В. В. Путин в своей речи на юбилейной 70-й Генассамблее ООН сказал: «Среди проблем, которые затрагивают будущее всего человечества, и такой вызов, как глобальное изменение климата». Президент указал на необходимость создания природосберегающих технологий, решающих эту проблему. Также злободневной проблемой для России В. В. Путин называет необходимость «освобождаться от нефтяной иглы».

Решение проблемы замещения нефти и других энергоресурсов, прежде всего в удалённых регионах, напрямую связано с реализацией новой концепции развития распределённой и возобновляемой энергетики. Эта концепция рассматривает автономные системы энергоснабжения, которые используют различные виды источников энергии, а именно — всё многообразие местных энергетических ресурсов. Задача этих систем — удовлетворение нужд населения и производств в электроэнергии, тепле и различных видах моторных топлив. К наиболее высокому уровню развития таких систем можно отнести многофункциональные энерготехнологические комплексы (МЭК) модульной типа на базе гибридных энергоустановок. Под многофункциональностью следует понимать возможность подобного комплекса производить из местных топливно-энергетических ресурсов моторные топлива, электро- и тепловую энергию. Использование местных энергоресурсов позволит решить многие вопросы энергоснабжения, «северного завоза», улучшить социально-экономическую и экологическую обстановку.

Суть новой Концепции развития распределённой и возобновляемой энергетики заключается:

  • в реализации многофункциональности, многотопливности, модульного построения автономных систем энергоснабжения, в использовании местных энергоресурсов, ВИЭ, в том числе космической энергии;
  • в разработке и реализации единого обобщённого универсального унифицированного типового проекта, который отвечал бы современным техническим требованиям, предъявляемым к автономным системам энергоснабжения (АСЭС);
  • в согласованности характеристик энергетических модулей, в том числе ДВС, силовых генераторов, ВИЭ-модулей, потребителя нагрузок и др. модулей (известно, что технические решения, заложенные в конструкцию ДВС-электростанций, которые являются основой развития малой энергетики, исчерпали свои возможности для дальнейшего повышения их энергетической эффективности).

Применение МЭК в составе АСЭС позволит не только оптимизировать режимы её работы с использованием ВИЭ, но и перевести её на новую конструктивно компоновочную схему с многоканальным распределением энергетических потоков различной физической природы.

МЭК является той основой, которая позволит объединить все типы энергетических установок, предназначенных для производства прежде всего моторных топлив, электро- и тепловой энергии. Это объединение должно выполняться в соответствии с мощностным рядом МЭК с использованием серийно выпускаемых энергоустановок и на основе оптимального согласования технических характеристик всех элементов АСЭС по максимуму её полного КПД.

Многофункциональные энерготехнологические комплексы — это более высокая степень обобщения по отношению к любому типу энергоустановок малой мощности. Поэтому любая автономная система энергоснабжения, в основе которой лежит какое-либо сочетание объектов малой и возобновляемой энергетики, всегда будет более частным случаем по отношению к АСЭС на основе обобщённого МЭК.

Многофункциональные энерготехнологические комплексы — это более высокий уровень развития объектов малой и возобновляемой энергетики, так как в основе их построения заложены новые конструктивно-компоновочные решения и методы оценки его энергетической эффективности.

Распределённая энергетика и солнечные космические лазерные электростанции . 3/2016. Фото 1

Космический аспект

Одним из направлений решения проблемы энергоснабжения Крайнего Севера и Арктики является создание космических солнечных электростанций (КСЭС), транслирующих энергию на Землю. В соответствии с классификационными признаками МЭК космическую солнечную электростанцию можно отнести к многофункциональным энерготехнологическим комплексам. Это позволит использовать разработанную математическую модель обобщённого МЭК:

  • для сквозного энергетического анализа и контроля, количественной и качественной оценки энергетического процесса производства, передачи и потребления электроэнергии и тепла в реальном масштабе времени;
  • с целью управления (оптимизации) режимов работы и показателями качества всех элементов МЭК на базе космических солнечных электростанций.

Научно-технический прогресс привёл к возможности создания новых технологий генерации и беспроводной передачи огромных потоков энергии [1], которые могут кардинально повлиять на социально-экономическое положение России. Путём создания КСЭС и трансляции энергии на Землю возможно в пять-десять раз снизить стоимость электрообеспечения в регионах России, где отсутствуют кабельные сети электропередач. Это Сибирь, высокоширотные регионы, Камчатка, Дальний Восток. В целом, это 80% территории России с населением 20 млн человек, где сосредоточены огромные природные ресурсы [2]. Перевод традиционной энергетики на КСЭС исключает техногенные воздействия, создающие парниковый эффект и изменение альбедо Земли. Эволюция масштабных газодинамических атмосферных явлений (циклоны, смерчи, тайфуны) на этапах начала формирования содержит неустойчивые этапы, когда привнесение относительно небольшого поглощения лазерной энергии может изменить направленность процесса в целом. Солнце является природным термоядерным реактором, практически бесконечным по времени существования и безграничным по количеству вырабатываемой им энергии. К. Э. Циолковский в начале прошлого века начал развитие космонавтики именно с целью освоения солнечной космической энергии на благо человечества. Вынос преобразователей энергии за пределы биосферы Земли существенно снижает нагрузку на биосферу и, в частности, приводит к снижению парникового эффекта и стабилизации погоды и климата в целом.

Научно-технический прогресс привёл к возможности создания новых технологий генерации и беспроводной передачи огромных потоков энергии, которые могут кардинально повлиять на социально-экономическое положение Российской Федерации

Экологические последствия такого энергоснабжения существенно ниже, чем последствия от традиционных энергетических источников, таких как тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

Помимо альтернативы последним в плане энергоснабжения традиционных объектов, появляются новые возможности беспроводной передачи энергии: обеспечение энергоснабжения удалённых и труднодоступных районов при отсутствии необходимой кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Канады, Гренландии, Арктики и Антарктиды, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф); решение проблемы пиковых нагрузок; зарубежные поставки, борьба с космическим мусором и астероидами, новые стратегия и тактика в решении оборонных задач, резервные энергосистемы для парирования последствий террористических актов в электросетях (Республика Крым).

Распределённая энергетика и солнечные космические лазерные электростанции . 3/2016. Фото 2

Проекты КСЭС стали разрабатываться сразу после начала космической эры и отличались СВЧ-концепцией передачи энергии и использованием жёстких каркасов площадью несколько десятков квадратных километров для крепления солнечных батарей. В настоящее время США и Япония активно разрабатывают КСЭС гигаваттного уровня для начала рынка «космического электричества», который может изменить международный рынок энергетических ресурсов, в частности, снизить спрос на природные ресурсы России, а также угрожать её энергетической безопасности. В силу чрезвычайной сложности конструктивно-технологической реализации схемы США у ряда ведущих специалистов NASA сложилось мнение, что разрабатываемые в настоящее время проекты КСЭС нереализуемы и требуются новые идеи.

Российскими специалистами предлагается существенное упрощение схемы КСЭС в целом, снижение её стоимости, повышение надёжности и эффективности. Кардинально положение изменилось в проблеме создания КСЭС в последние три-пять лет в связи с успехами в разработке волоконных лазеров и возможностью создания крупногабаритных космических бескаркасных конструкций из волоконных лазеров с солнечной накачкой, формируемых центробежными силами [3]. Волоконные лазеры способны дать узкий луч, на пять порядков меньший по площади СВЧ-луча на Земле. Отсутствие жёсткого каркаса резко упрощает и удешевляет конструкцию и возможность вывода её на орбиту ракетой-носителем. Отрадно, что госкорпорация «Ростех» в лице её генерального директора С. В. Чемезова доложила в октябре 2015 года премьеру Д. А. Медведеву об актуальности проблемы создания КСЭС. Корпорация готовит первый космический эксперимент «Солнечный лазер» по трансляции лазерного луча на Землю, как прототип КСЭС. Это начало пути. Необходима консолидация сил промышленности, Академии Наук и вузов для решения проблемы создания крупномасштабных КСЭС.

Развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни России. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация. Направление центробежных волоконных лазеров обещает привести к инновационной технологии создания новейших информационно-энергетических систем беспроводной передачи энергии для решения широкого круга перспективных задач. Россия может стать обладателем уникальной технологии в области космического электричества, значительным образом подняв престиж самой космической техники в решении важнейших социально-экономических задач страны. Влияние такой технологии на международное и социально-экономическое положение России сложно переоценить. Ожидается, что при развитии она будет сопоставима с такой успешной отечественной отраслью, как атомная энергетика. Эта технология может осуществить замещение нефти или стать альтернативой исчерпанию традиционных энергоресурсов и способствовать стабилизации климата. В России накоплен мощный задел в области волоконных лазеров и создания центробежных космических конструкций.

Необходима государственная программа по созданию КСЭС, как это осуществлено в США и Японии с чёткими этапами и сроками их исполнения при достаточном финансировании. Отсутствие паритета в столь перспективном направлении с зарубежными странами для России недопустимо.

Распределённая энергетика и солнечные космические лазерные электростанции . 3/2016. Фото 3