Солнечные электростанции польза и вред
Солнечные электростанции – это альтернативный источник электроэнергии, которым активно пользуются как в жарких странах, так и в государствах с умеренным климатом. Ученые не пришли к единому мнению насчет эффективности и целесообразности использования панелей в некоторых регионах планеты. Но в том, что за ними будущее, не сомневается уже никто. Чтобы сделать объективные выводы, попробуем детальней разобраться чем полезны (и не очень) современные солнечные электростанции.
Чем полезны солнечные электростанции?
Солнечная энергия доступная всем жителям Земли, а абсолютно любой ее точке. Энергия эта неисчерпаема, поскольку термоядерный синтез в недрах нашего Солнца будет продолжаться еще, по меньшей мере, 5 миллиардов лет. Солнечные станции имеют длинный ряд неоспоримых преимуществ и активно используются во всем мире.
Положительные стороны и польза солнечных электростанций:
- возможность обеспечения полностью автономного энергоснабжения;
- бесплатный и неистощимый источник энергии;
- отсутствие экологического вреда для окружающей среды на протяжении всего срока эксплуатации;
- полная бесшумность работы;
- длительный срок службы с возможностью замены в будущем не всей станции, а только отдельных ее элементов;
- устойчивость к механическим повреждениям (более высокая, чем у всех видов кровельных покрытий).
За солнечную энергию не нужно платить. Оплачивается только оборудование и его установка. Но и эта инвестиция быстро окупается, если установить сетевой или гибридный тип солнечной электростанции. С помощью батарей удается получить альтернативное энергоснабжение, безопасное для экологии, в любом месте земного шара (а также в космосе и, в самом ближайшем будущем, на Луне и Марсе).
СЭС работают бесшумно, так как в конструкции отсутствуют движущие детали. Никакого постоянного гула, который часто возникает от обычных столбов ЛЭП.
Срок службы станции составляет приблизительно 25 лет. Такой период оправдывает высокую цену панелей и дает возможность в будущем получать от них прибыль. Со временем КПД батарей снижается, но деградирующие фотоэлементы легко и не дорого заменить.
Вред солнечных электростанций
Несмотря на экологически чистую генерацию электроэнергии, циклы производства и утилизации солнечных панелей могут вредить окружающей среде и здоровью людей. Грамотная утилизация решает вопрос переработки металлов, которые содержатся в самых панелях (свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы), а также основе (чаще всего из алюминия).
Солнечные электростанции, которые занимают большие площади, могут нарушать температурные режимы на данной территории и, таким образом, локально или глобально влиять на климат. Правда такие утверждения по нанесении вреда солнечными электростанциями пока существуют на уровне теорий и никак не подтверждены исследованиями и фактами.
Затененность и пасмурная погода также не критично влияет на эффективность работы модулей данного типа. Такие батареи предлагает, в частности, компания First Solar – мировой лидер в солнечной энергетике.
Еще одним минусом (особенно для бытовых потребителей) солнечных электростанций – высокая цена. Качественные панели действительно недешевые, но их преимущества нивелируют этот недостаток.
Итак, отрицательные стороны солнечных электростанций:
- дороговизна;
- относительно низкая производительность (от 5 до 25%);
- необходимость больших площадей под размещение;
- сложность монтажа целостной системы – включая ряд требований по азимуту, переменным углам наклона и т.д.;
- резкое снижение выработки в пасмурную погоду и падение ее до нуля в темное время суток.
В сравнении с традиционными источниками энергии, солнечные батареи обладают небольшим КПД при сравнимой себестоимости возведения даже крупных промышленных солнечных электростанций. Чтобы обеспечить электричеством весь дом, требуется большое количество фотоэлементов, под которые не всегда можно найти необходимую площадь. Правда, панели постоянно совершенствуются и эффективность их работы повышается.
Батареи хуже функционируют в пасмурную погоду и зимнее время. К тому же важно правильно установить панели, соблюдая определенный угол, и не допуская затенения. В противном случае, даже при значительной инсоляции в регионе, КПД модулей может снижаться в 5-20 раз.
Но благодаря открытию полупроводников нового типа из семейства редкоземельных элементов часть недостатков получилось нивелировать. Батареи такого вида уже не так прихотливы к углам наклона, азимуту, прямому направлению падения лучей, загрязнению поверхности и прочим, важным для кремниевых моделей, факторов. К тому же, он способны генерировать энергию не только из ультрафиолетового и видимого света, но и из части инфракрасного спектра (прежде всего – панели с использованием теллурида кадмия).
Тонкопленочные монокристаллические солнечные батареи с использованием теллурида кадмия от компании GreenTechTrade (представитель американской фирмы First Solar) обладают всеми заявленными преимуществами батарей. А главный недостаток, незначительная токсичность некоторых составляющих панели, полностью нивелируется производителем, поскольку компания обязывается утилизировать панель или отправить модуль на вторичную переработку по истечению гарантийного срока эксплуатации. Тонкопленочные панели First Solar работают при любой погоде и не нуждаются в установке под определенным углом строго на юг.
В мире сокращается запас природных ископаемых для производства электричества. В поисках
альтернативных источников энергии человечество давно обратило свой интерес к Солнцу. Ежедневно Земля получает огромное количество солнечной энергии — 173000 Тераватта. Это в 10000 раз больше всей электроэнергии, потребляемой населением планеты. Но для ее преобразования нужно специальное оборудование.
Существующие способы использования солнечной энергии для получения электричества и тепла.
- Применение систем солнечных батарей и электростанций;
- Использование коллекторов, нагреваемых солнечными лучами, для использования разогретой воды в отоплении и электрогенераторах;
- Термовоздушные электростанции, преобразующие солнечную энергию для раскручивания турбогенераторов;
- Аэростатные солнечные электростанции.
Солнечная энергия доступна и бесплатна, ее не нужно добывать, она неисчерпаема. Но есть у гелиоэнергетики и недостатки.
Недостатки использования солнечной энергии
- Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие;
- В пасмурные дни и ночью солнечная энергия недоступна;
- Необходимость использования больших площадей под солнечные источники энергии;
- Содержание токсичных веществ в фотоэлементах;
- Низкий КПД солнечных батарей, среднее значение эффективности не превышает 20%;
- Высокая стоимость солнечных фотоэлементов;
- Поверхность солнечных панелей и зеркал (для термовоздушных ЭС) нужно очищать от попадающих загрязнений;
- При нагреве солнечных элементов, значительно падает эффективность их работы;
- Сложная утилизация солнечных панелей.
Несмотря на имеющиеся недостатки, солнечная энергетика является самой быстрорастущей альтернативной энергетической отраслью, она составляет лишь 1% энергии, используемой сегодня. Но, по оценкам Международного энергетического агентства, солнечная энергия может обеспечить 20-25% глобальной энергии к 2050 году.
Создание солнечных батарей
Солнечные батареи – относительно новая технология получения электрической и тепловой энергии, берущая свое начало с 70-х годов прошлого столетия. Но человечество научилось пользоваться силой Солнца уже очень давно. Еще древние греки и римляне использовали энергию Солнца для получения огня с помощью увеличительного стекла и специально изогнутых зеркал. Так они могли зажигать факелы для религиозных ритуалов, и даже топить корабли врагов. Направляя зеркала под определенным углом, подогревали воду в термах и освещали темные помещения.
Создатель солнечных панелей Беккерель
В 1839 году французский ученый Беккерель обнаружил фотогальванический эффект. Экспериментируя с электролитами он заметил, что больше электричества было произведено, если гальванические элементы были подвержены солнечному свету.
Процесс создания и первые прототипы солнечных панелей
Первая солнечная батарея, похожая на современную, была выпущена в 1908 году, через 3 года после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую Эйнштейн получил Нобелевскую премию. В 1954 году был создан первый кремниевый фотогальванический элемент. В 1970 году была введена менее дорогая версия кремниевого солнечного элемента, что ознаменовало начало коммерциализации солнечных батарей. С начала 2000 годов, ученые сосредоточили внимание на способах сделать солнечные панели более эффективными и удобными. В результате технология стала более доступной для всех. Конечная цель — сделать солнечную энергию столь недоргой, как традиционные источники энергии, поскольку она по-прежнему недостаточно конкурентоспособна.
Производство и утилизация солнечных панелей
Производство солнечных панелей является энергоемким процессом. В настоящее время большая часть энергии, используемой для создания солнечных панелей, связана с переработкой ископаемого сырья, поэтому даже производство этих экологически полезных продуктов может способствовать загрязнению и глобальному потеплению.
Приблизительно 600 кВтч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 м2. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВтч на квадратный метр электроэнергии в год. Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.
Исходным материалом для изготовления солнечных батарей служит трихлорсилан, ядовитый и взрывоопасный продукт. При его перегонке и восстановлении при помощи водорода, получают чистый кремний. Побочным продуктом, на этом этапе производства, является соляная кислота. Далее, кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей.
Для производства солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать.
Утилизация вредных элементов солнечных панелей должна сопровождаться специалистами по переработке
При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды.
Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей — большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.
Вред экологии
Несмотря на экологическую безвредность применения солнечных батарей, их производство и утилизация может навредить окружающей среде и здоровью людей. Солнечные панели содержат металлы, такие как свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы. Их основа изготавливается из алюминия. Все это требует грамотной утилизации. Также, размещенные на больших площадях, они могут влиять на климат, нарушая естественный температурный режим.
Само производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Стоки и отработанные газы пагубно влияют на экологию. Земля, вода и воздух могут содержать вредные вещества, что является угрозой для всего живого вокруг этих предприятий.
Так стоит ли причислять солнечные панели к предметам причиняющим вред экологии?
Количество солнечных электростанций растет. Если технологии не будут развиваться в сторону наименьшего причинения вреда планете и людям, человечество ждет еще одна рукотворная экологическая проблема.
Северная Ассоциация США по возобновляемым источникам энергии, в своей публикации «Солнечная энергия», опубликованной в 2008-м году, пишет:
«Из всех доступных возобновляемых источников энергии именно солнечная энергия и солнечные батареи наносят минимальный ущерб окружающей среде. Электричество, произведенное при помощи солнечных батарей, не оказывает вредного воздействия на воздушные массы. И никак не загрязняет ни поверхностные, ни подземные воды, не истощает природные ресурсы и не несет опасности, как для животного мира, так и здоровья человека.
Единственный реально опасный эффект данного типа энергии связан с получением некоторого количества токсических веществ и химикатов, например, кадмия и мышьяка, которые используются при производстве солнечных батарей. Но, по большому счету, и эти негативные эффекты минимальны по своему объёму, если есть продуманная политика в плане их повторного использования и надлежащей утилизации.
Будущее
В свою очередь Кен Звейбл, Директор Института анализа солнечной Энергии в Университете Джорджия, в Вашингтоне, а также Джеймс Мейсон, Директор компании про производству солнечных батарей, и Василис Фенакис, Главный Инженер по исследовательской работе в Национальной Лаборатории в Брукхайвене, в своей совместной статье от 2007-го в журнале «Научная Америка» пишут о планах на будущее.
«Мы полагаем, что примерно к 2050-му году технологии солнечных батарей позволят производить почти 3 000 ГИГАВАТТ электрической энергии, иными словами МИЛЛИАРДЫ ватт. Около 30 000 квадратных миль рядов солнечных батарей должны быть установлены верх к солнцу на фиксируемых подставках. Да, эти площади могут казаться просто невероятными. Но уже установленные линии батарей показывают, что свободной земли, необходимой для производства каждого гигаватт – часа солнечной энергии на Юго-Востоке США требуется все равно меньше, чем при производстве этого же количества энергии на традиционных угольных электростанциях.
Исследования, проведённые Лабораторией Энергетики в Коло, показывают, что более чем достаточно земельных ресурсов на Юго-Востоке страны. Нет необходимости затрагивать чувствительные к проникновению машин и людей территории. Также нет необходимости как-то мешать в этом плане землям населенных пунктов или вообще углубляться в трудные территории. Благотворная природа самой солнечной энергии, ее экологичность, включая разумное потребление воды, сводит озабоченность экологическими эффектами батарей к минимуму»
В 2008-м году Отделение по энергоэффективности возобновляемой солнечной энергии (EERE) на своем сайте в блоке «Почему так важна солнечная энергетика» разместило следующий материал:
«Малые электрические подстанции наносят незначительный ущерб окружающей среде, так же как и солнечные батареи. Удивительно, но так запросто производя нужную человеку электрическую энергию, солнечные батареи не загрязняют окружающую среду, не производят рискованные для фауны и флоры выбросы и отходы. Это производство энергии не требует ни жидкого, ни газообразного топлива, его не надо ни транспортировать, ни сжигать»
В свою очередь Василис Фенакис, старший научный сотрудник Центра Инженерных Наук Национальной Лаборатории в Брукхавене, в статье от 2004 года «Циркуляция теллурида кадмия и его вред в ходе производства солнечных батарей» в разделе о возобновляемой и восполняемой энергетике пишет:
«Если смотреть широким полем зрения на проблему, то риски для окружающей среды от солнечных батарей минимальны. Приблизительные выбросы в атмосферу в ходе производства составляют 0,02 грамма теллуридла кадмия на ГИГАВАТТчас электрической энергии, произведенной за весь срок службы солнечного модуля, и это очень низкий показатель.
Широкомасштабное использование солнечных батарей не несет никакого риска для здоровья человека и живых существ. А повторная переработка модулей, что уже отслужили свой срок службы, почти полностью нивелирует озабоченность «зеленых» по поводу вредности этого вида производства электрической энергии.
Во время своей работы солнечные модули не производят загрязнения Природы, и более того, постепенно замещая традиционные виды топлива (газ, нефть, уголь) они приносят существенные выгоды окружающей среде. Теллурид кадмия в солнечных батареях на самом деле на поверку оказывается значительно более дружественен Природе, чем все остальные ныне используемые виды кадмийных батарей, включая знаменитые никель-кадмиевые.
Минусы
Однако, не все так просто в вопросе безопасности для окружающей среды со стороны огромной МАССЫ солнечных батарей.
В главе, озаглавленной «Солнечная и ветряная энергетика непродуктивна и вредна для окружающей среды» ее автор, Пол Дриссен, Доктор Наук и сотрудник Комитета по «Строительству завтрашнего дня» пишет:
«Производство 50-ти МЕГАВАТТ электрической энергии с использованием газосжигательных установок потребует примерно от 2 до 5 акров земли. Чтобы получить такое же количество энергии за счет солнечных модулей придется покрыть – внимание ! — около ТЫСЯЧИ акров земли солнечными панелями (и это еще если принимать в расчет оптимистичные цифры в получении энергии в 10 ватт на кв. метр или 5% эффективности при пиковой выработке).
Еще не меньшая проблема – это обеспечить свободный доступ грузовикам с водой для того чтобы мыть весь этот «лес» из солнечных модулей. Чтобы покрыть, например, потребности Калифорнии в энергии при помощи солнечных модулей потребуется задействовать десятки тысяч акров земель, принося их в жертву. А ведь эти прерии называют чуть ли не самым уникальными и красивыми образчиками настоящей Дикой Природы. Дикий Дикий Запад. Это один из самых величественных и красивейших ландшафтов во всей Америке, и его придется принести на алтарь солнечной энергетики вместе с животным и растительным миром этой территории.
Калифорнийская Энергетическая Комиссия в рамках общественного интереса к энергетической общедоступной исследовательской программе (PIER), Институт Исследований Электрической Энергии (EPRI) в ноябрьском отчете 2003 года под названием «Потенциальный вред для Здоровья и Окружающей среды связанный с производством и использованием солнечных батарей, доступной на сайте EPRI, написали следующее.
«Само производство солнечных батарей включает в себя использование некоторых токсичных газов, взрывоопасных летучих веществ, коррозийных жидкостей и подозрительных канцерогенных – вызывающих рак – реагентов. Магнитуда возможных негативных эффектов на здоровье человека и Природу в случае производства солнечных батарей варьируется в зависимости от используемых токсических материалов, их насыщенности, интенсивности использования, а также продолжительности их воздействия на человека в условиях производства.»
Отработанные модули
Утилизация значительных объемов отслуживших свое солнечных модулей на конкретной территории приводит к увеличению риска для здоровья людей в данной местности. А также это пагубно для местной флоры и фауны. Утечка химических реагентов из утилизируемых модулей дает вероятность заражению местной почвы и поверхностных вод.
Животный и растительный мир на этих территориях при непосредственной близости возможных утечек или случайных выбросов в атмосферу может быть подвергнут тяжелому воздействию. Утечки могут привести к взрывному росту концентрации опасных веществ вокруг производственных установок, на которых производятся модули. А это уже прямая и явная угроза здоровью работающих здесь людей.
Окружающая вода, воздух, почвы будут поглощать в себя вредные химические выбросы. Загрязненная вода отравит почву, а вдыхаемый воздух также будет частично отравлен выбросами.
Удар по живому
«Выбросы химических токсических соединений при производстве солнечных модулей ведет к ослаблению резистентности живых существ к болезням и ухудшению их фертильности, то есть способности давать здоровое полноценное потомство. Также увеличивается смертность и наблюдается замедленный рост у детей и детенышей. Интенсивность и серьезность негативного воздействия будет различаться в зависимости от количества и типа вредных веществ, высвобождаемых при производстве солнечных улавливающих модулей…»
По материалам Исследовательского Института Электрической Энергии (EPRI) 2003 год. Калифорнийская Энергетическая Комиссия.
В свою очередь Ховард Хейден, Доктор Наук, почетный Профессор в университете Физики в Коннектикуте, в книге от 2005 года «Солнечная ловушка: почему солнечная энергетика не покорила мир» пишет:
«Скопление солнечных батарей на примере местечка Барстоу, Калифорния, под кодовым обозначением «Солнечная №2», занимает 52,6 гектаров (почти 130 акров) земель и производит около 10 мегаватт электричества на максимальном выходе при пиковых значениях. Производительность достигает лишь 16%. Для таких вот установок типа «Солнечная -2», чтобы произвести такое же количество энергии, как и типичной 1000 мегаватт электростанции на обычном топливе, за год потребуется покрыть солнечными модулями 33 000 (!) гектаров земли. Или иными словами, 127 квадратных миль площади! А это уже серьезный урон окружающей среде.
Число солнечных батарей на нашей планете непрерывно растет, однако ни о каком качественном прорыве в этой области пока говорить не приходится. Возможно, когда инженеры придумают, как уменьшить площади солнечных модулей и как наладить их само очистку, когда уберут из производственной цепочки некоторые летучие опасные соединения и газы, то дело и пойдет веселее. Но пока с экологической точки зрения солнечные электростанции все же не совсем безвредны для окружающей среды.
Михаил Берсенев, по материалам зарубежных сайтов, 28 апр. 14 г.
Истощение природных ресурсов и обострившиеся экологические проблемы — главные причины для развития возобновляемых источников энергии: