Почему Сахара - не Саудовская Аравия, или про DESERTEC
Есть такая страна на свете - Саудовская Аравия. Расположена в жаркой пустыне рядом с Африкой. Ещё не так давно её населяли воюющие друг с другом племена и группировки. Но даже после объединения страны там до сих пор случались и случаются государственные перевороты, убийства правителей, войны с соседями, напряжённые отношения с США и Израилем. Там плохо с так называемыми правами человека. Она окружена нищими соседями, погрязшими в войне и разрухе. Однажды там взяли и перекрыли нефтяной кран для развитых стран, спровоцировав энергетический кризис.
Несмотря на всё это, страна - один из крупнейших экспортёров нефти для всего мира, и живёт припеваючи на доходы от экспорта. Можно сказать, снабжает мир энергией.
Итак, существует прецедент: в пустыне есть очень большой источник энергии, необходимый для цивилизации, пустыня поставляет его на весь мир, несмотря на политическую нестабильность, плохую ситуацию с правами человека и демократией, тёрки с соседями и с сильными мира сего, и несмотря на возможность просто взять и прекратить поставки энергии по прихоти местного правителя. Ах да - обнаружение самого источника энергии, технологии для её получения и транспортировки, предметы роскоши, покупаемые на выручку от этого - всё это имеет не местное происхождение, а получено с условного Запада.
Есть ли в пустынях более перспективный источник энергии? Да, есть. Это солнечное излучение.
На этих картинках показаны потенциалы источников энергии, которыми располагает Земля, в виде сфер. Объём сферы соответствует мощности источника. При этом газ, нефть, уголь и уран являются невозобновляемыми источниками, тогда как остальное - возобновляемые источники. Как видно на картинках, именно солнечное излучение - наиболее мощный источник. Земля получает с ним столько энергии, что если уловить всего лишь 0.12%, это будет соответствовать потребности человечества в энергии, ожидаемой в 2050 году. Для этого надо покрыть 1.2% поверхности планеты солнечными электростанциями с КПД 10%. Для сравнения, городами сегодня покрыто примерно 0.25% поверхности планеты, а КПД серийных солнечных батарей 10-20%.
Но солнечное излучение распределено по планете неравномерно, по ряду причин. И на суше больше всего энергии от Солнца получают пустыни.
На карте жёлтый цвет - это пустыни, коричневый - полупустыни, голубой - тундры, белый - снежные пустыни. Собственно пустыни занимают приблизительно 14% суши, что соответствует 4% поверхности Земли. Крупнейшая среди пустынь - Сахара, на севере Африки, и на западе от Саудовской Аравии, отделённая от последней Красным морем.
В год на единицу площади пустыни получают примерно в четыре раза больше энергии, чем приполярные области, и в полтора-три раза больше, чем Европа и РФ.
В год в пустынях количество часов солнечного сияния (когда Солнце стоит над горизонтом и не скрыто облаками) в 2-3 раза больше, чем на большей части территории Европы и РФ.
В результате, как утверждается на сайте проекта DESERTEC, за шесть часов пустыни получают от Солнца столько энергии, сколько человечество расходует за год. Линии электропередач позволяют передавать электричество на расстояние порядка 3000 километров, и пустыни расположены таким образом, что 90% людей на планете живут менее чем в 3000 километрах от пустынь.
Красные квадраты на карте соответствуют площади Сахары, которую следовало бы покрыть коллекторами солнечных электростанций, чтобы в 2005 году обеспечить электричеством, соответственно, весь мир, Европу и Германию. Для удовлетворения потребности во всей энергии, а не только в электричестве, площади нужны в пять раз больше, то есть квадраты требуются со сторонами в 2.23 раз больше.
И вот в начале XXI века стартовал грандиозный международный проект DESERTEC по утилизации колоссального количества энергии, получаемого пустыней Сахарой, в интересах Западной Европы, местных жителей и Ближнего Востока. Инициатором был немецкий физик, доктор Gerhard Knies, который после Чернобыльской катастрофы стал искать более перспективные и безопасные источники энергии, нежели атомные электростанции. Он и пришёл к приведённому выше заключению про шесть часов. В 2003 году Римский Клуб и Иорданский Национальный Энергетический Исследовательский Центр создали некоммерческую международную организацию учёных, экспертов и политиков под названием TREC, которая затем в 2009 году превратилась в DESERTEC Foundation, куда вошли немцы из Римского клуба, члены TREC и несколько десятков организаций из Европы, США и с Ближнего Востока. Судя по опубликованному составу участников, особенно много их из Германии. Среди них такие организации как "Siemens" и "Deutsche Bank ". Вошёл в состав DESERTEC Foundation и сам Gerhard Knies.
Предполагалось к 2050 году разместить в Сахаре солнечные и ветряные электростанции, которые покроют почти все потребности местных жителей в электроэнергии и 15% потребностей Европы. Электричество в Европу предполагалось передавать по нескольким энергетическим мостам, переброшенным через Средиземное море и Ближний Восток. Эти мосты предполагалось делать на основе высоковольтных линий электропередач постоянного тока (HVDC), и несмотря на потери в них, доходящие до 15%, это всё равно оценивалось как более выгодное решение, чем размещать электростанции непосредственно в Европе - благодаря большему количеству энергии на единицу площади в Сахаре. Общие затраты на проект оценивались в 400 миллиардов Евро к 2050 году, и его окрестили "Аполлоном" XXI века.
Однако, вскоре после создания организации в ней начались прения по стратегическому вопросу: надо ли сразу начинать экспорт энергии в Европу, как было задумано изначально, или же следует сперва удовлетворить местные потребности в электроэнергии, наладив жизнь местного населения? Теоретически, второе предложение было разумным: это принесло бы стабильность в регион и сделало ненужной гуманитарную помощь. Однако, как возражали сами участники проекта, истинная подоплёка этого предложения была в другом: европейские компании, участвующие в проекте, не хотели, чтобы он конкурировал с европейскими электростанциями на ископаемом топливе. События "Арабской весны" принесли нестабильность в регион. Критиковалась и техническая сторона проекта - например, воздействие запыления на солнечные коллекторы, необходимость их мыть и тратить на это воду, экологическая опасность от солнечных батарей, солнечных концентраторов и ветряков, непостоянство выработки электроэнергии в разное время суток.
Так или иначе, но время шло, дело толком не делалось, участники стали покидать проект, и сегодня он находится в неопределённом состоянии - то ли совсем умер, то ли едва живой. Таким образом, Сахара не стала новым Аравийским полуостровом, хотя, казалось бы, если один раз из дикой пустыни, населённой воюющими бандами, Запад сделал застроенный небоскрёбами источник энергии для себя, то почему бы не повторить снова? Тем более что отдача обещала быть ещё более грандиозной.
Любопытно также, что в материалах по проекту нигде не фигурируют так называемые Solar Updraft Tower, похожие на них "энергетические башни" и их производные. А ведь именно такие электростанции наиболее перспективны для утилизации энергии Солнца. В отличии от солнечных панелей и концентраторов, они способны работать даже ночью и в пасмурную погоду. При этом им не требуются дефицитные и экологически опасные материалы, как для солнечных батарей, им не нужны системы для отслеживания Солнца и паровые котлы, как солнечным концентраторам, которые к тому же жгут пролетающих птиц. Они сами себе организуют ветер, в отличие от традиционных ветряков. Их коллекторы могут быть совмещены с зелёными зонами и городами, работая для них прозрачными крышами и парниками. Они могут быть встроены прямо в города, которые призваны снабжать электричеством, и управлять климатом как в локальном, так и в глобальном масштабе, формируя облака и отводя тепло от поверхности планеты. Их можно совмещать с другими типами электростанций, такими как атмосферные, высотные ветряки, АэроГЭС, солнечными батареями, геотермальными источниками тепла и прочим. Их коллекторы могут служить приёмниками излучения от орбитальных солнечных электростанций, и одновременно SUT являются системами охлаждения, отводящими избыточное тепло, поступающее от этих электростанций на планету.
Даже SUT на сухом воздухе, без воды, может работать ночью, хотя при этом выработка электроэнергии в полдень в тёмное время суток сильно различаются. Но если добавить под коллектор трубы, заполненные водой, то разница между пиковой и ночной выработкой сокращается, так как днём вода запасает тепло, а ночью отдаёт. Чем большую долю площади занимают трубы с водой, тем более плавным становится график зависимости мощности от времени суток.
Ещё лучше будет работать SUT, поставленная на открытом водоёме, с поверхности которого испаряется вода, поскольку при одинаковой температуре водяной пар в полтора раза менее плотный чем сухой воздух. Увлажнение воздуха по результату эквивалентно его подогреву на несколько градусов, тяга увеличивается. При этом если SUT стоит на водоёме с солёной водой, то она действует и как опреснительная установка. Также, водяной пар, поднятый на большую высоту по трубе, может конденсироваться в облака, и вокруг установки могут пойти дожди, чего в условиях пустынь обычно не происходит, так как там области повышенного давления, где воздух опускается и не даёт в естественных условиях развиваться облачности. Чтобы раздобыть воду в пустыне, можно с помощью каналов затопить естественные впадины. В Сахаре это Мельгир и Каттара. Обе расположены поблизости от моря, причём рядом с первой расположены горы, по которым во впадину поступает вода и по склонам которых можно проложить вытяжные трубы SUT, а вторую давно предлагали затопить. Ещё один способ раздобыть воду в пустыне - это АэроГЭС, которая позволяет также увеличить эффективность установки и контроллировать количество влаги, поступающей в атмосферу.
Было сделано много предложений по увеличению КПД SUT с 0.5-1.5% до 10-20 и более, а также позволяющих сократить затраты на сооружение в разы и десятки раз, а высоту труб увеличить до 9-17 километров, то есть до верхней границы тропосферы, что весьма желательно как в плане термодинамики, так и для освоения энергии высотных струйных течений. Эти предложения позволяют также применять SUT не только в пустынях, но и в менее солнечных и тёплых областях, вплоть до приполярных.
Какие выводы можно сделать из всего этого?
Во-первых, нынешние сильные мира сего либо не заинтересованы всерьёз в солнечной энергии, либо им слабо её освоить. Сделать из Аравийского полуострова Саудовскую Аравию они смогли, а сделать из Сахары новое и более мощное подобие Саудовской Аравии - они уже или не хотят, или не могут. Это можно рассматривать как свидетельство того, что нынешняя система подошла к своему технологическому потолку, и пора её менять на что-то более продвинутое и перспективное, что сможет ставить и решать более сложные задачи.
Во-вторых, проекты орбитальных солнечных электростанций, на которые надеются энтузиасты освоения космоса, тоже по-видимому не более чем реклама и благие пожелания, или способ освоить бюджет и чем-нибудь занять инженеров и учёных. Хотя на геостационарной орбите солнечная панель может получать в 6-10 раз больше энергии, чем в среднем на Земле, это обесценивается высокой стоимостью и сложностью выведения электростанции на орбиту. Чтобы стоимость орбитальных электростанций сравнялась с нынешними атомными и угольными при равной мощности, нужно или снизить на порядок стоимость выведения килограмма полезной нагрузки, или на порядок увеличить массовое совершенство конструкций, т.е. облегчить в десять раз без потерь мощности. Но это ещё не всё. Солнечные батареи и излучатель для беспроводной передачи энергии на Землю требуется вывести не просто на орбиту, а на геостационарную орбиту, что ещё больше увеличивает стоимость выведения. При беспроводной передаче сквозь атмосферу будет теряться примерно половина энергии, то есть для получения гигаватта на земле, на геостационарной орбите нужно сгенерировать два. Для приёма энергии на Земле нужен коллектор размером с коллекторы наземных солнечных электростанций, а от него затем нужно будет передавать энергию потребителям. Излучение со спутника будет подавать на Землю избыточное тепло, которое нужно отводить от планеты во избежание перегрева. При этом SUT может выступать и в роли коллектора, и в роли системы охлаждения, и она тоже работает круглосуточно, как и орбитальная электростанция. То есть её нужно строить и в случае создания орбитальной энергетики с передачей на Землю. Но SUT можно строить уже сегодня, не дожидаясь прорыва в средствах выведения или десятикратного облегчения орбитальных структур. А применяя при их строительстве "космические" материалы и технологии, можно улучшить их характеристики и эффективность. Но, судя по DESERTEC, большим дядям это не надо или слабо сделать - а значит, и куда более сложные и рискованные орбитальные электростанции тоже.
Как сказал один сантехник из анекдота, "да тут всю систему нужно менять!" :)
Несмотря на всё это, страна - один из крупнейших экспортёров нефти для всего мира, и живёт припеваючи на доходы от экспорта. Можно сказать, снабжает мир энергией.
Итак, существует прецедент: в пустыне есть очень большой источник энергии, необходимый для цивилизации, пустыня поставляет его на весь мир, несмотря на политическую нестабильность, плохую ситуацию с правами человека и демократией, тёрки с соседями и с сильными мира сего, и несмотря на возможность просто взять и прекратить поставки энергии по прихоти местного правителя. Ах да - обнаружение самого источника энергии, технологии для её получения и транспортировки, предметы роскоши, покупаемые на выручку от этого - всё это имеет не местное происхождение, а получено с условного Запада.
Есть ли в пустынях более перспективный источник энергии? Да, есть. Это солнечное излучение.
На этих картинках показаны потенциалы источников энергии, которыми располагает Земля, в виде сфер. Объём сферы соответствует мощности источника. При этом газ, нефть, уголь и уран являются невозобновляемыми источниками, тогда как остальное - возобновляемые источники. Как видно на картинках, именно солнечное излучение - наиболее мощный источник. Земля получает с ним столько энергии, что если уловить всего лишь 0.12%, это будет соответствовать потребности человечества в энергии, ожидаемой в 2050 году. Для этого надо покрыть 1.2% поверхности планеты солнечными электростанциями с КПД 10%. Для сравнения, городами сегодня покрыто примерно 0.25% поверхности планеты, а КПД серийных солнечных батарей 10-20%.
Но солнечное излучение распределено по планете неравномерно, по ряду причин. И на суше больше всего энергии от Солнца получают пустыни.
На карте жёлтый цвет - это пустыни, коричневый - полупустыни, голубой - тундры, белый - снежные пустыни. Собственно пустыни занимают приблизительно 14% суши, что соответствует 4% поверхности Земли. Крупнейшая среди пустынь - Сахара, на севере Африки, и на западе от Саудовской Аравии, отделённая от последней Красным морем.
В год на единицу площади пустыни получают примерно в четыре раза больше энергии, чем приполярные области, и в полтора-три раза больше, чем Европа и РФ.
В год в пустынях количество часов солнечного сияния (когда Солнце стоит над горизонтом и не скрыто облаками) в 2-3 раза больше, чем на большей части территории Европы и РФ.
В результате, как утверждается на сайте проекта DESERTEC, за шесть часов пустыни получают от Солнца столько энергии, сколько человечество расходует за год. Линии электропередач позволяют передавать электричество на расстояние порядка 3000 километров, и пустыни расположены таким образом, что 90% людей на планете живут менее чем в 3000 километрах от пустынь.
Красные квадраты на карте соответствуют площади Сахары, которую следовало бы покрыть коллекторами солнечных электростанций, чтобы в 2005 году обеспечить электричеством, соответственно, весь мир, Европу и Германию. Для удовлетворения потребности во всей энергии, а не только в электричестве, площади нужны в пять раз больше, то есть квадраты требуются со сторонами в 2.23 раз больше.
И вот в начале XXI века стартовал грандиозный международный проект DESERTEC по утилизации колоссального количества энергии, получаемого пустыней Сахарой, в интересах Западной Европы, местных жителей и Ближнего Востока. Инициатором был немецкий физик, доктор Gerhard Knies, который после Чернобыльской катастрофы стал искать более перспективные и безопасные источники энергии, нежели атомные электростанции. Он и пришёл к приведённому выше заключению про шесть часов. В 2003 году Римский Клуб и Иорданский Национальный Энергетический Исследовательский Центр создали некоммерческую международную организацию учёных, экспертов и политиков под названием TREC, которая затем в 2009 году превратилась в DESERTEC Foundation, куда вошли немцы из Римского клуба, члены TREC и несколько десятков организаций из Европы, США и с Ближнего Востока. Судя по опубликованному составу участников, особенно много их из Германии. Среди них такие организации как "Siemens" и "Deutsche Bank ". Вошёл в состав DESERTEC Foundation и сам Gerhard Knies.
Предполагалось к 2050 году разместить в Сахаре солнечные и ветряные электростанции, которые покроют почти все потребности местных жителей в электроэнергии и 15% потребностей Европы. Электричество в Европу предполагалось передавать по нескольким энергетическим мостам, переброшенным через Средиземное море и Ближний Восток. Эти мосты предполагалось делать на основе высоковольтных линий электропередач постоянного тока (HVDC), и несмотря на потери в них, доходящие до 15%, это всё равно оценивалось как более выгодное решение, чем размещать электростанции непосредственно в Европе - благодаря большему количеству энергии на единицу площади в Сахаре. Общие затраты на проект оценивались в 400 миллиардов Евро к 2050 году, и его окрестили "Аполлоном" XXI века.
Однако, вскоре после создания организации в ней начались прения по стратегическому вопросу: надо ли сразу начинать экспорт энергии в Европу, как было задумано изначально, или же следует сперва удовлетворить местные потребности в электроэнергии, наладив жизнь местного населения? Теоретически, второе предложение было разумным: это принесло бы стабильность в регион и сделало ненужной гуманитарную помощь. Однако, как возражали сами участники проекта, истинная подоплёка этого предложения была в другом: европейские компании, участвующие в проекте, не хотели, чтобы он конкурировал с европейскими электростанциями на ископаемом топливе. События "Арабской весны" принесли нестабильность в регион. Критиковалась и техническая сторона проекта - например, воздействие запыления на солнечные коллекторы, необходимость их мыть и тратить на это воду, экологическая опасность от солнечных батарей, солнечных концентраторов и ветряков, непостоянство выработки электроэнергии в разное время суток.
Так или иначе, но время шло, дело толком не делалось, участники стали покидать проект, и сегодня он находится в неопределённом состоянии - то ли совсем умер, то ли едва живой. Таким образом, Сахара не стала новым Аравийским полуостровом, хотя, казалось бы, если один раз из дикой пустыни, населённой воюющими бандами, Запад сделал застроенный небоскрёбами источник энергии для себя, то почему бы не повторить снова? Тем более что отдача обещала быть ещё более грандиозной.
Любопытно также, что в материалах по проекту нигде не фигурируют так называемые Solar Updraft Tower, похожие на них "энергетические башни" и их производные. А ведь именно такие электростанции наиболее перспективны для утилизации энергии Солнца. В отличии от солнечных панелей и концентраторов, они способны работать даже ночью и в пасмурную погоду. При этом им не требуются дефицитные и экологически опасные материалы, как для солнечных батарей, им не нужны системы для отслеживания Солнца и паровые котлы, как солнечным концентраторам, которые к тому же жгут пролетающих птиц. Они сами себе организуют ветер, в отличие от традиционных ветряков. Их коллекторы могут быть совмещены с зелёными зонами и городами, работая для них прозрачными крышами и парниками. Они могут быть встроены прямо в города, которые призваны снабжать электричеством, и управлять климатом как в локальном, так и в глобальном масштабе, формируя облака и отводя тепло от поверхности планеты. Их можно совмещать с другими типами электростанций, такими как атмосферные, высотные ветряки, АэроГЭС, солнечными батареями, геотермальными источниками тепла и прочим. Их коллекторы могут служить приёмниками излучения от орбитальных солнечных электростанций, и одновременно SUT являются системами охлаждения, отводящими избыточное тепло, поступающее от этих электростанций на планету.
Даже SUT на сухом воздухе, без воды, может работать ночью, хотя при этом выработка электроэнергии в полдень в тёмное время суток сильно различаются. Но если добавить под коллектор трубы, заполненные водой, то разница между пиковой и ночной выработкой сокращается, так как днём вода запасает тепло, а ночью отдаёт. Чем большую долю площади занимают трубы с водой, тем более плавным становится график зависимости мощности от времени суток.
Ещё лучше будет работать SUT, поставленная на открытом водоёме, с поверхности которого испаряется вода, поскольку при одинаковой температуре водяной пар в полтора раза менее плотный чем сухой воздух. Увлажнение воздуха по результату эквивалентно его подогреву на несколько градусов, тяга увеличивается. При этом если SUT стоит на водоёме с солёной водой, то она действует и как опреснительная установка. Также, водяной пар, поднятый на большую высоту по трубе, может конденсироваться в облака, и вокруг установки могут пойти дожди, чего в условиях пустынь обычно не происходит, так как там области повышенного давления, где воздух опускается и не даёт в естественных условиях развиваться облачности. Чтобы раздобыть воду в пустыне, можно с помощью каналов затопить естественные впадины. В Сахаре это Мельгир и Каттара. Обе расположены поблизости от моря, причём рядом с первой расположены горы, по которым во впадину поступает вода и по склонам которых можно проложить вытяжные трубы SUT, а вторую давно предлагали затопить. Ещё один способ раздобыть воду в пустыне - это АэроГЭС, которая позволяет также увеличить эффективность установки и контроллировать количество влаги, поступающей в атмосферу.
Было сделано много предложений по увеличению КПД SUT с 0.5-1.5% до 10-20 и более, а также позволяющих сократить затраты на сооружение в разы и десятки раз, а высоту труб увеличить до 9-17 километров, то есть до верхней границы тропосферы, что весьма желательно как в плане термодинамики, так и для освоения энергии высотных струйных течений. Эти предложения позволяют также применять SUT не только в пустынях, но и в менее солнечных и тёплых областях, вплоть до приполярных.
Какие выводы можно сделать из всего этого?
Во-первых, нынешние сильные мира сего либо не заинтересованы всерьёз в солнечной энергии, либо им слабо её освоить. Сделать из Аравийского полуострова Саудовскую Аравию они смогли, а сделать из Сахары новое и более мощное подобие Саудовской Аравии - они уже или не хотят, или не могут. Это можно рассматривать как свидетельство того, что нынешняя система подошла к своему технологическому потолку, и пора её менять на что-то более продвинутое и перспективное, что сможет ставить и решать более сложные задачи.
Во-вторых, проекты орбитальных солнечных электростанций, на которые надеются энтузиасты освоения космоса, тоже по-видимому не более чем реклама и благие пожелания, или способ освоить бюджет и чем-нибудь занять инженеров и учёных. Хотя на геостационарной орбите солнечная панель может получать в 6-10 раз больше энергии, чем в среднем на Земле, это обесценивается высокой стоимостью и сложностью выведения электростанции на орбиту. Чтобы стоимость орбитальных электростанций сравнялась с нынешними атомными и угольными при равной мощности, нужно или снизить на порядок стоимость выведения килограмма полезной нагрузки, или на порядок увеличить массовое совершенство конструкций, т.е. облегчить в десять раз без потерь мощности. Но это ещё не всё. Солнечные батареи и излучатель для беспроводной передачи энергии на Землю требуется вывести не просто на орбиту, а на геостационарную орбиту, что ещё больше увеличивает стоимость выведения. При беспроводной передаче сквозь атмосферу будет теряться примерно половина энергии, то есть для получения гигаватта на земле, на геостационарной орбите нужно сгенерировать два. Для приёма энергии на Земле нужен коллектор размером с коллекторы наземных солнечных электростанций, а от него затем нужно будет передавать энергию потребителям. Излучение со спутника будет подавать на Землю избыточное тепло, которое нужно отводить от планеты во избежание перегрева. При этом SUT может выступать и в роли коллектора, и в роли системы охлаждения, и она тоже работает круглосуточно, как и орбитальная электростанция. То есть её нужно строить и в случае создания орбитальной энергетики с передачей на Землю. Но SUT можно строить уже сегодня, не дожидаясь прорыва в средствах выведения или десятикратного облегчения орбитальных структур. А применяя при их строительстве "космические" материалы и технологии, можно улучшить их характеристики и эффективность. Но, судя по DESERTEC, большим дядям это не надо или слабо сделать - а значит, и куда более сложные и рискованные орбитальные электростанции тоже.
Как сказал один сантехник из анекдота, "да тут всю систему нужно менять!" :)