На светлой стороне Земли: сможет ли солнечная энергетика вытеснить другие виды генерации

По оценке Международного энергетического агентства (IEA), человечество потребляет порядка 18,5 ТВт электроэнергии в год. Суммарная энергия солнечного света, достигающего поверхности Земли, — 23 тыс. ТВт в год. Значит ли это, что солнце в эволюции технологий затмит остальные источники энергии?

Сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС» Данила Саранин в победе солнца сомневается. Своими соображениями он поделился на лектории «Футуроскоп», организованном просветительским проектом Homo Science и журналом «Сноб». «Если поставить вопрос ребром: «Сможет ли солнечная энергетика вытеснить все остальные виды?», я отвечу: «Нет». Это всегда будет нишевый продукт», — ​утверждает Данила Саранин.

Случай в Техасе

Невозможно игнорировать тот факт, что в разных регионах Земли разница в доступности солнечной энергии колоссальная. Если Северная Африка или Техас — ​территории, где солнце светит большую часть суток, а интенсивность солнечного света чрезвычайно высока, то в Сибири, Северной Европе, на Туманном Альбионе или в Канаде солнце менее доступно — ​частая облачность, дождь и снежный покров серьезно усложняют процесс преобразования солнечного света в электричество. Однако, по мнению Данилы Саранина, это не так уж важно. «Для рентабельности батарей нужна интенсивность солнечного освещения более 800 Вт на 1 м2, — ​говорит он. — ​Получается, что солнечная энергия недоступна только на Крайнем Севере. В центральной полосе России, в Москве и даже дождливом Петербурге солнечной энергии для превращения в электричество более чем достаточно. Вопрос в эффективности преобразования».

При этом необходимо учитывать, что даже в самых благоприятных для солнечных электростанций регионах Земли тотальная зависимость от солнечной энергии чревата серьезными неприятностями. «В 2021 году в Техасе, где большую часть энергетики в соответствии с современными трендами перевели на солнце, произошла нештатная ситуация. В Техасе снегопад — это нечто экстраординарное. А тут случился настоящий буран. Солнечные панели засыпало снегом. Вся нагрузка легла на единственную не закрытую ТЭЦ, та не выдержала и вышла из строя. То есть на практике было доказано, что надеяться в энергетике только на солнце нельзя», — ​заключает Данила Саранин.

Кремниевый бум

В мире наиболее распространены солнечные батареи на основе кристаллического кремния. Их КПД — ​21–23 %. Но себестоимость кристаллического кремния нужного качества чрезвычайно высока. При всей популярности безуглеродных технологий массовый выпуск кремниевых солнечных панелей налажен только в странах Азии — ​производители панелей в КНР, Сингапуре и Вьетнаме освобождены от платы за электроэнергию. Но и этого недостаточно, чтобы по себестоимости солнечный киловатт приблизился к киловатту ГЭС или АЭС.

«В самый ясный день в средней полосе России солнце дает порядка 1 кВт мощности на 1 м2. При КПД кремниевой солнечной панели 20 % 1 тыс. м2 даст нам 200 Вт — ​достаточно, чтобы зарядить смартфон, недостаточно, чтобы вскипятить воду и приготовить ужин. Нашумевшая история с солнечными панелями компании SolarCity Илона Маска, которые можно стелить вместо кровли на крыши, — ​просто красивая обертка. На самом деле это обычные панели Panasonic, которые за счет удачного внешнего вида подорожали с 70 долларов за 1 м2 до 200 долларов. То есть солнечное электричество в таком доме кратно дороже, чем от традиционного источника энергии», — ​отмечает Данила Саранин.

Существуют технологии, способные вдвое увеличить КПД солнечных панелей, — ​до 46 %. Речь о панелях с полупроводниками на основе арсенида галлия. Вот только на рынке такие панели будут стоить порядка 50 тыс. долларов за 1 м2. Потому сверхэффективные преобразователи до сих пор используются исключительно в космических аппаратах.

Полимерная типография

Значит ли это, что солнечная энергетика — ​тупиковая ветвь эволюции? Вовсе нет. «Выход один — ​перейти от высоких к доступным, массовым технологиям. Нужны печатные солнечные панели. И тут есть ряд важных позиций. Основа должна быть легкой, гибкой, дешевой и работать так же хорошо, как кремний. Кроме того, нужно развивать фотовольтаику, использовать рассеянный свет, чтобы снабжать энергией хотя бы гаджеты», — ​утверждает Данила Саранин.

В начале 2000‑х стала быстро расти индустрия полимерных полупроводников. Технология химического синтеза позволила получать из органических материалов полупроводники с хорошим оптическим поглощением. Но главное — ​их можно печатать на тонких пленках из лавсана. Они гибкие, невесомые — такими панелями вместо бесполезных рекламных баннеров можно завешать здания и хотя бы частично решить вопрос их энергообеспечения. Одно но — ​КПД у таких панелей не превышает 15 %.

В 2010‑е появилась еще одна альтернатива кремнию — ​галогенидные перовскитовые полупроводники. Это металлоорганика на основе гибридных молекул, которая поглощает свет в тонких пленках существенно лучше, чем кремний. Их можно делать полупрозрачными и тоже печатать. «В состав молекулы галогенидного перовскита входят органические катионы, свинец или олово и йод, который обеспечивает сильное поглощение света. Сейчас это флагман альтернативной фотовольтаики, которая может дать человечеству неограниченный источник энергии», — ​рассказывает Данила Саранин.

Речь идет о струйной печати из специальных составов на подложках (стекле или лавсане). Кристаллизация полупроводников происходит при температуре всего 100 °C. КПД панели из галогенидных перовскитов выше, чем у кремния, даже при рассеянном освещении. В МИСиСе разработана технология полного цикла производства таких панелей. Сотрудники университета занимаются прототипированием и стабилизацией печатных полупроводников, поскольку они выцветают под действием света всего за два года. Цель научной группы — ​увеличить цикл эффективной работы такой солнечной панели до 10 лет.

«Технология OLED для дисплеев вначале обеспечивала яркое свечение экрана несколько минут. За пять лет она стала ведущей, а OLED-дисплеи уже не теряют яркости десятилетие. 17 стартапов в области галогенидных перовскитов вышли на раунды инвестиций. Значит, в течение пяти лет первые батареи этого класса появятся на рынке», — ​утверждает эксперт.

К достоинствам технологии можно отнести и широту дизайнерских возможностей. Толщина панели — ​примерно 1 мкм, она может быть практически любого цвета (или почти бесцветной) и сколь угодно гибкой. По подсчетам коллег Данилы Саранина из МИСиСа, для энергоснабжения коттеджа площадью 120 м2 (без подогрева воды) потребуется порядка 50 м2 таких панелей. То есть покрыть ими крышу и, возможно, ограду. Но полноценно обогреть дом пока не получится.

«Солнечная энергетика — ​это не убийца энергетики традиционной. Но в качестве нишевого раздела для обеспечения энергией отдельных устройств или даже целых экосистем устройств это очень перспективное направление», — ​резюмирует Данила Саранин.

223 млрд долларов

Объем мирового рынка солнечной энергетики к 2026 году (прогноз Research and Markets)

20,5 %

Ежегодный прирост рынка солнечной энергетики в 2019–2024 годы

УДИВИТЕЛЬНЫЕ ФЕРМЫ

Самый большой из ныне действующих — ​Солнечный парк Тэнгэр в городском округе Чжунвэй, КНР. Максимальная мощность составляет 1547 МВт. В перспективе парк может быть расширен, а мощность увеличится до 3 ГВт. В ближайшие годы конкуренцию ему могут составить две пока строящиеся станции — ​компании CEP Energy в Австралии (потенциальная мощность 1,2 ГВт, запуск в конце 2023 года) и парк им. Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума в Объединенных Арабских Эмиратах (к 2030 году планируется довести суммарную мощность до 5 ГВт).

Самая северная солнечная ферма «Виллоу» расположена на Аляске в нескольких сотнях миль к югу от Полярного круга и получает менее шести часов дневного света в зимние месяцы. Установленная мощность — ​1,35 МВт. Снабжает энергией 120 домохозяйств.

Самая крупная в России Аршанская СЭС установленной мощностью 115,6 МВт построена близ Элисты (Калмыкия). 1 июля этого года на станции запущена вторая очередь мощностью 37,6 МВт. При строительстве СЭС использовались фотоэлектрические модули, произведенные в России.