Добыча и использование энергии Солнца — одно из важнейших достижений человека с точки зрения энергетики. Основная сложность теперь заключается даже не в собирании солнечной энергии, а в её хранении и распределении. Если удастся решить этот вопрос, то традиционные предприятия, работающие на ископаемом топливе, можно будет отправить на пенсию.

SolarReserve — компания, предлагающая использовать расплавленную соль в солнечных электростанциях и работающая над альтернативным решением проблем хранения. Вместо использования солнечной энергии для выработки электроэнергии и дальнейшего хранения её в солнечных батареях, SolarReserve предлагает перенаправлять её на тепловые накопители (башни). Энергетическая башня будет получать и хранить энергию. Способность расплавленной соли оставаться в жидкой форме делает из неё совершенное средство для термального хранения.

Задача компании — доказать, что её технология может сделать солнечную энергию доступным источником энергии, работающим круглосуточно (как на любой электростанции, работающей на ископаемом топливе). Концентрированный солнечный свет нагревает в башне соль до 566 °C, и она хранится в гигантском изолированном резервуаре, пока не будет использована для создания пара для запуска турбины. Впрочем, обо всём по порядку.

Начало

Главный технолог SolarReserve, Уильям Гулд более 20 лет потратил на развитие технологии CSP (concentrated solar power) с расплавленной солью. В 1990-х годах он был руководителем проекта демонстрационной установки Solar Two, построенной при поддержке Министерства энергетики США в пустыне Мохаве. Десятилетием раньше там же проверяли сооружение, которое подтвердило теоретические расчеты, о возможности коммерческой выработки энергии с помощью гелиостатов. Задача Гулда заключалась в том, чтобы разработать аналогичный проект, в котором вместо пара используется нагретая соль, а также найти доказательства, что энергия может быть сохранена.

При выборе ёмкости для хранения расплавленной соли Гулд колебался между двумя вариантами: производителем котлов с опытом работы на традиционных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, и компанией Rocketdyne, которая производила ракетные двигатели для НАСА. Выбор был сделан в пользу ракетостроителей. Отчасти из-за того, что в начале своей карьеры Гулд работал инженером-ядерщиком в гигантской строительной компании Bechtel, работавшей над калифорнийскими реакторами San Onofre. И считал, что не найдёт более надёжной технологии.

Сопло реактивного двигателя, из которого вырываются горячие газы, на самом деле состоит из двух обечаек (внутренней и внешней), в фрезерованных каналах которых прокачиваются топливные компоненты в жидкой фазе, охлаждая металл и удерживая сопло от плавления. Опыт Rocketdyne в разработке подобных устройств и работе в сфере высокотемпературной металлургии пригодился при разработке технологии использования расплавленной соли на солнечной электростанции.

Проект Solar Two мощностью 10 МВт успешно функционировал в течение нескольких лет и был выведен из эксплуатации в 1999 году, подтвердив жизнеспособность идеи. Как признаётся сам Уильям Гулд, у проекта были некоторые проблемы, которые нужно было решить. Но основная технология, используемая в Solar Two, работает и в современных станциях вроде Crescent Dunes. Смесь нитратных солей и рабочие температуры идентичны, отличие лишь в масштабах станции.

Преимущество технологии использования расплавленной соли заключается в том, что она позволяет поставлять мощность по требованию, а не только тогда, когда светит солнце. Соль может сохранять тепло в течение нескольких месяцев, поэтому иногда случающийся пасмурный день не влияет на доступность электроэнергии. Кроме того, выбросы электростанции минимальны, и, конечно же, нет никаких опасных отходов, созданных в качестве побочного продукта процесса.

Принципы работы

Солнечная электростанция использует 10 347 зеркал (гелиостатов), установленных на 647,5 гектар (это 900 с лишним футбольных полей), чтобы сконцентрировать солнечный свет на центральной башне высотой в 195 метров и заполненной солевой «начинкой». Эта соль нагревается солнечными лучами до 565 °C, и тепло хранится, а затем используется для преобразования воды в пар и для работы генераторов, производящих электричество.

Зеркала называются гелиостатами, так как каждое из них может наклоняться и поворачиваться, чтобы точно направлять свой луч света. Расположенные в концентрических кругах, они фокусируют солнечный свет на «приемнике» в верхней части центральной башни. Сама башня не светится, приемник имеет матово-чёрный цвет. Эффект свечения возникает как раз-таки из-за концентрации солнечных лучей, нагревающих ёмкость. Горячая соль стекает в резервуар из нержавеющей стали ёмкостью 16 тыс. м³.

Гелиостат

Соль, которая при этих температурах выглядит и течет почти так же, как вода, проходит через теплообменник, чтобы вырабатывать пар для работы стандартного турбогенератора. В баке содержится достаточно расплавленной соли для работы генератора в течение 10 часов. Это составляет 1100 мегаватт-часов хранения, или почти в 10 раз больше, чем самые большие системы ионно-литиевых батарей, которые были установлены для хранения возобновляемой энергии.

Трудный путь

Несмотря на перспективность идеи, нельзя сказать, что SolarReserve добились успеха. Во многих отношениях компания оставалась стартапом. Хотя стартапом энергичным и ярким во всех смыслах. Ведь первое, что вы увидите, взглянув в сторону электростанции Crescent Dunes, это свет. Столь яркий, что на него невозможно смотреть. Источником света служит 195-метровая башня, горделиво возвышающаяся над пустынными территориями Невады примерно на половине пути между маленьким городком Рино и Лас-Вегасом.

Где-то в часе езды отсюда находится знаменитая Зона 51, секретный военный объект, который этим летом всем интернетом грозились штурмовать, дабы «спасти» инопланетян из рук американского правительства. Такое соседство приводит к тому, что путешественники, увидевшие необычайно яркое свечение, порой спрашивают местных жителей, не стали ли они свидетелями чего-то необычного или даже инопланетного. И потом искренне огорчаются, узнав, что это всего лишь солнечная электростанция, окружённая полем зеркал шириной почти 3 км.

Строительство Crescent Dunes началось в 2011 году благодаря ссудам от правительства и инвестициям от NV Energy, основной коммунальной компании Невады. А построили электростанцию в 2015 году, примерно на два года позже запланированного срока. Но и после постройки не всё шло гладко. Например, в первые два года часто ломались и не работали должным образом насосы и трансформаторы для гелиостатов, которые были недостаточно мощными. Поэтому выходная мощность на Crescent Dunes была ниже запланированной в первые годы работы.

Была и ещё одна сложность — с птицами. Попадая под «прицел» концентрированного солнечного света, несчастная птаха превращалась в прах. По словам представителей SolarReserve, их электростанции удалось избежать регулярной и массовой «кремации» птиц. Совместно с несколькими национальными организациями был разработан специальный план, позволяющий смягчить любые потенциальные угрозы электростанции. Эта программа была утверждена в 2011 и предназначена для уменьшения потенциального риска для птиц и летучих мышей.

Но самой большой проблемой для Crescent Dunes стала утечка в резервуаре для хранения горячей соли, обнаруженная в конце 2016 года. Согласно технологии, гигантское кольцо, опирающееся на пилоны на дне резервуара, распределяет расплавленную соль по мере ее поступления из приемника. Сами пилоны должны были быть приварены к полу, а для кольца необходима возможность смещения, так как изменения температуры вызывают расширение/сжатие материалов. Вместо этого, из-за ошибки инженеров, все это хозяйство крепко-накрепко сварили вместе. Как результат, при температурных изменениях днище резервуара прогибалось и протекало.

Сама по себе утечка расплавленной соли не представляет особой опасности. При попадании на гравийный слой под резервуаром расплав сразу остыл, превратившись в соль. Тем не менее, остановка электростанции затянулась на восемь месяцев. Изучались причины утечки, виновные в инциденте, последствия ЧП и другие вопросы.

На этом неприятности SolarReserve не закончились. Производительность электростанции оказалась ниже запланированной в 2018 году, при этом средний коэффициент мощности составил 20,3% по сравнению с запланированным коэффициентом мощности 51,9%, С. В результате Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) начала 12-месячное исследование стоимости проекта CSP, сосредоточив внимание на проблемах производительности и непредвиденных расходах. Как итог, сначала на компанию подали в суд и заставили сменить руководство, а в 2019 году и вовсе вынудили признать своё банкротство.

Это ещё не конец

Но даже это не поставило крест на развитии технологии. Ведь есть аналогичные проекты и в других странах. Например, подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи. Или, допустим, Марокко. Там ещё больше солнечных дней, чем в США, а потому и эффективность электростанции должна быть выше. И первые результаты показывают, что этой действительно так.

Башня CSP Noor III мощностью 150 МВт в Марокко превысила плановые показатели по производительности и заполнению хранилища в первые несколько месяцев эксплуатации. А затраты на финансирование проектов по хранению энергии в башне соответствуют ожидаемым прогнозам, уверяет Ксавье Лара, старший консультант CSP Инженерная группа Empresarios Agrupados (EA).

Электростанция Noor III

Запущенная в декабре минувшего года, электростанция Noor III демонстрирует замечательную производительность. Noor III, установленный испанской SENER и китайской энергетической строительной корпорацией SEPCO, является крупнейшим в мире эксплуатационным башенным заводом и вторым по интеграции технологии хранения расплавленной соли.

Эксперты считают, что надежные ранние данные о производительности Noor III о производительности, гибкости генерации и интеграции хранилищ должны снизить проблемы с надежностью CSP-башни и хранилищ и снизить стоимость капитала для будущих проектов. В Китае правительство уже объявило о программе по созданию 6000 МВт CSP с хранилищем. SolarReserve сотрудничает с государственной компанией Shenhua Group, которая занимается строительством электростанций, работающих на угле, для разработки 1000 МВт выработки расплавленной соли CSP. Но будут ли строить такие башни-накопители дальше? Вопрос.

Впрочем, буквально на днях компания Heliogen, принадлежащая Биллу Гейтсу, заявила о своём прорыве в использовании концентрированной солнечной энергии. Heliogen смогли повысить температуру с 565 °C до 1000°C. Тем самым открыв возможность использования солнечной энергии в производстве цемента, стали, нефтехимической продукции.