Проект сонячних електростанцій в Африці
У 1914 році американський винахідник Френк Шуман в інтерв'ю журналу Scientific American заявив, що, якщо людство не опанує енергією Сонця, його чекає повернення до варварства. Буквально через рік перша в світі іригаційна установка з параболічними дзеркальними концентраторами і паровими насосами, зведена Шуманом на бавовняних плантаціях поблизу Каїра, була по-варварськи розрізана на металобрухт для переплавки в стволи гармат.
Як і багато інших генії, Шуман випередив свій час. Над проектом будівництва в Північній Сахарі 2,7-тераваттного (терават - це мільйон мегават!) Комплексу сонячних концентраторів сумарною площею 52 000 км², який був їм запропонований британському генконсулу лорду Кітченера, потішався весь науковий бомонд Європи. Навіть добрий друг Шумана, відомий фізик сер Чарльз Вернон Бойс, автор ідеї щодо використання лінійних параболічних дзеркал для концентрації сонячного випромінювання, оголосив проект утопією. Єдиною людиною, який прийняв американця всерйоз, був кайзер Німеччини Вільгельм II, вкрай зацікавлений в посиленні німецького впливу в ключових районах Африки.
В початку 1914 років через компанію Siemens & Halske AG Вільгельм II виділив Шуману 200 000 марок на топографічні дослідження в Сахарі і розробку нових параболічних установок з паровими турбінами низького тиску. Але Перша світова перетворила ці гроші в пил. Процвітаюча компанія Sun Power збанкрутувала, а сам піонер сонячної енергетики був змушений повернутися в Штати, де і спочив у бозі в 1918 році. Після війни про ідеї Шумана ніхто не згадав, адже сонця в холодній Європі було набагато менше, ніж вугілля і заліза, а Америка вже купалася в легкій техаської нафти.
Основний обсяг генерації в мережі забезпечать 36 комплексів по концентрації сонячної енергії (CSP) сумарною площею 14 500 км2, розташованих в Сахарі, Лівійської, Нубийской і Аравійської пустелі. При цьому близько 50% енергії, а також вся продукція опріснювальних заводів залишиться на місцевому ринку. Залишки «електричного пирога», випеченого в африканській «духовці» через підводні високовольтні лінії постійного струму (HVDC) будуть експортуватися в Європу за ціною 5 - 7 євроцентів за кВтг і перекриють не менше 15% попиту.
До початку 1990-х років частка сонячної енергетики в загальній масі дослідних проектів була незначною. І навіть коли крига скресла, першочергове фінансування потекло в область хайтековські фотоелектрічества, а вчені, які займалися технологіями геліотеплоенергетікі, ще довго перебивалися випадковими грантами. «Коли в 1987 році я потрапив в світ сонячної енергетики, то був вражений панував в ньому смутком. Замість серйозної наукової роботи люди займалися пошуками грошей, - згадує відомий німецький фізик і справжній сонцепоклонник Герхард Книс, що присвятив понад чверть століття реалізації ідей Шумана. - Уряду на тлі дешевої нафти ця тема здавалася нецікавою, а особи венчурних інвесторів брали пісне вираз, варто було їм почути про «примітивних» параболічних дзеркалах, лінзах Френеля або сонячних вежах з двигунами Стірлінга ».
сонцепоклонники
Аж до 2006 року Книс діяв практично поодинці. Але це було того варте: за його розрахунками, всього 0,003% площі непридатних для життя пустель планети (або 1% площі Сахари) здатні забезпечити дешевою електрикою всю цивілізацію. І для цього не потрібно ніяких екзотичних технологій - з завданням легко впораються всілякі системи концентрації сонячного випромінювання, відомі інженерам вже більше сотні років. Сонце зможе дати роботу сотням тисяч жителів Північної Африки і, як би парадоксально це не звучало, остаточно вирішить проблему нестачі питної води на Чорному континенті.
Головний технолог компанії SkyFuel Ренді Джі стверджує, що застосування дзеркальної плівки, яка не втрачає своїх оптичних характеристик більше 30 років, знизить ціну 1кВтч промислового сонячної електрики до 4-5 центів.
Справа в тому, що сонячна плантація відрізняється від звичайної вугільної або газової ТЕЦ лише джерелом тепла для отримання перегрітої пари. В середньому витрата демінералізованої води на 1 МВт потужності в установках з параболічними концентраторами становить 17 000 т в рік, з яких близько 340 т йдуть на очищення поверхонь, що відбивають. Для забезпечення технологічного процесу на північному узбережжі Африки доведеться побудувати розгалужену мережу опріснювальних заводів і насосних станцій, які дадуть чисту воду десяткам мільйонів людей. Зрозуміло, працювати вони будуть також на енергії Сонця.
Золота павутина
Перетворити фотонний злива Сахари в електрику - лише півсправи. Головне з мінімальними втратами доставити його до розетки, що знаходиться в декількох тисячах кілометрах від джерела. Змінний струм для міжконтинентальної мережі не годиться через великі втрат на довгих дистанціях передачі. На кожній сотні верст кілометрів підводного 750-кіловольтної кабелю втрачається «обнуляється» до 60% потужності енергії змінного струму. При цьому рівний йому по перетину підводний кабель HVDC (високовольтної лінії постійного струму) втрачає на такому ж маршруті всього 0,3-0,4% енергії.
Для формування високовольтних HVDC магістралей буде застосовуватися мідний кабель перетином 1600 мм 2 з посиленою ізоляцією, просоченої в масі нестікаючим складом (Mass Impregnated Non Draining, типу MIND) з нестікаючим в'язким складом. Погонний метр MIND такого кабелю за рахунок важкого свинцевого екрану і подвійний броньовий сорочки зі сталі важить цілих 40 кг і коштує 1100 доларів. Серійно його не виробляють: для кожного конкретного проекту на заводах компаній Nexans і Prysmian розробляється оптимальна конфігурація конструкція кабеляелементов MIND.
Для того щоб скласти деталі пазла Desertec в єдине ціле, потрібно 35 років напруженої роботи і бюджет в 210 млрд. Євро. До 2050 року в Європі необхідно модернізувати 34 існуючі міжсистемні високовольтні ЛЕП HVDC протяжністю 5340 км до 600 - 800 кВ і побудувати 5125 км нових ліній, а до 2020 року - протягнути по дну Середземного моря 6 магістралей HVDC довжиною 6000 км і пропускною спроможністю 20 ГВт.
Спочатку в науковому співтоваристві над Герхардом Книсом посміювалися, потім почали критикувати, потім робили вигляд, що проблеми не існує, і лише через 20 років ідея столітньої давності стала чимось само собою зрозумілим. У 2009 році за підтримки політиків, колег з Німецького аерокосмічного центру (DLR) і групи вчених з Римського клубу Кніса вдалося створити консорціум Desertec Industrial Initiative, до якого увійшли 59 корпорацій з 15 країн світу, в тому числі гіганти ABB, Deutsche Bank, Siemens.
Щодоби пустелі планети поглинають в 10 000 разів більше енергії, ніж споживає населення Землі протягом року.
Масштаби задуманого вражають уяву і на перший погляд нагадують маячні післявоєнні плани СРСР по перекиданню частини стоку Іртиша і Обі в Середню Азію. Судіть самі: до 2050 року Desertec не тільки перетворить Сахару в гігантську сонячну електростанцію, але і зв'яже підводними високовольтними силовими магістралями в єдину мережу 20 офшорних вітрових плантацій, 7 гідроелектричних і 11 теплових станцій на поновлюваному сировина від Ісландії до Перської затоки. Вартість цього мегапроекту складе не менше 400 млрд. Євро.
Основний обсяг генерації в мережі забезпечать 36 комплексів по концентрації сонячної енергії (CSP) сумарною площею 14500 км², розташованих в Сахарі, Лівійської, Нубийской і Аравійської пустелі. При цьому близько 50% енергії, а також вся продукція опріснювальних заводів залишиться на місцевому ринку. Залишки «електричного пирога», випеченого в африканській «духовці», через підводні високовольтні лінії постійного струму (HVDC) будуть експортуватися в Європу.
Передбачувана конфігурація південного сектора Desertec займе всього 0,14% придатних територій. У міру зростання енергоспоживання Мережа зможе нарощувати потужності за рахунок модернізації існуючих комплексів CSP і установки вітряків (в Сахарі повно районів зі стійкими вітрами «промислового» значення).
Королівство кривих дзеркал
Корінний технологією північноафриканської геліоенергетичного району Desertec буде концентрація сонячної енергії. Чому не пряма генерація за допомогою фотоелектричних панелей? Все просто: ТЕС на сонячному теплі можуть виробляти потужність 24 години на добу, тоді як свідомо більш дорогі панелі цілком залежать від погоди. Теоретично, в фотоелектричних комплексах є можливість запасати невеликі обсяги енергії в літій-іонних батареях, але вартість 1 кВт • год при цьому буде абсолютно «неїстівної».
Найбільш ефективними з усіх існуючих систем CSP фахівці Desertec вважають параболічні лінійні концентратори, подібні до тих, які ще 100 років тому використовував Френк Шуман. Ці величезні дзеркала зовні нагадують сегмент циліндра, хоча насправді їх профіль являє собою параболу, а не сектор кола. Типовий промисловий концентратор для проекту Desertec - це каскад з керованих гелиостатами (пристроями для орієнтації на Сонце) дзеркал сумарною площею апертури (максимальна проектуються площа, на яку надходить сонячне випромінювання) від 500 000 до 2,5 млн м2, встановлених рядами на сталевих пілонах в напрямку з півночі на південь. Ширина окремого параболічного дзеркала в апертурі коливається в межах 6 - 7,5 м, а ступінь концентрації випромінювання дорівнює 1000: 1.
У лінії фокуса параболи знаходиться трубка-колектор з рідким теплоносієм (дистильована вода, масло або сольовий розплав). Під впливом відбитих променів колектор нагрівається до 350 - 700 ° C, а теплоносій «змиває» теплову енергію з його стінок на теплообмінник ТЕС або в тепловий акумулятор (ТА). При цьому тиск в колекторі підскакує до 18 - 20 атм.
Світло мій люстерко
Ефективність перетворення сонячних променів в тепло залежить в першу чергу від якості параболічних дзеркал. Кращі дзеркала нюрнберзької компанії Flabeg марки UltimateTrough з коефіцієнтом відображення понад 94,4% забезпечують точність фокусування не менше 99,9%. За словами Олафа Кнебеля, технічного директора Flabeg, виготовлення величезних дзеркал з відпаленого скла товщиною 4-5 мм на сталевий основі і нанесення срібної амальгами - робота ювелірної точності. Ціна недбалості надзвичайно висока: відхилення променів від лінії ідеального фокуса всього на 1 мм за 25 років роботи 50-мегаватного CSP комплексу призведе до втрати 11 млн. Євро потенційної виручки.
У 2011 році інженери корпорації Alcoa і вчені з Національної лабораторії по возобновлемим джерел енергії (National Renewable Energy Laboratory, NREL) почали тестування параболічних дзеркал з жорстким алюмінієвим корпусом і патентованим нанокомпозитний дзеркальним покриттям MicroSun компанії Alanod Solar. Покриття MicroSun володіє прекрасним коефіцієнтом відображення 95% і надзвичайно стійке до абразивного впливу. В цілому, оснащення сонячної плантації алюмінієвими параболами замість тендітних і важких скляних дзеркал дозволить заощадити інвесторам до 25% бюджету. Американська компанія SkyFuel пропонує ще більш радикальне рішення - самоклеящуюся рулонну полімерну плівку ReflecTechPlus з гнучким срібним шаром і модульні цельноалюмініевий панелі SkyTrough. У 2010 році технологія пройшла незалежні випробування в лабораторії NREL, які підтвердили її термальну ефективність на рівні 75% при температурі теплоносія 350 ° C.
Класичний ТА має двокамерну конструкцію і використовує в якості теплоносія сольовий розплав - суміш 60% натрієвої і 40% калійної селітри. Ця речовина ідеально для робочих температур від 200 до 580 ° C. Воно працює при куди меншому тиску, ніж водяна пара, і не розкладається при температурах понад 400 ° C, як органічні масла.
Електрика, отримане на 20 м2 поверхні Сахари за допомогою параболічних концентраторів з ККД 25%, може повністю забезпечити потреби середньостатистичного європейця з урахуванням щоденної зарядки акумулятора особистого електромобіля.
Теплоносій підтримується в рідкому стані в «холодній» камері за допомогою газових пальників (288 ° С). У ясну погоду розплав прокачується через сонячні концентратори і набирає робочу температуру (565 ° С), після чого потрапляє в «гарячу» камеру-термос. Камера так добре ізольована, що температура розплаву може підтримуватися на цьому рівні протягом тижня. Вночі, при щільній хмарності або при пікових навантаженнях в мережі розплав з «гарячої» камери розряджається на теплообмінниках ТЕС і генерує перегрітий пар. Після цього в контурі водяного або повітряного охолодження відпрацьований розплав скидає залишкову теплоту і зливається в «холодну» камеру.
За оцінкою президента Nexans Фредеріка Венсана, для того, щоб скласти деталі пазла Desertec в єдине ціле потрібно 35 років напруженої роботи і бюджет в 210 млрд. Євро.
В даний час при проектуванні нових проектів від двокамерних ТА стали відмовлятися на користь більш ефективних однокамерних. Вони працюють за принципом термокліна - вертикального розподілу змішуються шарів рідини з різною температурою. ТА з твердої середовищем - ще одна вкрай перспективна технологія зберігання енергії, над якою працюють вчені з Німецького аерокосмічного центру DLR. Твердотільні ТА з відносно високим рівнем саморозряду ідеальні для сонячних ферм, розташованих в зонах зі стабільно високою інсоляцією. Крім того, вони практично не вимагають обслуговування і заміни робочого середовища.
Ціна укладання кожної 1000 км кабелю на морське дно коливається від 1,8 до 2,5 млрд. Євро, тому в міру збільшення обсягів генерації в Сахарі ємність Мережі буде нарощуватися додаванням нових ліній до вже існуючих. Поки що Європу і Африку пов'язує всього один підводний ЛЕП змінного струму напругою 400 кВ, що лежить на дні Гібралтару.
ГОЕЛРО для Африки
Свою участь в Desertec вже підтвердили Алжир, Єгипет, Йорданія, Лівія, ОАЕ, Саудівська Аравія, Сирія і Туніс. Але першою ластівкою Desertec стане ферма потужністю 500МВт поблизу Варзазат, Марокко. Спорудження цього комплексу вартістю? 2,1 млрд почнеться вже в цьому році, а комерційні кіловати Варзазат почнуть надходити в мережу в 2014-му. За словами президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат стане основним полігоном для обкатки технологій і буде оснащений усіма типами пристроїв - параболічними концентраторами, сонячними баштами, дзеркальними тарілками з двигуном Стірлінга, лінійними лінзами Френеля, фотоелектричними (PV) панелями і різними типами теплових сховищ.
Крім Варзазат дослідження проводяться також на діючій мікрофермой в єгипетському Кураймате, в якому річна інсоляція становить 2,4 МВт на 1 м² поверхні. На основі даних, отриманих в цих польових лабораторіях, до 2020 року комплекси CSP будуть побудовані в Єгипті, Лівії, Сирії та Саудівської Аравії. Ще через 10 років в мережу увіллється величезний енергетичний район в Алжирі потужністю 22 ГВт, до складу якого увійдуть газопереробні заводи алжирської групи Sonelgas. І нарешті, до 2050 року генерація електрики повинна початися на всіх 42 об'єктах Desertec в Сахарі і на Близькому Сході.
Стаття «Сахара на експорт» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2012 ).
Чому не пряма генерація за допомогою фотоелектричних панелей?Спорудження цього комплексу вартістю?