Мусор, водоросли и человеческое тело: дайджест самых необычных возобновляемых источников энергии

В докладе, опубликованном центрами по изучению изменения климата Sandbag и Agora Energiewende, говорится, что в 2017 году в Евросоюзе впервые от ВИЭ получили больше электроэнергии, чем от угольных электростанций. Основными альтернативными источниками стали ветер, солнце и биотопливо. Мы решили собрать самые необычные способы получения электроэнергии: от ветрогенератора, работающего на морских волнах, до солнечных окон и водорослей в пустынях.

В сентябре этого года СМИ сообщили, что начался второй этап строительства мусоросжигательного завода около деревни Свистягино в Московской области. По предварительным оценкам, в 2021 году он начнет перерабатывать по 800 тыс. тонн отходов в год. Органические вещества, пищевые отходы и неразделяемый пластик будут превращаться в электроэнергию. Напомним, что в природе пластик не может разложиться полностью; по подсчетам экологов, к 2030 году 111 млн тонн пластиковых отходов останутся бесхозными и их некуда будет девать.

Технология переработки такова: машины с мусором будут выгружать на раскаленные решетки отсортированные отходы, где последние сгорят при температуре 1,2 тыс. градусов. При такой температуре вредные диоксины не выделяются, и пар в высокомощных турбинах преобразуется в энергию. Технология разработана совместно японской фирмой Hitachi и швейцарской Zosen Inova. Всего они спроектировали и построили по миру уже 600 предприятий для обработки отходов и отходящих газов. Заводы, аналогичные подмосковному, давно работают в Германии, Дании, Швейцарии, Швеции и Японии.

Похожий завод, работающий в Вантаа, одном из пригородов Хельсинки, сжигает около 320 тыс. тонн мусора, преобразуя их в 920 гигаватт-часов энергии для отопления и 600 гигаватт-часов электроэнергии. Эффективность преобразования энергии достигает 95%.

Также напомним о проекте переработки в электроэнергию свалочного газа. Он создает в современной России экологические проблемы, особенно в крупных городах, однако его энергетический потенциал практически не используется. Между тем сбыт электроэнергии сетевым компаниям гарантирован отечественным законодательством в рамках компенсации 5% сетевых потерь. Несмотря на это и на рост целевого рынка по электроэнергии в 2020—2030 годах в пределах от 100 млн до 3,2 млрд руб., руководитель проекта Светлана Карасева рассказала, что сейчас интереса к «ВИЭ свалочного газа: „зеленая“ розничная генерация» — никто не испытывает и инициатива заморожена.

О подземных источниках человечество знает довольно давно: например, древние римляне отапливали ими бани. Однако использовать их в энергетике начали чуть более ста лет назад — в 1904 году в итальянском городе Лардерелло построили первую в мире электростанцию, использующую гидротермальную энергию. С тех пор этот сегмент энергетики шагнул далеко вперед: к примеру, в современной Исландии 99% энергетических потребностей перекрываются геотермальными источниками.

В России интересна история Камчатки, где Верхне-Мутновская геотермальная станция вместе с Мутновской ГеоЭС обеспечивают 30% энергопотребления Петропавловска-Камчатского, Вилючинска и Елизовского района. Верхне-Мутновскую ГеоЭС построили в 1999 году, ее мощность 12 МВт. Станция автоматизирована на 100%, ее работа контролируется удаленно, данные поступают в центр управления. В России сегодня геотермальные станции действуют только на Камчатке (Мутновская, Паужетская, Верхне-Мутновская) и на Курильских островах (Океанская — на Итурупе, Менделеевская — на Кунашире).

Самая популярная схема получения электроэнергии в ГеоЭС следующая: пар из скважины поступает по турбине в смесительный конденсатор, где смешивается с водой и отправляется в подземный бак, а после охлаждения в градирне возвращается в конденсатор. Расход пара по такой схеме составляет 8кг/кВт∙ч. Средняя стоимость электроэнергии на ГеоЭС на 30% ниже, чем на ветровых электростанциях, и в 10 раз ниже, чем на солнечных.

Но есть и минусы. К примеру, из-за высокой минерализации воды и большого количества токсичных веществ (мышьяк, ртуть, аммиак) конструкции станций подвергаются коррозии, это плохо влияет на здоровье людей. К тому же можно вызвать гидравлический разрыв пласта, использованную воду желательно закачивать обратно, и нет четкого понимания последствий масштабирования технологии.

Сторонники подхода утверждают, что отрицательное влияние геотермальной энергетики на природу и человека незначительно, а значит, технологию можно делать массовой. Однако более реальным представляется использование ГеоЭС лишь в тех регионах планеты, где наблюдается вулканическая активность.

Перед вами самый неожиданный кроссовер нашей подборки. В 2017 году инженеры австралийской компании Wave Swell Energy разработали систему генерации электричества из энергии волн, превосходящую по эффективности большинство возобновляемых источников энергии. Основатель стартапа Том Деннисс рассказывает, что первую версию своей идеи он предложил еще в далеком 1990 году и с тех пор постоянно ее дорабатывал.

Теперь система выглядит так. Под водой находится камера, в которую под действием волн периодически попадает вода. Объем камеры ограничен, поэтому повышение уровня воды в ней создает повышенное давление. Оно снижается за счет выхода воздуха через специальные клапаны. Когда волна начинает отступать, инициируется второй цикл: клапаны закрываются, уровень воды в камере понижается, и давление в ней тоже. Воздух, попадающий в камеру снаружи, начинает крутить турбину, совмещенную с электрогенератором. Главная особенность этого решения — под водой находится только бетон, электроника и металл напрямую не соприкасаются с водой.

Wave Swell Energy уже получили $ 7,5 млн в качестве инвестиций и еще $ 1,5 млн планируют добрать в ближайшее время краудфандингом на платформе Equision. Все $ 9 млн предприниматели обещают потратить на ветрогенератор. По мнению Тома Деннисса, энергия приливов уже сейчас экономически оправданна для небольших островных государств, а на материке — станет лишь через 5−10 лет. По его оценкам, сейчас стоимость вырабатываемой энергии находится на уровне 7 центов США за киловатт-час, а при масштабировании технологии можно будет снизить ее до 4 центов за киловатт-час.

Использование биотоплива — не новость: костры из высушенных водорослей разводили испокон веков. Но сейчас к работе с водорослями предлагают подойти более системно, ведь для фотосинтеза им не нужно ничего, кроме солнечного света и углекислого газа, а благодаря высокой скорости размножения, они за короткое время образуют весьма значительное количество биомассы.

Так, во Франкфурте-на-Майне на сессии Немецкого общества химической техники и биотехнологий в 2010 году рассказывали, что «крупные фермы по разведению фитопланктона позволят решить проблему горючего не только для наземного, но и для воздушного транспорта». По оценкам министерства энергетики США, ежегодно морские водоросли могут обеспечить не менее 50 млн тонн сырья для производства биотоплива. И с одного акра (≈4000 м2) водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Что, в свою очередь, приводит к парадоксальным выводам: получать энергию в пустыне проще из водорослей, чем, к примеру, из рапса.

Однако критики этого направления указывают на то, что для сбора энергии планируется использовать фотосинтез — процесс с низким КПД, так что в результате может получиться производство энергии с отрицательным энергобалансом. Таким образом, производство энергии из водорослей станет возможным только в том случае, если в ближайшие годы удастся наладить выпуск высокоэффективных фотобиореакторов, которые помогут обеспечить положительный энергобаланс.

Иногда водоросли используют иначе: в 2013 году в Гамбурге английская компания Arup построила первый в мире многоквартирный дом, который отапливается и охлаждается с помощью зеленых водорослей. Его облицевали стеклянными панелями-биореакторами, в которых живут водоросли. На солнечном свете водоросли растут и размножаются, после чего биомасса отправляется в специальный биореактор с ферментами, где из нее вырабатывается биогаз, пригодный для отопления и генерации электричества. Учитывая, что дом на 15 квартир обошелся в 3,4 млн евро, сложно говорить о массовости данной технологии.

Солнечную энергию накапливают и активно используют в последние несколько десятилетий. По прогнозам ученых, к 2050 году эта технология позволит производить почти 3000 ГВт электроэнергии, а КПД солнечных батарей в ближайшие 10 лет будет не ниже 35%. Все это говорит о том, что технология находится на высоком уровне зрелости.

Но в прошлом году украинский стартап SolarGaps сумел предложить людям нечто новое — жалюзи с солнечными батареями. В отличие от распространенного метода установки солнечных батарей на крышу дома, это решение подходит жителям многоквартирных домов, у которых не всегда есть доступ на крышу.

Один квадратный метр солнечных жалюзи способен вырабатывать 100−150 Вт в сутки. По оценкам Евгения Эрика, основателя SolarGaps, такие жалюзи в трехкомнатной квартире с окнами, выходящими на юг, способны суммарно вырабатывать около 4 кВт в день. Одна пластина стоит $ 39, а жалюзи для большого окна 183×212 см обойдется в $ 1910.

Интересно, что в том же году ученые из ДВФУ предложили свою версию «солнечных окон» — полимерный материал, который не меняет прозрачность стекла при нанесении и работает как фотоэлемент, усиленный «светоконцентратором», позволяющим эффективно собирать даже рассеянный свет. По словам ученых, с помощью этого материала в перспективе можно будет обычные окна превращать в солнечные батареи.

В зависимости от активности тело человека выделяет 60−100 кВт тепловой энергии в сутки. Поэтому, когда исследователи из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий создали материал, способный извлечь энергию из двигающегося человеческого тела, никто особо не удивился.

Согласно их задумке, электрический ток создается благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Последний, в свою очередь, возникает, когда механическая деформация некоторых кристаллов приводит к перераспределению внутри них электрических зарядов; в результате между различными частями кристалла появляется электрическое напряжение. Это напоминает принцип работы аналоговых проигрывателей: вибрация иглы, «читающей» запись на грампластинке, превращается в ток, а сам ток трансформируется в звуковые волны.

По словам разработчиков, материал, состоящий из наночастиц и силикона, представляет собой тонкую эластичную пленку, и его можно «вшить» в одежду. В результате электрический ток будет генерироваться, пока пользователь ходит и вообще движется. Более того, в перспективе пленку можно связать с сердечной мышцей и получать энергию от ее сокращений. На этом принципе могут работать датчики давления, кардиостимуляторы и схожие медицинские устройства.