Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2016
Dan Stober
Stanford Report
Основным препятствием на пути полного перехода к гидро-, ветро- и солнечной энергетике является невозможность достижения стабильной работы современных электрических сетей из-за отсутствия доступных по цене средств накопления энергии. Исследователь Стэнфордского университета Марк З. Джэйкобсон предлагает «подземное» решение этой проблемы.
 |
|
| Новейшие исследования показывают, что при наличии недорогих накопителей энергии гидро-, ветро- и солнечные генераторы теоретически можно объединить в надежные национальные электрические сети. |
За последние несколько лет Марк Джейкобсон (Mark Jacobson), профессор гражданского и экологического инжиниринга Стэнфордского университета, и его коллега Марк Делуччи (Mark Delucchi) из Калифорнийского университета в Беркли разработали ряд проектов, основанных на огромных объемах данных, обработанных с помощью компьютерных моделей, и показали, как каждый из штатов в Америке может отказаться от ископаемого топлива и полностью перейти на возобновляемые источники энергии.
 |
|
| Профессор Марк Джейкобсон |
В новом исследовании, недавно опубликованном в Трудах Национальной академии наук, на примере количества гидро-, ветро- и солнечных генераторов, потенциально необходимых для каждого штата, показано, что теоретически этих ресурсов будет достаточно для формирования надежной, доступной национальной электрической сети, если объединить генераторы с недорогими накопителями энергии и на государственном уровне поддержать программу стимулирования потребителей к выбору времени пикового потребления.
Подземный аккумулятор
Предлагаемая система основывается на возможности сохранения и извлечения тепла, холода или электроэнергии в целях удовлетворения спроса на них в периоды максимального потребления.
Летом тепло, собираемое стоящими на крышах солнечными коллекторами, может храниться в грунте или скалах, а зимой использоваться для отопления домов. Избыточная или дешевая электроэнергия может использоваться для производства льда, который позже будет использоваться для охлаждения в те периоды, когда стоимость электроэнергии высока.
Кроме того, для получения дополнительной энергии избыток электричества может быть использован для поддержки генерирующих механизмов, например, для перекачки воды в гидроаккумулирующих сооружениях или управления концентраторами солнечных электростанций. Коммунальные службы также обеспечивали бы стимулирование сокращение потребления энергии в периоды пиковых нагрузок.
Помимо этого, в плане Джейкобсона в качестве среды хранения энергии предполагается использование водорода. Излишки электричества в периоды легких нагрузок могли бы использоваться для получения водорода, который, накапливаясь в топливных элементах, затем использовался бы в транспортных средствах.
Возможность реализации новой модели Джейкобсона ставится в зависимость от полной электрификации инфраструктуры страны, в которой практически все работает на электричестве – автомобили, поезда, автобусы, промышленность, отопление и кондиционирование, – причем на электричестве, полученном от солнца, ветра и воды.
«Отпала бы всякая необходимость в угле, природном газе, биотопливе, ядерной энергии или гигантских аккумуляторных накопителях для хранения электричества. Такие стабильные энергосети могут быть созданы к 2050 году, и мы получим стопроцентно чистый мир», – считает Джейкобсон.
Предыдущие исследования Джейкобсона привлекали широкое внимание, но критики его работ утверждали, что надежность национальных электрических сетей не может быть обеспечена без тепловых электростанций, способных заполнить провалы в поставках электроэнергии. Ветер не всегда дует, и солнце не всегда светит, а аккумуляторы еще не настолько доступны, чтобы служить средством хранения и перераспределения энергии в национальных масштабах.
«Коммунальные и другие компании, выступающие против возобновляемых источников энергии, всегда утверждали, что как только зайдет солнце, энергии станет слишком мало, и что обеспечивать стабильное электроснабжение от чистых возобновляемых источников будет слишком дорого, – сказал Джейкобсон. – Скептики никогда не анализировали возможность создания энергосистемы, на 100% основанной на чистой возобновляемой энергии и покрывающей все потребности страны, а особенно такой, в которой сочетались бы дешевые аккумулирующие системы, способные при необходимости возвращать электричество в сеть, с определенным количеством водородных накопителей».
Джейкобсон, работающий также научным сотрудником в Стэнфордском Институте окружающей среды, в ноябре прошлого года проинформировал о своем исследовании комиссию конгресса США.
Перестройка энергосетей
В новом исследовании Джейкобсон со своими соавторами, в число которых входят Бетани Фрю (Bethany Frew) из Национальной лаборатории возобновляемой энергии и аспирантка Мэри Кэмерон (Mary Cameron) высказывают убеждение, что объединение существующих недорогих способов хранения «зеленой» энергии и использование ее для сглаживания неравномерности спроса одновременно на электричество, тепло и холод в течение минуты, дня, недели или года, может решить проблему перехода к чистой энергетике.
«Сырьем для системы станут ветер, вода и солнце, – не природный газ, не биотопливо, не уголь и не ядерная энергия. Это приведет к резкому снижению загрязнения воздуха и позволит ежегодно спасать десятки тысяч жизней», – говорят исследователи. Ежегодно в результате загрязнения воздуха в Соединенных Штатах преждевременно умирают от 60,000 до 65,000 человек.
Как на пример практического воплощения некоторых из этих технологий, Джейкобсон указывает на расположенную недалеко от канадского города Калгари общину Drake Landing Solar. Там 52 дома отапливаются зимой за счет солнечной энергии, полученной в течение лета и сохраненной под землей. Вода, нагретая солнцем до 80 °C, хранится в теплоизолированных трубах под 35-метровым слоем скальных пород, земли и изоляции. «Накопленного тепла достаточно для обогрева домов общины в течение зимы», – сказал Джейкобсон.
Полная электрификация страны могла бы дать целый ряд преимуществ. При том, что стоимость киловатт-часа электроэнергии в системе Джейкобсона может быть примерно такой же, как и у получаемой из ископаемого топлива, реальные затраты пользователей снизились бы примерно на 30 процентов за счет того, что потребности новой системы в киловатт-часах были бы меньше благодаря более высокому КПД электродвигателей по сравнению с двигателями внутреннего сгорания», – продолжал Джейкобсон.
«Хранить энергию под землей дешевле, чем в аккумуляторах», – добавил он. Сейчас некоторые ветряные турбины останавливают, когда текущий спрос на их электричество отсутствует, поскольку затраты на его хранение слишком высоки. Одновременное использование для производства тепла избыточной энергии и солнечных коллекторов сделает запасенную энергию более доступной.
«Широкое использование подземных и других накопителей энергии будет стоить гораздо меньше, чем аккумуляторы, – считает Джейкобсон. – В настоящее время один киловатт-час электроэнергии, запасенной в аккумуляторах, стоит $350. Для сравнения, стоимость хранения тепла под землей на два порядка ниже». Точно так же, хранение концентрированной солнечной энергии, энергии гидроаккумулирующих систем и существующих водохранилищ ГЭС обходится в десять раз дешевле, чем хранение в аккумуляторах.
«Вы перестаете загрязнять атмосферу, забываете о глобальном потеплении, стабилизируете цены на топливо, создаете в США рабочих мест на два миллиона больше, чем их потеряно, уменьшаете зависимость от международной торговли энергоносителями, снижаете риски нарушения электроснабжения вследствие таких причин, как терроризм или крупные аварии, поскольку энергия равномерно распределена на больших площадях, – сказал Джейкобсон. – Энергетика станет преимущественно местной. Вы сможете уменьшить вредные выбросы уже просто потому, что вам не нужно будет транспортировать нефть танкерами через океан и использовать грузовые составы для доставки угля».
«Эта методика поддержания стабильности энергосистем, – заключил он, – должна заработать во многих местах всего мира».
