Журнал «Вокруг Света» №10 за 2006 год
Шрифт:
Заметим, что извлечь из породы килограмм урана значительно сложнее, чем получить из кварцевого песка килограмм силициума. Поэтому грязный кремний, добываемый электродуговым способом и содержащий более 1% примесей, стоит чуть больше одного доллара за 1 кг и производится мегатоннами в год. Цена на природный уран на порядок выше. После обогащения, когда доля нужного 235-го изотопа повышается до 4,4%, стоимость урана подскакивает до 400 долларов за 1 кг и становится сопоставима с ценой того самого кремния, из которого делают микросхемы и солнечные элементы. Столь, в общем-то, невысокая стоимость ядерного топлива обусловлена и тем, что в создание технологий его добычи и обогащения за последние полстолетия были вложены огромные средства. Кремний же по сию пору в промышленности извлекают и очищают теми же способами, что и в конце 50-х годов прошлого века. А следствие несовершенства технологий — высокая стоимость продукта, большие энергозатраты, экологическая опасность
Из тонны кварцевого песка, в котором находится около 500 кг кремния, при самой распространенной на сегодняшний день технологии электродугового извлечения и хлорсилановой очистке получают 50—90 кг солнечного силициума. При этом на получение 1 кг расходуется столько энергии, что «киловаттный» чайник мог бы на ней непрерывно работать в течение 250 часов. Все это тем более странно оттого, что новые, гораздо более удачные технологии давно существуют. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла. Не будем вдаваться в подробности химического процесса, просто скажем, что в этом случае энергозатраты падают на порядок, а выход продукта увеличивается в 10—15 раз. Соответственно, и стоимость получаемого кремния падает до 5—15 долларов за килограмм.
Здесь-то и кроется особая выгода для России. Для немецкой технологии простой песок уже не подходит, тут нужны так называемые «особо чистые кварциты», самые крупные залежи которых находятся в нашей стране. Кроме того, по мнению тех же специалистов из Siemens, наши кварциты наиболее качественные и их запасов хватит на всех.
Электрический бутерброд
По строению солнечный элемент похож на бутерброд, состоящий из двух полупроводниковых пластинок. В наружной n-пластинке — переизбыток электронов. Во внутренней p-пластинке— их недостаток. Фотон, попадая в n-пластинку, пробуждает дремлющий в ней электрон примерно так же, как луч света, попадая на лицо, пробуждает спящего человека. Электрон переходит в p-пластину—это движение и создает электрический ток. Будущее солнечной энергетики эксперты связывают с совершенствованием материалов для этих двух слоев. Наиболее перспективными сегодня представляются аморфный и микрокристаллический кремний, который выведет создание солнечных элементов на принципиально иной уровень. Впрочем, кремниевые пластины как технология уже устаревают — из аморфного и микрокристаллического кремния можно выращивать очень тонкие пленки, толщина которых измеряется нанометрами. Две такие пленки, осажденные одна поверх другой на стекло, представляют собой фотогальванический элемент, обладающий высокой электрической проводимостью и сохраняющий свои свойства при длительном использовании. Однако технология, которая позволила бы выпускать такие солнечные элементы «на потоке», еще не создана. Как считают в Исследовательском центре города Юлих (Германия), им остался всего один шаг, чтобы вывести производство новых солнечных батарей из лабораторий в промышленность. Обычные солнечные элементы из кремния создают по отдельности и уже потом объединяют в батареи. В случае с тонкими пленками все наоборот: сначала выращивают пленку большой площади, накладывают ее на стекло вместе с другими необходимыми слоями, режут лазером на полоски и затем соединяют электрическими контактами. Ученым из Юлиха удалось отработать процесс массового получения модулей площадью 30x30 см с КПД, близким к 10%, а с такими параметрами уже можно ожидать покупателей на технологию. Сейчас промышленно выпускаемые солнечные элементы стоят примерно по 300 евро за 100 ватт электрической мощности. Тонкопленочная технология позволит через 5—10 лет снизить стоимость вдвое, а через 15 — втрое.
Татьяна Пичугина
Гигастанции будущего
Электричество относится к числу плохо запасаемых продуктов, поэтому производится его всегда практически столько же, сколько и потребляется. Общая мощность всех земных электростанций составляет примерно 2 000 ГВт. Один тераватт-год — это примерно 13% от всей потребляемой человечеством энергии. Для того чтобы получить этот тераватт от Солнца, стандартными кремниевыми панелями нужно «замостить» территорию в 40 000 км2. Это с учетом того, что работать станция будет только днем. Квадрат со стороной 200 км — примерно одна двухсотая часть пустыни Сахара. Задача, с которой современное человечество вполне может справиться.
Однако решать ее с ходу нельзя. Ибо при этом возникают сразу две огромные проблемы.
Первая — это хранение энергии. Производить энергию такая «гигастанция» сможет только днем, а человечеству она нужна круглые сутки. Значит, на ночь ее дневные излишки нужно в чем-то запасать. В аккумуляторах, в гигантских конденсаторах, в супермаховиках. Такие «энергохранилища» будут стоить не намного дешевле, чем сама СЭС.
Второе — изменение климата. Конечно, не на всей планете, а в месте постройки. Если раньше солнечная энергия в этих местах шла на нагрев почвы и воздуха, то теперь ее часть пойдет на получение электричества. Температура в районе электростанции, а 40 000 км2 — это немало, практически Московская область, — несколько упадет. В ее центре появится то, что климатологи называют «бароцентром» — область постоянного пониженного давления, в которой обычно формируются мощные циклоны. Циклоны эти будут окроплять территорию электростанции и прилегающие районы дождями, а небо над нашими батареями заволокут грозовые тучи. Соответственно, и выработка энергии уменьшится в десятки раз.
Обе эти глобальные проблемы имеют одно простое решение. А именно, надо строить не одну электростанцию на 40 000 км2, а 400 электростанций по 100 км2. И располагать их по земному экватору в наиболее солнечных районах (ученые говорят — в районах с наиболее высокой соляризацией). И объединять их в единую сеть. Тогда в то время, пока одни станции будут отдыхать на ночной стороне Земли, другие, противоположные, — поставлять энергию. Каких-то особых погодных отклонений в пятачках 10х10 км происходить не должно.
Но лучше всего было бы построить даже не 400 крупных электростанций, а несколько десятков крупных и много-много мелких, скажем, размером 10х10 м. И это предложение вполне реализуемое. Но об этом — чуть ниже.
Зеркало Архимеда
Вообще-то в солнечной энергетике свет клином на кремниевых элементах не сошелся. Способов преобразования энергии Солнца в электрическую существует множество. Использование солнечных батарей (то есть фотоэлектрических преобразователей) — лишь один из них. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, — долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет примерно 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.
Солнечная установка мощностью 1 кВт сегодня в США стоит примерно 3 000 долларов. Однако окупается она только на 14—15-м году работы, а это, по сравнению с теми же тепловыми электростанциями, непозволительно долго. Поэтому для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют способ, предложенный, согласно легенде, еще в III веке до н. э. знаменитым ученым Архимедом Сиракузским. Правда, солнечный свет он применял тогда вовсе не с целью получения дешевой энергии, а для обороны родных Сиракуз, атакованных с моря галерами римского полководца Марцелла. Вот что писал об этом в своей «Истории» византийский хронист Цеци: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».
Именно на этом принципе основана работа современных гелиоэлектростанций. Установленные на значительной, до нескольких тысяч квадратных метров, территории зеркала-гелиостаты, поворачивающиеся вслед за Солнцем, направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество. В США сейчас действуют несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от Солнца, а ночью, чтобы вода не остывала и электричество не кончалось, — от газа. Температура пара в установках достигает 370 градусов Цельсия, а давление — 100 атмосфер.
Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose Industries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7—8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии — во столько обходится электричество, производимое на АЭС.