Новый материал поможет сделать тепловые солнечные энергостанции более эффективными
Испанская солнечная термальная энергостанция Gemasolar. Ее мощность позволяет обеспечивать электричеством 25 000 домохозяйств
Солнце, ветер, вода — бесплатные и возобновляемые источники энергии. Главное — технология получения электричества из этих источников. Она должна быть эффективной и относительно недорогой. Эффективность и стоимость технологий, составляющих основу «зеленой» энергетики — характеристики, которые можно улучшать.
Если вспомнить фотоэлементы, используемые для получения электричества из энергии солнца, то их стоимость постепенно падает, а значит, себестоимость «солнечного электричества» снижается. Но «не фотоэлементами едиными» — есть и другая технология получения энергии из солнечных лучей. Это тепловые солнечные энергостанции.
Они работают благодаря параболическим зеркалам, фокусирующим энергию Солнца в пучок, который затем направляется на резервуар с солью. Последняя превращается в расплав, начиная играть роль теплоносителя. Теплоноситель отдает тепловую энергию воде, которая превращается в перегретый пар. Ну, а пар вращает турбины, генерируя электрический ток.
Так вот, себестоимость электричества, производимых на тепловых солнечных энергостанциях выше, чем себестоимость энергии, которую получают при помощи фотоэлементов. Кроме того, число регионов, где можно использовать такой способ получения энергии не слишком большое. Все это приводит к тому, что тепловые солнечные энергостанции не слишком распространены.
Кстати, при определенных условиях вместо воды и пара можно использовать «сверхкритический газ» — диоксид углерода. Правда, работа с ним требует температур порядка 1000К, что не всегда практически достижимо. Дело в том, что многие металлы плавятся при такой высокой температуре. Другие, что не плавятся, будут охотно вступать в реакцию с углекислым газом. Но цель привлекательна — дело в том, что при использовании диоксида углерода эффективность работы таких станций возрастает на 20%.
Относительно недавно появилась информация о возможном использовании в «тепловой солнечной энергетике» двух материалов, которые не плавятся при указанной выше температуре, и не вступают в реакцию с углекислотой. Это вольфрам и карбид циркония (химическое соединение металла циркония и углерода с формулой ZrC).
Оба материала имеют очень высокую температуру плавления и отличную теплопроводность. Причем при высоких температурах эти два материала практически не расширяются, сохраняя свою твердость. В общем, оба кандидата хороши, но вот процесс их производства и стоимость достаточно высокие.
Изначально ученые, которые изучают проблему тепловой солнечной энергетики, стали работать с карбидом вольфрама. Его можно спекать, придавая спекаемому порошку практически любую форму. Далее материал помещают в ванну с расплавом меди и циркония. Расплавленная смесь заполняет поры изначального материала, цирконий реагирует с карбидом вольфрама, замещая металл. Медь формирует тонкую пленку на поверхности образующегося нового материала.
Вольфрам, высвобождаясь, заполняет поры. Таким образом, материал сохраняет изначальную форму, а вот его состав меняется. Все это выдерживает очень высокие температуры без изменения прочностных характеристик. Во многом — благодаря заполненным вольфрамом порам.
Ученые пришли к выводу, что медь, пленка которой покрывает полученный материал, может реагировать с углекислотой с образованием оксида меди и высвобождая угарный газ (монооксид углерода). Но, как оказалось, если в сверхкритический углекислый газ добавлять небольшие доли угарного газа, то итоговая смесь будет подавлять опасную реакцию. Это подтверждено экспериментально.
Понятно, что для того, чтобы сверхэффективная тепловая солнечная энергостанция могла нормально работать, материала, о котором идет речь выше, должно быть много. К сожалению, о себестоимости теплообменника из карбида циркония ученые не говорят, но уверяют, что это не будет слишком уж дорого.
Новые энергостанции в итоге могут стать настолько эффективными, что без труда будут конкурировать как с фотоэлементными энергостанциями, так и с обычными, которые работают на горючих полезных ископаемых.
Стоит отметить, что сейчас тепловые энергостанции, работающие на солнечной энергии, все же строят. Располагают их в регионах с очень высоким уровнем инсоляции, это, например, ОАЭ и Израиль. Что касается последнего, то на его территории работает одна из крупнейших энергостанций такого рода с мощностью в 110 МВт.
Nature, 2018. DOI: 10.1038/s41586–018–0593–1
