http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=e2e6bf8b-9fe7-442b-8ca8-4abe863f60c3&print=1© 2024 Российская академия наук
“Когда мне было 16, я водил на танцы девушек. Сегодня я занимаюсь тем же самым с изотопами водорода”. “Когда в молодости я была хиппи, хотела изменить мир с помощью силы цветов. Теперь я использую для этого водоросли”... Эти и многие другие нетривиальные высказывания ведущих немецких ученых, занимающихся исследованиями в области альтернативной энергетики, были использованы для привлечения внимания к основной теме проводимого Федеральным министерством образования и науки Германии (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) Года науки - к концепции “Будущего энергии”.
В течение 2010 года BMBF организовало множество мероприятий для широкой общественности, особенно для молодежи, призванных подчеркнуть всю важность исследований в области устойчивого энергетического развития. Крупные конференции, семинары, научно-популярные выставки, международные конкурсы молодых ученых и даже специально созданные обучающие компьютерные игры были посвящены четырем основным направлениям. Среди них - организация наиболее экологичного способа использования горючих полезных ископаемых, повышение энергоэффективности, разработка возобновляемых источников энергии, а также развитие международной научной кооперации с целью обеспечения человечества безопасной и чистой энергией, не влияющей на изменения климата. Кроме того, Германская служба академических обменов (DAAD) провела специальный пресс-тур для иностранных журналистов, в рамках которого были организованы визиты в ведущие немецкие НИИ, университеты и компании, занимающиеся исследованиями и разработками в области устойчивой энергетики.
Согласно директивам ЕС, к 2020 году 10% всей европейской энергии должно поступать из возобновляемых источников. Рассуждать о причинах, толкающих европейцев на такой шаг, - дело неблагодарное. Какая разница, пытаются ли они подобным образом слезть с пресловутой “русской нефтяной иглы”, или действительно борются за спасение климата планеты и устойчивое развитие? Суть в том, что постановка таких целей значительно стимулирует как развитие естественных наук в Европе, позволяя привлекать в эту области значительные финансовые средства, так и популяризацию естественно-научного образования. Германия намерена получать 100% энергии из возобновляемых ресурсов и уменьшить вредные выбросы в атмосферу на 80% уже к 2050 году. В качестве одного из важнейших способов получения альтернативной энергии здесь рассматривается фотоэлектрическая энергетика. Для того чтобы она стала действительно конкурентоспособной, стоимость производства фотоэлектрических модулей должна быть значительно снижена, а их эффективность возрасти в разы. Кроме того, предстоит разработать грамотные механизмы инсталляции фотомодулей, а также продлить сроки их использования.
Над решением этих проблем трудятся ученые и бизнесмены сразу трех федеральных земель: Саксонии, Саксонии-Анхальт и Тюрингии, где зафиксирована наивысшая в Европе плотность предприятий и НИИ, занимающихся вопросами фотоэлектрической энергетики. На этих территориях расположен Sollarvalley Mitteldeutschland (www.solarvalley.org) - высокотехнологичный инновационный кластер, аналог калифорнийской Силиконовой долины, где представители индустрии и науки совместно занимаются оптимизацией технологий получения солнечной энергии. Sollarvalley объединяет 29 компаний, 9 научно-исследовательских центров и 4 университета. Сегодня здесь идет работа над 98 скоординированными проектами по решению фундаментальных задач, касающихся организации всей производственной цепи по изготовлению как традиционных кристаллических кремниевых модулей, так и тонкопленочных. Бюджет этих работ - более 150 миллионов евро, выделенных сроком на пять лет BMBF и другими государственными министерствами.
Основная цель, которую намерены достигнуть в Sollarvalley, - добиться к 2013 году так называемого сетевого паритета, состояния, при котором стоимость одного “солнечного” киловатта энергии сравняется со стоимостью аналогичного объема электричества, генерируемого ТЭЦ традиционного типа (угольными и т.д.). Помимо этого, уже к концу следующего года планируется снизить потребление материалов для производства фотомодулей на 30%, одновременно повысив на 20% энергоэффективность кристаллических кремниевых модулей и на 10% - тонкопленочных, доведя жизненный цикл этих установок до 30 лет.
Развитие подобных технологий, по замыслу немецкого правительства, приведет к решению не только энергетических проблем: еще в 2009 году кластер Sollarvalley позволил обеспечить рабочими местами более 11 тысяч человек, и год от года эта цифра растет - к 2020-му в этом регионе планируется трудоустроить 100 тысяч специалистов в области фотоэлектрической энергетики. Понятно, что стремительно растущий спрос на подобных профессионалов требует новых подходов и к образованию. Оно должно сочетать в себе стандартное университетское обучение с активной практикой студентов в НИИ и компаниях, образующих кластер. В ближайшее время в ведущих немецких вузах, среди которых Йенский университет им. Фридриха Шиллера, Университет Галле-Виттенберг им. Мартина Лютера, Технический университет Фрайберга, Университет Эрфурта и др., будут созданы четыре новые программы по фотоэлектрической энергетике для бакалавров и магистров, а также центр профессиональной переподготовки и повышения квалификации. Все это должно привести к появлению не менее четырех тысяч “родных” высококлассных специалистов по фотоэлектронике уже к 2011 году.
Нам удалось посетить сразу несколько предприятий и НИИ, работающих над решением проблем фотоэлектрической отрасли. Среди них - Институт физики твердого тела Йенского университета, офисы компаний Solar World AG, Roth and Rau AG, Исследовательский институт микросенсоров и фотоэлектрической энергетики в Эрфурте. Кстати, визит в последнее заведение вполне можно было назвать “Все, что вы хотели знать о фотоэлектронике, но боялись спросить”: помимо общих теоретических знаний о предмете журналистам продемонстрировали работу специалистов местного сертификационного центра, куда производители фотомодулей со всего мира привозят свою продукцию на испытания. Солнечные батареи здесь в буквальном смысле проходят огонь и воду (их тестируют на жаропрочность и термоустойчивость, проверяют, не произойдет ли удар током, если они намокнут). А вместо медных труб - имитация града, тест на ломкость (при помощи 50-килограммового груза), фотосъемки батарей огромной камерой (чтобы понять, например, появились ли после градин на поверхности модуля микротрещины), проверка на устойчивость к радиационному и электромагнитному воздействию и многое другое. Без успешной сдачи всех этих “экзаменов” использовать фотомодули на территории Европы будет нельзя. Кстати, если оборудование так и не смогло пройти те или иные тесты и получить сертификат - не беда. Специалисты Исследовательского института микросенсоров и фотоэлектрической энергетики всегда готовы прийти производителям на помощь и совместными усилиями доработать их товар, конечно, за определенную сумму.
Иными словами, в Sollarvalley выступают за гибкие подходы к решению энергетических задач. Как отметил профессор Йенского университета доктор Хайнрих Метцнер (Heinrich Metzner), “при работе с энергетикой стоит учитывать множество сценариев дальнейшего развития ситуации на этом рынке. Поэтому не следует сосредоточиваться только на одном источнике энергии, развивать надо все возможные технологии...”
Сказано - сделано! Помимо солнечной энергии сегодня в Германии активно разрабатываются технологии получения, хранения и использования геотермальной энергии (эти исследования не первый год ведутся в Немецком научно-исследовательском центре наук о Земле - Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum). Осуществляются попытки отапливать целые районы крупных городов при помощи сжигания биомассы (в административном округе Берлина Нойкёльн - Neukölln - уже 20 тысяч домов получают тепло путем сжигания остатков деревообрабатывающих производств, а также ветоши и строительного мусора, прошедшего до сжигания строгую экспертизу на предмет выделения в ходе горения вредных веществ).
Но все же самое яркое впечатление во время путешествия по территории Германии производят огромные поля, буквально усеянные ветряными турбинами. И не только поля: гигантские ветряки активно размещаются в самой акватории Северного моря, что позволяет на 40% увеличить количество энергии, получаемой с помощью ветрогенераторов.
Вопросы развития, сертификации и установки подобных систем курируют исследователи из Института ветровой энергии и технологий энергосистем им. Фраунгофера (IWES) и Германского института ветряной энергетики (DEWI). Размещение ветряков в море связано с множеством рисков и, как следствие, с проведением дополнительных тестов оборудования и исследований окружающей среды. Выдержит ли конструкция суровый прибрежный северный климат? Будет ли устойчива к воздействию волн и течений? Позволит ли рельеф дна разместить турбину там, где дует подходящий для нее ветер? Как выглядят числовые модели ветряных потоков в данном квадрате моря? Как отразится установка ветряка на жизни подводных морских обитателей? Поиск ответов на все эти вопросы требует проведения масштабных исследований во многих областях науки и не ограничен созданием лишь инженерных схем. Кроме того, у подобных проектов существует и эстетический аспект, связанный с дизайном турбин и их восприятием: далеко не всякий будет счастлив установить в своем садике 120-метровый “флюгер”, издающий постоянный мерный гул, а по ночам сверкающий сигнальными огнями, даже если он совсем не загрязняет атмосферу. Однако, по мнению доктора Арно ван Винджерде (Arno van Wingerde), некоторая часть общества всегда негативно настроена по отношению к инновациям.Но что же делать?
- Вспомните, - говорит он, - некоторые люди до сих пор выступают против излучения телевизионных башен и радиоволн. Так и с ветрогенераторами: не все им рады. Но если ситуация такова, что с каждым годом у них дома все увеличивается количество электроприборов и требуется все больше энергии, то они должны понимать, что ее придется откуда-то черпать и ветряки - не самый худший вариант. В идеале, мы должны начать заботиться о том, как объединить усилия по созданию единой энергоинфраструктуры для хранения и передачи по всему миру разных видов альтернативной энергии. Например, если сегодня на Балтийском побережье погода вдруг будет безветренной, то наверняка ветрено будет в Греции - и мы сможем получить энергию оттуда. Но если и там будет штиль, то явно будет солнечно в ЮАР и т.д.
Доктор ван Винджерде также подчеркнул необходимость дальнейших исследований в области наук о материалах - до сих пор еще не созданы эффективные технологии утилизации “отмотавших” свое ветряков. Учитывая, что первые ветрогенераторы были установлены в Европе порядка 15 лет назад, а средний срок их службы составляет около 20 лет, уже в самом скором времени люди могут столкнуться с негативными последствиями “гонки за ветром”. Если механизмы утилизации не будут созданы вовремя, данный вид чистой энергии может оказаться не так уж и чист.
Кстати:
Хотя в России многие придерживаются мнения о том, что наша страна не нуждается в развитии дорогостоящих альтернативных источников энергии, обладая достаточными запасами полезных ископаемых, отечественные технологии все равно не стоят на месте. Так, в октябре в Белгородской области была введена в эксплуатацию первая крупная солнечная электростанция в РФ. Система состоит из поликристаллических солнечных модулей, изготовленных на Рязанском заводе металлокерамических приборов и аморфных панелей европейского производства. Годовая производительность станции составит 133,4 тысячи кВт в час. Пока что энергия, вырабатываемая ею, стоит достаточно дорого, однако российское правительство уже занялось подготовкой законопроекта о введении специального “зеленого” тарифа для альтернативной энергетики на федеральном уровне.