ЛОВУШКА ДЛЯ CОЛНЦА

Владимир ПОПОВ

В Абхазии, в Сухуми работает дочернее предприятие НПП «Квант». Эта российская космическая фирма известна в стране и за рубежом своими уникальными разработками не только для нужд космической отрасли, но и средств автономной энергетики. Партнером «Кванта» стал известный в это кавказской республике Гидрофизический институт. Ученые и инженеры двух научных центров намерены объединить усилия в совершенствовании технологий солнечной энергетики. К тому же разработки — творческий поиск в этой сфере очень удачно вписывается в рамки правительственной стратегии по максимальному использованию результатов космической деятельности. О проблемах, достижениях и перспективах солнечной энергетики мы беседуем с заместителем генерального директора НПП «Квант» Сергеем Мазуром и директором Сухумского гидрофизического института Вячеславом Кецба.

— Прежде чем начать наш диалог, хотелось бы задать вопрос, который можно отнести к разряду провокационных. Итак: насколько уместны довольно затратные разработка и проектирование солнечных станций, если себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии в шесть-восемь раз выше, чем, скажем, на ТЭС? Стоит ли овчинка выделки?

Сергей Мазур: Я бы не стал говорить об эффективности или неэффективности солнечных батарей так категорично. Возможно, кому-то КПД современных кремниевых фотоэлементов в 17 -18 процентов и покажется недостаточно высокой. Но дело в том, что работы в этом направлении во всем мире идут достаточно интенсивно. Рано или поздно, эта масса идей, разработок перейдет в качественно новые решения и разработки.

И вот, смотрите! Уже сегодня мировая солнечная энергетика располагает системами, обладающими КПД до 40 процентов. Пусть с концентратором, но они есть. Создаются более дешевые и удобные фотопреобразователи — ленточные поликристаллические кремниевые панели, тонкие пленки аморфного кремния, другие полупроводниковые материалы. Большая перспектива открывается за гетероструктурными полупроводниками, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов. Замечу, что за открытие гетероструктур и их внедрение директор ФТИ академик Алферов в 2000 году получил Нобелевскую премию.

Правда, здесь стоит добавить, что сегодня, при современном использовании СЭС (а это около 1 ГВт в год) солнечные модули из кремния составляют более 90 процентов объема производства. И вряд ли эта цифра будет стремительно уменьшаться. Ведь потребление ресурсов напрямую связано с наличием их запасов на Земле. А земная кора почти на 30 процентов состоит из кремния — по запасам он занимает второе место после кислорода. Так что при объеме производства 100 ГВт в год и расходе солнечного кремния 10 000 тонн/ГВт мировое потребление кремния составит около одного миллиона тонн в год. Для сравнения замечу, что мировые достоверные запасы урана оцениваются всего в 2763 000 тонн.

Вячеслав Кецба: Не будем также забывать, что уже через 10-20 лет вопрос практического и массового применения альтернативной энергетики встанет очень и очень остро.

Ведь нас уже неоднократно предупреждали, что запасы нефти и газа стремительно скудеют — их как раз и осталось-то на два-три десятилетия. Темпы потребления невозобновляемых энергоресурсов — катастрофически быстрые. По сути, мы проедаем ресурсы, предназначенные для будущих поколений.

Так что само время требует от нас сегодня новых эффективных решений.

— Судя по приведенным цифрам бурный расцвет солнечной энергетики буквально, что называется, за порогом. Между тем, насколько мне известно, широкое применение солнечных станций сдерживает не только недостаток освещенности в иных регионах земли. Каковы технические проблемы, которые до сих пор не решены сторонниками гелиоэнергетики?



Вячеслав Кецба: Понятно, что солнечная энергетика пригодна не для всех регионов мира. Ведь поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. Что касается технических проблем... Прежде всего здесь требуется использование больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров. Кроме того, солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. А, как известно, пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Это еще не все. Солнечные фотоэлементы, увы, дороги. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений, а если их площадь составляет несколько квадратных километров это, согласитесь, дело совсем не простое. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Наконец, уже через 25-30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает быстро снижаться.

Есть и другие факторы сдерживания, над которыми и по сей день бьются ученые, инженеры. Например, мало кто из обывателей знает, что, несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества. Сегодня это, по большому счету, штучный товар. Но если завтра он станет массовым, моментально встанет вопрос их утилизации. А решения этого вопроса пока нет.

Аналитики «European Photovoltaic Industry Association» (EPIA ) считают, что:

— к 2025 фотоэлектрические системы смогут генерировать столько энергии, что способны будут удовлетворить текущие потребности ЕC на 20 процентов;

— благодаря солнечным фотоэлектрическим элементам станет возможным сократить выбросы в окружающую среду на 353 млн тонн. Этот показатель эквивалентен объему выбросов 150 угольных электростанций;

— к 2040 году солнечная энергия будет составлять 16 процентов мирового производства электричества.

— Звучит не очень-то оптимистично...

Сергей Мазур: Не торопитесь с выводами. Повторюсь: во многих научных и производственных лабораториях мира ведутся довольно интенсивные работы по созданию технологий, позволяющих аккумулировать солнечную энергию. Так что вряд ли здесь стоит впадать в уныние.

Теперь несколько слов о сроках службы материалов. Солнечные модули эффективны около 20 лет. Затем дает о себе знать старение полимерных материалов, которые используются для герметизации солнечных элементов в модуле. Так вот. В новых конструкциях солнечного модуля солнечные элементы помещены в стеклопакет из двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Такая технология гарантирует герметичность модуля в течение 50 лет. Для снижения температуры солнечных элементов и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью. Бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована также для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами были заменены на вакуумный зазор — 50 мкм. Кстати, сопротивление теплопередачи при остеклении зданий при этом может быть увеличено в 10 раз.

Что касается ценообразования... Да, эти работы довольно затратны. Но ведь все относительно. Я вам приведу такой пример. В 2000 году на встрече так называемой Большой восьмерки в Окинаве была создана специальная международная группа для достижения существенных изменений в развитии мировой возобновляемой энергетики. Перед учеными разных стран поставили масштабную задачу — за 10 лет обеспечить 2 миллиарда человек в мире энергией возобновляемых источников. Тогда общую стоимость проекта оценили примерно в 250 миллиардов долларов. И многие посчитали эту цифру просто гигантской. Но вот что интересно! Траты этих двух миллиардов человек на свечи, керосиновые лампы, печи на твердом и жидком топливе, бензиновые и дизельные электростанции составляют около 500 миллиардов долларов за те же десять лет. Как говорится, почувствуйте разницу.

— Так при каких условиях солнечная энергетика может стать конкурентоспособной?

Вячеслав Кецба: Условий не много. Во-первых, КПД солнечных электростанций должен составлять не менее 20 процентов. Во-вторых, годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8760 часов. То есть она должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году. Затем, срок службы солнечной электростанции должен составлять не менее 50 лет. Плюс стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 1000 долларов США. Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать миллион тонн в год при цене не более 12 долларов. И наконец, материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.

— А сколько вообще стоит, скажем, СЭС средней мощности?

Сергей Мазур: Разумеется, в первую очередь все зависит от стоимости солнечного модуля. Сегодня при объеме производства 1 ГВт/год стоимость модуля составляет 3000-3200 долларов/кВт, а стоимость СЭС — 6000-8000 долларов/кВт. Однако уже в ближайшей перспективе можно снизить стоимость солнечной электроэнергии до 1000 долларов/кВт. Основные пути снижения стоимости — это повышение КПД солнечных энергетических систем, увеличение размеров солнечных модулей и объема их производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное производство электроэнергии и теплоты на солнечных энергетических системах.

И подвижки здесь имеются очень серьезные. Например, объем производства солнечных модулей в мире растет в среднем на 30 процентов в год. И за 30 лет их стоимость снизилась в десять раз. Кстати, нам тоже есть чем здесь гордиться. Так, в России разработана новая бесхлорная технология получения солнечного поликремния, позволяющая снизить его стоимость в два раза (до 15 долларов/кВт) и увеличить его чистоту и качество в десять раз — практически до 99,999 процентов. В качестве исходного материала здесь используется не соляная кислота, а этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежуточных компонентов процесса — триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости конечного продукта происходит благодаря снижению температуры химического процесса и затрат энергии на него. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производства.

Имеются также хорошие наработки в использовании концентраторов солнечного излучения. Скажем, стоимость одного квадратного метра стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости такой же площади солнечного модуля. В России разработаны стационарные концентраторы с коэффициентом 3,5-10, позволяющие собирать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации. Кстати, на основе концентраторных модулей сейчас разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростанции для городов, поселков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.



ПОКА ВЕРСТАЛСЯ НОМЕР

В Госдуме прошло представительное Совещание межфракционного депутатского объединения «Наука и высокие технологии» на тему: «Законодательное обеспечение развития фотоэнергетики России». Председательствующий — нобелевский лауреат Жорес Алферов — заявил, что развитие солнечной энергетики является основным направлением в долговременном решении энергетических проблем человечества. Сегодня фотоэнергетика развивается в основном на основе кристаллов кремния, однако в последнее время появляются и другие перспективные материалы на основе нанотехнологий. Выступающие на Совещании представители многочисленных НИИ и отдельных лабораторий призвали Думу разработать законодательные предложения по льготам, причем не только для разработчиков технических средств фотоэнергетики, но и для потребителей солнечной энергии, как это делается в ряде западных стран.

ТОЛЬКО ФАКТЫ

За год на Землю приходит 1018 кВт.ч солнечной энергии, всего 2 процента которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2,1012 т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами — 6,1012 т условного топлива.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью в 1 м² за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90°С.

— Насколько я понимаю, Абхазия должна стать своего рода полигоном в разработке новых технологий солнечной энергетики. При этом нам приходится, что называется, торопиться. Ведь наши западные конкуренты, похоже, успели значительно продвинуться в использовании солнечной энергии. Во всяком случае, солнечная электростанция там становится более привычной, чем у нас. А что это такое — солнечная электростанция?

Сергей Мазур: Средняя солнечная электростанция (СЭС) — это, как правило, здание башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни. Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, также как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором. Такая СЭС, кстати, способна обеспечить электроэнергией небольшой завод.

Практическая, бытовая сторона вопроса — это активное строительство так называемых солнечных домов. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным светом и теплом, за счет чего затраты других энергоносителей снижаются на 40-60 процентов. А «солнечный» дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить запросы его обитателей в тепле и свете даже без использования других источников энергии. И при этом — никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или мазута. Одним словом, мы стоим на пороге бурного развития солнечной энергетики. Причем не только в теплых странах — таких как, например, Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США, но и в регионах с умеренным климатом — например, во Франции, Германии, Англии и других. К слову, даже в разбомбленном Ираке, а конкретно — в Багдаде, для уличного освещения используются элементы солнечных батарей.



Но для нас особенно интересно, что и северные районы земного шара, где расположены такие страны, как Швеция, Финляндия, Канада, что называется, не отстают в охоте за солнечной энергией. Там ежегодно сдаются, как говорится , «под ключ» сотни тысяч квадратных метров жилья в так называемых энергосберегающих «солнечных» домах. Весьма важно, что разработка и внедрение солнечных технологий в этих странах находится под жестким контролем государства. Созданы специализированные предприятия, они выпускают необходимое оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные фирмы. В качестве примера можно отметить успешную реализацию проекта «2000 солнечных крыш» в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены более чем в полутора миллионах домов.

— А что у нас?

Сергей Мазур: Не так давно мне попалась на глаза такая цифра — в нынешней России без централизованного электрообеспечения живут более десяти миллионов граждан. Разве это не один из доводов, заставляющих нас наращивать усилия в создании солнечной энергетики?

Теперь вопрос: как наращивать? В каком направлении? Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, показали, что в России наиболее «солнечными» являются регионы Приморья и юга Сибири. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока годовая солнечная радиация составляет 1300кВт.ч/м², превосходя значения для южных регионов России. Именно здесь возможно круглогодичное использование установок, преобразующих солнечную энергию.

И скажу сразу: что касается разработок, идей, интересных технических решений, то мы мало в чем уступаем зарубежным коллегам. Я уже говорил о новой технологии получения более дешевого солнечного поликремния, создании концентраторов солнечного излучения. А есть и другие примеры. Так, еще более 20 лет назад в Московском архитектурном институте был создан первый отечественный эскизный проект загородного «солнечного» дома. Разумеется, он так и не был реализован.

В 1999 году в Московском государственном строительном университете была разработана программа «Солнечный дом» и создан проект жилого дома «СОЛ-1», который получил золотую медаль на международной выставке «Жилище-99». По расчетам, в таком здании дополнительными источниками тепла придется пользоваться только в зимнее время, да и то их расход сокращен на 70 процентов. Но первый «СОЛ-1» построен в Германии.

Да, у нас есть проект СЭС мощностью 1,5 МВт, имеются разработки автономных гелиоэнергетических установок и блочных модульных электростанций с параболическими концентраторами и зеркалами, оснащенными системами слежения за Солнцем. Но все это пока что капля в море. И если ситуация кардинально не изменится, мы безнадежно отстанем, и в итоге будем вынуждены покупать «солнечные» дома за границей, где уже сейчас один квадратный метр гелиоколлекторов стоит в среднем 400-500 долларов.