«Зелена» енергія: очевидні плюси і приховані вади

Один из способов получать электричество из солнечной энергии — фотовольтаика или фотовольтаника (так его все чаще называют теперь специалисты и СМИ). Фотоэлементы, вырабатывающие электричество, уже давно не новинка. Их вставляют в зарядные устройства, калькуляторы, часы, а также производят заряжающиеся от солнечного света электромобили. Приборов, использующих фотовольтанику (прямое преобразование света в электроэнергию), вокруг нас становится все больше. Используют их и в промышленных масштабах — для солнечных электростанций.

Электростанция, работающая от солнечных фотобатарей, весьма проста, практически не требует обслуживания (а значит, и затрат), но зависит от освещенности — в ночное время она не работоспособна. Эту проблему пробуют решить при помощи аккумуляторов, что является неплохим вариантом в домашних условиях, но нереалистично в промышленных. Например, для обслуживания станции мощностью в 1 МВт потребуются свинцово-кислотные аккумуляторы (самые дешевые) суммарным весом целых 32 тонны! А теперь представим себе промышленные станции на сотни мегаватт... и тысячи тонн свинца и кислоты! Если гарантийный срок службы фотопластин — 25 лет, то аккумуляторов — несколько лет, и эти свинцово-кислотные килотонны необходимо постоянно менять.

Конечно, существуют более легкие и мощные варианты, например литий-ионные или серебряно-цинковые батареи, но при сопоставимом сроке службы стоимость последних в несколько раз выше. Принципиально они не решают проблему накопления большого количества выработанной электроэнергии (что является общей проблемой электроэнергетики: ток еще не умеют загонять в хранилище, как нефть или газ). Зато демонстрируют темную сторону официально «зеленой» технологии: необходимость производства и обращения (утилизации) такого огромного количества свинца и кислоты, что удар по экологии трудно даже подсчитать. Кстати, цинк и литий — тоже не подарки.

Другой, «черный демон» фотовольтаники скрывается в технологии производства солнечных пластин. Обычно в качестве основного вещества применяются различные виды кремния, соединения кадмия, галлия. Последние два требуют специальной утилизации, по аналогии с обычными пальчиковыми батарейками, содержащими вредные металлы. Но если копнуть глубже, то и кремниевые не так уж и безобидны, ведь один кремний фотоны в электроны не преобразует. Это происходит благодаря диффузии в атомы кремния фтора или брома, которые специально добавляют в виде примесей. Иначе ток не получить. Вот после того, как в чистый кремний внедрены примеси вредных соединений, появляется проблема утилизации использованных пластин, пусть и через 25 лет службы.

Существует еще один изъян в распространенной так называемой фторидно-гидридной технологии: при производстве 1 кг обычного кремния в качестве побочного продукта остается 4 кг токсичного тетрафторалюмината натрия (NaAlF₄). Он не используется в промышленности и накапливается в отвалах заводов.

Правда, электростанция на фотовольтанике действительно экологически чиста в эксплуатации (допустим, без аккумуляторов), но весьма грязна при изготовлении и создает проблемы при утилизации. Зато эксплуатация — мечта капиталиста. Иногда любят говорить о социальной составляющей «зеленых» технологий, мол, создаются рабочие места. Так вот, обслуживание современной промышленной электростанции на фотовольтанике вполне по силам десятку человек. Если объект занимает большую площадь, а некоторые расположены на площади в десятки квадратных километров, к числу обслуживающего персонала прибавляются охранники — для защиты оборудования от вандализма. Назвать это решением социальных проблем региона вряд ли можно.

И все же стоит особо отметить перспективность самой технологии и возможность устранения многих ее недостатков в ближайшем будущем. Так, уже в нынешнем году американскаякомпания Twin Creeks Technologies начнет выпускать тонкопленочный кремний, расход которого будет на 90 % меньше, чем при существующих методиках. Это позволит вдвое уменьшить стоимость пластины: с 80 до 40 центов за ватт. И, безусловно, значительно снизить токсичность производства.

Другое направление — разработки материалов третьего поколения, например полимеров или органики, которая вообще заменит неорганический кремний. На днях журнал ACS Nano опубликовал результаты работы ученых Стенфордского университета, создавших действующий прототип фотопластины, в которой кремний полностью заменили на модификацию углерода — графен (C₆₀ ). Тонкая нанопластина прозрачна для света и проводит электричество, что дает возможность отказаться от использования в ней добавок металлов. Правда, КПД прототипа еще слишком низок — всего 1 % (у кремния — 24 %), но ведь это только опытный образец и начало исследований. Если ученые доведут экспериментальные проекты (таковые проводятся во многих странах с разными материалами) до промышленного уровня, то это позволит избежать использования токсичных технологий и снизит цену солнечных панелей в несколько раз, возможно, до 20 центов за ватт.

Разрабатываются и новые виды аккумуляторов, но технологии хранения электроэнергии развиваются гораздо медленнее, чем ее генерации, для которой придумывают различные ухищрения, повышающие КПД. Например, ячейки фотоэлементов снабжают микролинзами, которые увеличивают поток света на них, или устанавливают рефлекторы по аналогии со спутниковыми антеннами, чтобы собрать больше света. Причем такие конструкции делают автоповоротными — система отслеживает положение Солнца и в течение дня постоянно поворачивается к нему по мере его движения. Это, конечно, не удешевляет конструкцию, но заставляет выжать из нее больше энергии.

Жесткая конкуренция технологий, производителей, устойчивая тенденция к снижению стоимости ватта вырабатываемой энергии приводят к возникновению на рынке странной ситуации.

С одной стороны, существует перенасыщение рынка предложениями солнечных панелей, особенно китайского производства, с другой — многие страны строят планы по увеличению доли энергии, производимой из альтернативных источников, но ограничивают импорт этих самых компонентов, вводя требования в национальные законодательства о соотношении отечественной и импортной составляющих в проектах. В то же время развитие производства фотопластин в Европе часто нерентабельно. Так, 11 октября немецкая компания Siemens приняла решение о продаже своего «солнечного» бизнеса «под тяжестью возросшей конкуренции, слабого экономического роста и изменившейся ситуации на рынке», как официально было заявлено. Европейцы зачастую вынуждены хитрить: пластины закупать в Китае, а «фурнитуру» (конструкции крепления, жгуты электропроводки, подстанции и прочее) использовать местную. Если учесть проектные работы, консалтинг, наладку и прочие затраты, получается, что проект на более чем 50 % — национальный продукт.

В Украине для солнечной энергетики еще 1 января 2011 года вступила в силу норма, согласно которой применять «зеленые» тарифы могут предприятия, использующие при производстве электроэнергии 30 % отечественного сырья, материалов и услуг, а с 1 января 2014 года эта обязательная доля возрастает до 50 %. Только в этом случае возможна продажа государству генерированной электроэнергии по цене около 5 грн за киловатт. Это в 4,4–4,6 раза выше обычного тарифа для потребителей — юридических лиц. Спрашивается, кто же заплатит эту более чем четырехкратную разницу? Ответ простой — бюджет. В него закладываются суммы компенсаций для альтернативных энергогенерирующих компаний. Отсюда напрашивается первый закон электродинамики Украины: кто управляет бюджетом, тот и создает такие электростанции. Потребителям — электрика, управляющим — динамика роста собственного дохода за счет бюджета.

Официально сообщалось о строительстве в Крыму четырех фотовольтанических станций международной компанией Activ Solar общей мощностью более 215 МВт. Это первый случай за многолетнюю постсоветскую историю Крыма, когда на благое дело кому-то выделили огромнейшие площади земли. Очевидно, этому «кому-то» ну никак не могли отказать...