В.Г.Литовченко, президент Українського фізичного товариства, член-кореспондент НАН України

М.В.Стріха, академік АН ВШ України,

доктор фізико-математичних наук

 

СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА – ЯК АЛЬТЕРНАТИВА КОЛЕКТИВНОМУ САМОЗНИЩЕНЮ

 

На екологічній межі

 

Сьогодні всі ми з сумного емпіричного досвіду зрозуміли: звичний клімат змінився безповоротно. Стали системою небувалої сили смерчі далеко поза зоною тропіків, незвичайної сили повені, небувалі засухи та пожежі, які нищать цілі регіони (згадаймо бодай цьогорічну долю півострова Пелопонес). Ці явища  вочевидь виходять за межі середньостатистичних природних коливань. Уже і ЮНЕСКО, і ООН вустами своїх чільників визнали: відбулося незворотне порушення екологічної рівноваги, спричинене безвідповідальною діяльністю людини, яка далі нарощує обсяги виробництва й споживання, не дбаючи про наслідки.

Зачепили ці зміни й Україну, - уже призвівши до необхідності перегляду десятиліттями усталених сільськогосподарських циклів. Адже за умов посухи чималі території робляться придатними лише для зрошувального землеробства – а ресурси цієї самої води у нас, як відомо, украй обмежені. Не говоримо вже про те, що теплолюбні шкідники й паразити рослин, притаманні раніше тільки для причорноморських степів, сьогодні добре почуваються на київському й чернігівському Поліссі...

Перспективи – ще невтішніші. Експерти одностайні: середня температура й літа і зими далі підвищуватиметься. Адже, попри всі розмови, лишень починаючи з 2000 року обсяг викиду парникових газів в атмосферу збільшився на третину (окрема “подяка” – США й комуністичному Китаєві, які з егоїстичних міркувань зробили все, аби торпедувати Кіотський протокол, що передбачав узгоджені дії світової спільноти задля скорочення викидів). Причому, схоже, вже запущено надзвичайно небезпечний механізм “ланцюгової реакції”: дальше підвищення температури призводить до зменшення розчинності вуглекислого газу у воді океанів (а тут його суттєво більше, ніж в атмосфері) і викидання його надлишку в повітря. А збільшення концентрації СО2 в атмосфері призводить у свою чергу до підвищення температури і дальшого зменшення його розчинності у воді...

Ця тенденція у негативному варіанті призведе до глобальних змін в усьому світі. Затопленими виявляться цілі країни. Придатні для землеробства зони перетворяться в пустелі й напівпустелі. Клімат зробиться непрогнозованим, а стару затишну Європу періодично спустошуватимуть урагани й смерчі. В розрізі “окремо взятої України” – теж нічого гарного. Підняття рівня Чорного моря затопить значні території навколо лиманів і років через 100 перетворить Крим на вкритий джунглями острів. На півдні ростимуть вологі тропічні ліси, а Правобережжя перетвориться на посушливу савану. З півночі на Україну наступатимуть болота, що вкриють майже всю сьогоднішню Білорусь, а з північного-сходу – безмежні посушливі простори Великої Російської савани...

Вже очевидно: причиною майбутньої катастрофи є енергетичні “перевитрати” людства. В першу чергу негативний вплив має розвиток теплової енергетики - спалювання людством тих запасів органічних речовин, які природа накопичила протягом сотень мільйонів років існування на земній кулі життя.  Невеликою надією, що найкатастрофічніший сценарій не реалізується (а натомість реалізується просто дуже поганий) є хіба те, що розвіданих запасів нафти людству вистачить менш як на 40 років. Щоправда, екологічні наслідки від спалювання більшої кількості вугілля (а його вистачить ще років на 400) можуть виявитися ще гірші...

Але очевидним є й інше – досягнутий рівень виробництва й споживання потребує величезної кількості енергії. Звичайно, енерговитратність одиниці українського ВВП в кілька разів перевищує європейську – і тут у нашої держави є чималі резерви. (Хоч, очевидно, тільки зростання ціни газу до світової і загибель цілих галузей змусить нашу хімію – чи те, що від неї лишиться – до серйозної технологічної модернізації). Але в світовому масштабі енергії потрібно буде дедалі більше (за оцінками, її виробництво й споживання зросте в 2050 році порівняно з 2000 у 5 разів).

За таких умов багато хто говорить про безальтернативність ядерної енергетики – справді відносно екологічно чистої (коли не брати до уваги не лише можливих масштабних катастроф, але й невирішеної в глобальному масштабі проблеми захоронення відпрацьованого ядерного палива). Але оцінка запасів урану з вигідною для видобування концентрацією дає цифру, не набагато більшу від запасів нафти. Отже, в традиційних реакторах весь наявний уран буде спалений за кілька ближчих десятиліть, а реактори на швидких нейтронах (здатні крім енергії виробляти додаткове паливо) несуть низку додаткових проблем і небезпек.

Розвиток української атомної енергетики стримуватиметься, очевидно, не лише національною травмою Чорнобиля, не лише браком палива (сьогодні Україна видобуває трохи більше 500 тон урану на рік, закуповуючи решту потрібних для її енергоблоків 2000 тон у Росії), не лише відсутністю необхідних сховищ відпрацьованого палива (його ми так само надсилаємо в Росію – сплачуючи великі гроші), але й елементарною нестачею водних ресурсів для спорудження великої кількості нових ставів – охолоджувачів... Давно зарегульовані великі й малі річки України й так служать людині на межі своїх можливостей, і добитися від них чогось суттєво більшого ледве чи вдасться (згадаймо бодай епопею навколо Ташлицької ГАЕС, заповнення якої неминуче знищить один з останніх куточків нашої степової природи).

Звичайно, виходом було б використання енергії термоядерного синтезу. Самі термоядерні реакції екологічно чисті, а запасів палива для них вистачить на багато тисячоліть. Проте, швидко створивши водневу бомбу, людство так і не вирішило досі (попри чимало оптимістичних прогнозів) проблему “керованого термояду”...

Звичайно, існують і так звані “відновлювані джерела”. Не створені природою мільйоні років тому в ході еволюції, а даровані нам щороку, щодня,  щохвилини. Скажімо, модне в останні роки біопаливо. Навіть навколо Києва видимо побільшало полів ріпаку. Але експерти з продовольства вже б’ють на сполох: збільшення площ під олійні культури, які можуть бути використані для синтезу дизельного палива, призводить до автоматичного скорочення площ під зернові й овочі, посилюючи продовольчу проблему, особливо в країнах “третього світу”.

Є, нарешті, енергія гідроресурсів, вітру, морських хвиль, припливів і відпливів, геотермальних вод тощо. В ряді місцевостей використання її може виявитися вельми перспективним. Згадаймо бодай маленький затишний Рейк’явік, опалюваний теплом підземних вод, - проте не всім пощастило народитися в Ісландії з її діючими вулканами! А в глобальних масштабах, як показують оцінки, ця енергія, придатна для промислового використання, становить лише порядку відсотка від сьогоднішніх енергетичних потреб планети. 

Отже, лишається тільки одне воістину невичерпне джерело енергії – це пряме теплове й світлове випромінювання сонця.

 

 

Енергія з примхами

 

Якщо бути цілком коректними, то енергія нафти чи вугілля, вітру чи гідроресурсів – це так само “запасена” колись енергія Сонця. А наше світило по суті являє собою гігантський термоядерний реактор, завбачливо віднесений за 150 мільйонів кілометрів від Землі. При чому, за оцінками астрофізиків, цей реактор безперебійно працюватиме ще як мінімум багато мільйонів років!

Масштаби цієї енергії корисно уявити, запам’ятавши таку цифру: протягом години її на земну поверхню падає 5×1020 Дж – таку кількість енергії людство виробляє й споживає зараз упродовж року.  Причому на квадратний метр земної поверхні припадає в середньому упродовж року потужність випромінювання у 2300 кВт на екваторі, 1900 кВт на широті Києва й 1400 кВт – на полярному колі. Зрозуміло, що ці цифри різняться через різну висоту Сонця над горизонтом, різну тривалість дня і стан атмосфери. Але для нас важливо інше: на українських широтах ми отримуємо не так уже й мало – 83% від того, що припадає екваторіальним країнам. Проте для промислового використання цю енергію ще треба перетворити на зручний електричний струм!

Звичайно, для цього можна просто сконцентрувати сонячне світло дзеркалами в одній точці, розмістити там паровий котел, а до нього приладнати звичайні турбіни. Ще у 1970-ті почалося будівництво експериментальної станції такого типу в Криму з планованою потужністю 1200 кВт. З використанням більшої кількості дзеркал-геліостатів, та розмістивши парогенератор на висоті 200-300 метрів, можна отримати значно більшу потужність – понад 10 МВт. І все ж з ряду причин технічного й економічного характеру цей тип електростанцій не отримав надто широкого розповсюдження (хоч і відкидати його перспективність було б теж зарано).

Тому найчастіше ідеться про використання квантової природи світла, яка дозволяє працювати напівпровідниковим перетворювачам. Принцип їхньої дії (читачі, не обізнані з основами квантової механіки, можуть наступні речення пропустити, а висновки – взяти на віру) такий: кванти сонячного світла з енергією, більшою від ширини так званої “забороненої зони” напівпровідника, народжують пару носіїв струму: електрон і так звану “дірку” (дуже спрощено - умовне місце, де існує нескомпенсований позитивний заряд). Якщо в напівпровіднику існує внутрішнє електричне поле (наприклад, завдяки наявності p-n-переходу, контакту метал-напівпровідник, чи межі поділу двох напівпровідників), то електрон і дірка зміщуються цим полем у протилежних напрямках. А відтак у зовнішньому колі може виникнути електричний струм.

Саме на основі p-n-переходу в найпоширенішому напівпровіднику – кремнії й було понад півстоліття тому створено перший у світі фотоперетворювач. Пріоритет належить американським ученим та інженерам з “Белл Лабораторіз”. А трохи згодом аналогічні перетворювачі були встановлені на третьому радянському супутникові, запущеному на орбіту 15 травня 1958 року. Відтоді панелі сонячних батарей стали необхідним атрибутом усіх космічних апаратів.

Невдовзі розпочалася переможна хода сонячних фотоперетворювачів і по землі. Нікого сьогодні не дивує побутова електроніка, що “працює” чи підзаряджається від сонця. Ще на початку 1980-х “сонячний автомобіль” перетнув Австралію, а “сонячний літак” перелетів Ла-Манш. Чимало будинків (особливо – заможних садиб, розташованих у віддалених регіонах), виблискують кремнієвими дахами, роблячи їхніх власників автономними від примх і пертурбацій зовнішнього світу.

Проте, попри реальну загрозу загальнопланетної екологічної катастрофи, сонячна енергетика досі лишається “нішевим проектом” для небагатьох. Так, у США сьогодні фотоперетворювачі генерують лишень 0,02% від усієї електроенергії, - решту продукують переважно теплові (на вугіллі та газі) й атомні електростанції.

На те існує низка причин. По-перше, це відносно низька концентрація сонячної енергії. Та й коефіцієнт корисної дії (ККД) наявних перетворювачів сьогодні не надто високий (максимум 10-25%). Отже, треба, вкривати сонячними елементами достатньо значну поверхню. Причому головною складністю є аж ніяк не площі, потрібні для цього (для задоволення сьогоднішніх енергетичних потреб людства досить було б укрити фотоелементами з ККД 10% лише 0,16% земної поверхні – площа пустелі Сахара значно більша; а енергетичні потреби України з лишком задовольнила б ділянка розміром із Чорнобильську зону).

Головне – те, що поки вартість напівпровідникових перетворювачів ще достатньо велика. З урахуванням реальних значень інсоляції та інших технічних параметрів (“сонячну” електрику треба накопичувати, бо вночі батареї не працюють; перетворювати з низьковольтної на зручну для транспортування високовольтну) вартість кіловат-години електроенергії, виробленої сонячними батареями, складає сьогодні близько 0,42 євро. Для порівняння: вартість цієї ж кіловат-години, виробленої на звичайній тепловій електростанції Європи – 0,04 євро. Приблизно стільки ж (24,36 коп.) звикли платити й ми, українці. І перспектива раптом платити за цей кіловат-годину по 2,60 грн. нам аж ніяк не всміхається...

 

 

Світло в кінці тунелю?

 

І водночас людство не має виходу. Щоб уникнути катастрофи, слід переходити саме на сонячну енергію – не як на допоміжну для екзотичних випадків, а як на одне з головних джерел енергопостачання. Але зрозуміло: така трансформація потребуватиме великої політичної волі відповідальних лідерів. Програма дій, яка за цим повинна стояти, достатньо зрозуміла. Це -  фінансування державою промисловості сонячних перетворювачів. Це - дотації на споживання екологічно чистої енергії (що вже є практикою окремих країн Європи, зокрема Німеччини). Нарешті, це масштабне розширення фінансування наукових розробок.

Адже упродовж минулих десятиліть науковці й технологи зробили надзвичайно багато, рухаючись у двох напрямках: підвищення ККД сонячних перетворювачів і їхнього здешевлення.

Річ у тому, що нобелівський лауреат Вільям Шоклі (премія 1956 року за відкриття транзистора, який воістину змінив обличчя світу) разом з Гансом Квейсером іще 1961 року вирахував гранично можливе значення ККД сонячного елементу, виходячи з обмежень, що їх накладає квантова фізика. Адже не всі народжені світлом пари електрон-дірка створюють струм: деякі негайно рекомбінують. Не все кванти світла народжують електрон-діркові пари: енергія частини з них недостатня для цього. Нарешті, електрони й дірки, народжені дуже високоенергетичними квантами, віддають більшу частину своєї енергії коливанням кристалічної гратки, “гріючи” напівпровідник, замість того, щоб створювати корисний струм. З урахуванням усього цього найпростіший перетворювач на кремнієвому p-n-переході не може мати ККД, вищого від 31%. Але, застосовуючи складніші конструкції, комбінації різних напівпровідників, фокусуючи сонячне світло, теоретично можна “обійти” цю межу.

Ще вагоміші напрацювання й досягнення в другому напрямкові. Більшість на ринку поки складають так звані перетворювачі першого покоління. Їх роблять на основі монокристалічного кремнію із середнім ККД у 18% (науковці з Австралії сконструювали дослідні зразки з ККД у майже 25%). Але проблемою залишається висока ціна – до 300-420 євро за м2 поверхні. Адже чистий монокристалічний кремній виготовляти складно й дорого. Натомість перетворювачі другого покоління використовують тонкі напівпровідникові плівки (кремнієві, або зі складних сполук кадмію-ртуті-телуру чи інших) на скляній підкладці. Вони в кілька разів дешевші, але й ККД тут лежить у межах 10%.

У вдосконаленні елементів обох типів значну роль відіграли українські учені. Серед них не можна не згадати покійного професора Віталія Стріху, фундатора відомої наукової школи з фізики контакту метал-напівпровідник, лауреата Державної премії України, засновника й першого президента Академії наук вищої школи. Він ще 1983 року видав піонерську працю “Сонячна енергетика і проблеми її розвитку” (прикметно: українською мовою – в час тотальної русифікації!), де кинув виклик панівному на той час в СРСР курсові на безальтернативність атомної і теплової енергетики.

Вагомі результати отримано в Інституті фізики напівпровідників НАН України, у Київському, Одеському, Ужгородському та Чернівецькому університетах, на деяких промислових підприємствах (Піллар, Квазар), в інших українських лабораторіях. Унаслідок зусиль науковців (зокрема й наших) вартість сонячних елементів вдалося довести до 0,5 ÷1,1 євро за ват потужності. Отже, за минулі чверть століття вона зменшилася в 20 разів (а порівняно з першими зразками 1950-х – у 1000!). В принципі, вона вже не така далека від характеристик газових і бензинових двигунів:  0,1 ÷0,15  євро за ват.

Нині українські науковці пропонують низку конструктивних вирішень для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії. Серед них: використання рельєфної поверхні батарей, формування батарей з двосторонніми колекторами, використання антивідбиваючих пасивуючих та зміцнюючих покриттів, використання оптичних концентраторів сонячних потоків (лінзи Френеля, фасеточна призмово-поворотна оптика тощо), широке використання каскадних сонячних батарей тощо.

Чимало можуть дати технологічні вдосконалення й нові матеріали, зокрема широке використання тонких плівок кремнію (що дає економію напівпровідникового матеріалу в понад 10 разів) на органічних, металічних, склоподібних підкладках (виробництво таких елементів уже в 2007 році перевищило сумарну потужність у 100 MВт!). Перспективними є багатошарові (виготовлені методом молекулярно-променевої епітаксії) структури напівпровідників зі змінною шириною  забороненої зони.  Нарешті, сонячні елементи з використанням органічних матеріалів уже зараз дають ККД до 7-10%

Проте найважливішою й найцікавішою для дослідників є перспектива масової появи сонячних батарей третього покоління, які використовують принципово нові фізичні принципи роботи. Це - батареї на основі квантових надграток (вони вже зараз успішно використовуються в космосі). Це - використання квантових точок, вбудованих в напівдіелектричні матриці, та застосування багатодолинних напівпровідників для генерації гарячих фотоелектронів (що  дасть можливість далеко перейти межу в 31% ККД).

Ці елементи третього покоління, за оцінками експертів, уже в 30-річній перспективі дозволять одержати батареї з надзвичайно високим ККД (до 80%) і з помірною ціною в 100 євро за кв.м. А це вже дасть змогу отримувати промислову електроенергію за ціною в 0,03 євро за кіловат-годину – меншою, аніж на традиційних теплових чи атомних електростанціях. Звичайно, так станеться, лише коли буде надано масштабну державну підтримку на промислове виробництво та наукові пошуки. Але, усвідомлюючи сьогоднішню ситуацію, Євросоюз уже в цьому році виділяє на ці потреби понад 5 мільярдів євро. І європейці щиро (й небезпідставно) вірять: у 2050 році сонячна енергетика покриватиме щонайменше чверть енергетичних потреб людства, а відтак змальована при початку статті апокаліптична перспектива відступить.

Чи станеться так насправді? Хочеться вірити, адже розвиток сонячної енергетики в світі  йде величезними темпами – 40% на рік. Це – чи не найбільші темпи зростання в cфері виробництва. А що ж Україна, яка все ще зберігає високий потенціал у сфері напівпровідникової науки? Поки що ці дослідження (широко підтримувані в часи СРСР) є в нас справою ентузіастів, які зуміли стати партнерами в міжнародних проектах. Проте, виходячи зі значущості проблеми, ми переконані: розвиток сонячної енергетики в Україні має бути підтриманий Національною програмою з фінансовим забезпеченням, співмірним (бодай у відносних величинах!) до тих рівнів, які виділяють європейські країни. І це стане важливішим для нашого майбутнього, аніж пошуки чергових мільярдів на виконання відверто популістських обіцянок, даних під час позачергових виборів.