Уїдливий читач напевно подумає. Як це робить менше, ніж потрібно на виробництво? Їх же поставив - вони працюють, каші не просять, 10 років, 50 років, 100років - значить сумарна вироблена енергія дорівнює нескінченності, і вони повинні бути вигідні при будь-якої вартості споруди.
Як йде все насправді, які є підходи до сонячної генерації, що обмежує ККД сонячних елементів, які геніальні ідеї вже були реалізовані і чому сонячна енергетика якось не активно захоплює світ - під катом.
Скільки енергії ми отримуємо від сонця?
На кожен квадратний метр від сонця приходить 1367 Ватт енергії (сонячна постійна). До землі через атмосферу - доходить порядку 1020 Ватт (на екваторі). Якщо у нас ККД сонячного елементу 16% - то з квадратного метра ми можемо отримувати в кращому випадку 163,2 Ватта електрики. Але ж у нас є погода, сонце не в зеніті, іноді буває ніч (різної тривалості) - як це все порахувати?
Річна інсоляція все це враховує, включаючи і тип установки сонячної батареї (паралельно землі, під оптимальним кутом, зі стеженням за сонцем) і дає нам зрозуміти, скільки електрики можна буде виробити за рік в середньому (в кВт * год / м 2. без урахування ККД сонячної батареї):
Місто / Тип установки
Під оптимальним кутом
Стеження за сонцем
Тобто ми бачимо, що якщо ми візьмемо 1 км 2 сонячних батарей, встановимо під оптимальним кутом в Москві (40.0 °), то за рік зможемо виробити +1173 * 0.16 = 187.6 ГВт * год. При ціні 3 рубля за кВт / год _условная_ вартість згенерованої енергії буде - 561 млн рублів. Чому умовна - з'ясуємо нижче.
Основні підходи до отримання енергії від сонця
Сонячні тепло-електространціі Величезне поле повертати дзеркал відбиває сонце на сонячний колектор, де тепло перетворюється в електроенергію двигуном Стірлінга. або нагріванням води і далі - звичайні парові турбіни як на ТЕЦ. ККД - 20-30%.
Також існує варіант з лінійним параболічних дзеркалом (повертати потрібно тільки навколо однієї осі):
Яка ціна питання? Якщо подивитися на електростанцію Ivanpah (392 МВт) в яку опосередковано вклався Google - вартість її будівництва склала 2.2 млрд $, або 5612 $ на кВт встановленої потужності. У Вікіпедії навіть радісно написано, що це хоч і дорожче вугільних електростанцій, але нібито дешевше атомних.
Це доводить "усереднену" вартість будівництва до 17871 $ / кВт, що не просто дорого, а фантастично дорого. Дорожче напевно тільки в космосі електрику виробляти. Звичайні електростанції на газі обходяться в 500-1000 $ / кВт, тобто в 18-36 разів дешевше. і працюють завжди, а не як пощастить.
І останнє - в вартість будівництва не включені акумулятори, взагалі. Якщо сюди додати акумулятори (про них нижче) або будівництво гідроакумулюючої електростанції - вартість вилізе через дах.
У сонячних теплоелектростанцій є можливість генерувати електрику цілодобово, використовуючи великий обсяг нагрітого за день теплоносія. Такі станції теж є, але вартість їх намагаються не писати, мабуть щоб нікого не лякати.
ККД у кремнієвих сонячних батарей - близько 16%. Чому так мало?
На формування електронно-діркової пари потрібна певна енергія, не більше і не менше. Якщо квант світла прилітає з енергією меншою, ніж потрібно - то він не може викликати генерацію пари, і проходить через кремній як через скло (тому кремній прозорий для інфрачервоного світла далі 1.2мкм). Якщо квант світла прилітає з енергією більшою ніж потрібно (зелене світло і коротше) - пара генерується, але зайва енергія втрачається. Якщо енергія ще вище (синій і ультрафіолетове світло) - квант може просто не встигнути долетіти до глибини залягання p-n переходу.
Збільшити ККД вище 16% у фотоелементів можна комбінуючи кілька різних фотоелементів (на основі інших напівпровідників, і відповідно з іншого енергією необхідної для генерації пари електрон-дірка) - спочатку ставимо той, що ефективно поглинає синє світло, а зелений, червоний і ІК - пропускає , потім зелений, і на кінець червоний і ІК. Саме на таких 3-х східчастих елементах і досягаються рекордні показники ефективності в 44% і вище.
На жаль, 3-х ступінчасті фотоелементи виявляються дуже дорогими, і зараз балом правлять звичайні дешеві одноступінчасті кремнієві фотоелементи - саме за рахунок дуже низької ціни вони вириваються вперед за показником Ватт / $, Вартість одного вата для кремнієвих фотоелементів з введенням гігантських виробництв в Китаї опустилася до
0.5 $ / Ватт (тобто за 500 $ можна купити сонячних елементів на 1000 Ват).
Основні типи кремнієвих елементів - монокристалічні (дорожчі, трохи вище ККД) і полікристалічні (дешевше у виробництві, буквально на 1% менше ККД). Саме полікристалічні сонячні батареї зараз дають найнижчу вартість 1 Ватта генерується.
З проблем - сонячні батареї не вічні. Навіть якщо не брати до уваги пил і бруд (сподіваємося на дощ і вітер), за рахунок Фотодеградацію за 20 років експлуатації кращі кремнієві елементи втрачають
15% потужності. Можливо далі деградація сповільнюється, але це все одно потрібно враховувати.
Пройдемося тепер по основним спроб збільшити економічну ефективність:
А давайте візьмемо маленький високоефективний фотоелемент і параболічне дзеркало Це називається concentrated photovoltaics. Ідея в принципі непогана - дзеркало дешевше, ніж сонячна батарея, та й ККД можна мати 40% а не 16. Проблема тільки з тим, що тепер потрібна (ненадійна) механіка для стеження за сонцем, і наша величезна поворотна тарілка повинна бути достатньо міцною, щоб протистояти поривам вітру. Інша проблема - коли сонце заходить за не надто щільні хмари - вироблення енергії падає до нуля, тому що параболічне дзеркало не може розсіяне світло фокусувати (у звичайних сонячних батарей вироблення звичайно падає, але не до 0).
З падінням цін на кремнієві сонячні батареї цей підхід виявився занадто дорогим (як по настановної вартості, так і обслуговування)
А давайте зробимо сонячні елементи круглими, розмістимо на даху, а дах пофарбуємо в білий колір Цим займалася сумнозвісна нині компанія Solyndra. з подачі Барака Обами отримала гос.гарантію по кредиту в 535 мільйонів доларів від американського міністерства енергетики. і раптово оголосила банкрутство. Круглі сонячні батареї робили, напиляя шар напівпровідника (в їхньому випадку Copper indium gallium (di) selenide) на скляні труби. Ефективність сонячних батарей виходила 8.5% (так, вийшло гірше простих і дешевих кремнієвих).
Яскравий приклад того, як американський капіталізм при належному лобіюванні здатний за інерцією вкачати величезні ресурси в принципово не ефективні технології. За результатами роботи нікого не посадили.
Дорога ложка до обіду
Тепер після цього буйства безперервного вдосконалення технологій відкриваємо сумну сторінку історії. Сонячні електростанції генерують електрику днем, а воно найбільше потрібно ввечері:
Виходить, якщо ми зобов'язуємо купувати електрику у сонячних електростанцій за звичайною ціною тоді, коли воно у них генерується - ми фактично перерозподіляємо прибуток від існуючих класичних генеруючих потужностей, які змушені днем простоювати в резерві на користь сонячних.
Є і такий цікавий варіант - якщо десь вечірній пік споживання - десь на землі розпал дня. Може будувати сонячну електростанцію саме там, а електрику передавати по ЛЕП? Це можливо, але вимагає передачі енергії на відстані близько 5-8 тис км, що також вимагає величезних капітальних витрат (принаймні поки ми не перейшли на надпровідники) та погоджень з купою країн. Приблизно в цьому напрямку розвивався проект Desertec - генерація в Африці, передача в Європу.
Акумулятори
Отже, 1Вт сонячна батарея коштує 0.5 $. За день вона згенерує допустимо 8Вт * год електрики (за 8 сонячних годин). Як нам цю енергію зберегти до вечора, коли вона буде найбільше потрібна?
Найдешевші - свинцево-кислотні (які природно далеко не "зелені"), їх оптова ціна - 0.08 $ за Вт * ч, відповідно, на збереження денного виробітку нам потрібно акумуляторів на 0.64 $, що знову більше вартості самих сонячних батарей. Свинцеві акумулятори також швидко вмирають, 3-6 років служби в такому режимі. Ну і на десерт - ККД свинцевих акумуляторів - 75% (тобто чверть енергії втрачається в циклі заряд-розряд).
Існує також варіант з гідроакумулюючими електростанціями (вдень - закачуємо воду "вгору" насосом, вночі - працюємо як звичайна гідроелектростанція) - але їх будівництво також обходиться дорого, і не скрізь можливо (ККД - до 90%).
Через те, що акумулятори виходять дорожче самої сонячної електростанції, в великих електростанціях їх і не передбачають, продаючи електрику в розподільну мережу відразу в міру генерації, розраховуючи вночі і ввечері на звичайні електростанції.
Яка ж справедлива ціна нерегульованої сонячної генерації?
Візьмемо наприклад Німеччину, як лідера з розвитку сонячної енергетики. Кожен кВт згенерований сонячними електростанціями там викуповують по 12.08-17.45 євроцентів за кВт * год, не дивлячись на те, що генерують вони в денний мінімум споживання. Все чого вони домагаються цим - економія Російського газу, тому що газові електростанції все одно повинні бути побудовані і бути в гарячому резерві (і всі ці інші витрати залишаються незмінними - зарплати, кредити, обслуговування).
З економічної точки зору, було б справедливо, якби сонячні електростанції отримували рівно стільки, скільки вони дозволяють заощадити на паливі газовим електростанціям.
Припустимо вартість російського газу - 450 $ за 1 тис. М 3. З цього обсягу можна виробити 39000 ГДж ≈10.8 * 0,4 GWh ≈ 4.32 GWh електрики (при ККД генерації 40%), відповідно, на 1 кВт * год сонячної електрики ми економимо російського газу на 0.104 $ = 7.87 євроцента. Саме така повинна бути справедлива вартість нерегульованої сонячної генерації, і схоже Німеччина поступово йде до цієї цифри, але на даний момент сонячна енергетика в Німеччині виходить на 50% дотаціями.
Полікристалічні сонячні батареї дають найдешевше сонячна електрика, порядку 0.5 $ / Ватт, інші способи набагато дорожче.
Проблема сонячної енергетики не в ККД сонячних елементів, не в EROEI (він дійсно в теорії нескінченний), і не в їхній ціні - а в тому, що згенерувала енергію дуже дорого зберігати до вечора. Тобто основна проблема - акумулятори, які зараз вже дорожче, ніж сонячні батареї і при цьому мають короткий термін служби (3-6 років).
На даний момент великомасштабну сонячну генерацію без акумуляторів можна розглядати тільки як спосіб заощадити днем невелику частину викопного палива, вона принципово не може зменшити кількість необхідних класичних електростанцій (газових, вугільних, АЕС, гідро) - вони все одно повинні стояти в резерві днем, і повністю брати на себе навантаження в вечірній пік споживання.
Якщо в майбутньому за допомогою (жорстоких) тарифів вдасться змістити пік споживання на день - будівництво сонячних електростанцій знайде більший сенс (наприклад, якщо тарифи будуть такі, що буде вигідно включати електролізний виробництво алюмінію і водню тільки вдень).
Вартість "нерегульованої" сонячної генерації не можна зіставляти з вартістю генерації на класичних електростанціях - тому що вони генерують коли вийде, а не коли потрібно. Справедлива вартість нерегульованої сонячної електроенергії повинна бути дорівнює вартості зекономленого викопного палива, і не більше - для газу по 450 $ справедлива ціна сонячної генерації не вище 0.1 $ за 1кВт * ч (відповідно, в Німеччині сонячна генерація дотується на
"Чесна" сонячна енергетика (з акумуляторами) сьогодні може бути економічно виправдана лише в віддалених районах, де немає можливості підключитися до мережі (як наприклад в разі віддаленій, що самотньо стоїть базової станції стільникового зв'язку).
Найбільша проблема сонячної енергетики - викопне паливо поки занадто дешеве, щоб сонячна генерація була економічно виправданою.
Update: Для подальшого вивчення можна рекомендувати статтю про проблеми енергетики Німеччини в зв'язку з сонячної і вітрогенерацію. Там є гарні графіки вироблення, і в цілому інші статті Already_Yet рекомендую почитати.