5 неочевидных сфер применения морских возобновляемых источников энергии

Когда вы размышляете о потребности в энергии, вы, вероятно, вспоминаете о питании вашего дома, автомобиля, электроники и других материальных вещах, которые вы видите или используете каждый день. Но задумывались ли вы над тем, сколь много энергии нужно людям, когда они находятся в море? И о том, что эти потребности может удовлетворить сам океан?

В заметке «8 очевидных сфер применения морских возобновляемых источников энергии» был описан основной спектр потенциальных приложений морской энергетики.

Однако, отчет «Обеспечение синей экономики; Изучение возможностей использования возобновляемых источников энергии на морских рынках» (Powering the Blue Economy ™: Exploring Opportunities for Marine Renewable Energy in Maritime Markets ) в главе 10 осветил ещё пять  достаточно необычных сфер применения морских возобновляемых источников энергии.  Область этих приложений охватывают широкий диапазон уровней технологической готовности: от стадии концептуальной разработки, до продемонстрированных пилотных проектов и попыток их коммерциализации. Характерно, что они напрямую поддерживают синюю экономику и имеют широкий спектр социальных и экологических последствия.

Вот эти сферы:

1. Морской и воздушный транспорт

Подобно тому, как подводные док-станции призваны обеспечить хранилища энергии для систем подзарядки подводных аппаратов, морские возобновляемые  источники энергии могут обеспечивать энергией зарядные станции для заправки электрических и водородных кораблей и самолетов. Такие станции могут находиться в удаленных наземных точках, недоступных для сети, или в море. Это позволит значительно увеличить радиус действия судов.  

Постоянное ужесточение требований по сокращению выбросов парниковых газов вынуждают транспортные компании уделять всё больше внимания судам и самолётам с электрическими и водородными двигательными установками. На такие двигатели ориентированы, прежде всего, новые разработки паромов, круизных лайнеров, контейнеровозов и исследовательских судов. Для морской энергетики это даёт возможность производить электричество и водород – путём электролиза воды -непосредственно на месте заправки таких кораблей.

Не отстают от судостроителей и авиаинженеры. Так, в мае 2019 года начались лётные испытания первого в мире электрического  самолета вертикального взлета и посадки «Lilium Jet». Пятиместное воздушное такси с электрическим приводом, разработала немецкая компания Lilium.  

А компания Airbus продемонстрировала целых три концепта самолетов с нулевым уровнем выброса углекислого газа на водородном топливе:

1. магистральный, с дальность полёта 3700 км, лайнер на 200 пассажиров, с турбовентиляторными двигателями,
2. турбовинтовой самолёт для местных авиалиний, с дальность полёта 1850 км, на 100 пассажиров и
3. футуристический лайнер с использованием схемы «летающее крыло» в форме буквы V, с дальность полёта более 3700 км, на 200 пассажиров.

В ближайшие пять лет специалисты концерна планируют разрабатывать именно водородные технологии, в надежде успеть сделать первыми коммерческий самолет на водородном топливе. Полёты запланированы на 2035 год.

По расчетам компании, использование водорода может сократить парниковые выбросы от авиационных перевозок не менее чем на 50%.

В меньших масштабах зарядка может также использоваться для пришвартованных прогулочных моторных лодок, которые используют батареи для запуска двигателей, а также для дистанционно управляемых или полуавтономных рабочих лодок-роботов, работающих на поверхности воды.  Например, ASV (autonomous surface vehicle) — автономные надводные аппараты системы Global). В дальнейшем для различных прибрежных и морских операций, включая доставку грузов для морской отрасли, будут использоваться и воздушные дроны.

По оценке международного сертификационного и классификационного общества DNV GL (Det Norske Veritas & Germanischer Lloyd) ожидается, что к 2050 году будет введено в эксплуатацию значительное количество электрических судов. Доля электрической энергии в общих энергетических затратах морских перевозок составит тогда 9 % или 0,4х10¹⁸ Дж. 

2. Потребительская и промышленная зарядка устройств вне сети

Зарядка небольших электронных устройств может составить небольшую часть сектора персональной зарядки вне сети. Дешёвое, простое в использовании зарядное устройство, вероятно, будет полезно для путешественников и любителей лодок. Потенциально, они могут также применяться на спасательных средствах, таких как спасательные шлюпки и плоты, на которых комплектация источниками энергии пока весьма ограниченная.

 

 

3. Очистка океана от загрязнения и сохранение морской среды обитания

Мировой океан давно и остро нуждается в разработке технологий для эффективного удаления мусора — в первую очередь, пластикового — и загрязняющих веществ из морской воды. Учитывая повсеместный и разрушительный характер загрязнений, потенциальные рынки морской возобновляемой энергетики включают, как очистку вод от загрязнений и разливов нефти, так и восстановление колоний коралловых рифов.

Никто точно не знает, сколько пластика сегодня находится в океане. По самым оптимистическим оценкам, его количество составляет около 150 миллионов тонн. Если мы продолжим и далее подобное хозяйствование, к 2025 году количество отходов увеличится до такой степени, что на каждые 3 тонны рыбы в море будет приходиться 1 тонна пластика. К 2050 году соотношение станет 1:1.

Масштабы и сложность загрязнения океана пластиком до сих пор не совсем понятны, но это вызывает растущую озабоченность многих народов, поскольку пластик уже даже обнаружен в морепродуктах, предназначенных для употребления в пищу человеком.

Когда разговор заходит об очистке, все соглашаются с тем, что лучшими решениями являются те, которые предотвращают попадание мусора в океан.

Однако в океане уже есть огромное количество пластика, и его также необходимо удалить. Причём сделать это надо быстро, до того как он  распадётся на микропластики и морские организмы, путая с планктоном, начнут массово употреблять его  в пищу.

Большая часть мусора, попадающего в океан, в конечном итоге скапливается в так называемых морских «мусорных пятнах», в центрах больших круговых  океанских течений. Общая площадь пяти этих пятен уже более чем в шесть  раз превышает площадь всех стран Европейского Союза. И продолжает расти.

В настоящее время известны четыре технических решения,  предназначенных для решения задачи очистки океана от загрязнения. Три из них – проекты: Seabin, Trash Wheel и WasteShark   —  направлены на предотвращение утечки континентального мусора в моря и лишь один  проект – Ocean Cleanup Project – как  на ликвидацию утечек, так и на ликвидацию «мусорных пятен».  

Большим преимуществом проекта Ocean Cleanup Project является и то, что он изначально был и остаётся ориентированным на использование возобновляемых источников энергии.

Таким образом, для применения морских возобновляемых источников энергии  существует огромный потенциальный рынок, включающий очистку от загрязнения океана и ликвидацию разливов нефти. Дело очистки океана дорогостоящее и нерегулируемое. Но усилия по удалению океанического пластика из отдаленных мест или в море, как правило, получают поддержку и финансирование.

Дополнительное приложение для сохранения морской среды, которое может использовать технологии морской энергии, включает восстановление коралловых рифов, которые находятся под угрозой во всем мире. Данные, получаемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration) показывают что, по мере повышения температуры океанских вод все чаще происходят обесцвечивание и вспышки инфекционных заболеваний в коралловых колониях, а повышение кислотности океана затрудняет коралловым полипам построение скелетов. В связи с этим проводится поиск новых способов ускоренного роста кораллов на стальных каркасах для ремонта рифов с помощью электричества. Например, британский стартап, Zyba разработал на базе запатентованной технологии CCell, сверхлегкий преобразователь энергии волн, способный генерировать электричество для выращивания искусственных коралловых рифов. Рифы растут из осаждаемых в морской воде минералов на установленной под водой стальной арматуре. Для этого используется электрического процесс, известный под  товарным знаком Biorock ™. Технология в настоящее время используются для стимулирования роста кораллов, на Большом Барьерном рифе и на острове Бали.

4. Оффшорные коммуникации

По состоянию на начало 2020 год во всём мире эксплуатировалось 448 подводных кабелей, что составляет сеть общей длиной более 1,2 миллиона километров. Столь обширная подводная инфраструктура связи играет решающую роль в глобальной передаче данных. 99% всего трансокеанского трафика данных проходит по подводным кабелям, включая использование Интернета, телефонные звонки и текстовые сообщения. Оптоволоконная технология позволяет делать это в восемь раз быстрее, чем спутниковая передача.

Современные подводные кабели используют оптоволоконную технологию с оптоволоконными повторителями, которые получают питание от постоянного прямого тока, проходящего по проводнику в центре кабеля, а оборудование подачи питания установлено на конечных, наземных, приёмо-передающих станциях.

Международный союз электросвязи, Межправительственная океанографическая комиссия США, Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры, и Всемирная метеорологическая организация в конце 2012 г. учредили совместную рабочую группу для исследования возможности использования подводных телекоммуникационных кабелей для мониторинга океана и климата, а также раннего предупреждения о стихийных бедствиях.

Для обеспечения такой интеграции необходимо решить две технические проблемы.  Во-первых, необходимо увеличить мощность электрических сигналов непосредственно сетей подводных кабелей, особенно в связи с необходимостью встраивания в них дополнительных репитеров. (Репитеры, или повторители сигналов, позволяют увеличения дальность и количество мест доставки сигнала). Во-вторых, требуется обеспечить энергией многочисленные датчики, которые будут собирать данные.

Морские возобновляемые источники энергии могут предоставить возможности для питания новых кабелей, а также множества датчиков окружающей среды, которые были предложены для интеграции в эти кабельные сети.

Еще один потенциальный рынок подводной связи для использования в морской энергетике представлен в рынок подводной акустики. Согласно  отчету консалтинговой компании MarketsandMarkets, подводный, акустический рынок связи вырастет с 1,31 млрд долларов в 2017 г. до 2,86 млрд долларов к 2023 г.

Основные факторы, способствующие росту этого рынка — увеличение использования подводных акустических модемов в нефтегазовом и военно-морском секторах экономики. Кроме того, акустическими модемами для связи могут быть также оснащены автономные подводные аппараты, исследующие океан и собирающие данные во время миссий по мониторингу. Как уже отмечалось в п. 2 заметки эти автономные подводные аппараты потенциально могут также заряжаться на станциях морской энергетики.

5. Оффшорные центры обработки данных

Бурный рост облачных вычислений и интернет-контента — от потоковой передачи фильмов до майнинга криптовалюты — привел к значительному росту и развитию дата-центров, или центров обработки данных. Эти центры представляют собой высокотехнологичные специализированные помещения, где размещены серверное и сетевое оборудование, предназначенное для подключения абонентов к сети Интернет. Инфраструктура дата-центра должна гарантировать стабильное и бесперебойное функционирование всех систем.

Сектор центров обработки данных стремительно расширяется и развивается с участием крупных игроков, таких как Amazon, Microsoft, Cisco, Google и Apple. Эти центры включают быстро развивающийся диапазон размеров и целей, в том числе:

• Крупные внутренние «гипермасштабируемые» серверные центры или мультиарендные центры обработки данных. В них установлено, как минимум 5 000 серверов. Мощность нагрузки для этих центров обработки данных может варьироваться от сотен киловатт до сотен мегаватт.
• Центры обработки данных с пограничным кэшированием. Это небольшие центры могут иметь от десятков до сотни серверов и обычно имеют нагрузку от десятков до сотен киловатт и потенциально больше и
• Временные центры обработки данных. Обычно это мобильные системы на базе грузовиков или контейнеров с несколькими серверами и потребностью в энергии в диапазоне от десятков до сотен киловатт. В настоящее время они, либо подключаются к сети с некоторой резервной батареей, либо работают от дизель-генераторов.

В совокупности это очень динамичный, потенциально многомиллиардный, быстро развивающийся сектор экономики.  Ожидается, что он будет только расти вследствие новых вычислительных потребностей и технологических тенденций.

Центры обработки данных потребляют огромное количество  электроэнергии. В Соединенных Штатах Америки, например, эта величина  в 2017 году превысила 70 тераватт-часов, что составило 2% от общего потребления.  

Центрам обработки данных требуется электричество для питания компьютерных серверов и вспомогательных систем, часто называемых «накладными расходами энергии». Исторически большую часть накладных расходов на электроэнергию центра обработки данных составляло охлаждение. И хотя в последние годы эта часть из-за улучшения эффективности оборудования и проектирования помещений сокращается,  компании продолжают поиск возможностей снизить эту стоимость. С тех пор как корпорация Google в 2009 году описала экологически чистую морскую телекоммуникационную систему и запатентовала «Плавающий центр обработки данных», такие компании, как Google, Microsoft и Nautilus Data Technologies, много экспериментируют с охлаждением оборудования  водой, в том числе морской, вместо более распространенных методов воздушного охлаждения.  

Предполагается, что морская энергия в сочетании с хранением и потенциально другими возобновляемыми источниками энергии могут обеспечивать питание или частичное питание этих центров обработки данных, а вода из океана или реки обеспечит охлаждение серверов для снижения нагрузки.

© Игорь Шпинёв