Зміст:
Як отримати паливо “з повітря”? За допомогою штучного листя
Сонце виробляє більше, ніж достатньо енергії для людської діяльності, але ми досі не навчилися її використовувати, зазначає Ервін Рейснер, професор енергетики та сталого розвитку в Кембриджському університеті.
Він очолює групу дослідників, які намагаються навчитися акумулювати більше цієї безкоштовної енергії.
Попри те, що сонячні батареї останніми роками досягли значних успіхів і стають дешевшими та ефективнішими, вони здатні забезпечувати лише електроенергією, а не рідким паливом, яке можна зберігати і яке досі має великий попит.
“Якщо ви подивитесь на глобальний енергетичний портфель і на те, які є потреби, електроенергія покриває лише 20-25%. Отже, коли ми покриємо ці 25%, що робити далі?” – запитує професор Рейснер.
Його відповідь полягає в тому, щоб поглянути на природу: “Рослини – величезне натхнення, оскільки за мільйони років вони навчились використовувати сонячне світло і накопичувати енергію в енергоносіях.
“Я справді вірю, що штучний фотосинтез буде частиною цього енергетичного портфеля протягом наступних двох десятиліть”, – каже він.
Коли в рослинах відбувається процес фотосинтезу, вони поглинають воду і вуглекислий газ і використовують сонячне світло, щоб перетворити цю сировину на вуглеводи, необхідні для росту.
Автор фото, Cambridge University
Професор Рейснер вірить у майбутнє штучного фотосинтезу
“Ми хочемо відтворити це, але насправді ми не хочемо отримувати вуглеводи, тому що паливо з них не дуже добре, тому замість того, щоб виробляти вуглеводи, ми намагаємось зробити щось більш придатне для використання”, – говорить професор Рейснер.
Ще одна проблема полягає у тому, що рослини насправді не дуже добре опанували фотосинтез, адже перетворюють на паливо лише близько одного-двох відсотків сонячної енергії. Міністерство енергетики США дійшло висновку, що для того, щоб штучний фотосинтез був економічно вигідним, ефективність повинна становити 5-10%.
Команда професора Рейснера працювала над низкою підходів – зокрема над системою, що імітує природний фотосинтез, використовуючи ферменти для розщеплення води та створення водню для палива.
Однак її ефективність все ще занизька, а водень у газоподібному стані важко зберігати.
Можливо, більш перспективною у довгостроковій перспективі є інша нещодавня розробка його команди – невеликий пристрій, який перетворює сонячне світло, вуглекислий газ та воду на кисень та мурашину кислоту, рідке паливо, що має високу питому енергоємність.
Пристрій складається з панелі, розміщеної у ємності з водою та вуглекислим газом. Під сонячним світлом панель вивільняє електрони, які поєднуються з вуглекислим газом і протонами у воді, утворюючи мурашину кислоту.
“Ці системи схожі на панелі або аркуші. Це дуже тонкий пристрій – майже як аркуш паперу”, – говорить професор Рейснер.
Мабуть, найбільший прогрес цього пристрою полягає у тому, що він автономний. Йому не потрібні ані зовнішні джерела живлення, ані додаткові каталізатори.
Автор фото, Cambridge University
Штучний листок містить панель, яка робить паливо з використанням сонячного світла, вуглекислого газу та води
Попри труднощі, штучний фотосинтез залучає великі інвестиції. У США Міністерство енергетики нещодавно оголосило про фінансування у розмірі 100 мільйонів доларів протягом п’яти років.
Гроші спрямовуються на два окремих проєкти: Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (Chase) та Liquid Sunlight Alliance (Ліза).
Проєкт Chase, очолюваний Університетом Північної Кароліни в Чапел-Гілл (UNC), працює над практичними застосунками, подібними до пристрою, розробленому в Кембриджі, та розробляє системи на кшталт сонячних панелей, які використовують напівпровідники для поглинання світла, а потім за допомогою різних каталізаторів перетворюють вуглекислий газ на паливо.
Особливим напрямком досліджень, як зазначає заступниця директора Chase професорка Джилліан Демпсі, є концепція каскадних каталізаторів. Для того, щоб перетворити вуглекислий газ на придатне для використання паливо, необхідно декілька хімічних реакцій – а каталізатори можуть одночасно робити лише одну.
“Перший робить перший крок, а потім передає свій продукт наступному каталізатору”, – каже вона.
Американські дослідники вивчають використання сонячного світла для створення рідкого палива
Проєкт Lisa застосовує більш теоретичний підхід, спрямований на вдосконалення кожного етапу та компонента штучного фотосинтезу. Потенційні каталізатори та процеси перед випробуванням моделюють на комп’ютері.
Погана новина полягає в тому, що ми навряд чи найближчим часом побачимо поля, заповнені панелями фотосинтезу. За словами професорки Демпсі, досі існують суттєві камені спотикання.
Об’єднати всі технології в одне ціле – це проблема.
“Існують неймовірні наукові досягнення з точки зору акумуляції світла, з точки зору каталізу, який створює паливо, і з точки зору систем управління, – каже вона.
“Але інтеграція цих окремих компонентів у систему, здатну до штучного фотосинтезу, є величезним викликом”, – додає вчена.
Також важко забезпечити, щоб реакції продукували комерційно вигідне паливо, адже багато каталізаторів, які можуть цього досягти, занадто дорогі або занадто неефективні для широкомасштабного використання.
Нарешті, каже професорка Демпсі, є проблема довговічності: “Коли ви маєте справу з постійним випромінюванням (сонячним світлом. – Ред.), яке може викликати реакцію, воно може бути дуже шкідливим та руйнівним”.
У результаті штучний фотосинтез досі не може виробляти рідке паливо достатньо дешево, щоб конкурувати з викопним паливом.
“Але динаміка може змінюватися дуже швидко”, – говорить професор Рейснер.
“Ціна на нафту може змінитися, оподаткування може змінитися. І коли почнуть відбуватися зміни, в якийсь момент у майбутньому ціна штучного фотосинтезу знизиться, а ціна викопного палива зросте. Питання в тому, коли ці лінії перетнуться”, – вважає вчений.
“Ще 10 років тому навіть найоптимістичніші прогнози щодо вартості фотоелектричної електроенергії не відповідали тому, що є зараз. Вартість знизилася на 85% – це неймовірно. Як тільки запрацює ефект масштабу, багато чого стане можливим. Тому я маю великий оптимізм”, – підсумовує він.
Хочете отримувати найважливіші новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!
Відродження вугілля. Як брудне паливо у 2021-му знову стало в моді
Вугілля переживає ренесанс. Найбрудніше паливо та головне джерело парникових газів в енергетиці знову має шалений попит, попри обіцянки всіх країн світу скоротити викиди заради боротьби з глобальним потеплінням. Проте не все так погано – є у зростанні споживання вугілля й гарні новини для зеленої енергетики.
2021 рік, що минає, виявився рекордним, і в найближчі три роки споживання вугілля не зменшиться, прогнозує міжнародне енергетичне агентство (IEA). А все тому, що відновлення після ковідної пандемії виявилося енерговитратним. Газу, вітру та сонця не вистачає, щоб закрити шалений попит на електроенергію. Тому світ знову почав палити вугілля всупереч протестам екологів.
“Після спаду у вугільній енергетиці у 2019 та 2020 роках здавалося, що пік був пройдений у 2018-му. Проте 2021 рік розвінчав ці надії. Попит на електроенергію випереджає її виробництво з низьковуглецевих джерел, що вкупі зі цінами на природний газ, які швидко зростають, призведе до збільшення виробки на вугільних електростанціях на 9% у 2021 році”, – підрахувало IEA, на оцінки якого орієнтуються багаті країни-споживачі щодо енергетичної політики.
У Європі проблему посилили погода (в останні місяці там безвітряно і прохолодно), дефіцит природного газу (третина якого традиційно постачала Росія) і ремонт на атомних станціях у Франції.
Китай запустив на повну потужність законсервовані шахти та кар’єри, оскільки перестав купувати вугілля в Австралії через дипломатичний конфлікт, а високі ціни та перебої з транспортом на світовому ринку не дозволили швидко заповнити втрачені постачання.
І це не тимчасовий ковідний збій, а цілком нова тенденція. Відмовитись від вугілля швидко не вийде, попереджає IEA. Наступного року світ спалить його ще на 1,5% більше, ніж минулого.
“Те, як зараз розвивається ситуація, дозволяє припустити, що споживання вугілля у світі зросте у 2022 році до небаченого досі рівня і залишиться на ньому до кінця 2024 року”, – йдеться у щорічному вугільному звіті IEA.
Це хороші новини для Росії, яка і без того є найбільшим у світі постачальником викопного палива на світові ринки завдяки нафті та газу, а тепер ще й нарощує видобуток та експорт вугілля. За оцінкою IEA, до 2024 року видобуток зросте на 2,8%, тоді як стратегія російської влади передбачає подвоєння експорту протягом найближчих 15 років.
Ця стаття містить контент, наданий Google YouTube. Ми питаємо про ваш дозвіл перед завантаженням, тому що сайт може використовувати файли cookie та інші технології. Ви можете ознайомитися з політикою щодо файлів cookie Google YouTube i політикою конфіденційності, перш ніж надати дозвіл. Щоб переглянути цей контент, виберіть “Прийняти та продовжити”.
Але зростання споживання вугілля у світі – погані новини для клімату. Генсек ООН Антоніу Гутерріш не перший рік закликає країни взяти на себе чіткі зобов’язання відмовитись від спалювання вугілля, але все ніяк. Надії домовитися про це на кліматичному саміті у Глазго у листопаді розбилися об ковідні реалії.
Як вугілля спалює власне майбутнє
Проте є й привід не впадати у відчай. Хоч як парадоксально, ренесанс вугілля та рекордні ціни на природний газ у результаті ризикують лише прискорити зелену революцію в енергетиці. І ось чому.
Для того, щоб запустити вугільну електростанцію, європейській енергетичній компанії необхідно купити квоту на викид парникових газів. Чим більше викидів – тим дорожче. Так ЄС підштовхує промисловість та енергетику до переходу на зелені рейки.
Ціна цих квот зростає так швидко, що на останньому саміті 27 країн Євросоюзу кілька членів ЄС, зокрема Польща, Чехія та Іспанія, вимагали приборкати спекулянтів.
Вони впевнені, що без втручання фінансистів ціна квоти на тонну викидів вуглекислого газу не могла зрости з 31 євро на початку року до 90 євро у грудні, причому лише з початку листопада вона додала аж 50%.
Все це робить запуск вугільних електростанцій дорогим задоволенням, проте за поточних цін на природний газ вугілля палити все одно вигідніше, ніж чистіший газ.
Отже Європа продовжить збільшувати споживання вугілля, а потім підвищуватиметься і вартість викиду тонни СО2 – ще й тому, що одночасно зі зростанням попиту скорочується пропозиція, адже з часом обсяг цих квот поступово зменшується, оскільки ЄС твердо налаштований обнулити викиди до 2050 року.
І ось тут саме й криється втішний приз для тих, хто тимчасово програв битву за чисте повітря.
Ціна квоти на викид тонни вуглекислого газу досягла такого рівня, на якому затратні “зелені” технології раптом стали рентабельними.
Таких технологій на стадії розробок багато, але в промисловому масштабі розвиваються поки що дві головні. Перша – виробництво водню для енергетики і транспорту, друга – уловлювання вуглецю, що викидається на виробництві, і його зберігання, наприклад, під землею.
Технології вже зараз коштують від 75 до 120 євро за тонну, проте для того, щоб компанії зацікавилися такими вкладеннями, ціни на викиди мають протриматися на нинішньому рівні кілька років, говорили аналітики, опитані FT.
Підвищений попит на вугілля якраз сприяє цьому. Проте впевненості в експертів немає, хоча деякі й очікують на зростання цін до тризначних цифр і навіть до 200 євро за тонну.
Річ у тім, що окрім ринкових факторів на котирування впливають і політичні, як показав демарш Польщі, Чехії та Іспанії на останньому саміті ЄС.
Теоретично все йде до того, щоб ціни зростали і надалі, оскільки Європа збирається розширити кількість тих, хто зобов’язаний купувати квоти, і має намір урізати пільги для промисловості, авіації, морського транспорту та інших галузей.
Проте Єврокомісія – фактично уряд ЄС – поки що не змогла переконати владу 27 країн. Політики там побоюються невдоволення населення платежами за світло та газ, які зростають.
І все ж якщо квоти на викиди залишаться дорогими через високі ціни на газ, включаючи російський, і завдяки ренесансу вугілля в Європі, у тому числі на тлі закриття атомних електростанцій у Німеччині, то технологічний прорив в енергетиці може статися швидше, ніж було б, залишайся все як було до ковіду.
Хто, як і коли заплатить за відмову від вугілля
Щоправда, це лише частково розв’яже проблему викидів від вугільної енергетики та глобального потепління, оскільки ні Європа, ні навіть США не є основними споживачами вугілля.
Ця роль відведена Китаю та Індії – на них припадає дві третини всього світового попиту. За оцінками IEA, у Китаї, що споживає половину всього вугілля у світі, попит зростатиме найближчі три роки на 1% на рік, а в Індії – на 4% на рік до 2024 року.
“Ці дві країни із загальним населенням майже 3 млрд людей і визначать майбутнє вугільної енергетики. Доля вугілля залежить від того, як швидко і наскільки ефективно ці країни рухатимуться до заявлених цілей скорочення викидів”, – пише IEA.
Китай і Індія обіцяють і хочуть скоротити викиди, мають намір повністю відмовитися від вугілля. Чітких термінів немає, є лише чітке розуміння, що вони не збираються робити це за всяку ціну.
Країни, що розвиваються, вважають, що рахунок за зелену революцію повинні сплатити розвинені економіки, оскільки саме їхні накопичені викиди винні в нинішньому потеплінні, і тому що в їхню індустріальну революцію не було жодних обмежень, і завдяки ній вони розбагатіли.
На думку IEA, у Європі та США вугілля вже наступного року вийде з моди. Друга молодість брудної енергетики швидко обернеться евтаназією під тиском громадськості, законів та регуляційних органів.
Проте швидкий постковідний ренесанс може залишити на згадку про себе технологічний прорив, який дозволить різко здешевити зелені технології в енергетиці. Якщо це станеться, то дешеві та чисті технології швидко поширяться і на решту світу, назавжди звільнивши його від необхідності палити вугілля.
Хочете отримувати головні новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!