Как будет работать самая большая электростанция в Сахаре

Ученые из США и Великобритании доказали, что из пустынных территорий можно сделать оазисы. Построив в Сахаре целый комплекс зеленых электростанций, можно не только получить достаточно электричества для снабжения всего мира, но и изменить климат в африканской пустыне — остановить дезертификацию и начать ее озеленение. «Хайтек» рассказывает, как может выглядеть солнечная ферма на территории Сахары и сколько электроэнергии она даст Земле.

Пустыня Сахара огромна: если бы она была страной, то потеснила бы Бразилию с пятого места в рейтинге по размеру. Сила солнца, которое светит над этими территориями, также выше, чем где бы то ни было. По оценкам NASA, на каждый квадратный метр поступает в среднем от 2 000 до 3 000 кВт⋅ч солнечной энергии в год.

Профессор Университета Ноттингем Трент, Амина Аль-Хабайбе, считает, что сахарской энергии хватило бы для обеспечения электричеством всей Земли. Звучит утопично, но статья, опубликованная в журнале The Conversation, показывает способы реализации этой идеи.

Площадь Сахары составляет примерно 9 млн кв. км, а значит, сумма энергии всех солнечных лучей над пустыней –– более 22 млрд ГВт⋅ч в год. Много ли это? Гипотетическая солнечная ферма, которая покрыла бы всю пустыню, могла производить в 2 тыс. раз больше энергии, чем самые крупные электростанции мира. Суммарные объемы их производительности едва ли достигают 100 тыс. ГВт⋅ч в год.

Проложить огромный кабель из Сахары в Европу у человечества получится. Северная Африка находится очень близко к Европе. Кратчайшее расстояние между континентами –– всего 15 км, Гибралтарский пролив. Тем не менее, даже маршруты по Средиземному морю будут вполне практичным вариантом. В конце концов, самый длинный подводный силовой кабель растянулся на 600 км между Норвегией и Нидерландами.

Сегодня существуют две практических технологии для производства электроэнергии в пустыни: концентрированная солнечная энергия (от англ. CSP, Concentrated solar power — «Хайтек») и привычные фотоэлектрические солнечные батареи. У каждого метода есть свои плюсы и минусы.

CSP использует линзы или зеркала, которые фокусируют солнечную энергию и нагреваются до огромных температур. Тепло генерирует электричество с помощью обычных паровых турбин. Эта технология напоминает работу атомного реактора, также разгоняющего паровую турбину с помощью огромных температур. Вращение турбины создает электричество. В некоторых системах для накопления энергии используют расплавленную соль для хранения солнечной энергии, что позволяет вращать турбину и ночью.

Технология концентрирования солнечной энергии кажется идеальным вариантом для Сахары. Прямые солнечные лучи, отсутствие облаков и высоких температур –– полный набор необходимого для максимальной продуктивности CSP.

Недостатком этого метода становится уязвимость линз и зеркал. Их легко загрязняют песчаные бури, поэтому устанавливая такие инструменты, нужно продумать и то, как часто их будут очищать. Кроме того, системы турбин и парового отопления –– механизмы, для которых требуется вода. В пустыне ее куда меньше, чем необходимо для незатратного функционирования системы.

Аль-Хабайбе предполагает, что в крупном проекте солнечную энергию можно сконцентрировать с помощью тысяч отражающих панелей. Похожий проект появился в ОАЭ: с его помощью энергетики хотят избежать проблем с фотоэлектрическими панелями, которые нельзя размещать на сильной жаре.

Добыча огромных объемов солнечной энергии с небольших территорий –– не новая идея. В 2017 году в прессе появлялись громкие сообщения о том, что США сможет полностью обеспечивать себя энергией благодаря установкам площадью 256 кв. км. Предполагаемая установка должна была состоять из системы аккумуляторов, которые обеспечивали бы круглосуточную подачу энергии.

Самой успешной попыткой стал Desertec, проект 2009 года. Он быстро привлек финансирование, но закрылся спустя несколько лет из-за недостатка денег. Прежде чем начать окупаться, пустынные электрические «шахты» поглощают миллиарды. Но пустынная электроустановка поменяет не только рыночную ситуацию.

Солнечные и ветряные фермы могут изменить климатические условия в пустыне Сахара. Образование облаков над пустыней станет результатом работы установок, которые вырабатывают электричество. Над Африкой буквально начнутся дожди. Солнечные панели и ветряные турбины затемняют поверхность пустыни.

Ученые уже знали о локальном воздействии подобных систем на температуру и уровень влажности в регионах, в которых они устанавливаются. Тем не менее, масштаб установок, которые, возможно, установят в пустыне Сахара, делает последствия заметными.

Автор исследования, посвященного терраформированию Сахары, доктор Ян Ли, говорит: «Результаты нашей модели показывают, что крупномасштабные ветряные фермы в Сахаре удвоят количество осадков не только в самой пустыне, но и в Сахеле, где уровень повысится с 200 до 500 мм в год». В результате дождей растительный покров пустыни тоже вырастет на 20%.

Причин для таких изменений несколько. Во-первых, ветряные турбины улучшают смешивание воздуха из-за вращения лопастей. Ветряные электростанции увеличивают шероховатость поверхности и усиливают схождение ветра в области с низким давлением. В результате создается петля обратной зависимости: чем больше дождя попадает на землю, тем больше осадков с нее испаряется.

В то же время солнечные панели, которые поглощают лучи, уменьшают поверхностное альбедо –– степень отражения света от поверхности, что тоже приводит к увеличению количества осадков. Исследователи предполагают, что уменьшение отражения солнечного света вызовет 50-процентное увеличение осадков.

«Панели уменьшают поверхностное альбедо: земля поглощает больше солнечной энергии и постепенно теплеет. Это усиливает низкую температуру собственного тепла Сахары, что приводит к увеличению количества воздухов и осадков», –– объясняет доктор Ли.

Евгения Калнай, эксперт по погоде и климату в Университете Мэриленда, предложила использовать компьютерные модели для проверки изменения погоды и климата после гипотетической установки систем. Такие программы помогают ученым выяснить, как погода будет меняться со временем.

Калнай выяснила, что обе технологии смогут изменить температуру региона. Солнечные панели могут поднять температуру на 3-4 °C, а ветровые турбины повысили бы ночную температуру. Теплый воздух, который они разгоняют, поднимался бы вверх. Поскольку он содержит водяной пар, то в конечном счете мог бы конденсироваться в дождевые облака.

Более продвинутая модель предполагала три сценария: только солнечные панели, ветряные электростанции или обе технологии. Ветровые электростанции поднимали ночную температуру на 2,16 °C, при этом увеличив количество осадков в Сахаре примерно вдвое — на 0,25 мм в сутки. Солнечные фермы повысят температуру на 1,12 °C в течение солнечного дня. Суммарное воздействие ветровых турбин и солнечных ферм изменит уровень осадков на 215,4 мм в год в Сахаре и на 500 мм в Сахеле. Среднее количество осадков будет увеличиваться по мере роста растений. Зеленые насаждения перемещают воду с земли в воздух. Этот процесс называется эвапотранспирацией.

Гипотетическую структуру, которая может вызывать такие изменения, сложно построить. Представьте себе, что территория размером с США или Китай, то есть 9 млн кв. км, будет покрыта электроэнергетическими установками. Это Сахара будущего, в которой будет царить иной, менее засушливый климат.

Если бы человечество смогло осуществить такой эпический план, то получило бы не просто зеленую Сахару. Люди избавились бы от необходимости в ископаемом топливе: пустынная установка вырабатывала бы 82 тераватта электроэнергии в год. Сегодняшнее потребление всей планеты –– порядка 18 тераватт.

Добыча ископаемого топлива убивает планету, и это не метафора. Парниковый газ, поступающий в атмосферу, вырабатывается из-за добычи и использования угля и нефти. Уровень углекислого газа над поверхностью Земли постоянно бьет собственные рекорды. Солнце и ветер дают человечеству альтернативу.

«Кроме предотвращения антропогенных выбросов парниковых газов от ископаемого топлива, энергия ветра и солнца может дать другие неожиданные полезные климатические перемены», –– пишут исследователи.

Еще одни плюсом озеленения пустыни станет уменьшение темпов дезертификации. Сахара расширяется: за последние 100 лет она выросла на 700 тыс. кв. км. Это 10% от предыдущей площади пустыни. Аэролог Расс Дикерсон из Университета Мэриленда считает, что ветровые станции смогут приостановить процесс расширения засушливого региона.

Последнее преимущество «зеленой электрической пустыни» –– перепроизводство. Возможный избыток электроэнергии, которая будет вырабатываться на установке, позволит справиться и с другими ресурсными проблемами. Так, энергию можно было бы перенаправить на опреснение и транспортировку морской воды для тех регионов, которым не хватает пресной воды.

Конечно, на данный момент подобные идеи о превращении Сахары в оазис для всего человечества –– не более, чем гипотетические предположения, которые трудно реализовать, но возможно.

 

https://hightech.fm/2019/11/08/sahara-energy