Авторский вариант. Впервые опубликовано в "Бизнес-журнале" №11/2013
26.10.2013

Оседлавшие солнце

В списке источников «чистой энергии», как часто называют энергию возобновляемую, то есть, по человеческим меркам, неисчерпаемую, Солнце занимает особое место. Всем, что у нас есть, мы обязаны ему. Оно согрело Мировой океан миллиарды лет назад, создав условия для возникновения жизни. Его энергия, «запасённая» в деревьях, грело наших предков, сгрудившихся у костров в пещерах. И сегодня, когда мы сжигаем ископаемые углеводороды, мы тоже пользуемся солнечным теплом, аккумулированным миллионы лет назад. Больше того, улавливая энергию ветра, морских приливов, извлекая геотермальную или производя её из биомассы, мы фактически тоже используем энергию солнца.

Светило первично по отношению к большинству «чистых» энергоисточников и ничего удивительного, что, по оценке учёных, энергетический потенциал солнечного света минимум на порядок превосходит потенциал любых других видов возобновляемых энергетических ресурсов, доступных на Земле. Когда-нибудь наука освоит термоядерный синтез, будет зажигать маленькие звёзды в реакторах и избавит человечество от солнечной зависимости. Но до тех пор грех не воспользоваться щедро расточаемыми Солнцем потоками энергии, преобразуя их в самую удобную для потребления форму — электрическую.

История солнечной энергетики восходит к 1839 году, когда молодой французский физик Александр Эдмон Беккерель обнаружил замечательное явление: опустив в жидкость с содержанием серебра пару электродов и осветив её, он зафиксировал между электродами разность потенциалов. Попросту говоря, у него получился генератор электрического напряжения, работающий от света. Спустя сорок лет фотоэффект, наблюдавшийся Беккерелем в жидкости, был воспроизведён в твёрдом теле (а именно в кристалле селена), а к концу века им уже интересовались не только учёные, но и предприниматели. Любопытно, что практическому применению эффекта преобразования света в электричество не помешало даже непонимание его природы: лишь в конце XIX века российский физик Александр Столетов сформулировал первый закон фотоэффекта (сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока), и только в начале века XX удалось объяснить происходящие при этом процессы (автор той работы получил за неё Нобелевскую премию — им был Альберт Эйнштейн). Наш соотечественник мелькнёт в этой истории ещё как минимум раз (и тоже получит «нобелевку»), но — всему своё время.

Не углубляясь в физические дебри, фотоэффект можно представить следующим образом. Фотон, излучённый, например, солнцем, попадая на пластинку из материала с нестабильными электрическими свойствами (такие материалы называют полупроводниками; к ним относятся селен, кремний, германий, арсенид галлия и многие другие; полупроводники, помимо прочего, служат основой для микросхем), выбивает из атома электрон. Электроны, в свою очередь, текут в одном направлении, что и приводит к возникновению между укреплёнными по бокам пластинки электродами электрического напряжения. Такой прибор называют светочувствительным элементом, фотоэлементом или попросту солнечным элементом (CЭ). Соединив несколько СЭ проводами, получим солнечный модуль, а из модулей уже собирается солнечная панель или, как ещё говорят, солнечная батарея (СБ). Теоретически она способна работать от любого источника света вообще, но только Солнце обладает достаточной интенсивностью, чтобы выходная мощность оказалась пригодна для практических применений.

На практике бытовые (для установки, например, на крыше частного дома) и промышленные СБ (вырабатывающие электричество, достаточное для снабжения крупных зданий и предприятий) собирают из модулей мощностью примерно по сто ватт. Это означает, что подставленный солнцу, один такой модуль способен обеспечить электричеством хорошую лампу накаливания или ноутбук. Впрочем, напряжение на выходе модулей, как правило, невелико (единицы вольт), а кроме того оно постоянное, в отличие от переменного в бытовой электрической сети. Поэтому прежде, чем подключить к СБ бытовые электроприборы, напряжение преобразуют: повышают и делают переменным. Этим занимается вспомогательное устройство, называемое инвертором.

Кроме того, каждый СЭ, а значит и модули, и батарея, характеризуется таким параметром как эффективность (он же коэффициент полезного действия, КПД), который показывает, какая часть энергии светового потока преобразуется в электрическую. В среднем современные СЭ, доступные на рынке, обладают КПД менее 20%, то есть преобразуют в электричество в лучшем случае пятую часть падающего на них света. На практике это означает, что солнечная батарея площадью в один квадратный метр даст мощность около 150 Вт. Нетрудно подсчитать, что для удовлетворения потребностей среднего частного дома (которые оцениваются в 3 — 4 кВт), достаточно покрыть солнечными модулями пару десятков квадратных метров.

Интенсивность солнечного потока, ватт на квадратный метр.

Впрочем, производительность СБ конечно же зависит не только от параметров составляющих её элементов, но и от внешних факторов. Среднегодовая выработка электроэнергии сильно варьируется в зависимости от погодных условий на месте установки (больше солнца — лучше), температуры окружающей среды (СЭ не любят температур выше +25 градусов Цельсия), оседающей на панели пыли (в странах вроде ОАЭ за полгода осевшие пыль и песок способны уменьшить выходную мощность на треть) и тем более снега. Однако отсутствие России в мировом рейтинге стран-производителей солнечной энергии трудно объяснить одним лишь погодным фактором. «Непригодность» России для установки солнечных батарей — не более чем популярный миф: Канада, близкая нам по интенсивности солнечного облучения и погодным условиям, вырабатывает солнечного электричества почти столько же, сколько соседние Соединённые Штаты (а они лишь чуть отстают от абсолютного лидера, Евросоюза), а Германия, занимающая одно из первых мест по выработке, и вовсе по сравнению с нами солнцем обделена (местами мы получаем света почти в полтора раза больше немцев). Так что причины радикального отставания России в солнечной гонке носят скорее политический характер.

Погоня за фотонами

Но вернёмся к технике. Потратив более ста лет на теоретические изыскания и опыты, в середине XX века солнечная энергетика вступила в практическую фазу. Толчок этому дало создание кремниевого СЭ, способного преобразовать в электричество 4% падающего на него света (позднее показатель довели до 25%). Элементы первого поколения были негнущимися, хрупкими и чрезвычайно дорогими в производстве, но там, где цена не играла роли (прежде всего в космонавтике), их начали применять немедленно. Вслед за этим научились осаждать слой полупроводника на гибкую подложку — так родился солнечный элемент второго поколения, тонкоплёночный. Эффективности он не добавил, зато снизил цену и повысил удобство пользования. А сегодня в лабораториях кипит работа над СЭ третьего поколения, многослойными, важнейшим качеством которых является резко выросшее КПД — достигающее для лучших образцов 44%.

Самые ранние солнечные элементы первого поколения резали словно колбасу — из одного большого кристалла кремния (отсюда и название: монокристаллические). Они весьма эффективны и долговечны (КПД выше 20%, срок службы 50 лет), но их механическая прочность оставляет желать лучшего, а процесс производства весьма сложен и энергозатратен, а потому дорог. Кроме того, монокристаллические СЭ плохо переносят жару, что требует особой их установки. Этих недостатков в значительной степени лишена их родня — поликристаллические СЭ (из полупроводников более низкого качества), СЭ из аморфного кремния (осаждённого на твёрдую подложку) и гибридные, сочетающие свойства предыдущих — правда, всё это ценой меньшей эффективности. В целом, несмотря на полувековую биографию и недостатки, СБ первого поколения всё ещё доминируют на массовом рынке, занимая около двух третей ежегодных поставок.

Второе поколение солнечных элементов — тонкоплёночное. Здесь СЭ собирают из нескольких слоёв (в том числе полупроводниковых) толщиной в микрометры, словно бутерброд. В изготовлении (да и эксплуатации) такая конструкция значительно проще элементов первого поколения, отчего и себестоимость значительно ниже. Но, увы, эффективность её меньше и достигает в лучшем случае 20% (а в среднем всего 13%), так что производители идут на разнообразные ухищрения, чтобы максимально её поднять: колдуют с материалами (вместо кремния применяют более дорогостоящие соединения), покрытием.

Наконец, СЭ третьего поколения тоже строят по многослойной схеме, но вместо одного светочувствительного слоя (как в предыдущем поколении) здесь их несколько, обычно три, причём изготовленных из различных полупроводников. Дело в том, что у каждого полупроводникового материала своя «зона чувствительности». Так кремний, например, хорошо преобразует в электричество красную часть спектра, но игнорирует голубую. Сделав «бутерброд», в котором каждый слой улавливает лучи своего цвета, можно добиться невиданно высокого КПД: солнечные элементы третьего поколения уже сегодня преобразуют в электричество более 40% световой энергии. Теоретически же с ними можно добиться эффективности свыше 60%.

Однако и здесь не обошлось без проблем. Во-первых, изготовить такой бутерброд непросто, почему и коммерческих решений пока нет (инженеры экспериментируют с массой вариантов, делая особый акцент на нанотехнологиях). Во-вторых, многослойная конструкция плохо пропускает свет, а потому номинальной мощности она достигает только при облучении её световым потоком в десятки раз превышающим нормальный солнечный. Что требует установки зеркал или линз, собирающих свет.

Конечно, на этом эволюция солнечного элемента не прекратилась. Сегодня солнечная энергетика входит в число самых активно разрабатываемых областей знаний — и именно здесь выдаётся чуть ли не больше всего патентов (в том числе и в России, которая входит по этому показателю в пятёрку мировых лидеров). Перспективных идей множество. Кто-то расширяет зону чувствительности СЭ до ультрафиолета включительно, что уже позволяет превращать в солнечную батарею окна домов и стеклянные крыши (для видимого света они прозрачны!). Другие экспериментируют с покрытием СБ голографическими, люминесцентными и прочими тонкими плёнками, увеличивая тем самым захватываемый световой поток и КПД. Третьи пытаются внедрить в СЭ гидрофобные присадки, сделав поверхность батареи самоочищающейся. Четвёртые ставят опыты с «умной» начинкой — вшивая микропроцессоры прямо в солнечные элементы, чтобы на ходу оптимизировать режим работы. Пятые печатают светочувствительный слой на обычных материалах, вроде кирпичей, бумаги и тканей.

Почём солнце для народа?

Для описания всех ведущихся здесь исследований не хватило бы даже книги. Но в контексте нашего разговора важен не столько сам интеллектуальный штурм, сколько его влияние на цены. А лавинообразное накопление технических новшеств спровоцировало стремительное, с нарастающим темпом, удешевление солнечных батарей.

Солнечные элементы принято оценивать в долларах за ватт пиковой мощности. На заре практического применения, в середине прошлого века, батарея, генерирующая один ватт, стоила от 300 до тысячи долларов США. Что, понятное дело, сильно ограничивало диапазон применений — игрушками и маломощной электроникой, либо космическими аппаратами. Но уже в 70-х годах серия технологических прорывов привела к резкому удешевлению СЭ: цена за ватт рухнула на порядок, до десятков долларов, и спровоцировало начало массового применения СБ в народном хозяйстве, главным образом там, где автономное энергоснабжение жизненно необходимо (освещение, связь, домашние нужды в удалённых районах).

В «нулевые», за счёт дальнейшего совершенствования технологических основ, но также и за счёт роста спроса и объёмов производства, цена сделала очередной скачок вниз, опустившись до единиц долларов за ватт. А в последние три-четыре года, неожиданно (вероятно, за счёт включения в игру китайских производителей, агрессивно субсидируемых государством), случился ещё один обвал цен — и, если к исходу первого десятилетия XXI века цена на солнечные элементы составляла около двух долларов, то к настоящему моменту она вплотную приблизилась к 50 центам. Что перевело СБ в разряд товаров массового потребления. По всему миру начали открываться компании, продающие бытовые солнечные электростанции «под ключ». Характерным примером тут может послужить недавняя инициатива IKEA: в Великобритании этот знаменитый производитель дешёвой самосборной мебели начал продажи домашней СБ мощностью в три с лишним киловатта за 5700 фунтов (порядка четверти миллиона рублей). С государственными субсидиями в Туманном Альбионе такая покупка окупается за 7 — 9 лет.

Однако и это не предел. Эксперты прогнозируют уже на следующий год очередной ценовой виток вниз, по направлению к единицам центов. Цены падают так быстро, что цифры в каталогах интернет-магазинов, в расчётах экономической целесообразности в научных работах, фактически устаревают ещё до публикации! Хуже того, за последние три года сильно подешевело и вспомогательное электрооборудование, необходимое для соединения солнечной батареи с бытовой электросетью (в частности, инвертор: стоивший полдоллара за ватт мощности, теперь он вдвое дешевле). Как результат, совокупная мощность установленных по миру солнечных батарей вырастает теперь на 40% ежегодно, и темпы роста непрерывно увеличиваются. Из 100 с лишним гигаватт, вырабатываемых сегодня солнечными электростанциями на нашей планете, больше всего генерируют Германия и Евросоюз вообще, Китай, США, Италия, Япония. В ближайшем будущем, по прогнозам, к ним присоединятся развивающиеся страны. Иначе говоря, тенденция по-настоящему массовая. И по справедливости, деловой прессе стоило бы уделять основное внимание не сланцевым углеводородам, а солнцу.

Конечно, на деле всё не так красиво, как нарисовано здесь. Одна из самых больных проблем солнечной энергетики, прямо влияющая на экономическую часть, это проблема старения. Солнечные батареи работают в тяжёлых условиях: под палящим солнцем, дождём, снегом, на больших перепадах температур. Нежный светочувствительный слой защищают стеклом или прозрачным пластиком, и вроде бы производителям удалось компенсировать негативное влияние окружающей среды: на современные бытовые СБ даётся гарантия от десяти лет и более (часто — 25 лет), что означает, что за это время мощность батареи не снизится ниже 80-90% от номинальной. Однако действительного опыта многолетней эксплуатации таких конструкций, естественно, ни у кого нет — и время от времени случаются скандалы: батарея, которая должна служить четверть века, вдруг — из-за чисто механических дефектов — выходит из строя за два года! И эксперты опасаются, что худшее впереди: технологии и материалы меняются быстро, опыт отсутствует, редкие пока инциденты замалчиваются вендорами, но пройдёт год-другой и покупатели столкнутся с отказами солнечных электростанций массово, а тогда, знаете ли, может случиться и паника.

Вот почему при выборе бытовой солнечной электростанции знатоки рекомендуют смотреть не на цену за ватт, а на совокупную стоимость владения за ожидаемое время службы. И тут монокристаллические СЭ первого поколения пока вне конкуренции: да, они дороги, но полувековой ресурс вкупе со сравнительно малой ежегодной деградацией мощности делают их наиболее выгодным вложением.

Не всем одинаково светит

Вообще, стремительное падение цен на солнечную электронику — весьма опасная и двусмысленная тенденция. Если для потребителей это почти всегда благо, для большинства игроков с обратной стороны солнечного рынка — минимум головная боль. Так, десятки компаний в Европе и США, не ожидая столько резкого удешевления компонентов и серьёзно вложившиеся (в «нулевых») в производство солнечных элементов или сырья для них, вынуждены теперь затягивать пояса или вовсе останавливать бизнес. Пенять ли на Китай (который уже стал мировым лидером по производству СЭ: тяжело субсидируемые государством, его производители, естественно, выдают более дешёвый продукт, чем заводы в странах Запада) или на всплеск интереса к солнечной энергетике (и, соответственно, рост объёмов производства), только за последние три года в Европе разорились буквально десятки компаний, а эксперты опасаются, что если китайский экспорт не обуздать, сама отрасль производства солнечных элементов в Европе прекратит существование. Россия, кстати, тоже затронута: у нас в этом году разгорелись скандалы вокруг двух проектов госкорпорации «Роснано» — «Нитол» и «Хевел» — по производству поликристаллического кремния для СЭ первого поколения и самих СЭ второго поколения соответственно. Как и многие европейские вендоры, на новом уровне цен они оказались нерентабельны (у нас, правда, ситуация осложнена ещё и вскрывшимся нецелевым расходованием средств).

Пока Россия мечтает о собственном «солнечном» производстве, Европа уже столкнулась с проблемой следующего порядка. Акцент на альтернативной энергетике, сделанный в конце «нулевых», на пару с финансовым кризисом (и, следовательно, падением спроса на электрическую энергию) привёл к падению цен на электричество и вынужденному значительному сокращению генерации традиционными энергопроизводителями. Попросту, были закрыты или отключены многие газовые и угольные электростанции, уволен персонал. Формально их место заняли или займут электростанции солнечные (а также, в меньшей степени, ветряные). Однако специалисты предупреждают, что такая замена не может считаться полноценной: запаса мощности солнечная энергетика ещё не накопила и может случиться, что — вследствие перемены климата, например, или резкого роста потребления — солнечной энергии на всех не хватит, а тогда неизбежны перекосы тарифов и даже аварийные массовые отключения электричества.

Сегодня лишь от двух до пяти процентов (последняя цифра — в периоды пиковых нагрузок) потребностей Европы в электричестве удовлетворяются солнечными электростанциями. Однако именно «солнце» лидирует по объёмам вводимых каждый год новых генерирующих мощностей — и это позволяет ожидать, что уже к 2020 году каждый десятый киловатт, потреблённый гражданами Евросоюза, будет произведён солнечными станциями. К этому моменту поменяются и расстановка сил на международной арене: в лидеры солнечной генерации вырвутся США и Китай, подтянутся развивающиеся страны. Определять развитие солнечной энергетики в этот период будут два технологических направления.

Во-первых, лабораторные стены покинут высокоэффективные солнечные элементы третьего поколения. От успеха их коммерциализации будет зависеть то, как быстро настанет заветное равенство «углеводородной» и солнечной энергетик, то есть когда производимые тем и другим способом мощности сравняются. И уже на подступах к паритету, после преодоления «чистой» компонентой 30% отметки, энергетика столкнётся с новыми задачами, решение которых до сих пор откладывалось. Сильно упрощая, можно сказать, что вписать в существующие электрические сети значительный объём солнечной (и ветро-) генерации без проблем не удастся — потребуются новые методы контроля и управления перетоками энергии, возможно, даже перестройка сетей.

Вторым направлением станет решение проблемы локальной аккумуляции электроэнергии. Большинство доступных сегодня на массовом рынке солнечных электростанций работают только в светлое время суток, что делает невозможным полную независимость от внешних энергосетей (электрической, газовой). Правильней было бы накапливать часть вырабатываемого днём электричества для потребления его в сумерках и ночью, а также в непогожие дни. Но мешает отсутствие адекватных технических средств аккумуляции. Существующие электрические аккумуляторы либо неподъёмно дороги (оснащение солнечной электростанции литий-ионными батареями, способными хранить пятидневный запас электричества, увеличит цену всего комплекта в несколько раз), либо недостаточно ёмки, а другие решения (вроде гигантских резервуаров с расплавом солей, как это делается на некоторых промышленных солнечных электростанциях) для бытового применения не годятся. Так что пока проблему решают частично: бытовую электростанцию комплектуют свинцово-кислотными аккумуляторами, которые не слишком удобны в эксплуатации и недостаточно ёмки, зато, увеличивая цену всего на 25%, они способны удовлетворить важные бытовые электронужды (холодильник и пр.) в течение нескольких часов, пока нет солнца и длится перебой с внешним электроснабжением.

Как только проблема локальной аккумуляции будет решена, обыватель получит возможность по разумной цене (сопоставимой, скажем, со стоимостью нового автомобиля) не только сделать свой дом независимым от внешних энергопоставщиков, но и сам поставлять избытки электричества на рынок (что уже ограниченно практикуется в Европе и США). Такая перспектива, естественно, не радует классических энергопроизводителей — и противостояние уже обозначилось: в Европе и Соединённых Штатах игроки, представляющие углеводородную отрасль, давят на законодателей, требуя прекратить или урезать субсидирование солнечной энергетики, либо ужесточить регулятивные требования (условия подключения и контроля бытовых электростанций). Наконец, уже прозвучали первые залпы в торговой войне с Китаем: США с прошлого года, а Европа в ближайшем будущем ввели или надеются ввести повышенные тарифы на импорт китайских компонентов для солнечных электростанций.

Остаётся добавить — и, увы, с сожалением — что не стоит слишком надеяться на домашний вектор солнечной энергетики. Идея установки СБ на крыше частного дома красива и с этим никто не спорит: совокупная мощность, генерируемая такими электростанциями, продолжит расти с ускорением. Однако суммарная мощность промышленных солнечных станций будет расти вдвое быстрее! Отчасти в этом виноваты проблемы регулятивного свойства (упомянутые выше), отчасти меньшая эффективность домашних СБ: в быту трудно обеспечить идеальные условия для работы солнечных батарей. Но так или иначе — ждите больших перемен: углеводороды выходят из моды!


Солнце,энергетика,чистая_энергия,солнечная_батарея




Евгений Золотов, 1999-2018. Личный архив. Некоторые права защищены