Металлические подсолнухи на выжженном поле
Фотоэлементы на Земле покрывают 3,68 миллиарда квадратных метров территории, и их количество непрерывно растет. Однако будущее солнечных батарей будет совсем не таким, как кажется сегодня.
На планете сегодня около 500 гигаватт солнечных электростанций. Вырабатывают они порядка 500 миллиардов киловатт-часов в год – половину от всей генерации российской энергетики, или 2,5% от общемировой выработки. На первый взгляд, это огромный успех. Еще десять лет назад все солнечные батареи мира имели только 23 гигаватта мощности – в 20 с лишним раз меньше, чем сейчас. Всего пять лет назад их мощность была 178 гигаватт, в 2,8 раза меньше. Практически все в отрасли уверены: в 2020-х солнечная энергетика превысит 10% от мировой генерации, а в 2030-х – и 25%.
Для такой огромной и медленно меняющейся отрасли, как энергетика, это сверхвысокие темпы развития. С 1880-х, то есть с самого начала промышленной электрогенерации, ее основным источником энергии служит уголь. Природный газ за полвека борьбы с черным королем лишь в последние годы взял на себя четверть мировой выработки электроэнергии. Солнечная энергетика может сравниться по успеху с газом уже в 2030-х, резко ограничив генерацию из ископаемого топлива. И это неплохо, если вспомнить, что от его сжигания только в Соединенных Штатах гибнет 50 тысяч человек в год.
Но во время этого победного шествия у солярных электростанций начали назревать серьезные проблемы: сфера стала такой большой, что не помещается в сложившуюся матрицу мировой энергетики. Использующие ее энергосистемы страдают от избытка энергии в полдень, от ее дефицита – утром и вечером.
Чтобы решить эти проблемы, СЭС переходят к новым и непривычным формам – крупным «щитам» из солнечных батарей на подвижном «стебле», поворачивающем их вслед за движением Солнца по небосводу. Это позволит фотоэлементам захватить регионы, прежде считавшиеся просто недостаточно солнечными. Но обо всем по порядку.
Умение искать выжженное поле
Много лет зеленые энтузиасты рассказывали, что переход к солнечной энергетике разрушит нынешнее «энергетическое неравенство», когда одни страны владеют энергоресурсами – нефтью, газом, ураном, а другие – нет. И поэтому должны их импортировать. Увы, это было и пока остается красивой сказкой. На самом деле, площади, где целесообразно получать электричество от Солнца, – пока такой же энергетический ресурс: у кого-то он есть, а у кого-то практически отсутствует.
Сравним, например, Россию и Чили. В пустыне Атакама заметные облака появляются раз в сотни суток, а над Москвой – раз в несколько суток. Летом 2019 года, как мы все наблюдали, – еще чаще. Атакама находится на экваторе, поэтому более 90% светового дня солнце стоит прямо над солнечной батареей, угол падения его лучей – прямой. В Москве солнце даже летом стоит прямо над головой только в полдень, на порядок меньше времени.
Чем больше угол падения лучей на фотоэлемент отличается от прямого, тем сильнее падает его выработка – фотоны просто отражаются от батарей и уходят вверх. Зимой ситуация еще хуже: светило над Москвой вообще не стоит «прямо над головой» (в декабрьский полдень – всего 11,4 градуса над горизонтом), мы видим его сильно ниже летнего, то есть свет падает на батарею все время под большим углом, а выработка очень низка.
В норме, когда с ясного неба на солнечную батарею падает киловатт на квадратный метр, в электричество превращается 250 ватт. В Москве на квадратный метр поверхности приходится лишь 1174 киловатт-часа солнечной энергии в год, из которых в электричество превращается 290 киловатт-часов. Но даже эти очень небольшие 1174 киловатт-часа приходятся только на солнечную панель, ориентированную наилучшим образом, – наклоненную на юг под углом в 40 градусов. Если положить панель горизонтально, то энергия, за год падающая на нее, снизится до 1021 киловатт-часа на квадратный метр, а выработка – до 250 киловатт-часов.
Проблема в том, что московский «оптимальный угол» тоже не оптимальный: наклонные солнечные батареи создают за собой тень, и чем ниже Солнце над горизонтом, тем она длиннее. Фотоны, падающие на фотоэлемент, генерируют поток электронов, которые и составляют выработку солнечной батареи. Но если часть панели затенена, электроны не уходят с панели в сеть, а частью мигрируют в затененную ее область. Там они рекомбинируются («прицепляются» к другому куску кремниевого полупроводника), испуская фотон в окружающее пространство (как правило, в невидимом глазу инфракрасном диапазоне).
Так, батарея начинает греть воздух, тратя на это большую часть выработки. Чтобы избежать этого, фотоэлементы надо либо разносить на большое расстояние (из-за этого выше стоимость земли под солнечную электростанцию), либо мириться с прогрессивно падающей утром и вечером (а также весной, зимой и осенью) выработкой.
На последнее никто не пойдет, поэтому на широте Москвы зазор между рядами солнечных батарей должен быть во много раз больше, чем их ширина. Если на экваторе 50% крыши завода или супермаркета может быть покрыто солнечными батареями (еще 50% – для прохода персонала), то в Московской области нет смысла покрывать им более 10-15% крыши. Большие СЭС за городом тоже требуют куда больше земли, чем в более южных местах. Именно поэтому их здесь не бывает.
На квадратный метр Атакамы приходится эквивалент 3500 киловатт-часов, втрое выше московского, причем оптимальным углом для батареи здесь будет ноль градусов. Нет теней от соседних батарей, то есть их можно располагать максимально плотно, поэтому обычная солнечная электростанция одной и той же мощности в Чили за год выработает втрое больше, чем в российской столице, и окупит себя в несколько раз быстрее. Соответственно, в Москве или Московской области солнечная электростанция вырабатывала бы энергию по цене намного более высокой, чем тепловая электростанция. И не надо думать, что Москва – исключение. Достаточно взглянуть на карту инсоляции Великобритании, чтобы выяснить: бывает и хуже.
Все это создало проблему больших масштабов: в экваториальных странах масса солнечного «ресурса», но в силу стабильной бедности энергии они потребляют немного. В высоких широтах люди богаче и солнечная энергия пригодилась бы, но «ресурса» там очень мало – настолько, что СЭС часто не окупаются. Та же проблема наблюдается в России: оптимальные регионы размещения таких электростанций у нас – Калмыкия, Крым, Алтай. Вот только плотность населения там в десятки раз ниже, чем в Московской области.