В погоне за солнечным зайчиком

Автор: Александр Бумагин

Опубликовано 05 октября 2009 года

В середине июля двенадцать крупных европейских компаний подписали меморандум о проекте DESERTEC. Он предусматривает строительство гигантского комплекса солнечных (а также ветровых и прочих «альтернативных») электростанций, который решил бы многие энергетические проблемы континента, вырабатывая до 15% необходимой Европе электроэнергии. Практически одновременно корпорация РОСНАНО оформила своё участие сразу в трёх российских проектах, связанных с производством солнечных элементов для космической отрасли и наземного применения.

Оценить эти шаги пока довольно трудно ввиду разного масштаба инициатив и зачаточного состояния большинства проектов. DESERTEC¹ потребует 400 млрд. евро в течение десяти лет, а РОСНАНО имеет возможность потратить лишь несколько миллиардов рублей. Инициаторы европейского проекта хотят вырваться вперед, а мы лишь рассчитываем догнать тех, кто впереди. Для них это стремление к энергетической независимости, в том числе и от нас, а мы решаем похожую проблему в пусть важном, но очень узком сегменте. Сравнивать эти усилия нельзя ещё и потому, что европейцы хотят с помощью жаркого африканского солнца и системы отражателей нагревать тепловые котлы, а РОСНАНО делает ставку на поглощение энергии излучения светила в полупроводниковых солнечных батареях: энергетика там и там солнечная, а технологии совершенно разные. К слову, в европейском проекте никакие технологические прорывы и не требуются, у них главная проблема — в грандиозности задуманного.

Мы все, наверное, привыкли к тому, что в нашей стране крупные государственные вложения в технологии делаются нечасто. А если и делаются, то сплошь и рядом все оканчивается пшиком. Интересно, что получится с обузданием Солнца.

Рынок Солнца

Рынок солнечной энергетики в последние годы заметно вырос. Так, по данным исследовательской компании Lux Research (США), в прошлом году его объём достиг 33,3 млрд. долларов, или около 5 ГВт. В абсолютных величинах это, конечно, немного, тем не менее с 2001 года цифры возросли больше чем на порядок (здесь, правда, следует быть осторожным в оценках, так как при малых изначально величинах рост часто впечатляет).

Рынок кремниевых тонкоплёночных солнечных модулей (тех самых, что будут делать в Новочебоксарске) в 2008 году оценивается в 0,6 ГВт, и по прогнозам, к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт. По информации, которую нам предоставила компания «Нитол», есть предпосылки к тому, что в ближайшие два года в ряде регионов (Калифорния, страны Южной Европы, Япония) выработка «солнечного» электричества сравняется по стоимости с традиционными источниками. Локомотивами солнечной энергетики станут снижение цен на производство и установку солнечных модулей, а также повышение их КПД. Европейская ассоциация фотовольтаики (EPIA) прогнозирует два сценария развития рынка до 2013 года. По консервативному сценарию (без существенной государственной поддержки) среднегодовые темпы роста составят 17% (до 12 ГВт новых установок в 2013 году). По ускоренному (с гос­поддержкой в виде льготных закупочных тарифов, налоговых льгот и др.) — 32% (22 ГВт новых установок в 2013 году). Среднегодовые темпы роста мощностей по всей производственной цепочке в 2008-2013 гг. составят 20–30%.

Сотрудничество РОСНАНО с НПП «Квант» предполагает производство солнечных батарей на основе арсенида галлия. Такие батареи позволяют поднять КПД со средних 15 до 30% по сравнению с батареями на основе кремния². Ресурс батарей — пятнадцать лет, и это практически предельный срок службы для солнечных элементов при их использовании в космосе. Более дешевые кремниевые батареи намного быстрее деградируют под действием космической радиации, хотя на Земле, под защитой атмосферы, могут успешно работать 20–25 лет.

Солнечные элементы на основе арсенида галлия впервые были сделаны в СССР: на советских «Луноходах» и на станции «Мир» использовались именно они. Арсенид-галлиевые элементы гораздо менее чувствительны к перегреву, а их более высокая эффективность позволяла конструкторам обходиться батареями меньшей площади. Правда, такие элементы заметно дороже, потому-то и прижились преимущественно в космосе.

По словам руководителя учебно-методического центра ОАО «КПП «Квант» Елены Обручевой, советскую космическую программу эффективными батареями обеспечили, но после развала Советского Союза возможностей развивать технологию не было, в итоге — пятнадцать лет застоя. Сейчас Россия вынуждена закупать элементы на основе арсенида галлия за границей, а они составляют 70% конечной стоимости солнечной батареи³.

Важно и то, что во времена «Луноходов» при создании солнечных элементов была использована жидкофазная эпитаксия⁴ — процесс плохо контролируемый, который нет смысла совершенствовать сейчас. Современный уровень технологии — это газофазная эпитаксия, которая и будет применяться на производстве «Кванта». Этот вариант создания кристаллов обладает также большей производительностью, по сравнению, например, с молекулярно-пучковой эпитаксией. Только две фирмы в мире выпускают необходимую аппаратуру промышленного назначения — немецкая Aixtron и американская Veeco. «Квант» использует установки обеих фирм.

Однако установки — это меньшая часть дела. Ими еще нужно уметь пользоваться. Оборудование для газофазной эпитаксии позволяет производить и солнечные элементы, и светодиоды, и ряд других комплектующих. Технологии для каждого из продуктов сильно отличаются. Производственный цикл при создании солнечных элементов состоит более чем из тридцати последовательных стадий. Так что разработка технологии — достаточно трудоёмкий и, по выражению Обручевой, даже творческий процесс. Поскольку «Квант» занимается космическими солнечными батареями больше полувека, накопленный опыт позволил предприятию адаптировать собственные научные наработки к современному оборудованию.

Продукция «Кванта» будет более выгодна для заказчиков внутри страны хотя бы потому, что в России рабочая сила дешевле, чем в Германии или США, а к цене не прибавятся таможенные расходы, сопутствующие импорту изделий. С российскими предприятиями уже заключены договоры на срок до 2012 года о поставке 60% всех выпущенных за это время солнечных элементов. Исходя из сегодняшних потребностей нашей космической отрасли, проект способен полностью насытить внутренний рынок. Зарубежные заказы тоже ожидаются — например, интерес к открываемому производству проявляет Франция. На международном рынке цена российских солнечных батарей, по прогнозам, должна быть на 10% ниже, чем у зарубежных аналогов.

Для осуществления проекта, кроме оборудования, нужны еще производственные газы, металлоорганика и сами подложки. Увы, отечественные предприятия могут поставлять только газы, да и те приходится предварительно подвергать очистке. Не имеет нужной чистоты и российская металлоорганика, а подложки не удовлетворяют условиям плотности дефектов кристаллической структуры. Дабы изменить ситуацию к лучшему, «Квант» ведет переговоры с российскими производителями, так что есть надежда, что и смежные области со временем достигнут нужных высот.

О финансовой стороне проекта рассказал Александр Кондрашов, управляющий директор по инвестиционной деятельности РОСНАНО. Корпорация предоставляет «Кванту» заем в размере 550 млн. рублей сроком на пять лет. Инвестирование будет растянуто на два года. С учетом ожидаемой прибыли проект должен окупиться на семнадцатый месяц. После выхода производства на полную мощность ежегодная выручка составит 1400–1500 млн. рублей, из них примерно четверть — чистая прибыль.

Оказывается, у РОСНАНО есть ещё один схожий, но пока не анонсированный проект. «Мы не можем всё ставить на одну карту, — говорит Кондрашов. — Производство собственных солнечных батарей имеет стратегическое значение, и если одно из предприятий потерпит фиаско или у него возникнут временные трудности из-за какого-то форс-мажора, должна быть равноценная замена. Как минимум одна».

Использовать элементы на основе арсенида галлия в быту и вообще на земле пока довольно дорого, хотя на «Кванте» и допускают в будущем такую возможность. Основой большинства наземных солнечных элементов является кремний. Минувшей весной наблюдательный совет РОСНАНО одобрил участие корпорации в проекте по производству солнечных модулей на базе технологии «тонких плёнок» при использовании подложек из полиморфного кремния. Выпускать по миллиону солнечных модулей в год будут в Новочебоксарске — такой объём производства соответствует 120 МВт энергии⁵. РОСНАНО внесла 3,7 млрд. рублей в уставной капитал предприятия, а также предоставила заем в 9,8 млрд. По утверждению Чубайса — это самые крупные в России вложения в альтернативную энергетику. Партнером РОСНАНО стала группа компаний «Ренова», которая будет владеть 51% капитала и вести бизнес. Завод должен приступить к работе в текущем квартале, а выход на проектную мощность ожидается к концу 2011 года.

К сожалению, и здесь в качестве базовой технологии планируется использовать не российское ноу-хау, а разработку швейцарской компании Oerlikon Solar. Основным рынком сбыта новочебоксарской продукции будут страны Южной Европы и Германия. В группу «Ренова» входит компания Avelar Energy Group, которая занимается наладкой и установкой солнечных модулей в Европе, она и будет осуществлять поставки. И только в долгосрочной перспективе 15% производимых солнечных модулей планируется направлять на российский рынок. Расчетная ежегодная выручка от продаж солнечных элементов составит к 2015 году 10,3 млрд. рублей.

Наконец, третьим «солнечным» проектом РОСНАНО (или первым, если придерживаться хронологии) стало строительство первого в России крупного комплекса для производства поликристаллического кремния и моносилана — эти материалы служат сырьём для 87,5% всех выпускаемых солнечных элементов в мире. Компания «Нитол», которая ведёт проект, имеет в городе Усолье-Сибирское Иркутской области собственное производство высокочистого трихлорсилана — единственное в России. Трихлорсилан, в свою очередь, является сырьем для поликристаллического кремния и моносилана. РОСНАНО внесла 3 млрд. рублей в качестве поручительства, а еще 4,5 млрд. дала в долг.

^{Организаторы проекта Desertec задумали набросить энергосеть на два континента}

После общения с пресс-службой «Нитола» стало ясно, что и этот проект нацелен на зарубежных заказчиков. Среди партнеров есть, к примеру, китайская Suntech Power, входящая в тройку ведущих мировых производителей солнечных элементов, и тайваньская Motech Industries из первой десятки. В компании «Нитол» ожидают, что кремниевые солнечные элементы в ближайшее десятилетие сохранят свои доминирующие позиции, и хотя КПД фотоэлементов, производимых в промышленных масштабах, в среднем составляет около 16%, есть надежда, что к 2010 году он вырастет до 17,5%. Первую очередь производства поликремния мощностью 300 тонн в год «Нитол» запустил еще в 2008 году. Основное производство (3500 тонн в год) будет запускаться в несколько этапов и завершится в первой половине 2010 года.

Очевидно, что все три российских проекта не затрагивают те источники энергии, благодаря которым электрический ток поступает в дома и на заводы. Прогнозы о том, что нефть и газ вот-вот кончатся, звучали неоднократно. Каждый раз предсказатели бывали уличены в излишнем пессимизме, но с тем, что нефть рано или поздно кончится, согласны все. Для газонефтяных гигантов, которые собаку съели на продаже энергоресурсов, было бы логичным искать варианты диверсификации бизнеса в альтернативной энергетике. К примеру, Shell так и поступает, участвуя в проектах, связанных с биотопливом и водородом. Альтернативу газовой трубе и нефтяной цистерне ищут и те, кому приходится у России топливо закупать, а наша «нефтянка» на расширение своей традиционной модели бизнеса тратит такие огромные средства, по сравнению с которыми все вложения РОСНАНО в солнечную энергетику — просто гроши. Можно, конечно, сказать, что это наш путь, что запросы добывающей отрасли на собственную поддержку и развитие соответствуют влиянию на экономику страны в целом. Но если тенденция не изменится, мы так и останемся привязанными к собственным недрам. Сейчас около двух третей российского экспорта — это энергоресурсы, и не видно особых предпосылок к тому, чтобы довести этот показатель хотя бы до одной второй. Для начала.

Тем временем потребность в энергоресурсах во всем мире растет, и если продолжать добывать энергию только из земли, то «рыть» надо все глубже и интенсивнее, и это на фоне исчерпания глобальных запасов углеводородов. Главный экономист Международного энергетического агентства (МЭА) Фатих Бироль считает, что при сохранении текущего роста энергопотребления к 2030 году нужно будет либо найти «шесть новых Саудовских Аравий», либо сделать ставку на другие источники энергии⁶.

Альтернатива — всегда хорошо, но вот что думает Александр Кондрашов: «Альтернативная энергетика для нашей страны — это капля в море». В нынешних условиях, констатирует Кондрашов, даже большой прогресс в альтернативной энергетике не может сильно сказаться на экономике в целом, тогда как в тепловой энергетике и небольшие улучшения дают заметный макроэффект: «Мы в России одного угля больше ста миллионов тонн в год возим по стране. Если поднять КПД при его сжигании с нынешних 33 до 44%, то угля придется возить на треть меньше, отправить его на экспорт, или вовсе не добывать». Получается, вести исследования в области традиционной энергетики — эффективнее, а вкладывать в это — выгоднее. Возвращаясь к солнечной энергетике, Кондрашов отметил, что она неэффективна везде, кроме космоса. Крупные проекты, вроде размещения солнечных батарей где-то в Сахаре с последующей передачей энергии через Средиземное море в Европу⁷, не просчитаны, и специалист из РОСНАНО вовсе не уверен в их осуществимости в обозримом будущем. Экономика этой отрасли довольно туманна во всех странах, даже в тех, где погода гораздо милостивее, чем в России, а сама отрасль развивается только за счёт государственных субсидий. «Германия — лидер в солнечной энергетике только потому, что там предусмотрена субсидия за каждый полученный киловатт такой энергии», — приводит пример Кондрашов.

Трудно сказать, сгущает ли мой собеседник краски, но очевидно, что альтернативная энергетика потому никак и не вытеснит основную, что в каждом подходе к решению этой проблемы есть свои сложности. Ветряная энергетика не слишком эффективна с точки зрения территорий, которые нужно отводить под ветряки: располагать их вплотную нельзя, так как они начинают влиять друг на друга. Ветер ещё капризнее, чем Солнце, и мест, где на силу Эола можно положиться, относительно немного (есть проекты, в которых ветряки вынесены даже в море). Пока фантастикой выглядит и использование постоянных и более сильных высотных ветров: нужно поднять некий агрегат на высоту 10 км и обеспечить доставку полученной энергии на землю, а если говорить о массовом вводе таких решений, придется серьёзно задуматься о том, что делать с самолетами. Ветряки и солнечные элементы роднит не только стремление к заполнению всего доступного пространства, но и малая мощность на единицу занимаемой площади⁸. Пока трудно представить промышленность большого города, работающую на энергии ветра или солнца.

Переход на топливо из растительного сырья тоже потребует выделения огромных площадей. Такие проекты хороши в небольших масштабах, а в глобальных неминуемо встает вопрос о том, что же все-таки нужнее сеять: сырье для горючего или хлеб? Биотопливо из отходов сельского хозяйства позволяет экономить какие-то проценты, но погоды для энергоемких производств не сделает: вряд ли у нас будут технологии, позволяющие содержать экономику за счет навоза.

Есть еще геотермальная энергетика, очень популярная в Европе, да и в США на этот счет грандиозные планы. Есть водород, который никак не могут научиться дёшево добывать и безопасно хранить. Есть, наконец, мини-ГЭС, но много ли их расставишь?..

Не упоминавшаяся до сих пор атомная энергетика — альтернативна условно. Она достаточна дёшева, и сырье для АЭС вряд ли кончится в обозримом будущем. Вполне возможно, что она получит широкое распространение, если ничто другое не «выстрелит» (и если, конечно, мы готовы смириться с тем, что атомная электростанция, по меткому замечанию академика Капицы, — это бомба, временно дающая электричество). На термояд в обозримом будущем надежды мало… Вот и получается, что «при всем богатстве выбора» с альтернативой у нас плоховато.

Примечания:

3. Те, кто внимательно следил за этапами постройки МКС, могли заметить, что доставкой и установкой батарей для станции занимались американцы.

Это не предел. Практически достигнутый КПД на сегодня — 40,7%. Есть теоретические разработки, которые предполагают, что использование многослойных солнечных элементов, рассчитанных на поглощение света в значительной части спектра, позволит повысить эффективность по меньшей мере до 80%.

4. Эпитаксия — упорядоченный рост кристалла на поверхности другого кристалла (на подложке). Осаждение на подложку может идти как из жидкой фазы, так и из газообразной. Молекулярно-пучковая эпитаксия происходит в вакууме, а необходимое для осаждения вещество в виде газа подается на подложку направленным пучком

5. Для ориентировки: мощность пострадавшего энергоагрегата Саяно-Шушенской ГЭС (одного из десяти) в пять с лишним раз больше — 640 МВт.

6. Такой неутешительный прогноз Бироль дал в своем недавнем интервью газете Independent.

7. Такие идеи тоже есть, но путать их с инициативой DESERTEC неверно.

8. Для солнечной энергии есть решения с концентраторами излучения, но их применение, как правило, делает всю установку гораздо сложнее и чувствительнее к положению солнца.