Еще о солнечной энергетике и о новом технологическом укладе

По вчерашней статье у камрадов возникли справедливые вопросы, ответы на многие из которых есть во второй части статьи. Возможно, что у кого-то сложилось несколько ложное впечатление о материале как о пропаганде зелёной энергетики, в силу того, что я решил разбить его на две части по смыслу, так как общий объём был чрезмерно большой для одной статьи. Прошу прощения за возможное недоразумение. Цель материала - максимально объективное всестороннее изучение вопроса возможности использования солнечной энергетики в новом технологическом укладе, в том числе (но не только) теоретическое на данный момент массовое применение данных технологий в космосе.

К сожалению, как уже было указано, солнечная энергетика критически зависит от доступности солнечного света, который, в отличии от околоземной орбиты на поверхности Земли подвержен массе случайных флуктуаций и детерминированных периодов «планового» его отсутствия.

Всё это выводит нас на то, что фактический коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) для солнечной энергетики даже для хороших условий юга США или Южной Европы составляет от 10 до 20%  — поскольку в пасмурную погоду, в утренние и в вечерние часы солнечные батареи работают плохо, а ночью — не работают вовсе. Для сравнения, КИУМ угольных и атомных блоков составляет сегодня от 75 до 95%.

Отсюда и возникает парадокс: любое уменьшение стоимости единицы мощности панели сказывается на стоимости производимой ею же электроэнергии отнюдь не в прямой пропорции (снижение CAPEXа отнюдь не влияет впрямую на OPEX), а «установленные гигаватты» солнечной мощности пересчитываются в кВт-ч произведенной ими электроэнергии с понижающим коэффициентом в 5...10, в зависимости от широты и погодных условий места установки солнечной электростанции.

Поэтому, несмотря на то, что формально уже на сегодняшний день солнечная энергетика оказывается дешевле в расчёте на установленный киловатт мощности (от 300 до 2100 долларов США) по сравнению с атомной и угольной энергетикой (от 3000 до 8000 долларов США), солнечная энергия по-прежнему в производстве дороже традиционных видов минерального и ядерного топлива — угля, природного газа или уранового топлива.

На сегодняшний день в условиях США и Европы, которые объективно лучше российских, в зависимости от массы местных факторов как природного, так и цивилизационного плана, приведенная себестоимость производства солнечной энергии составляет от 10 до 24 евроцентов (от 11 до 27 американских) — или же от 110 до 270 долларов США за МВт-час. К 2020 году, к моменту насышения существующей технологии производства солнечных панелей, можно ожидать снижение этого диапазона до 8-19 евроцентов (10-22 цента) или до 100-220 долларов США за МВт-час.

Этого, к сожалению, категорически недостаточно для реальной конкуренции с традиционными источниками энергии, основанными на минеральных топливах или же на ядерной энергии. Потеря порядка величины в потоке солнечной энергии на поверхности Земли по сравнению с космическим пространством, к сожалению, не проходит даром для эффективности технологии солнечной энергетики.

Так, ядерная энергия, оказывая при безаварийной эксплуатации столь же мизерное воздействие на окружающую среду, обеспечивает стоимость МВт-часа электрической энергии в 75-105 долларов, при плановом снижении до уровня 40-70 долларов за МВт-час, а экологически грязный угольный блок на сегодняшний день позволяет добиваться себестоимости производства МВт-часа электроэнергии в пределе от 28 до 38 долларов за МВт-час.

Ещё более печально обстоит дело в случае, если мы сравниваем солнечную электроэнергетику с традиционными ГЭС (20-55 долларов за МВт) или же экологически гораздо более чистыми угольными станциями комбинированного цикла (53-105 долларов за МВт), не говоря уже о газовых станциях комбинированного цикла (37-54 доллара за килограмм).

Всё это и приводит к тому, что несмотря на впечатляющий, практически экспоненциальный рост установленной мощности солнечных электростанций, даже по состоянию на 2020 год они смогут иметь, согласно различным оценкам, от 400 до 650 ГВт установленной мощности. При применении понижающего коэффициента в 5..10 это приводит нас к эквиваленту 40...130 ГВт мощности традиционной энергетики. На фоне ежегодного потребления 16 ТВт энергетической мощности — это по-прежнему «капля в море», менее 1% от общих энергетических потребностей человечества.

Безусловно, стоимость традиционных минеральных топлив с течением времени будет расти — однако в этом случае в будущем нас будет ждать, при сохранении инерционного подхода, скорее мир «энергетической нищеты», нежели «энергетической революции» и нового технологического уклада, поскольку тогда замыкание нового технологического уклада впервые будет происходить не за счёт «рождения» нового мира, а скорее — от неизбежности реформирования старого.

Однако, солнечная энергетика тоже подвержена ситуации «падающей отдачи». Наиболее естественным и выгодным с точки зрения эффективности самих батарей вариантом их расположения является пустыня Сахара. Данный вопрос уже много раз поднимался в научной литературе — безоблачные погодные условия и близость к экватору делали Сахару практически идеальным местом для расположения солнечных батарей. Лучшие условия можно было бы представить только в варианте «сухих пустынь» восточного побережья Южной Америки, вроде широко известной пустыни Атакама, где ясная погода сочетается ещё и с идеальными наземными условиями, свободными от песчаных бурь и ветров Сахары.

Однако, даже для случая Сахары, при размещении фотоэлементов или «солнечных башен» в южных районах Алжира, Ливии или Марокко, обеспечивалась бы практически 100% прогнозируемость солнечного светового потока. Кроме того, сами «солнечные башни», нагреваясь за длинный сахарский день, естественным способом обеспечивали бы выдачу необходимой электрической энергии на вечернем пике потребления электроэнергии.

Именно в такой концепции и был организован проект Desertec, который бы сочетал производство солнечной энергии на концентраторах в Сахаре, передачу её по высоковольтным кабелям через Гибралтар и Средиземное море и потребление в Западной Европе.

Однако, даже первые, эскизные проработки показали массу проблем такого подхода — «солнечные башни» всё равно не могли самостоятельно закрыть утренний пик потребления электроэнергии, а удалённость проекта от потребителей и проблемы с высоковольтной передачей делали стоимость производства солнечной электроэнергии просто-таки «космической». В результате чего проект Desertec обанкротился, оставив мечту о прямом использовании солнечной энергии до того момента, пока человечество не придумает достаточно прорывные идеи для её более эффективной утилизации.

И, конечно же, осознав всю нерешённость на сегодняшний день сцепки «эффективность-замкнутость» для солнечной энергетики как для случая её космического, так и земного варианта, мы должны и осознавать то, что нынешняя попытка выстроить прямой мостик от «эффективности» к «долговечности» уклада, скорее всего, обречена на провал.

На сегодняшний день две европейские страны — Дания и Германия уже имеют значительный прогресс в вопросе перехода на использование солнечной энергии. Однако, одновременно с этим, данные страны имеют и столь же печальные результаты данного перехода — и Германия, и Дания сегодня имеют наибольшие тарифы на электроэнергию, которые составляют от 25 до 30 евроцентов за киловатт-час, что более, чем в 5 раз превосходит аналогичные тарифы в других европейских странах. Что, в общем-то, определяется просто исходя из базовой стоимости производства «солнечного киловатта», без всяких сопутствующих вопросов интеграции новых источников энергии в существующие энергетические системы Европы.

Сегодня удельный вес солнечных и ветровых источников энергии в Германии и Дании составляет уже от 25 до 30%. Однако, даже такой, отнюдь не преобладающий процент «новой» энергии создаёт для этих стран массу проблем в распределительной сети, которые, опять-таки, приходится закрывать за счёт европейских соседей данных стран, обладающих достаточными мощностями в атомной и традиционной энергетике — в первую очередь Франции.

Поэтому, в отличии от предыдущих, органических смен технологических укладов мы видим, к сожалению, сейчас скорее не естественный приход нового уклада, а лишь попытки с помощью накопленных технологий предыдущих периодов обеспечить некую «консервацию» инфраструктуры и структуры общественных отношений, характерных для Европы ХХ века. То есть, нынешняя редакция солнечной энергетики скорее призвана обеспечить «долговечность» общественных отношений Европы и США, нежели дать им некий технологический прорыв. В подобной ситуации, хотя и не перевёрнутой с ног на голову, были и Гарай, и Папен, которые тоже оказались со своими изобретениями в заложниках существовавшей общественной системы.

Что же может быть альтернативой солнечной энергетики, если рассматривать некий среднесрочный прогноз?

Понятное дело, исчерпаемость минеральных топлив, падающая отдача месторождений и рост потребления энергии человечеством не оставляют особого выбора: даже если мы ограничиваем перспективы солнечной энергетики в силу объективных физических параметров и нерешённых социальных вопросов — мы должны дать видение альтернатив будущего энергетики человечества.

В ситуации ограниченности источников энергии, задаваемой современным уровнем развития науки и техники, выбор человечества, в общем-то, невелик — единственной внятной альтернативой для солнечной энергетики может являться ядерная энергетика замкнутого цикла, основанная на полной утилизации запасов урана и тория, а также прорыв в освоении использования термоядерной энергии.

В настоящее время все оценки энергетических запасов ядерного топлива основаны лишь на одном изотопе урана — 235U. Данный изотоп составляет всего лишь 0,72% от общей массы всего урана на Земле и именно на его запасах основана оценка в 90-300 ТВт-часах запасённой  энергии.

На сегодняшний день ряд стран — Россия, Индия, Франция вплотную подошли к вопросу создания серийных, коммерческих реакторов-размножителей («бридеров»), которые одновременно являются реакторами-дожигателями. В России таким реактором является построенный и находящийся в процессе энергетического запуска реактор БН-800 и проектируемый к постройке БН-1200. Данные реакторы, в силу своего уникального инженерного и физического решения, могут быть использованы сразу для двух целей: размножения исходного ядерного топлива (за счёт создания в потоке быстрых, высокоэнергетических нейтронов изотопов 239Pu из 238U и 233U из 232Th) и дожигания в потоке тех же нейтронов «неудобных» минорных трансурановых элементов и осколков деления — для того, чтобы значительно снизить потребности в захоронении высокоактивных изотопов с периодами полураспада от десятков лет до нескольких сотен лет. Кроме того, побочным процессом данного спектра нейтронов реактора является то, что в нём и напрямую сгорают значительные количества изотопа  238U, который весьма незначительно участвует в реакциях ядерного распада в классических реакторах на тепловых нейтронах.

Основной процесс размножения ядерного топлива, осуществляемый в бридерах, позволяет увеличить базу ядерного топлива более, чем на два порядка — как за счёт вовлечения 99,28% изотопа 238U, так и за счёт освоения 100% природного тория, который представлен единственным природным изотопом 232Th и извлекаемые запасы которого как минимум вдвое превосходят запасы всех изотопов урана.

Это позволяет, за счёт создания искусственных изотопов урана и плутония довести запасы ядерного топлива в распоряжении человечества до цифры в 27 000 — 90 000 ТВт-часов, что  уже достаточно для обеспечения человечества энергией на протяжении минимум полутора тысяч лет — при условии сохранения нынешних темпов потребления энергии.

Ещё более заманчивые перспективы несёт в себе освоение термоядерной энергетики, которому сейчас, на фоне эйфории солнечного будущего уделяется непропорционально мало внимания.

Термоядерная энергетика, как и энергетика замкнутого ядерного цикла, основанная на использовании изотопов 238U и 232Th, позволяет выйти из замкнутого круга исчерпаемого минерального топлива. 

Наиболее реальными вариантами термоядерных реакций, которые можно осуществить в «земных» условиях, являются реакции на тяжёлых изотопах водорода — реакция «дейтерий+тритий» (D+T) и реакция «дейтерий+дейтерий» (D+D, монотопливо).

При этом наиболее подошла к практическому воплощению реакция D+T, для устойчивого энергетически-выгодного горения которой нужны более низкие значения температуры и плотности плазмы. Единственным недостатком данной реакции является то, что природных запасов изотопа трития у нас нет (он высокорадиоактивен и быстро распадается), в силу чего тритий на начальном этапе надо получать из изотопа лития 6Li.

Термоядерный реактор с электрической мощностью в 1 ГВт за год, исходя из оценок КПД, потребит около 100 кг дейтерия и 300 кг лития для производства трития.

Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить в будущем столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то потребление дейтерия и лития составят всего 1 500 и 4 500 тонн в год.

Поскольку для производства трития нам необходим литий, энергетические ресурсы реакции D+T ограничены запасами лития. Разведанные рудные запасы лития, по сумме двух изотопов 6Li и 7Li, составляют около 10 миллионов тонн, что, в пересчёте на 6Li, составляет 750 000 тонн тритиевого сырья. Этих запасов 6Li человечеству хватит всего на 160 лет, при условии полной замены всех энергетических источников человечества на термоядерную энергию.

В случае же полного перехода на стабильный дейтерий, в рамках реакции D+D, огрничение по литию снимается: дейтерия около 1013 тонн только в гидросфере Земли (0,015% от лёгкой воды составляет тяжёлая вода).

Даже в самых скромных прикидках таких громадных количеств термоядерного топлива человечеству хватит на миллионы лет, при условии освоения реакции D+D. Что и позволит построить устойчивый и замкнутых технологический уклад.

При этом, безусловно, нишевое использование электрической энергии, полученной от Солнца и производных от солнечной энергии (ветер, приливы, энергия волн и падающей воды), отнюдь не является бездумной тратой ресурсов — речь идёт о том, что на ней невозможно построить новый, замкнутый технологический уклад.

Например, немногие задумываются, что электроэнергия, которую вы получите от батареи ноутбука или же от аккумулятора электрического суперкара (той же Tesla) никогда не окупит даже стоимости производства самой батареи — причём даже в том случае, если вы будете считать по самым высоким, немецким или датским тарифам.

Однако, для многих удалённых или автономных применений это оказывается отнюдь не самым худшим выходом — например, вряд ли можно будет себе представить более удобный способ зарядки батарей удалённого островного маяка, нежели солнечная энергия или энергия морских волн, а та же российская Якутия критически зависит от поставок дизельного топлива, которое и используется для производства электроэнергии, создавая совсем иную картину себестоимости, нежели централизованное использование атомной или традиционной энергии минеральных топлив. 

Поэтому мы должны, безусловно, всячески развивать разумное использование солнечной энергии, но и не забывать при этом, что основой данного вида энергии должна быть эффективность, а процесс её создания, потребления и воспроизводства инфраструктуры технологического уклада должен быть замкнутым.

Тогда он будет и долговечным — как только общественные отношения смогут его принять, как должное, без «мрачного любопытства», мифов и беспочвенных ожиданий. 

В качестве неизбежной альтернативы существующей безнадёжной зависимости от исчерпаемых и уменьшающихся запасов ископаемого топлива.

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