Солнечная электроэнергетика выдержала затмение

Для такой моторизированной страны, как США, такой рост цен на топливо — это существенно. Пока нет перебоев с поставками горючего, но к ним готовятся.

Из-за сильного ветра пришлось эвакуировать персонал нефтяных платформ в Мексиканском заливе. На их долю у побережья Техаса и Луизианы приходится до 17% от общего объема добычи нефти в США. Там же сосредоточены нефтеперерабатывающие заводы, обеспечивающие более 30% от общего объема переработки нефти в стране. Как сообщила телекомпания CNBC, эти заводы могут быть остановлены на срок до двух недель.

По предварительным подсчетам, от разгула стихии пострадали более 450 тыс. человек. Им помогает вся страна. На этом фоне несколько снизилось значение такого важного астрономического явления, как полное солнечное затмение, которое наблюдали на территории 14 штатов. Можно сказать, что впервые на заслон Солнца Луной обратили внимание не только с научной, но и с экономической точки зрения. Для этого были серьезные основания.

Калифорния без электроэнергии не осталась

В штате Калифорния, который еще называют Золотым штатом, большое количеств солнечных дней в году. Например, в городе Сан-Хосе их 320. Не удивительно, что в штате производится значительное количество солнечной электроэнергии. В Калифорнии проживают около 40 млн человек и расположены крупные предприятия военно-промышленного комплекса. Здесь же находится знаменитая Силиконовая долина с ее высокотехнологическими компаниями по производству компьютеров, программного обеспечения и полупроводниковой техники.

Все это обусловило не только высокий уровень потребления электроэнергии, но также опережающее развитие солнечной электроэнергетики. По данным оператора California Independent System Operator (CAISO), на долю последней приходится свыше 17% всего потребления электричества штата. 

Солнечное затмение могло стать серьезным испытанием для энергосистемы. Отсутствие видимого света на довольно длительный период времени, снижение его интенсивности перед затмением и возрастаниепосле него могло вывести из генерации около 6 ГВт мощности.

Генерирующие и распределительные компании готовились к событию заранее. Требовался быстрый ввод дополнительных мощностей классической генерации. В случае Калифорнии — в основном на газе.

Опасения оказались напрасными. Солнечное затмение прошло точно по астрономическому графику, но свет не погас, подача электроэнергии потребителям, несмотря на рост нагрузки, не прекратилась. Сбоев в энергосистеме не отмечалось. Как сказал Эрик Шмидт, вице-президент по операциям CAISO: «Все прошло очень, очень хорошо, мы очень довольны результатами».

Вместо предполагаемого отключения 6 ГВт мощности, реально из генерации выпало только 3,4 ГВт. Не изменились и цены на рынке электроэнергетики. Все это может стать дополнительным аргументом для сторонников максимального использования возобновляемых источников электроэнергии и снижения классической генерации, особенно сжигания угля и нефти. Не удивительно, что представители классических электрокомпаний восприняли новости весьма сдержанно, если не сказать прохладно.   

Перовскиты в игре

У солнечных элементов из кремния, который наиболее широко используются в настоящее время, есть большие проблемы.

Во-первых, и это самое главное, производство их весьма сложно, экологически небезопасно и поэтому дорого стоит.

Во-вторых, кремниевые элементы не используют весь видимый и невидимый спектр, что заставляет строить дополнительные панели, и это тоже увеличивает стоимость.

В-третьих, сами кремниевые элементы имеют относительно большую массу и требуют для своей установки значительной площади.

В-четвертых, нынешние кремниевые панели имеют коэффициент полезного действия (КПД) около 15-17%, и он последнее время не растет.

По этим и другим причинам солнечная электроэнергетика не может полностью заменить классическую генерацию.

Солнечная электроэнергия остается довольно дорогой и требует применения специального тарифа, который назвали зеленым. Кстати, это относится ко всем видам возобновляемой энергетики (ВИЭ), в частности ветровой.

В нынешнем состоянии кремниевая солнечная электроэнергетики требует для значительного объема производства достаточно больших площадей. Это следствие низкого КПД. Как результат, негативные экологические последствия, так как в тени оказываются территории, где нарушается периодичность дня и ночи. Постоянная тень отражается на растительном и животном мире.

Первыми с негативным экологическим эффектом столкнулись в ветровой энергетике. В Нидерландах при большой плотности ветроустановок на побережье отмечались случаи гибели рыбы. Ослабление ветра, отдавшего часть своей энергии ветроустановкам, уменьшало перемешивание верхних слоев моря на мелководье и из-за нехватки кислорода рыба просто задыхалась. Пришлось снять часть ветроустановок, снизить их мощность и размеры, а также увеличить расстояние между ними. Кроме того, вести постоянный мониторинг насыщения прибрежных вод кислородом. Понятно, что это затраты, и они ложатся на стоимость электроэнергии из ВИЭ.

С солнечной электроэнергетикой примерно такая же ситуация. Вроде бы она из неограниченного и незатратного источника, но накладываются, в том числе, и экологические проблемы. Даже в пустыне Сахара пришлось ограничить площадь солнечных панелей на электростанциях по экологическим причинам.

Перспективными считаются солнечные элементы из перовскитов. Впервые этот редкий минерал — титанат кальция — был найден в горах Урала немецким геологом Густавом Розе в 1839 году и назван в честь графа Льва Перовского, знаменитого коллекционера минералов. Титанат кальция, по понятным причинам, широкого применения не нашел, а вот, если можно так сказать, родственники, имеющие сходную кристаллическую структуру, поэтому названные перовскитами, как раз применяются все чаще.

Одно из направлений — солнечная электроэнергетика. Еще несколько лет назад КПД элемента на перовските не превышал 3-4%. Сейчас он уже 20% и достигает пиковых 26%. По мнению экспертов, в ближайшее время КПД элементов на перовскитах выйдет на уровень 30-32%. Это сравнимо с аналогичными показателями классической генерации.

Вторым важнейшим преимуществом перовскитов является то, что традиционные солнечные батареи, при толщине в 180 микрон, поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. К тому же спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния. В результате время его работы и произведенной электроэнергии больше.

Еще одно важное обстоятельство. Если для производства кремниевых элементов необходима температура около 1000 градусов, то для перовскитов — не более 200. Их не нужно долго выпекать в печах — разрабатываются технологии простого разбрызгивания.

«Эти новые материалы можно изготавливать как рулоны, массово. Это почти так же просто, как красить аэрозолью»,  — считает руководитель исследования перовскитов в Калифорнийском университете в Беркли профессор Алекс Цеттл.

Перовскитные элементы имеют способность к переизлучению. Ее обнаружил исследователь из университета в Кембридже Феликс Дишлер. При облучении светом, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию. Часть заряда обратно превращается в фотоны. Если их повторно использовать, то выход электроэнергии увеличится еще больше. Тогда как кремний не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать.

Солнечные батареи на базе кремния стоят в среднем 75 центов за 1 кВт, а элементы на основе перовскита снизят их стоимость в 5-7 раз, до 10-15 центов за 1 кВт, при таком же или даже большем объеме производства электроэнергии. Как считают некоторые эксперты электроэнергетики, при стоимости в 50 центов за 1 кВт установленной мощности, солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу.

Переход на перовскиты в солнечных элементах означает кардинальное изменение в производстве электроэнергии из ВИЭ, в первую очередь, солнечной, и классической — из ископаемого топлива. При этом процесс производства панелей становится проще, дешевле и более приемлемым с точки зрения эксплуатационных расходов. В настоящее время сторонники ВИЭ как-то обходят стороной этот факт.

Хотя надо отметить, что производители и исследователи кремниевых элементов тоже не ждут у моря попутного ветра, а настойчиво занимаются увеличением эффективности традиционных солнечных элементов. До широкого внедрения перовскитных элементов необходимо решить ряд инженерных, производственных и экологических проблем. В частности, в пигменте перовскитной пленки есть небольшое количество свинца, а он токсичен. Сейчас исследуется возможность замены свинца нетоксичным оловом. Тем не менее, австралийские и турецкие компании заявили, что предполагают коммерческое и промышленное производство перовскитных панелей уже ближайшее время, в 2018 году.

Скорее всего, несмотря на значительную конкуренцию на рынке солнечных элементов, какое-то время оба варианта будут сосуществовать рядом. Более того, австралийский профессор Мартин Грин считает, что можно совместить кремний с перовскитом и снизить стоимость получаемой электроэнергии без значительных убытков для кремниевой отрасли.

Украинская перспектива

Энергетические проблемы Украины продолжают оставаться довольно острыми. Война на Донбассе их еще больше обострила. В то же время, южные регионы нашей страны вполне могли бы стать местом размещения солнечных электростанций относительно большой мощности.

Уже сейчас следует подумать о широком использовании перовскитных солнечных элементов в домохозяйствах, в сельской местности, на отдаленных фермах, куда не очень выгодно прокладывать длинные и маломощные электрические сети.

Широкое применение более дешевых перовскитных элементов позволит сократить производство электроэнергии из ископаемого топлива с очевидными позитивными последствиями как для энергетического баланса, так и для финансов государства и энергетических компаний. В том числе, есть и очевидный экологический позитив.

Не менее важна и финансовая мотивация. Утвержденный зеленый тариф должен ее создать и, тем самым, помочь выйти из замкнутого круга постоянных энергетических проблем.

Вторая важная задача: украинский бизнес должен осознать и быть мотивированным, а значит вкладывать средства в научные разработки и производство новейших технологий изготовления современных солнечных элементов. Для этого есть все условия. Но еще нужны политическая воля и здравый смысл.

Юрий Райхель