Может ли солнечная энергия решить проблему энергетических потребностей

Последние разработки в области солнечных технологий предлагают потенциальные решения кризиса энергетической безопасности, включая спутники, которые будут преобразовывать солнечный свет в энергию для Земли. В конце ноября в Париже состоится встреча министров науки европейских стран на высшем уровне. Их работа состоит в том, чтобы определить следующие приоритеты для Европейского космического агентства (ЕКА), и одним из пунктов в списке для рассмотрения является предложение по проверке возможности строительства коммерческих электростанций на орбите.

Предлагаемый проект, известный как Solaris, определит, может ли эта идея способствовать энергетической безопасности Европы в будущем — или всё ещё остаётся журавлём в небе. Если исследование получит добро, это будет похоже на возвращение домой космической отрасли, которая всегда была в авангарде развития солнечной энергетики.

Через год после того, как в 1957 году русские запустили «Спутник-1» с батарейным питанием, американцы запустили «Авангард-1». Это был четвёртый спутник на орбите и первый, вырабатывающий энергию за счёт солнечной энергии. С тех пор солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей, что помогло стимулировать исследования. Солнечные элементы Vanguard 1 преобразовали всего 9% захваченного солнечного света в электричество.

«Стоимость солнечной энергии быстро снижалась за последние 20 лет, и быстрее, чем ожидало большинство участиков развития отрасли», — говорит Йохен Латц, партнёр консалтинговой компании McKinsey & Company. Настолько, что на Ближнем Востоке и в Австралии солнечная энергия стала самым дешёвым способом производства электроэнергии.

По словам Латца, по мере развития технологии это станет реальностью и для стран средних широт. «Мы ожидаем, что в 2050 году более 40% энергии в ЕС будет поступать от солнечной энергии — если страны достигнут поставленных целей», — говорит Латц. Это сделало бы солнечную энергию крупнейшим источником энергии для ЕС. Однако есть очевидные проблемы, которые требуют решения, если человечество хочет полностью использовать солнечные батареи на Земле.

В мае Нед Экинс-Даукс, адъюнкт-профессор школы фотоэлектрических и возобновляемых источников энергии в Университете Нового Южного Уэльса, Австралии, и его группа исследователей продемонстрировали солнечный элемент, который может генерировать электричество за счёт излучения инфракрасного излучения, а не за счёт поглощение солнечного света. Он прекрасно функционирует ночью, потому что Земля накапливает энергию солнца в виде тепла, которое затем излучает обратно в космос в виде инфракрасного излучения. Прототип устройства основан на той же технологии, которая используется в очках ночного видения, и в настоящее время он может генерировать всего несколько милливатт энергии, но Экинс-Даукс видит потенциал. «Это начало — это первая в мире демонстрация мощности теплового излучения», — говорит он, указывая на то, что команда стремится создать готовый продукт, который «в 10 000 раз мощнее».

Возможно, что установка таких устройств на крыше, каким-то образом изготовленная в качестве дополнительного слоя к обычным солнечным панелям, будет собирать достаточно энергии для питания дома в течение ночи, то есть для хранения в холодильнике проуктов, работы Wi-Fi-маршрутизатора и т. д. Хотя это скромная экономия для каждого домохозяйства, умноженная на всё население стран, она становится значительной.

Ещё одна очевидная проблема с солнечной энергией заключается в том, что в некоторые дни будет облачно. Чтобы облегчить это, избыточное электричество, вырабатываемое в солнечные дни, необходимо хранить в батареях, но ёмкость хранения в настоящее время ужасна. «К 2030 году ЕС потребуется около 200 гигаватт [ГВт] аккумуляторных хранилищ, но по состоянию на 2021 год в наличии было только 2,4 ГВт хранилищ, поэтому потребуется значительное увеличение», — говорит Эйдан МакКлин, исполнительный директор UFODrive, компании по аренде полностью электрических автомобилей.

Чтобы помочь с этим дефицитом, МакКлин продвигает схему под названием «автомобиль-сеть» (V2G), которая использует аккумулятор в электромобиле (EV) для хранения избыточной энергии, вырабатываемой солнечными панелями на крыше дома, а затем передаёт её обратно в дом, когда необходимо вечером, или даже есть возможность продать её в National Grid в другие периоды высокого спроса. «Если V2G получит широкое распространение, ожидаемая ёмкость хранения всех электромобилей значительно превысит любые ожидаемые потребности в хранении, которые потребуются сети в будущем», — говорит МакКлин.

Недавнее испытание V2G в Милтон-Кинсе, Бакингемшир, показало, что участники сэкономили деньги и сократили свой углеродный след, используя «интеллектуальную» систему зарядки, которая подзаряжала батареи, когда возобновляемые источники энергии генерировали электроэнергию.

Другой подход заключается в использовании солнечной энергии не для выработки электроэнергии, а для производства устойчивого автомобильного топлива.

Вирджил Андрей с химического факультета Кембриджского университета и его коллеги разработали тонкий «искусственный лист», который черпает вдохновение в фотосинтезе. В растениях фотосинтез поглощает солнечный свет, воду и углекислый газ (CO2) и превращает их в кислород и сахара. В искусственных листьях на выходе синтез-газ или синтетический газ. Эту смесь водорода и монооксида углерода можно использовать для производства ряда видов топлива с помощью различных промышленных процессов. Можно даже производить бензин и керосин.

«Мы предполагали использовать CO2 из атмосферы или других промышленных процессов и закачивать его в эти типы систем для создания экологически чистого топлива. Вместо того, чтобы выбрасывать больше CO2 в атмосферу, мы просто имеем круговую углеродную экономику», — говорит Андрей. По сути, они будут использовать заводы по улавливанию углерода, которые в настоящее время развёрнуты для использования CO2 в промышленных процессах, и «перерабатывать» его в экологически чистое топливо.

Команда впервые изготовила искусственный лист в 2019 году, но это была громоздкая конструкция из стекла и металла, стоявшая на столешнице. В этом году команда объявила о результатах исследования небольшой листовидной структуры, которую исследователи сплавили по реке Кэм. Лист был запечатан в прозрачный пластиковый пакет с газом-прекурсором и водой, а затем оставлен в реке на несколько дней. Затем команда открыла пакет и проверила, какие газы образовались в результате фотосинтеза. Сами искусственные листья состоят из материалов, называемых перовскитами. Типичный перовскит — природный минерал оксида кальция и титана, также известный как титанат кальция, который был обнаружен в 1839 году в Уральских горах в России немецким минералогом Густавом Розе и назван в честь его русского коллеги Льва Перовского.

«Эти материалы очень новые и очень интересные, — говорит Андрей. Лабораторные испытания показывают, что они могут быть более эффективными, чем кремний, используемый в обычных солнечных панелях. Перовскиты могут даже заменить кремний в солнечных панелях будущего, поскольку их проще производить и делать тонкими и гибкими слоями.

Ещё одним преимуществом является то, что эти материалы производят более высокие токи и напряжения, чем их кремниевые аналоги, что позволяет проводить более энергичные процессы, такие как реакции, которые использовались в исследовании искусственных листьев. Однако, как бы многообещающе всё это ни звучало, есть одна непреодолимая проблема при производстве солнечной энергии с поверхности Земли: атмосфера. Молекулы в нашей атмосфере рассеивают около половины солнечного света из прямого луча. Этот рассеянный свет, отражающийся вокруг, создаёт знакомое нам голубое небо.

В космосе нет атмосферы, поэтому солнечный свет остаётся неразбавленным. И как выяснили аэрокосмические инженеры в начале космической гонки, поместите на орбиту солнечную панель, и она будет автоматически генерировать примерно в два раза больше энергии, чем эквивалентная панель на Земле. Неудивительно, что инженеры и провидцы десятилетиями мечтали вывести на орбиту спутники, производящие солнечную энергию. Основной принцип прост. Флот космических кораблей с гигантскими солнечными панелями собирает солнечный свет, преобразует его в энергию, а затем передаёт эту энергию обратно на Землю.

Оказывается, люди занимаются этим десятилетиями. Каждый телекоммуникационный спутник с 1960-х годов использует солнечную панель для выработки электроэнергии, которая затем преобразуется в микроволновый сигнал и отправляется на Землю. На земле антенны преобразуют микроволны обратно в электрическую энергию и считывают сигналы. «Физика, связанная со всей этой цепочкой, точно такая же, как и для космической солнечной энергетики, но её масштабы совершенно другие», — говорит Санджай Виджендран из Esa, который координирует предлагаемую программу Solaris по изучению возможности использования солнечной энергии в космосе.

Каждые несколько десятилетий с начала космической гонки исследовалась идея космической солнечной энергии.

«В 2015 году происходит чудо. Многоразовая ракета Falcon 9 летит впервые», — говорит Джон Манкинс, бывший физик НАСА, а ныне президент Artemis Innovation Management Solutions. Манкинс является экспертом по спутникам на солнечной энергии, он работал над многими технико-экономическими обоснованиями на протяжении десятилетий. С появлением по-настоящему многоразовой ракеты стоимость отправки оборудования на орбиту падает. Вместо того, чтобы стоить около 1000 долларов за запуск каждого килограмма в космос, Манкинс теперь ожидает, что цена снизится до 300 долларов за килограмм.

«Это святой Грааль для космической солнечной энергетики. Это не просто возможно когда-нибудь — это неизбежно в ближайшие пять-семь лет», — говорит он. Другие настроены так же оптимистично.

В сентябре 2021 года Frazer-Nash Consultancy опубликовала отчёт для правительства Великобритании, в котором делается вывод: «Космическая солнечная энергия технически осуществима, доступна и может принести существенную экономическую выгоду Великобритании». В конце августа Европейское космическое агентство опубликовало собственные исследования солнечной энергии из космоса, в которых было сделано аналогичное заключение для всей Европы. В результате агентство обратится в ноябре с просьбой к государствам-членам профинансировать трёхлетнее технико-экономическое исследование спутников на солнечной энергии, чтобы подробно изучить, может ли такая система стать коммерчески жизнеспособной. «Solaris — это мост для проверки того, что это действительно выполнимо и что это действительно поможет, прежде чем попросить миллиарды евро», — говорит Виджендран.

Независимо от того, выйдут ли такие спутники на орбиту, нет никаких сомнений в том, что солнечная энергия будет доминировать в энергетическом ландшафте будущего. И, как показывает нынешний кризис, это может привести к повышению энергетической безопасности, а также к сокращению выбросов углекислого газа.