CC BY
41
£ о
О X
2
Солнечны]
ватт
Евгений Золотое
солнечная энергетика все еще пребывает в младенческом возрасте: у сам передовых в этой сфере стран ее доля в национальном энергобалан составляет лишь около 3%, а первое поколение солнечных элементов, появившееся более полувека назад, до сих пор не просто в ходу А доминир на рынке. однако взросление обещает быть скорым. себестоимость солнечных элементов за последние пять лет снизилась почти в шесть раз, и на подходе — их третье поколение. каковы перспективы России в «солнечной гонке»?
Солнце первично по отношению к большинству используемых человечеством источников энергии. Именно энергия светила, «запасенная» в древесине, согревает нас в виде огня. Энергия ветра или вращающей гидротурбину воды — в конечном счете тоже производная от солнечной. Даже сжигая ископаемые углеводороды, мы тоже пользуемся солнечным теплом, аккумулированным миллионы лет назад.
Когда-нибудь наука освоит термоядерный синтез, будет зажигать маленькие звезды в реакторах и избавит человечество от солнечной зависимости. Но до тех пор грех не воспользоваться щедро расточаемыми Солнцем потоками энергии, прямиком преобразуя их в самую удобную для потребления форму — электрическую.
Историю солнечной энергетики следует вести с 1839 года, когда молодой французский физик Александр Беккерель открыл замечательное явление: если опустить в жидкость с содержанием серебра пару электродов и осветить ее, то между электродами возникает разность потенциалов. Попросту говоря, у него получился генератор электрического напряжения, работающий от света. Спустя сорок лет фотоэффект, наблюдавшийся Беккерелем в жидкости, был воспроизведен в твердом теле — кристалле селена, а там уже человечество добралось и до практического применения. Любопытно, что такому применению нисколько не мешало полное непонимание эффекта преобразования света в электричество. Лишь в конце XIX века российский физик Александр Столетов сформулировал первый закон фотоэффекта (сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока), и только в начале прошлого столе-
тия удалось объяснить происходящие при этом процессы. Ученый, сделавший это, получил в 1921 году Нобелевскую премию: им был Альберт Эйнштейн. Наш соотечественник Жорес Алфёров также получит Нобелевку за свои работы в этой области, но много позже — в 2000 году.
Не углубляясь в физические дебри, фотоэффект можно представить следующим образом. Фотон, излученный, например, Солнцем, попадая на пластинку из материала с нестабильными электрическими свойствами (такие материалы называют полупроводниками; к ним относятся селен, кремний, германий, арсенид галлия и др.), выбивает из атома электрон. Электроны, в свою очередь, текут в одном направлении, что и приводит к возникновению между укрепленными по бокам пластинки электродами электрического напряжения. Такой прибор называют фотоэлементом или солнечным элементом (ОЭ). Соединив несколько таких элементов, получим солнечный модуль, а из модулей уже собирается солнечная батарея (СБ).
На практике бытовые и промышленные установки собирают из модулей мощностью примерно по сто ватт. Это означает, что при ярком солнце 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, а не переменное, как в бытовой электрической сети. Поэтому, прежде чем подключить к солнечной батарее бытовые электроприборы, напряжение преобразуют — повышают и делают переменным. Этим занимается вспомогательное устройство, называемое инвертором.
потенциал возобновляемых энергетических ресурсов земли (ОТн. ед.)
1 Гидроэнергия
2 волновая энергия
5 Геотермальная энергия 20 Энергия биомассы
200 Энергия ветра
2850 Энергия солнца
источник: European Renewable Energy council, energy revolution, 2007
\ \
Кроме того, каждый солнечный элемент характеризуется таким параметром, как эффективность (он же — коэффициент полезного действия), который показывает, какая часть энергии светового потока преобразуется в электрическую. В среднем современные элементы, доступные на рынке, обладают КПД менее 20%. На практике это означает, что солнечная батарея площадью в один квадратный метр имеет мощность около 150 Вт. Нетрудно подсчитать, что для удовлетворения потребностей небольшого частного дома (3-4 кВт) необходимо покрыть солнечными модулями пару десятков квадратных метров.
Производительность солнечной батареи, конечно, зависит не только от параметров составляющих ее элементов, но и от внешних факторов. Среднегодовая выработка электроэнергии сильно варьируется в зависимости от погодных условий на месте установки, температуры окружающей среды (СЭ не любят температур выше +25 градусов), 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 климатическим фактором. Малая пригодность нашей страны для развития солнечной энергетики — не более чем миф. Например, Канада, очень близкая России по климатическим условиям, вырабатывает солнечного электричества почти столько же, сколько соседние Соединенные Штаты, а США, в свою очередь, лишь чуть-чуть отстают от абсолютного лидера — Евросоюза. В то же время Германия, которая еще сильнее обделена солнцем (местами мы по-
цена «солнечных» технологических решений уже приблизилась к уровню, на котором должно начаться их массовое использование в домохозяйствах. верный признак: ритейлер IKEA в великобритании начал продажу солнечных установок для дома мощностью в 3,5 квт за 5,7 тыс. фунтов стерлингов
лучаем света почти в полтора раза больше, чем немцы), в «индивидуальном зачете» занимает одно из первых мест по солнечной генерации. Таким образом, наше отставание в солнечной энергетике имеет вовсе не технологическое или климатическое объяснение.
ПОГОНЯ ЗА ФОТОНАМИ
Потратив более ста лет на теоретические изыскания и опыты, в середине XX века солнечная энергетика вступила в промышленную фазу. Толчок этому дало создание кремниевого солнечного элемента, способного преобразовать в электричество 4% падающего на него света (в дальнейшем 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, тонкопленочный. Эффективности он не добавил, зато снизил цену и повысил удобство использования.
А сегодня в лабораториях кипит работа над солнечными элементами третьего поколения — многослойными, важнейшим качеством которых должен стать повышенный КПД. Лучшие лабораторные образцы уже демонстрируют эффективность в 44%.
Самые ранние солнечные элементы первого поколения при производстве нарезали словно колбасу — из одного большого кристалла кремния (отсюда и название «монокристаллические»). Они весьма эффективны и долговечны (срок службы — 50 лет), однако их механическая прочность оставляет желать лучшего, а процесс производства весьма сложен, энергозатратен и дорог. Кроме того, монокристаллические солнечные элементы плохо переносят жару, что требует особых решений при их установке. Этих недостатков в значительной степени лишена их родня — поликристаллические солнечные элементы. К ним относятся эле-
бизнес-журнал ноябрь #11 2013
57
s о
CL
cl
0
1
2
менты из полупроводников более низкого качества, из аморфного кремния, осажденного на твердую подложку, и гибридные, сочетающие полезные свойства всех перечисленных выше, — правда, в ущерб КПД. В целом, несмотря на полувековую биографию и недостатки, солнечные батареи «первого призыва» все еще доминируют на массовом рынке, занимая около двух третей ежегодных поставок.
Второе поколение солнечных элементов — тонкопленочное. Их собирают из нескольких слоев толщиной в микрометры, словно бутерброд. В изготовлении, да и эксплуатации такая конструкция значительно проще элементов первого поколения, отчего и себестоимость значительно ниже. Но эффективность ее, увы, меньше и достигает в лучшем случае 20% (а в среднем всего 13%), так что производители идут на разнообразные ухищрения, чтобы максимально ее поднять: «колдуют» с покрытием и материалами — например, используя вместо кремния более дорогостоящие соединения.
Наконец, СЭ третьего поколения тоже строят по принципу многослойности, но вместо одного светочувствительного слоя делают несколько (обычно три), причем из различных полупроводников. Дело в том, что у каждого полупроводникового материала своя «зона чувствительности». Кремний, например, хорошо преобразует в электричество крас-
ную часть спектра, но игнорирует голубую. Сделав «бутерброд», в котором каждый слой улавливает свой диапазон спектра, можно добиться невиданно высокого КПД. Теоретические расчеты показывают, что эффективность может даже превышать 60%.
Однако и здесь не обошлось без проблем. Во-первых, изготовить такой «бутерброд» непросто, оттого и коммерчески пригодных решений пока не предложено: разработчики продолжают экспериментировать с массой различных вариантов, делая особый акцент на нанотехнологиях. Во-вторых, многослойная конструкция плохо пропускает свет, а потому номинальной мощности она достигает только при облучении ее световым потоком, в десятки раз превышающим нормальный солнечный. А это требует установки зеркал или линз, собирающих свет.
Конечно, на этом эволюция солнечного элемента не прекратилась. Сегодня солнечная энергетика входит в число наиболее активно разрабатываемых областей знания, о чем свидетельствует высокая патентная активность именно в этой сфере (в том числе и в России: мы входим в пятерку мировых лидеров по «солнечноэнергетическому» патентованию). Перспективных идей множество. Кто-то расширяет зону чувствительности СЭ до ультрафиолета включительно, что уже позволяет превращать в солнечную батарею окна домов и стеклянные
80
70
60
50
40
30
20
10
Падение ватта
Стоимость кремниевых солнечных элементов, $ за Вт мощности
Значительное снижение мировых цен на солнечные элементы привело за последние три года к разорению нескольких десятков европейских компаний-производителей и их смежников, не выдержавших конкуренции с Китаем. Россия тоже среди пострадавших: заводы компаний «Нитол» и «Хевел», в которые вложилась госкорпорация «РОСНАНО», при нынешней ценовой конъюнктуре не в состоянии выйти на уровень рентабельности
Источник: Bloomberg, New Energy Finance
0
ч
крыши (для видимого света они прозрачны!). Другие экспериментируют с покрытием СЭ голографическими, люминесцентными и прочими тонкими пленками, увеличивая тем самым захватываемый световой поток и КПД. Третьи пытаются внедрить в СЭ гидрофобные присадки, сделав поверхность батареи самоочищающейся. Четвертые 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.
ПОЧЕМ СОЛНЦЕ ДЛЯ НАРОДА?
Как бы то ни было, принципиальное значение имеет не столько сам интеллектуальный штурм, сколько себестоимость производства создаваемых в результате него солнечных элементов. Лавинообразное накопление технологических наработок в последнее время спровоцировало стремительное и лишь убыстряющееся удешевление солнечных батарей.
Солнечные элементы принято оценивать в долларах за ватт пиковой мощности. На заре практического применения, то есть в середине прошлого века, батарея, генерирующая один ватт, обходилась очень недешево — $300-1 000. Это, понятное дело, сильно ограничивало диапазон применений — игрушками и маломощной электроникой либо космическими аппаратами. Но уже в 1970-е годы серия технологических прорывов привела к резкому удешевлению СЭ: цена солнечного ватта рухнула на порядок — до десятков долларов, что спровоцировало начало массового применения солнечных батарей, главным образом там, где автономное энергоснабжение жизненно необходимо (освещение, связь, домашние нужды в удаленных районах).
В двухтысячные за счет дальнейшего совершенствования технологических основ и роста спроса и объемов производства цена сделала очередной скачок вниз, опустившись до единиц долларов за ватт. А в последние три-четыре года неожиданно (благодаря тому что в игру включились китайские производители, простимулированные правительством КНР, которое щедро субсидирует солнечную энергетику) случился еще один обвал цен. И если три-четыре года назад цена на солнечные элементы составляла около двух долларов, то к настоящему моменту она вплотную приблизилась к 50 центам. Это означает одно: солнечные батареи окончательно перешли 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 дешевой самосборной мебели начал продажи домашних солнечных батарей мощностью в три с лишним киловатта за 5 700 фунтов (около 300 тыс. рублей). С государственными субсидиями на Туманном Альбионе такая покупка окупается на счетах за электричество через 7-9 лет.
Однако и это не предел. Эксперты прогнозируют, что уже в следующем году солнечный ватт продолжит дешеветь и приблизится к единицам центов. Цены падают так быстро, что цифры в каталогах интернет-магазинов, призванные доказать пользователю экономическую целесообразность, фактически устаревают еще до публикации! Более того, за последние три года сильно подешевело и вспомогательное
\ \
Л Q Q Q — Александр I ОЭ -УЭдмон Беккерель открывает фотоэффект
А О О 3 —американский I О О О изобретатель Чарльз Фритц описывает схему первого практически пригодного солнечного элемента (СЭ). КПД построенного позже действующего прототипа составляет около 1%, так что его используют лишь как детектор света, но не как генератор электричества
А ОПГ\-е — российский
I О —) мученый
Александр Столетов закладывает теоретический фундамент для исследования фотоэффекта
10ПЦ — Альберт
Эйнштейн объясняет механизм преобразования света в электричество
it
1Q13 — в США
I „J I выдается первый патент на конструкцию солнечного элемента
1950-е — КПД
солнечных элементов достигает 5%. Начало практического использования СЭ по прямому назначению — для выработки электроэнергии
/
и
2 ЦН электрооборудование, необходимое для соединения
солнечной батареи с бытовой электросетью (в частности, инвертор, стоивший полдоллара за ватт мощности пару лет назад, теперь 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 в целом, 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 этому «солнечному» прорыву в энергетике, который в конце концов обещает значительно изменить расстановку сил в ТЭКе.
Впрочем, все не так безоблачно и в солнечной энергетике. Одна из самых болевых ее точек, прямо влияющих на экономическую часть, — это проблема старения. Солнечные батареи работают в тяжелых условиях: под палящим солнцем, дождем, 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 солнечные батареи дается гарантия от десяти лет (часто — 25 лет), то есть за это время мощность батареи не упадет ниже 80-90% от номинальной. Однако действительного опыта многолетней эксплуатации таких конструкций, естественно, пока 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 пройдет 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 делает их наиболее выгодным вложением.
НЕ ВСЕМ ОДИНАКОВО СВЕТИТ
Стремительное падение цен на солнечную электронику — весьма опасная и двусмысленная тенденция. Если для потребителей это почти всегда благо, то для большинства игроков с другой стороны солнечного рынка — как минимум головная боль. Так, десятки компаний в Европе и США, которые
серьезно вложились в двухтысячные годы в производственные мощности, не ожидая столь резкого удешевления компонентов, вынуждены теперь затягивать пояса или вовсе останавливать бизнес. Можно винить в этом Китай и выросшую конкуренцию, но за последние три года в Европе разорились десятки компаний-производителей, а эксперты опасаются, что если китайский экспорт не обуздать, то сама отрасль производства солнечных элементов в Европе прекратит существование. Россия, кстати, тоже среди пострадавших: в нашей стране 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.
Пока Россия мечтает о собственном «солнечном» производстве, Европа уже столкнулась с проблемой следующего этапа. Акцент на альтернативной энергетике, сделанный в конце 2000-х годов, на пару с финансовым кризисом привел 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 еще 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.
Солнечные электростанции сегодня удовлетворяют в Европе лишь 2-5% потребности в электричестве (последняя цифра диапазона — в периоды пиковых нагрузок). Однако именно «солнце» лидирует по объемам вводимых каждый год новых генерирующих мощностей — и это позволяет ожидать, что уже к 2020 году каждый десятый киловатт, потребленный гражданами Евросоюза, будет произведен солнечными станциями. К этому моменту поменяется 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 наступит заветный паритет углеводородной и солнечной энергетики, то есть когда производимые тем и другим способом мощности сравняются. И уже на подступах к паритету, после преодоления «чистым» компонентом 30-процентной отметки, энергетика столкнется
ч
с новыми задачами, решение которых до сих пор откладывалось. Сильно упрощая, можно сказать, что вписать в существующие электрические сети значительный объем 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 работает только в светлое время суток, что делает невозможным полную независимость от внешних энергосетей. Правильней было бы накапливать часть вырабатываемого днем электричества для потребления его в сумерках и ночью, а также в непогожие дни. Но мешает отсутствие адекватных технических средств аккумуляции. Существующие электрические аккумуляторы либо неподъемно 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%, 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 США 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.
Остается добавить (и, увы, с сожалением!), что не стоит слишком надеяться на домашний вектор солнечной энергетики. Идея установки солнечной батареи на крыше собственного 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 упомянутые выше проблемы регулятивного свойства, отчасти — меньшая эффективность домашних солнечных батарей: в быту трудно обеспечить идеальные условия для их работы. Но так или иначе — стоит ждать больших перемен: углеводороды выходят из моды!
1960
— Кпд солнечного элемента превосходит 10%
-]ПСП — в СССР при участии I О ~/жореса Алфёрова разработан гетероструктурный (многослойный) солнечный элемент, организуется промышленный выпуск для нужд космонавтики. заложена основа для СЭ третьего поколения. тридцать лет спустя Алфёров получит за свою работу нобелевку
1 С)~7П-е — выпуск
первых наручных часов и микрокалькуляторов с питанием от солнечных батарей
1980
— создается тонкопленочный СЭ
1992 — Кпд
тонкопленочных СЭ превышает 15%
— суммарная мировая солнечная генерация превосходит 1 Гвт.
2006
— создан СЭ с Кпд более 40%
/
