники энергии произвели 38% мировой электроэнергии [Enel, 2024].
Возобновляемые источники энергии получили важную поддержку со стороны международного сообщества благодаря Парижскому соглашению, подписанному на Всемирном климатическом саммите, состоявшемся в декабре 2015 года во французской столице.
Соглашение, вступившее в силу в 2016 году, впервые в истории устанавливает обязательную глобальную цель, согласно которой почти 200 подписавших стран обязуются сократить свои выбросы, чтобы сдержать повышение средней температуры на планете.
Помимо экологии, есть и еще один очень важный аспект – политика. Ископаемое топливо есть не у всех стран, однако энергия нужна всем. Вывод: приходится добывать ее самим, чтобы в случае войн, кризисов или пандемий не оказаться в промерзшем доме.
Возобновляемая энергия не зависит от добычи и транспортировки ископаемого топлива, что снижает зависимость от международных рынков и риск колебаний цен. Государства делают ставку на эти чистые источники, чтобы гарантировать свой энергетический суверенитет.
Т.к. возобновляемая энергия не зависит от транспортировки опасного топлива, она еще и более безопасна. У истоков этой концепции стояли те, кто лично пережил ужас Чернобыльской катастрофы, и видел, какой гигантский урон морской береговой линии, флоре и фауне наносит один-единственный затонувший нефтяной танкер.
Однако нельзя забывать, что ископаемым топливом люди пользуются веками, а возобновляемая энергия – это во многом еще старт-ап и венчур, где велики риски и неопределенность. Поэтому к тиражируемым СМИ лозунгам о том, что «возобновляемым источникам энергии суждено стать наиболее прибыльным источником электроэнергии для планеты и экономического развития», необходимо относиться с осторожностью.
Ведь итоговая коммерческая прибыль складывается из:
- спроса;
- рентабельности;
- издержек.
Со спросом проблем нет. Зато рентабельность упирается в КПД, а издержки до сих пор высоки. Причем не только финансовые, но и экологические, социальные, моральные, шумовые и т.д.
Отсюда можно перейти к другой концепции, которая настолько прочно укоренилась в головах людей, что многие и не знают, что это заблуждение. Существует мнение, что все возобновляемые источники энергии чисты, т.е. не загрязняют окружающую среду. Это не совсем верно, поскольку практически все возобновляемые источники энергии загрязняют окружающую среду. Кто-то больше, кто-то меньше.
Задумайтесь, что «нельзя пожарить яичницу, не разбив яйца»: нельзя построить «экологически чистый» ветряк без производства попутного мусора, углеродного следа, изгнания с этой местности кротов и других последствий для природы.
Отличный примером является биодизель, который является возобновляемым, поскольку поступает из неисчерпаемых природных источников, но, в отличие от большинства возобновляемых источников энергии, при сгорании загрязняет окружающую среду, выделяя парниковые газы [Telefonica, 2024].
Поэтому нужно рассмотреть каждый тип возобновляемых источников по-отдельности.
Солнечная или солярная энергия
Люди веками догадывались, что ее можно использовать, но долго не знали как.
Этот тип возобновляемой энергии заключается в использовании электромагнитного излучения Солнца с использованием фотоэлектрических элементов, солнечных коллекторов или гелиостатов.
Сама солнечная энергия бывает:
- Фотоэлектрической. Фотоэлектрические модули работают с полупроводниками из кремния, которые преобразуют солнечные лучи в электричество.
- Тепловой. Солнечная энергия используется для производства тепла. В этом случае солнечные тепловые коллекторы используют солнечный свет для нагрева масла или воды.
Самый большой парк солнечных электростанций в мире находится в Китае. Станция Longyangxia Dam насчитывает более чем 4 млн панелей. Они вырабатывают около 850 МВт электроэнергии, чего достаточно для 140 000 частных домов.
Солнечная энергия имеет огромные возможности для развития, поскольку солнце в большей или меньшей степени может использоваться в качестве источника энергии в любой точке планеты. Одна из ключевых вех в понимании развития солнечной энергетики относится к 1970-м годам, когда нефтяной кризис привел к поиску альтернатив, которые позволили бы снизить рост цен на сырую нефть.
Кроме того, этот тип возобновляемой энергии может стать идеальным решением для мест, где экспорт энергии очень сложен и дорог. По мнению ООН, Гавайи – один из примеров, который может быть успешным. Архипелаг, благодаря своему географическому положению, преследует цель стать самодостаточным за счет 100% возобновляемой энергии к 2045 году.
В странах южного Средиземноморья фотоэлектрические системы обеспечивают уже около 20% всей производимой энергии.
Ветряки
Ветер отвечает за выработку кинетической энергии, которая образуется в результате перемещении лопастей ветряной турбины. Генератор преобразует кинетическую энергию в электричество, подобно велосипедной динамо-машине.
Ветровые электростанции стали популярными во многих регионах из-за:
- низкой стоимости производства электроэнергии;
- государственных дотаций;
- международных «зеленых сертификатов»;
- географических условий.
Их размещают не только на суше, но и в море, однако стоимость строительства таких площадок гораздо выше.
В 2020 году немецкие ветряки покрывали 23% общего спроса на электроэнергию в Германии [Our World in Data, 2024].
Однако у любой монеты две стороны. Ветряки вырабатывают электричество, когда есть ветер. Нет ветра – нет и электричества. Та же самая ситуация, что и с солнцем. Штиль и пасмурная погода могут затянуться не просто на дни, а то и на целые недели, что и показал опыт последних лет.
Еще одна проблема: влияние ветряков на флору и фауну. По последним данным, только немецкие ветряки каждый год убивают миллионы летучих мышей [Naked Science, 2022].
Гидроэнергия
Этот тип возобновляемой энергии использует движение воды для выработки электрической энергии за счет использования кинетической и потенциальной энергии водопадов, течений или приливов. Сила, вызывающая движение воды, вращает турбину, подключенную к трансформатору, который преобразует движение в электрическую энергию.
Гидравлическая энергия считается неисчерпаемой. Однако строительство плотин или систем удержания стока воды, если оно не запланировано должным образом, оказывает воздействие на окружающую среду, изменяя экосистему.
Более того, на производительность ГЭС напрямую влияет водность – содержание воды в реках и других водоемах, на берегу которых эта ГЭС стоит. Когда река мелеет, выработка электричества, соответственно, сокращается. Учащающиеся на планете длительные засухи требуют выработки новых технических решений и адаптации к изменениям климата.
К этой категории источников возобновляемой энергии относятся и приливы. Важно не путать ее с волновой энергией, которая использует силу волн.
Чтобы задействовать приливы, ставят генераторы, которые используют движение морской воды аналогично ветряным турбинам.
Геотермальная энергия
Земля излучает тепло. Каждые 100 метров вглубь температура Земли повышается на три градуса Цельсия, а в Швабских Альпах – даже на десять градусов Цельсия из-за близости к горячим вулканическим точкам. Это тепло можно использовать для выработки электроэнергии.
Огромные скважины геотермальных электростанций проникают в землю на сотни метров. Затем насосы транспортируют воду в теплые недра земли. На этой глубине относительно холодная вода превращается в пар, который приводит в движение турбины и, следовательно, электрогенераторы.
По мнению ФАО, этот вид энергии может быть очень полезен в развивающихся странах, поскольку его можно использовать при сушке продуктов питания или пастеризации и стерилизации молока.
Биомасса и биогаз
Речь идет об отходах растений и животных. Когда эта биомасса сжигается в анаэробном варочном котле, в процессе выделяется тепло, которое затем доводит воду до кипения. Образующийся водяной пар приводит в движение турбины, которые вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов, подобно классической угольной электростанции.
Электростанции на биомассе достигают оптимальной эффективности, когда они одновременно используют отходящее тепло для отопления.
После переработки отходов получается биогаз. Институт диверсификации и энергосбережения (IDAE) определяет его следующим образом: «Это газ, состоящий в основном из метана (CH4) и углекислого газа (CO2), в переменных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого был образован».
Биоэтанол и биодизель
Биоэтанол – это возобновляемое топливо, производимое из отходов или экологически чистых культур. Будучи биомассой растительного происхождения, она считается возобновляемым источником энергии, и ее использование значительно снижает выбросы загрязняющих газов в атмосферу. Кроме того, это единственное альтернативное топливо, которое оценивается путем сертификации всей цепочки выбросов от производства до потребления, а не только выбросов транспортных средств.
Существует еще и биодизель, который заливают в двигатели, используют для производства тепла и электроэнергии [BBVA, 2024].
По факту, биодизель – это смесь триглицеридов и жирных кислот, в которой нет серы. При сгорании образуется меньше выхлопов, чем при использовании традиционных углеводородов, однако и мощность выходит ниже. Но самое главное: в случае аварии биодизель расщепляется микроорганизмами менее чем за месяц.
Биодизель мог бы стать идеальной заменой классическому ископаемому топливу, если бы не то, откуда он берется. Например, в Колумбии большая часть биодизеля производится из печально известного пальмового масла. Для его производства вырубают традиционную сельву, что лишь увеличивает выбросы парниковых газов, уничтожение местообитания животных и деградацию земель.
И еще одна странность: человечество десятилетиями обсуждает, как чудесно заливать масло от утренней картошки фри в свой автомобиль, избегая бешеных трат на автозаправках. Однако много ли вы знаете людей, которые так делают? Если да, то в каких странах они проживают, и есть ли в этих странах статистика подобного потребления?
Пока что основную массу статей на эту тему пишут ученые, которые обсуждают химические процессы. А реальные журналисты докладывают о формировании, например, в ЕС «черного рынка» использованного масла. Другими словами, отходы фастфуда банально крадут и затем перепродают по поддельным документам крупным корпорациям, которые ранее специализировались на производстве ископаемого топлива. Например, испанской Repsol [J. F. Samaniego, 2024].
Выходит, как испанская, так и колумбийская практика строятся на том расчете, что завороженный магическими словами о защите окружающей среды рядовой потребитель не будет проводить химический анализ используемого в хозяйстве топлива и выяснять, какая картошка в нем плавала. Едет машина, и ладно.
Проблема здесь скорее в долгосрочном прогнозировании и понимании, как все эти факторы влияют и на нас, и на окружающую среду. Мы точно можем помочь с первым, и для этого мы запустили онлайн-программу «Здоровье человека: биохакинг по науке».
Как хранится возобновляемая энергия?
У возобновляемых источников энергии есть еще одна проблема: хранение. Солнце светит нерегулярно. Ветер переменчивый. Выход: хранить электричество из возобновляемых источников в батареях и суперконденсаторах.
Возможен также процесс преобразования энергии в газ: система электролиза использует избыток электричества для разделения воды на химические компоненты – кислород и водород. Водород можно хранить в качестве энергоносителя. Во время восстановления топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода в электричество.
Излишки электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников, можно использовать для работы насосов, перекачивающих воду в резервуар, расположенный на возвышении. Для восстановления энергии вода возвращается в исходную точку через электрические турбины.
Другой вариант хранения: используя избыток электроэнергии, компрессоры перекачивают воздух в хранилища сжатого воздуха под землей, в соляных пещерах или в слоях горных пород под морским дном. Для восстановления сжатый воздух пропускается через турбины, приводящие в движение электрогенераторы.
Узнать больше о том, как научиться жить с пользой для окружающего мира, можно в нашем экспресс-курсе «Рациональное потребление».
Проекты будущего
В начале 21 века рынок возобновляемых источников энергии представляет собой один сплошной фронтир, где в мгновение ока создаются и рушатся многомиллиардные империи, взлетают на воздух традиционные трубопроводы, а обыватели предпочитают не задавать энергетикам вопросов и не покидать родных домов, чтобы, дай бог, не подстрелили. Если вы не хотите такими быть, добро пожаловать на нашу программу «Критическое мышление».
Поэтому оставим коммерческие темы энергетикам и политикам, а сами сосредоточимся на полете человеческой мысли.
Вот над чем сегодня думает человечество:
- Фотоэлектрические чернила. Одной из ключевых проблем, которые все еще представляет энергия солнечного света, является высокая стоимость производства солнечных панелей. В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США ведутся работы по созданию новых способов использования фотоэлектрической энергии, таких как фотоэлектрические чернила. Таким материалом гораздо проще покрыть потенциально энергетические поверхности.
- Плавающие солнечные панели. Другое решение, предложенное для наилучшего использования фотоэлектрической энергии, предполагает использование имеющихся площадей при размещении солнечных панелей. Один из вариантов, который изучается, – это возможность размещения плавучих солнечных панелей на поверхностях, покрытых водой. Таким образом, можно будет использовать не только морскую поверхность, но и затопленные пространства.
- Ветряные мельницы. Индийские инженеры создают модели с двойными роторами, способные генерировать до 20% больше энергии, чем нынешние модели.
- Вулканическая энергия. Еще одно энергетическое достижение, которое мы увидим в ближайшие годы, находится в Исландии. Сама по себе геотермальная энергия не является чем-то новым, однако речь идет об ее использовании в столь неблагоприятных для строительства электростанций местах, как кратер вулкана. Планируется, что благодаря развитию технологий в будущем вулканы смогут постоянно и безопасно поставлять энергию. Принимая во внимание, что, согласно постулату, энергия не создается и не уничтожается, а только преобразуется, не кажется ли вам, что вулканы являются впечатляющим энергетическим сокровищем?
- Вдохновение фотосинтезом. Благодаря тому же механизму, который используют растения, мы сможем получать электрическую энергию от дизайнерских растительных организмов, подключенных к батареям, которые, в свою очередь, будут питаться от общественной электросети. Одним из пионеров в этой области является бельгийская компания Plant-e.
- Кинетика. Этот тип энергии использует движения, которые мы совершаем при ходьбе, танцах или езде на велосипеде или автомобиле. Например, на Центральном вокзале Стокгольма в Швеции шаги путешественников по специальному тротуару вырабатывают энергию для обогрева здания. Ночные клубы в Японии и Голландии загораются благодаря танцам своих клиентов. Все это стало возможным благодаря установке полов, специально предназначенных для преобразования кинетической энергии шагов в электричество.
- Энергетический потенциал дождя. Китайские ученые разработали электрический генератор под названием Electrec, который преобразует энергию дождя в электричество. Первые испытания показали, что удар одной капли дождя может генерировать достаточно энергии, чтобы зажечь 100 лампочек. Представляете, сколько энергии можно получить при хорошем ливне?
- Биолюминесценция. Речь идет о явлении, которое можно наблюдать у медуз, светлячков, некоторых бактерий и более чем 80% морских организмов. Они производят флуоресцентный свет естественным путем, посредством химической реакции некоторых белков. Возможности применения этого процесса в освещении помещений экстраординарны и уже успешно опробованы в некоторых новых инициативах. Например, в Париже организовали освещение некоторых улиц с помощью биолюминесценции. Французская компания Glowee является пионером в разработке и применении этого вида возобновляемой энергии. В течение многих лет она исследует люминесцентные бактерии Aliivibrio fischeri. Биолюминесценцию можно применять для освещения улиц, пешеходных переходов, остановок транспорта, дорожных знаков, плакатов, витрин, фонтанов и многих других элементов.
- Летающие ветряные электростанции. Представьте себе дроны или воздушные шары, парящие на высоте около 2 км. По оценкам экспертов, ветры в этом диапазоне высот до 20 раз мощнее, чем те, которые улавливаются обычными ветряными турбинами. Планируется, что летательные объекты будут доставлять электроэнергию через нанотрубки или по беспроводной сети. Потенциал этой технологии очень велик при условии, что такие дроны не будут мешать движению самолетов.
- Осмос. Это естественное явление между двумя жидкостями с разной концентрацией солей, которые обмениваются молекулами через мембрану. Осмос заставит пресную воду проходить через мембрану рядом с соленой водой, увеличивая объем и давление. Это приводит в движение турбину, которая затем вырабатывает электроэнергию. Потенциал этого вида чистой энергии очень велик в устьях крупных рек, где пресная вода естественным образом смешивается с соленой морской водой. Примеры электростанций такого типа уже есть в Норвегии и Франции.
- Энергия из влажного воздуха. Эта технология, разработанная исследователями из Массачусетского университета, использует бактерии под названием Geobacterulferreducens для выработки энергии из влажности окружающей среды. Бактерия поглощает водяной пар из воздуха даже в очень сухих помещениях и способна производить электрический ток между двумя электродами через белковые нанопроволоки. В идеале, это позволит заряжать приборы или получать электричество без необходимости использования кабелей или сети.
- Энергия мусора. Отходы сжигают на мусоросжигательных заводах при очень высоких температурах для получения электроэнергии и биогаза. Тепло от сгорания преобразуется в пар, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию. Такие страны, как Швеция или Норвегия, ежегодно преобразуют тысячи тонн мусора в электричество [Escandinava de Electricidad, 2022].
Возобновляемые источники энергии – это отличная сфера для приложения сил, ума, амбиций, талантов и навыков. Кто знает, вдруг именно вы подарите планете еще один перспективный источник?
Дерзайте! И обязательно поучаствуйте в нашем опросе:
