Текущее состояние солнечной энергии в условиях домашних хозяйств США

Только не паникуйте, но к 2050 году нам понадобится генерировать 15 ТВт энергии из возобновляемых (не увеличивающих выбросы углекислоты) источников, чтобы стабилизировать концентрацию CO2 в атмосфере. И в плане доступности, наибольший потенциал для этого на сегодняшний день есть у солнечной энергии.

Солнечная энергия – это «вероятно, единственное решение по получению энергии, как достаточно серьёзное по отдаче, так и достаточно приемлемое для долгосрочных [экологических] требований планеты», – говорит Ричард Перес, главный научный сотрудник Исследовательского центра атмосферных наук в Университете штата Нью-Йорк в Олбани. Анализ Переса включает геотермальные источники, ветер, другие возобновляемые источники, ядерный синтез и все виды ископаемого топлива.

Так что, если ветер, гидроэнергетика и геотермальные источники в некоторых регионах работают на локальном масштабе, сегодняшний потенциал солнечной энергии превосходит любой другой источник возобновляемой энергии на несколько порядков. Это единственный кандидат, кроме ядерной энергии, для глобального решения по добыче огромного количества энергии.

В среднем на Землю попадает около 175 Вт/м2 солнечной энергии. Если предположить, что 10% этой энергии можно преобразовать в электричество, то поставка необходимой США энергии потребует покрыть 2% земли США солнечными панелями – это примерно площадь Северной Дакоты. Поскольку это в 30 раз больше площадей наших крыш, для сбора такого количества энергии потребуется построить крупные солнечные электростанции.

Но это не уменьшает полезность нескольких панелей на вашей крыше. Если у вас свой дом, вы в принципе можете генерировать электричество сами. Вы можете уменьшить или устранить вашу зависимость от поставщика электричества – а может даже и продавать ему избытки, ещё больше уменьшая стоимость или даже получая прибыль.

Недавняя смена лидера государства намекает на неопределённость ситуации с солнечными инициативами США. Но отдельные организации, предприятия и граждане могут решать за себя, увеличивать ли им использование солнечной энергии. Чтобы лучше представить себе текущее состояние домашнего использования солнечной энергии в США, мы ознакомились с практикой, экономической стороной вопроса и опытом разных людей, превративших в последнее время свои дома в маленькие электростанции. Надеемся, что даже если вы живёте в квартире в подвале, эта информация сможет вас… просветить.

В детстве мы восхищались калькуляторами и часами, работающими от солнца. Кое-кто получал в подарок научные наборы, где крохотные моторы были объединены с солнечными панелями размером с ладонь. Создание электричества из света казалось волшебством. Почему мы не можем сделать это во всём мире?

Одно из главных исторических препятствий к цивилизации, живущей на солнечной энергии – низкая эффективность и высокая стоимость солнечных панелей (СП) – пластин, преобразующих фотоны в электричество. Их эффективность, точнее, коэффициент фотовольтаического преобразования – это отношение электрической энергии, выдаваемой панелью, к энергии солнечного света, падающей на её поверхность.

Их история довольно длинна. Первую СП придумал в 1883 году Чарльз Фриттс, мечтавший, как его СП будут соревноваться с растущей сетью сжигающих уголь электростанций Томаса Эдисона. Но 1% эффективность его СП сделало исполнение мечты невозможным.

К 1954 году лаборатории Белла продемонстрировали публике СП, подключив её к игрушечному колесу обозрения и к радиопередатчику. Устройство обладало эффективностью в 6%, что было значительным достижением по сравнению с предыдущими СП. Также это на самом деле была уже панель, на которой несколько фотоэлементов были соединены в солнечную батарею. Хотя она всё ещё была слишком дорогой для широкого распространения, The New York Times впечатлилась демонстрацией и объявила её «началом новой эры, которая приведёт к реализации одной из самых драгоценных надежд человечества – освоения практически безграничной энергии Солнца для нужд цивилизации».

В 50-х и 60-х годах продолжались исследования кремниевых СП. Небольшие СП начали появляться в игрушках и потребительских устройствах. К середине десятилетия эффективность удвоилась, но стоимость оставалась слишком высокой, особенно по сравнению с небольшой стоимостью электричества того времени. Одноваттная СП стоила $300, а стоимость 1 Вт энергии, получаемой от электростанций, составляла 50 центов.

Но к концу декады СП показали свою полезность как источник энергии для целого флота искусственных спутников. ВМФ США, изначально скептически относившиеся к СП, изменили своё мнение, когда обычная батарея на первом спутнике умерла через несколько дней. А СП поддерживали его работоспособность годами.

Стоимость высококачественных СП, используемых в спутниках и в космическом оборудовании, хоть и высока, но составляет лишь малую толику общей стоимости этих систем, а относительно малая стоимость топлива и наземной энергии в 50-х и 60-х годах не стимулировали к снижению их стоимости. Но к началу 70-х были разработаны СП, использующие материалы подешевле, и стоимость панелей снизилась до $20 за Вт. Совместно с энергетическим кризисом 1973 года это вызвало новую волну интереса к солнечной энергии в смысле её наземного использования.

Но технология всё ещё не была готова для массового рынка: эффективность находилась в районе 10%, и стоимость оставалась высокой.

Сегодня ощущается повышение интереса к солнечной энергии, как на домашнем уровне, так и на более крупных масштабах. Всё это происходит благодаря сложению нескольких факторов: уменьшение стоимости; увеличение эффективности СП; стимулирующая обстановка со стороны регуляторов и налогов; распространяющаяся обеспокоенность изменением климата; предпринимательские инновации.

Всплеск интереса связан и с экспоненциальным ростом использования солнечной энергии за последние 20 лет. Перспективы для роста сохраняются. Не менее чем в 30 странах, включая частично и США, энергия с СП на крыше становится дешевле, чем из сети – и это не считая субсидий на их приобретение.

Что ещё помогло вхождению СП в жизнь, так это рынок со множеством альтернатив обычным панелям, располагаемым на крышах. Некоторые компании продают эстетически более привлекательные варианты, такие, например, как СП в виде покрытия для крыш (в результате получается блестящая крыша, а не торчащие с неё панели). Одна фирма предлагает мелкие дома, разработанные для разных клиентов, включая сегмент тех потребителей, которые стараются минимизировать свой вклад в выброс парниковых газов. Некоторые из таких продуктов идут с интегрированными солнечными крышами и возможностью работать полностью автономно.

Илон Маск недавно заявил, что его «солнечная крыша» в установке будет дешевле обычной, даже не считая её возможности генерировать электричество. Такой вариант сделал бы выбор солнечной крыши безрисковым при строительстве.

Также владельцы домов не ограничены поверхностью крыш. Та же технология применима к навесам для авто и другим отдельным строениям, и СП-панели можно установить даже в поле или во дворе.

И хотя мы концентрируемся на солнечной энергии в домашних хозяйствах, необходимо отметить растущий сегмент СП-сооружений среднего размера. Они больше, чем домашние, но меньше, чем масштабные солнечные электростанции. В недавней поездке по Мэриленду и Виргинии мы заметили несколько участков земли, засаженных рядами СП, а не кукурузой или пастбищами для коров. Небольшие солнечные электростанции становятся популярным способом получения преимущество солнечной энергии для небольших общин без необходимости для каждого члена общины покупать свою собственную систему.

Вид СП, перемежающихся с зерновыми, напомнил нам о том, что это просто самый новый способ эксплуатации обильной и бесплатной энергии Солнца – преобразование её в электричество, а не в сахар через фотосинтез.

Итак, вы решили заняться сбором солнечной энергии. Разумная ли это инвестиция?

Для многих людей это не просто расчёты доходов и расходов: осознание того, что вы уменьшаете ваш вклад в выброс парниковых газов, может перевесить чисто финансовые соображения. А те, кто инвестирует в автономную систему с аккумуляторами, получает удовлетворение от безопасности и независимости от местной инфраструктуры.

Но система стоит денег. Если вы не заключили выгодную сделку с установщиком, для большинства людей установка СП на крышу – серьёзное вложение. Эти затраты снижаются уменьшением вашего счёта за электричество, а возможно, и продажей вашей энергии в энергосеть.

Кроме таких общих заявлений, невозможно сделать определённые предсказания по поводу стоимости домашней солнечной энергии. Всё потому, что все имеющие к этому отношение факторы очень сильно зависят от того, где вы живёте. В городах, где стоимость электричества самая высокая, инвестиция в солнечные панели на крыше может посоперничать с инвестицией в индексный фонд. Там, где стоимость электричества ниже, а погодные условия делают СП неэффективными, это может быть тратой денег (не считая указанных выше иных причин). Стоимость продажи электричества обратно в сеть также зависит от регионов.

Исследователь энергии Джошуа Родс отмечает, что средняя стоимость солнечной энергии с СП на крыше, учитывая установку, время жизни и другие факторы, в США сейчас сравнялась со стоимостью энергии из сети: примерно 12 центов за кВт-ч. Это может стать поворотной точкой, означающей, что каждый домовладелец, настоящий или потенциальный, должен серьёзно рассмотреть СП как часть его вложений.

Но эти цифры скрывают детали. Стоимость полученной из сети энергии по стране может отличаться в 10 раз, и стоимость установки панелей, а также солнечный свет, тоже сильно варьируются. Родс собрал свои данные на картах, показывающих, в каких местах домашняя солнечная энергия стоит вложений, а где она ещё не готова для внедрения.

В результате находятся большие регионы, где велики как стоимость энергии, так и количество солнечного света, типа южной Калифорнии – там установка панелей может быть хорошей идеей. В штате Вашингтон плохо с солнцем и дешёвое электричество, так что там в этом может не быть смысла.

Но эта информация быстро устаревает. Обычные, кремниевые СП, постоянно падали в цене, в основном из-за экономии на масштабе. Этот процесс может приближаться к насыщению рынка, и будущее снижение стоимости может быть основано на исследованиях новых типов фотоэлементов или способов производства.

Ник Уайт живёт в Денвере, Колорадо, он установил СП себе на крышу чуть больше года назад и вёл подробные записи. Он поделился ими с нами, и их изучение будет познавательным.

Ник отслеживал выход своей солнечной системы и обнаружил, что СП сгенерировали примерно 3400 кВт-ч электроэнергии за первый год работы. В этот период его хозяйство потребило примерно 4200 кВт-ч, что на 800 кВт-ч больше, чем дало Солнце. Излишки поступали из электросети.

Электричество из сети стоит 13 центов за кВт, так что счёт за 800 кВт-ч составил бы $104. Но согласно правилам энергетическая компания должна платить Уайту по 3 цента за каждый кВт-ч, произведённый его панелями. Эта субсидия призвана уменьшить стоимость установки СП. В других штатах существуют подобные субсидии.

Итоговая плата за панели составила 3400 * 3 ц, то есть $102. В результате счёт Уайта составил $2. Без панелей счёт был бы 4200 кВт-ч * 13 ц, или $546, так что Солнце принесло прибыль в $546 — $2 = $544 за год.

Уайт отмечает, что возврат $544, поделенный на стоимость установки в $7672 (после возврата налогов), даёт ему %7,09 возврата (не считая процентов по кредиту за установку). Уайт считает, что правильно вложил деньги. А поскольку с годами стоимость электричества из сети увеличивается, экономия также будет увеличиваться, даже с учётом небольшой деградации эффективности панелей.

По поводу их работы он говорит: «Я вообще о них не думаю. Они всегда включены, и ухаживать за ними не нужно».

Энергопотребление дома Уайта такое скромное (примерно половина от среднего значения в его регионе) потому, что перед установкой СП он вложился в эффективные технологии. Он оценивает, что экономия от использования светодиодных ламп и эффективных домашних приборов получается даже большей, чем от панелей.

Возможно, важнее финансового аспекта панелей будет тот факт, что семья Уайта немного уменьшила выбросы парниковых газов: 60% энергии Колорадо получает от сжигания угля. Для него это «наилучший из всех результатов».

Уайты много путешествуют в автодоме, который они также снабдили СП на крыше. Это автономная система с аккумуляторами. Они прикидывают, что автономный автодом стоит в 2-5 раз больше, чем обычный.

Перед тем, как думать об установке СП на крышу, нужно оценить доступную площадь поверхности и количество получаемого ею солнечного света. Это позволит вам определить, сможет ли система выдать достаточно энергии для того, чтобы она имела смысл. Местные установщики могут провести расчёты для вас, но им, конечно, выгодно продать вам панели. Так что в целом хорошей идеей будет самостоятельно прикинуть, чего можно ожидать от системы, перед походом в такую компанию.

Project Sunroof – сайт от Google, который, получив ваш адрес, скомбинирует данные о вашей крыше с местной погодой, затенённостью и попробует подсчитать экономический аспект СП на крыше вашего дома. Он может быть полезен как грубая прикидка, или помочь в выборе между несколькими вариантами домов, которые вы хотите купить, но проект пока находится на ранней стадии, и не способен к детальному анализу. К примеру, он считает, что вся поверхность крыши доступна для установки СП, хотя, возможно, что местные законы и практические соображения не позволят занять её всю. И на момент написания этой статьи на сайте работает расчёт не по всем возможным адресам.

Примером нестандартного использования солнечной энергии, который вряд ли смогут рассчитать алгоритмы из Google, будет опыт Криса де Декера, ведущего свой блог «Журнал низких технологий» из принадлежащих ему апартаментов близ Барселоны в Испании. Недавно он решил провести эксперимент и запитать свой офис исключительно от солнечных панелей. И хотя мы здесь говорим о США, его опыт интересен. Средняя энергия солнца в Барселоне в 1700 кВт-ч/м2/год совпадает с США.

У де Декера нет доступа к крыше, так что он воспользовался окнами. Оказалось, что они идеально выходят на направление между югом и юго-востоком, и их не затеняют деревья или здания. Но небольших панелей, разместившихся у него на подоконниках, не хватило для питания офиса.

Он смог увеличить выдачу СП, построив для них держатели с тем, чтобы панели были наклонены под углом, собирающим наибольшую энергию от Солнца (фото ниже). Такой стратегии придерживаются на солнечных электростанциях, но она обычно недоступна для типичных домов, где панели просто крепятся на крышу. Де Декер увеличил среднюю годовую выдачу примерно на 10%, периодически меняя угол наклона панелей, при этом это преимущество на самом деле оказалось больше, чем кажется. Увеличение выдачи пришлось на зимний период, когда как раз очень важно выжать все доступные ватты из системы. В эти месяцы наклонённая панель может выдавать в 3 раза больше энергии, чем горизонтальная.

Более важным стало преобразование его офиса в систему, работающую от постоянного тока в 12 В. Разные СП выдают постоянный ток разного напряжения, а 12 В – самое распространённое напряжение для малых панелей. Это удобно для питания многих электронных устройств, например, ноутбуков, работающих от 12 В. Когда вы включаете ноутбук в сеть переменного тока, то блок питания превращает 120 В (в США) переменного тока в 12 В постоянного, в результате чего теряется энергия. Эту потерю легко почувствовать по нагреву блока.

Чтобы типичная система сбора солнечной энергии совмещалась с электропроводкой, её постоянный ток подаётся через инвертер и трансформатор, преобразующий её в ток 120 В и 60 Гц (в США), требуемый для домашней электроники. Вместо того, чтобы преобразовывать вывод панелей и терять энергию, де Декер преобразовал устройства так, чтобы они потребляли ток в 12 В напрямую от панелей. В большинстве случаев для этого оказалось достаточно использовать другой шнур питания. В результате было сохранено 40% энергии, что сильно повлияло на успех его эксперимента.

Последний наш пример возник благодаря Бенжамину Мейеру, живущему в Массачусетсе. Климат в Новой Англии неидеален, и панели часто заносит снегом. Тем не менее, в течение года они сгенерили больше энергии, чем потребило хозяйство. Мейеры в ответ установили систему кондиционирования воздуха и другие приборы, чтобы привести потребление в соответствие с производством. Через 5 лет после установки панели окупили себя, если учесть субсидии от государства и налоговые поблажки.

«Я редко вспоминаю о панелях, – сказал Мейер. – Самым сложным делом было установить их и включить в первый раз, и смотреть, как счётчик крутит в обратную сторону, зная, что ты ничего не платишь за электричество. Думаю, каждый, кто ставил себе панели, может рассказать вам об этом моменте».

В другом конце страны, в Сан-Франциско, нас любезно согласился проконсультировать Дэн Биркен, программист. Его СП на крыше дают энергию почти год. Он описывает свои затраты на СП, как «не лучшее вложение», но отмечает, что «я покупал их не из соображений вложения денег, а потому что я хотел, чтобы у меня были свои панели, поскольку это не самое ужасное вложение. Прикольно получать свою собственную энергию от Солнца».

Биркен прикидывает, что его система экономит ему от $900 до $1200 в год, включая стоимость продажи энергии обратно в сеть.

Дом Биркена попал под распространённый закон, запрещающий размещать СП ближе, чем в 90 см от конька крыши. Это сделано для того, чтобы пожарные могли в случае чего передвигаться по крыше, но закон уменьшает полезную площадь и так небольшой крыши. Популярные онлайн-калькуляторы обычно не учитывают подобные тонкости.

Нет сомнений, что кВт-ч с крупномасштабных солнечных электростанций выходят дешевле, чем с небольших домашних. Вообще, стоимость энергии крупных солнечных электростанций недавно стала немного ниже, чем у газовых ТЭС.

Одна из причин привлекательности домашних СП – возможность получить неплохие субсидии, снижающие стоимость системы. В США сейчас действуют несколько правил, делающих домашние СП привлекательными. Сейчас действует 30% налоговая скидка на установку систем солнечной энергии; она будет работать до 2019 года, затем уменьшится, и в 2021 исчезнет. С некоторыми оговорками она также применима для солнечных систем нагрева воды.

Эта скидка уже значительно стимулировала исследования в области СП и их домашнюю установку. Хотя она вскоре исчезнет, были продлены предыдущие налоговые поблажки. Конгресс будет рассматривать скидки на налоги ежегодно, так что и это может измениться. Кроме федеральных скидок, существуют также скидки по конкретным штатам.

Ещё один вид стимуляции использования солнечной энергии недавно вступил в силу в Сан-Франциско. В качестве прекрасного примера предложения, от которого невозможно отказаться, город обязывает оснащать все новые здания каким-либо типом системы получения энергии от солнца.

Давайте сделаем очевидное заявление: солнечные панели не работают ночью или под снегом. Однако обычно электричество требуется нам круглосуточно. Для этого нам необходимо хранить лишнюю энергию, полученную солнечными днями, и извлекать её тогда, когда генерация недоступна.

Крупные солнечные электростанции, государственные и коммерческие, используют различные способы хранения энергии, и могут выбирать наилучший вариант, в зависимости от окружения. Они могут хранить солнечную энергию в виде гравитационной потенциальной, накачивая воду в приподнятые резервуары, и затем получая энергию, сливая воду через турбины. Они могут сжимать ёмкости с газом или пружины, использовать химическую энергию в привычных аккумуляторах, или же использовать более сложные процессы, типа получения из воды водорода, который затем можно сжигать.

Единственным практическим решением для домашней системы из этого списка будет электрический аккумулятор. Но на текущем этапе развития технологий стоимость покупки и обслуживания системы батарей весьма высока. В результате большинство людей используют подсоединение к электросети и отказываются от автономности. Это позволяет продавать лишнюю энергию в энергосеть днём, и забирать электричество из сети ночью или в любое другое время, когда панели не работают.

Использование электросети в качестве аккумулятора делает установку СП не только проще и дешевле, но и позволяет системе быстрее окупиться, поскольку во многих штатах энергокомпании обязаны платить домохозяйствам за энергию, передающуюся в сеть. Однако во время местного блэкаута, когда энергия может быть вам нужнее всего, ваша система отключится из соображений безопасности для работников энергокомпании, которые будут чинить сеть.

Очевидным выбором для организации хранения энергии будут аккумуляторы, и обычно это свинцово-кислотные аккумуляторы, такие, как в автомобилях. Недавно Tesla Motors заявила о том, что адаптировала технологию литий-ионных батарей, используемых в её электромобилях, для использования дома в качестве резервной батареи. Устройство PowerWall разработано так, чтобы работать как для сбора энергии солнца, так и для обеспечения резервного питания в случае отключений.

Улучшение эффективности батарей и снижение их стоимости настолько же важно, как улучшение эффективности солнечных панелей. Если недавний прогресс продолжится, то такие системы станут более популярными. Если доля рынка электромобилей будет повышаться, такие аккумуляторы могут стать преимущественным методом хранения энергии и системой выравнивания спроса – ведь все, кто купит электромобиль, уже вложат свои деньги в батарею.

Недавняя покупка компанией Tesla компании SolarCity – часть стратегии (в финансовых кругах рассматриваемой с большой долей скептицизма) создания вертикально интегрированной компании, поставляющей солнечную энергию, системы для её хранения и средств передвижения, потребляющих её – при том, что эти автомобили потенциально станут частью системы хранения энергии. Аналитики предсказывают, что к 2020 году батареи автомобилей Tesla будут хранить 70 ГВт энергии – не считая машин других производителей.

Tesla уже так серьёзно вложилась в проект Tesla, что в 2016 году установила больше аккумуляторов, чем все компании установили в 2015 году в США. Компания намерена производить «легко интегрируемую и красивую систему „солнечная крыша с аккумулятором“, которая просто работает, даёт энергию потребителю, и затем масштабировать её по всему миру». После покупки SolarCity Маск с компанией объявили о планах и о технических достижениях, совпадающих с этой целью, включая передовые инверторы и солнечные крыши.

Дочитавшим до этого момента ясно, что история домашней солнечной энергии сложна и подвержена постоянным изменениям, благодаря быстрому прогрессу в исследованиях и постоянно меняющемуся налоговому ландшафту. Но технология и экономика уже дошли до такого состояния, что мы можем быть уверены в том, что СП на крыше однозначно имеют смысл, если у вас есть свой дом в солнечном регионе… если, конечно, местные правила и законы не возводят слишком много препятствий.

Для домов в менее удобных климатических условиях сложнее доказать рациональность установки СП. Но вас всё-таки может убедить некоторая независимость от местной энергокомпании, а также вступление в ряды граждан, ответственно подходящих к климатическим проблемам нашей планеты.