Сонячний асфальт: шлях у майбутнє-дорога в нікуди?

За деякими підрахунками, близько 0,2–0,5 відсотка поверхні світового суходолу вкрито дорогами. І це ставлення має збільшитися на 60% до 2050 року. Вражаюче багато місця відведено дорогах, адже вони служать здебільшого тільки для транспорту. Що, якщо змусити їх виробляти енергію? У Китаї ведеться будівництво однієї з перших у світі сонячних трас. Можуть шосе, покриті сонячними панелями, стати енергетичними станціями майбутнього?

Одним з переваг викопного палива по відношенню до поновлюваних джерел енергії є щільність енергії. Причина досить проста: викопне паливо — це відновлювальна енергія, яка накопичується протягом мільйонів років. Нафта, вугілля, природний газ — це всі запаси енергії, які були створені з рослин (і тварин, які ці рослини ялини) і накопичують сонячну енергію протягом тисячоліть з допомогою фотосинтезу. Виходить, викопні види палива більш енергоємні, ніж використання сонячної енергії в реальному часі.

Простіше кажучи: викопне паливо вимагає набагато менше землі для виробництва енергії, ніж сонячні батареї.

Однією з найбільших перешкод на шляху до використання поновлюваних джерел енергії є фізичний простір, необхідне для обслуговування цих джерел. А наш постійно зростаючий рівень споживання енергії перетворює все це в проблему. Первинна енергія — загальний обсяг енергії, споживаної людьми, з усіх джерел — включає викопне паливо і поновлювані джерела. У 2016 році ми спожили 478 ТВт первинної енергії, і це число зростає з кожним роком.

Наприклад, якщо ви хочете забезпечити всі наші потреби в енергії за рахунок кукурудзяного біоетанолу, який має щільність виробництва енергії близько 0,2 Вт на квадратний метр (одну з найгірших серед біопалива), потрібно близько 2 х 10¹⁵ квадратних метрів землі, щоб вирощувати кукурудзу. На жаль, це більш ніж в чотири рази більше площі поверхні Землі.

Противники поновлюваних джерел енергії використовують цей приклад, щоб показати, що інфраструктура відновлюваної енергії просто неможлива. Але це перебільшення; щільність енергії для масивів сонячних батарей може досягати 20 Вт/м², або навіть більше, а на це поверхні Землі цілком вистачить. Варто також відзначити, що енергія, що виробляється сонячними панелями, має форму високоякісного електрики.

Оскільки відмова від викопного палива означає використання електроенергії замість спалювання палива, що часто є більш ефективним, ми б споживали менше первинної енергії в світі без викопного палива; електростанції на викопному паливі ефективні не на 100%, а деякі втрачають до 70% первинної енергії при перетворенні в електрику. Однак масштаби відновлювальних джерел, які могли б замінити традиційні джерела енергії, вимагатимуть багато землі.

Цілком природно, що багато людей розглядають дорожні мережі в якості варіанту.

Враховуючи те, що земля вже вкрита дорогами, збиток екології буде досить низьким. Такі електростанції не будуть страждати від проблем віддаленості, з якими ми могли б зіткнутися в Цукрі; для ремонту та обслуговування буде досить дістатися до них... по дорозі. Додайте світлодіоди і з'явиться розмітка, дорожні знаки, освітлення та межі. Можна навіть помріяти, що одного разу автомобілі будуть отримувати енергію бездротовим шляхом, просто подорожуючи по таким дорогам.

Здавалося б, це абсолютно нездійсненно. Але ні, у сонячних доріг є багато підтримки від урядів і компаній.

В Китаї ось вирішили укласти 2 кілометри сонячних панелей сендвіч між прозорим асфальтом і шаром ізоляторів. І це остання спроба щось зробити. Solar Roadways, стартап з Айдахо, вже залучив 2 мільйони доларів на розробку на Indiegogo. Скотт Брюсов, засновник компанії, представив прототип дороги, створений на задньому дворі, який міг би забезпечити половину енергетичних потреб США. На жаль, Solar Roadways доведеться залучити більше інвестицій та подолати скептичний бар'єр. Девід Бьелло зазначив у статті в Scientific American, що «скло для таких доріг має бути загартованим, що самоочищається і здатним передавати світло батареям навіть у жахливих погодних умовах — такого скла просто не існує».

Китайський метод задіює новий прозорий асфальт замість скла і вирішує проблема матеріалознавців, оскільки витримує в 10 разів більше тиску, ніж звичайний асфальт. Будівництво сонячних доріг — це не справа для однієї людини або однієї країни; прототипи створювалися в Нідерландах — велосипедна доріжка SolaRoad, і у Франції — ніби як навіть першу сонячну дорогу побудували. Такі проекти вже генерують енергію протягом декількох років, тому ідея в принципі можна реалізувати. На жаль, між «в принципі реалізованим» і «практичним» лежить величезна прірва.

Наприклад, ціна. Є оцінювати Solar Roadways Скотт Брюсова, вартість заміни американських доріг сонячними складе 56 трильйонів доларів, тому ніякої краудфандінг не покриє витрат (якщо тільки кожен на планеті не скинеться на справу Брюсова). В будь-якому уряді існує консенсус щодо інвестицій в інфраструктуру, але навряд чи сонячні дороги безперешкодно отримають фінансування. Китайська сонячна дорога коштує 458 доларів за квадратний метр, а Брюсова — 746 доларів. Краще, але не сильно.

Очевидно, будь-яке реальне рішення нашогоенергетичної кризи повинно бути радикальним і масивним. Схожі радикальні схеми перетворення Сахари в гігантську сонячну батарею або висмоктування діоксиду вуглецю з атмосфери також будуть оцінюватися в трильйони доларів.

Але поряд із собівартістю, є ще дуже важливе питання про те, чи це спрацює як рішення для енергетичної кризи. Дороги не завжди будували в оптимальних місцях для розміщення сонячних панелей, і вони можуть бути не під ідеальним кутом для таких. Якщо очищення сонячних панелей в Цукрі від пилу представляє проблему, то підтримання доріг функціонують і чистими одночасно може перетворитися на кошмар техніка. Важко зрозуміти, чому розміщення панелей паралельно з дорогою не буде дешевше і краще.

А самі прототипи...

Прототип дороги в Нідерландах, як повідомили, працює «краще, ніж очікувалося», генеруючи «70 кіловат-годин на квадратний метр в рік». Але 70 кВт⋅год це зовсім небагато. Якщо ви захочете зарядити на такій дорозі свій автомобіль, 1 квадратний метр забезпечить вам пробіг до 500 кілометрів в рік на вашій Tesla; проте середньостатистичний автомобіль пробігає 15 000 кілометрів в рік, тому ці 500 кілометрів будуть краплею в морі.

А що робити з проблемою щільності енергії? Масштабування голландського прототипу призведе до густини 8 Вт на квадратний метр. Якщо ви витратите 56 трильйонів на сонячні дороги, ви покриєте близько 7,5 х 10¹⁰ квадратних метрів панелями і отримаєте 600 ГВт електроенергії. Непогано — приблизно стільки енергії поглинають США за день. Але за 56 трильйонів можна було б придумати щось краще.

Прагнення до створення сонячної дороги в Китаї по-своєму символічно. Країна шукає інноваційні енергетичні рішення. Хто знає, можливо, одного разу сонячні дороги стануть досить дешевими і ефективними, щоб втілитися в реальність. В гіршому випадку цей проект відверне нас від пошуку найкращих рішень. У кращому — дорога отримає ще одне призначення.