Сонячна машина: кожен дім - сам собі електростанція
Прогрес у галузі сонячних батарей розвивається тими ж неймовірними темпами, якими два десятиліття тому розвивалась комп’ютерна галузь. Якщо результат буде аналогічним, сонячна електроенергетика в найближчому майбутньому змінить життя людства так само, як його змінили персональні комп’ютери та мережа Інтернет.
АВТОР: Іван Мельник
Більше, краще, дешевше
Свіжі новини про чергове досягнення в галузі перетворення сонячної енергії в електричну щодня сиплются як з рогу достатку. І більшість з них сприймається як фантастичний роман.
Американська агенція передових війскових технологій DARPA (так, та сама, чиї розробки лягли в основу сучасної мережі Інтернет) розпочинає другий етап конкурсу із створення високоефективних сонячних батарей. Очікуваний коефіцієнт перетворення енергії Сонця в електроенергію має сягнути 40% - неймовірна цифра, що наближається до теоретичної межі ефективності фотоелектрики.
І мова йде не про результат, здобутий в лабораторних умовах: в DARPA хочуть отримати інженерний прототип, готовий до стадії серійного виробництва. І з його допомогою забезпечувати повністю автономне енергоживлення військових баз.
Дослідники інституту Фраунгофера зробили те, що донедавна здавалося неможливим: створена ними кремнієва фотоелектрична панель має не позитивну, як існуючі сонячні батареї, а негативну полярність. Результат – підвищена ефективність (23.4% енергії сонячних променів перетворюються в електроенергію) в поєднанні з можливістю використання дешевшого кремнію з нижчим ступенем чистоти.
Більше того: вчені застосували цю ж технологію в значно спрощеному вигляді, наближеному до існуючого великосерійного виробництва сонячних панелей. Створений за такою технологією елемент розміром 12.5x12.5 см досяг ефективності 18.2%.
Компанія Nanosolar, один з лідерів альтернативного до кристалічного кремнію технологічного напрямку – т.зв. тонкоплівкових панелей – офіційно підтвердила ефективність на рівні 16.4%. Здавалося б, не дуже багато: якщо не брати до уваги, що ці фотоелементи не «нарізають» із кремнієвих пластин – а це дорогий і складний процес – а друкують на рулонах алюмінієвої фольги. Дешева і при цьому достатньо ефективна сонячна панель – блакитна мрія виробників, які вже замовили в Nanosolar продукцію на $4.1 мільярди доларів.
Китай розпочинає найбільший у світі проект сонячної електростанції - енергетична стратегія Пекіну передбачає до 2010 року виробляти з відновлюваних джерел 10% (!) електроенергії, а до 2020 року підвищити цей показник до 15%. В рамках програми споруджується 2-гігаватна сонячна електростанція – це все одно що два атомні реактори, які працюють на АЕС України.
Це дуже короткий список найсвіжіших повідомлень по темі сонячної енергетики. Якщо ж відстежувати їх систематично, то привертає увагу показовий факт: досягнення в цій галузі стосуються всіх без винятку напрямків: наукових досліджень, результати яких поки що далекі від комерційного застосування; серійної продукції, які можна придбати вже; технологій та обладнання для виробництва цих панелей; заходів із державної підтримки сонячної електроенергетики в усіх країнах світу – від Німеччини до Індії й Китаю.
Сам собі електростанція
На географічних широтах України кожен квадратний метр території отримує в середньорічному вимірі приблизно 100-150 ват енергії сонячного проміння. Здавалося б, не дуже вражаюча цифра – подумаєш, еквівалент стоватної лампочки.
Однак якщо на ситуацію подивитися з «протилежного боку»: споживання електроенергії домогосподарством, то картина створюється цілком інакша.
Тривалість часу, протягом якого щодня працює сонячна батарея, становить приблизно 4 години (цей показник є середнім по року і враховує хмарні та дощові дні). Модуль потужністю 5 кВт (сонячні енергосистеми для приватних будинків зазвичай перебувають в діапазоні 1-10 квт) виробить щодоби 20 кВт/год електроенергії. На місяць – 600 кВт/год.
Віднімемо 10% на втрати при перетворенні з постійного на змінний струм (для цього потрібен окремий пристрій - інвертор) та втрати в мережі та акумуляторі – залишиться 540 кВт/год. Цього із запасом вистачить для енергозабезпечення помешкання площею 100-150 кв м, в якому електроенергію не використовують для опалення.
Звісно, це не означає, що власник такої системи обріже дроти централізованої електромережі: струм «іззовні» знадобиться для покриття сплесків споживання електрики або форс-мажорних ситуацій. В Німеччині та інших європейських країнах є можливість продавати «надлишкову» електроенергію назад у мережу: з цією метою використовуються спеціальні «розумні» лічильники. Більше того, на таку «чисту» енергію держава запроваджує пільговий тариф – «сонячні кіловати» оплачуються дорожче.
Сонячна енергетика наразі розвивається найшвидшими темпами з усіх енергетичних галузей: в 2008 році порівняно з 2007 кількість встановлених потужностей подвоїлася. Однак людина, яка сьогодні прийме рішення «електрифікуватися Сонцем», у більшості випадків матиме один, але дуже вагомий аргумент цього не робити.
Цей аргумент – ціна. Наразі вартість сонячних панелей у найпотужніших виробників складає 2,5-3 долари за ват. Це значно нижче, ніж кілька років тому: дався взнаки технологічний прогрес, що потяг за собою зниження виробничих затрат, більші обсяги продажу та – спасибі кризі – обвальне падіння цін на кремнієві заготовки.
Однак неважко порахувати, що згадана вище 5-кіловатна система за таких цін коштуватиме 12,5 тисяч доларів. Це без затрат на монтаж, придбання інвертора, акумулятора тощо. Більше того, неважко підрахувати, що за чинних цін на «мережеву» електроенергію в українських умовах така система окуповуватиметься не роками – десятиліттями. Так, гарантійний термін роботи типової кремнієвої сонячної батареї становить 25 років - однак чекати так довго, поки початкові затрати будуть «відбиті», погодиться далеко не кожен.
Струм із неба
Втім, це ситуація, яка спостерігається на сьогодні. А завтра обіцяє бути цілком інакшим. Верховна мета, до якої прагнуть розробники фотоелектричних систем, - вийти на вартість ватта в 1 долар і менше. Зараз практично нема сумнівів, що протягом найближчих 3 років така мета буде досягнута. Більше того, ефективність подібних панелей також буде значно вищою, ніж зараз – в районі 20%.
Європейська асоціація виробників фотоелектричних пристроїв стверджує: до кінця наступного року «сонячна електрика» вже буде конкурентоспроможною щодо «традиційної» в південних регіонах Європи. Якщо ж розвиток галузі піде по оптимістичному сценарію, до 2020 року сонячна енергетика зможе конкурувати з іншими генеруючими галузями в 75% випадків. При цьому її частка в загальній структурі виробництва електроенергії сягне 12%. Це чимала цифра – для порівняння, зараз в Європі на атомних електростанціях виробляють 17% електроенергії.
Потужний сплеск попиту на ту чи іншу технологічну розробку (наприклад, персональні комп’ютери чи мобільний зв’язок), зазвичай, зумовлюється двома чинниками – зацікавленням споживачів та можливістю виробників запропонувати щось таке, чого раніше не було на ринку. Обидва ці фактори присутні в ситуації із сонячною електроенергетикою. Однак є ще й третій – вплив держави.
Так, для президента США Обами посилення енергетичної незалежності та екологічної безпеки було одним із ключових елементів передвиборчої кампанії. І цю обіцянку він послідовно втілює. Зовсім недавно в США був прийнятий перший варіант стандартів т.зв. «розумної електромережі» - системи, яка в майбутньому має замінити звичну нам електромережу.
Потенційні можливості цієї системи, на яку вже витрачено сотні мільйонів доларів, вражають. Уявіть собі, що всі об’єкти, які споживають електроенергію, об’єднані між собою у своєрідний «електроінтернет» за допомогою запозиченого з Інтернет протоколу TCP. Така мережа не просто «роздає» електрику споживачам – вона «знає», скільки її потрібно в кожному об’єкті у кожен момент часу.
Більше того – така система створює ідеальну можливість використання «надлишків» енергії, виробленої чи накопиченої сонячними батареями. Скажімо, вдень, коли власник будинку на роботі, його «приватна електростанція» живить сусідній магазин чи офіс. А якщо взяти до уваги пільгові тарифи на таку електроенергію, то відшкодування затрат може бути ще швидшим.
…
Люди, які залучилися до комп’ютерних технологій наприкінці 1980-х років, ще пам’ятають, що тогочасні «персоналки» позначалися як «комп’ютер IBM PC”. А нинішній молоді ця назва навряд чи щось скаже. Причина проста: попри те, що концерн IBM був піонером цього ринку, у виробництво комп’ютерів включилася колосальна кількість компаній, які дуже часто викидали колишніх лідерів на узбіччя.
Дуже схожа ситуація спостерігається зараз в галузі сонячних батарей. Все більше компаній бажають їх виробляти і виходять на ринок: внаслідок цього ринкова частка 10 найбільших виробників скоротилася з 80% у 2004 році до 50% в 2008 році. Зрозуміло, що не всі компаній залишаться в грі – так само як і більшість технологічних розробок так і не вийде із стін лабораторій.
Однак вже зараз видно – сонячна електроенергетика перестає бути хоббі чи екзотикою. І якщо її прогрес піде тим же шляхом, який наразі пройшла мікроелектроніка, людство отримає в своє розпорядження невичерпне і безвідмовне джерело енергії. Принаймні доти, доки світить Сонце.
