Солнечная энергетика — пропуск в будущее

Юрий Сергучев

Существование цивилизации на Земле зависит от энергии, которая поддерживает её развитие. Основной вид используемой человечеством энергии, содержащейся в богатых ею соединениях, таких как нефть, уголь, газ, накоплен в течение миллиардов лет благодаря фотосинтезу. Однако с развитием цивилизации и увеличением народонаселения планеты эти виды топлива сжигаются с все более высокой скоростью. При этом в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, что драматически изменяет климат Земли. Центральной задачей человечества становится производство новых возобновляемых источников энергии. Огромным и постоянным источником энергии является солнце: за 1 час наша планета получает столько энергии, сколько человечество использует за 1 год. Поэтому для устойчивого развития цивилизации необходимо развивать технологии, основанные на использовании солнечной энергии, которая наиболее важна по сравнению с другими альтернативными источниками возобновляемой энергии, такими как ветер, водные потоки, приливы и геотермальная теплота. Однако одной из проблем солнечной энергетики является прерывистость солнечной радиации, что создаёт большие годовые и дневные вариации в производстве электричества. Когда солнце является слабым, восполнение солнечного электричества требуется покрывать за счет традиционных источников электричества — гидростанций, ископаемого топлива, ядерной энергетики. Напротив, при сильном солнце возможно производство избытка электричества. В этом случае возникает необходимость в его хранении.

Однако проблема долговременного хранения большого количества электричества с помощью аккумуляторных батарей далека от разрешения. Поэтому лучшим вариантом масштабного использования солнечной энергии считается производство возобновляемого, так называемого, «солнечного топлива», которое хранит на два порядка больше энергии, чем лучшие аккумуляторы. Солнечное топливо может быть получено искусственным фотосинтезом, где вода и углекислый газ превращаются в спирты и/или углеводороды. Важно, что искусственный фотосинтез может быть очень эффективным, достигая 40% конверсионной эффективности, в то время как естественный фотосинтез превращает всего 1-3% поступающей солнечной энергии по отношению к биомассе. Эффективный способ получения биотоплива, в котором созданные биоинженерами фотосинтезируемые организмы, находящиеся в солёной воде с питательными веществами, перерабатывают углекислый газ в этанол, запатентовала компания Joule Biotechnologies. В использовании спирта как топлива позитивно то, что при сжигании спирта образуется столько СО₂, сколько затрачено на его производство, что не нарушает баланс углекислоты в атмосфере. Компания планирует, что с применением разработанной технологии на строящемся в США экспериментальном заводе будет производиться 4000 тонн этанола и 15 тонн дизельного топлива в год. Предполагается, что этанол будет стоить $50 за баррель (160 л), а дизельное топливо — $40 за баррель, но эта стоимость будет падать с развитием промышленного производства. Аналогичный процесс получения этанола и/или дизельного топлива разработан компанией Joule Unlimited. Данные разработки свидетельствуют о высокой перспективе промышленного использования этих процессов в производстве солнечного топлива.

Еще одним направлением производства солнечного топлива может быть водородная энергетика, в которой водород является экологически чистым топливом. Водород и кислород можно получать электролизом воды, используя солнечное электричество, а можно c помощью параболических солнечных концентраторов, создающих температуру в 2200^°С, при которой вода разлагается на элементы. Самым эффективным и простым способом преобразования солнечной энергии является нагрев воды концентрированной солнечной энергией, тепло которой можно использовать для вращения турбин и двигателей. Расширяется использование солнечного электричества на транспорте, при строительстве «солнечных домов», в бытовых приборах и прочее. Существуют также технологии, где запас электричества не нужен. К такой технологии относится опреснение морской воды, основная стоимость производства которой состоит из стоимости электроэнергии. Таким образом, проблема использования избытка дневной солнечной энергетики не является непреодолимой, она решается и безусловно будет решена в ближайшем будущем.

Наиболее общей технологией получения электричества из солнечной энергии является использование фотогальванических элементов. Более 90% солнечных элементов основаны на моно- и поликристаллическом кремнии. За 30 лет солнечный элемент, на изготовление которого ушло всего 1 кг кремниевых кристаллических пластин, может дать столько электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС. Важным преимуществом солнечных панелей на основе кремния является длительное время их эксплуатации — в течение 25–30 лет, энергоокупаемость около 4–5 лет, а также неограниченное количество сырья (кварцевый песок, кварциты) для их производства. Промышленные кремниевые солнечные панели имеют КПД от 10 до 18%, поскольку работают они в основном за счет низкоэнергетических фотонов и инфракрасного излучения. Перспективным направлением, повышающим КПД солнечных элементов, является их работа при концентрированном солнечном свете. Ведутся интенсивные работы по поиску новых полупроводниковых материалов, превышающих кремниевые материалы по эффективности. Такими свойствами обладают кристаллический минерал перовскит (титанат кальция, СаТiO₃) и его аналоги, углеродные нанотрубки, проводящие полимеры. Несмотря на то, что перовскиты очень дешевы и КПД солнечных элементов из перовскита превышает 20%, срок их службы пока очень ограничен.

Существенно ниже, на уровне 10%, эффективность работы полимерных солнечных элементов, которые также недолговечны из-за разрушительного действия солнечного света и повышенных температур на полимерную матрицу. Поэтому считается, что промышленная солнечная энергетика, основанная на кремниевых элементах, будет еще длительное время основным видом производства возобновляемой энергии. При этом будущее развитие солнечной энергетики связывают с использованием тонких плёнок аморфного, микрокристаллического или наноразмерного кремния, которые более эффективны, чем пластины из моно- и поликристаллического кремния. Это также значительно снизит стоимость получаемой солнечной электроэнергии. В последние годы стоимость солнечной электроэнергии ежегодно снижается, а ежегодный прирост мощностей солнечных электростанций (СЭС) в мире составляет 40-50%. Лидерами развития солнечных технологий являются Китай, Япония, США, а в Европе — Германия, Италия, Великобритания. В 2016 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок превысила 300 гигаватт (ГВт). По прогнозам, к 2050 году доля солнечной энергетики мира превзойдет долю остальных видов топлива — солнце заменит нефть.

Энергетика в Украине на 70% зависит от импорта нефти, газа, а также добычи угля. Мощности Украины по электроэнергии составляют 27 ГВт, из которых половину вырабатывают АЭС, а остальные — ТЭС и ТЭЦ. Большая часть объектов энергетики созданы в середине ХХ века и нуждаются в модернизации, как и ядерная энергетика. Значительный вклад в энергетику Украины вносит уголь, что катастрофически загрязняет окружающую среду и оказывает вредное воздействие на здоровье населения. Сейчас и уголь стал дефицитным топливом из-за военных действий на Донбассе. Поэтому для обеспечения энергонезависимости страны и улучшения экологии нет альтернативы развитию возобновляемых источников энергии и, в особенности, солнечной энергетики, основой которой является производство кремниевых элементов. В СССР Украина была ключевым регионом выпуска технического и высокочистого кремния для нужд металлургии, электроники и военно-промышленного комплекса. Поэтому с распадом СССР давно следовало бы перепрофилировать мощную кремниевую отрасль Украины на производство солнечного электричества, для чего Украина имеет все возможности. Прежде всего этому благоприятствует климат: уровень инсоляции, то есть количество солнечного излучения на квадратный метр, в Украине превосходит аналогичные показатели в Германии, которая является одним из лидеров в области солнечной энергетики. Суммарные запасы основного сырья для производства кремния (кварцитов и кварцевого песка) в Украине превышает 180 млн. т. Их месторождения есть в Днепропетровской, Житомирской, Кировоградской, Сумской областях. Технический кремний ранее выпускали на Запорожском алюминиевом заводе, а высокочистый кремний — на Мариупольской химико-металлургической фабрике и Запорожском титаномагниевом комбинате (ЗТМК). Впоследствии производство высокочистого кремния из ЗТМК было выведено в созданный ЧАО «Запорожский завод полупроводников» (сейчас банкрот). Необходимые для производства высокочистого кремния кремнийорганические полупродукты (хлорсиланы) выпускало до банкротства Запорожское ГП «Кремнийполимер».

Ведущим в использовании кристаллического кремния в электронике был Киевский завод «Квазар». Отсутствие государственных заказов и высокая энергоемкость кремниевых производств привели к развалу этой отрасли. После усиленного дерибана, банкротств, приватизаций, акционирований мощные кремниевые предприятия распались на ряд фирм и фирмочек, которые не способны осуществлять крупные солнечные проекты и не могут конкурировать с крупными мировыми компаниями. Сейчас «Квазар» распался на основное производство ОАО «Квазар» и ряд дочерних предприятий, но все же сохранил полный цикл производства комплектующих для солнечных электростанций. В результате Украина в основном импортирует дешевый кремниевый материал и комплектующие для солнечных электростанций из Китая и других стран. Производством солнечного кремния в Украине и его продажей на экспорт сегодня занимаются только несколько небольших компаний — «Пиллар», ООО «Пролог Семикор» и ООО «Силикон», которое поглотило ГП Светловодский завод «Чистые металлы». Эти компании перерабатывают импортный кремниевый лом и свалки отходов производства кремния в необходимые по качеству кремниевые элементы, которые затем экспортируют. Из-за бурного производства кристаллического кремния в мире его стоимость постоянно снижается, поэтому есть опасность, что производство кристаллического кремния в Украине и его экспорт станет нерентабельными.

Для развития солнечной энергетики Украины были приняты Закон Украины «Об альтернативных источниках энергии» №555-IV от 20.02.2003 и последующие его дополнения, ряд положений которых должны были способствовать привлечению зарубежных инвестиций и облегчению импорта материалов и оборудования для строительства солнечных электростанций:

1. Освобождение от налогообложения ввозной пошлиной оборудования и материалов для производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии («Таможенный кодекс Украины» ст.282, пп. 14 и 16)
2. Введение до 2030 года самого высокого в Европе «зеленого тарифа» в евро (ЗТ) на электроэнергию, произведенную с использованием возобновляемых источников энергии предприятиями и физическими лицами, которую государственное предприятие «Энергорынок» закупает у них по значительно более высокой цене, чем электроэнергия обычно покупается ими для своих нужд. Для стимулирования отечественного производства ранее было введено правило «местной составляющей», по которому ЗТ предоставлялся только тем солнечным электростанциям, которые использовали хотя бы частично украинское оборудование. Однако с 2016 года ВРУ отменила это правило, что облегчает импорт комплектующих для солнечной энергетики, но не способствует развитию собственного производства.
3. Утверждение льгот при обложении налогом на прибыль, получаемую при производстве и продаже материалов и оборудования, которые используются при производстве энергии из возобновляемых источников энергии.

Несмотря на принятые меры, строительство СЭС в Украине продвигается с трудом. В настоящее время солнечная энергетика в общем энергобалансе страны составляет лишь доли процента. В 2016-м новые мощности СЭС в Украине были введены всего на 99,1 МВт, а количество домохозяйств, установивших солнечные панели, составило 1109, что в масштабах страны очень мало. Все же принятые законодательные льготы способствовали созданию десятков небольших компаний. Эти компании, используя льготы украинского законодательства, закупают импортные комплектующие, рассчитывают технические решения, консультируют и устанавливают оборудование для СЭС. Сотни дистрибьюторов этих компаний охватывают своей деятельностью не только Украину, но также Молдову, Беларусь, Латвию, Казахстан, Кыргызстан. Казалось бы, есть возможности для развития индивидуального и промышленного строительства СЭС в Украине, но чего-то все же не хватает.

Ряд экспертов считают, что развитию отрасли мешает отсутствие законодательства при подключении солнечных установок к сети, нестабильная правовая среда, отсутствие помощи государства в землеотводе для СЭС, а также обычные проблемы ведения бизнеса в Украине: бюрократия, коррупция, политическая нестабильность, высокие ставки кредитования. К этому можно добавить ещё и непонимание высокопоставленными чиновниками значения альтернативных источников энергии для энергонезависимости страны и наличие мощных лоббистов традиционных видов топлива. Об этом красноречиво свидетельствуют факты, изложенные в проекте «Энергетической стратегии Украины до 2035 года», представленном Министерством энергетики и угольной промышленности. В проекте планируется за счет «продовження помірної стимулюючої політики у питаннях будівництва СЕС, з огляду на очікуване здешевлення технології після 2025 р.» довести производство солнечной электроэнергии в 2035 году до 1,1%. Даже с огромной натяжкой это нельзя считать «стратегией». Гаданием на кофейной гуще выглядит «обоснование» этой стратегии в виде ожидания удешевления технологии после 2025 года.

Возникает крайняя необходимость налаживания, совершенствования и модификации отечественного производства эффективных кремниевых элементов, оборудования и комплектующих для СЭС, то есть создания отрасли солнечной энергетики. Для этого Украины обладает практически неисчерпаемыми залежами кремниевого сырья, полной технологической цепочкой производства высокочистого кристаллического кремния, наличием квалифицированных научных, технологических и технических кадров в области энергетики, электроники, химии, полупроводников и IТ-технологий. Дело за настоящей стратегией развития солнечной энергетики Украины и четкого государственного регулирования этой отрасли, чтобы обеспечить стране будущее.