Связанная с минимальным вредом для окружающей среды деятельность человека не означает отказа от высоких технологий — напротив, интеллектуальные системы позволяют оптимизировать потребление энергии. Но производство чипов, лежащих в основе экологически чистых технологий, и само отличается заметным углеродным следом.

Источник изображения: Maxence Pira / unsplash.com

Самая значительная часть выбросов, связанных с электронными устройствами, приходится на потребление ими энергии, а на производство микросхем, установили в 2020 году учёные Гарварда. Завод по производству чипов может потреблять несколько десятков тысяч кубометров воды ежедневно — и каждый кубометр означает более 10 кг углеродных выбросов, приходящихся на транспортировку и очистку.

Спрос на чипы растёт, а значит, производители повышают энергопотребление — по мере наращивания мощностей предприятий увеличивается их углеродный след. Наиболее ярко проблема выражена в Азиатско-Тихоокеанском регионе, традиционно доминирующем в мировой полупроводниковой промышленности, которая только в 2022 году обеспечила здесь выручку в $330 млрд, то есть более половины глобального объёма. Самые передовые производители находятся на Тайване и в Южной Корее — обе страны надеются выйти на нулевые выбросы к 2050 году, но пока это лишь планы. В 2020 году выбросы тайваньской TSMC, составленные из её собственной деятельности и закупаемой энергии, достигли около 10 млн тонн, примерно столько же, сколько генерирует столица страны Тайбэй. Южнокорейская Samsung в 2021 году показала 15,6 млн тонн выбросов.

Реализации планов по снижению выбросов способствуют, в частности, дочерние компании этих предприятий, специализирующиеся на экологически чистых решениях: та же TSMC в рамках этой программы обеспечила себе 9 % энергии из возобновляемых источников. Но для Азии это скорее исключение: почти вся энергия Тайваня и около двух третей энергии Южной Кореи поступают от ископаемых источников. А к 2050 году TSMC, Samsung и SK hynix собираются полностью перейти на возобновляемые источники.

Источник изображения: tsmc.com

Важным сырьём для производства чипов является водород, и важнейшей задачей предприятий является доступ к его получению без образования углекислого газа — в Европе эту задачу уже решила компания Linde, организовавшая поставки на австрийский завод Infineon. Производство «чистого» водорода — это ещё полдела, ведь необходима и транспортная инфраструктура для организации его поставок. Здесь успехов достигло подразделение Samsung C&T, которому удалось наладить полную цепочку от производства водорода из аммиака до доставки готовой продукции на внутренний рынок. Другое подразделение Samsung разрабатывает экологически чистые силовые установки для водного транспорта — в том числе на водородном топливе.

Samsung SDI уже стала одним из крупнейших в мире производителей накопителей энергии, захватив около десятой доли мирового рынка — ещё 6 % приходятся на дочерние компании SK hynix. По мере того как целевые показатели по выбросам начинают пересматриваться на уровне правительств, растёт и рынок систем хранения энергии — к 2030 году он обещает удвоиться и достичь $430 млрд, уверены аналитики. Системы становятся компактнее и легче, а число аккумуляторных элементов в них растёт. Та же Samsung SDI по итогам I квартала доложила о рекордных финансовых результатах — прибыль подразделения превысила $4 млрд.

Азиатским производителям полупроводников приходится сопоставлять вводимые мощности с прогнозируемыми показателями спроса, где одним из факторов сегодня является бум систем искусственного интеллекта, и реагировать на новые нормы в отношении выбросов.

В NASA сообщили, что регулирующий орган ВВС США присвоил проекту экспериментального самолёта со сверхтонкими и длинными крыльями идентификатор X-66A. Это означает, что проект получит своё воплощение в полноценном летающем демонстраторе самолёта. Непосредственно изготовлением самолёта займётся компания Boeing, для чего будет модифицирован самолёт McDonnell Douglas MD-90.

Источник изображения: NASA

США поставили перед собой цель стать углеродно нейтральными к 2050 году. Без декарбонизации авиации этой цели достичь будет сложно. Одним из направлений на этом пути станет разработка рабочей лошадки — среднемагистрального самолёта с пониженным расходом топлива. Предполагается, что переход на тонкие и сверхдлинные крылья с подпорками (Transonic Truss-Braced Wing) обеспечит снижение расхода топлива до 30 %.

В качестве экспериментального образца компания Boeing возьмёт обычный среднемагистральный самолёт McDonnell Douglas MD-90, укоротит фюзеляж, поставит новые крылья с фермами-опорами и новые двигатели. Для этого ещё зимой Boeing подписала контракт с NASA на сумму $425 млн на 7 лет. Всего реализация проекта потребует примерно $725 млн, недостающую часть которых Boeing вложит из своих средств и средств партнёров.

Источник изображения: Boeing

Самолёт X-66A станет первым в истории США проектом, создаваемым специально для достижения климатических целей в авиации, хотя он не единственный и ряд компаний уже занимаются похожими вопросами.

Норвежская круизная компания Hurtigruten Norway из Осло в честь своего 130-летия представила концепцию экологически чистого круизного судна будущего — Sea Zero. Проект должен воплотиться в жизнь к 2030 году и в дальнейшем такими судами будет заменён весь круизный флот компании. Приводить в движение судно будут электрические двигатели и выдвижные паруса, а питать их будут аккумуляторы и солнечные панели на парусах.

Источник изображений: Hurtigruten Norway

Судно Sea Zero аккумулирует в себе все передовые разработки в области хранения и использования электрической энергии, некоторые из которых ещё даже не вышли из лабораторий. Поэтому в следующие два года компания будет исследовать возможности и прорабатывать проект. Например, будет много сделано для изменения проектов пассажирских кают, ведь пассажиры — главные потребители электричества во время путешествия. Кондиционеры, вентиляция, обогрев, развлечения и многое другое — всё это потребует переосмысления для большей экономии энергии. Пассажирам, кстати, самим предложат следить за расходом ресурсов через приложение, что поможет снизить общее потребление.

На сегодня предполагается, что длина судна Sea Zero составит 135 м. На судне будет 270 кают для перевозки 500 пассажиров. Экипаж судна — 99 человек и один искусственный интеллект. ИИ будет управлять как судном в процессе навигации, так и его бортовым оборудованием. Рубка управления больше напоминает кабину современного авиалайнера, а не обычного корабля.

На борту Sea Zero будет аккумулятор ёмкостью не менее 60 МВт·ч. Зарядка будет проходить у пристани. Для подзарядки во время движения по воде предусмотрены солнечные панели на выдвижных парусах. Площадь панелей будет достигать 1 500 м² (площадь парусов — 750 м²). Судно также сможет двигаться на парусах, если это позволит ветер.

Круизные путешествия по морю и рекам остались востребованы даже во время пандемии COVID-19. В текущем году планируются круизы на 301 судне, которые перевезут до 31 млн пассажиров. Все современные суда оборудованы дизельными двигателями и оставляют после себя чудовищный углеродный след. Путешествия на судах типа Sea Zero будет минимально воздействовать на окружающую среду, что особенно важно для поездок по замкнутым водоёмам и рекам. Когда-нибудь так обязательно будет. Осталось этого дождаться.

Грядущие экологические нормы и климатические цели грозят приземлить всю коммерческую авиацию, если до 2050 года не появятся самолёты с нулевым выбросом или с серьёзной экономией топлива. Компания Bombardier намерена решить эти проблемы созданием самолёта Ecojet по типу «смешанное крыло». Благодаря новым обводам воздушное судно будет экономить до 50 % топлива. Масштабные модели Ecojet уже поднялись в воздух.

Рендер Ecojet. Источник изображения: Bombardier

Есть мнение, что увлечение авиаконструкторов схемой «летающее крыло» или его разновидностью «смешанное крыло» объясняется ориентированием на водородное топливо в будущем авиации. В подобных схемах объём фюзеляжа уменьшается, а полезное пространство для груза, экипажа или оборудования появляется в утолщённых крыльях, в которые фюзеляж как бы плавно перетекает.

Масштабная модель Ecojet

Газообразный и сжиженный водород, а также оборудование для его использования в качестве топлива занимают сегодня очень много места, и дополнительное пространство всему этом хозяйству явно потребуется. Поэтому проекты со «смешанным» и «летающим» крылом сегодня можно найти у всех ведущих компаний, конструирующих и производящих самолёты. Британская компания Bombardier не стала исключением и разрабатывает собственный проект перспективного экологически чистого самолёта.

До прошлого года Bombardier проводила лётные испытания прототипа Ecojet, изготовленного в масштабе примерно 7 % от финального размера. В конце 2022 года в небо поднялась модель вдвое большего размера, и она демонстрирует все заложенные в неё конструкторами характеристики. Пронаблюдать воочию за полётами модели можно на видео выше. Других подробностей о проекте компания не распространяет.

Портал «Глобальная энергия» со ссылкой на аналитиков Ember сообщил, что по итогам 2022 года выбросы парниковых газов в энергетике достигли нового исторического максимума — 12,43 млн т эквивалента CO₂. К счастью, эксперты отмечают снижение удельной углеродоёмкости генерации — это означает, что энергетика понемногу «зеленеет».

Источник изображения: НИТУ МИСИС

В период с 2021 по 2022 год выбросы парниковых газов в энергетике выросли на 1,3 %. За тот же период удельная углеродоёмкость генерации снизилась на 1,1 % или до 436 г эквивалента CO₂ на каждый кВт•ч выработки. Подобную картину специалисты наблюдают в течение последних 20 лет. Один параметр растёт (к сожалению, довольно быстро), а другой — снижается. Так, с 2000 года по 2022 год выбросы парниковых газов в мире выросли на 78 %. На этом фоне за тот же период средний объём выбросов при выработке 1 кВт•ч электроэнергии снизился на 6 % или с 466 до 436 г CO₂-эквивалента.

За указанный период прирост потребления электроэнергии в мире вырос на 90 %, что и стало причиной увеличения выбросов, ведь главный упор был на быстрое получение электричества, что возможно только в случае использования дешёвого ископаемого топлива. Особенно проявил себя Азиатско-Тихоокеанский регион, где бурный рост экономик породил волну строительства, прежде всего, угольных электростанций. Так, только на долю Китая и Индии в период с 2000 по 2022 годы пришлось 81 % общемирового ввода мощностей угольных электростанций (1221 из 1500 ГВт).

Сегодня в Азиатско-Тихоокеанском регионе ежегодная потребность в электричестве достигает внушительных 13 546 ТВт•ч. Это сопоставимо с приростом потребления электроэнергии во всём мире за последние 20 лет.

США тоже не отставали в вопросе наращивания генерации от ископаемых источников, но в основном строили электростанции на газе. Потребление электричества в США с 2000 по 2022 годы выросло на 13 % (до 4338 ТВт•ч). За это время в стране ввели в эксплуатацию мощности объёмом 179 ГВт, что составило 19% от мирового объёма. В Китае, для сравнения, за то же время ввели в строй 107 ГВт мощностей или 11 % от общемирового объёма. Тем самым выбросы парниковых газов в США выросли к 2022 году с 301 млн т CO₂-эквивалента в 2000 году до 828 млн т в 2022 году.

Снижение углеродоёмкости, которое шло параллельным курсом, произошло за счёт введения чистой энергетики от ветряков и солнечных ферм до гидроэлектростанций и генерации с помощью других чистых или возобновляемых ресурсов. В 2000 году на ветровые и солнечные фермы приходилось 0,2 % глобальной выработки электроэнергии, в 2022 году — уже 12 %. В целом доля низкоуглеродных источников за это время выросла с 35,8 % до 39,1 %, а доля генерации на ископаемом топливе упала с 64,2 % до 60,9 %.

Из представленной отчётности можно заключить, что мир медленно и неуверенно идёт к цели стать углеродонейтральным к 2050 году или около того. В этой связи специалисты начинают бить тревогу — мы не успеваем решить проблему, и это станет катастрофой для следующих поколений.

«Мировое сообщество не имеет реальных возможностей для ограничения роста температуры в пределах 2,0 °С и тем более 1,5 °С; эти возможности не станут доступными, если рост населения мира не будет приостановлен в течение жизни текущего или следующего поколения», — утверждает Александр Клименко, соавтор исследования, академик РАН, профессор, д.т.н., ведущий эксперт центра компетенций НИТУ МИСИС. Но это уже другая, хотя и довольно пугающая история.

Нейтральности в сфере углеродных выбросов компания TSMC стремится достичь только к 2050 году, при этом уже к концу текущего десятилетия энергопотребление её предприятий в совокупности утроится до уровня, соответствующего потребностям 5,8 млн человек. Активисты настаивают, что на возобновляемые источники энергии компания должна перейти к 2030 году.

Источник изображения: AFP

Группа неправительственных организаций, как сообщает South China Morning Post, выступила с обращением к руководству TSMC, призвав крупнейшего в мире контрактного производителя полупроводниковых компонентов решительнее переходить на использование возобновляемых источников энергии и сокращение углеродного следа. Перейти к углеродной нейтральности компании, по мнению экозащитников, следует завершить на двадцать лет раньше цели, уже к 2030 году.

Согласно прогнозам, мировая полупроводниковая промышленность к 2030 году будет потреблять не менее 286 ТВт·ч электроэнергии, более чем в два раза больше относительно 2021 года, а по уровню выбросов в эквиваленте углекислого газа к тому времени в два раза обойдёт Португалию с её 40,8 млн тонн по состоянию на 2021 год. Непосредственно TSMC в 2021 году только 9 % всей энергии получала из возобновляемых источников, и к концу десятилетия компания будет потреблять столько электричества, что хватило бы на обеспечение нужд четверти населения Тайваня. В принципе, в последние годы периоды засухи и аномальной жары на острове уже обнажали проблемы отрасли в виде нехватки водных ресурсов и электричества.

TSMC заявила, что уделяет особое внимание переходу на возобновляемые источники энергии, ещё в 2020 году утвердив программу перехода к углеродной нейтральности к 2050 году. Компания заключила крупнейшее в мире соглашение с датской энергетической компанией Orsted на приобретение 920 МВт·ч электроэнергии, полученной из возобновляемых источников, на протяжении следующих двадцати лет. С тайваньской Ark Power у неё заключено соглашение на покупку 20 000 ГВт·ч электроэнергии из возобновляемых источников сроком на двадцать лет. Пока компания не собирается приближать переход к углеродной нейтральности, рассчитывая осуществить его лишь в 2050 году.

Созданный учёными из Калтеха стартап Captura собирается построить в порту Лос-Анджелеса опытный комплекс по прямому улавливанию углекислого газа из океанской воды. Пилотный проект позволит оценить все плюсы и минусы технологии, а также даст время решить, что делать с добытым таким образом CO₂. Экологи опасаются, что всё это поддерживается добывающими углеводороды компаниями только для отвода глаз.

Проект станции по извлечению CO₂ из океанской воды. Источник изображения: Caltech

Власти США назвали технологии улавливания углекислого газа одними из перспективных для борьбы с углеродным следом. На эти цели на ближайшие годы будут выделены миллиарды долларов. Большие и маленькие компании разрабатывают уникальные проекты и строят установки. Правда, часто уловленный такими установками CO₂ приходится выпускать обратно в воздух, объясняя это отладкой процессов. Как и каким образом утилизировать уловленный углекислый газ или превращать его в продукцию или химическое сырьё — на это пока однозначного ответа нет.

Стартап Captura, который публично заявил о себе в этом году, был основан два года назад и сумел в 2022 году выиграть денежный приз на конкурсе XPrize, учреждённом Илоном Маском для ряда инновационных областей, куда также входит тема борьбы с потеплением климата. Стартап смог запустить свой первый пилотный проект в августе прошлого года в Ньюпорт-Бич, Калифорния. Мощность установки позволяла извлекать из морской воды до 1 т CO₂ в год. Установка в государственно-частном исследовательском центре AltaSea в порту Лос-Анджелеса, которую вскоре начнут создавать, сможет извлекать из морской воды уже до 100 т CO₂ в год.

Установка по прямой добыче CO₂ из морской воды (мощность — 100 т CO₂ в год). Источник изображения: Captura

Новые заявленные объёмы извлечения углекислого газа из океанской воды тоже небольшие — это выбросы всего 22 автомобилей в течение года. Новая установка призвана выявить все положительные стороны проекта, а также все его недостатки, что более важно учесть перед созданием более масштабных объектов. Например, остаётся открытым вопрос качества фильтрации морской воды — технология запросто может убить планктон, а это кормовая база морских обитателей. Также планктон сам поглощает CO₂.

В процессе работы установка Captura будет забирать определённый объём морской воды и небольшую часть из этого объёма — менее 1 % — подвергнет процедуре электродиализа. Это ещё сильнее закислит воду, в процессе чего будет выделена условно кислота и базовый бессолевой раствор. Кислота добавляется в основную массу закачанной воды, где с её участием начинают происходить химические реакции с активным выделением CO₂. Углекислый газ улавливается, а освобождённая от него вода с добавленным бессолевым раствором возвращается обратно в океан.

Основная идея в этом проекте — это позволить Земле с помощью океанов самоочищаться от избытка CO₂. Океанские воды легко поглощают избытки углекислого газа из воздуха и ежегодно освобождают атмосферу на 6 млрд т CO₂ или около того. Улавливая CO₂ из морской воды мы очищаем этот природный фильтр и позволяем ему работать лучше. Также мы снижаем кислотность океанских вод, что положительно действует на множество морских экосистем от моллюсков до коралловых рифов.

Надо отметить, что одним из главных спонсоров Captura в новом проекте является крупнейшая в США добывающая компания Southern California Gas. Другими инвесторами стартапа называются нефтегазовые гиганты Aramco и Equinor. Всё это даёт повод подозревать добывающие компании в желании создать видимость борьбы с выбросами парниковых газов вместо того, чтобы сократить или вовсе прекратить добычу ископаемых, в чём уверены многие экологи.

И все же множество компаний, особенно крупных технологических, обращаются к разработкам, направленным на прямую фильтрацию CO₂ из воздуха и воды, чтобы компенсировать часть своих выбросов. Так, Captura заключила контракт с группой Frontier, созданной компаниями Stripe, Alphabet, Meta✴, Shopify и McKinsey. Эта группа и инициатива намерены облегчить другим компаниям компенсацию выбросов с помощью новых технологий удаления углерода. Через Frontier компания Captura намерена продавать углеродные кредиты, которые представляют собой тонны CO₂, извлеченные из океана. Кредиты, скорее всего, будут получены от ещё одного экспериментального завода, который стартап планирует построить в следующем году. Это не первый такой проект и, очевидно, не последний. Не исключено, что что-то из этого даст ощутимый результат.

Специалисты с цифрами в руках доказали преимущество аккумуляторных электромобилей над бензиновыми авто. Однако связанные с эксплуатацией электромобилей выбросы парниковых газов сильно зависят от происхождения электричества для зарядки батарей, и в этом кроется подвох. В полученных для США данных электромобили оказываются экологически безупречными далеко не во всех штатах, и это касается всех стран мира.

Источник изображения: Pixabay

Согласно информации некоммерческой организации Union of Concerned Scientists и данным Института ядерной энергии США, аналитическая компания Sivak Applied Research произвела расчёт углеродных выбросов от использования электромобилей в отдельных штатах в зависимости от объёмов использования восьми основных типов электрогенерации.

Источник изображений: Sivak Applied Research

Нетрудно догадаться, что уголь и нефть являются источниками энергии, приводящими к наибольшим выбросам, а гидроэнергия, ветер и атомная энергия являются источниками энергии, приводящими к наименьшим выбросам. В двух крайних случаях уголь и нефть приводят к выбросам, примерно в 176 раз превышающим выбросы от гидроэнергетики, относительно которой строятся все расчёты (она принята за единицу).

Например, в Род-Айленде доминирующим источником выработки электроэнергии является природный газ (90,9 %), в Западной Вирджинии — уголь (90,8 %), в Вашингтоне — гидроэнергия (64,6 %), а в Нью-Гэмпшире — атомная энергия (56,5 %). Выше в таблице приведены данные о пяти штатах, где электромобили используют наиболее грязную электроэнергию, и пяти других, где электричество для электромобилей создаёт наименьший углеродный след. Все цифры приведены к гидроэнергетике, которая принята за 100 %. Как видим, в Западной Вирджинии в среднем эксплуатация электромобилей в 66 раз вреднее, чем в Вермонте.

Выше в таблице приведены данные по доле той или иной генерации в выработке электричества в каждом из этих двух штатах. Электромобили не везде одинаково полезны, что требуется учитывать в программах по снижению углеродного следа. Вероятно, этим можно управлять, например, заряжая электромобили в определённое время суток, что будет отличаться от штата к штату. Но для этого необходима разработка внятных программ и алгоритмов, а также работа с населением.

Ещё раз подчеркнём, похожая ситуация складывается не только в США, но и в других регионах мира, что требует комплексного подхода к смягчению проблемы. Иначе облегчив экологическую ситуацию на транспорте в одном месте, мы навредим в другом.