У Казахстана есть все необходимое для развития солнечной энергетики
В послании народу президент страны Нурсултан Назарбаев поставил задачу создать инновационные и передовые производства в республике. Одним из таких направлений может стать развитие солнечной энергетики.
Более того, у Казахстана, в недрах которого находится вся таблица Менделеева, а территория – в «солнечном поясе», есть шанс выбиться по этому показателю в мировые лидеры.
Солнечная энергетика вслед за ядерной в настоящий момент переживает ренессанс. Такое положение связано с ужесточением экологических норм и ростом потребности в электроэнергии. Это «ножницы» мировой экономики, поскольку трудно нарастить энергетические мощности без ущерба для окружающей среды. Но выход есть – ускоренный переход к более «чистой» энергетике. Так, развитые страны объявили о предпринимаемых мерах по значительному, поэтапному снижению техногенных выбросов (от 15 процентов до 40!) и выделяемых средствах порядка 30 млрд долларов США в течение ближайших трех лет и 100 млрд до 2020 года для помощи наименее обеспеченным странам, страдающим от потепления климата. Эти страны также просят оказать им помощь как в технологическом и техническом оснащении тепловых электростанций, обеспечивших промышленно развитым странам технический прогресс в ХХ веке, так и в использовании новых источников энергии. Учитывая важность проблемы, было принято решение рассмотреть исполнение юридических обязательств государств по Киотскому протоколу (международный документ, обязывающий страны сокращать выбросы парниковых газов. – Ред.) на конференции ООН по климату в этом году в Мехико.
Энергопотребление, или количество потребленной энергии на единицу произведенного внутреннего валового продукта, отличает экономически развитые от развивающихся стран. Эта величина характеризует не только уровень технологического развития и эффективность предпринимаемых мер по энергосбережению, но и объемы техногенного загрязнения. Становится очевидно, что наряду с уменьшением выбросов и доли производимой энергии тепловыми электростанциями необходимо существенное увеличение альтернативной и возобновляемой энергетики. Ясно, что можно критически относиться к терминам «альтернативная» и «возобновляемая», но это сейчас не так важно. Альтернативные источники получения электроэнергии должны иметь достаточный для удовлетворения всевозрастающего энергопотребления ресурс и экологическую безопасность. Важными направлениями являются атомная, а для некоторых регионов ветро– и гидроэнергетика. Ситуация в этой сфере очень динамична и для некоторых развитых стран. Например, во Франции атомная энергетика давно превратилась из альтернативной в основной источник энергии, и, безусловно, необходимо развитие и использование всех источников энергии.
Однако будущее, несомненно, принадлежит возобновляемой солнечной энергетике. Солнце является практически неисчерпаемым, абсолютно безопасным, в равной степени всем принадлежащим и доступным источником энергии. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за год, не только во много раз превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля, урана и других энергетических ресурсов, но почти в десять тысяч раз больше современного энергопотребления. В настоящее время все больше стран планируют в своих энергетических программах крупномасштабное использование солнечной энергии. В программных документах и посланиях президент нашей страны Нурсултан Абишевич Назарбаев также указывает на необходимость расширенного использования возобновляемых источников энергии.
Солнечная энергетика основана главным образом на двух формах использования солнечной энергии. Одной из форм являются солнечные тепловые системы, которые вырабатывают низкопотенциальное тепло, т. е. вода в специальных установках разогревается солнечным излучением и используется для коммунально-бытового горячего водоснабжения и тепло- снабжения. Преобладающим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство, по различным оценкам, составляет более 2 млн м2 в год, а выработка тепла достигает 107 миллиардов калорий. Это направление требует отдельного рассмотрения, т. к. широкое использование таких тепловых систем в южных регионах нашей страны является крайне важным, и необходима специальная программа для развития этого сектора энергетики.
Однако основной и наиболее перспективной формой использования солнечной энергии являются фотоэлектрические системы прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Эти системы не содержат каких-либо движущихся механических узлов и не осснованы на тепловых процессах, что сказывается на их надежности и долговечности. Другие преимущества солнечных батарей – это экономичность, бесшумность, экологическая чистота и способность работать в условиях рассеянного света при облачности и даже при дожде. Этот вид солнечной энергии получил название фотоэнергетика (ФЭ). Современный мировой рынок ФЭ – это быстроразвивающаяся отрасль мировой экономики с возрастающим темпом роста. Объем производства солнечных фотоэлектрических систем с 2000 по 2004 год увеличивался в среднем на 30 процентов в год, в предкризисные 2005–2007 годы превышал 50 процентов, а в наиболее трудный 2008 год составил 11 процентов.
Согласно прогнозу установленная мощность ФЭ должна вырасти к 2030 г. почти на два порядка и составить 1000 млрд ватт. Такое беспрецедентное увеличение обусловлено, во-первых, принятием развитыми странами национальных программ с ясно выраженной практической направленностью: более 100 тысяч солнечных крыш в Германии и 200 тысяч солнечных крыш в Японии, 1 млн солнечных крыш в США и, во-вторых, государственной поддержкой. Например, в ЕС на развитие фотоэнергетики до 2010 г. выделено 3 млрд евро, а в США 6,3 млрд долларов. При реализации этих проектов значительная часть стоимости установок оплачивается из государственных бюджетов, причем государство выкупает энергию, производимую солнечными батареями, по цене, в 10 раз превышающей рыночную, а также предлагает налоговые льготы и субсидии производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах различных сооружений.
Осуществление этих программ позволяет создать устойчивый рынок для использования солнечной энергии на сооружениях и выявить как наиболее успешные схемы государственной помощи потребителям и производителям этих систем, так и совершенные технологические фотоэлектрические системы, которые уже стали прототипами промышленных разработок. Все это привело к тому, что в настоящее время в Германии надежные солнечные батареи могут быть установлены где угодно и в течение нескольких дней, а реализация вышеупомянутой программы в США позволит снизить выделение двуокиси углерода в эквиваленте выделений от 850 тыс. автомобилей. Кроме того уже существуют проекты домов, обеспечивающих себя электричеством за счет солнечных батарей, теплом – за счет солнечных коллекторов и оборудованных современными средствами экономии тепла и электричества. Важным является и такой социальный аспект, как создание рабочих мест индустрией ФЭ, число которых должно составить к 2020 году в ЕС 200000, а в мире более 2000000. Другим не менее важным обстоятельством является возможность снабжения электричеством населенных пунктов, расположенных в солнечных районах, но не имеющих доступа к централизованному снабжению. Людей, проживающих в таких регионах, насчитывается в мире более двух миллиардов. Солнечная энергия могла бы стать доминирующим децентрализованным источником энергии и для многих отдаленных районов Казахстана.
Элементной базой ФЭ являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), конвертирующие солнечную энергию в электрическую. В настоящее время около 90 процентов ФЭП изготавливается на основе пластин поли– и монокристаллического кремния, а оставшуюся часть составляют тонкопленочные ФЭП на основе аморфного кремния (5–6 процентов) и полупроводниковых соединений (4–5 процентов). Средний уровень КПД кремниевых фотоэлементов постоянно увеличивается. Солнечные батареи первых спутников Земли имели КПД 4–6 процентов. Сегодня в серийном выпуске солнечные элементы с КПД 16–17 процентов, а наивысшее значение 24,7 процента получено в лабораторных условиях на монокристаллах кремния при теоретическом пределе 28 процентов. По существующим прогнозам благодаря уникальным физико-химическим свойствам и высокому уровню развития кремниевых технологий лидирующая роль этого материала для ФЭ сохранится.
По степени распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода, составляя почти 30 процентов по весу, что является важным при планировании больших объемов ФЭ. В настоящее время проводятся широкомасштабные разработки технологий, снижающих стоимость «солнечного» кремния, который вследствие более низких требований по содержанию примесей должен быть значительно дешевле «электронного» кремния, т.е. кремния, используемого для изготовления полупроводниковых электронных приборов. Например, если еще несколько лет назад основным материалом для ФЭ были отходы производимого полупроводниковой промышленностью электронного кремния, то уже в 2008–2009 гг. были введены в строй заводы, ориентированные на выпуск «солнечного» кремния. Его производство в настоящее время (90–100 тысяч тонн в год) более чем в 2,5 раза превышает производство «электронного» кремния. Для этого уже освоено производство «солнечного» металлургического кремния, на котором изготовлены ФЭП с КПД 16,4 процента, что позволит снизить к 2012 г. почти в три раза стоимость вырабатываемой электроэнергии (до 1 евро за ватт) в основном только за счет снижения стоимости исходного материала и существенно сократить срок возврата вложенных средств. Дальнейшее снижение стоимости до 0,6–0,75 евро к 2020-му и 0,3–0,4 евро к 2030 г. будет происходить за счет уменьшения толщины пластин с 250 до 100 микрон и совершенствования технологии тонкопленочных кремниевых ФЭП. Необходимо отметить, что для осаждения тонких пленок также необходимы кремниевые подложки. Поэтому потребность в кремнии будет возрастать c увеличением производства запланированных мощностей ФЭ, а Казахстан богат сырьевыми ресурсами для производства этого материала.
Основой для производства стали, алюминиевых сплавов и полупроводникового («солнечного» и «электронного») кремния является металлургический кремний (МК). Мировое производство МК составляет более 1 миллиона тонн, и расходы этого материала для получения полупроводникового кремния возросли за последнее десятилетие с 5 до 10 процентов. Этот материал путем обработки в соляной кислоте переводится в ряд хлорсилановых газов, из которых получают около 90 процентов полупроводникового кремния для электронной техники и ФЭ, оставшиеся 10 процентов «солнечного» кремния получают методом прямой очистки МК. В настоящее время основным поставщиком этого материала на рынок по цене 5–6 USD/kg является Норвегия. Сырьем для получения МК является кварц или кварциты, представляющие собой двуокись кремния (SiO2) и углерод (древесный уголь, сажа, кокс). Казахстан обладает громадными запасами двуокиси кремния, так недра страны содержат 265 млн тонн кварцитов и 65 млн тонн высокочистого кварца. Ряд компаний – Silicium Kazakhstan, Kun Renewables и др. заявили о разработке проектов по производству МК, поликристаллического кремния, а в дальнейшем ФЭП, модулей и фотоэнергетических установок в различных областях Казахстана. Однако ясно, что рассмотрение проектов и выбор одного из них должны быть осуществлены на основе тендера.
Также очевидно, что для нашей страны достаточно строительства одного комплексного завода с детальной проработкой технического задания на его проектирование, включая решение вопросов инфраструктуры и энергообеспечения. Задание должно включать организацию следующих производств: обогащенного кварца и высокочистых углеродных стержней, металлургического кремния чистотой 98,5–99,5 процента, а также исходных газов для хлорсиланового производства поликристаллического «солнечного» кремния и ФЭП. В принципе, продукция каждого из вышеперечисленных производств должна быть ориентирована на экспорт. Также представляется целесообразным включение отдельного задания на производство «солнечного» кремния металлургическим путем, исключающим хлорсилановые переделы.
Для реализации конкурса и проведения тендера необходимо принять соответствующие законы (как, например, в Германии) по льготному налогообложению, которое сделает привлекательным Казахстан для инвесторов и ведущих производителей ФЭП. 10 крупных компаний Германии, Норвегии, США и Японии контролируют около 50 процентов мирового рынка ФЭ, и именно их следует привлечь к разработке и реализации проектов, отобранных в результате тендера.
Предложенное главой государства в послании-2010 создание при Новом университете в Астане трех научных центров, в том числе по возобновляемой энергетике, позволит разрабатывать перспективные технологии производства ФЭП новых генераций и производить их внедрение на научно-производственной базе этого комплексного предприятия. Разработка и реализация подобных проектов может производиться также и в организованных при национальных и областных университетах инженерных лабораториях.
Болат МУКАШЕВ, академик, лауреат Государственной премии Республики Казахстан |
