Економія енергії сонця та її зберігання — за допомогою дзеркал

 Сонячні батареї на даху – звичне видовище, але не єдиний спосіб, за допомогою якого сонце використовується для виробництва енергії. У міру того, як Китай збільшує свої інвестиції в концентровану сонячну енергію, чи налаштовані технології на відродження?

Концентрована сонячна електростанція з вежею посередині та кільцями дзеркал навколо неї © Террі Шмітт/Фото UPI/IMAGO

Тисячі дзеркал, акуратно розташованих концентричними колами, дивляться вгору на величезний бетонний стовп, що підноситься на 195 метрів (640 футів) над піском пустелі, пише msn.com.

Неподалік від поглядів Лас-Вегаса сонячна електростанція Crescent Dunes виглядає як щось із науково-фантастичного фільму. Але насправді це реальний мегапроект вартістю в мільярд доларів, завершений в 2015 році з метою виробництва електроенергії для 75 000 будинків.

Більш того, це повинно було ознаменувати прорив для особливого типу сонячної технології, відомої як концентрована сонячна енергія, або скорочено CSP.

Проект пішов по стопах першого великомасштабного заводу CSP, побудованого в Каліфорнії в 1981 році — ще тоді, коли технологія була більш перспективною, ніж фотовольтаїка (PV), яка була дорогою і дійсно використовувалася тільки в космічних подорожах.

Але це не виправдало очікувань. Crescent Dunes не змогла виробити стільки електроенергії, скільки обіцяла, і після неодноразових технічних збоїв і тривалих відключень станція була закрита в 2019 році. І це далеко не проклало шлях для хвилі інших проектів CSP, а завдало шкоди іміджу технології.

У наші дні в усьому світі налічується лише близько 7 гігават заводів CSP, в основному в Іспанії або старих місцях США, а також кілька в інших місцях з великою кількістю прямого сонячного світла, таких як Чилі, Марокко та Об'єднані Арабські Емірати. Тим часом, встановлена глобальна потужність фотоелектричних установок зараз перевищує 2 000 гігават.

Як працює CSP і чи існує він досі?

Через п’ять років початкова станція Crescent Dunes знову виробляє невелику кількість електроенергії. І хоча США не побудували жодного великого заводу після підприємства в Неваді, Китай це зробив. Насправді не один, а 30.

Деякі кажуть, що це означає, що CSP має намір повернутися, і що все зводиться до однієї особливої ​​функції, яка відрізняє його від звичайних сонячних панелей.

Звичайні сонячні батареї, встановлені на дахах по всьому світу, використовують фотоелектричний ефект для виробництва електроенергії, тобто коли сонячні промені потрапляють на їх поверхню, фотони, що містяться всередині, вибивають електрони, які починають рухатися, створюючи струм.

Рослини CSP, з іншого боку, використовують сонячне тепло. Так звані геліостати, які, по суті, є дзеркалами, відбивають і фокусують сонячні промені в одній точці. Зібране тепло потім використовується для створення пари, яка обертає турбіну, яка виробляє електрику.

«Це той самий тип [турбіни], який ви мали б на звичайній електростанції з викопним паливом, але без спалювання викопного палива», — сказав DW Ксав’єр Лара, інженер-механік, який працював над багатьма проектами CSP по всьому світу.

Існують різні конструкції для цього, найбільш знаковими з яких є, мабуть, сонячні електровежі, як-от у Crescent Dunes.

Дзеркала відбивають сонячне світло на приймач у верхній частині вежі. Усередині цього приймача нагрівається рідина — зазвичай розплавлена ​​сіль, оскільки вона особливо добре утримує тепло. Потім гаряча сіль закачується до турбіни, і коли вона виконає свою роботу та охолоне, її закачують назад у вежу, і цикл починається спочатку.

Чому компанія CSP програла технологічну гонку?

«Напівпровідникова технологія стала дуже дешевою, а фотоелектрична — надзвичайно дешевою», — розповіла DW Дженні Чейз, сонячний аналітик дослідницької компанії BloombergNEF.

2011 рік став першим роком, коли фотоелектричні пристрої були дешевшими за CSP, і ця тенденція збереглася. З 2010 року ціна на фотоелектричну сонячну енергію впала приблизно на 90% і тепер коштує менше ніж вдвічі дешевше, ніж конкурентна технологія.

Однією з причин цього є те, що сонячні панелі є гнучкими та простими в установці, тоді як електростанції CSP зазвичай створюються на замовлення.

Крім того, фотоелектричні сонячні панелі набагато легше обслуговувати.

«Він просто стоїть там, і вам, можливо, час від часу доводиться чистити його. Але це не так складно з операційної точки зору, як CSP, де у вас є дзеркала, які потрібно налаштувати відповідно до реальних умов навколишнього середовища», — Річард Тоніг, дослідник CSP з Про це DW повідомили в Німецькому дослідницькому центрі геонаук.

Усе дзеркальне поле має бути ретельно налаштовано для відстеження руху сонця, щоб світло відбивалося точно. Це дає можливість контролювати температуру рідини, що циркулює по системі.

Хмари, які закривають сонце, можуть ускладнити процес, але важливо все зробити правильно.

«З розплавленою сіллю важко працювати, тому що якщо щось піде не так, і температура опуститься нижче своєї точки плавлення, то у вас більше не розплавлена ​​сіль, а тверда сіль. І тоді ваші труби заповнені твердою сіллю, а це дуже важко розбиратися", - сказав Чейз.

Нова ніша для CSP

Але незважаючи на все це, CSP має одну велику перевагу перед фотоелектричними: він може генерувати електроенергію вночі.

Нові заводи зазвичай мають великі ізольовані резервуари, де можна зберігати розплавлену сіль. Всередині він охолоджується лише приблизно на 1 градус за Цельсієм (1,8 градуса за Фаренгейтом) на день, тому його можна використовувати для приготування пари пізніше.

Наприклад, коли сонце зайшло або коли виникає сплеск потреби в електроенергії через те, що багато людей використовують електрику одночасно.

Ця здатність зберігати енергію та перетворювати її в електрику цілодобово може надати CSP нову перевагу.

«Майбутнє CSP перемістилося в іншу нішу, чи не так? Тож раніше це була технологія електроенергії, як-от вітрова та фотоелектрична, а тепер це дійсно технологія накопичення», — сказав Тоніг.

Це також є причиною його раптової популярності в Китаї. У багатьох провінціях зараз діють правила, згідно з якими кожен новий парк відновлюваної енергії потужністю понад 1 гігават повинен включати принаймні 10% сховищ.

Уряд Китаю також оприлюднив повідомлення, в якому говориться, що він підтримуватиме «широкомасштабний і промисловий розвиток сонячної теплової енергії».

Ідея проста: отримати найкраще з обох світів. Протягом дня фотоелектричні сонячні батареї постачають дешеву електроенергію, а установка CSP нагріває розплавлену сіль. Вночі, коли сонячні батареї не можуть виробляти електроенергію, тепло, що зберігається на заводах CSP, можна використовувати для доставки енергії.

Подолання цього нічного розриву було великою проблемою для відновлюваної енергетики, і CSP разом з іншими технологіями, такими як батареї, можуть стати частиною рішення.

Поштовх Китаю може певною мірою повернути CSP, оскільки країна будує спеціальні ланцюжки поставок, які можуть знизити ціну для будівництва нових заводів.

Але щоб ця технологія справді почала розвиватися, іншим країнам довелося б підключитися й запровадити політику для її підтримки.

«Я б не сказав, що у нас дійсно велике відродження CSP», — сказав Тоніг. «Але я б сказав, що ця технологія все ще існує і все ще багатообіцяюча. Є аргументи для CSP у багатьох місцях, і — за правильних рамкових умов — вона може бути дуже привабливою та дуже дешевою».