В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики
В солнечных электростанциях распределенного (модульного) типа (рис. 41) используется большое число отдельных модулей. Каждый модуль состоит из опоры, на которой крепится параболический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости. Нагретая рабочая жидкость подается в тепловой двигатель, соединенный с электрогенератором. При небольшой мощности солнечные электростанции модульного типа более экономичны, чем башенные. В солнечных электростанциях модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.
Рис. 41. Солнечная электростанция распределенного (модульного) типа
Значительное преимущество гелиотермоэлектростанций – их способность к интеграции в традиционные тепловые электростанции. В качестве «солнечной топки» их можно интегрировать в традиционные тепловые циклы параллельно с камерами сгорания для ископаемых видов топлива. Однако при стоимости энергии на современных солнечных электростанциях даже в наиболее благоприятных условиях 0,10—0,15 долл./кВтч солнечная энергетика остается слишком дорогостоящей, чтобы без субсидий быть конкурентоспособной на внутренних рынках. Поэтому цель ведущихся в настоящее время научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ состоит в снижении стоимости энергии до 0,05—0,08 долл./кВтч, а в долгосрочной перспективе и до уровня ниже 0,05 долл./кВтч.
Энергия солнечного излучения может быть преобразована в постоянный электрический ток и посредством солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов (рис. 42). Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности, что очень удобно для потребителя. Недостатками ФЭП являются высокая стоимость и низкий КПД. Солнечные батареи являются основным источником энергопитания в космосе, а на Земле используются в основном для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов.
Рис. 42. Солнечные батареи (ФЭП)
В США, занимающих ведущие позиции в области солнечной энергетики, реализуется несколько крупных проектов как на основе фотовольтаического преобразования излучения, так и на основе его теплового действия. Крупнейший проект, реализуемый на границе Калифорнии и Невады в пустыне Мохаве, электростанция Ivanpah, после долгих лет строительства, тестирования и развития в 2014 г. была официально введена в строй. Она включает систему из 300 тысяч управляемых плоских зеркал (гелиостатов) размером с дверь гаража каждое, занимающих площадь в 16 км2, которые концентрируют солнечное излучение на три одинаковых башни высотой по 140 метров (рис. 43). В солнечных коллекторах, расположенных наверху башен, тепло солнечного излучения превращает воду в водяной пар, направляемый на лопатки турбин, производящих электроэнергию, как в обычных ТЭЦ. По оценкам, этой энергии должно быть достаточно для обеспечения нужд 140 тысяч домохозяйств Калифорнии.
Рис. 43. Солнечная электростанция в пустыне Мохаве (США)
Каждая башня имеет свой центр управления, а также имеется общий центр управления, откуда контролируется работа всей системы. Каждое из зеркал может изменять угол наклона и направление наклона по команде из центра. Раз в две недели зеркала омываются. Вся система состоит из 22 миллионов отдельных деталей. Максимальная мощность станции составляет 392 МВт, а ее стоимость 2,2 млрд долларов, что в несколько раз превышает стоимость тепловых электростанций аналогичной мощности. Есть и другие серьезные проблемы: более 300 тысяч зеркал очень сильно нагревают воздух (температура коллекторов достигает 540 градусов Цельсия), что приводит к смерти птиц, которые пролетают мимо. Поэтому серьезно рассматривается вопрос влияния подобных электростанций на окружающую среду, и не исключено, что Ivanpah может стать последней электростанцией данного типа. Но главное – это огромные удельные капитальные вложения и сложность используемого оборудования, многократно превышающие данные показатели для других источников, необходимость огромных площадей для его размещения и непостоянство и непредсказуемость количества производимой энергии.
3.3.3. Энергия ветра
Ветровая электроэнергетика, появившаяся еще в конце XIX века, в течение последних 6 лет была наиболее быстро развивающимся видом возобновляемой энергетики, годовые темпы роста в которой достигали почти 30 % (рис. 44). К началу 2015 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 369 ГВ, а количество произведенной ими электрической энергии достигло 3 % всей произведенной человечеством электрической энергии. Более 30 % установленных мощностей приходится на Китай, около 18 % – на США и более 10 % – на Германию. За счет этого источника, в основном установок, размещенных в море вблизи побережья (рис. 48), Дания покрывает около 40 % своих потребностей в электроэнергии. Германия покрывает за счет ветроэнергетики 8,6 % потребности в электроэнергии, а Китай – 1,3 %. Существуют планы дальнейшего развития ветроэнергетики, согласно которым к 2020 г. мощность ветроэнергоустановок только в странах Евросоюза достигнет 180 ГВт.
Рис. 44. Ветроустановки на суше и у побережья
Однако столь высокие темпы, характерные для начального этапа освоения этого источника энергии, вряд ли удастся удержать. Наиболее продуктивные с географической и потребительской точки зрения места расположения ветроэнергоустановок уже освоены, что ведет к закономерному падению темпов развития ветровой энергетики (рис. 45).
Рис. 45. Ежегодные темпы прироста мощностей в мировой ветроэнергетике (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)
В ближайшие годы ожидается заметное технологическое продвижение, в частности, разработка турбин мощностью выше 5 МВт, хотя 80 % мировой ветроэнергетики приходится на турбины класса 1,5–2,5 МВт. Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и его высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Ветрогенератор начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 3 м/с и отключается при скорости ветра более 25 м/с. Вырабатываемая энергия пропорциональна скорости ветра в третьей степени, а максимальная мощность достигается при скорости ветра ~15 м/с.
Наиболее перспективными местами для размещения ветрогенераторов считаются прибрежные зоны морских акваторий. Но при этом стоимость инвестиций по сравнению с сушей повышается в 1,5–2 раза. Офшорные ветровые электростанции (рис. 46) обычно строятся в море на расстоянии 10–12 км от берега. Их башни устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.
Хотя энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, практически неисчерпаема, доступна и более чистая с экологической точки зрения, сооружение ветровых электростанций сопряжено с определенными трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков создает проблемы надежности производства электроэнергии. Но главное, ветроэнергетика остается одним из наиболее дорогих источников электричества. Средняя стоимость современной крупной ветровой наземной станции составляет около 1 000 долларов/кВт установленной, т. е. максимально возможной (пиковой) мощности. Стоимость возведения морской станции может быть на 35—100 % выше. В эту стоимость не включены потенциальные затраты на интеграцию с энергосистемами и на создание мощностей по аккумуляции энергии. Себестоимость производимой электроэнергии на лучших береговых электростанциях сейчас снизились до 0,03—0,04 долл./кВтч. Снижение средней скорости ветра резко увеличивает себестоимость электроэнергии. Различия электростанций, разброс показателей капитальных затрат и средних показателей скорости ветра приводят к существенным колебаниям себестоимости ветровой энергии в различных странах и регионах: от 0,03 до 0,20 долл./кВтч. Пока на большинстве рынков ветровая энергия неконкурентоспособна, поэтому ситуация смягчается льготными тарифами для этого вида энергетики.
