Знание-сила, 2009 № 01 (979)

Реальна ли солнечная альтернатива?

Анатолий Лефко

Не так давно журнал «Сайентифик америкэн» опубликовал статью трех ученых (Цвейбель, Мэйсон и Фтенакис), которые на протяжении последних 15 лет занимаются разработкой всеобъемлющего плана восстановления энергетической независимости Соединенных Штатов посредством перевода всей энергетики страны на «солнечные рельсы». Разумеется, план этот не единственный, но знакомство с ним позволяет более наглядно представить себе все возможности и трудности солнечной энергетики. Авторы начинают с эффектной цифры: солнечная энергия, получаемая Землей за 40 минут, равна всей энергии, вырабатываемой на планете за год. «Запрячь в работу» хотя бы частичку этого громадного потока — многообещающая задача.

Начать ее решение авторы предлагают с превращения огромной территории американского Юго-Запада в сплошное поле солнечных экранов. Эти экраны должны превращать свет в электричество с помощью фотоэффекта. Соответствующие фотоячейки широко используются уже сегодня, и самые дешевые из них основаны на использовании тонких пленок теллурида кадмия. Их кпд составляет 10 %. По расчетам авторов, фотоэлектричество станет выгодной заменой нынешним топливам только при доведении кпд фотоячеек до 14 % и снижения стоимости их установки примерно в 2,5 раза против нынешней. Но поскольку уже сейчас опытные образцы батарей дают кпд около 16 %, а крупные производители уверенно обещают, что к 2010 году кпд массового выпуска превысит 11 %, можно думать, что в этом плане есть реальные надежды на успех.

Далее, чтобы к 2050 году заменить треть всей потребляемой в США энергии на солнечную, нужно покрыть усовершенствованными фотоячейками площадь порядка 50–60 тысяч квадратных километров. Данные Национальной лаборатории воспроизводимой энергии в Колорадо указывают, что Соединенные Штаты могут пожертвовать такими площадями без ущерба для экологически чувствительных районов и населенных центров. 80 % этих земель находятся во владении штатов и не требуют выкупа у частных владельцев. Однако создание системы фотоэкранов — только начало проекта. Следующий важный шаг — передача и хранение полученной энергии, и тут авторы проекта разворачивают перед читателями еще более грандиозные перспективы.

Солнечная энергия — штука капризная: есть солнце — батареи заряжаются, нет — рано или поздно разряжаются. Хранение заряда в аккумуляторах — пока слишком дорогой и неэффективный путь. Вместо этого авторы предлагают использовать полученный фототок для сжатия воздуха и накачивания его в подземные «емкости» типа заброшенных шахт и тому подобное. Этот сильно сжатый воздух можно потом, по мере необходимости, пропускать через турбины, которые будут генерировать электричество. Такого рода резервуары сжатого воздуха уже существуют сегодня в некоторых местах в Германии и США. Турбины в этих местах работают на 60 % на сжатом воздухе. Стоимость такого хранения солнечной энергии уже сегодня вдвое меньше, чем в аккумуляторах. Даже с учетом расходов на массовое создание таких емкостей, говорят авторы, стоимость фотоэлектричества уже к 2020 году можно приблизить к стоимости гидроэлектричества.

Остаются, однако, еще две проблемы — создание нужного числа емкостей в нужных местах и постройка новой энергосети вместо ныне существующей системы линий переменного тока. Первую проблему авторы решают указанием на данные геологов, которые говорят, что пригодные для закачки воздуха места существуют на 75 % территории США. Эта система резервуаров будет похожа на уже существующую систему хранения натурального газа. Сейчас в США имеется 400 соответствующих хранилищ общей емкостью 28 миллиардов кубометров, но «Солнечный проект», по расчетам авторов, потребует создания общей емкости в 150 миллиардов кубометров. Как они пишут, «это будет серьезный вызов, но потенциальных резервуаров достаточно и можно думать, что газовая промышленность инвестирует в создание такой системы».

Другой способ утилизации солнечной энергии, обсуждаемый в статье, — это использование солнечных зеркал для прямого нагрева труб с текущим в них соляным раствором. Горячая вода отводится затем в покрытые изоляцией резервуары, откуда она за сутки забирается в виде пара, вращающего турбины электростанций. Сегодня в США уже работают такие системы общей мощностью 35 мегаватт, и расчеты авторов показывают, что при широком размахе стоимость такой энергии можно существенно понизить. Что же до постройки системы линий постоянного тока, то, по мнению авторов, это вообще не требует никаких технических новаций и в принципе может оказаться даже выгодней, чем нынешняя энергосистема. Предполагая это и принимая, что рост энергетического потребления составит 1 % в год, авторы приходят к выводу, что есть вполне реальная возможность к 2050 году перевести на солнечную энергию все автомашины США и покрыть ею 35 % общей энергетической потребности страны и 70 % ее потребности в электричестве. Но эти цифры еще более улучшаются, если принять во внимание, что значительная часть колоссальной энергии, расходуемой человечеством сейчас, идет на извлечение и переработку нынешних видов горючего, а с переходом на солнечную энергию этот вид расходов станет уменьшаться.

И последний пункт — деньги. Стоимость создания «солнечной» энергетической инфраструктуры оценивается в статье в 420 миллиардов долларов. Для покрытия этих расходов авторы предлагают обложить население США «углеродным налогом» в размере 0,5 цента за киловатт потребляемой электроэнергии (которая сегодня стоит в США от 6 до 10 центов за киловатт). Другой путь — государственные субсидии, которые будут постепенно возвращаться в период 2040–2050 годов. На этот путь уже встала Япония, где разворачивается огромная инфраструктура солнечной энергетики, и Германия, где серьезно обсуждается такая же общенациональная программа. Главное препятствие на пути реализации всех таких программ, заключают авторы, — не деньги и не технология, а отсутствие у граждан понимания того простого факта, что солнечная энергия — единственная реальная, практическая альтернатива как нефтяной зависимости, так и — в более широком плане — глобальному потеплению.