Жизнь под солнцем
Солнечную энергетику нередко представляют как символ светлого и чистого будущего. Но реальность, как обычно, сложнее. Солнечные панели уже встраивают в здания, одежду и инфраструктуру, но полностью заменить традиционные источники энергии они пока не могут. Почему солнечная энергия еще не стала универсальным решением энергетической проблемы и станет ли им вообще, разбирался «Новый проспект».
Принцип работы солнечной панели на удивление прост: свет падает на фотоэлементы, чаще всего сделанные из кремния, и вызывает движение электронов — так возникает электрический ток. Фотоэлектрический эффект начали изучать еще в XIX веке — его обнаружил французский физик Эдмон Беккерель. Позже Альберт Эйнштейн теоретически объяснил, как работает это явление, за что и получил Нобелевскую премию.
Сегодня большинство панелей делают из монокристаллического или поликристаллического кремния. Они надежны, служат десятилетиями и обходятся дешевле, чем 10 лет назад. Их эффективность — от 15 до 23%, что считается достойным показателем.
Но технологии развиваются. На горизонте — панели на основе перовскитов — особых кристаллических соединений, хорошо поглощающих свет. Они тонкие, гибкие, дешевые в производстве. В лабораториях перовскитовые панели уже показывают КПД до 25%, но пока уступают по надежности. Еще более перспективны тандемные элементы, которые сочетают перовскит и кремний в одной конструкции. В 2023 году Немецкий центр авиации и космонавтики зафиксировал рекордный КПД — 33,9%. Это почти вдвое выше, чем у стандартных кремниевых панелей.
Есть и другие разработки, например прозрачные панели, которые выглядят как обычное стекло, но производят электричество, или гибкие солнечные пленки, созданные на основе других тонкопленочных технологий — необязательно перовскитов.
Светлая сторона энергии
Раньше солнечные панели ассоциировались с крышами домов и электростанциями посреди пустыни. Теперь они появляются там, где их раньше и представить было трудно.
Одежда с панелями уже перестала быть редкостью. Куртки и рюкзаки с солнечной зарядкой через USB можно купить в обычных магазинах. Пока это нишевый рынок, но он развивается.
Прозрачные панели — еще один прорыв. Они выглядят как обычное стекло, но генерируют электричество. Здания с такими окнами могут частично обеспечивать себя энергией. Если технология станет массовой, она изменит подход к архитектуре.
Даже городская мебель становится источником энергии: скамейки и автобусные остановки с солнечными зарядками для гаджетов, уличные фонари, не зависящие от электросети — всё это уже работает в разных городах мира.
А в Нидерландах даже пытались встроить солнечные панели в покрытие велосипедной дорожки — проект Solaroad. Днем она вырабатывала электричество, а ночью подсвечивалась. Первая версия пострадала от износа, и участок пришлось демонтировать. Но идею не забросили: сейчас тестируют новое поколение более прочных модулей. Аналогичные эксперименты идут и в Китае.
Эпоха солнечных решений
Рюкзак с панелью — это мило, но может ли солнечная энергия потянуть что-то серьезное, например целый город? Да, но при определенных условиях.
Потенциал у солнца огромный: за 1 час оно дает Земле больше энергии, чем всё человечество потребляет за год. Вопрос в том, как эффективно ее собрать, сохранить и распределить.
На практике это уже происходит. В Калифорнии солнечная генерация регулярно покрывает дневной спрос. В Дубае строят один из крупнейших солнечных парков в мире — он рассчитан на миллионы потребителей. Бёрлингтон в США стал первым городом, полностью перешедшим на возобновляемые источники энергии, включая солнце. В Аделаиде (Австралия) солнечные панели покрывают до 80% потребностей. Даже в Дании солнечная энергия обеспечивает небольшие городки и поселки.
Бизнес тоже в деле. Крупные компании вроде Apple, Amazon и IKEA используют солнечную генерацию, чтобы сократить расходы. Например, с 2018 года Apple обеспечивает 100% своих офисов и дата-центров за счет возобновляемых источников энергии. По состоянию на 2023 год компания ввела в эксплуатацию более 1,5 ГВт солнечной, ветряной и другой зеленой генерации по всему миру.
Не всё так просто
Несмотря на рост интереса, снижение цен и красивые отчеты, солнечная энергия пока далека от того, чтобы стать универсальным решением. Проблема не в потенциале — с этим как раз всё в порядке. Вопрос в реальности: технической, экономической и инфраструктурной.
Во-первых, цена. Сами панели стали дешевле, но установка всей системы по-прежнему требует серьезных вложений, особенно если речь идет об автономии: с инверторами, батареями и обслуживанием. Для частного потребителя или малого бизнеса это ощутимый барьер.
Во-вторых, хранение. Солнце не светит круглосуточно, а значит, без аккумуляторов система нестабильна. Современные батареи дороги, объемны и не всегда экологичны. Даже несмотря на снижение цен, они пока не подходят для массового применения.
В-третьих, инфраструктура. Электросети в большинстве стран изначально строились под традиционные источники — уголь, газ, атом. Солнечная генерация децентрализована и непредсказуема. Без умных сетей она может перегружать систему, а не помогать ей.
Есть и экологическая сторона. Производство панелей требует ресурсов, а утилизация старых модулей — растущая проблема. К 2050 году в мире может накопиться до 78 млн тонн «солнечных» отходов — это примерно 150 футбольных стадионов.
Наконец, климат. То, что работает в Калифорнии или Абу-Даби, в Осло, Воркуте или Якутии дает гораздо меньшую отдачу. Это не значит, что панели там не нужны, просто в холодных регионах их нужно сочетать с другими источниками.
Небесные перспективы
По прогнозу Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), к 2030 году солнечная и ветровая генерация могут обеспечивать около 35% всей мировой электроэнергии, а в совокупности с другими возобновляемыми источниками — более 60%.
Одно из самых перспективных направлений — агрофотовольтаика. Панели устанавливаются над сельхозугодьями, что позволяет одновременно выращивать урожай и вырабатывать электричество. По оценкам исследователей, такая система повышает эффективность использования земли до 60%.
Также растет интерес к интеграции солнечных элементов в транспорт — от электровелосипедов до прототипов автомобилей с панелями на крыше.
На уровне стран появляются программы «солнечных крыш» и обязательства по строительству зданий с нулевым энергопотреблением. В Италии, например, с 2023 года новые жилые дома обязаны иметь солнечные панели или зеленые крыши с растительным покрытием. Аналогичные меры принимаются в Германии, Швейцарии, некоторых штатах США и Южной Корее.
Параллельно совершенствуются аккумуляторы и электросети. Развиваются не только литий-ионные, но и натриевые, твердотельные и другие типы батарей. Умные сети начинают объединять частных потребителей, домашние установки и крупную генерацию в единую систему.
Но иллюзий быть не должно: солнце не универсальное решение. Оно не заменит всё, но станет важным элементом в общей энергосистеме — вместе с ветром, водородом, биотопливом и теми технологиями, о которых мы пока даже не догадываемся.
