На сегодня интенсивные поисково-исследовательские работы в двух направлениях совершенствования ВИЭ-технологий дают надежду на приближение к мечте человечества о неисчерпаемом источнике энергии, а именно: 1) исследования в направлении увеличения коэффициента полезного действия (КПД) и рентабельности генерирующего оборудования; 2) поиск эффективных и дешевых способов аккумулирования электроэнергии, производимой ВИЭ генераторами не стабильным графиком, а в зависимости от природных условий (солнечная активность, облачность, ветренность, наводнение-засуха и т.д.). В обоих направлениях усилия научного поиска поражают и неожиданными, и крупными достижениями.
І. ЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ ВИЭ-ТЕХНОЛОГИЙ.
Один из ярких примеров - эволюция фотоэлектрических модулей. Вследствие конкуренции, массовости производства и усовершенствований в технологии изготовления стоимость главной составляющей солнечных электростанций, а именно фотоэлектрического модуля, за пять лет уменьшилась на целых 75%. Тенденция очевидна и темпы ее - опережающие, каждое новое поколение объектов возобновляемой энергетики продолжает дешеветь. Параллельное направление исследований - повышение эффективности генерирующего оборудования ВИЭ, в этом плане сегодня научные силы сосредоточены в значительной степени над повышением коэффициента полезного действия солнечных батарей. Научные разработки ведутся в самых неожиданных направлениях, чем обеспечивается большой выбор исследовательских непромышленных вариантов для дальнейшей работы с ними технологов-экономистов и приспособления найденных ноу-хау с требованиями промышленной эксплуатации и конкуренции.
Например, ученые возлагают значительные надежды на создание так называемых "перовскитных" солнечных батарей (от названия материала рабочей поверхности). Этот подход позволяет увеличить рекорд эффективности от предыдущих 26% для кремниевых фотоэлементов в сочетании с перовскитом к более чем 30%. При этом исходные материалы и низкие температуры технологического процесса обеспечивают перовскитным солнечным батареям возможность стать действительно дешевыми при производстве, сообщает Баварский Центр прикладных исследований в сфере энергетики.
Перспективные исследования ведутся с искусственным материалом "графен", свойства которого позволяют существенно улучшить технологические характеристики СЭС. Ученые во всем мире устроили настоящую гонку, чтобы получить хотя бы еще несколько дополнительных процентов коэффициента полезного действия. Суперфотоелемент должен при этом иметь не только высокую эффективность, но и быть дешевле. Кроме новейших материалов может существенно способствовать повышению эффективности применения, например, новых контактов - ученые Университета имени Лейбница в Ганновере и Института исследований солнечной энергии в Гамельне (ISFH) сообщают о скачке в эффективности фотоэлементов, а именно в рамках совместного исследовательского проекта удалось достичь прорыва с помощью совершенствование контактов, которые применяются в солнечных элементах. Еще одно направление - сочетание солнечных фотоэлементов со средствами слежения и концентрации солнечной энергии, которые активно применяются в так называемых "солнечных башнях" и параболических зеркальных теплогенерирующих системах. Комбинация этих двух технологий позволила австралийским ученым из Университета Нового Южного Уэльса установить новый мировой рекорд по эффективности коммерчески жизнеспособных фотоэлементов. Также исследуют такую комбинированную технологию, которая способна превращать более 40% солнечного света в электричество, что почти вдвое превышает эффективность современных солнечных панелей.
Технология расщепления луча и отдельного использования максимума энергии из каждого спектра луча позволяет достигать 35% эффективности, и как утверждают ее создатели очень близка к промышленному применению.
Ежегодно тысячи ноу-хау появляются в сфере ВИЭ по всему миру и обогащают и расширяют платформу технологических возможностей и достижений.
Французская компания NewWind разработала искусственное дерево, листьями которого служат небольшие ветряные турбины, сконструированные таким образом, что "ветреное дерево" может производить электричество даже при очень слабом ветре. Искусственное дерево от NewWind оснащено 54 "аэролистами", каждый из которых может производить до 100 Вт электроэнергии. Таким образом, максимальная годовая производительность дерева составляет около 5,4 кВт.
По прогнозам экспертов, в ближайшие десять лет выработка энергии ветра в Европе может увеличиться на 140 ГВт, а в США, как считают в американском Министерстве энергетики, общий потенциал использования ветряных источников энергии составляет не менее 2058 ГВт. В США уровень потребления электрической энергии - значительный, средний уровень потребления электричества на душу населения составляет 10 932 киловатт-часа.
(Напомним, в Тернополе в этом году установили энергетическое дерево. На стволах размещены солнечные батареи. На площади от дерева можно заряжать мобильные телефоны. Это первое технологическое дерево в Украине).
Сообщают о появлении "солнечных дорог», в частности во Франции внедряется проект замены асфальта солнечными батареями.
Еще чудо технологии - "солнечная краска", которая превращает любую поверхность в солнечную батарею - эффективнее и дешевле современных промышленных панелей.
Список нововведений можно продолжать до бесконечности - электроэнергию предлагают добывать из дождя, соли, тайфунов и ураганов, даже алмазов, морских приливов, - главное в том, что исследования ведутся широким фронтом и постоянно ознаменовываются полезными находками и прорывами в увеличении эффективности и коэффициента полезного действия ВИЭ .
ІІ. РЕШЕНИЕ ВОПРОСА ДИСПЕТЧИРЕЗАЦИИ ЧЕРЕЗ ДЕШЕВЫЙ И ДОСТУПНЫЙ СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ.
Накопление энергии впрок позволит свести к минимуму энергетические потери. Наличие накопительных модулей позволит электростанциям запасать большие объемы невостребованной ночной генерации (например, ветроагрегаты, малые ГЕСы) или избыточной дневной (СЭС) - и тратить ее в часы пик. Дневная световая и тепловая энергия Солнца, концентрируясь в накопителе может использоваться ночью, летняя - зимой.
Сегодня известно множество способов накопления энергии (сжатая пружина, поднятый груз, замороженная / охлажденная вода, электроаккумулятор, конденсатор и т.д.), Но самым эффективным, с точки зрения плотности упаковки энергии, является маховик. Он накапливает энергию, когда ее поступление превышает расходы, и отдает ее, когда потребление превышает поступление энергии.
Современные разработки в области материаловедения и силовой электроники позволили создать маховики, вращающиеся со скоростью до 100 000 оборотов в минуту. Вращаясь в вакууме на магнитных подшипниках, диск маховика за год теряет только 2-3 процента скорости вращения. Плотность упаковки энергии в нем достигает 12,5 кВт на 1 кг вращающейся массы. Маховик весом 100 кг способен аккумулировать в себе почти 1,2 МВт энергии, которую можно хранить, перемещать во времени (с лета - в зиму, с ночи - на утро или день), и в пространстве (из Сахары - в зоны промышленного развития) практически без потерь.
Разработаны концептуальные и исследовательские установки предназначены прежде всего для локальных потребителей. Такой подход позволяет, во-первых, создать унифицированный модельный ряд оборудования, снизить себестоимость изделий. Во-вторых, уменьшить нагрузку на центральные линии электропередач, снизить неизбежные потери энергии при транспортировке и повысить общую надежность и долговечность энергосистем.
Исследовательский поиск идет в самых разных направлениях. В частности, предлагается дешевый и доступный способ аккумулирования электроэнергии путем преобразования ее в метан. На главном предприятии Viessmann в немецком городе Аллендорф была запущена первая в мире установка Power-to-Gas, которая использует биохимический процесс для получения метана. Газ получается с использованием электроэнергии, полученной из возобновляемых источников, в процессе электролиза и последующей Метанизации (образование метана в результате реакции между водородом и углекислым газом). Такой газ можно без дальнейшего обогащения закачать в газовую сеть. Таким образом, избыточная электроэнергия, полученная из энергии ветра или Солнца, находит полезное применение - независимо от времени и места ее генерирования.
Аккумулирование электроэнергии ВИЭ является не только технической проблемой, электроэнергетика сталкивается здесь с необходимостью структурных изменений. Следует системно представить себе энергоснабжение будущего, например объединить "умными сетями" между собой сектор тепла и транспорта, для того чтобы эффективно справляться с пиками электропотребления.
Решение проблемы аккумулирования - и есть по сути открытием неограниченного источника энергии для человечества. Даже при существующем уровне эффективности преобразования солнечной и ветровой энергии в электрическую (а ежегодно КПД ВИЭ увеличивается благодаря научным достижениям) возможность недорогого накопления электроэнергии, производимой в светлое время или при наличии ветра, и дальнейшего ее использования в другое время, или даже в другом месте делает ВИЭ универсальным и неограниченным источником удовлетворения всего мирового спроса на энергию и даже несравненно больше. Только солнечных панелей площадью, эквивалентной 1% всех земных пустынь, будет достаточно для обеспечения всего мирового объема потребления электроэнергии человечеством.
И успехи в направлении эффективного и недорогого накопления электроэнергии уже ощутимы, в частности в США неустанно растет рынок промышленных технологий хранения электроэнергии. Ожидается, что в 2016 году он достигнет 260 МВт, а к 2021 году может вырасти до 2 ГВт, а вот мировой рынок технологий хранения в 2020 достигнет 4,5 ГВт.
Международное агентство по возобновляемой энергии (IRENA) опубликовало доклад, согласно которому Африку ожидает бум солнечных панелей. Это произойдет в результате спада цен на технологии производства фотоэлектрических элементов и инвестиций в эту многообещающую отрасль (IRENA) опубликовало доклад, согласно которому Африку ожидает бум солнечных панелей. Это произойдет в результате спада цен на технологии производства фотоэлектрических элементов и инвестиций в эту многообещающую область. «Технико-экономические обоснования для фотоэлектрических солнечных элементов в Африке сильны как никогда благодаря стремительному снижению цен на технологию», - говорится в докладе. По прогнозам, в ближайшие 10 лет возможно снижение цен еще на 59%, что открывает перед континентом огромные возможности и позволит 600 миллионам жителей Африки получить доступ к электричеству, которого они до сих пор были лишены.
Глобальная революция ВИЭ способна буквально видоизменить жизни человечества, приблизив нас вплотную к вековечной мечты о неисчерпаемом и бесплатном источнике дружественной энергии. На ограниченное время и на небольших территориях, но уже прямо сейчас ВИЭ могут полностью обеспечить потребности потребителей электроэнергии по "нулевым ценам", как это было, например, в течении 113 дней в Чили. А к 2050 году ведущие мировые энергетические агентства предусматривают полный переход мировой энергетики на возобновляемые источники энергии. Впрочем, действительность уже не раз демонстрировала опережение самых смелых прогнозов.
