Российская академия наук совместно с предприятиями ракетно-космической отрасли, электроники и рядом вузов планируют реализовать проект по разработке космической солнечной электростанции. По словам специалистов, мощность КСЭС может достигать 10 гигаватт, что соответствует мощности двух Братских ГЭС.
Если в США к 2016 году сделают эту станцию, как они в свое время объявили, а мы к тому времени только начнем ее делать, будет уже поздно
«Мы хотим организовать своеобразный космический кластер по этому проекту, куда войдут предприятия отрасли, предприятия электроники, вузы. Если в США к 2016 году сделают эту станцию, как они в свое время объявили, а мы к тому времени только начнем ее делать, будет уже поздно», – заявил во вторник главный научный сотрудник российского Центрального научно-исследовательского института машиностроения Виталий Мельников.
Пока в России «проектируется демонстрационный прототип КСЭС мощностью 100 киловатт». В этой работе участвует ряд предприятий ракетно-космической отрасли, в том числе РКК «Энергия» и НПО имени Лавочкина. «В настоящее время мы находимся на этапе становления кластера из заинтересованных предприятий», – сказал Мельников.
Создание КСЭС, по его словам, решит проблему глобального энергетического кризиса и проблему экологических и климатических последствий воздействия сегодняшней энергетики на окружающую среду.
Как отмечает РИА «Новости», в США разработки такой станции ведутся с 1968 года, в Японии – с 90-х годов прошлого века. Последняя планирует создать станцию к 2025 году, что обойдется стране примерно в 21–24 млрд долларов.
«По данным японцев, вырабатываемое на КСЭС электричество будет в шесть раз дешевле, чем электричество, производимое на Земле», – заметил Мельников.
По его мнению, если Россия опоздает с развертыванием КСЭС, а в космосе появятся зарубежные электростанции, то ее «ждет обесценивание ресурсов». «Поэтому надо успеть занять свое место на рынке космического электричества. Россия является единственной страной в мире, имеющей опыт создания бескаркасных центробежных космических крупногабаритных конструкций», – приводит его слова «Интерфакс».
Принцип работы
Основной принцип идеи солнечных космических электростанций заключается в том, что установки, расположенные на геостационарной орбите, концентрируют солнечное излучение.
Солнечная энергия будет преобразовываться в электричество уже в космосе, а на Землю его станут передавать посредством микроволнового передатчика или с помощью лазера. На Земле электричество запустят в сеть. Прототип электростанции будет значительно меньших размеров и должен показать, реально ли воплотить эти замыслы в жизнь.
В целом космическая энергосистема выглядит так: зеркала-концентраторы направляют на солнечную панель излучение, которое преобразуется в мощный микроволновый луч с частотой 2,5–6 Ггц, который и направляют на приемную станцию, расположенную на поверхности Земли. Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35% больше излучения, которое рассеивается при попадании в атмосферу Земли. Микроволновая передача энергии позволяет довести КПД передачи до 80–90%, однако использование микроволнового излучения накладывает ряд ограничений.
Во-первых, это размер передатчика – даже при низшей границе частоты передачи в 2,5 Ггц он составит около километра. Приемник еще больше – около 10 километров. Во-вторых, электронные компоненты, позволяющие преобразовывать свет в микроволновое излучение и работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде малопригодных к промышленному использованию лабораторных прототипов.
В-третьих, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы больше передатчика. Все вместе это километры материалов, которые нужно не только поднять на орбиту, но и собрать и настроить.
В ЦНИИ машиностроения считают наиболее рациональным путем передачи энергии из космоса на Землю использование инфракрасного лазера, который более безопасен, чем СВЧ-система. Такие разработки ведутся в Ракетно-космической корпорации «Энергия» и НПО имени Лавочкина.
По словам экспертов, теоретически эффективность космических солнечных электростанций может быть вдвое выше по сравнению с наземными. На орбите спутник освещён солнцем круглогодично и круглосуточно, тогда как наземная солнечная электростанция может работать только днем в отсутствие сильной облачности.
Американский опыт
Идея получения электроэнергии в космосе с последующей ее доставкой на Землю в США родилась в конце-60-х – начале 70-х годов прошлого века. В условиях тогдашнего энергетического кризиса американское правительство выделило 20 млн долларов агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).
Как показали расчёты, такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на Землю оставалось бы 2000 мегаватт. Для сравнения: мощность одной лишь Красноярской ГЭС составляет 6000 мегаватт. При этом стоимость космического проекта тогда оценили в 1 трлн долларов, что и послужило причиной закрытия программы.
Все это выглядит невероятно. Возможно, просто имеется в виду не станция, а что-то совершенно иное
В 2009 году молодая калифорнийская компания Solaren пообещала запустить в космос коммерческую солнечную электростанцию на 200 мегаватт уже в 2016 году. Космическую электроэнергию у Solaren будет покупать местная энергетическая компания Pacific Gas and Electric по ценам на уровне других возобновляемых источников.
Специалисты Solaren ранее отмечали, что для постройки и запуска солнечных орбитальных электростанций не потребуется создавать какие-то невероятные новые технологии или новые ракеты-носители. Можно обойтись уже имеющимися. В том же 2009 году Solaren обещала привлечь к этой работе таких промышленных гигантов, как Boeing и Lockheed Martin.
В идеале через четыре года 250 тысяч домов в округе Фресно начнут получать электроэнергию из космоса. Если всё пойдёт по плану, этот проект станет первым в мире практически реализованным примером орбитальной солнечной электростанции.
Японский проект
В Японии для создания орбитальной солнечной электростанции объединились шестнадцать компаний, включая Mitsubishi Heavy Industries. Станция призвана поставлять энергию 300 тысячам домов в окрестностях Токио.
Space solar power system (SSPS) предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4–6 квадратных километров. Произведённую ими энергию вниз будет доставлять либо поток микроволнового излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 гигаватт («на грунте», с учётом всех потерь при передаче из космоса), пиковая – 1,6 гигаватта.
Для построения космической солнечной электростанции нужно решить ряд непростых вопросов, главный из которых – сборка основного сооружения на орбите и стоимость системы, в которой львиную долю составит даже не цена солнечных преобразователей, а затраты на запуски ракет. Японцы рассчитывают, что при росте масштаба реализации «космическое электричество» обещает стать недорогой и «зелёной» альтернативой нефти. К тому же они подсчитали: проект может стоить «всего» 22 млрд долларов (против одного «американского» триллиона), если расценки на подъём сравнительно тяжёлых аппаратов на орбиту снизятся до 110 млн за пуск.
Потребуется доставлять не тонны и даже не десятки тонн оборудования. Капитальные затраты будут в десятки раз выше, чем у традиционных электростанций
Примерно в 2015 году японцы намерены запустить на низкую орбиту демонстрационный спутник, который будет не только вырабатывать электричество своими солнечными панелями, но и сбрасывать его на Землю по «силовому лучу». Мощность такого прототипа летающей солнечной станции составит 100 киловатт. А полноразмерную промышленную установку на геостационаре Япония намерена развернуть в 2025 году.
«Не более чем спекуляции»
Эксперт отраслевого журнала «Новости космонавтики» Игорь Лисов считает, что все планы по запуску космических солнечных электростанций в ближайшие годы сомнительны.
«Все это выглядит невероятно. Возможно, просто имеется в виду не станция, а что-то совершенно иное. Скажем, все тот же пресловутый буксир с ядерным двигателем, который мы сейчас делаем. Его тоже иногда называют энергетической установкой, и радостно говорят, что мегаватт – это здорово. Между тем энергоблок электростанции – это тысяча таких мегаватт», – говорит он.
Проблема, по словам эксперта, заключается в колоссальных затратах, которые обязательно потребуются для запуска оборудования в космос. Плюс к этому не решён вопрос передачи энергии на Землю, существуют риски нанесения экологического ущерба, указывает Лисов. «В итоге стоимость электроэнергии на Земле, если проект будет реализован, будет запредельно высокой», – резюмирует он.
Аналогичного мнения придерживается старший эксперт Фонда «Институт энергетики и финансов» Сергей Кондратьев. Вряд ли «космическая» электроэнергия будет стоить в разы дешевле электроэнергии земной, уверен он.
«Во-первых, доставка самих модулей на орбиту и их сборка влетит в копеечку. Потребуется доставлять не тонны и даже не десятки тонн оборудования. Капитальные затраты будут в десятки раз выше, чем у традиционных электростанций, – говорит Кондратьев. – Потребуются особые материалы. Условно говоря, при строительстве традиционных электростанций, даже возобновляемых источников, мы сегодня используем сталь, бетон, то есть достаточно недорогие материалы. В космосе придется использовать материалы иного рода, стоимость которых будет уже гораздо выше».
Даже в том случае, если эксплуатационные затраты будут нулевыми, срок окупаемости электростанции будет не 30 и не 40 лет, считает Кондратьев. К тому же эксперт сомневается, что космические станции будут востребованы промышленными потребителями. «В целом идея хорошая, но только на отдаленную перспективу, – отмечает Кондратьев. – У нас есть пример МКС, энергия на которой получается с помощью подобных фотоэлементов. А вот создание мощной электростанции, которая могла бы обеспечивать электроэнергией потребителей на земле, в ближайшие 20 лет вряд ли возможно».
Дело даже не столько в «технике», сколько в экономической нецелесообразности. Стоимость электроэнергии на российском оптовом рынке, по словам Кондратьева, составляет 3–4 цента за киловатт/час, для конечного потребителя – 8–10 центов. «Добиться той же себестоимости электроэнергии в космосе практически нереально, – уверен эксперт. – Даже ветряные электростанции имеют меньшую себестоимость, и все равно правительство вынуждено их субсидировать».
Такого аттракциона щедрости в отношении космических станций ни в США, ни в России ждать пока не стоит. Скорее это будет небольшой экспериментальный проект, резюмирует Кондратьев.
Еще более категоричен заместитель директора Института космических исследований России Вячеслав Родин. «Все разговоры о передаче электроэнергии из космоса – не более чем спекуляции», – говорит он.
Эксперт напоминает, что проект создания такой станции был в советское время. Проект показали Дмитрию Федоровичу Устинову – на тот момент секретарю ЦК КПСС. «Он тогда заявил, что одобрит проект только после того, как ему докажут, что солнечные батареи, расстеленные где-нибудь в Узбекистане, будут менее эффективны, чем космическая электростанция», – рассказывает Родин.
Другое дело – «бытовая» солнечная энергия. По словам Родина, в Европе сегодня 30% бытового потребления электричества – это солнечные батареи. В Китае есть даже целый город, который использует исключительно энергию солнца.
«А мы, вместо того чтобы заниматься реальным использованием солнечной энергии, выколачиваем деньги ни на что. Я категорический противник космической солнечной электростанции. Наземная электроэнергия будет дешевле», – заключает эксперт.