Возобновляемая энергия скоро полностью заменит ископаемое топливо

Из всех изменений, которые мы увидим в 2020-х годах благодаря стремительному развитию технологий, наиболее значимыми станут преобразования в сфере энергетики, потому что от энергии зависят все остальные технологии. Солнечные электростанции уже доказали свою эффективность по сравнению с работающими на сжигаемом топливе, а связанные с ними издержки продолжают снижаться. Однако для дальнейшего увеличения мощности солнечных электростанций и уменьшения затрат потребуется разработка новых материалов. Применение искусственного интеллекта в сфере нанотехнологий поможет увеличить эффективность солнечных панелей за счет создания материалов, способных преобразовывать в электричество более широкую часть спектра солнечного излучения. И в этом направлении уже есть многообещающие результаты. Внедрение в солнечные элементы микроскопических структур – нанотрубок и нанопроводов – позволит увеличить их возможности по захвату фотонов, перемещению электронов и в конечном счете выработке электрического тока²¹⁸. Предполагается, что использование нанокристаллов, включая квантовые точки, может значительно повысить эффективность преобразования света в электрический ток²¹⁹.

Перспективным наноматериалом является так называемый черный кремний. Его поверхность покрыта множеством тончайших иголок, каждая из которых по размеру меньше длины световой волны²²⁰. Благодаря этому свет практически не отражается от поверхности, что позволит задействовать больше фотонов для генерации электричества. Ученые из Принстонского университета разработали другой метод увеличения КПД солнечных панелей. Для захвата фотонов они предложили использовать наноразмерную сетку из атомов золота толщиной около 30 миллиардных метра²²¹. В то же время в МТИ были созданы солнечные панели из листов графена – слоя из атомов углерода толщиной менее одного нанометра²²². Все эти технологии направлены на то, чтобы сделать фотоэлектрические панели более тонкими, легкими и пригодными для установки на любые поверхности. Например, компания Solar-Window Technologies разработала фотоэлектрическую пленку, которую можно наклеить на окна, чтобы вырабатывать электричество, не закрывая обзора²²³.

В ближайшем будущем нанотехнологии помогут снизить стоимость производства солнечных панелей, обеспечив возможность печатать их на 3D-принтерах. Такая децентрализация производства позволит создавать солнечные элементы прямо там, где они будут использоваться. В отличие от больших, жестких и неудобных в обращении панелей, которые нам доступны сегодня, построенные с помощью нанотехнологий смогут принимать более удобные формы: рулоны, пленки, покрытия и т. д. Это удешевит их монтаж и сделает солнечную энергетику доступной большему количеству людей.

В 2000 году доля возобновляемых источников, таких как солнечный свет, ветер, геотермальная энергия, приливы и биотопливо (без учета гидроэнергетики), в общем энергопотреблении составляла 1,4 %²²⁴. К 2021 году этот показатель увеличился до 12,85 %, удваиваясь каждые 6,5 лет²²⁵. В абсолютных цифрах рост идет быстрее, поскольку общее энергопотребление также увеличивается: в 2000 году этот показатель составлял 218 тераватт-часов, а в 2021-м – уже 3657 ТВт-ч, что соответствует удвоению за 5,2 года²²⁶.

Прогресс в этой области будет развиваться стремительно. Благодаря искусственному интеллекту, который будет помогать создавать новые материалы и разрабатывать схемы эффективных устройств, затраты на технологии будут снижаться. Если текущие темпы сохранятся, к 2041 году доля возобновляемых источников энергии в мировой энергосистеме может составить 100 %. Однако при составлении прогнозов важно понимать, что не все компоненты «зеленой» энергии дешевеют с одинаковой скоростью.

Стоимость выработки электричества с помощью солнечного излучения снижается быстрее, чем при использовании других возобновляемых источников. Солнечная энергетика также имеет самый большой потенциал для роста. Ближайшим конкурентом солнечному излучению в плане снижения затрат является энергия ветра, но за последние пять лет стоимость солнечных панелей падала вдвое быстрее, чем ветряных электростанций²²⁷. Что касается предела эффективности, то в этом аспекте у солнечных панелей больше перспектив. Современные технологии способны обработать порядка 20 % входящего потока энергии при теоретическом максимуме в 86 %, а успехи в материаловедении напрямую повышают эффективность фотоэлектрических панелей²²⁸. Максимального КПД достичь, конечно, не удастся, но улучшения будут существенные. В то же время ветряные электростанции имеют КПД около 50 %, что гораздо ближе к их теоретическому пределу в 59 %²²⁹. Поэтому, несмотря на все инновации, существенно улучшить эти системы уже не удастся.

В 2021 году 3,6 % электроэнергии в мире было получено из солнечного излучения²³⁰. На самом деле, всего одна десятитысячная того огромного потока солнечной энергии, который достигает Земли, могла бы обеспечить все наши сегодняшние энергетические потребности. Наша планета непрерывно получает около 173 000 ТВт энергии от Солнца²³¹. Большую часть этой энергии мы не сможем использовать в обозримом будущем, но даже на современном уровне технологий солнечной энергии более чем достаточно, чтобы удовлетворить все наши нужды. В 2006 году ученые правительства США оценили общую мощность, которая была доступна с помощью существовавших на тот момент технологий, в 7500 ТВт²³². Это соответствует количеству энергии в 6 570 000 ТВт-ч за целый год. Для сравнения, в 2021 году общее потребление энергии во всем мире составило примерно 165 320 ТВт-ч²³³. В эту величину входит электричество, отопление и энергия от всех видов топлива.

Доля солнечной энергетики в общем объеме потребляемой энергии в мире растет быстрее, чем других возобновляемых источников. В период с 1983 по 2021 год этот показатель удваивался примерно каждые 28 месяцев. За это время общее количество выработанной электроэнергии увеличилось примерно на 220 %²³⁴. С 2021 года, когда доля солнечной энергии составляла 3,6 %, до достижения 100 % потребовалось бы всего 4,8 таких удвоений. Это означает, что к 2032 году мы могли бы полностью удовлетворять свои потребности за счет энергии солнца. Хотя пока рано говорить о том, что солнечная энергетика станет единственным источником энергии, поскольку есть экономические и политические препятствия, очевидно, что ее влияние будет значительным.

Нам повезло, что самые обширные пустующие пространства на планете – пустыни – идеально подходят для размещения солнечных электростанций. Например, часто звучат предложения разместить солнечные панели на небольшой части пустыни Сахара. Это будет иметь большое значение, потому что позволит обеспечить электроэнергией всю Европу (с помощью кабелей, проложенных по дну Средиземного моря) и Африку²³⁵.

Одной из ключевых проблем, с которыми сталкиваются при внедрении и развитии технологий солнечной энергетики, является отсутствие эффективных способов хранения электроэнергии. Ископаемое топливо обладает тем преимуществом, что его можно хранить в течение длительного времени и использовать только тогда, когда это необходимо для производства электроэнергии. Однако солнце светит только в дневное время, к тому же интенсивность его излучения меняется в зависимости от времени года. Поэтому нам необходимы эффективные решения для запасания солнечной энергии, чтобы иметь возможность использовать ее в любое время, когда возникнет такая необходимость. Это может произойти как через несколько часов, так и через несколько месяцев.

К счастью, эффективность и доступная емкость технологий хранения энергии также растут экспоненциально. Стоит отметить, что этот экспоненциальный рост не связан с фундаментальными причинами, такими как закон ускорения отдачи. Развитие технологий хранения энергии не зависит от формирования петель обратной связи, но активно поддерживается ростом сектора возобновляемых источников энергии, который, в свою очередь, испытывает косвенное влияние ЗУО, особенно в части солнечной энергетики. Причина в том, что информационные технологии играют большую роль в изобретении новых материалов для солнечных панелей. Благодаря инвестициям в развитие возобновляемой энергетики растет эффективность технологий в этой сфере, и усилия переносятся на разработку аккумуляторов, поскольку те необходимы для успешной конкуренции с традиционными системами, основанными на ископаемом топливе. Экспоненциальный рост обусловлен и успехами в материаловедении, роботизации производства, а также совершенствованием способов транспортировки грузов и передачи энергии. По-видимому, в 2030-х годах солнечная энергетика займет лидирующие позиции.

В настоящее время разрабатывается несколько перспективных подходов к хранению энергии, но пока не ясно, какой из них окажется наиболее экономически выгодным для применения в промышленных масштабах. Накапливать энергию в виде электричества затруднительно, поэтому ее приходится преобразовывать в другие формы до тех пор, пока она не понадобится. Среди возможных вариантов можно выделить предложения запасать энергию в форме тепла с помощью расплавленной соли; потенциальной энергии гравитации путем накачки воды в резервуар, расположенный высоко над землей; кинетической энергии вращающегося маховика; химической энергии, производя с помощью электричества водород, который при необходимости можно сжечь без вреда для окружающей среды²³⁶.

Большинство аккумуляторных батарей не годятся для хранения электроэнергии в промышленных масштабах. Однако литий-ионные аккумуляторы, а также батареи, использующие другие химические процессы, продолжают совершенствоваться. Например, с 2012 по 2020 год стоимость хранения 1 МВт-ч энергии с помощью литий-ионных аккумуляторов снизилась на 80 % и продолжает снижаться²³⁷. Когда новые технологии позволят еще сильнее снизить затраты на хранение электроэнергии, альтернативные источники энергии смогут стать основой энергетической системы, заменив ископаемое топливо²³⁸.