Новые энергетические технологии: современные прорывные изобретения, разработки и проекты

Возобновляемые источники энергии

Привлекательность возобновляемых источников энергии, в том числе электростанций, работающих на биомассе, растет с каждым днем. Растущий спрос на такие электростанции объясняется такими параметрами, как:

• удобная возможность генерировать большое количество энергии;
• минимальные вложения;
• высокие эксплуатационные характеристики;
• эксплуатационная надежность электростанции.

Расширение производства энергии из биомассы особенно важно для ряда европейских стран с довольно амбициозными энергетическими целями. В то же время ухудшение экономических условий сильно препятствует расширению этого рынка.

В последние годы власти нескольких европейских стран минимизировали или полностью приостановили субсидирование производства электроэнергии из биотоплива. Поэтому дальнейшее развитие таких силовых установок подрывается. Несмотря на это, где электроэнергия играет ключевую роль, они показывают, что оборот компаний на рассматриваемом рынке увеличивается.

Эксперты в области энергетики говорят, что установленная мощность производства энергии на биомассе будет увеличиваться по мере модернизации старых электростанций и преобразования их в биомассу.

Следует отметить, что биомасса — далеко не единственный возобновляемый источник энергии. По мнению экспертов, через несколько десятилетий ветер станет одним из самых популярных источников энергии. К 2040 году солнечные и ветряные электростанции смогут обеспечивать около 2/3 всех производственных мощностей в сегменте альтернативной энергетики. В то же время темпы развития солнечной энергетики будут ускоряться, но большая часть выработки будет приходиться на новейшие ветряные электростанции. Аналитики прогнозируют, что ветряные электростанции смогут производить больше энергии, чем существующие гидроэлектростанции.

В целом валовое потребление энергии в мире ежегодно увеличивается на 0,8%. Доля эксплуатации возобновляемых ресурсов в мире постоянно растет. Например, в США доля энергии, производимой из возобновляемых источников, составляет 13-15% в год. Аналитики ожидают, что в будущем эта цифра вырастет до 18%. В настоящее время лидерами в производстве электроэнергии из возобновляемых источников являются такие страны, как:

• Китай;
• Индия;
• СОЕДИНЕННОЕ КОРОЛЕВСТВО;
• Италия;
• Германия.

Мировые инновации

Развитие энергетики ведет в направлении создания технологий, снижающих негативное воздействие на окружающую среду.

В этой области наиболее перспективными считаются следующие разработки:

• осмотические электростанции;
• вЕЛ;
• реакция холодного синтеза;
• тепловые насосы.

Новые энергетические технологии не ограничиваются этими разработками. Японские ученые экспериментируют с беспроводной передачей электричества. Исследования и разработки альтернативных источников энергии (возобновляемые.

Осмотические станции

Это нововведение позволяет использовать практически неисчерпаемые запасы Мирового океана для развития энергетики.

На момент написания этой статьи работала единственная осмотическая станция, созданная Statkraft. Установка находится на территории норвежского города Тофте.

Суть этого нововведения в том, что энергия извлекается путем смешивания соленой и пресной воды. Процесс происходит в резервуаре, отделенном полупроницаемой мембраной. Из-за низкой концентрации соли в резервуаре с пресной водой происходит обмен жидкостями, за счет чего достигается равновесие. В результате этого процесса давление во втором отсеке увеличивается, что запускает гидротурбину, вырабатывающую электричество.

Низкая эффективность мембран — главный недостаток осмотических станций. Поэтому большая часть разработок касается уменьшения размеров последнего. Исследования по созданию мембран нового типа ведутся в General Electric, Hydranautics и других крупных компаниях.

Развитие осмотических станций позволяет внедрять экологически чистые источники электроэнергии во всех районах, где есть доступ к воде (а не только к рекам). По предварительным подсчетам, потенциал нововведения составляет 1600-1700 ТВтч, что соответствует 10% мирового потребления электроэнергии.

Инвестиции, необходимые для реализации проекта осмотической станции, составили 20 миллионов долларов. При этом на разработку и внедрение нововведения ушло около 10 лет.

Светодиоды

Светодиоды имеют множество преимуществ и выделяются среди других источников света:

1. Энергоэффективность. Светопропускание светодиодов составляет 120-150 люмен / ватт, что является максимальным показателем.
2. Экологическая совместимость. Эти источники света не выделяют вредных веществ.
3. Длительный срок. Показатель 50 тысяч часов.

Светодиодным освещением можно управлять с помощью мобильных приложений, изменяя цвет излучаемого излучения и выполняя другие настройки.

Основной объем продаж (около 60%) светодиодного освещения на мировом рынке обеспечивают компании из Японии и Южной Кореи, среди европейских производителей инновации неизменно демонстрирует Phillips.

Среди современных новинок можно выделить следующие:

1. Светодиоды из GaN на кремниевых подложках. Технология обеспечивает хорошую светоотдачу, что снижает затраты на электроэнергию.
2. Светодиодное освещение на подложках из GaN. Обеспечивает лучшую цветопередачу и лучший световой поток (по сравнению с предыдущей технологией).
3. SlimStyle LED. Особенностью источников света на основе этой технологии является наличие множества небольших светодиодов. Стоимость таких ламп около 10 долларов.

Современные источники света питаются от постоянного тока. Это устраняет мерцание света. Однако в настоящее время ведутся исследования по использованию переменного тока. За счет этого можно снизить энергопотребление. Светодиодное освещение переменного тока было разработано Lynk Labs и Seoul Semiconductor.

трудно подсчитать объем инвестиций, полученных в этот энергетический сектор. По прогнозам аналитиков, объем рынка светодиодного освещения в 2018 году достигнет 25,9 млрд долларов.

Реакция холодного синтеза

Группа итальянских ученых в начале 2010-х объявила о создании бесплатного источника тепла, производимого реактором E-Cat. Андреа Росси и его коллеги разработали автономный реактор нового типа. Предназначен для отопления частных домов.

Реактор E-Cat генерирует тепло за счет реакции никеля и водорода. Медь также образуется в результате реакции этих элементов. Принцип действия E-Cat основан на технологии LENR, то есть ядерной реакции низкой энергии.

По расчетам разработчика, автономный реактор мощностью 1000 кВт потребляет 10 кг никеля и 18 кг водорода за шесть месяцев.

Общий бюджет инноваций не разглашается. E-Cat будет производиться в США. Установки будут использоваться американской энергетической промышленностью. Когда разработка выйдет на рынок, потребители смогут арендовать реактор для собственных нужд. Стоимость 1 E-Cat составит 400-500 долларов.

Беспроводная передача электроэнергии

Новое в энергетике часто связывают с изобретением ранее не использовавшихся методов производства и передачи электроэнергии. Технической компании в Японии удалось передать электроэнергию на большие расстояния без использования кабелей. Это может быть первым шагом в получении электричества из космоса путем преобразования солнечной энергии. Сейчас специалисты тестируют электростанцию ​​в городе Кобе.

Ученым уже удалось передать электричество на расстояние более 500 метров с помощью луча в микроволновом диапазоне. Блок, принимающий сигнал, представляет собой набор светодиодных ламп, суммарная мощность которых достигает 10 кВт. В ходе испытаний изучались эффекты и функционирование растения. В будущем планируется использовать большое количество солнечной энергии и использовать ее для различных земных целей. С помощью эксперимента ученые смогли наглядно продемонстрировать возможность коммерциализации беспроводной передачи энергии.

Биомасса

Возобновляемые источники связаны с 8 из 10 новых технологий в электроэнергетическом секторе. Европейцы считают заводы по производству биотоплива многообещающими, потому что:

• производить необходимое количество ресурсов с минимальными трудовыми и финансовыми затратами;
• надежен в эксплуатации;
• безопасен для окружающей среды;
• позволяют увеличить объемы производства.

В альтернативном сегменте растет интерес к возобновляемым источникам. Прогнозы экспертов рынка оптимистичны: через 20 лет более 70% от общего объема энергии будут производить ветряные и солнечные электростанции.

Аналитики по лидерству прогнозируют, что Китай, Индия, Великобритания и США занимают 13% рынка.

Ветрогенераторы с биолопастями

Уже существует прототип нового поколения ветряных турбин, совместно разработанный исследователями из Сорбонны и Парижской школы искусств и ремесел. На эксперимент вдохновили крылья стрекозы.

В экспериментальном генераторе изобретатели установили гибкие лопасти на ветряные турбины. Это облегчило подачу ветра к турбине под прямым углом и, в любом случае, выработку электроэнергии.

В ходе испытаний ученые отметили, что при замене жестких лезвий гибкими аналогами выход энергии увеличился на 35% без дополнительных затрат.

Двухсторонние солнечные панели

Аналогичный результат получили ученые из специализированных исследовательских институтов Сингапура и Германии. Разработанные ими новые энергетические технологии повышают эффективность солнечных элементов почти на треть за счет выработки тепла с обеих сторон.

Энтузиасты, разработавшие первый в мире двусторонний модуль, представили его на выставке в Шанхае и привлекли внимание промышленников. В батарее свет поглощается двумя поверхностями: обращенной к солнцу и нижней.

В качестве утеплителя и защиты разработчики использовали двойное остекление: по их мнению, его наличие продлит срок службы солнечных батарей

Панели из мха

Мох и бактерии можно использовать как недорогой альтернативный источник энергии. Идея принадлежит студентам Каталонского института прогрессивной архитектуры: им удалось собрать солнечную батарею, работающую с мхом и бактериями.

В конструкции модуля используются компактные ячейки: они предназначены для бактерий и устанавливаются в грунт под корневой системой растений. Растения и грунтовые воды питают бактерии.

Преимуществом разработки авторы называют способность солнечных панелей работать в районах, где нет постоянных источников энергии или доступ к ним затруднен, а также в регионах, где наблюдается нехватка солнечного света. Для этого нужно использовать мох вместо других растений, так как он неприхотлив, хорошо развивается в тени.

В «ноу-хау» ученика отсутствуют тяжелые металлы и токсичные элементы, что благотворно влияет на окружающую среду. Есть существенный недостаток — малая мощность. Новаторы надеются, что в решении этой проблемы им помогут опытные биологи и инженеры.

Воздушный змей

Воздушный змей движется по воздуху с огромной скоростью и генерирует энергию. Для этого в его конструкции установлено 8 мощных турбин. Согласно теоретическим расчетам, использование воздушного змея как средства разработки ресурса более эффективно, чем строительство и эксплуатация ветряных электростанций.

У технологии есть и другие преимущества:

• мобильность;
• простота использования;
• легкий запуск с любого сайта;
• простота обслуживания.

Испытания покажут, соответствует ли технология ожиданиям разработчиков на практике. Впоследствии можно будет говорить о перспективах серийного производства.

Энергия из морских волн

В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X, прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.

Принцип работы следующий: установка ставится на поверхность воды, качается на волнах и заводит молнию посередине. Это, в свою очередь, запускает генератор, который вырабатывает электричество и перенаправляет его на землю через кабели.

Как подать заявку: по оценкам Mocean Energy, использование всего 1% мировой волновой энергии может обеспечить питание 50 миллионов зданий. Для сравнения: в России около 14 миллионов жилых домов.

Энергия из ДНК

Также было обнаружено, что органические молекулы преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецким ученым удалось синтезировать супрамолекулярную систему, то есть более сложную, чем обычная молекула, на основе ДНК.

Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему прикреплен краситель, который поглощает солнечный свет и передает полученную энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не организовать такие супрамолекулы, ток между ними почти не потечет, а со временем полностью погаснет.

Ученые предложили такое решение: они закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и краситель на спирали ДНК. Тогда движение электронов становится упорядоченным, и электрический ток не затухает.

Как это применить: Исследователи не обещают, что солнечные элементы на основе ДНК в ближайшее время появятся на всех крышах домов, но планируют развивать это направление. Они предсказывают, что эта технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные панели на основе кремния.

Респираторы с солнечными батареями

Берлинский изобретатель Хайнц Кнопске превратил респиратор в устройство, вырабатывающее электричество. По сути, это привычная маска, на поверхности которой закреплена небольшая солнечная батарея.

Как его использовать: аккумулятора достаточно для зарядки телефона или часов. В начале 2021 года Китай уже приступил к серийному производству «солнечных» масок и отправил первую партию в Европу.

Солнечные паруса

В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет SpaceX и успешно прошел испытания.

Солнечный парус почти такой же, как обычный парус на кораблях. Только не ветер приводит его в движение, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, который испускает Солнце. Если вы уловите этот поток энергии, вы сможете долгое время путешествовать в космосе по определенному пути, и вам не понадобится для этого топливо.

Как подать заявку: Используя разработки Планетарного общества, NASA планирует в 2021 году полететь на Луну с помощью паруса, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.

«Бесконечная» энергия из воздуха

В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen, генератор, который вырабатывает электричество, используя натуральные белки и влажность из воздуха.

Ученые используют протеобактерии Geobacter для выращивания белка, проводящего электричество. Он представляет собой пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше человеческого волоса — и помещается между двумя электродами. Белки собирают влагу из воздуха и благодаря мелким порам создают ток между электродами.

Air-gen показывает лучшие результаты при влажности 45%, но также адаптируется к засушливым регионам, таким как Сахара. Генератор не зависит от атмосферных условий, а также работает в помещении.

Как его использовать: в то время как Air-gen имеет достаточно мощности только для питания небольших электронных устройств. Вскоре ученые разработают версию для мобильных телефонов и умных часов, чтобы они никогда не выходили из строя. И если исследователям удастся совместить Air-gen с краской для стен, в домах будет бесконечный источник электричества.

Электричество из дерева

Если раздавить древесину, а затем вернуть ее в исходное состояние, она генерирует электрическое напряжение, хотя и очень низкое. Швейцарские ученые провели несколько экспериментов, и в 2021 году им удалось превратить древесину в мини-генератор.

Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили его в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов коры дерева — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия сама возвращается к своей первоначальной форме. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычная древесина.

Как подать заявку: Пока исследователи тестируют полученный материал. Они уже выяснили, что энергии 30 кусков дерева длиной 1,5 см достаточно для питания ЖК-дисплея.

Жидкое топливо из солнечной энергии

В настоящее время электроэнергия производится путем сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь и природный газ. У этого метода есть две проблемы: ископаемое топливо вредно для окружающей среды и в конечном итоге закончится. Это заставляет ученых искать заменитель органического вещества.

С 2001 года китайские ученые пытаются преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет они это сделали.

Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей: содержание в нем метанола достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:

• преобразовывать свет солнечных батарей в энергию;
• использовать это электричество для разложения воды на водород и кислород;
• объединение водорода и окиси углерода для получения метанола.

Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей.

Способ применения: в отличие от нефти и угля, это топливо горит чисто. Если Китай сможет производить жидкий метанол в больших масштабах, диоксида углерода в атмосфере будет намного меньше: на Китай приходится около 29% мировых выбросов.

Самые перспективные инновации

Среди перспективных инноваций в области энергетики выделяются следующие:

1. Беспроводная передача электроэнергии. Японские ученые активно развиваются в этом направлении.
2. Ветровая и солнечная энергия. Инновация относится к изобретениям, которые снижают стоимость производства электростанций.
3. Системы отопления на сжиженном углеводородном газе. Это нововведение было успешно протестировано и доказало свою эффективность.
4. Энергетика атмосферы. Бразильские ученые обнаружили, что влажный воздух содержит частицы с небольшим зарядом. Плата, в которой используются металлы, может собираться и генерироваться электричество. Это нововведение имеет перспективы развития в энергетике стран с влажным климатом.
5. Магнитомеханический усилитель мощности. Разработчики технологии говорят, что они нашли способ использовать магнитное поле Земли для ускорения работы электродвигателя.

Современная энергетика развивается в разных направлениях. Многие компании продолжают разрабатывать новые технологии для повышения эффективности светодиодных ламп. А энтузиасты и исследовательские лаборатории часто предлагают оригинальные решения, которые затем служат энергетическому сектору разных стран.

Участие технологических компаний в развитии энергетики

Крупные технологические компании также вносят свой вклад в развитие энергетического сектора. Поэтому корпорация Google намерена запустить новый проект по выработке электроэнергии. Исследовательская лаборатория компании разработала воздушные змеи, которые могут вырабатывать энергию. Мощность одного из этих устройств — 600 кВт, размах крыла — 25,6 метра, максимальная дальность полета — 250 метров, длина встроенного кабеля — 450 метров. Одно из этих устройств сможет обеспечить выработку электроэнергии, которой хватит на типовой многоквартирный дом в городе или небольшом поселке из 50-60 домов.

Воздушный змей, который генерирует энергию, летает по кругу на высокой скорости и на большой высоте, генерируя поток энергии с помощью восьми турбин. Теоретически этот метод освоения ресурсов более эффективен, чем использование ветряных электростанций, поскольку ветер сильнее на высоте. Другие преимущества использования новой технологии включают:

1. Мобильность устройства.
2. Нет необходимости строить большие электростанции.
3. Легкость ремонта.
4. Возможность бегать практически в любом месте.

Об успехе этого проекта будет объявлено после его тестирования на практике. Как правило, все новое в энергетике сначала проходит серию проверок, после чего вводится в эксплуатацию на постоянной основе.

Особенности развития энергетики в России

На территории России внедрение энергетических инноваций осуществляется в основном государством или крупными компаниями, входящими в его состав. В последние годы в Алтайском крае открылись новые солнечные электростанции. А «Роснано» запустило производство светодиодов на основе нанотехнологий. Эта компания также предлагает солнечные панели для российской энергетики, которые поглощают большую часть солнечного спектра.

Что будет дальше

Возобновляемые источники энергии имеют долгую историю развития, но только в последнее десятилетие они начали быстро развиваться в связи с глобальной борьбой с климатическим кризисом.

Однако современные возобновляемые источники энергии в России все еще находятся на начальной стадии развития.

Гринпис полностью поддерживает переход на зеленую энергию. Поэтому мы составили рейтинг регионов России, в котором проанализировали, насколько Россия готова к переходу на зеленые технологии и программу Green Deal, включая возобновляемые источники энергии.

В 2020 году эксперты Гринпис представили программу Green Deal, которая поможет стране выйти не только из экономического кризиса, но и из климатического. Программа разработана Гринпис на основе предложений более 150 общественных организаций и призвана изменить ситуацию в России на системном уровне.