Новые методы бурения и прогрессивные технологии извлечения тепла из недр Земли обещают быстро сделать геотермальную энергетику конкурентоспособным игроком на рынке выработки электричества, уверены учёные из США. Это произойдёт стремительно — всего за пару лет. Прогнозы говорят, что уже в 2027 году стоимость генерации электричества с помощью тепла недр планеты сравняется со стоимостью сегодняшнего электричества «из розетки».

Геотермальная электростанция Google. Источник изображения: Google

Доклад о перспективах геотермальной энергетики (EGS) представил ведущий специалист в отрасли Роланд Хорн (Roland Horne), профессор энергетики и инженерии Стэнфордского университета (Stanford University). Он начал с того, что исторически доступ к геотермальной энергии был связан исключительно с географическими факторами. Для обычных геотермальных электростанций требуются горячие, проницаемые породы и большое количество подземных жидкостей, что характерно для мест с недавней вулканической активностью, таких как Япония, Новая Зеландия, Филиппины, Кения, Сальвадор, Исландия и западная часть Соединённых Штатов.

Но это было в прошлом. За последние 50 лет придуманные нефтяниками методы бурения и разрыва пластов открыли возможность доступа к теплу недр на большей части планеты, а не только рядом с вулканами. Пока новыми технологиями воспользовались лишь единичные компании, но в них скрыт огромный потенциал для производства электрической энергии в больших масштабах. Сегодня в глобальном масштабе доля геотермальной энергетики по-прежнему составляет менее половины процента. Доля солнечной и ветряной энергии более чем в 25 раз выше, что можно исправить в обозримые сроки.

Для доступа к подземному теплу следует использовать методы бурения, разработанные для добычи сланцевого газа, включая горизонтальное бурение и гидроразрыв пластов. Закачивая в скважины жидкость под большим давлением, нефтяники расширяют существующие в породе трещины и создают новые, за счёт чего происходит приток нефти и других жидкостей к поверхности. В геотермальных системах с улучшенными характеристиками жидкость представляет собой просто горячую воду из естественных подземных резервуаров.

Другие адаптированные методы включают бурение нескольких скважин с одной площадки для повышения эффективности и снижения затрат. Синтетические алмазные буровые коронки, которые могут эффективно проходить через твёрдые породы, также оказались критически важными, позволяя завершить строительство новой геотермальной скважины за несколько недель, а не месяцев. «Ускорение бурения оказывает огромное влияние на экономику EGS в целом», — пояснил учёный.

Согласно проведённым расчётам, более высокая скорость бурения может уже к 2027 году сделать геотермальные системы конкурентоспособными по отношению к системам «наземной» выработки электричества на большей части территории США, что сегодня примерно равно $80 за МВт·ч.

В Калифорнии, которая в настоящее время получает около 5 % электроэнергии из геотермальных источников, авторы подсчитали, что с помощью EGS геотермальная мощность может увеличиться в десять раз и к 2045 году достичь 40 ГВт, что позволит заменить ископаемое топливо в качестве базовой генерации. Таким образом, EGS дополнит нестабильные возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, и повысит стабильность безуглеродной энергосистемы.

Но есть один момент, который обязательно нужно учитывать. Как и при гидроразрыве пластов для добычи нефти и газа, дробление глубинных пород для доступа к геотермальным резервуарам может вызвать землетрясения. Для снижения риска катастроф профессор рекомендует не бурить там, где риск землетрясений высокий и где проходят разломы земной коры. Также следует бурить с осторожностью и прекращать работы каждый раз, как только сейсмические события превысят определённый уровень. Если тряска будет не сильной, работы можно не останавливать.

Ещё одним способом избежать землетрясений в местах бурения может быть мягкое нагнетание воды для гидроразрыва — не под высоким давлением, а намного более слабым. «Постепенное закачивание жидкости вместо использования напора под давлением может значительно снизить риск и масштабы индуцированной сейсмической активности», — сказал Хорн.

Учёный и его коллеги надеются, что новое исследование послужит стимулом для дальнейших исследований и разработок EGS как устойчивого и надёжного источника энергии. «EGS может изменить правила игры в производстве экологически чистой энергии не только в Калифорнии, но и по всей территории США и во всём мире, — сказал Хорн. — Безопасное использование внутреннего тепла Земли может существенно повлиять на энергетику нашего будущего».

Испытанный ещё в Германии 70-х проект хранения энергии в сжатом воздухе получил второе дыхание в эру возобновляемых источников энергии. Их прерывистый характер выработки требует аккумулирующих мощностей, чтобы ночью и в безветренную погоду подача электричества не прерывалась. В Китае активно подхватили идею закачки воздуха в подземные пещеры, чтобы затем использовать сжатый газ для выработки энергии. Однако естественные пещеры заканчиваются, а спрос на них остаётся.

Источник изображения: China Energy Storage

Нехватка пещер для хранения энергии в сжатом воздухе заставила китайцев бурить искусственные подземные резервуары, а это требует разработки целого ряда технологий для надёжности циклопических подземных конструкций и предотвращения утечек. К тому же, под землёй можно создать условия для хранения воздуха с более высоким давлением, чем в естественных пещерах.

Как сообщают источники, в Китае стартовал первый крупномасштабный проект по хранению энергии сжатого воздуха (CAES) с использованием полностью искусственной подземной пещеры, что является важным шагом на пути к коммерциализации этой технологии.

Проект разработан государственным консорциумом и реализуется при поддержке местного государственного предприятия Xinyang Construction Investment Group, специалиста по технологиям CAES China Energy Storage National Engineering Research Center (China Energy Storage) и двух других государственных инвестиционных компаний.

Сдать в эксплуатацию комплекс планируется в 2026 году. Он будет обладать мощностью 300 МВт и хранить 1200 МВт·ч энергии. Стоимость проекта оценивается в 2,15 млрд юаней ($300 млн). Подземные работы предусматривают вскрытие и обустройство пещеры диаметром 15 м и длиной 1800 м. Это ёмкость объёмом 318 тыс. м³. В сжатом состоянии туда поместится намного больше воздуха. Заявленное рабочее давление искусственной пещеры будет на уровне 14 МПа, что позволит закачать в неё более 50 млн м³ атмосферы. Страхи Александра Беляева о появлении «продавцов воздуха» становятся реальнее.

Для удержания воздуха под землёй под давлением и без утечек разработаны технологии усиления конструкции, бетонной облицовки и герметичного стального слоя. По состоянию на декабрь 2024 года было построено около 400 метров транспортного туннеля, что составляет почти 80 % от запланированного объёма работ. Также в хранилище уже ведутся земляные работы.

Ожидается, что после ввода в эксплуатацию эффективность преобразования энергии составит 72,1 %, а мощность — 420 млн кВт·ч в год, что достаточно для обеспечения электроэнергией 350 000 домохозяйств. Система включает в себя многоступенчатые компрессоры, выдерживающие высокую нагрузку турбины и усовершенствованные теплообменники. Последние позволили отказаться от нагрева воздуха с использованием ископаемого топлива, забирая тепло в процессе рекуперации, что сделает проект экологически чистым. Успех мероприятия откроет дорогу для строительства подобных объектов повсеместно.

В энергетический баланс Техаса добавился уникальный и единственный такой в мире источник энергии — модульная ветряная турбина JetWind для выработки электричества от реактивных струй взлетающих самолётов. С ноября 2024 года электричеством от модулей JetWind в аэропорту воспользовались свыше 10 000 раз, включая подзарядку электромобилей. Ряд мировых аэропортов заинтересовались установкой и хотят такие же.

Источник изображения: JetWind

«Основная цель нашего проекта — использовать постоянный ветер, создаваемый реактивными самолётами, и преобразовать его в экологически чистый источник энергии, — пояснили разработчики установки. — То, что когда-то считалось потраченной впустую энергией, теперь может принести пользу энергетическим сетям, в конечном итоге способствуя развитию более разумной и устойчивой инфраструктуры по всему миру».

Первые пять модулей ECP (Energy Capturing Pods) из заказанных 13 установили и подключили в аэропорту Love Field в Далласе. Внедрение началось после трёх лет испытаний в период с 2021 по 2024 год, когда прототипы оценивались на предмет их эффективности улавливания реактивных выхлопных газов от двигателей самолётов. Решение понравилось руководству аэропорта, и оно заказало 13 установок, пять из которых изготовили минувшим летом и ещё восемь произведут и установят в течение следующих трёх лет.

Каких-либо подробностей о проекте источник не приводит, однако отмечает, что публичное представление технологии JetWind вызвало значительный международный резонанс. Такие страны, как Австралия, Бразилия, Эквадор, Швейцария, Великобритания и Франция выразили восторг по поводу потенциального применения этой инновационной системы и хотели бы иметь подобные у себя. Представители JetWind сообщили, что переговоры на эту тему уже проводятся.

Исследователи из Ланьчжоуского института химической физики (Lanzhou Institute of Chemical Physics) в китайской провинции Ганьсу предложили и проверили на практике метод укрепления дорожного полотна и строительных конструкций добавками из материала отработавших лопастей ветряных турбин. Опыт удался: спустя пять месяцев после укладки дороги асфальтом с «лопастной» присадкой на участке не образовалось ни одной трещины.

Источник изображения: unsplash/Karsten Würth

Для Китая необходимость утилизации закончивших срок эксплуатации ветряных турбин — это не пустой звук. Эта страна является лидером в развёртывании электростанций на возобновляемых ресурсах, включая ветряную генерацию. Она также первой столкнётся с огромной волной отходов, которые трудно переработать, среди которых основную массу составят лопасти от ветряных турбин.

Основной состав лопастей — стеклоткань, углеволокно и эпоксидная смола для пропитки. Сегодня лопасти либо складируются в специально отведённых для этого местах (по сути, на свалках), либо закапываются в рвах как мусор. Археологи будущего смогут по этим останкам восстановить картину развития производства лопастей в Поднебесной, если какой-нибудь астероид внезапно разорвёт цепь развития земной цивилизации.

Если серьёзно, то проблема утилизации лопастей не имеет простого решения. Учёные из Китая предложили их измельчать, обрабатывать по специальной технологии и добавлять в асфальт и бетон как присадки при укладке дорог и строительстве зданий и сооружений.

В сентябре 2024 года в качестве эксперимента асфальт с присадкой из лопастей был использован для покрытия участка дороги в провинции Ганьсу. Спустя пять месяцев дорога выглядит как новая, не имея ни единой трещины в полотне, если верить источнику. Учёные вместе с подрядчиком надеются расширить эксперимент, укладывая «чудо-асфальт» на других участках дорог и в строительстве, обещая эффективность утилизации лопастей ветряков.

Выглядит интересно, но до тех пор, пока не станет известно об обнаружении микропластика в живых тканях животных и человека. Эти опасения не решат проблему утилизации лопастей, но, возможно, заставят задуматься о поиске других методов.

Аммиак — это не только удобрение для спасения сельского хозяйства. Это соединение азота и водорода содержит в себе в 20 раз больше энергии по отношению к весу, чем литиевые аккумуляторы. Огорчают лишь современные «грязные» методы производства аммиака, с чем решили побороться учёные из США. У них получилось.

Художественное представление установки по естественному производству аммиака. Источник изображения: Iwnetim Abate and Yifan Gao

Традиционное производство аммиака, 80 % которого потребляет сельское хозяйство, требует высоких температур и сопровождается выбросами парниковых газов. На каждую тонну этого соединения в атмосферу выбрасывается 2,4 т углекислого газа. В целом эта ниша химической промышленности ответственна за 1 % вклада нашей цивилизации в ежегодные выбросы антропогенных газов. Поэтому предпринимаются попытки производить аммиак с использованием возобновляемых источников энергии, что делает его чистым во всех смыслах.

В августе прошлого года в Дании был запущен первый в мире завод по производству аммиака с использованием солнечной и ветровой энергии. Производство может выпускать до 5000 т аммиака в год. Если говорить об аммиаке как о зелёном топливе, то уже разработаны двигатели внутреннего сгорания на аммиаке. Есть ряд моделей транспортных средств на этом топливе, а также планируется спуск на воду в 2026 году в Норвегии первого в мире контейнеровоза на аммиаке.

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) нашли способ практически естественного воспроизводства аммиака без привлечения любых искусственных источников энергии. К открытию подтолкнуло обнаруженное ещё в 80-х годах явление, когда одна из скважин в Мали начала выдавать чистый водород. Учёные заключили, что глубоко под землёй, с привлечением горных пород и температуры недр, идут процессы, которые естественным образом производят водород из воды в породах.

«Это был отличный момент, — говорят исследователи. — Возможно, мы сможем использовать Землю как фабрику, используя её тепло и давление для производства ценных химических веществ, таких как аммиак, более чистым способом».

На основе сделанного предположения учёные построили модельную систему для ввода обогащённой азотом воды в богатые железом синтетические минералы, имитируя породы, которые находятся под поверхностью земли. В результате процесса был получен аммиак без образования какого-либо CO₂ и без необходимости какой-либо дополнительной внешней энергии для активизации химического процесса.

На втором этапе исследователи заменили синтетическую породу оливином, который в природе встречается повсеместно и также богат железом. Также был добавлен медный катализатор и произведён нагрев до 300 °C. Примерно такая температура будет на глубине нескольких километров под поверхностью земли. Было обнаружено, что азот в воде вступает в реакцию с железом в породе с образованием чистого водорода, который, в свою очередь, вступает в реакцию с азотом с образованием аммиака. В результате процесса на тонну оливина было получено 1,8 кг аммиака.

Подобный метод можно реализовать в любой точке мира, ведь оливин есть везде. Более того, под землю можно даже закачивать обычные сточные воды, обычно насыщенные аммиаком. Это буквально неисчерпаемый источник чистой энергии. Учёные рассказали об открытии в журнале Joule и подали заявку на патент. На практике они надеются провести эксперимент в течение следующего года или двух.

В Европе рост генерации из возобновляемых источников в совокупности с другими факторами привёл к тому, что в 2024 году количество периодов с предложением нулевой и даже отрицательной стоимости электроэнергии за год удвоилось. Но успех праздновать рано. Цены на энергию обвалило увядание промышленности в ЕС и отсутствие линий электропередач между странами с зелёной генерацией.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Статистику по ценам на электрическую энергию в Европе собрало агентство Montel Analytics. Оно отмечает, что в 2024 году в разных странах Европы было зафиксировано 4838 случаев падения цен на электроэнергию до нуля или ниже на сутки вперед, что является рекордно высоким показателем, обусловленным ростом мощностей возобновляемой генерации, вялым спросом и ограниченной гибкостью электросетей. Тем самым общее количество случаев падения цен до нуля и ниже почти вдвое превысило 2442 случаев, которые были зарегистрированы в 2023 году.

Финляндия лидировала по отрицательным ценам в течение 721 часа, в основном из-за высокой генерации ветровыми электростанциями и невозможности поделиться излишками со Швецией и Эстонией, с которыми имеет кое-какие общие линии электропередачи, но недостаточные по пропускной способности. В это же время в Нидерландах был переизбыток солнечной электроэнергии, в Швеции — ветряной и, впервые, переизбыток был зафиксирован на Пиренейском полуострове.

В совокупности в 2024 году на возобновляемые источники энергии пришлось 50,4 % от общего энергобаланса Европы, что стало рекордно высоким показателем. Тем временем ископаемое топливо упало до доли менее чем 25 % от общего объёма генерации на континенте, а атомная энергетика выросла до 24,7 %, чему способствовало восстановление парка АЭС Франции.

«Доступность атомной энергии во Франции постепенно восстановилась в течение 2023 года и в начале 2024 года после исторического минимума в 2022 году, — сказал директор Montel Analytics Жан-Поль Харреман (Jean-Paul Harreman) в своём комментарии к публикации. Более того, Франция экспортировала самый большой за 22 года объём электроэнергии в 2024 году, за что, похоже, надо благодарить власти Германии, которые остановили все свои АЭС.

Снижение цен на электроэнергию не привело к снижению цен на газ. Цена газовой генерации выросла за год на 5,6 % (до 43 евро за 1 МВт·ч). К началу года хранилища были заполнены на 76 %, что при средних условиях зимы считается достаточным.

При всей кажущейся дешевизне и обилии солнечной генерации в Европе ещё сильнее увеличился разрыв между дешёвой энергией в часы пика выработки и дорогой в вечернее время, когда электричество необходимо гражданам в максимальном объёме. Возобновляемая энергетика вытесняет традиционную и в вечернее и ночное время дешёвого электричества больше нет.

Промышленный спрос в Европе на электричество в 2024 году оставался ниже «доковидного» уровня, а солнечные панели на крышах продолжали компенсировать потребление электроэнергии в домашних хозяйствах. Сообщается, что общий спрос на электроэнергию в Европе упал на 7,7 % в годовом исчислении до 2678 ТВт·ч, что подчёркивает ослабление промышленности, особенно в Германии.

31 декабря 2024 года в работу вступил последний из 12 энергоблоков гидроаккумулирующей электростанции Фэннин (Fengning), расположенной в одноимённом уезде в Китае. Это крупнейший в мире объект такого рода, накапливающий избытки возобновляемой энергии путём закачки воды в искусственный водоём, расположенный на возвышении. Общая мощность электростанции составляет 3,6 ГВт, а запасённой воды хватает на работу в течение 10,8 часа.

Источник изображений: State Grid Corporation of China

Гидроаккумулирующая электростанция в Фэннин строилась 11 лет, а её реализация обошлась в $2,6 млрд (19,24 млрд юаней). Объём верхнего резервуара, служащего аккумулятором, достигает 45,04 млн м³, а нижнего — 71,56 млн м³. На полной мощности электростанция может работать 10,8 часа, аккумулируя почти 40 ГВт·ч электричества. Избытки энергии для подъёма воды на высоту поступают от ветряных и солнечных электростанций соседнего уезда. Электросеть гидроаккумулирующей электростанции подключена к тому же сегменту и сглаживает пики выработки, поставляя энергию в ночное время и в периоды безветрия.

Аппаратный зал электростанции также поражает воображение, особенно учитывая, что он полностью скрыт под землёй. Его длина составляет 414 м, высота — 54,5 м, ширина — 25 м. Вспомогательная инфраструктура включает 190 тоннелей общей протяжённостью 50 км.

Перекачку воды и выработку энергии обеспечивают 12 реверсивных турбин, каждая из которых имеет мощность 300 МВт. Две из них отличаются переменной скоростью вращения, что необходимо для более гибкой выработки и стабилизации частоты. Для закачки полного объёма воды в верхний резервуар требуется 8,71 ТВт·ч электроэнергии в год. Чистая выработка при спуске воды составляет 6,61 ТВт·ч в год, что означает потери на уровне около 2 ТВт·ч. Эти потери являются платой за использование восполняемых ресурсов.

Проект гидроаккумулирующей электростанции разработан компанией State Grid Xinyuan Group, дочерним подразделением Государственной сетевой корпорации Китая. Это далеко не единственная гидроаккумулирующая электростанция в стране. К концу 2024 года Государственная сетевая корпорация Китая управляла гидроаккумулирующими мощностями общей мощностью 40,56 ГВт, а ещё 53,48 ГВт находились в стадии строительства. С учётом активного создания электростанций на возобновляемых источниках энергии, Китай нуждается в аккумулирующих и гидроаккумулирующих мощностях для формирования устойчивой энергосистемы.

Федеральное сетевое агентство Германии (Bundesnetzagentur) сообщило, что в 2024 году был установлен рекорд по выработке электроэнергии с отрицательными ценами. Если в 2023 году на оптовом рынке отрицательные цены сохранялись в течение 301 часа, то в 2024 году цены на электроэнергию оставались отрицательными уже 457 часов.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Также в минувшем году биржевая цена на электроэнергию реже пересекала критическую отметку в €0,10 за 1 кВт·ч. Превышение фиксировалось в течение 2296 часов, тогда как годом ранее такое наблюдалось в течение 4106 часов. Таким образом, средняя оптовая цена на рынке «на сутки вперёд» в годовом исчислении снизилась на 17,5 % — до €0,07851 за 1 кВт·ч.

Агентство также сообщило, что в 2024 году на возобновляемые источники энергии пришлось 59 % чистой выработки электроэнергии, что на 3 % больше, чем в 2023 году. Аналитики Fraunhofer ISE определили долю солнечной энергетики в Германии чуть выше — на уровне 62,7 %. При этом Bundesnetzagentur учитывает только ту электроэнергию, которая поступила в сеть, исключая собственное потребление владельцами генераторов.

В 2024 году общий объём выработки электроэнергии в Германии снизился на 4,2 %, составив 431,7 ТВт·ч. Возобновляемые источники энергии произвели 254,9 ТВт·ч, из которых на ветровую энергетику пришлось 111,9 ТВт·ч, а на солнечную — 63,3 ТВт·ч (по сравнению с 55,7 ТВт·ч в 2023 году). Доля солнечных систем составила 14,7 % выработки, а ветровых установок — почти 26 %.

Выработка электроэнергии из ископаемых ресурсов сократилась примерно на 11 %, составив 176,8 ТВт·ч. Производство электроэнергии на основе каменного угля уменьшилось на 31,2 %, бурого угля — на 8,8 %, тогда как выработка на газе увеличилась на 8,6 %.

В Китае успех первой очереди системы по хранению излишков возобновляемой энергии в сжатом воздухе в пещере вдохновил на 10-кратное увеличение мощности установки. Проект Jintan в Чанчжоу (провинция Цзянсу) получит два 350-МВт генератора, которые смогут вырабатывать 2,8 ГВт·ч электричества в год. Энергия будет накапливаться в соляной пещере объёмом 1,2 млн м³, что сделает этот проект крупнейшим в мире решением в данной области

Источник изображения: CNSIG

Первая в мире установка по хранению излишков энергии в сжатом воздухе в подземных условиях была создана в Германии в 1978 году (электростанция Huntorf). Она способна вырабатывать 290 МВт в течение двух часов ежедневно. В 1991 году подобная станция была построена в США — McIntosh Power Plant, её мощность составляет 110 МВт. В Китае сегодня работают от девяти до десяти таких станций с общей мощностью около 700 МВт, где сжатый воздух преимущественно хранится в контейнерах.

Проект Jintan, запущенный совместно с Китайской национальной группой соляной промышленности (CNSIG), Huaneng International Power Jiangsu Energy Development (дочерней компанией Huaneng Group — главного инвестора проекта), а также учёными из Университета Цинхуа, основан на использовании соляной шахты, выведенной из эксплуатации. Первая фаза проекта включала запуск 60-МВт установки по выработке энергии. Успешная реализация проекта подтвердила его эффективность, и теперь площадка будет дополнена двумя турбинами мощностью по 350 МВт каждая.

Система рассчитана на 330 циклов заряда и разряда в год. Днём она будет накапливать излишки солнечной энергии, закачивая воздух в пещеру, а ночью — вырабатывать электричество, используя сжатый воздух для вращения турбин. Для повышения КПД воздух будет предварительно подогреваться. Энергия для подогрева будет браться из предыдущего цикла: тепло, выделяемое при сжатии воздуха компрессором, будет сохраняться для использования в процессе генерации.

Эти технологии позволили поднять КПД установки до 60 %. Для сравнения: КПД аналогичной установки в США достигает 54 %, а в Германии — 40 %. После модернизации система автоматики позволяет запустить генерацию энергии за пять минут нажатием одной кнопки, тогда как ранее для этого требовалось 20 минут и последовательное выполнение операций специально обученным персоналом.

В конце октября финский стартап Polar Night Energy завершил наполнение ёмкости теплового аккумулятора 2000 тонн измельчённого мыльного камня. Аккумулятор будет хранить до 100 МВт·ч тепловой энергии с пиковой отдачей мощности 1 МВт. Этой ёмкости хватит на отопление небольшого городка неделю зимой и на месяц нагрева воды летом. Ввод в эксплуатацию состоится в 2025 году. Испытания начнутся через месяц или чуть позже.

Источник изображений: Polar Night Energy

О начале строительства масштабного накопителя тепла от избыточной выработки энергии солнечными и ветряными установками в регионе было сообщено в начале 2024 года. Ранее компания Polar Night Energy на примере пилотной установки мощностью 100 кВт и ёмкостью 8 МВт·ч показала, что идея хранить тепло в нагретом песке для последующего использования вполне рабочая и достаточно эффективная.

Для реализации масштабного проекта был заключён договор с общиной Порнайнен на юге Финляндии. Проект предусматривал наполнение бункера теплового аккумулятора диаметром 15 м и высотой 13 м 2000 тоннами песка. Точнее, песок использовался в пилотном проекте. Для масштабного проекта был выбран более теплоёмкий материал и по совместительству отходы производства одной из местных компаний — талькохлорит, который ещё называют мыльным камнем. Этот материал используется компанией Tulikivi для облицовки каминов и печей для саун. Использование для теплоаккумулятора отходов производства — это высший пилотаж в сфере безотходной экономики, и финны оказались в этом вопросе на высоте.

Поскольку основная часть работы завершена и остался только монтаж внешних узлов, работы вскоре перейдут в область проверки накопителя в условиях зимней эксплуатации. Ожидается, что полностью заряженный тепловой аккумулятор сможет неделю снабжать теплом дома граждан округа Lämpö. Накопитель будет подключёна к системе централизованного отопления и сможет обогревать до 5 тысяч граждан. Сдача объекта в эксплуатацию ожидается позже в 2025 году по результатам испытаний.

Исследователи из Австралии и Латвии открыли способ превратить бесполезные отходы из полистирола в источник чистой и условно бесконечной энергии. Полистирол оказался наиболее перспективным материалом для генерации статического электричества среди других пластиков. Статику можно снимать с полистирола, накапливать и превращать в бесплатную электроэнергию. А всё что нужно для возникновения зарядов — это лишь поток воздуха через пластинки полистирола.

Источник изображения: RMIT

Полистирол, использующийся, преимущественно, для упаковок, ежегодно производится в объёме 25 млн тонн. После использования он в основном оказывается на свалках. В переработку поступает лишь малая часть этого материала. Свойства полистирола делают его мусором длительного разложения — до 500 и более лет. Но эти же качества сделали его лучшим выбором для создания электростатических генераторов.

Учёные из Австралийского университета RMIT и Латвийского технического университета в Риге обнаружили, что обдуваемые потоком воздуха тончайшие пластинки из полистирола активно вырабатывают статическое электричество. Пластинки должны быть толщиной в десять раз тоньше человеческого волоса. Движение воздуха между ними заставляет их тереться друг от друга и возбуждать статический заряд, который затем направляется для зарядки конденсатора и дальше в электрическую цепь.

Источник изображения: Advanced Energy and Sustainability Research 2024

Такую установку для выработки электричества из множества параллельно расположенных полистироловых пластинок учёные предлагают устанавливать в местах постоянного движения воздуха. Например, в системах вентиляции. Установки смогут подпитывать местную сеть и даже сэкономят до 5 % потребления кондиционеров, если в последние встроить предложенную систему по сбору статического электричества.

Параллельно созданию электростатических генераторов из вторсырья исследователи глубже изучили природу возникновения статического заряда, чем двинули дальше фундаментальную науку. А ещё раньше подобное исследование провели учёные из США, которые изучили тонкости возникновения статики на примере шерсти домашних котиков. Возвращаясь к полистиролу, отметим, что сама идея вторичного использования полистирола не менее ценная, чем изобретение способа добывать энергию с его помощью.

Наземные ветрогенераторы сдержано наращивают размеры и диаметры роторов. Чем длиннее лопасти, тем выше уровень шума и общее воздействие на среду. В море нет недовольных жителей, которым это может навредить. Поэтому морские ветряные турбины без ограничений растут в размерах. Но свои рекорды есть и у наземных ветряных установок. Недавно китайская компания Sany Renewable Energy установила крупнейшую в мире установку с ротором диаметром 270 м.

Источник изображения: Sany Renewable Energy

Предыдущий рекорд принадлежал наземной ветряной турбине с ротором диаметром 240 м — установке компании Goldwind мощностью 12 МВт, развёрнутой в 2023 году. Компания Sany Renewable Energy легко побила этот рекорд, установив 15-МВт генератор SI-270150 с лопастями длиной по 131 м каждая. К тому же компания заявляет, что её лопасти частично перерабатываемы, что повышает экологичность, так как многие полимерные компоненты ветряков трудно поддаются переработке.

В целом на суше немного мест с постоянными сильными ветрами, что является одной из причин, почему наземные ветряные турбины не стремятся к гигантским размерам. Но ситуация постепенно меняется. Например, компания Sany Renewable Energy в этом году начала массовое производство лопастей длиной 131 м и не планирует останавливаться на этом. Также компания утверждает, что её новые турбины смогут работать 25–30 лет и дольше после небольшой модернизации, что обещает значительно окупить инвестиции в установку новых ветряков.

На фоне морских ветряных турбин новая установка Sany выглядит сравнительно скромно, занимая седьмое место в мире по размерам. Крупнейшая действующая установка принадлежит другой китайской компании — Mingyang Smart Energy, которая возвела 20-МВт морскую турбину с ротором диаметром 292 м. В 2025 году компания Mingyang обещает построить ещё более мощную и крупную морскую ветроустановку — 22-МВт с ротором диаметром 310 м.

Группа учёных Стэнфордского университета опубликовала работу, в которой дала прогноз по темпам роста в США тепловой аккумуляции в огнеупорных кирпичах. К 2050 году специалисты ожидают полный переход теплоёмких производств в США на возобновляемые источники энергии. Кирпичи станут недорогой альтернативой химическим аккумуляторам, накапливая и отдавая около 14 % энергии для теплоёмких производств.

Источник изображений: Rondo Energy

Огнеупорные кирпичи изготавливаются из обычных материалов, поэтому стоимость системы хранения тепла из огнеупорного кирпича будет более чем в десять раз дешевле, чем создание эквивалентной системы хранения энергии на обычных электрических аккумуляторах. В зависимости от используемого материала, кирпичи можно будет нагревать прямым способом, если они будут токопроводными, например, с графитом, или внешним нагревательным элементом, если кирпичи не будут пропускать через себя ток.

Тепловые аккумуляторы из кирпичей рассматриваются действующими властями США как проекты с высокой степенью повторяемости, что чрезвычайно удобно при массовом создании установок. В частности, Министерство энергетики США в настоящее время обсуждает вопрос субсидии в размере $75 млн компании Diageo North America, если она согласиться разместить на своих мощностях две теплоаккумулирующие установки на кирпичах производства компании Rondo Energy. Последняя поддержана фондом Билла Гейтса, и строит в Тайланде мегазавод по производству теплоаккумулирующих кирпичей, а производству нужен сбыт.

Согласно выводам учёных из Стэнфорда, в США возобновляемые источники энергии могут обеспечить теплом до 90 % энергоёмких промышленных процессов. Чтобы удовлетворить этот спрос, системы накопления энергии из кирпичей должны достичь ёмкости 2,6 ТВт·ч с пиковой отдачей 170 ГВт. Это позволит сократить вредные выбросы промышленности США на 9,6 %. В случае обеспечения кирпичами мирового теплоёмкого производства с использованием исключительно возобновляемой энергии, необходимо будет аккумулировать и выдавать в нагрузку 2,1 ТВт тепловой мощности.

В обозначенных масштабах системы накопления тепла из огнеупорного кирпича не только заменят 14 % ёмкости аккумуляторов, но и сократят годовое производство водорода для электрогенерации примерно на 31 % и мощности подземных хранилищ тепла примерно на 27 %.

Что касается себестоимости хранения тепловой энергии в кирпичах, то аналитики заявляют, что она будет, как минимум, в десять раз дешевле стоимости хранения энергии в аккумуляторах. Так, по некоторым оценкам в 2035 году стоимость хранения энергии в электрических аккумуляторах составит $60 за каждый кВт·ч. Это даёт стоимость энергии на уровне $6 за 1 кВт·ч в случае её хранения в огнеупорных кирпичах. А с учётом быстрого удешевления химических аккумуляторов остаётся вероятность, что суммы будут ещё меньше.

Отчет о состоянии мировой атомной промышленности (WNISR) за 2024 год, составленный немецким специалистом Майклом Шнайдером (Mycle Schneider), говорит о значительном превосходстве установленных солнечных электростанций над атомными. Несмотря на всю поднятую вокруг возрождения мирного атома шумиху, новых реальных проектов АЭС совсем немного, тогда как солнечная энергетика развивается очень и очень стремительно.

Этап строительства атомного энергоблока. Источник изображения: Hullernuc, Wikimedia

В отчёте WNISR указано, что по состоянию на 2024 год в мире насчитывается 408 действующих атомных реакторов, которые в середине года выдавали суммарно 367 ГВт электроэнергии. Это более чем в пять раз меньше установленных мощностей на солнечных электростанциях, совокупная мощность которых приближается к 2 ТВт (по прогнозу — 1,9 ТВт на конец июня). При этом необходимо понимать, что солнечные электростанции работают с перерывами и с разной эффективностью в светлое время суток. Поэтому реальная выработка в солнечной энергетике будет, очевидно, меньше.

Тем не менее солнечные мощности растут впечатляющими темпами и явно продолжат опережать атомную энергетику. В отчёте показано, что атомная энергетика остаётся ниже уровней 2019 и 2021 годов. В текущем году хоть и стало на один блок АЭС больше, но количество энергоблоков всё ещё остаётся на 30 меньше, чем в 2002 году, когда был отмечен пик по одновременно действующим реакторам. За прошедший год добавилось всего 0,3 ГВт атомных мощностей, что является довольно скромным показателем.

Интересно, но в стране с одним из самых больших количеством реакторов — в США — в 2024 году не подано ни одной заявки на строительство полномасштабного реактора. Заявка подана только на малый модульный реактор Билла Гейтса Natrium, который пока даже не получил лицензию от регулятора. Также от строительства новых блоков в этом году воздержались ОАЭ и Бразилия.

В отчёте также говорится, что только в прошлом году в Беларуси, Китае, Словакии, Южной Корее и США было введено в эксплуатацию пять новых ядерных реакторов общей мощностью 5 ГВт, и добавляется, что этого небольшого роста было недостаточно для увеличения действующих ядерных мощностей в мире, поскольку еще пять электростанций общей мощностью 6 ГВт были закрыты в Германии, Бельгии и на Тайване.

«За два десятилетия, в 2004–2023 годах, было 102 запуска и 104 закрытия, — отмечается в отчёте. — Из них 49 запусков были в Китае, где не было закрыто ни одного реактора. В результате за пределами Китая за тот же период произошло резкое чистое снижение на 51 реактор, а чистая мощность сократилась на 26,4 ГВт».

Авторы отчёта также сообщают, что на конец июня в 13 странах строилось 59 атомных станций мощностью 60 ГВт, что сопоставимо с 64 проектами в 2023 году. На долю Китая приходится около 46 % от общего числа строящихся 27 проектов.

«Все строящиеся реакторы, по крайней мере, в девяти из 13 стран столкнулись с задержками, часто на год, — заявили авторы отчёта. — Из 23 реакторов, задокументированных как отстающие от графика, по меньшей мере, для 10 сообщалось об увеличении задержек, а о 2 реакторах сообщалось как о первых задержках за последний год».

По словам аналитиков, ключевым моментом является анализ доминирующей роли Китая и России. С декабря 2019 года и до середины 2024 года в мире было начато 35 строительных работ, 22 в Китае и 13 осуществлялись в различных странах Россией.

«Больше ничего, нигде и никем, — говорит автор исследования. — Но даже в единственной стране, которая ведёт массовое строительство [реакторов], Китае, развитие ядерной энергетики сравнительно незначительно. В 2023 году Китай запустил один новый ядерный реактор, то есть плюс 1 ГВт, и более 200 ГВт только солнечной энергии. Солнечная энергия вырабатывает на 40 % больше энергии, чем ядерная, а все не гидроэнергетические возобновляемые источники энергии — в основном ветер, солнце и биомасса — вырабатывают в 4 раза больше энергии, чем ядерная».

Авторы приходят к выводу, что, несмотря на распространенное мнение о том, что ядерная энергетика набирает обороты, она становится «неактуальной» на мировом рынке. «Использование солнечной энергии и накопителей может изменить правила игры для адаптации политических решений к текущим промышленным реалиям», — добавляют они.

Китай стал полигоном для испытаний перспективных накопителей энергии, среди которых выделяется только что заработавшая буферная электростанция на маховиках. Система хранит кинетическую энергию во вращающихся маховиках, превращая её в электрическую почти мгновенно, ведь двигатель и генератор в ней — это одно и то же устройство.

Общий принцип маховичного накопителя энергии. Источник изображения: Pjrensburg, Wikimedia Commons

Проект маховичного накопителя энергии разработала китайская компания BC New Energy. Главным инвестором стала Shenzhen Energy Group. Производством установок занималась компания Shanxi Electric Power Construction Company совместно с Шаньсийским институтом энергетики, также в строительстве электростанции приняла участие компания China Energy Construction. Объект получил название электростанции Dinglun Flywheel Energy Storage. На его создание было потрачено 340 млн юаней ($48 млн). Плановое введение в эксплуатацию ожидалось в декабре 2023 года, но задержалось до конца лета 2024 года.

Общая мощность установки в городе Чанчжи провинции Шаньси достигает 30 МВт. Она состоит из 120 маховичных генераторов (накопителей), которые разделены на 10 блоков по 12 установок. Частота вырабатываемой энергии стабилизируется на уровне каждого из блоков. Все они подключены к высоковольтной сети напряжением 110 кВ.

Для безопасности каждая установка с маховиком полупогружена в колодец в земле. Для повышения эффективности работы маховики находятся в вакууме и подвешены на магнитной подвеске, что также снизило уровень шума от работающих машин. Созданная система стала самой мощной в мире и, вероятно, единственной на Земле, которая обслуживает потребителей на уровне коммунальных предприятий.

Подобные маховичные установки могут очень быстро переключаться между режимами накопления и расходования энергии, представляя собой идеальные буферы не только для хранения энергии, но и для сглаживания пиков её потребления и накопления.