Вечная энергия

С.Мучник (Дортмунд)

Потребности человечества в энергии растут, растут даже опережая рост самого человечества. Хорошо тому, кто имеет нефть и газ, а кто не имеет – тот зависим. Снова вроде политика, но куда без нее сегодня?

Атомная энергия после аварии на Фукусиме так всех устрашила, что многие страны на развитие атомной энергетики практически наложили вето. Германия, увы, в числе расстающихся с мирным атомом. Многие специалисты полагают, однако, что это – фатальная ошибка, их позиция была отражена в статье «Ядерная энергетика – списывать рано!» в «Партнёре» за июль. И всё же... Без ядерных электростанций жить как-то спокойнее, надежнее, и без угольных, загрязняющих атмосферу и территории вокруг себя, – тоже, и без гидроэлектростанций, ради которых затапливают огромные пространства – тоже!

Есть еще два перспективнейших источника энергии: сланцевый газ и гидрат метана. В первом случае речь идет, возможно, о революции в добыче энергоносителей, но остаются очень серьезные сомнения по части экологии. Во втором - вообще вилами по воде писано, точнее очень глубоко под водой, так как гидраты метана залегают под морским дном и их промышленная добыча – дело неблизкого будущего.

Между тем энергия есть везде, мы буквально купаемся в ней, но сконцентрировать ее для применения – получается не очень. Наш вечный термоядерный реактор – Солнце вырабатывает ее столько, что, казалось бы, всем навсегда должно хватить, только бы ее как-то ухватить. Особенно много солнечной энергии приходится на районы вблизи экватора, где именно по этой причине очень много пустынь.

Больше всего солнечного излучения приходится на экватор

Так вот, за 6 часов на поверхность пустынь падает больше солнечной энергии, чем человечество потребляет за весь год.

Есть два принципиально разных способа утилизировать солнечную энергию: гелиотермия и фотовольтаика, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

В первом случае солнечные лучи нагревают теплоноситель, непосредственно падая на нагреваемую поверхность или концентрируясь предварительно на ней коллекторами, и далее тепло утилизируется известными способами. Во втором – фотоэлектрические элементы, известные как солнечные батареи, непосредственно перерабатывают солнечный свет в электричество.

Сравнение их, на первый взгляд, в пользу гелиотермии: КПД тут превышает 30%, в то время как у обычных кремниевых солнечных батарей – вдвое меньше.

Гелиотермия

Редко найдется крыша жилого дома, не украшенная солнечным коллектором, который греет воду для бытовых нужд. Особенно в южных странах, например, в Средиземноморье. Есть отели, ванны которых снабжаются исключительно горячей водой из коллекторов. Нагрев воды солнечной энергией известен с древних времен, а прообраз современного солнечного коллектора создан в XVIII-м веке, тогда в простейшем теплообменнике вода была нагрета до 87 градусов. Уже в XIX столетии во Франции была создана паровая машина с зеркальным концентратором солнечной энергии.

В наше время к вершинным достижением гелиотермии относится солнечная электростанция «Shams 1» в солнечном Абу Даби. Применяемая в ней технология предполагает концентрацию солнечных лучей с помощью параболических зеркал на трубах с теплоносителем – нефтью, которая, в свою очередь, греет воду, превращая ее в пар. То есть принцип действия тут такой же, как и в других тепловых электростанциях, включая атомные, только источником энергии является Солнце. «Shams 1» – это поистине циклопическое сооружение размером с 285 футбольных полей (2,5 кв. км) с тысячью солнечных коллекторов на каждом. Установка стоимостью в полмиллиарда долларов имеет мощность в 100 МВт, и этого достаточно для обеспечения энергией 20 тысяч квартир. Окупает ли себя эта установка или это очередная баснословно дорогая игрушка шейхов, разбогатевших на нефти? По крайней мере, экологически – да! Подсчитано, что одна такая электростанция снижает выброс в атмосферу диоксида углерода на 175 тысяч тонн в год (по сравнению с теплоэлектростанцией обычного типа такой же мощности), такой же экологический эффект дают 1,5 миллиона деревьев или удаление с дорог 15 тысяч автомобилей.

Есть и другие технические воплощения идеи гелиотермии, например, с параболическими концентраторами, в фокусе которых находится так называемый двигатель Стирлинга. Такие установки также собираются в гигантские электростанции, как, например, в Аризоне (США) мощностью в 1,5 МВт, причем планируется их многократное расширение.

На сегодня рекорд мощности принадлежит станции Айванпа (392 МВт): 350 тысяч зеркал фокусируют солнечный свет на трех башнях высотой в 140 м, на вершине которых находятся котлы с водой, превращающейся в пар, вращающий турбины.

Фотовольтаика

Казалось бы, дорогостоящие солнечные батареи – не конкурент коллекторам. В действительности же как раз наоборот.

Поверхность солнечных батарей сделана в большинстве случаев из кремния, второго по распространенности элемента земной коры, но технологически доведенного до полупроводниковой чистоты и весьма дорогостоящего. Тем не менее применение фотоэлементов непрерывно растет, они просты при монтаже и эксплуатации, в них практически нечему ломаться, и поэтому они находят широкое применение: от компактных приборчиков, как часы или калькулятор, до гигантских электростанций. Их КПД непрерывно растет, разрабатываются всё более совершенные солнечные панели, применяются кроме кремния и другие полупроводники, например, химические соединения: арсениды, фосфиды, халькогениды. Совсем недавно в Институте Фраунгофера в Германии создан полупроводниковый фотоэлемент с рекордным КПД в 44,7%. Применяют также многослойные пленочные фотоэлементы, фотоэлементы в сочетании с параболическими концентраторами, от микроскопических до метровых.

Кстати, именно Германия, страна не пустынная и от экватора далекая, является мировым лидером в использовании солнечной энергии.

Выработка электроэнергии в Германии в период с 05.09.13 – 05.09.14

Недавно на Алтае в присутствии президента Путина была пущена солнечная электростанция мощностью аж 5 МВт, весьма выгодная при 300 солнечных днях в году. Только российская пресса ошиблась, назвав ее самой мощной в России. Самая мощная – построенная австрийской фирмой ActivSolar станция Перово, которую Россия приобрела вместе с Крымом. Она была еще недавно мощнейшей в мире (100 МВт) и с двумя другими солнечными гигантами обеспечивала 16% потребляемой Крымом электроэнергии, остальная в основном приходит из-за границы (Украина). А рекорд с недавних пор принадлежит «Solarpark Agua Caliente» в солнечной Аризоне мощностью в 250 МВт.

Перспективы

Взгляните внимательно на карту с линиями, соединяющими Европу с севером Африки и Азии, ничего не напоминает? Люди, хоть немного интересующиеся политикой, сразу скажут, что это – схема потоков беженцев из районов «цветных революций», восстаний исламистов, ISIS с отрезанными головами и массовыми казнями в спокойную, сытую, богатую Европу.

Нет, извините, на карте показаны потоки электроэнергии в Европу, которую предполагалось добывать в рамках проекта Desertec в пустынях Африки и Азии.Они, эти линии, совпадают! Это, собственно, и объясняет причины провала Desertec’а, но отчасти (тут многие не согласятся) и причину бедственного положения в этих регионах.

Идея была просто блестящей: огромные никем и ничем не занятые территории, безводные и почти безжизненные, усеять полями солнечных коллекторов. Добываемая методом электротермии энергия направлялась бы в Европу по выстроенным линиям электропередачи, что для стран-электропроизводителей означало бы прямую выгоду. Солнечная энергия – не нефть, в обозримом будущем не кончится, за нее будут платить, и цена эта колебаться не будет. Строительство потребует создания инфраструктуры, часть энергии пойдет на ее развитие. Вот оно, новое энергетическое эльдорадо!

Посмотрим еще раз на карту: линии идут через Тунис, Ливию, Сирию, Ирак, которые давно уже не колонии, а свободные государства и в которых царит нищета и смерть. Тут сторонники теории заговора могли бы сказать, что раз так, то в выгоде страны-добытчики нефти и нефтяные компании, значит за всеми африкано-азиатскими волнениями они и стоят. Слишком простое объяснение!

Но, тем не менее, по всему миру строятся всё более и более мощные электростанции. Например, гигантский проект в Индии предусматривает создание станции на солнечных батареях мощностью до 4000 МВт. «Ultra Mega Solar Power Plant» займет площадь в 77 кв. км, благодаря ей ежегодный выброс углекислоты в атмосферу снизится на 4 миллиона тонн.

Сегодня солнечные электростанции – самая быстрорастущая область энергетики, их общая мощность ежегодно увеличивается на 50%. В последнее время в этой области сделаны прорывные открытия, обещающие снижение стоимости электроэнергии в разы. Многие эксперты полагают, что уже к середине этого века именно солнечная энергия вытеснит нефть и газ.