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.

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».

Солнцепоклонники

Вплоть 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.

Королевство кривых зеркал

Коренной технологией североафриканского гелиоэнергетического района 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°С, 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°С. Оно работает при куда меньшем давлении, чем водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400°С, 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 1м2 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.

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.

Май 2012
Автор: Владимир Санников


Основной объем

Основной 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.


Золотая паутина

Превратить фотонный 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.


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


На фото: Gemasolar – крупнейшая гелиоэлектростанция в мире и первая, которая может работать круглосуточно, вид сверху.

Солнечные лучи, отраженные от зеркал, фокусируются на вершине башни, нагревая там жидкость. Получаемый в процессе нагрева пар заставляет двигаться турбины, которые вырабатывают электричество.

Здесь вы можете наблюдать упрощённую схему всего процесса создания энергии.

В ёмкостях на вершине башни находится не вода, а раствор расплавленных солей. Нагреваясь днем, этот раствор сохраняет тепло и продолжает отдавать пар после захода солнца.

Накопленного тепла на вершине башни хватает на 15 часов работы в темное время суток и в пасмурную погоду. Таким образом, солевые емкости служат еще и в качестве теплового аккумулятора.

Вокруг башни расположены именно зеркала, а не солнечные батареи. Их общее количество – 2600, а общая площадь отражательной поверхности составляет несколько тысяч квадратных метров.

Жидкость, которая находится в точках фокусировки лучей, нагревается до температуры свыше 900 градусов по Цельсию. Мощность получаемой энергии составляет 20 Мвт, такого количества энергии достаточно для обеспечения электричеством 25 000 домов.

Gemasolar является совместным проектом Испании и Арабских Эмиратов. На реализацию проекта уже потрачено 410 миллионов долларов.

Станция позволит сократить выброс углекислого газа в атмосферу на 30 000 тонн в год. На всю реализацию проекта потребовалось два года. На строительство электростанции ушло всего пять месяцев. В настоящее время Gemasolar работает не на полную мощность. Ожидается, что к 2013 году она заработает лишь на 70 %.

Технические характеристики:

  • Мощность: 19.9 MW
  • Планируемая выработка энергии: 110 GWh/year
  • Зеркальное поле: 2,650 зеркал на площади 185 гектар

Источник: http://forum.polismi.org/