О концепции развития аэрокосмической энергетики в России на период до 2045 года

Введение

Национальная безопасность любого государства связана с его устойчивым развитием, основой которого является надёжное энергообеспечение. Поэтому учёные всего мира работают над разными энергопроектами, изучают возможные энергетические источники, основываясь на их сравнении с нефтью, природным газом и углем, то есть с невозобновляемыми ресурсами. Их доля в энергообеспечение населения Земли в настоящее время составляет 37,5-38,0; 24,5 и 25,5 %, соответственно. Доля же возобновляемых источников (солнца, ветра, воды) пока незначительна. В настоящее время ежегодный прирост мировых запасов нефти за счёт вновь открываемых месторождений составляет 0,8 %, а ежегодный расход — 2 %. То есть нефти может хватить до 2057 года, а затем наступит энергетический кризис, который негативно отразится на судьбе каждого человека. В настоящее время более 60 % энергии добывается при сжигании углеводородного топлива, что ведёт к огромным выбросам СО₂, кислотных газов и других вредных для природы соединений. Почвы России потеряли 70 % плодородности из-за насыщения сурьмой, мышьяком и т.д. Сжигание углеводородного топлива ведёт к увеличению парникового эффекта за счёт выбросов СО₂. Все тепловые электростанции, в том числе АЭС, при выработке 1 кВт-ч электроэнергии выбрасывают в окружающую среду более 2 кВт-ч тепла.

Разработка Концепции развития распределённой энергетики с использованием аэрокосмических солнечных электростанций должна осуществляться исходя из концептуальных положений:

• комплексность предлагаемых решений (системный подход при реализации комплекса первоочередных мероприятий на всех элементах развития распределённой энергетики, реализация комплекса организационных, нормативно-правовых, научно-технических, проектных, экономических, кадровых, финансовых, производственных и информационных решений);
• повышение эффективности объектов распределённой энергетики на основе оптимизации его экономико-математической модели с использованием единой ресурсной базы ТЭК, в том числе и по развитию распределённой энергетики на основе формирования Единого номенклатурного номера (ЕНН) для оборудования, материалов и конструкций;
• опережающая качественная подготовка разработчиков, проектировщиков и эксплуатационников энергетического оборудования нового поколения;
• эффективное использование человеческого капитала, направленного на ускоренное развитие энергетики Российской Федерации;
• обоснование весомости и места космической подотрасли ТЭК в развитие энергетики России на основе создаваемой единой ресурсной базы топливноэнергетического комплекса;
• обоснование приоритетных направлений развития аэрокосмической энергетики в сочетании с развитием распределённой энергетики на основе использования ГИС ТЭК и ГИС промышленности, реализация которых позволит осуществить прорыв в развитие не только отраслей ТЭК, но и экономики в целом.

Использование этих концептуальных положений позволит:

• заложить системные основы комплексного развития распределённой энергетики с оптимальным использованием возможностей аэрокосмической энергетики;
• обеспечить создание новых подотраслей промышленности в области энергетики, в том числе в торфяной, аэрокосмической, возобновляемой и малой энергетике с использованием биоресурсов и ТБО;
• осуществить мониторинг, контроль и оптимизировать параметры и режимы работы энергосистем на территории России, на основе этого принимать оптимальные управленческие решения по повышению эффективности работы отраслей ТЭК, а также на стадии проектирования в зависимости от местных условий эксплуатации энергоустановок рекомендовать обоснованный их выбор;
• стимулировать развитие производства и потребления на существующих в России энергорынках и создать базу для импортозамещения в отраслях энергетики;
• активно использовать системы управления знаниями для обоснования и реализации путей повышения эффективности функционирования энергосистем благодаря обоснованию оптимальных общих конструктивно-компонов очных решений и оптимизации режимов их работы;
• обосновать и внедрять национальные и инфраструктурные проекты, создавать инновационную инфраструктуру в отраслях ТЭК;
• широко использовать в инновационной деятельности потенциал российских и учебных, научно-исследовательских и проектных институтов.

Анализ развития энергетики России позволил выявить целый комплекс системных проблем, которые отрицательно влияют на её эффективность и темпы модернизации. Для повышения её энергетической эффективности необходимо идти по трём основным направлениям:

• повышение коэффициента использования установленной мощности единой энергетической системы за счёт, прежде всего оптимизации параметров и режимов её работы, компенсации реактивной мощности и повышения показателей качества электроэнергии;
• формирование современной инфраструктуры распределённой и возобновляемой энергетики;
• переход к комплексным, межотраслевым решениям в создании промышленной продукции, строительстве промышленных и жилых комплексов, максимально используя особенности и преимущества распределённой энергетики.

В соответствии с этими направлениями предлагается решение следующих основных задач, которые позволят осуществить прорыв в энергетике в части повышения эффективности использования энергоресурсов:

• формирование ресурсной базы ТЭК на основе Единого номенклатурного номера (ЕНН) продукции с использованием ГИС ТЭК и ГИС промышленности;
• повышение энергетической эффективности энергосистем за счёт компенсации реактивной мощности и улучшения показателей качества электрической энергии;
• северный завоз топлива;
• создание аэрокосмической отрасли и строительство объектов аэрокосмической энергетики;
• создание торфяной промышленности нового поколения;
• создание и развитие российского производства сверхпроводниковых изделий и устройств для инновационного развития электроэнергетики;
• промышленная добыча природного газа из метангидратов;
• импульсно-детонационное горение как новый метод использования топлив;
• новые поколения фотовольтаических преобразователей солнечной энергии;
• технологии получения топлив из органических отходов, включая обращение их в производственные технологические цепочки на этапе проектирования разноотраслевых инновационных проектов;
• системы хранения и накопления электрической энергии для нужд энергетики;
• многофункциональные энерготехнологические комплексы на основе гибридных энергоустановок модульного типа (МЭК) — новая индустрия производства моторных топлив, электрической энергии, тепла, продуктов питания и т.п.

Рост цен на энергоносители лихорадит мир перспективами экономических кризисов. Ущерб от природных катаклизмов ($ 366 млрд в 2011 году) многократно превышает стоимость самых крупных космических программ.

В мире активно ведётся поиск нетрадиционных альтернативных источников энергии, где солнечная энергетика начинает выходить на первый план.

Для того чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы, существуют технические методы накопления энергии, такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически безопасным, а также может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе — и для регулирования экологических условий на больших территориях.

Проблема освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии становится всё более актуальной. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию мирового океана.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего 0,0125 % падающей на Землю энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5 % — полностью покрыть потребности на перспективу.

На Землю попадает в энергетическом эквиваленте 1,2 X 10⁵ ТВт, то есть за год 38 X 10²⁰ кВт-ч или в 10⁸ раз больше, чем сегодня потребляется в мире, а резервы составляют ещё около 5 млрд лет. Количество поступающей солнечной энергии превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % — полностью покрыть потребности в будущем.

Идею использования солнечной космической энергии ещё в 1968 годы предложил американский учёный Питер Глейзер. На орбите надо разместить большие поля из солнечных батарей. Собранная энергия передаётся на Землю с помощью СВЧ-излучения или лазера. Здесь принятое излучение преобразуется в электричество. Микроволны могут передаваться через атмосферу Земли на частоте от 2,45 до 5,8 ГГц, как это показано на иллюстрациях NSS / Mafic Studios.

Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создаётся тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Энергия доступна практически круглосуточно, не зависит от погодных условий, может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории России. Данная идея является яркой и привлекательной. Она лишена недостатков традиционных солнечных электростанций.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ-пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75 %. Выпрямительная антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения от КСЭ с максимально возможной эффективностью. Одна из конструкций имеет форму эллипса с большой осью 13 км и малой осью 9,5 км. Плотность падающего микроволнового излучения от 25 мВт/см² в центре до 1 мВт/см² на периферии. Преобразование принимаемой энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну. Рассматривались различные микроволновые частоты, предложенные во многих исследованиях и демонстрациях WPT: 2,45; 5,8; 8,51; 35; 94; 140 и 170 ГГц. Размер приёмной ректенны при изменении частоты СВЧ мог изменяться от 10 км до 150 м, а плотность СВЧ-энергии может возрасти до 10 Вт/см².

Концептуальные проекты построения КСЭС США

Американский проект солнечной космической электростанции SPS-Alpha (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array — «Гелиоэнергетические спутники со сколь угодно большой фразированной решёткой») предложил разработчик Джон Мэнкинс из компании Artemis Innovation Management Solutions (США). Этот гигантский «космический цветок» является антенной решёткой с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально.

Задняя часть этого «цветка» является набором фотоэлектрических панелей, с обратной стороны которого, направленной в сторону Земли, имеется множество СВЧ-излучателей-передатчиков. Эти передатчики отсылают на Землю в виде СВЧ-излучения энергию в диапазоне от десятков до тысяч мегаватт мощности.

Создатели считают данный проект «первым, осуществимым на практике». Во-первых, потому что SPS-Alpha не понадобится объёмный блок управления питанием, так же как и распределительная система, что значительно удешевляет стоимость платформы. Во-вторых, спутник можно собрать из индивидуальных элементов, каждый из которых весит 50-200 кг и может производиться в промышленном масштабе. Это дополнительно снижает стоимость проекта, так как все космические технологии, как правило, уникальны, и составляющие создаются в малом количестве экземпляров.

Проект был представлен на встрече NASA Innovative Advanced Concepts 2012. В ближайший год специалисты будут тщательно изучать дизайн, рассматривать все за и против, проводить эксперименты, проверяющие осуществимость идеи.

Новые технологии США в области солнечной энергетики

Новые приборы, разработанные инженерами в Georgia Institute of Technology (США) на основе углеродных нанотрубок, работают как антенны по поглощению солнечного излучения и поэтому получили названия «ректенны».

Волновое излучение солнечного света поступает в нанотрубки и создаёт в них осциллирующий заряд, который проходит через диоды-выпрямители, изготовленные на верхней поверхности слоя нанотрубок. Выпрямители переключаются со скоростью выше петагерц, создавая постоянный ток небольшой величины.

Миллиарды антенн уже в матрице формируют заметный электрический ток. Продемонстрированная приборами эффективность пока составляет менее 1 %. Однако в США надеются поднять её путём усовершенствования техники преобразования энергии и верят, что ректенна коммерческого потенциала будет доступна через один год (к концу 2016 года). Если эффективность ректенн будет больше 1 %, в США могут применить этот эффект для преобразования солнечного излучения.

Углеродные нанотрубки для изоляции данных наноантенн покрывались слоем окиси алюминия методом химического осаждения атомных слоёв (Atomic Layer Deposition, ALD). Затем проводилось высаживание из паровой фазы на нанотрубки оптически-прозрачных тонких слоёв кальция, а затем алюминия. Разница в величине работы выхода между нанотрубками и кальцием создаёт потенциал в 2 эВ*, достаточный для вывода электронов из углерода наноантенны при возбуждении потоком света. При работе осциллирующие световые волны проходят через прозрачный Ca-Al электрод и взаимодействуют с нанотрубкой.

Переходы «металл-изолятор-металл» в нанотрубках служат как выпрямители, включаемые и выключаемые во скоростью в фемтосекунды, позволяя тем самым электронам, генерируемым антенной, течь в одном направлении в верхний электрод. Сверхнизкая ёмкость, порядка нескольких аттофарад (аФ), позволяет диоду диаметром 10-20 нм работать на таких исключительных частотах. В оптическом диапазоне ректенна является антенной наномасштаба, связанной с диодом «металл-диэлектрик-металл». Чем ближе антенна к диоду, тем эффективнее она работает.

Уже поставлена задача повышения эффективности ректенны за счёт подбора материалов, увеличения количества нанотрубок до миллиарда единиц, уменьшения их диаметра с 10-20 до 1,0-1,5 нм. И уменьшения сопротивления структур на несколько порядков. Предстоит совершенствовать технологию изготовления. В США предполагается, что эффективность ректенн возрастёт до 40 %.

Проект КСЭС Японии

В Японии интенсивно проводятся работы по проекту Space Solar Power System (SSPS). Проект предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4-6 км². Произведённую ими энергию будет доставлять вниз на Землю либо поток микроволнового излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер Средняя выходная мощность такой си стемы должна составить 1 ГВт «на грунте» с учётом всех потерь при передаче из космоса, пиковая — 1,6 ГВт.

В 2009 году в Японии определена новая политика освоения космоса и утвер ждены планы проведения исследований Отобрано пять практических систем и четыре исследовательских программы Одной из них явилась «Национальная программа разработки и создания сол нечной электростанции Японии (SSPS)» мощностью в среднем режиме 1 ГВт или 1,6 ГВт в максимально благоприятных условиях. Эта программа стала необходимой в связи с возрастающей потребно стью промышленности в электроэнергии и необходимости обеспечения безопасности окружающей среды.

Программа утверждена парламентом Японии со сроком завершения всех ра бот до 2030 года и с финансированием $ 21 млрд из государственного бюджета Японии. 86 конгрессменов японского парламента объединили свои усилия и создали федерацию для её продвижения в жизнь. Впоследствии завершение программы по техническим причинам было перенесено на 2040 год без изменения объёма финансирования.

Все университеты в первую очередь проводят исследования по беспроводной трансмиссии электроэнергии из космоса на землю СВЧ-методом.

Япония рассматривает СВЧ-транспортировку электроэнергии по базовому и прогрессивному методам. В базовом методе используется большая панель размером 2500 X 2375 м, подсоединённая к кабелям спутника. С одной стороны панели будет генерироваться электрическая энергия, а с другой стороны электроэнергия будет передаваться на Землю.

Прогрессивный метод СВЧ-трансмиссии является комбинацией двух зеркальных рефлекторов диаметром 2000 м каждый, связанных с системой двух генераторов солнечной электростанции и с панелью трансмиссии СВЧ-излучения. Прогрессивная модель является технологически передовой и лучше ориентирована по Солнцу, чем базовая модель. СВЧ-излучение, посылаемое с орбиты на Землю, принимается и конвертируется в электрический ток наземной антенной диаметром 3000 м.

Лазерная система использует группу сверхтонких зеркал, фокусирующих солнечное излучение на систему полупроводниковых устройств, напрямую преобразующих солнечное излучение в лазерный луч. Требуемые для лазерных систем СОЭ технологии очень сложны, и их разработка создаёт больше трудностей, чем техника СВЧ СОЭ.

Для концентрации потока солнечного света отрабатывается технология изготовления панелей размером несколько сотен метров с толщиной 0,1 м и сверх тонких облегчённых зеркал плотностью 300 г/м².

Соотношение их веса к мощности должно составлять несколько градусов на 1 Вт, точность контроля СВЧ-луча фа зовой решёткой должна составлять менее 0,0001° (100 м / 36 000 км — расстояние от земли до геостационарной орбиты, на ко торой будет находиться SSPS) без резких выбросов по частоте. Общая эффективность от солнечного элемента постоянного тока к конечному съёму постоянного тока с системы ректенн должна составлять более 50 %.

Надо отметить, что в Японии подробно опубликована конструкция солнечной орбитальной электростанции и достаточно чётко описана структура национального проекта.

Что касается американцев, то они работают по другой методике. Все шаги по созданию СОЭ в 200 МВт излагаются ими поэтапно, отдельными частями в финансовом бюджете Министерства обороны США, ВВС США, ВМФ США и DARPA После проведения всех подготовительных исследований в США будет принят государственный акт о создании орбитальной солнечной электростанции с общим бюджетом и ответственными фирмами-участниками проекта и университетами.

Проект МИРЭА распределённой солнечной аэрокосмической энергетической системы России

Эффективным путём решения указанных проблем является создание аэрокосмических солнечных электростанций (АКСЭС) мощностью 0,1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Вопросы создания аэрокосмических солнечных электростанций (АКСЭС) и трансляции электроэнергии на Землю по лазерным и СВЧ-каналам, позволит стране (человечеству) решить проблему эко- и энергобезопасности.

Системы беспроводной передачи энергии, основанные на использовании радиочастотных излучений, имеют предельно малым потерям энергии в атмосфере, не только прозрачной, но и содержащей непрозрачные для оптических излучений аэрозоли — дождь, туман, снег, пыль, песчаные взвеси и т.п. Поэтому проект преобразования солнечного излучения в микроволны предоставляет возможность произвести перенос энергии солнечного света сквозь атмосферу при любых погодных условиях, что особенно важно для российских условий преимущественно высокой облачности. В качестве микроволновых систем солнечной энергетики рассматриваются два возможных варианта: передача солнечной энергии по микроволновому или оптическому каналам.

В случае микроволновых солнечных космических электростанций (СКЭС) осуществляется преобразование солнечного света в постоянный ток на геостационарной орбите, питание этим током микроволновых высокоэффективных генераторов (магнетронов или клистронов с КПД выше 90 %), излучение микроволн сквозь радиопрозрачную атмосферу на поверхность Земли и преобразование микроволн в ток промышленной интенсивности с помощью полупроводниковых или электронно-волновых вакуумных преобразователей с КПД около 80-90 %.

Микроволновые СКЭС имеют минимальные потери солнечной энергии при доставке её с геостационарной орбиты (высотой 36 000 км) сквозь всепогодную атмосферу на Землю, но требуют больших приёмных (ректенных) полей на поверхности Земли (до десятков квадратных километров).

Наиболее оптимальными свойствами обладает вариант СКЭС с промежуточной надатмосферной платформой (на привязном аэростате или дирижабле на высоте около 20 км над Землей), сочетающий лазерную сфокусированную доставку энергии на эту платформу, преобразование её в ток, питающий микроволновые генераторы, излучающие микроволны на поверхность наземных ректенн сквозь всепогодно радиопрозрачную атмосферу. В таком случае площадь микроволновой ректенны можно сделать сравнительно небольшой, вплоть до нескольких сотен квадратных метров, а сами ректеннные преобразователи сформировать на основе высокоэффективных (с КПД преобразования до 80 %) электронных циклотронных преобразователей микроволн в постоянный ток, обладающих также высокой надёжностью и нечувствительностью к перегрузкам, что особенно важно для мощных систем беспроводной передачи энергии.

Технологии создания фотопреобразователей с наноантеннами

Современные преобразователи солнечной энергии в постоянный ток представляют собой полупроводниковые фоторезисторные выпрямляющие диоды с КПД преобразования от 10 до 25 %. Проводятся работы по созданию гетероструктурных многослойных фотопреобразователей с КПД до 60 %, действующих в нелинейном режиме с концентрацией световой энергии в десятки и сотни раз.

Всё это заставило обратиться к другим, классическим способам фотопреобразования, основанным на использовании нелинейных характеристик наноструктур МИМ («металл-изолятор-металл») типа. Вольтамперная характеристика (ВАХ) этих диодов формируется за счёт туннельного прохождения электронов через тонкий барьерный слой между электродами из металла. Другой тип выпрямляющего диода действует на принципе неодинакового прохождения электронов в противоположных направлениях вдоль специально сформированной планарной геометрической структуры, создающей неотражающее прохождение электронов через сужающийся наноэлектрод и отражающей электроны в противоположном направлении, где существует резкий барьер для падающих на него электронов. Обе структуры (МИМ и так называемый «геометрический диод») имеют ярко выраженный нелинейный участок ВАХ, на котором происходит выпрямление тока оптической частоты излучения, сконцентрированного элементами наноантенны, присоединёнными к электродам диода по типу дипольной антенны или антенны в форме «галстук-бабочка». Элементы дипольной антенны могут быть либо линейными, либо концентрическими четвертьволновыми нитями, обеспечивающими максимум электрической компоненты оптического электромагнитного излучения. Впрочем такого типа наноантенны (их называют также «нантеннами») ещё лучше работают на частотах терагерцового (субмиллиметрового) диапазона, так что спектр их применения оказывается весьма широк.

К несомненным достоинствам нантенн следует отнести их предельно малую наноразмерную толщину и структурную простоту, обеспечивающие применение хорошо известных современных технологий напыления металлических плёнок на тонкие гибкие подложки и фотолитографии, позволяющей сформировать незамысловатый профиль планарных диодных структур МИМ или геометрического типа. В результате можно создавать тонкоплёночные матрицы преобразователей с ничтожными массогабаритными параметрами и высоким КПД преобразования до 80 %, значительно превышающим

КПД фоторезисторных устройств. Понятно, что нантенны отлично подходят и для работы в качестве фотопреобразователей и на геостационарной орбите, и на борту стратосферных платформ, и в составе наземных систем преобразования солнечной энергии. Дополнительным преимуществом по сравнению с фоторезисторными преобразователями является отсутствие «старения» их параметров, эффекта, характерного для полупроводников, кристаллическая структура которых меняется со временем из-за внутренних диффузионных процессов между гетерослоями, дрейфа примесных и экситонных центров, квантовых ям и т.п. Материалом нантенн является однородный металл, нанесённый на подложку с применением «чистых» технологий и не имеющий структурных неоднородностей.

Сочетание традиционных и новых фотонных материалов обеспечивает мировой прогресс в создании функциональных элементов и фотопреобразующих и генерирующих модулей для нужд солнечной энергетики.

Компетенция в области разработки и производства традиционных и новых оптических материалов и структур на их основе является ключевым фактором для развития аэрокосмической энергетики в России.

КПД солнечных кремниевых батарей не может быть выше 33 % даже теоретически. Наноантенны же, как считается, способны иметь эффективность в 70-80 %, причём при меньшей стоимости.

Заключение

Создание солнечных космических электростанций с СВЧ и лазерными магистралями передачи энергии в настоящее время является реальной и крайне актуальной задачей России.

Солнечные аэрокосмические энергетические комплексы с СВЧ и лазерными магистралями могут стать наиболее предпочтительными для построения распределённой энергетической системы России для обеспечения объектов в районах крайнего Севера.

Разработка и реализация национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России» под патронажем Президента РФ может стать ключевым моментом возрождения России как великой мировой державы.