Солнце - это жизнь, а не батарейка

Плеханов С.И.
(«ХиЖ», 2012, №8)

Минувший 2011 год можно считать годом великого перелома в развитии солнечной энергетики: стоимость мощности одного ватта в солнечных элементах у крупных производителей упала ниже одного доллара. Это произошло на фоне долгового кризиса в Евросоюзе и вызванного им снижения дотаций на альтернативную энергетику. Иными словами, в созданной благодаря многолетним государственным дотациям системе производства и обслуживания солнечных элементов заработали рыночные механизмы, которые обеспечили снижение ее стоимости до уровня, конкурентоспособного с энергетикой, основанной на сжигании ископаемого топлива. Более того, перспектива отказа от традиционной энергетики перестала быть фантастикой.

С.И.Плеханов, генеральный директор НПП"Квант"

Капица против


Восьмого октября 1975 года на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, академик Петр Леонидович Капица, удостоенный тремя годами позже Нобелевской премии по физике, сделал концептуальный доклад, в котором, исходя из базовых физических принципов, по существу, похоронил все способы получения энергии из возобновляемых источников. С тех пор значительное число специалистов пребывает в убеждении, что энергия ветра или солнца может служить лишь небольшим дополнением к основной энергетике, базирующейся на сжигании того или иного вида невозобновляемого (в масштабах человеческой жизни) топлива.

Если кратко изложить соображения академика Капицы, то они сводятся к следующему: любой источник энергии можно охарактеризовать двумя параметрами — плотностью энергии, то есть ее количеством в единице объема, и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.

Плотность солнечной энергии ничтожна. Зато она распространяется с огромной скоростью — скоростью света. В результате поток солнечной энергии, приходящий на Землю и дающий жизнь всему, что на ней обитает, совсем не мал — более киловатта на квадратный метр в солнечный полдень на экваторе. Этого достаточно для обеспечения жизни на планете, но, увы, не для обеспечения энергетических потребностей человечества. Как отмечал П.Л.Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, возможно использовать поток в 100—200 ватт на квадратный метр. Даже сегодня КПД присутствующих на рынке устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15%. Чтобы покрыть с их помощью только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40—50 квадратных метров. А чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива в масштабах человечества, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50—60 километров. Очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.

Петр Леонидович поставил здесь точку, так как был уверен, что абсурдность этой конструкции говорит сама за себя, и в качестве основных источников энергии для человечества в будущем рассматривал ядерную и термоядерную энергетику.

Не будем обсуждать правильность исходных посылок П.Л.Капицы, а перейдем к текущей ситуации в энергетике.


Несбыточный термояд


Прошло тридцать лет. За это время выяснилось, что с термоядерной энергетикой не все просто. В мире было построено около 300 реакторов (стоимостью примерно в 150 млрд. долларов). Ни один из них не пригоден для промышленных целей. Главная проблема заключается в том, что кольцевой плазменный шнур с параметрами, достаточными для протекания термоядерных реакций, является короткоживущим. Здесь нет ресурсных ограничений, но технические проблемы оказались очень серьезными. Одна из главных — гигантские размеры реактора: эксперименты и расчеты показывают, что для получения долгоживущего плазменного шнура требуется тор диаметром в десятки метров. Это столь сложное инженерное сооружение, что для его создания пришлось объединить усилия всех промышленно развитых стран, да и стройка затянулась — закончить ее предполагается к 2019 году, а только к 2037 году планируется окончание экспериментов. И тем не менее проект ИТЭР (проект международного экспериментального термоядерного реактора) может обернуться неудачей, если экспериментальный реактор окажется неспособным дать больше энергии, чем будет затрачено на создание и поддержание плазменного шнура. Энтузиаст термоядерной технологии академик Е.П.Велихов считает, что даже в случае успеха ИТЭРа мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу XXI века во всем мире не превысит 100 ГВт. Заметим, что установленная мощность всех источников энергии на земном шаре в настоящее время превысила 3,5 ТВт.


И «мирный атом» не торопится


В своем докладе П.Л.Капица особо коснулся атомной энергетики и отметил три главные проблемы на пути ее становления в качестве главного источника энергии для человечества: проблему захоронения радиоактивных отходов, критическую опасность катастроф на атомных станциях и проблему неконтролируемого распространения ядерного оружия. Через десять лет в Чернобыле мир смог убедиться, что страховые компании и академик Капица были более чем правы в оценке опасности ядерной энергетики. Случившаяся спустя четверть века катастрофа в Фукусиме упрочила сомнения в целесообразности получения энергии за счет деления ядра. И все же соображения безопасности — отнюдь не главный сдерживающий фактор. Основа современной мировой атомной энергетики — ядерные реакторы на тепловых нейтронах. Они сжигают невозобновляемый ресурс — уран. Однако количество дешевых месторождений урана ограничено, и в настоящее время добыча урана чрезвычайно сильно отстает от спроса. По мере оскудения запасов нефти и роста ее цены уран как ресурс будет эксплуатироваться все больше. Поэтому во многих странах создают его стратегические запасы. Расчеты, выполненные в 2005 году, предсказывают даже при трехпроцентном ежегодном росте потребления урана серьезный дефицит этого энергоносителя уже к 2020 году.

Предсказания американских исследователей, сделанные сорок лет назад, в общем-то, сбываются

Серьезной проблемой остаются транспортировка топлива и отходов, а также утилизация конструкций самих АЭС, срок службы которых 30—40 лет. С учетом того, что массовое их строительство пришлось на семидесятые годы, сейчас как раз подходит срок их массового демонтажа. Проблема, о которой мало говорят честно — захоронение радиоактивных отходов, — технически не решена и, по сути, переложена на следующие поколения. Возможно, в ближайшем столетии останется перспективной атомная энергетика на быстрых нейтронах на основе плутония, которая предполагает замкнутый безотходный цикл, а реактор еще и сам нарабатывает топливо для производства энергии. Однако, несмотря на серьезные усилия, ни в одной стране электростанции на таком реакторе не построено: слишком высоки риск аварии и стоимость эксплуатации. Кроме того, производство плутония в таком реакторе создает риск распространения ядерного оружия.


Закопченное небо


Энергия атома, высвобождаемая при термоядерном синтезе или ядерном делении, — самая концентрированная, не случайно Капица именно ее выделил в качестве основы энергетики будущего. А на предыдущей ступени по степени концентрации энергии стоит законсервированный в горючих полезных ископаемых солнечный свет (или тепло Земли — если правы сторонники гипотезы абиогенного происхождения нефти и угля). В отличие от энергии атома сжигать ископаемое топливо, правда, не с самой большой эффективностью, можно без особых технических устройств, что человечество и делает на протяжении двух столетий. Результат известен. Сжигание угля приводит к загрязнению окружающей среды оксидами серы и азота, ртутью, кадмием и радиоактивными элементами. Сжигание нефти, точнее продуктов ее переработки, дает те же оксиды азота плюс несгоревшие ароматические углеводороды. У газа выхлоп чище. И во всех трех случаях окружающая среда загрязняется, во-первых, теплом, которое многие годы накапливали за счет фотосинтеза древние растения, а во-вторых, углекислым газом, который многие климатологи считают главной причиной глобального потепления.

Даже если не принимать во внимание проблему исчерпания ископаемого топлива (а пик его добычи, по некоторым оценкам, приходится на 2018 год) и даже если встать на сверхоптимистическую точку зрения сторонников абиогенного образования нефти и угля непосредственно под нашими ногами, все равно никак нельзя считать признаком устойчивого развития спровоцированное человечеством быстрое изменение естественного круговорота тепла и химических веществ планеты. Велика вероятность, что, продолжая сжигать ископаемое топливо, человечество получит серьезные проблемы со средой обитания.

Сценарии развития ситуации на планете, построенные с предположением, что топливные ресурсы исчерпаемы, подробно рассмотрены множеством авторов. Вспомним, например, общую компьютерную модель взаимодействия биосферы Земли и современной техносферы, разработанную в 1972 году математиками Массачусетского технологического института. Из нее следует, что при сокращении невозобновляемых ресурсов Земли, росте затрат на их добычу и некоторых других ограничениях численность человечества, пройдя пик в 2030 году, может начать снижаться между 2050 и 2100 годом (см. рисунок). Причиной будут общий недостаток энергоресурсов и вызванный ими спад производства предметов потребления и продуктов питания, тем более что последнее требует огромного количества энергии, а также пестицидов, гербицидов и многого другого. Эта модель подвергалась критике с момента ее появления. Но что удивительно, все фактические данные, получаемые за время ее существования, неизменно подтверждались. В 2012 году австралийский физик Грэхем Тёрнер в очередной раз проверил расчеты сорокалетней давности и подтвердил базовые выводы модели об опасности неограниченного роста.

С наступлением эпохи массовой индустриализации, с включением Индии и Китая в техносферу ресурсный коллапс стал ближе. Влияние государств, обладающих теми или иными природными ресурсами, усиливается, одновременно усиливается и нажим на эти государства со стороны прочих. Видимо, мы стоим на пороге глобального перелома и перераспределения векторов влияния на планете, и это случится при жизни одного поколения. Представляется, что к концу первого десятилетия XXI века элиты развитых стран четко осознали проблематичность будущего нынешней цивилизации в условиях окончания рентабельных запасов углеводородного сырья и вызванного их сжиганием потепления климата. Уже сформулированы новые планы: переход на использование возобновляемых источников энергии и установление контроля за имеющимися невозобновляемыми источниками на случай, если первый план не сработает.


Альтернатива


Так человечество остается с надежным, не вызывающим неприятных последствий в окружающей среде потоком солнечной энергии и ее производными — энергией ветра, падающей воды, фотосинтеза ныне живущих растений, а также энергией гравитационного взаимодействия (приливы) и теплом Земли. С теми самыми низкоплотными потоками энергий, отвергнутыми Капицей тридцать с лишним лет назад.

До промышленной революции, то есть до XVIII века, именно такая низкоплотная энергия служила человеку. Применение более концентрированной энергии ископаемого топлива обеспечило стремительное развитие технологической цивилизации. Однако достигнутый в XX веке уровень науки и техники позволяет человеку концентрировать энергию ничуть не хуже, чем это происходит в недрах Земли, что и было использовано при развитии альтернативной энергетики. В XXI веке она превратилась в серьезный источник энергии. Так, в 2010 году всемирная суммарная установленная мощность ветряных турбин, заводов биотоплива, электростанций на сжигаемых отходах и солнечных электростанций впервые достигла 381 ГВт, превысив общую мощность ядерных электростанций, равную 375 ГВт. Это уже более 10% всех электростанций, располагаемых человечеством, — 3,54 ТВт. Из 55 ГВт новых мощностей, которые были введены в ЕС в 2010 году, 22,7 ГВт пришлись на возобновляемые источники энергии. Согласно же последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии («Дорожной карте по энергетике до 2050 года»), доля возобновляемых источников в конечном потреблении к 2050 году определена на уровне 75%, а в производстве электричества — 97%. Поскольку подобные документы — не предмет для обсуждения, а руководство к действию, очевидно, что скоро к западу от России возникнет принципиально иная энергетическая система, опирающаяся в основном на внутренние ресурсы входящих в нее стран.

В общих чертах о ее контурах можно судить по исследованиям американских ученых из Калифорнийского и Стэнфордского университетов, которые в 2005 году рассчитали, что энергии ветра, воды и солнечного света может быть достаточно для стопроцентного перехода всего человечества на возобновляемые источники энергии. Для этого условно-необходимы около четырех миллионов ветровых турбин, мощностью 5 МВт каждая, около девяноста тысяч солнечных фабрик, которые вырабатывают электричество напрямую или концентрируют солнечную энергию для нагревания теплоносителя. При этом мощность одной электростанции должна составлять в среднем 300 МВт. Вдобавок к этому потребуется 1,7 млрд. трехкиловаттных фотогальванических покрытий на крышах домов. Это, конечно, упрощенная модель, не учитывающая проблемы сохранения и перераспределения энергии, но важно, что масштаб задач вполне реалистичен. Сделанные оценки включают только технологии, которые уже применяются или близки к применению, а не те, внедрение которых может начаться лишь через 20—30 лет. Безусловно, технический прогресс будет столь же стремительным, однако нет необходимости ждать появления новых, невиданных сегодня решений.

Какой вид возобновляемых источников энергии может стать базовым в будущей «корзине» энергогенерирующих технологий? Мы в НПО «Квант» считаем, что это непосредственно солнечная энергия. Такую точку зрения подтверждает статистика. С 1990 года производство солнечных элементов увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2010 году 82 млрд. долларов. Непрерывно растут инвестиции в солнечные технологии — с 40 млрд. евро в 2010 году до (как ожидается) более 70 млрд. евро в 2015 году. По данным Европейской ассоциации фотовольтаической промышленности (EPIA), в 2011 году в мире было подключено 27,7 ГВт новых солнечных станций. В результате суммарная установленная мощность всех этих станций достигла 67,4 ГВт, и по этому показателю фотовольтаика вышла на третье место после гидро- и ветроэнергетики.

Более того, расчет показывает, что, сосредоточив солнечные электростанции в трех районах с большим потоком света, а именно в пустынях Ливии, Мексики и Австралии, можно обеспечить круглосуточное снабжение электричеством всей мировой энергосистемы, которое покроет от половины до двух третей потребности в мощности, и при этом электростанции займут не более 0,02% поверхности Земли. Правда, для реализации таких проектов нужны не только технические устройства и мощные линии передачи энергии, но и политический контроль соответствующих регионов, который осуществляли бы основные потребители, а также единый мировой диспетчерский центр для управления потоками энергии. Вряд ли такой проект может воплотиться в нынешних политических условиях, однако мировая нехватка ресурсов вполне может привести к реализации такого проекта.

В стране, которая претендует на звание энергетической сверхдержавы и базирует свою экономику на продаже ископаемого топлива, рассказы про светлое будущее солнечной энергетики могут показаться авантюрой. Подобное отношение отражено и в официальных документах. Например, «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» выдержана в духе индустриальной энергетики, ориентирована на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей, а развитию возобновляемых источников и децентрализации энергоснабжения внимания уделяет мало. Вполне в духе этой концепции отечественные чиновники проявляют искреннее непонимание ситуации, давая советы евросоюзовским коллегам не тратить попусту деньги на альтернативную энергетику, а закупать побольше российского газа. Однако те полны решимости обрести энергетическую независимость и вряд ли откажутся от своих планов. Не обнаружим ли мы себя однажды засыпанными пеплом современного Везувия, как некогда жители Помпеи, не задумывавшиеся о завтрашнем дне? Развитие возобновляемых источников энергии — это не только вопрос энергетики, это вопрос экологии, цивилизации. Главное сейчас происходит в головах. Наши представления об использовании ресурсов и генерации энергии должны будут в корне измениться. Этот процесс начался и будет продолжаться — в энергетике, основе цивилизации, мы переходим от соревнования мощи ресурсов к соревнованию мощи мозгов.


Преимущества солнечной энергетики


При сравнении разных методов производства электроэнергии надо учитывать следующие факторы:

— безопасность эксплуатации;

— минимальность и удобство обслуживания;

— устойчивость к частичному разрушению;

— минимальность затрат на утилизацию;

— эффективность систем хранения и передачи электроэнергии.

Рассмотрим эти факторы подробнее. Безопасность эксплуатации — соблюдение достаточно хорошо разработанных в эпоху традиционной энергетики норм для генерирующих мощностей, сильноточных и высоковольтных устройств. При наличии накопителей энергии — отсутствие пожаровзрывоопасных решений, эффективные методы заряда-разряда и контроля состояния.

Минимальное обслуживание — это сильная черта, изначально присущая фотоэлектрическому преобразованию. Его оборудование не имеет движущихся частей, что существенно упрощает обслуживание и снижает его стоимость. Срок службы солнечных батарей, вероятно, будет достигать ста лет (проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах). Возможно, соображения минимизации обслуживания сделают более предпочтительными солнечные станции без следящих систем вне экваториальных областей. Конечно, всегда будет нужен уход за поверхностью, принимающей солнечное излучение, хотя и здесь затраты могут минимизировать самоочищающиеся покрытия.

Что касается отказоустойчивости, схемотехнические решения в солнечной энергетике позволяют исключить «полный отказ» при повреждении части модулей, инверторов и прочих узлов установки. Здесь легче реализовать гибкие алгоритмы коммутации по мере отказа ряда элементов. Само наличие множества модулей и гибкая коммутация позволяют повысить надежность работы станции до более высоких уровней, чем у тепловых и гидроэлектростанций.

Утилизация — задача, специфичная для каждого вида энергетики. Для атомной она не решена, если называть вещи своими именами, для угольной решена частично, но проблемы золоотвалов, оксида азота и диоксида серы хорошо известны, в газовой и нефтяной решена вполне удовлетворительно. Для солнечной энергетики рециклинг отслуживших фотоэлементов часто почему-то называют проблемой. Это совершенно не соответствует истине. В электронике переработка развивалась всегда; хорошо известны методы извлечения из отслуживших приборов индия, галлия, германия, кремния и прочих элементов для их повторного использования. Сейчас в фотовольтаике перерабатывают около 2500 тонн отслуживших фотоэлементов, к 2020 году объем возрастет до 20 000 тонн. Остальные фотоэлементы будут просто в рабочем состоянии, ведь время эксплуатации у них более 30 лет. По мере их выхода из строя переработка будет развиваться по вполне рыночным механизмам — как источник сырья для новых элементов.

Действительно серьезная проблема — эффективность передачи и хранения энергии. В отличие от насосов, которые выкачивают нефть днем и ночью, или от угольных/газовых ТЭС, которые также могут функционировать круглые сутки, солнечные батареи вырабатывают энергию лишь в определенное время суток. Если нужно привести в движение индустриальную экономику с ее опорой на аэропорты, самолеты, грузовики, миллионы километров шоссейных дорог, гигантские небоскребы и круглосуточную доступность топлива, то нерегулируемых источников энергии будет недостаточно. Солнечные станции должны иметь накопитель, позволяющий выравнивать сезонные и часовые колебания выработки. Такие накопители потребуют существенной модернизации сетей передачи электроэнергии, их интеграции на огромных расстояниях — протяженностью на много часовых поясов. Неизбежно и появление новых технических устройств, способных хранить электричество, которые изменят сам вид городов и жилых домов. Очевидно, что из-за увеличения расстояний между электростанциями и потребителями энергии придется кардинально снизить потери на нагрев проводов, которые сейчас составляют в Японии 5% от общего объема, в Западной Европе — 4—9%, в США — 7—9%, а в нашей стране 13—14%.


Энергетика и дотации


Традиционно говорят о дороговизне возобновляемых источников энергии и о необходимости их дотирования, что якобы делает все сопоставления нечестными. Это не так — сегодня альтернативная энергетика подешевела. Вот, например, отчет 2011 года Комиссии по коммунальным услугам Калифорнии, из которого следует, что штат подписал контракт на 2012 год на поставку электричества с владельцами солнечной электростанции мощностью в 500 МВт по цене ниже, чем с газовиками. Из исследования агентства «Bloomberg», проведенного в 2012 году, следует, что уже в 2016 году береговые ветроэлектростанции в Европе дадут ток дешевле, чем газовые турбины смешанного цикла. Сегодня конечная стоимость «под ключ» одного ватта в крупной солнечной станции составляет 2,5—2,8 евро/Вт, к 2020 году ожидается ее снижение до 0,9—1,5 евро/Вт, а к 2030 году — до 0,7 евро/Вт. Соответственно стоимость вырабатываемой такой станцией электроэнергии к 2020 году снизится с нынешних 0,15—0,29 евро/кВт-час до 0,07—0,17 евро/кВт-час, к 2030 году — до 0,04 евро/кВт-час. Установившиеся к концу 2011 года цены на 1 Вт в модуле в диапазоне 1—1,1 доллара демонстрируют практически 40-процентное снижение по сравнению с началом 2011 года. А это означает, что реальная динамика снижения стоимости солнечной энергии превзошла прогнозы. И уже в 2012 году стоимость «солнечного» и «традиционного» киловатта электроэнергии в некоторых районах мира сравняется.

Альтернативная энергетика получает в 75 раз меньше дотаций, чем нефтяники. С 1994 по 2009 год в США нефть и газ были дотированы из бюджета на сумму 447 млрд. долларов, а возобновляемые источники энергии — на 6 млрд. долларов. Более того, в начале ХХ века, когда топливная индустрия бурно развивалась, нефть и газ получали до 0,5% федерального бюджета США на свое развитие, тогда как солнце, ветер и приливы получают сегодня не более 0,1%. За последние 15 лет в США ядерная и ветровая энергетика произвели сопоставимые объемы электроэнергии (2,6 млрд. кВт/ч в ядерной энергетике против 1,9 млрд. кВт/ч в ветровой), но субсидирование ядерной отрасли превышает ветровую более чем в 40 раз (39,4 млрд. долларов против 900 млн. долларов). Вряд ли в других странах ситуация сильно отличается. Поэтому корректнее говорить о перераспределении существующих дотаций.


Солнечное разнообразие

Как делают солнечный элемент

123

Разные разности

08.09.2021 17:00:00

…иммунная система борется с инфекциями с разной интенсивностью в зависимости от времени суток…

…чрезмерное пристрастие к кофе приводит к уменьшению объёма мозга и увеличивает риск развития деменции и инсульта…

…обнаружена значительная корреляция между моментом инерции барицентрического движения Солнца и изменениями среднегодовой температуры Мирового океана в местах основных океанических течений…


>>
24.08.2021 17:00:00

Время от времени китайцы пускаются в путешествия: кто в поиске лучшей доли, кто для удовольствия. Кто они, те китайцы, что едут в РФ в последние 30 лет? Подробное исследование провел социолог из Южно-Уральского университета А.А. Авдашкин.

>>
11.08.2021 18:00:00

Научная группа из Международного института прикладного системного анализа во главе с Дмитрием Щепащенко сумела точно подсчитать объем лесной биомассы РФ.

>>
04.08.2021 17:00:00

…считается, что на микробиом кишечника в первую очередь влияет образ жизни, однако результаты 14-летнего наблюдения за популяцией бабуинов в Кении говорят, что решающую роль играют наследственные факторы…

…тело человека претерпевало и до сих пор претерпевает весьма существенные изменения под воздействием факторов окружающей среды, главным образом — температуры…

…новая маска со специальными сенсорами позволяет выяснить, болен ли человек ковидом; сенсоры могут быть настроены на работу и с другими вирусами…

>>
27.07.2021 17:00:00

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили оценить различия между воспроизводимыми и невоспроизводимыми научными работами. Оказалось, что чем хуже воспроизводится эксперимент, тем выше индекс цитирования.

>>