Инженерный прорыв к солнцу и ветру

Развитие человеческой цивилизации основано на использовании различных видов энергии. Тысячи лет использовалась только мускульная сила человека и животных. Потом научились использовать механическую энергию ветра, воды. И только 130 лет назад, в конце XIX века, человечество научилось производить электроэнергию и передавать ее на большие расстояния — это была революция в промышленности, человечество «вскочило» на новую ступеньку. Началась новая эпоха, произошло взрывное развитие промышленности и энерговооруженности труда во всем мире. Скачком, в разы, стало возможно увеличить производительность труда и качество жизни человека.

Развитие технологий в энергомашиностроении позволило к 60-м годам XX века создать линейку оборудования, способного устойчиво работать десятки тысяч часов без остановки. Жизненный цикл турбин и генераторов достиг 30–40 лет эксплуатации без замены. Турбины тепловых электростанций стабильно работали на сверхкритических параметрах пара, что позволило резко поднять коэффициент использования энергии топлива. (Сверхкритические параметры пара наступают при давлении более 218 атм. и температуре выше 374°С).

Массово производились и вводились в работу турбоагрегаты мощностью 200–300–500 МВт. Можно сказать, что они были поставлены на поток. Это позволило снизить удельные затраты на их производство. Электрогенераторы вышли на коэффициент полезного действия (КПД) 96–98% преобразования механической энергии вращения в электромагнитную, это практически идеальная машина. Были созданы трансформаторы на напряжение 500–750 кВ переменного тока с КПД преобразования свыше 98%, турбины для гидроэлектростанций достигли КПД 95%. Совершенные машины в сбалансированной энергосистеме — оптимальная эффективная энергетика. Пик технологического развития.

Открывался путь для развития цивилизации через овладение, в сущности, безграничными потоками энергии, появилась возможность создавать и творить в новой технической сфере. Были созданы предпосылки для успешного развития всего человечества, искоренения бедности и угрозы голода, создания достойного материального уровня жизни для всех людей.

«Хозяева жизни» почувствовали угрозу фундаменту своего господства. Возникли структуры типа «Римского клуба» для продвижения неомальтузианских теорий, требующих остановки развития, сдерживания роста народонаселения планеты. В начале 70-х годов ХХ века в мире (причем и в западном, и в советском блоках) проявились признаки «свертывания» научно-технологической гонки, резкое торможение и в финансировании, и в реализации крупных проектов.

В конце XX века раздули миф о глобальном потеплении из-за хозяйственной деятельности человека, которая приводит к повышенным выбросам углекислого газа в атмосферу, создавая парниковый эффект. Особенно жесткое идеологическое давление было направлено на тепловую электроэнергетику, которая работала, сжигая углеродное топливо: уголь, газ, мазут, торф. Требование форсированно переходить на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, должно было привести к остановке роста энерговооруженности в развивающихся странах и к разбалансировке и распаду больших энергосистем в промышленно-развитых. Но жизнь богаче, чем самые зловещие планы — за 15–20 лет солнечные панели и ветровые энергоустановки «подтянулись» и стали довольно совершенными машинами, наравне с другими силовыми агрегатами в электроэнергетике.

Блеск и нищета солнечных панелей

В последние годы появились солнечные электростанции (СЭС) мощностью 200–300–1000 МВт. Развернуто массовое производство кремниевых полупроводниковых элементов, которые преобразуют солнечный свет в электроэнергию постоянного тока. Срок службы солнечных панелей без деградации достигает 20 и более лет. Коэффициент полезного действия преобразования солнечного света на этих панелях 20–25%.

Монтируются солнечные панели на жестких рамах под углом к горизонту в соответствии с географической широтой местности установки. И выдают паспортную мощность в ясную погоду, когда солнечные лучи падают перпендикулярно поверхности панели. Утром и вечером мощность быстро снижается, а ночью она, понятно, на нуле. Плохо влияют на выработку электроэнергии облачность, запыленность атмосферы, снегопады, туман.

Эксперименты с поворотными устройствами, чтобы солнечная панель поворачивалась вслед за солнцем, как шляпки подсолнухов, оказались неудачными. Необходимость обеспечить жесткость конструкции при сильном ветре приводила к значительному удорожанию. Массовое применение такие конструкции не получили. Поэтому количество часов использования мощности солнечных электростанций не превышает 1500–2000 часов в год. Напоминаем, что в календарном году всего 8760 часов. На тепловых и гидроэлектростанциях количество часов использования установленной мощности обычно от 3500 до 6000 часов, а на атомных электростанциях достигает 7500 часов в год. Количество электроэнергии, потраченное на изготовление солнечных панелей и создание преобразовательных комплексов постоянного тока в переменный, вырабатывается этими панелями за 5–10 лет, неплохой показатель общей энергоэффективности.

Конечно, случаются неожиданности: градобитие, ураганные ветры, повреждающие и выводящие из строя солнечные электростанции, но игра уже стоит свеч. Строительство СЭС в южных широтах, а точнее в полосе от экватора на север и на юг до 45 широты, стало вполне экономически оправданно.

Однако бездумно и повсеместно ставить солнечные панели нельзя. Еще не решена проблема переработки отработавших кремниевых фотоэлементов, сложно интегрируются солнечные электростанции постоянного тока в существующие энергосистемы. Строительство сверхмощных химических аккумуляторных батарей, необходимых для выравнивания выработки электроэнергии, экологически вредно. Не решена проблема утилизации отработавших аккумуляторных батарей, которые выходят из строя за 2–3 года эксплуатации.

Солнечные электростанции занимают большие площади земли или водной поверхности озер и водохранилищ. Не менее одного гектара на 1 МВт установленной мощности. Здесь непочатый край работы настоящим экологам: необходимо определить, какую часть поверхности водоема можно занять баржами со смонтированными на них солнечными панелями, как будут себя чувствовать подводные жители, водоплавающие птицы и т. д.

Для северной России солнечные электростанции — это дополнение к традиционным электростанциям, их можно и нужно строить в Крыму, на Северном Кавказе, в Астраханской области. В более северных районах эффективность СЭС резко падает.

Наиболее успешен в области использования мощных солнечных электростанций Китай. Там сошлись три благоприятных фактора. Первый: наличие обширных пустынных зон южнее 45-й широты на северо-западе и севере страны. Второй фактор: гигантский и быстро осваиваемый гидроэнергетический потенциал, способный сгладить неравномерность выработки на СЭС. Третий: наличие мощной разветвленной электрической сети, способной интегрировать потоки солнечной электроэнергии и направить ее в густонаселенные районы страны.

За 2023 год КНР отчиталась о выработке 584 млрд кВт*час электроэнергии на солнечных электростанциях, это ровно половина от всей выработки в России. Ввод новых мощностей за этот же год в Китае превысил 260 000 МВт, это составляет две третьих всех вводов солнечных электростанций во всем мире за 2023 год.

По данным китайской Ассоциации фотоэлектрической промышленности, производственные мощности заводов позволяют изготавливать 860 000 МВт солнечных модулей в год, но сейчас они загружены менее чем на 70%. При этом европейские производители просто закрыли свои заводы, не выдержав конкуренции, а американские закрываются от китайских производителей таможенными барьерами, пошлинами.

Для таких стран, как Куба, открылось окно возможностей. Стоимость солнечных панелей резко снизилась, и капитальные вложения в СЭС сегодня ниже, чем в любые другие энергоисточники. Это позволяет быстро увеличить энергообеспеченность, установив 5000–10000 МВт солнечных панелей. Для устойчивости энергоснабжения одновременно необходимо построить 2–3 мощные гидроаккумулирующие электростанции в горах Сьерра-Невада. Рельеф позволяет. Тогда страна не будет страдать от дефицита топлива, не придется отключать потребителей от электроэнергии, как это происходит в настоящее время.

В Европе солнечные фермы оптимально развивать на Пиренейском полуострове, юге Франции, в Италии. Однако, здесь мало пустующих земель, непригодных для сельского хозяйства, на которых можно установить солнечные электростанции. В Германии замещение традиционных источников энергии на возобновляемые под давлением «светофорного» правительства привело к установке солнечных панелей на пахотных землях. В итоге приходится субсидировать агро-фотоэлектрическую модель, когда земля используется одновременно и для производства сельскохозяйственной продукции, и для выработки электроэнергии. Однако такая модель приводит к пятикратному увеличению цены установки и, одновременно, к сильному сокращению урожайности с этих угодий.

Ветер, ветер, ты могуч, ты гоняешь стаи туч

Современные ветроэнергетические установки объединяются в мощные ветропарки, которые включают в себя сотни ветроагрегатов. Это необходимо для сопряжения с существующими электросетями и традиционными электрическими станциями, на которых работают генераторы по 300–500–1000 МВт. Воздушная стихия непредсказуема гораздо в большей степени, чем освещенность солнечных панелей. Ветроагрегаты сильно зависят от скорости воздушного потока и несут заявленную мощность в узком диапазоне скоростей ветра. За последние 15 лет искусственные дотации для ветровых электростанций, как вожделенного «зеленого источника» энергии, позволили промышленности создать оборудование с хорошими номинальными данными и наладить массовое его производство.

В настоящее время производятся ветряки мощностью 5–8 МВт. Рекорд сейчас за китайскими производителями — в 2023 году введен в эксплуатацию ветрогенератор мощностью 16 МВт, при этом высота этой установки 152 метра, а длина лопасти ветротурбины 125 метров. Дальнейший рост единичной мощности ветроустановок лимитируется стоимостью башен-оснований, которые должны быть мощными и устойчивыми, чтобы выдерживать нагрузки от ураганных ветров при своих гигантских размерах.

Население бьет тревогу, так как инфразвуковые шумы от вращающихся лопастей не дают покоя даже червям и насекомым. Страдают птицы, обитатели водоемов и прибрежных зон морей, где размещают ветроустановки. Возникла проблема утилизации отработавших лопастей из стеклопластика и полимерных композитов.

В России есть районы, где практически постоянно дует ветер со скоростью более 4 м/с, это нижний порог для большинства ветроустановок. Это районы на побережье северных морей и Тихого океана, предгорья Кавказа и степные районы Крыма, Ставропольского края и др. Карты этих районов составлены еще в 40-е и 50-е годы XX века. Необходимо строить линии электропередачи из этих районов, чтобы не получилась ситуация, как в Мурманской области. Ввели мощную ветровую электростанцию, а небольшая по мощности потребителей Кольская энергосистема имеет слабую связь с «большой землей», поэтому при сильном ветре приходится разгружать даже Кольскую атомную станцию.

Не следует бегать за западной модой и давать особые преференции и дотации ветровой энергетике. Технический уровень ветроустановок уже достаточно высок, свою достойную нишу в энергобалансе страны они найдут. На март 2024 года в Единой энергосистеме России работает 2455 МВт ВЭС, что сопоставимо с мощностью Волжской ГЭС, крупнейшей в Европе.

В Европе ввод новых ветровых электростанций затормозился, у них недостаточно развиты электрические сети и нарастает неустойчивость энергосистемы, так как мощность установленных ВЭС превысила 30%, а достаточного количества мощностей ГЭС и ГАЭС для компенсации неравномерности выработки нет.

Зловещий план разрушения энергосистем безудержным внедрением солнечных и ветровых электростанций неуклонно выполняется в Европе и в США.

А в Китае, Индии и России опять что-то пошло не так. Солнце и ветер с удовольствием встают на службу разумному человечеству.