Альтернатива альтернативе: как получать энергию из воздуха и вулканов
Екатерина Рагалова –
20 лет назад рассуждать об альтернативной энергии было свежо и даже дерзко. А сегодня ее источники перечислит даже пятиклассник: солнце, ветер, отходы… Но изобретатели и ученые далеко опережают массовый тренд и уже давно учатся получать энергию из воздуха, вулканов и человеческих движений. Новые альтернативные источники – в подборке «ММ».
ЗЕМЛЯ
Глубинные запасы тепла практически неиссякаемы, они могут применяться в любое время года и использоваться не только для теплоснабжения, но и для получения электроэнергии.
Одна из разновидностей геотермальных источников – сточные воды. И промышленные предприятия, и наши домашние стиральные и посудомоечные машины в результате своей работы сбрасывают теплую воду, из-за чего стоки разогреваются до температуры 60–75 °С. Использовать их просто: тепловой нанос выкачивает воду и по канализации доносит ее до домов. Эта технология по постоянному обогреву зданий легла в основу американского проекта 2013 года, осуществленного в Филадельфии и Нью-Джерси. Еще раньше для таких же целей сточные воды стали использоваться в Китае. Сегодня система геотермального обогрева обеспечивает теплом отель и железнодорожный вокзал в Пекине, а также высотный жилой дом в Тяньцзине.
Более серьезных геологических изысканий требуют геотермальные электростанции, которые работают на основе гейзеров и вулканов. Для гейзеров самая простая технология сводится к прямому использованию сухого пара: он поступает в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Несмотря на простоту и экологическую безопасность, этот метод может стать и причиной проблем. Несколько лет назад у жителей Исландии участились случаи астмы – исследователи считают, что они могли быть вызваны работой гейзерных станций, загрязняющих атмосферный воздух соединениями серы.
Gateway Theatre в канаде использует тепловую энергию сточных вод для отопления и охлаждения здания. Фото: Gateway Theatre in Richmond, BC www.renewableenergyworld.com
Вулканы – это, пожалуй, самый впечатляющий геотермальный источник. Технология добычи энергии подобным образом еще молода и постоянно совершенствуется. Например, на геотермальной станции сахалинского островка Кунашир природное топливо сначала идет по трубам в блок подготовки пара, который на выходе поступает в турбогенератор, а затем в дома. Во Франции, Германии и США разработана система закачки соленой воды глубоко в горные породы. Из-за высокой температуры она начинает кипеть и в виде пара подаваться в турбину, вырабатывающую электроэнергию. А истинными оригиналами можно назвать китайских архитекторов, которые в рамках конкурса eVolo-2013 предложили проект небоскреба VolcanElectric Mask: огромный многофункциональный центр представляет собой купол, накрывающий действующий вулкан и перерабатывающий его тепло в электричество, которое питает сам комплекс и здания вокруг него.
У подножия вулкана Крафла в Исландии работает геотермальная электростанция, которая получает энергию из магмы. Мощность станции - 60 MBm. Фото: ramerk_de www.flickr.com
ОКЕАН
Одна из самых старых идей берет за основу разность температур между поверхностью океана, подогреваемой солнечными лучами, и его глубиной, куда свет и тепло не проникают. Эта технология называется «Система конверсии тепловой энергии океана» (Ocean Thermal Energy Conversion – OTEC). Существует ОТЕС с закрытым и открытым циклом. Первый представляет собой замкнутый трубопровод, который заполняется жидкостью с низкой температурой кипения, например, аммиаком. На первом этапе он проходит через теплообменник с теплой морской водой и начинает кипеть. Расширяющийся пар направляется в турбогенератор и вращает его, вырабатывая электроэнергию. После этого аммиак проходит через второй теплообменник, где холодная вода, накачанная из глубин океана, конденсирует его обратно в жидкость.
В OTEC с открытым циклом используется та же система, но без промежуточного раствора, то есть роль циркулирующей жидкости играет сама морская вода. Примечательно, что здесь в результате испарения все соли и другие загрязняющие вещества остаются в контейнере. Это важное преимущество в жарких странах, где может быть нехватка пресной чистой воды. В августе 2015 года американская компания Lockheed Martin завершила длительную работу над прототипом OTEC мощностью 100 кВт на Гавайях. До этого в мире функционировало лишь несколько экспериментальных станций такого типа. Lockheed Martin также объявила о планах строительства морского завода мощностью 10 МВт (в 100 раз больше генерирующих мощностей) в Китае. Скорее всего, в будущем такие установки будут построены на небольших тропических островах, где нет собственных энергетических ресурсов, что поможет этим территориям избавиться от нефтяной зависимости и решить возможные проблемы с пресной водой.
Помимо тепловой океанской энергии есть еще и механическая: ее источники – волны, приливы и отливы. Каждый из этих видов считается перспективным. Гидроэлектростанции, работающие на приливах и отливах, могут дать человечеству около 70 млн млрд кВт/ч в год. Это приблизительно столько же энергии, сколько можно получить из всех разведанных запасов бурого и каменного угля. А волны – это и вовсе на 100 % возобновляемый вид энергии, который по удельной мощности в разы превосходит энергию солнца и ветра. С другой стороны, приливы движутся за счет гравитационного притяжения Луны, а волны – в основном ветрами, что делает их прерывистым и непостоянным источником энергии.
Оказывается, электрический ток можно получать из естественных вибраций, возникающих в воздухе. Реальных результатов здесь одной из первых добилась компания HITACHI: ею разработано устройство размером 2,5 × 7 см, которое вырабатывает электричество мощностью в 0,12 мкВт. Немного, но этого вполне хватит, чтобы раз в час срабатывал какой-нибудь датчик – например, измерения температуры. По задумке создателей, именно это и требуется: главное применение своей технологии они находят в датчиках, показывающих износ материалов зданий.
Следующий метод уже более приближен к описанию «возник из воздуха», причем в его метафоричном смысле. В 2016 году исследовательская группа Oak Ridge National Laboratory в штате Теннесси случайно преобразовала углекислый газ в этанол, потенциальный источник топлива. Ученые разработали небольшой чип, который после опускания в воду помогает молекулам перестроиться и образовать новое соединение. Они рассчитывали получить из CO2 и воды метанол, вот только результатом синтеза оказался этанол.
А уже в 2017 году была изобретена технология по получению энергии прямиком из загрязненного воздуха, только уже не американскими учеными, а бельгийскими – из Антверпенского и Левенского университетов. За основу были взяты протоэлектрохимические ячейки, которые раньше использовались для выделения водорода из воды. Ученые доработали устройство, и теперь оно из городского смога производит экологически чистое топливо, хранящееся в виде водорода. Пока эффект измеряется несколькими квадратными сантиметрами, но уже сейчас инновация представляется очень перспективной, так как устройству для работы требуется лишь солнечный свет.
Протоэлектрохимические ячейки с помощью катализаторов производят водород из загрязненного воздуха. Фото: UAnterwerp/ KU Leuven www.xinfali.com
ЧЕЛОВЕК
Мощность 50 тыс. шагов ежедневно – это сколько? Британский инженер Лоуренс Кемболл-Кук (Laurence Kembell-Cook) однажды задался этим вопросом, и в 2011 году создал тротуарную плитку, которая превращает кинетическую энергию каждого шага пешеходов в электроэнергию. Устройство, помещенное в плитку Pavegen, сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается на пять миллиметров. Именно это и создает энергию, преобразуемую в электричество. Уже в 2012 году новая технология была установлена на многих туристических улицах Лондона к летней Олимпиаде.
Но концепция Кемболл-Кука не нова.
В 2003 году британский изобретатель Питер Хьюс разработал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Это две металлические пластины, под которыми заложен генератор, вырабатывающий ток всякий раз, когда машина переезжает рампу. Произведенное электричество питает светофоры и подсветку дорожных знаков. В 2014 году студент из Тюмени Альберт Бранд выдвинул похожее предложение по уличному освещению, только в основе его проекта лежат не рампы, а более нам знакомые «лежачие полицейские». По задумке система будет вырабатывать электроэнергию и транспортировать ее к ближайшим потребителям, расположенным в радиусе 50 м.
Генераторами электроэнергии люди стали и в общественных местах. Одной из первых эту идею воплотила East Japan Railway Company, усовершенствовав вокзал в токийском районе Сибуя. Компания встроила в пол под турникеты пьезоэлементы, которые вырабатывают электричество от давления и вибрации, когда пешеходы наступают на них. Похожие изобретения работают в Китае и Нидерландах, только используют они немного иной принцип: не нажатие, а толкание. Например, голландская компания Boon Edam заменила автоматические двери в крупных торговых центрах на те, которые человек должен толкать, тем самым вырабатывая электроэнергию. Эта система уже применяется и производит 400 кВт в час в течение года.
