Elektrownia orbitalna – proponowany sztuczny satelita umieszczony na wysokiej orbicie, działający jak elektrownia słoneczna i przesyłający energię na Ziemię za pomocą mikrofal do specjalnej anteny odbiorczej. Zaletą w stosunku do tradycyjnych elektrowni słonecznych byłoby nieprzerwane wystawienie jego ogniw na światło Słońca, nie zmieniające się w zależności od pogody, pory dnia ani pory roku. Koszt takiej konstrukcji jest jednak bardzo wysoki a może być ona rozważana jedynie wtedy, gdy przynajmniej jeden z poniższych warunków zostanie spełniony:
- loty orbitalne znacznie stanieją,
- przemysł orbitalny umożliwi konstrukcję takich elektrowni z materiałów spoza Ziemi,
- ceny energii znacznie wzrosną,
- zostaną podjęte decyzje o ograniczeniu zużycia paliw kopalnych i przestawieniu przemysłu na alternatywne źródła energii.
Spis treści |
edytuj Historia
Pierwsze projekty elektrowni orbitalnej pochodzą z lat sześćdziesiątych XX wieku[1]. Początkowo uznawane były za niewykonalne, z powodu braku technologii do efektywnego przesyłania energii z orbity na Ziemię. W 1973 roku Peter Glaser z Arthur D. Little, Inc. rozwiązał ten problem, patentując metodę przesyłania energii za pomocą mikrofal[2]. Wzbudziło to zainteresowanie NASA, która zleciła jego firmie przeprowadzenie analizy możliwości budowy takich elektrowni. Raport opublikowany w 1974 roku stwierdzał że, choć wymaga to przezwyciężenia szeregu problemów, projekt jest obiecujący w dłuższej skali czasowej[3]. Kongres amerykański zlecił NASA i DOE przeprowadzenie szerszych badań w kolejnych latach. Ich wyniki zostały opublikowane w szeregu raportów w 1978 roku[4]. Konkluzje były wystarczająco krytyczne, aby przez kolejnych 20 lat projekt nie był kontynuowany.
Na początku XXI wieku pojawiły się pomysły odświeżenia projektu, w USA[5][6] i w Japonii[7][8]. Związane jest to głównie ze wzrostem cen ropy naftowej, rozwojem inżynierii materiałowej i spadkiem cen ogniw słonecznych[9]. W obecnej chwili projekty te nie są szerzej finansowane.
edytuj Opis
Główne elementy elektrowni orbitalnej to:
- kolektor, zwykle zbudowany z baterii słonecznych,
- antena mikrofalowa, skierowana na Ziemię,
- duża antena odbiorcza, umieszczona na powierzchni Ziemi.
Kolektor słoneczny może mieć konstrukcję podobną jak jego naziemne odpowiedniki. Nieważkość i brak czynników pogodowych pozwala jednak zrezygnować z wielu elementów konstrukcyjnych, co może znacznie obniżyć jego masę. Wymagane jest jedynie utrzymywanie go w całości i możliwość obracania, tak aby był skierowany przez cały czas w stronę Słońca.
Uzyskanie skupionej wiązki mikrofal z odległości sięgającej orbity geostacjonarnej wymaga anteny nadawczej o średnicy około kilometra. Antena odbiorcza powinna mieć wtedy około 10 km średnicy. Przy natężeniu mikrofal przy powierzchni Ziemi 230 W/m², umożliwi to przesyłanie 5-10 gigawatów mocy[10]. Uzyskanie takiej mocy ze światła słonecznego wymaga kolektora 5- do 10-kilometrowej średnicy (w zależności od typu użytych ogniw). Kolektor i antena nadawcza stanowią więc najbardziej kosztowną część konstrukcji. Antena odbiorcza na powierzchni Ziemi może być zbudowana z prostych i tanich dipolowych anten, uzyskując i tak do 85% sprawności[11].
edytuj Problemy
edytuj Koszt wyniesienia na orbitę
Podstawowym problemem jest koszt wyniesienia konstrukcji na orbitę. Obecnie cena wyniesienia na orbitę sięga 6-11 tys. $ za kilogram. Według szacunków, aby elektrownia orbitalna była opłacalna, cena ta musi spaść do 400-500 $/kg.
Przy analizie należy uwzględniać czynnik skali. Wielokrotne loty mogą obniżyć średni koszt wyniesienia kilograma na orbitę[12]. Aby pokazać jaka ilość lotów jest potrzebna, załóżmy przykładowo użycie bardzo lekkich ogniw, o masie 1 kg na uzyskiwany kilowat. 4 GW elektrownia będzie wymagała minimalnej masy 4 tys. ton. Oznacza to co najmniej 40-80 kursów wielkoładunkowych (HLLV) do wyniesienia elementów na niską orbitę. Stamtąd używając silników jonowych mogą one zostać stopniowo wyniesione na wyższą orbitę. Szacując koszt jednego kursu na 500 milionów $, otrzymujemy sumaryczny koszt 20-40 miliardów $.
Istnieje kilka pomysłów znacznego obniżenia tej wartości, w oparciu o potencjalnie realizowalne technologie:
- Zbudowanie paneli z materiałów księżycowych. Koszt wyniesienia analogicznej masy z powierzchni Księżyca byłby kilkadziesiąt razy mniejszy. Realizacja tego wymaga opracowania technologii wydobycia materiałów z Księżyca, wyprodukowania na miejscu ogniw, oraz produkcji na miejscu paliwa do rakiet.
- Wykorzystanie planetoid. Potencjalnie stosunkowo niewielki pojazd kosmiczny mógłby przyholować na orbitę planetoidę zawierającą wystarczającą ilość materiałów. Do tej pory nie przeprowadzono jednak żadnych prób kontrolowanej modyfikacji trajektorii planetoidy. Dodatkowo idea ta wymaga zbudowania odpowiedniej infrastruktury przetwórczej na orbicie.
- Wyniesienie elektrowni za pomocą windy kosmicznej. Takie rozwiązanie byłoby najtańsze i nie wiązałoby się z dodatkowymi komplikacjami. W tym momencie nie istnieją jednak włókna z których można by zbudować windę kosmiczną. Duże nadzieje wiązane są z pracami nad nanorurkami węglowymi.
edytuj Bezpieczeństwo
Wykorzystanie mikrofal do przesyłania energii jest najbardziej kontrowersyjnym elementem projektu. Kontrowersje te są jednak głównie efektem nieporozumienia, gdyż używana wiązka mikrofal nie będzie w stanie wyrządzić żadnych szkód.
Na powierzchni Ziemi, intensywność wiązki w jej centrum ma wynosić około 230 W/m². Stanowi to mniej niż 1/5 stałej słonecznej. Nie jest zatem możliwe spalenie, ani nawet istotne podgrzanie niczego taką wiązką. Badania pokazują, że takie natężenie nie wyrządza szkód żywym istotom nawet przy ciągłej ekspozycji[13]. Poza obszarem anteny odbiorczej natężenie mikrofal będzie wynosiło poniżej 10 W/m² i szybko malało z odległością od anteny. Zagrożenie z nim związane nie jest większe od powodowanego przez używanie telefonów komórkowych.
edytuj Ekonomia
Konkurencyjność elektrowni orbitalnej zależy od cen energii i jest powiązana z dostępnością alternatywnych jej źródeł. Możliwość umieszczenia taniej anteny odbiorczej na dowolnym obszarze, pozwala traktować taką elektrownię jako elastyczne źródło energii do obszarów gdzie jest ona najdroższa.
Przykładowo 4 GW elektrownia, działająca nieprzerwanie przez 99% czasu wytwarzałaby około 35 TWh energii w ciągu roku. Przy obecnych cenach energii w USA (około 5 centów za kWh), oznacza to 1,75 mld $ rocznie, czyli 35 mld $ w ciągu 20 lat działania. Jest to prawdopodobnie mniej niż wyniósłby koszt konstrukcji. Z drugiej strony, cena energii w Wielkiej Brytanii sięga 22 centów za kWh, co oznacza około 150 mld $ zysku w ciągu 20 lat.
edytuj Porównanie z paliwami kopalnymi
Współcześnie około 85% energii wykorzystywanej przez ludzkość pochodzi z paliw kopalnych[14]. Jej cena zależy więc w dużej mierze od dostępności i cen wegla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Ich zasoby są jednak ograniczone (zobacz Peak Oil) i ciągłe zwiększenie zapotrzebowania związane z rozwojem państw takich jak Chiny i Indie sugeruje, że ceny te będą z upływem czasu rosnąć.
edytuj Porównanie z energetyką jądrową
Energetyka jądrowa jest czystszą i bardziej efektywną alternatywą dla paliw kopalnych. Elektrownie orbitalne posiadają nad nią jednak szereg zalet, mogących uzasadnić większe koszty:
- brak odpadów promieniotwórczych,
- brak niebezpieczeństwa katastrofy (wyłączając ryzyko związane z samymi lotami orbitalnymi),
- niezależność od dostępności paliw rozszczepialnych,
- brak zagrożeń związanych z rozprzestrzenieniem broni jądrowej.
Z drugiej strony, podobnie jak energetyka jądrowa, elektrownie orbitalne mogą być postrzegane przez społeczeństwo jako niebezpieczne.
edytuj Porównanie z energetyką fuzyjną
Fuzja jądrowa stanowi potencjalnie nieograniczone źródło czystej energii. Elektrownie wykorzystujące to zjawisko produkowałyby znacznie mniej odpadów od elektrowni atomowych, korzystały z łatwo dostępnego paliwa i nie wiązałyby się z żadnym ryzykiem katastrofy. Jednak mimo intensywnych prac prowadzonych od kilkudziesięciu lat, są one wciąż dopiero w fazie projektów. Zastosowanie tej technologii jest uzależnione od dalszych przełomów w inżynierii materiałowej i fizyce plazmy. Obecnie największe nadzieje wiązane są z 10-miliardowym projektem ITER, który ma rozpocząć działanie w 2016 roku.
Elektrownie orbitalne z kolei nie wymagają opracowania żadnych nowych technologii, a jedynie ich opłacalność jest uzależniona od zmniejszenia kosztów współcześnie znanych rozwiązań.
edytuj Porównanie z naziemną energetyką słoneczną
Większość obszarów Europy, w szczególności Europa Północna, położone są na zbyt dużej szerokości geograficznej, żeby otrzymywać duże nasłonecznienie. Jest to jeden z powodów dla których energetyka słoneczna nie jest tam konkurencyjna. Ceny ogniw słonecznych szybko jednak maleją[15] i z upływem czasu rola tej energetyki może wzrosnąć.
Nawet przy znacznym spadku cen ogniw, elektrownia orbitalna wciąż posiada wiele zalet w stosunku do dużych elektrowni naziemnych:
- Elektrownia naziemna wymaga kilkukrotnie większego obszaru. W zależności od nasłonecznienia miejsca budowy, baterie słoneczne pokryłyby 4-10 razy większą powierzchnię niż antena odbiorcza.
- Antena odbiorcza jest przezroczysta, prosta w konstrukcji i tania. Może zostać wybudowana ponad normalnie uprawianymi polami, nie zajmując tym samym użytecznego miejsca.
- Klasyczna elektrownia słoneczna nie produkuje energii nocą. Oznacza to konieczność dodatkowej infrastruktury do przechowywania energii, bez której może ona służyć jedynie jako pomocnicze źródło energii dla innych elektrowni.
- Czynniki pogodowe wpływają na efektywność elektrowni naziemnych i powodują ich zużywanie. Ogniwa naziemne są również bardziej narażone na zniszczenie i trudniejsze do zastąpienia niż anteny dipolowe.
- Położenie naziemnej elektrowni jest ustalone. Elektrownia orbitalna może mieć wybudowanych kilka tanich anten odbiorczych i kierować energię w miejsce, gdzie jest ona aktualnie bardziej potrzebna i cenniejsza.
edytuj Porównanie z innymi odnawialnymi źródłami energii
Pozostałe odnawialne źródła energii (energia wiatru, energia wodna, energia geotermalna itp.) mogą zaspokoić jedynie część światowego zapotrzebowania. Ich wykorzystanie jest ograniczone głównie przez warunki geograficzne. W 2005 roku w USA elektrownie wodne produkowały 6,5% całej energii, a pozostałe źródła odnawialne 2,3%[16]. Według analiz DOE do 2030 roku te liczby będą wynosić odpowiednio 3,4% i 2,9%[17].
Elektrownie korzystające z pływów, fal i prądów morskich mogłyby dostarczyć więcej energii, jednak wymagają jej przesyłania na duże odległości, co również wiąże się z dużymi kosztami.
Przypisy
- ↑ Power from the Sun: Its Future
- ↑ Patent mikrofalowego przekaźnika energii
- ↑ Glaser, P. E., Maynard, O. E., Mackovciak, J., and Ralph, E. L, Arthur D. Little, Inc., "Feasibility study of a satellite solar power station," NASA CR-2357, NTIS N74-17784, Feb. 1974
- ↑ Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program Reference System Report
- ↑ A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts, and Technologies. John C. Mankins. International Astronautical Federation
- ↑ Pentagon Considering Study on Space-Based Solar Power
- ↑ Japan Developing SPS (Associated Press)
- ↑ Conceptual study of a SPS
- ↑ Reinventing the Solar Power Satellite
- ↑ Satellite Concept Power Systems Definition Study
- ↑ Figure 3.8.2.2-6. Orbital Options for Solar Power Satellite
- ↑ A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts and Technologies
- ↑ A Hopeful View of the Human Future, Gerard K. O'Neill, ISBN 0-671-24257-1, P. 182-183
- ↑ World Consumption of Primary Energy by Energy Type and Selected Country Groups, 1980-2004
- ↑ Transition to sustainable markets Figure 3 shows approximately 9% decrease per year in costs for PV
- ↑ U.S. Energy Information Administration: Electric Power Generation by Fuel Type (2005)
- ↑ Annual Energy Outlook 2007 (Early Release)