Солнце vs полночной тьмы

Для нас было неожиданностью, что тема возобновляемых источников энергии такая волнительная для многих. Сразу хочу сказать, что я не исключаю того, что именно это направление ВИЭ (а именно, солнце и ветер) являются тупиковой ветвью, и развитие их не приведет человечество к желаемой независимости от ископаемой энергетики. Я лишь ратую за то, что любая возможность должна быть изучена. 

Весьма расточительно и недальновидно, назвав фейком то, что не укладывается в нашу картину мира, дистанцироваться от изменений, происходящих вокруг. Мир развивается, и то, что вчера казалось фантастическим, сегодня является обыденной реальностью. Не буду приводить примеры, они и без меня всем прекрасно известны. Вокруг нас не идиоты, по крайней мере, не так часто, как нам кажется. Давайте будем любопытными.

Итак, солнце.

Недавно мы перевели для вас статью с прогнозом стоимости солнечной энергии на ближайшие годы. Некоторые специалисты именно энергии солнца предрекают судьбу самой дешевой энергии на планете. У этого утверждения много сторонников и много оппонентов. Мы просто хотим разобраться вместе с вами, как это работает. Ведь если это устойчивый тренд, то инвестиционные предпочтения в мире в ближайшие 10 лет могут претерпеть существенные изменения. Не хотелось бы это пропустить.

Начнем со статистики. В этой статье я не буду говорить о других видах ВИЭ (возможно, коснёмся их в следующих), сейчас только солнечная генерация.

Цифры. Ежегодные инвестиции в ВИЭ выросли со 130 млрд. $ в 2008 году до 360 млрд. $ в 2016. Суммарная установленная  мощность фотоэлектричества возросла за последние 8 лет с 16 ГВт до 227 ГВт, а нагрева воды тепловой энергией Сонца - со 130 ГВт до 436 ГВт.

В основе солнечной энергии лежит преобразование электромагнитного солнечного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Солнечные электростанции используют энергию солнца как напрямую (фотоэлектрические солнечные электростанции СЭС, работающие на явлении внутреннего фотоэффекта), так и косвенно - используя кинетическую энергию пара.

На сегодня солнечная энергия покрывает немногим больше 1% мирового потребления. 

Нужно понимать, что причины инвестирования в ВИЭ связаны, в том числе, и с осознанием экологических проблем, вставших перед человечеством. Именно поэтому государства датируют производство ВИЭ, предлагают различные преференции производителям оборудования, разрабатывают специальные программы по развитию отрасли (в 2008 году государств, имеющих специальную программу развития ВИЭ было 77, а в 2015 году - уже больше 170!). 

Вопрос не в том, что нам не хватит ископаемого топлива, а в том, что наше планета «не доживет» до того времени, когда они закончатся.

 Фото: Первая в мире коммерческая солнечная электростанция, основанная на центральной башне, полях зеркал-концентраторов и большом накопителе расплавленной соли, введена в эксплуатацию близ Севильи в городе Фуэнтес-де-Андалусия.

Возможно, для многих из нас весь этот «зеленый» ажиотаж выглядит, мягко говоря, странно, но в мире немало людей относятся вполне серьезно к этой угрозе.

Очень трудно заподозрить, например, китайцев в чрезмерной склонности к чему бы то ни было, что бесмыссленно с комерческой точки зрения. Но именно Китай на сегодняшний день - лидер по исследованиям в области «чистой» энергии  и производству ВИЭ. 

Немного из истории создания

История создания солнечных батарей началась еще в 19 веке, технология их производства развивалась удивительно быстро. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил первую созданную им солнечную батарею. Ее КПД составляло 1%.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году Адамс и Дэй отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Буквально через 3 года Чарльз Фриттс уже использовал для своей батареи селен, покрытый золотом. Но это не прибавило эффективности батареи, КПД так и остался в районе 1%.

Долгие годы исследователям не удавалось достичь никакого прогресса в вопросе повышения эффективности. Но в середине 20 века исследования в области диодов и транзисторов дали необходимые для ученых знания. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%.

Как это работает?

Как вы уже поняли, в вопросах солнечной энергии очень многое упирается именно в эффективность солнечных модулей. Проблема с КПД самая существенная, хотя и не единственная.

Это принципиальный вопрос, поэтому совсем кратко, откуда там вообще «берется ток»?

В основе принципа действия солнечных батарей лежит физическое свойство полупроводников. Фотоны света выбивают электроны, вращающиеся вокруг атома, с орбиты. Как результат, образуется множество свободных электронов. При замыкании цепи возникает электрический ток. На мощность влияет в данном случае площадь фотоэлементов, интенсивность солнечного света и даже угол падения солнечных лучей (именно для этого с некоторыми панелями устанавливают модули слежения за солнцем. Но это дорогостоящее удовольствие).

Значение КПД определяется делением мощности вырабатываемой электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. Не надо особенно много думать, чтобы понять: чем больше солнечного света панель преобразует в ток, тем ее эффективность выше. 

Вот тут и начинают все настойчивее звучать голоса оппонентов. На сегодняшний день КПД солнечных панелей от 12 до 25%. В результате, для обеспечения требуемой мощности необходимо устанавливать множество панелей большой площади.

Хотя теоретически, как утверждают специалисты, этот показатель можно довести до 80-85%.

В чем загвоздка? Во-первых, КПД зависит от используемого материала. Основной элемент, входящий в состав панели, это кремний.

** на всякий случай скажу, кто у нас главный по кремнию в мире:

Кремний - второй после кислорода по распространенности элемент земной коры, где он составляет примерно 25% массы. В природе встречается в основнов в виде песка или кремнезема. Основным производителем технического кремния является... Китай (сюрприз), доля которого выросла за последние 5 лет до 65%. Далее по списку: Бразилия, США, Норвегия, Франция. 

Самые крупные компании-производители технического кремния: Elkem, Ferroatlanica Group, Dow Corning, Global Speciality Metals. 

Но у кремния есть один недостаток. Он поглощает лишь инфракрасное излучение, то есть энергия ультрафиолетовых лучей проходит благополучно мимо. Именно поэтому основная работа ведется в направлении разработки многослойных модулей, состоящих из различных материалов. На практике такая конструкция  в производственных масштабах очень трудоемкая и очень дорогостоящая.

Стоимость солнечных батарей и сейчас не дешева. А с учетом низкого значения КПД становится актуален вопрос сроков окупаемости. Средний срок окупаемости батареи порядка 6лет. Срок эксплуатации (опять же средний) порядка 25 лет.

Но процесс не стоит на месте, ученые работают над повышением эффективности панелей. Какие сейчас основные тренды? Назову несколько.

Основные тренды последних лет

  1. В 2015 году компания Sharp  представила солнечный элемент с КПД 43,5%. Они применили линзу для фокусирования энергии непосредственно в элемент.
  2. В 2013 году немецкие физики продемонстрировали фотоэлемент площадью 5,2 кв. мм, состоящий из 4-х слоев полупроводниковых элементов. КПД 44,7%.
  3. В том же 2013 году ученые из Стэнфордского университета разработали новый жаропрочный композит, преобразующий высокочастотное излучение в инфракрасное.

Пока это все теоретические разработки и с этим не поспоришь. Да и КПД выше 45% даже в дорогостоящих экспериментальных образцах пока никто не получил. Но процесс идет, и, думаю, если не появиться какой-либо идеи поперспективнее, результат обязательно будет.

Основные производители солнечных батарей

Посмотрим, кто на сегодняшний день лидер в производстве оборудования для солнечной энергетики.

В соответствии с исследованием компании IHS, семь из десяти ведущих производителей солнечных батарей родом из Китая. Китай с общим объемом рынка чуть более 55% - беспорный лидер в этой отрасли.

Правда последние годы наблюдается некоторое возрождение японских производителей, таких, как Sharp и Kyocera. В Японии установлены льготные тарифы для развития рынка солнечных батарей, и предпочтение потребителями продуктов японского производства на внутреннем рынке Японии сыграло свою роль в этом подъеме.

Также в отчете IHS было отмечено, что доля китайских производителей последнее время стабильна и практически не меняется. Доля же Европы в производстве солнечных фотоэлементов за последние годы немного выросла, приблизившись к 13%, а Американских, напротив, снизилась до 9%.

Надо признать, что государственная поддержка является одним из основных стимулов развития отрасли. Когда говорят о развитии технологий, никто не имеет в виду, что солнца станет больше. Но, возможно, мы научимся гораздо эффективнее использовать то, что есть.

Сегодня на рынке существует множество различных типов солнечных батарей (солнечных модулей) самых разных производителей.

Фото: Первая дорога, покрытая солнечными панелями.

Солнечные модули компании Amonix с КПД 36% удерживают общий рекорд производительности. Но они сделаны с применением концентрирующих устройств и очень дороги.

Солнечные модули с эффективностью 21,5% от американской Sun Power установили коммерческий рекорд эффективности. 

До 2012 года в категории тонкопленочных солнечных модулей лидерство принадлежало немецкой компании Q-Cells. Но  в 2012 году она подала на банкротство, и была выкуплена корейской Hanwha.

Самые лучшие тонкопленочные солнечные модули на основе кадмий-теллурового фотоэлектрического преобразования с эффективностью 16,1%  выпускает американская  First Solar. Эта компания - лидер на рынке США и входит в тройку ведущих мировых производителей. Несмотря на невысокий КПД эти модули относительно дешевы, отсюда и популярность.

В категории гибких солнечных панелей первое место занимает MiaSole (с  КПД  15,5%).

Что в итоге?

Как видите, сдвиги в направлении поиска дешевой и безопасной энергии происходят постоянно.

Говоря об этой тенденции, следует выделить один принципиально новый момент. До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась четкая закономерность: финансирование получали те направления, которые обеспечивали достаточно быстрый экономический эффект. ВИЭ рассматривались лишь как замена традиционным источникам энергии, когда их запасы будут исчерпаны или добыча станет слишком дорогой и трудоемкой. Вопрос этики и экологии «болтался» где-то на задворках обсуждения. И все это воспринимали как должное для нашего мира «наживы и чистогана».

Но мир сильно изменился. Человечество постепенно начало осознавать, что «окружающая среда» - это не что-то далекое и призрачное. Это то, чем мы дышим и то, что едим. Мы больше не можем игнорировать некоторые вещи, если, конечно, не страдаем суицидальным синдромом. 

В связи с этим, основный импульс к развитию ВИЭ – это даже не экономическая целезообразность, а вопрос выживания человечества в весьма недалеком будущем.

Если бы не этот момент, думаю у ВИЭ в их сегодняшнем виде, действительно, было бы мало шансов. 

Ну а пока нам остается только наблюдать за процессом и надеяться, что деньги инвесторов и мозги ученых сделают «чистую» энергию обыденностью, остановив наконец «Часы судного дня»*.

* Часы судного дня (Doomsday Clock) - проект журнала Чикагского университета «Бюллетень ученых-атомщиков», начатый в 1947 году создателями первой американской атомной бомбы. Периодически на обложке появляется изображение часов, показывающих без нескольких минут полночь. Время, оставшееся до полуночи, символизирует международную напряженность, гонку вооружений, экологические и социальные катаклизмы. Сейчас стрелка находится на 23:57.

Кутняк Екатерина