СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Экономические показатели солнечной энергетики

При обосновании параметров СЭС (главным образом, ее установленной мощности) по методу сравнительной экономической эффективности необходимо, прежде всего решить вопросы о замещении или дублировании энергии других станций в энергосистеме и обеспечении принципов энергетической и экологической сопоставимости сравниваемых объектов.

Для того чтобы смягчить неравномерность поступления солнечного излучения, в технологическую схему СЭС добавляют аккумулятор (обычно тепловой), создавая, таким образом, единый энергетический комплекс. В этом случае в часы солнечного сияния тепловая энергия запасается в аккумуляторе, а в часы отсутствия радиации передается рабочему телу, поступающему в турбину. При этом СЭС может рассматриваться в качестве надежного источника энергоснабжения при работе не только в составе энергосистемы, но и изолированно. При отсутствии аккумулятора параллельно с СЭС требуется установка резервного источника энергии или совместная ее работа с другими станциями энергосистемы, использующими системный резерв мощности.

Однако прежде чем сравнивать различные энергетические технологии по экономическим и другим параметрам, необходимо определить их действительную стоимость, поскольку действовавшие в России цены на топливо и энергию в последние 70 лет не отражали реальные затраты на их производство.

Только при объективном ценообразовании будут действовать экономические стимулы, направленные на энергосбережение и создание новых технологий и энергетике.

Каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн. лет. Гигантские темпы потребления невозобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которая не отражает реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь взаймы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене. Это лИшь одна из составляющих затрат, которые общество платит за энергию, но которые не отражаются в рыночной цене.

Другая составляющая стоимости энергии, которая распределяется на все общество и не включается в тарифы на энергию, связана с загрязнением окружающей среды энергетическими установками.

Российские и зарубежные оценки прямых социальных затрат, связанных с вредным воздействием электростанций, включая болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы, дают около 75% мировых цен на топливо и энергию. По существу, эти затраты всего общества - экологический налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок, и этот налог должен быть включен в стоимость энергии для формирования государственного фонда энергосбережения и создания новых экологически чистых технологий в энергетике.

Если учесть эти скрытые сейчас затраты в тарифах на энергию, то большинство новых технологий возобновляемой энергетики становятся конкурентоспособными с существующими. Одновременно появится источник финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой «экологический» налог в размере от ] 0 до 30% стоимости нефти введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах и других странах Европы.

Экономические законы и опыт развития мировой экономики показывают, что рациональная структура использования природных ресурсов в долгосрочной перспективе стремится к структуре имеющихся их запасов на Земле.

Поскольку кремний занимает в земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что от первобытных людей с примитивными кремниевыми орудиями труда человечество через тысячи лет переходит к периоду, в котором в качестве конструкционных материалов будут использованы керамика, стекло, силикатные и композиционные материалы на основе кремния, а в качестве глобального источника энергии - кремниевые солнечные электростанции. Проблемы суточного и сезонного аккумулирования, возможно, будут решены с помощью солнечно­водородной энергетики, а также широтного расположения солнечных электростанций и новых энергосберегающих систем передачи энергии между ними. Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 15 МВт-ч электроэнергии уже при существующей в настоящее время технологии его изготовления, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой подсчет электроэнергии 15 МВт-ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кт дает 1.25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, равным 33%,.то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 3.75 т нефти.

Одними из наиболее важных и представительных показателей экономической эффективности любых типов энергоустановок в мире являются значения к^д ($/кВт) и кЭ? ($/кВт-ч), т. е. удельные

Капиталовложения в 1 кВт установленной мощности и цена электроэнергии, производимой на рассматриваемой энергоустановке. Изменение этих показателей или динамика их во времени с 1980 по 2000 г. в мире в целом показана в таблице 6.5

Из представленных в таблице 6.5 данных со всей очевидностью следует, что все виды солнечных энергоустановок и, особенно, СФЭУ имеют устойчивую тенденцию к постоянному улучшению значений к^д и кУЭ во времени, что является следствием учета объективных факторов в солнечной энергетике мира. В частности, из-за совершенствования технологий и роста масштабов производства СЭ в мире, значения к^д и куд снизились в десятки раз к 2000 г. по сравнению с уровнем 1980 г. В то же время, указанные показатели на традиционных типах электростанций значительно возросли и имеют устойчивую тенденцию к своему росту в силу целого ряда объективных и общеизвестных факторов, действующих сегодня в мире.

На рис. 6.2 представлен также прогноз EPTA/Greenpeace дальнейшего снижения к^д ($/Вт) для СФЭУ на период до 2020 г. Из приведенных там данных со всей очевидностью следует, что солнечная энергетика становится уже и сегодня все более и более конкуретноспособной в топливно­энергетическом комплексе мира в целом и каждой страны в отдельности

Аналогичные прогнозы по стоимости и объему производства солнечных модулей в мире даются и в других источниках (см. таблицы 6.6 и 6.7). С учетом более высокой экологической безопасности таких электростанций, огромных запасов возобновляемой солнечной энергии и 40-летнего опыта развития технологии СЭ, все более очевидно, что фотоэлектрические солнечные станции будут играть стратегическую роль в мировой энергетике будущего.

На основе анализа стоимости производства СЭ, проведенного по различным технологиям, спроса на СЭ и СМ была сформулирована задача поэтапного снижения стоимости производства до 2 дол. США/Вт (ближайшая задача) и 1 дол. США/Вт (перспективная задача). Это приведет к снижению стоимости электроэнергии, соответственно до 0,12 долл./кВт-ч и

0, 6 долл./кВт- ч.

При цене производства 2 долл. США/Вт мировая потребность составит 100 ГВт в расчете по 100 Вт на одного человека из 1 млрд. населения, живущего без электричества. Предполагается, что мощность 100 Вт покроет потребности в электроэнергии на освещение, питание телевизора, небольшого холодильника и водяного насоса населения развивающихся стран и удаленных сельскохозяйственных районов России. При сроке наполнения рынка 20 лет ежегодная потребность составит 5 ГВт.

Себестоимость 1,0 долл. США/Вт может быть достигнута при массовом применении солнечных установок, включенных в электросеть. Если принять долю электроэнергии, произведенной путем преобразования солнечного излучения за 10% общего объема электроэнергии, производимой в мире, то рынок солнечной энергетики составит 50 ГВт-ч в год. В техническом отношении не существует ограничений в использовании такого количества солнечной энергии, однако, для этого необходимо решить ряд научных, технологических и экономических проблем.

Снижение стоимости солнечной электроэнергии возможно либо при совершенствовании техники полупроводниковых материалов, либо с помощью концентраторов излучения. В основном, это касается СФЭУ на базе кремния, так как кристаллический кремний занимает сегодня доминирующее положение в производстве СЭ. Считая, что 1 кг кремния в СЭ при однократной интенсивности солнечного излучения может произвести 300 МВт-ч электроэнергии за 30 лет, можно легко определить эквивалентное количество нефти. Для производства 300 МВт-ч электроэнергии при теплотворной способности потребуется 25 т нефти с теплотворной способностью 43,7 МДж/кг, а с учетом того, что КПД теплоэлектростанции составляет примерно 33%, количество нефти, эквивалентное 1 кг кремния возрастает до 75 т.

В сравнении с ядерной энергией, 1 т природного урана в генераторе открытого цикла производит 35 ГВт-ч, в то время как одна тонна кремния (наиболее распространенного материала для изготовления СЭ) в установке с концентратором за 30 лет срока службы сможет выработать 92 ГВт-ч. В этой связи кремний часто называют "нефтью 21-го столетия", имея в виду высокую прибыльность нефтяной отрасли.

Основным препятствием на пути к снижению стоимости СЭ является высокая стоимость кремния солнечного качества (70-20 дол л./кг], поэтому задача первостепенной важности состоит в разработке новых технологий производства кремния.

18

Содержание кремния в земной коре составляет 29,5% (8-10 ), что превышает запасы алюминия в 3,35 раз (табл.6.8). Цена кремния степени очистки 99,99 % равна "стоимости урана, используемого в реакторах атомных электростанций, хотя содержание кремния в земной коре в 100 000 раз превышает содержание урана.

Мировой запас урана оценивается в 2 763 000 т. Производственный цикл уранового топлива, включая производство гексафторида урана, гораздо более сложен и опасен по сравнению с хлор-силановым методом

Производства полупроводникового кремния. С учетом того, что уран в земной коре находится в рассеянном состоянии и содержится в несоизмеримо меньших концентрациях, чем кремний, непонятно, почему эти материалы имеют примерно одинаковую стоимость. 'Этот "парадокс" можно объяснить только тем, что на развитие технологии производства уранового топлива были инвестированы в мире миллиарды долларов.

Эти средства отпускались, главным образом, на военные программы. Видимо, только поэтому объем мирового производства урана в несколько раз превышает объем производства полупроводникового кремния (табл.6.9).

Хлор-силановый технологический цикл производства

Полупроводникового кремния за 35 лет со дня его разработки практически не претерпел значительных изменений и страдает всеми недостатками химических технологий 50-х годов: высокое энергопотребление, низкий выход кремния, высокий уровень экологической опасности (табл.6.10). В настоящее время для производства "солнечного" кремния, как правило,

Используется все та же традиционная технология полупроводникового кремния, применяемого в электронной промышленности.

Основное сырье для производства кремния - оксид кремния в виде кварцевого песка образует 12% массы литосферы. Русские кварциты являются самыми чистыми в мире; их залежи достаточны, чтобы обеспечить сырьем солнечные фотоэлектрические станции мощностью более 1000 ГВт.

Высокие энергетические затраты и низкий выход кремния (от 6 до 10%) при химическом способе очистки обусловлены высокой энергией связи БьО (64 кДж/моль). В настоящее время три новые технологии производства солнечного кремния ждут своей окончательной доработки и коммерческого освоения.

В России сегодня разработана новая технология получения

Энергетического кремния, основанная на больших запасах российского кварца высокой чистоты.

Предлагаемый метод производства кремния основан на реакции его восстановления из природного кварца высокой чистоты с помощью углерода по специальной технологии, обеспечивающей достаточную чистоту

Конечного продукта.

Россия располагает несколькими богатыми месторождениями

Высокочистого кварца и графита. Анализ показывает, что эти материалы

Можно использовать без предварительной химической очистки.

Предлагается производить восстановление кремния из природного кварца в новых дуговых печах с помощью углерода: в виде сажи (вариант 1) или из природного газа (вариант 2). Замкнутые, реакционные камеры должны обеспечить высокую экологичность производства и снижение потребления электроэнергии на единицу массы произведенной продукции в 10 раз. Снижение трудозатрат и повышение выхода кремния до 80% позволит снизить солнечного кремния до 25 долларов США за 1 кг. Было разработано оборудования и получены образцы кремния солнечного качества, что подтверждает практическую осуществимость данной технологии.

Запуск производства технологии производства солнечного кремния в объеме 40 т в год потребует капиталовложений в размере 3 млн. долларов США.

Изделия и сопутствующие продукты производства:

- Кремниевое сырье (чистота 99,999%) для выращивания слитков.

- Слитки поликристаллического кремния солнечного качества р-типа с удельным сопротивлением 0,2-0,4 Ом.

- Диоксид кремния высокой чистоты для оптических приборов (оптическое стекло, оптическое волокно).

- Углерод с чистотой 99,99% в виде сажи или в гранулах для производства полиграфической краски, для использования в электрохимической и резиновой промышленности.

Основные преимущества предлагаемой технологии:

- низкая себестоимость солнечного кремния *в 2-3 раза ниже, чем при обычном производстве);

- снижение потребления электроэнергии (в несколько раз);

- использование патентно-чистых технологий;

- экологическая безопасность технологических процессов.

Сегодня в мире существуют и другие перспективные технологии получения энергетического кремния. В частности технология высокочистого кремниевого сырья для производства СЭ без применения хлорных соединений. В качестве исходного материала используется технический кремний степени очистки 96-98%.

Производство кремниевого сырья для производства СЭ осуществляется по следующей технологической схеме:

- очистка размельченного (размер частиц 20-60 мкм)

Металлургического кремния с помощью щелочного раствора;

- приготовление однородной смеси кремниевой пыли с

Катализатором;

- получение и выделение триэтилсилана в результате реакции со спиртом;

- получение моносилана;

- адсорбционная очистка моносилана с помощью твердых

Сорбентов;

- получение кремниевого сырья путем пиролиза моносилана.

Каждая фаза процесса должна быть опробована в условиях

Экспериментального производства. Процесс получения моносилана отличается исключительной избирательностью синтеза моносилана и предотвращает образование летучих компонентов с нежелательными

Примесями в кремнии, что значительно упрощает очистку моносилана.

Процесс очистки кремния связан с применением замкнутого цикла обработки, предусматривающего регенерацию использованных кислот.

Все процессы требуют доступных материалов, производимых промышленностью в массовом масштабе: металлургического кремния и спирта.

Основным достоинством данной технологии является использование недорогих исходных материалов, исключение из производственного цикла вредных хлорных соединений, производство недорогого кремниевого сырья высокого качества. Таким образом удастся снизить степень зависимости технологии ФЭП от производства кремния марок, используемых в электронной промышленности.

Весьма перспективным является и технология производства энергетического кремния из рисовой лузги, ежегодные запасы которой очень велики в странах, занимающихся производством риса.

В этой технологии исходным сырьем служит рисовая лузга. В данном случае производственный процесс включает в себя следующие стадии:

- химическая обработка лузги для отделения органических

Примесей и производство пИщЕвых и медИциНских продуктов (ванилин, ксилит и т. п.);

- быстрый гидролиз рисовой лузги в контролируемых условиях для получения смеси аморфного диоксида кремния и углерода;

- подготовка ШиХты (гранулирование);

- карботермическое восстановление кремния в дуговой печи.

Данная технология позволяет решить задачу утилизации отходов

Производства риса. Кроме того, загрязнение окружающей среды при синтезе моносилана во много раз меньше по сравнению со стандартной технологией, использующей соединения хлора.

В мире ежегодно остаются неиспользованными десятки миллионов тонн рисовой лузги, которая может служить практически неограниченным

Источником сырья для производства солнечного кремния. При этом плазменные технологии обеспечивают десятикратное снижение энергетических затрат по сравнению с хлор-силановым производственных циклом.

Необходимость и перспективность развития солнечной энергетики в разных странах мира подтверждается сегодня и различными стимулирующими правовыми и экономическими актами и законами, принятыми в них. Широко известны в мире законодательные акты, принятые в разных странах мира для поддержки развития энергетики на базе возобновляемых источников энергии в 80-90-е годы XX века (Дания, Индия, Япония, Германия, США и т. д.). Все они способствовали интенсификации использования ВИЭ в мире в целом. В начале XXI века в разных странах мира и, особенно, в странах Европейского Союза (ЕС) особое внимание государства было обращено и на развитие солнечной энергетики. В качестве примера ниже приведены различные законодательные акты, принятые в некоторых странах ЕС и способствующих развитию СФЭУ и СК в энергетике.

Германия (см. таблицу 6.11): 01.08.2004 принят закон, по которому установлены очень льготные тарифы на покупку электроэнергии от СФЭУ на период 20 лет с учетом в них 5% инфляции в год.

Таблица 6.11 Системные тарифы на электроэнергию, получаемую от

СФЭУ в Германии в евРогцент и Чент, принятые в августе 2004 г и

КВт • ч кВт • ч

Действующие на период в 20 лет с учетом 5% уровня инфляции

Италия. Закон от 15.07.2005 г о новой системе покупных цен на электроэнергию. Для привлечения инвесторов 26.07.2004 г был опубликован новый закон, в котором предельная суммарная мощность СФЭУ в стране увеличилась до 500 МВт (включая 360 МВт СФЭУ до 50 кВт и 140 МВт для СФЭУ от 50 до 1000 кВт). С другой стороны правительство ограничило ежегодный ввод СФЭУ 85 МВт (60 МВт для СФЭУ до 50 кВт и 25 МВт для СФЭУ от 50 до 1000 кВт). Установлены следующие цены на электроэнергию

От СФЭУ мощностью от 1 до 1000 кВт: от 45,5 до 49 евР°Чент

КВт • ч

(61^65,7 цент ) для разных по мощности СФЭУ. Для СФЭУ на фасадах

КВт • ч

Зданий полная цена увеличивается на 10 %. Закон действует в течение 20 лет с учетом 5% годовой инфляции, начиная с 2007 г (см. таблицу 6.12).

Таблица 6.12 Системные тарифы на электроэнергию, получаемую от

Испания: Королевский Указ от марта 2004 г №436/2004 . Он действует на период в 25 лет и гарантирует полупику электроэнергии от СФЭУ; за пределами 25 лет Указанный тариф может быть модифицирован при достижении СФЭУ в стране общей моЩнОсти в 150 МВт. При этом максимальная предельная установленная мощность СФЭУ увеличена с 5 кВт

До 100 кВт. Цена на электроэнергию от СФЭУ в отличие от Германии не фиксирована и меняется во времени в зависимости от конкретной ситуации

(в 2005 г она была равна 42,1 евроцент (56,4 - цент-).

КВт • ч кВт • ч

Аналогичные законодательные акты были также и в других 25 странах ЕС. Как следствие этого в 2004-2005 годы в странах ЕС наблюдается интенсивный рост мощностей СФЭУ и СК (более 30 % в год).

Для иллюстрации сказанного в таблице 6.13 представлены данные по солнечной фотоэнергетике 25 стран ЕС: ввод новых мощностей в 2004 и 2005 годах; суммарная установленная мощность СФЭУ на 01.01.2006 г и удельная мощность СФЭУ на 1 чел в Вт. Из приведенных в таблице 6.13 следует, что наибольший прирост мощностей СФЭУ наблюдается в тех странах ЕС, где приняты наиболее льготные условия для развития СФЭУ. При этом, в отличие от России, наибольшие капиталовложения в большинстве стран ЕС направляются на сетевые или системные СФЭС (свыше 98% в 2004-2005 гг и свыше 94 % по состоянию на 01.01.2006 г).

В таблице 6.14 приведены данные по росту производства мощностей СФЭС в мире в период с 1993 по 2005 гг. и прогноз его роста к 2010 г. (рост более чем в 3,5 раза к уровню 2005 года). В таблице 6.15 приведены данные по производству в МВт/год солнечных модулей в мире в 2005 году. Из них следует, что лидирующее положение здесь продолжает занимать Япония (48,2% от общего объема производства солнечных модулей в мире).

В таблице 6.16 приведены данные по основным производителям солнечных модулей в мире в 2004-2005 гг. Здесь также лидируют японские фирмы.

Эффективность (КПД) солнечных коллекторов для больШиНства. действующих сегодня установок находится в пределах 40-50%. Из этого

Следует, что на 300 северной широты можно получить от солнечных

0 2

Коллекторов 3-5 ГДж тепла при 60-70 С с 1м солнечного коллектора. Это означает, что стоимость этого тепла при сроке службы солнечных коллекторов в 30 лет составит здесь от 3 до 4 долларов США за 1 ГДж, что делает солнечные коллекторы экономически привлекательными для потребителей. Для более высоких широт иногда выгоднее могут оказаться солнечные коллекторы, используемые в теплое время года с целью нагрева воды.

Сказанное подтверждается данными, приведенными в таблице 6.17 по уровню развития солнечных коллекторов в 25 странах ЕС. Из них следует, что наибольший прирост площадей солнечных коллекторов в ЕС происходит за счет обычных плоских солнечных коллекторов (около 89% в 2004-2005 гг.). Оставшуюся долю прироста солнечных коллекторов в ЕС примерно равномерно делят между собой незастекленные и вакуумные солнечные коллекторы.

В таблице 6.18 приведены данные по прогнозу темпов роста и доли различных технологий ВИЭ в мире на период до 2040 г. Из них следует, что

Солнечная энергетика в целом будет развиваться очень интенсивно в этот период времени.

Таблица б.1б Основные производители солнечных модулей в мире