7 апр. 2009 г.

Солнечный рынок

Для обеспечения человечества на несколько веков энергией хватило бы и сотой доли той энергии Солнца, которая доходит до Земли в течение одного года. Солнечная энергия – наиболее экологически чистый и неиссякаемый из всех известных источник энергии. Человечество лишь начинает использовать ее потенциал.

Вся энергия, используемая сейчас, существует на Земле благодаря Солнцу: это и нефть, и природный газ, и уголь, и другие продукты фотосинтеза. В то же время энергию, исходящую непосредственно от Солнца и очень доступную, человечество не в состоянии было поставить себе на службу так эффективно, как другие источники. Создание системы, которая бы обеспечивала надежный и эффективный, а главное – рентабельный процесс преобразования солнечной энергии в электрическую, было и остается непростой задачей.


Не случайно бытует мнение, что солнечная энергетика – дело отдаленного будущего. Но это не так. Она является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время. И вот почему. Ни в одной стране мира существенная часть стоимости производства традиционных видов энергии не отражена в тарифах, а распределяется на затраты общества.

Ежегодно в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн. лет. Увеличение из года в год объемов использования невозобновляемых энергоресурсов означает, по существу, жить взаймы, за кредиты будущих поколений, которым будет недоступна энергия по такой низкой цене, как ныне: запасы углеводородного сырья истощаются.

Другая составляющая стоимости энергии, которая распределяется на все общество и не включается в тарифы, связана с загрязнением окружающей среды. Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном из углекислого газа, который создает парниковый эффект и влияет на изменение климата: таяние ледников, сильные ливни и бури, штормы и ураганы, засуха в районах производства сельскохозяйственных культур. Другие выбросы в атмосферу – окиси серы и азота – возвращаются на землю в виде кислотных дождей. Это приводит к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов, вымиранию лесов, коррозии металлических строительных конструкций и другим негативным явлениям. Токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, свинец, могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты.

Существуют большие разногласия в определении реальной стоимости электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями. Можно ожидать, что в реальной цене будут учтены затраты на захоронения отходов, обслуживание оборудования, зданий и сооружений АЭС, выводимых из эксплуатации через тридцать лет их работы. Расходы на это будут весьма существенными.

По оценкам специалистов, прямые социальные затраты, связанные с вредным воздействием электростанций, включая болезни, снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери урожая, гибель лесов, ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, очистку воды и сокращение сельскохозяйственных угодий, составляют около 75% мировых цен на топливо и энергию. По существу, это затраты всего общества, своего рода социальный налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок и который не включен в стоимость энергии. Если учесть эти скрытые сейчас затраты, то большинство новых технологий возобновляемой энергетики становятся конкурентоспособными по сравнению с традиционными. Только при нормальном ценообразовании могут действовать экономические стимулы, направленные на энергосбережение и внедрение новых технологий в энергетике.

Прямое превращение солнечной радиации в электричество осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), которые впервые были изготовлены на основе монокристаллического кремния для электроснабжения космических аппаратов. По мнению большинства ученых, наиболее перспективными для наземного использования являются тонкопленочные ФЭП на основе кремния, которые преобразуют солнечную радиацию в электрическую энергию с КПД 12–15%. Лабораторные образцы уже имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%.

По данным зарубежной печати, крупнейшими участниками солнечного рынка являются компании Германии (SOLARWATT, Sunways, Solarwerk), Японии (Fuji Electric, Sharp Corporation, Mitsubishi Electric), США (Kyocera Solar, SunEarth Inc, American SunCo). Вошли в этот перечень и фирмы Украины: «Квазар» и «Доминус» (Киев), «Афрос» (Севастополь).

До 2010 года в Германии и Японии планируется ежегодно увеличивать рынок солнечных элементов на 25%. К «солнечным гонкам» присоединяются такие страны, как Южная Корея, Испания и Китай. Солнечная энергетика – быстро развивающийся рынок.

Основные мощности (более 60%) по производству кремния в бывшем СССР были в Украине. В нашей стране сосредоточено 10% мировых мощностей, процент загрузки которых на сегодняшний день незначительный. Это такие предприятия, как Донецкий химико-металлургический завод, Запорожский титано-магниевый комбинат, Светловодский завод чистых металлов.

Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования: для освещения, подъема воды, питания бытовых приборов, в транспортных средствах, телекоммуникационных станциях, зарядных устройствах. Стоимость солнечных элементов составляет 4,5–5 долл. за Вт/ч, а электроэнергии – 0,25–0,56 долл. за кВт/ч.

Вторая фаза массового производства и использования ФЭП в солнечной энергетике связана с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость их установленной мощности примерно в 5 раз, до 1–2 долл. за Вт/ч, а электроэнергии – до 0,10–0,12 долл. за кВт/ч. Ныне стоимость кремния солнечного качества довольно высока: 40–100 долл. за кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике. Ситуацию с солнечным кремнием можно сравнить с «биографией» алюминия, который после открытия в 1825 году стоил как серебро и использовался для украшений. Только после разработки технологии электролиза в 1886 году алюминий стал дешевым и доступным материалом.

Содержание кремния в земной коре составляет 29,5% и значительно превышает залежи алюминия, а тем более урана. Солнечный кремний с чистотой 99,99% стоит столько же, сколько уран для АЭС.

Урановый топливный цикл, включающий производство гексафторида урана, значительно сложнее и опаснее хлорсиланового способа получения солнечного кремния. И, тем не менее, урановое топливо для ядерных реакторов и кремний для солнечных электростанций имеют практически одинаковую стоимость. Существуют несколько причин, объясняющих такую ситуацию. В развитие технологии и производства урана вложены миллиардные средства, которые выделялись, в основном, по военным программам, и объемы его производства в 6 раз превышают объемы выпуска солнечного кремния. Хлорсилановая технология производства солнечного кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность. Над созданием новых технологий его производства, исключающих хлорсилановый процесс, сейчас работают ученые многих стран мира, в том числе и Украины.

Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт/ч электроэнергии, легко подсчитать его нефтяной эквивалент. Прямой пересчет такого количества электроэнергии равен 25 тоннам нефти.

В связи с высокой надежностью кремниевых элементов срок службы солнечных электростанций (СЭС) может составить 50–100 лет. Единственным ограничением может быть необходимость их замены на более эффективные. КПД 25–30% кремниевых элементов будет достигнут в производстве в ближайшие 10–20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний можно использовать повторно. Количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Нынешние солнечные системы уже рентабельны, надежны и просты в эксплуатации. Их использование набирает популярность в развитых странах. Это становится не только экономичным, но и престижным. Правительства многих стран частично финансируют установку солнечных элементов в частных секторах и офисах. Владельцу «солнечного дома» гарантированы налоговые льготы, беспроцентные кредиты и другие стимулы. Даже при нынешних ценах на солнечные элементы стоимость их установки при строительстве дома окупается за 7–10 лет.

В США, например, реализуется проект «Миллион Солнечных Крыш» (MSRI). Он предусматривает установку систем солнечной энергии на одном миллионе сооружений до 2010 года. Инициатива включает два типа солнечной технологии: системы выработки электроэнергии от солнечного света и тепла для получения горячей воды, используемой при отоплении помещений, нагрева воды в бассейнах и в других целях.

Министерство энергетики США направило усилия федеральных агентств, правительственных и неправительственных учреждений, строительных организаций, поставщиков энергии и коммунальных услуг, промышленности солнечной энергии, банковских учреждений на то, чтобы устранить барьеры на пути широкого использования солнечной энергии. Ожидается, что установка миллиона гелиокрыш на зданиях позволит снизить выбросы в атмосферу двуокиси углерода в эквиваленте объема выхлопных газов 850 тыс. автомобилей.

В Германии принят закон, по которому каждый гражданин имеет право получить беспроцентный кредит в банке для покупки солнечных батарей мощностью от 3 до 5 кВт. Правительство поощряет владельцев солнечных батарей, которые в дневное время включаются через инверторы в городскую сеть и подпитывают ее, получая плату за 1 кВт/ч 0,5 евро. А ночью город отдает своим гражданам необходимое им количество электроэнергии по цене 0,1 евро за кВт/ч. Снижение стоимости тонкопленочных ФЭПов до 1 долл. за Вт, которое прогнозируется к 2010 году, сделает фотоэлектричество конкурентоспособным по сравнению с электроэнергией, производимой на тепловых электростанциях.

В Германии есть несколько ферм, которые вырабатывают солнечную энергию. Новый бизнес оказался для фермеров выгоднее, чем выращивание животных.

В Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения солнечной энергетики. Между тем, целевой программы ее развития нет. Есть Комплексная государственная программа по энергосбережению, утвержденная Кабинетом Министров Украины 5 февраля 1997 года. В ее реализации участвует Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, одним из основных направлений деятельности которого является разработка физико-технических основ преобразования и использования солнечной энергии. Сотрудниками института созданы схемы и конструкции солнечных коллекторов и фотобатарей на основе композиционных и конструкционных материалов.

Практическое применение получили солнечные системы горячего водоснабжения, разработанные в институте. Разнообразные по конфигурации, они позволяют решать проблему автономного горячего водоснабжения как отдельных домов, теплиц, бассейнов, так и целых микрорайонов, туристических, спортивных, бытовых и других комплексов. Системы работоспособны в любую погоду, так как эффективно поглощают прямое и рассеянное солнечное излучение. Они могут функционировать круглый год, ибо подключаются к резервным источникам энергии, обеспечивающим необходимый дополнительный подогрев теплоносителя в холодный период года. Солнечная «котельная», срок эксплуатации которой составляет 30 лет, проста в обслуживании, легко монтируется и демонтируется.

Технические решения солнечных систем горячего водоснабжения имеют очень большой диапазон – от простых до самых сложных, режимы работы в которых осуществляются автоматически и контролируются электроникой. Их схемы, а также гелиотехническое оборудование (основой которого является коллектор солнечной энергии) с высокими технико-экономическими показателями разрабатываются и предлагаются специалистами института в зависимости от условий и возможностей заказчика.

Среди последних разработок – мобильный санитарно-гигиенический комплекс (МСГК), предназначенный для автономного горячего водоснабжения в районах, где оно отсутствует. Комплекс передвижной, смонтирован на базе автомобильного прицепа. Вода в нем нагревается от солнца с помощью гелиоколлектора в пределах 45–80°С и накапливается в баке-аккумуляторе. Использованная вода поступает в специальную емкость для дальнейшей очистки или слива в канализацию, что предотвращает загрязнение окружающей среды. При недостаточном солнечном излучении в МСГК предусмотрен нагрев воды с подключением к электросети или, в случае ее отсутствия, за счет накопленной в аккумуляторах электроэнергии, полученной фотобатареями от солнца.

Успешно прошла государственные испытания в системе Министерства аграрной политики Украины гибридная ветросолнечная система автономного и резервного питания. Ее преимущества – универсальность применения, долговечность (срок эксплуатации – 20 лет), минимальные затраты на обслуживание.

Еще одна новинка Института – автономная система паркового освещения, предназначенная для зон отдыха и не требующая прокладки электросетей. Вот лишь некоторые характеристики солнечных фонарей: срок эксплуатации – круглый год, время освещения – от заката до восхода солнца, но не менее 10 часов, включение и выключение – автоматическое, оптимальная высота опоры – 3–5 метров, диаметр светового пятна – 8–10 метров.

Многие разработки института уже применяются в хозяйственных целях.

К началу нынешнего года в более чем 40 странах реализуются планы по использованию возобновляемых источников энергии. К 2010 году некоторые из них планируют покрывать за их счет до 30% своих энергетических потребностей. Не последняя роль в этих планах отводится солнечной энергетике. По мнению многих аналитиков, именно она имеет огромные перспективы в будущем.


Юрий РОМАНОВ

«ДЕЛОВОЙ ВЕСТНИК» № 09(172), 2008

Комментариев нет: