Зачем нужны новые технологии в энергетике?

Человечество использует разные источники для производства электроэнергии. Самым распространённым по-прежнему остаётся ископаемое топливо: уголь, нефть и природный газ. За ним идут атомные электростанции и возобновляемые источники энергии: солнечные, гидро- и ветряные электростанции. Реже всего используют биомассу и геотермальную энергию. Биомасса — органические отходы, энергию из которых производят путём их сжигания, а геотермальные станции используют тепло в земной коре.

С каждым годом потребление электричества растёт. При этом запасы ископаемого топлива ограниченны, а его использование наносит вред окружающей среде из-за выбросов углекислого газа.

Самые безопасные возобновляемые источники — например, солнечные панели и ветрогенераторы — зависят от погодных условий и пока не могут произвести такой же объём энергии, как ископаемое топливо.

Развитие IT в энергетике может помочь решить важные задачи: повысить эффективность использования ресурсов, сократить выбросы углекислого газа, снизить затраты и ускорить переход к чистой и устойчивой энергии.

Какие технологии используют уже сейчас?

Для экологически чистого производства и потребления энергии в разных странах активно применяют интернет вещей, искусственный интеллект и большие данные, цифровые двойники, блокчейн.

Интернет вещей (IoT). С помощью интернета вещей энергетические компании могут управлять инфраструктурой в реальном времени, отслеживать потребление энергии, прогнозировать пики нагрузки.

Например, в Москве действует проект «Умный город», где технологии IoT используют для управления освещением и отоплением в зданиях. Уровень тепла и освещения меняется в зависимости от температуры на улице и времени суток. Всё это происходит автоматически — с помощью специальных датчиков. Такой подход снижает энергозатраты и повышает энергоэффективность.

ИИ и большие данные. Алгоритмы ИИ анализируют большие массивы данных, которые поступают с датчиков IoT. Это помогает прогнозировать выработку энергии и оптимизировать работу энергосистем.

Например, Google применяет ИИ для управления энергоэффективностью своих дата-центров. Алгоритм, разработанный инженерами DeepMind, мониторит состояние серверов и включает наиболее эффективные режимы охлаждения. Это помогло компании снизить энергозатраты на 30%.

Похожие системы применяются на ветряных электростанциях: ИИ прогнозирует изменения погоды, регулируя вращение турбин для максимальной выработки энергии и предотвращения износа оборудования.

Цифровые двойники. Моделирование энергетических объектов, таких как электростанции, позволяет создавать их цифровые копии, где можно тестировать различные сценарии эксплуатации. Это улучшает контроль за оборудованием и снижает риски аварий.

Например, компания Siemens Energy использует цифровые двойники для моделирования работы газотурбинных и ветряных электростанций. Это позволяет инженерам тестировать различные сценарии и оптимизировать работу станций, избегая сбоев и увеличивая срок службы оборудования. А в России цифровые двойники применяет компания «Сибур» на своих нефтехимических заводах.

Блокчейн. В энергетике блокчейн используют для создания безопасных и прозрачных систем обмена энергией между мелкими производителями и потребителями. В Австралии, например, стартап Power Ledger разработал блокчейн-платформу, на которой владельцы солнечных панелей могут продавать излишки энергии соседям, минуя крупных поставщиков. Такая система P2P-торговли стимулирует людей устанавливать солнечные панели и повышает энергетическую независимость.

Как технологии помогают создать бесконечный источник энергии?

Бесконечным источником называют термоядерный синтез: процесс, при котором лёгкие атомные ядра — например, водорода — сливаются и образуют более тяжёлые элементы, такие как гелий. При этом выделяется огромное количество энергии. Этот процесс лежит в основе «работы» Солнца и других звёзд. Чтобы запустить термоядерный синтез на Земле, требуется специальное устройство — реактор, который учёные назвали «токамак». Слово «токамак» — производное от русских слов «тороидальная камера с магнитными катушками». Первые токамаки были созданы в СССР, в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова, под руководством академика Льва Арцимовича.

Самый большой токамак-реактор сейчас разрабатывается в рамках научного проекта ITER. Его строительство началось в 2010 году на юге Франции, а окончание запланировано на 2035 год. В проекте участвует 35 стран, включая Европейский союз, США, Россию, Китай, Индию, Японию и Южную Корею, а общий объём инвестиций на нынешний момент — около 20 млрд евро.

Главная цель ITER — запустить реактор, который будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет. Например, если для его работы требуется 50 МВт, он должен вырабатывать 500 МВт в виде тепла. Реактор будет использовать сильные магнитные поля для удержания плазмы, нагретой до температуры около 150 млн градусов Цельсия, что в 10 раз горячее, чем в центре Солнца.

Если проект окажется успешным, человечество будет обеспечено практически неограниченным количеством чистой энергии.

Сейчас строительство реактора продолжается. Основные инфраструктурные работы уже завершены, включая возведение главных зданий, таких как токамак-комплекс, в котором будет расположена основная реакторная установка. Важным достижением стало завершение монтажа криостата — огромного вакуумного сосуда для охлаждения сверхпроводящих магнитов, которые нужны для создания мощного магнитного поля.

Чтобы собрать и запустить реактор, специалисты используют новаторские решения в области не только материалов, но и технологий:

1. Цифровые двойники и VR. Виртуальные модели реактора помогают анализировать и тестировать оборудование. Например, их используют для тренировки технического персонала, позволяя специалистам обучаться обслуживанию и ремонту ректора без рисков для реальной установки.

2. ИИ и большие данные. ИИ участвует в создании цифровых двойников, а ещё играет важную роль в обработке больших данных с датчиков внутри реактора и предсказании поведения плазмы. Например, анализирует данные о её плотности и температуре, предупреждает об изменениях, угрожающих стабильной работе.

Что будет с энергетикой в ближайшее время?

Одним из ключевых направлений в энергетике, скорее всего, станет распределённая генерация — возможность для домовладельцев и небольших компаний самостоятельно вырабатывать энергию и продавать излишки в сеть. Продолжат развиваться блокчейн и системы P2P-торговли энергией.

Развитие технологий искусственного интеллекта, больших данных и интернета вещей позволит прогнозировать спрос на электроэнергию, оптимизировать использование возобновляемых ресурсов и предупреждать сбои в сети.

Будут продолжаться эксперименты с термоядерным синтезом, который может обеспечить человечество неиссякаемой чистой энергией. При этом успех запуска реактора в том числе будет зависеть от развития новых технологий.