В условиях роста стоимости энергоносителей и осознания ограниченности запасов углеводородного сырья на планете в последние годы страны Западной Европы переживают бум в развитии альтернативной энергетики. Беларусь в этом процессе занимает роль стороннего наблюдателя, развивая разве что гидроэнергетику. Вместе с тем, дальновидные специалисты рекомендуют уже сейчас приступить к внедрению в стране проектов по использованию альтернативных, особенно возобновляемых, источников энергии. И примечательно, что в столице недавно была запущена в эксплуатацию экспериментальная гелиоустановка, которая обеспечивает электроэнергией подъезды типового многоквартирного дома. Отталкиваясь от этого случая, мы попробовали проанализировать, может ли эксперимент пойти в тираж.

Вот эта улица, вот этот дом

Дом № 27 по ул. Жуковского в белорусской столице – обыкновенная городская десятиэтажка, сданная в эксплуатацию девять лет назад. Проект его солнечной «начинки» – инициатива частной компании, поставившей цель продемонстрировать и доказать, что такой подход в системе ЖКХ сможет уменьшить энергопотребление мест общего пользования (освещение лестничных клеток и тамбуров) в 3–4 раза, сократив тем самым и расходы на эти нужды.

На крыше дома смонтированы четыре солнечные (фотогальванические) панели под углом 38–42 градуса. В электрощитовой располагается блок управления, где находятся аккумуляторы, инвертор, контроллер заряда, схема подключения к местам общего пользования и дежурному освещению.

В двух подъездах дома установлены 64 антивандальных светильника на светодиодах. Мощность потребления каждого светильника составляет примерно 3 Вт, что в 20 раз меньше, чем потребление одной лампочки накаливания стандартной мощности в 60 Вт.

До начала эксперимента на освещение мест общего пользования данного объекта расходовалось 1291 кВт электроэнергии, теперь – 308. Управление светильниками – фотоакустическое, рассчитанное на появление человека в зоне освещаемой площадки. При этом датчики постоянно измеряют общий уровень освещенности – свет горит лишь по мере надобности.

Работы по установке оборудования начались в прошлом году и не афишировались до тех пор, пока солнечная батарея не заработала в полной мере. Объем затраченных инвестиций на проект – порядка 26 млн рублей. Срок окупаемости демонстрационного проекта ориентировочно составит 5 лет.

Реки, токи, бюрократы

Рассказать об особенностях проекта мы попросили его инициатора Василия Орехова, руководителя компании «СиЛайт» и одного из учредителей недавно созданной в Беларуси ассоциации «Возобновляемая энергетика»:

– Солнечная энергетика в Беларуси, как, впрочем, и вся возобновляемая, находится в зачаточном состоянии. И прежде всего потому, что только сейчас об этом задумались. Искаженное восприятие проблемы, по сути, обусловлено закоренелым советским наследием дармовщины. Белорусское общество психологически не готово к тому, что за электричество нужно платить. О чем можно говорить, если и по настоящее время несовершенный механизм оплаты энергоносителей дотируется государством, а за электроэнергию потребители платят лишь 40% от ее реальной стоимости.

Разумеется, на Западе, где умеют считать деньги, такого быть не может в принципе. К тому же там электроэнергия стоит намного дороже, и за счет этого как неизбежность – альтернативная энергетика достигла высокого развития. Уже упомянутые теплые полы пришли к нам именно из Европы, где они, правда, выступают не как элемент роскоши, а как компенсаторы излишков энергии.

Стоит провести разделение двух концепций альтернативной энергетики на автономную и ту, которая отдает излишки, либо полностью работает на общую энергосеть. За счет автономной гелиосистемы можно освещать отдельные объекты, к примеру можно обеспечить энергоснабжение какого-то далекого хутора взамен подключения его к централизованному энергоснабжению, сэкономив огромные деньги на прокладке и дальнейшем обслуживании проводных линий электросети. А гелиосистемы, отдающие электроэнергию в сеть, являются тем самым множественным притоком, обеспечивающим «полноводность» энергосистемы.

Говорить о том, что у нас в нормативном законодательстве отсутствуют рычаги стимулирования альтернативной энергетики, неверно. Мы – единственная страна в СНГ, в законе которой реально прописан зачетный коэффициент 1,35 от наивысшего тарифа. Ни Россия, ни Украина, ни другие страны СНГ такой законодательной стимуляции не имеют.

Это означает, что если юридическое лицо поставило себе альтернативную установку получения электроэнергии, то государство обязано принять у него выработанную электроэнергию по упомянутому коэффициенту. И это хорошо. Правда, на практике пока не работает.

Впрочем, у нас такой коэффициент один, а в Германии их несколько – на каждую разновидность альтернативной энергетики свой. Если обычный немец изъявляет желание установить у себя гелиосистему, он получает из бюджета кредит на оборудование под 6% годовых и продает государству электроэнергию уже по специальным ценам. Причем зачетный коэффициент на солнечную энергию у них 4,68. Если хозяин установки выработал за счет солнечной системы электроэнергии на 1 евро, то из сети он может взять на 4,68 евро.

В целом получается, что собственник системы за электроэнергию не платит, а причитающиеся квоты на электроэнергию может потратить на те же энергоемкие полы с подогревом либо что-то другое. И при этом электроэнергия в Германии стоит в 10 раз дороже, чем в Беларуси. Государство, стимулируя альтернативную энергетику, взамен получает много плюсов: во-первых, обеспечивает занятость населения, во-вторых, снимает с себя заботы по модернизации, содержанию и обслуживанию систем, перекладывая их на собственника.

В последние годы в Европе наблюдается бум спроса на системы альтернативной энергетики, а с кризисом это явление еще более усилилось. У производителей заказы расписаны и проплачены часто на три года вперед.

Думаю, что если и в нашей стране стоимость электроэнергии будет адекватной, то наверняка возникнет активнейший интерес к возобновляемым источникам энергии. Но даже в настоящее время приобрести комплект гелиосистемы не так просто. И проблема не в их большой стоимости, а, повторюсь, в том, что за рубежом заказы расписаны на три года вперед. А отечественного производителя солнечных батарей, к сожалению, нет.

– Василий Петрович, насколько эффективны приемные технологии и устройства в гелиоэнергетике?

– На данный момент развития общемировых технологий для массово используемых солнечных батарей КПД не превышает 18%. Те батареи, что используем мы, имеют 15–18%. На уровне малых серий на рынке встречаются экземпляры, имеющие до 30% КПД. К тому же примечателен тот факт, что в отличие от любых других преобразователей энергии солнечные батареи через 20 лет своей работы теряют лишь 5–8% от первоначальной мощности, потому как не обладают подвижными элементами.

Специалисты Национальной академии наук Беларуси подсчитали: чтобы за счет этого источника покрыть потребность страны в электроэнергии на 25%, нам понадобится площадь для размещения гелиосистем в 256 км2. Даже если предположить, что такие участки выделят, то эксплуатация подобных электростанций будет обусловлена рядом сложностей. Во-первых, это огромные первоначальные капиталовложения. Во-вторых, такую площадь охранять и обслуживать довольно проблематично. В-третьих, сконцентрированные в одном месте высокие амперные токи также создают немалые сложности с транспортированием электроэнергии.

Тем не менее, несмотря на утопичность идеи, реализация ее возможна при использовании принципиально иного ресурса – крыш домов. Здесь стоит отдать должное нашим коммунальщикам: эти объекты находятся в хорошем состоянии, а главное – к ним ограничен доступ точно также, как и к щитовым подъездов. Площадь крыш эксплуатируемых объектов в республике намного превышает требуемую для покрытия четвертой части потребности республики в электроэнергии. Если ветроэнергетическую установку на крыше не поставишь, то упускать такую возможность по отношению к гелиосистемам, думаю, неразумно. Нужно дать возможность жилищным товариществам ставить солнечные батареи на крышах домов и отдавать излишки электроэнергии в сеть. Причем интерес у жилищных товариществ есть, и готовность тоже. Но, чтобы серьезно подойти к данной теме, нужны соответствующие законодательные акты, чтобы Министерство энергетики выработало приемлемый зачетный коэффициент. И тогда, я уверен, дело сдвинется с мертвой точки.

Кстати, в том, что мы взялись за реализацию проекта оборудования типового жилого дома в Минске гелиосистемой, есть наше желание заявить о реальности и функциональности подобных проектов. Без такого рода демонстрационных объектов любой разговор по солнечной энергетике у нас является беспредметным.

– Наверняка при реализации задуманного пришлось столкнуться с немалыми бюрократическими трудностями?

– Не только при реализации, но даже после запуска проекта. Установленную в рассматриваемом доме систему ЖКХ отказывается принять на баланс, сетуя на то, что сроки окупаемости большие, что в системе есть большое количество импортных комплектующих. Чиновники отпираются всеми возможными путями.

Когда начинали воплощать проект, в УП ЖКХ нас убеждали, что им это не надо, при том, что фактически требовалось лишь их согласие – финансирование-то наше. Пришлось собрать немало нужных и ненужных бумаг, побегать по кабинетам, каждый раз заново убеждая чиновников в целесообразности задуманного.

– Вы удовлетворены конечным результатом?

– Разумеется, нет. Апробировав в реальных условиях оборудование, мы приобрели уникальный опыт, которого в Беларуси на сегодняшний день ни у кого нет. Более того, в ближайших наших планах – оборудование подобного дома с возможностью отдавать электроэнергию в общую сеть по максимуму. Очень надеемся, что нам удастся пройти кабинетные преграды и воплотить проект в жизнь.

Природный потенциал Беларуси пока не востребован

Действительно, чтобы осознать перспективность проекта, который демонстрируется в минской многоэтажке, достаточно проанализировать следующие цифры.

Как известно, в Беларуси потребление энергоносителей составляет порядка 40 млн т у. т. в год. Из них собственными энергоресурсами мы обеспечены на 15%. Остальные экспортируются из соседней России и стран Балтии. Разумеется, при грамотном подходе устойчивое развитие энергетики должно базироваться на собственных, желательно альтернативных вариантах получения энергии. Основная загвоздка бюрократического аппарата заключается в том, что они не могут понять или поверить в то, что, казалось бы, ничтожная толика электроэнергии, получаемая любым из альтернативных способов, в состоянии, как считают ученые, покрыть до 50% потребляемой энергии в стране.

И здесь уместно сравнение функциональной энергосистемы с полноводными реками, питаемыми 2–3 серьезными притоками, и автономными, не дающими ей пересохнуть множественными маленькими ручейками-притоками. Вот эти притоки и есть альтернативная, в том числе возобновляемая, энергетика. Если взять для сравнения энергосистему Германии, то за счет наличия и ветроэнергетики, и солнечной энергетики, и биогазовых установок таких гарантов-притоков там много.

В корне неверно считать, что у нас слишком облачно и пасмурно для развития гелиоэнергетики. У ученых и практиков в результате опытно-промышленной эксплуатации фотоэлектростанций уже не осталось сомнений, что производить электроэнергию за счет солнца в странах, сравнимых по освещенности с нашей, вполне целесообразно.

Территория Беларуси расположена между 56-м и 51-м градусами северной широты, что определяет угол падения солнечных лучей, продолжительность дня и солнечного сияния, с чем связано количество поступающей солнечной радиации. В течение года угол падения солнечных лучей в полдень изменяется на 47°, продолжительность дня – более чем на 10 часов. Годовой приход суммарной солнечной радиации увеличивается от северных к южным районам – от 3500 до 4050 МДж/м2 (84–97 ккал/см2). В год пасмурных дней насчитывается от 175 (на северо-западе) до 135 (на юго-востоке), ясных – от 30–35 (на северо-западе) до 40–42 (на юго-востоке).

На большей части территории максимум безоблачных дней приходится на март – апрель, и только на юго-востоке – на июль – сентябрь. Продолжительность солнечного сияния составляет в среднем за год 1730–1950 часов, возрастая к юго-востоку. Она минимальна в осенне-зимний период (когда бывает до 20 дней в месяц без яркого солнца), а в остальные дни насчитывает в среднем по 3 часа.

В мае – июле солнце не показывается только 1–3 дня в месяц, при этом в отдельные дни продолжительность сияния достигает 16 часов. Май, июнь и июль вместе дают примерно 48% годового прихода суммарной солнечной радиации, а ноябрь, декабрь и январь – только 5%. Таким образом, считают ученые, в Беларуси уровень солнечной освещенности выше, чем, к примеру, в ряде земель Германии.

Технологии становятся дешевле

В основе большинства солнечных батарей лежит поликристаллический кремний – около 90%. На мировом рынке по причине огромного спроса на этот минерал ощущается его острый недостаток. Традиционные источники сырья и технологии его получения малопроизводительны, энергоемки и неспособны удовлетворить все потребности рынка.

В Беларуси попытки его выработки были, причем из отходов Гомельского химического завода. Принципиально новая технология производства высокочистого поликристаллического кремния основывается на использовании в качестве сырья одного из отходов фосфатного производства – кремнийфторида натрия. Гранулированный поликристаллический кремний получается при термическом разложении промежуточного продукта технологии – моносилана в реакторе кипящего слоя.

В одной связке с этим проектом на базе РПУП «Завод Измеритель», который был построен в 1978 г. и до 1991 г. специализировался исключительно на выпуске уникальной аппаратуры по космическим программам СССР, а также оборудования для промышленности и научных исследований, планировалось освоить производство перспективных солнечных батарей.

Так и не дав развернуться многообещающему отечественному проекту, чиновники свернули программу, сославшись на высокую себестоимость продукта. Правда, через пару лет цена на кремний подскочила в несколько раз...

А нужен ли научный потенциал?

Любопытно, что в Беларуси сохранилась и успешно работает уникальная научная школа, созданная еще в середине прошлого столетия. Работы ее сотрудников хорошо известны и востребованы за рубежом. Рассказать о накопленном опыте и научном потенциале нашей страны мы попросили Леонида Виноградова, ведущего научного сотрудника Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, кандидата химических наук.

– Объемы широко используемых в настоящее время энергетических ресурсов – угля, торфа, нефти, природного газа – ограничены. Альтернативой ископаемых энергоносителей называют атомную энергетику, забывая при этом, что выделяемая в процессе деятельности атомных электростанций теплота может привести к «тепловому загрязнению» атмосферы Земли. Кроме того, атомная энергетика несет определенную угрозу радиационного загрязнения окружающей среды.

Солнечная же энергетика сегодня набирает огромную популярность в развитых странах мира, являясь одной из наиболее быстрорастущих отраслей в мировой экономике. Данный вид энергии представляется неисчерпаемым, экологически безопасным, достаточно равномерно распределенным и доступным для всех. По мнению ученых, наиболее перспективной заменой тепловых электростанций в секторе малой и средней энергетики станет именно солнечная энергетика.

Сегодня доля солнечной энергетики приближается к 1% в общемировом балансе произведенной электроэнергии, к 2030–2040 гг. в случае реализации большинства из заявленных проектов она должна достигнуть 25–30%.

Более 70 стран мира сегодня активно развивают фотоэлектроэнергетику. Солнце поставляет на планету излучение, в 7 тыс. раз превышающее нынешнее потребление энергии во всем мире. В Беларуси общий потенциал солнечной энергии оценивается в 2,7х106 млн т у. т. в год, а технически возможный – в 0,6х106 млн т у. т. ежегодно. КПД преобразований при этом равен 12%. Только в республике каждый год излучается до 1,2 МВт•ч на 1 м2 территории, что эквивалентно 60 л нефти.

Географическое расположение Беларуси по уровню освещенности выгоднее, чем Германии, не говоря уже о странах, расположенных севернее, – Голландии, Дании и т. п.

– Леонид Михайлович, что сдерживает развитие гелиоэнергетики?

– Основной преградой на пути масштабного использования фотоэлектрических преобразователей сегодня является высокая стоимость получаемой электроэнергии в силу высокой стоимости генерирующего оборудования. Но тенденции к снижению цены очень велики: если в 1980 г. стоимость 1 Вт превышала 30 долларов, то к 2005 г. она снизилась почти в 10 раз – до 3,4 доллара.

По усредненным прогнозам к 2010 г. 1 Вт электроэнергии, полученной от солнечного излучения, будет стоить не дороже 2,5 доллара, а при оптимистичных прикидках может снизиться еще наполовину.

Поэтому основная задача ученых – разработка новых высокоэффективных технологий получения поликристаллического кремния, обеспечивающих значительное снижение его стоимости. Традиционная технология процесса получения «солнечного» кремния достаточно энергоемкая. В последние годы появилась так называемая технология «кипящего слоя», позволяющая увеличить производительность получения «солнечного» кремния и значительно удешевить весь процесс.

– Расскажите более подробно об этом.

– «Кипящий слой» обеспечивает интенсивный теплообмен между взвешенными твердыми частицами и газовым потоком, а также между слоем и поверхностью теплообмена; значительно возрастает площадь контакта реагентов, выравниваются температурные характеристики в рабочей зоне реактора. Вследствие этого – высокая производительность реактора кипящего слоя, сравнительная простота оборудования и возможность организации непрерывного автоматизированного технологического процесса, а также снижение удельного потребления энергии по сравнению с используемыми реакторами стержневого типа. Это позволяет значительно сократить затраты на производство солнечного кремния, сделать его более массовым и как следствие уменьшить стоимость получаемой энергии.

В лаборатории дисперсных систем нашего института имеется экспериментальная установка с реактором кипящего слоя для получения поликристаллического кремния из моносилана, являющаяся прототипом опытно промышленного реактора. Проведенные на ней эксперименты продемонстрировали работоспособность и высокую эффективность технологии кипящего слоя в производстве поликристаллического кремния из моносилана.

В институте сохранен и успешно работает созданный в середине прошлого столетия членом-корреспондентом С.С. Забродским коллектив лаборатории дисперсных систем, владеющий и успешно развивающий методологию кипящего слоя, которая очень востребована на современном этапе развития энергетики. В настоящее время лаборатория под научным руководством члена корреспондента НАН Беларуси В.А. Бородули активно участвует в выполнении работ в крупном российском проекте по созданию современной технологии и оборудования для получения поликристаллического кремния для солнечной энергетики. Есть и другие предложения о сотрудничестве от зарубежных заказчиков.

– Насколько, на Ваш взгляд, гармонично сочетание гелиоэнергетики в современном строительстве?
– Современное строительство ориентировано сегодня на большое количество стекла, поэтому в любом случае солнечные батареи хорошо будут сочетаться с новомодными тенденциями архитектурного дизайна. А в ряде случаев они могут быть интегрированы в светопрозрачных фасадах.