Будущее электроэнергетики в Мире
2015
Первый в мире полностью не наносящий ущерба окружающей среде город
Первая фаза постройки города Масдар, экопроекта с бюджетом 22 миллиарда долларов, завершена в 2015 году. Этот грандиозный проект расположен рядом с городом Абу-Даби в Объединенных Арабских Эмиратах. Полностью предварительно запланированный и самодостаточный, это первый в мире город, не загрязняющий атмосферу углеродом, а окружающую среду мусором. Использовано большое количество экотехнологий, в том числе самый большой завод по производству солнечной энергии на Ближнем Востоке, ветряные электростанции, фотогальванические элементы на крышах домов, геотермальные источники и водородная электростанция. Потребности города в воде удовлетворяются за счет опреснительной установки, работающей на солнечной энергии. В нем также широко используются разнообразные системы переработки.
Город Масдар даст приют приблизительно 7 000 жителей и 15 000 гостей. Коммерческая деятельность города в основном связана с производством экологически чистых продуктов. Движение на автомобилях запрещено в границах города, вместо этого жители используют комбинированную схему общественного транспорта и персональный автоматический транспорт. Он связан с районами Абу-Даби с помощью железной дороги и существующих шоссе. В нем расположен университет, научно-исследовательский институт и штаб-квартира Международного агентства возобновляемой энергии (IRENA).
Город Масдар значительно расширится. Завершающая фаза проекта окончится к 2025 году, покрыв территорию в 6 квадратных километров. К тому времени он будет вмещать 50 000 жителей и 1 500 предприятий.
Построены первые высотные башни для использования солнечной энергии
Первые высотные башни для производства солнечной энергии завершены в 2015 году. Построенные новой компанией EnviroMission, купившей участок земли в штате Аризона, США, они имеют высоту 800 метров, что вдвое выше небоскреба Эмпайр-стейт-билдинг. Каждая генерирует 200 мегаватт чистой, возобновляемой энергии, достаточной для обслуживания 150 000 семей, что эквивалентно изъятию 220 000 загрязняющих окружающую среду автомобилей с шоссе.
Солнечные башни действуют, комбинируя три старых проверенных технологии: самотягу, парниковый эффект и ветротурбины. Воздух нагревается Солнцем и попадает в очень большой резервуар у основы башни, похожий на парник, в результате конвекции воздух поднимается вверх по трубе. Данный поток воздуха вращает турбины, производя электричество.
У башен есть ряд преимуществ:
- Поскольку они используют перепад температур, а не абсолютную температуру, они работают в любую погоду;
- Поскольку дневные температуры сильно нагревают поверхность, они продолжают работать ночью;
- Поскольку наилучших результатов можно добиться на пустынных территориях, их можно строить на неудобицах и необитаемых территориях посреди пустыни;
- Они не используют ресурсы вроде угля или урана, только воздух и солнечный свет;
- Они не загрязняют окружающую среду. Единственным «выбросом» является поток горячего воздуха, исходящий из трубы башни. Фактически, благодаря наличию парников, они также могут использоваться для выращивания растений;
- Они почти не требуют обслуживания и имеют почти столетний период эксплуатации;
- Они также могут служить достопримечательностью для туристов, предоставляя возможность посещения смотровых площадок на вершине.
Данная технология открывает новые возможности во времена, когда мир столкнулся с грядущим энергетическим кризисом. После того как данный проект подтвердит свою коммерческую эффективность, эта методика будет широко использоваться в 2020-ые годы.
2019
Светодиодные лампы доминируют на рынке промышленного и домашнего освещения
Лампы на основе светоизлучающих диодов (Light-emitting diode (LED) в 20 раз более эффективны и более чем в 100 раз долговечнее, чем лампы накаливания. Светодиоды были впервые продемонстрированы в начале 1960-х годов, но были маломощными и могли излучать свет только в низком, красном диапазоне спектра. В течение многих лет, они использовались в основном в качестве индикаторов, например в телевизорах, в виде красной точки режима ожидания рядом с кнопкой включения.
Первый синий светодиод высокой яркости был произведён в 1994 г. (изобретение за которое исследователи получили Нобелевскую премию в октябре 2014 года). Существование синих светодиодов быстро привело к разработке первого белого LED. Используя люминофорное покрытие, синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. Последующие разработки привели к созданию более ярких ламп, светодиоды нашли новые роли в широком ассортименте для дома, бизнеса, автомобилей и других приложений.
Правительства многих стран по всему миру начали проводить политику по постепенному замещению ламп накаливания для общего освещения в пользу более энергоэффективных альтернатив. Законы фактически установливали запрет на производство, импорт или продажу традиционных ламп накаливания - впервые в Бразилии и Венесуэле (2005), затем в большей части Европы (2009), Австралии (2009), Аргентине (2012), Канаде (2012), России (2012 г.) и США (2012). Другие страны последовали тем же путём позже, в том числе Китай.
К началу 2010-х годов во многих городах были признаны преимущества LED освещения на улицах и в общественных местах. В частности, во многих бедных кварталах, в общественных местах, широкое применение данной технологии позволяло чувствовать себя безопаснее, обеспечивая огромную экономию энергии в долгосрочной перспективе (90%) и снижая необходимость обслуживания. Здания, что когда-то казались тусклыми и вызывали мрачные предчувствия, с подсветкой стали выглядеть свежее и ярче. Кроме того, световое загрязнение может быть уменьшено с инновациями в области фокусировки света, предохраняя от светового перекрытия или переизбытка света, где он не требуется.
Среди ранних новаторов были Лос-Анджелес, который завершил массовую модернизацию в 2012 году и Нью-Йорк, который к 2017 году заменил все свои 250,000 уличных фонарей на светодиодные. Доля рынка светодиодов продолжала быстро увеличиваться, вследствие падения цен и росту информированности общественности. К концу этого десятилетия, они составляют подавляющее большинство от общего объема продаж в индустрии освещения. Новые законы о распространении ртути начнут ограничивать продажу люминесцентных ламп с 2020 года, ещё больше стимулируя внедрение светодиодов в предстоящие годы.
Запущен экспериментальный термоядерный реактор ITER
Искусственно созданная термоядерная реакция уже демонстрировалась в малом масштабе. Существовала задача отыскать способ увеличить его масштаб до уровня коммерческого использования эффективно, экономично и без нанесения вреда окружающей среде.
Реактор ITER, известный ранее как Международный термоядерный экспериментальный реактор, будет первым проектом, удовлетворяющим данным условиям. Он был построен на юге Франции за 20 миллиардов евро за десять лет, это один из самых грандиозных когда-либо предпринимаемых научных проектов, занимающий второе место после Международной космической станции. Это совместный исследовательский проект США, ЕС, Японии, России, Китая, Индии и Южной Кореи.
Чтобы продемонстрировать чистую термоядерную мощь в большом масштабе, реактор должен воспроизвести условия, аналогичные условий в центре Солнца. Для достижения данной цели используется устройство под названием токамак, удерживающее плазму магнитным полем. Это тороидальная вакуумная камера генерирует мощное магнитное поле, не дающее жару достигать стен реактора. Небольшие дозы топлива впрыскиваются и втягиваются в камеру. Здесь они разогреваются до температуры 100 миллионов градусов, формируя плазму. При такой высокой температуре легкие атомные ядра водорода сплавляются вместе, создавая более тяжелые соединения водорода, такие как дейтерий и тритий. Что высвобождает нейтроны и огромное количество энергии
После операционного запуска в 2019 году можно надеяться, что ITER в результате будет производить более 500 мегаватт мощи, порциями в 400 секунд и больше. Его можно сравнить с «Общим европейским тором» (JET), предыдущим рекордсменом по пиковой термоядерной мощи (16МВ), длившейся всего несколько секунд в 1997 году.
Потребуется еще несколько десятилетий, пока реактор ITER будет в достаточной степени усовершенствован. Для того чтобы генерировать продолжительное напряжение для коммерческих нужд, потребуется создать способ задержки плазмы в условиях критической плотности и температур. Для этого понадобится улучшить конструкцию камеры, применить усовершенствованные сверхпроводящие магниты и продвинутые вакуумные системы.
Однако это может привести к конечному прорыву в области энергетики. Если проект окажется удачным, человечество получит доступ к практически неограниченному запасу экологически чистой энергии.
2020
Смарт-счётчики в каждом доме Великобритании
«Умные» счетчики в настоящее время установлены в каждом доме Великобритании. Они оснащены электронным дисплеем, отображающим пользователям точное количество потребленной электроэнергии и газа и их стоимость на данный момент. Данные автоматически отсылаются в компании электроэнергии; предварительные счета и визиты работников-контролеров теперь стали в прошлом.
Как результат, снижается оплата за услуги, поскольку счетчики могут регулировать подачу электроэнергии и газа. Они также способны «общаться» с бытовой техникой, например, с холодильниками. При необходимости, их можно запрограммировать на включение и выключение в зависимости от уровня перегруженности сети.
Смарт-счетчики позволяют более эффективно управлять потоками электроэнергии. Они также могут обрабатывать непостоянные источники энергии (такие как ВЭС) и справляться с микрогенерацией - потребители все чаще используют солнечные батареи или тепловые насосы для создания своей собственной электроэнергии, которую можно отправить обратно в сеть, выручив на этом средства.
2021
Беспроводное электричество
У большинства последних электрических и электронных устройств теперь на месте батареи стоит антенна, позволяющая черпать энергию из одного узла, установленного на потолке комнаты. Это устраняет необходимость в многочисленных стенных розетках и громоздких кабелях, что значительно уменьшает беспорядок в домах и на рабочих местах. Это позволяет создавать гораздо более легкие и компактные портативные электронные устройства, чем когда-либо прежде.
Магнитная катушка находится в небольшой коробке, которая может быть установлена на стене или на потолке. Работая от сети, она резонирует на определенной частоте. Электромагнитные волны передаются по воздуху, достигая второй магнитной катушки, установленной в ноутбуке, телевизоре или другом устройстве. Вторая катушка резонирует на той же частоте, что и первая, и поглощает энергию для зарядки устройства.
Развитие беспроводного электричества началось с небольшого диапазона товаров: зарядных устройств для телефонов и электрических держателей зубных щеток. Повышение эффективности позволило передавать мощность на расстояние в несколько метров. Постепенно технология начала использоваться в таких крупных и энергоемких продуктах, как телевизоры, компьютеры и даже транспортные средства. Был принят универсальный стандарт, обеспечивающий совместимость и тем самым значительно повышающий рыночную привлекательность подобных устройств. К началу 2020-х годов индустрия получает годовой доход более 15 миллиардов долларов. Новая технология становится обычным явлением в домах и офисах. Пользователи ноутбуков в кафе, аэропортах и других общественных местах теперь могут использовать точки «Wi-Tricity». Они являются для батарей тем же, чем Wi-Fi является для Интернета. Зарядка электромобилей - еще одно успешное направление развития. Водители могут зарядить аккумуляторы своих электромобилей просто припарковавшись на специальном диске, размещенном на полу или встроенном в тротуар.
Эти сети являются полностью безопасными для людей, без угрозы поражения невидимыми лучами. В итоге линии электропередач начинают исчезать с улиц, а электричество передается по беспроводной сети от здания к зданию. Появляются первые «беспроводные города», более аккуратные на вид, с улучшенным городским дизайном и эстетикой. В будущем эта тенденция распространится на весь мир.
2022
Сетевой паритет солнечных источников электроэнергии достигнут почти на 10% территории США
Сетевой паритет определяется как точка, в которой возобновляемые источники энергии эквивалентны по стоимости или дешевле, чем местные электросети, без государственных субсидий. В случае солнечной энергии, хотя следует учитывать целый ряд других факторов, все же более солнечные страны должны достичь этой знаменательной отметки раньше. В США такие штаты, как Калифорния и Гавайи, были в числе первых, достигших сетевого паритета.
Эффективность фотоэлектрических солнечных установок в США. Фото: NREL
С 2010 года начался взрывной рост количества устанавливаемых солнечных мощностей как в США, так и по всему миру. Резкое падение стоимости, более короткий производственный цикл благодаря автоматизации, новые материалы и повышение эффективности, беспокойство по поводу глобального потепления, новые модели финансирования и высокая конкуренция с Китаем и другими странами, - все это способствовало росту использования солнечной энергии.
Банкротство Solyndra (получившей сотни миллионов долларов через федеральную программу кредитования) бурно обсуждалось в американских СМИ. Однако это произошло в большей степени за счет снижения цен на конкурирующую продукцию, нежели из-за провала самой технологии. Панели Solyndra были сделаны на основе медь-индий-селенида галлия - бескремниевой технологии. Эта технология была дорогой, но конкурентоспособной в 2008 году, когда цены на кремний были высокими. Когда цены на кремний упали, также как и стоимость кремниевых панелей, технологии изготовления Solyndra стали устаревшими.
Тенденция роста доли рынка, занимаемой солнечной энергетикой, будет продолжаться на протяжении 2010-х годов и в следующем десятилетии на фоне дальнейшего падения цен. Традиционные коммунальные предприятия начали сталкиваться с высокой конкуренцией со стороны продавцов недорогих солнечных панелей, устанавливаемых на крышах, даже в таких северных штатах, как Миннесота, Висконсин и Мичиган.
К 2022 году почти на 10% территории США был достигнут сетевой паритет солнечных источников электроэнергии. Это помогает смягчить некоторый экономический ущерб, вызванный ростом цен на нефть. К 2030 году по всей стране была создана общенациональная «умная сеть», способная интеллектуально управлять и распределять солнечную энергию именно там, где это больше всего необходимо. К 2040-м годам даже космические солнечные панели становятся выгодными с коммерческой точки зрения, а к середине века солнечные источники электроэнергии уже доминируют в глобальном энергоснабжении.
2023
Прогресс лазерного термоядерного синтеза
Из отчета о работе с ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) видно, что до сих пор предпочтительным подходом к исследованию термоядерной энергии было удержание в магнитном поле. Тем не менее, в настоящее время более углубленно изучается потенциал лазеров. После многих лет проектирования и строительства новый крупный исследовательский центр функционирует в Европе. Его цель - продемонстрировать коммерческий потенциал термоядерного синтеза.
Высокомощная экспериментальная лазерная установка (The High Power laser Energy Research facility - HiPER) использует лазерный термоядерный реактор инерциального удержания. Лазеры стреляют в центральное ядро и, сталкиваясь с топливной гранулой, сжимают ее до высокой плотности. Затем буквально через наносекунду стреляет второй лазер с более интенсивным импульсом. Топливо воспламеняется, а температура ядра достигает ста миллионов градусов Цельсия и выше (жарче, чем в центре Солнца!), что позволяет осуществить термоядерные реакции. В ходе этих реакций образуется гелий, и испускаются пучки нейтронов с высокой энергией. Эти нейтроны захватываются для генерации электроэнергии.
Система «быстрого зажигания» в HiPER позволяет использовать лазеры гораздо меньшего размера, чем в предыдущих конструкциях, при этом генерируя то же количество электроэнергии. Это демонстрирует выгоду термоядерной энергии, значительно более высокую, чем для установок ранних поколений, - новая технология позволяет достичь десятикратного снижения затрат на строительство.
HiPER является лишь прототипом. Но после окончательной доработки проекта термоядерный синтез станет революционной формой производства энергии. Это будет гигантский скачок вперед по решению проблем изменения климата, загрязнения окружающей среды, энергетической безопасности и постоянно растущего энергопотребления.
2030
Технология «активно-адаптивных интеллектуальных сетей» широко распространена в развитых странах
Разрушительное воздействие нефтяных кризисов предыдущих десятилетий наряду с постоянным увеличением спроса на электроэнергию со стороны растущих населения и промышленности привело к огромной нагрузке мировые электрические сети. В наиболее пострадавших регионах происходят частые отключения электроэнергии, и потребители во всем мире начинают более сознательно относится к использованию энергии и принимают меры по контролю или сокращению ее потребления. Ситуация усугубляется использованием во многих странах относительно древней инфраструктуры. Большая часть электрических сетей в начале 21-го века были очень старыми и неэффективными: более 50% электроэнергии терялось в процессе ее производства, передачи и использования. Наложение множества деловых, политических, социальных и экологических проблем вынудило правительства и регулирующие органы наконец решить эту проблему.
К 2030 году активно-адаптивные интеллектуальные электросети получают все большее распространение в развитых странах мира. Главным их преимуществом является оптимальный баланс спроса и производства. Традиционные электросети раньше основывались на системе поставки «точно в срок», где поставки постоянно регулируются для того, чтобы удовлетворить спрос. Сейчас эта проблема устраняется за счет широкого спектра датчиков и автоматизированных устройств контроля, встроенных в энергосеть. Этот подход уже применялся в небольших масштабах в виде смарт-счетчиков для индивидуальных домов и офисов. К 2030 году эта технология охватит энергосети целых стран.
Электростанции теперь поддерживают постоянную связь в режиме реального времени со всеми жителями и предприятиями. Если мощности не хватает, бытовая техника может самостоятельно мгновенно снизить потребление энергии, вплоть до полного самоотключения при нахождении в режиме ожидания. Поскольку балансировка спроса и производства в настоящее время производится в режиме реального времени и автоматически внутри самой энергосети, это значительно снижает потребность в дополнительных «пиковых» электростанциях. В случае наличия какого-либо пробела в поставках, вычислительные алгоритмы определяют точные объемы требуемой поставки и включают дополнительные генераторы автоматически.
Компьютеры также помогают сгладить пики и спады спроса на электроэнергию и приспособиться к ним. Датчики в энергосети позволяют определить, где и когда потребление является самым высоким. Со временем производство может автоматически настраиваться в соответствии с прогнозируемым ростом и падением спроса. Смарт-счетчики могут затем приспосабливаться к любым расхождениям. Еще одно преимущество этого подхода позволяет поставщикам энергии поднять цены на электроэнергию в периоды высокого потребления, что помогает выравнивать пики. Таким образом, сеть в целом становится более надежной, так как уменьшается количество переменных, которые должны быть учтены.
Еще одно преимущество активно-адаптивных интеллектуальных сетей - возможность осуществления двунаправленного потока. В прошлом электропередача происходила только в одном направлении. Сегодня с распространением таких средств локального производства электроэнергии, как фотоэлектрические панели и топливные элементы, производство энергии стало гораздо более децентрализованным. Активно-адаптивные интеллектуальные сети учитывают также те дома и предприятия, которые могут добавлять свои собственные избытки электроэнергии в систему, позволяя передавать энергию через линии электропередач в обоих направлениях.
Подобная тенденция перераспределения и локализации делает крупномасштабные возобновляемые источники энергии более жизнеспособными, так как теперь энергосеть адаптирована к таким прерывистым мощностям, как солнечная и ветровая. Помимо этого интеллектуальные сети имеют множество каналов полноценной передачи. Таким образом, если повреждение линии передачи вызывает отключение электроэнергии, датчики мгновенно находят поврежденный участок, в то время как электроэнергия перенаправляется в отключенный район по другому каналу. Больше нет необходимости исследовать несколькими бригадами многочисленные трансформаторы, чтобы обнаружить местоположение проблемы, и в результате количество отключений электроэнергии уменьшается. Это также предотвращает «эффект домино», приводящий к веерному отключению электроэнергии.
В целом, эта новая «интернет-энергия» является гораздо более устойчивой, эффективной и надежной. Энергетические затраты снижаются, прокладывая путь к пост-углеродной экономике. Страны, которые быстро внедряют активно-адаптивные интеллектуальные энергосети, лучше защищены от нефтяных кризисов, в то время как выбросы парниковых газов сократились в некоторых странах почти на 20 процентов. Так как переход к экологически чистой энергии продолжается, то ситуация будет только улучшаться и приобретать масштабность. Регионы начинают объединение своих энергосетей сначала в масштабе стран, а в конечном итоге в масштабе целых континентов.
2032
4-ое поколение ядерной энергетики
К этому времени 4-е поколение атомных электростанций являются коммерчески возможным. Они используют систему небольших шариков, а не больших топливных стержней. Они представляют собой значительное улучшение системы работы по сравнению с предыдущими поколениями, по следующим причинам:
- Физически невозможно появление беглых цепных реакций, как это случилось с Чернобылем. Однако, человек всё равно будет продолжать делать ошибки, что будет приводить к катастрофам.
- Урановое топливо составляет 9%. Это делает невозможным его использование в качестве ядерного оружия в террористических целях.
- Ядерные отходы гораздо проще утилизировать.
- Они очень экономичны. Электричество может генерироваться дешевле, чем при использовании нефти или газа, даже несмотря на то, что вывод из эксплуатации таких станций приводит к большим расходам.
По этим причинам, атомная энергетика становится доходным бизнесом. Китай и Индия, в частности, воспользовались этим расширенным источником питания.
Солнечная и ветровая энергия имеют лучший долгосрочный потенциал, однако, только в случае прекращения добычи урана.
2032
Треть электроэнергии в Саудовской Аравии производит солнечная энергетика
В 2012 году мощность всех солнечных электростанций на территории королевства Саудовской Аравии составляла всего 0,003 ГВт. Более половины всей электроэнергии страны производилось в результате сжигания нефти. А к 2032 году в Саудовской Аравии было установлено солнечных электростаций общей мощностью уже 41 ГВт, что составляет треть общего спроса на солнечную энергию 121 страны. Около 25 гигаватт производится солнечными тепловыми электростанциями, которые используют зеркала, чтобы сосредоточить энергию от солнца на нагрев жидкости, которая в свою очередь приводит во вращение турбину. Остальные 16 гигаватт обеспечиваются массивными фотоэлектрическими фермами. Они появились в результате крупных иностранных инвестиций, а также за счет прибыли от производства ископаемых топлив на общую сумму чуть более 100 миллиардов долларов США. Хотя некоторые другие страны обладают более обширной солнечной инфраструктурой, однако этот проект с легкостью можно назвать одним из самых амбициозных, особенно с учетом давней позиции Саудовской Аравии как крупнейшего в мире экспортера сырой нефти.
Огромные пустынные просторы, а также заметно более интенсивный солнечный свет в экваториальных регионах обеспечивают стране большие перспективы дальнейшего расширения отрасли. В настоящее время планируются даже еще более крупные проекты. Также ведется строительство высоковольтных линий электропередач, соединяющих Саудовскую Аравию с соседними странами, а также некоторыми государствами в Южной Европе. В конце концов, эта сеть охватит всю Европу и Северную Африку. Помимо солнечной энергии, еще 21 ГВт получают сочетанием ядерной, ветровой и геотермальной энергии. Через соглашения о ядерном сотрудничестве с Китаем, Францией, Южной Кореей и Аргентиной в Саудовской Аравии сейчас строится 16 новых ядерных реакторов. В долгосрочной перспективе страна имеет еще больше амбиций - питаться исключительно за счет возобновляемых источников энергии. Большая часть нефтяной промышленности Саудовской Аравии сейчас переходит от производства энергии к производству пластмасс и полимеров.
Все эти события, а также тот факт, что Саудовская Аравия остается одной из самых богатых стран в регионе, помогает ей совершить переход в состояние с более устойчивой долгосрочной перспективой. Тем не менее, в реальности ситуация вынудила правительство резко сократить экспорт нефти. В последние годы Ближний Восток в целом погружается в хаос, поскольку как спрос, так и предложение на его ключевые экспортные продукты падает. Военная мощь, связи с Западом и обширная инфраструктура по опреснению позволили Саудовской Аравии оставаться на данный момент относительно стабильной.
2040
Термоядерный синтез становится доступным для применения в энергетике
Прототип действующего ядерного реактора проходит последнюю стадию разработки. ДЕМО (ДЕМОнстрационная Электростанция), преемница ИТЭР (Международного Экспериментального Термоядерного Реактора), обязана своим существованием успеху этого проекта, однако именно в процессе её реализации были совершены основные научные прорывы. Среди уже решенных проблем, возникших на начальных этапах, можно назвать такие, как поддержание достаточно высокой температуры плазмы, плотности реагирующих ионов и способ захватывания нейтронов высокой энергии из реакции, который не вызывал бы плавления внутренних стенок реактора.
Сооружение ДЕМО длилось с 2024 по 2033 год, и теперь она, пройдя несколько лет тестирований и усовершенствований, близка к завершению. Позже, в этом десятилетии, она сможет стабильно производить 2 гигаватта (ГВт), что впервые делает термоядерный синтез доступным для широкомасштабного использования.
В прибрежных регионах распространяются «Энергетические острова»
В результате перенаселения и различных изменений климата многие страны сейчас хронически страдают от недостатка воды, и особенно остро эта проблема стоит в развивающихся регионах. Хотя население продолжает увеличиваться, повышение температуры во всем мире приводит к пересыханию озер, родников и водохранилищ.
Одна из стратегий, разработанных с целью смягчить этот кризис, включает в себя так называемые компактные дрейфующие «энергетические острова». С помощью опреснительных установок эти «острова» производят электроэнергию на некотором удалении от берега. Впервые они были представлены в 2010-х годах, сегодня же достаточно большое количество этих сооружений запущено в тропических прибрежных зонах, где условия для получения энергии на основе температурного градиента морской воды (OTEC - Ocean Thermal Energy Conversion) идеальны.
Каждый остров имеет форму шестиугольника и связан с другими островами, образуя искусственный архипелаг. На поверхности устанавливаются ветровые турбины и солнечные батареи, в то время как внизу мгновенно испаряемая морская вода запускает генераторы турбин и вырабатывает воду, пригодную для питья.
Одна 250-мегаваттная установка OTEC может удовлетворять запросы 250 000 семей и ежедневно обеспечивать 600 миллионов литров питьевой воды. Излишки воды идут на поддержание местного сельского хозяйства и промышленности. Также, помимо сооружений для производства воды и энергии на «островах» строятся жилые комплексы, рыбоводческие хозяйства, теплицы и туристические комплексы для эко-туристов. К началу 22 века они разрастутся в более крупные версии - в целые «микронации», скитающиеся по морям.
2041
Проекты орбитальной солнечной энергии теперь коммерчески осуществимы
В результате многолетних разработок к энергетической системе теперь можно отнести и энергию, вырабатываемую из космической солнечной энергии. Эту идею пытались реализовать с 1970-х годов, но достижения в нанотехнологиях и достижения, касающиеся эффективности передачи, лишь недавно сделали ее коммерчески и технически осуществимой.
Система предполагает запуск нескольких спутников на геосинхронную орбиту Земли. На начальном этапе он финансируется и осуществляется совместно правительственными организациями и частными корпорациями. Очень большие поверхности на каждой солнечной батарее спутника, изготовленные на основе нанотехнологий (как правило, размером от 1 до 3 км), захватывают энергию Солнца, которая затем передаётся на Землю с помощью микроволн или лазеров. Большие собирающие тарелки на земле принимают энергию и преобразуют ее в годное к употреблению электричество. Вот несколько плюсов такого подхода:
- Большее количество захватываемой энергии: В космосе передача солнечной энергии не подвергается фильтрующему воздействию атмосферных газов. Вследствие этого, количество энергии, захваченной на орбите, составляет 144% от максимального количества, которое можно собрать на поверхности Земли.
- Больше срок сбора энергии: Высоко над Землей орбитальные спутники подвергаются достаточно высокому уровню солнечного излучения 24 часа в сутки, тогда как наземные панели ограничены максимум 12 часами в день.
- Независимость от погодных условий: Орбитальные спутники находятся достаточно далеко от каких-либо атмосферных газов, облаков, ветра, дождя и других возможных погодных явлений.
- Управляемая передача энергии: При необходимости спутники могут направлять энергию в различные места на поверхности Земли, установленные в зависимости от географически обусловленных потребностей в базовой или пиковой мощности нагрузки.
Также орбитальная солнечная энергия приносит пользу климату, поскольку при этом подходе отсутствуют выбросы газов, вызывающих парниковый эффект (хотя энергия, передаваемая на Землю, в конечном счете, переходит в тепло). Эти проекты, однако, изначально были очень дорогостоящими ввиду агрессивности космической среды. Высокопрочное экранирование панелей необходимо для того, чтобы защитить их от космического мусора, поскольку огромные размеры делают их очень уязвимыми для летящих в них космических осколков. Некоторые из наиболее высокотехнологичных панелей содержат композитный материал на основе нанотехнологий, который может самовосстанавливаться. Ухудшение качества поверхности солнечных панелей делает их практически невыгодными, но дальнейшее развитие технологий позволит решить эту проблему.
Несмотря на далекое от совершенства начало, космическая солнечная энергия станет очень успешной отраслью промышленности в конце 21-го и в 22-м веке. На орбитах вокруг Луны и Марса начнут появляться спутники, оказывая значительную поддержку пилотируемым базам. Космическая энергия продолжит распространяться по всей Земле на протяжении почти двух столетий до тех пор, пока практически весь солнечный свет, падающий на планету, не начнёт использоваться и в некотором роде «собираться».
2050
«Супер сети» по всему континенту обеспечивают большую часть мировых потребностей в энергии
Потребность в надежных, чистых, экономически эффективных источниках энергии привела к созданию электрических "супер сетей" на большей территории планеты. Это позволит странам разделить энергию с зелеными источниками и распространить ее на те регионы, которым она больше всего нужна. Ведя сотрудничество по такому пути, можно будет значительно сократить отходы и оптимизировать подачу энергии на обширных территориях, вплоть до континентов, круглый год.
Например, зимние штормы в Северном море смогут обеспечить подачу энергии ветра, которая дополнится летом ветрами с Марокко и Египта. Между тем, солнечные панели в Северной Африке смогут генерировать в три раза больше электроэнергии, чем аналогичные панели в Северной Европе, в связи с большей интенсивностью солнечного света. До 100 ГВт мощности будет поступать из Африки в Европу. Похожие масштабные структуры в настоящее время располагаются по всей Америке, Азии и других частях света.
Технологии для передачи энергии на длинные расстояния достигли значительных результатов за последние десятилетия. Каждая страна подключена к сети с использованием передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), вместо традиционных линий переменного тока (AC). Это более эффективный способ, поскольку у линий постоянного тока электрические потери значительно ниже при передаче на большие расстояния.
2070
Энергия термоядерного синтеза получает широкое распространение
У большинства ведущих стран есть по крайней мире один действующий или строящийся термоядерный реактор. Эти реакторы - богатый источник экологически чистой и безопасной энергии. Увы, они появились слишком поздно, чтобы предупредить безудержное глобальное потепление.
2180
Электростанции на базе антиматерии запущены
Через сто лет после глобального развертывания электростанций на базе управляемого термоядерного синтеза (УТС), открытие новых форм генерирования энергии становится все более необходимым для того, чтобы справиться с экспоненциальным ростом потребностей в энергии на Земле и в других местах.
Появляется новое поколение электростанций, способных производить энергию, выделяемую из столкновений материи/антиматерии. Реакции, которые в 1000 раз более мощные, чем деление на атомных электростанциях и в 300 раз более мощная, чем энергия ядерного синтеза.
Первый в мире полностью не наносящий ущерба окружающей среде город
Первая фаза постройки города Масдар, экопроекта с бюджетом 22 миллиарда долларов, завершена в 2015 году. Этот грандиозный проект расположен рядом с городом Абу-Даби в Объединенных Арабских Эмиратах. Полностью предварительно запланированный и самодостаточный, это первый в мире город, не загрязняющий атмосферу углеродом, а окружающую среду мусором. Использовано большое количество экотехнологий, в том числе самый большой завод по производству солнечной энергии на Ближнем Востоке, ветряные электростанции, фотогальванические элементы на крышах домов, геотермальные источники и водородная электростанция. Потребности города в воде удовлетворяются за счет опреснительной установки, работающей на солнечной энергии. В нем также широко используются разнообразные системы переработки.
Город Масдар даст приют приблизительно 7 000 жителей и 15 000 гостей. Коммерческая деятельность города в основном связана с производством экологически чистых продуктов. Движение на автомобилях запрещено в границах города, вместо этого жители используют комбинированную схему общественного транспорта и персональный автоматический транспорт. Он связан с районами Абу-Даби с помощью железной дороги и существующих шоссе. В нем расположен университет, научно-исследовательский институт и штаб-квартира Международного агентства возобновляемой энергии (IRENA).
Город Масдар значительно расширится. Завершающая фаза проекта окончится к 2025 году, покрыв территорию в 6 квадратных километров. К тому времени он будет вмещать 50 000 жителей и 1 500 предприятий.
Click to viewПостроены первые высотные башни для использования солнечной энергии
Первые высотные башни для производства солнечной энергии завершены в 2015 году. Построенные новой компанией EnviroMission, купившей участок земли в штате Аризона, США, они имеют высоту 800 метров, что вдвое выше небоскреба Эмпайр-стейт-билдинг. Каждая генерирует 200 мегаватт чистой, возобновляемой энергии, достаточной для обслуживания 150 000 семей, что эквивалентно изъятию 220 000 загрязняющих окружающую среду автомобилей с шоссе.
Солнечные башни действуют, комбинируя три старых проверенных технологии: самотягу, парниковый эффект и ветротурбины. Воздух нагревается Солнцем и попадает в очень большой резервуар у основы башни, похожий на парник, в результате конвекции воздух поднимается вверх по трубе. Данный поток воздуха вращает турбины, производя электричество.
У башен есть ряд преимуществ:
- Поскольку они используют перепад температур, а не абсолютную температуру, они работают в любую погоду;
- Поскольку дневные температуры сильно нагревают поверхность, они продолжают работать ночью;
- Поскольку наилучших результатов можно добиться на пустынных территориях, их можно строить на неудобицах и необитаемых территориях посреди пустыни;
- Они не используют ресурсы вроде угля или урана, только воздух и солнечный свет;
- Они не загрязняют окружающую среду. Единственным «выбросом» является поток горячего воздуха, исходящий из трубы башни. Фактически, благодаря наличию парников, они также могут использоваться для выращивания растений;
- Они почти не требуют обслуживания и имеют почти столетний период эксплуатации;
- Они также могут служить достопримечательностью для туристов, предоставляя возможность посещения смотровых площадок на вершине.
Данная технология открывает новые возможности во времена, когда мир столкнулся с грядущим энергетическим кризисом. После того как данный проект подтвердит свою коммерческую эффективность, эта методика будет широко использоваться в 2020-ые годы.
2019
Светодиодные лампы доминируют на рынке промышленного и домашнего освещения
Лампы на основе светоизлучающих диодов (Light-emitting diode (LED) в 20 раз более эффективны и более чем в 100 раз долговечнее, чем лампы накаливания. Светодиоды были впервые продемонстрированы в начале 1960-х годов, но были маломощными и могли излучать свет только в низком, красном диапазоне спектра. В течение многих лет, они использовались в основном в качестве индикаторов, например в телевизорах, в виде красной точки режима ожидания рядом с кнопкой включения.
Первый синий светодиод высокой яркости был произведён в 1994 г. (изобретение за которое исследователи получили Нобелевскую премию в октябре 2014 года). Существование синих светодиодов быстро привело к разработке первого белого LED. Используя люминофорное покрытие, синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. Последующие разработки привели к созданию более ярких ламп, светодиоды нашли новые роли в широком ассортименте для дома, бизнеса, автомобилей и других приложений.
Правительства многих стран по всему миру начали проводить политику по постепенному замещению ламп накаливания для общего освещения в пользу более энергоэффективных альтернатив. Законы фактически установливали запрет на производство, импорт или продажу традиционных ламп накаливания - впервые в Бразилии и Венесуэле (2005), затем в большей части Европы (2009), Австралии (2009), Аргентине (2012), Канаде (2012), России (2012 г.) и США (2012). Другие страны последовали тем же путём позже, в том числе Китай.
К началу 2010-х годов во многих городах были признаны преимущества LED освещения на улицах и в общественных местах. В частности, во многих бедных кварталах, в общественных местах, широкое применение данной технологии позволяло чувствовать себя безопаснее, обеспечивая огромную экономию энергии в долгосрочной перспективе (90%) и снижая необходимость обслуживания. Здания, что когда-то казались тусклыми и вызывали мрачные предчувствия, с подсветкой стали выглядеть свежее и ярче. Кроме того, световое загрязнение может быть уменьшено с инновациями в области фокусировки света, предохраняя от светового перекрытия или переизбытка света, где он не требуется.
Среди ранних новаторов были Лос-Анджелес, который завершил массовую модернизацию в 2012 году и Нью-Йорк, который к 2017 году заменил все свои 250,000 уличных фонарей на светодиодные. Доля рынка светодиодов продолжала быстро увеличиваться, вследствие падения цен и росту информированности общественности. К концу этого десятилетия, они составляют подавляющее большинство от общего объема продаж в индустрии освещения. Новые законы о распространении ртути начнут ограничивать продажу люминесцентных ламп с 2020 года, ещё больше стимулируя внедрение светодиодов в предстоящие годы.
Запущен экспериментальный термоядерный реактор ITER
Искусственно созданная термоядерная реакция уже демонстрировалась в малом масштабе. Существовала задача отыскать способ увеличить его масштаб до уровня коммерческого использования эффективно, экономично и без нанесения вреда окружающей среде.
Реактор ITER, известный ранее как Международный термоядерный экспериментальный реактор, будет первым проектом, удовлетворяющим данным условиям. Он был построен на юге Франции за 20 миллиардов евро за десять лет, это один из самых грандиозных когда-либо предпринимаемых научных проектов, занимающий второе место после Международной космической станции. Это совместный исследовательский проект США, ЕС, Японии, России, Китая, Индии и Южной Кореи.
Чтобы продемонстрировать чистую термоядерную мощь в большом масштабе, реактор должен воспроизвести условия, аналогичные условий в центре Солнца. Для достижения данной цели используется устройство под названием токамак, удерживающее плазму магнитным полем. Это тороидальная вакуумная камера генерирует мощное магнитное поле, не дающее жару достигать стен реактора. Небольшие дозы топлива впрыскиваются и втягиваются в камеру. Здесь они разогреваются до температуры 100 миллионов градусов, формируя плазму. При такой высокой температуре легкие атомные ядра водорода сплавляются вместе, создавая более тяжелые соединения водорода, такие как дейтерий и тритий. Что высвобождает нейтроны и огромное количество энергии
После операционного запуска в 2019 году можно надеяться, что ITER в результате будет производить более 500 мегаватт мощи, порциями в 400 секунд и больше. Его можно сравнить с «Общим европейским тором» (JET), предыдущим рекордсменом по пиковой термоядерной мощи (16МВ), длившейся всего несколько секунд в 1997 году.
Потребуется еще несколько десятилетий, пока реактор ITER будет в достаточной степени усовершенствован. Для того чтобы генерировать продолжительное напряжение для коммерческих нужд, потребуется создать способ задержки плазмы в условиях критической плотности и температур. Для этого понадобится улучшить конструкцию камеры, применить усовершенствованные сверхпроводящие магниты и продвинутые вакуумные системы.
Однако это может привести к конечному прорыву в области энергетики. Если проект окажется удачным, человечество получит доступ к практически неограниченному запасу экологически чистой энергии.
2020
Смарт-счётчики в каждом доме Великобритании
«Умные» счетчики в настоящее время установлены в каждом доме Великобритании. Они оснащены электронным дисплеем, отображающим пользователям точное количество потребленной электроэнергии и газа и их стоимость на данный момент. Данные автоматически отсылаются в компании электроэнергии; предварительные счета и визиты работников-контролеров теперь стали в прошлом.
Как результат, снижается оплата за услуги, поскольку счетчики могут регулировать подачу электроэнергии и газа. Они также способны «общаться» с бытовой техникой, например, с холодильниками. При необходимости, их можно запрограммировать на включение и выключение в зависимости от уровня перегруженности сети.
Смарт-счетчики позволяют более эффективно управлять потоками электроэнергии. Они также могут обрабатывать непостоянные источники энергии (такие как ВЭС) и справляться с микрогенерацией - потребители все чаще используют солнечные батареи или тепловые насосы для создания своей собственной электроэнергии, которую можно отправить обратно в сеть, выручив на этом средства.
2021
Беспроводное электричество
У большинства последних электрических и электронных устройств теперь на месте батареи стоит антенна, позволяющая черпать энергию из одного узла, установленного на потолке комнаты. Это устраняет необходимость в многочисленных стенных розетках и громоздких кабелях, что значительно уменьшает беспорядок в домах и на рабочих местах. Это позволяет создавать гораздо более легкие и компактные портативные электронные устройства, чем когда-либо прежде.
Магнитная катушка находится в небольшой коробке, которая может быть установлена на стене или на потолке. Работая от сети, она резонирует на определенной частоте. Электромагнитные волны передаются по воздуху, достигая второй магнитной катушки, установленной в ноутбуке, телевизоре или другом устройстве. Вторая катушка резонирует на той же частоте, что и первая, и поглощает энергию для зарядки устройства.
Развитие беспроводного электричества началось с небольшого диапазона товаров: зарядных устройств для телефонов и электрических держателей зубных щеток. Повышение эффективности позволило передавать мощность на расстояние в несколько метров. Постепенно технология начала использоваться в таких крупных и энергоемких продуктах, как телевизоры, компьютеры и даже транспортные средства. Был принят универсальный стандарт, обеспечивающий совместимость и тем самым значительно повышающий рыночную привлекательность подобных устройств. К началу 2020-х годов индустрия получает годовой доход более 15 миллиардов долларов. Новая технология становится обычным явлением в домах и офисах. Пользователи ноутбуков в кафе, аэропортах и других общественных местах теперь могут использовать точки «Wi-Tricity». Они являются для батарей тем же, чем Wi-Fi является для Интернета. Зарядка электромобилей - еще одно успешное направление развития. Водители могут зарядить аккумуляторы своих электромобилей просто припарковавшись на специальном диске, размещенном на полу или встроенном в тротуар.
Эти сети являются полностью безопасными для людей, без угрозы поражения невидимыми лучами. В итоге линии электропередач начинают исчезать с улиц, а электричество передается по беспроводной сети от здания к зданию. Появляются первые «беспроводные города», более аккуратные на вид, с улучшенным городским дизайном и эстетикой. В будущем эта тенденция распространится на весь мир.
2022
Сетевой паритет солнечных источников электроэнергии достигнут почти на 10% территории США
Сетевой паритет определяется как точка, в которой возобновляемые источники энергии эквивалентны по стоимости или дешевле, чем местные электросети, без государственных субсидий. В случае солнечной энергии, хотя следует учитывать целый ряд других факторов, все же более солнечные страны должны достичь этой знаменательной отметки раньше. В США такие штаты, как Калифорния и Гавайи, были в числе первых, достигших сетевого паритета.
Эффективность фотоэлектрических солнечных установок в США. Фото: NREL
С 2010 года начался взрывной рост количества устанавливаемых солнечных мощностей как в США, так и по всему миру. Резкое падение стоимости, более короткий производственный цикл благодаря автоматизации, новые материалы и повышение эффективности, беспокойство по поводу глобального потепления, новые модели финансирования и высокая конкуренция с Китаем и другими странами, - все это способствовало росту использования солнечной энергии.
Банкротство Solyndra (получившей сотни миллионов долларов через федеральную программу кредитования) бурно обсуждалось в американских СМИ. Однако это произошло в большей степени за счет снижения цен на конкурирующую продукцию, нежели из-за провала самой технологии. Панели Solyndra были сделаны на основе медь-индий-селенида галлия - бескремниевой технологии. Эта технология была дорогой, но конкурентоспособной в 2008 году, когда цены на кремний были высокими. Когда цены на кремний упали, также как и стоимость кремниевых панелей, технологии изготовления Solyndra стали устаревшими.
Тенденция роста доли рынка, занимаемой солнечной энергетикой, будет продолжаться на протяжении 2010-х годов и в следующем десятилетии на фоне дальнейшего падения цен. Традиционные коммунальные предприятия начали сталкиваться с высокой конкуренцией со стороны продавцов недорогих солнечных панелей, устанавливаемых на крышах, даже в таких северных штатах, как Миннесота, Висконсин и Мичиган.
К 2022 году почти на 10% территории США был достигнут сетевой паритет солнечных источников электроэнергии. Это помогает смягчить некоторый экономический ущерб, вызванный ростом цен на нефть. К 2030 году по всей стране была создана общенациональная «умная сеть», способная интеллектуально управлять и распределять солнечную энергию именно там, где это больше всего необходимо. К 2040-м годам даже космические солнечные панели становятся выгодными с коммерческой точки зрения, а к середине века солнечные источники электроэнергии уже доминируют в глобальном энергоснабжении.
2023
Прогресс лазерного термоядерного синтеза
Из отчета о работе с ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) видно, что до сих пор предпочтительным подходом к исследованию термоядерной энергии было удержание в магнитном поле. Тем не менее, в настоящее время более углубленно изучается потенциал лазеров. После многих лет проектирования и строительства новый крупный исследовательский центр функционирует в Европе. Его цель - продемонстрировать коммерческий потенциал термоядерного синтеза.
Высокомощная экспериментальная лазерная установка (The High Power laser Energy Research facility - HiPER) использует лазерный термоядерный реактор инерциального удержания. Лазеры стреляют в центральное ядро и, сталкиваясь с топливной гранулой, сжимают ее до высокой плотности. Затем буквально через наносекунду стреляет второй лазер с более интенсивным импульсом. Топливо воспламеняется, а температура ядра достигает ста миллионов градусов Цельсия и выше (жарче, чем в центре Солнца!), что позволяет осуществить термоядерные реакции. В ходе этих реакций образуется гелий, и испускаются пучки нейтронов с высокой энергией. Эти нейтроны захватываются для генерации электроэнергии.
Система «быстрого зажигания» в HiPER позволяет использовать лазеры гораздо меньшего размера, чем в предыдущих конструкциях, при этом генерируя то же количество электроэнергии. Это демонстрирует выгоду термоядерной энергии, значительно более высокую, чем для установок ранних поколений, - новая технология позволяет достичь десятикратного снижения затрат на строительство.
HiPER является лишь прототипом. Но после окончательной доработки проекта термоядерный синтез станет революционной формой производства энергии. Это будет гигантский скачок вперед по решению проблем изменения климата, загрязнения окружающей среды, энергетической безопасности и постоянно растущего энергопотребления.
2030
Технология «активно-адаптивных интеллектуальных сетей» широко распространена в развитых странах
Разрушительное воздействие нефтяных кризисов предыдущих десятилетий наряду с постоянным увеличением спроса на электроэнергию со стороны растущих населения и промышленности привело к огромной нагрузке мировые электрические сети. В наиболее пострадавших регионах происходят частые отключения электроэнергии, и потребители во всем мире начинают более сознательно относится к использованию энергии и принимают меры по контролю или сокращению ее потребления. Ситуация усугубляется использованием во многих странах относительно древней инфраструктуры. Большая часть электрических сетей в начале 21-го века были очень старыми и неэффективными: более 50% электроэнергии терялось в процессе ее производства, передачи и использования. Наложение множества деловых, политических, социальных и экологических проблем вынудило правительства и регулирующие органы наконец решить эту проблему.
К 2030 году активно-адаптивные интеллектуальные электросети получают все большее распространение в развитых странах мира. Главным их преимуществом является оптимальный баланс спроса и производства. Традиционные электросети раньше основывались на системе поставки «точно в срок», где поставки постоянно регулируются для того, чтобы удовлетворить спрос. Сейчас эта проблема устраняется за счет широкого спектра датчиков и автоматизированных устройств контроля, встроенных в энергосеть. Этот подход уже применялся в небольших масштабах в виде смарт-счетчиков для индивидуальных домов и офисов. К 2030 году эта технология охватит энергосети целых стран.
Электростанции теперь поддерживают постоянную связь в режиме реального времени со всеми жителями и предприятиями. Если мощности не хватает, бытовая техника может самостоятельно мгновенно снизить потребление энергии, вплоть до полного самоотключения при нахождении в режиме ожидания. Поскольку балансировка спроса и производства в настоящее время производится в режиме реального времени и автоматически внутри самой энергосети, это значительно снижает потребность в дополнительных «пиковых» электростанциях. В случае наличия какого-либо пробела в поставках, вычислительные алгоритмы определяют точные объемы требуемой поставки и включают дополнительные генераторы автоматически.
Компьютеры также помогают сгладить пики и спады спроса на электроэнергию и приспособиться к ним. Датчики в энергосети позволяют определить, где и когда потребление является самым высоким. Со временем производство может автоматически настраиваться в соответствии с прогнозируемым ростом и падением спроса. Смарт-счетчики могут затем приспосабливаться к любым расхождениям. Еще одно преимущество этого подхода позволяет поставщикам энергии поднять цены на электроэнергию в периоды высокого потребления, что помогает выравнивать пики. Таким образом, сеть в целом становится более надежной, так как уменьшается количество переменных, которые должны быть учтены.
Еще одно преимущество активно-адаптивных интеллектуальных сетей - возможность осуществления двунаправленного потока. В прошлом электропередача происходила только в одном направлении. Сегодня с распространением таких средств локального производства электроэнергии, как фотоэлектрические панели и топливные элементы, производство энергии стало гораздо более децентрализованным. Активно-адаптивные интеллектуальные сети учитывают также те дома и предприятия, которые могут добавлять свои собственные избытки электроэнергии в систему, позволяя передавать энергию через линии электропередач в обоих направлениях.
Подобная тенденция перераспределения и локализации делает крупномасштабные возобновляемые источники энергии более жизнеспособными, так как теперь энергосеть адаптирована к таким прерывистым мощностям, как солнечная и ветровая. Помимо этого интеллектуальные сети имеют множество каналов полноценной передачи. Таким образом, если повреждение линии передачи вызывает отключение электроэнергии, датчики мгновенно находят поврежденный участок, в то время как электроэнергия перенаправляется в отключенный район по другому каналу. Больше нет необходимости исследовать несколькими бригадами многочисленные трансформаторы, чтобы обнаружить местоположение проблемы, и в результате количество отключений электроэнергии уменьшается. Это также предотвращает «эффект домино», приводящий к веерному отключению электроэнергии.
В целом, эта новая «интернет-энергия» является гораздо более устойчивой, эффективной и надежной. Энергетические затраты снижаются, прокладывая путь к пост-углеродной экономике. Страны, которые быстро внедряют активно-адаптивные интеллектуальные энергосети, лучше защищены от нефтяных кризисов, в то время как выбросы парниковых газов сократились в некоторых странах почти на 20 процентов. Так как переход к экологически чистой энергии продолжается, то ситуация будет только улучшаться и приобретать масштабность. Регионы начинают объединение своих энергосетей сначала в масштабе стран, а в конечном итоге в масштабе целых континентов.
2032
4-ое поколение ядерной энергетики
К этому времени 4-е поколение атомных электростанций являются коммерчески возможным. Они используют систему небольших шариков, а не больших топливных стержней. Они представляют собой значительное улучшение системы работы по сравнению с предыдущими поколениями, по следующим причинам:
- Физически невозможно появление беглых цепных реакций, как это случилось с Чернобылем. Однако, человек всё равно будет продолжать делать ошибки, что будет приводить к катастрофам.
- Урановое топливо составляет 9%. Это делает невозможным его использование в качестве ядерного оружия в террористических целях.
- Ядерные отходы гораздо проще утилизировать.
- Они очень экономичны. Электричество может генерироваться дешевле, чем при использовании нефти или газа, даже несмотря на то, что вывод из эксплуатации таких станций приводит к большим расходам.
По этим причинам, атомная энергетика становится доходным бизнесом. Китай и Индия, в частности, воспользовались этим расширенным источником питания.
Солнечная и ветровая энергия имеют лучший долгосрочный потенциал, однако, только в случае прекращения добычи урана.
2032
Треть электроэнергии в Саудовской Аравии производит солнечная энергетика
В 2012 году мощность всех солнечных электростанций на территории королевства Саудовской Аравии составляла всего 0,003 ГВт. Более половины всей электроэнергии страны производилось в результате сжигания нефти. А к 2032 году в Саудовской Аравии было установлено солнечных электростаций общей мощностью уже 41 ГВт, что составляет треть общего спроса на солнечную энергию 121 страны. Около 25 гигаватт производится солнечными тепловыми электростанциями, которые используют зеркала, чтобы сосредоточить энергию от солнца на нагрев жидкости, которая в свою очередь приводит во вращение турбину. Остальные 16 гигаватт обеспечиваются массивными фотоэлектрическими фермами. Они появились в результате крупных иностранных инвестиций, а также за счет прибыли от производства ископаемых топлив на общую сумму чуть более 100 миллиардов долларов США. Хотя некоторые другие страны обладают более обширной солнечной инфраструктурой, однако этот проект с легкостью можно назвать одним из самых амбициозных, особенно с учетом давней позиции Саудовской Аравии как крупнейшего в мире экспортера сырой нефти.
Огромные пустынные просторы, а также заметно более интенсивный солнечный свет в экваториальных регионах обеспечивают стране большие перспективы дальнейшего расширения отрасли. В настоящее время планируются даже еще более крупные проекты. Также ведется строительство высоковольтных линий электропередач, соединяющих Саудовскую Аравию с соседними странами, а также некоторыми государствами в Южной Европе. В конце концов, эта сеть охватит всю Европу и Северную Африку. Помимо солнечной энергии, еще 21 ГВт получают сочетанием ядерной, ветровой и геотермальной энергии. Через соглашения о ядерном сотрудничестве с Китаем, Францией, Южной Кореей и Аргентиной в Саудовской Аравии сейчас строится 16 новых ядерных реакторов. В долгосрочной перспективе страна имеет еще больше амбиций - питаться исключительно за счет возобновляемых источников энергии. Большая часть нефтяной промышленности Саудовской Аравии сейчас переходит от производства энергии к производству пластмасс и полимеров.
Все эти события, а также тот факт, что Саудовская Аравия остается одной из самых богатых стран в регионе, помогает ей совершить переход в состояние с более устойчивой долгосрочной перспективой. Тем не менее, в реальности ситуация вынудила правительство резко сократить экспорт нефти. В последние годы Ближний Восток в целом погружается в хаос, поскольку как спрос, так и предложение на его ключевые экспортные продукты падает. Военная мощь, связи с Западом и обширная инфраструктура по опреснению позволили Саудовской Аравии оставаться на данный момент относительно стабильной.
2040
Термоядерный синтез становится доступным для применения в энергетике
Прототип действующего ядерного реактора проходит последнюю стадию разработки. ДЕМО (ДЕМОнстрационная Электростанция), преемница ИТЭР (Международного Экспериментального Термоядерного Реактора), обязана своим существованием успеху этого проекта, однако именно в процессе её реализации были совершены основные научные прорывы. Среди уже решенных проблем, возникших на начальных этапах, можно назвать такие, как поддержание достаточно высокой температуры плазмы, плотности реагирующих ионов и способ захватывания нейтронов высокой энергии из реакции, который не вызывал бы плавления внутренних стенок реактора.
Сооружение ДЕМО длилось с 2024 по 2033 год, и теперь она, пройдя несколько лет тестирований и усовершенствований, близка к завершению. Позже, в этом десятилетии, она сможет стабильно производить 2 гигаватта (ГВт), что впервые делает термоядерный синтез доступным для широкомасштабного использования.
В прибрежных регионах распространяются «Энергетические острова»
В результате перенаселения и различных изменений климата многие страны сейчас хронически страдают от недостатка воды, и особенно остро эта проблема стоит в развивающихся регионах. Хотя население продолжает увеличиваться, повышение температуры во всем мире приводит к пересыханию озер, родников и водохранилищ.
Одна из стратегий, разработанных с целью смягчить этот кризис, включает в себя так называемые компактные дрейфующие «энергетические острова». С помощью опреснительных установок эти «острова» производят электроэнергию на некотором удалении от берега. Впервые они были представлены в 2010-х годах, сегодня же достаточно большое количество этих сооружений запущено в тропических прибрежных зонах, где условия для получения энергии на основе температурного градиента морской воды (OTEC - Ocean Thermal Energy Conversion) идеальны.
Каждый остров имеет форму шестиугольника и связан с другими островами, образуя искусственный архипелаг. На поверхности устанавливаются ветровые турбины и солнечные батареи, в то время как внизу мгновенно испаряемая морская вода запускает генераторы турбин и вырабатывает воду, пригодную для питья.
Одна 250-мегаваттная установка OTEC может удовлетворять запросы 250 000 семей и ежедневно обеспечивать 600 миллионов литров питьевой воды. Излишки воды идут на поддержание местного сельского хозяйства и промышленности. Также, помимо сооружений для производства воды и энергии на «островах» строятся жилые комплексы, рыбоводческие хозяйства, теплицы и туристические комплексы для эко-туристов. К началу 22 века они разрастутся в более крупные версии - в целые «микронации», скитающиеся по морям.
2041
Проекты орбитальной солнечной энергии теперь коммерчески осуществимы
В результате многолетних разработок к энергетической системе теперь можно отнести и энергию, вырабатываемую из космической солнечной энергии. Эту идею пытались реализовать с 1970-х годов, но достижения в нанотехнологиях и достижения, касающиеся эффективности передачи, лишь недавно сделали ее коммерчески и технически осуществимой.
Система предполагает запуск нескольких спутников на геосинхронную орбиту Земли. На начальном этапе он финансируется и осуществляется совместно правительственными организациями и частными корпорациями. Очень большие поверхности на каждой солнечной батарее спутника, изготовленные на основе нанотехнологий (как правило, размером от 1 до 3 км), захватывают энергию Солнца, которая затем передаётся на Землю с помощью микроволн или лазеров. Большие собирающие тарелки на земле принимают энергию и преобразуют ее в годное к употреблению электричество. Вот несколько плюсов такого подхода:
- Большее количество захватываемой энергии: В космосе передача солнечной энергии не подвергается фильтрующему воздействию атмосферных газов. Вследствие этого, количество энергии, захваченной на орбите, составляет 144% от максимального количества, которое можно собрать на поверхности Земли.
- Больше срок сбора энергии: Высоко над Землей орбитальные спутники подвергаются достаточно высокому уровню солнечного излучения 24 часа в сутки, тогда как наземные панели ограничены максимум 12 часами в день.
- Независимость от погодных условий: Орбитальные спутники находятся достаточно далеко от каких-либо атмосферных газов, облаков, ветра, дождя и других возможных погодных явлений.
- Управляемая передача энергии: При необходимости спутники могут направлять энергию в различные места на поверхности Земли, установленные в зависимости от географически обусловленных потребностей в базовой или пиковой мощности нагрузки.
Также орбитальная солнечная энергия приносит пользу климату, поскольку при этом подходе отсутствуют выбросы газов, вызывающих парниковый эффект (хотя энергия, передаваемая на Землю, в конечном счете, переходит в тепло). Эти проекты, однако, изначально были очень дорогостоящими ввиду агрессивности космической среды. Высокопрочное экранирование панелей необходимо для того, чтобы защитить их от космического мусора, поскольку огромные размеры делают их очень уязвимыми для летящих в них космических осколков. Некоторые из наиболее высокотехнологичных панелей содержат композитный материал на основе нанотехнологий, который может самовосстанавливаться. Ухудшение качества поверхности солнечных панелей делает их практически невыгодными, но дальнейшее развитие технологий позволит решить эту проблему.
Несмотря на далекое от совершенства начало, космическая солнечная энергия станет очень успешной отраслью промышленности в конце 21-го и в 22-м веке. На орбитах вокруг Луны и Марса начнут появляться спутники, оказывая значительную поддержку пилотируемым базам. Космическая энергия продолжит распространяться по всей Земле на протяжении почти двух столетий до тех пор, пока практически весь солнечный свет, падающий на планету, не начнёт использоваться и в некотором роде «собираться».
2050
«Супер сети» по всему континенту обеспечивают большую часть мировых потребностей в энергии
Потребность в надежных, чистых, экономически эффективных источниках энергии привела к созданию электрических "супер сетей" на большей территории планеты. Это позволит странам разделить энергию с зелеными источниками и распространить ее на те регионы, которым она больше всего нужна. Ведя сотрудничество по такому пути, можно будет значительно сократить отходы и оптимизировать подачу энергии на обширных территориях, вплоть до континентов, круглый год.
Например, зимние штормы в Северном море смогут обеспечить подачу энергии ветра, которая дополнится летом ветрами с Марокко и Египта. Между тем, солнечные панели в Северной Африке смогут генерировать в три раза больше электроэнергии, чем аналогичные панели в Северной Европе, в связи с большей интенсивностью солнечного света. До 100 ГВт мощности будет поступать из Африки в Европу. Похожие масштабные структуры в настоящее время располагаются по всей Америке, Азии и других частях света.
Технологии для передачи энергии на длинные расстояния достигли значительных результатов за последние десятилетия. Каждая страна подключена к сети с использованием передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), вместо традиционных линий переменного тока (AC). Это более эффективный способ, поскольку у линий постоянного тока электрические потери значительно ниже при передаче на большие расстояния.
2070
Энергия термоядерного синтеза получает широкое распространение
У большинства ведущих стран есть по крайней мире один действующий или строящийся термоядерный реактор. Эти реакторы - богатый источник экологически чистой и безопасной энергии. Увы, они появились слишком поздно, чтобы предупредить безудержное глобальное потепление.
2180
Электростанции на базе антиматерии запущены
Через сто лет после глобального развертывания электростанций на базе управляемого термоядерного синтеза (УТС), открытие новых форм генерирования энергии становится все более необходимым для того, чтобы справиться с экспоненциальным ростом потребностей в энергии на Земле и в других местах.
Появляется новое поколение электростанций, способных производить энергию, выделяемую из столкновений материи/антиматерии. Реакции, которые в 1000 раз более мощные, чем деление на атомных электростанциях и в 300 раз более мощная, чем энергия ядерного синтеза.