О развитии солнечной энергетики в России

Бытует мнение, что солнечная энергия — это нечто экзотическое и ее практическое применение относится к области фантастики, либо, на худой конец, к отдаленному будущему. Цель данной статьи доказать, что солнечная энергия уже сейчас может составить конкуренцию традиционной энергетике и не только в странах Запада, но и у нас, в России.

Сопоставляя различные энергетические технологии по основным параметрам, в том числе и по экономическим характеристикам, следует прежде всего определить их действительную стоимость, так как существующие в России цены на топливо и электроэнергию за последние 7-8 десятилетий, не отражают действительных затрат на их производство. А, как известно, экономические стимулы, способствующие сбережению энергоресурсов и созданию новых технологий, могут работать только при правильном ценообразовании.

В данной работе мы будем использовать мировые цены, хотя не мешает подчеркнуть, что до настоящего времени во всех странах мира существенная часть стоимости производства энергии распределяется на затраты общества, а не отражается в тарифах на энергию.

Известно, что ежегодное потребление традиционных источников энергии колоссально, например, потребление нефти сравнимо с тем её количеством, которое набирается за два миллиона лет, причем потребление происходит по ценам, совершенно не отражающим реальные совокупные затраты общества на их добычу и производство. Получается, что современное общество живет за счет будущих поколений, которые, конечно, не смогут воспользоваться энергией по такой низкой цене.

Другая часть стоимости энергии, которая не включается в тарифы за энергию и распределяется на все общество — это загрязнение окружающей среды установками, которые её вырабатывают. Что собой представляют выбросы тепловых электростанций? Это, в основном, углекислый газ, вызывающий парниковый эффект и изменяющий климат, вызывая, например, в некоторых районах засуху. Кроме углекислого газа, в окружающую среду выбрасываются оксиды серы и азота, которые уже в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты, после чего возвращаются на землю в виде снега или кислотных дождей. Повышенная кислотность воды приводит к снижению плодородия почвы, засыханию лесов, уменьшению рыбных запасов, вызывает коррозию строительных конструкций, повреждает здания. Кроме того, кислотами растворяются токсичные тяжелые металлы (кадмий, ртуть, свинец и др.), которые в растворенном виде могут попасть в питьевую воду и продукты питания.

Что касается стоимости электроэнергии, получаемой от атомных электростанций, то, если учесть последние события на АЭС в Японии, налицо полная неопределенность. Только после того, как будут решены вопросы безопасности АЭС и ядерных технологий по получению топлива и захоронения отходов, разработаны принципы работы с оборудованием, помещениями и сооружениями АЭС после истечения срока эксплуатации (30 лет), можно будет говорить о реальной стоимости атомной электроэнергии. Не вызывает сомнений, что эта стоимость будет гораздо выше той, которая ныне принята.

Оценивая прямые социальные затраты, связанные с вредным воздействием электростанций и наши и зарубежные исследователи пришли к выводу, что они дают величину, добавляющую около 75% от мировых цен на топливо и энергию. В понятие вредного воздействия должны быть включены болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплата медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы. На самом деле это затраты всего общества — экологический налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок, и этот налог должен быть включен в стоимость энергии для формирования государственного фонда энергосбережения и создание новых экологически чистых технологий в энергетике. 

Совершенно ясно, что если включить эти затраты в тарифы на энергию, почти все новые технологии возобновляемой энергетики вполне смогут конкурировать с традиционными технологиями. Вместе с тем отпадет вопрос поиска финансирования для новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такая схема «экологического» налога в размере 10-30% от стоимости нефти введена в Швеции, Финляндии, Нидерландах, Германии и других странах. Естественно, что при принятии закона об энергосбережении в России необходимо изучить и использовать ценный опыт зарубежных стран.

Геотермальные, ветровые и гидроэлектростанции обладают неплохими экономическими параметрами независимо от мощности, которая ограничена лишь существованием соответствующих энергоресурсов. Что касается геотермальной энергетики, то мы не будем её рассматривать, так как она, по сути, не является возобновляемой. Ветровые и гидроэлектростанции обладают потенциалом, равным 0,02 % и 0,07 % от солнечной энергии соответственно, и, если суммировать мощности локальных и региональных потребителей, которых обеспечивают энергией такие электростанции, то она достигнет нескольких сотен и тысяч мегаватт. 

По экономической эффективности наиболее приемлемыми оказываются энергосберегающие технологии для солнечного дома. Расчеты показали, что их применение позволит снизить электропотребление почти на 60%. Об успешности применения таких технологий говорят такие проекты, как, например, «2000 солнечных крыш» в Германии.

В той же Германии разработана особая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой нагрева 50-90оС. В США полтора миллиона зданий оснащены солнечными водонагревателями, общая мощность которых превышает 1400 МВт.
Приближение к мировым ценам дает возможность пересмотреть вопрос об экономической нецелесообразности использования технологий получения газа и моторного топлива из биомассы. Как показали опыты, фермеры, сеющие рапс и получающие рапсовое масло могут быть совершенно независимыми от государственных или частных поставок моторного топлива. В тех местах, где много торфа и древесины, можно использовать технологии газификации, получение этанола и метанола, и применять их как синтетическое топливо в дизельных электрогенераторах и автомобилях. Относительно мало используется водород и электрический транспорт, применению которых препятствует отсутствие экономически выгодных технологий аккумулирования. Однако надо признать, что в последние годы работы в этой области ведутся достаточно успешно, и есть надежда, что в скором времени будут получены соответствующие результаты.

Следует отметить, что солнечные электростанции (СЭС) пригодны не только для решения мелких локальных задач энергетики. Они способны решать и более глобальные задачи. Например, подсчитано, что для удовлетворения всего современного потребления электроэнергии в России достаточно солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия 12 % и активной площадью около 4000 квадратных километров, что составляет всего 0.024% территории всей страны.

Особой популярностью в мире пользуются гибридные солнечно-топливные электростанции. Оптимальные характеристики гибридных электростанций, нашедших наиболее широкое практическое применение:

• — коэффициент полезного действия — 13,9%;
• — температура пара — 371оС;
• — давление пара — 100 бар;
• — стоимость вырабатываемой электроэнергии — 0,08-0,12 долл/кВт.ч;
• — суммарная мощность в США — 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт.

СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час. — 0,066 долл. и с 12 до 18 час. — 0,353 долл. Есть возможность увеличения коэффициента полезного действия до 23% — это среднее значение коэффициента полезного действия системных электростанций. Что касается стоимости электроэнергии, то и она может быть снижена, если будет использована комбинированная выработка и электроэнергии, и тепла. При работе над этим проектом фирмой Flachglass Solartechnik GMBH (Германия) была создана технология производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81%, ресурс работы которой превышает 30 лет.

Если в южных районах России, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа, и где прямая солнечная радиация составляет более 50% от суммарной радиации, применить такую технологию зеркал, то массовое оснащение этих местностей солнечными электростанциями представляется очень даже перспективным и целесообразным.

Представляют интерес типы солнечных концентраторов, в основе которых лежат голографические технологии. Основные характеристики таких концентраторов — сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа. В качестве приемника могут быть использованы как, давно уже применяемые, традиционные паронагреватели, так и солнечные элементы на основе кремния.

Наиболее перспективной для практического применения в мире признана технология использования кремниевых фотоэлементов для преобразования как прямого,так и рассеянного солнечного излучения. Коэффициент полезного действия таких фотоэлектрических станций около 12-15%, но уже получены лабораторные образцы, в которых величина КПД достигает 23%.

Выпускается большое количество солнечных элементов, производящих более 50 МВт электроэнергии в год, ежегодно это количество возрастает на 30%. Однако, в настоящее время уровень производства солнечных элементов находится в начальной фазе их использования для освещения, подъёма воды, питания бытовых приборов и т.д. Большую роль в этом играет экономический вопрос. Стоимость солнечных элементов составляет около 4,5-5 долларов/Вт, стоимость электроэнергии, полученной этим способом составляет 0,25-0,56 долларов/кВт.ч. Так что, пока они применяются, в основном, для замены керосиновых ламп, свечей, сухих элементов и аккумуляторов, а в случаях больших расстояний от энергосистем и при малой мощности нагрузки могут заменить дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

Ряд экспериментальных фотоэлектрических станций, работающих на энергосистему, построен в США. Их мощность колеблется от 0,3 МВт до 6,5 МВт. Вторая фаза массового производства и использования СЭС в энергосистеме предусматривает снижение стоимости мощности примерно в 5 раз за счет создания новых технологий и материалов. Предполагаемая стоимость солнечных элементов будет в пределах 1-2 доллара/Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10-0,12 доллара/кВт.ч. Ограничивает снижение стоимости цена самого кремния, пригодного для применения в солнечных элементах. Она колеблется в пределах 40-100 долларов/кг. Поэтому главной задачей в этом направлении является создание новых технологий получения кремния, которые позволят снизить его стоимость на порядок. Современная ситуация с кремнием напоминает ситуацию с алюминием, когда, вскоре после его открытия в 1825 году, его стоимость была сопоставима со стоимостью серебра и он применялся лишь при производстве украшений.

Когда же в 1886 году была создана технология электролиза, алюминий стал дешевым и вполне доступным для использования в производственных целях материалом.

Что касается кремния, то 29,5 % земной коры состоит из кремния, что в 3-3,5 раз превышает содержание в ней алюминия. Если же считать по массе, то в Земле его содержится 15,2 %, что составляет вообще фантастическую цифру. В настоящее время стоимость солнечного кремния, чистота которого равна 99,99%, сопоставима с ценой урана для АЭС, несмотря на то, что содержание кремния в земной коре в 100000 раз больше содержания урана.

Запасы урана на Земле предположительно оцениваются в 2763000 т. Топливный цикл, предусматривающий получение гексафторида урана очень сложен и далеко не безопасен, ни в какое сравнение не идет с хлорсилановым способом получения солнечного кремния. Если к этому добавить ещё и рассеянность и малое содержание урана в земной коре, то вообще непонятно, почему стоимости этих двух элементов должны быть сопоставимы. Ситуация объясняется следующим образом. В развитие урановых технологий были вложены миллиардные средства, источником которых являлись, в основном, военные программы. Даже объёмы производства урана в 6 раз больше объёмов производства солнечного кремния.

Что касается хлорсилановой технологии производства солнечного кремния, она практически осталась без изменения, несмотря на то, что со времени ее разработки прошло более полувека, и сохранила все недостатки, присущие химическим технологиям тех лет: экологическую опасность, низкий коэффициент полезного действия, высокую энергоёмкость.

В качестве материала для производства кремния используется кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка, он составляет 12 % от массы литосферы. Большая энергия связи Si-0 — 464 кДж/моль способствует большим затратам энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами — 250 кВт.ч/кг, а выход кремния составляет всего 6-10%. 

С 1970 года в различных странах, в том числе в СССР, Германии, Норвегии и США проводились исследования по созданию технологий получения кремния, которые не содержали бы хлорсилановый цикл. Однако после истечения двухлетнего срока исследований в СССР эти работы были прекращены и в дальнейшем вовсе исключены из национальной программы. Что касается остальных стран, то там были продолжены исследовательские работы. Фирмы «Симменс» (Германия) в 1984 году, и фирма «Элкем» (Норвегия) в 1985 году совместно с компаниями США «Дау Корнинг» и «Эксон» завершили разработки технологии получения солнечного кремния карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов, с КПД солнечных элементов 10,8-11,8%. 

В 1988 году о разработке новой солнечной технологии сообщили японские фирмы Nippon sheet glass, Kawasaki Steel Corp. В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния. Технология «Симменс» предусматривала использование особо чистых кварцитов с содержанием примесей 20.10 по массе. В настоящее время в исследования в этой области включились и наши специалисты, и не безуспешно. Совместными исследованиями с фирмой «Симменс» доказано, что качество полученных российскими исследователями кварцитов не только не уступает зарубежным, а является одним из самых высоких в мире. Немаловажно и то обстоятельство, что наша страна обладает запасами, достаточными для изготовления солнечных фотоэлектрических станций, мощность которых превышает 1000 ГВт. Приведем характеристики новой технологии производства солнечного кремния методом восстановления из природно-чистых кварцитов:

• — расход электроэнергии — 15-30 кВт.ч/кг;
• — выход кремния — 80-85%;
• — стоимость кремния — 5-15 долларов/кг;
• — стоимость солнечных элементов в случае широкомасштабного применения технологии и модулей — 0,7-1,4 долларов/Вт;
• — стоимость солнечных модулей соответственно — 1,0-2,0 долларов/Вт;
• — стоимость электроэнергии — 0,10-0,12 долларов/кВт.ч.

Химические методы в данной технологии вытеснены экологически чистыми электрофизическими методами.

В настоящее время в России есть возможность изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год, так как работают восемь предприятий, имеющих соответствующие технологии и производственные мощности.

Ещё в 1992 году в Белоруссии, в г. Минске, используя производственные мощности двух заводов объединения «Интеграл», было освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в России в соответствии с программой «Экологически чистая энергетика». Здесь без перестройки основного производства возможно выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей. В России, при условии переоснащения нескольких заводов на выпуск солнечных элементов, объем производства к 2000 г. мог бы превысить 200 МВт в год, а к 2010 г. дойти до 2000 МВт в год. Все это невозможно без государственной инвестиционной поддержки новых технологий производства солнечного кремния.

Следует отметить, что для развития фотоэлектрической отрасли недостаточно только производства солнечного кремния, необходимо создание производства специального закаленного стекла с низким содержанием железа, необходим алюминиевый прокат, электронные регулирующие устройства. Для всего этого в России имеется достаточный объём производственных мощностей.

В том случае, когда солнечная электростанция работает на энергосистему и её мощность составляет 10-15% от мощности энергосистемы, то такая электростанция может не иметь суточного и сезонного аккумулирования. Такая мощность соответствует мощности СЭС 40 ГВт. Для обеспечения этой мощности понадобится площадь солнечных элементов порядка 400 кв. км.

В европейской части России оптимальные районы размещения СЭС — это побережье Каспийского и Черного морей, Поволжье. Площадь центральной СЭС примерно в 4 раза превышает активную площадь солнечных элементов.
Известно, что удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, поэтому в некоторых случаях целесообразно модульное размещение СЭС на крыше помещений, будь это дача, сельский дом, ферма. Владелец СЭС может продавать электроэнергию энергосистеме днем и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику ночью. Каковы преимущества такого использования? Это экономия на опорных конструкциях, на площади земли, так как происходит совмещение роли крыши и источника энергии. Кроме того, таким способом государство поощряет небольших и независимых производителей энергии.

Модульное размещение СЭС 1 млн.кВт позволяет покрыть потребности в электроэнергии 500000 сельских домов и коттеджей.

Несмотря на все возрастающую роль солнечной энергетики в общемировом энергетическом балансе, вклад России в производство солнечных батарей для фотоэлектрических установок составляет менее 1%. На территории нашей страны совсем немного предприятий, ориентированных на выпуск солнечных модулей, и только три из них достаточно мощные (более 10 МВт/год) — В Москве, Рязани и Краснодаре. Из них только рязанский завод (РЗМКП) работает на полную мощность, поставляя около 99% продукции на экспорт, а краснодарский «Солнечный ветер» вообще вывел свое производство в Испанию. Выпуск солнечных батарей в Москве также практически свернут. Согласно оценкам специалистов, создание новых предприятий этого профиля в России сейчас экономически неоправдано, в связи с ограниченным внутренним рынком сбыта и малой вероятностью пробиться на мировой рынок без реальной поддержки западных партнеров.

Фотоэлектрические модули КСМ-175

Несмотря на бурное развитие солнечной энергетики в мире, в России, кроме разработки нескольких проектов по созданию генерирующих мощностей на основе фотовольтаического эффекта, — практически отсутствуют подвижки в этой области. Разве что, открытие в Белгородской области осенью прошлого года первой в России солнечной электростанции мощностью 100 кВт.

Почему наша страна оказалась аутсайдером в области солнечной энергетики, несмотря на обширную сырьевую базу?

Во-первых, в России практически отсутствуют профильные предприятия, нет собственного производства чистого кремния, без которого невозможно производство фотопреобразователей. Производство «солнечного» кремния не выходит за рамки объемов опытного производства. Предлагающиеся проекты так и остаются на стадии теоретических разработок, во-многом, из-за отсутствия инвестиций.

Во-вторых, как мы уже говорили, необходимо производство также комплектующих деталей, например, стекла с низким содержанием железа для сборки кристаллических модулей, специального алюминиевого профиля, контактных коробок с байпасными диодами, проводов с герметичными разъемами, опорных конструкций и т. д.

В третьих, в России не налажено производство дополнительного оборудования для автономных солнечных электростанций (аккумуляторов, инверторов, контроллеров заряда) требуемого качества.

Разумеется, комплектующие можно ввозить из-за рубежа, а при достаточном спросе на фотовольтаические системы наладить производство в самой России. Подобный подход к проблеме, безусловно, помог бы нашей стране подняться на новый уровень развития энергетики.

Основными препонами традиционно являются у нас законодательно-бюрократические ограничения, запрещающие как поставлять энергию, выработанную солнечными батареями, в сеть без соответствующих разрешений, так и, по примеру западных стран, продавать ее по повышенным тарифам, а потреблять по обычным. Иными словами, у нас отсутствует система стимулирования развития фотовольтаики.

Отдавая дань справедливости, нужно отметить и положительные моменты, способствующие развитию солнечной энергетики в России. А они у нас есть. Как уже было отмечено, это в первую очередь огромные территории с достаточным количеством солнечной радиации (в сравнении с Германией этот показатель по Московской области выше на 10%). Во-вторых, — это значительное количество площадей, пригодных к строительству солнечных электростанций (степных и «неудобных» земель, выведенных из хозяйственного оборота), использование которых во-многом способно улучшить качество электроснабжения, особенно в удаленных районах, уменьшить потери в распределительных линиях за счет приближения источника энергии к потребителю.

В-третьих, наличие дополнительных мощностей электроэнергии позволит избежать проблем с недостатком электричества в пиковые часы, особенно в летнее время. Самое же значительное достоинство солнечной энергетики — это, еще раз повторимся, снижение зависимости от углеводородного топлива, отравляющего планету. Вывод может быть только один: возобновляемые источники энергии в совокупности с бережным и экономным расходованием оставшихся невозобновляемых ресурсов — это единственно возможный путь развития и сохранения планеты для потомков, что в полной мере относится и к нашей стране — России.

В конце данной работы остановимся на предположительных путях развития мировой цивилизации. Экономические законы и опыт развития подсказывают, что рациональная структура использования природных ресурсов в будущем будет исходить из структуры их запасов на нашей планете.

Известно, что содержание кремния в земной коре по массе стоит на втором месте после кислорода. Как в далеком первобытном обществе люди использовали примитивные кремниевые орудия труда, то и через тысячелетия человечество возвращается к такому периоду, когда используются керамика, стекло, силикатные материалы и др. на основе кремния, а в качестве, чуть ли не основного, источника энергии — кремниевые солнечные электростанции. Что касается проблем с суточным и сезонным аккумулированием, видимо они будут решены с помощью солнечно-водородной энергетики. Кроме того, перспективна идея широтного расположения солнечных электростанций и новых систем передачи между ними с усовершенствованными системами сбережения энергии. 

Зная, что 1 кг кремния в солнечном элементе за срок службы 30 лет вырабатывает 300 МВт.ч электроэнергии, можно подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти. 

Однако здесь надо учесть ещё один немаловажный фактор. Дело в том, что срок службы СЭС (только по кремнию и солнечным элементам) свободно можно увеличить до 50-100 лет. Просто из технологии герметизации надо исключить полимерные материалы, которые и ограничивают срок службы СЭС, и заменить их более эффективными. Что касается коэффициента полезного действия СЭС, то цифра 25-30% не является нереальной в ближайшем будущем. Одновременно следует отметить и тот факт, что при замене солнечных элементов используемый в них кремний может быть повторно использован бесчисленное число раз.