Мы находимся на пороге энергетической революции.

Благодаря продолжающемуся прогрессу в области солнечной, ветровой, геотермальной, гидроэлектрической энергетики, а также технологий термоядерного синтеза, локализованных сетей и батарей, человечество движется к дешёвой, изобильной и повсеместной возобновляемой энергии.

Цена за киловатт-час будет продолжать падать, в то время как стоимость хранения энергии опустится ниже 3 центов за киловатт-час. Результатом станет продолжающееся глобальное вытеснение ископаемого топлива.

Самые бедные страны мира также являются самыми солнечными, что способствует движению человечества к эре энергетического изобилия.

В сегодняшнем блоге мы кратко рассмотрим использование энергии человечеством на протяжении истории и обсудим некоторые из самых захватывающих недавних разработок, которые приведут нас к будущему энергетического изобилия.

Погружаемся!

ПОЧЕМУ ДОСТУП К ЭНЕРГИИ ТАК ВАЖЕН

Энергия и процветание идут рука об руку.

Чем легче сообществу, деревне или государству получить доступ к энергии, тем оно богаче.

Все дело в том, что энергия является движущей силой всей экономической деятельности — от предоставления таких услуг, как образование и здравоохранение, до развития промышленных процессов и удовлетворения основных бытовых потребностей.

Например, Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает, что каждый потраченный на энергетическую инфраструктуру доллар может принести до 5 долларов в общей экономической активности.

Связь между доступом к энергии и процветанием становится ещё более очевидной, когда мы смотрим на электричество. Согласно данным Всемирного банка, увеличение доступа к электроэнергии на 1% приводит к росту ВВП на 1,5%.

В то же время Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) обнаружила, что доступ к постоянному электричеству может привести к сокращению уровня бедности на 20-30%.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ДОСТУПА ЧЕЛОВЕЧЕСТВА К ЭНЕРГИИ

Теперь, когда мы знаем, почему доступ к энергии так важен, давайте кратко взглянем на то, как наши источники энергии и способы ее использования эволюционировали.

Наши тела были одним из самых ранних источников энергии — в форме человеческой мышцы.

Эра человеческой мышцы: Для древних цивилизаций человеческие мышцы была основным источником энергии, и мы все еще можем видеть результаты применения такой энергии — от Великой китайской стены до египетских пирамид.

Эра одомашненных животных: Самыми ранними примерами использования животной энергии было применение лошадей и быков для тяги телег и плугов. Эти и другие задачи были критически важны для развития сельскохозяйственных обществ.

Эпоха водяных колес: Древняя Греция и Рим использовали водяные мельницы для помола пшеницы и других злаков. Однако именно в Средние века водяные колеса стали более совершенными и использовались в промышленных целях.

Паровая эпоха: Этот источник энергии появился после изобретения паровой машины Джеймсом Ваттом в XVIII веке. Это также отметило начало промышленной революции. Пар значительно изменил всё, от транспорта до производства: паровые корабли сделали путешествия через океаны быстрее и эффективнее, а фабрики, работающие на пару, привели к росту ряда отраслей, включая тяжелое машиностроение, сталь и текстиль.

Эра ископаемого топлива: Хотя уголь использовался для приготовления пищи и отопления в древнем Китае и Риме, именно промышленная революция действительно начала использование ископаемого топлива, особенно угля, который питал паровую машину. Но по мере роста спроса на энергию во всем мире увеличивалось и использование природного газа, что революционизировало транспорт и другие отрасли. Сегодня ископаемые виды топлива продолжают быть доминирующим источником энергии.

Ядерная эпоха: Начало положено в конце XIX века, когда ученые открыли, что могут расщеплять атом для получения энергии, что привело к появлению первых коммерческих атомных электростанций в СССР и США в 1950-х годах. Сегодня в мире работает более 400 атомных электростанций, обеспечивающих примерно 10% мирового электроснабжения.

Эпоха возобновляемой энергии: Хотя возобновляемые источники энергии также имеют долгую историю использования древними цивилизациями, использующими солнце, воду и ветер для удовлетворения своих энергетических потребностей. Недавний успех солнечной и ветровой энергии был впечатляющим, с увеличением мощности ветровой энергии более чем на 400% за последние 20 лет, а мощности солнечной энергии — более чем на 1500% за тот же период. И оценки показывают, что мы все еще находимся в начале этой кривой роста. МЭА оценивает, что возобновляемые источники энергии могут удовлетворить более 80% мирового спроса на электроэнергию к 2050 году.

АРГУМЕНТЫ В ПОЛЬЗУ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Мы живем в эпоху возобновляемой энергии. Четыре статистические цифры могут убедить в этом:

  1. Зеленые источники энергии обгонят уголь и станут крупнейшим мировым источником электроэнергии к началу 2025 года (согласно докладу Международного энергетического агентства от декабря 2022 года).
  2. Между 2022 и 2027 годами мировая мощность возобновляемой энергии ожидается увеличиться на 2,400 гигаватт, что равно всей сегодняшней мощности генерации электроэнергии в Китае.
  3. McKinsey оценивает, что глобальный спрос на ископаемое топливо достигнет пика между этим годом и 2025 годом. Согласно этому же анализу, к 2050 году ископаемые топлива составят всего 43% мирового спроса на энергию.
  4. Инвестиции в чистые энергетические технологии (включая возобновляемые источники энергии, электромобили, технологии хранения энергии и т. д.) достигли 1,1 триллиона долларов в 2022 году — сравнявшись с инвестициями в генерацию энергии из ископаемого топлива впервые (на основе исследований BloombergNEF).

Теперь давайте взглянем на несколько технологий, питающих эту революцию возобновляемой энергии, начиная с солнечной…

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Каждые пять дней Солнце обеспечивает Земле столько же энергии, сколько содержится во всех обнаруженных запасах нефти, угля и природного газа.

Если бы мы могли уловить всего одну шеститысячную доступной солнечной энергии, мы смогли бы удовлетворить 100% наших глобальных энергетических потребностей.

Наш прогресс в использовании солнечной экономики впечатляет и, как ожидается, будет продолжать расти. Вот лишь несколько ключевых примеров:

  1. МЭА (Международное энергетическое агентство) ожидает, что кумулятивная мощность солнечных фотоэлектрических установок почти утроится в течение следующих 4 лет, увеличившись примерно на 1500 гигаватт и превзойдя природный газ к 2026 году и уголь к 2027 году.
  2. Только в США, по данным МЭА, к концу 2022 года было установлено около 74 гигаватт мощности солнечных фотоэлектрических установок, что в 3 раза превышает мощность в 2017 году.
  3. Впереди МЭА прогнозирует, что США добавят еще 63 гигаватта солнечной энергии к концу 2024 года, что на 84% больше. С этими добавками доля солнечной энергии в общей генерации электроэнергии в США удвоится с 3% сегодня до 6% к концу следующего года.
  4. Основными движущими силами взрывного роста солнечной энергии (во всем мире и в США) являются драматически падающие затраты на ее добычу. Как выражается МЭА: «Солнечные фотоэлектрические установки становятся самым дешевым вариантом для нового производства электроэнергии в большинстве стран мира
  5. Снижение стоимости в 10 раз: Согласно данным Министерства энергетики США, средняя стоимость масштабных солнечных фотоэлектрических установок в США в 2010 году составляла целых 28 центов за кВт·ч. Но к 2021 году эта стоимость снизилась до всего лишь 2,8 — 3 центов за кВт·ч.

Однако одно, что маскируют эти средние затраты, это влияние местоположения. В самых солнечных частях мира стоимость солнечной энергии еще дешевле. Вот несколько основных ценовых вех, достигнутых масштабными солнечными электростанциями за последние несколько лет:

-Стоимость в Саудовской Аравии: 1,04 цента за кВт·ч — солнечная станция мощностью 600 МВт в Саудовской Аравии

-Стоимость в Португалии: 1,32 цента за кВт·ч: солнечная станция мощностью 10 МВт в Португалии

-Стоимость в Нью-Мексико, США: 1,50 цента за кВт·ч: солнечная станция мощностью 100 МВт в Нью-Мексико

В 2023 году солнечная энергетика шагнула вперед:

  1. Доминирующая Доля в Новой Генерации Электроэнергии: Солнечная энергия составила 48% от всей новой мощности, добавленной в электросеть США за первые три квартала 2023 года.
  2. Значительный Рост от Года к Году: Солнечная промышленность США добавила 33 ГВт новой мощности в 2023 году, что на 52% больше по сравнению с 2022 годом. Этот рост, как сообщается в отчете U.S. Solar Market Insight Q3 2023, выделяет быстрое расширение солнечной мощности в стране, несмотря на прошлые проблемы, такие как нарушения в цепочке поставок из-за пандемии COVID-19.

Есть еще один важный фактор, способствующий распространению солнечной энергии во всем мире — материалы.

ПЕРОВСКИТ: РЕВОЛЮЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Прорыв в науке о материалах под названием Перовскит способствует снижению стоимости коммерческой солнечной энергии. Перовскит — это светочувствительный кристалл (минерал) с уникальными оптическими и электронными свойствами, эффективно преобразующий солнечный свет в электричество.

Исторически большинство коммерческих солнечных панелей имеют эффективность преобразования от 15% до 22%, что означает, что они улавливают 15% до 22% энергии, которая на них попадает.

Но перовскиты вскоре покажут гораздо более высокую эффективность.

За последние несколько лет эффективность преобразования перовскитов увеличилась с всего лишь 3% до 30%, что делает его самой быстроразвивающейся технологией в истории фотоэлектрики.

Теоретический предел эффективности перовскитов составляет примерно 66% по сравнению с теоретическим пределом в 32% для кремния.

Более того — компоненты перовскитов широко доступны и недороги, что обещает дальнейшее снижение затрат на получение солнечной энергии.

Обычные тонкопленочные (кремниевые) фотоэлектрические элементы стоят примерно от 0,40 до 0,69 доллара за ватт, по сравнению с всего 0,16 доллара за ватт для перовскитов, и то, как ожидается, цена упадет до 0,10 доллара за ватт в ближайшем будущем.

В конечном итоге мы увидем удвоение эффективности вместе с 4-кратным снижением цены, что приведет к 8-кратному общему улучшению по сравнению с сегодняшней ситуацией.

Эти технические и экономические достижения объединяются для роста рынка перовскитов, который, как ожидается, вырастет с примерно 600 миллионов долларов в 2021 году до более чем 6 миллиардов долларов к 2030 году.

В 2023 году расширяются возможности производства перовскитовых солнечных элементов с помощью ИИ: Австралийские исследователи использовали искусственный интеллект (ИИ) для быстрого производства перовскитовых солнечных элементов, значительно сокращая время и человеческие ошибки, связанные с оптимизацией процесса. Работа команды привела к созданию воспроизводимых перовскитовых солнечных элементов с эффективностью преобразования мощности 16,9%, изготовленных без человеческого вмешательства.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Еще одним перспективным источником является геотермальная энергия.

Если бы мы могли уловить всего 0,1% теплового содержания Земли, мы могли бы обеспечить всеми энергетическими потребностями человечества на 2 миллиона лет, согласно данным Министерства энергетики США.

Тем не менее, в настоящее время геотермальная энергия составляет всего 0,4% от общей мощности электростанций в США, почти половина из которых была введена в эксплуатацию в 1980-х годах!

Но все меняется.

Google заключила партнерство со стартапом в области чистой энергетики Fervo для разработки геотермального энергетического проекта, а Microsoft строит одну из крупнейших геотермальных станций в Северной Америке, Теплоэнергетический центр площадью 3 миллиона квадратных футов за пределами Сиэтла.

В то же время государственная политика по всему миру стимулирует инвестиции и поощряет прорывы.

Федеральное правительство США прогнозирует снижения стоимости геотермальной энергии на 90% к 2035 году. Правительство Индонезии финансирует исследования в этой сфере, в то время как Филиппины теперь разрешают крупномасштабные геотермальные проекты, принадлежащие иностранным разработчикам.

Одной из самых захватывающих недавних разработок в геотермальной энергии является использование усовершенствованных геотермальных систем (УГС).

В то время как традиционные геотермальные электростанции полагаются на естественно возникающие резервуары горячей воды и пара, технология УГС позволяет создавать искусственные резервуары путем впрыскивания воды в горячую сухую породу.

Технологии УГС уходят глубже, чтобы достичь сверхгорячих пород, вырабатывая много тепла, необходимого для производства электроэнергии, доступной в большем количестве мест, а не только на геологических разломах. Основным преимуществом этих систем сверхгорячих пород является то, что если тепло скважины увеличивается всего на 42%, система может производить в 10 раз больше энергии.

Одним из стартапов, ищущих новые способы бурения на большую глубину, является Quaise Energy, выходец из Массачусетского технологического института, который переделывает техники миллиметрового волнового бурения, использованные для экспериментов с ядерным синтезом, чтобы достичь горячей породы на глубине от 2 до 12 миль под поверхностью Земли.

Как отмечает сооснователь и генеральный директор Quaise Карлос Араке, геотермальная энергия может стать основой перехода к чистой энергии с целью увеличения доли геотермальной энергии с сегодняшних 0,4% до целевых 30% или более к 2050 году.

В 2023 году эта отрасль продолжила активное развитие:

  1. Закрытые и продвинутые геотермальные системы: Начинает примеятся новая технология — закрытые геотермальные системы, также известные как продвинутые геотермальные системы. Эти системы особенно подходят для районов, где нет традиционных гидротермальных ресурсов. В этих системах теплоноситель циркулирует через разработанные для конкретной области трубопроводы, взаимодействуя с горячими подземными породами и сохраняясь внутри скважины и трубопроводной системы.
  2. Исследование сверхкритической геотермальной энергии: Международный проект DEEPEN сосредоточен на использовании сверхкритических или сверхгорячих геотермальных ресурсов. Эти ресурсы, превышающие критическую точку воды, имеют потенциал для генерации значительно большего количества энергии, чем текущие геотермальные скважины. Этот проект направлен на изучение и характеристику этих высокопотенциальных систем, потенциально революционизируя масштаб геотермальной генерации электроэнергии.
  3. Перепрофилирование нефтяных и газовых скважин для геотермальной энергии: Практический подход к развитию геотермальной энергии включает перепрофилирование существующих нефтяных и газовых скважин. Проекты в Оклахоме и Неваде направлены на получение геотермальной энергии из этих скважин. Эта стратегия не только сокращает первоначальные затраты, связанные с бурением новых скважин, но и способствует изучению новых технологий бурения и когенерации геотермальной энергии.
  4. Потенциал геотермального хранения энергии: Геотермальная энергия также изучается как форма долгосрочного хранения энергии. В отличие от других технологий хранения, которые могут включать высокие затраты или воздействие на окружающую среду, геотермальное хранение использует подземные пространства Земли в качестве естественного резервуара для тепловой, химической и механической энергии. Этот подход может предложить решения для хранения энергии в больших масштабах, которые будут полезны для многоквартирных домов, колледжей, районов и городов.
  5. Извлечение лития из геотермальных рассолов: Геотермальные рассолы содержат редкие минералы, такие как литий, которые необходимы для аккумуляторов различных устройств, включая электромобили. Извлечение лития из геотермальных расколов является экологически безопасной альтернативой традиционным горнодобывающим операциям. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) определила, что извлечение значительного количества лития ежегодно из геотермальных расколов является экономически целесообразным, подчеркивая двойные преимущества геотермальной энергии в генерации электроэнергии и извлечении минералов.

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Долгое время ядерный интез считался мечтой о неограниченной, чистой и возобновляемой энергии почти без затрат.

Чтобы представить синтез в контексте: если бы мы могли воспроизвести процесс генерации энергии Солнцем, устраняя проблемы ядерных отходов, это было бы решением, заменяющим все другие решения.

Реакторы ядерного синтеза воспроизводят процесс, который Солнце осуществляет круглосуточно, объединяя два тяжелых изотопа атомов водорода (тритий и дейтерий) вместе при огромных давлениях и температурах для создания гелия. В процессе небольшое количество «избыточной» массы преобразуется в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc^2.

Первые попытки создать управляемый синтез датируются 1958 годом, то есть 65 лет назад. Поэтому объявление в декабре 2022 года о том, что ученые Национального Игнитного Учреждения Калифорнии в Лоуренсовской национальной лаборатории Ливермора впервые достигли чистого энергетического выигрыша в реакторе ядерного синтеза, стало настоящим прорывом.

Впервые ученые получили из процесса синтеза больше энергии, чем вложили (что привело к чистому энергетическому выигрышу в 1,5 мегаджоулей).

Хотя этот конкретный вид синтеза потребует гораздо больше работы для достижения коммерческого использования, он показывает нам, что его возможно достигнуть.

В 2022 году частные инвестиции в коммерческие компании по ядерному синтезу превысили 1 миллиард долларов, поддерживая работу 40 частных компаний по синтезу. Среди наиболее финансируемых и заметных следующие три игрока:

Commonwealth Fusion Systems, которая привлекла 2 миллиарда долларов и в числе инвесторов которой Билл Гейтс и Google, строит прототип, который должен продемонстрировать чистый энергетический выигрыш в 2025 году.

TAE Technologies, привлекшая 1,2 миллиарда долларов от инвесторов, включая Goldman Sachs и Charles Schwab, и планирующая представить реактор синтеза в начале 2030-х годов.

Tokamak Energy, привлекшая 250 миллионов долларов и в 2022 году установившая долгосрочный рекорд, произведя 59 МДж энергии (самый высокий устойчивый энергетический импульс в истории).

Bloomberg оценивает, что рынок ядерного синтеза в конечном итоге может оцениваться в 40 триллионов долларов.

Взглянм на основные новости данной сферы из 2023:

  1. Повторное Достижение Положительного Энергетического Выхода: Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) в США во второй раз добились положительного энергетического выхода в реакции ядерного синтеза. Это было продолжением их эксперимента от декабря 2022 года, когда они впервые сообщили о положительном энергетическом выходе. В последнем эксперименте был достигнут более высокий уровень выходной энергии, чем в предыдущем​​​​​​​​.
  2. Всемирный Обзор Ядерного Синтеза 2023: Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) представило в 2023 году Всемирный обзор ядерного синтеза (WFO). Это публикация предоставляет авторитетную информацию и обновления по энергии ядерного синтеза. Ожидается, что она станет глобальным справочником для исследований и разработок в области энергетики, технологического развития и перспективного внедрения синтеза как источника неограниченной, низкоуглеродистой энергии​​​​​​​​​​.
  3. Финансирование от Министерства Энергетики США: Министерство энергетики США выделило 42 миллиона долларов в виде стартового финансирования для поддержки исследований техник ядерного синтеза, успешно продемонстрированных в LLNL в прошлом году. Эти средства были распределены между несколькими учреждениями, включая Колорадский государственный университет, Университет Рочестера и LLNL. Финансирование направлено на поддержку широкого спектра лазерных методов инерционного синтеза и решение основных технологических задач, необходимых для любой системы инерционного синтеза​​​​​​.
  4. Уверенность в Будущем Энергии Синтеза: Министр энергетики США Дженнифер Гранхолм заявила, что освоение энергии синтеза является одной из величайших научных и технологических задач 21-го века. Тем не менее, растет уверенность в том, что энергия синтеза может стать реальностью, а ученые, находящиеся в авангарде этих разработок, будут ведущими в достижении переломных и спасающих планету прорывов​​.

ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Для использования солнечной и ветровой энергии требуются хранилища энергии. И много.

В этой сфере также наблюдаются экспоненциальные достижения.

Согласно МЭА, общая установленная мощность хранилищ энергии в мире составляла около 160 ГВт в 2021 году.

BloombergNEF оценивает, что с 2022 по 2030 год будет добавлено 387 ГВт новой мощности хранилищ энергии по всему миру — больше, чем общая мощность производства электроэнергии в Японии в 2020 году.

Наиболее всего сейчас распространены накопители насосных водохранилищ (гидроэнергетика) (один из способов, при котором вода закачивается вверх по склону, а энергия хранится в виде потенциальной энергии, возвращаемой, когда она течет обратно вниз по склону через турбину).

В области батарей литий-ионные являются наиболее распространенным типом батарей, используемых для хранения. Ключевой причиной их популярности является резкое снижение стоимости за последнее десятилетие.

Согласно BloombergNEF, средняя цена литий-ионного аккумулятора упала в 5 раз с 732 долларов за кВт·ч в 2013 году до всего 151 доллара за кВт·ч в 2022 году.

Но по крайней мере две другие многообещающие технологии батарей находятся в стадии разработки:

Потоковые батареи

Потоковые батареи используют жидкий электролит для хранения энергии. По сравнению с литий-ионными батареями, они имеют более длительный срок службы, не показывая снижения производительности даже после 25-30 лет. Кроме того, их можно масштабировать в соответствии с потребностями в хранении энергии с ограниченными инвестициями. Крупнейшая в мире потоковая батарея (сделанная из ванадиевого редокса) была введена в эксплуатацию в Китае в июле 2022 года с мощностью 100 МВт и объемом хранения 400 МВт·ч.

Железно-воздушные батареи

Каждая железно-воздушная батарея размером с стиральную машину содержит 50 железно-воздушных элементов, которые окружены водным электролитом.

Железно-воздушные батареи имеют два преимущества перед литий-ионными:

  1. Стоимость: поскольку железо дешевле и легче достать, чем литий, кобальт и никель, железно-воздушные батареи стоят менее чем половину от стоимости литий-ионных батарей.
  2. Продолжительность хранения: железно-воздушные батареи могут хранить энергию до 150 часов, что критически важно для хранения энергии от прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце.

Итак, учитывая все эти разработки в области хранения энергии, что необходимо для достижения наших целей в области возобновляемой энергии?

Согласно Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), если мы собираемся достичь сценария «Нулевой углерод» к 2050 году, где 94% электроэнергии в США будет поступать из возобновляемых источников, тогда нам потребуется гораздо больше хранилищ.

Это представляет собой огромную задачу и такую же большую возможность для предпринимателей и инвесторов, которые дополнительно мотивированы обязательством администрации Байдена инвестировать более 80 миллиардов долларов в новые инвестиции для цепочки поставок батарей в рамках Закона США об уменьшении инфляции.

МЫСЛИ

Изобилие чистой энергии включает широкое принятие энергоэффективных технологий и практик в домах, бизнесе и в транспортной системе. Кроме того, это подразумевает отказ от ископаемого топлива для сокращения выбросов парниковых газов и смягчения последствий изменения климата.

Результатом станет больший экономический рост, улучшение качества жизни и лучшая энергетическая безопасность для всех и везде.

Так насколько реально достижимо подобное изобилие энергии?

Только солнечная энергия могла бы обеспечить нас изобильной энергией.

Каждые 88 минут на нашу планету падает 470 экзаджоулей солнечной энергии, что равно количеству энергии, потребляемой человечеством за год. За 112 часов, или чуть менее чем за пять дней, мы получаем 36 зеттаджоулей энергии, что содержится во всех доказанных запасах нефти, угля и природного газа на Земле.

Когда дело доходит до энергии, речь идет не о ее дефиците, а о доступности — это именно тот вид проблемы, которую экспоненциальные технологии решают.

Добро пожаловать в будущее, движимое электронами, генерируемыми из возобновляемых источников энергии.

Каковы будут последствия для вас? Каково будет влияние на глобальную геополитику, наши семьи и окружающую среду?

В следующем блоге серии Метатрендов (№17 ) мы рассмотрим вопросы устойчивого развития и углеродной промышленности.

Вольный перевод (с обширными дополнениями от Коллекционера будущего) вот этого https://www.diamandis.com/blog/metatrend-16-globally-abundant-cheap-renewable-energy