АННА КОРОТЧЕНКОВА, РУКОВОДИТЕЛЬ ДЕПАРТАМЕНТА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, ГК «ЕВРОСИБЭНЕРГО»

Топ-30 инновационных решений для глобальной энергетики

О лучших «зеленых» проектах и будущем энергетики.
Как производить и где хранить.
Поделитесь лекцией в соцсетях:
Мы с коллегами в Департаменте «ЕвроСибЭнерго» составили рейтинг из 30 решений, которые, по нашему мнению, наиболее актуальны и перспективны для энергетики. Однако при попытке ранжировать эти проекты мнения внутри коллектива разделились. Поэтому моя презентация не претендует на истину в последней инстанции — это, некая субъективная точка зрения на технологии, которые заслуживают внимания и имеют значительный потенциал.
«Зеленая энергетика»
Сейчас инновационных решений в этой области достаточно много.

Но в качестве наиболее интересного примера хочется привести проект, который был реализован итальянской энергетической компанией Enel в Чили.

Enel — известная компания, ведущая проекты по всему миру. У нее есть отделение, непосредственно занимающееся зеленой энергетикой, оно называется Enel Green Power. Это подразделение реализовало тройную гибридную технологию на станции, расположенной в горной местности Чили. Сьерро Пабеллон — первая в мире геотермальная станция, построенная на высоте 4 500 м над уровнем моря. Для выработки электроэнергии геотермальная вода извлекается из подземного резервуара, и, отработав цикл, возвращается обратно в резервуар. Это сохраняет природный баланс минерального состава подземных вод и позволяет при помощи генератора использовать энергию водного потока. Помимо этого, станция оснащена солнечными панелями, компенсирующими перепады выработки.

В итоге станция может работать 24 часа в сутки и вырабатывать электроэнергию. В дневное время, когда есть солнце, работает солнечная станция, в темное время суток — геотермальная.
Водородные технологии
Интересное и очень перспективное направление. В России оно еще не получило широкого направления исследований. Еще и как такового не существует рынка для применения водорода в энергетике, но потенциал очень большой. В принципе, водород претендует на звание универсального источника энергии.

Но есть свои проблемы. Первая из них (в текущий момент) — это дорогостоящее и неэкологичное производство водорода. Вторая проблема водорода — он очень взрывоопасный, поэтому возникает проблема с транспортировкой, с хранением. Тем не менее, научное сообщество не отказывается от этого направления исследования и пытается вырабатывать на первом этапе водород электролизом, что делается несложно.

Водород можно использовать в разных сферах. Его можно добавлять в одной десятой части к природному газу для улучшения характеристик газовой смеси, например, для станции, которая работает на комбинированных циклах. Точно так же водород используется в топливных элементах, и еще его можно использовать в производственных целях.
Потенциально эта тема в перспективе 15-20 лет получит воплощение на рынке, но можно сказать о том, что уже сейчас думают, как более экологичными способами получать водород, прежде чем его использовать.

Недавно был рассчитан проект установки солнечной станции, на которой часть сгенерированной электроэнергии будет идти на электролиз, на производство водорода. Экологичное производство водорода будет закрывать довольно широкую потребность в промышленности, в том числе электростанций.

Следующий интересный проект был реализован немецким концерном E.ON: это гибридная станция, гибрид ветрогенератора и производства метана. Проект назвали «Производство метана с помощью энергии ветра». То есть те избытки, которые появляются при генерации на ветряной турбине идут на производство водорода. Интересно, что из водорода получается синтетический метан, который является практически полным аналогом природного газа. Его можно без ограничений использовать в газопроводах.

Преимущество технологии в том, что, когда мы получаем метан, то можем утилизировать CO2, который образуется, потому что идет реакция CO2, плюс водород — получается метан, и на выходе выделяется еще кислород. Все это довольно экологично. Проект был реализован компанией E.ON в Германии, в федеративной земле Брандербург в 2013 году. Но немцы не были бы немцами, если бы они не завершили полный цикл, и то тепло, которое выделяется в процессе производства водорода и производства метана точно направляется на обогрев соседнего деревоперерабатывающего предприятия.

Ветрогенератор и ГАЭС
ГАЭС — это гидроаккумулирующая электростанция немецкой инжиниринговой компании Макс Бегль. Она установила под Шттутгартом самую высокую ветряную турбину. Высота общей конструкции, включая верхнюю лопатку, — 250 метров. На ней стоят четыре турбины по 3-4 мегаватта, диаметр ротора 137 метров, башня высотой 178 метров. Основанием башни «ветряка» служит бетонный резервуар с водой, высотой 40 метров. Получается, что башня стала выше, и повысилась эффективность ветряной станции.

Станция может работать в режиме генерации, когда ветряк работает, передает энергию в сети, есть потребитель, а когда потребителя нет — энергия накапливается в резервуаре. Внизу на глубине 200 ветров организован второй резервуар, нижний бассейн, и вода уже сливается через турбину.

Ветрогенератор из дерева
Мы знаем, что сейчас мощности ветрогенераторов увеличиваются, и конструкции получаются очень большие и тяжелые. Нижние секции ветряных башен большой мощности превышают в диаметре четыре метра.

Шведский стартап, они себя называют «ИКЕА ветроэнергетики», придумал делать продукцию из клееной древесины, и как конструктор собирать башню. Это позволяет даже в самые труднодоступные участки доставлять материал и делать достаточно легкую реконструкцию. Производители обещают, что деревянные башни будут дешевле стальных на 30%. Плюс появляется снижение выбросов на 1,5 тысячи тонн в пересчете на единицу изделия, за счет того, что используется меньше металла. Сейчас они делают 30-метровые башни, а в перспективе будут создавать их высотой 150 метров.

Нидерланды очень любят устанавливать вдоль магистралей звукозащитные шумоизоляционные экраны. Чуть ли не 1,5 тысячи километров этих звуковых барьеров стоит по всей Голландии. Сейчас они научились в эти барьеры интегрировать солнечные панели, для того чтобы питать близрасположенные дома. Получается неплохо: один барьер по размеру 5 на 4 метра, а около 60-70 таких барьеров, установленных вдоль магистрали, могут обеспечить электроснабжением 40-60 домов.

Единственное, что разработчики не учли, — легкий вандализм. Художники граффити рисуют на панелях картинки и тем самым затеняют экран, соответственно, не получается эффективно перерабатывать солнечную энергию в электричество.

Солнечная энергетика
Сейчас на рынке стали популярны технологии с кремнием. Есть кристаллический кремний, поликремний, монокремний, которые используют для преобразования света. Довольно актуальны посткремниевые технологии в. В том числе наша компания ведет научный проект по разработке солнечных панелей на основе перовскита.

Название такое, потому что в конце XIX века этот минерал, находящийся в земле, был был впервые обнаружен на Урале и назван в честь графа Перовского — государственного деятеля и известного коллекционера минералов. Уверена, что в ближайшем будущем это слово появится у всех на слуху, несмотря на его сложное звучание. В 2009 году было обнаружено, что эти перовскиты очень эффективно перерабатывают солнечную энергию в электричество.

Текущая эффективность этой панели составляет порядка 22% у лабораторного образца. Технология очень перспективна. Перовскит дешевле кремния, и его производство менее токсично. Плюс, панели можно делать гибкими и покрывать поверхности любой кривизны и сложности, например, тонировать автомобили.

Солнечные панели нового типа
Гретцелевские ячейки. Это, можно сказать, родители перовскитных солнечных панелей. Они представляют собой фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются оксидные полупроводники. Плюс технологии в том, что в ней используются красители, с их помощью можно украшать фасады зданий. Принцип работы у них аналогичен фотосинтезу. В качестве электролита используют дешевый йодосодержащий раствор.

Еще есть двусторонние солнечные панели — инновационное решение. Выгодная разработка: экономия на рамках, потому идет одно крепление на две батареи, экономия на оборудовании, на инверторах, потому чем больше мощность инвертера, тем дешевле итог.

Удивительную историю опубликовал Bloomberg пару недель назад. Французская энергетическая компания EDF намерилась построить в Саудовской Аравии солнечную электростанцию, используя двусторонние панели. Себестоимость производства электричества составит всего лишь два цента за киловатт — это самая низкая цена, которая вообще существует сегодня рынке.

Эффект Магнуса
Еще один пример — альтернатива обычному трехлопастному ветрогенератору. В технологии отсутствуют инфразвуковые волны, на которые часто поступают жалобы. Эти станции эффективнее используют ветер, получается, и выработка растет чуть ли не в два раза. Плюс широкий диапазон работы при низких и высоких ветрах.

Станция работает на эффекте Магнуса. Есть два цилиндра, и первичное их движение может инициировать движение больших лопастей. Интересный эффект, который не был до этого использован при организации ветрогенераторов.

Датская компания — еще один стартап. Они планируют производить ветрогенераторы с интегрированными накопителями. Это ветрогенератор в основании которого там, где обычно находится лестница для обслуживающего персонала, будет находится целый накопитель.

Развитие альтернативной энергетики, использование энергии солнца, ветра, совершенно невозможно без накопителя. Чтобы не строить отдельные резервуары для хранения мощности, их можно помещать внутрь конструкции.

Традиционная генерация энергии
На сегодня лидером по станциям комбинированного цикла стала компания General Electric и французы с EDF. Они получили рекордные КПД на своих станциях комбинированного парогазового цикла — 62,22%. Максимальная мощность энергоблока — 605 мегаватт.

Самое интересное, что два года назад лидером был Siemens, они тоже производят турбины, но показатель их КПД чуть поменьше.

Важно понимать, что в энергетике идет борьба за каждый процент, и есть такая статистика: чтобы поднять КПД станции комбинированного цикла на 1%, надо потратить 10 лет на разработки. Сначала КПД очень легко рос, а сейчас уже требуется существенная качественная работа для того, чтобы бороться за десятые процента.

Уголь, и что с ним делать
От угля никто не отказывается. Например, Индия и Китай производят основную электроэнергию на угле. Мы в России тоже имеем достаточно большие объемы генерации на угле. И в целом не представляется возможным закрывать станции прямо сейчас, замещать их «зеленой энергетикой». Но зато есть решения, которые позволяют сократить количество выбросов, которые мы получаем, сжигая уголь на станциях.

Есть несколько проектов, успешно реализованных в Китае — это станции, которые работают на сверхкритических и суперсверхкритических параметрах. В этой сфере опять-таки идет борьба за повышение КПД энергоблоков, и максимально достижимый сегодня КПД на угольной станции составляет 45%.

Надо сказать, что новые станции сокращают количество выбросов CO2 в атмосферу буквально на треть. Это серьезные технологии, которые позволяют существенно улучшить экологическую ситуацию.

Обратите внимание: каждый процент увеличения КПД сокращает удельные выбросы CO2 пропорционально на 2-3%. В текущей экологической ситуации борьба за каждый процент и за каждую сэкономленную тонну невыброшенного CO2 — это очень серьезная тема.

Что нам делать с CO2?
На сегодня нет массовых технологий, которые бы позволяли перерабатывать CO2 и получать из него какие-то ценные конечные продукты. В общем, делать с ним совершенно нечего, поэтому идет речь об утилизации. Понятно, что один киловатт-час электроэнергии, произведенный на угольной станции, примерно равен одному килограмму CO2 в атмосфере. Это очень серьезная статистика, и если учесть, что 40% всей генерации на всей планете делается на угле, то можно понять, какой негативный экологический эффект мы оказываем на всю планету. Поэтому CO2 надо улавливать.

Одна китайская компания разработала свою технологию по улавливанию и хранению CO2 в резервуарах — GreenGen. Они предложили использовать водный раствор в качестве адсорбента: в качестве раствора выступает моноэтаноламин, это химическое соединение позволяет вытягивать CO2 из дымовых газов. Дальше моноэтаноламин перерабатывается и выделяет из себя CO2, который аккумулируется в резервуарах и закапывается. Его можно отправлять на Луну, выводить на орбиты и так далее. Химическая промышленность может помочь, на это вся надежда, но пока готовых решений еще нет.

Робототехника в энергетике
Основное направление — это повышение производительности труда и продление сроков оборудования за счет того, что можно, используя роботов, качественно проводить мониторинг объектов электросетевого хозяйства.

В качестве примера приведу «канатоход» — это проект «Эксплайнер», который впервые появился в Японии, он был разработан компанией HiBot. Они сделали робота, который самостоятельно взлетал, садился на линии электропередач, двигался по ним и вел видеозапись того, что попадало в кадр. То есть можно было по записям оценить состояние изоляторов, опор, обнаружить какие-то повреждения в проводах.

В канадской генерирующей компании «Гидро-Квебек» доработали эту технологию. Их робот мало того, что перемещается по проводам, он еще проводит локальный ремонт Такие безлюдные средства диагностики и обслуживания действительно позволяют оптимизировать работу персонала, в том числе обходчиков, и снизить риск при выполнении высотных работ.

Разработки Теслы
Еще один пример из нашего портфеля проектов. «ЕвроСибЭнерго» пытается заниматься тесловским электричеством. Волновая передача электричества происходит на высоких частотах, и цепь является разомкнутой, разности потенциалов нет. Здесь у нас совершенно другой принцип распространения электроэнергии: проводник участвует в качестве волновода, а не носителя зарядов. Уже есть установки, которые позволяют передать около 15 киловатт. Наша задача — сделать объем побольше и попробовать передать на большее расстояние, скажем, до 100 киловатт электроэнергии на несколько десятков километров.

Разработки Теслы сейчас стали довольно трендовыми для многих энергетических компаний, они позволяют сократить, например, потери при передаче электричества — для нас это очень актуально. Так вот, здесь, например, потери отсутствуют вообще, здесь нет никаких электромагнитных эффектов, омического сопротивления, принцип передачи другой. Как следствие, появляется очень хороший экономический эффект от использования такой технологии.

Накопление энергии и топливные элементы
Компания «Тошиба» разрабатывает литий-титанатные аккумуляторы. По стоимости они чуть дороже, чем литий, но обещают в три раза больший пробег, скажем, для автомобиля, по сравнению с обычной литиевой батарейкой.

Про топливные элементы говорят уже давно. Производители используют платину в качестве одного из материалов для электродов, поэтому они довольно дорогие, и сейчас у нас в стране они есть на службе только у военных сил. Тем не менее, технология развивается, и, скорее всего, она когда-то дойдет до массового рынка.

Актуальная технология — топливные элементы с полимерной мембраной, которые позволяют запускать беспилотные летательные аппараты с довольно высокой скоростью и на приличные расстояния. 10 часов или 500 километров полета на топливных элементах – это очень серьезная заявка на лидерство.

Топливные элементы с полимерной мембраной используются для электромобилей, в том числе для грузовиков. Сейчас существует такая технология с использованием топливных элементов, которая позволяет нагруженному грузовику проехать без зарядки расстояние в 20 километров. Это уже много.

В чем плюс топливных элементов? Самый основной — отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу. Продукт переработки топливного элемента — вода.

Интересная технологи связана с тем, что электромобили, которые должны в скором будущем появиться и получить свое широкое применение, могут являться полноценными участниками сети. В Хельсинки, в Финляндии, появилась первая станция для зарядки электромобилей, которая может не только отдавать электроэнергию для зарядки аккумуляторов автомобилей, но и в часы пик потребления принимать энергию от аккумуляторов. Таким образом, владелец автомобиля, припарковав свою машину, может еще и денег заработать на продаже электроэнергии от своего электромобиля.

Громкие проекты Илона Маска
Наверное, все слышали о том, что Илон Маск пообещал в Южной Австралии построить самую большую систему накопления электроэнергии, на 100 мегаватт. Он намеревался это сделать в течение 100 дней с момента заключения контракта. На сегодня он сумел успешно реализовать этот проект, в срок меньше чем 100 дней он построил накопитель.

Когда его в начале спросили: «А что, если вы не успеете его построить за 100 дней?», он ответил: «В таком случае Австралия получит этот накопитель совершенно бесплатно». То есть если бы Маск не успел, то понес бы ущерб, эквивалентный 50 миллионам долларов. Но проект был реализован, и эти накопители стоят и уже используются в Южной Австралии.

И другие топливные элементы
Топливные элементы другого типа — твердооксидные топливные элементы, это тоже довольно перспективная технология. Плюс в том, что отработанные газы можно использовать для работы на газовой турбине, это повышает эффективность установки. Если сделать ее гибридной, поставить турбину и твердотельный топливный элемент, то КПД такой установки будет 70%. Это очень хорошо.

Существуют также топливные элементы на основе расплавленного карбоната. Они умеют поглощать углекислый газ, а на выходе производить электроэнергию. Тоже очень интересный проект.

Натрий-ионные батареи — понятно, что выгодны. Ресурсная база натрия в 10 раз дешевле, чем лития, и это тоже технология будущего, если заменить в производстве дорогостоящие литиевые электроды на натриевые.

Литий-серные аккумуляторы тоже претендуют на то, чтобы попасть в рейтинг лучших проектов. Плюс в том, что литий и сера вместе дешевле, чем литий. Это позволяет существенно снизить цену без потери энергоемкости аккумулятора.

Кастомизированные сервисы в энергетике
Мы живем в то время, когда понимание нужд потребителей, деление заказчиков на разные типы в зависимости от особенностей потребления и включенности в рыночные процессы, становится актуальным. Для этого разрабатывается очень много платформ, которые позволяют нам, представителям энергетики, взаимодействовать с конечным потребителем, а он становится не просто потребителем, а «просьюмером».

Мы вводим новый термин, когда говорим, что это полноценный участник рынка, он может как получать электроэнергию, так и, имея свои накопители или локальные мощности по генерации, выдавать свою электроэнергию в сеть в часы пик и таким образом тоже полноценно участвовать в рынке электроэнергетики.

Сверхпроводные кабели
Интересной показалась нам разработка сверхпроводных кабелей. Пропускная способность кабеля — 40 мегаватт, но дело в том, что сверхпроводимость не существует при комнатных температурах, и требуется постоянное охлаждение. Для того чтобы передать эти 40 мегаватт, нужна температура минус 200 градусов Цельсия.


Несмотря на сложность, этот проект был реализован в городе Эссен в Германии. Немцы построили линию, куда положили высоковольтный сверхпроводящий кабель. А чтобы поддерживать отрицательную температуру, кабель охлаждается жидким азотом через специальный канал.

Вопросы Анне Коротченковой

Балушкин Е.: Какие знания, какие профессиональные умения будут востребованы в вашей компании в будущем?

А.К.: У будущего есть разные временные рамки. Моя профессия — физик, я физик по образованию, я ученый. Работать ученым — это всегда очень интересно. Вряд ли в ближайшей перспективе эта работа сможет быть заменена роботами.

Но помимо физики, если говорить в терминах сегодняшнего мероприятия, что я рекомендовала своей дочери — профессию генного инженера: есть роботы, а есть биороботы.

XXI век – это век человека. То есть если XX век — это был век машины, то теперь важен человек. И все технологии, которые сейчас разрабатываются, нацелены на потребности человека: поддержание его здоровья, увеличение продолжительности жизни и так далее, с помощью, в том числе, биотехнологий.

Соответственно, можно быть биоинженером. Исследования в области биоинженерии довольно затратные, находить финансирование на реализацию научных проектов сложно и получить результат, наверное, в короткой перспективе тоже не получится.

Если идти по короткому пути, то я бы рекомендовала профессию инженера, может быть, разработчика программного обеспечения в области создания алгоритмов для машинного интеллекта, для искусственного интеллекта, для написания алгоритмов машинного обучения и так далее. Кроме компьютера ничего не требуется, ресурсная база не такая тяжелая, а эффект довольно хороший.

Другие лекции сессии «Энергия Сибири»
© 2017 En+ Group Ltd.
Образовательный проект. Проект группы компании En+ Group Ltd.