С начала XXI века использование солнечных батарей считалось едва ли не самым перспективным способом генерации электрической энергии. Но в последнее время оптимизм по поводу использования солнечной энергией незаметно сменился скептицизмом.
Одна за другой банкротятся фирмы, производящие солнечные батареи. Некоторые европейские государства сворачивают программы стимулирования солнечной энергетики. Что это — влияние экономического кризиса или же генерация электроэнергии таким способом не оправдала возлагавшихся надежд? А, может быть, таким образом рынок избавляется от изначально нежизнеспособных компаний? Для того, чтобы разобраться в этом, следует учитывать все основные аспекты развития солнечной энергетики: технические, экономические и даже политические.
Использование солнечных лучей для выработки электроэнергии берет свое начало в конце 50-х годов XX века. Тогда были созданы солнечные батареи на основе полупроводников, предназначенные для использования на космических аппаратах.
Первоначально солнечные батареи стоили дорого и имели низкий КПД.
Но для космических аппаратов можно было позволить себе столь дорогое решение. Да и выбора, от чего питать электрооборудование спутников и космических кораблей, просто не было.
В 80-х годах солнечные батареи шагнули в быт. Появились первые микрокалькуляторы и радиоприемники с питанием от солнечной энергии. Правда, полностью обеспечить питание даже таких экономичных приборов солнечные батареи не могли, они всего лишь включались параллельно традиционным источникам питания, увеличивая тем самым их срок службы. Обеспечить сколь-нибудь серьезную генерацию электроэнергии, сопоставимую с традиционными электростанциями, солнечные батареи тогда не могли. И только в 90-х годах появились системы питания от солнечных батарей, в которых энергия накапливалась в аккумуляторах, пригодные для массового использования.
В 2011 году в Испании была запущена Gemasolar — солнечная электростанция башенного типа мощностью 19,9 МВт. В пресс-релизе ее именовали «первой в мире коммерческой солнечной электростанцией, способной работать круглосуточно». Электростанция накапливает большое количество тепловой энергии в расплавленной смеси солей, что позволяет не прерывать генерацию электроэнергии в темное время суток.
Первая солнечная электростанция
Несовершенство солнечных полупроводниковых батарей заставило искать альтернативу им, пригодную для создания коммерчески выгодных солнечных электростанций большой мощности. И она была найдена — это так называемые солнечные электростанции башенного типа.
Принцип работы солнечной электростанции башенного типа заключается в следующем. На большой площади расположено множество зеркал. Они отслеживают положение солнца и направляют солнечные «зайчики» на резервуар с водой или легкоплавким минеральным веществом. Этот резервуар стоит на башне, отсюда и название данного вида электростанций. Если в резервуаре вода, то она идет на паровую турбину электростанции. При использовании минерального вещества оно циркулирует между башней и зданием, где стоит генератор, передавая тепло воде. В остальном принцип генерации электричества идентичен тепловым электростанциям. Мало того, пар нагревается до температуры 400–700°С, практически как в тепловых станциях. Это позволяет унифицировать оборудование, а, значит, снизить затраты на строительство и обслуживание. КПД электростанции башенного типа составляет около 20%, что, к слову, выше, чем у современных солнечных батарей, выпускаемых серийно. Помимо башенных, существуют и другие виды солнечных электростанций, в которых свет от зеркал нагревает жидкость. Это могут быть цилиндрические отражатели, в фокусе которых находятся трубки с жидкостью, или параболические отражатели, в фокусе которых находятся небольшие резервуары. Отражатели также поворачиваются, отслеживая положение солнца. По своему принципу работы они аналогичны башенным, но имеют меньшие размеры и стоимость, что позволят использовать их в качестве локальных источников энергии. Из нескольких таких генерирующих модулей можно собрать «большую» электростанцию.
Идея солнечных электростанций башенного типа была выдвинута в СССР еще в 50-х годах. Проблема заключалась в создании системы управления большим числом зеркал, обеспечивающим их точное наведение на башню. Эта задача была успешно решена к началу 80-х годов, и уже в 1986 году в СССР, в Крыму, была пущена первая в мире солнечная электростанция мощностью 5 МВт, относящаяся именно к башенному типу. В связи с экономическими проблемами, дальнейшего развития солнечные электростанции в СССР не получили. Единственная в стране Крымская солнечная электростанция была в 90-х годах разрушена. В мировом же масштабе ставка была сделана на полупроводниковые солнечные панели.
Ставка на полупроводники
К середине 2000-х годов удалось поднять КПД полупроводниковых солнечных батарей до 14% против 5% у первых образцов, выпущенных за полвека до этого. Сейчас КПД серийно выпускаемых солнечных панелей лежит в пределах 14–17%, при этом с 1 квадратного метра площади можно получать мощность до 130 Вт. Цены на солнечные батареи на момент написания статьи составляли 1–3 долл. за 1 Вт мощности. Это позволяет использовать солнечные батареи для генерации электроэнергии в промышленных масштабах. В это же время, в середине 2000-х годов стоимость энергоносителей в мире достигла рекордного значения, к тому же в странах Ближнего Востока, являющихся их основными поставщиками, стала наблюдаться политическая нестабильность. Связать же свою энергетическую безопасность исключительно с поставками энергоносителей из России западные политики не решились — сказались предубеждения, имеющие многовековую историю.
И тут, как нельзя кстати, оказались сообщения о больших успехах в деле совершенствования полупроводниковых солнечных панелей. Начиная с 2006 года, в Европе развертываются масштабные государственные программы поддержки солнечной генерации электроэнергии. В Евросоюзе был установлен, так называемый, «закупочный тариф» — фиксированная цена, по которой поставщики электроэнергии были должны закупать электроэнергию у солнечных электростанций. В Италии пошли еще дальше и стали выдавать беспроцентные кредиты на приобретение и установку солнечных батарей, в том числе и в жилом секторе.
Позже было признано, что курс на поддержку не производителей, а пользователей солнечных батарей был стратегической ошибкой. Европейские производители не смогли выдержать ценовую гонку с китайскими конкурентами. Потребители закупали солнечные батареи производства китайских фирм, при этом дотации Евросоюза уходили в эту страну. Снижение же потребления электроэнергии у традиционных поставщиков неизбежно вело к сокращению рабочих мест на предприятиях энергетической отрасли, где работали европейцы. Итак, в результате дотации Евросоюза, средства направленные на создание нового сектора высокотехнологичной экономики, и, как следствие, улучшения ситуации с занятостью, дали обратный эффект. А тут еще была начата добыча сланцевого газа, в результате чего экономическое и, самое главное, политическое значение солнечной энергетики снизилось.
К 2013 году европейские политики поняли к чему ведет политика дотирования пользователей солнечных батарей и попытались дать «задний ход». В свое время, Испания одной из первых стала стимулировать солнечную энергетику, она же первой в августе 2013 г. ввела налог на солнечные панели. К тому же, всех владельцев солнечных генерирующих установок обязали подключить их к национальной энергосистеме страны, за невыполнение этого требования предусмотрен штраф до 30 млн евро. Учитывая, что реализация такого подключения стоит дорого и не всегда возможна, а штраф за невыполнение требований огромен, многим пользователям солнечных батарей оказывается более выгодным демонтировать свои установки.
Конечно, одной из причин столь резких действий стало то обстоятельство, что именно в Испании экономический кризис привел к наибольшим проблемам. Тем не менее, в июле 2013 г. вполне благополучная Германия объявила о прекращении к 2018 году субсидирование солнечной энергетики.
Те же грабли
Проблемы у производителей солнечных батарей начались еще раньше. В 2012 г. появились сообщения об экономических трудностях, которые испытывают производители солнечных батарей в Германии. Тогда это еще пытались списать на конкуренцию со стороны китайских производителей. Но в марте 2013 г. обанкротилась китайская компания Suntech Power Holdings — крупнейший в мире производитель солнечных батарей. Причем, это не было связано с тем, что вдруг никто не захотел покупать их продукцию.
Проблемы имели сугубо финансовый характер — компания набрала кредитов у банков под развитие производства, исходя из прогнозируемого огромного роста спроса. Но рост спроса оказался значительно скромнее, и компания не смогла рассчитаться с кредиторами. На самом деле, эта ситуация весьма характерна для нынешнего состояния рынка солнечных панелей. Все это напоминает кризис компаний электронной коммерции, возникший на рубеже веков.
Инвесторы вкладывали средства в производство полупроводниковых солнечных батарей, предполагая, что в будущем они станут основным средством выработки электроэнергии. Но на пути быстрого роста солнечной энергетики встало множество проблем технического и организационного характера, которые не были учтены при составлении прогнозов. К тому же, на волне интереса инвесторов, как и в случае с электронной коммерцией, на рынке появилось немало переоцененных компаний.
Что ограничивает рост?
Главная проблема солнечной энергетики, основанной на полупроводниковых панелях — выработка электроэнергии возможна только в светлое время суток. В то же время, как раз вечером возникает потребность в дополнительной электроэнергии для освещения, причем предприятия тогда могут еще работать. Выход заключается в накоплении электроэнергии в аккумуляторах, которые будут отдавать ее во время, когда генерация не осуществляется. Но реализовать такой подход можно только в «подсобном хозяйстве», то есть, когда солнечные батареи питают один дом. Если речь идет о строительстве солнечной электростанции, питающей целый регион, то рядом придется строить дорогостоящую гидроаккумулирующую станцию. Или предусмотреть наличие дополнительно обычной электростанции, дающей энергию по ночам, что сразу делает весь проект нерентабельным.
Ставка на генерацию электроэнергии для личного потребления также себя не оправдывает. Хотя бы потому, что далеко не на каждый дом можно установить солнечные батареи.
В марте 2013 г. в ОАЭ вступила в строй солнечная электростанция Shams1 мощностью 100 МВт. В ней применены цилиндрические отражатели и приемники энергии в виде трубок. Эта электростанция также способна давать электроэнергию круглосуточно благодаря накоплению тепловой энергии.
Но, может быть, стоит развивать солнечную энергетику только ради охраны окружающей среды? В рассуждениях об экологичности генерации электроэнергии с помощью солнечных батарей есть немало лукавства. Производство полупроводниковых солнечных панелей сопряжено со значительным загрязнением окружающей среды. То, что загрязнение происходит не рядом с вами, как в случае с ТЭЦ, а в далекой Юго-Восточной Азии, ситуацию не меняет: мы все живем на одной планете, и когда-нибудь вредные вещества оттуда доберутся и до вашей местности. Не говоря уже о том, что аккумуляторы содержат в себе огромное количество высокотоксичных веществ.
Поэтому солнечные батареи пока представляют собой «нишевое» решение. Использовать их для выработки электроэнергии для личных целей, а также для генерации в регионах, где пик энергопотребления приходится на светлое время суток, выгодно уже сейчас. Но делать на них ставку, имея виду глобальное развитие энергетики, пока невозможно.
Круглосуточная генерация
В 2011 году в Испании была запущена Gemasolar — солнечная электростанция башенного типа мощностью 19,9 МВт. В пресс-релизе ее именовали «первой в мире коммерческой солнечной электростанцией, способной работать круглосуточно». Электростанция накапливает большое количество тепловой энергии в расплавленной смеси солей, что позволяет не прерывать генерацию электроэнергии в темное время суток.
В марте 2013 г. в ОАЭ вступила в строй солнечная электростанция Shams1 мощностью 100 МВт. В ней применены цилиндрические отражатели и приемники энергии в виде трубок. Эта электростанция также способна давать электроэнергию круглосуточно благодаря накоплению тепловой энергии.
Благодаря возможности круглосуточной генерации электроэнергии солнечные электростанции, использующие накопление тепла, способны составить реальную конкуренцию традиционной энергетике. Концентрация производства большого количества электроэнергии на одной станции приведет к снижению стоимости кВтч по сравнению с установками для локальной генерации. В итоге это позволит достигнуть реальной конкурентоспособности солнечной энергетики, и дотации тогда уже не потребуются.
Алексей Васильев
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 5-6 (53-54), 2013
