Про солнечную энергетику
Тут у уважаемого Кирилла Юрьевича в ЖЖ (https://afranius.livejournal.com/831121.html) поднималась тема «зеленой энергетики». В общем мнения были высказаны разные, и пишут по разному во всяких изданиях. В принципе все упирается в то «как считать». Как справедливо указал уважаемый bbzhukov "Проблема в том, что когда пытаешься "считать по-честному" - с учетом именно ВСЕХ реальных издержек, - то быстро обнаруживаешь, что у этого занятия есть начало, но нет конца". Ну вот я и решил посчитать сам задав аксиоматику заранее.
Про солнечные панели, ибо это единственное «зеленое» с чем я по факту сталкивался и работал (один раз на расчете одного из этапов техпроцесса их производства - давно и неправда ;) и один раз соприкасался с внедрением на немаленький объект). Своего мнения заранее не имел - и честно сказать результатами довольно удивлен. Но, по порядку.
Итак сразу изложу предположения сделанные в ходе расчетов:
1) Мы считаем энергетический баланс: сколько кВт*ч было затрачено на производство солнечной батареи и сколько кВт*ч она принесла. Считать в деньгах заниятие бесперспективное изначально - так как рынок электроэнергии так или иначе регулируется что у нас, что на Западе, плюс деньги штука такая, курсы валют все дела. Мы по примеру многих фантастов и разработчиков НФ-контуперных стратегий будем оперировать энергией. (Тут я хотел пошутить что киловатт*час он и в Китае киловатт*час, но вспомнил недоброй памяти «китайские ватты» по PMPO и вовремя заткнул себя дабы не призвать этого «гаки - голодного демона ада»)
2) Сразу ограничим что мы считаем затратами на производство. В моем предположении (это первая модель - в крупную клетку для понимания порядков величин - говорю ж мнения особо не было до, далее возможно попробую просчитать глубже) это: от первичного помола породы до выхода готового к употреблению кремния.
Стоимость инфраструктуры (аккумуляторы, контроллеры, инвертеры, провода, рамы-арматура и прочее) не учитывается.
Добыча породы - не учитывается: порода на нашем волшебном предприятии материализуется сама без энергозатрат %) Производство реагентов (хлор, водород, ПАВ итд) - не учитывается, они материализуются без энергозатрат из того же подпространства что и порода.
Износ и амортизация оборудования - не учитывается.
Эффекты масштаба, логистики и прочее сопутствующее реальному а не нашему волшебному заводу ввиду сложности их учета - не учитываются, аппроксимация полностью линейная - одна мельница за смену перемалывает N тонн, значит две перемелют 2N, а 10 - 10N.
Собственное энергопотребление завода сидит в цифрах кВт*ч/кубометр (из-за особенностей получения данных).
Ввиду того что многие величины носят приближенный характер включен режим положительной дискриминации к солнечной энергетике, то есть из двух не кардинально (ну то есть не более чем на 15% - если более, то беру среднее) отличающихся цифр полученных по разным методикам я буду брать ту что показывает солнечную энергетику в плюсе. Обоснование: аванс на стремительное совершенствование технологий в этой области и компенсация некоторого отставания соответствующей индустрии в РФ.
При расчете данных по инсоляции источник вотЪ https://monographies.ru/ru/book/section?id=16296
Солнечная батарея предполагается неподвижной расположенной под оптимальным для данной широты углом.
Смена сезонов, дня-ночи, изменение длины солнечного дня и изменение угла падения лучей - учитываются. Осадки (включая снег засыпающий панели и грязь их залепляющую) - нет. У нас есть не менее волшебный джамшут что бдит и чистит панели ;)
Проблему накопления и доставки энергии, а также невозможности управления генерацией - я не трогал совсем. Ограничился внесением коэффициента потерь в аккумуляторах, инвертерах, проводах и самообеспечении системы в 20% от выделяемой мощности.
Деградация панелей учитывается линейно согласно данным из буклетов производителей представленных на рынке панелей (хотя есть серьезные основания полагать что линейной она не является, но в первой модели пусть будет пока так).
Ну вроде все обозначил. Да, гелиоэнергетические скептики могут указать что в общем я тут надавал солнечным панелям кучу преференций коих нет в реальности - верно. Для построения более точной модели у меня пока недостаточно данных, так что это такая своего рода «проверка жизнеспособности» концепции. Если в этих тепличных условиях не выживет, то дальше считать вторую модель смысла просто нет - закопайте. Если выживет - будем посмотреть.
Для начала немного теории (кто это и так знает - пролистывайте).
Ну про фотоэффект расписывать не буду, как и то за что Эйнштейн получил Нобелевку. Отмечу лишь то что в МАССОВОМ производстве основным фотоэлементом является кремний (или являлся? здесь и далее делайте поправку на устаревание информации из моего мозга). Это связано как с доступностью сырья - ну уж кремния (около 25% массы земной коры, плюс имеются породы с высоким его содержанием: кварциты и силикаты, о чем ниже) точно явно поболее чем галлия или какого германия будет (галлий например не слишком редкий - хотя до кремния семь верст и все лесом, но рассован шибко равномерно без областей повышенной концентрации), так и с отработанностью техпроцесса. И хотя всякие некремниевые ФЭ показывают порой высокий КПД и срок службы, но в массовое производство - сугубо кремний. Кремниевые ФЭ (да и любые полупроводниковые) бывают монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Монокристалл - ну ежу понятно, поликристалл - кусок состоящий из нескольких монокристаллов, аморфное - ну как есть наляпали %) Отличаются методом производства, стоимостью соответственно и КПД. Как я помню (а гугла подсказывает что помню я более-менее верно) у монокристаллов КПД 20-25%, поликристалл 15-18%, аморфные менее 10%, обычно около 5%, на очень чистом ну "сэм-восэм". На КПД значительно (единицы %) влияет чистота кремния - чем чище тем выше. Но очистка это довольно технологически сложный и недешевый (и нифига не экологичный, ниже описано) процесс, так что на практике если это не ФЭ для спутника то приходят к некому разумному компромиссу между КПД и стоимостью. Этапы производства ФЭ (без обвеса из аккумулятора, инвертера и прочей шняги чисто сам фотоэлемемент) основные:
-добыть кремний
-догнать его до необходимой чистоты
-если нас устраивают аморфные панель то в принципе плавим-отиваем, припаеваем проводки и погнали (упрощаю там несколько сложнее, но основные технологические мучения кончились на предыдущих этапах и и материал для панели у нас в руках. Другое дело что это дрянь а не панель - и далее в этой саге не упоминается так как там ими разве что пустыню засевать, или к очень маломощной нагрузке присобачивать)
-если мы желаем более-менее приличного КПД то теперь из вооооон того вагона с "чистым кремнием" нам надо получить поли- или монокристалл. Пойдем по этапам мучений.
1. Получение кремния. Хотя в принципе кремния как и писал выше завались - хоть из песка делай, но по факту используются породы содержащие его высокую концентрацию. Сюда идут в основном кварциты, силикаты и как ни странно бокситы (чистка люминия в процессе производства от кремния отдельный головняк. Пилюлю несколько подслащает то что на выходе получается кремний который можно кому-то загнать). В принципе с породами где SiO2 меньше 90% не связываются в принципе (по крайней мере у нас в Богоспасаемой, как на загнивающем западе не знаю). На этом этапе все понятно: нашли месторождение, накопали породы, пропустили через механическую обработку и грубую механическую очистку и вот полуфабрикат. Далее начинается этап 2.
2. Очистка кремния. Основными примесями мешающими использовать кремний как ФЭ ЕМНИП являются углерод и железо - сажают КПД заметно. Их надо вычистить. Используются тут разные методы. Классика жанра это циклы хлорирование-восстановление.
К примеру изгнание углерода проходит элементарно
SiO2 + 2С + 2Cl2 = SiCl4 + 2CO.
CO спокойно улетает вдаль встречи с ним уже не жди.... Стоп! У нас же зеленая энергетика! Его ловят специально обученные очистные сооружения имени святой Греты! А если серьезно то на фоне объемов хлора что там используются CO невинная детская шалость. Если не приведи господь долбанет на цветмете или алюминиевом заводе (там тоже хлор в ОГРОМНЫХ МАСШТАБАХ используется) то "никто не уйдет обиженным".
Далее на SiCl4 натравливаем мирный и безопасный водород (в сравнении с хлором ;) ) и получаем элементарный Si и соляную кислоту. С железом происходит примерно аналогичная байда, только получившийся продукт ЕМНИП падает осадком, а не улетает газом (тетрахлорид кремния он жидкий). Элементарщина и детский сад, однако для достижения необходимой чистоты необходимо несколько прогонов. Отметим сам факт что процедура затратная (ну и с экологичностью как вы заметили все очень так себе - в смысле да, там все системы защиты итд, но вообще сама идея лить тонны хлора - пусть и не выпуская его в теории наружу - во имя экологии не может не вызывать у меня некоторого диссонанса). Естественно количество прогонов по этой цепочке стараются уменьшать используя иные методы. Так железо на подготовительном этапе неплохо вытягивается магнитной очисткой: мелкодисперсную буквально руду после механической очистки суют в магнитное поле специального магнитного сепара.... эээ сепаратора! и фрагменты с высоким содержанием железа в шихту просто не попадают, что приводит к уменьшению количества Fe в общем объеме. Также используется флотация (я по ей работу писал) - берем ПАВ и далее либо пленочным, либо пузырьковым методом отделяем фракции той самой мелкодисперсной руды по степени смачиваемости (тут цифр не помню но можно нагуглить). Все это уменьшает количество необходимых циклов хлорирования-восстановления, но не убирает их совсем. Есть еще всякая экзотика, но этому (как и опыту внедрения) будет посвящена отдельная часть.
Получение моно- и поликристаллов кремния.
На данный момент промышленностью успешно освоены:
1) Метод Чохральского
2) Метод бестигельной зонной плавки (БЗП)
3) Метод направленной кристаллизации (только для поликристаллов)
1. Чохральский. Самый, пожалуй, классический метод. В тигель с расплавом опускается затравочный кристалл, который медленно вытягивается вверх. За ним тянется нить расплава, которая остывая кристаллизируется в монокристалл по образу и подобию затравочного. Конкретные детали реализации технологии (как то используется ли просто вертикальный подъем, или крутится тигель, или и тигель и держатель в разные стороны, способы обеспечения равномерности температуры в тигле, используется ли флюс… итд) в данном случае несущественны. Вытягивание идет со скоростью 1-6 мм в минуту. В принципе метод неплохой и позволяет получать монокристаллы довольно высокой чистоты, но есть два НО. Первое, ни длину, ни диаметр выращиваемого кристалла нельзя повышать до бесконечности - пардон муа, оторвется нафиг. Второе - очень высокий процент брака (до 50%) - там требуется буквально прецизионная точность поддержания режима температуры и давления, а также плавность и однородность хода штока. Возможно, сейчас ввиду всяких хай-теков стало лучше - не знаю. Здесь сразу отмечу что весь процесс роста кристалла в тигле должна поддерживаться фиксированная температура, то есть постоянный подогрев (энергозатраты!). Довольно типовые ТТХ установки (ваще-то это одна из первых ссылок в гугле, но то что я помню очень похоже https://www.giredmet.ru/ru/products/specequipment/redmet90m/)
Диаметр кристалла 300 мм, длина до 3000 мм, мощность 250 кВТ. Выход (без учета брака): 0,21 кубометра монокристалла за 1000 минут, то бишь 0,012 кубометра в час. Предположив что за почти 20 лет брака стало меньше и его допустим … ну пусть смело в два раза - всего 25. Примерно 0,0095 кубометра в час. То есть энергопотребление на кубометр 26315 кВт*ч/кубометр. Среднепотолочно то, что нельзя будет пустить в ход ни на текущий ни на последующие кристаллы (остатки высокопримесного расплава) порядка 10%, еще 5% откинем на отпиливание хвоста полученного кристалла - там тоже много примесей. Уф. Вроде ясно.
2. БЗП. Смысл метода в том, что обхватив кольцевой индукционной печкой цилиндрическую заготовку мы сдвигаем зону плавления (не трогая остальные зоны - поэтому зонная) так что после точки плавления остается кристалл, а примеси смещаются вперед по мере двиэения печки в силу естественного вытеснения чужеродных молекул из образующейся кристаллической решетки. Все примеси кроме самых хитрых и прошареных оказываются в конце слитка, которому торжественно делают брит мила. В теории этот метод дает меньшую чистоту чем Чохральский ПРИ ОДНОКРАТНОМ ПРОГОНЕ. Но в отличии от метода Чохральского количество прогонов печи вдоль слитка в принципе ничем кроме здравого смысла и ценника за электроэнергию (а также ушедшего в утиль в ходе обрезания материала) не ограничивает. Так что в итоге можно получить более чистый кристалл. Но есть и свои подводные камни. Первое, в силу небесконечной теплопроводности во избежание тепловых напряжений и следующих за этим дефектов в кристалле диаметр для монокристалла не превышает 150-170 мм. Если гоним поликристалл - можно и на 300 как у метода №1 выйти, но там то моно- а тут то поли- получится. Но есть и плюсы: на длину ограничения много более мягкие (нет этого вертикального подвеса с котрого бессердечная гравитация норовит оторвать формирующийся кристалл), можно получить многократными прогонами большую чистоту, отсутствие тигля делает невозможным включение примесей из элементов самого тигля. Выход продукции составляет 0,18 кубометра брака поменьше (не более 10% - за счет того что повторный проход фиксит косяки предыдущей кривой кристаллизации если она имела место быть). Мощность печи пусть 10 кВт. Прогон по 10 м заготовке 142 часа. Исходя из трех прогонов без учета времени на остывание (когда энергия печью не потребляется): че-то вроде 23700 кВт*ч на кубометр. Отчекрыжим за три прогона где-то 20-22% исходного объема. Здесь точных характеристик промышленной, а не лабораторной установки БЗП найти не удалось, так что цифры выше это смелая экстраполяция характеристик лабораторной на больший объем. Так как цифры получились один в один, то далее буду брать цифру по Чохральскому как более надежную.
3. Про поликристаллы попробую написать в другой раз.
Ну и наконец сеанс чОрной магии и ее последующего разоблачения!
Исходные данные:
Плотность элементарного кремния 2 330 кг/м^3
Техпроцесс грубой очистки сырья+флотация 38 725 кВт*ч/кубометр ()данные предоставлены другом с одного ГОК)
Магнитная сепарация 158 440 кВт*ч/кубометр (тоже ГОК)
Техпроцесс хлорирования-восстановления 97 697 кВт*ч/кубометр (ГОК)
Кристаллизация по Чохральскому 26 315 кВт*ч/кубометр (рассмотрена выше)
Потери материала на этапе обогащения учитывать не будем, потери в процессе кристаллизации учтем.
Итого ~321 200 кВт*ч/кубометр готового монокристалла.
Он у нас представлен цилиндрической болванкой диаметром как мы помним 300 мм. режем его на салями толщиной 300 мкм и выпиливаем из кружочков квадратики чтобы сделать образцовую панель 1x1 м.
Энергия на производство 1 кв.м. ~200 кВт*ч
Так как это монокристалл КПД на начало эксплуатации положим 22% (нормальное среднее значение).
В качестве точек применения нашей волшебной панели рассмотрим мой родной Красноярск, Африку на экваторе и ... пожалуй Мельбурн ;-р
Падающая за год энергия на кв.м.
Экватор 2300 кВт*ч
Красноярск 1050 кВт*ч
Мельбурн 1600 кВт*ч
С учетом всех усушек и утрусок выходная мощность с 1 кв.м. ФЭ получаем за год
Экватор 112,8 кВт*ч
Красноярск 51,5 кВт*ч
Мельбурн 78,5 кВт*ч
С одной стороны за год как-то очень не густо. В жаркой-жаркой Африке среднегодовая мощность с 1 кв.м. смешные 12,9 Вт. Как раз лампочку Медведа повесить %). С другой стороны это 1 кв.м., а это прямо скажем немного. С третьей мы вообще-то тут проверяем как быстро отобьются расходы энергии на производство этого 1 кв.м. солнечной панели. И ведь, отбиваются, зарразы:
Экватор: 1 год и 10 месяцев
Красноярск: 4 года
Мельбурн: 2 года 7 месяцев.
Естественно это никоим образом не реальные цифры, а первое приближение - эдакий сферический конь в вакууме, но даже если предположить что реальные сроки энергоокупаемости - ну скажем в 4 раза больше - все равно это весьма небезынтересные 7,5 лет в Африке и не впечатляющие но приемлемые 16 лет в Красноярске. Приемлемые потому что срок эффективной службы панели оценивается в 20-25 лет, то есть она все равно успеет выйти по энергетическому балансу в плюс и немного еще поработать на генерацию.
Естественно эксплуатационные проблемы никуда не делись, естественно что полностью заменить традиционную энергетику солнечная не способна ни сейчас, ни в ближайшие 5-10 лет. В плане «зелености» не учтено сколько всякой дряни используется при производстве что панелей, что аккумуляторов (которые здесь вообще не посчитаны - я помню!) Но и картинка «держащейся только на дотациях дурачков из ЕС» солнечной энергетики как можно видеть тоже ээээ как бы это сказать - неверна. В общем вполне перспективное направление.
Анонс следующих частей: Про экзотические способы получения поликристаллов, а также сказ о том как в Забайкалье солнечную энергию внедряли (там кстати внедрялся как раз гибрид дизель+солнце, кажется именно за подобными связками ближайшее будущее).
Если будут вопросы, а тем паче замечания и указания на невольные ошибки (если они тут есть) - прошу в комменты.
UPD: Так как «модель в крупную клетку» выжила в «благоприятном» режиме, то продолжать копать смысл имеет. Следующей итерацией будет (как минимум) включение в стоимость производства ФЭ стоимости основных реагентов - хлора и водорода, благо там в дурную бесконечность не улетаем: они получаются из вполне природных компонентов (хлор например электролизом раствора хлорида натрия, который в свою очередь получается выпариванием и очисткой морской воды - и в принципе все, уперлись. Энергозатраты на выпаривание и электролиз вполне исчислимы, а морская вода - ее еще больше чем кремния %). С водородом та же фигня, водной пар над раскаленным углем, энергоемкость добычи угля посчитать реально, затраты энергии на техпроцесс тоже... Хотя.... - водород при получении хлора же выделяется! Еще проще. :) ). Вопрос с добычей сырья тоже в общем исчислим хотя бы методом «оценка сверху». Вопрос пока не знаю как и подступиться - как оценить энергоемкость производства аккумуляторов-проводов-инвертеров и прочего. Тут все к простым вычислениям не сводится - хай-тек таки какой-никакой, все не электролиз соленой водички делать и не ковшом экскаваторным грести. Лучше всего было бы сделать как я сделал с очисткой-обогащением кварцитов дернув через друга статистику реального предприятия вида за год на участке таком-то произведено столько-то, энергии за тот же год сожрал этот участок столько-то, откуда легко считается энергопотребление на кубометр. Где б такие данные по этим штукам найти... Друзей в тех отраслях увы нет. Если у кого есть данные - пожалуйста поделитесь, ну и вообще рад выслушать меры по уточнению модели второго приближения. Пока мне вот понятно что с реагентами делать, а там кроме них неучтенки еще масса. Сразу прошу - не предлагать варианты порождающие дурную бесконечность. Надо не с точностью до кВт*ч, а приблизительную оценочную цифру совпадающую с реальностью данной нам в ощуплении хотя бы примерно.