?

Log in

No account? Create an account

Сообщество Чиграшей

Previous Entry Share Next Entry
Долой цензуру, даешь оригинальные тексты!!!
timoochin wrote in chigrashi
Вот она, моя статьюшечка, полностью и без купюр :)

Солнечная энергетика для начинающих
Василий Тиматков, солнечный энтузиаст

Двадцать первый век – это мир будущего. Причем совершенно не важно, что он уже наступил, это вовсе не переводит его автоматически в разряд унылого настоящего. Ощущение того, что я живу в будущем, возникает у меня достаточно часто даже среди текучки. А уж если сосредоточиться и внимательно сравнить нашу жизнь со второй половиной XX века, то количество абсолютно привычных сейчас вещей, ранее бывших лишь атрибутами научной фантастики, трудно даже и подсчитать! У нас на глазах случилась не просто революция, а несколько революций, и каждая следующая затмевает предыдущую.

В общем и целом, все эти перемены были обусловлены интенсивнейшим развитием и массовым внедрением промышленной и бытовой электроники. Транзисторная революция привела к появлению персональных и промышленных компьютеров. Интернет-революция многократно увеличила скорость информационного обмена на планете. А чуть погодя уже сам по себе интернет стал полем для революционных явлений, таких как, например, Википедия и социальные сети.

Такой консервативный сектор как энергетика тоже сполна воспользовался возможностями, которые предоставляет электронный мир. Это касается не только систем управления и безопасности, построенных на современной электронике. Возможности проектирования на вычислительной технике позволили значительно повысить совершенство и эффективность энергетических машин – паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, ядерных реакторов. Пара цифр для примера: КПД газовых турбин в период с 1950 по 2015 год вырос с 24% до 42%. То есть для производства одинакового количества электроэнергии сейчас нужно тратить в 1,8 раз меньше топлива, чем 65 лет назад! Чуть меньший, но тоже заметный прогресс произошел и среди дизельных двигателей, где сейчас рекордсменом является финский судовой четырехтактный дизель с КПД на уровне 50,6%.

Тем не менее, я считаю, что настоящая революция XXI века у энергетики еще впереди, и связана она будет с такими направлениями как термоядерная, ветровая и солнечная энергетика. И именно про солнечную энергетику я и хочу сегодня немного рассказать.

Формат издания «ТуристЪ» не позволяет особо погрузиться в детали, поэтому сегодня мы разберем три самых распространенных мифа относительно солнечной энергии, лежащие на разных полюсах восприятия этого яркого явления:
·       солнечный потенциал, то есть количество солнечной энергии, падающей на Землю, превышает все энергетические потребности человечества в Х раз (где Х колеблется в пределах от 3000 до 8000, в зависимости от точки зрения автора);
·       плотность солнечной энергии (то есть количество энергии, падающее за одну секунду на один квадратный метр Земли) ничтожно мала, для того чтобы она могла заменить нам газ, нефть и уголь;
·       количество энергии, вырабатываемое солнечной панелью за весь срок службы, меньше, чем энергия, затраченная на её производство.

Солнечный потенциал
Правда заключается в том, что на Землю падает и поглощается атмосферой, водой и сушей 3,8*1024 джоулей солнечной энергии в год. Правда также заключается в том, что человечество за год в том или ином виде использует для своих нужд 5,6*1020 джоулей энергии, сознательно извлекаемой из нефти, газа, угля, древесного топлива, урана, ветра, воды и – совсем немного – из солнечных лучей. Действительно, две эти цифры отличаются примерно в 7000 раз.

Но значит ли это, что на нас падает намного больше энергии, чем нам нужно? Разумеется, нет. Сокращение потока солнечного света и тепла хотя бы на 5% привело бы к катастрофическому оледенению, а снижение на 10% означало бы окончание жизни на Земле – в том виде, в котором мы её знаем.

Другое дело, что если мы сможем поймать и использовать 1/7000 = 0,014% из падающего на нас солнечного света, то нефть с газом и углем станут почти не нужны, а ничего плохого на планете не случится. Ведь в рамках обычных 11-летних циклов активности солнца количество падающей на нас солнечной энергии колеблется в намного более широких пределах – 0,07%, и ничего страшного от этого не происходит.

Почему же мы до сих пор этого не делаем? Одна из причин – та самая

Плотность энергии
Современная угольная электростанция Березовская ГРЭС имеет проектную мощность 2400 МВт при площади около 7 млн. квадратных метров. Это значит, что днем и ночью, летом и зимой такая станция может обеспечить 340 Вт мощности с каждого квадратного метра занимаемой площади.

А что может солнечная электростанция? Зависит от места размещения. Например, в Москве 1 квадратный метр современных солнечных панелей может обеспечить лишь 17 Вт мощности, если усреднить получаемую энергию с учетом зимы, ночей, облаков и прочих факторов. Это примерно в 20 раз меньше, чем у обычной тепловой электростанции. Иными словами, если мы в Москве хотим заменить угольную или газовую электростанцию на солнечную, то нам потребуется в 20 раз больше площади.

Если мы хотим сделать такую замену в Австралии, где Солнце светит поярче и почаще, то нам потребуется в 9 раз больше площади. И даже если там же в Австралии мы будем делать солнечные панели не из кремния, а из комбинации трех полупроводниковых материалов (именно так сейчас в лабораториях достигается рекордная эффективность преобразования света в электричество), то нам потребуется в 3 раза больше площади.

В общем, как ни крути, а по площади мы даже в обозримом будущем и даже при самом удачном раскладе проигрываем древней и грязной тепловой электроэнергетике в разы.
Но площадей-то у нас навалом! Начать хотя бы с крыш домов. Дом №10 по улице Старый Гай имеет площадь крыши 3600 квадратных метров. С учетом неважной московской инсоляции с такой площади можно за месяц получить 44 тысячи киловатт-часов. Это примерно половина суммарных показаний электросчетчиков всех квартир дома. А будь в доме не девять этажей, а четыре, то крыша могла бы полностью обеспечивать квартиры электроэнергией – даже в хмурой Москве и даже на нынешних панелях с эффективностью в 16%!

Или взять Еремино, дом Виноградовых и Ко. Достаточно покрыть солнечными панелями два из четырех скатов крыши – и это даст среднемесячное производство 500 кВт*ч электроэнергии. Зимой, конечно, без дров не удастся обойтись, но в остальное время года можно смело быть автономным, имея при этом электрическую плиту, стиральную и посудомоечную машины, холодильники и прочие блага цивилизации.

Учитывая тенденцию к росту КПД и сокращению стоимости солнечных панелей, а также наметившуюся тенденцию к сокращению душевого электропотребления в развитых странах, я убежден, что если мир не погрузится в пучину мировой войны или какого-нибудь другого кризисного состояния, то к середине XXI века домашнее электропотребление в большинстве развитых стран будет обеспечиваться солнечными панелями почти полностью.

Любопытный факт: одним из чемпионов  по развитию солнечной энергетики сейчас является Германия, где доля солнечной энергии в общем энергопотреблении составляет 7%, а доля природного газа – 6%. (это к слову о зависимости Европы от российского газа, ага).

Что же до промышленности, то там, как правило, потребление энергии имеет столь высокую плотность, что солнечными панелями на крышах цехов уже не обойтись. Впрочем, это и не требуется – заводы как получают электроэнергию по линиям электропередач сейчас, так и будут получать её впредь, просто источник этой энергии будет постепенно становиться всё более и более возобновляемым.

По современным оценкам, для полного покрытия энергопотребления человечества в 2030 году потребуется 500 тыс. км2 солнечных панелей. Для сравнения, площадь пустыни Сахара в 18 раз больше – 9 млн. км2.

Именно в Сахаре и на прилегающих территориях международный консорциум европейских и африканских стран планировал реализацию проекта DESERTEC – первого по-настоящему крупного проекта возобновляемой энергетики будущего, который должен был покрыть около 20% электропотребления Европы, Ближнего Востока и Северной Африки за счет солнечной энергии.

К сожалению, всю Северную Африку и Ближний Восток начиная с 2010 года очень некстати охватила так называемая «Арабская весна» - серия революций, военных вторжений, гражданских войн и прочего безобразия. В 2012 году консорциум одна за другой стали покидать компании-основатели, и сейчас проект DESERTEC можно считать окончательно свернутым.

Энергетическая окупаемость
Утверждение о том, что на производство солнечной панели тратится больше энергии, чем она потом производит за свою жизнь, является неверным. Возможно, когда-то в прошлом оно и было справедливым – не стану спорить. Из тех данных, которые мне удалось найти, в далеком 1990 году в Москве солнечная панель должна была 7 лет работать для восполнения затраченной на ёё производство энергии. Однако с тех пор технологии производства и обработки кремния требуемой чистоты здорово шагнули вперед, и сейчас время энергетической окупаемости составляет в Москве уже лишь 2,5 года. А в более лучезарных регионах – и вовсе около 1 года. Так что более 95% своей жизни солнечная панель по-настоящему производит абсолютно экологически чистую энергию.

P.S. В статье сознательно опущены многие трудности, лежащие на пути повсеместного внедрения солнечных панелей. Панели пока еще недостаточно дешевы, для них нужны аккумуляторные батареи и инвертор, панели нужно регулярно мыть, существует проблема вандализма… Но не стоит волноваться – лучшие в мире специалисты неустанно работают над решением этих проблем, и прогресс налицо. И если где-либо через 80 лет солнечные панели и не станут доминирующим источником энергии, то только потому, что там удобнее и дешевле будет использовать ветер, реку или термоядерные реакции.

  • 1
Монументальненько.
Однако, немного замечаний.

Общая мощность потребляемой человечеством электроэнергии в 2007 году в среднем оценивалось в 1,95 ТВт.

Солнечная постоянная на земной орбите составляет 1366 Вт/м2.
На Земле - 341 Вт/м2 на «усреднённой» земной поверхности.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_land_area.png

В Питере среднегодовое значение солнечной энергии составляет 108 Вт/м2, а в Мурманске среднегодовое значение не более 91 Вт/м2, с 2 декабря по 11 января - 0, летом до 214 Вт/м2 круглые сутки в хорошую погоду. Сколько там её, этой хорошей погоды?

К чему это я?
Берём Питер. Энергопотребление в 2011г, согласно Госкомстату - 23862,7 млн кВт*ч, т.е. надо порядка 2,7ГВт генерирующих мощностей.

Для постройки станции в 100 МВт в условиях Санкт-Петербурга, с учётом КПД фотоэлементов в 20%, имеем сооружение площадью в 5 км2. И такого надо 27! Отсюда, только на обеспечение уровня потребления 2011г. Питеру нужно 135 км2 полей солнечных батарей! И это без учёта потерь передачи, аккумулировании и т.д. А ещё добавим площадь дорожек между рядами батарей, площади гидроаккумулирующих станций, резервных мощностей... А ещё надо как-то это чистить, чинить. Пусть даже роботами-таджиками.

Для сравнения: площадь Топозера - 986км2, площадь пашни Ленинградской области - 3370 км2.

Потребление Ленинградской области - 19396 млн кВт*ч, Москвы - 51954, Московской области - 47100 млн кВт*ч.
800 км2. Даже с КПД батарей 50% будет 700 км2.
Что-то мне грустно становится.

Есть ещё один интересный коэффициент - КИУМ, Коэффициент Использования Установленной Мощности. Для хороших условий юга США или Европы составляет от 10 до 20% — поскольку в пасмурную погоду, в утренние и в вечерние часы солнечные батареи работают плохо, а ночью — не работают вовсе.
Для сравнения: КИУМ угольных и атомных блоков составляет сегодня от 75 до 95%.

Отсюда и возникает парадокс: любое уменьшение стоимости единицы мощности панели сказывается на стоимости производимой ею же электроэнергии отнюдь не в прямой пропорции, а «установленные гигаватты» солнечной мощности пересчитываются в кВт*ч произведенной ими электроэнергии с понижающим коэффициентом в 5...10, в зависимости от широты и погодных условий места установки солнечной электростанции.

Поэтому, сегодня солнечная энергетика от $300 до $2100 за кВт установленной мощности и себестоимость в США и Европе от $110 до $270 за МВт-час. К 2020 году ожидается от $100 до $220 за МВт-час.
Для сравнения: атомная и угольная - от $3000 до $8000 за кВт установленной мощности и $75..105 у атомной, $28..38 у угольной. Причём у атомной к 2020г ожидают $40..70.

К чему это приводит? К тому, что "передовики производства" Дания и Германия имеют 30% установленных "зелёных мощностей" при доле генерации порядка 1%, завышенных в 5 раз тарифах по сравнению с соседями, и чудовищными перекосами в энергосистеме, компенсируемых за счёт соседей.

Мне кажется, что кто-то кому-то дурит мозги.

Edited at 2015-09-08 11:35 pm (UTC)

Миша, ты приводишь тут свои голословные убеждения, а я всегда опираюсь на факты.

Доля выработки электроэнергии (именно кВт*ч, а не установленной мощности) в 2014 году в Германии от солнечной энергии составила 6,3%, от ветровой энергии 9,6%. В сумме - больше 16%. Данные института Фраунгофера, https://www.ise.fraunhofer.de/de/downloads/pdf-files/data-nivc-/stromproduktion-aus-solar-und-windenergie-2014.pdf, страница 7.

Доля выработки электроэнергии в Дании ветряками в 2014 году составила 39%. Данные государственной электросетевой компании Дании, http://energinet.dk/DA/El/Nyheder/Sider/Vindmoeller-slog-rekord-i-2014.aspx

Сравни 39% и 16% с твоим "при доле генерации порядка 1%".

И если насчет датских перекосов я еще могу отчасти согласиться (нормально регулировать систему тепловыми станциями можно при доле ветряков не выше 30%), то у Германии энергосистема абсолютно сбалансирована. На зависть многим, я бы сказал.

Что касается стоимости 1 кВт*ч, то свежие данные того же института Фраунгофера по Германии доступны по ссылке https://www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/study-levelized-cost-of-electricity-renewable-energies.pdf

И там указано, что стоимость кВт*ч энергии от промышленной солнечной фермы превышает стоимость кВт*ч от угольной электростанции максимум в 1,5 раза. А не в 3...7 раз, как ты пишешь.

Мне кажется, что кто-то кому-то дурит мозги (с)

Вот картинка по стоимости электроэнергии, для тех кому лень в документах копаться:


Edited at 2015-09-10 05:21 am (UTC)

Ну и чтобы два раза не вставать - вот свежие проекции американского статистического агентства при Минэнерго по стоимости электроэнергии для станций, вводимых в строй в 2020 году (цифры отсюда http://www.eia.gov/forecasts/aeo/electricity_generation.cfm):


Как видно, US EIA считает, что через 5 лет электроэнергия с обычных ветряков будет дешевле угольной, атомной и даже газовой электроэнергии.

Солнечная, конечно, подороже - по сравнению с атомной и угольной на 30%, по сравнению с газовой (спасибо низким ценам на нефть) - на 70%. То есть даже не вдвое. А ведь нефть может и подорожать обратно, потащив за собой газ.

Ну и что б трижды не вставать

Ассоциация ветряков США (American Wind Energy Association) сообщает, что если дотации (в виде Production Tax Credit) не будут продлены, новые проекты сократятся на скромные 70%-90%.

"Ветряки - несчастное дитя нестабильных правительственных политик, остановки дотаций как в прошлом, так и сейчас, ведут к разрушению отрасли и увольнениям", - сообщает ассоциация.

http://fuelfix.com/blog/2015/09/09/wind-power-growth-faces-sharp-decline-without-federal-aid-report-says/

Без дотаций не жилец, в общем.

Вообще показатель LCNE мне очень нравится. Только это не стоимость электроэнергии! Отакот. Там забавная формула.

Потерпи немного. Будет тебе с цифрами, фактами и первичкой. Будет.

Re: Ну и что б трижды не вставать

А в какой момент ты решил, что я не знаю формулы расчета LCOE? И про КИУМ? И про среднегодовую инсоляцию в разных точках планеты?

Энергетика - моя специальность, поиск и верификация количественных данных - мое любимое занятие. Поэтому попытки уязвить меня в цифрах мне откровенно смешны.

Любая субсидируемая отрасль будет настаивать на продолжении субсидий и грозиться откинуть ласты при их прекращении. Якунин тоже каждый год требовал для РЖД десятки-сотни миллиардов рублей субсидий, иначе грозил остановкой железных дорог.

Размер Production Tax Credit для ветряков составляет 2,3 цента за кВт*ч, то есть лишь $23 за МВт*ч. Если убрать PTC, то LCOE для ветряков сравняется с углем и атомом, и все они вместе будут проигрывать только газовым станциями. Причем в приведенной тобой статье указано, что проблема в дешевом сланцевом газе. Между тем, сланцевая революция в США многими экспертами рассматривается как сугубо временное явление, поскольку у технологии много проблем.

В общем, если вводы ветряков в США сократятся на 70-90% - тогда и посмотрим.

Re: Ну и что б трижды не вставать

Я даже не сомневался, что ты знаешь что такое LCOE и КИУМ. Было бы странно выпускнику МЭИ этого не знать.

Статья - полемика журналистов. Сланцевая индустрия - сейчас осталось менее 50% скважин. Так что "дешёвый сланцевый газ" им теперь будет только сниться.
То, что это очередная попытка выбить денег - видно невооружённым взглядом. То, что их будут субсидировать, пока есть деньги - то же.

Что касается LCOE - то этот показатель, даже не цена, а "нечто". Инвесторам нравится, деньги идут. Плохо, что ли?

ОК, будет тебе и доказательства, и референсы. Там чудная первичка. Как у Евростата, так и у Фраунховера. Уже почти всё, что надо нарыл, сделаю отдельным текстом. Ещё чудеснее есть у IEA.
Просто времени написать нет.

И второе. По сравнению с атомной энергетикой, солнечная упирается в
- трудности доставки энергии до места,
- сложностями с генерацией от режима освещённости,
- сложностями с оценкой последствий для экосистемы (зелёная, ага!),
- сложностями с обслуживанием полей генерации,
- влиянием на площади пахотных земель и лесов (зелёная, ага!).

Однако, в удалённых районах, например, в Якутии, куда доставить ГСМ трудно, а строительство крупных АЭС нецелесообразно, имеет смысл.

Вот как-то так.

И на тему Desertec

Нарушена тема причины и следствия.
Он закрылся раньше, чем начались проблемы в Северной Африке.

А идея была хороша: производство солнечной энергии на концентраторах в Сахаре, передачу её по высоковольтным кабелям через Гибралтар и Средиземное море в в Западную Европу.

Однако, «солнечные башни» всё равно не могли самостоятельно закрыть утренний пик потребления, а удалённость проекта от потребителей и проблемы с высоковольтной передачей делали стоимость производства солнечной электроэнергии «космической». Обанкротились, толком не запустившись.

Война началась позже.

Вот так-то Василий, иногда лучше с цензурой, но за стеной так сказать печатной формы

Я уже привык к тому, что Михаил разбирается во всех вопросах лучше всех. Поэтому в полемику с ним не вступаю - жаль времени.

Видишь ли Вася, свою трудовую карьеру в далёких 90-х я начинал в Энергонадзоре Мосэнерго. Так что более чем в теме. Причём не только в теории. А жёсткой практики было более чем достаточно, ибо делали систему расчётов.

В ТОЭ, кстати, я весьма слаб. А вот свести баланс генерации-потребления ещё могу. Чай не правило буравчика, да? Так что можешь не вступать в полемику. Будет тебе комментарий. Там документ твой чудный :-)
Ща, только чуток перепроверю их цифирь. Она с Евростатом сильно не бъётся в энергобалансе.

а все-таки подробный же разбор?

Это называется не разбор, а наброс на вентилятор.

  • 1