Световые проемы для электрогенерации
Громадная площадь остекления зданий и сооружений в мегаполисах, обращенная на солнечную сторону — фасады, окна, крыши и ограждения, перегородки в инсолированных внутренних помещениях, конструктивные элементы из стеклоблоков и пустотелого стекла и прочее — теперь смогут использоваться для производства электроэнергии. Фактически устранены последние экономические, технологические и регуляторные препятствия для повсеместного использования солнечной энергии — для отопления, обслуживающих систем (вентиляция, водоснабжение, кондиционирование, питание средств коммуникаций, освещение и так далее) и собственно электрогенерации.
| Сейчас произошло появление на свет новой и мощной отрасли, научно-технологические основы которой вынашивались десятилетиями на стыке индустрии производства стекла, машиностроения, электроэнергетики, строительства, архитектуры и прикладных наук. Возможно, в будущем она получит отдельное название. Темпы развития ее таковы, что мировая индустрия производства стекла, изделий из стекла и связанных с этим технологий по большинству показателей превышает развитие индустрии информационных технологий и телекоммуникаций, считавшейся бесспорным лидером мировой экономики последние десятилетия. |
 |
Последние разработки конструкций и технологий производства модулей для фотоэлектрической (или фотовольтаической, как ее все чаще называют) электрогенерации, представленные на всемирном форуме Glasstec’06, уверенно ломают стереотип о том, что солнечная энергетика — “нишевая” технология, которая годится для генерации исключительно в южных широтах и не имеет будущего при широкомасштабном применении.
Мировая солнечная энергетика пока еще не вышла из границ частных случаев, однако уже построена крупная фотоэлектрическая станция в Аризоне, США. Воплощается проект гибридной фотовольтаической системы в Нигерии под патронатом Siemens: это территориально-распределенная система энергоснабжения (grid-system) с большой общей мощностью из локальных солнечных электроподстанций. В Австралии вскоре закончат строительство крупнейшей в мире фотоэлектростанции. Лидируют же по развитию и применению солнечной энергетики Германия и Япония — страны, которые никак нельзя назвать тропическими. Оценим реальные перспективы солнечной фото- и термо- электрогенерации (памятуя, что это имеет непосредственное отношение к стекольной отрасли) и обратимся к сравнительному анализу.
Анализируй это!
Расчеты усредненной себестоимости различных технологий электрогенерации
(которая, на самом деле, очень зависима от размеров станций, страны, месторасположения,
стоимости энергоносителей с учетом их транспортировки, строгости контроля
национальных экологических норм по сжиганию органического топлива, качеству
геотермальной энергии, топографии местности для гидростанций и многого
другого) напомнают скорее “среднюю температуру по больнице”. Тем не менее,
будут обозначены уровни для экономического сравнения.
На диаграмме “Затраты на электрогенерацию: технологии 2005-2006” показаны
текущие уровни параметров себестоимости, расчеты которых выполнены при
многих допущениях. В частности, средний срок амортизации принят 20 лет
при ставке 6% годовых, стоимость угля принята $1,2/Mbtu, то есть чуть
больше доллара за 1 млн BTU (British Thermal Unit, британская тепловая
единица, BTU расходуется на получение 1 кВт электроэнергии), а стоимость
природного газа при сегодняшних нестабильных мировых ценах тоже взята
с запасом — $4/Mbtu. Уровни затрат приводятся с учетом средней загруженности
мощностей и К.П.Д. технологий. Например, у ядерных станций фактор загруженности
составляет 90%, у фотоэлектрических — не более 20%, гидростанции обычно
нагружены на
25-35% установленной мощности. Учтены затраты на капитальное строительство
для разных типов электростанций. Эти и другие допущения выстраиваются
в картину, требующую комментариев.
Видимая на диаграмме выгодность существующей энергетики мнима. Абсолютно
все эксперты сходятся во мнении, что органическое ископаемое топливо будет
только дорожать. Принцип такси “Чем дальше, тем дороже” еще больше подходит
к прогнозу будущей стоимости традиционной органо-топливной электрогенерации,
если представить, что горючее дорожает во время поездки, нормы чистоты
выхлопа ужесточаются, и штрафные квитанции за их превышение выдаются прямо
на ходу.
Однако если газ, так сказать, сам себя транспортирует (с помощью газотурбинных
агрегатов), то стоимость транспортировки угля будет существенно расти.
Или иначе — нужно транспортировать всевозрастающее количество энергии
потребителям, а значит, строить более мощные сети электропередач и подстанций.
Строительство новых ядерных станций с учетом создания полностью новой
инфраструктуры весьма проблематично: слишком дорого, и не по плечу ни
США, ни ЕС. Да и негативное отношение общественности к ядерной энергетике
слишком велико.
Экономичность возобновляемой энергии уже сейчас близка к показателям угольных
и газовых станций. Солнечной энергетике, особенно фотоэлектрическим установкам,
как следует из диаграммы, нужно снизить стоимость станций впятеро, чтобы
конкурировать на равных с другими видами генерации энергии. Технология
водородных топливных элементов во всех смыслах пока дорогая. Диаграмма
отражает нынешнюю себестоимость генерации, и по прагматическим соображениям
из нее как будто видно, кто будет лидером и дальше. Не тут то было.
Рис. 1. Затраты на электрогенерацию: технологии 2005-2006. Цена за газ: $4 Mbtu
Источник: Annual Energy Outlook 2004, US Energy Information Administration
Рис. 2. Затраты на электрогенерацию: технологии 2025 г.: лучшие технологии, максимум загрузки, быстрый ввод новых мощностей. Цена за газ: $5,7 Mbtu
Источник: The Economics of Generation Technologies, Lockwood Greene Corp., 2005
А что, если...
Если будут введены правительственные ограничения по выбросу вредных газов
и зольной пыли в атмосферу (а к этому идет), то нынешнюю ценовую эффективность
“угольного” электричества надлежит серьезно пересмотреть. Украина, а позднее
и Россия, уже присоединились к Киотскому протоколу. На очереди США, там
уже ведутся приготовления к подписанию. Согласно протоколу, ограничения
могут быть выражены в виде льгот производителям оборудования для “чистых”
технологий, скидок потребителям, субсидий энергогенерирующим компаниям,
прямых штрафов на старые технологии — “за уголь”, “за газ” и “за нефть”,
запрет на модернизацию и, следовательно, вывод отработавших мощностей
из эксплуатации. Недавний пример: в Калифорнии, США, уже приняты документы,
ограничивающие применение органо-топливной электрогенерации на территории
штата, зато дается “зеленая улица” солнечной энергетике, а еще ранее —
ветровой.
 |
 |
В Белой книге Международного агентства по энергетике (International Energy
Agency), 2002 год, технический прогресс измерялся показателями удешевления
капитальных вложений на выработку одного МВт электроэнергии. Была построена
экспоненциальная зависимость между ценой энергии и установленной мощностью
оборудования по каждому виду технологии электрогенерации. Удвоение мощности,
скажем, всех фотоэлектрических станций приведет к удешевлению капитальных
затрат на новое строительство на 18%. Еще раз удвоим суммарную генерирующую
мощность — получим цифру капиталовложений по сравнению с базовой ((100%–18%)–18%)
= 67,2%. В данном случае, 18% — это “коэффициент прогресса”. Для ветровой
энергетики этот коэффициент всего 4%. А у органо-топливных технологий
он еще ниже — на уровне 2,5-3%.
Из этих соображений в Lockwood Green Corp., США, сделали перерасчет. Поскольку
общая установленная мощность новых типов станций еще достаточно низка,
эти “пограничные” с точки зрения эффективности технологии обладают существенной
способностью к своему росту, а значит, к снижению затрат. Удвоение по
всему миру громадной установленной мощности угольных станций означает
ее прирост не более чем на 1000 ГВт. А удвоение всемирной мощности фотовольтаических
станций означает прибавку на 5 ГВт (по данным отчета Renewables in Global
Energy Supply, International Energy Agency, Париж, ноябрь 2002 года).
К слову, Германия увеличивает мощность своих фотоэлектростанций на 58%
ежегодно, что эквивалентно удвоению мощности каждые 15 месяцев. Повторение
такого увеличения в масштабах всего мира означает ежегодное снижение капитальных
затрат на строительство солнечных станций на 15% безо всякого вмешательства
со стороны правительств и протекционизма научно-исследовательских разработок
в этой области.
Если учесть, что технический прогресс означает еще и повышение эффективности
генерации в сторону достижения теоретического максимума для каждой технологии,
учесть коэффициент использования установленной мощности и рассчитать регресс
стоимости капиталовложений, сделать поправку на рост цены органического
топлива, особенно газа, то диаграмма технологий электрогенерации уровня
2005-2006 резко изменится.
Самый пессимистичный прогноз снижения уровня капитальных затрат на 1 кВт
мощности через 20 лет колеблется от 15% для ветровых и до 56% для солнечных
технологий.
 |
 |
 |
 |
В действительности, к 2025 году на солнечных станциях ожидается снижение
общей стоимости 1 кВт электричества в 4,9-5,6 раз! Фотоэлектричество будет
к 2025 году обходиться не дороже добытого на парогазовых установках и
даже дешевле, чем на ядерных станциях, ветровые турбины смогут вовсю соперничать
с угольными и IGCC-станциями, поскольку диаграмма для 2025 г. показывает
стоимость энергии у места производства, а не у конечного потребителя.
Утилизация энергии на централизованной фотоэлектрической или фототермальной
станции пока не сможет превысить уровень 35-40%. Необходимо максимально
приблизить генерацию к месту потребления.
В этом суть представленных на Glasstec’06 модулей и решений — они непосредственно
работают у потребителей, помимо того выполняют традиционную утилитарную
функцию световых проемов и светопрозрачных конструкций для зданий, сооружений,
жилья. Широта предложения — от полупрозрачных покрытий оконных стекол
до фасадных систем и конструктивных несущих элементов стен, мансард и
крыш, от широкоформатных витрин до стеклоблоков, от кремниевых кристаллических
фотопреобразователей с высоким КПД до тонкопленочных органических рулонных
покрытий и мембран или специальных пигментов, нанесенных прямо на стекло,
от непрозрачных ограждений до затеняющих или с регулируемой прозрачностью
световых проемов, от внутренних перегородок до декоративных наружных элементов
архитектуры, от систем для строящихся зданий до устанавливаемых при ремонте,
от мегаполисов до сельских зданийѕ
Будучи объединенной в Grid-систему, оконная энергетика сможет покрыть
коммунальные нужды в электроэнергии если не полностью, то их львиную долю.
С учетом подогрева теплоносителя в теплое время года и закачки его в подземные
резервуары, (т.н. “тепловыми насосами”) реально использовать солнце для
обогрева зданий и зимой. Есть решения по аккумулированию тепла специальными
остекленными фасадными пакетами в виде многослойного сэндвича, где вовсе
нет жидкого или газового теплоносителя, а все компоненты — продукты переработки
древесины.. Эти технологии существуют, и они реальны для широкого внедрения
и выхода на рынок.
Деньги... из окна
Ожидаемый рост мировых цен на газ и минеральное топливо поворачивает вектор
экономической привлекательности в сторону возобновляемых технологий электрогенерации.
Среди “зеленых” технологий солнечная энергетика уже стоит на рубеже конкурентоспособности
с традиционными способами добычи энергии, включая ядерную.
Однако практический доступ к экологичной электроэнергетике в Украине пока
прочно закрыт либо нормами регулирования и землепользования, отсутствием
строительных нормалей и стандартов, либо отказом в целевых субсидиях.
Сдвинуть с места лежачий камень на пути широкомасштабного применения возобновляемых
технологий электрогенерации — законодательное решение вопросов о приоритетности
их развития вопреки мощному лобби энергетических “традиционалистов”, инициатива
предпринимателей-стекольщиков в продвижении и организации производства
новых изделий и прагматизм негосударственных инвесторов, которым не выгодно
вкладывать средства в технологии без будущего.
|
Новости от Glasstec’06
 Компании Nanosolar и Conergy занялись совместным созданием фотоэлектрической станции на тонкопленочных элементах большой единичной мощности и большого размера по площади. По утверждению представителей компаний, это будет самый дешевый источник солнечной электроэнергии. Установленная мощность одной такой станции сможет сравниться с мощностью региональной фотоэлектрической станции с распределенной сетевой структурой. Компании заключили соглашение, согласно которому они займутся разработкой тонкопленочных фотоэлементов и новой конструкцией панелей. Пленочная технология почти не требует кремния, а, учитывая сегодняшний дефицит высокоочищенного кремния, который используется в фотоэлементах, она недорога и многообещающа. Легкая, гибкая и тонкая пленка применима в качестве штор на окнах и ролетах, также она может крепиться к стеклу. Особыми возможностями обладает тонкая пленка-фотоэлемент, которая покрывает стекло с внутренней стороны — она одновременно выполняет роль УФ- и ИК-фильтра света, оставаясь практически прозрачной для видимой части спектра. Множество других фирм, включая Innovalight, Konarka и HelioVolt получили финансирование и займутся разработками в этой отрасли в текущем году. В феврале 2006 г. концерн Royal Dutch Shell продал свой бизнес по производству кристаллического кремния компании SolarWorld, а сам сфокусировался на тонкопленочной технологии. В декабре 2006 г. ожидается, что Honda Motor объявит о своем выходе на рынок тонкопленочных элементов и массовом производстве тонкопленочных фотоэлементов в 2007 г. Мировой рынок возобновляемых источников энергии активно развивается и ищет новые решения. Оцениваемый в 2005 году суммой в 27 млрд. долл. США, он достигнет к 2008 году величины 46 млрд. долл. США. Лидирующими сегментами рынка, по-прежнему, остаются ветровая энергетика, отрасль солнечных элементов и солнечных нагревателей. Солнечная энергетика, особенно производство фотоэлектричества, прирастает темпами не ниже, чем 30% в год.
Раньше стекло использовалось как конструкционный и дизайнерский материал. Новые способы применения светопрозрачных конструкций представлены к показу на всемирной выставке Glasstec’06, проводимой с 24 по 28 октября в Дюссельдорфе, Германия. Новый взгляд на применение стекла — использование его в качестве разнообразных фотоэлектрических конструкций и модулей. Интегрированные в конструкцию самого здания снаружи или внутри, эти элементы генерируют экологически чистую возобновляемую энергию. Способность к инновациям со стороны производителей стекла, и технические усовершенствования оборудования сделали возможным создание таких нестандартных материалов, как стекло с односторонней светопроводимостью, самоочищающееся стекло или с управляемой прозрачностью, что обязательно скажется на архитектурных решениях в самом ближайшем времени. По мнению большинства экспертов стекольной отрасли, дальнейшее распространение получат клеевые соединения стекла и рамы в единый конструкционный блок с существенно большей площадью остекления, меньшей толщиной и весом. Новое слово — сварные соединения дерева с помощью пластмассовых закладных деталей, которые ввариваются ультразвуком — пластмасса без давления, только за счет адгезивных свойств, протискивается ультразвуком во все капилляры и пустоты ДСП или между волокон дерева и без внутренних напряжений в свариваемом материале намертво крепит соединение, в том числе дерева со стеклом и металлом. Это позволит разработать более филигранные фасадные конструкции и способы их крепления, при этом обеспечит большую несущую способность. В результате этого, стекло станет доминирующим материалом фасадных конструкций. Сейчас в завершающей стадии разработки находятся еще несколько технологий в этом направлении. Однако эти и другие тенденции в стекольной отрасли не станут возможными без соответствующих разработок в области машин и станков. Это же относится к производству витринного и гнутого стекла, к прецизионным технологиям лазерной финишной обработки стекла, прочее. На Glasstec’06 можно воочию увидеть новое перспективное технологическое оборудование по производству, обработке и отделке стекла в действии, новейшие машины и оборудование, новинки от машиностроителей в этой отрасли.
представляет специальное шоу “Glass Technology Live 2006” Важность солнечной энергии как основного источника в энергетике недалекого будущего осознается вместе с ростом применения стекла в строительстве зданий со светопрозрачными конструкциями. На всемирной выставке Glasstec’06 в специальном шоу “Glass Technology Live 2006” были представлены интегрированные фотоэлектрические элементы, встроенные в светопрозрачные фасадные конструкции. В связи с принятием в Европе законодательных и регулятивных документов (например, “EEG”, Акт о возобновляемой энергии), которые дают “зеленый свет” применению интегрированных в фасады фотоэлектрических компонентов, появляется новая отрасль индустрии с огромными темпами роста. Солнечные энергетические модули будут применяться в качестве несущих элементов как самих сооружений, так и фасадных конструкций зданий. Использование стандартных модулей отчасти возможно в холодных вентилируемых фасадных конструкциях. Однако есть альтернативные предложения по фотоэлектрическим цельностеклянным фасадам, которые одновременно выполняют функцию затенения световых проемов и генерируют электричество. Такие цельностеклянные модули с двухсторонним покрытием или просто в виде ветрозащитных ограждений содержат целый ряд инновационных технологических достижений. Увеличивая индивидуализацию фасадов, стало возможным расширить предложения по текстуре их поверхности, цвету, размерам, формату, прозрачности и теплозащитным свойствам. Широкоформатные единичные модули из высокоэффективных с точки зрения энергогенерации монокристаллических кремниевых фотоэлементов уже перешагнули отметку в 10 м2 по площади. В 2006 г. ожидается выход первого сборника таких типовых модулей, разрешенных к применению на рынке в Германии. Этим устранится последняя преграда на пути применения их в качестве общеупотребимых элементов стеклянных ограждающих конструкций. Для фасадов со специальными требованиями сконструированы элементы из аморфного и монокристаллического кремния, причем есть частично прозрачные конструкции. Солнечные элементы нового типа дают возможность устранить все контакты с обратной (под напряжением) поверхностью фотобатареи. Это поможет получить более высокую отдачу электроэнергии и обеспечить однородность внешнего вида фасадов изнутри и снаружи. Иное направление разработок относится к области пигментных солнечных элементов. Элементы такого типа позволяют получать энергию без дорогостоящих кремниевых технологий, правда, с меньшей энергоотдачей на единицу площади. Представленные на форуме разработки нацелены на немедленное применение не только в области электроэнергетики, а, по большей части, для функциональных ограждающих и фасадных конструкций, таких как окна, крыши, элементы фасадов жилых и общественных зданий. |
Сергей Шовкопляс
