Ранее (http://www.nanometer.ru/2010/09/30/alternativnaa_energetika_218370.html) мы рассмотрели проблемы накопления энергии, полученной альтернативными путями. Немного пофантазируем о реализации её накопления.
Предположим, у нас есть солнечная электростанция средней мощностью 1 МВт, вырабатываемой 10 часов в сутки, расположенная в жаркой, каменистой пустыне. До ближайших электросетей слишком далеко и вырабатываемую энергию сбрасывать некуда. Как её использовать?
Ответ, в общем-то, очевиден: система должна в автоматическом режиме вырабатывать некий необходимый продукт, удобный в транспортировке.
Одним из вариантов является утилизация энергии для проведения химических процессов. Например, получение моторного топлива и периодическая транспортировка его цистернами, получение метанола, получение металлов электролизом. Для получения топлива можно реализовать старые схемы, практически не используемые сейчас ввиду энергоёмкости и неконкурентоспособности с нефтью. Например: прямое гидрирование углерода, получение моторного топлива из синтез-газа. Получение метанола менее предпочтительно ввиду его высокой летучести (а у нас по исходному условию - пустыня) и сравнительно (с углеводородами) низкой калорийности.
Большая часть технологий, необходимых для реализации топливной схемы существуют уже сейчас. Итак, нам необходимы оксид углерода, водород и эффективные катализаторы. Кроме того, источник тепла и источник холода. Рассмотрим способы реализации каждого фактора.
Водород придётся получать электролизом воды. Это основная область расхода энергии, вырабатываемой станцией. Водород можно получать и конверсией угля, но в этом случае солнечная электростанция уже не нужна и сооружение такой фактории в труднодоступных местах теряет смысл. Для электролиза нужна вода, дистиллированная или очищенная обратным осмосом и ионообменниками. В идеальном случае источником воды служат грунтовые воды или роса (если суточные колебания влажности позволяют ей образовываться), в худшем варианте воду придётся завозить цистернами или подавать трубопроводом. Вторым продуктом электролиза является кислород. Он, в общем-то, является отходом производства, так как вырабатываемые количества для самого производства избыточны.
Оксид углерода удобнее всего получать взаимодействием угля, или битуминозных песков, или горючих сланцев с кислородом и парами воды. Горение углеродистых материалов в кислороде, побочно получаемом электролизом при выработке водорода, даёт СО и развивает чрезвычайно высокую температуру. Избыточную тепловую энергию можно израсходовать в эндотермических реакциях между углеродом и водой с образованием оксида углерода и дополнительного количества водорода, хотя это не приведёт к увеличению выработки топлива, поскольку лимитирующим фактором является наработка водорода электролизом. Для утилизации тепловой энергии рационально поставить небольшую тепловую электростанцию.
Катализаторы. Это одна из наиболее ответственных и капризных частей всей установки. Катализаторы должны быть активными, не отравляться серой и другими примесями, попадающими из угля при получении СО, иметь возможность работы в переменном режиме, так как выход энергии непостоянен и скорость процесса может сильно меняться. Кроме этого, они должны быть либо достаточно дешёвыми, либо хорошо регенерироваться.
Источник тепла. С этим ресурсом вопросов не возникает. Тепло можно получать при горении углерода (получение СО), либо нагревательными элементами, расходуя мощность станции. Возможна и комбинированная схема: в светлое время суток нагреватели работают от Солнца, в тёмное – от газогенератора.
Источник холода. Полученную после реакции газовую смесь необходимо охладить ниже температуры кипения воды и разделить на топливо, воду и непрореагировавшую смесь СО и водорода. Необходим источник с низкой температурой. Его роль могут выполнять горные породы, расположенные на глубине. Однако у горных пород есть недостаток: их в принципе можно прогреть (если скорость поступления тепла превосходит скорость его рассеивания) и тогда установка перестанет работать. В идеале необходимы грунтовые воды, либо водонаполненные породы. Для транспортировки холода необходима холодильная машина с развитой системой теплообменников. Она же, в принципе, способная выполнять и роль дополнительной энергетической подстанции.
Прочее оборудование.
Необходим отстойник для отделения нефтепродуктов от воды. Необходимы фильтры для очистки отделившейся воды перед повторным использованием. Нужны системы накопления СО и водорода, компрессоры, теплообменники, бункеры для хранения угля, воды и полученной нефти, транспортёры, дозаторы, автоматические сенсорные системы для регулирования состава газовой смеси, наконец – управляющая компьютерная система для всего этого хозяйства. Потребуются и автоматические системы пожаротушения, связи, система сброса и сжигания газов при критической поломке оборудования и многое другое. Кроме того, все эти системы должны иметь высокую надёжность работы (автономность не менее полугода) и модульное исполнение, позволяющее их быстро монтировать и чинить.
Рассчитаем, сколько топлива сможет нарабатывать такая установка. Пусть, выход процесса переработки по запасаемой энергии составляет 70%. То есть, из каждого мегаджоуля энергии 700 кДж конвертируется в моторное топливо, а 300 теряется в процессе его получения. Суммарная выработка энергии в течение суток составит 36000 МДж (10 часов при мощности 1 МВт). Из этого количества 25200 МДж превратится в топливо. При теплоте сгорания дизельного топлива равной 42,7 МДж/кг это эквивалентно 590 кг топлива. В течение месяца получится 17,7 тонны, в течение года 215,35 тонны. Естественно, цифры идеализированы. Они не учитывают оседание пыли на элементах, что приводит к уменьшению выработки энергии, дни низкой солнечности, неравномерность мощности падающего солнечного излучения в течение года и ряд других факторов.
Дополнительные прикладные и фундаментальные возможности установки. При работе электролизёров можно получать в качестве очень ценного побочного продукта тяжёлую воду, которая постепенно будет накапливаться в электролите. Отработка автономных производственных систем может дать неоценимый опыт при разработке систем колонизации космических объектов.
