3. Солнечно-водородная энергетика

Таким образом, ближайшие десятилетия будут характеризоваться растущим интересом к созданию систем конверсии солнечной энергии [81, 75-86]. Наиболее заманчива с нашей точки зрения идея получения водорода с помощью световой энергии и создание на этой основе систем, ассимилирующих солнечную энергию. Концепция солнечно-водородной энергетики изложена в работах [39, 70].

Общая потребность в энергии в конечном итоге должна возрасти в 15-20 раз [80]. Однако возникает вопрос, способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения, обеспечить эти прогрессирующие потребности.

Резервы солнечной энергии достаточно велики. В богатых солнечной энергией районах (например, на юге Советского Союза) средняя годовая интенсивность падающего на поверхность Земли света составляет 2,2⋅10^-2 кал/см²⋅с [80], что при освещении поверхности 9 ч в сутки дает 240 ккал/см²⋅год. В табл. 3 приведены данные по добыче топлив в Советском Союзе за 1974 г. [72] и рассчитаны поверхности, необходимые для получения эквивалентной энергии в предположении, что КПД использования солнечной энергии составляет 10% [70].

Таблица 3. Производство энергии в СССР [72]

Освоение солнечными преобразователями квадрата площади со стороной квадрата - 240 км с КПД 10% позволяет создать энергетику, основанную на использовании возобновляемого источника энергии. Интересно отметить, что при преобразовании солнечной энергии в электрическую с КПД 10%, произведенную всеми существующими способами в 1974 г. в СССР, электроэнергию (975,8 миллиардов кВт⋅ч) можно было бы снимать с квадрата поверхности со стороной 70 км (падающая энергия достигает величины 2000 кВт⋅ч/м³⋅год [71]). На первый взгляд необходимые поверхности достаточно велики, но если учесть, что получаемая энергия эквивалентна всей современной нефте-, газо-, угледобывающей индустрии, становится очевидным, что эта площадь относительно мала.

В настоящее время сделан ряд оценок площадей, необходимых при создании "солнечного эквивалента" энергетики для различных экономически развитых стран. В табл. 4 приведены данные работы [73] с учетом данных для Советского Союза (см. табл. 3). Очевидно, что для некоторых стран развитие солнечной энергетики сопряжено с освоением заметной доли территории и, по-видимому, невыгодно, в то время как для других (1,5% и ниже) необходимые территории относительно невелики. При этом в достаточно выигрышном положении находится Советский Союз.

Таблица 4. Доля поверхности (в %), необходимая для создания 'солнечного эквивалента' существующей энергетики (КПД преобразования энергии - 10%) [73]

^* (Вычислено на основании данных табл. 3.)

Для слаборазвитых стран, обладающих относительно маломощной энергетикой и расположенных в основном в зонах с высокой солнечной радиацией, площади, необходимые для создания "солнечного эквивалента", относительно малы.

Принципиально возможно освоение солнечной энергии, падающей на поверхность морей и океанов. Работы в этом направлении ведутся [74]. При решении этой проблемы территориальные возможности освоения солнечной энергии становились бы практически безграничными. В Советском Союзе только с поверхности внутреннего Аральского моря (6,63⋅10⁴ км²) можно было бы снимать энергию, заметно превышающую общий уровень современной энергетики.

Таким образом, существенные преимущества имеют способы преобразования солнечной энергии, направленные на фоторазложение воды с раздельным получением водорода и кислорода. В этом случае сохраняются все положительные аспекты водородной энергетики. Принципиальной особенностью является возможность аккумуляции энергии в топливной форме, что весьма важно с учетом суточных и сезонных изменений солнечной активности.

Схема "идеальной", наиболее "чистой" энергетики, основанной на использовании энергии Солнца, представлена на рис. 6. Первичное преобразование световой энергии представляет собой фоторазложение воды на водород и кислород с последующим хранением, транспортом и распределением газообразного топлива.

Рис. 6. Солнечно-водородная энергетика

Разрабатываемые в настоящее время подходы к освоению солнечной энергии достаточно многообразны [71, 75-79]. Возродился интерес к традиционным способам теплового преобразования солнечной энергии [37, 68]. Разработаны фотоэлектропреобразователи на основе полупроводниковых материалов [87, 88], широко используемые для специальных целей. Активно ведутся исследования фотохимических методов преобразования солнечной энергии [69, 89].

В настоящее время наметились следующие основные пути осуществления солнечно-водородной конверсии:

1. Использование фотополупроводниковых элементов с последующей конверсией электроэнергии в водород путем, электролиза воды [81, 87, 88, 90-96].

2. Использование низкотемпературного термолитического разложения воды [42, 51, 53-58, 97-101].

3. Фотоэлектролиз воды с раздельным получением водорода и кислорода [102-114, 116].

4. Фотохимическое разложение воды [69, 89, 115, 117-120].

5. Биофотолиз воды.

Ни один из обсуждаемых подходов не вышел на уровень промышленного способа конверсии солнечной энергии. Каждый из указанных способов имеет определенный потенциал развития, который будет, по-видимому, реализован в недалеком будущем.