Новые технологии в энергетике и транспорте сообщение

Обновлено: 25.06.2024

Транспорт потребляет порядка 30% всей вырабатываемой в мире энергии и ответственен за выработку четверти всего углекислого газа на планете и значительную часть вредных выбросов, при этом доля участия возобновляемой энергетики в этом секторе очень мала. 45% потребления энергии составляет дорожный пассажирский и личный автотранспорт, 25% — грузовой дорожный транспорт, 10% — авиация, 10% — водный транспорт, 2% — железнодорожный транспорт и 8% — другие виды транспорта. По данным IRENA, до 2030 года ежегодный рост энергопотребления транспортного сектора в мире будет составлять около 1%.

В 2013 году в секторе транспорта возобновляемая энергетика была представлена использованием 1,4% транспортных средств, работающих на этаноле, 0,8% — на дизеле, 0,01% — на биометане (биогазе), 0,3% — на других видах жидкого биотоплива.

Перспективы мирового рынка новых видов транспорта

Внедрение экологически чистых технологий становится все более необходимым для борьбы с глобальным потеплением и загрязнением воздуха в городах, однако их использование при сохранении текущих и запланированных правительствами разных стран темпов увеличится с 2,5% в 2013 году лишь до 5% в 2030 году, по данным IRENA.

Новые транспортные технологии

Электромобили и гибридные электромобили

Автомобили, работающие на электрической двигателе, не производят никаких локальных выбросов в атмосферу, так что при использовании для подзарядки аккумулятора электрокара энергии из возобновляемых источников этот вид транспортных средств может считаться полностью экологически нейтральным.

Автомобили на топливном элементе / водородном топливе

Автомобили, работающие на водородном топливе, снабжены специальным устройством, которое заправляется сжатым водородом. Водородный топливный элемент содержит пластины, покрытые катализатором, который запускает химическую реакцию по соединению водорода и кислорода из воздуха с образованием электричества для работы двигателя и водяного пара.

Автомобили на неископаемом топливе

Одно из направлений развития рынка транспорта — адаптация традиционных двигателей внутреннего сгорания к работе на неископаемом топливе, в том числе на топливе, полученном из растительных культур или органических остатков продуктов жизнедеятельности человека, или синтезированном из неорганических соединений.

Технологии беспилотного управления автомобилем в настоящее время масштабно тестируются в режимах третьего и четвертого уровня различными мировыми производителями, в том числе Google, Tesla, Toyota, BMW, Mercedes-Benz, General Motors и др.

Технология передвижения по вакуумной трубе Hyperloop

Технология скоростного перемещения по трубам в среде близкой к вакууму Hyperloop дешево и безопасно на любые расстояния была предложена бизнесменом Илоном Маском и разрабатывается рядом компаний.

Летательные аппараты

Ряд стартапов по всему миру занимается разработкой разнообразных видов летательных аппаратов нового поколения, рассчитанных на индивидуальные или шеринговые перевозки небольшого количества пассажиров в духе мобильности будущего. Среди разработчиков воздушных электротакси компании Zunum Aero, Cartivator, Lilium Jet, Terrafugia.

Грузовые автомобили нового поколения

Новые транспортные технологии все глубже проникают в сегменты легкого, среднего и тяжелого грузового транспорта.

Крупный пассажирский транспорт нового поколения

Переход мирового общественного транспорта на электрическую мобильность уже происходит. В 2018 году количество электробусов на дорогах составляло более 400 тыс штук. Также ряд компаний развивает использование в пассажирском транспорте водородных технологий.

Ведущий подкаста — Макс Ефимцев — адепт современных технологий, инфлюенсер, smm-специалист.

Таймлайн разговора

01:36 — С чем связан нынешний интерес к водородным технологиям

08:26 — Чем водород лучше традиционных источников энергии

09:18 — Недостатки аккумуляторов электрического транспорта

13:32 — Что нужно сделать для развития транспорта на водороде

18:33 — Какие у России планы по развитию водородных технологий

21:25 — Кто будет покупать водород у России

25:07 — Как студенческая команда из Новочеркасска показала себя на конкурсе Up Great. Первый элемент

27:43 — Перспективные российские проекты в водородных технологиях

29:40 — Где в России будет целый остров с водородной инфраструктурой

30:50 — Как легче всего транспортировать водород

33:24 — Станет ли Россия экспортером водородных технологий

Когда появился интерес к водородным технологиям

По данным Счетной палаты, разведанных запасов на разрабатываемых месторождениях нефти в России хватит еще на 35 лет добычи. Тем не менее, это уже ощутимый горизонт, так что перспектива недостатка энергии заставляет страны инвестировать в новые исследования. Одним из таких перспективных направлений стала водородная экономика.

Во многом водородная энергетика возникла в повестке дня в связи с политикой декарбонизации, считает Дмитрий Холкин. Во всем мире политика декарбонизации, связанная с изменением климата, становится все более значимым явлением. Многие государственные и межгосударственные планы сейчас содержат в своих программных и стратегических документах планы по развитию водородных технологий. Политика подталкивает к тому, чтобы сейчас заниматься водородом.

Второй фактор — водородная энергетика в последнее время стала инновационно более обеспеченной. Появились новые технологии, которые подходят для использования в практических кейсах, рассказывает Холкин.

Преимущества водородной энергетики

Водород можно не сжигать, а электрохимически окислять, то есть непосредственно превращать в электроэнергию, минуя стадию сжигания. Тогда намного выше КПД, абсолютно отсутствуют выбросы, нет никаких тепловых загрязнений, объясняет Добровольский.

Водород также считается хорошим топливом. Большинство авиа-, автопроизводителей, а также производителей водных судов сейчас очень активно работают в этом направлении.

Добровольский также отмечает, что есть множество отраслей, где замена традиционных реагентов на зеленый водород приведет к сильной декарбонизации всей цепочки поставок. Например, в черной металлургии.

Каким будет водородный рынок

Считается, что водородный рынок будет таким же, как рынок нефти и газа: где-то будет производиться много водорода, а потом развозиться по многим странам, рассказывает Холкин, но потенциально производить водород можно в любой точке земного шара: везде, где есть первичный источник энергии. Это могут быть ветры Северного моря или Сахара с ее солнцем.

В таком случае, отмечает Холкин, все преимущества, которые природой были заложены в Россию и в другие страны-экспортеры нефти, нейтрализуются другими возможностями. Так что нельзя делать ставку только на экспорт, нужно выстраивать свою технологическую повестку и водородную экономику в том числе для того, чтобы наладить экспорт водородных технологий, резюмирует Холкин.

Как экспортировать водород и водородные технологии

Европа сейчас активно стимулирует водородную экономику, и у России есть большой потенциал для экспорта водорода в ЕС, отмечает Сергей Киселев.

Самая дорогая часть в водородной экономике — это транспортировка, объясняет Добровольский, а самый простой способ транспортировать водород — трубопровод.

Достоинство России как страны-экспортера — в наличии системы трубопровода в Европу. Проверить всю газовую инфраструктуру на возможность перекачки водорода — достаточно дорогая задача, но для России это шанс остаться экспортерами энергоресурсов, резюмирует Добровольский.

Добровольский также отмечает, что Россия во многих областях водородных технологий обладает компетенциями, не уступающими мировым, и есть шанс стать не только поставщиком водорода, но и поставщиком технологий. Для этого на рынке сейчас идеальные условия, потому что он только формируется и устоявшихся технологий еще нет.

Больше о водородных технологиях и возобновляемых источниках энергии читайте в материалах РБК Трендов:

Цифровых технологий в современном мире становится все больше. В будущем они затронут все отрасли производства и будут способствовать появлению новых видов бизнеса. Отвечая на требования общества и общемировой тренд на декарбонизацию, трансформируется и мировая энергетика. Важными факторами, способствующими изменениям в энергетике, станут цифровые технологии и технологии обработки больших данных.
Технологии, которые окажут наибольшее влияние на трансформацию энергетической сферы, включают продвинутую аналитику данных, в том числе искусственный интеллект (ИИ), облачные и квантовые вычисления, роботизацию, носимые устройства и пр. Они затронут все сегменты отрасли, причем, как ожидается, наибольшее влияние они окажут на электроэнергетику, в которой появятся новые игроки и новые бизнес-модели.
Навыки, связанные с цифровыми технологиями, вероятно, будут одними из самых востребованных на рынке, но потребуются и другие нетехнические компетенции, такие как решение проблем в условиях неопределенности и управление рисками.
Мировая энергетика трансформируется, отвечая на запросы общества и усиление климатических требований. В 2015 году ООН приняла повестку дня в области устойчивого развития до 2030 года. Программа состоит из 17 глобальных целей (ЦУР), в том числе цели, лежащие в области энергетики. Международное энергетическое агентство (МЭА) отметило основные изменения, которые потребуется осуществить для достижения этих целей. Основной вектор развития энергетики на ближайшие 2–3 десятилетия будет направлен на сокращение выбросов углеводородов в атмосферу с целью достижения нулевых выбросов к 2070 году.
Согласно прогнозам, зафиксированным в сценарии устойчивого развития ООН, в 2040 году, несмотря на рост мировой экономики в среднем на 3,4 % в год, мы увидим существенное снижение спроса на углеводородную энергетику: рынок нефти объемом в 65–70 миллионов баррелей в день к 2040 году вернется к уровню начала 1990‑х годов. При этом произойдет значительное перераспределение инвестиций от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии: инвестиции в ископаемое топливо сократятся почти на 50 %, а расходы на возобновляемые источники энергии увеличатся на 250 %.
Одним из наиболее важных технологических сдвигов в энергетической отрасли, который приведет к значительному повышению эффективности и рентабельности, станет цифровая трансформация. Попытки осуществления цифровой трансформации предпринимались еще c середины 90‑х годов, но прорыв в этой области стал возможен только с появлением и развитием таких технологий как, промышленный интернет вещей (IIoT), обработка больших данных (Big Data) и когнитивные вычисления (Сognitive Сomputing).

Ключевые компоненты цифровизации

В широком смысле цифровизация – это преобразование информации и результатов измерений в численный формат, после чего их можно обрабатывать, хранить и передавать в электронном виде. Цифровые технологии предполагают [8]:

Секторы энергетики, подверженные наибольшему влиянию цифровизации

В краткосрочной перспективе цифровая трансформация энергетики сможет увеличить доходы компании в отрасли на 3–4 % в год. Основной рост доходов – в генерации и распределении – будет достигнут за счет анализа всех доступных данных, автоматизации бизнес-процессов и локального внедрения цифровых решений на критических объектах инфраструктуры. Важно понимать, что цифровая трансформация энергетики – это цифровизация всех отраслей ТЭК: электроэнергетики, нефтегазового комплекса (добыча, транспорт и переработка) и угольной промышленности.

Таблица 1. Технологии и процент компаний, которые могут их внедрить к 2022 году [9]

Разведка и добыча нефти и газа

Таблица 2. Преимущества использования умных технологий

Нефтепереработка и нефтехимия

Электроэнергетика

наибольшее влияние испытает на себе электроэнергетика, именно в ней в результате цифровизации будет наблюдаться самый большой рост числа активов и рабочих мест. В результате воздействия таких факторов как, изменение цен на топливо и его доступность, распространение возобновляемых источников энергии и повышенный риск кибератак, электроэнергетика подвергнется в ближайшем будущем серьезным изменениям.
Для любой генерирующей компании цифровизация открывает возможности в следующих четырех областях:

Управление жизненным циклом активов: технологические решения могут обеспечивать дистанционное управление или профилактическое обслуживание в режиме реального времени, приводя таким образом к продлению жизненного цикла актива или достижению лучшей производительности генерирующих, передающих или распределительных активов и инфраструктуры.
Оптимизация энергосети: оптимизировать работу сетей можно за счет балансировки нагрузки в реальном времени, управления сетью, сквозного подключения, достигаемого путем подключения активов, оборудования и устройств, а также расширенных возможностей мониторинга сети.
Интегрированный подход к обслуживанию клиентов: объединение инновационных цифровых продуктов и услуг, относящихся к производству энергии и управлению энергопотреблением, в единую интегрированную систему обслуживания клиентов.
Персонализация электроэнергии – персонализированные подключаемые услуги за пределами цепочки создания стоимости электроэнергии, адаптирующиеся к потребителю.

Виртуальная энергокомпания (Virtual Utility) – компания, которая собирает энергию из различных распределенных систем и действует как посредник на рынках энергетики.
Разработчик энергосистемы (Grid Developer) – коммунальные компании в данной модели приобретают, разрабатывают, строят, владеют и обслуживают линии электропередачи, которые соединяют децентрализованные генераторы с операторами местных распределительных систем.
Сетевой менеджер (Network Manager) – управляет распределительными устройствами и предоставляет доступ к своим сетям вырабатывающим электроэнергию предприятиям, компаниям, владеющим соединительными линиями и поставщикам розничного обслуживания.

Однако только отмена государственного регулирования розничного рынка электроэнергии может стать отправной точкой для инноваций в этой сфере.

Цифровой двойник электростанции

Современные объекты генерации имеют существенный потенциал повышения энергоэффективности и надежности. Отчасти он реализуется современными системами автоматики (АСУ ТП) с развитыми функциями контроля и управления технологическими процессами, а также современными средствами диагностики и превентивной стратегией обслуживания. Но потенциал современной электростанции намного больше, и это делает оправданным внедрение комплексного цифрового двойника. Цифровой двойник (ЦД) позволяет существенно повысить показатели станции и дополнить существующую систему АСУ ТП. Повышение эффективности электростанции достигается за счет оптимизации технологических режимов и повышения надежности благодаря переходу на ТОиР по фактическому состоянию.
Эти возможности цифровой двойник ТЭС реализует за счет того, что в нем применяются эталонные верифицированные математические модели физических процессов, работающие на данных, поступающих от штатных средств автоматики. Цифровой двойник позволяет непрерывно получать информацию о текущем состоянии объекта, для которой ранее требовалось глубокое техническое обследование.
Кроме оценки фактического технического состояния оборудования, двойник может спрогнозировать его изменение во времени и оценить его влияние на эффективность работы станции.

Рис. 2. Принцип работы цифрового двойника ТЭЦ

Общий алгоритм работы цифрового двойника следующий. Показания физических датчиков, установленных на оборудовании, передаются через штатную АСУ ТП в цифровой двойник, реализованный в виде сервера промышленного исполнения или промышленного контроллера. Математическая модель получает эти данные и в непрерывном режиме проводит расчет остальных не измеряемых физически параметров процесса. Эти данные она предоставляет оператору в виде виртуальных датчиков и использует для вычисления технико-экономических показателей, а также для диагностики определенных дефектов и прогнозирования.
Математическая модель подвергается регулярной калибровке, чтобы соответствовать текущему состоянию оборудования. Также она позволяет определять на ранней стадии отклонения благодаря тому, что может быть использована в качестве эталона для сравнения данных физических измерений. Прогноз строится на основе экстраполяции роста отклонений в соответствии с диагностическими критериями и правилами.
При работе энергетического блока имеет место много взаимосвязанных сложных непрерывных физических процессов. Для отдельных сложных нелинейных процессов создаются трехмерные CAE-модели, преобразуемые затем в модели пониженного порядка (ROM-модели), и далее интегрируемые в единую системную модель, воспроизводящую реальную работу энергоблока.

Рис. 3. Модель и человеко-машинный интерфейс котельного агрегата

Основой цифрового двойника является платформа промышленного интернета вещей (IIoT), выступающая в качестве фреймворка для создания пользовательских приложений, человеко-машинных интерфейсов, и включающая все необходимые средства интеграции датчиками, контроллерами, АСУ ТП, ПЛК и другими системами.
IIoT-платформа работает полностью в контуре заказчика, по локальной сети и тем самым снижает нагрузку на инфраструктуру и обеспечивает единую базу знаний по котельному агрегату, включая эксплуатацию, обслуживание, дефекты и пр. Платформа позволяет объединить различные источники данных в ИТ-ОТ контуре станции и обеспечить сквозной мониторинг и аналитику данных.
Подсистема дополненной реальности (система поддержки персонала – СПП) обеспечивает работу оперативного и сервисного персонала, визуализируя эталонные ремонтные операции через интерактивные инструкции в дополненной реальности. При необходимости через систему можно подключить удаленного ассистента.

Вызовы и барьеры

Несмотря на целый ряд технологических достижений, существуют препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем внедрять цифровые технологии. Ниже представлен ряд вызовов для цифровизации в энергетическом секторе:

Заключение

Беспроводная передача электроэнергии

Новое в энергетике зачастую связано с изобретением ранее неиспользуемых способов выработки и передачи электроэнергии. Одному из технических предприятий в Японии удалось осуществить передачу электричества на дальнее расстояние без использования проводов. Это может стать первоначальным шагом на пути к получению электрической энергии из космического пространства посредством преобразования солнечной энергии. В настоящее время специалисты проводят тестирование установки для получения энергии в городе Кобе.

Ученым уже удалось успешно передать электроэнергию на дальность более 500 метров при помощи луча в микроволновом диапазоне. Получающая сигнал установка представляет собой комплект LED-ламп, общая мощность которых достигает 10 кВт. В ходе испытаний были изучены последствия и функционирования установки. В дальнейшем будущем планируется использовать большое количество солнечной энергии и применять ее для различных земных целей. При помощи проведенного эксперимента ученым удалось наглядно продемонстрировать возможность коммерциализации беспроводной передачи электроэнергии.

Возобновляемые источники энергии

С каждым днем возрастает привлекательность возобновляемых источников энергии, в том числе электростанций, работающих на основе биомассы. Рост востребованности таких электростанций объясняется такими параметрами, как:

Удобная возможность производства больших объемов энергии
Минимальные вложения средств
Высокая производительность функционирования
Надежность эксплуатации энергетического объекта

Распространение выработки электроэнергии из биомасс особенно важно для ряда европейских стран, имеющих довольно амбициозные цели в области энергетики. В то же время, ухудшение экономических условий существенно сдерживает возможность расширения данного рынка.

За последние несколько лет власти некоторых стран в Европе минимизировали или полностью приостановили выделение субсидий на выработку электроэнергии из биотоплива. Таким образом, дальнейшее развитие таких электростанций поставлено под угрозу. Несмотря на это, электричество в которых играет ключевую роль, показывают, что выручка предприятий на рассматриваемом рынке возрастает.

Эксперты в области энергетики говорят о том, что объемы установленных мощностей выработки энергии из биомасс будут увеличиваться по мере модернизации устаревших электростанций и их перевод на работу с биомассой.

Стоит отметить, что биомасса является далеко не единственным источником возобновляемой энергии. Согласно заявлениям специалистов, уже через несколько десятилетий в число наиболее популярных источников энергии будет входить ветер. К 2040 году солнечные и ветряные электрические станции смогут обеспечить около 2/3 все производственных мощностей сегмента альтернативной энергетики. При этом темпы развития солнечной энергетики будут более ускоренными, но большая доля в выработке придется на новейшие ветряные электростанции. Прогнозы аналитиков говорят о том, что ветряные станции смогу вырабатывать большее количество энергии, чем нынешние гидроэлектростанции.

В общей сложности, валовое потребление энергии во всем мире с каждым годом возрастает на 0,8%. Доля эксплуатации возобновляемых ресурсов по всему миру постоянно возрастает. К примеру, в Соединенных Штатах доля энергии, выработанной при помощи возобновляемых источников, составляет 13-15% в год. Аналитики предполагают, что данный показатель вырастет до 18% в будущем. На данное время в число лидеров по выработке электроэнергии из возобновляемых ресурсов входят такие страны, как:

Китай
Индия
Великобритания
Италия
Германия

Участие технологических компаний в развитии энергетики

Свой определенный вклад в развитие энергетики вносят и крупные технологические компании. Так, корпорация Google намерена запустить новый проект по выработке электрической энергии. В исследовательской лаборатории компании были разработаны змеи-аэропланы, способные производить энергию. Мощность одного такого устройства составляет 600 кВт, размах крыла – 25,6 метров, предельная дальность полета – 250 метров, длина встроенного троса – 450 метров. Одно подобное устройство сможет обеспечить производство электроэнергии, которой хватит для одного стандартного многоквартирного дома в городе или для небольшой деревни на 50-60 домов.

Вырабатывающий энергию воздушный змей на высокой скорости и большой высоте летает по кругу для генерирования поток энергии при помощи восьми турбин. Теоретически, такой способ выработки ресурса является более эффективным, по сравнению с применением ветряных станций, так как ветер более сильный на высоте. К числу прочих преимуществ использования новой технологии относятся:

Мобильность устройства
Отсутствие необходимости возводить крупное сооружения для выработки энергии
Легкость ремонта
Возможность запуска практически в любом месте

Насколько успешным окажется данный проект, станет известно после его тестирования на практике. Как правило, все новое в энергетике сначала проходит серию проверок, после чего вводится в эксплуатацию на постоянной основе.

Перспективы солнечной энергетики

К концу 2015 года мощность автономных солнечных установок, предназначенных для выработки электроэнергии, вырастет вдове в сравнении с показателем конца 2013 года. За прошлый год выработка энергии на солнечных станциях выросла на 770 мВт. Кроме того, за последние два года только на территории Америки было введено в эксплуатацию больше солнечных станций, чем за предыдущие 38 лет. Причиной такого стремительного роста популярности солнечных станций является изменение структуры стоимости солнечной энергии.

Современные инновации приводят к постоянному понижению стоимости солнечной энергии, что приводит к возникновению новых установок по всему миру.

Половину мирового рынка солнечной энергетики в современных условиях занимают Китай и Япония. Ежегодно Китай намерен получать около 35 ГВт энергии от солнечных станций. Данное намерение стимулируется необходимостью снижать уровень загрязнения окружающей среды в результате сжигания топливных ресурсов в условия постоянного увеличения потребностей в энергии.

Японские эксперты прогнозируют, что к 2030 году суммарная мощность всех солнечных установок в стране превысит 100 ГВт. Солнечные станции развиваются и на территории Африки, где только треть территории имеет доступ к источникам электроэнергии.

Таким образом, можно отметить, что сфера энергетики находится в постоянном развитии. Новые технологии направлены на выработку большего количества энергии посредством использования самых разных ресурсов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также: