Будущее энергетической отрасли

Оцифровка энергии

Как получить энергию в нужные сроки и там, где она необходима?

 

Стремительный экономический рост таких стран, как Китай и Индия, означает, что к 2030 году потребность в энергии во всем мире увеличится как минимум на 50%. Многие крупные развивающиеся экономические зоны находятся в регионах, где никогда не было инфраструктуры для поставки электроэнергии. В то же время ресурсы, традиционно используемые для производства энергии, истощаются. Все это заставляет человечество активно искать новые источники энергии — и новые способы ее передачи.

Основная задача — поиск и максимально эффективное использование возобновляемых источников энергии, а также разработка инновационных методов хранения полученной энергии, позволяющих использовать ее при отсутствии солнечного света или ветра. Важный инструмент для достижения этой цели — интеллектуальные электросети с использованием программного обеспечения, датчиков, электронных счетчиков и Интернета. Эти компоненты позволяют управлять информацией, более эффективно контролировать спрос и поставки энергии и доставлять ее туда, где она требуется в данный момент.

Представленные ниже материалы (видео, статья и инфографика) иллюстрируют значительные преобразования в энергетике и то, как эти преобразования влияют на обеспечение нашего мира энергией. Это большой шаг вперед. Изменения охватывают все аспекты, включая производство, измерение, монетизацию, потребление, контроль, хранение, торговлю и передачу электроэнергии. Какую роль в этом процессе играют интеллектуальные энергосистемы? Как платформа 3D EXPERIENCE помогает компаниям преобразовать процессы производства и поставки энергии и повысить эффективность совместной работы и инноваций?

Правда ли, что наступает эра солнечной энергетики?

Наступил 2035 год. В мировых пустынях и тропиках установлены мощные солнечные батареи, собирающие энергию солнца для производства электричества, которое доставляется по современным беспроводным электросетям. Достаточные запасы энергии позволяют продолжать производство электричества после заката солнца.

В миллионах жилых домов и офисов устанавливаются недорогие и экономичные солнечные панели и оснащенные солнечными батареями окна, вырабатывающие небольшое количество энергии в дневные часы. Еще в 2010 году ведущие мировые производители, включая Audi, BMW, Toyota и Honda, разработали экологичные автомобили, работающие на водородном топливе. Водородное топливо создается с использованием солнечной энергии путем расщепления излишков воды на водород и кислород. А когда наступает ночь, на звездном небе мерцают гигантские орбитальные спутники с солнечными батареями, ежедневно и круглосуточно собирающие солнечную энергию в космическом пространстве и передающие ее на наземные приемные устройства с помощью микроволн или лазерных лучей.

Фантастика? Отнюдь. Идея использования солнечной энергии — одного из важнейших энергоресурсов на Земле — зародилась задолго до появления угрозы климатических изменений и истощения легко добываемых органических топливных ресурсов. Первая солнечная батарея была создана в 1883 году, а в 1941 году писатель Айзек Азимов опубликовал рассказ "Логика" (Reason), в котором описывалась космическая станция, излучающая большие объемы солнечной энергии посредством микроволновых импульсов. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер решил воплотить мечты Азимова в жизнь, но его планам не суждено было осуществиться из-за технологических ограничений того времени.

Но технологии получения солнечной энергии применяются уже сегодня, несмотря на мнения критиков, утверждающих, что мировая солнечная энергетика никогда не сможет решить проблемы передачи энергии на большие расстояния из более солнечных в менее солнечные регионы или изобрести решения для хранения, позволяющие генерировать энергию после наступления темноты.

Например, в Китае уже строятся высоковольтные линии электропередач для обширного распространения энергии, вырабатываемой новыми солнечными электростанциями. Только в течение первых трех месяцев 2015 года это государство добавило в свою энергосистему несколько солнечных электростанций мощностью 5 гигаватт, что эквивалентно совокупному объему энергии, вырабатываемому в одной из ведущих в этом области страны Европы — Франции.

Системы хранения энергии уже используются по всему миру, и в них успешно применяются две технологии. В одних системах солнечная энергия используется для создания расплавленных солей, обладающих свойством удерживать тепло. Так обеспечивается достаточное количество энергии для вращения турбин электрогенераторов в ночное время. На других электростанциях солнечные лучи вызывают сжатие газа, который возвращается в исходное состояние после наступления темноты и поддерживает вращение турбин.

Взгляд вверх

Космос — радикальный ответ на вопрос о том, как будет вырабатываться энергия после захода солнца, ведь в космосе не существует таких понятий, как закат и рассвет. Китай и Япония планируют запустить первые космические электростанции (SBSP) в 2030 году, и вероятно, это будут одни из самых масштабных проектов в истории. "Экономически целесообразная космическая электростанция должна быть огромной. Общая площадь ее солнечных панелей составит от 5 до 6 кв. км", — поясняет Ван Сидзи (Wang Xiji), академик Китайской Академии наук.

Но зачем строить электростанции в космосе? Основная причина — значительно более высокая концентрация солнечного излучения в космическом пространстве. Более 60% солнечной энергии теряется в процессе ее отражения и поглощения атмосферой Земли, а в космосе она доступна в полном объеме и круглосуточно. "Космические солнечные панели могут вырабатывать в десять раз больше электричества, чем наземные панели такой же площади", — отмечает космический инженер Дуань Баоянь (Duan Baoyan).

Разработка SBSP сопряжена со значительными трудностями, одна из которых — необходимость обеспечивать сверхточную передачу энергии. В противном случае мощный блуждающий луч энергии может выжечь обширные поверхности Земли. "Когда энергия передается посредством микроволновых импульсов, очень сложно направить ее поток так, чтобы он попал точно на наземный приемник. Передачу микроволн с высоты 36 000 км на плоскую поверхность диаметром 3 км можно сравнить с продеванием нитки в иголку", — говорит Ясуюки Фукумуро (Yasuyuki Fukumuro) из японского аэрокосмического агентства JAXA.

Японская корпорация Shimizu предлагает еще более невероятную альтернативу — полосу солнечных батарей шириной 400 км, которая размещена вокруг экватора Луны и длина которой составляет 11 000 км. Эта энергосистема, опоясывающая Луну, могла бы вырабатывать столько энергии, что все мировые потребности были бы удовлетворены в одно мгновение.

Затруднения связаны также с обслуживанием систем в опасных условиях космоса и выводом станций SBSP на орбиту. Вес коммерчески целесообразной космической электростанции составил бы более 10 000 тонн, в то время как современные ракеты рассчитаны на полезную нагрузку чуть более 100 тонн.

Строительство станций SBSP сопряжено с огромными сложностями, которые сравнимы с тем, что приходилось преодолевать 60-х годах прошлого века людям, впервые вышедшим в космос. Тогда многие сомневались в том, что людей вообще стоит отправлять в космос, однако технологические и научные преимущества, полученные после преодоления этих трудностей, не теряют своей важности для современного мира.

Наземное дистанционное управление

Но несмотря на то, что станции SBSP создают площадку для развития новых технологий, все они строятся на земле, а ведь именно в ней заложен настоящий потенциал. Правда в том, что мощность достигающей поверхности Земли солнечной энергии — даже ослабленной атмосферой — во много раз превосходит потребности человечества. В 2015 году ведущие британские эксперты по энергетике обнародовали программу Global Apollo, утверждая, что солнце посылает на Землю в 5000 раз больше энергии, чем в данный момент требуется людям.

Более того, производство электричества на основе солнечной энергии с каждым годом становится все дешевле. Стоимость современных солнечных панелей снизилась до 1/20 от их стоимости 25 лет назад, в то время как эффективность, наоборот, возросла. Современные полупроводниковые солнечные панели преобразуют в электричество около 20% всего попадающего на них солнечного света — в три раза больше, чем раньше. Новые панели, изготовленные из таких композитов, как арсенид галлия, который обладает более высокой электрической проводимостью по сравнению с кремнием, позволят достичь еще более впечатляющих результатов. И это несмотря на то, что эффективность солнечных панелей ограничивается различными физическими факторами. К этим факторам относится, например, потеря энергии при отражении и ее частичное поглощение проводящими материалами (предел Шокли-Квейссера).

Так почему же солнечная энергетика на сегодняшний день обеспечивает всего 1% от мировой потребности в электричестве? Согласно программе Global Apollo и отчету MIT о будущем солнечной энергии за 2015 год, основное ограничение заключается не в технологиях, а в политической инертности, которая поддерживается в основном интересами гигантских корпораций, производящих органическое топливо. Кроме того, сказывается нехватка инвестиций. В этих отчетах показано, как огромные мировые субсидии скрывают настоящую стоимость электроэнергии, производимой на основе органического топлива, и как в эту стоимость безуспешно пытаются включить стоимость устранения экологических проблем и проблем здравоохранения, связанных с этими источниками энергии.

По мнению Стефана Декле (Stéphane Declée), вице-президента направления Энергетика, переработка, ЖКХ в корпорации Dassault Systèmes, еще одна причина сводится к "отсутствию согласованности между законодательными органами, регуляторами и технологическими лидерами".

"Наши клиенты вынуждены адаптироваться к меняющимся требованиям регуляторов. С помощью платформы 3DEXPERIENCE поставщики солнечной энергии смогут продемонстрировать жизнеспособность и надежность своих решений множеству заинтересованных лиц, включая регуляторов, финансовые организации, население и СМИ".

По словам Декле, ситуация усложняется тем, что "по мере роста доли промежуточных возобновляемых источников энергии, включая солнечную, объемы производства энергии не всегда совпадают с периодами высокого спроса". В качестве решения Декле предлагает разрабатывать системы, позволяющие лучше контролировать спрос (например, интеллектуальные энергосистемы), и системы, обеспечивающие более гибкий спрос на промежуточные источники, например, за счет частичного сохранения возобновляемой энергии для будущего использования.

Реальные примеры

Помимо проектов, разрабатываемых в Китае и Японии, во многих других странах реализуются инновационные программы, направленные на поиск еще более эффективных и экономичных способов производства и хранения энергии. Хороший пример потенциальных возможностей концентрирования солнечной энергии — гигантская электростанция Solana в Аризоне. На ее территории установлено 3000 гигантских зеркал, которые собирают солнечные лучи для образования сверхгорячего водяного пара, вращающего гигантские турбины и обеспечивающего энергией 70 000 жилых домов. Не менее важно и то, что Solana имеет гигантские резервуары, наполненные расплавленной солью и накапливающие тепловую энергию в течение дня. Этой энергии достаточно для того, чтобы турбины электрогенератора работали на полную мощность в течение шести часов после заката. По прогнозам, к 2018 году в мире будет в два раза больше электростанций, использующих концентрированную солнечную энергию. И это тоже маленькое чудо.

Более скромные технологические достижения также играют свою роль в формировании будущего солнечной энергетики. Новые прозрачные полимерные солнечные батареи (PSC) используются в производстве "солнечных окон", пропускающих видимый свет и вырабатывающих электричество за счет поглощения инфракрасного излучения. "Наши PSC-конструкции отличаются небольшим весом и гибкостью. Кроме того, массовое производство таких конструкций не требует больших затрат", — поясняет Янг Янг (Yang Yang), руководитель группы разработчиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). "Окно с солнечными батареями — важный технологический прорыв".

Ситуация меняется и в сфере транспортировки энергии. В 2015 году был запущен сверхлегкий самолет Solar Impulse, который стал символом развития мировой солнечной энергетики, хотя в массовой авиации солнечная энергия, скорее всего, будет использоваться для производства водородного топлива. Электромобили, работающие на водородном топливе, вырабатываемом солнечными батареями, уже ездят по нашим дорогам, и их количество продолжает расти. Эйке Вебер (Eicke Weber), директор Института гелиоэнергетических систем Фраунгофера (Германия), сам ездит на таком автомобиле, который позволяет проехать 300 км после 5-минутной подзарядки на солнечно-водородной АЗС.

Существующие технологии уже указали нам путь в будущее солнечной энергетики, когда будут созданы космические станции и лучшие инженеры получат возможность внедрять свои технологии в космосе. Для энергетической революции необходимо лишь сместить политические и экономические приоритеты в пользу солнечной энергии.

А благодаря таким компаниям, как Dassault Systèmes, которые помогают составить полную картину и получить четкое и понятное для всех представление о возможностях будущего, многие концепции солнечной энергетики могут воплотиться в реальность уже в ближайшее время.

Видео, инфографика и статья были впервые опубликованы на сайте bbc.com в рамках рекламной акции. Материалы созданы группой BBC Advertising Commercial Production в партнерстве с Dassault Systèmes.