Сахара полна залитого солнцем песка. И разве это не идеальное место для глобального энергетического мегапроекта? Что, если превратить пустыню в гигантскую солнечную электростанцию? Это заманчивая идея, но, вопреки желаниям, очень сложно реализуемая. В этой статье мы объясним почему.
Читайте: ТОП-10 лучших солнечных зарядок для телефона и повербанк – Рейтинг по цене и качеству
Фотовольтаика – Что это и для чего
Сегодня мы предполагаем, что первооткрывателем фотовольтаического явления, то есть преобразования солнечной энергии в электрический ток в некоторых материалах, был Александр Эдмон Беккерель, французский физик, открывший это явление в 1840 году.
В то время открытие фотоэлектрической энергии не имело практического применения. Частично это было связано с тем, что извлекаемой энергии было очень мало. Более трёх десятилетий спустя, в 1876 году, два британских учёных, физик Уильям Гриллс Адамс и его ученик Ричард Эванс Дэй, наблюдали явление электричества, вырабатываемого селеносодержащими материалами, подвергающимися солнечному излучению.
КПД таких селеновых элементов был очень низок и составлял всего несколько процентов. Современные фотоэлектрические панели из кремния достигают эффективности примерно 20%. Другими словами, 20 процентов солнечной энергии, попадающей на панель, преобразуется в электричество.
Первые фотоэлектрические панели были созданы лишь спустя более чем столетие после открытия Беккереля. В 1954 году в исследовательском отделе американских лабораторий Белла, учёные Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чаплин сконструировали первые кремниевые солнечные элементы.
Под воздействием солнечной радиации эти панели вырабатывали измеримую электроэнергию, которая — в отличие от селеновых элементов — могла иметь практическое значение.
Сахара как источник солнечной энергии
Идея использовать солнечные пески Сахары для массового производства солнечной энергии возникла уже давно. Но не в Африке, а во Франции.
Огюстен Мушо, учитель математики и изобретатель, родившийся в 1825 году во Франции, уже во второй половине XIX века понял, что уголь однажды закончится. Именно он построил первый солнечный коллектор параболической формы в 1866 году, а стал создателем крупнейших паровых машин, энергия которыми вырабатывалась не из-за сжигания угля, а солнца.
Мушо был первым, кто решил «использовать» Солнце в промышленных масштабах. Несмотря на некоторые субсидии французского правительства, а также успешную установку солнечных тепловых двигателей не только во Франции, но и в тогдашнем французском Алжире, идея энергетической мегаструктуры в великой пустыне так и осталась лишь идеей.
Но в то время ископаемое топливо было гораздо дешевле и доступнее, и никто не осознавал последствий использования в массовом масштабе.
Самая большая солнечная электростанция в мире
Общая площадь Сахары оценивается примерно в 9,3 миллиона квадратных километров, а средняя мощность солнечного света там составляет 263 Вт/м2.
Сегодня мы знаем гораздо больше, поэтому всё чаще слышим о крупных инвестициях в инфраструктуру солнечной энергетики. В 2018 году энергетический комплекс Нур-Урзазат был запущен в Марокко, то есть в интересующей нас области, поскольку значительная часть Сахары входит в Марокко.
На момент запуска это был крупнейший единый энергетический комплекс, производящий энергию Солнца. Энергообъект состоит из трёх производств Noor I, Noor II и Noor III, отличающихся не только эффективностью, но и технологическими решениями.
Ни на одном из трёх объектов не используется фотоэлектрическая энергия, вместо этого на них применяется технология концентрационной солнечной электростанции (CSP). Это предполагает фокусировку солнечных лучей на нагретом объекте, а полученное тепло затем используется для производства пара, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электричество.
На каждом из трёх объектов электроэнергия вырабатывается по-разному. На объекте Нур I используются цилиндрические параболические зеркала для фокусировки солнечного света на водопроводных трубах. Нагретая вода превращается в пар, который приводит в движение турбину.
На установке Noor II используются параболические коллекторы, которые фокусируют солнечный свет на трубах с термомаслом (масло можно нагревать до более высокой температуры, чем воду), затем тепло от масла передаётся турбине, вырабатывающей электроэнергию.
Наконец, Нур III использует так называемый гелиостаты (плоские зеркала, управляемые компьютером) для фокусировки солнечного света на резервуарах с расплавленной солью. Соль отдаёт тепло турбине, а избыточное тепло сохраняется в резервуарах с фтористой солью.
В течение дня эта соль нагревается до температуры примерно 550 °С. Такой запас позволяет объекту выделять тепло (и производить электроэнергию) даже ночью, когда не светит солнце.
Площадь всего объекта превышает 3000 га, и он способен вырабатывать 580 МВт электроэнергии. Поэтому в 2024 году, установка в марокканской пустыне не является крупнейшей солнечной электростанцией.
Сегодня мы знаем множество более эффективных средств получения энергии. Те, у которых самая высокая генерирующая мощность, используют другую технологию — фотоэлектрические панели.
Поражает, если рассматривать крупнейшие солнечные электростанции в мире, так это то, что, кроме описанной марокканской, лишь ещё одна из крупных солнечных электростанций расположена в пустыне Сахара (Египет).
Почему так? Потому что производство энергии начинается там, где на неё больший спрос, а к вопросу транспортировки энергии мы вернёмся позже.
Ниже приведён список нескольких более эффективных солнечных электростанций с указанием их генерирующей мощности, используемых технологий и местоположения:
1. Солнечная электростанция Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park, 1013 МВт, фотоэлектрические панели, Объединённые Арабские Эмираты (объект постоянно расширяется);
2. Солнечная электростанция Нур Абу-Даби, 1177 МВт, Объединённые Арабские Эмираты;
3. Солнечная электростанция Tengger Desert Solar Park, 1547 МВт, Китай;
4. Солнечная электростанция Benban Solar Park, 1650 МВт, фотоэлектрические панели, Египет;
5. Солнечная электростанция Pavagada, 2050 МВт, фотоэлектрические панели, Индия;
6. Солнечная электростанция Hainan Solar Park, 2200 МВт, фотоэлектрические панели, Китай;
7. Солнечная электростанция Bhadla Solar Park, 2245 МВт, фотоэлектрические панели, Индия.
Последняя и самая крупная (в настоящее время, поскольку строятся новые мощности) солнечная электростанция Bhadla Solar Park в Индии занимает площадь 5700 га. Но, насколько большой должна быть солнечная электростанция, чтобы удовлетворить потребности всего человечества? Сколько энергии нам вообще нужно?
Глобальный спрос на электроэнергию
Прежде чем мы перейдём к цифрам, важно осознать, что самая большая пустыня в мире занимает достаточно большую площадь.
Фактически всего 1,2% её поверхности должны обеспечить фотоэлектрические производственные мощности, соответствующие энергетическим потребностям всего человечества. Другое дело, что эти 1,2% поверхности Сахары представляет весьма специфическую территорию (около 112 000 кв. км).
Согласно последнему отчёту Международного энергетического агентства (МЭА) под названием «Электричество 2024 – Анализ и прогноз до 2026 года», мировой спрос на электроэнергию будет расти всё быстрее и быстрее, в среднем на 3,4% в год, до 2026 года.
В МЭА указывают, что одной из причин роста спроса на электроэнергию является спрос со стороны дата-центров, конечно же, это искусственный интеллект, или энергетические потребности криптовалютного сектора.
Хотя центры обработки данных по всему миру потребляли около 460 ТВт/ч (тераватт-часов) электроэнергии в 2022 году, общее потребление в этом секторе может увеличиться до более 1000 ТВт/ч в 2026 году.
В основном спрос на электроэнергию в 2023 году, по данным МЭА, приближался к 30 000 ТВт/ч, и по прогнозам агентства, в 2026 году он возрастёт на 10%. больше (ок. 33 тыс. ТВт/ч).
Стоит также понимать, что при рассмотрении вопроса о строительстве гипотетической гигантской солнечной инфраструктуры в самой большой пустыне мира нет необходимости строить объект, который будет обеспечивать энергией всё человечество. Ведь мы уже производим эту энергию из различных источников, расположенных по всей планете.
Единственная причина, по которой стоит рассматривать крупные инвестиции в возобновляемые источники энергии, – это желание вытеснить из энергобаланса объекты, производящие электроэнергию из ископаемого топлива. Следовательно, гипотетическая будущая электростанция не должна занимать 1,2% поверхности Сахары.
Будет ли зелёная энергия озеленять Сахару
В январе 2024 года на сайте ResearchGate появилась опубликованная в журнале Nature научная статья под названием «Крупномасштабные фотоэлектрические солнечные фермы в Сахаре влияют на потенциал производства солнечной энергии во всём мире».
Исследователи из различных научных учреждений представили гипотезы потенциального влияния крупномасштабных солнечных установок, построенных в засушливых районах, на глобальный климат.
Это не первое исследование такого типа: в 2018 году была опубликована ещё одна исследовательская работа, в которой подчёркивалось: строительство крупной солнечной фермы в Сахаре может привести к тому, что в долгосрочной перспективе она перестанет быть пустыней. Теоретически это звучит неплохо: мы не только получим зелёную энергию, но и превратим пустынную территорию в зелёные зоны. Хотя всё не просто.
Солнечные панели поглощают солнечную радиацию иначе, чем очень лёгкий песок пустыни. Они намного темнее песка и поэтому аккумулируют тепло. В результате Сахара станет не только теплее, но и влажнее.
К сожалению, атмосфера и климат нашей планеты представляют чрезвычайно сложную систему взаимосвязанных сосудов. Исследование 2018 года предупредило, что покрытие больших территорий Сахары солнечными панелями может негативно повлиять на остальную часть планеты.
В более поздней научной статье говорится об этом влиянии гораздо больше. Проблема трудно поддающегося оценке воздействия энергетической мегаструктуры Сахары на климат Земли — лишь одна из многих.
Солнечная электростанция и передача энергии на большие расстояния
Чтобы внести ясность: пока лишь существуют некоторые экспериментальные установки, в которых для передачи энергии используются сверхпроводящие кабели.
Примером может служить китайская экспериментальная сверхпроводниковая линия, установленная в начале 2024 года в Шанхае (об этом сообщило китайское информационное агентство Синьхуа). Китайцы опубликовали научную работу по этому проекту в 2020 году. Сверхпроводящий силовой кабель, возможно ли это вообще? И доказали, что да, но экономика быстро возвращает этот проект в реалии.
Как китайцы добились этого? К сожалению, они не открыли никакого революционного сверхпроводящего материала, а просто проложили экспериментальный провод длиной 1200 метров для передачи тока напряжением 35 кВ в жидком азоте. Это решение до сих пор является впечатляющей инженерной задачей, учитывая, что провод стал частью энергетической инфраструктуры города Шанхай.
Идея сработала, и китайцы планируют использовать её в других плотных городских инфраструктурах, поскольку, по их мнению, это соответствует пропускной способности до шести обычных кабелей при том же уровне напряжения. И это значительно экономит место для путей такой инфраструктуры, чего всегда не хватает в высокоурбанизированных районах.
В Сахаре достаточно места, но проблемой являются расстояния. Китайская идея теряет смысл на существование даже по экономическим причинам. Передача электроэнергии, производимой в одном месте (в нашем предположении: в Сахаре), требует строительства гигантской передающей инфраструктуры, которая в любом случае будет подчиняться законам физики.
Подсчитано, что самые современные силовые кабели (не сверхпроводники) теряют около 3% энергии на каждые 1000 км длины. Достаточно включить Google Maps, чтобы понять, например, что расстояние от Германии до Сахары, например, даже по прямой, значительно превышает 1000 км.
Фактически только линии электропередачи из Сахары в Европу должны иметь длину более 3000 км. Для сравнения, самой длинной линией электропередачи, существующей на сегодняшний день, является система HVDC Рио-Мадейра в Бразилии, введённая в эксплуатацию в 2013 году. Эта линия соединяет гидроэлектростанции Санто-Антонио и Жиро с регионом Сан-Паулу, и имеет длину около 2400 км.
И это огромное инженерное достижение, которое намного проще, например, чем гипотетическая задача: линия Сахара — Европа. Бразильской сети не нужно пересекать Средиземное море.
Как видите, хотя теоретически гигантская солнечная электростанция могла бы генерировать достаточно энергии для человечества, пока человечество не способно получать эту энергию, ни тем более хранить.
И мы даже не затронули политику и социальные проблемы примерно дюжины стран, где расположена самая большая в мире пустыня. Мы не затронули вопрос возможной энергетической зависимости, потенциального энергетического шантажа или каких-либо экономических вопросов, потому что актуален главный вопрос: кто за всё это будет платить?
Нужны ли нам солнечные панели в Сахаре
НЕТ. За последние два десятилетия стоимость производства фотоэлектрических панелей значительно снизилась. В результате вместо строительства гигантской электростанции в Сахаре лучшим решением, по крайней мере, для Европы, являются распределённые установки.
В упомянутом ранее отчёте МЭА предполагается, что к началу 2025 года (всего через несколько месяцев) возобновляемые источники энергии, как ожидается, обеспечат более трети общего производства электроэнергии в мире. Таким образом, возобновляемые источники энергии обгонят уголь. Это увеличение связано и с развитием фотоэлектрической техники.
А знаете ли вы, в какой стране больше всего электроэнергии производится из фотоэлектрических систем на душу населения? По данным 2023 года, лидирует Австралия, но сразу за ней идут Нидерланды, а также Германия. Это указывает на то, что не нужно искать более солнечные широты и строить маниакальные энергетические планы.
Солнце у нас светит примерно так же, как в Берлине или Амстердаме. Да, разработка микроустановок требует решения многих задач, связанных, в том числе: с пропускной способностью сети, умными энергетическими сетями, динамическими тарифами, балансировкой спроса, продуманными программами поддержки и т. д. и т. п.
Однако это тема для другой статьи, которая, надеюсь, вскоре будет обсуждаться на наших информационных каналах.
Хотите первыми узнавать о Hi-Tech – ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на Telegram
А также читайте самые свежие обзоры на нашем сайте – TehnObzor.RU
