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

В развитии технологий солнечной энергетики самое деятельное участие принимали и российские ученые, в частности упомянутый выше академик Алферов получил премию «Чистая энергия» за «фундаментальные исследования и значительный практический вклад в создание полупроводниковых преобразователей энергии, применяемых в солнечной и электроэнергетике».

Львиную долю мирового рынка фотоэлектрики, примерно 90 %, занимают сегодня солнечные модули на основе кристаллического кремния. Около 10 % приходится на тонкопленочные технологии разных видов, а на быстрорастущий сегмент концентрированной фотоэлектрики (CPV) пока менее 1 %.

Интригой дальнейшего развития солнечной энергетики является эффективность солнечных (фотоэлектрических) модулей и динамика их стоимости, а также прогресс в производстве иных составляющих солнечных электростанций. В принципе, солнечная энергетика бурно растет уже и при нынешнем уровне производительности модулей, а дальнейший рост эффективности приведет к еще большему повышению ее конкурентоспособности на энергетическом рынке. При этом очевидно, что эффективности есть куда расти. Чуть ли не ежемесячно приходят новости об очередном технологическом прорыве в том или ином исследовательском центре, позволяющем добиться повышения эффективности разных типов модулей.

В настоящее время в лабораторных условиях установлены следующие рекорды эффективности солнечных ячеек: 25 % – для монокристаллических (sc-Si), 20,4 % – для поликристаллических (mc-Si). В сфере тонкопленочной технологии лучшие результаты составляют 19,8 % для пленок на основе диселенида меди индия галлия (CIGS) и 21 % для пленок на основе теллурида кадмия (CdTe) [44] http://investor.firstsolar.com/releasedetail.cfm?releaseid=864426 . Последний из указанных типов модулей имеет, по-видимому, все шансы потеснить кремниевые технологии в связи с ростом эффективности, сочетающимся с меньшей энергоемкостью и низкими удельными затратами на производство 1 Вт.

За последнее десятилетие средняя эффективность находящихся в продаже модулей на основе кристаллического кремния увеличилась с 12 до 16 %, а лучшие коммерческие модели имеют эффективность 21 %. У тонкопленочных модулей (CdTe) за то же десятилетие средняя эффективность выросла с 9 до 13 %, а рекордный показатель составляет 17 % [45] http://investor.firstsolar.com/releasedetail.cfm?ReleaseID=833971 .

Между тем современные модели монокристаллических модулей уже сейчас показывают лабораторную эффективность, превышающую 23 %, что обещает скорый рост эффективности модулей, предлагаемых на рынке [46] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Photovoltaics Report, Freiburg, 24 October 2014, p. 6, www.ise.fraunhofer.de . Более того, продолжающие эксперименты с химической структурой модулей и использованием для их производства все новых материалов дают обнадеживающие результаты. Например, использование минерала перовскита при производстве кремниевых модулей, возможно, позволит еще больше увеличить их эффективность и снизить стоимость [47] https://energy.stanford.edu/news/perovskites-provide-big-boost-silicon-solar-cells-stanford-study-finds .

В сфере концентрированной фотоэлектрики (CPV) эффективности существенно выше, но она работает только с прямой солнечной радиацией, что ограничивает географию ее использования богатыми солнцем регионами. Серийные показатели достигают здесь 35 % [48] Technology Roadmap. Solar Photovoltaic Energy, 2014 Edition, IEA, p. 12. , а лабораторный мировой рекорд для многопереходных солнечных элементов (multi-junction solar cells) составляет 44,7 % [49] http://www.ise.fraunhofer.de/en/press-and-media/press-releases/presseinformationen-2013/world-record-solar-cell-with-44.7-efficiency .

Производство компонентов солнечных электростанций (помимо модулей) также совершенствуется с высокой скоростью. Снижение стоимости инверторов, основных элементов солнечных электростанций, практически повторяет кривую стоимости фотоэлектрических модулей. Расход материалов для производства инвертора за последние десять лет сократился с 12 до 2 кг на ватт [50] Technology Roadmap. Solar Photovoltaic Energy, 2014 Edition, IEA, p. 30. . И производители прогнозируют продолжение данного тренда.

Вообще вопрос используемых материалов в солнечной энергетике достаточно важен. Кремний, являющийся основой фотоэлектрики, – второй по распространенности на Земле элемент после кислорода. Но даже его солнечная энергетика старается экономить. Расход кремния для производства панелей сократился за десять лет с 16 до 6 г на ватт, что, однако, сопровождалось вышеназванным ростом их эффективности [51] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Photovoltaics Report, Freiburg, 24 October 2014, p. 7, www.ise.fraunhofer.de .

Помимо кремния, при производстве солнечных ячеек и модулей используется целый ряд материалов, в том числе редких и ценных. Одним из них является серебро. Примерно 20 г серебра используется в каждой панели из кристаллического кремния, а для одного гигаватта требуется уже 80 метрических тонн драгоценного металла [52] http://www.forbes.com/sites/greatspeculations/2014/10/21/trends-in-silver-demand-by-the-solar-photovoltaic-industry/ . Солнечная энергетика потребляет сегодня примерно 5,6 % добываемого в мире серебра, и при заявляемых перспективах роста рынок может столкнуться с существенным повышением спроса на этот металл [53] http://www.caseyresearch.com/articles/a-photovoltaic-silver-bull-in-china .

В то же время достаточно высока вероятность технологических прорывов и в данном направлении, которые могут привести к сокращению удельного потребления серебра либо к полному отказу от него в пользу, например, меди.

Давайте посмотрим на экологическую сторону солнечной энергетики. Электричество, производимое с помощью солнца, не является «климатически нейтральным» или абсолютно экологически чистым. Более того, фотоэлектрика оставляет на Земле определенный «углеродный след». «Как же так? – спросите вы. – Опять обман с этой чистой энергией?»

Все познается в сравнении. Сама выработка электроэнергии с помощью фотоэлектрических модулей чистый процесс, но вот их производство – не вполне. Основные компоненты солнечных фотоэлектрических панелей изготавливаются из кристаллического кремния. Производство этих компонентов – энергоемкий процесс, в котором затрачивается до 60 % общего количества энергии, используемой для изготовления солнечных батарей. Точный углеродный след какой-либо конкретной солнечной панели зависит от многих факторов, в том числе источника материалов, расстояния, на которое они должны транспортироваться, и источников энергии, которая используется заводами. Например, в Китае – ведущем производителе солнечных фотоэлектрических панелей – производственный процесс в значительной степени зависит от угольных электростанций, что способствует повышению углеродного следа солнечных панелей, сделанных в Китае.