Протягом понад двох десятиліть вчені та кліматологи попереджали про наслідки глобального потепління через викиди парникових газів. Зараз увага громадськості переключилася на усунення як причини, так і наслідків, викликаних зміною клімату. Мікроелектроніка є, практично, мозком багатьох сучасних пристроїв, таких як електромобілі, смартфони, роботи, генератори чистої енергії тощо, і вона може стати ключем до вирішення кризи сталого розвитку за рахунок інновацій у галузі штучного інтелекту. Метою цієї публікації є висвітлення того, як інноваційні технології та засоби на їх основі сприяють впровадженню екологічно чистих технологій.
Доступна енергія лежала в основі соціального та економічного розвитку з початку промислової революції, коли технології з використанням парових двигунів, двигунів внутрішнього згоряння та електродвигунів призвели до залежності всього світу від централізованого виробництва енергії. Протягом двох останніх століть ця енергія вироблялася з допомогою спалювання вуглеводневих джерел. Це забезпечило потужне економічне зростання, яке зараз дорого обходиться суспільству. З 1820 викиди парникових газів зросли в 686 разів [1], що призвело до глобального потепління в середньому не менше ніж на 1,1 ° C [2] і, як результат, до цілого ряду значних екологічних, економічних і соціальних наслідків.
Так, наприклад, понад 160 мільйонів людей нині потерпають від нестачі продуктів харчування через кліматичні кризи 2015–2019 років [3], до 3 трильйонів доларів у вигляді економічних втрат викликані стихійними катастрофами в період з 2000 по 2019 рік [4] . Якщо така тенденція збережеться до 2050 року, то для забезпечення прогнозованої тенденції розвитку суспільства, буде потрібно вдвічі більше енергії, ніж сьогодні. Без внесення змін до використання традиційних джерел енергії це призведе до збільшення викидів в атмосферу і, як наслідок, до підвищення температури до 2050 року на 1,9–2,9 °C порівняно з доіндустріальним рівнем. На думку експертів, наслідки всього цього можуть призвести до переміщення 33% населення у світі [5], скорочення світового ВВП [6] на 11–18% та щорічних втрат від кліматичних лих до 23 трильйонів доларів [7]. Паралельно суспільство прагне вирішити проблему глобальної бідності. При цьому вартість енергії матиме вирішальне значення для забезпечення доступу населення до основних послуг, включаючи продукти харчування.
Проте, щоб уникнути найгірших наслідків зміни клімату, необхідно забезпечити мінімально можливий, а краще нульовий рівень викидів до 2050 року і обмежити глобальне потепління на рівні 1,5°C. Ключем до досягнення цих двох цілей є збільшення ви- робленої енергії з одного боку та її декарбонізація з іншого боку. Вже зараз необхідно скоротити викиди парникових газів не менш як на 81%. Зростання енергетики та швидка декарбонізація вимагають широкої заміни викопних видів палива відновлюваними джерелами енергії, що відповідає 9-кратному зростанню попиту на енергію до 2050 року та підвищенню глобальної енергоефективності до 2050 року не менш як удвічі [8]. Як зазначають експерти, існує безпрецедентна можливість стимулювати перехід до чистої енергії за рахунок відмови від технологій, що генерують парникові гази, та за рахунок електрифікації від поновлюваних джерел енергії.
Одним з прикладів є поетапна відмова від автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння на користь електромобілів. Перепроектування енергосистем під використання поновлюваних джерел енергії має супроводжуватись підвищенням енергоефективності. Загальний обсяг викидів (не менше 50%) світової енергії виробляється промисловими підприємствами [9]. За рахунок розгортання цифрових промислових технологій покращується контроль над виробничими процесами на вже існуючих виробництвах і таким чином підвищується продуктивність при зниженні енергоспоживання. Таким чином, інвестуючи в енергоефективність виробництва, можна скоротити споживання енергії, а також підвищити його конкурентоспроможність.
Людство зацікавлене як у нових, так і в модернізованих виробництвах, а цифрові виробництва спроектовані так, щоб заощаджувати енергію і, отже, скорочувати викиди. За оцінками експертів до 2035 року щорічні витрати з переходу виробництв на низький рівень викидів збільшуватимуться на 4,5 трильйони доларів, що становитиме 78,4 трильйони доларів сукупних витрат за ці роки [8], причому інвестиції будуть спрямовані на підвищення промислової енергоефективності, модернізацію будівель, а також на підтримку електромобілебудування та збільшення виробництва чистої або «зеленої» енергії.
За прогнозами експертів отримають розвиток напрямки, які полягають у заміні традиційних технологій, що викликають викиди парникових газів, та підвищення глобальної енергоефективності, або ті, що роблять технологію більш енергоефективною.
Приклади витісняючих технологій включають пере- хід на електромобілі та виробництва, що працюють на відновлюваних джерелах енергії. Енергоефективні кінцеві вироби включають промислові двигуни, бездротовий зв’язок 5G, економічні системи опалення, вентиляції та кондиціювання повітря.
На сьогодні у зарубіжній літературі, присвяченій зеленій енергетиці, використовується термін «Energy Harvesting», під яким розуміють процес збору енергії з навколишнього середовища і перетворюється на корисну для використання електричну енергію. Таке рішення дозволяє електронним при- строям працювати там, де немає традиційних джерел живлення. Це дозволяє позбавитися прокладки силового кабелю, а в системах з автономним живленням – обходитися без акумуляторів та пристроїв їх заряджання. Система збору енергії забезпечує управління живленням, регулювання та захист. До таких джерел енергії відносяться (рис. 1) сонячна радіація, що перетворюється фотогальванічними елементами в електричну енергію; механічні вібрації, що перетворюються на електричну енергію п’єзоелектричними елементами; перепади температур, що перетворюються на електричну енергію термоелектричними генераторами; високочастотні коливання, що перетворюються антеною на електричну енергію, і навіть рослини, які генерують електричну енергію в процесі фотосинтезу.
Рис. 2. Приклади збору енергії з навколишнього середовища та перетворення її в електричну енергію
Одним із напрямків ефективного використання енергії сонця є застосування геліостатів, що включають набори дзеркал, які відстежують рух Сонця. Ці дзеркала за умови оптимального управління здатні отримувати максимальний вихід сонячної енергії.
Так, наприклад, компанія BrightSource Energy, Inc. на відміну від традиційних панелей з фотогальванічними елементами застосовує керовані панелі (геліостати) з дзеркалами, які направляють сонячні промені на водонапірну вежу, нагрівають воду до температури пароутворення і ефективно генерують відновлювану електричну енергію. Ця компанія проектує, розробляє та впроваджує сонячні теплові технології для виробництва високоякісної пари для різних виробничих процесів, зводячи до мінімуму вплив на навколишнє середовище за рахунок генерації екологічно чистої енергії. Компанія стала піонером у галузі концентрації сонячної енергії, поєднавши сонячні технології з розширеними можливостями зберігання такої енергії. Однією з проблем у таких системах є оптимальне управління рухом геліостатів для високоточного спрямування сонячних променів на водонапірну вежу. Наразі провідні компанії, такі як ST Microelectronics, On Semicoductor, RDA Microelectronics, Analog Devices, Texas Instruments та інші виробляють мікроелектронну елементну базу для систем керування геліостатами.
Потужна електростанція за такої технології за- звичай включає десятки тисяч геліостатів, які відстежують рух Сонця. Геліостати, рис. 2-1, встановлюються на двовісних трекерах, які стежать за положенням та рухом Сонця і направляють енергію, що випромінюється ним, на приймач з розплавленою сіллю, рис. 2-2, який знаходиться на верху центральній вежі. Розплавлена сіль у середині приймача нагрівається до температури не менше 538˚C. З приймача розплавлена сіль поступає у резервуар, який виконує роль гігантської зарядженої батареї, рис. 2-3. З резервуару розплавлена сіль надходить у теплообмінник, в якому нагріває пар, що запускає турбогенератор, рис. 2-4. Турбогенератор виробляє і подає відновлювану електричну енергію до електричної мережі, рис. 2-5.
На сьогодні компанія BrightSource управляє найбільшими сонячними та тепловими електростанціями у США та сонячною електростанцією Ivanpah у пустелі Мохаві. Цей масштабний проект складається з 173 тисяч геліостатів та забезпечує виробництво електроенергії потужністю у 392 МВт, що достатньо для понад 100 тисяч будинків у південній Каліфорнії. Новий проєкт компанії BrightSource для Південної Африки передбачає 42 тисячі геліостатів.
Ключем до того, щоб компанія BrightSource та інші аналогічні компанії генерували таку величезну кількість чистої енергії, є оптимальне управління рухом панелей відповідно до положення Сонця. Таким чином, геліостати можуть накопичувати максимальну на сьогодні кількість сонячної енергії. Очікується, що обсяг екологічно чистої електричної енергії, яка от- римується від Сонця, зростатиме в геометричній прогресії від року до року, оскільки технології, що дозволяють генерувати таку енергію, стрімко розвиваються.
Співпраця компаній, що генерують екологічно чисту енергію, з провідними виробниками електронних компонентів є потужним стимулом для електронної промисловості, включно компанії, що розробляють системи управління на новій мікро- електронній елементній базі.
ВИСНОВКИ
Відновлювана екологічно чиста енергія протягом останніх декількох років значно підвищила свою поужність в світі. Крім сонячних батарей та вітряними електростанцій, зараз з’явилися перші потужні електростанції на основі геліостатів. Ефективність останніх залежить від точності управління геліостатами. Для цього використовуються нові програмні та апаратні засоби та системи управління. Таким чином, нові технології генерації чистої електроенергії є вагомим поштовхом до створення нової мікроелектронної елементної бази та побудови систем управління на її основі.
ЛІТЕРАТУРА
- Hannah Ritchie, Max Roser and Pablo Rosado (2020) – “CO₂ and Greenhouse Gas Emissions”.
- NASA Earth Observatory – “World of Change: Global Temperatures”.
- Patrick Galey, Marlowe Hood and Kelly MacNamara (2021) – “UN draft climate report: Impacts on people”.
- Gabriel Gordon-Harper (2020) – “UNDRR Re- port Calls for Improved Governance to Address ‘Systemic Risk’”.
- Harry Gray Calvo and Gayle Markovitz (2022) – “Global Public Braces for ‘Severe’ Effects of Climate Change by 2032, New Survey Finds”.
- Swiss Re (2021) – “World economy set to lose up to 18% GDP from climate change if no action taken, reveals Swiss Re Institute’s stress-test analysis”.
- Tom Kompas, Van Ha Pham, Tuong Nhu Che (2018) – ” The Effects of Climate Change on GDP by Country and the Global Economic Gains From Comply- ing With the Paris Climate Accord”.
- ADI analysis based on figures from “The economic transformation: What would we change in the net-zero transition.” McKinsey & Company. January 24, 2022.
Лайкнути
Твітнути