В современном мире уже давно признано, что технологии использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в целом оказывают незначительное влияние на окружающую среду по сравнению с традиционными методами производства электроэнергии из ископаемого топлива. В различных литературных источниках данные о минимальном и максимальном выбросах тех и других электростанций по производству энергии варьируются в широких пределах.
Однако даже при этих показателях общий взгляд на возобновляемую энергетику выглядит следующим образом [1]:
1. Возобновляемые источники энергии имеют самый низкий жизненный цикл выбросов углекислого газа по сравнению с традиционными методами производства электроэнергии на основе ископаемого топлива.
2. Бóльшая часть выбросов происходит не в процессе выработки электроэнергии, а в результате производства самих объектов и технологий.
3. Для биоэнергетики прямые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу практически равны нулю.
4. Большинство технологий, использующих ВИЭ, потребляют гораздо меньше воды и меньше загрязняют её.
5. Воздействие таких источников на землю, как правило, локализовано, причём некоторые площадки с электростанциями на основе ВИЭ могут быть использованы для других целей.
Эти общие для возобновляемых источников энергии экологические характеристики в полной мере применимы и к солнечной энергии.
Ввод в эксплуатацию новых мощностей солнечных электростанций в мире постоянно растёт и даже опережает, например, внедрение атомных электростанций, и такая тенденция сохраняется десятилетиями. На рис. 1 показана тенденция развития солнечной энергетики по установленной мощности. По данным EPIA [2], к 2030 году она достигнет 1,48 МВт, а к 2050 году — уже 4,6 МВт.
Рис. 1. Тенденция ввода новых мощностей солнечных электростанций в мире
Учитывая эту тенденцию, важно оценить энергоэффективность фотоэлектрических электростанций (ФЭС). В отличие от экономической эффективности, энергоэффективность солнечной энергии характеризуется периодом, в течение которого ФЭС генерирует тот же объём энергии, который был затрачен на её создание. Эти затраты включают в себя разведывание энергетических запасов, их добычу и доставку к месту переработки, затраты на изготовление солнечных модулей, включая производство специального оборудования и комплектующих, монтаж, транспорт, эксплуатацию и дальнейшую утилизацию [3].
Период возврата затраченной на строительство энергии определяет срок её окупаемости, который определяется:
Tз.э = Eсв/Eг, лет, (1)
где Есв — связанная электрическая энергия, включающая в себя потребление первичной энергии для извлечения сырья и материалов для производства фотоэлектрических элементов, потребление энергии для производства фотоэлектрических систем, потребление энергии для транспортировки материалов, используемых в течение срока службы ФЭ, потребление энергии для построения системы, потребление энергии для эксплуатации в течение жизненного цикла; Eг — среднегодовая выработка электроэнергии на электростанции.
Современные электростанции основаны на кремниевых технологиях. Затраты первичной энергии на технологические процессы производства кремния солнечной градации и изготовления солнечных элементов являются основными в балансе связанной энергии.
Кремний в природе обычно находится в форме песка. Однако в таком виде его использовать нельзя, он требует тщательной очистки для максимального фотоэлектрического эффекта.
Несмотря на большие запасы этого компонента в земной коре, сегодня наблюдается дефицит этого сырья. Дело в том, что в современной электронной промышленности для изготовления электронных часов, компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств также требуется кремний.
Класс чистоты кремния для производства солнечных модулей не так высок, например, как для изготовления микросхем, и составляет 99,999% (поликристаллический кремний класс 5N). Процесс получения кремния класса 5N заключается в продувке специальными газами расплава кремния, бора и фосфора и его последующем затвердевании. Эта технология дешевле, чем получение чистоты 99,9999999% (класс 9N), и снижает общие эксплуатационные расходы.
Современные тонкоплёночные технологии на основе CdTe, A-Si и Cl GS используют меньше энергии, так как толщина плёнок, в которых происходит преобразование солнечного излучения в электроэнергию, меньше толщины солнечных кремниевых элементов почти в 100 раз.
Следующим этапом в технологии производства солнечных элементов является вырезание кремниевых заготовок и формирование фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), напоминающих сэндвич или вафлю. Процесс производства монокристаллического, поликристаллического и плёночного ФЭП показан на рис. 2.
Рис. 2. Процесс производства солнечных элементов
Монокристаллический кремниевый элемент получают экструзией из монослитка цилиндрической формы из расплава поликремния методом Чохральского. Затем слиток разрезают на тонкие пластины с помощью алмазной пилы. Отходы от резки обычно используются вторично для получения нового расплава.
Поликристаллический кремний содержит примеси, что снижает его качество. Сначала методом литья из поликристаллического кремния получают слитки, которые затем разрезают на пластины.
Получение тонкоплёночных фотоэлементов представляет собой непрерывный процесс, в котором тонкие ленты или плёнки выделяются из расплава поликремния. При таком способе производства не образуется отходов.
Сравнение этих методов показывает, что для производства тонкоплёночных фотоэлементов требуется 5 г. кремния на 1 Вт мощности, а для монои поликристаллических пластин — 8 г. на 1 Вт [4].
Стадия производства самих солнечных модулей также отличается способом установки и стоимостью. Сформированные в виде «пластин» солнечные элементы укладываются на алюминиевую подложку и соединяются между собой токопроводящими дорожками. Тонкую полупроводниковую плёнку вставляют на стеклянную подложку или другую плёнку.
Для получения наиболее эффективных кадмиево-теллуровых плёнок для производства 1 МВт пиковой мощности требуется 220 кг кремния, что в 36 раз меньше массы кристаллического кремния.
Энергетическая составляющая энергопотребления для транспортировки материалов, для построения и эксплуатации системы в течение жизненного цикла ФЭП, включая финансовую, информационную поддержку и системы безопасности, всё ещё остаётся очень неопределённой. Это вносит неточности в определение времени окупаемости энергии. По мнению некоторых экспертов, этот компонент может быть довольно высоким.
Если значение связанной энергии Есв может быть определено на основе опыта эксплуатации, расчётов на стадии проектирования и фактических затрат, то составляющая Eг (среднегодовая выработка электроэнергии на ФЭП) является случайной и зависит от многих параметров:
Eг = QtηSсмN, кВт·ч, (2)
где Qt — суточная суммарная солнечная радиация, поступающая на приёмную поверхность фотопреобразователя, кВт·ч/м²; η — эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию; Sсм — общая площадь фотоэлектрических модулей, м²; N — количество календарных дней в рассматриваемом периоде.
Для города Челябинска, расположенного на территории Южного Урала и имеющего координаты 55°9′ северной широты и 61°25′ западной долготы, суточная (почасовая) суммарная солнечная радиация в средний день каждого месяца имеет следующие значения (рис. 3). Из рис. 3 видно, что максимальная солнечная радиация за каждый месяц в Челябинске ожидается с 11:00 до 13:00 часов.
Рис. 3. Суточное почасовое распределение дневной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в городе Челябинске
Энергоэффективность (срок окупаемости) солнечной электростанции для территории Южного Урала при среднегодовом значении связанной энергии 1260 ГВт, согласно расчёту, составляет 20,38 года [5]. Это, на первый взгляд, большое значение определяется географическим положением района со среднегодовой солнечной радиацией 1050–1250 кВт/м² в год. Очевидно, что строительство ФЭС в южных широтах будет иметь значительно меньший срок окупаемости энергии [6].
Согласно исследованиям, проведённым [7–9] для фотоэлектростанций, построенных в период 2005–2006 годов, срок окупаемости энергии составляет:
- 2,2 года для установок с монокристаллическим кремнием с эффективностью преобразования 14%;
- 2,0 года для поликристаллического кремния с КПД, равным 13,2%;
- 1,7 года для гибкой плёнки из кремния с КПД, равным 12,0%;
- 0,75 года для кадмиево-теллуровых модулей с КПД, равным 10,9%.
Таким образом, внедрение новых и инновационных технологий в солнечной энергетике может значительно снизить затраты и увеличить окупаемость энергии солнечных электростанций.
Анализ работы ФЭП для определения выбросов углекислого газа и оксида азота в атмосферу (выбросы жизненного цикла) в течение всего цикла производства, эксплуатации и утилизации станции показали, что по сравнению с угольными установками они в 35–55 раз меньше по CO2 и в 44–100 раз по NOx [1].
Интересной особенностью фотоэлектрических станций, существенно влияющей на их энергоэффективность, является тот факт, что после пуска электростанция сразу же начинает «работать», вкладывая в неё связанную энергию и используя только естественное солнечное излучение. Можно сказать, что в этом смысле топливные электростанции никогда не окупаются, так как в течение срока службы для производства тепловой и электрической энергии им постоянно требуется ископаемое топливо. Это означает, что фотоэлектрические электростанции обладают высокой энергоэффективностью, так как быстро «возвращают» энергию, затраченную на их производство.
Заключение
Таким образом, рассмотренные экологические и энергетические преимущества солнечной энергетики подтвердили целесообразность введения новых мощностей фотоэлектрических станций. Применяемые в настоящее время солнечные элементы на основе кремниевых технологий влияют на значение суммарной связанной энергии и определяют срок окупаемости ФЭС.
Энергоэффективность солнечных электростанций показывает глобальное преимущество солнечной энергии, как одного из видов возобновляемой энергии, перед топливной энергией.
