Солнечная фотовольтаика. Ресурсы и мировой рынок фотовольтаической энергии
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
4. Конструкции солнечных ячеек. Монокристаллические ячейки кремния
5. Поликристаллический кремний
6. Арсенид галлия
7. Тонкие модули солнечных батарей
7.1. Аморфный кремний
7.2. Полупроводниковые ячейки с CuInSe2, CIGS и CdTe
8. Мультипереходные солнечные батареи
9. Концентрационные ФВ системы
10. Кремниевые сферы
11. Фотоэлектрохимические ячейки
12. «Третье поколение» ФВ ячеек
13. Электрические характеристики кремниевых ФВ ячеек и модулей
14. Конструкции солнечных ячеек. Системы ФВ для отдаленного питания (изолированные)
15. Соединенные с сетями ФВ системы
15.1. Бытовые ФВ системы
15.2. Системы ФВ для нежилых зданий
15.3. Крупные, интегрированные с сетями солнечные поля
15.4. Спутниковая Система Солнечной Энергетики
16. Стоимость фотовольтаической энергии (анализ на 2003 год)
17. Влияние на окружающую среду и безопасность производства солнечных модулей
18. Энергетический баланс ФВ систем
19. Интеграция ФВ систем
20. Ресурсы ФВ
Полный ресурс, в принципе доступный для фотоэлектрических систем, огромен. Простое вычисление показывает, что, если бы модули солнечных батарей со средней эффективностью 10% были бы установлены на 0,1% поверхности Земли (приблизительно 500 000 км2, что составляет также около 1,3% из общей необитаемой области Земли), они производили бы достаточно электричества, чтобы обеспечить все текущие мировые потребности в энергии.
Подобные вычисления относительно Британии показывают, что если установить модули солнечных батарей со средней ежегодной конверсионной эффективностью 10% на площади 1,4% ее суши (это примерно 35 000 км2), они могли бы производить приблизительно 350 TВт∙час ежегодно, эквивалент текущего британского потребления электроэнергии.
На практике, конечно, есть много ограничений, которые сокращают ресурс, доступный для расчетных возможностей фотоэлектрических систем (дальше будет приведена последовательность условий, которые описывают различные виды ресурсов по их доступности относительно экономического потенциала).
Детальное исследование Международного Агентства Энергетики (International Energy Agency, IEA) 2002 года, проведенное относительно 14 стран, большинство которых в Европы, а также относительно Японии, Австралии, Канады и США, показало, что потенциальный вклад в национальное производство электроэнергии от фотоэлектрических систем, интегрированных в здания, составляет от 15% (для Японии) до приблизительно 60% (в США). Для Великобритании эта цифра составляет около 30%, подразумевая потенциал около 100 TВт∙час за год. Расчеты IEA исключили любые поверхности, которые создают проблемы для установки, и любые варианты, которые позволили бы производить менее чем 80% от выпуска оптимального для системы количества энергии из-за неудобной ориентации, наклонения или затемнения (IEA, 2002).
Недавнее исследования, проведенные для Стратегического отдела премьер-министра (Chapman и Goss, 2002), подтвердили ранее проведенные исследования Отдела поддержки инженерных технологий (ETSU, 1999), которое дало оценку «технического потенциала» для интегрированных в здания солнечные батареи в Великобритании к 2025 году в размере около 37 TВт∙час за год (см. таблицу 10.1 в главе 10: Интеграция). Эта оценка ниже 100 TВт∙час за год, подразумеваемый исследованием IEA, большей частью потому, что оно принимает во внимание норму строительства новостроек. Исследование также показало, что если максимальная приемлемая цена электроэнергии от возобновляемых источников энергии будет установлена в размере 7 пенсов за кВт∙час, то «экономический потенциал» фотоэлектрических систем, интегрированный со зданиями, на зданиях, был бы значительно уменьшен, до цифры около 0,5 TВт∙час за год. Однако, цена 7 пенсов за кВт∙час (что примерно соответствует текущему британскому уровню местных цен на электроэнергию), является несколько произвольной, если говорить о 2025 годе, который наступит еще не скоро. В других странах, например, в Японии, цены на электроэнергию намного выше, и некоторые аналитики считают, что рассчитанные британские цены в реальных условиях будущего тоже будут значительно выше, что не в последнюю очередь отражает экологические и социальные затраты, обусловленные производством электроэнергии (см. Hohmeyer, 1988). Так что «экономический потенциал» фотоэлектрических систем Великобритании мог бы быть в конечном счете более существенным, чем 0,5 TВт∙час, рассчитанных в исследованиях Стратегического отдела и ETSU.
21. Растущий мировой фотовольтаический рынок 1998-2002
В 2001 и 2002 годах мировое производство солнечной электроэнергии (как в IEA, так и не-IEA странах) росло только около 40% за год, что повысило общемировое производство солнечных батарей в 2002 году до 560 пиковых MВт (Sхmelа, 2003). Такой темп прироста подразумевает удвоение мирового производства фотоэлектрические систем каждые два года.
Феноменальное расширение отрасли последних лет сопровождалось глобальными изменениями в промышленности, производящей фотоэлектрические системы. В 1997 году американские производители имели наибольшую долю мирового рынка (41%), в то же время японская доля составила 25%, доля Европы составила 23% и остальная часть (11%) приходилась на все остальные страны мира. Но к 2002 году японские производители фотоэлектрических систем вышли вперед, захватив наибольшую долю рынка - около 44%. Доля европейских изготовителей осталась в пределах около 25%, США производила только около 20%, и часть стран мира (в том числе Индия, оставшаяся часть Азии и Австралия) осталось в пределах около 10%.
В 2002 году наибольшим производителем фотоэлектрических систем в мире стала японская корпорация Шарп, которая увеличила производство ячеек фотоэлектрических систем на 66% за год, что составило 123 МВт. В 2003 Шарп объявила о планах довести производство до 200 МВт, включая в эти планы свой новый завод по производству фотоэлектрических систем для еврорынка, расположенный в Уэльсе. Также лидерами среди японских производителей стали Саньё, Kиосера и Митцубиси.
Лидирующим европейским производителем был BP (British Petroleum) Solar (Би Пи Солар), которая в 2002 году по оценкам производила 71 МВт, и Шел Солар (Shell Solar), которая производила 55 МВт. С момента поглощения нефтекомпаний ВР и Amoco (Амоко), ВР Solar (Би Пи Солар) объединяет американскую фирму Solаrex (Соларекс), которая была в собственности Amoco. Как было сказано раньше, ВР прекратила производство солнечных батарей из аморфного кремния и тонких модулей из теллурида кадмия в США, но расширяет производство фотоэлектрических систем из кристаллического кремния в Испании, Индии, Австралии и США. Еще одна большая нефтекомпания Shell (Шел), которая уже имела существенный опыт производства солнечных батарей, начала сотрудничество с изготовителем фотоэлектрических систем Siemens Solar (Сименс Солар), для чего компании создали совместное предприятие Shell Solar (Шел Солар).
Кристаллический кремний все еще превалирует в технологиях фотоэлектрических систем на рынке, с монокристаллическими и поликристаллическими модулями, составляя приблизительно 88% мирового производства в 2002 году. Возможно это покажется странным, но перспективы производства тонких модулей не зря внушали оптимизм. Когда началось производство тонких модулей, доля рынка аморфного кремния, теллурида кадмия и диселенида медного индиго в те годы снижается - с приблизительно 12% в 1999 до приблизительно 6% в 2002 году. Вероятно это было связано с большими возможностями производителей фотоэлектических систем повышать эффективность и снижать цену кремниевым модулей в большей мере, чем у тонких модулей. Доля рынка модулей фотоэлектрических систем, использующих кристаллическую кремниевую ленту и кремниевую листовую технологию, составляла грубо говоря 5% с 1999 по 2002 годы (Sхmelа, 2003).
22. Оценка перспективы: исследование национального и международного рынков ФВ 1998-2003, демонстрационные программы
Если реализовать потенциал фотовольтаики в полной мере, она станет лидирующим мировым источником энергии. Для достижения этой цели требуется привлечение средств в фонд R&D и рыночное стимулирование. Здесь мы кратко освещаем основные программы некоторых из ключевых стран и континентов, принимающих самое активное участие в развитии индустрии фотоэлектрических систем.
США
В 1998 тогдашний американский президент Клинтон объявил программу «Один миллион солнечных крыш», в рамках которой государством стимулировалась установка миллиона солнечных батарей на крыши домов, в том числе солнечный тепловых и фотоэлектрических модулей. Программа предусматривает разнообразные меры как на федеральном, так и государственном уровне (см. http://www.millionsolarroofs.org/index.html).
В 1999 году американская фотоэлектрическая промышленность приняла 20-летнюю «промышленную дорожную карту», чтобы обеспечить выполнение стратегии развития индустрии фотоэлектрических систем. Это привело к годовому росту производств фотоэлектрических систем в 25%, что должно позволить достичь повышения уровня пикового производства в США на 15% (эквивалент 3,2 ГВт) к 2020 году. Это позволит снизить местные цены фотоэлектрических систем до уровня примерно $1,5 за пиковый ватт к 2020 (см. NCPV, 1999).
Европа
Германия имеет собственную амбициозную программу 100 000 крыш, а также участвует в нескольких других европейских программах развития фотоэлектрических систем. Европейская Ассоциация Производства Фотовольтаики (European PV Industry Association, EPIA) в 2003 году приняла к исполнению собственную «Дорожную карту солнечной электрификации» (см. Lysen, 2003), которая предусматривает большие инвестиции в фотовольтаику на десятилетия - до 2010 года и после. Это позволило достичь выработки 3 ГВт от установленных в Европе фотоэлектрических системы к 2010 году и достижения производственных цен модуля ниже 2 Евро за пиковый ватт.
Япония
За 1992-2002 гг. Япония сделала значительные инвестицию в как фонда развития фотовольтаики R&D, так и в производственные мощности, воспользовавшись правительственными программами стимулирования рынка, покрывающими около 50% капитальных затрат по установке фотоэлектрических систем на жилых домах, на приблизительно 70 000 крыш. Японская фотовольтаическая промышленность была наибольшим и самый быстро развивающимся мировым производителем. Япония в июне 2002 года выпустила свое «Виденье устойчивого развития индустрии». Это позволило довести ежегодное производство фотоэлектрических систем до емкости 4,8 ГВт в Японии к 2010 году, и с этого времени производить свыше 1200 МВт за год, и две трети этого производство предназначено для жилого сектора. К 2020 году эти объемы годового производства фотоэлектричества должны превысить 4,3 ГВт, и в дальнейшем повышать производство на 10 ГВт в год вплоть до 2030 года. И так до достижения уровня производственных энергоемкостей более 80 ГВт с рыночной стоимостью выше 18 миллиарда американских долларов (посмотрите также DTI, 2003).
23. Реализация глобального потенциала
Чтобы подчеркнуть огромный вклад фотовольтаики в мировую энергосистему, Европейская Ассоциация Производителей Фотоэлектричества и Гринпис в 2001 году сделали совместное сообщение «Солнечное Поколение: Солнечное Электричество Более Чем Для 1 Миллиарда Людей и 2 Миллионов Рабочих Мест к 2020 Году».
К 2020 году по этому плану в мире будет установлено солнечных энергосистем емкостью более 200 ГВт, снабжая 1 миллиард внесетевых энергопотребителей и 82 миллиона клиентов общих электросетей, в том числе 30 миллионов из них в Европе. К этому моменту приблизительно 60% производственных мощностей фотоэлектрических систем будет расположено в неиндустриализованных странах, особенно южной Азии и Африке. Промышленность, производящая фотоэлектрические системы, будет поддерживать свыше 2 миллионов штатных рабочих мест. К 2040 году план предполагает мировой выпуск солнечной электроэнергии более 9000 TВт∙час, что будет покрывать только чуть более квартального глобального потребности в электроэнергии.
Перспективность отрасли понимают и инвесторы:
Инвестиции в возобновляемую энергетику на глобальном уровне, 2004-2009
Пусть это и честолюбивое виденье, но успешно реализованные в течение нескольких последних десятилетий планы по развитию солнечной энергетики, которая все еще в состоянии юности, действительно позволят ей достигнуть зрелости.
Также рекомендую: Перспективы развития возобновляемой энергетики
.