Технический прогресс и экономика (стр. 12 )

Из реальных источников на перспективу ближайшего столетия, по мнению российских экспертов, останутся только атомная энергетика на быстрых нейтронах (на основе плутония) и возобновляемая энергетика. Безопасная технология плутониевой энергетики с замкнутым (безотходным) циклом до сих пор не проработана. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 1960-80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения нераспространения ядерного оружия. В настоящее время в мире работает только два промышленных реактора на быстрых нейтронах (в России и Франции).

В случае сохранения нынешних ТЭС и тенденции по росту использования ископаемого топлива, возникнут две экономические проблемы:

- постепенное удорожание топлива из-за исчерпания дешевых месторождений и соответственно удорожание электроэнергии;

- сопутствующее изменение климата приведет к росту числа природных чрезвычайных ситуаций, что потребует существенных затрат на компенсацию их последствий.

Рано или поздно человечеству придется переходить на использование возобновляемых источников. В настоящее время в области альтернативной энергетики лидируют три технологии: энергетика на основе биомассы, солнечная и ветровая энергетика. Наибольший прирост мощностей в последние годы происходил в ветровой энергетике. Ветровая энергетика в Западной Европе уже конкурентоспособна с топливной, однако, ее мировой ресурс не очень высокий. Ожидают, что после 2020 г. лидером станет солнечная электроэнергетика – тепловая и фотоэлектрическая. На сегодня в солнечной электроэнергетике большую часть производимой электроэнергии получают на солнечных ЭС теплового типа (термодинамических) с паровыми или газовыми турбинами и меньшую часть на ФЭС. В США и Китае тепловая солнечная энергетика развивается более энергично, чем фотоэлектрическая. У тепловых солнечных ЭС есть одна привлекательная особенность: тепло легче аккумулировать, и потому его можно накопить в дневные часы, а вечером, во время пиковой нагрузки пустить на генерацию электричества. Часто создают комбинированные ЭС – когда мало солнечного тепла, подключают нагреватель на обычном топливе. Но все же это «турбинная» система со всеми ее недостатками. 

Таким образом, шансы фотоэнергетики с точки зрения конкуренции в будущей энергетике велики.

Как только фотоэнергетика стала пробивать себе дорогу в мир большой электроэнергетики, вскрылись проблемы, присущие самой электроэнергетике.

Корень "зла" для электроэнергетики заключен в неравномерном графике нагрузки, как суточном, так и годовом. Мощность электросети должна рассчитываться на часы "пик", а в остальное время энергия остается невостребованной. Современная «турбинная» электроэнергетика не обладает гибкостью. Турбины нельзя включать и останавливать когда угодно и сколько угодно. (Одной из главных причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС было то, что потерпевший катастрофу гидрогенератор в последние сутки дважды проходил критические режимы работы, что, особенно учитывая его изношенность, было недопустимо).

Такое обстоятельство приводит к необходимости существенного завышения мощностей ЭС. В фотоэнергетике проблема усугубляется еще и 100%-ной (ночь-день) вариацией мощности самих ФЭС.

Спасти положение могла бы возможность накопления энергии в период малой нагрузки, и отдача в период максимального спроса. Электрическая энергия – это самая удобная для непосредственного использования форма энергии. Но электроэнергию невозможно заложить на склад, залить в цистерну или закачать в подземную полость. Хранение электроэнергии сопряжено с большими затратами и потому в больших объемах сегодня просто невозможно. Поиск экономичных систем накопления электроэнергии пока не привел к успеху. В настоящее время могут использоваться, где это возможно, только гидроаккумулирующие станции. Перспективен также подход на основе солнечно-водородных систем: энергия ФЭС идет на гидролиз с получением водорода, а водородная ЭС вырабатывает электроэнергию в непрерывном режиме.

В крупных странах положение несколько спасает использование мощной электросети, в которой потребители электроэнергии распределены по часовым поясам, в результате чего энергия передается в те районы, где наступает пик потребления. В этом случае и пасмурная погода над ФЭС в одном месте может быть легко компен-сирована ярким солнцем над другим регионом. Так в настоящее время за счет большой разветвленности Единой Энергетической сети России экономиться 7 % (15 ГВт) мощностей традиционных ЭС.

По прогнозам экспертов («дорожная карта» программы PVPS агентства МЭА) к 2030 г. будет создано 100 ГВт установленной мощности ФЭС, а к концу 21 века мощность всех ФЭС мира составит 133 ТВт [15].

Специалистами выдвигаются следующие предложения для достижения такой цели:

Создание на Земле глобальной сети ФЭС большой мощности. Создание глобальной космической системы ФЭС – спутников Земли, передающих энергию на Землю. Создание системы ФЭС на Луне с передачей энергии на Землю.

По первому направлению предлагается создать глобальную энергосистему из ФЭС, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы часть ФЭС всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи. Проведено компьютерное моделирование глобальной энергетической системы, состоящей из трех ФЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке [16]. При моделировании использовали базы данных по солнечному излучению за весь период наблюдений. КПД ФЭС принимался равным 25 %, электрическая мощность каждой станции 2,5 ТВт, размеры территории занимаемой СБ каждой станции 200 х 200 км. Такая система может генерировать элек-троэнергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт • ч/год. В настоящее время проводят исследования по возможности создания крупных ФЭС в пустынях Африки и Ближнего Востока с передачей энергии в Европу по подводному кабелю [2]. В США разработан проект сети из трех крупных ФЭС, для которой будет использоваться высокотемпературный сверхпроводящий кабель.

Идеи создания ЭС в космосе для передачи энергии на Землю существовали еще до начала эры освоения космоса. В космосе энергию можно получать круглые сутки. Затем электроэнергию преобразуют в энергию монохроматического излучения СВЧ-диапазона (2 - 3 ГГц). Это излучение передается на Землю, где оно вновь превращается в электроэнергию и вливается в единую энергосистему [17]. Первый технический проект космической ФЭС был разработан в СШ в 1968 г. [18]. Проекты таких станций предполагают два основных варианта их размещения в околоземном пространстве: на геостационарных орбитах, где они будут постоянно находиться в зените над фиксированной точкой на земном экваторе, и на солнечно-синхронных орбитах (более низких, с менее дорогой стоимостью доставки). Проект ФЭС Глейзера мощностью 5 ГВт представлял собой жесткую ферму размером примерно13 х 5 км с СБ из кремниевых СЭ. Создание такой конструкции даже по сегодняшним меркам нереально. За последние десятилетия появились новые подходы в сооружении космических ФЭС – на основе бескаркасных конструкций. Так в 1993 г. на транспортном корабле «Прогресс» был развернут возле станции «Мир» макет пленочной конструкции солнечного паруса площадью 300 м2 и массой всего 4 кг [19]. Предложена технология развертывания центробежными силами крупномасштабной ФЭС из доставленных на орбиту в виде катушек секторов пленочных СБ [20]. Появилась возможность создания на основе нанотехнологий полупроводниковой структуры, объединяющей свойства преобразования солнечной энергии и свойства генерации в СВЧ-диапазоне.

Однако проблемы не только в трудности сооружения СБ в космосе. Не удалось пока исключить высокие потери при преобразовании энергии, получаемой от СБ в силовой луч, посылаемый на приемные устройства на Земле. При использовании наиболее популярного варианта такой передачи посредством микроволнового излучения возникают пока нерешенные проблемы безопасности. Такой луч способен убить все живое в считанные секунды. В настоящее время склоняются к использованию лазерного излучения, которое легче сфокусировать. Крупнейшая в Европе космическая компания EADS Astrium ищет партнеров для участия в проекте запуска спутника с демонстрационной системой. В лабораториях компании успешно проведены эксперименты по передаче энергии лучом инфракрасного лазера и сейчас работают над улучшением КПД всей системы. Если удастся создать фотопреобразователи с КПД 80 % для преобразования на Земле энергии инфракрасного лазерного излучения в электрическую, то компания будет готова приступить к созданию спутника с ФЭУ мощностью 10 - 20 кВт.

В октябре 2007 г. Министерство обороны США выдвинуло проект долгосрочной программы создания космических ФЭС. Япония опубликовала проект, по которому в 2015 г. можно будет вывести на орбиту спутник с СБ площадью 4 км2, энергия с которого будет передаваться на Землю c использованием лазерного излучения. Стоимость проекта 21 млрд. долл. Как этап разработки реальных систем предлагаются проекты централизованных ЭС для энергообеспечения нескольких космических объектов. В России также существуют технологические заделы для решения аналогичных задач [21]. Растет количество предложений по схемам построения космических ФЭС [22].

Предложено много проектов создания ФЭС не на орбитах вокруг Земли, а на Луне [23]. На Луне удобнее сооружать огромные конструкции, можно частично из местного материала. Не менее 5 ФЭС необходимо располагать по экватору. Программа создания лунной базы и варианты технических решений по передаче энергии на Землю подробно рассмотрены, например, в работе [24].

Фотоэнергетика в России

Руководство России пока не озабочено проблемой замены традиционных энергоносителей. На каждого Россиянина сегодня приходится в 10 раз больше энергоресурсов, чем в среднем на каждого жителя планеты. В структуре российского производства электроэнергии на конец 2009 г. общая установленная мощность энергосистемы составляет 211,8 ГВт, из них на долю ТЭС приходится около 70 %, ГЭС – 20 %, АЭС – более 10 % [25]. На долю всех видов возобновляемых источников энергии (без ГЭС) в производстве электроэнергии в России приходится всего 0,6 %. "В России альтернативные источники еще не скоро заменят углеводороды", – сказал несколько лет назад в интервью журналу "Итоги" министр промышленности и энергетики России.