Мы перестаем рассматривать электричество как простой товар. Речь идет не только о производстве и потреблении. Необходимо учитывать поведение людей. Примите во внимание ваш стиль вождения. Учтите образ жизни. Далее примите во внимание капризы ветра и погоды.
Теперь представьте, что всё это смешивается. Каков баланс? Когда ветровая энергия действительно вырабатывает электричество? Когда водители действительно нуждаются в нём?
Если подумать об этом внимательно, вы можете прийти к выводу, что нет.
Вы правы. По крайней мере, отчасти. Идеальный ответ зависит от множества переменных. Возможно, но маловероятно, что однажды ответ может стать «да».
Проблемы культурных изменений
Проблема ветряных турбин больше не является проблемой спроса и предложения. Скорее, это вопрос социальных и культурных изменений в привычках и образе мышления.
Переход от миль на галлон к киловатт-часам на милю — это не просто замена топливного бака на аккумулятор. Это изменение ваших привычек вождения. Это связано с привычками в путешествиях. Даже то, как мы думаем о работе и поездках на работу, меняется.
Но даже если эти культурные традиции изменятся, всё равно будет нехватка ветровой энергии.
Конечно, вы также можете генерировать необходимую вам электроэнергию. Но только если есть достаточно ветряных ферм. Только если есть достаточно способов распределения энергии. Что если, что если, что если.
Ветер — непостоянное явление. Несмотря на современные методы прогнозирования, он зависит от сезона. Зависит от шторма. Он меняется и меняется. Гораздо больше, чем поведение человека.
Портфель, а не панацея
Ветровая энергия для автомобилей может стать частью смеси альтернативных источников энергии. Эта комбинация однажды может заменить традиционные угольные, газовые и нефтяные электростанции.
Узнайте, почему ветровая энергия не обеспечивает энергией автомобильный парк страны. Но она может служить одним из инструментов в более широком энергетическом наборе инструментов. Этот набор инструментов ждет, чтобы сделать США более экологичной и энергоэффективной страной.
Ветер непредсказуем
Ещё до того, как термин «глобальное потепление» стал общеупотребительным, профессор Массачусетского технологического института Стивен Коннорс изучал пересечение альтернативной энергетики и традиционной генерации электроэнергии. Его выводы об использовании электромобилей в стране являются неоднозначными. Это не связано с географией. Речь идёт о времени.
Людей беспокоит то, откуда берутся электроны. Им следовало бы спрашивать, когда автомобилю они нужны.
«Одна из больших проблем с электромобилями заключается в том, что люди хотят заряжать их ночью», — сказал Коннорс. Эта практика идеально вписывается в характеристики традиционной сетевой инфраструктуры. Большая часть электроэнергии в США по-прежнему вырабатывается на паровых турбинах, сжигающих природный газ, уголь и нефть. Такие электростанции не любят простаивать. Это неэффективно. Поэтому они продолжают работать всю ночь. Это создаёт огромный избыток дешёвой электроэнергии в то время, когда спрос минимален. Если только у вас нет электромобиля, который заряжается в 2 часа ночи. Тогда этот избыток становится вашей скидкой.
Ветровая энергия не заботится о вашем расписании или часах в вашей стране. Она зависит от погодных условий. Эти условия можно предсказать лишь в определённой степени. И они редко совпадают с поведением людей.
«Существует огромный разрыв между способом зарядки электромобилей и доступностью ветровой энергии», — сказал Коннорс.
Сезоны не совпадают
Ветра бывает не всегда. Это циклично. Самые сильные ветры дуют в зимние месяцы. Но наши привычки зарядки не меняются в зависимости от сезона. Мы подключаем автомобили так же в июле, как и в январе.
В этих сезонных тенденциях есть суточные колебания. Они варьируются по регионам. Пик ветров в одном штате может приходиться на затишье в другом. Эти прямые тенденции определяют фактический объём производимой энергии. Ветер может дополнять сеть. Мы не можем быть единственным поставщиком энергии для электромобилей по всей стране.
«Этот сезонный компонент пока не удовлетворяет потребности», — сказал Коннорс.
Может ли только ветровая энергия обеспечить электромобили?
Если посмотреть на данные, ответ — нет. Инфраструктура электрической сети США построена для базовой нагрузки, то есть стабильной и предсказуемой мощности. Ветер непостоянен. Технологии накопления энергии всё ещё развиваются, но огромные объёмы энергии, необходимые для зарядки миллионов автомобилей ночью, когда ветер стихает, создают дефицит.
Электрическим сетям нужно больше, чем просто ветер. Нужен микс. Пиковые газовые электростанции могут увеличить выработку электроэнергии, когда ветер прекращается. Гидроэнергетика могла бы заполнить этот пробел. Хотя солнечная энергия полезна днём, она не решает проблему зарядки ночью.
Позиция Коннорса проста. Мы пытаемся вставить квадратный штырь (сезонный, зависящий от погоды) в круглое отверстие (круглосуточный, требующий зарядки ночью).
Откуда берётся энергия?
Место имеет меньшее значение, чем время. Ветряные фермы в Техасе могут генерировать избыток электроэнергии в марте. Но если эту энергию нельзя сохранить или транспортировать тогда и туда, где она нужна, она будет потеряна. Сеть — это акт балансировки. В настоящее время баланс слишком сильно смещён в сторону традиционных источников, работающих круглосуточно.
Ветер является частью решения. Но он не является всем решением.
Сколько на самом деле нам нужно ветра?
Полная замена традиционного производства электроэнергии требует решений для накопления энергии, которых пока не существует в масштабах, необходимых для этого. Аккумуляторы совершенствуются. Гидроаккумулирующие электростанции существуют, но они ограничены географически. При отсутствии больших мощностей накопления энергии ветровая энергия остаётся вспомогательным источником.
Дисбаланс между производством и потреблением электроэнергии является ключевой проблемой. Электромобили заряжаются ночью. Ветер часто дует сильнее зимой. Летние дни тихие. Сеть
Почему одного ветра недостаточно для обеспечения энергией всей Америки?
Перевод национального автопарка на чистую ветровую энергию — это скорее гипотетическое теоретическое упражнение, чем логистический план. Первая преграда? Весь автопарк должен стать электрическим. Даже такие лидеры отрасли, как Коннорс, сомневаются, что этот переход будет полностью реализован к 2050 году.
Но предположим, что это происходит. Цифры не лгут.
Текущие данные показывают, что американцы используют 400 миллионов галлонов бензина для ежедневных поездок. Чтобы проехать такое расстояние, современным электромобилям требуется около 40 киловатт-часов (кВт·ч) энергии. Это основано на консервативном среднем показателе в 15 миль на галлон. При этом игнорируются рельеф местности, аэродинамика и вес автомобиля. Масштаб проблемы всё равно остаётся очевидным.
Чтобы заменить суточное потребление бензина, производителям пришлось бы вырабатывать 16 триллионов киловатт-часов электроэнергии в день. Это астрономическая цифра.
Рассмотрим ситуацию на одного водителя. Транспортные средства используют около 500 галлонов в год. При расходе 40 кВт·ч на галлон это составляет 20 000 кВт·ч в год. Этого запаса хватает на 10 000 миль поездок на работу. В 2006 году на дорогах США находилось 251 миллион легковых автомобилей. Если сложить всё вместе, получится невероятный общий спрос.
Однако в 2007 году общее производство электроэнергии в Соединённых Штатах превысило 4 триллиона мегаватт-часов. Один мегаватт-час соответствует 1000 киловатт-часам, поэтому общий объём предложения велик. Но дело не только в ветре. Не всё вырабатывается из возобновляемых источников.
Вывод неизбежен. Одних лишь ветряных турбин недостаточно для обеспечения электроэнергией электромобилей страны. Чтобы заполнить этот пробел, энергосистема должна включать возобновляемые источники энергии.
Где ветер вписывается в энергетический микс
Итак, если ветер не может справиться с этой задачей самостоятельно, какую же роль он играет на самом деле? Он работает как дополнение к базовой нагрузке, а не как самостоятельное решение.
Ветряные фермы лучше всего работают в районах со стабильным и быстрым потоком воздуха. Лучшими местами для этого являются Средний Запад и Техас. Но ветер непостоянен. Когда ветер стихает, автомобиль также перестаёт заряжаться.
Именно поэтому важны накопители энергии в сети и гибридные системы на основе возобновляемых источников. Энергия ветра должна быть сбалансирована с солнечной, гидроэнергией или геотермальной энергией. Без такого разнообразия энергосистема становится нестабильной в периоды безветрия.
Технологии электромобилей постоянно развиваются. Плотность аккумуляторов продолжает расти. Инфраструктура зарядных станций расширяется. Однако важен источник энергии. Опора исключительно на ветровую энергию игнорирует реальность стабильности производства энергии.
Устойчивое будущее автомобильной промышленности не будет обеспечено с помощью «серебряной пули». Оно придёт через сложную и взаимосвязанную энергетическую сеть. Ветер — это важная нить в этой паутине. Но он не является всей тканью целиком.
Сезонные изменения важны. Однако ветер по-прежнему является чистым возобновляемым источником энергии, и нет необходимости ждать разрешений.
Существует два основных типа турбин. Горизонтальная ось выглядит как гигантский пропеллер. Они доминируют в рекламе. Вертикальные турбины отличаются. Они напоминают современные скульптуры. Или гигантский венчик для взбивания яиц, воткнутый в поле.
Обе модели используют модифицированные аэродинамические профили. Ветер дует на них. Он становится движущей силой. Турбина вращается. Производит электричество.
Эта энергия может либо дополнять большую электрическую сеть, либо захватываться и сохраняться.
У этой математики есть странное преимущество. Это не линейная зависимость. Когда производство электроэнергии линейно, один оборот генератора производит один киловатт-час. Но энергия ветра может достигать кубической зависимости. При достаточной силе ветра она может производить 3 киловатт-часа энергии за один оборот. Это кубическая связь. Больше скорости — экспоненциально больше мощности.
Несмотря на эти физические преимущества, ветряных ферм всё ещё недостаточно. Количество ветряных турбин всё ещё относительно невелико.
Исследователь энергетики из Массачусетского технологического института (MIT) Стивен Коннорс считает, что энергия ветра — это лишь ещё один кусочек головоломки. Он не ожидает, что она будет справляться с основной нагрузкой в одиночку. Этот план включает гораздо более крупный пакет. Геотермальная энергия. Гидроэнергия. Солнечная энергия. Биомасса.
Ядерная энергия также часто добавляется к этому списку. Безуглеродная. Подходит под профиль.
Эта комбинация энергии должна развиваться вместе с другими. электромобили. И технологиями, которые их поддерживают. Особенно «умными» сетями. Эта сеть перенаправляет избыточную электроэнергию. Получает энергию там, где она нужнее всего. Расчёты спроса в реальном времени направляют эти изменения.
Но когда автомобили действительно догонят этот прогресс?
Коннорс смотрит на 2050 год. По крайней мере, это правда. Это его срок для идеального мира. Это его определение идеального мира. Регулирование правительства последовательно. Политика работает. Общественное мнение меняется одновременно. Путь в обетованную землю прошёл гладко.
«Это случается редко», — сказал он.
Гибриды являются хорошим примером для изучения. Toyota Prius вышла на рынок США около 10 лет назад. Это был первый коммерчески жизнеспособный вариант. Теперь, спустя более десяти лет, они становятся обычным вариантом выбора автомобиля.
Автомобильный парк обновляется медленно. Потребуется от 15 до 20 лет, прежде чем Китай полностью откажется от использования старых моделей. Заменит их новыми. Электромобили ещё не являются коммерчески жизнеспособными или полностью принятыми.
2050 год — это идеальная дата. Маловероятно.
Прямо сейчас ветер будет двигать больше деревьев, чем автомобилей. Но это может измениться. В далёком будущем.
Для получения дополнительной информации о возобновляемых источниках энергии следуйте по ссылкам на следующей странице.
Подробная информация
Статьи HowStuffWorks по теме
-
Как работают гидроэлектростанции
-
Как работает ядерная энергия
-
Как работают электрические сети
-
Как работают солнечные элементы
-
Как работает энергия ветра
-
Как работают зарядные устройства для ветряных турбин
-
Как работает геотермальная энергия
-
Как работают батареи электромобилей
Дополнительные полезные ссылки
-
Американская ассоциация ветроэнергетики
-
Министерство энергетики США
-
Управление энергетической информации США
Источники
-
Американская ассоциация ветроэнергетики. (23 июн. 2010) http://www.awea.org/
-
Коннорс, Стивен. Профессор в Массачусетском технологическом институте. Личное интервью. Проведено 19 ноября 2009 года.
-
Министерство энергетики США. (23 июн. 2010) http://www.energy.gov/
-
Управление энергетической информации США. (23 июн. 2010) http://www.eia.doe.gov/
