Владимир Сидорович - Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир

Но давайте вспомним, что человек летает в космос и умеет использовать ядерную энергию. По сравнению с этими достижениями «приручение» энергии ветра и солнца представляется не такой уж трудной задачей, и у меня нет сомнений, что она будет успешно решена. О возможных путях и предпринимаемых шагах я расскажу на страницах этой книги.

В октябре 1975 г. академик П. Л. Капица выступил с докладом «Энергия и физика» на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР.

«Ни один из предложенных до сих пор методов преобразования солнечной энергии не может этого осуществить так, чтобы капитальные затраты могли оправдаться полученной энергией. Чтобы это было рентабельно, надо понизить затраты на несколько порядков, и пока даже не видно пути, как это можно осуществить» [33] Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34–43. Цит. по: http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/KAPITZA/KAP_10.HTM , – отметил академик.

Спустя несколько десятилетий произошло ровно то, о чем размышлял Петр Леонидович, – капитальные затраты на солнечную генерацию снизились на несколько порядков. Это создало мощный стимул для развития возобновляемой энергетики, в результате чего образовался новый крупный сегмент энергетического рынка, претендующий на существенную часть мирового энергетического пирога.

Солнечная энергетика – самый быстрорастущий сегмент рынка возобновляемой энергетики, энергетического рынка вообще и фаворит автора этой книги. Я, разумеется, за сбалансированное разнообразие и за то, чтобы «расцветали сто цветов», тем не менее ничего не могу поделать с уверенностью, что солнце в скором времени станет основным используемым человеком энергетическим ресурсом.

В одиночку солнечная энергетика вряд ли сможет заменить уголь, нефть и газ. В то же время, в сочетании с другими ВИЭ, она вполне способна в относительно недалеком будущем убрать с мировой арены углеводороды, играя в этой композиции первую скрипку.

За десятилетие с 2004 по 2013 г. установленная мощность солнечных (фотоэлектрических) электростанций выросла в мире в 53 раза [34] Renewables 2014 Global Status Report, p. 101. . В 2013 г. она составила 139 ГВт [35] Ibid., p. 15. , а в 2014 г., по предварительным данным, превысила 179 ГВт [36] IRENA (2015), Renewable Power Generation Costs in 2014, p. 75. . Пятерка стран-лидеров по масштабам солнечной энергетики сегодня выглядит так: Германия, Китай, Италия, Япония, США. В ряде государств солнечная энергетика уже занимает приличную долю в выработке энергии. В Италии она покрывает 7,8 % годового потребления, Греции – 6 % [37] Renewables 2014 Global Status Report, p. 48. , а в пасмурной Германии – 5,3 % [38] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Photovoltaics Report, Freiburg, 24 October 2014, p. 5, www.ise.fraunhofer.de . В мировом масштабе ее доля пока незначительна и не превышает 1 % совокупной электрической генерации. Тем не менее налицо все предпосылки скорого изменения.

По одному из сценариев Международного энергетического агентства, ранее весьма консервативного в вопросах ВИЭ, солнечная энергетика к 2040 г. станет номером один – крупнейшим мировым производителем электроэнергии, а к 2050 г. ее доля достигнет 27 % мирового производства электричества [39] Technology Roadmap. Solar Thermal Electricity, 2014 Edition, IEA, p. 5. . Примечательно, что прежний прогноз Агентства, составленный в 2010 г., предусматривал существенно более скромные показатели роста, но случилось так, что «технологии усовершенствовались и затраты упали больше, чем ожидалось» [40] Ibid., p. 18. . В выдающихся перспективах солнечной энергетики не сомневается и лауреат Нобелевской премии, академик Жорес Иванович Алферов, который «абсолютно уверен, что солнечная энергия станет основным источником электроэнергии к концу нынешнего столетия» [41] http://energy-fresh.ru/solarenergy/tendencii/?id=3558 . Даже нефтяной гигант Shell признает, что солнце станет главным источником первичной, не только электрической, энергии в мире и его доля в мировом энергетическом балансе будет превосходить доли углеводородов вместе взятые (по сценарию нефтяной компании это случится к 2100 г.) [42] http://s01.static-shell.com/content/dam/shell-new/local/corporate/corporate/downloads/pdf/NewLensScenario/nls-web-russian-brochure.pdf , с. 67. .

Мы редко задумываемся, каким энергетическим потенциалом обладает солнце. Между тем годовая солнечная радиация по энергетическому содержанию многократно превосходит все мировые запасы ископаемого топлива (нефти, газа, угля, урана) вместе взятые. Только за один час на Землю поступает столько солнечной энергии, сколько человечество использует за год во всех сферах.

Сегодня мы уже научились использовать этот потенциал с достаточно высокой эффективностью и умеренными затратами. Для этого применяются два основных типа генерирующих устройств, преобразующие солнечную энергию в электричество.

Первый, наиболее распространенный и доминирующий в мировой генерации, тип устройств использует фотоэлектрический эффект, он представлен широко известными солнечными модулями (панелями или батареями) – фотоэлектрическими преобразователями. Сфера деятельности, в которой применяется данный способ электрической генерации, обобщенно называется фотоэлектрикой или фотовольтаикой (англ. photovoltaic – PV).

В устройствах второго типа применяются зеркала или линзы, для того чтобы уловить солнечное излучение с больших площадей и сконцентрировать его на небольшой площади. При этом электрическая энергия производится, когда сконцентрированное солнечное излучение преобразуется в тепло, запускающее тепловой двигатель (паровую турбину), связанный с электрогенератором. Данная система носит название «концентрированная солнечная энергия» (англ. concentrated solar power – CSP), а производимая ею электроэнергия – «солнечным тепловым электричеством» (англ. solar thermal electricity – STE). Данные аббревиатуры зачастую используются как синонимы. В русском языке также используется термин «гелиотермальная электроэнергетика».

Существует также и «гибридная» система производства солнечного электричества, называемая «концентрированной фотоэлектрикой» (англ. concentrated photovoltaics – CPV). В ней также используются зеркала и линзы, но для фокусирования, концентрации солнечного излучения в высокомощных фотоэлектрических элементах (англ. multi-junction solar cells).

Фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, благодаря которому световая энергия преобразуется в электрическую, был открыт еще в 1839 г. французским физиком Александром Беккерелем, а в 1905 г. объяснен Альбертом Эйнштейном, который в 1921 г. получил Нобелевскую премию именно за теорию фотоэлектрического эффекта. В 1954 г. американские исследователи разработали солнечный элемент на основе кремния, позволяющий преобразовывать солнечный свет в электричество с 6 %-ной эффективностью [43] http://inventors.about.com/od/sstartinventions/a/solar_cell.htm . На основе данной разработки в 1955 г. была создана первая солнечная батарея. С конца 50-х гг. прошлого столетия солнечные батареи использовались в космической отрасли, пока наконец не стали доступными для применения и в других сферах.