Билл Гейтс называет это проблемой 75%.
Выбросы парниковых газов (ПГ) от электростанций составляют лишь 25% от общего объема, и электроэнергетика является одним из источников выбросов ПГ, для которого хорошо подходят дешевые возобновляемые источники.
Если мы не будем радикально сокращать оставшиеся 75% выбросов, мы можем покрыть Аризону ковром от стены до стены фотоэлектрических панелей (PV) и все еще не сделаем достаточно, чтобы снизить уровень атмосферного CO2.
Проблема в том, что оставшиеся три четверти выбросов в основном образуются в результате крупномасштабных промышленных и сельскохозяйственных процессов, которые лежат в основе практически каждого продукта, которым мы наслаждаемся в нашей современной жизни — сталь, стекло, бетон, зерно, говядина, пластмассы, химикаты… список можно продолжать и продолжать.
Эти конечные продукты или их основные входные данные могут быть изготовлены только с использованием очень высоких температур; при текущих процессах единственным способом получения требуемого тепла является сжигание ископаемого топлива.
Эта ситуация оставляет нас с матерью всех затруднений: либо мы уничтожаем способность планеты поддерживать нашу сложную человеческую цивилизацию, либо мы отказываемся от плодов нашей сложной человеческой цивилизации, чтобы сохранить планету для некоторых заблуждений, с которыми мы никогда не встретимся.
Когда сталкиваешься с таким видом затруднений, единственное решение — думать нестандартно.
Один из самых изобретательных, предприимчивых инженеров, когда–либо выходивших из ежегодного урожая невероятно изобретательных и предприимчивых инженеров CalTech, — Билл Гросс, основатель первого технологического инкубатора Idealab, — уже следовал цепочке логики выше и пришел к Закону Мура. Он и его компания Heliogen, которую он основал, чтобы начать свою работу в Eureka, уже на пути к реализации решения, которое обладает огромным потенциалом для смягчения последствий изменения климата.
Если Гросс и Heliogen преуспеют в своих амбициозных планах, у всех нас будет шанс и дальше наслаждаться плодами современной, индустриальной жизни, используя тепло, вырабатываемое исключительно за счет возобновляемых ресурсов.
Секрет компании Heliogen заключается в применении последних достижений в области вычислительной техники, систем визуализации и искусственного интеллекта в области концентрированной солнечной энергии (CSP).
Краткое руководство по CSP
Существуют разные конфигурации CSP; тип, наиболее аналогичный системе Heliogen, имеет название Solar Power Tower.
Установки CSP не поглощают солнечную энергию, как фотоэлектрические панели — вместо этого они концентрируют солнечный свет в определенной точке с помощью зеркал. Солнечные энергетические башни — это одни из самых красивых и элегантных промышленных объектов, которые можно себе представить, с тщательно организованным, чашеобразным массивом больших зеркал, называемых «гелиостатами», которые отражают солнечный свет в фокусной области на центральной башне.
Трубы, идущие к вершине башни и обратно, позволяют расплавленной соли течь в область в фокусных точках гелиостатов. Концентрированные лучи света нагревают расплавленную соль, прежде чем переместить ее в изолированный резервуар, где она может храниться до тех пор, пока ее не потребуется использовать, например, для создания пара для запуска генератора.
Эти установки CSP работают так, как инженер называет их «системой управления с разомкнутым контуром», как ваша кухонная печь.
Звонок в духовке зазвонит, когда время, которое вы изначально установили, истечет, независимо от того, содержит ли духовка 14-фунтовый кусок сашими из индейки или если ваше жаркое уже на пути к превращению в кубический цирконий. Духовка не получает никакой информации о степени готовности блюда, поэтому не может регулировать температуру или время приготовления.
Аналогичным образом, гелиостаты в установке CSP запрограммированы на перемещение в соответствии с точными расчетами того, где должно находиться Солнце в небе, но не получают информации о том, насколько точно их лучи попадают в башню.
В мире, где не было землетрясений, ветра, пыльных бурь или облаков, система управления открытым циклом будет работать просто отлично. В мире, в котором мы живем, такие факторы окружающей среды означают, что гелиостаты никогда не расположены точно; так как они не получают обратной связи от башни о том, где их лучи бьют, они не могут компенсировать экологические факторы, отбрасывающие их.
Поскольку свет от гелиостатов не полностью концентрируется, текущие установки CSP могут генерировать температуру только до примерно 650 градусов по Цельсию. Этого достаточно для некоторых промышленных применений, но для действительно загрязняющих видов деятельности – производства стали, стекла, бетона и водорода – потолок температуры CSP примерно на 400-900 градусов ниже, чем нужно.
Heliogen CSP
Гросс понял, что, превратив разомкнутую систему управления установкой CSP в замкнутую, он мог бы гораздо точнее концентрировать солнечные лучи и при этом генерировать гораздо более высокие температуры.
Массивы Heliogen CSP используют:
- Потрясающая вычислительная мощность теперь доступна по дешевым ценам в виде графических процессоров (GPU), изготовленных такими компаниями, как NVIDIA
- Системы формирования изображений со сверхвысоким разрешением, которые сейчас востребованы в каждой камере смартфона в развитом мире
- Достижения в области искусственного интеллекта, которые позволяют компьютерам неустанно делать крошечные, в режиме реального времени корректировки механического процесса
Другими словами, Гросс спроектировал Heliogen так, чтобы его технология могла оседлать волну закона Мура, а не застрять на медленном пути развития, связанном с проектами гражданского строительства.
Эффективность дизайна Heliogen CSP очевидна из фотографий испытательной установки компании в Ланкастере, штат Калифорния.
Гелиостаты Heliogen настолько точно сфокусированы, используя систему управления closed-loop, что солнечный свет сконцентрирован в малом круге на башне. Общая площадь, на которой концентрируется отраженный солнечный свет в гелиогенной системе, составляет примерно размер баскетбольного кольца. Сравните это с фокальной областью обычной системы CSP.
Феноменально точная фокусировка Heliogen стала возможной благодаря камерам, установленным на башне, которые контролируют угол, на который направлены гелиостаты, а также с помощью нескольких мощных, но готовых графических процессоров, которые используют фирменное программное обеспечение для внесения изменений в положение гелиостатов в режиме реального времени.
Гросс сообщил, что система достигла 1000 градусов Цельсия сразу же после того, как команда щелкнула переключателем на своем первом тестовом запуске, и что после небольшой настройки тестовая установка теперь способна достигать 1500 градусов Цельсия – именно тот диапазон, который требуется для наиболее загрязняющих промышленных применений.
Потенциальное воздействие
В то время как все статьи, посвященные Гелиогену, говорят о потенциале для производства цемента, то, что реально способно взволновать, это потенциал расщепления воды для производства водорода.
Цемент тяжелый и его трудно перемещать. Гелиоген накапливает тепловую энергию в камне, еще одной среде, которая не сразу напоминает о переносимости. Однако водород — самый легкий элемент и легко переносится, если с ним обращаться осторожно. Он также может легко превращаться в полезные, энергоемкие химикаты.
В настоящее время 95% водорода производится с помощью процесса, называемого «паровым преобразованием», который сжигает большое количество ископаемого топлива. Тот факт, что Гелиоген видит путь к производству практически неограниченного количества водорода без сжигания единственной молекулы ископаемого топлива, является безусловным позитивом для общества.
Это дает цивилизации шанс поддерживать высокий уровень жизни, одновременно направляя кривую Килинга в нужное русло.
Следующие шаги для Heliogen
Объявление компании Heliogen в конце 2019 года о том, что она создала температуру в 1000 градусов Цельсия с помощью своей системы CSP, вызвало поток запросов от фирм по всему миру. Гросс говорит, что из этой первоначальной группы он надеется выйти живым с тремя крупными пилотными проектами в течение года. Совокупный потенциал дохода для Heliogen, когда каждый из этих пилотов строится, составляет миллиарды долларов.
