Сонячна енергетика надія людства, SavePearlHarbor
Ще одна копія хабора
Сонячна енергетика: надія людства?
В'їдливий читач напевно подумає: Як це робить менше, ніж потрібно на виробництво? Їх же поставив — вони працюють, каші не просять, 10 років, 50років, 100років — значить сумарна вироблена енергія дорівнює нескінченності, і вони мають бути вигідними за будь-якої вартості будівництва…
Як все насправді, які є підходи до сонячної генерації, що обмежує ККД сонячних елементів, які геніальні ідеї вже були реалізовані і чому сонячна енергетика якось не активно захоплює світ — під катом.
Скільки енергії ми одержуємо від сонця?
На кожен квадратний метр від сонця приходить 1367 Ватт енергії (сонячна постійна). До землі через атмосферу - доходить близько 1020 Ватт (на екваторі). Якщо у нас ККД сонячного елемента 16%, то з квадратного метра ми можемо отримувати в кращому разі 163,2 Вт електрики. Але ж ми маємо погоду, сонце не в зеніті, іноді буває ніч (різної тривалості) — як це все порахувати?
Річна інсоляція все це враховує, включаючи і тип установки сонячної батареї (паралельно землі, під оптимальним кутом, зі стеженням за сонцем) і дає нам зрозуміти, скільки електрики можна буде виробити за рік у середньому (в кВт*год/м 2 , без урахування ККД сонячної батареї):
| Місто / Тип установки | Горизонтально | Під оптимальним кутом | Стеження за сонцем |
| Астрахань | 1371 | 1593 | 2200 |
| Владивосток | 1289 | 1681 | 2146 |
| Москва | 1020 | 1173 | 1514 |
| Сочі | 1365 | 1571 | 2129 |
Тобто. ми бачимо, якщо ми візьмемо 1 км 2 сонячних батарей, встановимо під оптимальним кутом у Москві ( 40.0°), то рік зможемо виробити 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При ціні 3 рублі за кВт/год _умовна вартість згенерованої енергії буде - 561 млн рублів. Чому умовна – з'ясуємо нижче.
Основні підходи до одержання енергії від сонця
Сонячні тепло-електространціїВеличезне поле дзеркал, що повертаються, відображає сонце на сонячний колектор, де тепло перетворюється на електроенергію двигуном Стірлінга, або нагріванням води і далі — звичайні парові турбіни як на ТЕЦ. ККД - 20-30%.
Також існує варіант з лінійним параболічним дзеркалом (повертати потрібно лише навколо однієї осі):
Яка ціна питання? Якщо подивитися на електростанцію Ivanpah (392 МВт) в яку опосередковано вклався Google - вартість її будівництва склала 2.2 млрд. $, або 5612 $ на кВт встановленої потужності. У Вікіпедії навіть радісно написано, що це хоч і дорожче за вугільні електростанції, але нібито дешевше за атомні.
Однак тут є пара нюансів - 1кВт генерації на АЕС коштує насправді 2000-4000 $ (залежно від того, хто будує), тобто. Ivanpah насправді вже виходить дорожчим за АЕС. Потім, якщо подивитися на річну оцінку виробітку електроенергії — 1079 ГВт*год, і розділити на кількість годин на рік, то середньорічна потужність виходить 123.1МВт (адже станція у нас генерує лише вдень).
Це доводить вартість «усередненої» генерації до 17 871 $/кВт, що не просто дорого, а фантастично дорого. Найдорожче напевно тільки в космосі електрику виробляти. Прості електростанції на газі або вугіллі - 500-1000 $ / кВт, тобто.в 18-36 разів дешевше, і працюють завжди, а не як пощастить.
І останнє — у вартістьбудівництва не включені акумулятори взагалі. Якщо сюди додати акумулятори (про них нижче) чи будівництво електроакумулюючої електростанції — вартість вилізе через дах.
Сонячні теплоелектростанції мають можливість генерувати електрику цілодобово, використовуючи великий обсяг нагрітого за день теплоносія. Такі станції теж є, але вартість їх намагаються не писати, мабуть, щоб нікого не лякати.
ККД у кремнієвих сонячних батарей – близько 16%. Чому так мало?
На формування електронно-діркової пари потрібна певна енергія, не більше і не менше. Якщо квант світла прилітає з меншою енергією, ніж потрібно — то він не може викликати генерацію пари, і проходить через кремній як через скло (тому кремній прозорий для інфрачервоного світла далі 1.2мкм). Якщо квант світла прилітає з більшою енергією, ніж потрібно (зелене світло і коротше) — пара генерується, але зайва енергія втрачається. Якщо енергія ще вища (синє та ультрафіолетове світло) — квант може просто не встигнути долетіти до глибини залягання p-n переходу.
Крім цього, світло може відбитися від поверхні - щоб уникнути цього на поверхню наносять анти-відбивне покриття (як на лінзах у фотооб'єктивах), і можуть поверхню зробити у вигляді гребінки (тоді після першого відбиття у світла буде ще один шанс).
Збільшити ККД вище за 16% у фотоелементів можна комбінуючи кілька різних фотоелементів — спочатку ставимо той, що ефективно поглинаєсинє світло, а зелене, червоне та ІЧ — пропускає, потім зелене, і на кінець червоне та ІЧ. Саме на таких 3-ступінчастих елементах і досягаються рекордні показники ефективності в 44% і вище.
На жаль, 3-ступінчасті фотоелементи виявляються дуже дорогими, і зараз балом правлять звичайні дешеві одноступінчасті кремнієві фотоелементи — саме за рахунок дуже низької ціни вони вириваються вперед за показником Ватт/$. до
0.5 $ / Ватт (тобто за 500 $ можна купити сонячних елементів на 1000 Ватт).
Основні типи кремнієвих елементів - монокристалічні (дорожчі, трохи вище ККД) і полікристалічні (дешевші у виробництві, буквально на 1% менше ККД). Саме полікристалічні сонячні батареї зараз дають найнижчу вартість 1 Ватта потужності, що генерується.
Із проблем – сонячні батареї не вічні. Навіть якщо не брати до уваги пил і бруд (сподіваємось на дощ та вітер), за рахунок фотодеградації за 20 років експлуатації найкращі кремнієві елементи втрачають
15% потужності. Можливо, далі деградація сповільнюється, але це все одно потрібно враховувати.
Пройдемося тепер з основних спроб збільшити економічну ефективність:
А давайте візьмемо маленький високоефективний фотоелемент та параболічне дзеркалоЦе називається concentrated photovoltaics. Ідея в принципі непогана — дзеркало дешевше, ніж сонячна батарея, та й ККД можна мати 40%, а не 16… Проблема лише з тим. що тепер потрібна (ненадійна) механіка для стеження за сонцем, і наша величезна поворотна тарілка має бути достатньо міцною, щоб протистояти поривам вітру. Інша проблема – коли сонце заходить за не надто щільні хмари – вироблення енергіїпадає нанівець, т.к. Параболічне дзеркало не може розсіяне світло фокусувати (у звичайних сонячних батарей вироблення звичайно падає, але не до 0).
З падінням цін на кремнієві сонячні батареї цей підхід виявився занадто дорогим (як за настановною вартістю, так і з обслуговування)
А давайте зробимо сонячні елементи круглими, розмістимо на даху, а дах пофарбуємо в білий колір раптово оголосили банкрутство.). Круглі сонячні батареї робили, напилюючи шар напівпровідника (у тому випадку Copper indium gallium (di)selenide) на скляні труби. Ефективність сонячних батарей виходила 8.5% (так, вийшло гірше за прості і дешеві кремнієві).
Яскравий приклад того, як американський капіталізм за належного лобіювання здатний за інерцією вкачати величезні ресурси в принципово неефективні технології. За наслідками роботи нікого не посадили.
Дорога ложка на обід
Тепер після цього буяння безперервного вдосконалення технологій відкриваємо сумну сторінку історії. Сонячні електростанції генерують електрику вдень, а вона найбільше потрібна ввечері:
Виходить, якщо ми зобов'язуємо купувати електрику у сонячних електростанцій за звичайною ціною тоді, коли вона у них генерується, — ми фактично перерозподіляємо прибуток від існуючих.класичних генеруючих потужностей, які змушені вдень простоювати в резерві на користь сонячних.
Є й такий цікавий варіант – якщо десь вечірній пік споживання – десь на землі розпал дня. Чи може будувати сонячну електростанцію саме там, а електрику передавати по ЛЕП? Це можливо, але вимагає передачі енергії на відстані близько 5-8 тис км, що також потребує величезних капітальних витрат (принаймні поки що ми не перейшли на надпровідники) та погоджень із купою країн. Приблизно у цьому напрямі розвивався проект Desertec – генерація в Африці, передача до Європи.
Акумулятори
Отже, 1Вт сонячна батарея коштує 0.5 $. За день вона згенерує допустимо 8Вт * год електрики (за 8 сонячних годин). Як нам цю енергію зберегти до вечора, коли вона буде найбільше потрібна?
Китайські літієві акумулятори коштують приблизно 0.4$ за Вт*год, відповідно, на 1Вт сонячної батареї (ціною 0.5$) нам знадобиться акумуляторів на 3.2$, тобто. акумулятор виходить у 6 разів дорожчим за сонячну батарею! Крім цього, потрібно враховувати, що через 1000-2000 циклів заряд-розряд акумулятор доведеться замінити, а це всього 3-6 років служби. Може їсти акумулятори дешевше?
Найдешевші — свинцево-кислотні (які природно далеко не «зелені»), їхня оптова ціна — 0.08$ за Вт*ч, відповідно, на збереження денного вироблення нам потрібно акумуляторів на 0.64$, що знову більше за вартість самих сонячних батарей. Свинцеві акумулятори також швидко вмирають, 3-6 років служби у такому режимі. Також треба пам'ятати, що ККД свинцевих акумуляторів - 75% (тобто чверть енергії втрачається в циклі заряд-розряд).
Існує також варіант із гідроакумулюючими електростанціями (вдень - закачуємо воду «вгору» насосом, вночі - працюємо як звичайнагідроелектростанція) - але їх будівництво також обходиться дорого, і не скрізь можливе (ККД - до 90%).
Через те, що акумулятори виходять дорожчими за саму сонячну електростанцію, у великих електростанціях їх і не передбачають, продаючи електрику в розподільчу мережу відразу в міру генерації, розраховуючи вночі та ввечері на звичайні електростанції.
Яка справедлива ціна нерегульованої сонячної генерації?
Візьмемо, наприклад, Німеччину, як лідера з розвитку сонячної енергетики. Кожен кВт згенерований сонячними електростанціями там викуповують по 12.08-17.45 євроцентів за кВт*год, незважаючи на те, що вони генерують у денний мінімум споживання. Усе, що вони домагаються цим, — економія українського газу, т.к. газові електростанції все одно мають бути побудовані і бути в гарячому резерві (і всі інші витрати залишаються незмінними — зарплати, кредити, обслуговування).
З економічної точки зору було б справедливо, якби сонячні електростанції отримували рівно стільки, скільки вони дозволяють заощадити на паливі газовим електростанціям.
Допустимо вартість українського газу - 450 $ за 1 тис. м 3 . З цього обсягу можна виробити 39000 ГДж ≈10.8*0,4 GWh ≈ 4.32 GWh електрики (при ККД генерації 40%), відповідно, на 1 кВт*год сонячної електрики ми заощаджуємо українського газу на 0.104$ = 7.87 євроцента. Саме такою має бути справедлива вартість нерегульованої сонячної генерації, і схоже Німеччина поступово йде до цієї цифри, але зараз сонячна енергетика в Німеччині виходить на 50% дотованої.
Полікристалічні сонячні батареї пропонують найдешевшу сонячну електрику, близько 0.5$/Ватт, інші методи набагато дорожче.
Проблема сонячної енергетики над ККДсонячних елементів, і не в ціні — а в тому, що згенеровану енергію дуже дорого зберігати до вечора. Тобто. основна проблема - акумулятори, які зараз вже дорожчі, ніж сонячні батареї і при цьому мають короткий термін служби (3-6 років).
На даний момент великомасштабну сонячну генерацію можна розглядати тільки як спосіб заощадити вдень невелику частину викопного палива, вона принципово не може зменшити кількість необхідних класичних електростанцій (газових, вугільних, АЕС, гідро) - вони все одно повинні стояти в резерві вдень і повністю брати на себе навантаження у вечірній пік споживання.
Якщо в майбутньому за допомогою (жорстоких) тарифів вдасться змістити пік споживання на день — будівництво сонячних електростанцій набуде сенсу (наприклад, якщо тарифи будуть такі, що вигідно включатиме електролізне виробництво алюмінію та водню лише вдень).
Вартість «нерегульованої» сонячної генерації не можна зіставляти з вартістю генерації класичних електростанціях — т.к. вони генерують коли вийде, а чи не коли потрібно. Справедлива вартість нерегульованої сонячної електроенергії повинна дорівнювати вартості зекономленого викопного палива, і не більше - для газу по 450 $ справедлива ціна сонячної генерації не вище 0.1 $ за 1кВт * год (відповідно, в Німеччині сонячна генерація дотується на
«Чесна» сонячна енергетика (з акумуляторами) може бути економічно виправдана лише у віддалених районах, де немає можливості підключитися до мережі (як наприклад у разі віддаленої базової станції стільникового зв'язку, що самотньо стоїть).