Энергия песка и солнца

Энергия песка и солнца

Первым «Академический час» в Год химика открыл академик Федор Кузнецов, более 20 лет возглавлявший Институт неорганической химии СО РАН. Он рассказал школьникам, как стремительно развивался прогресс благодаря успехам химиков в материаловедении и от какого материала можно ожидать технических революций в ближайшие десятилетия.

«Ломоносов – стекло, Лебедев – каучук, Бекетов – алюминий…» Появление новых материалов всегда заметно меняло ход развития цивилизации. В огромном прорубленном в скале помещении завода, сравнимом по размеру с крупной станцией московского метро, в городе Железногорске (ранее –Красноярск-26), в советские годы делали атомные бомбы. Сегодня там производят кремний – материал, необходимый для производства солнечных батарей. Далеко не любой кремний годится для этих целей. Например, если кварц смешать с графитом, получится металлургический кремний, который производят миллионами тонн. Всего около 100 тысяч тонн из этого объема используется для создания полупроводникового кремния. Для этого из исходного материала, растворенного в соляной кислоте, выделяют ценное летучее соединение трихлорсилан, которое затем осаждают на тонких кремниевых стержнях, нагретых до температуры более +1000°С. И, наконец, расплавляя получившиеся стержни, производят монокристалл кремния. Этот процесс называется известным всему миру словом «Siemens».

SIEMENS – ИМЯ НАРИЦАТЕЛЬНОЕ

Совпадение с названием компании не случайно. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла. При этом производственные энергозатраты упали на порядок, а выход продукта увеличился в 10-15 раз. Соответственно, снизилась и стоимость получаемого кремния. Модификаций этой технологии существует очень много. С тех пор, как немецкая компания научилась получать чистый кремний с низкими энергозатратами, в лабораториях всего мира развернулась гонка за удешевление кремния, включилось в нее и СО РАН. Сегодня на каждом заводе используется своя, отличная от конкурентов Сименс-технология, с уникальными особенностями и секретами. Российские заводы используют приемы, разработанные в институтах Сибирского отделения Академии наук – ИНХ и ИФП СО РАН. А в Институте ядерной физики сумели решить проблему больших производственных потерь трихлорсилана, который из-за высокой летучести удавалось осаждать всего лишь на 30%. Большие надежды в организации производства кремния на СО РАН возлагает Индия. Сегодня этой стране необходимо производить около пяти тысяч тонн кремния в год, а через четыре года они планируют вчетверо увеличить этот показатель. Администрация НСО вместе с представителями СО РАН обсуждает вопрос о строительстве завода у нас в области.

Технология получения солнечной энергии должна быть не только окупаемой, но и прибыльной. Хотя каждый раз после  внедрения очередной передовой технологии стоимость килограмма кремния падает до 50 долларов, резко возрастающая потребность снова увеличивает ее до 400. Ничего не поделаешь – правила игры на рынке таковы, что цена формируется спросом, а не себестоимостью. А чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос и начать всерьез переходить на солнечную энергетику, себестоимость кремния нужно снизить до минимума. По расчетам экономистов для глобального перехода на солнечную энергию этот минимум составит 15 долларов.

САХАРА СПАСЕТ МИР

Подсчитывая запасы энергоресурсов из земных недр и время, на которое их хватит человечеству, авторы даже самых оптимистичных прогнозов называют цифры в пределах двухсот лет, а это совсем немного – всего несколько поколений. Готовность перейти на альтернативные источники энергии в мире пока низка. Лишь в отдельных странах солнечную энергию используют довольно активно. В числе лидеров – Германия и Испания, где есть солнечные станции мощностью 160 МВт. Но по отношению к мировому энергопотреблению – это лишь несколько процентов. К концу текущего столетия необходимо довести этот показатель до 50%, считают эксперты. Сегодня проблемы с низкой популярностью такого, казалось бы, щедрого источника энергии всем известны. Во-первых, это невысокий КПД существующих солнечных элементов (около 16% – дешевые и до 35% – дорогие и трудноокупаемые). Во-вторых – это явный дефицит солнечных дней на территории многих стран, и в-третьих – устоявшаяся сырьевая структура экономики ряда государств, включая Россию. Если всерьез озаботиться энергоснабжением, лучше всего использовать многочисленные и ничем не занятые территории пустынь. Эксперты подсчитали, что количество энергии, которое можно получить «выложив» пустыню Сахара солнечными батареями, в десятки раз превышает мировую потребность.

Итак, для создания глобальной всемирной энергетической сети необходимо решить две серьезных задачи: организовать аккумуляцию энергии и ее передачу в места потребления, расположенные за тысячи километров от источника. Передавать ее по металлическим проводам, мягко говоря, нерентабельно, если не сказать невозможно – мировых запасов меди просто не хватит на такие сооружения. Решение использовать для этого сверхпроводники, охлаждаемые жидким азотом, предложил японский ученый профессор Коинума, который организовал масштабный проект «Sahara Solar Breeder Project». В качестве источника энергии разработчики предлагают использовать самую большую пустыню в мире – Сахару. На систему охлаждения будет расходоваться около 15% получаемой энергии, что делает проект вполне окупаемым. Первоначальная задача – продемонстрировать возможность изготовления высокочистого кремния из песка пустыни и реальность энергосистемы с обширной сетью линий электропередачи из высокотемпературного сверхпроводника. Там же, в пустыне, планируется строительство солнечной электростанции мощностью не менее 100 ГВт, что могло бы действительно помочь решить всемирную энергетическую проблему.

Мария ШКОЛЬНИК

Фото автора