Гигантские солнечные электростанции в Сахаре.
Автор Владимир Санников
17 апреля 2012 10:02
Первоначальная публикация: Портал «Попмеханика» URL.: https://www.popmech.ru/technologies/12615-gigantskie-solnechnye-elektrostantsii-sakhary/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=targetings-PopMechanics&utm_content=archive&utm_term=20180612-12615-tw
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.
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.
Основной объем генерации в cети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14 500 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 по цене 5 — 7 евроцентов за кВтч и перекроют не менее 15% спроса.
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.
Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВтч промышленного солнечного электричества до 4−5 центов.
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.
Превратить фотонный ливень Сахары в электричество — лишь полдела. Главное с минимальными потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах километрах от источника. Переменный ток для межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных дистанциях передачи. На каждой сотне верст километров подводного 750-киловольтного кабеля теряется «обнуляется» до 60% мощности 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 высоковольтных HVDC магистралей будет применяться медный кабель сечением 1600 мм2 с усиленной изоляцией, пропитанной в массе нестекающим составом (Mass Impregnated Non Draining, типа MIND) с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND такого кабеля за счет тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит целых 40 кг и стоит 1100 долларов. Серийно его не производят: для каждого конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian разрабатывается оптимальная конфигурация конструкция кабеляэлементов MIND.
Для того чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34 существующие межсистемные высоковольтные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800 кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года — протянуть по дну Средиземного моря 6 магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной способностью 20 ГВт.
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.
Каждые сутки пустыни планеты поглощают в 10 000 раз больше энергии, чем потребляет население Земли в течение года.
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. евро.
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.
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).
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 °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.
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. евро потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры корпорации Alcoa и ученые из Национальной лаборатории по возобновлемым источникам энергии (National Renewable Energy Laboratory, 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.
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.
Электричество, полученное на 20 м2 поверхности Сахары с помощью параболических концентраторов с КПД 25%, может полностью обеспечить потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки аккумулятора личного электромобиля.
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.
По оценке президента Nexans Фредерика Венсана, для того, чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро.
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.
Цена укладки каждой 1000 км кабеля на морское дно колеблется от 1,8 до 2,5 млрд. евро, поэтому по мере увеличения объемов генерации в Сахаре емкость Сети 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.
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.
