Солнечные паруса
В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет от SpaceX, и он успешно прошел испытания.
LightSail 2 во время развертывания
(Фото: The Planetary Society)
Солнечный парус — почти то же самое, что и обычный парус на кораблях. Только в движение его приводит не ветер, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, которые выделяет Солнце. Если поймать этот поток энергии, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту, а топливо для этого не понадобится.
Как это применять: используя наработки Планетарного общества, в 2021 году NASA с помощью паруса планирует долететь до Луны, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.
Зеленая экономика
Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий
Энергия из морских волн
В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X — прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.
Установка Blue X
(Фото: Mocean Energy)
Принцип работы такой: установку помещают на поверхность воды, она качается на волнах и приводит в движение шарнир посередине. Тот в свою очередь запускает генератор, который вырабатывает электроэнергию и по кабелям перенаправляет ее на сушу.
Как это применять: по оценкам Mocean Energy, если использовать хотя бы 1% всей доступной энергии волн в мире, можно обеспечить электричеством 50 млн зданий. Для сравнения: в России насчитывается около 14 млн жилых домов.
Обзор компаний
В завершение приведу примеры компаний из каждого рассмотренного в этой статье сегмента альтернативной энергетики. Буду рассматривать только те компании, которые может купить российский инвестор без статуса квалифицированного инвестора и которые я посчитал интересными.
NextEra Energy (NEE) — крупнейшая энергетическая компания по объемам вырабатываемой солнечной и ветровой энергии. Наверное, главный бенефициар от будущей программы Байдена по развитию инфраструктуры, если она будет принята.
Это коммунальная компания — она не производит инновационных вещей и не разрабатывает программное обеспечение. Ее бизнес очень прост, но требует серьезных вложений для расширения. Именно поэтому долг составляет 130% от капитала. Чистая рентабельность, по последним данным, около 14% — это отличный показатель для коммунальщиков, но он существенно снижается: в 2018 году чистая рентабельность составляла порядка 40%, а в 2019 году — 20%.
Вероятно, это связано с ценой на углеводороды, ведь чем выше цена на нефть, газ, уголь, тем выгодней смотрится электричество в качестве их альтернативы. При нынешней цене на нефть у компании неплохие перспективы вновь нарастить свою маржу.
По мультипликаторам компания очень дорогая для сектора коммунальных услуг: P / E = 52,5; P / S = 8,49. При всем этом компания постоянно выпускает новые акции, размывая долю акционеров.
SolarEdge Technologies Inc (SEDG) — израильская компания, которая разрабатывает и производит оборудование для солнечных панелей. Когда Байден только пришел к власти и все альтернативщики полетели в космос, это затронуло компанию, но с каким-то чрезмерным рвением.
Компания стоит 100 годовых прибылей и 9 выручек — и это даже после просадки на 30% от максимумов. Плюс маржа 10% — это, конечно, неплохо, но для компаний с такой оценкой безумно мало. В целом у SolarEdge Technologies хороший планомерный рост от года к году. Выручка и акционерный капитал растут, долг около 60% от капитала. В целом это хороший растущий бизнес, который, скорее всего, и дальше будет развиваться, но уж очень дорого все это стоит.
First Solar Inc (FSLR) — по моему мнению, это та самая компания, в которую пойдет львиная доля вложений от плана Байдена. Она создает тонкопленочные солнечные панели, и это в целом довольно перспективная технология. У компании очень нестабильные финансовые потоки, но при этом нет долгов.
Уже в этом году они показали маржу 15%, а если добавить сюда госзаказы, получится очень хорошая схема. P / E = 21, тут все неплохо, но немного высоковат P / S — 3,12. Если руководство компании сможет выиграть тендеры и заключить хорошие контракты с государством, то и финансовые показатели улучшатся, и капитализация компании будет расти. Но здесь много рисков: на этом рынке появляется много игроков.
Renewable Energy Group Inc (REGI) занимается производством биодизеля. За год компания сделала уже более 200%, а на мартовских пиках и вовсе показывала прирост более 350%. Даже сейчас по мультипликаторам компания не выглядит сильно дорогой: P / E = 23, P / S = 1,35. Net Profit Margin около 6%, что тоже является средним по рынку.
С 2014 года у компании росла выручка, и только в 2020, коронавирусном году она снизилась, но компания осталась прибыльной. На самом деле это очень нишевый бизнес, и любой сельскохозяйственный производитель может создавать для себя биодизель — например, Archer Daniels Midland Company (ADM) так и делают. Потребление биодизеля, скорее всего, сильно расти не будет, но свою нишу Renewable Energy заняли и уже из нее никуда не уйдут.
Альтернативный источник энергии Биодизель, биогаз и прочие вещества с метанолом или этанолом
Основная идея тут в том, чтобы заменить традиционное топливо на биологическое. На первый взгляд, все прекрасно: биотопливо при сгорании практически не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. Но есть другая проблема.
Для производства биотоплива используются либо продукты жизнедеятельности сельскохозяйственных животных, либо сахаросодержащие и масличные растения. При этом мы видим намечающийся тренд на экологичное сельское хозяйство, в том числе и на внедрение в наш рацион искусственного мяса.
Для ведения классического сельского хозяйства необходимо огромное количество воды. По нормам водопотребления в среднем на одну голову крупного рогатого скота необходимо от 70 до 100 литров воды в сутки. А для производства 50—65 м³ биогаза необходимо около тонны навоза крупного рогатого скота. Если брать растительное сырье, то приблизительно с тонны масла получается 200 кг метанола или этанола. К примеру, для функционирования среднестатистического современного комбайна необходимо 5 кг/га топлива. То есть тонны масла хватит примерно на 40 га.
Ниже я привел таблицу производства масла из различного сырья. Увеличение сельхозугодий грозит нам вырубкой лесов, загрязнением подземных вод удобрениями и отходами животноводства. Плюс запас хода автомобиля на таком виде топлива сокращается в среднем на 20—25%.
В итоге можно сделать вывод, что биотопливо или биогаз — это более чистый вид топлива, чем традиционный бензин или дизель, но при его производстве мы сталкиваемся с рядом проблем вроде увеличения посевов или ухудшения эксплуатационных качеств машин, что также влияет на экологию.
В Бразилии очень развито использование таких источников энергии, потому что страна сталкивалась с нефтяными кризисами, а это неплохая альтернатива. Но в Бразилии хорошие климатические условия для выращивания практически всех видов культур. И все равно при этом Бразилию сильно критикуют за проблемы с голодом населения и использование сельхозугодий в неэтичных целях.
Жидкое топливо из солнечной энергии
Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.
С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.
Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:
- превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
- с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
- соединить водород и оксид углерода и получить метанол.
Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей
Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.
Биотопливо
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.
Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
Третье поколение – биотопливо из водорослей.
Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?
Виды альтернативных источников энергии
1. Солнечная энергия
Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.
Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.
Зеленая экономика
Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий
2. Энергия ветра
Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.
3. Энергия воды
Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.
4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.
5. Биоэнергетика
Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.
Зеленая экономика
Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива
6. Энергия приливов и отливов
Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.
Зеленая экономика
Как устроена самая мощная в мире приливная турбина
Альтернативный источник энергии Ветрогенерация
Это еще один вид альтернативной энергии, у которого на первый взгляд отличные экологические показатели — в первую очередь полное отсутствие углеводородов при выработке электроэнергии.
Но, во-первых, использование ветряных мельниц возможно не везде, а во-вторых, КПД такой станции оставляет желать лучшего: в среднем он составляет около 30%. По закону Беца максимальный коэффициент использования энергии ветра равен 0,593. Если учесть затраты на преобразование и транспортировку энергии, максимально возможный КПД получится в районе 35—45%.
Это обусловлено длинной цепочкой производства энергии: для питания какого-либо объекта нужна сеть 380/220 вольт переменного тока, а ветряная мельница сама по себе вырабатывает 24 вольт постоянного тока — то есть нужен инвертор, чтобы этот ток преобразовать.
А еще нужно сохранить энергию в моменты, когда она не потребляется, — для этого понадобится аккумуляторная батарея. В каждом из этих звеньев теряется энергия. Одна мельница высотой 10 метров и диаметром ротора 1,5 метра вырабатывает всего около 0,6—0,7 кВт·ч/сутки энергии, в зависимости от интенсивности ветра. Для примера: обычный бытовой холодильник потребляет около 0,3 кВт·ч.
Негативное влияние на окружающую среду тоже есть:
- Для ветропарка нужна большая площадь — это может повлечь за собой вырубку лесов, выравнивание ландшафта.
- От работы мельниц создаются вибрации на определенной частоте, от которых черви глубже уходят в землю. За счет этого птицам нечем питаться — нарушаются пищевые цепочки.
- Необходимо огромное количество батарей для сохранения энергии. Для производства батарей требуются редкоземельные металлы — а добыча этих металлов очень грязная и вредная для окружающей среды.
- Кладбище изношенных ветряных лопастей — это огромная проблема. Утилизировать лопасти ветрогенераторов нормально пока не научились.
Энергия из ДНК
Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.
Структура супрамолекулы
(Фото: frontiersin.org)
Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет.
Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает.
Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.
Ветроэнергетика
Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.
Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.
Что с этим всем делать
Я считаю, что наши технологии в альтернативной энергетике еще не готовы к масштабной декарбонизации. Необходимо инвестировать прежде всего в развитие технологий, а не во внедрение существующих во всемирную энергосистему.
В связи с этим я вижу перспективу в атомной энергетике, потому что это один из самых чистых видов энергии, если не считать экстремальных случаев. По данным МЭА, рост использования атомной энергетики к 2040 году составит 28—62%, а по прогнозам BP к 2050 году он составит 42—164%. Разброс большой, так как часть стран, например Китай и Индия, сильно наращивают объемы выработки и вводят новые реакторы в эксплуатацию, а другие страны, например Япония, наоборот, снижают.
Еще большую перспективу я вижу в развитии газовых электростанций. Газ намного чище, чем уголь или нефть, плюс переход ТЭЦ с другого вида топлива на газ наиболее прост в практическом исполнении. Замена угольных мощностей на газовые дает снижение выбросов углекислого газа на 50—70%.
В нашей статье про альтернативную энергетику были представлены графики, по которым видно, что по прогнозам к 2040 году одним из основных источников энергии будет газ, а остальные чистые источники энергии в совокупности будут отставать.
С другой стороны, каждый из перечисленных источников альтернативной энергии очень перспективен в узконаправленных сегментах.
Например, биодизель отлично подойдет для сельскохозяйственной техники, биогаз — для отопления теплиц или помещений для содержания животных, а солнечные панели хороши для электромобилей: электроника в автомобиле работает от постоянного тока 12—24 вольт — КПД такой установки существенно повышается, потому что убираются несколько звеньев цепочки производства.
Электричество из дерева
Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.
Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.
Так выглядит древесина после растворения лигнина
(Фото: САУ Nano / Empa)
Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.
Структура и обоснованная необходимость в их применении
К нетрадиционным источникам энергии относят:
- солнечную;
- ветровую;
- геотермальную;
- энергию морей, рек, приливов;
- биоэнергетику;
- энергию атмосферного электричества и грозовую энергетику.
Увеличение населения Земли требует больших энергетических затрат. Запас полезных ископаемых, представляющих традиционные источники, не безграничен. Поэтому ведется активный поиск путей решения энергетической проблемы
Переход на использование чистых, природных источников является важной вехой в развитии человечества
Основные причины, побуждающие к переходу на АЭИ:
- Глобально-экологическая. Применение традиционных энергодобывающих технологий ведет мир к глобальной экологической катастрофе. Одно из таких последствий – изменение климата, которое длится уже несколько лет.
- Политическая. Страна, освоившая АЭИ первой, сможет диктовать цены на топливные ресурсы.
- Экономическая. Переход на нетрадиционные энергетические технологии даст возможность перераспределить топливные ресурсы для развития промышленности. Стоимость альтернативной энергии значительно ниже, чем электроэнергии, получаемой из традиционных источников.
- Социальная. С ростом численности населения становится сложным найти место для строительства АЭС и ГРЭС, которое было бы безопасным для окружающих. Исследования показали, что у населения, проживающего неподалёку от таких станций, подтвержден больший процент онкологических и других тяжелых заболеваний.
- Эволюционно-историческая. Объем топливных ресурсов ограничен, биосфера и атмосфера страдают от их использования. Эти факторы тормозят процесс эволюции человечества. Переход на альтернативные источники энергии будет толчком к новому этапу развития.
«Бесконечная» энергия из воздуха
В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.
Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы
(Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)
С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.
Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.
Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.