Глобальная кольцевая энергосистема. Инженерные разработки на грани фантастикиЭлектроэнергетика будущего
Мировая система производства и распределения электроэнергии представляет собой на сегодняшний день множество малосвязанных национальных энергосистем. Каждая из них функционирует и развивается по своим законам в соответствии с потребностями конкретной национальной экономики. Экспорт производимой электроэнергии составляет лишь малую часть от общего объема производства. В то же время эти энергетические системы используют общую для всех атмосферу Земли в качестве резервуара для отходов и в качестве источника кислорода, а сырьевые ресурсы получают из одних и тех же месторождений.
В результате такой, исторически сложившейся ситуации, возникло и нарастает противоречие между совместным использованием ограниченных запасов сырьевых и экологических ресурсов Земли, с одной стороны, и раздельным национальным способом производства электроэнергии, с другой. Это противоречие будет нарастать с ростом её производства и уменьшением доступных запасов топлива и станет со временем основной причиной возникновения международных конфликтов.
Существование этого противоречия влечет за собой целый ряд негативных последствий:
- невозможность принятия эффективных мер по регулированию уровня загрязнения атмосферы и, как следствие, ухудшение экологической обстановки, вплоть до глобального экологического кризиса;
- увеличение потребления углеводородного сырья для производства электроэнергии как наиболее дешевого и удобного вида топлива, обеспечивающего наименьшую стоимость энергии и конкурентоспособность национальных экономик;
- опасность перерастания экономической борьбы за поставки дешевых энергетических ресурсов в глобальный военный конфликт за обеспечение преимущественного доступа к дефицитным ресурсам и устранение конкурентов;
- дальнейшее отставание в экономическом развитии слаборазвитых народов и нарастание международного неравенства;
- быстрое исчерпание запасов невосполнимого углеводородного сырья.
Создание глобальной кольцевой энергетической системы (ГКЭС), как средства для международного производства и распределения электроэнергии, способно предотвратить будущие катастрофические последствия.
Согласно компьютерному моделированию ГКЭС будет представлять собой сеть солнечных и ядерных электростанций, расположенных по окружности Земли в поясе между 15 и 25 градусами северной или южной широты, объединенных в единое целое кольцевой системообразующей линией передачи энергии.
Главной целью создания ГКЭС является обеспечение условий для эффективного использования ресурсов солнечной и ядерной энергии в целях предотвращения экологического и топливно-энергетического кризисов и обеспечения условий для устойчивого развития человеческой цивилизации. Эта система будет вырабатывать дешевую и экологически чистую электроэнергию в достаточном количестве без использования органического топлива.
Создание ГКЭС подразумевает кардинальную перестройку мировой энергетической системы. В будущем практически вся потребляемая человечеством электроэнергия сможет производиться не отдельными национальными энергетическими системами, а ГКЭС.
Воплощение ГКЭС становится возможным в результате революционных достижений двадцатого века: открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости, создания высокоэффективных полупроводниковых фотоэлементов и эффективной и безопасной ядерной энергетики.
Использование энергии солнца
Преобразование солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным направлением возобновляемой энергетики. Солнечная энергия при этом широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами и при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды.
Однако, анализ характеристик солнечных электростанций, работающих в составе отдельных энергетических систем, показывает их низкую эффективность. И дело здесь не только в высокой стоимости преобразователей, но и в непредсказуемости, неуправляемости выработки энергии такими источниками. Поэтому для надежности снабжения энергией потребителей необходимо резервирование мощностями обычных электростанций, работающих на органическом топливе, или аккумулирование энергии различными способами с явными потерями.
Расчеты показывают, что для увеличения выработки электроэнергии в два раза необходимо увеличить установленную мощность фотоэлементов в четыре раза. Наращивая, таким образом, установленную мощность фотоэлементов можно довести долю выработки солнечной электроэнергии до 60% от нынешней. Однако стоить это будет очень дорого.
Другой проблемой солнечной энергетики является высокая сезонная зависимость количества выработки энергии, в особенности на высоких широтах. Коренным способом улучшения технико–экономических показателей солнечных фотоэлектростанций является размещение их в местах с высокими годовыми потоками солнечной энергии и на широтах ниже 35 градусов.
Экономический анализ показывает, например, что размещение их в пустынях Северной Африки и передача энергии в Европу может привести к 3- 4-х кратному повышению эффективности капиталовложений по сравнению с размещением таких же мощностей в Центральной Европе. Очевидно, что для повышения эффективности солнечной энергетики необходимо объединить большое количество солнечных электростанций, расположенных вокруг Земного шара в экваториальных областях, в единую кольцевую энергетическую систему.
Первая очередь ГКЭС может быть размещена в северной части пояса наибольшей солнечной освещённости, между 15 и 35 градусами северной широты. Южная часть этого пояса расположена между 15 и 20 градусами северной широты на суше и в экваториальных зонах океана, она наиболее приемлема в связи с меньшими сезонными колебаниями продолжительности дня. Местоположение отдельных электростанций будет выбираться на основе анализа погодных условий в конкретном месте. Создание второй очереди ГКЭС в южном поясе и объединение ее в единую систему с первой очередью позволит устранить сезонные колебания мощности и уменьшит погодную зависимость выработки электроэнергии.
На территории этих поясов солнце присутствует свыше 3000 часов в год. Около 80% площади северного пояса занимают неиспользуемые и малоиспользуемые земли пустынь и водная поверхность океанов. Площадь только одного пояса, которую можно использовать для установки фотоэлементов, составляет около 20-40 млн. кв. км.
Для оценки возможных масштабов солнечной энергетики, предположим, что первая очередь ГКЭС к 2050 г. в целях предотвращения экологического кризиса должна будет заменить собой мировой парк тепловых электростанций. Согласно прогнозам годовая производительность должна будет составлять к этому году около 20-25 трлн. кВт.час электроэнергии. Расчеты показывают, что для выработки такого количества энергии потребуется более 65 тыс. кв. км фотоэлементов с суммарной пиковой мощностью около 12 500 ГВт. Они заменят собой около 6000 ГВт мощности тепловых электростанций, необходимых для выработки того же количества энергии (для сравнения суммарная установленная мощность всех электростанций в мире в 2001 г. составляла около 3400 ГВт.)
Для преобразования энергии солнечного излучения могут использоваться кремниевые фотоэлементы. Запасов сырья достаточно для их производства в любых количествах, так как кремний - один из самых распространенных химических элементов на Земле. Технологии изготовления кремниевых фотоэлементов развиваются быстрыми темпами. Ожидается, что уже к 2030 году стоимость кремниевых фотоэлементов может снизиться до 0,5 дол/Вт, а удельная мощность солнечных модулей достигнет уровня 200-250 Вт/кв. м. Предполагается, что к 2030 году в мире фотоэлектрические установки будут вырабатывать 1000 ТВт.час электроэнергии в год, а цена единицы их мощности прогнозируется около 1 евро/Вт.
Большими перспективами для применения в ГКЭС обладают концентрационные модули, использующие высокоэффективные каскадные гетероструктурные фотоэлементы. Ожидается, что к 2030 году эффективность преобразования каскадных фотоэлементов на гетероструктурах может достигнуть 50%. Их относительно высокая конструктивная сложность не будет иметь значения в условиях массового производства. Концентрационные модули будут использоваться на суше, на территориях с низкой долей рассеянного излучения.
Ядерная энергия
Техническая и технологическая сложность строительства ядерных электростанций, экологическая опасность использования атомной энергии значительно сдерживает ее развитие во всех странах. Однако, при действующей организации мировой энергетической системы, развитие атомной энергетики в ближайшие десятилетия неизбежно.
При интенсивном росте ядерной энергетики увеличится вероятность возникновения аварий. Опыт показывает, что существует вероятность сбоя в работе любой системы, даже кажущейся абсолютно надежной. Например, аварии самолетов происходят достаточно часто, несмотря на все меры, принимаемые для увеличения их надежности. Радикальным способом уменьшения ущерба при аварии объектов ядерной энергетики является максимальное удаление их от мест обитания людей. Размещение ядерных реакторов в водах океанов на большом расстоянии от мест проживания людей практически устранит опасность радиоактивного загрязнения почвы и негативного воздействия на человечество.
Увеличение коэффициента резервирования мощности фотоэлементов, рассредоточение солнечных электростанций, рост масштабов солнечной энергосистемы, уменьшая погодные колебания суммарной мощности за счёт усреднения уровня освещённости на больших площадях, всё же не способны устранить эти колебания полностью. Солнечная электростанция, работающая в составе территориально ограниченной сосредоточенной энергетической системы, должна быть полностью дублирована мощностями других электростанций, т. е. иметь 100%-ный резерв.
Для ГКЭС этот уровень может быть намного меньше. В дальнейших расчетах примем его равным 30% от необходимой средней мощности, что составит около 1000 ГВт (суммарная мощность ядерных электростанций в мире в 2003 г. составляла около 370 ГВт). В современной энергетике ядерные электростанции рассчитаны на работу в базовом режиме. Такой режим исключает быстрые изменения мощности реактора. Использование таких реакторов в качестве резервных, работающих в режиме переменной мощности, невозможно. Для работы в составе ГКЭС необходима разработка новых видов ядерных электростанций, обеспечивающих эффективную работу в режиме быстро изменяющейся нагрузки.
В ГКЭС будет построено небольшое количество ядерных энергетических центров морского базирования мощностью около 50-100 ГВт, подсоединенных к глобальному кольцевому кабелю. Структура такого центра должна включать в себя, как ядерные электростанции, так и производства, перерабатывающие ядерные отходы. Это исключит транспортировку больших количеств радиоактивных веществ.
В конечном счете, соотношение долей использования ядерной и солнечной энергии в ГКЭС будет определяться из экономических и экологических соображений, однако, сейчас уже очевидно, что удаление в будущем потенциально опасной ядерной энергетики из густо населенных областей Земли решит многие проблемы, препятствующие ее развитию.
Кольцевая линия электропередачи
Кольцевая линия передачи электроэнергии объединит отдельные солнечные и ядерные электростанции в единую энергетическую систему. Длина этого кольца составит около 40 000 км. Линия первой очереди ГКЭС должна будет обеспечивать передачу потока энергии общей мощностью около 1500 ГВт. Для обеспечения надёжности она будет разделёна на 4-5 независимых параллельных ветвей. Каждая ветвь, таким образом, должна будет передавать максимальную мощность около 500 ГВт. Среднее расстояние передачи в кольцевой схеме будет составлять около 10 000 км. В практике мировой электроэнергетики нет опыта передачи таких больших количеств энергии на такие огромные расстояния.
Анализ различных способов передачи электроэнергии на дальние расстояния показывает, что её возможно эффективно осуществить на постоянном токе с помощью сверхпроводящего коаксиального кабеля сверхвысокого напряжения. Расчеты показывают, что необходимый наружный диаметр такого кабеля при передаче 500 ГВт мощности и напряжении 3-5 МВ будет около 0,8 м. Для охлаждения кабеля диаметром 1 метр при температуре кипения жидкого азота в 77 град. К потребуется удельная мощность 60 кВт/км, или 0,12% от передаваемой мощности на длине 10 тыс. км. (0,6 ГВт).
Несомненно, такой кабель будет весьма сложным и дорогостоящим. При его разработке и изготовлении предстоит разрешить большое количество научных, технических и технологических проблем. Расчеты показывают, что сверхпроводящий кабель будет обладать исключительными характеристиками по сравнение с другими устройствами для транспортировки энергии. Сравним его характеристики с газопроводом диаметром 1,2 м.
Такой газопровод способен передавать около 30 млрд. куб. м. в год. Это эквивалентно тепловой мощности около 32 ГВт. При этом потери энергии на перекачку на расстояние 10000 км составят около 15% (2,4 ГВт), а при преобразовании в электрическую энергию – 50%. В результате получим на выходе электрическую мощность около 14 ГВт. Сравнение с газопроводом диаметром 1,2 м показывает, что сверхпроводящий кабель приблизительно того же диаметра способен передавать (в пересчете на электрическую) мощность в 35 раз (!) большую при удельных потерях в 100 раз меньших, чем газопровод.
Другой положительной особенностью сверхпроводящего кабеля является то, что его изготовление не потребует огромных затрат дефицитных в будущем цветных металлов. Сечение сверхпроводника, необходимое для передачи одного и того же тока, в сотни раз меньше, чем сечение обычного проводника из меди или алюминия. Материалы, используемые для изготовления сверхпроводников по современным технологиям, дешевы и широко доступны. Основная составляющая стоимости кабеля, изготовленного из высокотемпературных сверхпроводников, это технологические затраты в условиях мелкосерийного производства. Усовершенствование технологий изготовления сверхпроводников и массовое производство их в огромных количествах для нужд ГКЭС обеспечит снижение их стоимости в десятки раз.
Необходимо отметить, что задача изготовления и эксплуатации сверхпроводящих линий электропередачи решалась только для относительно небольших расстояний, а передача сверхбольшой мощности пока что на практике не проводилась, и в этой области ученым и инженерам предстоит еще большая работа по разработке совершенно новых, пионерных технологий и устройств.
Этапы построения ГКЭС
Построение ГКЭС будет происходить в несколько этапов.
1. Создание научно обоснованного проекта развития ГКЭС и ознакомление широкого круга общественности с ее возможностями.
2. Включение планов развития ГКЭС в национальные программы различных государств по развитию альтернативных источников энергии и создание международной организации, призванной сконцентрировать усилия мирового сообщества для построения ГКЭС.
3. Научно-техническая и конструкторская разработка, изготовление и отладка основных составляющих элементов ГКЭС:
- фотоэлектрических модулей морского и наземного базирования, оптимизированных для использования в составе крупных солнечных электростанций, а так же специализированных электронных систем, поддерживающих их работу;
- силового кабеля большой мощности на основе высокотемпературных сверхпроводников и криогенных систем, поддерживающих его работу;
- ядерных электростанций, способных работать совместно с солнечными электростанциями в режиме переменных нагрузок;
- накопление и обработка данных по солнечной активности в местах предполагаемого размещения солнечных электростанций.
4. Создание массового производства солнечных модулей наземного и морского базирования.
5. Создание опытной морской солнечно-ядерной электростанции в водах Тихого океана и опытной солнечно-ядерной энергетической системы мощностью 1-3 ГВт в Северной Африке с подсоединением их сверхпроводящим кабелем к Европейской энергетической системе.
6. Строительство солнечных электростанций в пустынях Северной Африки и Аравийского полуострова от Западной Сахары до Омана или Индии в различных часовых поясах и соединение их системообразующим кабелем. Накопление опыта эксплуатации распределенной солнечно-ядерной энергетической системы.
7. На основе накопленного опыта создание региональных солнечно-ядерных энергетических систем большой мощности еевропейско-индийской, китайско-японской и американской.
8. Создание опытной кольцевой энергетической системы путем объединения региональных энергетических систем кольцевым сверхпроводящим кабелем.
9. Наращивание мощности ГКЭС до требуемой величины за счет постройки дополнительных солнечных и ядерных электростанций и подсоединения их к кольцевому кабелю.
***
При решении проблем сохранения среды обитания человека невозможно обойтись полумерами. Необходима кардинальная перестройка мировой энергетической системы и работу эту надо начинать уже сегодня в эпоху мира, процветания и изобилия ресурсов. Один из возможных путей перестройки - это создание ГКЭС. Несомненно, её строительство потребует огромных затрат, но будет и значимый результат – обеспечение энергетической безопасности и создание условий для устойчивого развития всего человечества.
Сергей Андреев, директор по науке,
Вадим Зазимко, президент
Центра реализации экономических
решений "Топ-Менеджер", Москва Источник: Промышленные ведомости | 
