Технологии на основе возобновляемых источников энергии в странах ЕС: вчера, сегодня, завтра

Технологические новинки, ожидаемые в сек­торе к 2020 году Потребление энергии зданиями и сооружениями составляет примерно 40 % от общего потребления энергии в Европе, большая часть которого расходу­ется на производство горячей воды и отопление жилых помещений.

В настоящее время солнечные коллекторы бытового назначения, предназначенные только для производства горячей воды, и комбиниро­ванные системы солнечного теплоснабжения стали обычным явлением в некоторых центральных и северных европейских странах. Другие способы применения энергии солнечной радиации, которые, как ожидается, сыграют важную роль в завтрашнем энергоснабжении, например, солнечное холодоснабжение, солнечная система для получения технологического тепла, солнечное опрес­нение, успешно демонстрируются и постепенно занимают свое место на рынке.

Увеличевшееся финансирование научно-иссле­довательских и опытно-конструкторских разработок НИОКР) позволит солнечным теплоснабжающим системам покрыть еще большую долю низко- и сред-нетемпературной тепловой нагрузки. Грамотная интеграция в другие бытовые и обогревательные тех­нологии, а также снижение издержек гарантирует широкое применение решений для отопления и охлаждения, основанных на солнечной энергии. Мировой рынок технологий охлаждения и кондицио­нирования воздуха быстро растет. В основном спрос удовлетворяется традиционными электрическими машинами, а их энергопо­требление создает посто­янно растущую нагрузку в электрической системе. Нарушение энергосна­бжения летом становится привычным. Аппараты для охлаж­дения, использующие тепло, известны давно. В них обычно используется сбросная теплота от промышленных процессов или ТЭЦ, а производительность таких холодильных агрега­тов составляет 100 кВт. В последние годы на рынке появились машины с меньшей производительностью (20-50 кВт), использующие энергию солнечной радиа­ции, и уже проходят испытания машины производи­тельностью 2-5 кВт. Как правило, период, в течение которого требуется дополнительное охлаждение воз­духа, совпадает с периодом солнечной активности, поэтому солнечное холодоснабжение - это удобный способ снижения потребления электроэнергии летом на кондиционирование и охлаждение воздуха.

Исследования концентрируются на использовании новых материалов, снижении затрат и развитии практи­ческого руководства и плановых средств для установок солнечного охлаждения. Ожидается, что системы Солар Комби+, которые обеспечивают снабжение горячей водой в быту, отопление помещений зимой и охлажде­ние летом, составят основную долю рынка систем сол­нечного теплоснабжения к 2020-2030 годам. Солнечное теплоснабжение промышленных процессов Большинство промышленного и коммерческого спроса на тепло колеблется в температурном диапа­зоне до 250 °С, что можно обеспечить энергией сол­нечной радиации. Для этого разрабатываются новые типы коллекторов, специально спроектированных для средних температур. Пока же солнечная тепловая энергия используется в основном для менее критич­ных процессов (например, промывание).

По мере накопления опыта, солне­чные теплоснабжающие системы распространятся на все виды промышлен­ного энергоснабжения. Солнечное опреснение Наличие питьевой воды является растущей проблемой для многих стран по всему миру. Соз­даны устройства для опреснения воды (методом тер­модистилляции) с использованием энергии солне­чной радиации. Применяется в местностях, где дефи­цит пресной воды сочетается с достаточными запа­сами соленой. Солнечное опреснение может уже сегодня быть весьма выгодным. С растущими НИОКР в данном многообещающем подходе все больше эко­номически выгодных солнечных систем опреснения будут становиться доступными. Улучшенные тепловые аккумуляторы Большинство используемых в настоящее время солнечных теплоснабжающих систем используют воду для хранения тепла в течение нескольких часов или дней. Увеличение аккумулирующей способно­сти обычно достигается за счет увеличения разме­ров емкости. Обширные подземные водохранилища -природный водоносный пласт или искусственный бетонный резервуар - уже используются для сезон­ного хранения. Но только улучшенные тепловые аккумуляторы, позволяющие эффективно хранить большие запасы тепловой энергии в небольших объе­мах, позволят, к примеру, отапливать существующие здания и сооружения на 100 % за счет энергии солне­чной радиации. Для данных целей исследуются мате­риалы с фазовым переходом или термохимические процессы. Увеличение плотности энергии тепловых аккумуляторов в 8 раз позволит перевести весь жилищ­ный сектор на 100 % отопление помещений солнечной тепловой энергией. Хотя в ближайшее время прорыва не предвидится, растущие НИОКР в данной области уже к 2030 году могут обеспечить появление данных новых технологий сохранения энергии.

Развитие технологий для производства элек­троэнергии от солнечной радиации Солнечное фотоэлектричество обладает очень высоким потенциалом, поскольку солнечная радиа­ция - это практически неограниченный ресурс, доступный повсеместно. Оно идеально подходит для автономного производства электричества вблизи потребителей. Фотоэлектрическая промышленность За последние годы европейская фотоэлектриче­ская промышленность значительно возросла. Техно­логические разработки и исследования находятся на высоком уровне, и этот сектор промышленности готов справиться с будущими задачами. Средние годовые темпы роста фотоэлектриче­ской энергетики с 2000 по 2005 годы в Европе пре­высили 40 %, что делает фотоэлектрическую энерге­тику самой быстрорастущей отраслью. В 2005 году достигнут глобальный объем производства в 1,7 ГВт фотоэлектрических модулей. Оборот отрасли пре­вышает 8 млрд евро, в ней работает более 70 тыс. чел. Глобальный фотоэлектрический рынок продолжит расти ускоренными темпами и достигнет 19 % к 2020 году, что создаст потенциал в 1,9 млн постоянных рабочих мест. Глобальная установленная мощность солнечных электрических систем может достичь 259 ГВт к 2020 году, вырабатывая около 325 ТВт.ч, что составит около 1,8 % от всего объема энергопотребления в 2020 году. Соответствующие годовые продажи фотоэлектрических установок выйдут на уровень 200 млрд евро, что приблизительно равно сегодняш­ним объемам продаж в полупроводниковой промыш­ленности. К 2040 году солнечная энергетика получит еще большее распространение и ее доля в мировом производстве электроэнергии достигнет 16 %. Это сделает солнечную энергетику стабильным источни­ком энергии по всему миру.

Технологические нововведения Производство фотоэлектрических элементов постоянно улучшается за счет новых технологиче­ских разработок и совершенствования производст­венных процессов. Для более широкого охвата энергетического рынка необходимо снижать себес­тоимость продукции. Следовательно, основная задача исследований и развития производственных технологий заключается в снижении себестоимо­сти. Около 70 % стоимости фотоэлектрической системы приходится на фотоэлементы, 15 % - на компоненты системы и 15 % - на установку и мон­таж. Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности (European Photovoltaic Industry Association - EPIA) прогнозирует, что стоимость систем снизится с 6 до 3-4 евро/Вт к 2010 году и станет конкурентоспособной. EPIA также предска­зывает, что к 2020 году фотоэлектрические системы, объединенные в сети, смогут конкурировать с цена­ми на электричество, полученное из традиционных источников. Стоимость выработки электричества уже снизилась с 55 (110)1 евро центов /кВт.ч (1990 год) до 20 (40) евро центов/кВт.ч (2007 год) и уменьшится далее до 10 (20) евро центов/кВт-ч к 2020 году и до 5(10) евро центов/кВт .ч к 2030 году. Вышеуказанная стоимость производства электроэнергии не выходит за пределы стоимости производства крупными атом­ными и теплоэлектростанциями. Кристаллические кремниевые фотоэлементы раз­личных форм - монокристаллические (Cz-Si), мульти­кристаллические (mc-Si), пластинчатые - занимают более 90 % рынка и, скорее всего, сохранят свое лидер­ство в течение следующих 10-15 лет. Остальные 10 % рынка занимают тонкопленочные технологии, преиму­щественно на основе бескристаллического (аморфно­го) кремния (a-Si). Растет значимость процессов, осно­ванных на технологии тонких пленок на других материа­лах - CIS (CulnSe2) и CIGS (CulnGaSe2). Стоимость сырья и, следовательно, пластинок составляет значительную часть цены фотоэлементов. Поэтому основная задача, стоящая перед отраслью, - снижение стоимости произ­водства кремневых пластинок. EPIA установила следующие технологические цели для отрасли на 2010 год: - расход материала (Si) для монокристаллических кремневых элементов должен составлять от 10 до 7,5 г/Втп - для пластинчатых - от 8 до 4 г/Втп; - толщина пластинки должна быть до 300-100 м; - потери в процессе резки пластин необходимо уменьшить до 250-150 м. С момента разработки первого фотоэлемента (50 лет назад) эффективность производства суще­ственно улучшилась.

С учетом огромного нереализо­ванного потенциала, EPIA разработала следующие цели для европейской фотоэлектрической промыш­ленности на 2020 год: - повышение КПД монокристаллического крем­ния с 16,5 до 22%; - увеличение КПД поликристаллического кремния с 14,5 до 20%; - рост КПД ленты с 14 до 19 %. Тонкая пленка, изготавливаемая отложением сверхтонких слоев фоточувствительного материала на недорогое основание, потенциально может суще­ственно снизить себестоимость производства. Во-первых, затраты на материалы и энергию будут мень­ше, т. к. используется намного меньше полупроводни­кового материала, а сам процесс изготовления происходит при намного меньших температурах. Во-вторых, снижаются трудовые затраты и облегчается массовое производство, т. к., в отличие от технологий с использованием толстых кристаллов, где отдельные элементы монтируются и соединяются друг с другом, тонкая пленка изготавливается в виде больших инте­грированных серийно соединенных модулей. EPIA установила две цели в области тонкопленоч­ных технологий на 2020 год: - КПД тонкой пленки должен быть в пределах 10-15 % (a-Si/mc-Si, CIS и CdTe); - изготовление интегрированных фотоэлектриче­ских элементов (Building Integrated Photovoltaic -BIPV) с низкой стоимостью за квадратный метр, сни­жение цены на 75 %. Последующие исследования в области материалов включают в себя дальнейшую оптимизацию ранее соз­данных концепций элементов, а также разработку новых концепций, таких как полимерные фотоэлемен­ты и другие виды органических фотоэлементов. Тон­копленочные фотоэлементы, основанные на арсениде галлия (GaAs), и прочие lll-V-компоненты обладают наилучшими, известными на сегодня, коэффициента­ми преобразования. Хотя их стоимость выше, чем у кремниевых элементов, они идеально подходят для концентрирующих систем, где цена за единицу площа­ди солнечных элементов не является особо важной. В лабораторных условиях удалось добиться почти 40 % КПД фотоэлементов под воздействием концентриро­ванного света и более 25 % КПД концентрирующих систем.

Концентрирующие системы, использующие максимально эффективные фотоэлементы, открывают новые возможности для установок средней и большой производительности в южных странах. Увеличение срока службы солнечных батарей является еще одним шагом на пути к снижению стои­мости солнечной электроэнергии. Целью EPIA явля­ется увеличение срока службы элементов с 25 до 35 лет при помощи, например, использования более долговечного герметизирующего материала или новой архитектуры установок. Для баланса системы существенного снижения стоимости можно добиться через укрупнение произ­водства. Срок службы этих компонентов должен быть увеличен, чтобы он соответствовал сроку службы солнечных панелей. Для развития массового произ­водства немалую важность представляет стандарти­зация компонентов и систем.

Развитие малой гидроэнергетики Малые гидроэлектростанции (МГЭС, установлен­ная мощность до 10 МВт) могут оказаться одним из самых экономичных методов производства электроэ­нергии. Они характеризуются довольно длительным сроком службы и низкой стоимостью эксплуатации и технического обслуживания. После списания боль­ших изначальных затрат, станция может производить электроэнергию с низкой себестоимостью, и такие системы обычно служат 50 лет и более. Малые гидро­электростанции могут обеспечивать базовую элек­трическую нагрузку, и их потенциал в Европе еще не реализован до конца. Гидроэлектростанции (малые и большие) все еще являются крупнейшим источником возобновляемой энергии в электроэнергетическом секторе. В 2005 году они обеспечили 10 % от общего объема энергопотребления и 67 % от общего объема электроэнергии, произведенной возобновляемыми источниками. Малая гидроэнергетика не развивается с той ско­ростью, с которой могла бы из-за административных и экологических барьеров. Несмотря на это, эта отрасль обладает огромным потенциалом.

Оборот европейского сектора малой гидроэнергети­ки составляет около 120-180 млн евро. На сегодняшний день в Европе в этой отрасли работают около 20 тыс. чел. и их число может достичь 28 тыс. чел. к 2020 году. Оборот европейских изготовителей турбин для ГЭС (малых и больших) составляет порядка 3,5 млрд евро. К 2020 году эта цифра может вырасти до 5,5 млрд евро.