На пути к «электрическому миру» - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Детский лагерь «Ералаш» начало звездного пути Вашего ребенка 1 63.38kb.
Руководство по электрическому подключению русский 1 104.15kb.
На пути к духовному миру Приезд Шрилы 4 564.37kb.
Детский лагерь «снимаем ералаш» Onyria Claros 5*, Турция 1 70.42kb.
Л. П. Татаринов необратимость эволюции и ее направленность 1 194.86kb.
I. Общие сведения. 2 II. Развитие Шелкового пути 2 III. Трассы Шелкового... 1 222.39kb.
Апостольское послание rosarium Virginis Mariae 3 441.16kb.
Как читать Розарий согласно апостольскому посланию Иоанна Павла II 9 748.47kb.
Сказка «Королевство кривых зеркал» 1 62.26kb.
Задача для настоящих и будущих поколений. Невнимание к зловещим проблемам... 1 94.84kb.
Пророки — люди, получившие от Бога дар прозрения будущего, возвещавшие... 1 48.35kb.
Людям присуще стремление к свободе и независимости Дмитрий Тростонецкий... 1 98.7kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

На пути к «электрическому миру» - страница №1/1

На пути к «электрическому миру»

(журнал «Электро», №3, 2012, стр. 2–5)




д.т.н., проф. Бушуев В.В.




Генеральный директор

Института энергетической стратегии












к.т.н. Тиматков В.В.




руководитель управления НТП Института энергетической стратегии

Кризис 2010-х годов XXI века носит не только финансово-экономический, а системный характер, включая природные, геополитические, климатические, социальные, человеческие и технологические факторы. Резко возросло число природных катастроф (землетрясений, цунами, температурных и других погодных аномалий), наносящих не только прямой ущерб населению, бытовой и производственной сфере, но и имеющих существенные экономические и технологические последствия. Так, землетрясение в Японии в январе 2011 г. и последующие цунами «с головой накрыли» не только АЭС «Фукусима – 1», нанеся ущерб японской экономике более чем на $100 млрд., но и поставили под сомнение дальнейшее развитие атомной энергетики в мире.

«Арабская весна» 2011 г. существенно подорвала доверие европейцев к надежности поставок нефти из Ливии, а нефтяное эмбарго Ирана окончательно переориентировало мир на поиск новых энергетических ресурсов, сосредоточенных не только в недрах Ближнего Востока.

Сланцевая революция в США, бум ВИЭ в Европе, крен в сторону угля в ТЭБ Китая – все это признаки того, что на смену ресурсному глобализму приходит энергетический регионализм. Каждый регион мира старается с помощью новых технологий максимально использовать свои собственные нетрадиционные ресурсы газа и биотоплива, солнца и воды для получения конечного потребительского продукта, каковым является электроэнергия.

За последние десятилетия человечество стало оперировать глобальными рынками и глобальными связями – экономическими, транспортными и информационными. В условиях нарастающей нестабильности, постепенной трансформации долгового кризиса на корпоративном уровне в долговой кризис на уровне государственных бюджетов, имеются все основания полагать, что многие из созданных в последнее время глобальных связей будут нарушены. Произойдет либо разрыв связей, либо существенные изменения в их пропорциях и структуре. Эти переходные процессы в мировой экономике неизбежно найдут отражение в и энергетике.

Таким образом, перед субъектами стратегического планирования встает задача по учету возможных существенных изменений в географической структуре поставок энергоносителей и потребления энергии. Одновременно с этим в структуре конечного потребления энергии ожидается увеличении доли электроэнергии. В описанной ситуации для инфраструктурных проектов многократно возрастают риски низкого коэффициента использования пропускной способности, и представляется адекватным избрать такие средства производства электроэнергии и соответствующего снабжения энергоносителями, которые резко снижают зависимость потребителя от наличия традиционных линий электропередачи.

Ожидаемый бум электромобильного транспорта, расширение сферы использования сетевой и аккумулированной электроэнергии в быту, интенсификация производственных процессов за счет более широкого использования как силовой, так и электрохимической энергии ставят перед мировым сообществом, в том числе и Россией, задачу количественного и качественного развития электроэнергетики.

Начавшийся период неоиндустриализации означает, что потребителю будут нужны не только киловатты новых мощностей и киловатт-часы электроэнергии, а новая система энергоснабжения, реализующая экономические преимущества централизованного производства электроэнергии на крупных электростанциях и ее поставок в концентрированные центры нагрузок, а также организационно-технологические удобства децентрализованных систем, встраиваемых непосредственно в коммунально-бытовую и производственную структуру потребителя. При этом возникает мультиагентная система организации и управления энергетическим хозяйством, требующая развитой информационной системы оценки состояния, оперативного и долгосрочного прогноза спроса, подготовки и реализации решений на соответствующих уровнях без необходимости централизации всех потоков информации и управления по вертикали. Причем эта система является уже не надстройкой над силовым блоком, а частью единой энергоинформационной системы, которая неминуемо должна формироваться как интеллектуальная система с множеством информационно-управляющих интерфейсов.

Широко известная идеология Smart Grid должна в этом случае рассматриваться не как конкретная технология, а как способ интеграции всех объектов мультиагентной энергоинформационной системы в один организационно-технологический комплекс с распределением зон ответственности за принимаемые решения по вертикали и горизонтали. Такая идеология построения интеллектуальных систем охватывает не только объемы распределенной генерации и управления (как в США) или энергетические кластеры, соединенные активно-адаптивной сетью (в терминологии ФСК), но и любых инфраструктурные (электроэнергетические, газовые, продуктопроводные, транспортно-коммуникационные) системы, где непрерывный характер процессов требует оперативного взаимного согласования и соответствующего перспективного развития.

Для социальной и технологической инфраструктуры новой цивилизации особое значение имеет сценарий электродоминирующего развития – путь к «электрическому миру».

Это связано как с ожиданием количественного роста спроса на электроэнергию, так и с повышением уровня энергетического обслуживания потребителей. Так, в инновационном сценарии развития мировой и российской энергетики до 2050 г. предполагается опережающий рост электроэнергетики (на 2,5% в год) по сравнению со среднегодовым приростом потребления первичной энергии (на 0,9% в год). При этом более быстрыми темпами растет потребление электроэнергии в быту и на транспорте, особенно в связи с возможным массовым появлением электромобилей.

Достаточный бортовой запас электроэнергии является одной из основных проблем для электромобиля. Потребление энергии в электроприводе и прочих электроемких системах автомобиля даже теоретически может быть снижено не более, чем на 20%. Поэтому единственный путь для существенного улучшения технико-экономических характеристик – это развитие в области аккумуляторов. И в этом направлении есть множество перспективных разработок.

Для увеличения емкости подбираются новые материалы электродов и электролита, применяются наноразмерные структуры, делаются попытки перехода к использованию атмосферного кислорода в цикле «заряд-разряд». В настоящее время лабораторные образцы демонстрируют емкость в несколько раз выше, чем лучшие промышленные литий-ионные аккумуляторы.

Другой стороной прогресса является снижение стоимости литиевых аккумуляторов. В течение 2000-х годов их стоимость практически не изменялась, однако за последние два-три года произошли резкие изменения. Уже сейчас стоимость батарей снизилась вдвое по сравнению с 2008 годом, и планируется дальнейшее снижение еще на 25% к 2015 году. При реализации такого прогноза электромобиль станет на десятки процентов дешевле, и экономия на топливе полностью оправдает переплату по сравнению с обычной машиной уже через 3-5 лет.

Продающиеся сейчас электромобили могут существовать в рамках имеющейся дорожной инфраструктуры, достаточно лишь оборудовать для них зарядные станции. В остальных смыслах нынешние электромобили мало чем отличаются от обычных машин. Специфическим преимуществом электромобиля для России с её бездорожьем является потенциально намного более высокая проходимость. Ведь подача вращающего момента в электромобиле может управляться очень широко. Например, возможна попеременная подача прямого и реверсного усилия, то есть «раскачка» электромобиля с привлечением автоматики. Кроме того, при использовании мотор-колес возможное независимое управление скоростью и моментом на каждом колесе, что в сочетании с датчиками положения и движения автомобиля позволит преодолевать участки со слабонесущими грунтами, избегая возникновения проскальзывания.

Однако совсем иные перспективы открываются для новых городов или районов, создающихся изначально только под электротранспорт. Электромобили будущего будут оборудованы GPS, видеокамерами, датчиками расстояния и Wi-Fi связью. Они смогут связываться друг с другом для оценки дорожной обстановки и обмена информацией. Соответствующее оснащение должна получить и дорожная инфраструктура, дублирующая информационное обеспечение электромобиля на случай выходя из строя его собственных датчиков.

В этих условиях повседневной реальностью станет автоматическое пилотирование электромобиля по заданному адресу. Это не только высвободит личное время для водителя, но и позволит значительно повысить пропускную способность дорог за счет ряда эффектов.

Среди таких эффектов – перекрестки без светофоров, непрерывно пропускающие два пересекающихся потока автомобилей. Как такое возможно? Автомобиль, подъезжая к перекрестку, получает от дорожной инфраструктуры и окружающих машин информацию о том, где они расположены, куда и с какой скоростью двигаются. Бортовой компьютер решает задачу на движение в условиях пересечения поперечного потока автомобилей. Притормаживая или разгоняясь, а также, при необходимости, отправляя сигналы на торможение или разгон для автомобилей из поперечного потока, автомобиль проезжает в промежутках между автомобилями поперечного потока. Многие из вас наверняка видели подобные трюки, выполняемые в фильмах, да и в жизни такое случается. Задача заключается в том, чтобы подобное движение было не единичным случаем, а всеобщим принципом движения на перекрестке. Технически это возможно уже сейчас, весь вопрос в обеспечении должного уровня надежности и безопасности подобной системы. Очевидно, что у многих возникнут вполне обоснованные предубеждения в отношении передачи столь рискованных действий в сферу ответственности машин. Тем не менее, ничего невозможного в создании такой системы нет.

По сравнению с ней остальные преимущества интеллектуального электротранспорта кажутся более реалистичными. Получая сигнал от приближающегося сзади автомобиля скорой помощи или иных экстренных служб, электромобили будут автоматически уменьшать боковой интервал, освобождая при этом полосу для проезда служебного автомобиля.

При наличии на дорожном полотне нескольких электромобилей, маршрут движения которых совпадает на значительном расстоянии, они смогу автоматически объединяться в цепочки с уменьшенной дистанцией. Этот маневр не только позволит увеличить пропускную способность дорожного полотна, но и снизить расход энергии у всех электромобилей, кроме ведущего. Уменьшение дистанции при сохранении уровня безопасности будет возможно за счет того, что машина действует намного быстрее человека. Среднее время реакции водителя на сигнал торможения составляет около 0,6 секунды, за это время автомобиль, движущийся со скоростью 60 км/ч, проезжает расстояние 10 метров. Быстродействие же современных процессоров и систем привода позволяет уложиться в считанные миллисекунды.

Про автоматическую парковку электромобилей будущего нечего и говорить, тем более, что подобные разработки уже сейчас внедряются на обычных автомобилях с минимальным набором сенсоров.

Пожалуй, подобная картина будущего кажется сейчас фантастической, однако проекты по отработке отдельных элементов этой фантастики начинают реализовываться уже сейчас. Возможно, что через тридцать лет обычный автомобиль в мегаполисе будет казаться таким же анахронизмом, каким сейчас кажется гужевая повозка.

Возникает правомерный вопрос: как обеспечить производство такого количества электроэнергии? В динамике, на наш взгляд, это может быть осуществлено следующим образом: до 2020 г. сохранится нынешняя структура энергопроизводства с сохранением доли ТЭС в размере 66%, в составе которых будет доминировать газовая электрогенерация по соображениям экологической безопасности. С 2020 по 2030 гг. ожидается ренессанс атомной и, возможно, угольной энергетики при появлении качественно новых эколого-эффективных технологий. В это же время в связи с ожидаемым переходом от крупных энергоемких потребителей к распределенной нагрузке будет активно развиваться малая энергетика, преимущественно на ВИЭ. После 2030 г. очень важно максимально начать промышленно использовать принципиально новые технологии, позволяющие обеспечить прямое нетопливное получение электроэнергии из окружающей природной среды: аэросферы, гидросферы, литосферы.

Помимо известных и новых технических решений ветряков, гидроустановок, использующих генерацию электроэнергии за счет первичной механической энергии движения атмосферных и водных потоков, существует немало способов использования природных и искусственных вихрей, сжатого воздуха, перепада давлений. Имеется огромное количество патентов на схемы получения электроэнергии путем ее конвертации из тепла земли, океана, человеческого тела, вторичных ресурсов – промышленных отходов, а также из электрохимических источников, структурной энергии воды, тяжелых, радиоактивных элементов и др.

Приведем лишь несколько примеров тех технологий, работа над которыми идет всерьез и может привести к появлению новых типов электростанций уже в ближайший десяток лет:

Производство электроэнергии за счет разности температур верхних и нижних слоев воды океана. С использованием замкнутого контура, содержащего низкокипящую жидкость, осуществляется обыкновенный паросиловой цикл с парогенератором, турбиной, конденсатором и нагнетательным насосом. Группа компаний, возглавляемая американским промышленным гигантом Lockheed Martin, получив финансирование от ВМС США и министерства энергетики США, планирует уже к 2013 году пустить в работу подобную океаническую электростанцию мощностью 10 МВт. Если опыт её эксплуатации окажется успешным, то к 2015 году будет создана более масштабная установка мощностью уже 100 МВт.

Использование пресной и соленой природной воды для непосредственного создания разности электрических потенциалов. Исследователи из Стэнфордского университета создали источник энергии, позволяющий циклически производить электроэнергию при поочередном заполнении его пресной и морской водой. Система представляет собой два электрода из различных материалов с высокоразвитой поверхностью, аккумулирующих из воды ионы разных знаков. При заполнении ячейки морской водой на электродах образуется разность потенциалов, которая может быть сработана на полезную нагрузку. После падения разности потенциалов до нуля, ячейка заполняется пресной водой и путем приложения обратного напряжения легко освобождается от адсорбированных на поверхности электродов ионов. Работа отдельной ячейки является цикличной, но при наличии множества отдельных ячеек можно создать непрерывно работающий источник постоянного напряжения. По оценкам специалистов из Стэнфордского университета, энергетический потенциал пресной воды всех рек на Земле достаточно велик – он мог бы обеспечить около 13% от общего электропотребления человечества.

Сегодня вызывают определенный экономический, но не технический скепсис различные способы получения электрической энергии за счет установок фотовольтаики. Конечно, многих традиционных энергетиков и электротехников пугает и даже оскорбляет возможность получения электроэнергии из микроисточников со слабо концентрированным электрическим потенциалом. Но надо иметь в виду, что все технологическое сообщество четко взяло курс на микроминиатюризацию питающих и потребляющих энергию систем, на широкое использование нанотехнологий. Автономное питание различных приборов и технологических систем вполне успешно реализуется с помощью микро- и миниаккумуляторных батарей. Так что будущий «электрический мир» – это наполовину мир малых мощностей и микро-токов. И напрасно пытаться сравнивать объем производства электроэнергии с помощью малых и возобновляемых источников с объемом производства на крупных АЭС, ПЭС, термоядерных и иных энергетических гигантах. Они несопоставимы по величине вырабатываемых киловатт-часов. Но они не менее значимы для новой микро- и наноэнергетики.

Что же касается энергетики больших мощностей, то и здесь немало новых предложений, восходящих к идеям Н. Теслы об использовании э.д.с., возникающей в электропроводящих средах Земли вследствие орбитального вращения планеты. Кроме того, человечество рано или поздно (по мере необходимости) научится извлекать энергию из природного конденсатора, подзаряжаемого за счет солнечного излучения путем ионизации верхних слоев атмосферы.

Отличительной особенностью будущего «электрического мира» является преодоление стереотипа о том, что электроэнергию нельзя хранить. Различного рода аккумуляторы: механические, гидравлические, сверхпроводящие индуктивные, химические и др. уже сейчас активно используются в энергетике, а в будущем их роль существенно возрастет.

Для нового «электрического мира» будут характерны и новые способы передачи электроэнергии: как с помощью резонансных однопроводных сетей и, наоборот, многофазных линий электропередачи. Технически вполне осуществимы и длинные волноводы, в том числе и для передачи электроэнергии на землю от удаленных солнечных электростанций.

Существует шутливая версия причины появления на свет мобильных телефонов, которая утверждает, что виной всему склонность к запутыванию спиральных проводов обыкновенных телефонов. Возможно это и преувеличение, но доля правды в этом наверняка есть. Прошедший XX век стал веком проводов - электрические сети плотно оплели страны, города и дома. Причем еще в середине XIX века предвестником будущих электроэнергетических сетей стал электрический телеграф, опутавший всю планету, и подаривший человечеству немыслимую до этого практически мгновенную трансконтинентальную передачу информации.

Возможно, в деле избавления от проводов информационные технологии тоже станут проводником инноваций для электроэнергетики. Начало XXI века в полной мере можно назвать триумфом беспроводной передачи информации. Сначала лишь телефонная связь, а затем и широкополосные сети беспроводной передачи данных сделали информацию еще более доступной. Причем в данном случае речь идет уже не столько о скорости передачи информации, сколько о полноте, о наличии множества независимых информационных источников.

В настоящее время беспроводная передача энергии знакома нам в основном в виде солнечного излучения и микроволновых печей. Формат передачи энергии, пригодный для питания бытовых электроприборов еще пока отсутствует. Однако разработки в этом направлении ведутся, и уже существуют демонстрационные образцы, показанные на выставках. Есть веские основания считать, что в будущем мы сможем навсегда избавить от проводов как минимум те бытовые приборы, которые характеризуются сравнительно невысоким уровнем потребления энергии – телефон, телевизор, ноутбук, приборы освещения и т.д. Немалые надежды связаны и с организацией беспроводной зарядки электротранспорта на стоянке, под поверхностью которой расположен соответствующий передатчик энергии.

Отличительной особенностью нового «электрического мира» является его социогуманитарная направленность. Экология будет не ограничением для развития энергетики в целом и электроэнергетики, в частности, а критериальным фактором при определении организационных и технологических направлений этого развития. Вместо понятия «экологическая безопасность» энергетике следует ориентироваться на критерии «экологической эффективности», и электроэнергетика во всех своих видах будет способствовать гармонии техносферы и эко-сферы.

В будущем решение проблемы электроснабжения видится путем создания энергетических фабрик – роботизированных, необслуживаемых человеком промышленных объектов, основным назначением которых является выработка электроэнергии в течение сотен лет. Способ производства электроэнергии на них может быть любым, лишь бы он не требовал непрерывного подвоза извне углеводородов или других ископаемых ресурсов. Это может быть любой из ныне известных способов либо их комбинация, а может быть и какая-то новая, пока не известная нам технология.

Главное – не способ производства электроэнергии, а автономность энергетической фабрики. Для этого её должен населять и обслуживать рой машин – от микромашин до крупных роботов, способных полностью выполнять все необходимые действия по управлению такой фабрикой и поддержанию её в рабочем состоянии, а также по поддержанию собственной популяции. Все необходимые материальные ресурсы должны при этом заимствоваться из окружающей среды. Негативное воздействие фабрики на окружающую среду должно быть минимальным. Более того, она, наоборот, может и должна служить целям полезной трансформации окружающей среды: осушению болот, озеленению пустынных земель и т.п.

Экос (от греч. ойкос – местопребывание) – это наш планетарный Дом, который должен быть светлым и теплым, добротным и уютным, а Человек – не временный квартирант, а хозяин этого Дома. Энергетика Дома – это, прежде всего, энергетика, направленная на обеспечение реальных потребностей человека, достигаемых не количеством используемых киловатт-часов, а уровнем комфорта и качества жизни, гармонии человека и окружающей его социоприродной среды.



Новый «электрический мир», основанный на этой гармонии, это и есть наше будущее.









Вступая в брак, мужчина и женщина становятся одним человеком — вопрос только, которым. Генри Луис Менкен
ещё >>