Примусьте сонце працювати на Вас

Коли говорять про альтернативну енергетику, мають на увазі під нею насамперед сонячну. Не вичерпуючись, наше світило обрушує на Землю енергію, що в 10 тисяч разів перевищує світові потреби. І людство вже навчилося перетворювати в електрику нехай поки невелику, але неухильно зростаючу частку цього сонцепада. З сонячною енергетикою пов’язане історичне непорозуміння з участю великого фізика і мислителя Альберта Ейнштейна. Чомусь вважається, що Нобелівської премії за 1921 рік його удостоїли за теорію відносності, хоча насправді найвищу нагороду за видатні заслуги в галузі фізики він отримав, пояснивши суть так званого зовнішнього фотоефекту. Тобто того фізичного процесу, в ході якого падають на метал кванти світла “вибивають” з нього електрони. Теорію підтвердили на практиці радянські вчені, але установка, створена ними в 30-х роках, не мала шансу стати реальним енергогенератором – занадто малий б тоді її ККД. У електрику “на виході” перетворювався лише один відсоток падала на елемент сонячної енергії.

Малий ККД сонячних батарей – ще одна помилка, дуже поширена навіть у наші дні. Як і уявлення про надзвичайно високу вартість батарей і інших елементів інфраструктури сонячної енергетики, що робить цю галузь начебто неконкурентоспроможною з традиційними ГЕС, ТЕС, АЕС. Але ось думка іншого видатного фізика і теж нобелівського лауреата Жореса Алферова, висловлену ще на початку 90-х років: “Якщо б на розвиток альтернативної енергетики (а сонячна у нас вважається одним з її видів) було б витрачено хоча б 15 відсотків з тих коштів, що ми вклали в енергетику атомну, то АЕС нам зараз взагалі були б не потрібні “.

Вкласти, а то програєш

Приклади з техніки, чудово ілюструють думку Алфьорова про те, як окупаються інвестиції: автомобільні автоматичні коробки передач і системи ABS, а також сучасні надпласкі телевізори. В 50-60 роках минулого століття досить недешевими “автоматами” оснащували тільки дорогі американські моделі і радянські “членовози”. Сьогодні АКПП – порівняно недорога опція для буквально будь-якої ринкової моделі, навіть малого класу. Менш ніж півстоліття тому ABS ставили тільки на бойові літаки, наприклад на радянський МіГ-19, що коштував у доларовому еквіваленті мільйони, сьогодні “антиблокування” – обов’язковий елемент будь-якого європейського або заокеанського автомобіля. А згадайте, скільки коштували перші на ринку РК-телевізори, і порівняйте ці цифри з нинішніми цінами …

У 1970-х роках ККД сонячних елементів плавно доріс до 10 відсотків і майже на 20 років завмер на цій позначці. Як би законсервувалася і вартість кремнію – головного елемента батарей: приблизно 100 доларів за кілограм. А технологія його промислового виробництва і зовсім залишилася на рівні півстолітньої давності. Що, власне, і підігріває розмови про непомірною вартості сонячної електроенергії.

Тим часом ще на початку нинішнього століття ККД досяг позначки 20 відсотків, а винайдений в 1974 році спосіб вироблення чистого кремнію обіцяє знизити вартість одного кілограма кінцевого продукту до 5-15 доларів. І банк відкриттів, винаходів, інновацій в області сонячної енергетики поповнюється чи не щодня, готуючи її якісний і кількісний вибух. Та, власне, він вже відбувається. Причому як на побутовому, так і на промисловому рівні.

Згідно зі статистикою, минулої весни кожен п’ятий німець висловив намір встановити на своєму будинку сонячну батарею. І хоча коштує вона в середньому близько 12 тисяч євро і окупається лише через кілька років, щороку в країні з’являється півмільйона квадратних метрів “електричних” дахів. Якщо всі бажаючі дійсно куплять батареї, то жителі ФРН витратять на енергетичну автомізацію жител не менше 25 мільярдів євро. Почалася тамтешня національна програма під назвою “1000 сонячних дахів” ще в 1990 році. Потім, коли в девізі з’явилася цифра “2000”, проект запозичили інші країни ЄС, які поставили перед співтовариством мету довести число “дахів” до 100 тисяч. У США замахнулися на куди більш значний результат – мільйон самообеспечивающейся будинків. І в підсумку одержали до середини минулого десятиліття 1,5 мільйона приватних будівель, заощадили країні 1400 мегават енергії, тобто п’ять мільйонів тонн так і неспалені на ТЕС нафти. Ще далі пішли в Японії: у зв’язку з подіями на “Фукусіма-1” уряд зобов’язав забудовників абсолютно всіх нових будинків будь-якого призначення, в тому числі житлових, оснащувати їх сонячними батареями.

Академік Алфьоров говорив колись про вкладення в альтернативну енергетику, покликаних підняти її технічний і технологічний рівень. Однак у Німеччині і США розвивати її дозволяють серед іншого фінансові механізми іншого роду. По-перше, держава компенсує німцям до 70 відсотків витрат на придбання та монтаж сонячних батарей. Подруге, купує у домогосподарів надлишки електроенергії по 80 центів за кіловат / годину, а якщо тим не вистачає своїх потужностей, скажімо, вночі або в морозну погоду, навпаки, продає, але вже за 20 центів. В Америці власники “солярізірованних” будинків або офісів отримують пільги по податках, користуються спеціальними кредитами і безпроцентними позиками.

Зрозуміло, що “домашня” геліоенергетика дає не тільки електрику, а й тепло. Замислившись про більш ніж два мільярди чоловік з країн, що розвиваються з дуже низьким рівнем електрифікації, норвежець Йон Боммер, що живе в Кенії, винайшов піч з сонячним підігрівом. Автор найпростішого пристрою, випускати яке в змозі будь кустарна майстерня, удостоєний премії в 75 тисяч доларів від благодійної організації “Форум майбутнього”.

“Аватар-2” знімуть на сонячному електриці

Якщо побутова сонячна енергетика заснована на стандартних елементах, що виробляються масовими партіями, то проекти більш високого рівня, назвемо їх корпоративними, будуються під конкретне завдання і на дещо інший елементної бази. Скажімо, творцям системи на даху одного із залів Ватикану довелося врахувати складну конфігурацію стародавньої будівлі. Експеримент вдався, Святий престол офіційно визнав його позитивний результат, панелями оснастили ще одну споруду, у розробці два наступні проекту.

7 червня по маршруту Париж – Амстердам стартував перший у світі потяг, чиї електромотори харчуються від 16 тисяч сонячних батарей загальною площею 50 тисяч квадратних метрів. Однак розташовані вони не на дахах вагонів, а на землі, навколо залізничних шляхів.

Все більше великих виробничих корпорацій покривають свої енергетичні потреби за рахунок сонця. Минулої весни Toyota почала монтаж системи з батарей загальною площею 30,6 тисячі “квадратів” уже на другому заводі. Ще більш масштабний проект реалізує французька компанія Renault – під 450 тисяч квадратних метрів батарей відвели майданчик розміром в 63 футбольних поля. Власної геліоелектростанцією з 182 панелей обзавівся шоколадний гігант Hershey. А південно-корейська Samsung Electronics і зовсім має намір витратити 23 мільярди доларів до 2020 року на розробку альтернативних джерел енергії, перш за все сонячної, і екологічно чистих технологій. “Сонцепоклонником” став навіть знаменитий кінорежисер Джеймс Кемерон, який має намір зняти продовження “Аватара”, використовуючи тільки електрика сонячного походження. На відповідне устаткування знімального корпусу він вже витратив п’ять мільйонів доларів.

З економічними показниками побутових і корпоративних геліостанцій все відносно ясно – їх будують виключно для власних потреб, заздалегідь прораховуючи потрібні вкладення, вигоду, терміни окупності тощо. А як з величезними енергопідприємствами зразок ГЕС, ТЕС, АЕС, що продають електрику будь-якому охочому споживачеві на строго комерційній основі? Їх багато по всьому світу. Останнє і новітнє за технологіями запущено кілька тижнів тому в Іспанії, стійко тримається в лідерах геліоенергетики. Обійшовшись в 400 мільйонів євро, станція Gemasolar, здатна, до речі, виробляти електроенергію навіть у похмуру погоду і вночі, забезпечить кіловатами до 25 тисяч будинків. До 2013 року в країні з’являться ще кілька СЕС, і в загальній складності іспанський парк зможе повністю задовольнити енергетичні потреби такого міста, як Севілья. За прикладом сонячної Іспанії своєї геліоенергетики обзаводиться України, яка замовила австрійської компанії Activ Solar електростанцію в Криму; 7,5-мегаватний перша черга добудована минулої весни. У лічені роки потужність об’єкта “Охотнікове” із загальною площею сонячних модулів 40 гектарів планується довести до 20 мегават. Їх вистачить приблизно на п’ять тисяч навколишніх приватних господарств.

Надзвичайно важливо, що, задумуючи нові станції, автори проектів можуть спиратися на вже накопичений колосальний науково-технічний заділ. Нехай поки лише лабораторні, багато рішень націлені на больові точки сонячної енергетики – на вже згаданий ККД, дорожнечу елементів, брак місця для гігантських полів з батареями, проблеми з нестачею сонячного випромінювання і накопиченням “зайвої” електроенергії.

Так, вчений з Університету Міссурі розробив гнучкі панелі, “пускають в діло” більше 90 відсотків падаючого світла – проти 20 у нинішніх батарей. Його колега з Університету Колорадо запропонував технологію прямого вироблення з води водню при нагріванні сонячними променями до 1449 градусів за Цельсієм. У Німеччині створили технологію вироблення за допомогою “зайвої” сонячної електроенергії газу метану, і станцію, що діє за таким принципом, побудують в наступному році. У США навчилися боротися з виходом з ладу батарей, деградуючих під дією світла і кисню, і в результаті елементи працюють нескінченно довго. Ізраїльтяни і британці, підглянувши, як влаштована спинка азіатського шершня, запропонували високоефективну модель сонячної комірки. А британці спільно з норвежцями створили нанотехнологію, що дозволяє перетворювати звичайне віконне скло в фотоелемент …

У космічної сонячної енергетики, давно вже прижилася на пілотованих та безпілотних апаратах, є шанс знайти друге дихання, але вже в якості джерела електрики для Землі.

Шістнадцять японських корпорацій на чолі з Mitsubishi Heavy Industries намір до 2040 року побудувати сонячну станцію потужністю один гігават з батареями загальною площею чотири квадратних кілометри. З космосу на нашу планету енергію планується передавати за допомогою мікрохвиль або лазерів. Схожий проект розробляє найбільша в Європі космічна компанія EADS Astrium.

Із досьє “Ехо”

У минулому 2010 введені в дію наступні об’єкти, що діють на альтернативних джерелах енергії.

. Thanet: морський вітропарк потужністю 300 мегават у Великобританії, що займає площу 35 квадратних кілометрів, здатний забезпечити електроенергією більше 200 тисяч домогосподарств.

. Rodsand II: морський вітропарк потужністю 207 мегават в Данії, покликаний забезпечити електрикою близько 200 тисяч домогосподарств.

. Fowler Ridge: вітропарк в США загальною потужністю 600 мегават.

. Penascal: вітропарк потужністю 404 мегават в США. Фінансування будівництва з державного

бюджету США склало 114 мільйонів доларів. Для зменшення навантаження на природно-екологічний баланс перед початком будівництва компанія півтора року проводила дослідження міграції птахів і встановила спеціальні радари, які відстежують наближення пташиних зграй і відключають роботу вітрогенераторів у разі поганої видимості і небезпеки для птахів.

. Sarnia PV plant: сонячна електростанція потужністю 97 мегават в Канаді на території в 385 гектарів здатна забезпечити електроенергією близько 12 800 домогосподарств.

. Montalto di Castro: сонячна електростанція потужністю 84,2 мегавати, найбільша в Італії.

. Nga Awa Purua: геотермальна ЕС (ГеоЕС) потужністю 132 мегават в Новій Зеландії. Забезпечить електрикою близько 140 тисяч домогосподарств. Завдяки унікальним природним ресурсам і високим темпам розвитку технологій Нова Зеландія є світовим лідером з виробництва енергії з геотермальних джерел. Її частка в енергетиці країни досягає вже 14 відсотків.

. ADM: два заводи з виробництва етанолу в США. Кожен з них може виробляти до одного мільйона тонн етанолу на рік і використовує як сировину кукурудзу. У 2011 році 40 відсотків вирощеної в США кукурудзи планується направити на виробництво етанолу.

. NExBTL: виробництво дизельного палива з суміші пальмової олії, масла з насіння ріпаку і жирових відходів харчової промисловості в Сінгапурі.

Плавання на сонці і вітрі

Минулої весни японська компанія Eco Marine Power (EMP) запустила проект морського судна, повністю задовольняє свої енергетичні потреби завдяки сонцю. Причому на відміну від, скажімо, 33-метрового швейцарського комерційного електрохід MobiCat, спущеного на воду в 2001 році, новинку оснастять сонячними батареями досконалого незвичайного типу – у вигляді гігантських жорстких вітрил загальною площею 37 тисяч квадратних метрів.

Система під позначенням Aquarius покликана втілити в собі все краще, що характерно і для сонячної, і для вітрової енергетики. Тобто при свіжому вітрі і в погожий, сонячний день судно рухається, як у старі добрі часи вітрильного флоту, і одночасно запасає енергію в потужних акумуляторах, щоб щедро витрачати її в безвітряні похмурі дні або вночі.

Положення вітрил-батарей, оптимальне з точки зору аеродинаміки і освітленості сонцем, належить контролювати складної комп’ютерної системи. Вона ж, якщо сила вітру загрожує як міцності батарей, так і стійкості самого судна, складе вітросонцевловлювачі. Передбачається, що про перші результати досліджень компанія повідомить в кінці нинішнього року.

Одночасно фірма готує до випуску інше сонячно-електричне судно Tonbo істотно менших габаритів – завдовжки 10 метрів. Правда, Eco Marine Power уточнює: завдяки так званої масштабізаціі модель можна буде виробляти в будь розмірності і довести її пасажиромісткість до 150-200 чоловік. У рух Tonbo призводить гібридна веслова силова установка, чиї електродвигуни працюють від літієвих акумуляторних батарей.

Для їх зарядки використовуються встановлені на палубі сонячні модулі. Компанія розробила інноваційну систему управління, за допомогою якої змінюється положення батарей. У негоду або якщо судно проходить під низькими мостами, модулі складаються, а при сонці – займають горизонтальне положення.

Згідно із заявою компанії-виробника, ринковий старт Tonbo може відбудуться вже наступного року.