Меню солнечных технологий
Прошло уже больше столетия с тех пор, как Альберт Эйнштейн, работая в патентном бюро, изложил принцип действия фотоэлектрических преобразователей. Но только в начале XXI в. сфера применения солнечных батарей перестала ограничиваться отдаленными районами.
Благодаря снижению стоимости, увеличению производства и государственным дотациям годовой рынок фотоэлементов вырос с 0,6 ГВт в 2003 г. до 30 ГВт в 2012 г. К концу 2012 г. мощность установленных в мире солнечных батарей составила около 100 ГВт, причем большинство из них появилось в последние несколько лет. В целом в 2012 г. в развитие индустрии солнечных батарей в мире было инвестировано примерно $76 млрд. Резкое падение стоимости фотоэлементов связано с двумя факторами. Цена кремния, исходного материала для солнечных батарей, снизилась на 90 % в результате наращивания производственных мощностей. А потом мощности по производству самих батарей стали превышать рыночные потребности. Все это привело к агрессивной ценовой конкуренции. Перспективы роста индустрии зависят как от государственной поддержки, так и от темпов снижения стоимости фотоэлементов21.
Так или иначе, рост индустрии нестабилен, даже в большей мере, чем рост других составляющих сектора возобновляемых источников энергии. Настроения в среде производителей солнечных батарей и инвесторов быстро меняются, главным образом в результате появления, корректирования или сворачивания стимулов.
По мере роста индустрии солнечных батарей растет и заинтересованность венчурных капиталистов в инвестировании в нее и, как следствие, объем финансирования. Сегодня практически все компании – как известные, так и стартапы, финансируемые венчурными капиталистами, – пытаются снизить стоимость и повысить эффективность22.
Меню технологий производства фотоэлементов довольно велико. У каждой из этих технологий есть свои плюсы и минусы, которые в целом характеризуются соотношением стоимость/эффективность. Одни типы фотоэлементов дешевле в производстве, но менее эффективны с точки зрения преобразования солнечного света в энергию. Другие более затратны, но преобразуют солнечный свет в энергию с меньшими потерями.
Это меню включает солнечные батареи из кристаллического кремния. Использование монокристаллического и поликристаллического кремния – два основных производственных процесса, которые впервые были освоены Solarex.
Также существуют солнечные батареи на основе тонкопленочной технологии – нанесения на поверхность очень тонкого слоя фотоэлектрического материала. Эта технология, по крайней мере потенциально, позволяет снизить стоимость. Один из подходов предполагает использование аморфного кремния, который не требует такой обработки, как кристаллический кремний. Однако эффективность солнечных батарей, изготовленных таким образом, ниже, чем у батарей, изготовленных другими методами. Еще одна тонкопленочная технология предполагает использование теллурида кадмия, а не кремния: на лист стекла наносится тонкая пленка теллурида кадмия, которая и дает фотоэлектрический эффект. Именно эту технологию применяет First Solar. Третья тонкопленочная технология, которая привлекает значительные инвестиции, называется CIGS (селенид меди-индия-галлия). Она позволяет производить гибкие батареи, которые легче объединяются со строительными материалами.
Ученые работают и над другими инновационными технологиями изготовления солнечных батарей. Одни хотят при помощи нанотехнологий создать материалы, которые можно наносить на поверхность почти как чернила или краску. Другие занимаются разработкой систем, которые позволят встраивать фотоэлектрические преобразователи в кровлю и даже в стены.
Компании и технологии конкурируют друг с другом, стремясь к одной и той же цели. «Цель – более высокая эффективность при снижении стоимости, – сказал Дэвид Карлсон, ведущий ученый BP Solar. – Именно на это направлены усилия всех участников игры». Карлсон знает, о чем говорит – ведь именно он в 1974 г. изобрел аморфный тонкопленочный кремний, работая в RCA Labs. «Было время, когда мы думали, что все будет развиваться очень быстро. Но на то, чтобы выстроить основу, требуется время. Это не компьютеры и не интегральные схемы, где быстродействие удваивается каждые 18 месяцев в соответствии с законом Мура, – заметил Карлсон. – Фотоэлектрические преобразователи развиваются хаотичнее. Есть более эффективные способы использования солнечного света, существует множество различных подходов, но такого, который выделялся бы на фоне других, нет. Люди склонны недооценивать время, которое требуется для внедрения совершенно новых подходов. Вы должны создать научную базу, затем техническую базу, а после – всю инфраструктуру»23.
Значительное снижение стоимости подстегнуло развитие солнечной энергетики в последнее время. Оно также поставило под вопрос существование более затратных производителей тех, кто опирается на неконкурентоспособные технологии. Наиболее заметным стал крах компании Solyndra, которая получила $0,5 млрд в виде стимулирующих кредитов от правительства США. Ее банкротство в 2011 г. превратилось в жаркую политическую полемику, связанную с программой экономических стимулов и энергетической политикой администрации Обамы. Острая глобальная конкуренция также привела в некоторых странах к «всплеску протекционизма в сфере возобновляемых источников энергии» в попытках защитить национальных производителей солнечных батарей и рабочие места. Если стоимость продолжает снижаться, то глобальные перспективы существования льгот и субсидий, которые лежали в основе развития солнечной энергетики, остаются туманными. В некоторых европейских странах бюджетные ограничения ведут к приостановке, сокращению и полной отмене субсидий. В Китае субсидирование, нацеленное на увеличение возобновляемых электрогенерирующих мощностей до 50 ГВт к 2020 г., продолжается. В Японии после аварии на АЭС «Фукусима» вводятся новые стимулы для ускорения замещения мощностей остановленных АЭС солнечной энергетикой. Некоторые страны Персидского залива также рассматривают солнечную энергетику как дополнительную возможность удовлетворения быстро растущего спроса на электроэнергию.
Учитывая размер ставок и серьезность конкуренции, нет ничего удивительного в том, что ученые и инженеры, работающие над различными подходами, убеждены в достоинствах своей технологии и не верят конкурентам. Один венчурный капиталист рассказывал, как он в целях снижения напряженности свел вместе генеральных директоров двух компаний, каждый из которых был приверженцем своей технологии изготовления фотоэлементов. Встреча носила вроде бы дружеский характер, но после оба генеральных директора в частном порядке поведали венчурному капиталисту о своей уверенности в том, что его коллега идет по неверному пути и обречен на провал.
Концентрируем солнечную энергию
Фотоэлектрические преобразователи – не единственный путь развития солнечной энергетики. Вкладываются усилия и средства и в другие формы использования солнечной энергии – прежде всего в солнечные системы концентрирующего типа. Эта технология ближе к традиционному способу генерирования электроэнергии. По сути, здесь мы имеем те же электростанции, только вместо угля, природного газа или урана на них используется солнечный свет. Он улавливается при помощи больших зеркал и фокусируется. Сконцентрированный луч нагревает до очень высокой температуры жидкость в трубах, которая используется для превращения воды в пар, приводящий в движение турбину и генератор.
