На протяжении истории человечества базовый энергоноситель, используемый человеком, менялся. Сначала это были энергия воды и ветра, затем, после первой промышленной революции (начавшейся в последней трети XVIII века и длившейся весь XIX век), уголь и нефть. Ещё в недавнем прошлом, в 1970-е годы, преобладал оптимистичный взгляд, что базовым энергоносителем в самое ближайшее время станет ядерная энергия, производство которой тогда быстро нарастало. Но аварии на станциях «Три-Майл-Айленд» в США в 1979 году и особенно Чернобыльской АЭС в СССР в 1986 году показали реальные риски и несовершенство ядерных энергетических технологий. Возникшее тогда экологическое движение видело будущее энергетики в возобновляемых источниках энергии, таких как ветер, солнце, тепло Земли.
Сегодня в структуре мировой энергетики уже нельзя выделить базовый энергоноситель: выросла доля газа и возобновляемых источников энергии, снизились доли угля и нефти, нет роста атомной энергетики. Мировая энергетика всё больше диверсифицируется, что способствует развитию конкуренции между различными видами энергии.
На фоне угрозы скорого исчерпания запасов углеводородов, роста стоимости их добычи и транспортировки, отсутствия новых технологических прорывов в традиционной энергетике конкурентоспособность возобновляемых источников энергии стала увеличиваться.
Эволюция «солнечных» материалов И цена энергии
Из всех видов энергетики на основе возобновляемых источников быстрее всего растёт солнечная энергетика. Например, в 2010 году в мире построено 22,7 ГВт (гигаватт) фотоэлектростанций (ФЭС), в том числе в Германии — 7 ГВт, Италии — 5,6 ГВт, Чехии — 1,2 ГВт, Японии — 1 ГВт. Для сравнения: в том же 2010 году в мире завершено строительство трёх АЭС общей мощностью 3 ГВт. По состоянию на март 2013 года суммарная установленная мощность солнечных электростанций (СЭС) в мире достигла 100 ГВт. По оценкам Гринпис, к 2030 году эта величина может составить 1480 ГВт, а к 2050 году — 4600 ГВт.
Ускоренный рост солнечной энергетики был бы невозможен без развития электроники, материаловедения, техники. Если ранее единственным материалом для производства солнечных элементов был поликристаллический кремний, то сейчас используют также монокристаллический, аморфный кремний и другие полупроводники. Долгое время стоимость сверхчистого кремния была непозволительно высокой и лишь немного уступала стоимости урана, что было связано с использованием устаревшей хлорсилановой технологии производства кремния. Разработанная около сорока лет назад, она до настоящего времени практически не менялась, сохраняя отрицательные черты химических технологий 1960-х годов — высокую энергоёмкость, низкий выход производимого продукта, в данном случае — кремния, экологически грязное производство.
С начала 1970-х годов в СССР, Германии и США занимались разработкой новых технологий получения кремния. В середине 1980-х годов немецкие и американские компании сообщили о создании технологии получения высокочистого «солнечного» кремния, основанной на карботермическом восстановлении особо чистых кварцитов. В 1990-х годах КПД лабораторных образцов кремния, полученных по этой технологии, стал сравним с КПД фотоэлементов из «хлорсиланового» кремния.
Первый тонкоплёночный фотоэлемент на основе аморфного кремния (альтернатива дорогостоящим кристаллическим кремниевым элементам) был разработан в 1980-е годы. Благодаря более низкой стоимости тонкоплёночных фотоэлементов их производство стало быстро расти. Помимо кремния в них используют арсенид галлия, теллурид кадмия, диселенид меди и индия. На данный момент кремниевые тонкоплёночные элементы занимают около 80% объёма мирового рынка тонкоплёночных солнечных ячеек, около 18% приходится на плёнки на основе теллурида кадмия и 2% — на тонкоплёночные элементы из селенида меди-индия-галлия.
В целом новые технологии позволили существенно удешевить солнечные панели и вместе с ними снизить стоимость вырабатываемого с их помощью электричества. Если в конце 1960-х годов стоимость фотоэлектрической панели составляла около 100 000 долларов США на киловатт мощности, то в настоящее время она колеблется от 2000 до 3000 за кВт установленной мощности. В какой-то степени это было достигнуто за счёт увеличения добычи кремния, среднегодовой темп роста которой составляет 10%.
Ещё один путь снижения стоимости солнечных панелей — уменьшение расхода кремния на один мегаватт производимой мощности. Например, с 2006 по 2008 год благодаря введению новых, энергоэффективных технологий расход кремния на 1 ватт установленной мощности снизился с 10 до 8,7 г/Вт. С 2008 года стоимость выработанного фотоэлектрическими панелями мегаватта упала на 60%.
Важнейшей задачей солнечной энергетики остаётся повышение КПД фотопреобразования. В настоящее время его среднее значение около 16%. В то же время многие лаборатории мира уже сообщили о достижении КПД прямого преобразования солнечной энергии в электрическую от 34 до 45%. (Теоретический КПД фотоэлектрического преобразования солнечной энергии, по данным академика Ж. И. Алфёрова, 87%.)
Учитывая рост масштабов производства солнечных панелей и широкое внедрение технологических новаций в увеличение их КПД, ожидается, что «солнечное» электричество будет неуклонно дешеветь. По прогнозам Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными энергосистемами, упадёт ниже 0,10—0,15 евро за кВт·ч.
Превращения солнечного луча
У солнечной энергетики есть три главных направления развития — фотоэлектроэнергетика, гелиотермоэнергетика и солнечные коллекторы для теплоснабжения.
Фотоэлектроэнергетика реализует метод прямой трансформации солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Такие фотопреобразователи получили наиболее широкое распространение в мире. Их называют также фотоэлектрическими модулями, солнечными батареями, солнечными модулями.
Фотоэлектрические преобразователи обычно комплектуются в модули мощностью до нескольких сотен ватт, которые можно объединять в более крупные батареи. Их используют как для питания энергией отдельных потребителей (автономные системы), так и в электрических сетях. В автономных системах, например на метеорологических станциях, для отдельно стоящих зданий или не обеспеченных энергоснабжением районов они вполне конкурентоспособны и рентабельны.
Установленные мощности солнечных модулей, присоединённые к энергосистемам, сосредоточены главным образом в Японии, Германии и США.
В гелиотермоэнергетике используют так называемые термодинамические преобразователи. В них солнечная энергия трансформируется сначала в тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию и далее — в электрическую.
Преобразование солнечной энергии в термодинамических СЭС включает в себя четыре основных этапа. Концентратор воспринимает солнечное излучение и фокусирует его на приёмнике, который поглощает сконцентрированный солнечный свет, преобразует его в тепло и передаёт тепло рабочей жидкости. Нагретая жидкость поступает в систему преобразования энергии. Такие станции могут использоваться как для выработки электроэнергии, так и для теплоснабжения.
Солнечные термодинамические станции бывают нескольких типов. В установках башенного типа солнечный свет, отражённый от плоских зеркал, концентрируется на центральном приёмнике. Солнечные электростанции тарельчатого (параболического) типа состоят из отдельных модулей, число которых может достигать нескольких десятков. Модуль включает опору, на которую крепится ферма приёмника и отражателя. Приёмник находится на некотором удалении от отражателя, и в нём концентрируются отражённые лучи солнца. Отражатель представляет собой систему зеркал диаметром 1—2 м в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме.
Ещё один тип термодинамических станций — системы, использующие параболоцилиндрические концентраторы. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем. Разогретый теплоноситель отдаёт тепло воде в теплообменнике, где вода превращается в пар и поступает на турбогенератор.
Одна из разновидностей гелиотермоэлектростанций башенного типа — солнечно-вакуумные электростанции. В них используется перепад температур воздуха у поверхности земли и на некоторой высоте. Участок земли накрывается стеклом, а из середины этой «оранжереи» выступает высокая башня. Солнце, разогревая «оранжерею», создаёт постоянную тягу, и поток воздуха через башню вращает встроенную у её основания турбину с генератором. Чем выше сама башня, тем больше вырабатывается энергии. Преимущество такой системы заключается в том, что она работает практически круглосуточно, так как земля под башней сохраняет тепло, поглощённое в течение дня, и постепенно отдаёт его для работы станции ночью.
Впервые такая технология была использована в Испании около 30 лет назад. Система с парником диаметром 244 м и башней высотой 195 м развивала максимальную мощность 50 кВт. Проработала она около 8 лет. В 2010 году в Китае возвели похожую станцию мощностью 0,2 МВт. Солнечно-вакуумная электростанция, построенная в 2006 году в Австралии, с башней высотой 1 км, вырабатывает 1 МВт энергии.
Оптимальными условиями для работы термодинамических солнечных электростанций располагают регионы с засушливым или полузасушливым климатом: Южная Европа, Северная и Южная Африка, Ближний Восток, западная Индия, Западная Австралия, северо-восточная Бразилия, северная Мексика и юго-запад США.
Крупнейшая на сегодняшний день гелиотермальная электростанция мощностью 300 МВт построена в Испании (провинция Андалузия). В США самые крупные солнечные электростанции находятся в штатах Невада (60 МВт), Калифорния (250 МВт) и Аризона (280 МВт).
Для компенсации непостоянства солнечного излучения применяют аккумуляторы тепла или резервное топливо. Солнечные энергоустановки можно использовать и как часть диверсифицированной системы энергоснабжения. Совместимость систем зависит от характеристик кривой нагрузки. В солнечных районах, где пик нагрузки приходится на летние дни (что часто обусловлено кондиционированием воздуха), вклад солнечной энергии в покрытие пиковых нагрузок может быть существенным. Подобные условия характерны для тропических широт. На более высоких широтах, где пиковая нагрузка приходится на зимнее утро, вклад солнечной энергии оказывается незначительным, что требует увеличения резервных мощностей.
Преимущество солнечных термодинамических технологий — возможность интеграции в традиционные тепловые электростанции. Например, гелиотермальная электростанция в Неваде дополнена газовым турбогенератором. Это позволяет аккумулировать тепло или надёжную резервную мощность без сооружения отдельных резервных станций и изменений в энергосистеме. Таким образом можно дополнять меняющуюся выходную мощность «солнечной топки» и устойчиво снабжать потребителей электроэнергией.
Недостаток таких комбинированных систем — высокая стоимость.
Капитальные затраты на строительство и эксплуатацию солнечных термальных электростанций очень велики, а темпы совершенствования технологии ниже, чем для фотоэлектроэнергетики.
Солнечные коллекторы для теплоснабжения (гелиотеплоэнергетика) получили очень широкое распространение. На данный момент мировой лидер установленной мощности солнечных коллекторов — Китай. В Европе лидируют Германия, Греция и Австрия. Наибольшая удельная площадь поверхности коллекторов в расчёте на одного жителя отмечается на Кипре — 582 м2, за ним с большим отрывом идёт Австрия — 297 м2.
Солнечные коллекторы для теплоснабжения наилучшим образом подходят для локальных систем отопления. Их использование позволяет потребителю не зависеть от центрального теплоснабжения. Главная проблема гелиотеплоэнергетики (как и всей солнечной энергетики) — сохранение тепловой (или электрической) энергии — связана с непостоянством суточного и сезонного колебания приходящего солнечного излучения.
Современные системы аккумулирования энергии в отсутствие солнца позволяют выдавать нагрузку лишь в течение нескольких часов. Поэтому перед инженерами стоит задача создания аккумуляторов нового типа с существенно большей ёмкостью. Помимо этого предстоит решить проблему грязных с экологической точки зрения производств и утилизации аккумуляторов.
Здесь стоит отметить ещё один часто упоминаемый «экологический» недостаток солнечной энергетики, выдвигаемый её противниками, — значительное отторжение земельных ресурсов под солнечные панели. Однако легко посчитать, что, если даже всю мировую энергетику перевести на солнечную энергию, доля сельхозугодий, занимаемых под энергоустановки, составит менее 2% общей площади (51 млн км2) сельскохозяйственных земель. Действительно, сегодня в мире потребляется примерно 18 млрд т у. т. (тонн условного топлива). На земную поверхность в зависимости от широты места приходит от 0,1 до 0,3 кВт/м2 солнечной энергии. Это эквивалентно 0,1—0,3 т у.т., то есть в среднем 0,2 т у.т. Взяв КПД солнечных станций всего за 10%, получаем, что для производства 18 млрд т у.т. потребуется 0,9 млн км2 земли.
Добавим, что солнечную энергетику выгодно развивать в районах с наибольшей инсоляцией, а это в основном непригодные для сельскохозяйственного использования территории.
Из пионеров в аутсайдеры
Первые солнечные элементы в нашей стране были разработаны полвека назад — специально для космических аппаратов. Помимо научно-технической базы наша страна обладает существенным природным потенциалом для развития солнечной энергетики. Наиболее перспективные с этой точки зрения районы в России — Приморье, юг Сибири и Забайкалье, Северный Кавказ. К примеру, среднегодовое поступление энергии Солнца в Забайкалье выше, чем в Испании.
Тем не менее имеющийся технический и природный потенциал солнечной энергетики в России используется крайне скудно. В настоящий момент суммарный объём введённых мощностей солнечной генерации в России, по разным оценкам, не превышает 5 МВт. Мощность крупнейшей в стране фотоэлектростанции, расположенной в Белгородской области, составляет лишь 0,15 МВт. Для сравнения: каждая из трёх крупнейших в мире фотоэлектростанций в США, Китае и Индии имеет мощность более 200 МВт. В соседней с нами Украине, в Крыму, построены фотоэлектростанции мощностью 80 и 100 МВт. В России существуют проекты на несколько десятков «солнечных» мегаватт установленной мощности (для Краснодарского и Ставропольского краёв, Дагестана, Хакасии, Бурятии), но они находятся пока на стадии предварительной разработки.
Для полноценного развития солнечной энергетики нужна государственная поддержка. Есть широкий набор механизмов стимулирования отрасли с помощью особых тарифов, льготного налогообложения и т.п., введение которых привело к существенному подъёму отрасли в зарубежных странах. У нас в стране чёткой государственной программы развития возобновляемой энергетики, включая солнечную, пока нет.
