Станет ли XXI столетие веком пара?

Станет ли XXI столетие веком пара?

Если стоимость электроэнергии, производимой при помощи Солнца на новейших фотоэлементных электростанциях, уже опустилась до 5–7 центов за киловатт-час, то с хранением солнечного электричества ночью и особенно зимой всё ещё есть проблемы. Ключевая — стоимость: батареи дороги; гидроаккумулирующие электростанции хотя и дешевле, но по определению эффективны только как крупные проекты, что делает их реализацию в странах классического капитализма чрезвычайно затруднительной.

Есть ли другие, более разумные варианты? Группа австралийских инженеров, создавших в Калифорнии стартап Terrajoule, уверяет, что решить главную энергетическую проблему современности поможет... паровая машина.

Схема установки по преобразованию солнечной энергии в накапливаемую тепловую выглядит довольно просто, но разработчики уверяют, что потери в ней не выше 2%. Для дополнительного повышения эффективности параболические зеркала изменяют свою ориентацию вслед за Солнцем, что позволяет им получать от светила в полтора раза больше энергии, чем при фиксированном положении, как у обычных солнечных батарей. (Здесь и ниже иллюстрации Terrajoule.)

В используемой ими схеме зеркальные металлические поверхности отражают свет на трубу с теплоносителем, помещённым в прозрачную вакуумную «рубашку», которая почти исключает энергоутечки. Теплоноситель приходит в движение и передаёт своё тепло пару. Последний нагнетается в крупные баллоны из тех, что применяются для хранения пропана, где давление равно примерно 18 атмосферам. В баке, теплоизолированном недорогой минватой, находится вода, которую пар нагревает до больших температур (потолок — в районе пары сотен градусов). Благодаря высокому давлению в баке вода при этом не испаряется и накапливает тепло. После наступления заката приходит время отдавать накопленное. И из водного резервуара после открытия задвижки начинают стравливать водяной пар, который успешно заставляет работать паровую машину с возвратно-поступательным движением поршня, а та, в свою очередь, производит электроэнергию с КПД, близким к эффективности дизельного ДВС (точная цифра лишь слегка колеблется в зависимости от конкретного режима работы).

Почему паровая машина? Она проста, сравнительно легка, не требует значительных количеств воды и имеет приемлемый КПД. Наконец, она стабильно работоспособна при любом давлении поступающего пара с практически неизменной эффективностью. Паровая турбина, напротив, этим похвастаться не может. Да и стоит она куда больше.

Чем вся эта схема отличается от реализованной на геотермальной электростанции «Айвенпа» (и её аналогов)? Там, напомним, для хранения электроэнергии используются расплавленные соли, нагретые до многих сотен градусов, а для них нужны специальные термостойкие резервуары. Теплоёмкость их действительно высока. Вот только стóит такая ёмкость вовсе не копейки, а в действие она приводит паровую турбину — значительно более дорогой механизм с близким КПД и менее гибким режимом работы. Наконец, стальные баллоны для пропана и вода в принципе дешевле накопительных ёмкостей для расплавов солей, нагретых до сотен градусов.

Самой сильной стороной своего проекта Terrajoule считает именно цену. Стоимость одного киловатт-часа ёмкости в такой системе, по уверениям разработчиков, равна всего лишь $100!

Чтобы вам было легче понять, насколько низка эта цифра, напомним: современные аккумуляторы, используемые в электромобилях, стоят примерно по $500 за киловатт-час, то есть единица их ёмкости впятеро дороже. В итоге электромобиль, способный проехать на одной зарядке (80 кВт•ч) жалкие 400 км, стоит под сто тысяч долларов, из которых около $40 000 приходится на аккумуляторы. Аналогичный по ёмкости гелиопаровой накопитель стоил бы лишь $8 000!

Даже гелиотермальная электростанция «Айвенпа», имеющая теплонакопители на расплавах солей, не может себе позволить более чем нескольких часов работы без Солнца — иначе стоимость киловатта её установленной мощности ($5 000) взлетит до небес. Ну а обычная фотоэлементная электростанция требует сегодня в два с половиной раза меньше вложений.

Как особо подчёркивают в Terrajoule, дело не только в цене. Паровые турбины и крупные теплорезервуары ЭС «Айвенпа» имеют смысл при мощностях в 300–400 МВт. Далеко не везде нужна такая большая генерация. Например, в удалённых районах, не подсоединённых к сети, для такой крупной электростанции часто просто нет потребителей. Сделать же её в десять (и тем более сто) раз меньшей будет экономически бессмысленно: КПД упадёт, а цена получаемого электричества вырастет.

При хранении тепла в наполненных водой баллонах для пропана нет необходимости в обязательном строительстве чего-то титанического по масштабам. Мощности накопителей Terrajoule начинаются от 0,1 и доходят до 20 МВт, однако они модульные и могут быть значительно увеличены. Такой вариант идеален для небольших поселений (шахт, крупных ферм) вдали от электросети, хотя, разумеется, чтобы обойтись без резервного дизель-генератора, их нужно размещать в солнечных частях земшара. Зато стоимость их будет начинаться от $10 000 — то есть принципиально отличаться от большинства систем, комбинирующих выработку и хранение электричества.

Схема обеспечения энергией крупной фермы в Калифорнии, где отрабатывались алгоритмы работы геолиопаровых установок. Как показала практика, они могут выдавать от 5 до 500% своей номинальной мощности без падения эффективности, успешно заменяя дизель-генераторы двадцать четыре часа в сутки, семь дней в неделю.

Именно поэтому (чтобы отработать сценарий полностью автономного электроснабжения) испытательная мини-электростанция Terrajoule запущена в Калифорнии, где солнца для этого предостаточно. Она обеспечивает полив и общее энергоснабжение немаленькой фермы. По сути, это опытная установка, но, как подчёркивают конструкторы, уже в 2015 году они выйдут со своей гелиопаровой системой получения и хранения энергии на рынок:



По мнению разработчиков, пока у их детища просто нет конкурентов: в отличие от аккумуляторов, срок жизни всех компонентов системы превышает 25 лет, зеркала не требуют энергоёмкого производства фотоэлементов, вода в системе почти не расходуется, а паровую машину и металлические пластины можно производить в любой части мира, снижая тем самым логистические расходы.

Кстати, в принципе, система может работать в одной упряжке с обычной тепловой станцией (в теории даже с АЭС): низкопотенциальное тепло, которое ТЭС уже не может использовать, способно подогреть ёмкости с горячей водой под давлением и тем самым повысить производство электроэнергии паровой машиной, вместо того чтобы буквально «вылетать в трубу».

Как обстоят дела с внедрением новой технологии генерации/хранения энергии? 5 ноября 2013 года компания заявила о получении от нескольких венчурных фондов 11,5 млн долларов — первой серии траншей, которые позволят ей к 2015 году вывести свои модульные установки в диапазоне 0,1–20 МВт на рынок.

Если у неё всё получится, грядут радикальные изменения на рынке автономных систем энергоснабжения: солнечная генерация наконец-то сможет начать вытеснение тепловой!

Подготовлено по материалам Terrajoule. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.