Сонячна енергія вночі: як це працює?

У кінці 1970-х років люди були зачаровані фотоелектричними сонячними елементами, які були дуже дорогими. І тут у гру вступила технологія-суперниця — великі дзеркала, які також можуть перетворювати сонячні промені на струм, фокусуючи сонячне світло і використовуючи його тепло. Концентрована сонячна енергія здавалася найперспективнішою сонячною технологією в ті часи. Але сьогодні про неї майже повністю забули. Історія, що за нею стоїть, — це історія великих очікувань, та, не менш великі розчарування. Втім, можливе відродження, тому що концентрована енергія може зробити дуже важливу річ, яку не можуть зробити сонячні батареї. Про це розповідає Deutsche Welle.

Як це працює

Загалом геліоконцентратори використовують дзеркала, щоб відбивати та концентрувати сонячне світло.

«Це просто вловлювання тепла, яке надходить від Сонця, і мені це дуже подобається. Таким чином ви концентруєте приблизно в 1000 разів більше сонця в певній точці», — говорить Хав'єр Лара, який називає себе євангелістом геліоконцентратора. Він інженер-механік, який працював над багатьма проектами концентрації сонячної енергетики по всьому світу.

У геліоконцентраторі такою точкою є верхівка вежі. Всередині неї рідина — зазвичай розплавлена сіль, тобто сіль у рідкому вигляді, яка нагрівається під дією сонячної енергії. Гаряча розплавлена сіль потім перекачується до генератора, який кип'ятить воду і виробляє пару, яка своєю чергою може бути використана для обертання турбіни, що виробляє електроенергію — «таку саму електроенергію, яку ви можете отримати на звичайній, скажімо, електростанції, на викопному паливі, але без спалення викопного палива».

Після того, як сіль охолоне, її закачують у вежу — і цикл починається знову. Щоб цей процес працював належним чином, потрібно багато прямого сонячного світла. Саме тому деякі заводи можна знайти в країнах, як Чилі, Марокко, ОАЕ чи Індія. Але найбільше їх у спекотних районах Іспанії та США.

Амбітні плани та чому вони провалилися

Чому, коли ми чуємо «сонячна енергія», більшість з нас одразу думає про фотоелектричні сонячні елементи, а не про дзеркала, які концентрують сонячне світло?

«Я достатньо доросла і пам'ятаю як, приблизно, в 2010 році ми були дуже оптимістично налаштовані щодо сонячної теплової генерації електроенергії», — розповідає Джені Чейз, експертка з питань сонячної енергетики в дослідницькій компанії BloombergNEF. Вона каже, що тоді, приміром, були амбітні плани встановити величезні геліоконцентратори в Сахарі і відправляти електроенергію в Європу через кабель.

«Довгий час сонячна теплова енергія була основною сонячною енергією в комунальному секторі. Однак потім сталося те, що напівпровідникові технології стали дуже дешевими, а фотоелектричні — супердешевими», — говорить Джені Чейз.

Трохи більше ніж за 10 років ціна на електроенергію від сонячних фотоелектричних елементів впала майже на 90 %. На це було багато причин, головним чином — підтримка в Німеччині, яка дала поштовх зростаючій сонячній енергетиці в Китаї.

Концентрована сонячна енергія також подешевшала, але в 2011 році вона почала коштувати дорожче, ніж фотоелектрична. Сьогодні вона дорожча більш ніж удвічі. Це означало, що люди почали відмовлятися від неї, а сонячні панелі все дешевшали.

«Сонячна теплова енергетика не стільки програла, скільки фотоелектрична виграла», — говорить Джені Чейз.

Це ще й тому, що в геліотермальних, або концентрованих сонячних системах кожне окреме дзеркало повинне індивідуально відстежувати рух Сонця, щоб завжди спрямовувати промені прямісінько в конкретну точку. Залежно від типу станції, це можуть бути тисячі дзеркал. А ще потрібно враховувати хмари, які можуть перекривати частину дзеркального поля — це ускладнює контроль на вершині вежі, яка повинна залишатися в певному діапазоні. Порівняно з усім цим сонячні панелі дуже прості у використанні.

«Коли ви встановлюєте їх на даху, на полі, на озері, або де завгодно — це дуже просто. Вона просто стоїть там, і вам доведеться її чистити,  можливо, час від часу, але це не так складно в експлуатації, як геліоконцентратор. У вас є дзеркала, які потрібно регулювати відповідно до реальних умов довкілля», — говорить Річард Тоніг, який протягом останнього  десятиліття досліджує екологію та політику щодо концентрованої сонячної енергетики.

Установки геліоконцентраторів робляться також на замовлення, що робить їх дорогими. Тому, щоб не витрачати кошти даремно, вони повинні бути великими. А це означає, що їх складніше проектувати й обслуговувати. Ось, приміром, мегапроект «Крезентюнс» у штаті Невада мала зробити революцію в галузі екологічно чистої електроенергії, її будівництво коштувало один мільярд доларів. І, коли вона почала працювати у 2015 році, очікування були високими. Утім, потім, почалися проблеми — вона так і не досягла очікуваної середньої потужності, яка мала б забезпечити 75 тисяч будинків. Також було багато відключень через технічні проблеми, часто через розплавлену сіль.

«З розплавленою сіллю дуже важко працювати, бо якщо щось піде не так, і температура опуститься нижче точки плавлення, у вас уже не буде розплавленої солі, а буде тверда сіль. І тоді ваші труби заповнюються твердою сіллю — це велика проблема, з якою доведеться розбиратися», — пояснює Джені Чейз.

Одного разу станцію довелося зупинити на 8 місяців, бо інший резервуар із розплавленою сіллю протікав, і земля була забруднена настільки, що всю вежу знесли. Зрештою, станція зупинилася, а компанія  «SolarReserve», якій вона належала, припинила свою діяльність.

«Вони були справжніми рок-н-рольниками та хлопцями з Кремнієвої долини, які казали, що вони збираються революціонувати світ, і їм потрібно побудувати багато цих веж. І вони, знаєте, рухалися швидко і, як виявилося, для геліоконцентратора це був неправильний підхід, тому що потрібно розібратися з усім, виконати операції та технічне обслуговування, а вже потім будувати наступу станцію. Це займає певний час», — говорить Річард Тоніг.

Нині «Крезентюнс» знову виробляє невеликі обсяги електроенергії, але це заплямувало імідж геліоконцентраторів, особливо в США, де відтоді не побудували жодної електростанції такого типу. Інші мегапроекти — приміром, побудувати великі станції в Сахарі, щоб забезпечити Європу електроенергією — також провалилися. На сьогодні всі взяті геліоконцентратори світу мають генеруючу потужність 7 гігаватів. Для порівняння: фотоелектричні сонячні панелі мають потужність 1700 гігаватів.

Отже, ідея геліоконцентраторів так і не стала успішною, і зазнала великої кількості невдач, але є одна причина, чому ми ще не повинні відмовлятися від неї, і це та сама причина, чому Китай за останні роки побудував багато станцій такого типу.

Переосмислення ідеї геліоконцентраторів

«Річ у тім, що сонячні елементи дійсно не генерують уночі», — говорить Джені Чейз.

Але геліоконцентратор може. Новіші установки не просто нагрівають розплавлену сіль для негайного використання, а також мають великий резервуар для її зберігання, коли вона стає гарячою. Там вона охолоджується лише на 1 °С на день і може бути використана для запуску турбіни пізніше — наприклад, після заходу Сонця.

Важливо мати ті чисті джерела енергії, які можна використовувати цілодобово, оскільки ми підключаємо більше відновлюваних джерел до наших мереж, а вони працюють лише тоді, коли сяє сонце або дме вітер. Наявність такого гнучкого постачання може також виправдати платити трохи більше.

«Майбутні геліоконцентратори перемістилися в іншу нішу. Раніше це була енергетична технологія, така, як вітрова енергетика та сонячні елементи. А зараз це значною мірою технологія зберігання», — зазначає Річард Тоніг.

Звичайно, є й інші способи зберігання електроенергії — наприклад, літіє-іонні акумулятори, які часто будують поруч із сонячними електростанціями, але вони зазвичай зберігають електроенергію до 4 годин. Можна побудувати більші батареї — наприклад, для використання й уночі, але це буде занадто дорого. Натомість розплавлена сіль дуже дешева, тому її використання протягом тривалого часу економічно вигідніше. Можна також використовувати електроенергію від сонячних панелей для нагрівання розплавленої солі. Але це менш ефективно.

«Теорія геліоконцентратора перебувала в стані занепаду 15 років, оскільки ми програли битву за денну енергію. Але реальність така, що за забезпечення нічної диспетчеризації енергії в пустелях немає нічого дешевшого. Без нашої системи, ви знаєте, без сонячної теплової енергії в цих спекотних сонячних місцях, вам доведеться спалювати викопне паливо для сонячної енергії», — говорить Крейг Вуд, генеральний директор компанії VAST, котрий займається питаннями сонячної енергії, з якими його компанія стикалася в минулому.

Компанія вже побудувала цю невелику демонстраційну установку на сході Австралії. Наступним кроком буде будівництво з більшої станції з восьмигодинним запасом енергії.

Посібником для них став звіт компанії лабораторної енергетики в США. Він був складений після невдач «Крезен дюнс» і аналізує всі проблеми, з якими стикаються геліоконцентратори.

«Це дуже важливо, тому що, знаєте, якщо ви не можете вчитися на помилках минулого, то у цієї технології немає майбутнього», — зазначає Крейг Вуд.

Таким чином замість однієї великої вежі побудували кілька маленьких. У VAST кажуть, що це спрощує будівництво та дозволяє змінювати розмір без потреби щоразу придумувати нестандартний дизайн, що економить гроші. Крім того, в їхній системі циркулює рідкий натрій, тобто метал, а не розплавлена сіль. Якщо він стане твердим у разі відключення, його легше розплавити, ніж сіль.

Але VAST — не єдині, хто зацікавився звітом по геліоконцентраторах. Китай заново відкриває для себе концентровану сонячну енергію — у стадії розробки перебуває близько 30 станцій — набагато більше, ніж будь-де у світі. Це тому, що кожен парк відновлюваних джерел енергії потужністю в 1 гігават тепер повинен включати 10 % накопичувачів, і уряд опублікував це повідомлення, заявивши, що буде підтримувати розвиток сонячної теплової енергетики. Ідея проста: вдень ви використовуєте сонячні панелі для виробництва дешевої електроенергії, а геліоконцентратори для нагрівання резервуарів, а вночі, коли сонячні панелі простоюють, використовуєте накопичене тепло для запуску турбіни.

Що це означає для концентрованої сонячної енергії? Чи може ця технології знову повернутися? Багато що залежить від того, чи стануть китайські сонячні вежі успішними.

«Тоді ці сонячні вежі мають велику здатність масштабуватися, і тоді, сподіваюся, ми побачимо те ж, що ми бачили з сонячними панелями та вітряками — що ці прибутки в ланцюжку постачання з Китаю справді створюють дуже дешеві або кращі продукти, які будуть також доступними в Африці, потенційно в Європі та США», — говорить Річард Тоніг.

Але це також означатиме, що інші країни повинні побачити потенціал і запровадити політику підтримки цієї технології. Без підтримки геліоконцентраторам важко буде знову розкрутитися. В будь-якому випадку, геліоконцентратори, швидше за все, ніколи не стануть такими масштабними, як люди колись думали. Сонячні батареї виграли технологічні перегони і захопили масовий ринок. Але геліоконцентратори, можливо, знайшли нову нішу. І цікаво подивитися, чи вдасться цій технології досягти успіху.

Більше новин читайте на GreenPost.