B федеральной программе "Стратегия устойчивой энергетики США", утвержденной в 1995 г. в качестве приоритетного направления, предусмотрено оказание правительством содействия развитию и освоению ВИЭ с целью уменьшения объемов сжигания топлива, защиты окружающей среды и глобальной энергетической безопасности страны на перспективу, а также распространения американских солнечных энергетических технологий в другие страны для расширения рынка сбыта.
США активно вовлечены во многие международные программы, которые способствуют использованию ВИЭ. Сравнительно недавно предприняты инициативы по поддержке использования ВИЭ в Мексике, ЮАР и Индии и осуществлению проектов по энергоснабжению деревень от фотоэлектрических установок. Их предполагается использовать в сочетании с ветроэлектрическими для водоподъема, освещения, обеспечения работы радио и телевизоров. До сих пор около 2 млрд человек в мире живет в удаленных от линий электропередачи районах и не пользуется электроэнергией даже для освещения. Затраты на полную электрификацию таких районов путем подсоединения к действующим энергосистемам могут превысить 1 трлн долл..
Дизельные электростанции небольшой мощности работают крайне неудовлетворительно при низких нагрузках, они очень чувствительны к качеству обслуживания, что создает множество проблем, одной из которых является доставка топлива. Первоначальные затраты на установку ВИЭ намного меньше, чем подсоединение деревень к существующим сетям, а соответствующие эксплуатационные затраты с учетом всего срока службы у них оказываются ниже, чем удизельных электростанций. Кроме того, экономические, социальные, экологические и политические тенденции повсюду способствуют переходу к децентрализованной системе энергоснабжения.
Действующая в США с 1997 г. программа "Миллион солнечных крыш" предусматривает до 2010 г. установку солнечных энергосистем (фотоэлектрических и тепловых) на крышах одного миллиона муниципальных и частных домов [6]. Из федерального бюджета запланировано выделение финансовой помощи около 6,3 млрд долл. Основные цели программы: уменьшение загрязнения атмосферы, эквивалентное годовому выбросу от 850 тыс. автомобилей, создание дополнительных 70 тыс. рабочих мест, увеличение внутреннего рынка и объемов производства солнечных энергосистем при уменьшении их стоимости. Планируется, что к 2005 г. мировой рынок фотоэлектрических систем превысит 1,5 млрд долл.
B настоящее время в различных штатах США осуществлено строительство достаточно больших энергетических объектов с использованием ВИЭ. B пустыне Мохаве (штат Калифорния) успешно работает самая крупная солнечная электростанция мощностью 354 МВт, которая в летний период снимает пик электрической нагрузки, возникающей вследствие увеличения потребностей в охлаждении, вентиляции и кондиционировании. B климатических условиях этого штата при стоимости обычной электроэнергии 0,14 долл/кВтч (что почти вдвое выше среднего значения по стране) фотоэнергетика уже сейчас конкурентоспособна в сравнении с традиционными источниками энергии [6].
Ha всемирной конференции по фотоэлектричеству в Глазго (май, 2000 г.) американские специалисты доложили о новой долговременной цели — строительстве в штате Техас солнечной электростанции площадью 107 x 107 миль. По расчетам такая электростанция сможет полностью обеспечить потребности США в электричестве.
Bo многих странах мира намечены и выполняются правительственные программы стимулирования развития фотоэнергетики. Особые усилия в этой области помимо США прилагают Япония и Германия. B соответствии с немецким проектом "1000 солнечных крыш" в период с 1990 по 1994 rr. на жилых домах установлено 2500 систем мощностью по 2—4 кВт. B течение 1998 и 1999 гг. в Германии ежегодно вводили несколько тысяч фотоэлектрических систем с общей установленной мощностью 10 МВт; в начале 2000 г. в дополнение к программе беспроцентного кредитования правительство объявило о введении в действие схемы покупки электроэнергии, произведенной фотоэлектростанциями у частных лиц, по цене 0,99 немецких марок/кВтч (0,6 евро), что почти в 10 раз выше стоимости сетевой электроэнергии. Эти субсидии сделали фотоэнергетику в Германии полностью экономически целесообразной даже при современном уровне цен. Поэтому интерес к фотоэнергетике у населения возрос настолько, что с января по март 2000 г. рост закупок фотоэлектрических систем превысил по мощности 30 МВт, а в апреле — 40 МВт.
B 1995—1996 гг. в Японии приступили к реализации программы "70 тысяч фотоэлектрических крыш", но уже в 1998 г. она пересмотрена в пользу увеличения числа зданий до 1 млн. при общей установленной мощности фотоэлектрических систем до 5 ГВт.
Основной проблемой современного этапа становления фотоэлектрической индустрии является достижение конкурентоспособности прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов (СЭ) (по сравнению с традиционными способами генерирования электроэнергии). Фотоэлектрическая установка состоит из СЭ, объединенных в солнечные модули (CM), инвертора напряжения, системы контроля и накопителя энергии. B качестве последнего используют аккумуляторные батареи или действующую электрическую сеть (но возможно получение водорода, см. пункт 2 ). Ha сегодня стоимость СЭ из кристаллического кремния составляет 2,5—3 долл/Вт, стоимость CM 5—7 долл/Вт, стоимость фотоэлектрических установок 9—15 долл/Вт [7](но разрабатываются СЭ на другой основе, см. пункт 4 ). C учетом этого стоимость электроэнергии составляет 0,2—0,5 долл/кВтч, что сравнимо с действующими ценами на электроэнергию (О,03-О,125долл. кВтч).
Структура себестоимости производства CM на сегодня и в недалеком будущем представлена ниже (табл. 1).
Ближайшей задачей является снижение стоимости CM до 2, а затем до 1 долл/Вт, что приведет к снижению стоимости электроэнергии соответственно до 0,12 и 0,06 долл/кВтч.
При стоимости производства модулей 2 долл/Вт для обеспечения электричеством 1 млрд человек мировая потребность составит 100 ГВт, если принять за допустимую норму 100 Вт установленной мощности CM на одного человека. При сроке наполнения рынка в 20 лет ежегодный выпуск модулей должен составить 5 ГВт. Потенциальный объем мирового рынка CM в перспективе может достичь 50 ГВт, что обеспечит 10 % общемирового уровня выработки электроэнергии с помощью фотоэлектричества.
B техническом отношении не существует каких-либо принципиальных ограничений, однако необходимо решить ряд научных, технологических и экономических проблем. Для достижения поставленной цели предполагается использовать новые технологии и экологически чистые процессы, новые конструкции технологического оборудования, благодаря которым будет обеспечено снижение расходов при производстве CM и повышение КПД серийных СЭ до -20 %. B табл. 2 представлены данные влияния величины КПД и цены изготовления 1 м СЭ на стоимость 1 Вт установленной мощности СЭ.
Структура себестоимости CM (таблица 1)
Этапы производства CM |
Себестоимость, долл/Вт |
||
Сегодня |
Завтра |
В перспективе |
|
Изготовление пластин кремния |
1,5—1,7 |
0,8—1,0 |
0,25—0,3 |
Изготовление СЭ |
1,3—1,5 |
0,4—0,5 |
0,3 |
Изготовление CM |
1,5—1,7 |
0,6—0,7 |
0,4—0,45 |
Всего |
4,3-4,9 |
2,0 |
1,0 |
Стоимость установленной мощности СЭ, долл/Вт(таблица 2)
кпд, % |
Цена изготовления, долл/Вт |
|||
300 |
250 |
200 |
150 |
|
10 |
3,0 |
2,5 |
2,0 |
1,5 |
12 |
2,5 |
2,08 |
1,67 |
1,25 |
15 |
2,0 |
1,67 |
1,33 |
1,0 |
18 |
1,67 |
1,39 |
1,11 |
0,83 |
Кремний называют "нефтью 21-го столетия". Расчеты показывают, что СЭ с КПД 15 %, на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии. Равное количество электроэнергии можно получить, израсходовав 75 т нефти (с учетом КПД теплоэлектростанций 33 % и теплотворной способности нефти 43,7 МДж/кг). Таким образом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти [7].
Россия на рынке продаж кремния электронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может быстро окупить все расходы по проекту. Снижение себестоимости ПКК и пластин кремния для электроники и солнечных элементов окажет огромное влияние на создание в России конкурентоспособной фотоэлектрической промышленности и превратит ее в крупнейшего поставщика кремния, СЭ и солнечных батарей на мировой рынок.
Экологически чистым и малоотходным является разработанный в России алкоксисилановый метод очистки металлургического кремния. Промышленное освоение этого метода поможет в 2 раза сократить стоимость СБ из кремния и сделает фотоэнергетику конкурентоспособной с другими традиционными источниками энергии, а разработанная в России конструкция солнечного модуля с СЭ, погруженными в кремнийорганическую жидкость, позволяет в 2 раза повысить срок службы СЭ и предотвратить деградацию их технических параметров.
B России более 10 предприятий и организаций разрабатывает и производит кремниевые СЭ и солнечные модули. Суммарная потенциальная производственная мощность указанных производств превышает 4 МВт/год. Однако эти мощности используются максимум на 20 % из-за отсутствия необходимого количества недорогих кремниевых пластин и вследствие низкой покупательной способности населения России. Свою продукцию способны экспортировать только те предприятия, где сравнительно невысока себестоимость производства высокоэффективных СЭ, среди них ВИЭСХ, ЗАО "Солнечный ветер", завод "Красное Знамя", ЗАО "Телеком", выпускающие СЭ мирового уровня качества с КПД до 15 %.
Если в России появится массовое производство недорогого кремния "солнечного" качества, то помимо указанных предприятий к производству СЭ и модулей могут подключиться незагруженные сейчас предприятия электронной промышленности, расположенные в Ставрополе, Александрове, Фрязино, Павловом-По-саде, Санкт-Петербурге, Орле, Нижнем Новгороде, Саратове и др. Имеющееся у них оборудование уже сегодня способно обеспечить уровень выпуска СЭ размером 10 х 10 см в количестве 2 млн шт/год. Выработанная ими мощность будет зависеть от величины КПД, которая в свою очередь определяется уровнем технологии изготовления: при КПД 15—17 % она составит около 4 МВт. До 2005 г. объемы выпуска в России могут вырасти до 2—3 МВт/год, а далее следует ожидать резкого роста: до 10— 15 МВт/год к 2010 г. и 30—50 МВт/год в 2015г.
Выводы:
1. Bo всем мире наблюдается стремительный рост интереса к фотоэнергетике, которая в ближайшие годы может превратиться в процветающую отрасль промышленности.
2. Основным материалом для изготовления СЭ в настоящее время и в перспективе является кристаллический кремний.
3. Перед промышленно развитыми странами встает проблема снижения стоимости кремния- сырца ниже 20 долл/кг и создания специализированного производства кремния для фотоэнергетики объемом 10 000 т/год.
4. Снижение стоимости пластин кремния послужит мощным толчком для реализации имеющихся наработок по повышению КПД серийных СЭ до 18 % и снижению их себестоимости.
5. Технический потенциал России позволяет ей занять одно из ведущих мест на мировом рынке продаж солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических систем.
6. Ни один из рассмотренных методов фотохимического разложения воды пока еще не вышел на уровень промышленного использования. Однако полученные результаты позволяют считать реальной задачу создания фотокаталитических преобразователей солнечной энергии в химическую на основе фоторазложения воды на водород и кислород.
7. Без учета экологического эффекта системы солнечного теплоснабжения в России могут быть конкурентоспособны с теплоисточниками на органическом топливе (газ, мазут) в южных районах Дальнего Востока, на Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье; срок окупаемости CCT составляет 10-15 лет. Теплоснабжение от котельных на угле во всех регионах России более экономично, чем использование солнечной энергии.
8. При конкуренции с электротеплоснабжением (например, в пунктах, где применение органического топлива невозможно или нежелательно) CCT могут оказаться экономически эффективными в тех же регионах при Q > 1,3 МВт•ч/м2.
9. Введение экологического налога на выбросы CO2 в размере 100...125 дол/т углерода (что согласуется с целью мирового сообщества: не превышать в перспективе уровень эмиссии тепличных газов 1990 г.) позволяет рассматривать CCT как перспективную технологию производства низкопотенциального тепла на значительной территории России с годовым солнечным излучением на плоскую поверхность более 1 000 кВт•ч/м .
Список литературы:
1. Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах — энергообразующих органеллах растительной клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 24-32.
2.Климов В.В. Фотосинтез и биосфера // Там же. № 8. С. 6-13.
3.Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Там же. 1997. № 5. С. 11-19.
5.Мэрфи Л. M. Перспективы развития и финансирование технологий использования возобновляемых источников энергии в США // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России", Москва, 31.05—4.06. 1999. M.: НИЦ "Инженер", 1999. C. 59-67.
6.Программа США "Миллион солнечных крыш" // Возобновляемая энергия. 1998. № 4. C. 7—10.
7.СтребковД. С. Новые экономически эффективные технологии солнечной энергетики // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России". M. 1999. C. 187—208.
8.Бусаров B. Успех поиска путей. Концепция перехода к устойчивому развитию и особенности региональной энергетической политики. - Зеленый мир,1999, № 16-17.
9.Бутузов B. A. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах теплоснабжения Краснодарского края. - Краснодар: ККП Союза НИО CCCP, 1989.
10.Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ P. P. Авезов, M. A. Барский-Зорин, И. M. Васильева и др. Под. ред. Э. B. Сарнацкого и C. A. Чистовича. - M.: Стройиздат, 1990.
11. Бутузов B. A. Анализ опыта проектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения.
Сборник "Энергосбережение на Кубани"/ Под общ ред. Э. Д. Митус. Краснодар: "Советская Kyбань", 1999.
12. Государственный доклад- "O состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в1997 г." - Зеленый мир, 1998, №26.
13. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в России // Теплоэнергетика. 1997. № 4. C. 6-12.
14. Тарнижевский Б.В., Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика. 1997.№4. C. 13-15.
15. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. 1996. № 5. C. 15-18.
16. Тарнижсвский Б.В., Чакалев K.H., Левинский Б.М. Коэффициент замещения отопительной нагрузки пассивными системами солнечного отопления в различных района CCCP // Гелиотехника 1989.№4.С.54-58.
17. Бекман У., Клейн C., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. M.: Энергоатомиздат, 1982.
18. Марченко O.B., Соломин C.B. Анализ области экономической эффективности ветродизельных электростанций // Промышленная энергетика. 1999. № 2. C. 49-53.
19. Новая энергетическая политика России / Под общ. ред. Ю.К. Шафраника. M.: Энергоатомиздат, 1995.
20. Бородулин М. Ю.
Электротехнические проблемы создания преобразовательных установок для солнечных и ветровых электростанций / Бородулин М. Ю., Кадомский Д.Е. // Электрические станции. – 1997. - № 3. – c.53-57.