Снижение себестоимости
Установленные в 1958 году на космическом спутнике “Авангард-1” солнечные панели стоили очень дорого и вырабатывали крайне мало энергии. Если в 1970-х годах один ватт солнечного электричества обходился в 100 долларов, то в 2016 году его себестоимость упала до 50 центов. Наблюдается следующая закономерность: при увеличении совокупной мощности мировой солнечной энергетики в два раза стоимость солнечных модулей в пересчете на один ватт падает на 20%. В результате общее количество новых фотоэлектрических установок ежегодно увеличивается на 40%. Ученые из Фраунгоферовского института (Германия) подсчитали, что к 2020 году стоимость одного киловатт-часа, вероятно, составит всего четыре цента. Традиционное представление о том, что энергия из возобновляемых источников стоит дороже энергии, получаемой из ископаемого топлива, в корне ошибочно. Понимая это, мировые лидеры нефтегазовой отрасли (например Shell) уже рассматривают перспективы всеобщего перехода на солнечную энергетику. Тем не менее темпы этого перехода во многом зависят от того, насколько успешно удастся решить проблему накопления солнечной электроэнергии для использования в ночное время и в пасмурную погоду.
Неисчерпаемый источник
В течение полутора часов Солнце направляет на Землю такое количество энергии, которого достаточно для энергоснабжения всего мира в течение года. В любой момент времени на нашу планету поступает около 90 000 тераватт солнечной энергии, а ежегодное энергопотребление всего мира составляет 15–17 тераватт (в пересчете на каждого жителя Земли это порядка двух киловатт непрерывного потребления энергии за год).
“Переключение на солнечное электричество позволит сэкономить деньги, сократить загрязнение атмосферы и ослабить угрозу, связанную с изменением климата””.
Благодаря повышению энергоэффективности и деиндустриализации экономики потребление энергии в развитых странах в последние годы остается на стабильном уровне. В развивающихся странах оно будет расти, причем в краткосрочной перспективе. Ожидается, что к 2035 году мировой спрос на энергию достигнет уровня 30 тераватт в год. В настоящий момент КПД фотоэлектрических установок составляет 20% – сказываются технологические ограничения и ночное время. Поэтому для удовлетворения спроса в 30 тераватт необходимо иметь такое количество установок, которое способно генерировать 150 тераватт. Для этого потребуется покрыть солнечными панелями 1% поверхности Земли. Впрочем, с течением времени благодаря техническому прогрессу эта площадь может сократиться в четыре раза.
“Я очень сомневаюсь в том, что масштабный переход всего мира к использованию возобновляемых источников энергии совершится благодаря одним лишь рыночным механизмам. Для его ускорения и сокращения затрат совершенно необходимо участие государства””.
В каждой стране площадь территории, которую нужно будет занять солнечными батареями, зависит как от интенсивности получаемого солнечного излучения (инсоляции), так и от плотности населения. Например, в США эта цифра составит около 3% от общей площади страны, а в более облачной Великобритании – 16%. В местностях с пасмурной погодой нехватка солнечного электричества будет восполняться за счет ветро-, био- и гидроэлектростанций. Что касается атомной энергетики, то стоимость строительства АЭС достаточно высока. Соответственно, высока стоимость вырабатываемой ими энергии. По этому критерию солнечные электростанции сравнимы с АЭС.
“Сейчас доля солнечной энергетики в мировом объеме производства менее 2%. Но если активное развитие солнечной энергетики… продолжится, то приблизительно к 2035 году солнечные установки будут производить примерно 150 тераватт электроэнергии””.
Важную роль солнечная энергетика будет играть в Индии – стране с высокой инсоляцией и низким уровнем развития системы энергоснабжения. В таких условиях вполне оправданно применение технологии “солнечного дома” – системы полного энергообеспечения отдельного жилища за счет солнца. В Индии и Бразилии солнечные батареи – самый дешевый источник электроэнергии. Часть населения Кении и других стран Африки проживает в труднодоступных местах, куда либо очень сложно, либо невозможно подвести электросети. Выходом для этих регионов станут “микроэнергосистемы” на основе солнечных панелей и аккумуляторов. В Южной Америке для создания масштабной системы производства солнечного электричества наиболее подходит пустыня Атакама в Чили. Для 80% территорий с высокой инсоляцией будет достаточно солнечных панелей и аккумуляторов. Однако жителям северных широт понадобится запасать солнечное электричество в больших объемах, чтобы хватало на долгие зимние месяцы. Это придется делать даже в том случае, если потребности в энергии будут частично удовлетворяться за счет ветроэнергетики. В перспективе эту проблему поможет решить хранение солнечной энергии в виде жидкости или газа (солнечного топлива).
Переход неизбежен
Существует эмпирически выведенная “кривая опыта”, согласно которой удвоение совокупного объема производства некоторых видов продукции ведет к падению стоимости единицы продукции на 25%. Эту закономерность можно проследить на примере полупроводников. Похожая зависимость прослеживается и в темпах снижения стоимости производства солнечных панелей. А вот на такие комплексные технологии, как АЭС, она не распространяется.
“При сохранении тенденций, сформировавшихся в последние десятилетия (ежегодный рост на 40% и падение себестоимости на 20%), не исключено, что использование ископаемых источников топлива во всем мире прекратится лет через тридцать””.
В настоящий момент генерирующие мощности на основе солнечных батарей покрывают менее 2% мировых потребностей в электроэнергии. Однако согласно расчетам, к 2035 году они смогут обеспечивать энергией весь мир. Это позволит смягчить проявления глобального изменения климата. Поворотный момент в экономике солнечной энергетики приближается. Со временем инвесторы будут все менее охотно вкладывать средства в добычу ископаемых видов топлива. Google и Apple уже направили значительные средства на развитие солнечной энергетики, стремясь сократить объем выбросов в атмосферу углекислого газа, возникающего в результате их производственной деятельности, и сэкономить деньги.
“Чтобы солнечная энергетика стала основной частью глобальной энергетической системы, нам необходимы колоссальные мощности для накопления выработанного электричества””.
В 2015 году выработка солнечного электричества достигла отметки 200 гигаватт. Это на пять лет опережает прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА). Также эксперты сильно недооценили темпы падения стоимости производства солнечной энергии. По мнению исполнительного директора Shell Бена ван Бердена, солнечной энергетике суждено стать “становым хребтом” мировой энергетики. Приближение эпохи солнечного электричества предчувствуют и другие нефтегазовые корпорации, а также эксперты по ископаемым видам топлива, в том числе ранее скептически настроенные специалисты МЭА. Закрепит всеобщий переход на солнечное электричество создание эффективного и экономически выгодного решения для его аккумулирования.
“Объем поступающей на планету солнечной энергии почти в 100 раз превышает объем возобновляемой энергии из всех остальных источников, вместе взятых””.
Подрядчиков по строительству солнечных электростанций государственные заказчики чаще всего выбирают с помощью тендеров. В некоторых конкурсных заявках, поданных в США в 2015 году, расценки на солнечное электричество составляли всего 3,9 цента за киловатт-час. В Великобритании его стоимость в заявках опустилась ниже стоимости электричества, вырабатываемого на новой АЭС в Хинкли-Пойнт.
Революционные технологии
В 1954 году на основе работ Эйнштейна и Рассела Ола из Bell Labs американские ученые создали кремниевый солнечный элемент с КПД 5%. Сегодня этот показатель вырос до 20%. Максимальный теоретически возможный КПД кремниевых батарей составляет около 34%, а практически достижимый – 25%. Однако применение новых технологий, в частности добавление слоев из других материалов, позволит создать батареи с КПД 50%. Уже сейчас производители научились наносить на кремниевые пластины специальные покрытия, повышающие их КПД. Новые технологии также позволят сократить расход кремния и снизить себестоимость производства пластин. Так, германская компания Heliatek разрабатывает технологию изготовления фотогальванических элементов путем нанесения органических олигомеров на пластмассовую подложку. Хотя КПД таких солнечных батарей ниже, легкая и гибкая фотогальваническая пленка Heliatek имеет намного более широкий спектр применения.
“Государственные мужи потихоньку начинают понимать, насколько это глупо – направлять колоссальные усилия на строительство огромных электростанций, которые работают лишь несколько часов в год, в моменты пикового потребления””.
Для стабилизации суточной выработки солнечного электричества, то есть для сглаживания всплесков и спадов уровня вырабатываемой в течение суток электроэнергии, на некоторых солнечных электростанциях применяются конструкции, поворачивающиеся вслед за солнцем. Другой способ решения этой проблемы – установка мощностей “с запасом”, когда количество солнечных панелей превышает мощность подключенных к ним преобразователей. Такое решение позволяет в пиковые периоды превращать избыток электричества в тепло. Совершенствование технологий и сокращение потерь позволит повысить рентабельность солнечных электростанций и привлечь в сферу солнечной энергетики новых инвесторов. Поскольку срок эксплуатации солнечных панелей составляет около 35 лет, можно прогнозировать стабильную долгосрочную рентабельность таких капиталовложений.
Перспективы ветро- и биоэнергетики
Суммарная мощность энергии ветра достигает 900 тераватт – это всего лишь 1% получаемой энергии Солнца. Впрочем, и этого достаточно, чтобы с лихвой покрыть мировые потребности в энергии. Ветроэнергетика имеет широкие перспективы в странах с умеренным климатом, расположенных в северных широтах. К таким странам относятся Шотландия, где успешно эксплуатируются морские ветроэлектростанции, а также Германия и Дания, где впервые в мире были созданы крупные ветропарки. Однако КПД ветроэлектростанций ниже, чем солнечных, а стоимость вырабатываемой электроэнергии выше. И она будет снижаться не так быстро, судя по наблюдающейся закономерности. Лишь на ограниченном числе территорий ветер способен тягаться с Солнцем по стоимости электричества.
“Вместо того чтобы тратить средства на строительство электростанций, работающих на ископаемом топливе, для обеспечения стабильности работы энергосети… энергокомпании все чаще отдают предпочтение аккумуляторам””.
Хотя производство биотоплива ведет к истощению сельскохозяйственных земель, у этого альтернативного источника энергии тоже есть определенные перспективы. Ряд компаний занимаются разработками в направлении газификации и анаэробного разложения. Так, кенийская компания Tropical Power засевает полупустынные территории суккулентными растениями – молочаем и опунцией. Собранная растительная масса подвергается разложению в отсутствие воздуха, благодаря чему из нее вырабатывается метан. Этот метод обеспечивает высокое энерговыделение и расширяет возможности по переработке биомассы, при этом объемы выбросов парниковых газов не увеличиваются. А компактный газогенератор E3 немецкой фирмы Entrade позволяет перерабатывать сухие биологические отходы (сучья и солому) в тепло и электричество за счет выработки из них “синтез-газа” – смеси водорода и угарного газа.
Проблема нестабильного поступления
Интенсивность солнечного света неравномерна. Но уже имеются устройства, позволяющие решить эту проблему. С их помощью солнечный свет концентрируется и направляется на тонкостенную емкость с жидкостью. В результате ее нагрева образуется пар, который подается на турбины, вращающие электрогенераторы.
“Количество электромобилей быстро растет, и когда-нибудь они превратятся в один общий и очень мощный резервуар для хранения электроэнергии””.
Ограничение периода производства солнечного электричества дневным временем и низкий или нестабильный уровень его выработки в моменты пикового потребления – взаимосвязанные проблемы. Одним из вариантов их решения может стать использование систем “регулирования спроса”. Среди первопроходцев в этой области бельгийская компания REstore, использующая автоматизированную компьютерную платформу для кратковременного ограничения потребления энергии промышленными и коммерческими предприятиями в периоды пиковых нагрузок. С каждой организацией-клиентом она индивидуально договаривается об объемах ограничения. Такие решения, сглаживающие динамику потребления, готовят почву для увеличения доли солнечного электричества в общем энергобалансе.
“Сегодня мы в состоянии получать электричество из солнечного света с такой себестоимостью, которая показалась бы совершенно немыслимой еще несколько десятилетий назад””.
Большинство потребителей оплачивают электричество по фиксированным тарифам, никак не меняющимся в периоды пикового спроса. Калифорнийский стартап OhmConnect предлагает потребителям вознаграждение за добровольное сокращение потребления электричества на 60–120 минут в пиковые часы. Свое предложение OhmConnect рассылает на смартфоны. В Онтарио (Канада) была опробована система ценообразования в зависимости от времени суток, повышающая цены в период пиковой нагрузки. Жители залитого солнцем острова Оаху (Гавайи) вскоре, возможно, станут платить за электричество с 16:00 до полуночи почти втрое больше, чем в дневное время. Пики бытового потребления можно также сгладить за счет использования энергосберегающих светодиодных лампочек.
Накопление энергии
На рынке решений по накоплению солнечного электричества господствуют литий-ионные аккумуляторы, которые также используются в электромобилях и других крупных устройствах. Их себестоимость будет снижаться благодаря запуску новых крупных аккумуляторных заводов, таких как Gigafactory 1 компании Tesla. Можно предположить, что к 2020 году стоимость киловатт-часа упадет до 100 долларов, и использование электромобилей будет обходиться дешевле, чем автомобилей с ДВС. Дополнительное удешевление аккумуляторов будет достигнуто за счет инноваций. Например, бостонская компания 24M разработала более простой в производстве и, соответственно, более дешевый литий-ионный аккумулятор. Для создания запасов солнечного электричества в бытовых условиях разработаны такие устройства, как Powerwall компании Tesla и аккумуляторы ее конкурента Sonnen. А энергокомпания, обслуживающая население острова Кауаи (Гавайи), разработала “подключаемую по требованию” систему аккумуляторных батарей на основе технологии PV plus.
“Даже если вы считаете, что изменение климата – это выдумка ученых, а загрязнение воздуха не сокращает продолжительность жизни, то солнечная энергетика все равно будет иметь для вас вполне очевидный экономический смысл””.
В периоды пиковых нагрузок поставщики электроэнергии могут ввести ограничения на зарядку электромобилей и даже получать обратно запасенное электричество. Повышение расценок на электричество в пиковые периоды, а также ценообразование на основе нагрузки на сеть стимулируют потребителей к использованию аккумуляторов. Мировые запасы лития ограничены, но если перерабатывать старые батареи, то этих запасов должно хватить на длительное время. Кроме того, на смену литий-ионным аккумуляторам могут прийти цинковые или ванадиевые “проточные” батареи. Еще одно достаточно простое в своей основе решение по накоплению электричества – гидроаккумуляция. В дневное время дешевое электричество используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, а вечером вода из верхнего резервуара поступает в нижний, вырабатывая энергию.
“На значительной части территорий планеты солнечная энергетика… уже обгоняет другие способы производства электроэнергии””.
Для перехода от ископаемых видов топлива к солнечному электричеству не требуется масштабного строительства новых энергосетей. И этот переход займет вовсе не 50 лет, как прогнозировал Вацлав Смил. Скорее всего, он произойдет быстрее – лет за двадцать.