Как мы будем добывать энергию в будущем: 7 экологичных способов

1. Солнце

Солнечная электростанция Мегалим в пустыне Негев в Израиле

Солнечные электростанции (СЭС) — первые по объему уже установленной мощности среди прочих современных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). На долю СЭС приходится 28% мощности от всех ВИЭ на Земле. Иными словами, кое-где будущее уже наступило.

Электричество на СЭС добывают с помощью фотоэлектрического эффекта. Солнечный свет — это излучение из частиц-фотонов. Они движутся к солнечной панели, которая включает два слоя материала-полупроводника. В одном слое много электронов, а в другом мало. Попадая в полупроводник, фотоны заставляют электроны циркулировать между слоями полупроводника, вырабатывая электричество. Добытая энергия накапливается в аккумуляторах, потому что солнце переменчиво, а ночью вовсе не светит.

Сейчас инженеры активно ищут идеальный проводниковый материал для солнечных панелей, чтобы повысить их КПД, а также способы хранения энергии — от аккумуляторов старых электромобилей до водорода (см. ниже раздел «Водород»). Впрочем, нестабильность характерна не только для солнца, но и для ветра.

2. Ветер

Ветрогенераторы в Северном море вблизи побережья Нидерландов

Ветроэлектрические установки — второй по популярности способ добычи возобновляемой энергии после СЭС (27% от установленных в мире мощностей ВИЭ). Больше всего ветрогенераторов в Китае, где в прошлом году открылся самый крупный в мире ветропарк в провинции Ганьсу. Его мощность 20 гигаватт — этого хватит, чтобы снабжать энергией небольшую страну.

Ветрогенератор преобразует кинетическую энергию в электрическую. Ветер вращает лопасти, а те в свою очередь ось, соединенную с генераторным ротором. В таком генераторе взаимодействуют проволочная катушка и магнитное поле, вырабатывая таким образом переменный ток, который затем преобразуется в постоянный.

Год от года ветрогенераторы становятся все больше: чем шире их лопасти, тем выше эффективность. Самый «размашистый» ветряк в мире находится в Китае — его лопасти охватывают окружность диаметром 242 метра, а вырабатываемой им энергии хватает на обеспечение 20 тыс. частных домов.

3. Тепло Земли

Геотермальная электростанция Крафла в Исландии. Источник: Ásgeir Eggertsson / Wikimedia Commons

Еще один неисчерпаемый источник энергии — тепло Земли. Ядро нашей планеты такое же горячее, как поверхность Солнца. Чаще всего тепловая энергия из глубин прорывается на поверхность вблизи тектонических разломов, поэтому больше всего геотермальных станций (ГеоТЭС) в странах с высокой сейсмической активностью — в США, Индонезии, на Филиппинах, в Турции, Новой Зеландии и т. п.

ГеоТЭС преобразуют тепловую энергию в электрическую. Водяной пар из скважин попадает в паровую турбину, которая соединена с генератором. Но вместе с водяным паром из недр поднимаются агрессивные газы и твердые примеси, которые могут испортить турбину. Поэтому в некоторых ГеоТЭС пар используется только для нагревания другого, чистого вещества с низкой температурой кипения.

В отличие от солнца и ветра, геотермальные источники стабильные и надежные. Но чтобы добраться до нужной температуры, приходится копать шахты глубиной более 1 км, да и не везде они доступны, чего не скажешь о самом распространенном химическом элементе во Вселенной — водороде.

4. Водород

Несколько лет назад Toshiba создала мобильную электростанцию H2One, преобразующую обычную пресную воду в водород, а его — в энергию. В качестве источника энергии для преобразования используются солнечные батареи и аккумуляторы. H2One способна производить за час 2 кубометра водорода или 55 кВт энергии. Источник: Toshiba ESS

Водород — легкий и очень горючий газ, поэтому его можно использовать и как источник энергии, и в качестве ее носителя. При горении (окислении) водорода выделяется только вода, а не CO₂, как при сжигании ископаемого и древесного топлива.

На Земле уже производится много водорода для промышленности, но его добывают неэкологичными способами, к примеру, из метана и угля. Поэтому сейчас разрабатываются и коммерциализируются способы экономически эффективно вырабатывать водород с помощью безвредных для природы технологий (такой водород называется «зеленым»). В частности, солнечная электростанция может питать электролиз. Вспомните школьный опыт: катод и анод погружаются в воду, включается электричество и к поверхности воды поднимаются пузырьки водорода. Теперь этот метод добычи водорода воспроизводят в промышленных масштабах, а электричество берется от солнечных панелей. Самый большой завод по производству зеленого водорода с электролизной установкой мощностью 20 МВт построили в 2021 году в Канаде.

Водородом уже заправляют легковые автомобили и автобусы, а в будущем на водороде будут передвигаться грузовики, поезда, корабли и даже самолеты. Параллельно разрабатываются способы нивелировать опасность водорода, проистекающую из-за его повышенной текучести и горючести.

5. Биомасса

Пример фотобиореактора с использованием синезеленых водорослей

Биомасса — живые организмы и растения — шестой по запасам источник энергии после угля, газа, нефти, горючих сланцев и урана. Молекулы биоматериалов, такие как белок, пептиды — потенциальные источники энергии.

Способов добычи энергии из биомассы так же много, как самих типов биомассы. К примеру, энергию можно получать из синезеленых водорослей: под воздействием солнечного света они размножаются, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Если их поместить с анодом (например, алюминиевыми нитями) в воду, отделив мембраной от катода (в воздушной среде), то их жизнедеятельности может хватить, чтобы, к примеру, полгода снабжать электричеством микропроцессор. На основе этой технологии создаются фермы с фотобиореакторами.

Плоды растений тоже могут быть источниками энергии. К примеру, цитрусовые, скажем, лимоны, дают кислый сок — идеальный электролит. При его распаде происходит разделение анионов и катионов. Достигая электрода, анионы получают электрон от положительно заряженного электрода, в то время как катионы высвобождают свои электроны для выработки электричества.

6. Человек

Представленные в 1998 году наручные часы Seiko Thermic работали за счёт тепла человеческого тела. Источник: Seiko Design Museum / www.seiko-design.com/museum

Повседневная активность людей, включая ходьбу, может быть потенциальным источником электроэнергии. В среднем человек потребляет около 280 ккал/ч, что эквивалентно 324 Вт мощности. Энергию человека можно использовать с помощью пьезоэлектрического эффекта — возникновения электрического напряжения при давлении на твердое тело. Исследования показали, с помощью пьезоэлектриков в тротуаре, по которому шагают люди, можно выработать до 1,3 мВт мощности. В будущем пьезоэлектрические генераторы смогут интегрировать в одежду или мебель.

Источником энергии может быть тепло человеческого тела. Если внедрить термоэлектрический генератор в одежду, аксессуары или носимые устройства, тепло тела может давать энергию. За счет разности температуры тела и окружающей среды. Такие устройства уже появлялись в продаже — например, в конце 1990-х японская часовая компания Seiko выпускала экспериментальную модель Seiko Thermic, работавшую как раз по этому принципу, но массового распространения она не получила. Это не исключает возможности применения таких технологий в XXI веке, ведь исследования в этой области ведутся.

7. Механизмы

Ученые подсчитали, что машина с грузом 400 кг, проезжая по лежачему полицейскому со скоростью 50 км/ч, помогает генерировать напряжение в 15 В при средней мощности 11 Вт

Источником энергии может стать созданная человеком техническая среда, состоящая из тысяч различных механизмов и машин, которые постоянно взаимодействуют друг с другом, затрачивая определенную энергию.

Возьмем, к примеру, наземный ограничитель скорости, в народе более известный как «лежачий полицейский». Они существуют практически везде в мире и постоянно поглощают энергию проезжающих по ним автомобилей. Чтобы извлечь из них электроэнергию, можно использовать массу технически простых устройств: пружины, ролики, кривошипы, шестерни. Производимые ими вращательные движения приводят в действие генератор постоянного тока, а тот в свою очередь производит электроэнергию. Ее можно использовать, например, для питания уличных и дорожных светофоров.