Энергия, переносимая волнами по поверхности океана, практически неисчерпаема. По сравнению с ветровой, солнечной и приливной энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Средняя мощность волнения морей и океанов превышает 15 кВт/м, а при высоте волн 2 метра достигает 80 кВт/м. При этом коэффициент преобразования этой энергии в механическую или электрическую может достигать 85 %. Для получения электроэнергии из морских волн необходимо преобразовать кинетическую энергию их движения вверх-вниз в механическую энергию вращения вала ротора электрогенератора с минимальным количеством промежуточных преобразований. В идеале бо́льшую часть оборудования лучше расположить на суше для простоты обслуживания.

Страны с большой протяженностью побережья и постоянными сильными ветрами, например, Великобритания и Ирландия, могли бы генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счет энергии волн. В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила прототип установки Blue X. Принцип ее работы следующий: волны приводят в движение шарнир, запускающий электрогенератор; электроэнергия по кабелям передается на сушу.

Другой подобный проект под названием Oyster («Устрица») был запущен в Европейском исследовательском центре морской энергии (European Marine Energy Centre) в 2009 году. Это самый крупный агрегат такого рода в мире, его высота сопоставима с высотой пятиэтажного дома. Разработчик необычной конструкции— шотландская компания Aquamarine Power. Установка состоит из большого качающегося поплавка-­насоса, расположенного на глубине 10−16 метров недалеко от берега. Электрическая часть системы вынесена на берег. Насос на дне моря соединен с турбиной береговой электростанции гидравлическими магистралями. Oyster питает энергией несколько сотен домов.

В июле 2024 года ирландская компания Ocean Energy разработала и установила преобразователь волновой энергии OE‑35, напоминающий буй. Он находится на испытательном полигоне ВМС США у побережья острова Оаху. Вскоре его подключат к электросети Гавайских островов. «Буй» имеет размер 38 на 18 метров, осадку 9,4 метра и общую массу 826 тонн. Мощность установки — ​500 кВт с потенциальной возможностью увеличения до 1,25 МВт.

Электричество OE‑35 вырабатывает с помощью воздушной турбины низкого давления, непрерывно вращающейся в одном направлении вне зависимости от воздушного потока. Работает он так: волна сжимает воздух в трех камерах внутри буя, и турбина вращается. Затем воздух расширяется, поток меняет направление, однако турбина продолжает вращаться в том же направлении. Необходимости в сложных механизмах и клапанах для работы с двунаправленным воздушным потоком нет. Система будет подключена к электросети посредством подводных кабелей. Недостаток установки в том, что лопасти турбины имеют высокий коэффициент сопротивления.

Первая в мире коммерческая волновая электростанция была открыта в Португалии, в районе Агусадора. Качающиеся на волнах генераторы в 5 км от берега вырабатывают 2,25 МВт. Этого достаточно для питания 1600 домов.

Три преобразователя волновой энергии (Pelamis Wave Energy Converters) были разработаны и построены шотландской компанией Pelamis Wave Power. Один конвертер сравним по длине и сечению с небольшим железнодорожным составом. Волны изгибают эту плавающую «змею», за счет чего внутри, в местах соединения соседних секций, перемещаются гидравлические поршни. Они прокачивают масло через двигатели, вращающие электрогенераторы. Произведенное электричество направляется по кабелям с поплавка на дно. Несколько таких «змей» могут быть электрически соединены, и тогда вся суммарная мощность будет подаваться на берег по одному кабелю. Габариты платформы впечатляют: при диаметре 3,5 метра ее длина — ​140 метров.

В планах — ​добавить к волновой электростанции у берега Агусадоры еще 25 «змей», что поднимет суммарную мощность станции до 21 МВт. Этого хватит для питания 15 тыс. домов и снижения выбросов углекислого газа тепловыми станциями на 60 тыс. тонн в год. Pelamis Wave Power собирается развернуть аналогичные комплексы близ Оркнейских островов и у побережья Корнуолла (четыре и семь преобразователей соответственно).

Похожую установку под названием Waveline Magnet («Волновой магнит») разработал кипрский стартап Sea Wave Energy Limited (SWEL). Это тоже модульная и гибкая система быстрого разворачивания. Стоимость электроустановки невелика, так как ее можно изготовить из обычного и армированного пластика. Не требуется специализированных производственных линий, затраты на ремонт и техническое обслуживание также невелики. По заявлению разработчиков, один преобразователь энергии волны может генерировать до 100 МВт электроэнергии, а стоимость производства соизмерима с ископаемыми источниками энергии. Прототип уже протестировали в контролируемых условиях залива Ларнаки на Кипре.

Электричество из дождя
Китайские инженеры Даляньского технологического университета разработали необычный магнитоэлектрический генератор. Устройство способно генерировать переменный ток из падающих капель дождя. Ученые назвали свою разработку «Супергидрофобный магнитоэлектрический генератор» (MSMEG).

В основе конструкции — ​корпус, напоминающий кастрюлю, с неодимовым магнитом и крышкой из водоотталкивающей магнитной пленки, прикрепленной к катушке. Когда на пленку попадают капли, она на мгновение деформируется, перемещая катушку относительно магнита внутри канистры и создавая крошечный электрический заряд. Эксперименты показали, что падение капель дождя с высоты 50 см обеспечило выработку электрического пикового тока на уровне 13 миллиампер, пиковой плотности заряда 1826,5 мКл/м² и пиковой плотности мощности 1413,0 мВт/м², с сопротивлением нагрузки 47 Ом. MSMEG может быстро (за 200 секунд) заряжать коммерческий конденсатор и питать различные электронные устройства (например, светодиоды — ​LED, вентиляторы) при постоянном возбуждении каплями воды.

Хотя производство энергии таким образом менее эффективно, чем солнечные панели и ветрогенераторы, это может быть альтернативным и недорогим решением для дождливых регионов. Например, такие генераторы можно использовать в комплекте с солнечными панелями для постоянного электроснабжения вне зависимости от погоды.

Плавучие острова с ВИЭ
Португальская Solaris Float разработала плавучую солнечную платформу с одно- и двухосевым трекерами, позволяющими менять наклон и азимут фотоэлектрической панели в зависимости от времени суток. По информации издания PV Magazine, инновация увеличивает производительность солнечных батарей на 40 % по сравнению с панелями с фиксированным наклоном.

Решение опробовали на озере Остворнсе Меер на западе Нидерландов в 2020 году. Solaris Float запустила плавучую установку мощностью 50,7 кВт, состоящую из 130 фотомодулей на одноосном трекере. Установка напоминает остров, соединенный с дном якорями и тросами. Плавучий «остров» оборудован двигателями, вращающими его по часовой стрелке днем, а ночью — ​в обратном направлении, используя для этого всего 0,5 % вырабатываемой электроэнергии. В дальнейшем компания будет поставлять два типа «солнечных островов». Первый, Protevs +, будет состоять из 180 модулей с двухосным отслеживанием общим диаметром 38 метров, площадью 1 444 м² и общей мощностью до 73 кВт. Второй «остров», Protevs Single360, будет состоять из 360 модулей с фиксированным наклоном 10° и общей мощностью 147 кВт. Потребитель cможет объединить семь «островов» в солнечную электростанцию, способную вырабатывать 2 ГВт·ч электроэнергии в год, что сопоставимо с восьмичасовым энергопотреблением в Люксембурге.

Энергетические компании Tennet (Германия/Нидерланды) и Energienet (Дания) планируют строительство на Северном море искусственных островов для установки и эксплуатации тысяч ветряков. Это удешевит выработку электроэнергии: чем дальше ветряные парки удалены от береговой линии, тем дороже и сложнее они в обслуживании. Выбранное место развертывания первого искусственного острова предполагаемой площадью около 6 км² — ​Доггербанк (расположен между Великобританией и Данией). Остров сможет работать на энергетику Германии, Нидерландов, Бельгии, Великобритании, Норвегии и Дании.

Место отличается хорошими ветрами, и глубина там сравнительно небольшая, что уменьшает стоимость строительства. На острове можно разместить гавань, аэропорт, склады, мастерские и жилье для обслуживающего персонала. Еще одно преимущество в том, что конвертерные станции не нужно будет возводить на отдельных платформах. Воплощение этой идеи мы сможем увидеть между 2030 и 2050 годами. Сейчас выполняется технико-­экономическое обоснование проекта, в котором участвуют ряд международных экологических организаций.

Экзотическую вариацию ветроострова придумала норвежская компания Wind Catching Systems. Несколько лет назад она представила концепт морской плавучей установки с сотней маленьких турбин ветрогенераторов под названием Windcatcher суммарной мощностью 126 МВт в условиях Северного моря. Конструкция представляет собой стену из ветрогенераторов. Модульная система позволяет менять размеры электростанции в зависимости от потребностей в энергии. Каждый блок подключен к центральной подстанции, передающей электроэнергию в сеть.

Недавно Wind Catching Systems получила от сертификационного агентства DNV разрешение на создание демонстрационной ветровой турбины. Установка мощностью до 40 МВт будет построена у побережья коммуны Эйгарден в Норвегии.

Энергия глубин
Китай масштабно инвестирует в развитие ВИЭ, в том числе в новые перспективные технологии. В 2013 году крупная американская компания Lockheed Martin заключила с китайской Reignwood Group контракт на строительство электростанции OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion — ​преобразование тепловой электроэнергии океана). Это будет крупнейшая в мире установка, позволяющая получать энергию за счет разницы температур воды в глубине океана и на его поверхности. OTEC-электростанция будет построена недалеко от южного побережья Китая, у берегов острова Хайнань. Ее мощность составит от 10 до 100 МВт.

Вообще океанические тепловые электростанции — ​совсем не новость, первые были построены еще в 1980‑х годах. В них используется энергия солнца, которую аккумулируют морские воды. Они работают по замкнутому циклу: в электростанцию подается теплая вода с поверхности, нагревающая легкокипящую жидкость (аммиак, пропан). Жидкость превращается в пар и крутит турбину электрогенератора. Затем пар охлаждается с помощью глубинной холодной воды, и цикл повторяется.

Главные недостатки таких электростанций — ​невысокий КПД (всего несколько процентов) и большое собственное потребление энергии, необходимой для прокачки воды с большой глубины. Поэтому экономически целесообразны крупные установки, требующие больших инвестиций. Зато, в отличие от ветряных и солнечных станций, OTEC может генерировать электричество круглосуточно, покрывая базисную часть графика нагрузок 365 дней в году. В процессе работы станций OTEC образуется холодная вода, которую можно использовать в близлежащих системах кондиционирования воздуха и холодильном оборудовании.

Для размещения OTEC идеальны тропики — ​тут больше разность температур на разных глубинах. Поэтому Южно-­Китайское море считается одним из лучших регионов на планете для развития такой энергетики.

Несмотря на все преимущества, технология OTEC пока не коммерциализирована из-за высоких затрат на установку и обслуживание систем.

Пока работают только несколько небольших экспериментальных установок. Одна из них находится в Японии и производит около 100 кВт электроэнергии (при мощности одной ветряной турбины 1−2 МВт); другая, на Гавайях, — ​вдвое меньше; третья, в Индии, — ​около 1 МВт. Установки не демонстрируют долгосрочной коммерческой жизнеспособности OTEC. Проект Lockheed Martin и Reignwood в Южно-­Китайском море пока не реализован.

Энергия вулкана
VolcanElectric Mask — ​это проект использования избыточной мощности вулканов для выработки электроэнергии и минимизации ущерба и разрушений от извержений. Концепция, разработанная китайскими учеными, предусматривает создание гигантского купола, закрывающего вулкан и предотвращающего загрязнение воздуха пеплом. Проект разработан для вулкана Попокатепетль в 70 км от Мехико, одного из десяти самых активных в мире. В радиусе 10−30 км от его кратера живут 500 тыс. человек. VolcanElectric Mask сможет сделать их жизнь безопаснее и обеспечить их источником возобновляемой энергии.

При разработке концепта купола авторы вдохновились тем, как работает человеческое тело, в частности — ​нервные окончания. Внутри купола висят щупальца, зарывающиеся в жерло вулкана. Они контролируют температуру внутри него, помогают ученым прогнозировать извержения, а также поглощают углекислый газ, из которого впоследствии генерируется сухой лед.

Когда вулкан спокоен, территория доступна для туристов, а «щупальца» собирают дождевую воду, контактирующую затем с лавой. Выделяемый при этом пар направляется на турбину для выработки электроэнергии.

Если ожидается извержение, купол закрывается, дабы сдержать выход пепла и лавы. Накопленный сухой лед выбрасывается, чтобы защитить «щупальца» от повреждений и охладить лаву. Когда извержение заканчивается, пепел собирают — ​его можно использовать в промышленных процессах.

Аккумуляторные батареи из песка и сжатого воздуха
Летом 2023 года британская компания Cheesecake Energy получила разрешение на создание в Колчестере комплекса для демонстрации технологии накопления и хранения энергии в сжатом воздухе и нагретом песке. Аккумулирующая установка состоит из шести грузовых контейнеров. Авторы проекта считают проект хорошей альтернативой дорогим и ограниченным по накоплению мощности литиевым батареям.

Проект отличается простотой и дешевизной. В составе комплекса — ​солнечная электростанция мощностью 8 МВт. Днем избыток электричества подается на аккумулирующее устройство. В его состав входят модифицированные двигатели от грузовиков Volvo, генераторы, компрессоры, емкости с песком и баки для хранения воздуха под давлением. Система закачивает воздух в баки, а выделяемое в процессе сжатия тепло отводит в бункеры с песком и гравием. Для того чтобы выдать энергию ночью или при повышенном потреблении, система запускается в обратном порядке. Воздух стравливается и нагревается, после чего в процессе расширения раскручивает валы генераторов, и вырабатывается энергия.

По словам разработчиков, на номинальной мощности установка способна работать от 5 до 12 часов. Ее стоимость сравнительно небольшая — ​£500 тыс. ($ 630 тыс.). Количество контейнеров можно менять. В Колчестере комплекс Сheesecake Energy будет запущен в 2024 году. Компания рассчитывает, что если проект хорошо себя зарекомендует, то появятся другие заказы.

Работающая песчаная батарея уже создана в Cеверной Европе — на электростанции Ватаянкоски в городе Канкаанпяа, но только для целей теплоснабжения. В 2022 году финские ученые установили песчаную батарею, способную сохранять песок нагретым до 500 °C в течение нескольких месяцев. В башню-­контейнер засыпали около 100 тонн строительного песка, через который пропускают избыточный электрический ток, полученный от Солнца или ветра. Песок нагревается до 500 °C за счет электросопротивления при прохождении через него тока (резистивный нагрев). Выделяемое тепло нагревает воздух, аккумулирующийся и циркулирующий по трубам теплообменника в башне. По задумке разработчиков, батарея должна выпускать через заслонки горячий воздух, нагревающий воду в трубах для системы централизованного теплоснабжения.

Авторы проекта называют одним из ключевых преимуществ системы возможность круглогодичного бесперебойного теплоснабжения. Другие исследовательские группы, например Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США, также рассматривают песок в качестве накопителя тепла. Но финны первыми создали работающую коммерческую систему теплоснабжения на основе песчаных батарей.

Для хранения тепла подходят и некоторые другие среды. Нидерландская Kyoto Group предлагает установки для хранения тепла в расплаве солей при температуре до 400 °C. Нагрев идет либо напрямую от источника тепла, либо при использовании излишков электричества. На выходе установка выдает водяной пар нужной температуры. Это может быть востребовано в энергоемкой промышленности, например сталелитейной. Подобная опытная установка уже работает в Нидерландах в составе предприятия по производству бумаги.

Энергия Солнца в космосе
Эффективность использования солнечной энергии в космосе намного выше, чем на Земле, поэтому солнечные панели и устанавливают на космические аппараты. Но есть и другие, небанальные способы использования энергии Солнца. Пример: солнечный парус, напоминающий обычные паруса на судах. Космические аппараты используют тонкие, блестящие паруса для отражения солнечного света: поток заряженных солнечных частиц создает давление на парус и придает ему ускорение. Если поймать этот поток, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту без использования ракетного топлива. Оснащенные таким парусом аппараты могут достигать труднодоступных орбит. Солнечные паруса особенно хорошо подходят для небольших недорогих космических кораблей с ограниченной тягой.

В 2019 году американское Планетарное общество развернуло солнечный парус LightSail‑2 на одной из ракет от Space X. Парус успешно прошел испытания и провел более трех лет на околоземной орбите. Теперь NASA использует эти наработки для двух предстоящих космических полетов. Первый, NEA Scout, будет нацелен на Луну, и солнечный парус будет использоваться для достижения околоземного астероида. NASA также дало зеленый свет миссии Solar Cruiser — ​запуску в 2025 году космического корабля, одна из целей которого — ​испытание гигантского паруса площадью 1650 м² на искусственной орбите между Землей и Солнцем. NASA и Планетарное общество сотрудничают и обмениваются данными по LightSail‑2 и NEA Scout в рамках Соглашения о космическом акте.

Не менее интересен проект компании Star Catcher Industries. Она работает над созданием первой в мире энергетической сети на орбите Земли. Специальные аппараты будут собирать энергию Солнца и передавать ее на космические аппараты на низкой околоземной орбите (НОО) и за ее пределами. Каждый узел сети будет транслировать до 150 кВт энергии одновременно нескольким спутникам прямо на их солнечные панели, что позволит им вырабатывать в 5−10 раз больше энергии, чем они вырабатывали бы просто от Солнца. В проект уже вложили $ 12,25 млн. Первые результаты ожидаются к концу 2025 года.

Спрос на высокопроизводительные, энергоемкие проекты и системы в космосе, включая космические телекоммуникации, орбитальные вычисления, дистанционное зондирование, пилотируемые космические полеты и объекты национальной безопасности, растет экспоненциально. Поскольку к 2030 году на НОО, по прогнозам, будет размещено более 40 тыс. спутников, Star Catcher ожидает, что для работы этих систем потребуется 840 МВт электроэнергии. (Для сравнения, сегодняшняя потребность — ​десятки мегаватт мощности.) Предоставляя космическим аппаратам более высокую концентрацию энергии для современных солнечных батарей, сеть Star Catcher сможет удовлетворить этот растущий спрос. В конечном итоге это позволит операторам спутников увеличивать время безотказной работы, одновременно сокращая расходы.

Необычные мини-генераторы
В 2021 году швейцарские ученые провели ряд экспериментов и сумели превратить древесину в мини-генератор. Растворив лигнин из древесной коры, они получили «губку» из целлюлозы. После сжатия она самостоятельно принимает исходную форму, генерируя при этом электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево. По словам ученых, энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.

В 2021 году немецкие ученые синтезировали органическую супрамолекулярную систему на основе ДНК. В ее основе — ​молекулярное соединение (фуллерен) из 60 атомов углерода, к которому крепится краситель. Он поглощает солнечный свет и отдает полученную энергию фуллерену. Для того чтобы получаемый электрический ток не затухал, такие супрамолекулы закреплены на спирали ДНК — ​таким образом движения электронов упорядочиваются. Перспективное применение — ​в солнечных батареях из ДНК. По прогнозам исследователей, описанная технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.

В 2020 году в Массачусетском университете создали генератор Air-gen. Он состоит из белковых нанопроводов, впитывающих влагу из атмосферы и вырабатывающих из нее электричество. С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают натуральный белок, способный проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами. Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности 45 %, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий, он работает даже в помещении. Пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. Ожидается, что от него можно будет подзаряжать мобильные телефоны и смарт-часы.

Исследования в области теромэлектрического преобразования энергии показали, что эффективность этого метода может быть значительно увеличена за счет использования различных квантовых эффектов. В швейцарском Научно-­исследовательском институте Empa придумали способ превращения в квантовые точки участков графеновых нанолент. Дальше — ​больше, по результатам предварительных расчетов, на базе таких графеновых квантовых точек можно будет создать тепловой двигатель! Швейцарские исследователи уже добились стабильной работы графеновых квантовых точек при температуре до -123 °C. В планах ученых — ​объединить графеновые наноленты в крошечный тепловой двигатель на чипе и заставить его работать при комнатной температуре в течение нескольких лет.