Слънцето. Огромно кълбо нажежена плазма с диаметър милион и половина километра. 300 000 пъти по-масивно от Земята и с температури, достигащи милиони градуси във вътрешността и над 5000 градуса по повърхността. Този термоядрен реактор е отговорен не само за съществуването на живота на нашата малка планета, но и за самото и сътворение. И докато учените се опитват да овладеят реакциите на термоядрен синтез, да пресъздадат условията, които се срещат в звездите, тук – в лаборатории, защо не се възползваме от безплатната енергия, която буквално „вали“ всеки ден над главите ни?

Може би по-запознатите от вас ще изтъкнат множество факти и цифри, свързани със „зелената“ енергия, програмите за екологични източници и приемането на фотоволтаиците в световен мащаб. Истината обаче е следната – почти цялата енергия, необходима на човечеството днес, се произвежда от атомни централи, водно- и топлоелектрически централи. Защо това е така, ще се промени ли някога и има ли смисъл да се изливат милиарди в изкуственото налагане на тази технология?

Колко точно енергия ни праща Слънцето

Чистата енергия, която достига земната атмосфера е 1367 вата на квадратен метър. Толкова получават слънчевите батерии на орбиталните телескопи, космическата станция и всичко, което разчита на този вид енергия в Космоса. Атмосферата на Земята обаче поглъща, разсейва и отразява голяма част от UV спектъра, което води до 1050 вата на квадратен метър видима светлина, които достигат земната повърхност или 1120, ако включим и инфрачервения и ултравиолетовия спектър.

Един киловат на квадратен метър не изглежда никак зле – за сравнение, едно домакинство има нужда от около 700-800 киловатчаса месечно. На теория, два квадратни метра от слънчева енергия могат да осигурят това количество, но тук се сблъскваме с една от основните пречки пред соларното ни бъдеще – технологията.

Как събираме слънчева енергия

Има два основни метода, които са се наложили като най-ефикасни при използването на енергията от нашата звезда. На първо място идва по-простия метод и системите за концетриране на слънчева енергия. Това са параболични огледала, които събират в една точка енергията от много квадратни метри, най-просто казано. В съответната точка енергията е най-вече топлинна – принципът е същият като игрите с лупа от детските ви години – когато се прогаряли хартия, дърво или, ако сте били по-жестоки като деца – мравки и други инсекти.

Концетрираната светлина и температурата, която получаваме в резултат, се използват за загряването на течност, която се изпарява и върти турбини – добрият стар метод, на който се разчита и в конвенционалните централи. Тези системи имат няколко съществени недостатъка – първо, те имат нужда от много прецизни системи за следене на Слънцето, защото дори минимално ъглово отклонение води до разместване на фокусната точка и падане на температурата – и второ, облаците и липсата на пряка слънчева светлина почти нулират ефекта на тези централи.

Другият разпространен метод за събиране е чрез фотоволтаици. Няма да се спираме в подробности на фотоволтаичния ефект и всичките му физични особености. Системата може да се обясни просто по следния начин – фотоните от слънчевата светлина попадат върху фотоволтаичния материал – в най-разпространения случай това е силиций, поглъщането на тези фотони води до „избиване“ на електрони от атомите на материала – те използват енергията на фотоните, за да прескочат на по-високо енергетично ниво и да се освободят от ядрата. Резултатът е електрически потенциал в материала.

Тази технология има своите предимства – за разлика от системите за концетриране на светлината, тук няма нужда от толкова прецизно водене, защото ъгълът, под който фотоните падат върху материала не е необходимо да бъде 90 градуса. Друг плюс е възможността системата да поизвежда електричество дори в облачно време и при по-ниски нива на осветеност – тук нямаме нужда от преминаване на светлинната енергия в топлина, която след това да загрява вода, а парата да завърта генератор. При фотоволтаиците получаваме директно електричество, без да бъдат необходими тези стъпки, което води до по-малко загуби.

Недостатъците на тази система са основно два -КПД и цена. В момента най-разпространените комерсиално фотоволтаични панели имат ефективност около 20% в най-добрия случай, което значи около 200 вата на квадратен метър в идеално слънчев ден. Разбира се, учените не престават да работят по различни материали, които да увеличат тези стойности – най-доброто, което е постигано в лаборатория към този момент е 44,4%. Наноматериалите от своя страна предлагат много голям потенциал за тези приложения, като повечето учени разработват теоретични постановки, които ще са способни да улавят до 90% от слънчевата енергия.

Не трябва да забравяме и другия недостатък – цената. Производствените разходи за фотоволтаични системи и типичният живот на материала от 20-30 години, правят този вид енергия много по-скъп, в сравнение с атомната енергия например. Към момента в Европа енергията от фотоволтаици излиза около 21 евроцента на киловатчас, докато тази от атомни централи е два пъти по-евтина – 10 евроцента.

Голямата картина

Какво е бъдещето? Има ли достатъчно фактори, достатъчно подходящи обстоятелства, икономически и технологичен климат, който да тласнат човечеството към използване на слънчевата енергия? И може ли тя да задоволи сама нуждите и потреблението на Земята? Към 2008 година световната консумация на енергия е била 143 000 тераватчаса, а ако отчетем тенденциите, към днешна дата тази цифра трябва да клони към 200 000. Това означава, че трябва да покрием 1 милиард квадратни километра със соларни панели с настоящата технология, за да задоволим тази нужда. Повърхността на Земята е около 500 милиона квадратни километра. Вярвам сами можете да направите сметката – не ни достига още една планета.

Популацията ще се увеличава, а енергийните нужди ще растат – от друга страна, енергията, която ни дава Слънцето, остава константа. Дори да развием технологията до степен да усвояваме 100% от получаваната енергия, това няма да бъде достатъчно. Не сме забравили и най-основният недостатък – Слънцето грее ограничен брой часове в денонощието – има региони, в които то липсва с месеци, а дори в най-благоприятните за соларни ферми места нямаме 24 часов поток от енергия.

Заслужава ли си тогава да се наливат толкова средства в изкуственото адаптиране на тази технология? Не трябва ли да се заложи на термоядрения синтез – международният проект за термоядрен комплекс ITER във Франция е в процес на изграждане и въпреки множеството финансови пречки и забавяния, той трябва да започне да произвежда комерсиално достъпна енергия от 500 мегавата през 2027 година. Всъщност, въпросът е неправилно зададен. Разбира се, че не трябва да се отказваме от безплатната и достъпна енергия от Слънцето – тя има своите приложения, макар и по-ограничени, отколкото ни се иска. Ключовият момент е по-добрата енергийна ефективност на човечеството като цяло. Може би трябва да заложим на по-ефективни системи за пренос на енергия, по-малко загуби, по-икономични устройства. А може би физиците ще направят поредния пробив и ще прескочим на ново енергетично ниво, което ще ни изстреля директно към звездите? Времето ще покаже.

Мариян Славов