Чешские учёные опубликовали работу, в которой сообщили о значительной переоценке срока эксплуатации солнечных панелей. Вместо обещанных 20–25 лет работы десятки солнечных ферм в стране показали резкую деградацию и повреждения уже на 11-м году эксплуатации. Инвесторы в солнечные проекты должны учитывать эти данные, иначе они окажутся обманутыми в своих ожиданиях рентабельности в сфере солнечной энергетики.

Источник изображения: Pixabay

Как сообщает источник, данные мониторинга 85 солнечных электростанций, построенных в Чехии в 2009–2010 годах, показали, что главной причиной деградации фотопанелей стало расслоение. Проектировщики с самого начала не имели точных представлений о «технических возможностях» солнечных панелей, которые закупались для проектов, и давали завышенные обещания. Кроме того, ситуацию усугубило стремление получить больше прибыли на фоне экономии на строительстве.

«Срок службы электростанций, построенных в 2009–2010 годах, сегодня подошёл к концу, — сообщают исследователи. — В 2009–2010 годах ожидаемый срок службы фотоэлектрических электростанций в Чешской Республике составлял 20–25 лет. Сегодня, спустя примерно 12 лет, выяснилось, что эта оценка была слишком оптимистичной, а реальный срок службы составляет около половины [заявленного]».

В процессе анализа состояния фотопанелей на солнечных фермах учёные использовали одну и ту же систему мониторинга — Solarmon-2.0. По всем объектам получены очень похожие результаты. Информацию о производителях панелей они не раскрывают, но говорят, что закупки были осуществлены у компаний первого звена. Все изученные панели устанавливались под углом 35 градусов, и большинство их них было покрыто ламинатом EVA TPT.

К сокращению срока службы фотопанелей привела также экономия на рамах — они были ослаблены, как и сокращено расстояние между рамами и фотопанелями. Также панели соединяли последовательно для повышения напряжения, что внесло свой вклад в процессы деградации.

«После 11-го года производительность панели без обновления силоксанового покрытия (или другого ремонтного средства) снижается настолько, что её необходимо полностью заменить», — сказано в статье. Первые 10 лет, тем не менее, работа фотопанелей соответствовала заявленным характеристикам.

Исследователи также провели экономический анализ результатов, полученных с помощью данных мониторинга, и обнаружили, что установки по-прежнему прибыльны, хотя и с гораздо меньшей маржой, чем планировалось изначально.

«При нынешних относительно высоких ценах на электроэнергию (конец 2022 года) срок окупаемости электростанций опускается значительно ниже 10 лет, что в нынешней ситуации было бы достаточно для покрытия инвестиционных затрат, — сказано в заявлении. — Однако любое сокращение срока службы панелей приводит к снижению окупаемости этих инвестиций».

Эти выводы перекликаются с недавним исследованием учёных из Ганы, которые тоже нашли заявленные производителями сроки эксплуатации солнечных панелей заметно завышенными.

Управление энергетической информации США (EIA) сообщило, что по мере роста внедрения солнечной энергетики в Калифорнии углубляется так называемая «утиная кривая», что говорит об увеличении разрыва между пиковой выработкой в полуденные часы и пиковым потреблением в вечерние и ночные часы. Это создаёт критическую нагрузку на энергосистему и требует скорейшего решения.

«Утиная кривая» — отношение выработки солнечной энергетики к потреблению электричества в течение суток. Источник изображения: EIA

Растущий дисбаланс усложняет задачу оператора (Калифорнийского независимого системного оператора, CAISO) по балансировке энергосистемы, что грозит авариями, отключениями и убытками для поставщиков электрической энергии. Всем очевидно, что с этим что-то надо делать. От возобновляемой и солнечной энергии в частности никто не собирается отказываться, а мощности на ископаемом топливе, как минимум, не планируют расширять. Выход из этой ситуации может быть только один — это массовая, если не повсеместная, установка резервных хранилищ для электричества. Энергия запасается в пик выработки, а в пик потребления, когда цены на электричество самые высокие, подаётся в сети.

В настоящее время дисбаланс устраняется за счёт регулярного оперативного вмешательства поставщиков энергии от мощностей на ископаемом топливе. Но в этом есть свои проблемы — это не даёт операторам время для согласования предложения и спроса. По крайней мере, в режиме реального времени это очень и очень сложно делать. Как итог операторы и поставщики несут убытки, а потребители рискуют оказаться без электричества.

Другим следствием разрыва между пиковой выработкой солнечной энергии в полуденные часы и пиковым вечерним потреблением стала практика отключения невостребованных мощностей. Так, по данным EIA, в 2020 году Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) ограничил выработку солнечной энергии коммунальными предприятиями на 1,5 млн. МВт·ч, что составило 5 % от общего объёма производства. И это происходило регулярно, отчего солнечная энергетика стала наиболее распространенным источником энергии в штате, который подвергался отключениям. По данным EIA, 94 % отключений мощностей в 2020 году связаны с солнечной энергетикой.

Своего пика отключения достигают в весенние месяцы, когда спрос относительно низок, а солнечная активность относительно высока. Например, в марте 2021 года в первые послеполуденные часы в среднем отключались мощности солнечной энергетики в объёме 15 %, о чём говорят цифры, предоставленные Министерство энергетики США.

Традиционные мощности по выработке электроэнергии также страдают, поскольку их круглосуточная работа становится нерентабельной и это может привести к их закрытию без замены на мощности на возобновляемой энергии.

Всё вместе взятое «открывает двери» для накопителей энергии, что станет дорогим удовольствием, но так необходимым для поддержки баланса энергосетей. Мощность аккумуляторных накопителей энергии в Калифорнии быстро выросла с 200 МВт в 2018 году до почти 5 ГВт сегодня. Согласно данным EIA, операторы планируют развернуть еще 4,5 ГВт накопителей в штате к концу текущего года, что говорит о том, что бум солнечной энергетики с батареями только начался. В то же время аналитики предупреждают, что подобные проекты станут окупаемыми не раньше 2038 года.

По данным аналитиков DNV, через 10 лет около 20 % солнечных проектов в мире будут строиться с использованием специальных накопителей, а к середине века таких проектов будет около 50 %. Это вынужденная мера и она сработает, хотя гражданам, как всегда, придётся заплатить за это из своего кармана. Да, и это касается не только Калифорнии. Такое происходит и будет происходить везде, где солнечной энергетике создают режим максимального благоприятствования не задумываясь о последствиях.

Учёные из Технологического института Карлсруэ (KIT) вместе с коллегами из Канады разработали фотопанель для выработки водорода с помощью одного только солнечного света. Панели стоимостью до $22 за квадратный метр можно будет располагать на крышах домов или в виде солнечных ферм, но на выходе будет не электричество, а водород, синтетическое топливо или даже чистая вода, что будет зависеть от выбора фотокатализатора.

Источник изображения: KIT

Перед учёными стояло две задачи. Во-первых, они должны были придумать самый оптимальный для поглощения света фотореактор, ведь эффективность реакции в нём будет определяться количеством падающего солнечного света в течение суток. Кроме того, реактор должен быть из простых материалов и удобен для массового производства и эксплуатации. Проще говоря, учёные взялись решить сложную конструкторскую задачу, с чем они успешно справились.

Лабораторная установка

Во-вторых, необходимо было разработать эффективный фотокатализатор для проведения соответствующей химической реакции. Эта часть проекта пока не завершена. Кроме того, химические реакции могут быть разными, например, позволяя синтезировать в реакторе под воздействием света искусственное углеродное топливо, воздействуя на углекислый газ и воду. Наконец, можно получать в таких реакторах чистую воду, что найдёт поддержку в странах с засушливым климатом.

О результатах своего исследования учёные рассказали в журнале Joule. Статья свободно доступна для прочтения. Там же представлен чертёж фотореактора, который может служить отправной точкой для разработки коммерческих установок.

Конструкция фотореактора

В общем случае фотореактор производится из полимерных материалов, но для лучшего переотражения света к фотокатализатору в рабочую зону его поверхность покрывают алюминиевой фольгой или напылением. Согласно предварительным оценкам, стоимость каждого квадратного метра такой панели не будет превышать $22. Представители института изучают вопрос массового производства подобных фотопанелей.

Чего только не придумаешь, когда в стране официально запрещена ядерная энергетика.

Аэрокосмическая компания Maxar представила разработку, которая с помощью специальных роботизированных зеркал позволит автономно перенаправлять солнечный свет для энергоснабжения оборудования с солнечными панелями на Луне. Это, например, позволит передавать энергию в области, скрытые в тени скал и кратеров спутника Земли.

Источник изображения: Maxar

Известно, что NASA поставила цель высадить астронавтов в районе лунного южного полюса в 2025 году в рамках программы Artemis. Лунный южный полюс богат ресурсами вроде водяного льда, но именно там солнечного света или нет подолгу, или он отсутствует совсем. В таких условиях производство энергии очень проблематично, перезарядить аккумуляторы и поддерживать работоспособность оборудования будет очень трудно, особенно с помощью солнечной энергии.

Новый проект Maxar, известный как Light Bender предназначен для решения проблемы нехватки солнечного света с помощью системы автономных зеркал, которые будут автоматически отражать его туда, где будут находиться солнечные панели оборудования, даже в постоянно затенённых районах лунной поверхности. На первый взгляд, отражение солнечного света в тёмные области — процесс довольно простой, но усложняет его необходимость частой подстройки зеркал без участия людей. В компании сообщают, что никаких исследований возможного использования NASA автоматизированных технологий перенаправления света раньше не проводилось.

Проект Light Bender предусматривает использование двух 10-метровых отражателей на 20-метровой телескопической мачте. Одно зеркало «отслеживает» Солнце, меняя своё положение таким образом, что свет отражается на второе, которое и перенаправляет лучи в сторону предполагаемого местонахождения солнечных панелей. Проект представляет собой плод сотрудничество Maxar и подведомственного NASA Исследовательским центром Лэнгли. Наземная демонстрация намечена на 2025 год. В мае 2023 года компания получила контракт в рамках программы NASA Announcement of Collaboration Opportunity (ACO). Само NASA отвечает за структурный дизайн конструкции, а Maxar займётся разработкой роботизированной составляющей.

У Maxar уже имеется большой опыт в данной области. Например, именно эта компания стояла за разработкой роботизированной руки для марсохода Persevernace, а также имеет большой опыт в производстве спутников и разработке технологий орбитальной сборки. Ожидается, что автономные роботизированные системы сыграют ключевую роль в создании инфраструктуры для долговременного исследования Луны и других планет, поскольку обычные команды монтажников туда не доберутся. Кроме того, использовать роботов безопаснее, чем людей и это позволяет уменьшить состав команд.

Artemis 3 должна стать первой миссией современных США с высадкой астронавтов непосредственно на лунную поверхность у местного южного полюса. Миссию планируют выполнить не раньше 2025 года. Тем временем Artemis 2 с облётами Луны кораблём с экипажем астронавтов, запланирована уже на ноябрь 2024 года.