Як і чому бум геліоенергетики таки дістався України. Наука Наука та техніка
Як і чому бум геліоенергетики таки дістався України
Незважаючи на різке зниження цін на нафту, 2014 рік приніс сонячній енергетиці, що бурхливо розвивається, черговий рекорд зростання. Більше того, сталося абсолютно фантастичне нарощування сонячних потужностей і в Україні, яка майже чверть століття практично ігнорувала справжню революцію в цьому секторі економіки. Що трапилося? І що дозволило геліоенергетиці ігнорувати об'єктивно несприятливі чинники та розвиватися, незважаючи на економічні проблеми? "Лента.ру" спробувала в цьому розібратися.
Чому у світі триває сонячний бум
Минулого року потужність сонячної енергетики у всьому світі зросла зі 138 до 185 гігават. З огляду на те, що загальна потужність світової енергетики — близько 6000 гігават, частка сонячних електростанцій (СЕС) вже перевищила 3 відсотки.
У 2010 році сумарна потужність СЕС була лише 70 гігават. Тобто за кілька років геліоенергетика зросла більш ніж у 2,5 рази і її обсяг продовжує збільшуватись, незважаючи на повсюдне зниження субсидування «зелених» кіловат.
Причини цього очевидні: швидке технологічне вдосконалення сонячних батарей на очах знизило їхню вартість у п'ять разів за п'ять років, при цьому ККД найкращих масових зразків збільшився з 15 до 20 відсотків. У США, наприклад, ціна кіловат-години впала з 32,3 цента 2009 року до всього 7,2 цента 2014-го. Сонячні кіловати стали дешевшими від тих, що виробляються на вугільних електростанціях, які до цього часу вважалися основним сектором американської енергетики.
Підкреслимо: йдеться про ціни без урахування субсидій, іншими словами, не про «зелену» моду, яка базується на освоєнні державних коштів, як це ще нещодавно було в Європі, а процілком вигідному бізнесі. Лише у першій половині 2014 року півмільйона домовласників та комерційних споживачів у США встановили у себе сонячні батареї. Вперше в історії цієї країни сонячних потужностей було введено більше, ніж решту разом узятих (53 відсотки).
У Міжнародному енергетичному агентстві вважають, що до 2020 року вартість сонячної енергії скоротиться ще на 25 відсотків, що зробить сонячну енергію дешевшою за газову. Прогноз може виявитися навіть занадто обережним: адже поки що в масовому сегменті не представлені перовскітні сонячні батареї. А саме з їхньою допомогою в Корейському інституті хімічної технології наприкінці минулого року вдалося досягти ККД у 18 відсотків — уперше зрівнявши його з ефективністю серійних кремнієвих фотоелементів. При цьому вартість перовскітних аналогів суттєво нижча, і в низці фундаментальних робіт за ними зазначається, що ККД таких систем може бути суттєво збільшено — до 30 відсотків у найближчі 5—10 років. На даний момент єдина серйозна перешкода на шляху впровадження перовскітів в індустрію - їх недостатньо висока стійкість по відношенню до нагрівання та ультрафіолетового випромінювання. Однак нові зразки в лабораторіях вже досягли живучості, достатньої для 25 років експлуатації.
Не лише з перовскітами пов'язані надії сонячної енергетики. Американська First Solar завершує будівництво двох найбільших СЕС загальною потужністю 1,1 гігават, що використовують панелі з телуриду кадмію (CdTe) — єдиної фотоелементної технології (крім кремнієвої), що у великих масштабах присутня на ринку.
Ці батареї набагато тонші за звичайні. З одного боку, у них менше ККД (17 відсотків проти 20 у кремнієвих): мала товщина дозволяє частині світла проскочити через панель. З іншого — уних дуже низька енергоємність та вартість. Якщо кремнієвий фотоелемент у середньому повертає енергію, що пішла на його виробництво, за два роки, то CdTe-панелі роблять це за 9-11 місяців! Відповідно, і коштують вони лише 570 доларів за кіловат потужності. Навіть з урахуванням витрат на установку для великих станцій ціна не перевищує 900 доларів за кіловат встановленої потужності, що приблизно в півтора нижче, ніж у ТЕС, і значно менше, ніж у кремнієвих рішень.
Туманні спогади зі шкільного курсу хімії справедливо підказують: і телур, і кадмій дуже отруйні. У панелях вони надійно захищені спецсклом, і шанс попадання цих елементів з пустельних електростанцій у питну воду дуже малий. Однак, дійсно, є одна екологічно неприємна риса: перелітні птахи приймають поляризоване світло, відбите батареями, за водну поверхню і розбиваються, намагаючись «наводитися».
Дещо гірші справи в іншої перспективної технології — концентруючих СЕС, що нагрівають дзеркалами воду в вежі, де розігрітий теплоносій обертає турбіни (як на ТЕС). Такі станції в США виявилися недешевими — енергія у них поки що в 1,5-2 рази дорожча, ніж нові фотоелементні проекти. Зате вони здатні виробляти електрику за рахунок накопиченого тепла у вечірні та нічні години (до 6-8 годин після заходу Сонця). Проблема в тому, що поки такі станції будуються набагато рідше за фотоелементні, що не дозволяє налагодити масове та дешеве виробництво їх компонентів. Та й оптимізація технології ще не завершена.
Цікаво, що наприкінці 2014 року дослідники з Університету штат Огайо представили сонячну батарею, яка теж здатна виробляти електрику після заходу сонця. Це фотоелектрохімічний осередок Гретцеля з додаванням невеликогокількості літію та двоокису титану (дешеві титанові білила). Вдень вона накопичує електрони, отримані від фотонів сонячного світла, відновлюючи пероксид літію, що знаходиться всередині батареї. Вночі, коли літій відновлено до чистого, пристрій забирає із системи електрони, знову окислюючи метал до пероксиду літію. У звичайній панелі це було б неможливо, оскільки напівпровідники в ній є суцільною твердою перешкодою, що не пропускає повітря всередину. Тому тут зовнішню поверхню зробили у вигляді сітки з осередком 200 мікрон, що пропускає повітря і зупиняє частинки пилу. Ну а як напівпровідник використовується окислене залізо, більше відоме як іржа. Поки ККД пристрою не перевищує 10 відсотків, але, як зазначають дослідники, осередки Гретцеля в останні роки показують зростання ККД, що обганяє звичайні панелі, і теоретично межа їх ефективності не нижче 33 відсотків. Такі панелі можна використовувати в автономних енергосистемах без батарей, зарядка яких вимагає до однієї п'ятої енергії, що виробляється.
Що це означає для нас
Безперечно, незважаючи на різке зростання сонячної енергетики, найближчим десятиліттям вона не викличе різкого обвалення цін на вуглеводні. Пік її вироблення, як і раніше, припадає на літній опівдні, тоді як пік енергоспоживання — на зимовий вечір. Отже, до створення великих накопичувальних потужностей фотоелементам не перевищити 20 відсотків від середньорічної генерації енергосистеми. Проте, за даними німецького Інституту Фраунгофера, Німеччина за 11 місяців 2014 року виробила з газу всього 29 мільярдів кіловат-годин (на 18 відсотків менше, ніж у 2013-му), а от сонячного кіловат-годин — 32,5 мільярда ( на 7 відсотків більше).
Іншими словами, 2014-й — перший для німців рік, колиСонце випередило газ як джерело електрики, скоротивши споживання метану. Оскільки сонячні електростанції там вводять у більших обсягах, ніж будь-які інші, очевидно, що Німеччина, один із найбільших споживачів українського газу, продовжить лінію на видавлювання вуглеводневих енергоносіїв. Цілком витіснити газ фотоелементам поки що неможливо, але потреба в ньому знизиться відчутно.
А з урахуванням того, що Китай навіть випереджає Європу у розвитку геліоенергетики, просте перекидання нашого газу із Заходу на Схід навряд чи компенсує такі втрати.
Переломний момент
Як не парадоксально, геліоенергетика в нашій країні також зробила різкий ривок уперед — хоча до 2014 року Україна не ввела до ладу й кількох сонячних мегаватів. Що ж спричинило?