Новые высокотемпературные сверхпроводники — предмет поиска
многих лабораторий. Не исключено, что в недалеком будущем ученые
осуществят синтез купратов с критической температурой порядка 200 К.
Приведет ли это к революции в технологиях электротехники, транспорта или
энергетики?
многих лабораторий. Не исключено, что в недалеком будущем ученые
осуществят синтез купратов с критической температурой порядка 200 К.
Приведет ли это к революции в технологиях электротехники, транспорта или
энергетики?
«Высокотемпературный
сверхпроводник с током не слишком устойчив, — говорит профессор физики
Университета Old Dominion в штате Виргиния Александр Гуревич. — Он может
спонтанно перейти в нормальное состояние и, по закону Джоуля-Ленца,
стать источником тепла. Если это случится в окружении сжиженного
горючего газа, может произойти серьезный взрыв. Ни одна энергетическая
компания на подобный риск не пойдет»
Материалы,
сохраняющие сверхпроводимость при температурах выше точки кипения
жидкого азота (такие как описанное в «ПМ» №4'2012 соединение иттрия,
бария, меди и кислорода), являются поликристаллами и посему обладают
зернистой структурой. Сверхпроводящий ток рассеивается на границах зерен
(тем значительней, чем больше этих зерен и чем выше их пространственная
неоднородность). Через такой материал довольно сложно пропустить
сильный ток, поскольку ему будет свойственно замкнуться внутри зерна,
не выходя за его границу. По этой причине подобные сверхпроводники
в чистом виде непригодны для изготовления кабелей для энергетических
систем. Есть и другие сложности, обусловленные магнитными свойствами
этих материалов, которые сужают спектр их технического применения.
преодоления зернистости решается, но пока еще сложно и дорого.
Стандартный электрический кабель из обычного (низкотемпературного)
сверхпроводника на основе ниобия и титана — это пучок проводов примерно
миллиметрового диаметра в медной матрице, которая работает как магнитный
и тепловой стабилизатор. Высокотемпературный сверхпроводниковый кабель
устроен гораздо хитрее. Это многослойная лента, выращенная на подложке
из никелевого сплава с помощью ионного напыления. В серединной области
ленты имеется пленка из сверхпроводника толщиной всего 1 — 3 микрона.
Эта пленка окружена прослойками материалов, снижающих степень
ее зернистости при напылении и служащих защитой от температурных
колебаний. Толщина ленты в 50 — 100 раз превышает толщину
сверхпроводящего слоя, так что она пропускает ток лишь в центральной
узкой зоне. Ко всему прочему, чтобы увеличить максимальную плотность
тока, этот слой фаршируют наночастицами. Поэтому изготовить хотя бы
километровый кусок такого кабеля — крайне непростое и недешевое дело. Читать далее
магния, который недорог и легко поддается обработке. К тому же
он изотропен, так что его электрические свойства не зависят
от направления, как у купратов. Более того, он может пропускать
электрический ток в весьма сильных магнитных полях (вплоть до 7 — 8 Тл).
Очень соблазнительно предположить, что материал с такими свойствами
и критической температурой на несколько градусов выше точки сжижения
природного газа (113 К) произведет подлинную революцию в энергетике.
Сейчас весь мир переходит на транспортировку природного сжиженного газа
по магистральным трубопроводам. А если в трубу с жидким газом поместить
сверхпроводящий кабель, то по нему можно передавать ток практически без
всяких затрат. Как говорили раньше, дешево и сердито.
сверхпроводник с комнатной или почти комнатной критической
температурой? Александр Гуревич не отрицает принципиальной возможности
этого — во всяком случае, пока никто еще не доказал, что квантовая
теория конденсированных сред запрещает существование таких материалов.
Однако с повышением температуры возрастает роль тепловых флуктуаций —
это следует из общих принципов неравновесной термодинамики. Такие
флуктуации особенно сильны в слоистых материалах, к числу которых
относятся все известные ныне высокотемпературные сверхпроводники.
Поэтому «комнатный» сверхпроводник, скорее всего, сможет пропускать лишь
довольно слабые токи, да к тому же его поведение будет зависеть
от колебаний внешней температуры. А поскольку он почти наверняка
окажется очень дорогим в изготовлении, вряд ли им заинтересуется
энергетика. Впрочем, как считает профессор Гуревич, нельзя заранее
исключить, что какие-то светлые головы додумаются до создания
объемно-однородных материалов с комнатной критической температурой.
Но в ближайшем будущем такие возможности как-то не наблюдаются. Ничего
не попишешь, придется подождать.
Основное
применение сверхпроводящих кабелей — соединять между собой объекты типа
подстанций. Самый длинный кабель (1 км), рассчитанный на напряжение 10к
В и мощность в 40 МВт, изготовлен компанией Nexans для энергетической
инфраструктуры в немецком Эссене. Конструкция кабеля включает не только
сами сверхпроводники в виде многослойной ленты, но и специальные (обычно
медные) элементы для термостабилизации, а также мощную теплоизоляцию.
Конструкция предусматривает каналы (прямой и обратный) для прокачивания
жидкого азота, который поддерживает рабочую температуру. Плотность тока
в таком кабеле выше, чем в медном, в 1000 раз, что в сочетании
с отсутствием потерь позволяет снизить напряжение, уменьшив количество
трансформаторов, преобразователей и ЛЭП. Кроме того, благодаря
коаксиальной конструкции такие кабели не генерируют внешних магнитных
полей и не влияют друг на друга при близком расположении.
сохраняющие сверхпроводимость при температурах выше точки кипения
жидкого азота (такие как описанное в «ПМ» №4'2012 соединение иттрия,
бария, меди и кислорода), являются поликристаллами и посему обладают
зернистой структурой. Сверхпроводящий ток рассеивается на границах зерен
(тем значительней, чем больше этих зерен и чем выше их пространственная
неоднородность). Через такой материал довольно сложно пропустить
сильный ток, поскольку ему будет свойственно замкнуться внутри зерна,
не выходя за его границу. По этой причине подобные сверхпроводники
в чистом виде непригодны для изготовления кабелей для энергетических
систем. Есть и другие сложности, обусловленные магнитными свойствами
этих материалов, которые сужают спектр их технического применения.
Слоеные кабели
Проблемапреодоления зернистости решается, но пока еще сложно и дорого.
Стандартный электрический кабель из обычного (низкотемпературного)
сверхпроводника на основе ниобия и титана — это пучок проводов примерно
миллиметрового диаметра в медной матрице, которая работает как магнитный
и тепловой стабилизатор. Высокотемпературный сверхпроводниковый кабель
устроен гораздо хитрее. Это многослойная лента, выращенная на подложке
из никелевого сплава с помощью ионного напыления. В серединной области
ленты имеется пленка из сверхпроводника толщиной всего 1 — 3 микрона.
Эта пленка окружена прослойками материалов, снижающих степень
ее зернистости при напылении и служащих защитой от температурных
колебаний. Толщина ленты в 50 — 100 раз превышает толщину
сверхпроводящего слоя, так что она пропускает ток лишь в центральной
узкой зоне. Ко всему прочему, чтобы увеличить максимальную плотность
тока, этот слой фаршируют наночастицами. Поэтому изготовить хотя бы
километровый кусок такого кабеля — крайне непростое и недешевое дело. Читать далее
Электричество в трубопроводах
Другое дело, если бы удалось найти высокотемпературный аналог диборидамагния, который недорог и легко поддается обработке. К тому же
он изотропен, так что его электрические свойства не зависят
от направления, как у купратов. Более того, он может пропускать
электрический ток в весьма сильных магнитных полях (вплоть до 7 — 8 Тл).
Очень соблазнительно предположить, что материал с такими свойствами
и критической температурой на несколько градусов выше точки сжижения
природного газа (113 К) произведет подлинную революцию в энергетике.
Сейчас весь мир переходит на транспортировку природного сжиженного газа
по магистральным трубопроводам. А если в трубу с жидким газом поместить
сверхпроводящий кабель, то по нему можно передавать ток практически без
всяких затрат. Как говорили раньше, дешево и сердито.
Туманные перспективы
Но может быть, нас ждет технологическая революция, если удастся создатьсверхпроводник с комнатной или почти комнатной критической
температурой? Александр Гуревич не отрицает принципиальной возможности
этого — во всяком случае, пока никто еще не доказал, что квантовая
теория конденсированных сред запрещает существование таких материалов.
Однако с повышением температуры возрастает роль тепловых флуктуаций —
это следует из общих принципов неравновесной термодинамики. Такие
флуктуации особенно сильны в слоистых материалах, к числу которых
относятся все известные ныне высокотемпературные сверхпроводники.
Поэтому «комнатный» сверхпроводник, скорее всего, сможет пропускать лишь
довольно слабые токи, да к тому же его поведение будет зависеть
от колебаний внешней температуры. А поскольку он почти наверняка
окажется очень дорогим в изготовлении, вряд ли им заинтересуется
энергетика. Впрочем, как считает профессор Гуревич, нельзя заранее
исключить, что какие-то светлые головы додумаются до создания
объемно-однородных материалов с комнатной критической температурой.
Но в ближайшем будущем такие возможности как-то не наблюдаются. Ничего
не попишешь, придется подождать.
Холодный километр
Cверхпроводящий кабельНесмотря
на достаточно высокую цену, сверхпроводящие кабели для энергетической
инфраструктуры имеют свою рыночную нишу: их использование позволяет
сэкономить на трансформаторах и преобразователях. Однако пока это
штучная продукция, а не массовое производство
применение сверхпроводящих кабелей — соединять между собой объекты типа
подстанций. Самый длинный кабель (1 км), рассчитанный на напряжение 10к
В и мощность в 40 МВт, изготовлен компанией Nexans для энергетической
инфраструктуры в немецком Эссене. Конструкция кабеля включает не только
сами сверхпроводники в виде многослойной ленты, но и специальные (обычно
медные) элементы для термостабилизации, а также мощную теплоизоляцию.
Конструкция предусматривает каналы (прямой и обратный) для прокачивания
жидкого азота, который поддерживает рабочую температуру. Плотность тока
в таком кабеле выше, чем в медном, в 1000 раз, что в сочетании
с отсутствием потерь позволяет снизить напряжение, уменьшив количество
трансформаторов, преобразователей и ЛЭП. Кроме того, благодаря
коаксиальной конструкции такие кабели не генерируют внешних магнитных
полей и не влияют друг на друга при близком расположении.
В 1914 году американский изобретатель Фрэнк Шуман в интервью
журналу Scientific American заявил, что, если человечество не овладеет
энергией Солнца, его ждет возврат к варварству. Буквально через год
первая в мире ирригационная установка с параболическими зеркальными
концентраторами и паровыми насосами, возведенная Шуманом на хлопковых
плантациях близ Каира, была варварски разрезана на металлолом для
переплавки в стволы орудий.
журналу Scientific American заявил, что, если человечество не овладеет
энергией Солнца, его ждет возврат к варварству. Буквально через год
первая в мире ирригационная установка с параболическими зеркальными
концентраторами и паровыми насосами, возведенная Шуманом на хлопковых
плантациях близ Каира, была варварски разрезана на металлолом для
переплавки в стволы орудий.
Главный
технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение
зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик
более 30 лет, снизит цену 1кВт•ч промышленного солнечного электричества
до 4−5 центов.
Каждые сутки пустыни планеты поглощают в 10 000 раз больше энергии, чем потребляет население Земли в течение года
Неисчерпаемый
источник Предполагаемая конфигурация южного сектора Desertec займет
всего 0,14% пригодных территорий. По мере роста энергопотребления сеть
сможет наращивать мощности за счет модернизации существующих комплексов
CSP и установки ветряков (в Сахаре полно районов с устойчивыми ветрами
«промышленного» значения)
Жнецы
солнца Электричество, полученное на 20 м кв. поверхности Сахары
с помощью параболических концентраторов с КПД 25%, может обеспечить
потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки
аккумулятора личного электромобиля
…да
рубль перевоз Цена укладки 1000 км кабеля на морское дно колеблется
от 1,8 до 2,5 млрд евро, поэтому по мере увеличения объемов генерации
в Сахаре емкость cети будет наращиваться добавлением новых линий к уже
существующим. Пока что Европу и Африку связывает всего одна подводная
ЛЭП переменного тока напряжением 400 кВ, лежащая на дне Гибралтара
По оценке
президента Nexans Фредерика Венсана, для того чтобы сложить детали
пазла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы
и бюджет в 210 млрд
Как
и многие другие гении, Шуман опередил свое время. Над проектом
строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион
мегаватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52
000 км², который был им предложен британскому генконсулу лорду
Китченеру, потешался весь научный бомонд Европы. Даже добрый друг
Шумана, известный физик сэр Чарльз Вернон Бойс, автор идеи
по использованию линейных параболических зеркал для концентрации
солнечного излучения, объявил проект утопией. Единственным человеком,
принявшим американца всерьез, был кайзер Германии Вильгельм II, крайне
заинтересованный в усилении немецкого влияния в ключевых районах Африки.
В начале
1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил
Шуману 200 000 марок на топографические исследования в Сахаре
и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого
давления. Но Первая мировая превратила эти деньги в пыль. Процветающая
компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был
вынужден вернуться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году. После войны
об идеях Шумана никто не вспомнил, ведь солнца в холодной Европе было
гораздо меньше, чем угля и железа, а Америка уже купалась в легкой
техасской нефти. Читать далее
и многие другие гении, Шуман опередил свое время. Над проектом
строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион
мегаватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52
000 км², который был им предложен британскому генконсулу лорду
Китченеру, потешался весь научный бомонд Европы. Даже добрый друг
Шумана, известный физик сэр Чарльз Вернон Бойс, автор идеи
по использованию линейных параболических зеркал для концентрации
солнечного излучения, объявил проект утопией. Единственным человеком,
принявшим американца всерьез, был кайзер Германии Вильгельм II, крайне
заинтересованный в усилении немецкого влияния в ключевых районах Африки.
В начале
1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил
Шуману 200 000 марок на топографические исследования в Сахаре
и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого
давления. Но Первая мировая превратила эти деньги в пыль. Процветающая
компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был
вынужден вернуться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году. После войны
об идеях Шумана никто не вспомнил, ведь солнца в холодной Европе было
гораздо меньше, чем угля и железа, а Америка уже купалась в легкой
техасской нефти. Читать далее
До начала
1990-х годов доля солнечной энергетики в общей массе исследовательских
проектов была ничтожной. И даже когда лед тронулся, первоочередное
финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества,
а ученые, занимавшиеся технологиями гелиотеплоэнергетики, еще долго
перебивались случайными грантами. «Когда в 1987 году я попал в мир
солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо
серьезной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает
известный немецкий физик и истинный солнцепоклонник Герхард Книс,
посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству
на фоне дешевой нефти эта тема казалась неинтересной, а лица венчурных
инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать
о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля или солнечных
башнях с двигателями Стирлинга».
до 2006 года Книс действовал практически в одиночку. Но игра стоила
свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади непригодных для жизни
пустынь планеты (или 1% площади Сахары) способны обеспечить дешевым
электричеством всю цивилизацию. И для этого не нужно никаких
экзотических технологий — с задачей легко справятся всевозможные системы
концентрации солнечного излучения, известные инженерам уже более сотни
лет. Солнце сможет дать работу сотням тысяч жителей Северной Африки и,
как бы парадоксально это ни звучало, окончательно решит проблему
нехватки питьевой воды на Черном континенте.
Дело в том, что
солнечная плантация отличается от обычной угольной или газовой ТЭЦ лишь
источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход
деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими
концентраторами составляет 17 000 т в год, из которых около 340 т
уходят на очистку отражающих поверхностей. Для обеспечения
технологического процесса на северном побережье Африки придется
построить разветвленную сеть опреснительных заводов и насосных станций,
которые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Разумеется, работать
они будут также на энергии Солнца.
Сначала в научном сообществе
над Герхардом Книсом посмеивались, затем принялись критиковать, потом
делали вид, что проблемы не существует, и лишь через 20 лет идея
столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при
поддержке политиков, коллег из Германского аэрокосмического центра
(DLR) и группы ученых из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум
Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15
стран мира, в том числе гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.
Масштабы
задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые
послевоенные планы СССР по переброске части стока Иртыша и Оби
в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только превратит
Сахару в гигантскую солнечную электростанцию, но и свяжет подводными
высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых
плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом
сырье от Исландии до Персидского залива. Стоимость этого мегапроекта
составит не менее €400 млрд.
Основной объем генерации в сети
обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP)
суммарной площадью 14500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской,
Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся
продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки
«электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через
подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут
экспортироваться в Европу.
Desertec будет концентрация солнечной энергии. Почему не прямая
генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все просто: ТЭС
на солнечном тепле могут вырабатывать мощность 24 часа в сутки, тогда
как заведомо более дорогие панели всецело зависят от погоды.
Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность
запасать небольшие объемы энергии в литий-ионных батареях, но стоимость 1
кВт•ч при этом будет совершенно «несъедобной».
Наиболее
эффективными из всех существующих систем CSP специалисты Desertec
считают параболические линейные концентраторы, подобные тем, которые еще
100 лет назад использовал Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала внешне
напоминают сегмент цилиндра, хотя на самом деле их профиль представляет
собой параболу, а не сектор окружности. Типичный промышленный
концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых
гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной
площадью апертуры (максимальная проецируемая площадь, на которую
поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных
рядами на стальных пилонах в направлении с севера на юг. Ширина
отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 —
7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.
В линии
фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем
(дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Под воздействием
отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель
«смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или
в тепловой аккумулятор (ТА). При этом давление в коллекторе подскакивает
до 18 — 20 атм.
Классический ТА имеет двухкамерную конструкцию
и использует в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60%
натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих
температур от 200 до 580 °C. Оно работает при куда меньшем давлении, чем
водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400 °C, как
органические масла.
Теплоноситель поддерживается в жидком
состоянии в «холодной» камере с помощью газовых горелок (288°С). В ясную
погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает
рабочую температуру (565°С), после чего попадает в «горячую»
камеру-термос. Камера так хорошо изолирована, что температура расплава
может поддерживаться на этом уровне в течение недели. Ночью, при плотной
облачности или при пиковых нагрузках в сети расплав из «горячей» камеры
разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. После
этого в контуре водяного или воздушного охлаждения отработанный расплав
сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.
В настоящее время при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА
стали отказываться в пользу более эффективных однокамерных. Они работают
по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся
слоев жидкости с различной температурой. ТА с твердой средой — еще одна
крайне перспективная технология хранения энергии, над которой работают
ученые из Германского аэрокосмического центра DLR. Твердотельные ТА
с относительно высоким уровнем саморазряда идеальны для солнечных ферм,
расположенных в зонах со стабильно высокой инсоляцией. Кроме того, они
практически не требуют обслуживания и замены рабочей среды.
ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия и Тунис. Но первой ласточкой Desertec
станет ферма мощностью 500МВт близ Варзазата, Марокко. Сооружение этого
комплекса стоимостью €2,1 млрд начнется уже в этом году, а коммерческие
киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м. По словам
президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет основным полигоном
для обкатки технологий и будет оснащен всеми типами устройств —
параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными
тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля,
фотоэлектрическими (PV) панелями и различными типами тепловых хранилищ.
Помимо
Варзазата исследования проводятся также на действующей микроферме
в египетском Кураймате, в котором годовая инсоляция составляет 2,4 МВт
на 1 м² поверхности. На основе данных, полученных в этих полевых
лабораториях, к 2020 году комплексы CSP будут построены в Египте, Ливии,
Сирии и Саудовской Аравии. Еще через 10 лет в сеть вольется огромный
энергетический район в Алжире мощностью 22 ГВт, в состав которого войдут
газоперерабатывающие заводы алжирской группы Sonelgas. И наконец,
к 2050 году генерация электричества должна начаться на всех 42 объектах
Desertec в Сахаре и на Ближнем Востоке.
объем генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации
солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км², расположенные
в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях.
При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останутся на местном рынке.
Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке»,
через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут
экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за 1кВт•ч и перекроют
не менее 15% спроса.
ливень Сахары в электричество - лишь полдела. Главное — с минимальными
потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах
километров от источника.
Переменный ток для
межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных
дистанциях передачи. На каждой сотне верст подводного 750-киловольтного
кабеля «обнуляется» до 60% энергии переменного тока. При этом равный ему
по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного
тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.
Для формирования HVDC-магистралей
будет применяться медный кабель сечением 1600 мм² с усиленной изоляцией
типа MIND с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND за счет
тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит
целых 40 кг и стоит $1100. Серийно его не производят: для каждого
конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian
разрабатывается оптимальная конструкция элементов MIND.
Для того чтобы сложить детали
пазла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы
и бюджет в 210 млрд. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34
существующие межсистемные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800
кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года - протянуть по дну
Средиземного моря шесть магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной
способностью 20 ГВт.
Лучшие зеркала
нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом
отражения свыше 94,4% обеспечивают точность фокусировки не менее 99,9%.
По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление
огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4 — 5 мм на стальной
основе и нанесение серебряной амальгамы — работа ювелирной точности.
Цена небрежности чрезвычайно высока: отклонение лучей от линии
идеального фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного
CSP-комплекса приведет к потере 11 млн потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры
корпорации Alcoa и ученые из лаборатории NREL начали тестирование
параболических зеркал с жестким алюминиевым корпусом и патентованным
нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar.
Покрытие MicroSun
обладает великолепным коэффициентом отражения 95% и чрезвычайно
устойчиво к абразивному воздействию. В целом оснащение солнечной
плантации алюминиевыми параболами взамен хрупких и тяжелых стеклянных
зеркал позволит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская
компания SkyFuel предлагает еще более радикальное решение —
самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с гибким
серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough. В 2010
году технология прошла независимые испытания в лаборатории NREL, которые
подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре
теплоносителя 350 °C.
1990-х годов доля солнечной энергетики в общей массе исследовательских
проектов была ничтожной. И даже когда лед тронулся, первоочередное
финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества,
а ученые, занимавшиеся технологиями гелиотеплоэнергетики, еще долго
перебивались случайными грантами. «Когда в 1987 году я попал в мир
солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо
серьезной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает
известный немецкий физик и истинный солнцепоклонник Герхард Книс,
посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству
на фоне дешевой нефти эта тема казалась неинтересной, а лица венчурных
инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать
о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля или солнечных
башнях с двигателями Стирлинга».
Солнцепоклонники
Вплотьдо 2006 года Книс действовал практически в одиночку. Но игра стоила
свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади непригодных для жизни
пустынь планеты (или 1% площади Сахары) способны обеспечить дешевым
электричеством всю цивилизацию. И для этого не нужно никаких
экзотических технологий — с задачей легко справятся всевозможные системы
концентрации солнечного излучения, известные инженерам уже более сотни
лет. Солнце сможет дать работу сотням тысяч жителей Северной Африки и,
как бы парадоксально это ни звучало, окончательно решит проблему
нехватки питьевой воды на Черном континенте.
Дело в том, что
солнечная плантация отличается от обычной угольной или газовой ТЭЦ лишь
источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход
деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими
концентраторами составляет 17 000 т в год, из которых около 340 т
уходят на очистку отражающих поверхностей. Для обеспечения
технологического процесса на северном побережье Африки придется
построить разветвленную сеть опреснительных заводов и насосных станций,
которые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Разумеется, работать
они будут также на энергии Солнца.
Сначала в научном сообществе
над Герхардом Книсом посмеивались, затем принялись критиковать, потом
делали вид, что проблемы не существует, и лишь через 20 лет идея
столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при
поддержке политиков, коллег из Германского аэрокосмического центра
(DLR) и группы ученых из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум
Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15
стран мира, в том числе гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.
Масштабы
задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые
послевоенные планы СССР по переброске части стока Иртыша и Оби
в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только превратит
Сахару в гигантскую солнечную электростанцию, но и свяжет подводными
высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых
плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом
сырье от Исландии до Персидского залива. Стоимость этого мегапроекта
составит не менее €400 млрд.
Основной объем генерации в сети
обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP)
суммарной площадью 14500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской,
Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся
продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки
«электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через
подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут
экспортироваться в Европу.
Королевство кривых зеркал
Коренной технологией североафриканского гелиоэнергетического районаDesertec будет концентрация солнечной энергии. Почему не прямая
генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все просто: ТЭС
на солнечном тепле могут вырабатывать мощность 24 часа в сутки, тогда
как заведомо более дорогие панели всецело зависят от погоды.
Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность
запасать небольшие объемы энергии в литий-ионных батареях, но стоимость 1
кВт•ч при этом будет совершенно «несъедобной».
Наиболее
эффективными из всех существующих систем CSP специалисты Desertec
считают параболические линейные концентраторы, подобные тем, которые еще
100 лет назад использовал Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала внешне
напоминают сегмент цилиндра, хотя на самом деле их профиль представляет
собой параболу, а не сектор окружности. Типичный промышленный
концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых
гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной
площадью апертуры (максимальная проецируемая площадь, на которую
поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных
рядами на стальных пилонах в направлении с севера на юг. Ширина
отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 —
7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.
В линии
фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем
(дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Под воздействием
отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель
«смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или
в тепловой аккумулятор (ТА). При этом давление в коллекторе подскакивает
до 18 — 20 атм.
Классический ТА имеет двухкамерную конструкцию
и использует в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60%
натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих
температур от 200 до 580 °C. Оно работает при куда меньшем давлении, чем
водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400 °C, как
органические масла.
Теплоноситель поддерживается в жидком
состоянии в «холодной» камере с помощью газовых горелок (288°С). В ясную
погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает
рабочую температуру (565°С), после чего попадает в «горячую»
камеру-термос. Камера так хорошо изолирована, что температура расплава
может поддерживаться на этом уровне в течение недели. Ночью, при плотной
облачности или при пиковых нагрузках в сети расплав из «горячей» камеры
разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. После
этого в контуре водяного или воздушного охлаждения отработанный расплав
сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.
В настоящее время при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА
стали отказываться в пользу более эффективных однокамерных. Они работают
по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся
слоев жидкости с различной температурой. ТА с твердой средой — еще одна
крайне перспективная технология хранения энергии, над которой работают
ученые из Германского аэрокосмического центра DLR. Твердотельные ТА
с относительно высоким уровнем саморазряда идеальны для солнечных ферм,
расположенных в зонах со стабильно высокой инсоляцией. Кроме того, они
практически не требуют обслуживания и замены рабочей среды.
ГОЭЛРО для Африки
Свое участие в Desertec уже подтвердили Алжир, Египет, Иордания, Ливия,ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия и Тунис. Но первой ласточкой Desertec
станет ферма мощностью 500МВт близ Варзазата, Марокко. Сооружение этого
комплекса стоимостью €2,1 млрд начнется уже в этом году, а коммерческие
киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м. По словам
президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет основным полигоном
для обкатки технологий и будет оснащен всеми типами устройств —
параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными
тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля,
фотоэлектрическими (PV) панелями и различными типами тепловых хранилищ.
Помимо
Варзазата исследования проводятся также на действующей микроферме
в египетском Кураймате, в котором годовая инсоляция составляет 2,4 МВт
на 1 м² поверхности. На основе данных, полученных в этих полевых
лабораториях, к 2020 году комплексы CSP будут построены в Египте, Ливии,
Сирии и Саудовской Аравии. Еще через 10 лет в сеть вольется огромный
энергетический район в Алжире мощностью 22 ГВт, в состав которого войдут
газоперерабатывающие заводы алжирской группы Sonelgas. И наконец,
к 2050 году генерация электричества должна начаться на всех 42 объектах
Desertec в Сахаре и на Ближнем Востоке.
Основной объем
Основнойобъем генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации
солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км², расположенные
в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях.
При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останутся на местном рынке.
Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке»,
через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут
экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за 1кВт•ч и перекроют
не менее 15% спроса.
Золотая паутина
Превратить фотонныйливень Сахары в электричество - лишь полдела. Главное — с минимальными
потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах
километров от источника.
Переменный ток для
межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных
дистанциях передачи. На каждой сотне верст подводного 750-киловольтного
кабеля «обнуляется» до 60% энергии переменного тока. При этом равный ему
по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного
тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.
Для формирования HVDC-магистралей
будет применяться медный кабель сечением 1600 мм² с усиленной изоляцией
типа MIND с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND за счет
тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит
целых 40 кг и стоит $1100. Серийно его не производят: для каждого
конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian
разрабатывается оптимальная конструкция элементов MIND.
Для того чтобы сложить детали
пазла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы
и бюджет в 210 млрд. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34
существующие межсистемные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800
кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года - протянуть по дну
Средиземного моря шесть магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной
способностью 20 ГВт.
Свет мой зеркальце
Эффективность преобразования солнечных лучей в тепло зависит в первую очередь от качества параболических зеркал.Лучшие зеркала
нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом
отражения свыше 94,4% обеспечивают точность фокусировки не менее 99,9%.
По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление
огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4 — 5 мм на стальной
основе и нанесение серебряной амальгамы — работа ювелирной точности.
Цена небрежности чрезвычайно высока: отклонение лучей от линии
идеального фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного
CSP-комплекса приведет к потере 11 млн потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры
корпорации Alcoa и ученые из лаборатории NREL начали тестирование
параболических зеркал с жестким алюминиевым корпусом и патентованным
нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar.
Покрытие MicroSun
обладает великолепным коэффициентом отражения 95% и чрезвычайно
устойчиво к абразивному воздействию. В целом оснащение солнечной
плантации алюминиевыми параболами взамен хрупких и тяжелых стеклянных
зеркал позволит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская
компания SkyFuel предлагает еще более радикальное решение —
самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с гибким
серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough. В 2010
году технология прошла независимые испытания в лаборатории NREL, которые
подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре
теплоносителя 350 °C.
Сверхпроводники: революция в энергетике — Популярная механика
Комментариев нет:
Отправить комментарий