Солнечный асфальт: путь в будущее или дорога в никуда?

По некоторым подсчетам, порядка 0,2–0,5 процента поверхности мировой суши покрыто дорогами. И это отношение должно увеличиться на 60% к 2050 году. Поразительно много места отведено дорогам, а ведь они служат по большей части только для транспорта. Что, если заставить их вырабатывать энергию?

В Китае ведется строительство одной из первых в мире солнечных трасс. Могут ли шоссе, покрытые солнечными панелями, стать энергетическими станциями будущего?

Одним из преимуществ ископаемого топлива по отношению к возобновляемым источникам энергии является плотность энергии. Причина довольно проста: ископаемое топливо — это возобновляемая энергия, которая накапливается в течение миллионов лет. Нефть, уголь, природный газ — это все запасы энергии, которые были созданы из растений (и животных, которые эти растения ели) и накапливали солнечную энергию в течение тысячелетий с помощью фотосинтеза. Получается, ископаемые виды топлива более энергоемкие, чем использование солнечной энергии в реальном времени.

Проще говоря: ископаемое топливо требует намного меньше земли для производства энергии, чем солнечные батареи.

Одним из крупнейших препятствий на пути к использованию возобновляемых источников энергии является физическое пространство, необходимое для обслуживания этих источников. А наш постоянно растущий уровень потребления энергии превращает все это в проблему. Первичная энергия — общий объем энергии, потребляемой людьми, из всех источников — включает ископаемое топливо и возобновляемые источники. В 2016 году мы потребили 478 ТВт первичной энергии, и это число растет с каждым годом.

Например, если вы хотите обеспечить все наши потребности в энергии за счет кукурузного биоэтанола, который имеет плотность производства энергии порядка 0,2 Вт на квадратный метр (одну из худших среди биотоплива), нужно порядка 2 х 1015квадратных метров земли, чтобы выращивать кукурузу. К сожалению, это более чем в четыре раза больше площади поверхности Земли.

Противники возобновляемых источников энергии используют этот пример, чтобы показать, что инфраструктура возобновляемой энергии просто невозможна. Но это преувеличение; плотность энергии для массивов солнечных батарей может достигать 20 Вт/м2 или даже больше, а на это поверхности Земли вполне хватит. Стоит также отметить, что энергия, производимая солнечными панелями, имеет форму высококачественного электричества.

Поскольку отказ от ископаемого топлива означает использование электроэнергии вместо сжигания топлива, что зачастую является более эффективным, мы бы потребляли меньше первичной энергии в мире без ископаемого топлива; электростанции на ископаемом топливе эффективны не на 100%, а некоторые теряют до 70% первичной энергии при преобразовании в электричество. Однако масштабы возобновляемых источников, которые могли бы заменить традиционные источники энергии, потребуют много земли.

Вполне естественно, что многие люди рассматривают дорожные сети в качестве варианта.

Учитывая то, что земля уже покрыта дорогами, ущерб экологии будет довольно низким. Такие электростанции не будут страдать от проблем удаленности, с которыми мы могли бы столкнуться в Сахаре; для ремонта и обслуживания будет достаточно добраться до них… по дороге. Добавьте светодиоды и появится разметка, дорожные знаки, освещение и границы. Можно даже помечтать, что однажды автомобили будут получать энергию беспроводным путем, просто путешествуя по таким дорогам.

Казалось бы, это совершенно невыполнимо. Но нет, у солнечных дорог есть много поддержки от правительств и компаний.

В Китае вот решили заключить 2 километра солнечных панелей в сэндвич между прозрачным асфальтом и слоем изоляторам. И это самая последняя попытка что-то сделать. Solar Roadways, стартап из Айдахо, уже привлек 2 миллиона долларов на разработку на Indiegogo. Скотт Брюсов, основатель компании, представил прототип дороги, созданный на заднем дворе, который мог бы обеспечить половину энергетических потребностей США. К сожалению, Solar Roadways придется привлечь больше инвестиций и преодолеть скептический барьер. Дэвид Бьелло отметил в статье в Scientific American, что «стекло для таких дорог должно быть закаленным, самоочищающимся и способным передавать свет батареям даже в жутких погодных условиях — такого стекла просто не существует».

Китайский метод задействует новый прозрачный асфальт вместо стекла и решает проблема материаловедов, поскольку выдерживает в 10 раз больше давления, чем обычный асфальт. Строительство солнечных дорог — это не дело для одного человека или одной страны; прототипы создавались в Нидерландах — велосипедная дорожка SolaRoad, и во Франции — вроде как даже первую солнечную дорогу построили. Такие проекты уже генерируют энергию на протяжении нескольких лет, поэтому идея в принципе реализуема. К сожалению, между «в принципе реализуемым» и «практичным» лежит огромная пропасть.

Например, цена. Есть оценивать Solar Roadways Скотта Брюсова, стоимость замены американских дорог солнечными составит 56 триллионов долларов, поэтому никакой краудфандинг не покроет затрат (если только каждый на планете не скинется на дело Брюсова). В любом правительстве существует консенсус относительно инвестиций в инфраструктуру, но едва ли солнечные дороги беспрепятственно получат финансирование. Китайская солнечная дорога стоит 458 долларов за квадратный метр, а Брюсова — 746 долларов. Лучше, но не сильно.

Очевидно, любое реальное решение нашего энергетического кризиса должно быть радикальным и массивным. Похожие радикальные схемы по превращению Сахары в гигантскую солнечную батарею или высасыванию диоксида углерода из атмосферы также будут оцениваться в триллионы долларов.

Но наряду с себестоимостью, есть еще очень важный вопрос о том, сработает ли это как решение для энергетического кризиса. Дороги не всегда строили в оптимальных местах для размещения солнечных панелей, и они могут быть не под идеальным углом для таковых. Если очистка солнечных панелей в Сахаре от пыли представляет проблему, то поддержание дорог функционирующими и чистыми одновременно может превратиться в кошмар техника. Трудно понять, почему размещение панелей параллельно с дорогой не будет дешевле и лучше.

А сами прототипы…

Прототип дороги в Нидерландах, как сообщили, работает «лучше, чем ожидалось», генерируя «70 киловатт-часов на квадратный метр в год». Но 70 кВт⋅ч это совсем немного. Если вы захотите зарядить на такой дороге свой автомобиль, 1 квадратный метр обеспечит вам пробег в 500 километров в год на вашей Tesla; однако среднестатистический автомобиль пробегает 15 000 километров в год, поэтому эти 500 километров будут каплей в море.

А что делать с проблемой плотности энергии? Масштабирование голландского прототипа приведет к плотности в 8 Вт на квадратный метр. Если вы потратите 56 триллионов на солнечные дороги, вы покроете около 7,5 х 1010 квадратных метров панелями и получите 600 ГВт электроэнергии. Неплохо — примерно столько энергии поглощают США за день. Но за 56 триллионов можно было бы придумать что-нибудь получше.

Стремление к созданию солнечной дороги в Китае по-своему символично. Страна ищет инновационные энергетические решения. Кто знает, возможно, однажды солнечные дороги станут достаточно дешевыми и эффективными, чтобы воплотиться в реальность. В худшем случае этот проект отвлечет нас от поиска лучших решений. В лучшем — дорога получит еще одно назначение.