Такое будущее не произойдет — в Форт-Коллинзе или где-либо еще — без преодоления серьезных проблем. К ним относятся не только технологические, но и политические и нормативные вопросы. Сегодня каждый раз, когда домовладелец устанавливает фотоэлектрические панели на крыше и начинает вращать счетчик электроэнергии в обратном направлении, каждый раз, когда владелец подключаемого гибрида решает зарядить автомобильные аккумуляторы, и каждый раз, когда начинает вращаться новая ветряная турбина, возникает возмущение. сетки.Хотя эти индивидуальные возмущения могут быть незначительными, поскольку они начинают исчисляться сотнями тысяч или даже миллионами, нагрузка на сеть, не предназначенную для их обработки, станет потенциально катастрофической.

В электроэнергетике происходят фундаментальные изменения, которые уже изменили телекоммуникации и вычислительную технику, — говорит Кларк Геллингс, сотрудник Исследовательского института электроэнергетики (EPRI) в Пало-Альто, Калифорния. Вспомните время расцвета телефона. стационарный телефон, когда монополия предоставляла надежную услугу без всяких звонков и свистков.Сегодня множество поставщиков услуг связи предлагают больше возможностей и услуг проводной и беспроводной связи, чем, честно говоря, большинство людей думают. Под компьютерами также понимались гигантские мэйнфреймы, к которым можно получить доступ через удаленные терминалы. Но когда процессоры и память стали достаточно дешевыми и мощными, люди могли владеть своими компьютерами, получать доступ к информации и обмениваться ею через Интернет, а также использовать возможности распределенных вычислений в облаке.

Больше пива, меньше ватт: солнечные батареи на New Belgium Brewing Co.в Форт-Коллинзе, штат Колорадо, поставляют 3% электроэнергии станции. Пивоварня участвует в долгосрочных планах города по созданию центра города с нулевым потреблением энергии и с нулевым уровнем выбросов углерода к середине века. Фото: New Belgium Brewing

Геллингс представляет аналог электричества, который он называет ElectriNet: тесно взаимосвязанная и интерактивная сеть энергетических систем, которая также объединяет телекоммуникации, Интернет и электронную коммерцию. (Геллингс впервые представил тогдашнее еретическое понятие потребителей электроэнергии, управляющих своим использованием — концепцию, которую он назвал «управление нагрузкой на стороне спроса» — в выпуске IEEE Spectrum за декабрь 1981 года.) Такая сеть позволит традиционным коммунальным предприятиям разумно связываться с отдельными домохозяйствами, поставщиками услуг и пока еще непредвиденными игроками в электроэнергетике, стимулируя миллиарды ежедневных «транзакций» с электроэнергией, которые будут происходить между производителями и потребителями. Умные бытовые электроприборы смогут автоматически реагировать на изменения цен на электроэнергию, например, выключаться или включаться при повышении или понижении цен. ElectriNet также позволит обеспечить домашнюю безопасность, услуги передачи данных и связи и тому подобное.[Послушайте подкаст-интервью с Геллингсом о будущем энергосистемы.]

Кроме того, по словам Геллингса, расширенные датчики, развернутые по всей сети, позволят операторам сетей визуализировать энергосистему в реальном времени, что является ключевой возможностью для обнаружения неисправностей, физических атак и кибератак, а также для предотвращения или, по крайней мере, снижения последствий отключений.

В то время как распределенная генерация уже завоевывает популярность во многих местах, отмечает Геллингс, «мы должны двигаться к действительно интегрированной энергосистеме.Это система, которая наилучшим образом использует распределенные и централизованные ресурсы, потому что централизованная выработка электроэнергии никуда не исчезнет, ​​хотя она может измениться по форме и форме ». [Подробнее о нежелательности отказа сети см. На врезке «Медленная смерть сети».]

Высокоинтеллектуальная и гибкая сеть, способная обрабатывать мириады транзакций, происходящих между сотнями тысяч или даже миллионами отдельных производителей и потребителей энергии, не просто желательна, говорят эксперты.Это должно произойти, потому что альтернатива будет мрачной.

Просто спросите у немцев. Щедрые субсидии на возобновляемые источники энергии, называемые льготными тарифами, привели к тому, что страна добавила 30 гигаватт солнечной и 30 гигаватт ветровой энергии всего за несколько лет. В ясный свежий полдень на возобновляемые источники энергии может приходиться более половины вырабатываемой в Германии электроэнергии.

«Звучит неплохо, но для коммунального предприятия это выглядело как огромная отрицательная нагрузка», — отмечает Бенджамин Кропоски, директор по интеграции энергетических систем в Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Голдене, штат Колорадо.Когда вырабатывается большое количество возобновляемой энергии, мощность обычных центральных электростанций соответственно снижается, чтобы поддерживать систему в сбалансированном состоянии. Но если происходит локальное отключение питания, скачок напряжения или какое-либо другое нарушение в сети, схема защиты быстро отключает инверторы фотоэлектрических элементов. (Инверторы — это системы на основе полупроводников, которые преобразуют постоянный ток солнечных элементов в переменный.) А это, в свою очередь, может привести к каскадной нестабильности в масштабах всей системы.

«Если вы потеряете 30 гигаватт всего за 10 циклов» — то есть за две десятых секунды — «вы не сможете достаточно быстро увеличить мощность обычных генераторов, чтобы компенсировать это», — отмечает Кропоски.Поэтому немцам пришлось потратить эквивалент сотен миллионов долларов на более умные инверторы и каналы связи, которые позволили бы фотоэлектрическим массивам автоматически преодолевать любые помехи, а не просто отключаться.

Клиенты дорого платят за эти обновления: тарифы на электроэнергию в Германии с 2002 года выросли вдвое, примерно до 40 центов США за киловатт-час. Это более чем в четыре раза дороже электричества в Иллинойсе. Многие другие страны сейчас учатся на этом опыте, добавляет Кропоски, «чтобы обеспечить интеграцию солнечных и ветровых систем с энергосистемой таким образом, чтобы способствовать общей стабильности системы.”

Вт там, где ничего не было раньше: переосмысленное энергетическое будущее с более распределенным генерированием, хранением и микросетями предназначено не только для людей в богатых странах. В него также войдут те, у кого нет доступа к электричеству — это почти 1,3 миллиарда человек на данный момент. Действительно, это уже происходит. SharedSolar, проект, начатый Колумбийским университетом Виджай Моди и некоторые из его учеников внедряют небольшие фотоэлектрические батареи, соединенные микросетью, в деревнях по всей Африке к югу от Сахары.Домохозяйства и предприятия вносят предоплату за электроэнергию почти так же, как они могут предоплату за услуги мобильной связи. Фото: SharedSolar

Крупный японский эксперимент использует такой комплексный подход. В 30 минутах езды на поезде от центра Токио застройщик превращает старое поле для гольфа в запланированный умный город под названием Кашиваноха. Энергия, вода и другие общественные услуги для конечного населения в 26 000 человек разумно управляются во всех масштабах, от отдельных домохозяйств до предприятий и заводов до общегородских сетей.

Концепция «умного города» существует уже давно. Но на самом деле это не произошло в Японии до катастрофы на Фукусиме в марте 2011 года, — говорит Акихико Тобе, генеральный менеджер подразделения Hitachi по проектам умного города, которое поставляет системы управления энергопотреблением для Касиваноха. «Землетрясение все изменило, — говорит Тобе. «Многим городам был нанесен большой ущерб из-за отключений электричества и воды. В высоких зданиях пожилые люди оказались в ловушке на верхних этажах из-за того, что лифты перестали работать.”

Итак, система электроснабжения Кашиваноха предназначена для обеспечения бесперебойного обслуживания критически важных систем, таких как лифты, водяные насосы и больницы в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Для этого он использует несколько хранилищ аккумуляторов, а также микросеть, которая облегчает совместное использование электроэнергии и может работать изолированно от основной сети. Командный центр на втором этаже гостиницы и многоквартирного дома наблюдает за микросетью и отслеживает, где именно потребляется и генерируется электроэнергия.Во время нормальной работы клиентам также рекомендуется отслеживать собственное потребление энергии с помощью сенсорных мониторов в своих домах и на работе. Тем, кто особенно хорошо сокращает свое потребление, начисляются «экологические баллы», которые они могут обменять на товары и услуги в местном торговом центре LaLaPort.

«Хорошее будущее электричества будет зависеть от каждой новой технологии, о которой вы только можете подумать»

Со временем, говорит Тобе, будет добавлено больше домашней автоматизации, например, датчики, которые автоматически отключают свет при открытии шторы.Также будет предложен мониторинг состояния здоровья, чтобы отслеживать такие вещи, как количество упражнений и количество потребляемых калорий. «Люди, которые переезжают в Кашиваноху, понимают, что этот город представляет собой разрыв с прошлым», — говорит Тобе. «Их образ мышления таков, что они создают новую культуру, и они очень заинтересованы в том, чтобы участвовать в улучшении жизни».

Если предположить, что таких перспективных городов, как Форт-Коллинз и Кашиваноха, достигнут своих энергетических целей, можно ли повторить этот успех? «Хорошее будущее электричества будет зависеть от каждой новой технологии, о которой вы только можете подумать», — говорит Геллингс из EPRI.«Накопление энергии, эффективность устройств, более совершенные способы добычи угля и природного газа, сетевые датчики, более совершенное поколение». По его словам, если какая-либо из этих технологий не будет развиваться так, как теперь предполагают эксперты, это может помешать работе. Регулирующие органы и политики также должны быть убеждены в необходимости крупных инвестиций в инфраструктуру, которые потребуются более умной интегрированной сети.

Даже если все эти изменения произойдут, сетка 2064 года по-прежнему будет во многом похожа на сегодняшнюю сетку.Например, крупные угольные электростанции останутся значительной частью энергобаланса. Согласно отчету International Energy Outlook 2013 Управления энергетической информации США, США, Австралия и многие другие страны выведут из эксплуатации устаревшие угольные электростанции, но другие страны продолжат строительство новых. В докладе прогнозируется, что Китай, уже являющийся ведущим мировым потребителем угля, добавит к 2040 году около 530 гигаватт угольных мощностей. Таким образом, доля угля в производстве электроэнергии во всем мире в 2040 году, вероятно, будет всего на несколько процентных пунктов ниже, чем в 2010 году.

И как только эти новые заводы войдут в строй, их будет трудно сдвинуть с места. «Это очень инерционное поле», — говорит Вацлав Смил, изучавший медленные темпы изменений в электроэнергетике. «Строительство одной электростанции обходится примерно в миллиард долларов. Как только вы установите его на место, вам не захочется вырывать его и начинать заново. Так что инновации будут происходить в основном на периферии ».

Незначительные инновации могут по-прежнему привести к глубоким изменениям в будущей энергосистеме, если такие города, как Форт-Коллинз и Кашиваноха, сделают это правильно.Через пятьдесят лет, говорит Стив Катанак, менеджер по свету и электричеству Fort Collins Utilities, две угольные электростанции, с которых город получает 80 процентов электроэнергии, перестанут работать. Их место займут новые парогазовые турбины, но также увеличится доля распределенной генерации. В наши дни коммунальное предприятие активно поощряет инвестиции в ветряную и солнечную энергию с помощью нового зеленого тарифа, который позволит потребителям продавать свою электроэнергию обратно в сеть по гарантированной ставке.Более широкое использование механизмов спроса и реакции позволит клиентам сократить их использование в периоды пикового спроса. И когда хранение энергии станет доступным, добавляет Катанах, «мы будем использовать это, чтобы сбалансировать изменчивость возобновляемых источников энергии».

В то время как некоторые отраслевые эксперты заламывают руки над надвигающейся «спиралью смерти» для сегодняшних коммунальных предприятий, Катанаху удается с оптимизмом смотреть в будущее. «Форт-Коллинз — прекрасное место для жизни, и здесь всегда горит свет», — говорит он. Он почти уверен, что через 50 лет люди все еще смогут говорить то же самое.

Tesla хочет сделать каждый дом распределенной электростанцией — TechCrunch

Илон Маск хочет превратить каждый дом в распределенную электростанцию, которая будет вырабатывать, хранить и даже доставлять энергию обратно в электросеть, используя продукты компании.

Хотя компания уже много лет продает солнечные батареи и аккумуляторы энергии, новая политика компании — продавать солнечную энергию только вместе с продуктами для хранения энергии, наряду с комментариями Маска в понедельник, раскрывает стратегию, направленную на масштабирование этого бизнеса за счет обращения к коммунальным предприятиям.

«Это процветающее будущее как для Tesla, так и для электроэнергетики», — сказал он. «Если этого не сделать, коммунальные предприятия не смогут обслуживать своих клиентов. Они не смогут этого сделать », — сказал Маск во время телефонного разговора с инвестором, отметив постоянные отключения электроэнергии в Калифорнии прошлым летом и недавний отказ сети в Техасе как свидетельство того, что надежность сети стала более серьезной проблемой.

На прошлой неделе компания изменила свой веб-сайт, чтобы запретить покупателям покупать только солнечную батарею или ее накопитель энергии Powerwall, и вместо этого потребовала приобрести систему.Позже Маск объявил об этом шаге в своем твите, заявив, что «солнечная энергия будет подаваться исключительно на Powerwall» и что «Powerwall будет взаимодействовать только между счетчиком коммунальных услуг и главной панелью выключателя дома, что обеспечивает сверхпростую установку и беспрепятственное резервное копирование всего дома во время отключения электросети».

Маск утверждает, что энергосистеме потребуется больше линий электропередачи, больше электростанций и более крупные подстанции для полной декарбонизации с использованием возобновляемых источников энергии и хранилищ. По мнению Маска, распределенные жилые системы — разумеется, с использованием продуктов Tesla — будут лучшим вариантом.Его заявление было частично подтверждено недавними исследованиями Массачусетского технологического института, которые показали, что США могут выйти на сеть с нулевым выбросом углерода, более чем вдвое увеличив свою пропускную способность, а еще одно исследование Принстонского университета показало, что стране, возможно, потребуется утроить свои системы передачи к 2050 году, чтобы достичь нулевых выбросов.

Маск представляет себе систему электросетей, радикально отличную от той, которая есть у нас сегодня, которая централизованно контролируется и управляется операторами сетей, независимыми организациями, такими как Независимый системный оператор Калифорнии или Совет по надежности электроснабжения Техаса.Это видение связано с бюрократическими и логистическими проблемами. Коммунальным предприятиям и регулирующей политике необходимо будет решить, как справиться с большим притоком так называемых «распределенных энергетических ресурсов», таких как солнечные батареи на крышах жилых домов, что может противоречить давно устоявшимся бизнес-моделям коммунальных предприятий.

Важно отметить, что вопрос о том, хватит ли одних только возобновляемых источников энергии с накоплением энергии для декарбонизации энергосистемы, является спорным. Многие эксперты полагают, что потребности в землепользовании, требования к хранению и проблемы с перебоями возобновляемых источников энергии могут превратить их роль в качестве основного производителя электроэнергии в страну несбыточной мечтой.Но Маск долгое время был оптимистом в отношении модели «возобновляемые источники энергии плюс накопители», написав в июле прошлого года в Твиттере, что «физика отдает предпочтение электротранспорту, батареям для стационарного хранения и солнечной / ветровой энергии для выработки энергии».

Итак, что же такое виртуальные электростанции?

Мы живем во все более виртуальном мире. Вы можете проводить виртуальные встречи с виртуальными друзьями, используя системы виртуальной реальности, размещенные на виртуальных серверах. В энергетических кругах одним из самых модных словечек последних лет является виртуальная электростанция, или VPP.

Этот термин впервые начали обсуждать в 1990-х годах. Но за последние 10 лет ВПЭ действительно стали популярными, причем не только как концепция, но и как нечто, что создается, используется и коммерциализируется все большим числом энергетических компаний. Вот настоящая история этого явления виртуальной энергии.

Объясните эту «виртуальную электростанцию»…

По словам немецкой компании Next Kraftwerke, одного из пионеров современных ВЭС, это «сеть децентрализованных энергоблоков среднего размера, таких как ветряные электростанции, солнечные парки и комбинированные». теплоэнергетические установки, а также гибкие энергопотребители и системы хранения.”

На практике VPP может состоять из нескольких единиц одного типа актива, такого как батарея или устройство в программе реагирования на спрос, или разнородного набора активов.

Эти блоки «отправляются через центральную диспетчерскую виртуальной электростанции, но, тем не менее, остаются независимыми в своей работе и владении», — добавляет Next Kraftwerke.

Другими словами, VPP для традиционной электростанции — это то же самое, что связка подключенных к Интернету настольных компьютеров для мэйнфрейма.Оба могут выполнять сложные вычислительные задачи, но один использует уже существующую распределенную ИТ-инфраструктуру.

Ключевой особенностью VPP является то, что они могут агрегировать гибкую мощность для удовлетворения пиков спроса на электроэнергию. В этом отношении они могут имитировать или заменить динамики, работающие на природном газе, и помочь устранить узкие места в распределительных сетях, но обычно без тех же капитальных затрат.

В чем разница между виртуальной электростанцией и микросетью?

Микросети (и мини-сети) также часто включают сочетание распределенных возобновляемых источников энергии, хранилищ, гибкого спроса и электростанций, работающих на ископаемом топливе.Но есть и важные отличия: в сеть интегрировано

• VPP. Микросети часто являются автономными, а в сетевых настройках они предназначены для изолированного использования, чтобы они могли продолжать работать независимо, если сеть выходит из строя.
VPP
• могут быть собраны с использованием ресурсов, подключенных к любой части сети, тогда как микросети обычно ограничены определенным местоположением, например островом или районом.
• В этих двух концепциях используются разные системы управления и эксплуатации.VPP управляются с помощью программного обеспечения агрегации, предлагающего функции, имитирующие функции традиционной диспетчерской электростанции. Микросети полагаются на дополнительные аппаратные инверторы и переключатели для изолирования, потока мощности на месте и управления качеством электроэнергии.
• Еще одно отличие касается рынков и регулирования. VPP нацелены на оптовые рынки и обычно не требуют специального регулирования. Микросети, с другой стороны, больше ориентированы на питание конечного пользователя.

В чем разница между виртуальной электростанцией и ответом на спрос?

Это немного сложнее, и оно связано с семантикой энергетической отрасли.Термин «реакция спроса» появился несколько десятилетий назад в программах, в которых заводы или коммерческие здания должны были вручную отключать нагрузки для борьбы с авариями в энергосистеме. Хотя за последнее десятилетие отрасль стала намного более сложной, она все еще включает эти ручные программы наряду с более автоматизированными и гибкими.

Еще одно семантическое различие заключается в том, на какой стороне кривой спроса и предложения он считается. Согласно документу, цитируемому Институтом экономики энергетики Японии, реакция спроса — это инициатива со стороны спроса; VPP — это инициатива со стороны предложения.

Но на практике это не означает особого различия. VPP, такие как та, что эксплуатируется Enel X на Тайване, в основном основаны на реакции спроса, при этом нагрузки составляют большую часть ее мегаватт.

По этой причине в настоящее время, вероятно, проще всего думать об активах реагирования на спрос как об одном типе гибкой единицы, которую можно включить в VPP.

Как виртуальные электростанции зарабатывают деньги?

Традиционные тепловые электростанции обеспечивают мощность при необходимости, а также предоставляют ряд дополнительных услуг по стабилизации сети, от стабилизации напряжения до частотной характеристики.VPP потенциально могут зарабатывать деньги и на обоих типах операций.

Что касается пропускной способности, например, точки VPP уже развернуты, чтобы обойти необходимость усиления сети. В одном случае в Австралии коммунальное предприятие под названием Evoenergy смогло сэкономить около 2 миллионов австралийских долларов (1,6 миллиона долларов США) за счет использования VPP во избежание модернизации подстанции.

А в Орегоне Portland General Electric собирает 4-мегаваттную ВЭС в качестве предшественника 200-мегаваттной распределенной гибкости. Домохозяйства, принимающие участие в эксперименте VPP, получают скидку на покупку батарей или им платят 20 или 40 долларов в месяц за использование существующих батарей.

Наконец, в знак того, что VPP становятся товаром, Redwood, штат Калифорния, AutoGrid, которая управляет VPP в 12 странах с контрактной мощностью 5000 МВт, предлагает свои системы управления для покупки через рынок Amazon Web Services. Попробуйте сделать это с парогазовой турбиной.

Вам не нужно красивое программное обеспечение для создания виртуальной электростанции?

Да. Технологии — один из ключевых компонентов в разработке VPP, и первопроходцами, как правило, были компании, которым приходилось создавать программные платформы для мониторинга и управления активами на территории клиента, такими как батареи.

К 2016 году уже по крайней мере полдюжины компаний по хранению энергии только в Германии работали над концепциями VPP.

Какие компании создают виртуальные электростанции?

Большинство пионеров VPP были раскуплены более крупными группами в последние годы, в результате чего концепция виртуальной электростанции стала широко распространенной. Например:

• Геотермальная и возобновляемая энергетическая компания Ormat Technologies приобрела Viridity Energy в начале 2017 года.
• В том же году Greensmith Energy была куплена финским энергетическим гигантом Wärtsilä.
• Итальянская компания Enel начала активно расходовать средства на технологии распределенной энергетики, купив Demand Energy, EnerNOC и eMotorWerks, чтобы заложить основы своего предложения VPP.
• Engie купила долю * в Kiwi Power of the UK. в 2018 году и Tiko of Switzerland в 2019 году.
• В 2019 году Shell купила sonnen, немецкого производителя бытовых аккумуляторов, который разрабатывает VPP в Австралии, Германии и США.
• Hanwha Q Cells приобрела в августе этого года поставщика технологий VPP из Сан-Франциско, компанию Geli.
• Generac Power Systems купила Enbala Power Networks в октябре за нераскрытую сумму.
• Также в октябре компания Fluence, лидер по хранению энергии в сети, приобрела компанию AMS.
• Крупнейшая нефтегазовая компания Испании Repsol в прошлом году инвестировала неопределенную сумму в Ampere.

Это всего лишь пример сделок, связанных с VPP. И помимо приобретений:

• Green Mountain Power of Vermont работает с разработчиком программного обеспечения Virtual Peaker, чтобы отправить батареи Tesla Powerwall в сеть Новой Англии.
• Немецкая компания Next Kraftwerke предлагает емкость аккумуляторных батарей для электромобилей на вторичном резервном рынке Нидерландов, а стартап Tibber делает то же самое в Германии.
• Жилой гигант солнечной энергии Sunrun установил VPP на базе солнечной энергии и накопителей на рынках США от Массачусетса до Калифорнии и Гавайев.
• Tesla претендовала на крупнейшую в мире VPP в 2018 году, заключив сделку по установке 50 000 солнечных систем плюс накопители в Южной Австралии, и участвует во множестве других проектов по всему миру.
• , Великобритания, производитель интеллектуальных систем хранения данных Moixa управляет 22 000 систем хранения данных в Японии, а также выполняет небольшие развертывания VPP в других местах.
• Centrica смонтировала VPP в Корнуолле, западная Англия, совместно с sonnen, бельгийской фирмой по разработке программного обеспечения N-Side, Western Power Distribution и National Grid.
• GreenCom Networks, поддерживаемая Centrica, собирает в Германии «энергетические сообщества» с помощью программного обеспечения, которое может предоставлять услуги VPP.
• General Electric исследовала создание VPP с использованием технологии блокчейн и продает цифровые системы для разработки VPP наряду с традиционными электростанциями.

Опять же, это не исчерпывающий список, но он отражает жизнеспособность пространства VPP. Ожидайте большего количества приобретений и консолидации в космосе, поскольку энергетические гиганты пытаются собрать воедино элементы, которые могут удовлетворить будущие потребности сетей.

Исправление: Первоначально в истории говорилось, что Enel купила контрольный пакет акций Kiwi. Фактически, он купил миноритарный пакет акций.

Вермонт модернизирует свою энергосистему для борьбы с изменением климата

Посетители, входящие в центральную диспетчерскую с кодовым замком в Колчестере компании Green Mountain Power (GMP), штат Вент., штаб инстинктивно понижает голос, шепча в знак уважения к операторам, передающим приказы из-за полукруглых групп экранов. Это устрашающее место; Одна сторона комнаты с черными стенами занята дисплеем, на котором изображен обширный, залитый желтым светом лабиринт соединений и символов: карта электричества, протекающего по локальной сети. У технических специалистов здесь непростая работа по управлению этой обширной взаимосвязанной сетью; управление сотнями автоматических выключателей; мониторинг солнечной и гидроэлектрической мощности; и предвидеть скачки спроса на энергию, чтобы свет Вермонта оставался включенным.В случае сбоя эти операторы помогают координировать кропотливую работу по возобновлению работы системы.

«По сути, это похоже на загадку», — говорит Джефф Лоуренс, семилетний ветеран диспетчерской. «Когда приходит шторм, головоломка разваливается. Тебе нужно собрать все вместе, по кусочку за раз ».

В Вермонте и по всей стране эти кусочки головоломки все чаще разваливаются, поскольку изменение климата делает экстремальные погодные явления более частыми и серьезными.В прошлом месяце из-за экстремально высоких температур электросети на северо-западе Тихого океана оказались на пределе своих возможностей, и около 700 человек погибли во время массовых отключений электроэнергии в Техасе прошлой зимой. «Душераздирающе видеть, как происходят погодные явления, и видеть последствия изменения климата, происходящие по всей стране», — говорит генеральный директор Green Mountain Power Мари МакКлюр, сидя в конференц-зале в штаб-квартире компании.

GMP потратили два года на моделирование электрических сценариев и тестирование компонентов, чтобы убедиться, что система будет работать безопасно.«Я могу придумать 10 000 причин, по которым вы бы не стали этим заниматься», — говорит Джош Кастонгуэй, вице-президент по разработке и инновациям, сфотографированный на солнечной ферме 23 июня. «Это не сработает. Это не сработает. Они. это все, через что вам нужно было спроектировать «.

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

МакКлюр говорит размеренным тоном, рисуя формы руками, поскольку она объясняет, что отчасти для уменьшения угрозы изменения климата GMP находится в процессе преобразования своей сети.По ее словам, он уходит от крупных генераторных станций и протяженных линий электропередачи к более децентрализованному подходу, основанному на таких технологиях, как сети подключенных к коммунальным предприятиям устройств и новые, более дешевые аккумуляторные батареи, в системе, предназначенной для защиты от массовых отключений электроэнергии и ускорить переход от ископаемого топлива. МакКлюр, в прошлом MVP женской баскетбольной команды Университета Буффало, любит спортивные метафоры. «Вы играете усердно, и победа сама о себе», — говорит она.«Это аналогия с нашей работой по трансформации». Но точно так же, как и в баскетбольном матче, когда дело доходит до гигантской задачи по перестройке национальной энергосистемы, чтобы избежать климатической катастрофы, время на исходе.

Обезуглероживание электрической системы США не так просто, как замена каждой электростанции, работающей на ископаемом топливе, на ветряную электростанцию ​​или солнечную батарею. В отличие от угля и природного газа, возобновляемые ресурсы непостоянны — это означает, что они не работают, когда не дует ветер или не светит солнце.Существенный переход на возобновляемые источники энергии потребует реконструкции электрических сетей с учетом этих ограничений, что является масштабным и дорогостоящим мероприятием. Национальные лидеры взяли на себя множество обязательств по сокращению выбросов и устойчивости, но не спешили внедрять реальные решения. В последнее время GMP и другие дальновидные энергетические компании начали устранять этот пробел, опробовав комплексную системную реконструкцию и инженерные решения, необходимые для создания надежной безуглеродной энергосистемы, пока не стало слишком поздно.

GMP в Колчестере, штат Вирджиния. После активации в этом месяце система Panton станет первой в США общественной микросетью, способной работать на возобновляемых источниках энергии без резервного источника ископаемого топлива.

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

Сельский Пантон, штат Вирджиния, является домом для новейшей попытки GMP переделать электрическую систему: «микросеть», подключенная к солнечной электростанции, которая может распределять электроэнергию по частям близлежащего сообщества в случае, если они будут отключены от электросети. основная энергетическая сеть из-за падающих деревьев или сильных снегопадов, что является обычным явлением в этом изолированном городке Новой Англии.Инженеры GMP потратили два года на моделирование электрических сценариев и тестирование компонентов, чтобы убедиться, что система будет работать безопасно. «Я могу придумать 10 000 причин, по которым вы бы не стали этим заниматься», — говорит Джош Кастонгуэй, вице-президент по инжинирингу и инновациям GMP, стоя возле 4,9-мегаваттной аккумуляторной батареи, которая помогает питать сеть, когда солнце не светит. и который одновременно служит источником местной энергии для города в чрезвычайной ситуации. «Это не сработает. Это не сработает. Это все, что вам нужно просто спроектировать.«После активации в этом месяце система Panton станет первой в США общественной микросетью, которая может работать на возобновляемых источниках энергии без резервного источника ископаемого топлива.

Установить и запустить такую ​​систему непросто. Во-первых, автоматические выключатели линий электропередач, которые отключают электричество, если, скажем, дерево повреждает опору электросети, не были предназначены для работы только от одной батареи, перекачивающей энергию по своим линиям. Решение GMP представляет собой новое применение типа трансформатора, известного как банк заземления, для повышения напряжения в микросети Panton до уровня, достаточного для обеспечения срабатывания выключателей при повреждении электрических проводов.

Еще один проект GMP по модернизации сети заключается в сдаче в аренду систем резервного питания от батарей Tesla Powerwall домовладельцам по ценам ниже рыночных, а затем их использование с разрешения домовладельцев для удовлетворения потребностей населения в электроэнергии в часы пик (обещали оставить достаточно заряда до метели или других погодных явлений, которые могут вывести из строя линии электропередачи). Когда программа началась еще в 2017 году, это была первая подобная инициатива в США, спонсируемая коммунальными предприятиями.; почти 1000 жителей Vermonters зарегистрировались в течение года. Государственные регулирующие органы одобрили ее в качестве постоянной программы в конце 2020 года. Она предлагает огромные климатические преимущества: коммунальные предприятия часто используют свои самые грязные ресурсы производства электроэнергии в наиболее интенсивные периоды высокого спроса несколько раз в год, либо за счет покупательной способности у электростанций, работающих на ископаемом топливе в США. далекие государства или запуск бездействующих газовых электростанций. С помощью своей программы Powerwall GMP может компенсировать часть этого пикового спроса, сбрасывая накопленную электроэнергию в сеть из гаражей и подвалов по всему штату, тип установки, известный как «виртуальная электростанция» (VPP).(Термин также относится к сетям других устройств, таких как водонагреватели, которыми коммунальные предприятия могут управлять удаленно для управления сетью.)

«Коммунальные предприятия по всей стране все лучше понимают, что у нас не хватает времени на ископаемое топливо», — говорит Мари МакКлюр, генеральный директор Green Mountain Power.«С другой стороны, мы как отрасль должны двигаться быстрее».

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

Другие коммунальные предприятия США с тех пор запустили аналогичные программы для батарейных сетей, многие из которых получили рекомендации GMP. Liberty Utilities в Нью-Гэмпшире запустила программу VPP по аккумуляторным батареям в 2018 году; Rocky Mountain Power в штатах Юта, Вайоминг и Айдахо сделали это в 2019 году; и Portland General Electric и Southern California Edison запустили программы в прошлом году.Фирмы по производству аккумуляторов и установщики, такие как Sonnen и Sunrun, вступили в партнерские отношения с коммунальными предприятиями, участвовали в коммунальных программах, которые позволяли нескольким установщикам вносить аккумуляторы, или, в случае Соннена, объединили свои собственные сообщества домашних аккумуляторов в США. (США здесь до некоторой степени играют в догонялки; такие инициативы существуют за пределами страны с 2015 года.) Между тем GMP расширила свою собственную инициативу VPP, инвестировав около 30 миллионов долларов в регистрацию более 2000 домов в одном из крупнейших коммунальных предприятий. согласованные программы домашних аккумуляторов на даче.

Графика Лона Твитена для TIME

Energy говорят, что системы VPP необходимы в ближайшем будущем, отчасти потому, что они могут помочь предотвратить перегрузки, подобные той, которая нанесла ущерб Техасу в начале этого года.В более долгосрочной перспективе переход на возобновляемые источники энергии потребует учета перебоев, что означает создание огромного количества накопителей энергии, чтобы энергия была доступна в пасмурные или безветренные дни. Точный объем накопленной энергии, который понадобится США, зависит от таких факторов, как количество инвестиций в новые линии электропередачи, которые могут снизить потребность в батареях за счет перемещения энергии от ветряных электростанций и солнечных полей, производящих энергию, в районы, где используются возобновляемые источники энергии. простаивает, но прогнозы колеблются от 150 до 450 гигаватт мощности, или общей потенциальной выработки электроэнергии, чтобы полностью возобновляемая национальная система работала.(Плотина Гувера, для контекста, имеет мощность 2 гигаватта.) Батареи коммунального масштаба, подобные той, что в Пантоне, могут составлять большую часть этого нового хранилища, наряду с гидроэнергетикой, закачиваемой в резервные резервуары. Но развертывание аккумуляторных систем VPP также может упростить и удешевить эту работу, чем строительство одних только аккумуляторных батарей для коммунальных предприятий, поскольку во многих случаях VPP будут более рентабельными, уменьшат потребность в новых проводах передачи для подключения больших батарей к сети и обеспечивают дополнительное преимущество резервного питания дома на случай отключения электричества.

«По сути, это похоже на головоломку», — говорит один ветеран диспетчерской GMP.«Когда приходит шторм, головоломка разваливается. Вам нужно собрать ее по кусочкам».

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

Помимо нескольких недовольств видом, омраченным солнечными батареями, Ховард Холл, председатель избранного совета Panton, говорит, что местные жители были счастливы работать с компанией над тестированием микросети.

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

Когда дело доходит до системных изменений в энергосистеме, местная оппозиция имеет репутацию сорвавшей даже самые продуманные планы зеленой энергетики. Некоторые из проектов ветряных турбин GMP, например, получили сопротивление со стороны жителей, обеспокоенных шумом и испорченными видами на вершины холмов.В Пантоне компания начала продавать населению солнечную батарею и микросеть еще в 2015 году, планируя звонки с членами городского совета и привозя делегации на собрания совета. «Я думаю, они просто пытались нас почувствовать», — говорит Ховард Холл, председатель избирательного совета города, в бывшей церкви 18 века, которая служит ратушей для общины на озере Шамплейн с населением менее 700 человек. GMP завершила модернизацию этого 150-летнего здания новыми светодиодными лампами и электрическими тепловыми насосами и установила первый и единственный уличный фонарь на близлежащем перекрестке.Атака очарования сработала — за исключением нескольких недовольств, говорит Холл, местные жители были счастливы работать с GMP над тестированием нового проекта компании по созданию микросетей. «Мои жители могут получить надежную электроэнергию в любых условиях, и это нам ничего не стоит», — говорит Холл. «Почему бы нам этого не сделать?»

Желание получить резервную электроэнергию в подверженном снежным бурям Вермонте также мотивировало некоторое участие в программе VPP GMP, но многие жители также присоединились к ним из-за беспокойства по поводу потепления климата — серьезной проблемы в широко либерально настроенном штате (69% жителей Вермонтера). считают, что изменение климата влияет на погоду, что на 5 процентных пунктов выше среднего показателя по стране).Многие местные жители заметили, что зимой исчезают снега, лето становится жарче, а весна с каждым годом приходит все чаще. «Я был так встревожен тем, что мы выбрасываем в атмосферу, и тем глобальным влиянием, которое это оказывает на экосистемы», — говорит 71-летний участник VPP Джерри Хоукс. Он и его 73-летняя жена Карен Хоукс показали мне GMP- подключили батарею в подвале своего бревенчатого дома, который Джерри построил несколько десятилетий назад на вершине холма в Вудстоке, штат Вирджиния, в 50 милях к юго-востоку от Пантона.

Джерри всю свою карьеру работал лесником и изобретателем, разрабатывая такие инновации, как модульная система велосипедных дорожек и инструмент, похожий на тачку, для расчистки обломков после землетрясения.Теперь он ведет бизнес по борьбе с местными инвазивными растениями без гербицидов, используя управляемый огнемет и трактор-мульчер собственной разработки, который он называет «Forest Saver». Он приветлив и улыбается, когда говорит, но его тон становится мрачным, когда речь заходит о проблемах окружающей среды, особенно об угрозе, которую изменение климата и другие факторы экологического стресса представляют для знаменитых лесов Новой Англии. «Мы не знаем, насколько быстро все развивается, но мы не идем в правильном направлении», — говорит Джерри. Он указывает на деревья с пожелтевшими и редеющими листьями.«Видите ли, для них достаточно места», — говорит он. «Они не должны так умирать».

Система резервного питания от батарей Tesla Powerwall в доме в Гилфорде, штат Вент.Когда в 2017 году началась программа модернизации энергосистемы, это была первая подобная инициатива в США, спонсируемая коммунальными предприятиями. В течение года к ней присоединились около 1000 жителей Vermonters. В конце 2020 года государственные регуляторы одобрили ее как постоянную программу.

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

Срок пребывания в должности Мари МакКлюр в качестве руководителя GMP совпал с обновлением национального внимания к изменению климата и устойчивости энергосистемы, которое распространяется на самые высокие уровни правительства.«Поскольку мы стали свидетелями большего количества ураганов и более серьезных экологических проблем из-за суровых погодных условий, мы хотим иметь устойчивую систему», — говорит Патриция Хоффман, исполняющая обязанности помощника секретаря в Управлении электроэнергетики Министерства энергетики США. Тем не менее, эксперты в области энергетики говорят, что сети страны не модернизируются достаточно быстро. Некоторые крупные коммунальные предприятия, такие как Duke Energy из Северной Каролины, предложили «пути» к нулевому уровню выбросов, которые по-прежнему зависят от строительства новых заводов по производству природного газа, даже несмотря на то, что все растет консенсус в отношении того, что такие проекты невозможно оправдать с точки зрения климата.Другие коммунальные предприятия медленно продвигаются по новым сетевым инициативам. Orange и Rockland Utilities, дочерняя компания Consolidated Edison, базирующаяся в Нью-Йорке, которая обслуживает части северного Нью-Джерси и юго-востока Нью-Йорка, запустила проект VPP солнечных батарей в июне прошлого года, но год спустя еще не ввела в эксплуатацию какие-либо домашние батареи. (Коммунальная компания заявляет, что COVID-19 замедлил их планы, потому что они не могли осуществлять прямой маркетинг от двери до двери.) Между тем, некоторые новые линии электропередачи, еще один важный компонент зеленого перехода, были затруднены из-за местных юридических проблем. — плохой знак, поскольку администрация Байдена готовится к расширению такой инфраструктуры.Между тем, аккумуляторные батареи могут быть слишком дорогими для создания масштабов в несколько сотен гигаватт, необходимых для декарбонизации.

Другие страны продвинулись быстрее, чем США, в улучшении инновационных сетей. Австралия разрабатывает, по ее словам, крупнейшую в мире систему VPP, соединяющую 50 000 домашних аккумуляторов. В Великобритании Kaluza, дочерняя компания британского поставщика энергии Ovo, платит клиентам за доступ к их аккумуляторам электромобилей во время зарядки, чтобы помочь контролировать электрические пики (представители компании говорят, что компания расширится до США.С. в ближайшие месяцы). Аналогичная децентрализованная инициатива от Ford, который использует батареи в своем предстоящем электрическом F-150, может появиться через годы.

В США новые линии электропередачи ждут федеральных денег, в то время как хранилище коммунальных услуг, хотя и растет, также будет стимулироваться дополнительными государственными инвестициями. В мире VPP некоторые коммунальные предприятия США обвиняют в медленном прогрессе государственные регулирующие органы, которые контролируют расходы и сборы коммунальных предприятий и которые могут лишить коммунальные предприятия стимулов вкладывать деньги в новые усовершенствованные сетевые программы, если нет механизмов для окупаемости их инвестиций.Установщики аккумуляторов, такие как Sunrun, говорят, что сами коммунальные предприятия намеренно тормозят такие инициативы. «Определенно есть коммунальные предприятия, которые не так дальновидны в Green Mountain Power», — говорит Крис Раушер, который руководит политикой Sunrun и стратегией рынка систем хранения. «Исторически сложилось так, что эти коммунальные предприятия придерживаются принципа откладывать, откладывать, откладывать, просто бросать песок в глаза всем, потому что им нужно время, чтобы попытаться понять, куда движется будущее и какие выгоды они могут получить». Однако некоторые наблюдатели говорят, что производители батарей тоже не безупречны.Функциональная совместимость — или способность аккумуляторов разных производителей работать как часть единой системы — является серьезным препятствием для широкого использования VPP, поскольку коммунальные предприятия должны иметь возможность заряжать или разряжать большие сети аккумуляторов в тандеме, чтобы управлять спросом. шипы. Но производители аккумуляторов не собираются работать вместе и преодолевать эти проблемы. «Все они думают, что могут монополизировать рынок», — говорит Аршад Мансур, генеральный директор Исследовательского института электроэнергетики, некоммерческой исследовательской организации в области энергетики.

В то время как желание получить резервную электроэнергию в штате, подверженном метели, мотивировало некоторое участие в программе GMP VPP, многие жители присоединились к ней, опасаясь потепления климата.«Я был так встревожен тем, что мы выбрасываем в атмосферу, и тем глобальным влиянием, которое это оказывает на экосистемы», — говорит Джерри Хоукс, у которого в подвале своего бревенчатого дома есть аккумулятор, подключенный к GMP.

Хилари Свифт для ВРЕМЕНИ

И вне зависимости от обвинений, предстоит еще грандиозная задача и скудное время, оставшееся на ее выполнение.Электрические системы основаны на крупных централизованных электростанциях с «базовой нагрузкой», которые направляют постоянный ток электричества в дальние границы сети, с дополнительными электростанциями, которые подают дополнительную электроэнергию, когда это необходимо. Действительно, устранение выбросов углерода от электростанций с базовой нагрузкой может стать последним рубежом перехода на «зеленые» сети. Ядерная энергия может обеспечивать базовую нагрузку, но новые атомные разработки в течение многих лет были вялыми, отчасти из-за сохраняющихся проблем общественного мнения после громких аварий, в то время как системы улавливания углерода на ископаемом топливе, которые теоретически могут генерировать нулевые выбросы мощность при базовой нагрузке — до крупномасштабного внедрения еще годы.И хотя возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, производят много энергии, прерывистость означает, что им будет чрезвычайно трудно заменить собой станции с базовой нагрузкой без огромного количества новых линий электропередачи и хранилищ, от сетей небольших батарей до многомегаваттных гигантов. .

Столкнувшись с задачей переделать эту систему, МакКлюр осторожно надеется. «Коммунальные предприятия по всей стране все лучше понимают, что у нас не хватает времени на ископаемое топливо», — говорит она.«С другой стороны, мы как отрасль должны двигаться быстрее». Карен Хоукс тоже полна надежд — она ​​говорит, что уже была свидетельницей перемены в окружающей среде. В 1970-х и 1980-х годах многие деревья Вермонта начали массово болеть и умирать — явление, связанное с кислотными дождями из автомобилей и дымовых труб, до того как поправки 1990 года к Закону о чистом воздухе помогли обратить вспять этот упадок. Она вспоминает, что в худший период ее муж Джерри трясся от волнения, рассматривая скудную болезненную листву на клене рядом с их домом.«Я помню, как Джерри сказал:« Думаю, через пять лет мы не увидим кленов ». И я был потрясен этим замечанием», — говорит Карен, стоя рядом с тем же деревом, которое Джерри изучал несколько десятилетий назад. вечерний солнечный свет. «Но этого не произошло — Закон о чистом воздухе очень помог. Так что я более оптимистичен ».

Получите краткую информацию.Подпишитесь, чтобы получать самые важные новости, которые вам нужно знать прямо сейчас.

Спасибо!

Напишите Алехандро де ла Гарса по адресу [email protected].

Гидроэлектроэнергия Водопользование

• Школа водных наук ГЛАВНАЯ • Темы водопользования •

Плотина Чодьер отводит воду из реки Оттава, Канада.

Кредит: Викимедиа

На протяжении всей истории люди использовали движущуюся воду для помощи в работе, а современные люди широко используют движущуюся воду для производства электроэнергии.Несомненно, пещерный Джек прикрепил к шесту несколько крепких листьев и бросил их в движущийся поток. Вода вращала шест, который измельчал зерно, чтобы приготовить вкуснейшие обезжиренные доисторические кексы с отрубями. На протяжении многих веков энергия воды использовалась для работы мельниц, перемалывающих зерно в муку. На протяжении всей истории люди использовали движущуюся воду для помощи в работе, а современные люди широко используют движущуюся воду для производства электроэнергии.

Гидроэнергетика для нации

Хотя большая часть энергии в Соединенных Штатах производится на ископаемом топливе и атомными электростанциями, гидроэлектроэнергия по-прежнему важна для нации.В настоящее время огромных электрогенераторов размещены внутри плотин . Вода, протекающая через плотины, вращает лопатки турбин (сделанные из металла вместо листьев), которые соединены с генераторами. Электроэнергия производится и отправляется в дома и на предприятия.

Мировое распределение гидроэнергетики

• Гидроэнергетика — самый важный и широко используемый возобновляемый источник энергии.
• Гидроэнергетика составляет около 17% (Международное энергетическое агентство) от общего производства электроэнергии.
• Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии, за ним следуют Канада, Бразилия и США (Источник: Управление энергетической информации).
• Примерно две трети экономически обоснованного потенциала еще предстоит освоить. Неиспользованные гидроресурсы по-прежнему в изобилии в Латинской Америке, Центральной Африке, Индии и Китае.

Производство электроэнергии с использованием гидроэлектроэнергии имеет некоторые преимущества перед другими методами производства энергии .Сделаем быстрое сравнение:

Преимущества гидроэнергетики

• Топливо не сжигается, поэтому загрязнение минимально
• Вода для работы электростанции предоставляется бесплатно по природе
• Гидроэнергетика играет важную роль в сокращении выбросов парниковых газов
• Относительно низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание
• Технология надежна и проверена временем
• Возобновляемый — дождь обновляет воду в резервуаре , поэтому топливо почти всегда есть

Прочтите расширенный список преимуществ гидроэнергетики с конференции Top World Conference on Sustainable Development, Йоханнесбург, Южная Африка (2002)

Недостатки электростанций, использующих уголь, нефть и газовое топливо

• Они используют ценные и ограниченные природные ресурсы
• Они могут производить много загрязнений
• Компании должны выкопать землю или бурить скважины, чтобы добыть уголь, нефть и газ
• Для АЭС существуют проблемы с удалением отходов

Гидроэнергетика не идеальна и имеет некоторые недостатки

• Высокие инвестиционные затраты
• Зависит от гидрологии ( осадков )
• В некоторых случаях затопление земель и мест обитания диких животных
• В некоторых случаях потеря или изменение местообитаний рыб
• Захват или ограничение прохода рыбы
• В отдельных случаях изменения в водохранилище и потоке Качество воды
• В некоторых случаях перемещение местного населения

Гидроэнергетика и окружающая среда

Гидроэнергетика не загрязняет окружающую среду, но оказывает воздействие на окружающую среду

Гидроэнергетика не загрязняет воду и воздух.Однако гидроэнергетические объекты могут иметь большое воздействие на окружающую среду, изменяя окружающую среду и влияя на землепользование, дома и естественную среду обитания в районе плотины.

Большинство гидроэлектростанций имеют плотину и водохранилище. Эти структуры могут препятствовать миграции рыб и влиять на их популяции. Эксплуатация гидроэлектростанции может также изменить температуру воды , и сток реки. Эти изменения могут нанести вред местным растениям и животным в реке и на суше.Водохранилища могут покрывать дома людей, важные природные территории, сельскохозяйственные угодья и места археологических раскопок. Таким образом, строительство плотин может потребовать переселения людей. Метан, сильный парниковый газ, также может образовываться в некоторых резервуарах и выбрасываться в атмосферу . (Источник: EPA Energy Kids)

Строительство водохранилища в США «иссякает»

Гоша, гидроэлектроэнергия звучит здорово — так почему бы нам не использовать ее для производства всей нашей энергии? В основном потому, что вам нужно много воды и много земли, где вы можете построить плотину и водохранилища , что все требует ОЧЕНЬ денег, времени и строительства.Фактически, большинство хороших мест для размещения гидроэлектростанций уже занято. В начале века гидроэлектростанции обеспечивали чуть меньше половины всей электроэнергии страны, но сегодня это число снизилось примерно до 10 процентов. Тенденцией на будущее, вероятно, будет строительство малых гидроэлектростанций, которые могут вырабатывать электроэнергию для одного сообщества.

Как видно из этого графика, строительство поверхностных водохранилищ в последние годы значительно замедлилось. В середине 20 века, когда урбанизация происходила быстрыми темпами, было построено множество водохранилищ, чтобы удовлетворить растущий спрос людей на воду и электроэнергию.Примерно с 1980 года темпы строительства водохранилищ значительно замедлились.

Типовая гидроэлектростанция

Гидроэнергия вырабатывается падающей водой. Способность производить эту энергию зависит как от имеющегося потока, так и от высоты, с которой он падает. Накапливаясь за высокой плотиной, вода аккумулирует потенциальную энергию. Это превращается в механическую энергию, когда вода устремляется вниз по шлюзу и ударяется о вращающиеся лопасти турбины.Вращение турбины вращает электромагниты, которые генерируют ток в неподвижных катушках проволоки. Наконец, ток пропускается через трансформатор, где напряжение увеличивается для передачи на большие расстояния по линиям электропередачи. (Источник:

)

Падающая вода производит гидроэлектроэнергию. Теория состоит в том, чтобы построить плотину на большой реке с большим перепадом высоты (в Канзасе или Флориде не так много гидроэлектростанций).Плотина хранит много воды позади себя в водохранилище. У подножия стены дамбы находится водозабор. Гравитация заставляет его проваливаться через напорный водовод внутри дамбы. В конце напорного трубопровода находится пропеллер турбины, который вращается движущейся водой. Вал турбины идет вверх в генератор, который производит мощность. К генератору подключены линии электропередач, по которым электричество доставляется в ваш дом и в мой. Вода проходит мимо гребного винта по отводу в реку мимо плотины.

Производство гидроэлектроэнергии в США и в мире

На этой диаграмме показано производство гидроэлектроэнергии в 2012 году в ведущих странах мира, производящих гидроэлектроэнергию. В последнее десятилетие Китай разработал крупные гидроэлектростанции и в настоящее время занимает лидирующие позиции в мире по использованию гидроэлектроэнергии. Но с севера на юг и с востока на запад страны всего мира используют гидроэлектроэнергию — главные составляющие — это большая река и перепад высот (конечно, вместе с деньгами).

Источники энергии, Возобновляемые источники энергии, Нефть, Уголь

СВОБОДА! Я стою в захламленной комнате, окруженной обломками электрического энтузиазма: обрывками проводов, кусочками меди, желтыми разъемами, изолированными плоскогубцами. Для меня это инструменты свободы. Я только что установил на крышу с десяток солнечных панелей, и они работают. Измеритель показывает, что 1285 Вт мощности направляются прямо от солнца в мою систему, заряжают мои батареи, охлаждают мой холодильник, гудят в моем компьютере, освобождая мою жизнь.

Эйфория энергетической свободы вызывает привыкание. Не поймите меня неправильно; Я люблю ископаемое топливо. Я живу на острове, на котором нет инженерных сетей, но в остальном мы с женой ведем нормальную американскую жизнь. Нам не нужны пропановые холодильники, керосиновые лампы или компостные туалеты. Нам нужно много розеток и устройство для приготовления капучино. Но когда я включаю эти панели, ничего себе!

Может быть, это потому, что для меня, как и для большинства американцев, тот или иной энергетический кризис омрачил большую часть последних трех десятилетий.От кризиса ОПЕК в 1970-х годах до стремительного роста цен на нефть и бензин сегодня озабоченность мира по поводу энергии преследовала президентские речи, кампании в Конгрессе, книги о бедствиях и мое собственное чувство благополучия с той же гложущей тревогой, которая была характерна для холодная война.

Как сообщал National Geographic в июне 2004 года, нефть, которая больше не дешевая, может скоро подешеветь. Нестабильность там, где находится большая часть нефти, от Персидского залива до Нигерии и Венесуэлы, делает этот спасательный трос хрупким.Природный газ трудно транспортировать, и он подвержен дефициту. В ближайшее время у нас не закончится уголь или в значительной степени неиспользованные месторождения битуминозных песков и горючего сланца. Но очевидно, что углекислый газ, выделяемый углем и другими ископаемыми видами топлива, нагревает планету, как сообщил этот журнал в сентябре прошлого года.

Избавиться от этого беспокойства заманчиво. С моими новыми панелями ничто не стоит между мной и безграничной энергией — никакой иностранной нации, никакой энергетической компании, никакой вины за выбросы углерода. Я свободен!

Ну почти.Вот и облако.

Тень крадется по моим панелям и моему сердцу. Счетчик показывает всего 120 Вт. Мне нужно запустить генератор и сжечь еще бензина. В конце концов, это будет непросто.

Проблема с энергетической свободой в том, что она вызывает привыкание; когда у тебя мало, ты хочешь много. В микрокосме я похож на людей в правительстве, промышленности и частной жизни во всем мире, которые попробовали немного этой любопытной и неотразимой свободы и полны решимости найти больше.

Некоторые эксперты считают, что это стремление даже важнее, чем война с терроризмом. «Терроризм не угрожает жизнеспособности нашего высокотехнологичного образа жизни», — говорит Мартин Хофферт, профессор физики Нью-Йоркского университета. «Но энергия действительно есть».

Экономия энергии может предотвратить расплату, но, в конце концов, вы не можете сберечь то, чего у вас нет. Так что Хофферт и другие не сомневаются: пришло время активизировать поиск следующего великого топлива для голодного двигателя человечества.

А такое топливо есть? Краткий ответ: нет. Специалисты произносят это как мантру: «Серебряной пули не бывает». Хотя некоторые истинно верующие утверждают, что между нами и бесконечной энергией космического вакуума или ядра Земли стоят только обширные заговоры или недостаток средств, правда в том, что в основе уравнения или в конце сверла.

Увлечение водородными автомобилями может произвести неверное впечатление. Водород не является источником энергии.Он находится вместе с кислородом в простой старой воде, но его нельзя принимать. Водород должен быть освобожден, прежде чем он станет полезным, а это стоит больше энергии, чем водород возвращает. В наши дни эта энергия в основном поступает из ископаемого топлива. Никакой серебряной пули.

Однако длинный ответ о нашем следующем топливе не такой уж мрачный. Фактически, множество претендентов на энергетическую корону, в настоящее время удерживаемую ископаемым топливом, уже под рукой: ветряная, солнечная, даже ядерная, и это лишь некоторые из них. Но преемником должен быть конгресс, а не король.Практически каждый энергетический эксперт, которого я встречал, делал что-то неожиданное: он продвигал не только свою, но и все остальные.

«Нам понадобится все, что мы можем получить из биомассы, все, что мы можем получить от солнечной энергии, все, что мы можем получить от ветра», — говорит Майкл Пачеко, директор Национального центра биоэнергетики, входящего в Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии ( NREL) в Голдене, штат Колорадо. «И все же вопрос в том, сможем ли мы насытиться?»

Большая проблема — большие числа. В мире ежедневно используется около 320 миллиардов киловатт-часов энергии.Это равно примерно 22 непрерывно горящим лампочкам на каждого человека на планете. Не зря искры видны из космоса. По оценкам группы Хофферта, в следующем столетии человечество сможет использовать в три раза больше. Ископаемые виды топлива удовлетворяют растущий спрос, потому что они упаковывают энергию Солнца за миллионы лет в компактную форму, но мы больше не найдем им подобных.

Воодушевленный моим вкусом энергетической свободы, я отправился на поиски технологий, которые могли бы решить эти проблемы. «Если у вас есть большая проблема, вы должны дать серьезный ответ», — говорит гениальный гуру энергетики по имени Герман Шеер, член парламента Германии.«Иначе люди не верят».

Ответы есть. Но всем им требуется еще одна вещь от нас, людей, которые ютятся вокруг костра ископаемого топлива: нам придется сделать большой прыжок — в мир другого типа.

В пасмурный день недалеко от города Лейпциг в бывшей Восточной Германии я шел по полю со свежей травой мимо пруда, где паслись дикие лебеди. Поле было также засеяно 33 500 фотоэлектрическими панелями, высаженными рядами, как серебряные цветы, обращенные к солнцу, плавно изгибающиеся по контурам земли.Это одна из самых больших солнечных батарей в истории. Когда появляется солнце, поле производит до пяти мегаватт энергии, чего в среднем достаточно для 1800 домов.

Рядом зияющие карьеры, где поколениями добывали уголь для питания электростанций и фабрик. Небо было коричневым от дыма и едким от серы. Теперь шахты превращаются в озера, а энергия, которая когда-то производилась из угля, производится в печи, находящейся на расстоянии 93 миллионов миль (150 миллионов километров).

Солнечные электрические системы получают энергию непосредственно от солнца — без огня и выбросов.Некоторые лаборатории и компании испытывают взрослую версию детской лупы: гигантские зеркальные чаши или желоба для концентрации солнечных лучей, выделяющих тепло, которое может приводить в действие генератор. Но на данный момент солнечная энергия в основном означает солнечные батареи.

Идея проста: солнечный свет, падающий на слой полупроводника, толкает электроны, создавая ток. Тем не менее, стоимость клеток, некогда астрономическая, по-прежнему высока. Моя скромная система стоила более 15000 долларов США, около 10 долларов за ватт мощности, включая батареи для хранения энергии, когда солнце не светит.

Как и большинство электронных устройств, солнечная энергия становится все дешевле. «Тридцать лет назад использование спутников было рентабельным, — говорит Дэниел Шугар, президент PowerLight Corporation, быстрорастущей калифорнийской компании, которая построила солнечные установки для клиентов, включая Toyota и Target. «Сегодня это может быть рентабельным для электроснабжения домов и предприятий», по крайней мере, там, где электроэнергия дорогая или недоступна. Завтра, говорит он, это будет иметь смысл почти для всех.

Мартин Рошайзен, генеральный директор компании Nanosolar, видит это будущее во флаконах с красной крышкой, заполненных крошечными частицами полупроводника.«Я нанес немного этого на свой палец, и он исчез прямо на моей коже», — говорит он. Он не скажет точно, что это за частицы, но «нано» в названии компании является намеком: они меньше ста нанометров в поперечнике — размером с вирус, и настолько малы, что проникают сквозь кожу.

Рошайзен считает, что эти частицы обещают недорогой способ создания солнечных элементов. Вместо того, чтобы делать элементы из пластин кремния, его компания будет рисовать частицы на фольге, где они будут самоорганизовываться, образуя поверхность полупроводника.Результат: гибкий материал для солнечных батарей в 50 раз тоньше, чем сегодняшние солнечные панели. Roscheisen надеется продавать его листами примерно по 50 центов за ватт.

«Пятьдесят центов за ватт — это своего рода Святой Грааль», — говорит Дэвид Пирс, президент и генеральный директор Miasolé, одной из многих других компаний, работающих над «тонкопленочными» солнечными элементами. По этой цене солнечная энергия могла бы конкурировать с коммунальными услугами и могла бы стать популярной. Если цены продолжат падать, солнечные элементы могут полностью изменить представление об энергии, сделав ее дешевым и легким сбором для себя.Это то, что технари называют «прорывной технологией».

«Автомобили разрушили бизнес лошадей и багги», — говорит Дэн Шугар. «Компьютеры разрушили индустрию пишущих машинок. Мы считаем, что солнечные электрические системы разрушат энергетику».

Но цена — не единственное препятствие для солнечных панелей. Есть такие мелочи, как облака и темнота, которые требуют лучших способов хранения энергии, чем громоздкие свинцово-кислотные батареи в моей системе. Но даже если эти препятствия будут преодолены, сможет ли солнечная энергия действительно производить большую энергию, в которой мы нуждаемся?

Поскольку сейчас солнечная энергия обеспечивает менее одного процента мировой энергии, это потребует «огромного (но не непреодолимого) масштабирования», — заявили Хофферт из Нью-Йоркского университета и его коллеги в статье в Science .При нынешнем уровне эффективности потребуется около 10 000 квадратных миль (25 900 квадратных километров) солнечных панелей — площадь больше, чем Вермонт, — чтобы удовлетворить все потребности Соединенных Штатов в электроэнергии. Но требования к земле звучат более устрашающе, чем есть на самом деле: открытая местность не должна быть покрыта. Все эти панели могли уместиться менее чем на четверть площади кровли и тротуаров в городах и пригородах.

Ветер, в конечном счете приводимый в движение нагретым солнцем воздухом, — это еще один способ сбора солнечной энергии, но он работает в пасмурные дни.Однажды днем ​​я стоял в поле недалеко от западного побережья Дании под таким темным и тяжелым небом, что мои собственные солнечные батареи могли бы впасть в кому. Но прямо надо мной мегаватт вырабатывал чистую энергию. Лезвие длиннее крыла самолета медленно вращалось на сильном южном ветру. Это был ветряк.

Ленивая развертка турбины вводила в заблуждение. Каждый раз, когда одно из трех 130-футовых (40-метровых) лезвий проходило мимо, оно шипело, рассекая воздух. Наклонная скорость может превышать 100 миль (161 км) в час.Эта единственная башня была способна производить два мегаватта, почти половину всей мощности солнечной фермы в Лейпциге.

В Дании вращающиеся лезвия всегда видны на горизонте, маленькими или большими группами, как спицы колес, катящихся в странный новый мир. Общая установленная энергия ветра в Дании в настоящее время составляет более 3 000 мегаватт, что составляет около 20 процентов потребностей страны в электроэнергии. По всей Европе щедрые стимулы, направленные на сокращение выбросов углерода и отлучение экономики от нефти и угля, привели к ветровому буму.Континент является мировым лидером в области ветроэнергетики — почти 35 000 мегаватт, что эквивалентно 35 крупным угольным электростанциям. Северная Америка, хотя и обладает огромным потенциалом ветроэнергетики, остается на втором месте с чуть более 7000 мегаватт. За исключением гидроэлектроэнергии, которая веками приводила в движение машины, но имеет мало возможностей для развития в развитых странах, ветер в настоящее время является самым большим успехом в области возобновляемых источников энергии.

«Когда я начинал в 1987 году, я много времени просидел в фермерских домах до полуночи, разговаривая с соседями, просто продавая одну турбину», — говорит Ханс Буус.Он директор по развитию проекта датской энергетической компании Elsam. «Я бы не мог представить, какой он сегодня уровень».

Он имеет в виду не только количество турбин, но и их размеры. В Германии я видел прототип из стекловолокна и стали, который имеет высоту 600 футов (183 метра), имеет лопасти длиной 200 футов (61 метр) и может генерировать пять мегаватт. Это не только памятник инженерной мысли, но и попытка преодолеть новые препятствия на пути развития ветроэнергетики.

Одно эстетично. Озерный край Англии — это живописный ландшафт, состоящий из поросших папоротником холмов и уединенных долин, в основном охраняемых как национальный парк. Но на гребне рядом с парком, хотя и не за пределами великолепия, запланировано 27 башен, каждая размером с двухмегаваттную машину в Дании. Многие местные жители протестуют. «Это качественный пейзаж», — говорит один из них. «Они не должны класть эти вещи сюда».

Датчане, кажется, любят турбины больше, чем британцы, возможно потому, что многие датские турбины принадлежат кооперативам местных жителей.Труднее сказать «не у меня на заднем дворе», если вещь на заднем дворе помогает оплачивать дом. Но противодействие окружающей среде — не единственная проблема, с которой сталкивается развитие ветроэнергетики. По всей Европе многие из самых ветреных мест уже заняты. Таким образом, немецкая машина мощностью пять мегаватт разработана, чтобы помочь перенести энергию ветра с ландшафта на множество новых участков в море.

Многие береговые линии имеют обширные участки мелководного континентального шельфа, где ветер дует более устойчиво, чем на суше, и где, как выразился один эксперт по ветру, «чайки не голосуют».«(Реальные избиратели, однако, иногда все еще возражают против вида башен на горизонте.) Строительство и обслуживание турбин на море обходится дороже, чем на суше, но подводный фундамент для башни мощностью пять мегаватт дешевле на мегаватт, чем меньший фундамент. Отсюда и немецкий гигант.

Есть и другие проблемы. Как и парусники, ветряные турбины можно успокоить на несколько дней. Чтобы сеть продолжала гудеть, другие источники, такие как угольные электростанции, должны быть готовы к работе. Но когда сильный ветер сбрасывает электроэнергию в сеть, другие генераторы должны быть отключены, а установки, сжигающие топливо, не могут быть быстро отрегулированы.Золотое дно ветроэнергетики может превратиться в перенасыщение. Дания, например, иногда вынуждена выгружать электроэнергию по нерентабельной ставке таким соседям, как Норвегия и Германия.

Что нужно для ветра, так и для солнечной энергии, это способ хранить большой избыток энергии. Уже существует технология, позволяющая превратить его в топливо, такое как водород или этанол, или использовать его для сжатия воздуха или вращения маховиков, аккумулируя энергию, которая позже может производить электричество. Но большинству систем еще предстоит пройти десятилетия до того, как они станут экономически целесообразными.

С другой стороны, и ветер, и солнце могут обеспечивать так называемую распределенную энергию: они могут производить энергию в небольшом масштабе рядом с пользователем. У вас не может быть частной угольной электростанции, но у вас может быть собственная ветряная мельница с батареями для спокойных дней. Чем больше домов или сообществ вырабатывают собственные ветряные электростанции, тем меньше и дешевле могут быть центральные электростанции и линии электропередачи.

В стремительном движении Европы к ветроэнергетике, турбины продолжают расти. Но во Флагстаффе, штат Аризона, компания Southwest Windpower производит турбины с лопастями, которые можно поднять одной рукой.Компания продала около 60 000 маленьких турбин, большинство из них для автономных домов, парусных лодок и удаленных объектов, таких как маяки и метеостанции. При мощности 400 Вт на штуку они не могут запитать больше, чем несколько ламп.

Но Дэвид Гэлли, президент Southwest, отец которого построил свою первую ветряную турбину из деталей стиральной машины, тестирует новый продукт, который он называет энергетическим прибором. Он будет стоять на башне высотой с телефонный столб, вырабатывать до двух киловатт при умеренном ветре и поставляться со всей электроникой, необходимой для подключения к дому.

Многие коммунальные предприятия США обязаны платить за электроэнергию, которую люди возвращают в сеть, поэтому любой, кто находится в относительно свежем месте, может установить энергетический прибор во дворе, использовать электроэнергию, когда это необходимо, и вернуть ее в сеть. когда это не так. За исключением больших нагрузок на отопление и кондиционирование воздуха, такая установка могла бы снизить годовой счет за электроэнергию дома почти до нуля. Если, как надеется Галлей, он сможет продать это устройство менее чем за 3000 долларов, оно окупится за счет экономии энергии в течение нескольких лет.

Где-то в этой смеси грандиозного и личного могут быть и большие числа в ветре.

В Германии, проезжая от гигантской ветряной турбины недалеко от Гамбурга до Берлина, я регулярно чувствовал странный запах: что-то вроде аппетитного запаха фаст-фуда. Это было загадкой, пока не проехал грузовик-цистерна с надписью «биодизель». Запах горелого растительного масла. Германия использует около 450 миллионов галлонов (1,7 миллиарда литров) биодизеля в год, что составляет около 3 процентов от общего потребления дизельного топлива.

Энергия биомассы имеет древние корни. Бревна в вашем огне — это биомасса. Но сегодня биомасса означает этанол, биогаз и биодизель — топливо, которое так же легко сжигать, как нефть или газ, но оно производится из растений. Эти технологии проверены. Этанол, произведенный из кукурузы, идет в бензиновые смеси в США; этанол из сахарного тростника обеспечивает 50 процентов автомобильного топлива в Бразилии. В США и других странах биодизель из растительного масла сжигается в чистом виде или в смеси с обычным дизельным топливом в немодифицированных двигателях. «Биотопливо — это топливо, которое легче всего вставить в существующую топливную систему», — говорит Майкл Пачеко, директор Национального центра биоэнергетики.

Что ограничивает биомассу, так это земля. Фотосинтез, процесс улавливания солнечной энергии в растениях, гораздо менее эффективен на квадратный фут, чем солнечные батареи, поэтому улавливание энергии растениями поглощает еще больше земли. По оценкам, использование биотоплива для всех транспортных средств в мире означало бы удвоение площади земель, отведенных под сельское хозяйство.

В Национальном центре биоэнергетики ученые пытаются повысить эффективность топливного хозяйства. Сегодняшнее топливо из биомассы основано на растительном крахмале, маслах и сахаре, но центр занимается тестированием организмов, которые могут переваривать древесную целлюлозу, которой много в растениях, чтобы из нее тоже могло получиться жидкое топливо.Также могут помочь более продуктивные топливные культуры.

Один из них — просо, растение, произрастающее в прериях Северной Америки, которое растет быстрее и требует меньше удобрений, чем кукуруза, источник большей части этанольного топлива, производимого в США. корм для животных, что еще больше снижает нагрузку на сельхозугодья.

«Предварительные результаты выглядят многообещающими, — говорит Томас Фуст, технический менеджер центра. «Если вы повысите эффективность автомобиля до уровня гибрида и перейдете на смесь просеянных культур, вы сможете удовлетворить две трети U.Южный транспортный спрос на топливо без дополнительных земель ».

Но технически возможный не означает политически осуществимый. От кукурузы до сахарного тростника, у всех культур есть свои лоббисты.« Мы смотрим во многие переулки », — говорит Пачеко. «И в каждом переулке есть свои группы интересов. Откровенно говоря, одна из самых больших проблем с биомассой заключается в том, что существует так много вариантов ».

Деление ядер, казалось, лидировало в гонке как энергетическая альтернатива несколько десятилетий назад, когда страны начали строить реакторы.В настоящее время во всем мире около 440 электростанций вырабатывают 16 процентов электроэнергии на планете, а некоторые страны перешли на ядерную энергетику. Франция, например, получает 78 процентов своей электроэнергии за счет деления ядер.

Очарование очевидное: изобилие энергии, отсутствие выбросов углекислого газа, никаких пятен на ландшафте, за исключением случайного защитного купола и градирни. Но наряду с известными бедами — авариями на Три-Майл-Айленде и Чернобыле, слабой экономикой по сравнению с установками, работающими на ископаемом топливе, и проблемой утилизации радиоактивных отходов — ядерная энергия далека от возобновляемой энергии.Легкодоступного уранового топлива хватит не более чем на 50 лет.

Но энтузиазм возрождается. Китай, столкнувшийся с нехваткой электроэнергии, начал строить новые реакторы быстрыми темпами — один-два в год. В США, где некоторые водородные автомобильные ускорители рассматривают атомные станции как хороший источник энергии для производства водорода из воды, вице-президент Дик Чейни призвал «по-новому взглянуть» на атомную энергетику. А Япония, которой не хватает собственной нефти, газа и угля, продолжает поощрять программу расщепления.Юми Акимото, старший японский государственный деятель ядерной химии, еще мальчиком видел вспышку бомбы в Хиросиме, но при этом описывает ядерное деление как «столп следующего столетия».

В городе Роккашо на самой северной оконечности острова Хонсю Япония работает над ограничением поставок урана. Внутри нового комплекса стоимостью 20 миллиардов долларов работники носят бледно-голубые рабочие костюмы и выглядят терпеливо поспешно. Я посмотрел на цилиндрические центрифуги для обогащения урана и бассейн, частично заполненный стержнями с отработавшим ядерным топливом, охлаждение.Отработавшее топливо богато плутонием и оставшимся ураном — ценным ядерным материалом, для утилизации которого предназначена установка. Он будет «перерабатывать» отработанное топливо в смесь обогащенного урана и плутония, называемую МОКС-топливом, для получения смешанного оксидного топлива. МОКС-топливо можно сжигать в некоторых современных реакторах, и запасы топлива могут растягиваться на десятилетия и более.

Заводы по переработке в других странах также превращают отработавшее топливо в МОКС. Но эти заводы изначально производили плутоний для ядерного оружия, поэтому японцы любят говорить, что их завод, который должен быть запущен в 2007 году, является первым таким заводом, построенным полностью для мирного использования.Чтобы убедить мир в том, что так и будет, комплекс Роккашо включает в себя здание для инспекторов Международного агентства по атомной энергии, ядерного сторожевого пса Организации Объединенных Наций, которые будут следить за тем, чтобы ни один плутоний не был перенаправлен на оружие.

Это не удовлетворяет противников атомной энергетики. Оппозиция усилилась в Японии после несчастных случаев со смертельным исходом на атомных станциях страны, в том числе одной, в результате которой погибли двое рабочих и подверглись облучению другие. Вскоре после моего визита в Роккашо около сотни протестующих вышли за пределы завода в метель.

Большой спор вызвал бы то, что некоторые сторонники ядерной энергетики считают важным следующим шагом: переход к реакторам-размножителям. Селекционеры могут производить больше топлива, чем потребляют, в виде плутония, который может быть извлечен путем переработки отработавшего топлива. Но экспериментальные реакторы-размножители оказались темпераментными, и полномасштабная программа-размножитель может стать кошмаром по контролю над вооружениями из-за всего плутония, который она пустит в обращение.

Акимото, например, считает, что общество должно привыкнуть к переработке топлива, если оно хочет рассчитывать на ядерную энергию.Он говорил со мной через переводчика, но, чтобы подчеркнуть этот момент, он перешел на английский: «Если мы собираемся принять ядерную энергию, мы должны принять всю систему. Иногда мы хотим получить первый урожай фруктов, но забываем, как это сделать. выращивать деревья «.

Fusion — самая яркая из надежд, огонь звезд в человеческом очаге. Полученная при слиянии двух атомов в один термоядерная энергия может удовлетворить огромные потребности в будущем. Топлива хватило бы на тысячелетия.Термоядерный синтез не будет производить долгоживущих радиоактивных отходов и ничего, что террористы или правительства не могли бы превратить в оружие. Это также требует некоторых из самых сложных механизмов на Земле.

Несколько ученых заявили, что холодный синтез, который обещает энергию из простого сосуда вместо высокотехнологичного тигля, может работать. Вердикт на данный момент: нет такой удачи. Горячий синтез с большей вероятностью увенчается успехом, но это будет длиться десятилетия и будет стоить миллиарды долларов.

Горячий синтез — это сложно, потому что топливо — разновидность водорода — необходимо нагреть до 180 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов градусов Цельсия) или около того, прежде чем атомы начнут плавиться.При таких температурах водород образует бурлящий непослушный пар электрически заряженных частиц, называемый плазмой. «Плазма — наиболее распространенное состояние материи во Вселенной, — говорит один физик, — но она также является наиболее хаотичной и наименее управляемой». Создание и удержание плазмы настолько сложно, что ни один термоядерный эксперимент еще не дал более 65 процентов энергии, необходимой для начала реакции.

Сейчас ученые в Европе, Японии и США совершенствуют этот процесс, изучают лучшие способы управления плазмой и пытаются увеличить выработку энергии.Они надеются, что в испытательном реакторе ITER стоимостью шесть миллиардов долларов США загорится термоядерный костер — то, что физики называют «зажиганием плазмы». Следующим шагом будет демонстрационная установка для фактического производства электроэнергии, а через 50 лет — коммерческие установки.

«Я на 100 процентов уверен, что мы можем зажечь плазму», — говорит Джером Памела, руководитель проекта термоядерной машины под названием Joint European Torus, или JET, в британском научном центре Калхэма. «Самая большая проблема — это переход от плазмы к внешнему миру.«Он имеет в виду найти подходящие материалы для футеровки плазменной камеры ИТЭР, где они должны будут выдерживать бомбардировку нейтронами и передавать тепло электрическим генераторам.

В Калхэме я видел эксперимент в токамаке, устройстве, удерживающем плазму в магнитном поле в форме бублика — стандартная конструкция для большинства термоядерных ядер, включая ИТЭР. Физики послали огромный электрический заряд в заполненный газом контейнер, уменьшенную версию JET. Это повысило температуру примерно до десяти миллионов градусов по Цельсию, недостаточно, чтобы начать термоядерный синтез, но достаточно, чтобы создать плазму.

Эксперимент длился четверть секунды. Его запечатлела видеокамера, снимающая 2250 кадров в секунду. Во время воспроизведения слабое свечение расцвело в комнате, заколебалось, превратилось в дымку, видимую только на ее остывающих краях, и исчезло.

Это было… ну, разочаровывающе. Я ожидал, что плазма будет похожа на кадр из фильма взрывающегося автомобиля. Это было больше похоже на привидение в библиотеке, обшитой английскими панелями.

Но этот фантом был воплощением энергии: универсальной, но неуловимой магии, которую все наши разнообразные технологии — солнечная, ветровая, биомасса, деление, синтез и многие другие, большие или малые, обычные или сумасшедшие — стремятся сразиться на нашу службу.

Укрощение этого призрака — не просто научная задача. Проект ИТЭР сдерживается, казалось бы, простой проблемой. С 2003 года страны-участницы, в том числе большая часть развитого мира, зашли в тупик относительно того, где строить машину. Выбор сводился к двум сайтам, одному во Франции и одному в Японии.

Как скажут вам все эксперты в области энергетики, это доказывает устоявшуюся теорию. Есть только одна сила, с которой труднее справиться, чем с плазмой: политика.

Хотя некоторые политики считают, что задача разработки новых энергетических технологий должна быть оставлена ​​на усмотрение рыночных сил, многие эксперты с этим не согласны.Это не только потому, что запускать новые технологии обходится дорого, но и потому, что правительство часто может пойти на риск, на который частные предприятия не пойдут.

«Большая часть современных технологий, управляющих экономикой США, не возникла спонтанно благодаря рыночным силам», — говорит Мартин Хофферт из Нью-Йоркского университета, говоря о реактивных самолетах, спутниковой связи, интегральных схемах, компьютерах. «Интернет в течение 20 лет поддерживался военными и еще 10 лет — Национальным научным фондом, прежде чем его открыла Уолл-Стрит.«

Без большого толчка со стороны правительства, — говорит он, — мы можем быть обречены полагаться на все более грязные ископаемые виды топлива, поскольку более чистые, такие как нефть и газ, исчерпываются, что имеет ужасные последствия для климата». Если у нас не будет активных действий Энергетическая политика, — говорит он, — мы просто прекратим использовать уголь, затем сланец, затем битуминозный песок, и это будет постоянно уменьшаться, и в конечном итоге наша цивилизация рухнет. Но это не должно так заканчиваться. У нас есть выбор ».

Это вопрос личных интересов, — говорит Герман Шеер, член парламента Германии.«Я не призываю людей изменить свою совесть», — сказал он в своем берлинском офисе, где небольшая модель ветряной турбины лениво вращалась в окне. «Вы не можете ходить, как священник». Вместо этого его послание состоит в том, что создание новых форм энергии необходимо для экологически и экономически безопасного будущего. «Альтернативы нет».

Изменения уже начинаются с корней. В США правительства штатов и местные органы власти продвигают альтернативные источники энергии, предлагая субсидии и требуя, чтобы коммунальные предприятия включали возобновляемые источники в свои планы.А в Европе финансовые стимулы как для ветровой, так и для солнечной энергии пользуются широкой поддержкой, даже несмотря на то, что они увеличивают счета за электричество.

Альтернативная энергия также завоевывает популярность в тех частях развивающегося мира, где это необходимость, а не выбор. Солнечная энергия, например, проникает в африканские общины, у которых отсутствуют линии электропередач и генераторы. «Если вы хотите преодолеть бедность, на чем должны сосредоточиться люди?» — спрашивает министр окружающей среды Германии Юрген Триттин. «Им нужна пресная вода и энергия.Для удовлетворения потребностей отдаленных деревень возобновляемые источники энергии весьма конкурентоспособны ».

В развитых странах есть ощущение, что альтернативная энергия — когда-то считавшаяся причудливым энтузиазмом хиппи — больше не является альтернативной культурой. Она постепенно становится мейнстримом. Энергетическая свобода кажется заразной.

Однажды днем ​​в прошлом году недалеко от деревни к северу от Мюнхена небольшая группа горожан и рабочих открыла солнечную электростанцию. Вскоре она превзойдет Лейпцигское месторождение, став крупнейшим в мире, с мощностью в шесть мегаватт .

Около 15 человек собрались на небольшом искусственном холме рядом с солнечной фермой и посадили четыре вишневых дерева на вершине. Мэр опрятного соседнего городка принес сувенирные бутылки шнапса. Глоток выпили почти все, в том числе и мэр.

Затем он сказал, что будет петь руководителю строительства проекта и художнику-пейзажисту, американским женщинам. Две женщины стояли вместе, ухмыляясь, а солнечные панели впитывали энергию позади них. Немецкий мэр поправил свой темный костюм, а остальные оперлись на лопаты.

Пятьдесят лет назад, подумал я, в городах Европы все еще были разрушенные бомбежкой руины. Советский Союз планировал спутник. Нефть в Техасе стоила 2,82 доллара за баррель.