Tag: слънчева енергия

Идеята отдавна озарява авторите на научна фантастика, се може да се превърне в реалност

Вездесъщата слънчева енергия да се превръща още в космоса в зелена енергия, която да се използва на Земята. Междувременно все повече учени и инженери се заели да превърнат визията в реалност. Не на последно място слънчевите колектори,  поставяне по покривите на все повече къщи, биха били далеч по-ефективни, ако бяха разположение в околоземна орбита. Чрез организирани в сноп микровълни енергията би могла да се изпраща от космоса на Земята, където да се трансформира в електричество.

Тази чиста енергия от космоса би била както сериозна крачка напред към наложителната редукция на въглеродния двуокис, така и възможност за енергийна независимост. Според учените тома може да се осъществи още следващите десетилетия. До тогава обаче, трябва да се намерят решения на сериозни предизвикателства, свързани с използването на възобновяеми енергийни източници от вселената.

При добиването на електрическа енергия от слънцето на Земята, се губят около 60 процента от възможния капацитет, поради минаването на слънчевите лъчи през атмосферата. Бъдещи сателити, произведени специално за производство на енергия от слънцето, биха могли да бъдат разположени на височина от 36 хиляди километра в геостационарна орбита. Програмирани, да избягват естественото редуване на ден и нощ на земята, едно непрекъснато захранване изглежда напълно реалистично. Според проучванията, добиваната зелена енергия в космоса може да доставя денонощно енергия, значително по-надеждно от други възобновяеми източници на енергия, като капацитетът й би бил сравним с този на ядрените електроцентрали.

Един такъв соларен сателит би генерирал два гигавата енергия при предаването й на една единствена наземна станция или по-малко от 5 хиляди мегавата, при повече на брой наземни станции. Докато общата площ на Международната космическа станция е около 8 хиляди квадратни метра, бъдещите спътници за добиване на енергия биха могли да разполагат с повече от 15 квадратни километра повърхност за слънчеви панели. За целта около два милиона елементи от орбиталната станция, основно соларни клетки, ще трябва да се наблюдават и управляват безжично. Една до момента нереализирана технология, за изграждането на която биха били нужни няколко работещи в открития космос роботи.

На земята в действие ще влязат високочестотни системи от антени, които ще улавят излъчваната от околоземна орбита енергия. За целта ще бъдат изградени наземни станции с площ до 70 квадратни километра, като приемниците ще бъдат разположени в кръг с радиус от три километра. За да се покрие нуждата от електрическа енергия в Европейския съюз през 2050 година в размер на десет процента, ще трябва да се разположат до 25 соларни сателита в космоса.

Слънцето и вятърът са спасението от изкопаемите горива, но съхраняването на зелената енергия не е лесно

Понякога е прекалено много, друг път просто не достига. Възобновяеми енергийни източници като вятър и слънце са сериозно предизвикателство най-вече по отношение на съхранение на енергия. До сега при недостатъчно напрежение от алтернативни източници на енергия се пускаха в действие компенсаторни генератори, задвижвани основно от природен газ и въглища. Но този тип централи в следващите години трябва да бъдат изключени от енергийната система. Натискът се увеличава, след като военният конфликт в Украйна постави под въпрос сигурните доставки на газ на Стария континент.

За да се реши уравнението са ни нужни нови методи за складиране на енергия, които да допълнят наличните батерии за съхранение на слънчева енергия. Принципно възможности са три: електрохимическа (батерии), химическа (превръщане на електричество в молекула, например водород) и механична (трансформация на електричество в двигателна енергия). Последната се прилага например с помпи. При свръхпредлагане на слънчева енергия, електрически помпи отвеждат вода в резервоар на по-висока кота. При недостиг, водата се изпуска надолу и турбините генерират обратно електричество.

В Европа обаче подобни естествени възможности са до голяма степен вече изчерпани, а изграждането на нови не е лесно заради ограниченото наличие на воден ресурс и строги екологични изисквания. Поради това все повече се залага на алтернативни кинетични енергийни хранилища. Така например, по подобие на помпите, са огромни електрически кранове, които повдигат огромни и тежки бетонни блокове. Спускат ги обратно към земята при нужда от генериране на електричество.

Системата е едновременно евтина и ефикасна, защото няма загуби на енергия при съхранението и освобождаването на енергията. В същото време тези кинетични решения вероятно ще могат да покрият само малко част от реалните нужди. В момента те се използват основно при нужда от компенсиране на евентуални спадове при напрежението и честота на тока, но действието им е силно ограничено във времето.

Литиево-йонните акумулатори могат да съхраняват и отдават бързо и в големи количества електроенергия, но са все още твърди скъпи. Цената им за киловатчас е все още над 200 лева. Независимо от това, индустрията залага на тях. Като по-евтина алтернатива без участие на редки и ограничени като наличност суровини се очертават натриевите батерии. Те не се нуждаят от никел, литий или кобалт. Масовото им производство се очаква да стартира през 2023 година, като прогнозната цена ще се движи около 60 лева за киловатчас – значително по-изгодно от използваните днес литиево-йонни батерии.

Още по-голям потенциал за съхранение обещават железните батерии тип Iron Flow. Те не се нуждаят от никакви критични суровини, защото се изработват основно от желязо, сол и вода. До сега тази техника трудно си пробива път, защото акумулаторите като размер са прекалено големи за автомобили, преносими компютри или телефони. Но за стационарни хранилища на електроенергия това съвсем не е недостатък. Освен това тя гарантира над 20.000 цикъла на зареждане и разреждане, докато при литиево-йонната са едва 2.000 цикъла.

Сериозно предизвикателство остава съхранението на енергии за дълги периоди от време, например няколко месеца. Това е от съществено значение най-вече в Северна Европа, където слънчева енергия от лятото трябва да се съхрани за зимата. Но за такъв дълъг период самата батерия започва да се саморазрежда електрохимически. Помпени станции или кранове с бетонни блокове би трябвало да са прекалено гигантски за да ги компенсират. Към днешна дата човешкото познание разполага само с едно решение и то се нарича водород.

В момента обаче водородът е все още доста скъп: заради старата технология на добиването му, все още ограничения брой слънчеви колектори за ток и вятърни паркове за добив на алтернативни източници на енергия. Наречените електролизатори инсталации за добив на водород се изработват все още само в ограничени бройки и по индивидуални заявки, въпреки че технологията е позната от вече повече от сто години. С преминаването към масово производство на електролизатори, което видимо ще бъде насърчавано от държавни политики, разходите за складиране на електроенергия с помощта на водород ще паднат значително през следващите години.

Надеждата е водородът да замени горивото за автомобили, кораби, влакове и самолети, но ще може ли да пребори батериите?

Кой ще бъде генераторът на бъдещата мобилност – акумулаторът или водородът? Спорът се води на много плоскости, в науката, в политиката, в бизнеса. И се изостря все повече. Ако искаме поне малко да ограничим затоплянето на планетата, глобалният транспорт трябва драстично да намали отделяните в момента годишно 8,9 милиарда тона CO₂ емисии. Екологичните програми на Европейския съюз предвиждат редуциране на въглеродния диоксид в размер на 55 процента до 2030 година и съответно достигане 95 процента намаление до 2050 г. Докато по-голямата част от превозните средства се движат с изкопаеми горива, това обаче остава физически невъзможно.

От техническа гледна точка, както батериите, така и водородът, са в състояние да заместят нефта. Когато се прилагат адекватно те не отделят почти никакъв въглероден двуокис. За съжаление обаче и в двата случая се сблъскваме със сериозни допълнителни проблеми.

Електрическото задвижване е немислимо без батерии, а продължава да остава неясно, дали до заветната 2050 година ще разполагаме с достатъчно количества литий, графит и никел, за да може по-голямата част от транспортния сектор да премине на ток. Геолозите са оптимисти, но минните компании предупреждават, че за тази цел ще бъдат нужни сериозни допълнителни инвестиции за проучвания и добив.

Водородните превозни средства се нуждаят само от малка батерия, но самият водород не би натоварвал климата единствено и само, когато е произведен чрез електролиза за вода, а енергията за нея идва от вятър или слънце. Това все още ще се случва твърде рядко. Основното количество водород днес се генерира все още с помощта на въглища и природен газ, при което се отделят огромни количества въглероден двуокис в атмосферата. И тук също все още не знаем, дали някога ще разполагаме с достатъчно зелен водород, добит от слънчева енергия.

За сега обаче много експерти са на мнение, че произведената електрическа енергия от слънцето и вятъра е по-добре да се използва директно, вместо за производство на водород, защото то излишно усложнява и оскъпява процесите. С други думи, предимството според тях е при батериите. А дълго време преобладаващото тъкмо обратното становище, а именно за предимството на технологиите с горивна клетка. Тя произвежда ток от водород, електроенергията се складира в буферна батерия, от където пък вече се задвижва електромотор. За разлика от електромобилите, системите с горивна клетка генерират пробег, съпоставим с дизела. Едновременно с това, времето за зареждане е почти същото. На пазара обаче днес преобладават електромобилите. Според статистически данни през 2019 година в цял свят са били продадени осем милиона електрически коли и само седем хиляди с горивна клетка.

Защо? Недостатъците на горивната клетка не могат бързо да бъдат отстранени, защото са системни. Степента на ефективност при водородния автомобил е значително по-ниска, отколкото при конкуренцията на батерии. Ще рече, че при горивната клетка първоначалната енергия много по-ограничено се превръща в двигателна. Електромобилът директно използва наличния електрическия ток. При водородния от електроенергията първо трябва да се произведе водород, да бъде охладен до минус 250 С° или да се сгъсти до 600 атмосфери, за да може да се побере в резервоара, и от там през горивна клетка да зареди буферната батерия. Колкото и да бъдат оптимизирани тези процеси, при леките автомобили технологията едва ли ще успее да достигне ефикасността на електромобилите. В същото време при последните пробегът от 500 км днес вече е напълно реален, а животът на акумулаторите през последните няколко години се е удвоил.

На този фон усилията, свързани с горивната клетка са насочени основно към железниците. Те изначално се считат за екологично превозно средство, но все още съществуват много ж.п. линии, които не са електрифицирани и се обслужват от дизелови локомотиви и мотриси. Влаковете пътуват между постоянни крайни дестинации, така че логистиката по зареждането с водород е значително по-лесна и евтина, отколкото изграждането на цялостно инфраструктура за зареждане на леки автомобили със зеления газ.

Любопитно е, че на кратки разстояния локомотивите на батерии могат да се окажат също по-ефективни, отколкото тези с горивна клетка. При дългите трасета, и най-вече с тежки товарни композиции, характерни за САЩ, Канада или Австралия, водородът определено е с предимство и може пътува заедно с тях, натоварен в отделен вагон-цистерна, от която зареждането е възможно по всяко време.

Дълго време преобладаваше също мнението, че едва ли някога ще бъде възможно да летим без да отделяме въглероден двуокис: заради ограниченото пространство и допустимо тегло, добавянето на батерии или горивни клетки в летателните машини изглеждаше безсмислено, особено за по-продължителни полети. Днес обаче, съществуват нови планове и разработки. Водородът може да се гори директно чрез газовите турбини на самолета, да превозва по двеста пътника на повече от три хиляди километра, което макар и недостатъчно за прекосяване на океана, е напълно достатъчно, за да летите без да отделяте СО₂ из Европа или Щатите, което всъщност е по-голямата част от въздушния трафик. Друго решение е използването на водород за горивни клетки. Произведеният от тях ток върти витлата, което е решение при по-къси дистанции и за малки аероплани. 

Главоболия продължават да причиняват тежките камиони. Те се движат почти винаги на дълги разстояния и почти без прекъсване. За това тук натежават аргументите за горивната клетка. При обичайно изминавани осемстотин километра, почти без прекъсване, само акумулаторната батерия би трябвало да тежи шест тона. Това обаче би било за сметка на превозваните товари и със сигурност нерентабилно. Да не говорим за необходимото време за зареждане.

Въпреки добрите шансове за горивната клетка, тя е все още твърде скъпа за производство. А и нужната инфраструктура за захранване на машините с водород трябва тепърва да бъде изградена. На този фон технологиите за батерии продължават да се усъвършенстват, а благодарение на масовото им производство цените продължават относително да падат. Времето за зареждането им също става все по-кратко. Резултатът от оспорваната надпревара за транспорта на бъдещето все пак остава отворен.