8 июл. 2010 г.

Сонце Vs. Ветер

Что-то давно я ничего не писал здесь сам. Пришло время исправить эту досадную оплошность и поговорить на тему «Почему солнце, а не ветер?». Конечно, вопрос этот скорее провокационный, чем прикладной, но даже в такой формулировке он имеет право быть задан. А там посмотрим.

Начнем мы, конечно же, с плюсов солнечной энергетики :). Просто чтобы освежить память. Во-первых, падающей на поверхность Земли солнечной энергии достаточно, чтобы в течение одного часа обеспечить годовые потребности человечества в электричестве. Во-вторых, солнечное излучение широко доступно и является практически неисчерпаемым источником энергии. В-третьих, распространение солнечной энергетики стимулируется постоянным ростом цен на традиционные источники энергии. И наконец, в-четвертых, имеет место постоянный рост рынка солнечной энергетики - суммарная мощность установленных солнечных электростанций удваивается каждые 2-3 года. Несмотря на воздействие мирового финансового кризиса эксперты Европейской ассоциации солнечной энергетики прогнозируют до 2012 года среднегодовой рост рынка солнечной энергетики на уровне 28,7%, а при благоприятной рыночной конъюнктуре среднегодовые темпы роста могут достичь 38,3%. "Ну и что?" - скажете вы. Для ветроэнергетики можно привести не менее веские аргументы «За» и не менее яркие цифры. Так я и не возражаю. Просто подвожу вас к одной мысли.

Теперь попробуем зайти с другой стороны. Как известно, кремний на сегодня является основным базовым элементов, необходимым для изготовления фотоэлектрических батарей. Более 80% солнечных электростанций по всему миру используют именно кремниевые солнечные батареи (и это без учета тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния). При этом содержание кремния в земной коре составляет 27,6-29,6%, что соответствует второму месту по распространенности. А вот содержание железа (основного материала для изготовления ветрогенераторов) составляет всего 4,65%, что ставит его на четвертое место. К сожалению, у меня нет точных данных по удельному расходу кремния и железа, необходимого для генерации 1 кВт*часа электроэнергии солнечной батарей или ветрогенератором, соответственно. Но у меня есть один очень интересный график, который заставляет задуматься о перспективах именно второй технологии:



Как мы видим, для максимально эффективного использования ветряного потенциала необходимо увеличивать размеры ветрогенераторов. Уже сегодня размах лопастей мощных ветрогенераторов превышает 100 метров, что больше размаха крыльев такого самолета как Аэробус А380. В свою очередь, рост габаритов через какое-то количество лет обязательно поднимет ресурсную проблему - железа в земной коре в 6 раз меньше, чем кремния, используемого для производства солнечных фотоэлектрических преобразователей. Притом, что прогресс же в солнечной энергетике идет совсем в другую сторону – происходит постоянное увеличение эффективности фотопреобразования и снижаются толщины полупроводникового материала, в котором собственно и генерируется электрический ток. То есть удельные затраты кремния (как по весу, так и по объему) постоянно снижаются.

Также можно отметить проблему логистики – ветрогенераторы наиболее эффективны при размещении в море (там банально выше скорость ветра), в то время как солнечные электростанции можно строить максимально близко к конечному потребителю, используя не только земельные участки, но и крыши зданий, столбы, заборы и т.п. Очевидно, что в условиях города или при тесной загородной застройке гибкость именно солнечных решений гораздо выше.


Еще одним важным преимуществом солнечной энергетики является тот факт, что суточный профиль выработки электроэнергии очень хорошо коррелирует с потребностями многих потребителей. А вот запланировать ветер намного труднее.



Я специально не коснулся здесь многих других аспектов этого противостояния. Все очень субъективно и зависит от того с какой стороны мы смотрим на проблему. И ни в коем случае не хочу убеждать кого-то отказаться от использования энергии ветра и сосредоточиться только на солнечной энергетике. Моя цель - всего лишь подчеркнуть некоторые важные моменты, которые обеспечивают солнечную энергетику долгосрочной перспективой и показывают нам, что этим направлением следует серьезно заниматься. А еще я хотел бы услышать ваши аргументы в подтверждение моего мнения или же в защиту ветроэнергетики. Желательно, подкрепленные цифрами.

Удачи!

Спонсор поста: Компания SolarUA

3 комментария:

Solar комментирует...

Подозреваю, что обо всем, что будет написано ниже, вы и так знаете.

1. Динамика фотовольтаической энергетики. CAGR установленных мощностей ВЭС в мире в 1998-2009 равен 29% (World Wind Energy Association). Налицо удвоение мощностей каждые три года. CAGR пиковых мощностей pv-систем 2005-2009П составляет 42,9% (EPIA Global market outlook for photovoltaics until 2013, Solar and Wind Energy Research and Development of Ecole Supérieure d’Electricité), но это эффект низкой базы + единоразовый эффект от Испании – ветроэнергетика в 90-е тоже бурно развивалась. Это как Globaldata Украине CAGR 91% пророчет – если сейчас мало, то любой прирост покажется грандиозным. Так что по динамике роста – 1:1.

2.1 Увеличение эффективности ВЭС за счет увеличения размера (график). Ошибочное утверждение. Размером увеличивается не эффективность ВЭС, а ее мощность, т.е. способность использовать больший ветропотенциал. Потому как эффективность – вещь относительная, есть ветропотенциал, например, на высоте 16 м (это которыми утыкан Крым и немного Донецкой области), который измеряется совершенно конкретными киловаттами на квадратный метр. Например, для ветроколеса радиусом 5 м он равен Х. Если увеличить ветроколесо на 10%, то и ветропотенциал, который будет использоваться, увеличится на ту же величину. Но техническая эффективность от этого мало изменится – изменится мощность. То же самое и с высотой башни – ветропотенциал прямо пропорционален высоте (до известных пределов).

Таким образом, тезис о том, что для увеличения эффективности необходимо все большие и большие ВЭС неверен, т.к. речь идет об использовании разных потенциалов (разные площади ветроколес, разные высоты). По аналогии с pv – при увеличении площади батарей (аналог ветроколеса, только в горизонтальной плоскости) увеличится и мощность, при подъеме на некоторую высоту использование гелиоэнергетического потенциала будет больше. Все симметрично, как и для ветряков, на pv положительно будет влиять увеличение площади и подъем на высоту – 2:2.

2.2 К слову об интенсивном увеличении эффективности. Вы говорите, что технологии солнечной энергетики развиваются, ведь уменьшается кремниевый слой, вместе с площадью 1 кВт поверхности. Определенной аналогией для ветра будет являться та площадь, которой он улавливается, т.е. площадью ветроколеса. Давайте посчитаем по вашему же рисунку для ветра: 1985 г. – 50 кВт – диаметр ветроколеса 15 м. Это означает, что каждый квадратный метр ветроколеса соответствует 0,28 кВт установленной мощности. В 2005 г. – 5000 кВт – 126 м – 0,40 кВт/кв. м. Т.е. увеличение эффективности ветропотенциала – 41,7%.

Казалось бы, 3:3, ан нет. Раз мы уж говорим о размерах, давайте смотреть, сколько эти «размеры» будут занимать земли. С ветром все просто, т.к. фундамент находится под землей и фактически одна турбина занимает место, равное площади сечения ее башни. Но, давая фору, возьмем всю площадь фундамента. Берем ту же классическую 2,5 МВт, фундамент 17х17 м, т.е. 289 кв. м или. 9,653 кВт/кв.м. Берем например квазаровские модули с плотностью 0,137 кВт/кв.м. Т.к. они будут установлены под углом, то берем проекцию, то есть уменьшаем площадь на 18,1% и получаем 0,167 кВт/кв.м. Итого у ветра более эффективное использование земли в 57,8 раза. Справедливо 3:2.

Solar комментирует...

3. Ресурсоемкость. Сравнивать запасы, конечно, можно, но давайте не будем забывать о доступности их извлечения и стоимости. Водорода тоже много, а вы попробуйте дешево его извлечь. Технология получения металла давно известна, себестоимость относительно солнечного кремния просто смехотворна, к тому же прошу учесть, что не весь ветряк из металла – лопасти изготавливаются из неметаллического стекловолокна, а неваловажные компоненты – инвертор и трансформатор – применяются точно так же в pv-системах. Т.о., основная масса металла, используемая в ветряке – башня – низкотехнологичная, поэтому стоимость его низка даже в сравнении с более дорогими марками стали, не говоря уже о стоимости химически чистого кремния. Именно поэтому как минимум два именитых производителя ветряков используют продукцию севастопольской Мадесты и мариупольской Азовстали (хотя были случаи, что Азовсталь об этом не подозревала).

Да, кремния много, но он весь – в составе оксидов, и его не так просто извлечь, а потом изготовить качественный поли-/монокристалл. Я думаю, о трихлорсилане и Чохральском вспоминать не стоит, без меня знаете. Это несравнимо с получением стали. Поэтому и стоимости несравнимы: до $1 тыс. за тонну стали (сейчас – 0,7 тыс., а самые-самые специальные марки – до 3,6 тыс.), цена тонны кремния солнечного качества составляет $300-400 тыс. за тонну.

Дальше – стали в современной ветроустановке высотой и размахом лопастей 100 м, и мощностью 2,5 МВт около 356 т (даже вместе с инвертором и трансформатором). Для простоты: $0,7-1 тыс. * 356 т / 2500 кВт = $0,10-0,14 тыс. за кВт установленной мощности. Смотрим pv: предлагаю остноавиться на расходе кремния около 1 г на Вт или 1 кг на кВт, т.е. $300-400 тыс. * 0,001 = $0,3-0,4 тыс. на кВт. Разница в стоимости – 2,9-3 раза. Итого по удельной стоимости основных материалов по ветру и pv – 4:2 в пользу ветра.

Да ладно уж, что мы об установленной мощности – давайте о том, как эта самая мощность будет генерировать э/э. Фактические измерения ветра (не на высоте 16 м, конечно, а много выше) на морском побережье Украины подтверждают чистый КИУМ на уровне 39,0% (т.е. за вычетом всех потерь и собственного потребления), в то время как КИУМ фотоэлектрической системы, установленной в том же месте – около 12,2% (при нужном угле – градусов так 35). Получаем соотношение 3,20, т.е. 1 кВт ветра вырабатывает в 3,2 раза больше э/э, чем 1 кВт pv-системы. Итого по эффективности использования установленной мощности – 5:2 в пользу ветра.

4. О возможности использования солнечной энергетики в местах застройки. Аболютно согласен, pv-системы можно и нужно размещать прямо в городах. Согласен и с тем, что эффективность ВЭС в местах застройки падает – турбулентность. Хотя это не мешает, например, использовать ветряки в Копенгагене, ну да это мелочи. Другое дело, что некоторые города грешат промышленностью. А эта промышленность возьми да и выбрасывай в атмосферу всякие нехорошие вещи. И эти самые нехорошие вещи оседают на панелях и ухудшают и без этого не очень большую эффективность преобразования солнечной радиации в э/э. Донецк, может, например, порадовать смолками, которые еще и въедаются в материал покрытия. В чистом поле тоже всякое летает, и может засыпать батареи, но не мешает ветрякам. Все это пустяки, добавляем солнцу балл: 5:3.

5. Корреляция выработки солнечной э/э с пиками потребления. Да, солнце светит именно тогда, когда люди работают. График красивый, но суточные пики потребления в Украине приходятся на утро и вечер, когда страна в едином порыве включает бытовую технику, а отнюдь не на день. Именно на утро и вечер, то есть тогда, когда лучи Солнца максимально «косые» и эффект от них не настолько большой, как хотелось бы в периоды пика.

Фактические ветроизмерения показывают, что в дневное время скорость ветра выше, чем в ночное. Не то, чтобы она приходилась на пики, но точно не хуже солнца. Плюс ко всему, ВЭС еще и ночью э/э вырабатывает, что недоступно pv. Ок, 6:4.

Меня одинаково интересует и то, и другое. Поэтому будем строить :)

Dmitry комментирует...

Большое спасибо за комментарии. Это именно то, чего я ожидал - аргументированная дискуссия в ответ на "дразнилку".

К сожалению у меня сейчас нет возможности аргументировано ответить на все ваши пункты. Но ведь вы тоже прекрасно понимаете, что не все позиции у вас сильны (взять ту же стоимость кремния, которую вы существенно завысили). А мы еще не затронули такие темы, как стоимость обслуживания, шум от работы, расходы, стоимость материалов для тонкопленочных ФЭСМ и т.п.

И самое главное - я не настаивал на текущей победе солнца. Я говорил о долгосрочных перспективах. И именно с этой точки зрения я считаю, что у солнца шансы не меньше, чем у ветра.

Еще раз спасибо за коментарии.