СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Социально-экологические характеристики солнечной энергетики

По сравнению с другими видами энергетики солнечная энергетика в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии. Однако избежать полностью вредного воздействия солнечной энергетики на человека и окружающую среду практически не удается, если учесть всю технологическую цепочку от получения требующихся материалов до производства электроэнергии.

Наиболее характерны в этом аспекте СФЭУ, эксплуатация которых наносит минимальный вред окружающей среде. В то же время производство полупроводниковых материалов является весьма экологически и социально опасным. В связи с этим в ряде стран мира (например, в США) существуют весьма жесткие требования к производству полупроводников для СФЭУ, а также к хранению, транспортировке и ликвидации вредных веществ от производства СФЭУ, ограничения контактов персонала с этими веществами, разработка планов действия в случае аварийных или нештатных технологических ситуаций, а также программы ликвидации отходов производства, отработавших свой срок или забракованных СФЭУ.

Наиболее опасны в этом отношении кадмий (Сё), а также Оа, Лб и Те. Сегодня наиболее изучено вредное воздействие кадмия на здоровье человека и даже введены запреты на использование в бытовых условиях его соединений (например, на микробатарейки и аккумуляторы на его основе). Длительное выжигание паров кадмия могут вести к легочным или бронхиальным заболеваниям и даже летальному исходу. Постоянное воздействие малых доз кадмия ведет к его накоплению в почках и их заболеванию. При этом также наблюдаются заболевания легких, размягчение и деформация костного состава скелета.

Весьма токсичны и некоторые соединения селена. Например she, SeO2 - отрицательно влияют на органы дыхания. Испытания отработавших свой срок или отбракованных СМ на основе CuInSe2 и СвЕу показали, что если первые из них удовлетворяют требованиям американского Агенства по защите окружающей среды, то вторые - нет, так как уровень кадмия в них оказался в 8-10 раз больше допустимых норм. Как следствие этого - выработавшие свой ресурс СМ на основе СёТе возможно будут теперь классифицироваться как потенциальные ядовитые отходы и по возможности возвращаться к их изготовителям (аналог проблем отработавших с ТВЭЛ-ами на АЭС).

Иными словами фактическая наибольшая социально-экологическая опасность для СФЭУ связана, в основном, с производством некоторых СФЭУ, в ходе которого происходит переработка значительного количества вредных веществ для здоровья человека и окружающей среды. Подобное производство, очевидно, должно быть полностью автоматизированным и размещаться на значительном удалении от населенных пунктов. Должны быть приняты и специальные меры защиты самого производства. Что же касается эксплуатации СФЭУ, то она практически безопасна.

Для иллюстрации сказанного о вредности самого производства СЭ в таблице 6.1 представлены пять основных этапов получения высоко чистого поликристаллического кремния. На рис.6.1 представлены также возможные способы превращения ископаемого кремния в монокристаллические или крупно зернистые поликристаллические листы кремния для СЭ в непрерывном технологическом процессе очистки.

Перспективным считается также и применение химического взаимодействия кремния с четырехфтористыстым кремнием. При этом реализуется извлечение кремния из расплава, его очистка и химическое осаждение из паровой фазы в течение одной стадии технологического процесса.

Современные методы получения пластин и листов кремния весьма многочисленны. Основные усилия здесь направлены на оптимизацию путей создания поликристаллического и монокристаллического кремния, обладающего наиболее высоким КПД.

Стандартный технологический процесс, позволяющий получать монокристаллический СЭ диаметром до 7,6 см или элементы псевдопрямоугольной формы размерами до 2,0х8,0 см основан на выращивании кристаллов методом Чохральского с последующей резкой пластин с помощью алмазных лент и их шлифовкой абразивным порошком, что является весьма вредным для здоровья человека (кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидные соединения).

Таким образом для солнечной фотоэнергетики наиболее вредным для человека и окружающей среды является технологический процесс получения СЭ, их хранения и утилизации. Для повышения экономичности это производство должно быть крупномасштабным, что требует больших капитальных и материальных затрат. Необходимо также учитывать и работы по разведыванию и добыче кремнезема, а также неизбежное изъятие земель из хозяйственного производства при этом.

Среди других аспектов отрицательного влияния солнечной энергетики на социально-экологические условия в стране следует отметить следующее.

СЭС достаточно землеемки из-за весьма рассеянного характера поступления СИ на Землю. Для сравнения с другими типами энергетических установок в таблице 2 приведены экспертные оценки их землеемкости. Из нее следует, что получение 1 МВт на БСЭС требуется 1,1 га земли, на СФЭУ

- от 1,0 до 1,6 га, а на солнечных прудах - до 8 га, что весьма ощутимо для обжитых регионов любой страны.

Сами СЭС заметно материалоемки (металл, стекло, бетон и т. д.).

При эксплуатации солнечных прудов велика опасность загрязнгения почвы и подземных вод химически активными растворами солей.

При эксплуатации БСЭС, а также СФЭС происходит заметное изменение климатических условий в данном месте. В том числе: изменение почвенных условий, растительности, циркуляции воздуха и т. д. из-за затенения поверхности, с одной стороны, и нагрева воздуха, с другой. Из-за последнего меняется тепловой баланс влажности воздуха, направление и величина ветров. Для СЭС с концентраторами СИ велика опасность перегрева и возгорания самих систем получения энергии от СИ.

Применение низкокипящих жидкостей и их неизбежные утечки в СЭС могут привести к загрязнению почвы по земной и даже питьевой воде в регионе. Особо опасны жидкости, содержащие нитриты и хроматы, которые являются весьма токсичными веществами.

Низкий коэффициент преобразования СИ в электроэнергию ведет к появлению проблем, связанных с охлаждением конденсата. При этом тепловые выбросы в атмосферу на СЭС более чем в два раза превышает аналогичный сброс от ТЭС.

Для учета отрицательного влияния различных типов энергоустановок на окружающую среду в настоящее время предложено несколько различных методик и подходов.

В качестве примера в таблице 6.3, представлены значения так называемого штрафного экологического балла для различных видов используемого источника энергии, который дает возможность некоторого безразмерного количественного учета их отрицательного влияния на окружающую среду.

Эти баллы были рассчитаны с учетом следующих факторов воздействия на окружающую среду: глобальное потепление, истощение озонового слоя, закисление почвы, эутрофикация (снижение содержания кислорода в воде), загрязнение тяжелыми металлами, эмиссия канцерогенных веществ, формирование зимнего смога, летнего смога, наработка промышленных отходов, радиоактивных отходов, выбросы радиоактивности, а также истощение источников энергии. Чем большее количество баллов получал каждый способ производства электричества, тем большее вредное воздействие на окружающую среду он оказывает.

В таблице 6.4 приведены значения некоторых ключевых для окружающей среды эмиссий, рассчитанных по полному циклу производства

233

Электричества, для разных источников энергии, используемых для получения электроэнергии на разных типах электростанций.

Из приведенных в таблицах 6.3 и 6.4 данных следует, что СФЭУ, а также солнечные тепловые станции обладают заметными преимуществами по сравнению с традИциОнными типами электростанций, использующими невозобновляемые источники энергии.

Все сказанное выше относится к наземным СЭС. Однако и перемещение СЭС в космос не избавляет солнечную энергетику от решения связанных с ней социально-экологических проблем, связанных со сложностью передачи энергии с космических СЭС на Землю. Например с помощью СВЧ - излучения (2,4-2,5 ГГц или длина волны 10-12 см) или лазерного луча в оптическом диапазоне.

Экспертные оценки показывают, что для передачи 5000 МВт на Землю с космической СЭС с помощью СВЧ-излучения потребуется антенна - излучатель с диаметром до 1 км; ректенна на Земле диаметром до 12 к4м (на экваторе). В целом же, с учетом всего технологического цикла преобразования постоянного тока в переменный на Земле потребуется занять площадь до 2509-270 км2.

Передача по СВЧ-лучу больших мощностей может привести к изменению распределения заряженных частиц ионосферы. Как следствие - изменятся условия распространения радиоволн и помех в радиосвязи и телесвязи.

СВЧ-пучок и особенно его высокочастотная составляющая сильно поглощается молекулами воды и кислорода, что ведет к локальному нагреву атмосферы в месте прохождения СВЧ-пучка.

СВЧ-излучение будет оказывать негативное влияние на работу бортового электронного оборудования летательных аппаратов (сбои в работе).

СВЧ-излучение и лазеры естественно, будут отрицательно влиять и озоновый слой Земли.

Пути получения СВЧ-излучения на КСЭС: усилители со скрещенными полями или амплитроны; клистроны - устройства на линейных пучках; прямое преобразование СИ в СВЧ - излучение.

По сравнению с СВЧ-излучением лазерный луч требует значительно меньших по площади антенн и ректенн. Однако мощные лазеры с больШиМ КПД не совпадают по несущей частоте с теми частотами, которые позволяют эффективно преобразовать СИ в электроэнергию. На пропускную способность лазера в атмосфере существенно влияют облачность и аэрозоли.

Негативное влияние космических СЭС (КСЭС) на здоровье людей и окружающую среду в целом связано с решением следующих трех проблем:

- строительство КСЭС, включая их производство на Земле и технологические работы в космосе;

- транспорт грузов в космос;

-передача энергии на Землю с помоЩьЮ СВЧ-излучения или лазеров.

Перечисленные проблемы, имеющие место при развитии космической солнечной энергетики влияют на все процессы на Земле, на нижнюю часть атмосферы (топосферу), на верхние слои атмосферы, на ионосферу и магнитосферу Земли.

Возможные негативные воздействия СВЧ-излучение на человека и окружающую среду пока еще не полностью идентифицированы из-за ограниченных размером развития космической солнечной энергетики.

Однако перечень этих воздействий уже сегодня может быть представлен следующим образом:

- длительное воздействие СВЧСВЧ-излучения малой плотности на биосферу;

- действие космической радиации на здоровье людей;

- воздействие продуктов сгорания ракетных топлив и мощного СВЧ - излучения на верхние слои атмосферы;

- влияние нагрева и другие возмущения ионосферы от продуктов сгорания и СВЧ-излучения;

- помехи от СВЧ-излучения на земном и космическом радиотехническим системам.

Поскольку космическая солнечная энергетика еще более, чем земная, материалоемкая и внегранична по территории, то развитие ее связано с необходимостью решения принципиально новых тяжелых проблем социально-политического и правового характера.

В том числе:

- значительные объемы использования исходного сырья на Земле; например, для получения 10 ГВт моЩнОсти на КСЭС потребуется использовать один миллион тонн алюминия или 13% от всех его запасов в США или 0,08% мировых запасов; расход кремния для этого - 15000-30000 т.; затраты энергии на создание КСЭС в 10 гВт на Земле - около 300 ТВт-ч; для небольшой КФСЭС в 500 МВт требуется переместить в космос около 8000 т солнечных батарей при общей массе КФСЭС в 12000 т;

- значительные закупки сырья, новых материалов, новых ракетных топлив и т. д.;

- большие площади отчуждения под космодромы и ректенны на Земле с большой запретной территорией для нормального проживания человека около них; например, для передачи 10 ГВт на Землю по СВЧ-излучению на Земле нужна ректенна диаметром 8 км и диаметром 16 км запретной территории для самолетов, птиц и т. д.;

- большая шумовая нагрузка при частых запусках ракет;

- новые международные соглашения об использовании геостационарных КСЭС;

- возможности по избежанию военного использования КСЭС или террористических актов и т. д.

Однако, как это и было сказано выше, в целом отрицательное влияние технических устройств солнечной энергетики на человека и окружающую среду намного меньше, чем у других видов энергетики и, особенно, традИциОнных АЭС, ТЭС и ГЭС.

Чем отличается монокристаллическая от поликристаллической солнечной батареи