Плавучие панели, ИИ и цинковые батареи: какие технологии применяют в области «зеленой» энергетики

Стоимость инвестиций в возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в 2020 году выросла на 2% по сравнению с предыдущим годом и составила $303,5 млрд. Это второй по величине показатель после 2017 года: тогда в ВИЭ было вложено $313,3 млрд. Такие данные приводят в аналитической компании Bloomberg New Energy Finance (BNEF). В частности, инвестиции в солнечную энергетику увеличились на 12% и достигли $148,6 млрд, а в ветряную, наоборот, снизились на 6% и составили $142,7 млрд. Совокупная мощность новых солнечных электростанций оценивается в 132 ГВт, а ветряных — в 73 ГВт. Ожидается, что альтернативная энергетика продолжит развиваться быстрыми темпами. Согласно прогнозу BNEF, уже к 2050 году ветряные и фотоэлектрические установки будут удовлетворять 56% мирового спроса на электроэнергию. В некоторых странах доля возобновляемой энергии в общем энергобалансе будет достигать 70–80%. По мере роста спроса будет увеличиваться потребность в технологиях, которые смогут сделать производство энергии с помощью ВИЭ еще более выгодным по сравнению с традиционными источниками.

Вода вместо земли

Популярность плавучих солнечных электростанций растет во всем мире. Одну из лидирующих позиций в этой области занимает Япония, где в 2007 году была построена первая в мире установка. Она находится в префектуре Айти на острове Хонсю. По данным на 2019 год, в стране находилось 73 из 100 крупнейших в мире плавучих станций, которые вырабатывали более 120 МВт энергии. Сейчас большая часть крупнейших в мире проектов по возведению плавучих солнечных электростанций реализуется в Китае, Индии и Южной Корее. В частности, в Южной Корее на дамбе Сэмангым в Желтом море идет строительство плавучего комплекса общей мощностью 2,1 ГВт и стоимостью 4,6 трлн вон ($3,8 млрд). Он будет занимать 30 кв. км и сможет обеспечивать электроэнергией 1 млн домохозяйств. Первый запуск должен состояться в конце 2022 года, полностью установку введут в эксплуатацию в 2025 году.

В США самая крупная плавучая станция, состоящая из более чем 11 тыс. солнечных панелей, находится в калифорнийском городе Хилдсбурге. Но авторы исследования, опубликованного в научном журнале Nature Sustainability, уверены, что если власти Калифорнии хотят сократить большую часть выбросов к 2050 году, они должны уделять больше внимания таким проектам. Ученые изучили, какую выгоду может принести размещение солнечных панелей над водными артериями штата. По этим каналам вода с гор и водохранилищ поступает на сельскохозяйственные поля и в населенные пункты, их совокупная протяженность составляет 6,3 тыс. км. В основу исследования легли методы технико-экономического и гидрологического моделирования.

Расчеты ученых показали, что установка плавучих солнечных панелей на каналах помогла бы предотвращать испарение около 40 куб. м воды в год на 1 км канала, что эквивалентно объему 16 олимпийских бассейнов. «Закрывая каналы солнечными панелями, мы можем ежегодно экономить до 63 млрд галлонов [238 млрд л] воды, — говорит ведущий автор исследования, сотрудница Калифорнийского университета в Санта-Крузе Брэнди МакКуин. — Это много воды. Примерно такое количество воды нужно для орошения 50 тыс. акров [около 20 тыс. га] сельскохозяйственных угодий или для удовлетворения бытовых потребностей 2 млн человек». Исследовательница добавила, что на каналах Калифорнии можно установить плавучие электростанции совокупной мощностью 13 ГВт.

Как отмечает издание Gizmodo, один из самых больших недостатков плавучих панелей заключается в том, что их установка обходится на 10–15% дороже по сравнению с наземными станциями. Однако ученые пришли к выводу, что потенциальная выгода от использования панелей перевешивает дополнительные затраты, связанные с их установкой. Согласно их подсчетам, чистая приведенная стоимость энергии (сумма, которую можно получить после того, как денежные поступления окупят первоначальные инвестиционные затраты и периодические выплаты, связанные с реализацией проекта. — Прим. Plus-one.ru), которую потенциально могут вырабатывать панели над каналами, будет превышать стоимость энергии от наземных фотоэлектрических установок на 20–50%. В частности, это происходит потому, что из-за более прохладного микроклимата рядом с водой панели не перегреваются и работают более эффективно. Кроме того, тень, создаваемая панелями, поможет замедлить размножение водных сорных растений, которые мешают течению воды. Однако вопрос о влиянии плавучих станций на окружающую среду требует дальнейшего изучения, утверждают специалисты.

Алгоритмы и прогнозы

Эффективность работы солнечных и ветряных электростанций во многом зависит от погодных условий. Для того чтобы прогнозировать выработку электроэнергии и рационально использовать ресурсы, в проектах ВИЭ-генерации начали задействовать технологии искусственного интеллекта (ИИ). Так, например, с 2018 года американская корпорация Google совместно с британской компанией, ведущей разработки в области ИИ, DeepMind (обе компании входят в холдинг Alphabet) использует алгоритмы машинного обучения для прогнозирования выработки энергии на ветроэлектростанциях. Установки, расположенные в центральной части США, имеют общую мощность 700 МВт и входят в глобальный ветропарк Google. Разработчики сообщили, что нейросеть, обученная на ретроспективных данных о погоде и данных о производительности ветряков, может предсказывать объемы выработки электроэнергии на 36 часов вперед. Проект стал частью стратегии Google по переводу собственных мощностей на возобновляемые источники энергии к 2030 году. К этому времени компания намерена снабжать все свои мощности «зеленой» энергией каждый день 24 часа в сутки.

Компания также поддерживает сторонние проекты в области возобновляемой энергетики. Так, благотворительный фонд Google — Google.org (Google Foundation) — реализует программу Impact Challenge on Climate стоимостью €10 млн ($11,9 млн), направленную на развитие «зеленых» технологий в Европе. В рамках этой программы компания выделила £500 тыс. ($686 тыс.) некоммерческой организации Open Climate Fix, которая разрабатывает программное обеспечение для сокращения выбросов парниковых газов. Одним из соучредителей НКО со штаб-квартирой в Лондоне стал бывший сотрудник DeepMind Джек Келли.

Средства пойдут на развитие онлайн-сервиса по прогнозированию объемов производства солнечной энергии в Великобритании и странах Европы. В основе технологии — алгоритмы машинного обучения, которые анализируют изображения с геостационарного спутника. Аппарат обращается вокруг Земли со скоростью, равной скорости вращения планеты вокруг оси, из-за этого кажется, что он неподвижно висит в небе. Спутник делает снимки каждые пять минут, анализ этих изображений определяет, как меняется форма и направление движения облаков с течением времени. В сочетании с анализом традиционного прогноза погоды и данных о местонахождении солнечных электростанций технология позволяет прогнозировать облачный покров, который блокирует солнечный свет и влияет на выработку энергии. Руководствуясь данными с сервиса, энергетические компании могут перераспределять выработку и минимизировать потери.

На сайте Open Climate Fix отмечается, что непредсказуемость работы солнечных электростанций мешает их повсеместному внедрению и отпугивает некоторых инвесторов. В организации надеются, что их сервис будет использоваться британскими энергетическими предприятиями. Как сообщил Джек Келли, сейчас НКО ведет переговоры с оператором National Grid, управляющим энергетической инфраструктурой по всей Великобритании. В организации рассчитывают, что проект поможет сократить мировой объем выбросов CO₂ на 100 млн т в год к 2030 году. Это эквивалентно объему, который производят все находящиеся в эксплуатации легковые и грузовые автомобили в Великобритании.

Новые способы хранения

Коммерческая привлекательность ВИЭ зависит в том числе от эффективности аккумуляторов для хранения энергии. Одно из самых популярных сегодня решений — литий-ионные элементы питания. Но их производство требует большого количества ресурсов, в том числе человеческих. Например, больше половины необходимого для таких батарей кобальта поставляется из Демократической Республики Конго, власти которой пренебрегают безопасностью шахтеров и используют детский труд.

Некоторые разработчики предлагают использовать аккумуляторы на основе цинка. Такие устройства позволяют хранить энергию более продолжительное время, считаются более безопасными и дешевыми. Их недостатком является то, что цинк разрушается при разрядке, сокращая потенциал элемента питания. Для устранения этой проблемы разработчики предлагают различные решения. Например, канадская компания Zinc8 Energy Solutions создала внутри своего цинково-воздушного аккумулятора Zinc8 ESS специальный резервуар для восстановления цинка, сделав устройство долговечным.

Zinc8 ESS — модульная система мощностью от 20 КВт до 50 МВт и емкостью хранения более восьми часов. Недавно Zinc8 Energy Solutions подписала соглашение с нью-йоркским системным оператором New York Power Authority и Университетом штата Нью-Йорк в Буффало (State University of New York at Buffalo, UB) об установке системы хранения энергии в северном кампусе UB. В компании отмечают, что технология поможет решить проблему непредсказуемости работы установок, работающих от ВИЭ, а также сделает «зеленую» энергию более доступной. Среди других крупных компаний, которые занимаются разработкой воздушно-цинковых аккумуляторов, — американские Eos Energy Storage со штаб-квартирой в Эдисоне и NantEnergy со штаб-квартирой в городе Скоттсдейле.