Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Уроки Фукусимы: есть ли альтернатива атомной энергетике?

Менее чем через двадцать пять лет после Чернобыльской катастрофы мир стал свидетелем аварии на АЭС «Фукусима» в Японии с зоной отчуждения и последствиями, близкими к Чернобылю.

Если из четырех блоков Чернобыльской АЭС был разрушен один, а остальные три проработали еще десять лет, то на «Фукусиме-1» четыре блока полностью разрушены и уже никогда не будут работать. Сто тысяч человек были вынуждены покинуть свои дома. Фабрика по производству чая, расположенная в 300 километрах от АЭС, остановлена из-за заражения чайных плантаций радиоактивным цезием. Авария на «Фукусиме» снова показала, что ядерная энергетика неконтролируема и опасна.



В поисках вариантов

Президент США Барак Обама во время посещения фабрики по производству фотоэлектрических систем в Калифорнии заявил:

– Нация, которая лидирует в экономике чистой энергетики, возможно, будет лидером в глобальной экономике.

Правительство США выделило из бюджета 2,36 миллиарда долларов на повышение эффективности использования возобновляемых энергоресурсов, в том числе 500 миллионов – на гарантии по кредитам на развитие ВИЭ в объеме до 3-5 миллиардов долларов. Будет продолжено финансирование трех инновационных энергетических центров по солнечной энергетике, проектам домов с нулевым потреблением и по проблемам аккумулирования электроэнергии.

А что же Россия? Президент Дмитрий Медведев заявил, что «у атомной энергетики нет альтернативы», и, по-видимому, это заявление подготовлено Рос­атомом.

На самом деле альтернатива у атомной энергетики есть. Различие между Чернобылем и Фукусимой состоит в том, что сегодня мы имеем развитые альтернативные энергетические технологии бестопливной возобновляемой энергетики.

Установленная мощность электростанций, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) (ветровая, солнечная, геотермальная и морская энергетика, биоэнергетика и малая гидроэнергетика), превысила в 2010 году установленную мощность АЭС в мире и составила 388 ГВт (рост на 60 ГВт по сравнению с 2009 годом). Объем инвестиций в мировую возобновляемую энергетику составил в 2010 году 243 миллиарда долларов, рост инвестиций – 630 процентов с 2004 года. Первое место в мире занимает Китай с 25-процентой долей инвестиций (54,4 миллиарда долларов); Германия на втором месте (41,2 миллиарда долларов); и на третьем месте – США (34 миллиарда долларов). Ветровая энергетика лидирует среди других видов ВИЭ по объемам инвестиций – 95 миллиардов долларов.

По темпам роста первое место занимает солнечная энергетика. В 2010 году в мире построено 22,7 ГВт солнечных электростанций (СЭС), в том числе в Германии – 7 ГВт, в Италии – 5,6 ГВт, в Чехии – 1,2 ГВт, в Японии – 1 ГВт. Темпы роста производства СЭС составили 118 процентов по сравнению с 2009 годом. В конце 2011 года установленная мощность СЭС в мире достигнет 66 ГВт. Ни одна отрасль промышленности в мире, включая телекоммуникации и производство компьютеров, не имела таких темпов роста. Для сравнения, в 2010 году в мире завершено строительство трех АЭС общей мощностью 3 ГВт, которое продолжалось более пяти лет.

В России наличие уникальных запасов углеводородного сырья не является препятствием для развития ВИЭ. Большие ресурсы энергоносителей позволяют России не делать стратегических ошибок в выборе оптимальных технологий и направлений развития ВИЭ и создать с учетом опыта западных стран, Китая и Японии собственные инновационные технологии и крупномасштабные проекты использования ВИЭ. Масштабное развитие использования ВИЭ в России должно базироваться на оригинальных инновационных российских технологиях.



Солнечные технологии

В мире 95 процентов всех СЭС изготавливают из кремния. Содержание кремния в земной коре – 29,5 процента, это второе место после кислорода, содержание урана – 0,0003 процента. Несмотря на то что кремния в земной коре больше, чем урана, в 98300 раз, стоимость монокристаллического кремния лишь немного уступает стоимости урана, что связано с устаревшей грязной хлорной технологией производства (Сименс-процесс). Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разработаны уникальные бесхлорные технологии получения кремния с низкими энергетическими затратами, на которые получено восемь патентов РФ и США.

Другой подход заключается в снижении расхода кремния на один мегаватт мощности с 6-8 тонн в настоящее время в сто - тысячу раз за счет использования новых типов концентраторов и матричных кремниевых солнечных элементов (МСЭ), разработанных в России.

Во ВИЭСХе разработаны и запатентованы солнечные концентраторы со слежением за Солнцем и без слежения за Солнцем. Оба типа концентраторов обеспечивают равномерное освещение солнечных фотоэлектрических модулей, что исключительно важно при эксплуатации СЭС с концентраторами. Неследящие концентраторы концентрируют не только прямую, но и большую часть диффузной (рассеянной) радиации в пределах апертурного угла, что увеличивает установленную мощность СЭС и производство электроэнергии.

Созданные во ВИЭСХе МСЭ из кремния обладают КПД 20 процентов при пятидесятитысячекратной концентрации солнечного излучения. Запатентованные в России двусторонние планарные СЭ и МСЭ прозрачны для неактивной инфракрасной области спектра, что снижает нагрев фотоприемника и затраты на его охлаждение. Преимуществом МСЭ является генерация высокого напряжения 15-20 В на один погонный сантиметр рабочей поверхности.

На испанской солнечной электростанции «Эвклид» с концентратором пиковой мощностью 480 кВт для получения рабочего напряжения 750 В, необходимого для присоединения к бестрансформаторному инвертору, использовались последовательно соединенные планарные солнечные кремниевые модули общей длиной 84 метра. МСЭ напряжением 750 В в длину в 191 раз меньше – 0,44 метра, при этом МСЭ имеет рабочий ток в сотни раз меньше, чем планарные СЭ одинаковой мощности и, как следствие, низкие коммутационные потери. Приемник на основе МСЭ длиной 84 метра будет иметь напряжение 150 кВ, и в этом случае СЭС может быть подключена к высоковольтной ЛЭП постоянного тока без промежуточных трансформаторов, выпрямителей и других преобразующих устройств.



Цена «солнца»

МСЭ из кремния в сотни раз дешевле солнечных элементов на основе каскадных гетероструктур на единицу площади, технология МСЭ не требует применения серебра, многостадийной диффузии, фотолитографии, сеткографии, эпитаксии, текстурирования и других трудоемких операций, используемых на зарубежных заводах.

Все существующие в мире конструкции, материалы и технологии изготовления солнечных модулей обеспечивают срок службы модулей в двадцать лет в тропическом климате и двадцать пять – в умеренном климате с потерей до 20 процентов мощности к концу срока службы. Причина – ультрафиолетовая и температурная деградация оптических полимерных герметизирующих материалов – этиленвинилацетата и других пластиков. Используемая технология ламинирования модулей включает вакуумирование, нагрев до 150º и прессование с затратами электроэнергии 80 000 кВт-ч на изготовление 1 МВт солнечных модулей.

В новой технологии, разработанной во ВИЭСХе, этиленвинилацетат и технология ламинирования заменены на заливку силиконовой композиции с последующим отверждением жидкой компоненты в полисилоксановые гели. При этом срок эксплуатации солнечных модулей увеличивается в два раза, до сорока-пятидесяти лет, возрастает электрическая мощность модулей благодаря более высокой прозрачности геля и снижению рабочей температуры СЭ, снижаются энергозатраты на изготовление модулей на 70 000 кВт-ч/МВт. Кроме того, удвоение срока службы увеличивает производство электроэнергии на 20 миллионов кВт-ч на 1 МВт пиковой мощности.

Минимальная стоимость солнечных модулей из кремния на оптовом европейском рынке составляет 1250 евро/кВт, на американском рынке – 1700 долларов/кВт. Стоимость изготовления СЭС под ключ составляет для сетевых компаний 3400 долларов/кВт, для владельцев домов 6500 долларов/кВт. Министерство энергетики США в августе 2010 года объявило о программе снижения к 2012 году стоимости производства сетевых СЭС до 1000 долларов/кВт, а солнечных модулей – до 500 долларов/кВт. Стоимость изготовления солнечных модулей составляет 50 процентов от стоимости СЭС, еще 50 процентов стоимости включает закупку сетевого инвертора, металлоконструкций, кабелей и строительно-монтажные работы.

На региональном уровне в Италии и других странах мира и в ряде регионов России достигнут паритет цен между тарифами на электроэнергию от сети и ценой электрической энергии от СЭС. Например, в Калмыкии, Курской области, в ряде районов Якутии, Чукотки стоимость электроэнергии для юридических лиц составляет 7-9 рублей за кВт-ч (0,25-0,32 доллара/кВт-ч), что соизмеримо с существующей ценой электроэнергии от СЭС. Везде, где используются дизельные электростанции, тарифы на электроэнергию выше, чем стоимость электроэнергии от СЭС.

В ближайшие годы КПД МСЭ из кремния будет увеличен до 25-30 процентов при работе с концентратором. Однако уже сейчас использование новых технологий кремния, концентраторов и МСЭ позволяет создавать солнечные электростанции, конкурентоспособные с электростанциями, работающими на угле.



Энергия и экология

Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования возобновляемой энергии. В этом случае будут также решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электростанций и транспорта, обеспечения качественными продуктами питания, получения образования, медицинской помощи, увеличения продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и повышают энергетическую безопасность и независимость владельцев СЭС за счет бестопливного и распределенного производства энергии.

Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химические процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы. Серьезное внимание уделяется утилизации отходов производства, а также переработке компонентов СЭС после окончания срока службы.

При использовании СЭС органически сочетаются природные ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственно-архитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок, теплиц. На территории СЭС можно размещать виноградники, розарии и выращивать экологически чистые сельскохозяйственные культуры.



Волноводные методы передачи энергии

В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию глобальной солнечной энергосистемы появились задачи по созданию технологии передачи тераваттных трансконтинентальных потоков электрической энергии. В конкуренцию между системами передачи на переменном и постоянном токе может вступить третий метод: резонансный волноводный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенный Николой Теслой в 1897 году и детально разработанный во ВИЭСХе в 1995-2010 годах.

Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и научные ресурсы в создание технологии высокотемпературной сверхпроводимости для снижения джоулевых потерь в линии.

Существует другой, вероятно, более эффективный способ снижения потерь в магистральных и межконтинентальных линиях электропередачи: разработать регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте 1-100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи. В волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90º. За счет настройки резонансных режимов, выбора частоты тока в зависимости от длины линии можно создать в линии режим пучности напряжения и узла тока (например, для полуволновой линии). При этом из-за отсутствия активного тока, сдвига фаз между стоячими волнами реактивного тока и напряжения 90º и наличия узла тока в линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима высокотемпературной проводимости, а джоулевы потери становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии.

Новая физика электрических процессов, связанная с использованием не активного, а реактивного тока, позволит решить три главные проблемы современной электроэнергетики:
∙ создание сверхдальних линий передачи с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости;
∙ увеличение пропускной способности линий;
∙ замена воздушных линий на кабельные однопроводниковые волноводные линии и снижение сечения токонесущей жилы кабеля в двадцать-пятьдесят раз.

В экспериментальной резонансной однопроводниковой системе передачи электрической энергии, установленной в экспериментальном зале ВИЭСХа, мы передавали электрическую мощность 20 кВт при напряжении 6,8 кВ на расстояние 6 м по медному проводнику диаметром 80 мкм при комнатной температуре, при этом эффективная плотность тока в проводнике составила 600 А /мм2, а эффективная плотность мощности – 4 МВт/мм2.

Из других применений резонансной электроэнергетики, основанной на незамкнутых токах, следует выделить бесконтактный высокочастотный электротранспорт, создание местных энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии, соединение офшорных морских ВЭС с береговыми подстанциями, электроснабжение потребителей на островах и в зонах вечной мерзлоты, пожаробезопасные однопроводниковые системы уличного освещения и освещения зданий и пожаро­опасных производств.

Для сомневающихся в существовании незамкнутых электрических токов приводим высказывания двух выдающихся ученых в области электротехники и электроэнергетики.

«Исключительная трудность согласования законов электромагнетизма с существованием незамкнутых электрических токов – одна из причин среди многих, почему мы должны допустить существование токов, создаваемых изменением смещения» (Д. Максвелл).

«В 1893 году я показал, что нет необходимости использовать два проводника для передачи электрической энергии… Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически». «Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь… Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии».

«Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуется несколько лошадиных сил» (Н. Тесла).

Н. Тесла ответил и на вопрос, который часто задают нам: почему электроэнергетика не восприняла его идеи? «Мой проект сдерживался законами природы. Мир не был готов к нему. Он слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим триумфом», – писал он.

Солнечная энергетика нуждается в поддержке государства для реализации пилотных и демонстрационных проектов, ждет частный капитал и нового Моргана, банкира, который сто лет назад финансировал работы Н. Теслы.



***

Динамично развивающаяся солнечная энергетика, основанная на инновационных российских и мировых технологиях, является альтернативой топливной энергетике. По прогнозам экспертов, в 2050 году она будет доминировать на рынке энергетически чистых технологий, а к концу XXI века обеспечит 75-90 процентов всех потребностей Земли в электрической энергии.

Дмитрий СТРЕБКОВ, директор Всероссийского института электрификации сельского хозяйства