Доля возобновляемых источников в производстве всей электроэнергии в мире достигла рекордного показателя — 33 %. Особенно стремительный рост показали солнечная и ветровая энергия. По прогнозам через 10 лет доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Источник изображения: Copilot

Согласно недавнему отчету независимого аналитического центра Ember, 2023 год стал поворотным для возобновляемой энергетики. Объемы выработки электроэнергии солнечными электростанциями выросли на 23 %, а ветровыми — на 10 %. В то же время производство электроэнергии с использованием ископаемого топлива, такого как уголь и газ, увеличилось лишь на 0,8 %. Такие темпы роста возобновляемых источников энергии являются беспрецедентными.

Стоит отметить, что ещё в 2000 году на возобновляемые источники приходилось лишь 19 % мирового производства электроэнергии, но за последние два десятилетия ситуация радикально изменилась. Аналитики прогнозируют, что в ближайшие 10 лет мир вступит в новую эру, когда доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Причины стремительного роста возобновляемой энергетики очевидны. Во-первых, стоимость солнечных панелей и ветряных турбин неуклонно снижается. Во-вторых, все больше стран вводят жесткие экологические нормы, стимулируя развитие «зеленой» энергетики. Наконец, растет общественное давление на правительства и корпорации с требованиями ускорить энергетический переход.

Впрочем, пока рано говорить о тотальном доминировании возобновляемых источников энергии. В 2023 году мировое производство гидроэлектроэнергии упало до пятилетнего минимума, что частично компенсировалось за счет угля и газа. Кроме того, глобальный спрос на электричество продолжает расти примерно на 2 % в год, и чтобы удовлетворить этот спрос исключительно за счет «зеленой» энергетики потребуются колоссальные инвестиции в ветровые и солнечные мощности.

Источник изображения: Ember

Тем не менее, общая тенденция такова — мир неуклонно движется к возобновляемому энергетическому будущему, а согласно прогнозам Ember, в ближайшее десятилетие масштабы использования ископаемого топлива будут неуклонно сокращаться, что приведет к существенному снижению выбросов парниковых газов. И хотя полная декарбонизация энергетики потребует значительных усилий, 2023 год продемонстрировал, что этот процесс необратим.

В отчете Ember собраны данные из 215 различных стран, включая данные по 80 странам, на которые приходится 92 процента мирового спроса на электроэнергию. Также включены данные из 13 географических и экономических регионов, таких как Азия, Африка, ЕС и G7.

Отказоустойчивость интернета как сетевой инфраструктуры поражает, если не знать, что она разрабатывалась для сохранения связи в зонах ведения боевых действий. Нечто подобное американские учёные решили создать для сетей электроснабжения с упором на микросети на возобновляемых источниках энергии и системы накопления.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Выбор микросетей на возобновляемых источниках энергии был очевиден — они не зависят от внешних поставок энергоресурсов для производства электрической энергии и даже в случае каких-либо аварий смогут работать локально. Поэтому главной задачей было создание архитектуры и протоколов для обхода или изоляции повреждений на линии и балансировки выдаваемой и потребляемой мощности. Также важным моментом стала защита от кибернетических атак, что сегодня вообще не должно вызывать вопросов.

Сообщается, что поставленная задача в основном была решена группой исследователей из Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Laboratories) — одной из 16 национальных лабораторий под управлением Министерства энергетики США. Они разработали протоколы и алгоритмы для управления микросетями, включая работу программируемых сетевых реле.

Платформа по обеспечению отказоустойчивого энергоснабжения сама оценивает повреждения на линиях или оборудовании, а также вырабатываемую и потребляемую мощность. Она также может подключаться к общей сети электроснабжения, но в случае перегрузки будет управлять не возможностями инвертора, а начнёт отключать менее важных потребителей, например, частные домохозяйства, отдавая предпочтение больницам и другим критически важным структурам. Кроме того, протокол предусматривает разрывы нежелательных закольцовок, которые могут появиться при обрывах и восстановлении энергоснабжения.

Интересно отметить, что разработать алгоритм реконфигурации сети электроснабжения помогло программное обеспечение для сферы автоматизированного проектирования. Представленные учёными алгоритмы на примере трёх небольших взаимосвязанных микросетей позволили локализовать неполадки, в том числе повреждённые поваленными деревьями линии электропередач и повреждения на электростанции, а затем восстановить электроснабжение основных объектов инфраструктуры.

Учёные из США разработали эффективную конструкцию микробных топливных элементов (МТЭ или MFC — microbial fuel cell), детали к которым можно найти на полках магазинов. Идея таких элементов была предложена около 100 лет назад, однако пока им не находилось применения. Сегодня подобные источники питания могут пригодиться для автономных датчиков с малым потреблением, и это может дать технологии путёвку в жизнь.

Источник изображений: Bill Yen/Northwestern University

Микробные топливные элементы работают на способности бактерий в процессе питания органическими остатками в субстрате — буквально в грязи — отрывать электроны и передавать их аноду. В новой батарее анод изготовлен из пористого углеродного материала в виде диска на её дне. Бактерии живут в нём и в процессе питания освобождают электроны. Процессы происходят без доступа кислорода. Для работы батарею необходимо донышком погрузить в грязь почти доверху.

Для длительной работоспособности подобных элементов важным условием было поддержание высокой влажности субстрата. Несоблюдение его могло свести на нет использование микробных топливных элементов. Также распространению МТЭ прежде мешала низкая выходная мощность. Для современных автономных датчиков низкая мощность источников питания — это не проблема. Что касается перепадов влажности, то учёные из Северо-Западного университета создали такую конструкцию батареи, чтобы она могла находиться как можно глубже в почве, где колебания влажности меньше.

Совсем погружать такую батарею в грязь нельзя. Для осуществления окислительно-восстановительных реакций на катоде, что ведёт к протеканию электрического тока, к катоду должен быть доступ кислорода. Катод в новой батарее располагается вертикально перпендикулярно дисковому аноду на дне элемента. По внешней стороне катод покрыт водоотталкивающим покрытием, что обеспечивает ему контакт с воздухом. Внутренняя сторона катода закрыта ионоселективной мембраной. Мембрана обращена внутрь пустого контейнера с крышкой, защищающей его от попадания грязи вовнутрь.

Тестирование конструкции показало стабильную работу при различных уровнях влажности почвы, от полностью пропитанной влагой до «умеренно сухой» с 41 % воды по объёму. В среднем элемент вырабатывал примерно в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы простейших датчиков влажности и касания, а также обеспечивал работу передатчика для отправки данных на базовую станцию.

«Если мы представим будущее с триллионами таких устройств [автономных датчиков], мы не сможем изготовить каждое из них с питанием от лития, тяжёлых металлов и других токсических веществ, которые опасны для окружающей среды, — говорят разработчики. — Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для расщепления почвы и вырабатывают небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органика, необходимая для питания и разложения микробами, топливный элемент потенциально может работать вечно».

Уже целый ряд стран вплотную занимается проектами по передаче электроэнергии из космоса потребителям на Земле, включая Россию, США и Китай. К ним вскоре может присоединиться ЕС. В свою очередь Япония планирует провести в 2025 году эксперимент, который позволит проверить на деле разработанные технологии по передаче электроэнергии на большие расстояния. В рамках эксперимента учёные попытаются отправить электроэнергию со спутников на приёмные наземные станции.

Источник изображений: Kyoto University

В Японии исследованиями в этой сфере ранее занималась группа учёных под руководством бывшего президента Киотского университета Хироси Мацумото (Hiroshi Matsumoto), который первым в мире осуществил в 1980-х годах передачу энергию с помощью микроволн в пространстве.

В 2009 году учёным Киотского университета удалось с помощью микроволн передать энергию с находящегося на высоте 30 метров дирижабля на мобильный телефон пользователя. В том же году стартовал посвящённый этой тематике проект, возглавляемый Министерством экономики, торговли и промышленности Японии, в котором участвуют промышленные компании, правительство и высшие учебные заведения.

В 2015 году японские учёные провели успешные эксперименты по передаче микроволновой энергии на 50 м в горизонтальном направлении и в вертикальном направлении на такое же расстояние в 2018 году. Сообщается, что в будущем будут предприняты попытки передачи энергии в вертикальном направлении на расстояние от 1 до 5 км.

Аналогичные проекты с целью дальнейшей коммерциализации передачи энергии из космоса продвигают и другие страны. В частности, в США реализацией крупномасштабных проектов в этой области занимаются исследовательская лаборатория ВВС США и Калифорнийский технологический институт, а в Китае уже несколько лет ведётся строительство наземной станции для принятия высокоэнергетического микроволнового излучения с орбиты по проекту Чунцинского университета. В правительстве решили ускорить запуск экспериментов с передачей энергии с орбиты на 2 года — наметив их проведение на 2028 год вместе ранее запланированного 2030 года.

В минувшую среду энергетический сектор Финляндии столкнулся с необычной проблемой — избытком «чистой» электроэнергии, цены на которую приняли отрицательные значения. Этот факт примечателен ещё и тем, что значительная часть Европы продолжает бороться с энергетическим кризисом.

Источник изображения: Merja Partanen / pixabay.com

О том, что средняя цена на электроэнергию в течение дня стала «немного» ниже нуля, рассказал в эфире финской общественной телекомпании Yle Юкка Руусунен (Jukka Ruusunen), гендиректор сетевого оператора Fingrid. На практике никто, конечно, не будет перечислять рядовым гражданам деньги за потребление электроэнергии — люди платят по согласованным тарифам, а не рыночным ценам. Падение же рыночной цены было вызвано неожиданным избытком возобновляемой энергии, а также тем фактом, что на фоне ситуации на Украине в Финляндии сократилось потребление энергии.

Финляндия сумела перейти от дефицита электроэнергии к её избытку за считаные месяцы: минувшей зимой энергетики призывали граждан следить за потреблением электричества, теперь же они задумываются об ограничении его выработки. Первоначально энергетический кризис возник из-за запрета российских энергоносителей, но в апреле в эксплуатацию была введена АЭС «Олкилуото-3», из-за чего электричество в стране в тот же месяц подешевело до €60,55 за 1 МВт·ч, хотя ещё в декабре оно стоило €245,98. Финляндия стремится стать углеродно нейтральной к 2035 году и активно внедряет решения в области возобновляемых источников энергии — к 2027 году основным источником должен стать ветер.

Ещё одной причиной отрицательных цен на электричество стали наводнения в странах Северной Европы, из-за которых, в частности, финские гидроэлектростанции начали работать с перегрузкой. Но несмотря на кажущуюся курьёзность этой проблемы она представляет энергетическому сектору страны ощутимый дискомфорт: операторы не смогут нормально работать, если стоимость электроэнергии будет ниже себестоимости её производства.

«Нерентабельную при таких ценах продукцию обычно удаляют с рынка», — напомнил господин Руусунен. Гидроэнергетику «замедлить» или «отключить» не получится, поэтому сократить выработку придётся другим производителям, включая АЭС, чтобы не терять на ней деньги. Зато рядовые граждане теперь смогут свободно использовать столько энергии, сколько они захотят, заключил глава оператора.

Учёные из Университета Ватерлоо (Канада) рассказали о разработке умной ткани, которая меняет свои цвет и форму под воздействием соответственно тепла и электричества. Изобретение может оказаться полезным в самых разных областях, включая виртуальную реальность и робототехнику.

Источник изображения: uwaterloo.ca

Науке уже известны материалы, изменяющие некоторые свои свойства под внешними воздействиями, однако во всех случаях речь идёт только об одном из них, тогда как в новом проекте речь идёт о двух разных свойствах и двух раздражителях. При помощи устройства, похожего на ткацкий станок, учёные объединили в материале полиэтилентерефталат, термохромные микрокапсулы и волокна из нержавеющей стали. Получившаяся ткань, с одной стороны, отличается прочностью, а с другой — сохраняет гибкость и мягкость.

Под воздействием фена при повышении температуры с 20 до 60 °C ткань равномерно меняет цвет с пурпурного на синий, а при последующем охлаждении возвращается к исходному окрасу. Когда же ткань нагревают, подавая на неё электричество, она меняет не только цвет, но и форму. Исследователи даже смогли выборочно активировать разные участки ткани, подавая питание на определённые точки. Материал изменяет свойства при подаче всего 5 В на 20 с — это значит, что его можно будет использовать в небольших портативных устройствах.

Важнейшим достоинством решения является его экономическая эффективность: использованные в проекте полимеры были из переработанного пластика, а значит, он может найти широкое применение в различных областях. Авторы проекта предполагают, что это могут быть приложения виртуальной реальности, искусственного интеллекта и проекты в области робототехники.

Группа учёных из Университета штата Мичиган доложила о получении жидкости, которая «бросает вызов простым теоретическим объяснениям», поскольку демонстрирует пьезоэлектрические свойства. Материал можно будет использовать в оптических приборах или в «новой области пьезогидравлики».

Источник изображения: pubs.acs.org

Пьезоэффект, то есть поляризация диэлектрика при механической деформации, был открыт в 1880 году. Есть также обратный эффект — возникновение механических деформаций в электрическом поле. Обладающие такими свойствами материалы — пьезоэлектрики — сейчас применяются очень широко. Они используются в наручных кварцевых часах, усилителях, трансформаторах и даже зажигалках. Но до настоящего момента это были твёрдые вещества, потому что пьезоэлектрических жидкостей не наблюдалось.

Новое свойство вещества было открыто в ходе изучения двух ионных жидких солей: когда их поместили в цилиндр и начали сжимать поршнем, обе жидкости начали генерировать электричество пропорционально прилагаемой силе, и это, как выразился глава исследовательской группы профессор Гари Бланшар (Gary Blanchard), «шокировало нас до чёртиков». Кроме того, в жидкости был обнаружен эффект «индуцированного градиента свободного заряда», соответствующий обратному пьезоэффекту.

До настоящего момента считалось, что пьезоэлектриками могут быть только материалы с кристаллической структурой, которые отличаются высокой упорядоченностью. Поэтому учёные даже не пытались обнаруживать подобные свойства в жидкостях. Сейчас исследователи пытаются изучить механизмы возникновения пьезоэффекта в жидкостях, а также найти новые вещества из этой группы с более высокой проводимостью, потому что выявленный у этих жидкостей пьезоэффект проявляется «на порядок меньше, чем у кварца».

Авторы исследования уже попробовали использовать своё открытие на практике, поместив жидкости в контейнер в форме линзы — воздействовав на неё электричеством, они смогли изменить фокусное расстояние. Они также отметили, что открытие потребует изменений в теории пьезоэффекта для объяснения экспериментальных наблюдений. Наконец, эти жидкости при промышленном применении обещают быть безвредными для окружающей среды — в отличие от многих твёрдых пьезоэлектриков, они не содержат свинца.