Суть проблемы.
Сейчас в нашей стране много говорится о том, что нужно развивать экономику, переводить её из сырьевой в перерабатывающую/производящую, и тому подобное. Однако, реальных предложений, как этого добиться, не поступает. При самом поверхностном анализе всплывает проблема, которая, по сути, сразу же останавливает все эти благие идеи и затеи на уровне разговоров.
Эта проблема – энергетика.
Любая переработка сырья требует энергозатрат. Чем сложней процесс, и чем больше в нём стадий, тем больше расход энергии на единицу продукции. Любой значительный рост производства и уровня жизни автоматически означает резкий рост энергопотребления.
Кроме того, в нашей стране крайне актуальна проблема холодного климата. Суть проблемы очень хорошо описана в книге А.П.Паршева "Почему Россия не Америка".
Холодно у нас. Очень холодно. Поэтому и несколько урожаев в год мы не можем собирать, как жители тропических и субтропических стран, и один собираемый урожай значительно меньше, чем в странах с тёплым климатом. С промышленностью тоже беда. В тропиках достаточно врыть несколько столбов в землю, да обить их гофрированной жестью, и производственное помещение уже готово. И никакое отопление не требуется. А в России и фундамент надо делать на глубину промерзания, и стены хорошие, чтобы тепло держали, да ещё и отапливать в холодное время всё равно приходится. А ведь все эти затраты входят в итоговую себестоимость продукции. И в результате она у нас в стране получается намного более высокой (в несколько раз), чем себестоимость точно такой же продукции, произведённой в тёплых странах.
Вот и получается, что мы не то что перегнать, но даже догнать другие страны в производстве и переработке толком не можем. Только сырьём торгуем.
Не в "плохих законах" дело, и не в "продажных чиновниках, коррупции", и тому подобном. Да, все эти явления в нашей стране есть, но торговля иностранными товарами от этого особо не страдает. И мелкая, и средняя, и крупная торговля вполне неплохо существуют и процветают, не взирая на законы, чиновников и коррупцию. А производство, как и сельское хозяйство, если и развивается, то "со страшным скрипом", и ни в какое сравнение с тем же Китаем не идёт.
Причина – в холодном климате, природном факторе, который очень сильно влияет на нашу экономику, и справиться с которым можно будет только в том случае, если у нас будет очень много по-настоящему дешёвой энергии.
Если мы будем опираться на традиционные источники энергии (нефть, газ), то интенсивный рост производящих и перерабатывающих отраслей приведёт к очень быстрому истощению запасов энергоносителей, после которого всё вернётся на круги своя. Да и не решить проблему холода с их помощью, поскольку углеводороды очень дорогие.
Это значит, что для устойчивого роста экономики категорически необходимо решать энергетическую проблему.
Если решим, будет возможен и рост производства.
Если не решим, никакого роста не будет. И никакие "программы стимулирования развития" не помогут.
Анализ вариантов.
Атомная энергетика не подходит, поскольку энергия АЭС достаточно дорогая. Причём по вполне объективным причинам. Сама АЭС – сложное, капитальное, а потому дорогое сооружение, с не менее дорогим оборудованием. Эксплуатация и обслуживание тоже весьма затратны. Обслуживающий персонал должен быть очень высококвалифицированным. То есть, сначала его надо долго обучать (а это стоит немалых денег), а после платить хорошую зарплату. Создание топливных элементов для АЭС - тоже дело не из дешёвых. Отходы требуется перерабатывать/утилизировать. Да ещё и инфраструктуру вокруг АЭС надо создать, чтобы люди нормально работать могли. Из этой суммы затрат и вытекает весьма ощутимая себестоимость атомного киловатт-часа. Даже оптимистичные оценки сторонников атомной энергетики дают себестоимость АЭС-энергии на уровне 2,1-3,1 цента за кВт·час (0,78-1,15 руб. по курсу 37 руб./$):
https://www.ase.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/
Это – дорого.
И надо понимать, что это только себестоимость. А конечному потребителю энергия обходится ещё в два, три, и более раз дороже.
Привычность этих цен не должна быть поводом для самоуспокоения. Они безобразно высоки. И должны быть намного ниже для устойчивого развития как промышленного, так и сельскохозяйственного производства в нашей стране.
Пропагандируемая разными людьми "перспективная", "почти бесплатная" термоядерная энергетика, даже будучи реализованной, окажется не менее дорогой, чем атомная. По тем же самым причинам. Да и когда её, наконец, "доведут до ума" – неизвестно. Учёные уже больше полвека над термоядом бьются, а воз и ныне там.
Главной проблемой альтернативной энергетики является, опять-таки, её дороговизна. Очевидно, что надо искать способы её удешевления.
Если мы говорим об энергетике в государственных масштабах, то очевидно, что приемлемыми будут только такие варианты, которые можно использовать буквально везде. По этой причине автоматически отпадает всякая экзотика типа приливных или геотермальных станций.
Всевозможные ветряки также отпадают, поскольку стабильно сильные ветра встречаются редко, и любой ветряк – достаточно дорогая штука, потенциал снижения стоимости которой хоть и не исчерпан полностью, но, как ни старайся, радикально удешевить его конструкцию не получится.
Остаётся солнечная энергетика.
Чисто теоретически её потенциал огромен. В ясный солнечный день поток солнечного излучения равен 1кВт на 1м2 поверхности, ориентированной перпендикулярно потоку. Вопрос в том, как собрать эту энергию и перевести в удобную для использования форму. Широко известная фотовольтаика (прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на кремниевых, и тому подобных панелях) не подходит. Поскольку в этом случае требуется либо сверхчистый, а потому очень дорогой, солнечный кремний, либо редкие, и тоже дорогие иные материалы.
Кроме фотовольтаики есть вариант солнечных коллекторов.
В них солнечная энергия используется для нагрева теплоносителя, а дальше, при необходимости, собранная тепловая энергия преобразуется в электрическую. Простейший вариант, широко используемый в тропических широтах – чёрные бочки, стоящие на крыше, и используемые для нагрева воды.
Серьёзнейшая проблема, возникающая в случае использования коллекторов – рассеяние энергии. Нагретое тело само становится излучателем, и интенсивно отдаёт накопленную энергию. Яркий тому пример – остывание спирали лампы накаливания, после её выключения. По этой причине обычные чёрные предметы не могут нагреться на солнце до температур выше 90°C. Очевидно, что для эффективной электрогенерации этого совершенно недостаточно.
Применение так называемых селективных покрытий позволяет ощутимо улучшить КПД бытовых коллекторов, и повысить достижимую температуру нагрева, но для промышленной генерации электричества этого всё равно не хватает.
Чтобы повысить эффективность, используют всевозможные зеркала/отражатели. Так устроены, например:
Параболоцилиндрические концентраторы
Параболические концентраторы
С их помощью энергия солнца, собираемая на большой площади, фокусируется на нагреваемом объекте. Температуру нагрева при этом удаётся резко повысить.
С одной стороны, чисто технически, это безусловный плюс.
С другой, это приводит к усложнению и удорожанию системы в целом.
Причём, для параболических концентраторов (ПК) это удорожание оказывается весьма существенным. Во-первых, параболическое зеркало имеет довольно сложную форму, а значит и производство таких зеркал выходит относительно дорогим. Во-вторых, каждым таким зеркалом необходимо управлять по отдельности, причём их требуется вращать в двух плоскостях, что неизбежно приводит к значительному росту стоимости системы в целом.
Для параболоцилиндрических (ПЦК) ситуация выглядит гораздо лучше. Во-первых, производить сами отражатели намного проще. Достаточно отражающую плёнку или фольгу натянуть в рамку соответствующей формы, по принципу холста для картины. Во-вторых, управлять поворотом намного проще, поскольку вращение происходит только в одной плоскости, и угол поворота всех отражателей одинаков. В-третьих, масштабировать подобную систему намного проще, банальным увеличением количества концентраторов.
Сложность.
Главная проблема концентрирующих солнечных коллекторов – фокусировка. Поскольку солнце – не точечный источник света, а круг с угловым диаметром 0,53°, то даже при идеальной фокусировке параболическим зеркалом, в фокусе будет получаться круг ощутимого размера (или широкая полоса у параболоцилиндрического зеркала). По этой причине коэффициент концентрирования у существующих ПЦК не превышает сотни, а поскольку, как уже говорилось, поглощающая поверхность одновременно является и излучающей, то даже в идеальном случае максимальная теоретически достижимая температура нагрева теплоносителя будет не выше 800°C. А в реальности, с учётом всевозможных потерь, и невозможности бесконечно долго ждать максимального нагрева, рабочая температура нагрева теплоносителя, как правило, не превышает 400-450°C. При этом зеркала приходится использовать высококачественные, а значит дорогие, иначе потери будут ещё выше, и вся система в итоге тоже получается весьма дорогостоящей.
Как можно решить эту проблему? Очевидно, что нужна какая-то дополнительная фокусировка.
Использовать сложную систему линз обойдётся слишком дорого, и даже в этом случае свести все лучи почти в одну точку не получится. Значит, надо использовать какой-то иной вариант. Есть некий, достаточно простой, но совсем не очевидный способ, ноу-хау, как это можно сделать. Небольшая часть энергии, порядка 10-20% от собранной зеркалом, будет потеряна, при этом оставшуюся часть удастся сконцентрировать буквально в точку. То есть, степень концентрирования солнечного света будет определяться исключительно термостойкостью используемых материалов, но чисто теоретически она абсолютно не ограничена. А это значит, что температура нагрева теплоносителя порядка 1300-1400°C становится вполне достижимой.
Подробности этого способа я, здесь, по вполне понятным причинам, раскрывать пока не буду.
Технические тонкости.
И тут уже возникает вопрос, как наиболее эффективно собрать и использовать сконцентрированную энергию.
Применять в качестве нагреваемого теплоносителя масло, как это сейчас делается почти во всех ПЦК, крайне нерационально, поскольку его рабочая температура не превышает 400-450°C. Иногда используют расплавы солей, но у них рабочая температура хоть и выше, но ненамного.
Лучше всего использовать жидкий металл. Эвтектический сплав Na+K (23%+77%) плавится при Т=-12,5°C, а кипит при Т≈800°C. При такой температуре КПД цикла Карно, а значит и генерации электроэнергии, будет очень высоким, что также увеличивает эффективность всей системы.
Помимо этого, при таком подходе появляется простой и очевидный способ аккумулирования энергии на ночное время, и на случай пасмурной погоды. Имя ему – термос.
Создаётся огромный резервуар с хорошей теплоизоляцией, заполненный, например, гравием или песком. Через него проходит труба с теплоносителем, отдающим в резервуаре накопленную солнечную энергию. Через этот же резервуар проходит второй контур, водяной. В нём пар нагревается до рабочей температуры, которая может достигать 700-750°C. Ночью и в пасмурное время запасённая тепловая энергия будет постепенно расходоваться. При этом длительность работы без солнца будет определяться исключительно размерами термоса-аккумулятора, и теплоёмкостью его содержимого.