Знание-сила, 2007 № 08 (962)

Светить — и никаких гвоздей!

Наш завтрашний день, энергетическая безопасность всей нашей страны напрямую связаны с использованием энергии Солнца. С такими словами обратился к участникам совещания межфракционного депутатского объединения «Наука и высокие технологии» Госдумы РФ лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов.

Солнце, ближайшая к нам звезда — надежный термоядерный реактор, который обеспечивает нашу планету по- настоящему чистой энергией. По мнению экспертов, к концу XXI века на долю солнечной энергетики будет приходиться от половины до двух третей всей выработки электроэнергии — в противном случае человечество зайдет в тупик.

С середины ХК века люди начали активно использовать накопленные в недрах планеты уголь, нефть и газ. Их добыча идет такими темпами, что потомкам может ничего не остаться (см. «З-С», №7/2007). Стремительно тают запасы «черного золота»: ежедневно в мире добывают около 80 миллионов баррелей нефти. Что ни год, мы используем нефти столько, сколько ее образуется в природе за два миллиона лет. На наших глазах истощаются природные кладовые газа. К тому же россияне не очень-то по-хозяйски используют углеводородное сырье. Природный газ, к примеру, мы сжигаем с эффективностью 25 процентов, притом, что в Европе КПД равен 60%. И это в условиях, когда у нас есть технологии, позволяющие поднять показатель до 80%.

Уголь? Его пока достаточно. Но его сжигание чревато огромными выбросами парниковых газов и, значит, изменениями климата Земли.

Между тем спрос на энергию все растет. Ведь сегодня более двух миллиардов человек на планете даже не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством.

Решение подсказывает фотоэнергетика.

Всего за один год поверхности планеты достигает 10¹⁸ киловатт-часов солнечной энергии. Это в сотни раз превышает потребности человечества. Так что Солнце может обеспечить нас энергией на многие столетия вперед.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии не нов. Первая публикация о нем датирована 1876 годом и принадлежала британским ученым. В 1938 году молодые советские аспиранты Ю.П. Востоковец и Б.Ф. Коломиец создали фотоэлемент с КПД, равным одному проценту. Тогда это был мировой рекорд. Вскоре академик А.Ф. Иоффе предложил покрывать фотоэлементами крыши зданий, чтобы использовать их для получения электроэнергии.

В наши дни появилось уже немало «солнечных домов», хозяева которых забыли о дровах, угле, счетчиках электроэнергии и теплой воды. Как пошутил один из докладчиков, каждый здесь «сам себе Чубайс». Есть целые предприятия, работающие на солнечной энергии: например, металлургический завод под Ташкентом, экспериментальные СЭС-5 в Крыму и Solar-1 в Калифорнии.

Мировой рынок фотоэнергетики развивается ускоренными темпами. В «Кремниевой долине» в США созданы десятки компаний, занятых использованием энергии нашего светила. Не отстает и Европа. Объем производства солнечных фотоэлектрических систем ежегодно растет в среднем на 30%.

Рекордсменом же по числу солнечных установок на душу населения стала Кения. Здесь каждый год появляется более 30 тысяч новых, пусть и маломощных батарей, позволяющих зарядить аккумулятор машины, осветить жилище, посмотреть черно-белый телевизор.

Предположительно в ближайшие 20 лет рынок увеличится в 140 раз! Так, национальная программа Германии предусматривает создание в стране 100 тысяч солнечных крыш, Японии — более 200 тысяч крыш, США — 1 миллиона крыш. Европейский Союз выделяет на развитие новой отрасли до 2010 года три миллиарда евро. Уже в обозримом будущем цена одного солнечного киловатт-часа приблизится к цене киловатт-часа, производимого ТЭЦ.

Стремительно развивается и космическая солнечная энергетика. Еще десятилетия назад на земных орбитах стали появляться советские спутники с солнечными батареями на борту. В 1986 году базовый модуль космической станции «Мир» располагал солнечной батареей площадью в 70 квадратных метров.

Однако, выступив пионерами в развитии перспективной отрасли, мы в девяностые годы утратили свое лидерство и теперь вынуждены покупать космические солнечные батареи за рубежом.

К сожалению, Россия катастрофически отстает в развитии фотоэнергетики от тех же США, Японии, Западной Европы. На долю нашей страны приходится менее одного процента всех солнечных преобразователей.

А ведь климатические условия многих регионов страны словно предназначены для использования «солнечного топлива». Так, на юге России есть обширные области, где солнечных дней больше, чем в Германии, Италии или Испании.

Солнечная энергетика важна для нашей страны еще и потому, что более десяти миллионов россиян по- прежнему живут без централизованного электроснабжения. Новая отрасль энергетики могла бы создать для них цивилизованные условия быта. В этой отрасли нуждается и сельское хозяйство. Солнечная энергия нужна также санаториям и турбазам, системам навигации и линиям уличного освещения.

Так почему же мы отстаем? На то есть разные причины, в том числе и политические.

Россия богата природными ресурсами. Это дает повод иным правительственным чиновникам утверждать: пусть солнечную энергетику развивают страны, которые зависят от импорта энергоресурсов. К нам, мол, это не относится. «Ничего подобного, — прозвучало на парламентском совещании. — И независимые страны по- настоящему могут быть независимы лишь при условии развития экономики, основанной на высоких технологиях. А, значит, и на солнечной энергетике».

Конечно, и у Солнца есть свои «пятна». Существенный недостаток светила — малая плотность поступающей к нам солнечной радиации. Для России — в среднем 120 киловатт-час на квадратный метр в год. «Паровой котел, — говорят скептики, — при таком сравнении в 1000 раз больше дает. Так что не надо напрасных иллюзий».

Но так ли они правы? Наука знает, как преодолеть и этот недостаток. Если сфокусировать излучение, скажем, в тысячу раз, то удастся уменьшить потребность в солнечных батареях, а значит, и получить более дешевую — в два с лишним раза! — электроэнергию.

Мировая фотоэнергетика сегодня развивается на основе старейшего материала — кремния. Цена на этот стратегический материал на мировом рынке за несколько лет выросла на 200-400%! За рубежом производят около 20 тысяч тонн кремния высокой чистоты для нужд электроники. Десять тысяч тонн идет на выпуск солнечных батарей. По прогнозам, к 2010 году общий спрос на материал составит 60 тысяч тонн. Ведь рост цен на энергоносители лишь усиливает интерес к альтернативным источникам энергии. На перспективный сектор работают частные и государственные инвестиции.

Когда-то СССР выпускал десятую часть мирового поликремния. Сейчас в России вообще нет его производства. Есть лишь намерения организовать его выпуск на Красноярском ГХК, в Усолье-Сибирском, на Подольском ХМЗ. Но это намерения. Специалистов очень настораживает тот факт, что в проекте федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» нет даже раздела о материалах.

И все же перспективы есть. Так, в Физико-техническом институте РАН им. А.Ф. Иоффе разработаны концентраторные фотоэлектрические установки с каскадными солнечными элементами на основе арсенида галлия. Они пригодны как для промышленных, так и бытовых целей. Эти многослойные структуры можно ориентировать точно на Солнце. Их КПД в два с лишним раза выше, чем традиционных кремниевых элементов, и достигает 30-35%, а себестоимость ниже примерно в два раза. Достаточно сказать, что 1 грамм полупроводника, используемого в подобной установке в течение четверти века, эквивалентен по получаемой электроэнергии пяти тоннам нефти.

Новая технология вызвала огромный интерес за рубежом. К российским специалистам уже обратились из Испании, Италии, Австралии, из стран Ближнего Востока, ЮАР. Россияне, однако, не хотят ограничиться продажей идей и патентов и намерены организовать собственное производство продукта высоких отечественных технологий.

Теоретически предельный КПД подобных фотоэлементов оценивается в 93%, а при использовании солнечной энергии — в 87%. Сейчас российские ученые достигли сорокапроцентного КПД, в ближайшее время надеются получить 50-55%.

Россия, подчеркивали участники парламентской встречи, располагает достаточным потенциалом для развития фотоэнергетики на основе кремния и наноструктур. И здесь первое слово — за государством. Наивно, недальновидно рассчитывать, что поддержку фундаментальных и принципиальных прикладных работ можно переложить на плечи бизнеса. Бизнес платит за то, что ему выгодно сегодня. Нам нужна законодательная база, которая поощряла бы участие бизнеса в продвижении передовых, перспективных технологий. Нужен федеральный закон о развитии малой энергетики.

(При подготовке статьи использован доклад профессора В М. Андреева из Физикотехнического института им. А Ф. Иоффе)