Водородные двигатели, энергия из биомассы, приливные электростанции все еще кажутся дорогостоящими чудачествами «зеленых». Стоимость «зеленой « энергии в 10 раз больше, чем тепловой. Правительство Германии компенсирует из бюджета издержки «альтернативщиков» и развивает программу по использованию солнечной энергии в жилом секторе.
В конце сентября «Вымпелком» объявил о запуске базовой станции на горе Чубатая в Краснодарском крае, работающей на солнечной и ветряной энергии. Станция поддерживает сотовую сеть на участке Краснодар – Сочи. Мощности солнечных батарей хватает для питания станции, двух кондиционеров и подзарядки аккумуляторов. Как утверждают представители «Вымпелкома», для подключения базовой станции к обычному источнику электроэнергии пришлось бы вырубать просеку длиной в 6 км. Стоимость проекта составляла бы порядка $400 000, а согласование заняло бы около года. Использование солнца и ветра в качестве источников питания позволило удешевить проект в четыре раза и сократить сроки запуска. Тем не менее эта станция обошлась в два с половиной раза дороже аналогичной, но установленной на равнине.
Деньги на ветер
В сентябре в Германии начала работать самая крупная в мире электростанция на солнечных элементах. Она была построена компаниями Geosol и ShellSolar под Лейпцигом, земля Саксония, на месте бывшей свалки промышленных отходов. Станция состоит из 33 500 солнечных модулей и обладает мощность 5 МВт. Она может снабжать электроэнергией 1800 частных домов или квартир. По утверждениям разработчиков, конструкция солнечной электростанции гарантирует бесперебойную и стабильную подачу электроэнергии в течении двадцати пяти лет без проведения ремонтных работ.
Проектирование и строительство саксонской гелиостанции обошлось в 22 млн евро. Несмотря на столь высокие затраты (примерно за эту же сумму в России можно построить в шесть раз более мощную ТЭЦ) местные власти планируют сооружение еще одной 4-мегаваттной станции. Она будет расположена в пяти километрах от лейпцигской и даст первый ток жителям города Галле в 2005 году.
Саксонцы перехватили пальму первенства у баварцев, которые в 2003-м построили подобную станцию под городом Хемау. Баварский гелиоцентр составляют порядка 33 000 солнечных модулей, а его мощность равняется 4 МВт. Всего же в Германии уже действует свыше полумиллиона солнечных установок, производящих электроэнергию и тепло. Германия является крупнейшим потребителем в Европе энергии, полученной от солнечных батарей. По общей мощности установок она обогнала США, уступая только Японии.
Бум производства электроэнергии на основе солнечных модулей в Германии был вызван политикой нынешнего федерального правительства социал-демократов и «зеленых». Действующий закон «о возобновляемых энергиях» позволяет фирмам, производящим электроэнергию на базе альтернативных технологий, получать значительные дотации из бюджета. Этот закон регулирует объем дотаций для производителей электричества на основе энергии солнца, ветра, подземного тепла и биомассы.
Например, сейчас в Германии электроэнергию, произведенную солнечными батареями, приобретают у производителей примерно по $0,5 за кВт/ч, хотя рыночная цена составляет $0,05 за кВт/ч. Разница компенсируется покупателям из федерального бюджета, а производители освобождаются от налогов. В объединение производителей солнечной энергии в Германии (SFV – Solarenergie-Foerderverein Deutschland) входят уже несколько сотен фирм.
Федеральное правительство объявило своей целью довести к 2020 году долю электроэнергии из альтернативных источников до 20%. По мнению федерального министра по охране окружающей среды Юргена Триттина, развитие этого направления позволит создать до 400 000 рабочих мест. На сегодняшний день оно обеспечивает работой 120 000 человек. Естественно, немецкие политики видят в альтернативных источниках энергии не только увеличение занятости. Всемирная солнечнаякомиссия при ООН приняла десятилетнюю программу развития мировой гелиоэнергетики, рекомендованную для реализации всем странам. Количество солнечной энергии, попадающее на нашу планету за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Предполагается, что доля альтернативной энергетики (солнечной, ветряной, приливной, биогазовой и т. д.) в мировом энергопотреблении будет ежегодно возрастать. К 2030 году она достигнет 7%, к 2050-му – 50 %, а в некоторых странах вырастет до 60%. Основной прирост, по прогнозам комиссии, будет обеспечен солнечной составляющей. К концу ХХI века солнечная энергетика станет доминирующей, доля ее достигнет 86% от общего объема, вырабатываемого станциями.
Актуальность этой задачи обуславливается и необходимостью изъятия части поступающей на Землю солнечной энергии, чтобы не допустить перегрева планеты. Ряд российских ученых, как, например, профессор физфака МГУ Эдуард Боос, полагают, что растущее увеличение сброса тепла электростанциями, всеми видами транспортных средств, промышленными объектами, ведет к перегреву земной поверхности. Эта угроза требует адекватных мер по изъятию излишнего тепла посредством широкого внедрения гелиосистем. В одном из своих выступлений в бундестаге, министр Юрген Триттин отметил, что благодаря использованию альтернативных источников энергии в окружающую среду не попало 50 млн тонн углекислого газа.
Кремний против урана
Проблемы солнечных электростанций связаны прежде всего с преобразованием солнечного света в электроэнергию. Наиболее экономичным является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей – солнечных элементов. Этот способ получил название «фотовольтаики» и стал основой создания большинства применяемых в мире солнечныхмодулей и систем.
Основные трудности создания электростанций на базе солнечных батарей сегодня обусловлены, во-первых, необходимостью увеличения производства кремния, сырьем для которого служит кварц. Во-вторых, потребностью в огромных площадях, необходимых для размещения полупроводниковых пленок, которые улавливают солнечный свет. Та самая свалка, которую саксонские власти передали для гелиостанции, занимала 21 га.
Высокая стоимость качественного сырья является основным ограничением для развития солнечной энергетики. На кремний в производстве солнечной энергии приходится более 75% затрат, поэтому технологии его переработки особенно значимы. Металлический, поликристаллический, монокристаллический кремний и кремниевые пластины – это основные сырьевые составляющие технологического цикла солнечной энергетики. Они очень надежны, поэтому срок службы солнечных электростанций составляет до 50 лет. По расчетам ученых, 1 кг кремния в солнечномэлементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт/час, что эквивалентно энергии, полученной от сжигания 75 т нефти. Однако «солнечный» кремний с чистотой 99,99 % стоит столько же, сколько уран для АЭС (по данным международного экологического объединения «Беллона», стоимость обогащенного урана составляет от 1100 $ за кг в зависимости от типа реактора. – Прим. Ко).
По мнению специалистов-экологов, отставание кремниевого производства от уранового связано с приоритетом атомной энергетики для современных стран. В развитие этого направления сделаны многомиллиардные долларовые вложения, поскольку разработки могут использоваться в военных программах. Дефицит же инвестиций в кремниевую технологию консервирует ее на низком уровне развития и не позволяет преодолеть такие отрицательные черты, как высокая энергоемкость, низкая рентабельность, новые экологические риски. Тем не менее не только Германия, но и другие развитые страны, доверяя экспертам ООН, выделяют дотации из бюджета на развитие кремниевой гелиоэнергетики.
Несколько лет назад был найден способ, как обойтись без кремния. Американские ученые, пишет немецкая газета VDI-Nachrichten, открыли, что полупроводниковые элементы тонкопленочных модулей на некремниевой основе способны поглощать не только видимый солнечный свет, но и инфракрасное излучение. Солнечные батареи, построенные из пленок таких элементов, могут производить почти вдвое больше энергии, чем обычные солнечные батареи. Однако эти элементы имеет различную структуру кристаллов, и их создание – еще более сложный и дорогостоящий процесс. Поэтому большинство солнечных батарей состоят из двух различных полупроводниковых слоев, а их эффективность не превышает 30%.
В 2002 году решение этой проблемы предложил Владек Валукиевич из LawrenceBerkeleyNationalLaboratory. Он и его коллеги открыли особые свойства полупроводниковых элементов, состоящих из индия, галлия и азота. Если в нитриде (соединении с азотом) имеется больше галлия, то он способен хорошо поглощать ультрафиолетовую часть солнечного света. А при увеличении доли индия способность поглощения смещается в сторону видимого и инфракрасного спектра. Поскольку структуры этих кристаллов близки друг другу, то и производство многослойных элементов становится проще, но, к сожалению, не дешевле. Эффективность подобной солнечной ячейки, сооруженной из двух слоев нитридов, может достигать 50%, а если применить многослойный модуль –70%. Дальнейшее развитие гелиостанций ученые связывают с совершенствованием конструкции «солнечной ячейки» и поиском возможностей для их размещения в удобных местах, например, на крышах домов.