Сонячна електроенергетика витримала затемнення

Для такої моторизованої країни, як США, таке зростання цін на паливо – це суттєво. Поки що немає перебоїв із постачанням пального, але до них готуються.

Через сильний вітер довелося евакуювати персонал нафтових платформ у Мексиканській затоці. На їхню частку біля узбережжя Техасу та Луїзіани припадає до 17% від загального обсягу видобутку нафти в США. Там само зосереджені нафтопереробні заводи, що забезпечують понад 30% від загального обсягу переробки нафти в країні. Як повідомила телекомпанія CNBC, ці заводи можуть зупинити на термін до двох тижнів.

За попередніми підрахунками, від розгулу стихії постраждали понад 450 тис. осіб. Їм допомагає вся країна. На цьому тлі дещо знизилося значення такого важливого астрономічного явища, як повне сонячне затемнення, яке спостерігали на території 14 штатів. Можна сказати, що вперше на заслін Сонця Місяцем звернули увагу не лише з наукового, а й із економічного погляду. Для цього були серйозні підстави.

Каліфорнія без електроенергії не залишилася

У штаті Каліфорнія, який іще називають Золотим штатом, велика кількість сонячних днів у році. Наприклад, у місті Сан-Хосе їх 320. Не дивно, що в штаті виробляють значну кількість сонячної електроенергії. У Каліфорнії проживають близько 40 млн. осіб, є великі підприємства військово-промислового комплексу. Тут і знаменита Силіконова долина з її високотехнологічними компаніями з виробництва комп’ютерів, програмного забезпечення і напівпровідникової техніки.

Усе це обумовило не лише високий рівень споживання електроенергії, а також випереджальний розвиток сонячної електроенергетики. За даними оператора California Independent System Operator (CAISO), на частку останньої припадає понад 17% усього споживання електрики штату.

Сонячне затемнення могло стати серйозним випробуванням для енергосистеми. Відсутність видимого світла на досить тривалий період часу, зниження його інтенсивності перед затемненням і зростання після нього могло вивести з генерації близько 6 ГВт потужності.

Генерувальні та розподільні компанії готувалися до події заздалегідь. Було необхідним швидке введення додаткових потужностей класичної генерації. У випадку з Каліфорнією – переважно на газі.

Побоювання виявилися марними. Сонячне затемнення пройшло точно за астрономічним графіком, але світло не погасло, подача електроенергії споживачам, незважаючи на зростання навантаження, не припинилася. Збоїв у енергосистемі не було. Як сказав Ерік Шмідт, віце-президент з операцій CAISO: «Все минуло дуже добре, ми дуже задоволені результатами».

Замість передбачуваного відключення 6 ГВт потужності, реально з генерації випало лише 3,4 ГВт. Не змінилися ціни на ринку електроенергетики. Усе це може стати додатковим аргументом для прихильників максимального використання поновлюваних джерел електроенергії та зниження класичної генерації, особливо спалювання вугілля і нафти. Не дивно, що представники класичних електрокомпаній сприйняли новини вельми стримано, якщо не сказати прохолодно.

Перовскіти у грі

У сонячних елементів із кремнію, який наразі широко використовують, є великі проблеми.

По-перше, це найголовніше, їхнє виробництво досить складне, екологічно небезпечне, тому дорого коштує.

По-друге, кремнієві елементи не використовують увесь видимий та невидимий спектр, що змушує будувати додаткові панелі, а це теж збільшує вартість.

По-третє, самі кремнієві елементи мають відносно велику масу і потребують для встановлення значної площі.

По-четверте, нинішні кремнієві панелі мають коефіцієнт корисної дії (ККД) близько 15-17%, він останнім часом не зростає.

Із цих та інших причин сонячна електроенергетика не може повністю замінити класичну генерацію.

Сонячна електроенергія залишається досить дорогою і вимагає застосування спеціального тарифу, який назвали зеленим. До речі, це стосується всіх видів відновлюваної енергетики (ВДЕ), зокрема вітрової.

У нинішньому стані кремнієва сонячна електроенергетика потребує для значного об’єму виробництва досить великих площ. Це наслідок низького ККД. Як результат – негативні екологічні наслідки, скільки в тіні опиняються території, де порушується періодичність дня і ночі. Постійна тінь позначається на рослинному і тваринному світі.

Першими з негативним екологічним ефектом зіткнулися у вітровій енергетиці. У Нідерландах, за великої щільності вітроустановок на узбережжі, були випадки загибелі риби. Послаблення вітру, який віддав частину своєї енергії вітроустановкам, зменшувало перемішування верхніх шарів моря на мілководді, а через нестачу кисню риба просто задихалася. Довелося зняти частину вітроустановок, знизити їхню потужність і розміри, а також збільшити відстань між ними. Крім того, вести постійний моніторинг насичення прибережних вод киснем. Зрозуміло, що це витрати, і вони позначаються на вартості електроенергії з ВДЕ.

Із сонячною електроенергетикою приблизно така сама ситуація. Начебто вона з необмеженого і невитратного джерела, але накладаються, зокрема, екологічні проблеми. Навіть у пустелі Сахара довелося обмежити площу сонячних панелей на електростанціях з екологічних причин.

Перспективними вважають сонячні елементи з перовскітів. Уперше цей рідкісний мінерал — титанат кальцію — знайшов у горах Уралу німецький геолог Густав Розе в 1839 році. Названо матеріал на честь графа Льва Перовського, знаменитого колекціонера мінералів. Титанат кальцію, зі зрозумілих причин, широкого застосування не знайшов, а от, якщо можна так сказати, родичі, які мають подібну кристалічну структуру, тому звуться перовскітами, якраз застосовують дедалі частіше.

Один із напрямків — сонячна електроенергетика. Ще кілька років тому ККД елемента на перовскіті не перевищував 3-4%. Зараз він вже 20% і досягає пікових 26%. На думку експертів, найближчим часом ККД елементів на перовскітах вийде на рівень 30-32%. Це можна порівняти з аналогічними показниками класичної генерації.

Другою найважливішою перевагою перовскітів є те, що традиційні сонячні батареї товщиною 180 мікрон поглинають стільки ж світла, скільки перовскіт поглине за товщини 1 мікрон. До того ж спектр перетворюваного на електрику світла у перовскіту ширший, ніж у кремнію. У результаті виробленої електроенергії більше.

Іще одна важлива деталь. Якщо для виробництва кремнієвих елементів необхідна температура близько 1000 градусів, то для перовскітів – не більше ніж 200. Їх не потрібно довго випікати в печах – розробляють технології простого розбризкування.

«Ці нові матеріали можна виготовляти, як рулони, масово. Це майже так само просто, як фарбувати аерозолю», – вважає керівник дослідження перовскітів у Каліфорнійському університеті в Берклі професор Алекс Цеттл.

Перовскітні елементи мають здатність до перевипромінювання. Її виявив дослідник з університету в Кембриджі Фелікс Дишлер. При опроміненні світлом енергія фотонів не просто перетворюється на електроенергію. Частина заряду перетворюється знову на фотони. Якщо їх повторно використовувати, то вихід електроенергії збільшиться ще. Тоді як кремній не має здатності переміщати всередині себе енергію і знову її випускати.

Сонячні батареї на базі кремнію коштують у середньому 75 центів за 1 кВт, а елементи на основі перовскіту знизять їхню вартість у 5-7 разів, до 10-15 центів за 1 кВт, за такого ж або навіть більшого обсягу виробництва електроенергії. Як вважають деякі експерти з електроенергетики, за вартості 50 центів за 1 кВт встановленої потужності сонячна енергія стає конкурентоспроможною щодо викопного палива.

Перехід на перовскіти в сонячних елементах означає кардинальну зміну у виробництві електроенергії з ВДЕ, передовсім сонячної, та класичної – з викопного палива. При цьому процес виробництва панелей стає простішим, дешевшим і прийнятнішим із погляду експлуатаційних витрат. Наразі прихильники ВДЕ якось обходять стороною цей факт.

Хоча треба відзначити, що виробники і дослідники кремнієвих елементів теж не чекають біля моря попутного вітру, а наполегливо займаються збільшенням ефективності традиційних сонячних елементів. До широкого впровадження перовскітних елементів необхідно вирішити низку інженерних, виробничих та екологічних проблем. Зокрема, в пігменті перовскітної плівки є невелика кількість свинцю, а він токсичний. Зараз досліджують можливість заміни свинцю нетоксичним оловом. Проте австралійські та турецькі компанії заявили, що планують комерційне і промислове виробництво перовскітних панелей уже найближчим часом, у 2018 році.

Найімовірніше, незважаючи на значну конкуренцію на ринку сонячних елементів, певний час обидва варіанти співіснуватимуть. Ба більше – австралійський професор Мартін Грін вважає, що можна поєднати кремній із перовскітом та знизити вартість одержуваної електроенергії без значних збитків для кремнієвої галузі.

Українська перспектива

Енергетичні проблеми України залишаються доволі гострими. Війна на Донбасі їх іще більше загострила. Водночас південні регіони нашої країни цілком могли б стати чудовим місцем для сонячних електростанцій великої потужності.

Уже зараз варто подумати про широке використання перовскітних сонячних елементів у домогосподарствах, у сільській місцевості, віддалених фермах, куди не дуже вигідно прокладати довгі та малопотужні електричні мережі.

Широке застосування дешевших перовскітних елементів дозволить скоротити виробництво електроенергії з викопного палива з очевидними позитивними наслідками як для енергетичного балансу, так і для фінансів держави та енергетичних компаній. Є й очевидний екологічний позитив.

Не менш важлива і фінансова мотивація. Затверджений зелений тариф повинен її створити і тим самим допомогти вийти із замкнутого кола постійних енергетичних проблем.

Друге важливе завдання: український бізнес повинен усвідомити і бути мотивованим, а отже – вкладати кошти в наукові розробки та виробництво новітніх технологій виготовлення сучасних сонячних елементів. Для цього є всі умови. Але ще потрібні політична воля і здоровий глузд.

Юрій Райхель