Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

В понедельник в энергосистему Китая была включена крупнейшая в мире солнечная электростанция. Её пиковая мощность достигает 5 ГВт, а за год эксплуатации создаётся до 6 ГВт·ч электрической энергии. Теперь три крупнейших в мире солнечных фермы размещены в Поднебесной: две по 3 ГВт и одна на 5 ГВт. Это настолько много, что, по мнению аналитиков, национальные линии электропередач перестают справляться с распределением выработки.

Источник изображения: CGTN

Согласно грандиозному плану китайских властей, в стране должно быть создано 455 ГВт генерирующих мощностей на возобновляемых источниках энергии — солнечной и ветряной. Солнечные станции создаются в отдалённых пустынных районах страны, откуда энергия передаётся в центральные и восточные прибрежные мегаполисы. Это подразумевает создание сверхсовременных линий электропередач со сниженными потерями. К тому же, учёные пока не до конца понимают степень воздействия электромагнитных полей таких линий на экосистему и климат. Но голова боится, а руки делают.

Новая солнечная электростанция была включена в сеть в минувший понедельник. Солнечная ферма мощностью 5 ГВт раскинулась на площади 81 тыс. га недалеко от столицы Синьцзян-Уйгурского автономного района города Урумчи. Примерный подсчёт говорит, что возможностей этой электростанции хватит на круглогодичное обеспечение энергией 2 млн электромобилей. Это означает, например, что для снабжения энергией всего парка автомобилей США (285 млн), если бы они были электрическими, потребовалась бы солнечная ферма площадью со штат Пенсильвания.

Впрочем, от солнечных электростанций масса других выгод, кроме эксплуатации бесплатной энергии Солнца. Во-первых, они поддерживают экономику Китая. Во-вторых, они вытесняют ископаемую энергетику с её выбросами. В-третьих, это позволяет рационально использовать не имеющую других выгод территорию. Для густозаселённых стран это не самое лучшее решение, но никто не мешает вырабатывать энергию в пустынях и, например, по подводным кабелям передавать в Европу. Но это уже другая история.

Министерство внутренних дел и коммуникаций Японии заявило, что будет на законных основаниях закрывать проекты фотоэлектрической генерации в случае создания ими радиочастотных помех. С 2021 года Министерство получило 44 жалобы от оборонных и правительственных структур на помехи связи со стороны солнечных электростанций. Производители фотопанелей и интеграторы должны ответственно отнестись к этому заявлению и принять меры.

Безэховая камера для тестирования на радиопомехи. Источник изображения: Stan Zurek, Wikimedia Commons

В основном жалобы на создание помех радиосвязи поступали на крупномасштабные проекты, но не ограничивались ими. В этой связи Министерство уведомило Японскую ассоциацию производителей электрооборудования и Японскую ассоциацию фотоэлектрической энергетики (JPEA) о нежелательных радиопомехах от систем солнечной генерации, которые способны приводить к сбоям беспроводной связи. Если на таких объектах проблемы не будут устранены, то у властей есть все законные основания закрыть их.

В частности, жалобы были на помехи цифровым радиосистемам местных органов власти, используемым для предотвращения стихийных бедствий, служб реагирования на пожары и экстренной связи. Чтобы этого не было, производителям панелей и интеграторам следует использовать систему фильтрации помех в электрических цепях солнечной генерации, а также учитывать вероятность их появления в случае тех или иных недоработок в проектах.

Также регулятор призвал японских проектировщиков взять на вооружение соответствующие рекомендации Международной электротехнической комиссии (IEC). В документах IEC есть положения, которые регламентируют вопросы снижения нежелательного излучения радиоволн от систем солнечной генерации. Но это не сильно помогло в Европе, где регуляторы Нидерландов и Швеции, например, сообщали о радиопомехах от солнечных электростанций ещё в 2023 и, соответственно, 2021 годах.

Китай, крупнейший в мире производитель и потребитель солнечной энергии, столкнулся с неожиданной проблемой — избытком солнечной электроэнергии, которую его энергосистема не в состоянии полностью использовать и хранить.

Источник изображения: Moritz Kindler/Unsplash

Согласно отчету агентства Reuters, опубликованному на днях, Китай установил настолько много солнечных панелей, что страна просто не в состоянии потребить или сохранить сгенерированную электроэнергию в таком количестве даже с помощью систем хранения.

Источник изображения: Reuters

Эта ситуация заставила китайские власти сократить некоторые субсидии для солнечной отрасли, что привело к замедлению темпов установки новых мощностей. Тем не менее, несмотря на это замедление, Китай по-прежнему опережает все остальные страны по объемам ввода новых мощностей солнечной генерации. Так, по состоянию на март 2024 года, установленные мощности солнечной энергетики Китая достигли 660 ГВт. Для сравнения, в США, которые занимают второе место в мире в этой сфере, на конец 2023 года работало 179 ГВт солнечных станций.

Как отмечает Businessinsider, стремительный рост солнечной энергетики является частью китайской стратегии развития «новых трех отраслей» — ветряной энергетики, солнечной энергетики и электромобилей. Однако теперь Китай столкнулся с тем, что его энергосистема не поспевает за высоким ростом генерации электроэнергии.

Эксперты предупреждают, что избыток производства солнечных панелей в Китае может привести к еще большему затовариванию мирового рынка и падению цен. Так, крупнейший китайский производитель солнечных панелей Longi Green Energy уже объявил о сокращении нескольких тысяч рабочих мест из-за перепроизводства и, соответственно, низких цен.

Чтобы справиться с ситуацией, Китайская ассоциация фотоэлектрической промышленности призывает к консолидации отрасли, ограничению внутренней конкуренции и большему контролю за мощностями. Однако пока неизвестно, будут ли предприняты конкретные шаги правительством для решения этой проблемы и если будут, то когда.

Тем временем, несмотря на внутренние трудности, Китай, вероятно, продолжит наращивать экспорт солнечных панелей. Это, в свою очередь, вызывает обеспокоенность США, ЕС и других стран, которые видят в этом угрозу для своих производителей. Запад призывает Китай сдерживать экспорт.

25 апреля 1954 года американские исследователи представили прототип первого пригодного к практическому использованию солнечного элемента. Его КПД в то время составлял около 6 %. С тех пор многое произошло, а солнечная энергетика вышла на пик популярности.

Солнечные элементы образца 1956 года. Источник изображения: John Marton, Wikimedia

В момент демонстрации разработки 70 лет назад издание New York Times не скрывало энтузиазма: «Это изобретение может ознаменовать начало новой эры — использования почти безграничной солнечной энергии для нужд человеческой цивилизации». Но прошли десятилетия, прежде чем это пожелание обрело реальные черты. По-настоящему глобальный рост фотовольтаики начался в последние 10 лет. Так, если в 2004 году во всём мире установили солнечных панелей суммарной мощностью 1 ГВт, то к 2010 году более 1 ГВт панелей устанавливали каждый месяц. К 2015 году темпы выросли до 1 ГВт в неделю, а теперь это 1 ГВт в день.

По мнению немецкой отраслевой ассоциации Bundesverband Neue Energiewirtschaft Association, в течение текущего десятилетия можно рассчитывать на ежегодный прирост солнечных мощностей на 1 ТВт в год.

Изобретатели кремниевых фотопанелей за работой

Более 70 лет назад перед американскими учёными Дэрилом Чапином, Джеральдом Пирсоном и Кэлвином Фуллером изначально ставилась задача разработать надежный источник энергии для удаленных телефонных систем, для которых обычные батареи были неэффективны. К тому времени уже были созданы солнечные элементы из селена, но их КПД был крайне низким для практического использования.

Многомесячная работа учёных привела к созданию первого кремниевого солнечного элемента, пригодного к использованию в составе солнечного модуля. Он был представлен 25 апреля 1954 года. Заявленный на тот момент КПД составлял всего 6 %. Этот показатель медленно рос в течение нескольких десятилетий, совершив рывок только в последние 20 лет. Сегодня КПД кремниевого элемента приблизился к 25 %, что недалеко от теоретического предела для этого материала, но ему на смену идут новые технологии. Например, перовскитные и тандемные солнечные ячейки.

Реклама первых коммерческих солнечных панелей

Даже сегодня Bell Labs, которая тогда была частью компании AT&T (сейчас она работает под управлением Nokia Bell Labs), называет «солнечный элемент» одной из своих «величайших инноваций». Трое ученых были посмертно награждены за свое изобретение в 2008 году — их имена внесли в Национальный зал славы изобретателей США.

В прошлом году власти Германии начали процесс смягчения правил, облегчающих гражданам самостоятельную установку солнечных панелей на балконах. Но ещё до этого Германия стала европейской страной, где солнечные панели на балконах жилых домов встречаются наиболее часто. К этому привела практика поощрения энергетического перехода, а также создание простого и понятного оборудования как с позиций монтажа без квалификации, так и с точки зрения его подключения.

Источник изображения: Meyer Burger

Установка солнечных панелей на балконах жилых домов является частью обширной программы использования любых поверхностей для фотовольтаики. До недавнего времени жители многоквартирных домов были лишены удовольствия использовать солнечную энергетику для снижения своих счетов за электричество. Установка солнечных мини-ферм на крышах требовала согласования со всеми жильцами, а также услуг квалифицированных монтажников. Также при установке солнечных панелей на крышах необходимо учитывать нагрузки, затенение и архитектурную ценность зданий. Поэтому балконы стали спасением для желающих участвовать в энергетическом переходе.

По данным ассоциации SolarPower Europe, в Германии установлено более 400 000 подключаемых солнечных систем, большинство из которых представляют собой балконные варианты. Сегодня число панелей, разрешённых для установки на одном балконе, ограничено, но власти планируют расширить его до четырёх, что только подстегнёт интерес к таким решениям, ведь добавить всегда проще, чем создать что-то с нуля. Впрочем, даже без этого обновления число балконных установок в Германии быстро растёт и только в первом квартале 2024 года увеличилось на 50 тыс. систем, если не больше.

По данным SolarPower Europe, в Германии на балконах установлено солнечных панелей суммарной мощностью около 200 МВт. При этом на крышах жилых зданий размещено панелей на 16 ГВт. Балконная фотовольтаика удерживает примерно 10 % солнечных мощностей жилого сектора, хотя упрощение процедур установки обещает быстро увеличить её долю. Помогают и субсидии. Например, желающим установить балконную фотоэлектрическую систему предлагается до 500€. Технология окупается примерно через три года, и если батарея прослужит положенные ей 20 лет, то она окупится многократно .

Согласно реестру основных рыночных данных, в Северном Рейне-Вестфалии в настоящее время больше всего подключаемых солнечных систем — более 80 000, за ним следуют Бавария с более чем 60 000 и Нижняя Саксония с более чем 50 000. Солнечные панели удобны для съёмщиков квартир, и это — ещё один аргумент в их пользу. Переезжая на новое место, систему можно забрать с собой. Некоторые опасения возникают с точки зрения безопасности установки панелей на балконы. Как ни крути, а падение 25-кг панели с 10-го этажа способно повлечь за собой множество неприятностей. Но в то же время технологии оттачиваются и наборы «сделай сам» для установки батарей на балконы становятся всё проще и всё надёжнее.

Опыт Германии по эксплуатации балконных солнечных панелей уже готовятся перенимать в Австрии, Франции, Италии, Польше и Люксембурге. В Испании также движутся к этому, но пока дело не вышло на финишную прямую. В Бельгии, напротив, запретили гражданам подключать солнечные панели в домашнюю сеть, опасаясь неконтролируемых скачков энергии. Аналитики считают, что это перебор. Вклад балконных солнечных панелей в энергетику настолько мал, что он никак не скажется на перепадах энергии в распределительной сети.

Согласно планам властей Германии, к 2030 году солнечная энергетика будет обеспечивать не менее 80 % потребностей в электрической энергии в стране. Но пока вне компетенции властей остаются два кричащих вопроса — это производство солнечных панелей в Германии или в ЕС, а также утилизация отработанных панелей.

Примерно год назад американский спутник SSPD-1 впервые передал энергию с орбиты на Землю. Спутниковая платформа Momentus Vigoride российского бизнесмена Михаила Кокорича несла на себе три экспериментальных модуля в области выработки и получения энергии из космоса. Самым значимым из них стал блок по передаче микроволновой энергии с орбиты на наземный приёмник. Это было первое такого рода испытание, и оно увенчалось успехом.

Художественное представление миссии. Источник изображения: Mmdi/Getty Images

Эксперимент стартовал в январе 2023 года. На проведение одних исследований потребовались дни или недели, а другие затянулись на месяцы. Сейчас настал срок первых публикаций по проведённым экспериментам и время узнать интересные подробности.

На платформе Momentus Vigoride были размещены модули DOLCE, ALBA и MAPLE. Самый внушительный из них — это DOLCE. Это система автоматического развёртывания полей солнечных батарей на орбите. В перспективе, если создание солнечных электростанций в космосе для передачи энергии на Землю станет реальностью, солнечные фермы должны разворачиваться самостоятельно из достаточно компактных конструкций, помещающихся в обтекатели ракет. Это будут сегменты со сторонами в сотни метров.

Модуль DOLCE — это лишь первый шаг в этом направлении. Он не несёт солнечных панелей. Это лишь голый каркас со сторонами 1,8 м. Целью эксперимента была проверка способности конструкции развернуться в космосе, а камеры должны были снять этот процесс. Эксперимент признан удачным, а его проведение можно увидеть на видео ниже. В далёком будущем подобные модули будут разворачиваться и дрейфовать по орбите. Они не будут крепиться один к одному. Вместо этого на каждом углу площадки-панели будут установлены двигатели ориентации для выбора лучшего освещения. Сложная система управления будет следить за Солнцем и соседними модулями, чтобы они не перекрывали друг другу свет от звезды и караваном кружили по орбите.

Модуль ALBA представлял собой коллекцию из 32 миниатюрных фотоэлектрических панелей. Что хорошо работает на Земле, может не подойти для открытого космоса, поэтому учёные Калтеха отобрали наиболее перспективные образы для проверки их в условиях космоса в течение года. От части образцов отказались ещё до старта. Например, была идея создавать миниатюрные фотоприемники с линзами, чтобы увеличить сбор солнечного света и повысить мощность фотоприёмников. Но в итоге от этого отказались ввиду необходимости строгой ориентации подобных систем в сторону Солнца.

Крайне перспективными признаны фотопанели из арсенида галлия. Они очень тонкие и при этом высокоэффективные, а вес для космических систем всегда на вес золота. Также они могут быть лучше приспособлены для развёртывания по типу парусов, что важно для автоматических конструкций будущих орбитальных электростанций. Оказался интересен для космоса и перовскит. На Земле он подвержен влаге и быстро теряет свои свойства. В космосе влаги нет, поэтому перовскитные панели меньше подвержены деградации, хотя в открытом пространстве полно других воздействий на материалы.

Эксперимент MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) был центральным в программе испытаний, но он был разбит на две фазы. Во-первых, он продемонстрировал возможность специализированной электроники работать в условиях космоса. Во-вторых, он обеспечил передачу мощности на Землю. Платформа управления должна была суметь поменять прицеливание по передаче энергии с космических объектов на наземные и наоборот. Также в космосе проверялась беспроводная передача энергии, но на короткую дистанцию — от стенки до стенки внутри модуля MAPLE. В отличие от других подобных разработок, созданная в Калтехе платформа отличается компактностью, лёгкостью и гибкостью, что может в будущем изменить подход к космической электронике. Будущие интернет-спутники могут стать многократно легче и дешевле, чем современные спутники сети Starlink, например.

Модуль MAPLE изнутри. Разнесённые пустым пространством приёмник и передатчик энергии и светодиод, подтверждающий передачу энергии. Источник изображения: Caltech

Что касается передачи энергии на Землю в эксперименте MAPLE, то разработчики говорят скорее о регистрации сигнала, чем о передаче мощности. Передающая фазированная антенная решётка была небольшая и поэтому она не могла сфокусировать микроволновый луч на небольшой площади. Сигнал разошёлся по большой площади на Земле, но смог попасть на приёмный антенный комплекс на крыше одного из кампусов Калтеха. Фактически разработчики зафиксировали уровень сигнала, сравнимый со спутниковой передачей, чем подтвердили расчётные характеристики опытной платформы. Это с трудом можно назвать передачей энергии из космоса. Тем не менее, система работала так, как от неё ожидали, а остальное приложится, хотя путь предстоит долгий.

Накануне Европейская комиссия заявила о начале расследования возможного субсидирования китайских производителей солнечных панелей властями Китая. В случае вскрытия таких фактов, на панели из Поднебесной могут ввести заградительные пошлины, что позволит европейским производителям оставаться в рамках честной конкуренции.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Подозрения о возможном субсидировании частного китайского производственного сектора властями Китая начали появляться после оценки торгов за контракт на строительство и эксплуатацию солнечного парка в Румынии. Контракт выиграли дочки двух китайских корпораций: LONGi Green Energy Technology и Shanghai Electric Group. Как опасаются в Брюсселе, иностранные субсидии могли представить двум консорциумам «неоправданно» конкурентные предложения при проведении торгов. Комиссию это волнует по той причине, что Брюссель будет частично финансировать это проект.

Следует напомнить, что проблема наводнения Европы китайскими солнечными панелями более широкая. Её в принципе невозможно решить на фундаментальном уровне, создав в ЕС конкурентоспособное производство солнечных панелей. Этому помешают дорогие энергоресурсы и отсутствие собственных источников сырья. Поэтому установка заградительных пошлин может стать единственным решением проблемы и, как всегда, за это заплатят граждане ЕС, потому, что солнечная энергетика — это неизбежное и очень недешёвое будущее.

Ранее власти ЕС начали аналогичные расследования в отношении китайских электромобилей и биодизеля. Европейские производители биодизеля открыто говорят, что китайцы сбрасывают в Европу дешёвое биотопливо, не позволяя местным производителям развивать собственные мощности. Китай, кстати, тоже умеет играть в эти игры. Если ЕС не будет покупать электромобили, солнечные панели, биодизель и другие товары по хорошим ценам, то Поднебесная перестанет покупать в Европе коньяк, в отношении импорта которого в Китай в январе 2024 года начато антидемпинговое расследование.

В новом отчете Международного энергетического агентства по программе PVPS (фотоэлектрические системы) сказано, что в Германии первостепенное значение приобретает практика сбора и переработки списанных солнечных панелей. Страна первой начала активно использовать солнечные панели и первой столкнётся с необходимостью их массовой утилизации. К 2030 году объём отходов солнечной энергетики достигнет 1 млн т и это вызов для Германии.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Германия входит в пятёрку ведущих стран по установленной мощности фотоэлектрических систем вместе с Китаем, США, Японией и Индией. Согласно оценке Института систем солнечной энергетики Фраунгофера (ISE), к концу 2020 года в Германии было установлено солнечных панелей общей мощностью около 67 ГВт. Кроме того, с обновлением в 2023 году Закона Германии о возобновляемых источниках энергии целевые показатели расширения производства фотоэлектрических систем были значительно увеличены до совокупной установленной мощности фотоэлектрических систем 215 ГВт в 2030 году и 400 ГВт в 2040 году.

На фоне проблем Австралии с ежегодным объёмом списанных солнечных панелей к 2030 году на уровне 100 тыс. т в год (эквивалент 1,2 ГВт), объёмы Германии на порядок выше. Другое дело, что в этой европейской стране традиционно чуть больше порядка и заводы по переработке списанных солнечных панелей худо-бедно работают. Но этого недостаточно, заявляют в МЭА. Причём нужно не только больше перерабатывающих мощностей (намного больше!), но также большая прозрачность в сборе и управлении отходами и специальное обучение персонала.

Например, сегодня нередка практика, когда списанные солнечные панели свозились на «неподходящие» объекты первичной обработки. Так, на предприятия для переработки солнечных панелей из кремния свозились панели на основе другого сырья. Также, по словам специалистов, система сбора отходов солнечной энергетики «очень сложная». Всё вместе приводит к перерасходу административных ресурсов.

МЭА признаёт, что Германия предприняла шаги для обеспечения надлежащего сбора и вторичной переработки фотоэлектрических модулей, но отмечает необходимость улучшения всего процесса переработки, особенно в части прозрачности объёма отходов фотоэлектрических модулей, процесса возврата и сбора, а также утилизации модулей.

Дело в том, что объёмы собранных и переработанных отходов фотоэлектрических модулей, указанные в официальной статистике, меньше объёма отходов, что приводит к предположению, что значительное количества списанных панелей утилизируется «альтернативными путями», минуя системы переработки. Поэтому важно улучшить отслеживание списанных панелей по всей цепочке предприятий, что можно было бы сделать с помощью разного рода стимулов. Например, обеспечив доставку списанных модулей в пункты сортировки без дополнительных сборов.

В целом, Германия сможет справиться с кризисом утилизации списанных солнечных панелей, если немедленно начнёт совершенствовать и расширять производства по переработке и извлечению ценных составляющих из панелей. Полностью 50-страничный отчёт доступен по ссылке.

Исследователи из Австралийского центра передовой фотовольтаики (ACAP) при Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) бьют тревогу. Свежий анализ ситуации с растущим числом отходов от солнечных электростанций грозит скорой катастрофой. Ситуацию может исправить быстрейшее создание сети перерабатывающих заводов в крупнейших городах континента, но пока на это нет денег и воли властей.

Источник изображения: UNSW

Обновлённый прогноз до конца десятилетия показал, что к 2030 году количество отходов от солнечной энергетики достигнет 100 тыс. т в год, что эквивалентно списанию в утиль 1,2 ГВт панелей в год. Ранее прогнозировалось, что проблема начнёт ощутимо расти после 2030 года, что давало время на раскачку. Больше этого запаса нет. Вопрос создания перерабатывающих центров учёные считают первоочередным и безотлагательным. К 2035 году, как следует из нового анализа, ежегодно будет выбрасываться не менее 1 млн т списанных солнечных панелей.

«По прогнозам, более 80 % выведенных к 2030 году из эксплуатации солнечных панелей будут поступать от небольших распределенных фотоэлектрических систем, что связано с более ранней эволюцией австралийского рынка фотоэлектрических систем для жилых помещений», — уточняют эксперты. По прогнозам, около 892 тыс. т солнечных отходов поступят от систем на крышах, а 265 тыс. т — от крупномасштабных солнечных ферм.

«В ближайшие 12 лет нам нужна чётко определенная структура управления, доступные методы сбора данных и новые технологии, чтобы превратить проблему использования солнечных панелей с истёкшим сроком службы в устойчивые бизнес-возможности с положительными экономическими, экологическими и социальными результатами», — добавляют учёные и настоятельно рекомендуют, что уже к 2027 году в Сиднее, Мельбурне, Брисбене, Перте и Аделаиде должны быть созданы и запущены перерабатывающие предприятия.

Сегодня панели проще отвезти на свалку. Это обходится в $2 за панель, тогда как переработка каждой панели будет стоить до $20. Сегодня никто не хочет брать на себя такие расходы и это приведёт к тому, что стоимость списанных панелей к 2035 году превысит $1 млрд.

Параллельно вскрылся факт чудовищного мошенничества властей Австралии с квотами на выбросы парниковых газов. Власти обязались создать лесной массив на площади в 42 млн га, что больше площади Японии. Спутниковые снимки показали, что только 20 % территории можно считать полезными для заявленных целей, но это не мешало властям страны продать квоты на 27 млн т заинтересованным компаниям. Фактически они наживались на продаже несуществующих объёмов поглощения углекислого газа, и этот факт ещё предстоит осмыслить.

Эффективность органических солнечных панелей можно повысить за счёт придания неровной текстуры их поверхности. Учёные из Университета Абдуллы Гюля в Турции установили, что добавление множества крошечных куполообразных элементов на поверхность панели может на две трети повысить её эффективность за счёт значительного расширения возможности улавливать солнечный свет под более широким углом.

Источник изображения: spiedigitallibrary.org

Обычно солнечные панели имеют плоскую поверхность, что позволяет максимально увеличить площадь, на которую падает свет в любой момент времени. Такая конструкция работает лучше всего, если солнечный свет на неё падает под определённым углом, поэтому в течение дня солнечные панели обычно наклоняют под разным углом (от 15º до 40º). Учёные провели серию экспериментов, в результате которых было установлено, что добавление на поверхность солнечной панели множества крошечных куполообразных элементов из кварца позволяет улавливать больше солнечного света и получать больше энергии.

Турецкие учёные провели комплексное моделирование того, как именно куполообразные вкрапления могут повысить эффективность органических солнечных панелей. Для этого задействовали фотогальванические элементы, изготовленные с использованием органического полимера P3HT:ICBA в качестве активного слоя, расположенного поверх слоя алюминия и подложки, а также защищённого прозрачным слоем из оксида индия-олова (ITO). Такая многослойная структура была сохранена на всей площади солнечной панели.

Исследователи провели анализ конечных элементов (FEA) с помощью 3D-технологий, за счёт чего они смогли разбить элементы сложной системы на отдельные фрагменты для более точного моделирования. По сравнению с плоскими поверхностями, солнечные панели, усеянные куполообразными элементами, оказались эффективнее в плане поглощения света на 36 % и 66 % в зависимости от поляризации света. Эти вкрапления также позволяют свету проникать с более широкого диапазона направлений, чем плоская поверхность, обеспечивая угловое покрытие до 82º. Учёные ещё не создали физические версии таких солнечных батарей, но, если они на деле окажутся такими эффективными, то их работа может оказать существенное влияние на развитие солнечной энергетики.

Учёные продолжают искать чистые и устойчивые источники энергии. Одним из перспективных направлений в этой деятельности считается разработка технологий, которые позволят улавливать солнечную энергию непосредственно в космосе, а затем передавать её на Землю. Определённых успехов в этом добились учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech), которым удалось собрать энергию с помощью орбитального спутника и передать её на Землю.

Источник изображения: Mmdi/Getty Images

Речь идёт о миссии Space Solar Power Demonstration (SSPD-1), которая реализуется силами команды учёных Space Solar Power Project (SSPP) из Caltech в сотрудничестве с Indie Semiconductor Inc., Лабораторией реактивного движения (JPL) NASA, Amazon Web Services и стартапом GuRu Wireless, являющимся одним из подразделений Caltech. Совместная деятельность привела к тому, что учёным удалось собрать немного энергии на орбите Земли, а затем передать её на поверхность нашей планеты, что можно считать серьёзным достижением. Подробная информация о проделанной работе была изложена в статье исследователей, которую опубликовали в arXiv.

На Земле люди научились использовать солнечный свет для получения энергии, но даже самые передовые технологии имеют свои недостатки. К примеру, в пасмурный дождливый день мощность солнечной батареи может упасть на 25 %, к тому же они не могут вырабатывать энергию в тёмное время суток. В это же время размещённые на орбите солнечные панели могут непрерывно генерировать энергию, если они ориентированы таким образом, чтобы на них всегда попадал солнечный свет. Учёным остаётся разработать надёжный способ передачи энергии с орбиты на Землю, где она могла бы использоваться для питания предприятий, домов и многого другого.

Аппарат MAPLE / Источник изображения: Ayling Et Al/ArXiv

Эксперимент учёных стал возможен благодаря устройству Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE), с помощью которого и осуществлялась передача энергии из космоса на Землю. Оно выполнено в виде небольшого спутника CubeSat размера 6U и способно принимать солнечную энергию, собранную с помощью фотоэлектрических элементов. Затем MAPLE задействовал выпрямляющие антенные решётки для преобразования солнечной энергии в радиочастотную. После этого синтезировался луч радиочастотной энергии, который и был передан на Землю. Аппаратура для приёма и преобразования сигнала в постоянный ток, а также для слежения за MAPLE располагается на крыше лаборатории Мура в Caltech.

Реализация миссии началась 3 января 2023 года, когда исследовательский аппарат с помощью ракеты-носителя SpaceX Falcon 9 был доставлен на низкую околоземную орбиту. Ровно через два месяца учёные начали экспериментировать с MAPLE и в результате миссия была признана успешной. В дальнейшем исследователи планируют создать созвездие спутников типа SPPD-1, которая сможет передавать на Землю энергию для снабжения 10 тыс. домохозяйств. Однако до этого ещё далеко, поскольку на данный момент MAPLE улавливает в космосе от 175 до 251 мВт за раз, а до наземной станции дошёл только 1 мВт энергии.

Современным кремниевым солнечным панелям не хватает гибкости в буквальном смысле этого слова. Они сравнительно толстые и поэтому тяжёлые, что мешает им попасть в авиацию и шире использоваться в носимой электронике. Для космоса это тоже важно, поскольку вывод на орбиту каждого килограмма стоит приличных денег. Возможно, с этим помогут учёные из Китая и Австралии, которые создали ультратонкие и гибкие панели из привычного кремния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

На днях государственное китайское издание Science and Technology Daily процитировало профессора Цзянсуского университета науки и технологий (JUST) Ли Янга (Li Yang), который сказал, что солнечные элементы из кристаллического кремния, которые изготавливаются из кремниевых пластин, были и остаются наиболее зрелым и широко используемым решением для выработки электрической энергии, «но они сталкиваются с двумя основными технологическими узкими местами».

Одним из недостатков современных кремниевых фотопанелей является то, что эффективность преобразования энергии кремниевыми элементами большой площади остаётся ограниченной на уровне 26 %; другим препятствием является толщина элемента — обычно от 150 до 180 мкм, что затрудняет их использование в случаях, требующих более гибкого и лёгкого материала для установки на изогнутые крыши, спутники и космические станции.

Возглавляемая профессором Ли группа учёных из JUST, австралийского университета Кёртин и компании LONGi Green Energy Technology опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о создании из кристаллического кремния фотопанели толщиной около 50 мкм. Это тоньше, чем лист обычной писчей бумаги формата A4. Эту фотопанель нельзя согнуть пополам как лист бумаги, но можно изогнуть с достаточной степенью кривизны без разрушения.

Что важно, КПД ультратонкой фотопанели превысил 26 %. Учёные создали ещё несколько фотоэлементов толщиной от 55 до 130 мкм, и у всех у них эффективность превысила 26 %.

Профессор Ли сказал, что его группа работает над созданием более гибких и эффективных кристаллических кремниевых солнечных элементов, которые в один прекрасный день смогут стать такими удобными в использовании, как рулон пленки.

Как сообщает издание Politico, Европейский союз стоит перед серьёзнейшим выбором: хочет ли он быть «зелёным» или стратегически успешным в перспективе? Ибо одновременно и то и другое у ЕС не выйдет. Европейские производители солнечных панелей открыто говорят, что если власти не предпримут защитных мер, то китайская продукция уничтожит их бизнес за считанные месяцы или даже недели.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Несмотря на то, что Европейскому союзу необходимо избавиться от выбросов углекислого газа, он всё больше зависит от импорта из Китая, который он называет экономическим конкурентом и, что ещё хуже, системным соперником», — пишет издание.

С одной стороны, ЕС выделяет миллиарды евро на ускоренное развёртывание солнечных электростанций по всей Европе. Панели для этих задач и объёмов можно купить только в Китае, включая поставки из Синьцзян-Уйгурского автономного района, о котором вне политического контекста даже говорить нельзя, не то что заводить тесные экономические отношения.

Подобная бизнес-модель грозит уничтожить несколько последних европейских предприятий по выпуску солнечных панелей и идёт вразрез с предложениями группы стран во главе с Францией, которые ратуют за реиндустриализацию Европейского союза. Такое противостояние обязательно выльется в длительные торги в правительстве ЕС с непонятным пока результатом. Но то, что это только затянет принятие стратегического решения, каким бы оно ни было, очень и очень вероятно.

Прогнозируемые мощности по выпуску солнечных панелей в 2027 году. Источник изображений: IEA

«Ситуация действительно тревожная, — сказал Йохан Линдаль (Johan Lindahl), генеральный секретарь Европейского совета по производству солнечной энергии (ESMC), представляющий местных производителей. — Мы можем потерять большую часть европейской промышленности в ближайшие пару месяцев, если не будет сильного политического сигнала».

Европейская комиссия начала предварительные обсуждения вариантов оказания помощи производителям, но при этом не взяла на себя никаких конкретных обязательств во время прошедших в минувший понедельник дебатов в Европейском парламенте, которые, как надеялись многие в отрасли, покажут, что блок серьёзно относится к этому вопросу.

Глава финансовых служб Европейской комиссии Мэйрид Макгиннесс (Mairead McGuinness ) во время сессии в Страсбурге заявила европейским законодателям, чтобы они «работали в тесном контакте» и что низкие цены на продукцию «явно являются проблемой для производителей солнечных панелей в ЕС». В то же время она подтвердила, что власти ЕС будут «тесно сотрудничать с промышленностью ЕС, чтобы приложить все усилия на техническом и политическом уровне».

Затраты на производство солнечных панелей по странам с разбивкой на категории

На сегодняшний день китайские компании контролируют свыше 80 % глобальной цепочки поставок кремниевых солнечных панелей. Для сравнения, ЕС произвёл только 3 % солнечных панелей, установленных в прошлом году. Можно ли в таких условиях что-то предпринять? Это представляется маловероятным.

Что-то изменить может только полная смена курса на развитие соответствующей отрасли в Европе. Необходимо принять, что Китай является экзистенциальной угрозой и шанс есть только в развитии настолько передовых технологий, где Европа ещё имеет преимущества. В конце концов, необходимо осознать существенную угрозу национальной безопасности и действовать соответствующим образом. И всё бы хорошо, но только летом этого года в ЕС выборы, так что чиновники будут заняты совсем другими проблемами.

Учёные из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее создали самые эффективные на сегодня солнечные панели на основе квантовых точек. КПД этих солнечных элементов составил 18,1 %. Если сравнивать с кремнием, то это мало, но у последнего за плечами полвека исследований, тогда как квантовые точки начали изучать менее 15 лет назад. Перспективы у новой технологии головокружительные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Солнечные элементы из кремния взаимодействуют со светом всей поверхностью. Квантовые точки преобразуют свет в поток электронов только там, где они нанесены — точечно, как следует из их названия. Следует помнить, что определение «квантовые» в данном случае относится к количественной величине, а не к качественной. Квантовая точка — это крохотная порция полупроводникового материала, который взаимодействует со светом (с фотонами).

Особенность использования порций — квантов — светочувствительного материала заключается в том, что они могут быть изготовлены разного размера и, следовательно, будут чувствительны каждая к своему спектру. Материал в виде квантовых точек можно наносить на подложку методом струйной печати на рулонах или с помощью разбрызгивания. Это намного проще и дешевле, чем выпускать солнечный элемент из кремния.

Наивысший теоретический КПД у квантовых точек из органических материалов. Также они более безопасны с точки зрения экологии. Но у них есть существенный недостаток — боязнь влажности и нагрева, включая нежелательное длительное нахождение под прямыми солнечными лучами. Учёные из Южной Кореи решали именно эту проблему, попутно пытаясь установить новый рекорд эффективности для солнечных ячеек на квантовых точках.

Если верить исследователям, они смогли повысить сопротивляемость квантовых точек погодным условиям. Для этого учёные воспользовались перовскитом, который уже зарекомендовал себя в фотовольтаике. Но в этот раз они нанесли на подложку массив из перовскитных квантовых точек, а не создали сплошной слой.

Часть диаграммы с достижениями в сфере фотоэлектрических ячейках. Квантовые точки обозначены ромбом. Источник изображения: NREL

Экспериментальные солнечные панели на квантовых точках из перовскита сохраняли эффективный уровень преобразования света в электрический ток в течение 1200 ч при нормальных условиях и 300 ч при нагреве до 80 °C. Уровень КПД достиг рекордного значения в 18,1 %, что зафиксировали в американской лаборатории NREL (выше на рисунке данные уже с указанием рекорда UNIST — это свежее обновление диаграммы). Предыдущий рекорд в 16,6 % КПД был поставлен фотопанелями на квантовых точках в 2020 году австралийским Квинслендским университетом. Идём к новым вершинам. Когда-нибудь кремний уйдёт в прошлое, а на его место придут, в том числе, солнечные панели на квантовых точках.