16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/176/13106.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 12 (176) июнь 2011 года

Уроки Фукусимы: есть ли альтернатива атомной энергетике?

Новые технологии Дмитрий СТРЕБКОВ, директор Всероссийского института электрификации сельского хозяйства

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 98 300 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.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 12 (176) июнь 2011 года:

  • В Бразилии построят новый биотопливный завод
    В Бразилии построят новый биотопливный завод

    Топливный гигант Shell и бразильская компания Cosan, занимающаяся сбором и переработкой сахарного тростника, объявили о создании совместного предприятия. ...

  • Советской Гавани дадут тепло
    Советской Гавани дадут тепло

    «РАО ЭС Востока» приступило к строительству новой ТЭЦ в городе Советская Гавань Хабаровского края. ...

  • Реконструкция без отрыва от производства

    Нижегородский филиал ОАО «Институт Теплоэлектропроект» примет участие в реконструкции Автозаводской ТЭЦ с сооружением ПГУ-400 МВт. ...

  • Освещение бассейна
    Освещение бассейна

    Количество осветительных приборов, предназначенных для современных бассейнов сегодня, очень велико и предоставлено широким выбором на строительном рынке. Однако, запастись подходящим оборудованием недостаточно. Нужно знать основные принципы проектирования освещения в бассейне. Как правило, для такой работы приглашают квалифицированных специалистов, которые имеют богатый опыт работы с такими проектами. Чтобы свет в бассейне был правильн...

  • Минэнерго идет на прорыв
    Минэнерго идет на прорыв

    Перед топливно-энергетическим комплексом России стоят задачи качественного прорыва, роста производства и ухода от наследства советской экономики. Об этом заявил министр энергетики Сергей Шматко, выступая на конференции «Отрасль: ТЭК-2011» в рамках Международного экономического форума в Санкт-Петербурге. ...