К вопросу о солнечной энергетике и о новом технологическом укладе

Практика смены технологических укладов, вот уже на протяжении более чем двух столетий человеческой истории, является основополагающей особенностью научно-технического и общественного прогресса. Анализ прошлых и существующих технологических укладов даёт нам новый и конструктивный взгляд на процесс развития человечества, который органично дополняет формационные, классовые и иные теории, на применении которых была основана историческая наука ХХ века.

Кроме того, аппарат анализа технологических укладов обладает и существенной прогностической функцией: на основании его применения к «зачаткам» технологий (протоукладам) можно, опираясь на него, с достаточной вероятностью заниматься прогнозированием возможностей по будущим, уже работающим и замкнутым технологическим укладам.

Одним из таких «зачатков», современных протоукладов нового замкнутого технологического цикла, безусловно, является и солнечная энергия.

Цитируется по (http://www.webcitation.org/63fIHKr1S)

Как видно из наглядной визуализации — прямая солнечная энергия (около 23 000 Твт мощности), доступная для использования на Земле всего на протяжении лишь одного года, более чем на порядок превосходит всю совокупную и доступную человечеству энергию природного газа, нефти, угля и урана.

Именно прямая утилизация солнечной энергии является одним из тех путей, которые потенциально позволяют человечеству в перспективе уйти от нарастающей зависимости в использовании традиционных минеральных топлив.

А концентрированные и, в некоторых случаях, более удобные виды солнечно-связанной энергии: волновые, ветровые, приливные и гидроэлектростанции помогают облегчить этот переход и сделать его более лёгким, комплексным и управляемым.

Безусловно, такая заманчивая перспектива и возможность, в случае построения эффективной системы утилизации солнечной энергии, обеспечить рост потребления энергии более, чем на три порядка величины от текущего уровня потребления человечества в 16 ТВт, позволит обеспечить прогресс человечества во всех его аспектах — от обеспечения количественного роста человечества и уровня жизни людей и вплоть до развития науки и техники во всех её проявлениях.

В настоящее время человечество уже приблизительно на пять порядков величины превосходит по своей численности своих биологических конкурентов и, судя по всему, данный процесс всю наблюдаемую историю шёл рука об руку с ростом потребления энергии человечеством.

В силу этого у современного человечества есть сразу две проблемы: существующий технологический уклад критически зависит от невозобновляемой энергии минеральных топлив, а будущее развитие человечества неминуемо потребует гораздо более значительных количеств энергии, которые данные минеральные топлива обеспечить не в силах. Что, в общем-то, столь же неизбежно потребует замены энергии, получаемой из минеральных топлив на альтернативные виды энергии, наиболее мощным в абсолютных цифрах из которых и является прямая солнечная энергия.

Однако, с другой стороны, прямая солнечная энергия имеет ряд особенностей в своём распределении: несмотря на громадный абсолютный объём, она представлена на поверхности Земли в достаточно неудобных, распределённых формах, что и останавливало первые попытки её непосредственной утилизации.

Достаточно сказать, что по состоянию на 2011 год солнечная энергия занимала всего около 0,2% от общей энергетики США, в мировом же балансе энергии её доля, при самых оптимистических оценках, пока что не достигла и 0,1%.

При этом, базируясь на данных того же источника, можно увидеть, что наибольшую долю солнечная энергия и связанные с нею источники занимает в Европе, Северной и Южной Америке, в то время как в Азии, Африке, Евразии доля солнечной энергетики и того ниже.

Что же останавливает массовый приход солнечной энергетики в нашу жизнь? И как аппарат анализа прошлых и нынешних технологических укладов может помочь нам в выявлении слабых и пока не решённых проблем формирования технологического уклада, основанного на утилизации прямой солнечной энергии?

Рассматривая процесс замены одного, устаревающего технологического уклада другим, приходящим ему на смену, нам необходимо всегда убедиться в следующих основополагающих критериях устойчивости нового уклада, а именно:

1) эффективность нового уклада в физических категориях — способность уклада обеспечивать себя используемой энергией и необходимыми природными ресурсами, которые лежат в его начальном, «низовом» базисе;

2) замкнутость уклада, то есть — наличие полного, взаимосвязанного комплекта технологий, которые позволяют, с помощью доступной энергии превратить начальные природные ресурсы в те изделия и товары, которые могут быть использованы для поддержания самого уклада и обеспечения всех необходимых потребностей человечества;

3) долговечность уклада, которая обеспечивается необходимым уровнем развития общественных отношений, которые и могут поддерживать новый уклад достаточное время для формирования его замкнутости, основанной на эффективности.

При этом, в общем-то, критерии в процессе замены одного уклада другим возникают последовательно — эффективные технологии рано или поздно собираются человечеством в замкнутые циклы, а замкнутые циклы, будучи рано или поздно поддержаны формирующимися уже «под них» общественными отношениями, создают новую реальность человеческой цивилизации, которая и включает в себя новый технологический уклад уже в виде базового. 

При этом, к сожалению, иногда эффективные технологии отнюдь не формируют технологический уклад с первой попытки — в силу отсутствия или «невыдуманности» полного, замкнутого технологического цикла — либо же в условиях неготовности общественных отношений к тому, чтобы принять и использовать уже находящийся по сути дела «на заднем дворе» готовый замкнутый цикл.

Хрестоматийным примером такого рода технологического уклада является II технологический уклад, который часто романтически именуется «эпохой угля и пара». Именно от момента начала массового использования энергии ископаемого угля в паровых машинах и отсчитывают иногда старт так называемой Индустриальной революции, подчёркивая то, что как раз II технологический уклад обеспечил необходимую устойчивость технологическим циклам I технологического уклада, связанного с массовым внедрением промышленного разделения труда и производственных машин и станков.

Уголь и пар обеспечили энергией все те индустриальные машины, которые породила Первая промышленная революция, а энергетический уклад мира окончательно начал изменяться от использования дров, биомассы и мускульной силы людей и домашних животных в сторону современных ископаемых источников энергии.

Однако, за рамками успешного сюжета «революции угля и пара», которая бушевала в Англии в начале XIX века, остаётся два исторических примера, которые показывают нам сцепку «эффективность-замкнутость» и «эффективность-замкнутость-долговечность», которые и важны для формирования нового технологического уклада. 

Первый вариант существования протоуклада, условно названный «незамкнутость», и иллюстрирующий нарушение сцепки критериев «эффективность-замкнутость», связан с поздней Римской Империей и с фигурой знаменитого ученого Герона Александрийского.

Именно Герон Александрийский предложил первый проект паровой турбины — эолипила, который представлял из себя шар, вращаемый за счёт подводимого к нему водяного пара.

Существуют свидетельства, что данные «паровые шутихи» использовались Героном для храмовых представлений, однако, в силу того, что эолипил не являлся по факту промышленным агрегатом — он не нашёл массового применения. Его мощность, согласно новейшим оценкам не могла составлять больше одного ватта, что не позволяло использовать его в каких-либо реальных производственных циклах Древнего Рима.

Таким образом, возможность создания замкнутого технологического уклада во времена Римской империи была упущена из-за того, что ни мощность, ни КПД античных паровых машин так и не вышли за пределы «детских» или «храмовых» игрушек. А путей совершенствования данной технологии в античности так и не изобрели. Даже человек-раб вполне мог обеспечивать в рамках древнеримской экономики 60-100 Вт полезной мощности, а пусть и неэффективное по нынешним меркам использование волов и лошадей, давало в распоряжение промышленности Древнего Рима и того больше — до единиц киловатт на каждую упряжку таких «природных моторов». В такой ситуации 1 Вт эолипила оказался и в самом деле не более, чем игрушкой.

Другой, менее известный пример, связан со средневековой Испанией и с фигурой испанского изобретателя Бласко де Гарая.

17 июня 1543 года в барселонской гавани, по приказу испанского императора Карла V, Гарай провёл испытания своего «самодвижущегося судна». Гарай содержал в секрете устройство самой паровой машины своего корабля, однако из тогдашних испанских источников стало известно, что она состоит из огромного котла и сложного рычажного и трубного механизма. Судно, на котором она была поставлена, имело по гребному колесу с обеих сторон и проехало от Коллиуры до Барселоны, нагруженное хлебом. Оно вмещало в себе 200 бочек груза и называлось «Троица».

Таким образом, более чем за 150 лет до первых опытов Папена с паровым двигателем и более, чем за 250 лет до «официальных» паровых машин Уатта и Фултона — мы имеем в вообщем-то ещё средневековой Испании, всего через 50 лет после открытия Америки Христофором Колумбом, свидетельства о наличии и попытках использования технологий паровой машины на морском транспорте.

Несмотря на то, что испытание изобретения Гарая увенчалось полным успехом, а испанский император, весьма довольный им, велел принять на свой счет все издержки изобретателя, понесённые им на опыты, Испания так и не стала первой индустриальной державой. Новая война отвлекла внимание Карла V от перспективного изобретения — и развития пароходов и паровых машин в средневековой Испании так и не произошло.

Как видите, здесь нам уже продемонстрирована важность связки критериев «эффективность-замкнутость-долговечность»: несмотря на эффективность использования энергии минеральных топлив вместо мускульной энергии гребцов и энергии ветра в парусах судна и даже наличия действующей паровой машины — общественные отношения тогда ещё очень феодальной и консервативной Испании не позволили технологиям II технологического уклада  закрепиться на сколь-либо длительное время в испанском обществе.

Похожую судьбу, кстати, имело и аналогичное изобретение француза Дени Папена. По свидетельствам современников, его корабль без парусов и рангоута, который он собрал в 1707 году, вызывал лишь «мрачное любопытство, густо замешанное на беспокойстве».

В целом же, несмотря на несомненных технический успех Папена, он просто не смог найти никого, кто бы захотел воспользоваться его судном для перевозки грузов. По итогом всех его опытов его паровая машина была уничтожена портовыми громилами, в то время, как его самого задержали в порту немецкие таможенники.

Рассмотрим, исходя из данных критериев, степень готовности солнечной энергетики к тому, чтобы сформировать на сегодняшний день эффективный, замкнутый и долговечный уклад. Не впадая при этом, конечно, как в неуёмный оптимизм, но и не упуская при этом важных деталей, критических для анализа ситуации.

Во-первых, рассмотрим вопрос эффективности.

Основным параметром, от которого нам надо оценивать эффективность солнечной энергетики, основанной на утилизации прямого солнечного излучения, является так называемая солнечная постоянная. Этот параметр является константой и определяет наибольшее количество солнечной энергии, которое возможно получить от нашего светила в условиях земной орбиты. Понятное дело, что на Меркурии солнечная постоянная намного выше, а на орбите Марса — гораздо ниже земной, так как солнечный свет, как и многие другие природные явления волновой природы, подчиняется закону обратных квадратов.

Солнечная постоянная на земной орбите составляет 1366 Вт/м2.

Солнечная энергия составляет это значение в любой точке земной орбиты (с поправкой на эллиптичность) и не может быть поднята выше этого уровня без дополнительных концентрирующих устройств.

Однако, когда мы переходим от космического пространства к поверхности Земли, то мы сразу же упираемся в жёсткие, чисто физические ограничители по фактической доступности солнечной энергии на поверхности планеты.

Исходя из геометрии планеты, вращения земного шара вокруг своей оси, а также рассеивания, поглощения и отражения солнечного света в земной атмосфере, мы сразу же получаем гораздо более скромное значение «земной солнечной постоянной», составляющее около 341 Вт/м2 на «усреднённой» земной поверхности.

Уйти от этого ограничения, не расположив солнечные батареи в космосе, практически нереально — все эти параметры задаются физикой нашего небесного тела и составом его атмосферы.

Для понимания ограниченности данной цифры — на орбите Марса солнечная постоянная составляет 586 Вт/м2, а Меркурий может похвастаться и вдесятеро большей солнечной постоянной, нежели Земля — на его орбите она составляет 13 600 Вт/м2.

Цитируется по (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_land_area.png)

Вторым моментом, который опять-таки работает не «вверх», а «вниз» в вопросе оценки возможной эффективности солнечной энергетики, является её крайне неравномерное распределение как в пространстве поверхности планеты, так и во времени суточного ритма.

Вопрос с распределением по поверхности зависит не только от широты расположения участка, но и от погоды — плотный облачный покров может отражать назад, в космическое пространство, до 80% солнечного света, а в среднем по Земле из общего баланса в 341 Вт/м2 облака отражают назад около 30% падающего потока (102 Вт/м2) и ещё около 23% (78 Вт/м2) поглощается атмосферными аэрозолями и облаками. Что, в целом, даёт усреднённое, среднегодовое значение солнечной энергии, доступной на поверхности Земли, как 161 Вт/м2. Уже одно это снижает значение солнечной постоянной на поверхности Земли почти что на порядок от условий космического пространства.

Ещё более радикально влияет на доступную солнечную энергию широта расположения участка поверхности. Так, например, в северном Санкт-Петербурге среднегодовое значение солнечной энергии составляет лишь 108 Вт/м2, а пример Мурманска ещё более показателен — несмотря на то, что летом там можно рассчитывать на 214 Вт/м2 и на круглосуточную инсоляцию за счёт полярного дня, в период полярной ночи, с 2 декабря по 11 января, в Мурманске наблюдается будет строгий 0 Вт/м2 . При этом среднее значение солнечной энергии для условий Мурманска составляет не более 91 Вт/м2.

Работа с такого рода распределёнными в пространстве источниками энергии непроста уже сама по себе, о чём упоминалось в докладе П.Л. Капицы. В отличии от бытового применения, индустриальная энергия оперирует категориями сотен мегаватт мощности, что приводит нас для случая солнечной электростанции мощностью в 100 МВт в условиях Санкт-Петербурга, с учётом всех потерь на КПД фотоэлементов, к циклопическому сооружению площадью в 5 км2. И это ещё без учёта факторов неравномерности солнечной энергии по суткам и временам года, что дополнительно увеличивает площадь электростанции за счёт потерь энергии на её передачу и аккумуляцию.

Затронув вопрос суточных и годовых циклов доступности солнечной энергии, мы неизбежно от вопроса эффективности технологии переходим к оценке критерия замкнутости.

Понятное дело, что любая технология, претендующая на то, чтобы стать заменой существующего уклада, обязана обеспечивать замкнутость новых технологических циклов, которые приходят на смену существующему укладу.

Исходя из приведенной выше сложной и комплексной картины с суточными и годовыми ритмами доступности первичной солнечной энергии, обычная солнечная панель, при всей её кажущейся эффективности, не может сама по себе обеспечивать замкнутый технологический цикл, нуждаясь в массе дополнительных, «поддерживающих» технологий для обеспечения замкнутости цикла.

Рассмотрим их отдельно, для случая «идеальных» космических условий — и для варианта «реальной» Земли, от тепличных условий экватора и вплоть до жёстких ограничений северных и пасмурных районов.

В целом, понятное дело, решив в «идеальном», космическом варианте вопрос расположения солнечных электростанций на орбите Земли и обеспечив безопасную передачу солнечной энергии на Землю, можно легко сделать данный технологический цикл замкнутым: использование массы аппаратов в ближнем и дальнем космосе и отработанность солнечных батарей для них не оставляют в этом никаких сомнений.

А увеличение практически на порядок потока солнечной энергии даже при простом переходе расположения солнечных батарей на освоенных гелиосинхронных орбитах позволяет рассчитывать на технологическую целесообразность использования таких космических солнечных электростанций — даже с учётом неизбежных потерь на передачу электроэнергии на Землю в виде микроволнового излучения.

Основным вопросом и, одновременно, критической технологией, которая пока задерживает реализацию данного уклада в его «космическом» варианте, является не КПД или долговечность солнечных фотоэлементов, а стоимость доставки грузов на околоземные орбиты.

На сегодняшний день солнечные фотоэлементы, пригодные для работы в космосе, достигли массового совершенства в 20 кг/кВт электрической мощности, включая опорные системы и модуль передачи на Землю электроэнергии в виде микроволнового излучения. В ближайшее время, с опорой на тонкоплёночные облегчённые конструкции, можно рассчитывать на то, что солнечные батареи достигнут массового совершенства в 1 кг/кВт.

Таким образом, 1 ГВт электрической мощности на околоземной орбите будет весить от 1000 до 20000 тонн. Для сравнения, масса самого большого искусственного объекта на околоземной орбите, Международной космической станции, составляет на сегодняшний день около 417 тонн. Поэтому, с технологической точки зрения строительство космической солнечной электростанции уже возможно — причём при минимальном совершенствовании существующих технологий стыковки и сборки сложных объектов в околоземном космическом пространстве.

Однако, основной проблемой космической солнечной энергетики пока являются стоимостные ограничения. При запуске существующими носителями такой объект обойдётся только в пусковых затратах от 4 до 80 млрд. долларов США, даже если использовать самые дешёвые существующие на сегодняшний день носители, которые обеспечивают запуск килограмма на низкую околоземную орбиту в пределе около 4000 долларов за килограмм.

Для сравнения, полные затраты постройки такого же 1 ГВт мощности современной угольной или атомной энергетики составляют сегодня от 3 до 6 млрд. долларов за 1 ГВт установленной мощности. Таким образом, на сейчас путь солнечной энергетики в космос закрыт по объективной причине: существующие космические технологии просто не могут обеспечить замкнутость данного уклада, как это произошло с эолипилом Герона Александрийского. Эффективность солнечной космической энергетики упирается в наши неэффективные и дорогие ракетные системы вывода грузов в околоземное пространство.

С другой стороны, использование и доведение до уровня промышленных изделий массы уже просчитанных и технически эффективных концепций, основанных на удешевлении технологии «классического» ракетного старта — пусковой электромагнитной рампы, «большого примитивного носителя» многоразового использования, воздушного старта ракеты-носителя— сулит снижение стоимости пуска практически на порядок, вплоть до цифры в 400 долларов за килограмм груза на низкой околоземной орбите (НОО), с реальным, легко достижимым уровнем в 1000 долларов за килограмм.

Вторым критическим компонентом возможной схемы построения космических солнечных электростанций должен стать мощный космический буксир, который сможет поднимать выведенные грузы на более затратные и высокие гелиосинхронные орбиты с НОО. Нынешний уровень развития технологии космического буксира, его двигателей и ядерной или солнечной энергетической установки опять-таки пока ещё не вышел из стадии экспериментальных разработок.

Перспективные же системы запуска, которые опираются на существующие материалы и технические концепции, но нуждаются в проработке массы существенных технических деталей на уровне создания технологий — пусковая петля, космический трамвай, позволяют и ещё более радикально снизить стоимость вывода грузов на околоземную орбиту, достигнув цифры в 50-100 долларов за килограмм груза на околоземной орбите. Однако, такие цифры достижимы при годовых объёмах вывода в сотни тысяч тонн грузов на околоземной орбите. И именно развитие космической солнечной энергетики может обеспечить такой поток грузов на орбиту, одновременно нуждаясь в системах дешёвого и массового вывода грузов в ближний космос.

Такое развитие технологии позволит космической солнечной энергетике однозначно выполнить критерий замкнутости — при снижении стоимости вывода до 1000 долларов за килограмм запуск солнечной электростанции на 1 ГВт с использованием лёгких конструкций обойдётся в 1 млрд. долларов США, а при уменьшении стоимости вывода грузов до 100 долларов за килограмм — всего лишь в 100 млн. долларов США.

При этом, конечно же, расходы на запуск солнечной электростанции отнюдь не являются единственными издержками по созданию замкнутого цикла солнечной энергетики.

На сегодняшний день, даже если убрать вопросы стоимости и обслуживания космических опорных конструкций и системы микроволновой передачи электрической энергии, остаётся и стоимость самих солнечных батарей.

Сегодняшние оценки по стоимости киловатта электрической мощности, исходя из массы источников,  колеблются в пределе от 300 до 2100 долларов за кВт установленной мощности (таким образом, гигаватт фотоэлементов сегодня обходится от 300 миллионов до 2,1 миллиарда долларов).

На фоне стоимости запуска на околоземную орбиту эти цифры, в общем-то, несущественны (поскольку оценки стоимости 1 ГВт электрической мощности солнечных панелей сравнимы с перспективной стоимостью их запуска на орбиту и гораздо меньше существующей фактически на сегодняшний день стоимостью запуска), однако, на Земле в вопросах замкнутости технологического цикла начинают участвовать уже иные факторы.

Продолжение следует.

Алексей Анпилогов при поддержке фонда "Основание" для издательства "Селадо"