Альтернативные источники энергии: современная география и перспективы использования

У большинства людей  на сегодняшний день солнечная энергия  ассоциируется с блестящими черными  панелями (фотогальванические элементами), установленными на крыше, поглощающими солнечную энергию и преобразующими ее в электричество. Но такие панели на крышах жилых домов встречаются довольно редко, не в последнюю очередь из-за чрезмерно высоких цен на приобретение и установку.

Однако кроме черных панелей, существует ряд способов захвата солнечной энергии в масштабах значительно более крупных. Все больше и больше усилий исследователи фокусируют сейчас на системах «концентрированной солнечной энергии» – сокращенно CSP (concentrated solar power).

В системах CSP солнечное излучение концентрируется оптическими деталями на участке, где расположен ресивер. Солнечная энергия затем преобразуется в электрическую. На практике система CSP состоит из четырех основных элементов: солнечного поля, элементов фокусировки лучей, солнечного ресивера и преобразователя. Ряд проектов, основанных на этой идее, в данный момент разрабатывается и уже тестируется.

Идея создания такого параболоида появилась еще  в середине 1980-х гг. Самое знаменитое ее воплощение – девять электростанций, построенных в Калифорнийской пустыне. Эти электростанции работают и по сей день, вырабатывая 354 МВт энергии. Ряд проектов по солнечной энергии запускается и в Европе. Лидером является Германия с десятью работающими солнечными электростанциями.

На юге Испании  располагается Солнечная платформ Америки (Platforma Solar de Almeria) – компания, занимающаяся исследованиями и тестированием в области технологий солнечной энергии. Главная используемая концепция при возведении подобных сооружений – «центральная башня» – зеркала, называемые гелиостатами, автоматически захватывают наибольшее количество солнечной энергии и концентрируют излучение на центральном ресивере, расположенном на вершине башни.

Первая в Европе коммерческая солнечная электростанция, фокусирующая солнечные лучи, был открыта в Севилье, Испания, в марте 2007 г. Станция получила название Планта Солар 10 (Planta Solar 10). 624 больших гелиостата фокусируют солнечные лучи на едином солнечном ресивере высотой 115 м. При максимальной температуре в 250°С солнечный ресивер подает воду в поток, который, который, в свою очередь, снабжает энергией турбину. Турбина обладает пиковой мощностью в 11 МВт, что означает выработку 23 млн. кВт·ч электричества в год. Этого достаточно для снабжения 6 000 жилых домов и экономии 18 000 т угля в год. Вторая башня, Планта Солар 20 (Planta Solar 20), пока находится на стадии постройки и будет обладать пиковой мощностью в 20 МВт.

Однако использование  панелей и башен не всегда необходимо для работы с солнечной энергии. Еще один метод, «Энергетическая башня», был разработан четверть века назад. Если проект покажет свою экономическую жизнеспособность, мы увидим одно из высочайших строений на земле, которе затмит своими размерами даже 800-метровый небоскреб Бурж Дубаи (Burj Dubai) в Объединенных Арабских Эмиратах. Изначально запатентованный как «Энергетическая башня нисходящего водного распыления» доктором Филиппом Карлсоном (Philip Carlson) в 1975 г., проект с 1982 г. был доработан и улучшен профессором Дэном Заславски (Dan Zaslavsky) из Техниона (Technion), Израильского технологического института в Хайфе.

«Энергетическая башня» производит электричество, накачивая воду на верхушку трубы и затем распыляя ее внутри. В результате высокая температура на верхушке трубы заставляет воду испаряться, охлаждая таким образом воздух и делая его плотнее. Этот охлажденный воздух затем падает к стволу трубы, вызывая нисходящий поток, передающий энергию турбине. В зависимости от местоположения, которое должно отвечать требованию горячего сухого климата и относительной близостью к источнику воды, высота башни должна ранжироваться от минимума в 600 м до небоскребных 1200 м.

Схожая идея, «Солнечная башня на восходящих потоках», также заимствует разработки прошлых лет. Солнечная башня, предложенная австралийской фирмой ЭнвироМишен (EnviroMissioт) и американской компанией Солар Мишен Технолоджи (Solar Mission Technologies) – прямой потомок испанского прототипа 1982 г. Постройка 190-метровой башни, окруженной коллекторами (укрытиями из чистого пластика, собирающими теплый воздух), расположенной в испанском городе Мансаранесе, было детищем немецкого инженера Йорга Шлайха (Jorg Schlaich).

Подобно «Энергетической башне», «Солнечная башня» использует воздух, чтобы вращать турбины и предполагает доступность жаркого климата. Но вместо создания нисходящего холодного воздуха, она использует горячий воздух из коллекторов и направляет его в трубу. Чтобы план был жизнеспособным, высота трубы должна составлять примерно 1000 м, что, по заявлению фирмы EnviroMission, позволит вырабатывать до 200 МВт энергии для 200 000 жилых домов. Критики проекта Солнечной башни недовольны тем, что коллекторы займут слишком большую территорию (до 3 км по окружности), а также тем, что это слишком дорого для осуществления.

В России в настоящее  время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год.

В 1992 году на двух заводах  объединения "Интеграл" в г.Минске (Беларусь) освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства. В случае специализации нескольких заводов на выпуске солнечных элементов в России объем производства к 2015 г. превысет 2000 МВт в год. Однако для этого необходима государственная инвестиционная поддержка новых энергетических технологий, в первую очередь технологии производства солнечного кремния.

Известно, что солнечная  электростанция, работающая на энергосистему, может не иметь суточного и  сезонного аккумулирования, если ее мощность составляет 10-15% от мощности энергосистемы. Это соответствует мощности СЭС 40 ГВт, для размещения которой потребуется площадь солнечных элементов около 400 км².

Поскольку удельная стоимость  СЭС не зависит от ее размеров и  мощности, в ряде случаев целесообразно  модульное размещение СЭС на крыше  сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии. При модульном размещении СЭС 1 млн.кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 сельских домов и коттеджей.

Поскольку кремний занимает в земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что от первобытных людей с примитивными кремниевыми орудиями труда человечество через тысячи лет переходит к периоду, в котором в качестве конструкционных материалов будут использованы керамика, стекло, силикатные и композиционные материалы на основе кремния, а в качестве глобального источника энергии - кремниевые солнечные электростанции. Проблемы суточного и сезонного аккумулирования, возможно, будут решены с помощью солнечно-водородной энергетики, а также широтного расположения солнечных электростанций и новых энергосберегающих систем передачи между ними. Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт. ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти.

В связи с высокой  надежностью срок службы СЭС по основной компоненте - кремнию и солнечным  элементам может быть увеличен до 50-100 лет. Для этого потребуется  исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД 25-30% будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени. [12]

В Намибии, стране с большими энергетическими проблемами и где дефицит составляет 50%, решено осуществить проект по использованию солнечной энергетики.

Проект южноафриканской  фирмы Ханх и Ханх (Hanh & Hahn) называется ”Зеленая Башня” (Green Tower). Башня – это бетонная труба диаметром 280 м и высотой 1,5 км, внутри которой установлены ветряные турбины. Рядом с башней будет установлена большая теплица (40 кв.км). Воздух, нагретый в теплице, будет подниматься вверх и поступать в башню, заставляя работать ветряки. Мощность солнечной башни составит 400 МВт.

Теплица может  быть использована для сельскохозяйственных нужд. Для поливки предлагается использовать грунтовые воды или опресненную  морскую воду. Предварительно стоимость  проекта оценивается в 150 млн. долл. [13]

Компании Абенгоа  Солар (Abengoa Solar) и Аризона Паблик Сервис (Arizona Public Service Co. (APS)) подписали контракт о строительстве в штате Аризона крупнейшего в мире предприятия по производству электричества из солнечной энергии.

Электростанция, запуск которой ожидается в 2011 г., будет построена в 70 милях к  юго-западу от Финикса. Предприятие  будет давать электричество в  течении ближайших 30 лет и должно сэкономить штату более 1 млрд долл.

Солнечная электростанция, которая будет названа Солана (Solana), будет иметь мощность 280 МВт, что достаточно для освещения 70 тыс. домов и позволит сэкономить более 400 тыс. т газа.

В июне 2009 г. парламент  Тайваня принял закон, в соответствии с которым в течение ближайших 20 лет возобновляемые источники энергии на Тайване должны будут вырабатывать 6 500-10 000 МВт. В 2009 году доля альтернативных источников энергии составляет 5,8% от всей вырабатываемой на Тайване энергии (2278 МВт). [7]

В Ставропольском крае может появиться крупнейшая в России солнечная электростанция мощностью 6 МВт.

Специалисты института  “Ростовтеплоэлектропроект” разработали  инвестиционные предложения, инициатором  строительства солнечной электростанции выступила компания “Сфинкс”.Проекта  в настоящее время рассматривается в министерстве промышленности, транспорта и связи Ставропольского края. Общая стоимость проекта составляет 1,5 млрд. руб. Предполагаемая площадь застройки 27 га, место строительства – окраина г. Кисловодск. В этом районе в течение всего года наблюдается высокая солнечная активность. Максимальный срок окупаемости станции – 10 лет.

По оценкам специалистов института “Ростовтеплоэлектропроект”, за счет экономического потенциала солнечной энергии в Южном федеральном округе возможно обеспечить получение более 400 млрд. кВт·ч/год. [15]

Ученые из американской национальной лаборатории ВИЭ создали  солнечную батарею, КПД которой  составил 40,8 %. Это пока лучший показатель в мире, а по утверждению авторов  – абсолютный рекорд. Учитывая, что  теоретический тепловой потенциал солнечной энергии, приходящий на землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 10-20 раз, данное направление инновационного развития энергетики для многих регионов мира весьма перспективно.Т

Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам получения гелиоэнергии. Но может создаться такое положение в мире, когда относительная дороговизна солнечной энергии будет не самым большим ее недостатком. Речь идет о «тепловом загрязнении» планеты вследствие гигантского масштаба потреблении энергии. Необратимые последствия, утверждают ученые, наступят, если потребление энергии превысит сегодняшний уровень в сто раз. Упускать этого из виду никак нельзя. Вывод же ученых таков: на определенном этапе развития цивилизации крупномасштабное использование экологически чистой солнечной энергии становится полностью необходимым. Но это не значит, что у гелиоэнергетики нет противников. Вот их резоны: из-за низкой плотности солнечного излучения установка аппаратуры для его улавливания приведет к изъятию из землепользования огромных полезных площадей, не считая крайней дороговизны оборудования и материалов.

Пока же предстоит  еще долгий путь, прежде чем удастся  вырабатывать из солнечных лучей  электроэнергию, сравнимую по стоимости  с производимой за счет сжигания традиционного  ископаемого топлива. Разумеется, нереально  в таких условиях рассчитывать хотя бы в обозримом будущем перевести всю энергетику на гелиотехнику. Пока ее удел – набирать мощности и снижать стоимость своего киловатт-часа. При этом не стоит забывать, что с точки зрения экологии солнечная энергия действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе.

ВЕТЕР

Энергия ветра очень  велика. Ее запасы по оценкам Всемирной  метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию  можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Чтобы снизить зависимость  от непостоянного направления и  силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.