Солнечный удар

Как и почему бум гелиоэнергетики все-таки добрался до России

Несмотря на резкое снижение цен на нефть, 2014 год принес бурно развивающейся солнечной энергетике очередной рекорд роста. Более того, произошло совершенно фантастическое наращивание солнечных мощностей и в России, почти четверть века практически игнорировавшей настоящую революцию в этом секторе экономики. Что случилось? И что позволило гелиоэнергетике игнорировать объективно неблагоприятные факторы и развиваться, несмотря на экономические проблемы?

Почему в мире продолжается солнечный бум

В минувшем году мощность солнечной энергетики по всему миру выросла со 138 до 185 гигаватт. С учетом того, что общая мощность мировой энергетики — около 6000 гигаватт, доля солнечных электростанций (СЭС) уже превысила 3 процента.

В 2010 году суммарная мощность СЭС была всего 70 гигаватт. То есть за несколько лет гелиоэнергетика выросла более чем в 2,5 раза и ее объем продолжает увеличивается, несмотря на повсеместное снижение субсидирования «зеленых» киловатт.

Причины этого очевидны: быстрое технологическое совершенствование солнечных батарей на глазах снизило их стоимость в пять раз за пять лет, при этом КПД лучших массовых образцов увеличился с 15 до 20 процентов. В США, например, цена киловатт-часа упала с 32,3 цента в 2009 году до всего 7,2 цента в 2014-м. Солнечные киловатты стали дешевле тех, что производятся на угольных электростанциях, до сей поры считавшихся основным сектором американской энергетики.

Подчеркнем: речь идет о ценах без учета субсидий, иными словами, не о «зеленой» моде, базирующейся на освоении государственных средств, как это еще недавно было в Европе, а о вполне выгодном бизнесе. Только в первой половине 2014 года полмиллиона домовладельцев и коммерческих потребителей в США установили у себя солнечные батареи. Впервые в истории этой страны солнечных мощностей было введено больше, чем всех остальных вместе взятых (53 процента).

В Международном энергетическом агентстве считают, что к 2020 году стоимость солнечной энергии сократится еще на 25 процентов, что сделает солнечную энергию дешевле газовой. Прогноз может оказаться даже чересчур осторожным: ведь пока в массовом сегменте не представлены перовскитные солнечные батареи. А именно с их помощью в Корейском институте химической технологии в конце прошлого года удалась достичь КПД в 18 процентов — впервые сравняв его с эффективностью серийных кремниевых фотоэлементов. При этом стоимость перовскитных аналогов существенно ниже, и в ряде фундаментальных работ по ним отмечается, что КПД таких систем может быть существенно увеличен — до 30 процентов в ближайшие 5—10 лет. В настоящий момент единственное серьезное препятствие на пути внедрения перовскитов в индустрию — их недостаточно высокая устойчивость по отношению к нагреву и ультрафиолетовому излучению. Однако новые образцы в лабораториях уже достигли живучести, достаточной для 25 лет эксплуатации.

Не только с перовскитами связаны надежды солнечной энергетики. Американская First Solar завершает строительство двух крупнейших СЭС общей мощностью 1,1 гигаватт, использующих панели из теллурида кадмия (CdTe) — единственной фотоэлементной технологии (кроме кремниевой), в больших масштабах присутствующей на рынке.

Эти батареи намного тоньше обычных. С одной стороны, у них меньше КПД (17 процентов против 20 у кремниевых): малая толщина позволяет части света «проскочить» через панель. С другой — у них очень низкая энергоемкость и стоимость. Если кремниевый фотоэлемент в среднем возвращает энергию, ушедшую на его производство, за два года, то CdTe—панели делают это за 9—11 месяцев! Соответственно, и стоят они всего 570 долларов за киловатт мощности. Даже с учетом затрат на установку для крупных станций цена не превышает 900 долларов за киловатт установленной мощности, что примерно в полтора ниже, чем у ТЭС, и существенно меньше, чем у кремниевых решений.

Туманные воспоминания из школьного курса химии справедливо подсказывают: и теллур, и кадмий весьма ядовиты. В панелях они надежно защищены спецстеклом, и шанс попадания этих элементов из пустынных электростанций в питьевую воду ничтожно мал. Однако, действительно, имеется одна экологически неприятная черта: перелетные птицы принимают поляризованный свет, отраженный батареями, за водную поверхность и разбиваются, пытаясь «приводниться».

Несколько хуже дела у другой многообещающей технологии — концентрирующих СЭС, нагревающих зеркалами воду в башне, где разогретый теплоноситель вращает турбины (как на ТЭС). Такие станции в США оказались недешевыми — энергия у них пока в 1,5-2 раза дороже, чем у новых фотоэлементных проектов. Зато они способны вырабатывать электричество за счет накопленного тепла в вечерние и ночные часы (до 6-8 часов после захода Солнца). Проблема в том, что пока такие станции строятся гораздо реже фотоэлементных, что не позволяет наладить массовое и дешевое производство их компонентов. Да и оптимизация технологии еще далеко не завершена.

Интересно, что в конце 2014 года исследователи из Университета штат Огайо представили солнечную батарею, тоже способную вырабатывать электричество после заката. Это фотоэлектрохимическая ячейка Гретцеля с добавлением небольшого количества лития и двуокиси титана (дешевые титановые белила). Днем она накапливает электроны, полученные от фотонов солнечного света, восстанавливая пероксид лития, находящийся внутри батареи. Ночью, когда литий восстановлен до чистого, устройство забирает из системы электроны, вновь окисляя металл до пероксида лития. В обычной панели это было бы невозможно, поскольку полупроводники в ней представляют собой сплошную твердую преграду, не пропускающую воздух внутрь. Поэтому здесь внешнюю поверхность сделали в виде сетки с ячейкой в 200 микрон, пропускающей воздух и останавливающей частицы пыли. Ну а в качестве полупроводника используется окисленное железо, больше известное как ржавчина. Пока КПД устройства не превышает 10 процентов, но, как отмечают исследователи, ячейки Гретцеля в последние годы показывают рост КПД, обгоняющий обычные панели, и теоретически предел их эффективности не ниже 33 процентов. Такие панели можно использовать в автономных энергосистемах без батарей, зарядка которых требует до одной пятой вырабатываемой энергии.

Что это значит для нас

Определенно, несмотря на резкий рост солнечной энергетики, в ближайшее десятилетие она не вызовет резкого обрушения цен на углеводороды. Пик ее выработки по-прежнему приходится на летний полдень, в то время как пик энергопотребления — на зимний вечер. А значит, до создания крупных накопительных мощностей фотоэлементам не превысить 20 процентов от среднегодовой генерации энергосистемы. Тем не менее, по данным немецкого Института Фраунгофера, Германия за 11 месяцев 2014 года произвела из газа всего 29 миллиардов киловатт-часов (на 18 процентов меньше, чем в 2013-м), а вот солнечных киловатт-часов — 32,5 миллиардов (на 7 процентов больше).

Иными словами, 2014—й — первый для немцев год, когда Солнце опередило газ как источник электричества, сократив потребление метана. Поскольку солнечные электростанции там вводят в больших объемах, чем какие-либо иные, очевидно, что Германия, один из крупнейших потребителей российского газа, и впредь продолжит линию на выдавливание углеводородных энергоносителей. Полностью вытеснить газ фотоэлементам пока нереально, однако потребность в нем снизится ощутимо.

А с учетом того, что Китай даже опережает Европу в развитии гелиоэнергетики, простая переброска нашего газа с Запада на Восток вряд ли компенсирует такие потери.

Переломный момент

Как ни парадоксально, гелиоэнергетика в нашей стране также сделала резкий рывок вперед — хотя до 2014 года Россия не ввела в строй и нескольких солнечных мегаватт. Что же послужило причиной?

И тут не обошлось без крымского фактора: австрийская Active Solar (с украинскими корнями) построила на полуострове СЭС едва ли не на 200 мегаватт. Увы, они работали по европейской схеме, то есть за счет колоссального субсидирования посредством «зеленого» тарифа, в районе 46 центов за киловатт—час. Естественно, при новых властях Active Solar отказывалась продавать электричество дешевле, из-за чего некоторое время все СЭС в Крыму были вообще отсоединены от сети. Однако ближе к осени ограничения в поступлении электроэнергии с Украины заставили крымские власти усилить давление на владельцев, и в декабре 2014 года крымские гелиоэлектростанции стали выдавать до 135 мегаватт мощности. Летом они могут генерировать намного больше, так что всего в 2014 году крымское наследие увеличило российские солнечные мощности в полсотни раз.

Конечно, станции эти строились еще на Украине и к сознательным усилиям российских игроков гелиорынка отношения не имеют. Но это вовсе не значит, что у нас их нет. В сентябре 2014 года российский «Хевел» («Ренова» — 51 процент акций, «Роснано» – 49) впервые в истории России ввел СЭС мощностью 5 мегаватт. Несмотря на смехотворность этой цифры в сравнении с достижениями немцев или китайцев, для нас это переломный момент.

Почему мы так долго ждали? Все просто: свойственные нашим банкам высокие процентные ставки по кредитам ранее делали проекты такого рода нерентабельными. Постановление правительства от 28 мая 2013 года ввело новый режим стимулирования возобновляемой энергетики. Теперь сроки окупаемости проектов сократились до 15 лет. В итоге в 2014 году в конкурсах по строительству СЭС приняли участие сразу несколько компаний, среди которых одна («Хевел») располагает собственным производством солнечных батарей.

Генеральный директор «Хевела» Игорь Ахмеров сообщил, что весной этого года в Оренбургской области откроется Переволоцкая СЭС (5 мегаватт), а всего в 2015 году компания введет 25 мегаватт как в азиатской, так и в европейской части страны. На 2016 год запланированы еще 84 мегаватт, а всего до 2018 года — 254 мегаватт, что существенно превысит крымские объемы.

Обеспечивать этот рывок предстоит построенному «Хевелом» Новочебоксарскому заводу, выпускающему солнечные батареи из российского кремния. Пока, по словам Ахмерова, даже несмотря на местную ресурсную базу, до 60 процентов стоимости новочебоксарских фотоэлементов приходится на импортные компоненты: особо чистые газы, спецстекла для защиты фотоэлементов и прочее. Программа локализации предусматривает переход на российских поставщиков в этих отраслях, что позволит в ближайшее время заменить до 80 процентов ввозимых компонентов на отечественные аналоги.

Конкуренты «Хевела», импортирующие солнечные батареи, такими грандиозными планами пока похвастаться не могут. Компания «Евросиб», которая еще в 2014 году планировала ввести 5-мегаваттную СЭС в Абакане, до сих пор не закончила даже этот проект, перспективы других запланированных ею СЭС в настоящее время недостаточно ясны.

Солнце за тучами: технологическая гонка и кредитный голод

Разумеется, не все солнечно и для «Хевела». Как и любой игрок гелиоэнергетического рынка, компания подвергается сильнейшему давлению своего рода закона Мура — все новых и новых технологий, постоянно возникающих в этой области. В тот момент, когда компания приобретала швейцарское оборудование для завода в Новочебоксарске, это была передовая технология и создаваемые ею тонкопленочные микроморфные фотоэлементы позволяли получать больше энергии даже от рассеянного солнечного света, да и напряжение с каждой панели было во много раз выше. Увы, как часто случается в отраслях, работающих на переднем крае научно-технического прогресса, за несколько лет технология устарела. КПД производимых по ней фотоэлементов — примерно 10 процентов, в то время как лучшие современные серийные образцы показывают 20 процентов.

В «Хевеле» решили разрабатывать свои технологии. Для этого был организован Научно-технический центр при Физико-технологическом институте им. Иоффе. И в конце декабря 2014 года ученые продемонстрировали возможность выпуска гетероструктурных солнечных батарей с КПД 20% на уже установленном в Новочебоксарске оборудовании. Такие фотоэлементы делают не напылением на стеклянную подложку, как у нынешней продукции «Хевела», а созданием p-n переходов непосредственно на поликристаллической кремниевой подложке.

В случае успеха инновации «Хевел» сможет активно экспортировать свою продукцию на внешние рынки. Как отмечает гендиректор, именно экспорт является главной стратегической целью предприятия.

Оптимизм по поводу российской солнечной энергетики разделяют и за пределами нашей страны. Летом прошлого года «Солар системс», компания китайского происхождения, выиграла конкурсы на строительство в России в 2016-2018 годах СЭС на 175 мегаватт, что близко к планам «Хевела». В соответствии с конкурсными требованиями к локализации (70 процентов в 2016-2018 годах) компания планирует строительство собственного завода в Татарстане, рассчитанного на выпуск фотоэлементов мощностью 100 мегаватт ежегодно.

Теоретически «Солар системс» находится в менее выгодных условиях, чем «Хевел», импортировавший оборудование до девальвации конца прошлого года. С другой стороны, есть и у китайцев очевидно сильные стороны: представители компании заявляют, что кредиты как на строительство завода, так и на возведение СЭС будут брать в КНР под приемлемые проценты.

Разумеется, отечественная солнечная энергетика тоже страдает от нынешнего кризиса экономики. «В наших проектах нет маржи, способной выдержать ставку кредитования в 17 процентов и выше», — подчеркивает глава «Хевела». Остается надеяться, что ЦБ все же сделает выбор между ставкой и реальным сектором в пользу последнего.