Журнал «Эковестник», №3 • 2019 г. Читать весь номер онлайн

Клинтех-2019. Глобальный обзор чистых технологий

Кутузова Мария

09.09.2019

Одной из главных проблем на планете является отсутствие доступа для порядка 1,2 миллиарда людей к электроэнергии, в то время как современная цивилизация расходует ресурсы на 175%. В этом году Всемирный день экологического долга пришелся на 29 июля — это самая ранняя дата с 1970-х годов, когда экологи заговорили о данной проблеме. Выходит, до конца 2019-го население Земли будет потреблять ресурсы, которые планета не сможет воспроизвести в течение года.

Вторая волна цифровизации и экология

Компания Schneider Electric совместно с международной организацией Global Footprint Network занимается исследованиями в области предотвращения ущерба планете от деятельности человека и промышленности. Компания предлагает решения для модернизации существующей инфраструктуры зданий и промышленных объектов за счет повышения их энергоэффективности. Если такие изменения провести в глобальном масштабе, даже без изменения в поведении людей, а также перейти на возобновляемую энергетику, дату Всемирного дня экологического долга можно отсрочить на 21 день.

Schneider Electric и Global Footprint Network предлагают компаниям, объединив усилия, выявить наиболее позитивные для экологии стратегии развития. Новые бизнес-модели должны быть направлены на повышение уровня благосостояния людей и повышение рациональности использования ресурсов.

Сегодня Schneider Electric с ее более чем 180-летней историей делает ставку на цифровые технологии. Компания разработала решения для обеспечения удаленных районов электроэнергией с использованием интернета вещей при помощи дистанционного мониторинга и управления оборудованием.

На основе применения IoT-технологий в сочетании с облачными решениями Microsoft Azure Schneider Electric создала платформу EcoStruxure, управляющую многочисленными датчиками, системами сбора и анализа данных, цифровыми интерфейсами. Встроенные в нее системы мониторинга оптимизируют работу солнечных электростанций, а также температуру и энергопотребление в отдельных помещениях. Сейчас такие системы помогают надежно обеспечивать электроэнергией больницы и школы в Нигерии. А владельцы промышленных предприятий, используя подобные программы, могут настраивать бесперебойное электропитание от солнечных батарей.

Если первая волна цифровизации позволила людям общаться между собой посредством интернета и мобильной связи, вторая ведет к трансформации промышленности: устройства и продукты начинают «общаться» друг с другом, что помогает обеспечить безопасность человека, увеличить надежность электрической сети, повысить эффективность всех процессов и экономить электроэнергию. В конце июля Schneider Electric открыла умную фабрику в мексиканском Монтеррее. Применяемые там решения помогут сократить выбросы углекислого газа на 377 тонн ежегодно.

Корпорация IBM создала глобальную систему прогнозирования качества воздуха и использования возобновляемых источников энергии Green Horizons. Проект предполагает использование систем моделирования изменений климата наравне с интернетом вещей и машинным обучением, что дает возможность коммунальным и промышленным предприятиям прогнозировать объемы необходимой энергии, сокращать воздействие на окружающую среду. В частности, солнечные электростанции с помощью решений Green Horizons могут наблюдать за движением облаков, строить прогнозы освещенности и рассчитывать возможное блокирующее воздействие на солнечные панели. Ветростанции снабжаются датчиками контроля скорости ветра, влажности и давления воздуха. Новые цифровые решения могут прогнозировать производительность ветро- и солнечных электростанций на несколько дней вперед. Инновации Green Horizons также рассчитаны на мониторинг и прогнозирование экологической ситуации в различных регионах, в том числе анализ качества воздуха.

Промышленные отходы — в удобрения

Австралийский национальный университет сообщил в августе о разработке революционного метода переработки промышленных отходов. Ученым удалось получить в качестве конечного продукта экологически чистые удобрения. Новое решение создано в рамках совместного проекта университета и государственного объединения научных и прикладных исследований. Метод позволяет собирать аммиак и углекислый газ из воды и воздуха, загрязненных в ходе промышленного производства, и перерабатывать их в высокоэффективные удобрения.

Технология дает возможность не только заботиться об окружающей среде, но и получать в промышленном масштабе аминокислоту цитруллин — чистое с экологической точки зрения и очень эффективное удобрение, которое без негативного влияния на экологию существенно повышает урожайность сельскохозяйственных культур. По словам исследователей, сырье для производства удобрения можно получать, очищая водоемы и атмосферу планеты. Тогда как наличие аммиака в водной среде приводит к токсичному цветению водорослей и образованию закиси азота, мощного парникового газа. Предотвращая выбросы парниковых газов, новая разработка способствует продовольственной безопасности на планете. Сейчас метод проходит коммерческую экспертизу, затем исследователи намерены провести масштабные испытания на всей территории Австралии.

Американская компания Dell озабочена проблемой электронных отходов: устаревших компьютеров и мобильных телефонов. Вторичная переработка металлов позволит компании не только производить из них новую электронику, но и выпускать ювелирные украшения. В течение последних лет Dell собирает электронные отходы с благотворительной организацией Goodwill. Компания также объединила усилия с брендом Bayou With Love, чтобы выпустить лимитированную коллекцию украшений из переработанного золота, которое использовалось в платах смартфонов и ноутбуках. В свою очередь, Япония из золота переработанных электронных устройств изготовит медали для предстоящих в 2020 году Олимпийских игр.

Накопители энергии

Компания ТЭЭМП (российский разработчик систем для хранения и накопления энергии, а также химических источников тока, в том числе импульсных и энергетических суперконденсаторов; с 2011 года является резидентом Фонда «Сколково») создала конструктивно новый тип аккумуляторной батареи, превосходящей по характеристикам существующие на рынке накопители энергии.

В основе разработки инновационная конструкция ячейки, не имеющая аналогов по соотношению плотности накапливаемой энергии к занимаемому объему и массе, а также равномерности распределения токовой нагрузки. Использование унифицированных элементов и модулей собственной конструкции ТЭЭМП позволит совмещать в одном корпусе комбинированные источники тока — аккумуляторную батарею и суперконденсатор. Оригинальная компоновка была использована инженерами компании для создания аккумулятора с катодным материалом на основе литий-железо-фосфата. Батареи показали рост удельных объемных характеристик до 60% выше, чем у аналогов, представленных на российском рынке. Конструкция оптимизирует токовые и тепловые поля, что особенно важно для высоконагруженных аккумуляторных модулей электробусов, гибридных автобусов, различной тяжелой техники и рельсового транспорта, в том числе трамваев. Ключевыми преимуществами инновационной разработки ТЭЭМП являются высокая технологичность и унификация аккумуляторной батареи и суперконденсаторных модулей. Их комбинация открывает новые перспективы для создания высокоэффективных комбинированных источников тока для электротранспорта, систем накопления и хранения энергии для SmartGrid (активно-адаптивных сетей электроснабжения).

По информации Bloomberg New Energy Finance, установленная мощность накопителей энергии в мире увеличится в 122 раза к 2040 году, достигнув к концу прогнозируемого периода 1095 ГВт с текущих 9 ГВт. У рынка накопителей большое будущее, инвестиции в этом сегменте до 2040 года могут достичь 662 миллиардов долларов США. За последние годы стоимость производства литий-ионных аккумуляторов снизилась на 85%. Согласно прогнозам, будущее принадлежит крупным промышленным накопителям энергии и гибридным проектам, используемым на солнечных электростанциях. К концу прогнозируемого периода до 40% электроэнергии в мире будет вырабатываться с помощью ветро- и солнечных станций, что и послужит бурному росту сегмента накопителей.

Правительство штата Южная Австралия разрешило компании EPS Energy приступить к разработке проекта сооружения энергетического комплекса Bungama Solar в составе СЭС мощностью 280 МВт и литий-ионного накопителя энергии на 140 МВт. Bungama Solar включает установку примерно 800 тысяч солнечных панелей. К сетям общего пользования энергокомплекс будет присоединен с помощью шин 275 кВ ПС ElectraNet’s Bungama. EPS Energy также согласовала строительство проекта Robertstown Solar, включающего СЭС мощностью 500 МВт и накопитель энергии мощностью 250 МВт. Кроме того, компания надеется построить в Южной Австралии энергокомплекс Yoorndoo Ilga Solar: мощность солнечной электростанции может составить от 200 до 400 МВт, проект также предполагает установку накопителя энергии.

Среди крупнейших лидеров рынка аккумуляторов сейчас можно отметить США, Китай, Германию и Индию. Россия тоже намерена участвовать в развитии этого сегмента новой энергетики. По информации Минпромторга России, в рамках Евразийского экономического союза появится совместное предприятие по производству накопителей энергии. В международном проекте будут использованы компетенции «Росатома», в частности свердловских предприятий госкорпорации — Уральского электрохимического комбината и НПО «Центротех». На последнем уже налажен выпуск литий-ионных накопителей и начаты проекты по оснащению ими электротранспорта. Предполагается, что участие в международном проекте позволит «Центротеху» расширить рынки сбыта.

Новые стимулы для промышленности

Не секрет, что каждый год в мире производится один миллион пластиковых бутылок, из которых удается переработать лишь 14%, остальные отравляют экологию планеты, разрушают биосистемы и наносят значительный ущерб здоровью человека. В 2016 году в Японии была обнаружена эволюционировавшая бактерия, способная уничтожать пластик. Ученые изучили и усовершенствовали фермент, производимый этой бактерией, теперь он способен уничтожать пластиковые бутылки на свалках. Кроме того, из него предполагается извлекать составные компоненты, что позволит сократить объемы добычи нефти, направляемой на производство пластика.

По информации российского издания RenEn, Институт керамических технологий и систем Фраунгофера (Fraunhofer IKTS) разработал текстильные солнечные батареи. В скором времени фотоэлементы смогут покрыть тенты грузовых автомобилей, что позволит автономно генерировать солнечную энергию для электродвигателей. Эта технология обладает огромным потенциалом в сфере коммунального электроснабжения: тканные солнечные панели можно будет размещать на фасадах зданий и на системах затемнения внутри дома. В ближайшие десятилетия шторы, производящие электроэнергию, могут стать одним из решений для автономного снабжения электричеством домохозяйств и офисов. Fraunhofer IKTS уже разработал прототип с фотоэлектрическим слоем, толщина которого составляет от одного до десяти микрон. Теперь исследователи работают над повышением эффективности текстильных солнечных батарей, что позволит выйти на коммерческий этап.

В Калифорнийском университете изобрели устройство, использующее силикон и проводящий пластик для захвата электрического заряда падающего снега и производства электричества. Устройство snow-TENG, или снежного трибоэлектрического наногенератора, можно распечатать на 3D-принтере. Инновационное решение позволяет создавать его на основе уже существующих и дешевых материалов, производимых в больших объемах. По словам ученых, среднегодовой сезонный снежный покров, составляющий почти треть земной массы, обеспечит человечество отличным источником энергии. Пока мощности изобретения хватает для зарядки гаджетов. Кроме того, на его основе создана автономная погодная станция, которая может отслеживать снег в режиме реального времени, предоставляя данные о скорости снегопада, накоплении снега, направлении и скорости ветра.

В Калифорнийском университете надеются использовать разработку для создания зимней одежды и обуви с самоподогревом. При подключении к одежде устройство сможет функционировать как сборщик энергии для зарядки электронных устройств, а также как платформа для отслеживания, способная определять виды и интенсивность активности пользователя, как датчик движения, что позволит использовать его, например, в лыжных гонках. Также планируется установить разработанный девайс в солнечные панели в регионах, где возможны снежные бури, которые сезонно снижают эффективность этого вида ВИЭ. Водостойкий силикон можно наносить и на поверхность зданий, что в перспективе позволит использовать технологию для их обогрева и снабжения электроэнергией.

Ученые географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова опубликовали в открытом доступе первую версию веб-атласа доступной волновой энергии морей России, где представлена информация о пространственном распределении энергии волн в Черном, Каспийском, Балтийском, Баренцевом и Карском морях. Основу атласа составляют уникальные данные об энергетическом потенциале ветра и волн, полученные сотрудниками факультета по результатам численного моделирования на основе оригинальных методик.

К созданию веб-атласа ученые приступили в 2018 году. В рамках проекта географы разрабатывают методику расчета оптимального состава гибридных энергоустановок, использующих одновременно солнечную, ветровую и волновую энергию. По словам координатора проекта по созданию веб-атласа, старшего научного сотрудника кафедры океанологии географического факультета МГУ Станислава Мысленкова, создаваемая методика позволит рассчитывать количество генераторов того или иного типа для наиболее стабильной выдачи электроэнергии или для максимальной ее выработки за определенный промежуток времени в конкретной географической точке. В ближайшее время веб-атлас пополнится данными об энергии ветра и статистическим функционалом для оценки сезонной изменчивости характеристик волн и ветра.

Потенциал волновой энергетики может превышать возможности солнечной и ветроэнергетики. Нужно отметить, что широкого распространения этот вид ВИЭ не получил из-за дороговизны реализации проектов строительства волновых станций и их обслуживания. Поиск технических решений для создания экономически эффективных проектов в этой области может стать задачей для ученых на ближайшие десятилетия. Но даже первая версия атласа выявляет значительный потенциал этих решений для удаленных регионов России, испытывающих серьезные проблемы со снабжением энергоресурсами.