Перспективы и возможности использования солнечной энергии в России

Перспективы и возможности использования солнечной энергии в России

Сегодняшние реалии возрастающих глобальных энергетических проблем делают все  более актуальными вопросы перехода к альтернативным источникам энергообеспечения. Имеющая место ориентация на нефть, газ и ядерную энергию может привести некоторые страны к серьезной энергетической зависимости от крупнейших мировых поставщиков сырья и уже сегодня ставит под угрозу экономическую безопасность этих стран. Очевидно, что альтернативные источники энергии не смогут решить в ближайшие годы все проблемы, но ориентация на них и, в том числе, на развитие солнечной энергетики даст реальную возможность повысить энергетическую безопасность.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли  за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд т условного топлива (т у.т.), имеет солнечная энергия. Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии определен в очень малом объеме.

Известно, что 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, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь взаймы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене.

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

Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном, из углекислого газа и метана, который ответственен за изменение климата и, в частности, приводит к засухе в районах производства зерна и картофеля. Другие выбросы включают окислы серы и азота, которые в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты, и возвращаются на землю со снегом или в виде кислотных дождей. Повышенная кислотность воды приводит к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов и засыханию лесов, повреждению строительных конструкций и зданий. Токсичные тяжелые металлы (кадмий, ртуть, свинец) могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты.

Принципиальным ограничением для снижения издержек на добычу солнечной  энергии является высокая стоимость кремния – основного элемента солнечного модуля. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике. Ситуацию с солнечным кремнием можно сравнить с ситуацией с алюминием после его открытия в 1825 г., когда он стоил как серебро и использовался для украшений. Только после разработки технологии электролиза в 1886 г. алюминий стал дешевым и доступным материалом¹.

Кремний является вторым по распространенности материалом на Земле и обычно добывается из песка. Содержание кремния в земной коре составляет 29,5%  и превышает содержание алюминия в 3,35 раза. Солнечный кремний с чистотой 99,99% стоит столько же, сколько уран для АЭС, хотя содержание кремния в земной коре превышает содержание урана в 100 тыс. раз. Учитывая рассеянность и малое содержание урана в земной коре по сравнению с кремнием, трудно понять, почему урановое топливо для ядерных реакторов и кремний для солнечных электростанций имеют одинаковую стоимость. Существуют несколько причин, объясняющих такую ситуацию. В развитие технологии и производства урана вложены миллиардные средства, которые выделялись, в основном, по военным программам, и объемы производства урана в 6 раз превышают объемы производства солнечного кремния.

Несмотря на высокие  цены, последнее десятилетие ознаменовалось резким скачком в развитии рынка автономных систем энергообеспечения (АСЭ). Наибольшую долю рынка АСЭ занимает частный сектор (около 60%). Владельцы частных домов и коттеджей активно используют ее в быту. Многие системы, установленные в частном секторе, способны работать в режиме полной автономии вне зависимости от центральной энергосети и даже генерировать энергию для ее дальнейшей продажи в центральную энергосеть. Подобные программы приняты во многих странах Западной Европы и в США, что существенно стимулирует развитие отрасли в этих странах. Современный мировой рынок фотоэнергетики – это вполне сложившийся, быстро развивающийся и постоянно растущий на 25-30% в год сегмент мировой экономики. Это обусловлено практической направленностью национальных программ высокоразвитых стран: 100 тыс. «солнечных крыш» в Германии, более 200 тыс. – в Японии, 1 млн – в США; выделением 3 млрд евро в ЕС на развитие фотоэнергетики до 2012 г.²

Совсем недавно двенадцать европейских компаний начали реализацию плана, согласно которому они потратят 400 млрд евро на строительство солнечных электростанций в Африке и на Ближнем Востоке. Построенные электростанции будут снабжать электричеством Европу, обеспечивая 15 % ее потребности в электроэнергии. В «солнечный» консорциум вошли такие крупные концерны, как ABB и Siemens, а также энергетические компании E.On, RWE, банк Deutsche Bank, страховая компания Munich Re и другие. Разрабатываемый компаниями план получил название «Промышленная инициатива Desertec» (Desertec Industrial Initiative).

Согласно прогнозам EPIA, объем фотоэнергосистем в 2020 г. превысит 50 ГВт, т.е. за 20 лет объем рынка  увеличится в 140 раз (в 2000 г. было произведено 280 МВт)³.

Фотоэнергетика экономически рентабельна уже сейчас: для обеспечения электроэнергией автономных потребителей, для низковольтного электрообеспечения (дежурное освещение, датчики, сенсоры и др.). Предполагается, что в скором времени цена одного солнечного кВт/ч сравняется с ценой одного кВт/ч, производимого на угольных станциях. Солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60% к концу века благодаря практически неистощаемому ресурсу энергии – Солнцу. В 2008 г. установленная мощность АСЭ достигла рекордного значения в 15 ГВт – рост в 65% по сравнению с 2007 г. (9,2 ГВт).

По данным EPIA, рынок  альтернативной солнечной энергетики вырос более чем в 2 раза – с 2,9 ГВт в 2007 г. до 5,95 ГВт в 2008 г.

На европейские страны приходится 81% от общей доли рынка  альтернативной солнечной энергетики⁴.

Перспективы формирования внутреннего российского рынка солнечной энергетики в настоящий момент весьма неопределенны. Основным драйвером его развития могут стать принятые в 2009 г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования ВИЭ на период до 2020 года». Этот документ определяет основные целевые показатели для возобновляемых источников, которые впоследствии будут уточняться для каждого сегмента альтернативной энергетики. Другими позитивными факторами способны стать инвестиционный интерес к отрасли, а также проекты создания солнечных кластеров на территории России.

Как отмечается в исследовании компании РосБизнесКонсалтинг «Рынок фотовольтаики: солнечные батареи», при оптимистическом сценарии развития мирового рынка фотоэлектричества, к 2013 г. мощность ежегодно устанавливаемых фотоэлектрических систем превысит 17 ГВт⁵.

Как показало начало 2010 г., мировой рынок фотовольтаики развивается именно по оптимистическому сценарию. Так, в США началось финансирование проекта Ivanpah. Компания BrightSource Energy сообщила о предоставлении ей Министерством энергетики США займа в размере 1,37 млрд долл. для поддержки проекта. Предполагается, что проект будет совмещать технологии солнечных фотоэлектрических и тепловых электростанций. Общая мощность проекта составляет порядка 400 МВт.

Помимо этого, в Калифорнии продолжается строительство 2-х крупнейших в мире солнечных электростанций. В сумме два объекта занимают площадь 32,37 кв. км и имеют производственную мощность 800 МВт. Это эквивалентно энергии, вырабатываемой крупной электростанцией на угле или небольшой АЭС.

Большую часть энергии (550 МВт) будет вырабатывать станция, строящаяся компанией Optisolar (это калифорнийские проекты. См. пред. абзац). Станция, строящаяся компанией SunPower, будет производить 250 МВт энергии, при этом ее эффективность будет увеличена на 30% благодаря возможности солнечных панелей поворачиваться вслед за солнцем. Строительство гигантских солнечных электростанций должно завершиться в 2013 г.

В России также может  появиться крупный потребитель  солнечного фотоэлектричества. Государственная корпорация «Олимпстрой» принимает предложения и анализирует опыт по использованию передовых технологий в области альтернативных источников энергии. Альтернативные источники энергии предполагается использовать в качестве резервных источников энергии и теплоснабжения олимпийских объектов. «Олимпстрой» в первую очередь интересуют фотоэлектрические системы и тепловые насосы.

В России солнечная  энергетика пока мало востребована. Однако потенциал для ее использования есть, особенно это касается Краснодарского края и Ставрополья, восточных регионов (Якутия, Магаданская область). Во многих областях Сибири и на юге страны число солнечных дней в году достигает трехсот. Этот показатель сопоставим с климатическим состоянием Южной Европы, где фотоэлектрические установки используются активно. При этом необходимо учитывать, что среднегодовые поступления солнечного излучения во многих южных районах России больше, чем в Германии, Италии и Испании. Солнечная энергетика полезна и для тех регионов, которые слишком дорого подключать к единой энергосистеме (отдаленные районы Восточной Сибири и Дальнего Востока). Россия расположена между 41 и 82° с.ш., и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются. По оценкам, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт•ч/м² в год, тогда как в южных районах она превышает 1300 кВт•ч/м² в год. Наблюдаются большие сезонные колебания в приходе солнечной энергии. Например, на широте 55° суточный приход солнечной радиации в январе 1,69, а в июле – 11,41 кВт•ч/м².

На территории России выпадает не так уж мало солнечных  часов – от 1500 до 2000 и более  в год. Причем в Сибири и на Дальнем  Востоке их не меньше, чем в Краснодарском крае. Для России широкое использование фотоэнергетики имеет большое значение. Сейчас более 10 млн граждан России живут без централизованного электрообеспечения. Даже если для 1 млн граждан будет использована фотоэнергетика (на каждого гражданина ~2 кВт•ч/сут.), необходимо установить более 500 МВт пиковой мощности фотоэнергосистем.

Прежде чем ставить  солнечные батареи для выработки  электричества, необходимо рассчитать эффективность применения данного  метода. Ниже приведена таблица помесячного поступления солнечной радиации для некоторых городов, построенная по данным спутников NАSА.

В ясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем  падает 1000 Ватт световой энергии солнца. В зависимости от местности солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду: есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще.

Автономные  солнечные энергосистемы могут  быть успешно использованы в городах  и районах с централизованным энергоснабжением. В развитых странах солнечная энергетика активно используется для автономного освещения подъездов жилых домов, рекламных щитов, для уличного и домашнего освещения. Многие объекты малого и среднего бизнеса используют солнечные системы для минимизации издержек в процессе производства и эксплуатации своих объектов.

При выборе места расположения солнечных электростанций (СЭС) на территории России использованы данные метеостанций Астрахань, Сочи, Хужер (Байкал), Улан-Удэ, Борзя (Читинская область), Каменная степь (Воронежская область), Оймякон (Якутия), Хабаровск, Нижний Новгород.

Расчет и опыт эксплуатации СЭС показывает, что почасовая  выработка электроэнергии, пропорциональная изменению солнечной радиации в течение дня, в значительной степени соответствует дневному максимуму нагрузки в энергосистеме. 
      Максимальные значения выработки электроэнергии за год для СЭС пиковой мощностью 1 млн.кВт получены при южной ориентации с углом наклона к горизонту 45 гр. для г. Хабаровска 1,846 млрд кВт/ч, для г.Борзя Читинской области 1,898 млрд кВт/ч, для г.Улан-Удэ 1,703 млрд кВт. ч, а при слежении по двум осям соответственно 2,51 млрд кВт/ч, 2,607 и 2,345 млрд кВт/ч. В европейской части России оптимальные районы размещения СЭС – это побережье Каспийского и Черного морей, Поволжье.

В сегодняшних границах России наиболее «солнечными» являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и Юга Сибири (от 4,5 до 5,0 кВтч/м² в день). Интересно, что Северный Кавказ, включая известные российские черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовой солнечной радиации относится к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВтч/м² в день). Более 60% территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВтч/м² в день.

Поскольку удельная стоимость  СЭС не зависит от ее размеров и  мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

При модульном размещении СЭС 1 млн. кВт способна обеспечить электроэнергией 500 тыс. сельских домов и коттеджей

Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. При КПД (отношение электрической мощности модуля к произведению плотности потока солнечной энергии на площадь модуля) солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв. км, что составляет 0,024% территории.