В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).
Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?
Введение
Пару месяцев назад была опубликована исполненная пиетета статья о солнечных элементах Гратцеля, но в комментариях встретил закономерное недоверие и скепсис по поводу оправданности вложений в такие солнечные элементы. Основная мотивация оппонентов – недостаточная производительность или эффективность таких элементов по сравнению с кремниевыми, мол, EROI совсем плох. Хотя некоторые оценки собраны и представлены в Wiki, но это как средняя температура по больнице. А по сему, опираясь на данные представленные профессором Лемерром, я хотел бы рассказать чуть более подробно о «альтернативной» или – если угодно – не кремниевой фотовольтаике, но сначала всё же придётся окунуться в мир цифр для нормальных кремниевых батарей, чтобы понимать, к чему стремиться. И эта статья имеет своей целью некоторый обзор уже сформировавшегося рынка кремниевых солнечных элементов.
Сразу хочу сделать две немаловажные оговорки. Во-первых, KIT славится тем, что имеет фактически свои производственные линии, на которых зачастую обкатываются технологии и мнение вышеупомянутого профессора, я полагаю, таки авторитетно. Во-вторых, ЕС диверсифицирует разработки, и это заложено во многих рамочных программах. Что же это значит? А значит это, что если даже вы разработали солнечную батарейку с КПД 5%, вы сможете получить финансирование на продолжение исследований, если, конечно, 5% не являются теоретическим (термодинамическим) пределом.
И последнее, я буду всё время это упоминать, так или иначе, по ходу повествования: стоимость инвестиций (Investment costs) в €/Вт, которая может быть уменьшена двумя способами – снижением стоимости производства или увеличением эффективности солнечных батарей.
Есть ли свет после кристаллического кремния?
Полагаю, что один из самых взвешенных обзоров на Хабре был подготовлен BarsMonster, поэтому долго на это теме останавливаться не будем.
Итак, что же такое «альтернативная» фотовольтаика в сравнении с «классической»? Или как разбить на поколения известные солнечные элементы? Это очень просто:
- Солнечные элементы на базе кристаллического кремния (EFG – Edge Defined Film fed Growth, RGS – Ribbon Growth on Substrate). Самые древние, можно сказать каменные век. Первые разработки можно отнести к заре эры микропроцессорной техники – конец 60-х, начало 70-х.
- Тонкоплёночные солнечные элементы, такие как аморфный кремний, кремниевые плёнки, различные варианты экологически «небезопасных», но интенсивно производящихся на настоящий день, на основе кадмия и теллура. Получили толчок к развитию вместе с кремниевыми, но лишь в конце 80-х, начале 90-х перешагнули 10% барьер эффективности.
- Альтернативная фотовольтаика, включающая в себя DSSC (сенсибилизированные солнечные элементы или солнечные батареи Гратцеля habrahabr.ru/post/192468/), гибкие органические батареи (на основе олигомеров и полимеров), в том числе и тандемные солнечные элементы, а также диковинный пока подвид – солнечные элементы на основе квантовых точек (наноразмерных частиц полупроводников).
Фотовольтаика не совсем полно, но наглядно. Источник.
И логичный вопрос: а где же тогда место этой альтернативной фотовольтаике? Как уже было сказано, в голове надо держать два параметра: эффективность и стоимость производства, что влечёт за собой удешевление электроэнергии, выработанной такой батареей в €/Вт. Как мы можем видеть из приведённых ниже графиков кристаллический кремний, пожалуй, по всем параметрам наиболее перспективный материал для солнечных элементов. Особенно в долгосрочной перспективе, когда его стоимость инвестиций может быть уменьшена до 50 центов и ниже за Вт. Однако стоит заметить, что получение такого высокочистого или «солнечного» кремния связанно с огромными экологическими рисками, о которых в ЕС и США особенно сильно пекутся. Ах, да, через 5 минут будет сказано с саркастической улыбкой, что производство кадмий-теллуридных, CdTe, батарей растёт – парадокс, но оставим его на совести Гринписа и администрации стран-производителей…
Оценки эффективности и стоимости инвестиций для различных типов солнечных элементов в крастко-, средне- и долгосрочной перспективе.
Конечно, на сегодняшний день даже аморфный кремний (производство дешевле и не требует «серьёзной химии») хоть по стоимости и сопоставим с кристаллическими аналогами, но всё ещё не обладает достаточной эффективностью, чтобы побороться за какой-то лакомый сегмент рынка. Но что интересно на этой диаграмме: некремниевые солнечные элементы изначально обладаю гораздо более низкой стоимостью инвестиций и, соответственно, более низкой стоимостью полученной с их помощью электроэнергии. Это как раз и даёт надежду исследователям и инвесторам, что в будущем, можно за счёт использования таких процессов как roll-to-roll (читайте, как газету печатать) существенно снизить издержки при производстве таких элементов. Но об этом я расскажу во второй части, посвящённой альтернативам.
Пример солнечного элемента первого поколения – поликристаллический кремний
Но и это ещё не всё, в случае с гибкими солнечными элементами, а таких, большинство в группе альтернативных, есть очень много потенциальных областей применения: от умной одежды, которая будет заряжать ваш мобильник в солнечную погоду (например), до тентов и навесов, способных запитать небольшой чайник на природе.
Панели солнечных элементов второго поколения
С учётом специфических условий эксплуатации – в полях, так сказать – а также принимая во внимание стремление всех ведущих производителей мобильной техники уменьшить толщину смартфона или ультрабука в ущерб времени автономной работы, то согласитесь данный сегмент рынка может выстрелить очень и очень быстро.
Но вернёмся от фантазий о рае будущего на нашу грешную землю, точнее, к традиционным солнечным элементам.
Состояние современного рынка солнечной энергетики.
Что касается каких-то более точных цифр для солнечных элементов первого поколения, то они были представлены в виде понятного даже детям рисунка:
Номинальные параметры традиционных солнечных элементов
При этом стоимость модуля на 54 Вт обычно не превышает 60 евро, а каждый кВт*ч полученной энергии обходится потребителю менее чем в 50 центов. Сроки эксплуатации огромны – обычно это десятки лет (25-30 лет является нормативом), если не происходит чего-то экстраординарного – потопы, ураганы, русские крещенские морозы и т.д. Ну а затем батареи разбираются, перерабатываются и из них изготовляют новые.
Далее я хотел бы привести немного статистики. Конечно, доля моно- и поли-кристаллических батарей огромна и суммарно отъедает до 90% рынка, но посмотрите, как с начала 2000-х выросла доля CdTe-батарей (экологи – ха-ха), как медленно, но верно начали прорастать другие технологии, в том числе и альтернативные виды фотовольтаики (в данном случае отмечены, как others). И всё это происходит не в жирные годы экономического роста, когда деньги на научное колесо льются рекой, а сейчас, на наших глаза, когда в ЕС и США всё ещё продолжается рецессия.
Доли рынка солнечной энергетики для различных видов батарей
Что ж можно сравнить с данными, приводимыми в Wiki – хорошее совпадение:
Где и что производят и ставят?
Конечно, можно было бы уже догадаться, что, как и в известной шутке:
"– Какие три самые популярные слова на планете?
– Мир, труд, май
– Нет, Made in China", – большая часть производства солнечных элементов сосредоточена в Китае. По состоянию на 2011 год – больше половины всех произведённых модулей за тот год имеют шильдик: Made in China.
Годовое производство солнечных элементов первого поколения
Тогда как основной потребитель готовой продукции – это, как ни странно, матушка Европа. Среди европейских стран бесспорным лидером является Германия, вслед за которой в эру использования Солнца, как универсального источника энергии, пытается заскочить Италия, что обусловлено, по большому счёту, благоприятным климатом. Хотя, например, на Сицилии, где проводилась школа, преимущество отдано ветрякам.
Хочется также заметить, что, например доля Испании, где климат благоприятствует развитию солнечной энергетики, практически не наращивает установленной мощности солнечных элементов с 2008 года, тогда как даже Китай существенно увеличил этот параметр за тот же период.
Суммарная установленная мощность солнечных элементов первого поколения
Коль скоро Германия в ЕС является наиболее значимым потребителем альтернативных источников энергии, в целом, и солнечной, в частности, то за прошедшие 7 лет можно оценить степень падения цен на модули. Так если средняя розничная цена системы, устанавливаемой на крышу, была около 5 100 евро за кВт пиковой мощности, то во втором квартале 2013 года она упала до 1 700 евро. В 3 раза за 7 лет! Неплохой результат, надо отметить.
Так же хотелось бы обратить внимание на четвёртый квартал 2008 года. В США полыхает кризис, в ЕС закрываются банки, казалось бы, цены должны остаться на уровне Q4 2008 и никуда не двигаться, ведь предприятия закрыты, пароходы списаны, а денег в банках нет. Но оказалось совершенно наоборот, через год после начала кризиса цена упала на 30% до менее 3 000 евро за КВт.
Стоимость кВт пиковой мощности в евро в течение последних 7 лет без учёта НДС, так как НДС может меняться даже между федеративными землями в ФРГ
И в заключении хотелось бы представить расчёты стоимости выработанной электроэнергии таким кремниевыми солнечными элементами. Если взять представленный выше суммы за солнечную панель, срок службы солнечной панели в 20 лет, 5% в год затраты (например, 4% процент по кредиту и 1% стоимость обслуживания самой батареи), то получится следующее распределение стоимости произведённой электроэнергии центах за кВт*ч:
Стоимость выработанной солнечной панелью электроэнергии в центах за кВт*ч: по горизонтали – средняя степень освещённости местности, по вертикали – рыночная стоимость солнечной панели в долларах за кВт пиковой мощности (Источник)
Промежуточное заключение
Что же мы имеем в итоге? На данный момент рынок кремниевой «классической» солнечной энергетики сформирован, доля кристаллического кремния составляет более 90%, и основных игроков на нём уже трудно будет потеснить (а в основном это Китай, ЕС, Япония и США).
Какова цель или почему государства «донатят» программы по солнечной энергетики? Причина довольно прозрачна: максимально диверсифицировать структуру энергопотребления, развить технологии и, в ряде случаев (Германия, например), снизить зависимость экспорта из соседних регионов (из России, в частности).
Как в этих условиях жить и развиваться «альтернативным» типам солнечных элементов, о которых было упомянуто в самом начале? Есть ли место в тени поликристаллического кремния? Или всё это баловство, которое ни к чему не приведёт? Я постараюсь дать ответ через призму тех технологий, что разрабатываются в настоящий момент.
И как с этим справится наш герой?
Все на просмотр картины второй!
Автор: Tiberius
