Гибкие солнечные батареи: станут ли города «сплошными электростанциями» благодаря возможности установить где угодно? (Часть 1)

Переломный момент в солнечной генерации

В истории солнечных батарей, к распространению которых правительство приложило массу сил ради сокращения эмиссий двуокиси углерода и прочих парниковых газов, наступает переломный момент. Их использование стимулировали такими мерами как закупка вырабатываемой электроэнергии по повышенным ценам и выплата субсидий на установку органами местного самоуправления. Но по мере этой работы стали всплывать характерные сложности, в частности, разногласия с людьми, проживающими по соседству от мест размещения.

Солнечные панели, сошедшие со склона вместе с оползнем (предоставлено Министерством экономики, торговли и промышленности)

По итогам опроса, проведенного Министерством по общенациональным делам, местной автономии и связи Японии, из всех муниципалитетов страны, где стимулируется распространение солнечных батарей, с теми или иными проблемами сталкиваются 40%. При установке оборудования для генерации энергии на склонах, где стоимость земли невелика, а освещенность наиболее благоприятствует, возникает ущерб при сходе оползней из-за сильных дождей, а кроме того, поступают жалобы населения на яркий свет, который отражается от поверхности солнечных батарей. Ситуации, когда проблемы возникают уже после установки оборудования, оказываются неизбежными ввиду недостаточности предварительных разъяснений местному населению со стороны предпринимателей, берущихся за солнечную генерацию.

На пути к своей главной цели – углеродной нейтральности (нулевому фактическому балансу по выбросам двуокиси углерода) к 2050 году – правительство в качестве промежуточного итога стремится довести в 2030 году долю солнечной генерации электроэнергии до 14-16%, что в несколько раз больше в сравнении с положением на 2019 финансовый год. Но по данным Управления по природным ресурсам и энергии Министерства экономики, торговли и промышленности, в Японии с ее маленькой территорией удельная мощность оборудования для солнечной генерации – показатель производственной мощности на единицу горизонтальной площади – уже значительно превосходит соответствующие показатели ведущих промышленно развитых стран, то есть резервы площадей для размещения оборудования фактически сильно ограничены.

Между тем необычайно сильный зной, обильные ливни и другие климатические изменения дают о себе знать на порядок сильнее. На энергетику приходится свыше 80% всех эмиссий парниковых газов, при этом целый ряд стихийных бедствий оставил после себя сильную тревогу по поводу возобновления эксплуатации ядерных реакторов, а для дальнейшего расширения энергетики возобновляемых источников приходится все сильнее ломать голову.

Без забот о поиске места

В этих условиях разработка гибких солнечных батарей в форме тонкой пленки вызывает особенный интерес. Принцип действия солнечной батареи состоит в использовании такого свойства полупроводника как способность вырабатывать электроэнергию при попадании на поверхность солнечного света. В используемых ныне солнечных панелях в качестве рабочего вещества, производящего электроэнергию, применяют кремний, который отличается хрупкостью, а с учетом стекла, которым его покрывают для защиты, вес батареи составляет порядка 10 килограммов на квадратный метр. В противоположность этому в пленочных батареях нового типа рабочим веществом выступает особое кристаллическое химическое соединение под названием «перовскит», которое наносится на пленку, подобно краске. Поверхность тоже покрывается защитным слоем, и тем не менее панель получается очень тонкой, и даже способна сгибаться, а вес составляет порядка одной десятой от прежних кремниевых солнечных панелей.

Поскольку все эти особенности порождают новые возможности применения, несравнимые с батареями предыдущего поколения, производители не жалеют усилий на разработку такой продукции. Компания химической отрасли Sekisui Chemical Company, Ltd., которая готовится довести данную работу до коммерческой реализации в 2025 году, получает настоящий вал запросов как от предприятий самых разных родов деятельности, так и от органов местного самоуправления, и изо всех сил спешит оправдать этот интерес.

Несмотря на то, что отпускная цена, как ожидается, изначально будет весьма высока, Морита Такэхару, который руководит в этой компании проектами солнечных батарей, отмечает: «Если принять во внимание вероятность введения в будущем налога на углеродные эмиссии, то приобретение солнечных батарей нового типа может обойтись дешевле, к тому же, некоторые крупные предприятия уже осознают свою ответственность перед обществом и принимают в расчет повышение ценности предприятия».

Прототип гибкой солнечной батареи в руках Мориты Такэхару из компании Sekisui Chemical Company, Ltd. (снимок сделан автором статьи)

Образ высотного здания, которое планируется построить в рамках проекта реконструкции 1-го квартала Утисайвай-тё в Токио (изображение предоставлена компанией TEPCO Power Grid)

Внимание производителей солнечных батарей нового типа привлекают те хорошо освещаемые солнцем места, где нет возможности устанавливать существующие кремниевые батареи, в частности, крыши заводских и складских зданий. Множеству пользователей хотелось бы установить легкие батареи нового типа, поскольку они не создают серьезной нагрузки на конструкции. Подобно практическому эксперименту, который компания Sekisui Chemical проводит в морских воротах страны в Токийском заливе – Токийском международном круизном терминале – такая особенность этих батарей как гибкость позволяет размещать их на различных кривых поверхностях, в частности, на столбах и колоннах.

Вертикальные стены – еще одна «слепая зона», которая не рассматривалась с точки зрения установки прежних солнечных батарей. В зоне реконструкции в токийском районе Хибия (Утисайвайтё 1-тёмэ) 43-этажное высотное здание, строительство которого планируют завершить в 2028 финансовом году, предполагается сделать «генерирующим зданием», встроив солнечные батареи нового типа во внешние стены. Ожидается, что выработка электроэнергии будет превышать 1 тыс. киловатт.

Новые батареи сулят возможностью использовать и стены жилых домов. В местах, где обильно выпадает снег, и климат не дает возможности размещать солнечные батареи на крышах, установка батарей на стены позволит вырабатывать электроэнергию, причем в солнечные дни батареи будут использовать и свет, отражаемый снежной поверхностью.

Мечты на 2050 год

На старте производства гибких солнечных батарей их отпускная цена будет высока из-за инвестиций в заводское оборудование и амортизационных издержек. Но если удастся развернуть массовый выпуск, то в конце концов стоимость снизится, и они станут доступнее. Компания Toshiba Energy Systems, которая планирует выпустить такие батареи в продажу на раннем этапе в 2025-2030 финансовых годах, рассчитывает, что к 2050 году их можно будет устанавливать в городах практически в любом месте.

Образ будущего, когда гибкие солнечные батареи будут устанавливать в городах практически повсеместно (изображение предоставлено компанией Toshiba. Copyright©2021-2024 TOSHIBA CORPORATION, All Rights Reserved)

Возможности применения будут расширяться по мере усиления ощущения ценовой доступности. По данным той же компании, в сельском хозяйстве, страдающем от нехватки рабочих рук, установка гибких солнечных батарей на теплицах и парниках для регулирования температуры и влажности, а также автоматизация внесения сельскохозяйственных химикатов и удобрений за счет использования беспилотных аппаратов позволят снизить трудозатраты. Более того, производитель задумывает разработать «свертываемые солнечные батареи», которые станут источником электроэнергии в чрезвычайных ситуациях – в случае стихийного бедствия их будет достаточно просто расстелить на ровной поверхности.

Компания Toshiba Energy Systems совместно с властями Токио провела практический эксперимент по использованию гибких солнечных батарей для парников (предоставлено Токийским комплескным научно-исследовательским центром сельского и лесного хозяйства)

Кроме того, компания Toshiba, отмечая, что «гибкие солнечные батареи дают возможность получать солнечную электроэнергию даже в помещениях, если только туда попадает определенное количество дневного света» (словами Сакураи Юсукэ, который возглавляет стратегическую группу бизнеса солнечных батарей нового поколения), занимается изучением эффективности выработки электроэнергии в помещениях в сотрудничестве с администрацией Токио. Ожидается, что батареи можно будет использовать там, куда хорошо попадает солнце – на оконных рамах, навесных стенах и т. д.

Помимо этого, солнечные батареи могут быть использованы как дополнительный источник для электромобилей на случай прекращения подачи электроэнергии. На крышу части автомобилей с гибридной силовой установкой в качестве дополнительной опции уже устанавливаются кремниевые солнечные батареи, что улучшает общий показатель «расхода электроэнергии» (по аналогии с «расходом топлива» обычным автомобилем). Предприятие-стартап Enecoat Technologies, возникшее в Киотском университете, совместно с компанией Toyota занимается разработкой солнечных батарей нового типа для установки на автомобилях.

Обеспечение энергетической безопасности

Распространение энергетики возобновляемых источников, в том числе солнечной генерации, непосредственно связано и с обеспечением энергетической безопасности.

Япония, где основную часть составляет тепловая генерация, зависит от ископаемого топлива – нефти, каменного угля, природного газа и т. д. По доле самообеспеченности в 13.3% (на 2021 финансовый год) страна опустилась на 37-е место среди членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). Вторжение России в Украину привело к росту цен на сырую нефть, от которого сильно страдает экономика Японии. Для того, чтобы избежать негативного влияния геополитических рисков, не обойтись без повышения доли самообеспеченности.

Более того, сырьем для использовавшихся до сих пор солнечных батарей служит кремний, наибольшая часть которого производится в Китае. И напротив, основным сырьем для выработки электроэнергии в случае гибких солнечных батарей выступают соединения йода, по объему производства которых Япония занимает второе место в мире. В отличие от поставок полупроводников, которым препятствует противостояние между Соединенными Штатами и Китаем, наличие сырья национального происхождения избавляет от опасений по поводу возможного прерывания цепочек (сетей) поставок.

Электроэнергетика по принципу «где потребляем – там и вырабатываем»

В условиях, когда изменения климата становятся все более суровыми, вызывая в числе прочего экстремальную жару, как для домохозяйств, так и для предприятий проблема неизбывной дороговизны электроэнергии становится все более острой. В принципе, электроэнергия, вырабатываемая тепловыми и другими электростанциями вдалеке от мест потребления и доставляемая туда, где она необходима, обходится дорого из-за необходимости колоссального количества оборудования, включая инфраструктуру электропередачи. Полной противоположностью выступает электроэнергетика в формате «местная выработка – местное потребление», такая, как солнечная генерация: она в принципе обходится дешевле. Более того, если говорить об источниках энергии, то солнечный свет, в отличие от ископаемого топлива, бесплатен.

Морита Такэхару из компании Sekisui Chemical говорит об этом так: «Переход к массовому производству дает возможность снизить цену, что позволит продавать эту продукцию и обычным домохозяйствам. Хотя непосредственная стоимость единицы продукции выше в сравнении с кремниевыми батареями, если учитывать совокупные издержки от установки до утилизации, то ее можно сделать дешевле».

По подсчетам компании Toshiba, в случае установки гибких солнечных батарей (с коэффициентом преобразования солнечного света в электроэнергию 15.1%) на всех крышах и части стен зданий во всех 23-х центральных районах Токио можно рассчитывать на покрытие двух третей энергетических потребностей частных домохозяйств всех 23-х районов, что эквивалентно электроэнергии, вырабатываемой двумя ядерными реакторами.

Однако для того, чтобы воплотить такой образ будущего, необходимо не только преодолеть еще один этап технических инноваций, в частности, в том, что касается надежности и долговечности, но и добиться серьезного снижения цен. Предстоящий путь явно не будет простым и гладким – и это тоже реальность.

Фотография к заголовку: гибкие солнечные батареи, размещенные на столбах. Вырабатываемая электроэнергия накапливается в аккумуляторах и используется для подсветки знака TOKYO. Практический эксперимент компании Sekisui Chemical Company, Ltd., реализуемый в Токийском международном круизном терминале в столичном районе Кото (снимок сделан автором статьи)