В США приступили к строительству гелиоконцентратора нового типа — работать будут керамика и сверхперегретый углекислый газ

В Сандийской национальной лаборатории (США) началось строительство экспериментальной солнечной электростанции нового поколения, которая может стать прорывом в области возобновляемой энергетики. Уникальность проекта заключается в применении сыпучего керамического теплоносителя, способного аккумулировать тепло при температуре свыше 800 °C, что обещает радикально повысить эффективность и снизить стоимость «солнечного» электричества.

Песок вместо пара: как новая технология меняет правила игры

В отличие от традиционных солнечных тепловых электростанций, использующих расплавленные соли или воду, демонстрационная установка Generation 3 Particle Pilot Plant (G3P3) будет работать на микрочастицах оксида алюминия. Этот сыпучий материал, по свойствам напоминающий песок, обладает высокой теплоёмкостью и термической стабильностью. Частицы поднимаются на вершину башни, где фокусированное солнечное излучение разогревает их до температур, превышающих 800 °C, после чего они поступают в изолированный накопительный бункер.

Ключ к круглосуточной генерации — сверхэффективное хранение энергии

Главным преимуществом технологии является её способность к длительному и практически безубыточному хранению тепловой энергии. Раскалённые частицы могут сохраняться в бункере неделями, обеспечивая генерацию электричества в пасмурную погоду или ночью. Мощность опытной установки составит 1 МВт, а её тепловой аккумулятор сможет запасать до 1 ГВт•ч энергии, что эквивалентно суточному потреблению небольшого города.

Инженерный вызов: материалы и циклы для экстремальных температур

Переход к столь высоким рабочим температурам потребовал полного пересмотра инженерных решений. Для ключевых элементов приёмника, через который падают и нагреваются частицы, были выбраны тугоплавкие сплавы на основе карбида циркония и вольфрама, аналогичные используемым в аэрокосмической отрасли. Ещё более революционным стало изменение термодинамического цикла.

Сверхкритический CO2 вместо водяного пара

Вместо привычного пара для вращения турбины в G3P3 будет применяться сверхкритический диоксид углерода в цикле Брейтона. Нагрев CO2 до 700 °C и выше позволяет достичь беспрецедентного коэффициента полезного действия преобразования тепла в электричество — почти на 50% выше, чем у паровых турбин в современных солнечных установках. Это напрямую влияет на конечную стоимость киловатт-часа.

Разработчики из Министерства энергетики США рассчитывают, что масштабирование технологии до коммерческих станций с турбинами мощностью 100 МВт позволит к 2030 году снизить стоимость электроэнергии до 5 центов за кВт•ч. Это сделает её конкурентоспособной не только с другими видами генерации на ВИЭ, но и с традиционной энергетикой на ископаемом топливе.

До недавнего времени главным препятствием для широкого внедрения солнечной тепловой энергетики была высокая стоимость и ограниченная ёмкость систем хранения. Прорыв в материаловедении, позволивший перейти к сыпучим керамическим теплоносителям, открывает путь к созданию по-настоящему диспетчеризуемых солнечных электростанций. Их роль в энергосистеме будущего может стать ключевой, так как они способны не только производить, но и надёжно сохранять энергию в промышленных масштабах, компенсируя непостоянство ветра и солнца. Успех демонстратора G3P3, запуск которого намечен на осень 2024 года, может задать новый вектор развития всей отрасли возобновляемой энергетики.