Технологический прогноз. Будущее солнечной энергетики

Полгода назад Сергей Плеханов, генеральный директор НПП «Квант» в интервью «Мембране» рассказал о положении дел с фотовольтаикой в России и о перспективах её развития. Статья вызвала заметный отклик читателей, поэтому мы решили продолжить, расширить тему и приводим новый материал от главы «Кванта».

"Есть нечто более сильное, чем все войска на свете: это идея, время которой пришло". (Виктор Гюго)

История переполнена неожиданными, на первый взгляд, катастрофическими событиями. Хорошо было древним народам – у них были пророки. Они видели грядущее, предупреждали об опасностях и ничего не требовали от своих народов, кроме доверия. Сегодня становится ясно, что современные политики, академики и эксперты, все вместе взятые, не приближаются к способностям одного Иезекииля, хотя требуют существенно больше…

Наш мир развивается очень быстро. Но мы с осторожностью относимся к попыткам осмыслить будущее, хотя бы на 30 лет вперёд. Нам это кажется рискованной футурологией, не достойной учёного. Хотя, например, большинство из нас помнит, что было 30 лет тому назад. Можно выделить простые закономерности, основываясь даже только на собственном опыте. Но сумма простых вещей уже создаёт (или закрывает) «окно» тех или иных возможностей, формирует тенденции развития.

Постараемся вспомнить мир 30-летней давности глазами среднего землянина:

— Существуют две сверхдержавы – США и СССР, многим они представляются несокрушимыми;

— Китай выбрался из руин «культурной революции» и впервые приблизился к тому, чтобы накормить собственное население;

— 1 баррель нефти стоит 10-15 долларов, и её запасов должно хватить на 150-200 лет;

— Телефоны стационарны, а компьютер уже размещается на большом столе;

— Возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) занимается кучка учёных-энтузиастов, а будущей основой энергетики человечества представляется атомная энергия: сначала «мирный атом», а потом – неисчерпаемая и безопасная термоядерная энергия;

— Мощность всех солнечных преобразователей не превышает 4 МВт, а стоимость изготовления солнечного модуля превышает 15 долларов за 1 Вт в соизмеримых ценах;

— В терминах "Кондратьевских циклов развития" — расцвет индустриальной эпохи и самое начало процесса формирования постиндустриальной эпохи;

— О проблемах глобального потепления размышляют единицы учёных, более актуальной кажется проблема «озоновых дыр».

Что мы имеем сейчас:

— СССР исчез, позиции США сильны, но не безусловны, появился ЕС, Китай вырос в «третий центр силы»;

— 1 баррель нефти стоит 100-110 долларов, а запасов нефти по разным оценкам хватит на 30-70 лет;

— Более 7,5 ГВт солнечных преобразователей были установлены в 2009 г., в 2010 г. – 16,4 ГВт, а в 2011 г. – около 27,7 ГВт. Для сравнения, столько же вырабатывается на 10 атомных станциях «Росэнергоатома» (установленная мощность 23,24 ГВт);

— Только за последние три года (2009-2011 гг) суммарная мощность установленных в мире солнечных станций утроилась (с 13,6 ГВт до 36,3 ГВт). Если же говорить обо всех ВИЭ (ветровая, солнечная, геотермальная и морская энергетика, биоэнергетика и малая гидроэнергетика), то установленная мощность электростанций в мире, использующих ВИЭ, уже в 2010 г. превысила мощность всех АЭС и составила 388 ГВт.

- Средняя стоимость производства солнечного модуля ныне опустилась ниже 1 доллара за ватт;

— Германия, Бельгия и Япония отказываются от «мирного атома», а термоядерная энергия – по-прежнему отдалённая перспектива, и, по мнению Е. П. Велихова (в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии), даже в случае успеха мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу XXI века во всём мире не превысит 100 ГВт;

— «Постиндустриальная» эпоха стала реальностью. По-прежнему нужны сталь и уголь, но всё больше требуется индия, галлия, теллура. Турбину современного самолёта невозможно сделать без кобальта и рения, волоконно-оптический кабель – без германия, в конструкции мобильного телефона используется 40 различных материалов, в компьютере, который запросто размещается на ладони, – 60, в том числе индий, галлий, мышьяк, литий, тантал, кобальт и др.;

— Проблеме «глобального потепления» посвящаются мировые конференции, всё большее число учёных и общественных деятелей вовлекаются в дискуссии. Независимо от того, правы ли те, кто считает это результатом деятельности человека, или те, кто уверен в естественных причинах «климатической разбалансировки», проблема объективно существует.

Перемены огромны, но следует признать, что многие ростки этого существовали и 30 лет назад. Что же произойдёт через 30 лет, если следовать логике «простые вещи сегодня определяют завтра»?

— Видимо, появится полноценный искусственный интеллект. По полушутливому замечанию того же Е. П. Велихова, сегодня мозги всех суперкомпьютеров уступают способностям мозга одного среднего человека, через 30 лет мозги всех людей планеты будут уступать мозгу одного суперкомпьютера. И хотя политические системы развиваются медленнее технических, возможности построения различных глобальных проектов неизмеримо вырастут;

— Количественный рост человечества замедлится или выйдет на «плато». Самая быстрорастущая страна мира – Китай – уже к 2015 г. пройдёт точку, когда численность трудоспособного населения сравняется с числом пенсионеров;

— Как следствие, после периода роста потребности в энергии всех видов произойдёт некоторое замедление или стабилизация выработки энергии. В 2010 г. человечеству потребовалось около 17 300 тераватт-часов, в 2020 г. ожидается 22 840 ТВт-час, а в 2030 г. – 28 900 ТВт-час электрической энергии. Наряду с этим человечество будет вынуждено всё более минимизировать воздействие на окружающую среду и компенсировать «климатическую разбалансировку», в том числе определяя развитие энергетики.

Вот об этой энергетике следует поговорить поподробнее.

«Простые вещи», которые мы видим сегодня, или догадываемся об их приходе завтра, заставляют нас задуматься о том, что даже в сегодняшнем состоянии альтернативной энергетики заложены ростки того, что неизбежно будет востребовано завтра.

Так, человечество, несмотря на кризисы, постоянно возвращается к идее использования возобновляемых источников энергии. Мировые инвестиции в эту область достигли в 2011 г. уровня 260 млрд. долл., что в пять раз больше, чем 53,6 млрд. долл., истраченных в тех же целях в 2004 г.

Ещё в 1997 г. ЕС впервые сформулировал «дорожную карту» внедрения ВИЭ к 2010 г., которая довольно точно совпала с действительностью, а по солнечной энергетике была превышена в 8 раз!

Результат: из 55 ГВт новых мощностей, которые были введены в ЕС в 2010 г., 22,7 ГВт пришлись на ВИЭ. Следующая программа предполагает достижение 20% выработки всей электроэнергии из ВИЭ в 2020 г. в 20 странах ЕС.

С 1990 г. производство солнечных элементов (СЭ) увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2010 г. 82 млрд долл. В свою очередь, непрерывно растут инвестиции в солнечные технологии — с 40 млрд евро в 2010 г. до (как ожидается) более чем 70 млрд евро в 2015 г.

По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA), в 2011 г. в мире было подключено 27,7 ГВт новых солнечных станций. В результате суммарная установленная мощность всех этих станций в мире достигла 67,4 ГВт, и по этому показателю фотовольтаика вышла на третье место среди ВИЭ (после гидро- и ветроэнергетики).

2011 г. был также ознаменован расширением круга «гигаваттных рынков» — к Германии и Италии присоединились Китай, США, Франция и Япония. Так, за год в Италии было подключено 9 ГВт новых станций, в Германии — 7,5 ГВт, в Китае – 2 ГВт, в США – 1,6 ГВт, во Франции – 1,5 ГВт, в Японии – 1,1 ГВт.

По сообщению информационной службы Всемирной ядерной ассоциации (WNA), до 2030 г. Германия намерена вложить 1,848 трлн долл. в развитие ВИЭ и планирует в течение нескольких ближайших лет осуществить «энергетическую революцию», в результате которой в центре новой системы электроэнергетики окажутся технологии возобновляемой энергетики.

К 2020 г., за два года до намеченного срока полного закрытия своих атомных станций, Германия планирует сократить выбросы парниковых газов на 40%, удвоить количество возобновляемых источников энергии, чтобы вырабатывать с их помощью до 35% электричества в стране и сократить основное потребление электроэнергии на 20%.

Ещё немного цифр. Сегодня конечная стоимость «под ключ» 1 Вт в крупной солнечной станции составляет 2,5-2,8 евро/Вт, к 2020 г. ожидается её снижение до 0,9-1,5 евро/Вт, а к 2030 г. – до 0,7 евро/Вт. При этом стоимость вырабатываемой такой станцией электроэнергии сегодня составляет 0,15 — 0,29 евро/кВт-час, к 2020 г. может снизиться до 0,07 – 0,17 евро/кВт-час, к 2030 году – до 0,04 евро/кВт-час.

2011 г. Принёс революционные изменения в стоимости солнечной энергетики. Установившиеся к концу этого года цены на 1 Вт в модуле в диапазоне 1-1,1 долл. демонстрируют практически 40-процентное снижение цен по сравнению с уровнем в 1,8 долл., характерным для первого квартала 2011 г. А это означает, что реальная динамика снижения стоимости солнечной энергии превзойдёт приведённые прогнозы. И уже в 2012 году стоимость «солнечного» и «традиционного» киловатта электроэнергии в некоторых районах мира сравняются.

В целом же различными сценариями предполагается, что к 2020 г. в мире будет установлено 350-600 ГВт «солнечных» мощностей, которые будут вырабатывать 100-400 миллиардов кВт-час электроэнергии, а к 2030 г. – 1080 – 1800 ГВт, которые будут вырабатывать 200-1400 млрд кВт-час электроэнергии. Таким образом, доля «солнечного» электричества в общемировой выработке электроэнергии уже к 2020 г. составит 4-7%, а в Европе 12 %.

Отметим, что все эти прогнозы основываются на технологиях, которые сегодня реально существуют. Это освоенные в промышленности солнечные элементы на базе кремния, CdTe, GaAs/Ge, существующие аккумуляторы, инверторы и прочее. Безусловно, технический прогресс будет так же стремительно продолжаться, но нет необходимости ждать появления новых, невиданных сегодня решений.

Таким образом, «простые вещи» уже сегодня формируют завтрашнюю энергетику и открывают «окна возможностей». Уже сейчас понятно, что солнечная энергетика способна в принципе стать основой мировой энергетики.

Например, сегодня учёные из разных стран мира проводят моделирование параметров солнечной энергетической системы. Предлагается создать глобальную энергосистему из солнечных станций, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли так, чтобы часть станций всегда находилась на дневной стороне. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи с малыми потерями.

При моделировании КПД солнечных станций принимался равным вполне реалистичным сегодня 25%. Подобная глобальная солнечная энергетическая система сможет генерировать электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17 300 ТВт-ч/год, что превысит современное мировое потребление электрической энергии. Начало функционирования глобальной солнечной электростанции может состояться к 2050 г.

В результате реализации этого проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии может достичь 60-70%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз. По оценкам, стоимость создания такой системы может превысить 10 трлн долл. Сумма представляется гигантской, но следует отметить, что сегодня в мире на оборону тратится ежегодно 7 трлн долл.

И это не просто умозрительные мечтания. В середине 2012 г. в Марокко планируется завершение первого этапа строительства солнечного проекта под названием Desertec Initiative в ходе которого предполагается использовать солнечную энергию в пустыне Сахара.

Электростанция в Марокко будет представлять собой сооружение стоимостью 822 млн долл., занимающее площадь в 19,24 кв. км. Общая установленная мощность всех этапов стоимостью 2,8 млрд долл. составит 500 МВт (комбинированное производство — 100 МВт электрической энергии и 400 МВт тепловой). Полностью электростанцию планируется построить к 2050 г.

Для чего ещё требуется развивать солнечную энергетику?

— Представители элит развитых стран хорошо понимают, что «солнечная» промышленность – сильный мотор для технической, технологической и экономической модернизации, поскольку решающую роль в ней играют инновационные технологии. Государство, развивающее эту промышленность, получает в качестве «бесплатного бонуса» лидерство в электронике, военной технике и других жизненно важных для интересов государства областях. Это связано с тем, что поддерживающая «экосистема» одинакова как для «солнечной» промышленности, так и электроники – образование, научные школы, НИР, производители материалов и пр.;

— Снижение выбросов парниковых газов (напомним, эта проблема вполне реальна, независимо от того, как относиться к причинам запуска механизма «разбалансировки») к 2030 г. может составить 900 млн тонн СО₂;

— Солнечная энергетика – крупный работодатель. Благодаря развитию альтернативной энергетики в последние годы в Германии создано более 300 тысяч новых рабочих мест. Солнечная энергетика может обеспечить работу как высококвалифицированных кадров (планирование, менеджмент, научные разработки), так и просто квалифицированных рабочих (установка, серийное производство). К 2030 г. в мире возможно создание в солнечной энергетике 2,6-3,5 млн рабочих мест/год;

— Как только солнечная энергетика стала пробивать себе дорогу в мир большой электроэнергетики, вскрылись проблемы, присущие традиционной электроэнергетике. Корень «зла» для электроэнергетики заключён в неравномерном графике нагрузки, как суточном, так и годовом. Мощность электросети должна рассчитываться на пиковые нагрузки, а в остальное время энергия остается невостребованной.

Современная «турбинная» электроэнергетика не обладает необходимой гибкостью. Турбины нельзя включать и останавливать когда угодно. Это обстоятельство приводит к необходимости существенного завышения общих мощностей. В фотоэнергетике проблема усугубляется еще и 100-процентной (ночь-день) вариацией мощности. Однако умножение двух «минусов» при использовании в единой энергосистеме дает «плюс».

Солнечная энергетика включается с восходом солнца. В крупных странах уже сегодня возможно использование комбинированной энергосети, в которой потребители электроэнергии распределены по часовым поясам, в результате чего энергия передаётся в те районы, где наступает пик потребления из тех районов, где светит солнце. Контуры такой единой «умной» энергосистемы, созданной без избыточных мощностей, сегодня только прорабатываются, но они вполне заметны.

Что всё это означает для России?

Не обнаружим ли мы себя однажды засыпанными пеплом современного Везувия, как некогда жители Помпеи, не верившие в изменения окружающего их мира? Завтра, безусловно, нет. А через 30 лет? Возможно…

По словам профессора Эйке Вебера (Eicke Weber, глава Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme, Фрайбург), в 1850 г. треть ВВП США обеспечивалась производством китового жира. Он был тогда единственным жидким горючим и, например, играл огромную роль при освещении помещений. Спустя всего десять лет эта отрасль экономики была буквально стёрта с лица Земли, поскольку появились нефтепродукты. И возможно, уже через 30 лет наши дети и внуки будут удивляться, насколько же мы были глупы, что сжигали нефть.

Представляется, что сегодня окружающая нас действительность создала «окно возможностей», которого ещё не было 5 лет назад. Это означает, что подходы к развитию энергетики (и экономики в целом) требуется пересматривать.

Да, в 2010 г. в мире добыто 2,3 млрд тонн железной руды и выплавлено 1,4 млрд тонн стали. Да, сегодня миру нужны наши нефть и газ. Но в будущем мире не нужно будет столько стали для газо- и нефтепроводов, а также буровых вышек. Уже через 10-20 лет миру не нужно будет столько нефти и газа, сколько мы продаём сегодня. Но будут нужны кремний, германий, индий, стекло… Это определит и изменения на рынке труда. Будут нужны физики, химики, технологи, операторы, квалифицированные конструкторы, специалисты-монтажники.

Когда мы говорим сегодня о 25 млн рабочих мест, которые будут нужны завтрашней России, нам следует понимать, что эти рабочие места нужны для завтрашней структуры экономики и энергетики. Примечательно, что в регионах, перспективных с точки зрения использования солнечной энергетики (Северный Кавказ, Сибирь, Дальний Восток), сегодня существует относительно высокий уровень безработицы. Таким образом, солнечная энергетика может значительно помочь в социально-экономическом развитии регионов России.

И ещё один важный вывод. 8 января 2009 г. распоряжением Правительства РФ были утверждены «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», в которых устанавливаются следующие значения показателей объёма производства электроэнергии с использованием ВИЭ: в 2010 г. – 1,5% (или около 17 млрд кВт-ч); в 2015 г. – 2,5 % (или около 33 млрд кВт-ч); в 2020 г. – 4,5% (или около 70 млрд кВт-ч).

Конечно, появление этого документа говорит о том, что в России всё-таки начинает формироваться на уровне государственной политики понимание того, что потенциал сырьевой экономики постепенно иссякает. Однако представляется, что конкретные шаги по формированию механизмов реализации этой политики по-прежнему отсутствуют, а намеченные показатели являются скорее не ориентиром для развития, а дезориентацией.

Создаваемый сегодня рынок альтернативной энергетики имеет глобальный характер и ведёт к созданию десятков миллионов рабочих мест. Неучастие России в этом процессе уже сегодня лишает её возможности создавать эти рабочие места у себя, оставляя её за бортом разворачивающейся в мире гонки за энергоэффективностью и, в конечном счёте, делая её всё менее конкурентоспособной.

В этом смысле ближайшие 10-15 лет станут важнейшими.

membrana

Опубликовано на сайте: 2012-02-19