Новите технологии и ролята им за увеличаване дела на възобновяемата енергия в енергийното потребление
Статия на проф. Христо Василев пред сп. „Енергетика електроенергийни ракурси“
Малко история
През 1839 г. Александър Едмонд Бекерел открива фотоволтаичния ефект – възникване на електрически потенциал при въздействието на светлина върху някои материали. През 1953 г. в лабораторията на BELL LABS –САЩ се доказва, че използването на силиций в PV-технологията увеличава около 10 пъти ефективността на PV-клетките в сравнение със селеновите клетки. От този момент силицият става най-изследваният материал в света и започва комерсиализацията на тази технология. Днес PV-технологията в глобален мащаб осигурява най-голям ръст на генериращите електрически мощности. Въпреки КОВИД19 за 2020 г. са инсталирани PV-мощности в размер на 125 GWp. Всички опити за дългосрочни прогнози за развитието на PV се оказват консервативни. Една оптимистична прогноза към днешна дата [1] определя, че след 2030 година глобалните годишни инсталирани PV-мощности ще достигнат 3 TWp и глобалните кумулирани PV-мощности към 2050 г. ще достигнат 70 TWp.
Какво е отношението на водещите икономики в света към възобновяемата енергия?
Новият министър председател на Япония Йошихиде Суга на 26.10.2020 г. в реч пред парламента заяви, че страната ще декарбонизира икономиката си до средата на века. В речта си той е разкрил планове за ускорена научно-изследователска и развойна дейност на слънчеви клетки от следващо поколение, както и технологии за „рециклиране на въглерод“. На 28.10.2020 г. в реч пред националния законодателен орган, преизбраният президент на Южна Корея Му Дже Ин е заявил, че ще продължи изпълнението на направеното по време на предизборната му кампания обещание за премахване на въглеродните емисии до средата на века. В края на септември т.г. в реч пред ООН президентът на Китай Си Дзи Пин обяви, че Китай възнамерява да декарбонизира икономиката си до 2060 година. Прогнозата на политическите анализатори за значимите действия през първите 100 дни на новоизбрания президент Джо Байдън е присъединяване на САЩ към Парижкото споразумение от 2015 година и обявяване на програма за декарбонизация на американската икономика до 2050 г.
Как ще се изменят цените на PV-енергията?
На фиг.1 е представено глобалното намаление на цената на PV-панелите след 1980 г. Към днешна дата цената на панелите (€/Wp) за големи проекти (над 50 MWp) е около 0.18 €/Wp, т.е. намаление спрямо 1980 г. повече от 150 пъти. Това изменение на цената е дефинирано чрез закона на SWANSON, който гласи: При двукратно увеличение на глобалното кумулативно производство на PV-панели, цените се намаляват с 24%.
Както се вижда от представените в табл. 1 резултати, ценовите рекорди се устремяват към 0.01 €/kWh. Въпрос на време е да бъде преодоляна тази ценова бариера.
Предпоставки за това са:
1. Повишаване на единичната мощност на PV-панелите, която в момента достигна 600 Wp и следващата година се очаква да достигне 815 Wp, като по този начин се намаляват BOS разходите и се повишава минимално ефективността на панелите;
2. Приложение на минерала перовскит при производството на клетки, тъй като той има потенциал за по-висока ефективност на клетките и същевременно има по-ниска цена в сравнение със силиция;
3. Производство на тандемни двуслойни (трислойни) клетки от перовскит-силиций и перовскит-перовскит.
Ниските цени на PV-енергията действат като ускорител за масовото ѝ въвеждане в практиката. В момента в глобален мащаб това е най-евтината енергия, а тя разполага с потенциал за допълнително намаление на цените. Първи в световен мащаб, водещите компании в IT сектора ( Google, Facebook, Apel, Microsoft и др.) декларираха, че в следващите години в своята дейност ще използват само възобновяема енергия, вследствие на което ще получат сертификата RE100. Това начинание беше възприето от хиляди компании по света и обхватът му продължава да се разширява.
Производството на „зелени продукти“ като: зелена енергия, произведена с нулеви въглеродни емисии, зелен водород, произведен от зелена енергия, зелен амоняк, зелена стомана, зелен алуминий, зелен цимент, зелен керосин, зелени хранителни продукти и други, продължава да се разширява. Чрез зеления водород ще се декарбонизират производствата на стомана, алуминий, цимент, керосин и т.н.
Сертификатите RE100 и производството на „зелени продукти“ ще бъдат ускорителите за увеличаване дела на възобновяемата енергия в глобален мащаб.
Изследване, проведено от автора съвместно с колектив, доказва, че цената на PV-енергията в България от полеви централи (с мощност над 10 MWp) към 2030 година ще бъде под 0.015 €/kWh. Възможно е тази прогноза да се окаже консервативна и това да се случи още през 2025 година.
Фасадни PV централи
На фиг.2 е представена част от фасадата на сградата на местния радиологичен център в град Марбург – средна Германия, на която предстои да бъде реализиран проект, в който да се обединят две цели в едно: да се постигне архитектурно привлекателна фасада и производство на зелена енергия [7]. Югоизточната и югозападната фасада ще бъдат покрити със специално изработени монокристални слънчеви панели. Поради заоблените ъгли на фасадата, ще се монтират специално изработени извити модули. Целта на този пилотен проект е да докаже, че всички налични фасади в страната в бъдеще ще могат да се използват за производство на енергия, без да се нарушава градската естетика.
Цветът на панелите в нормално изпълнение е сив (като на фигурата), но може да бъде в различни цветове, като тогава мощността на панелите се намалява с 10-15 %. За конкретния случай инсталираната мощност на фасадните панели е 50 kWp. За да се удовлетворят изискванията на стандарта за сгради с близко до нулево енергийно потребление [9] при високото строителство, PV-фасадите са едно от най-добрите технически решения. През следващите години тази технология ще започне да се прилага при новото строителство, а по-късно ще започне санирането на фасадите на съществуващите сгради, като се използват фасадни PV-панели.
Покривни PV централи
На фигура 3 са показани покривите на жилищни сгради в южния германски град Фрайбург. Покривите на тези сгради имат „соларна архитектура“, като са ориентирани на юг и имат удължен южен скат и върху цялата му повърхност се монтират стандартно произведени PV-панели. Под панелите се поставя хидроизолацията на покрива. Тези сгради произвеждат повече енергия, отколкото консумират. В Германия се изграждат над 50 хиляди подобни покрива годишно, като преобладаващата част са оборудвани с батерии за краткосрочно съхранение на енергията.
По този начин домакинствата, които имат покривни централи, могат да си осигурят енергия за вечерните и нощните часове, като излишната енергия се продава в мрежата. Предимството на този тип PV е, че енергията е зелена и се произвежда там, където се консумира и не се заплащат мрежови такси. При изграждане на покривни централи върху съществуващи покриви панелите се монтират чрез специална технология на определено разстояние върху керемидите.
На фигура 4 е показан част от покрива на сграда, върху който са монтирани специални PV-керемиди, подобни на PV-керемидите на TESLA. Френският производител SunStyle планира до 2025 да достигне годишен производствен капацитет на PV „покривни керемиди“ от 1 GWp/г., като те обединяват две функции в един проект „водоустойчив покрив и производство на енергия“ [8]. С годишния производствен капацитет ще могат да се монтират около 100 хиляди покрива, всеки с мощност 10 kWp. PV-покривните керемиди са с размери 870 x 870 мм и имат мощност 115 Wp. Нормалният цвят на керемидите е сив. При цветово изпълнение на керемидите мощността им се намалява до 85 Wp. Конструкцията на керемидите е такава, че позволява лесен и бърз монтаж.
Термохромни фотоволтаични прозорци
Нова технология за термохромни фотоволтаични прозорци е разработена от Американската лаборатория за възобновяема енергия (NREL). Тези прозорци потъмняват, когато слънцето загрее повърхността им и същевременно произвеждат електричество посредством перовскитен слой, вграден в материала на прозорците. Групата от NREL направи съобщение, че ще разработи първия прототип на прозореца в рамките на една година и ще продължи изследванията си. Комбинирането на потъмняване на прозорците при висока сте-пен на IR-радиацията (т.е. ограничаване на „влизането на топлина“ в помещението) и същевременно производството на енергия е една отдавнашна мечта на топлотехници и светлотехници. Ако се достигне до практическа реализация на тази технология, това ще спомогне за постигане на показателите на стандарта за сгради с близки до нулевото потребление на енергия.
Технология за производство на зелен водород и електричество чрез горивна клетка в домашни условия Енергията, която се генерира от фасадните и покривните PV-централи, е непостоянна в денонощен и годишен разрез.
За осигуряване на енергия през вечерните и нощните часове се използват батерии за краткосрочно съхранение на енергията, които се зареждат през деня и захранват с енергия консуматорите в нощните часове. Цената на Li-jon-батериите е намаляла през последните 8 години от 1120 $/kWh до 140 $/kWh, като се очаква съгласно прогноза на МИТ да достигне 20 $/kWh [11]. Това е една много голяма тема и тя се нуждае от много сериозен анализ. Основен елемент в този процес на сезонно съхранение на енергията е водородна технология, наречена rSOC, която комбинира в едно реверсивно устройство (с размерите на домашна микровълнова фурна) електролизер и горивна клетка. Устройството се намира в производство, но цената на произведения зелен водород е около 5 €/кг.
В момента се строи голяма производствена мощност в Италия, като се очаква вследствие на мащаба на производството и технологични подобрения цената на произвеждания водород да спадне в пъти [10]. Когато има излишна електрическа енергия, произведена от покривната PV-централа на домакинството, устройството работи като електролизер и преобразува енергията в зелен водород с ефективност около 80%. В случаите, когато има нужда от електрическа енергия в домакинството, устройството работи като горивна клетка и преобразува водорода (който е сезонно съхранен в бутилки или по друг начин) в електричество с ефективност на енергийната трансформация 60%.
Крайната ефективност на устройството при трансформацията „електричество – водород – електричество“ е около 50%. За да се получи 1 MWh зелена електрическа енергия от устройството, са необходими около 2 MWh електрическа енергия от покривната PV централа на домакинството, която да захрани устройството и се трансформира в зелен водород, и да го съхрани сезонно. Необходимата топлинна енергия през отоплителния сезон се получава от топлинни помпи, захранени основно с енергия от горивната клетка на rSOC, а останалата енергия (около 30%) се получава директно от покривната PV-централа. Технологията rSOC е приложима за еднофамилни и двуфамилни сгради. Чрез приложението на тази система, емисиите от парникови газове и ФПЧ стават нулеви. Топлинните помпи се закупуват от домакинствата основно за охлаждане на жилищата през летния сезон.
В комбинация разгледаните четири броя технологии предоставят следните възможности:
1. задоволяване на нуждите от електрическа енергия на сградите в населените места като се обединяват две функции в една, а именно:
- архитектурно привлекателни и цветово оформени фасади и производството на енергия;
- водоустойчиви покриви и производството на енергия;
- регулиране на проникването на топлина през прозорците на сградите и производство на енергия;
- трансформация на излишната зелена енергия във водород и сезонното му съхранение и последващото му трансформиране през отоплителния сезон в електрическа енергия за еднофамилни и двуфамилни сгради, а за останалите сгради излишната енергия ще се трансформира във водород в големи електролизери и сезонно ще се съхранява;
2. задоволяване на нуждите от топлинна (охладителна) енергия и топла вода в сградите чрез приложение на топлинни помпи;
3. зареждане на електромобилите със зелена енергия;
4. премахване на емисиите от фини прахови частици от отоплителните системи на твърдо гориво, като по този начин се подобрява общественото здраве;
5. чувствително намаление на загубите от пренос и разпределение;
6. разкриване на нови работни места при реализация на проектите.
Необходимо е да се даде отговор на следните въпроси :
- Какви са необходимите инвестиции за реализация на подобен проект в България ?
- Какви финансови механизми трябва да се използват за да се осигурят необходимите инвестиции ?
- Каква добавена стойност ще се реализира в страната при реализацията на проекта?
- Каква ще бъде енергийната устойчивост на проекта при екстремални зимни условия, подобни на януарската зима от 2017г. ?
Информационни източници:
1. PV Magazine 03.11.2020 Terawat scale by 2050
2. PV – Magazine – 28.04.2020 Abu Dhabi’s 1.5 GW tender draws world low price of $ 0.0125/kWh.
3. PV – Magazine 28.05.2020 Albania’s 140 MW tender concludes with final price of 0.0248 €/kWh
4. PV – Magazine 31.07.2019 Portuguese action attracts world record of 14.8 €/MWh for solar.
5. German PV tender delivers record low most low solar power rice of 0.0335 €/kW – 03, 2020.
6. Portugal’s second PV auction draws world record low bid of $0.0132/kWh
7. PV Magazine 06.11.2020 – PPA for PV facade in Germany
8. PV Magazine 23.10.2020 – France to support BIPV solar tiles with additional intensives;
9. Директива 2012/27/ ЕС на Европейския парламент и на Съвета от 25 октомври 2012 година относно енергийната ефективност, за изменение на директиви 2009/125/ЕО и 2010/30/ЕС и за отмяна на директиви 2004/8/ЕО и 2006/32/ЕО.
10. PV Magazine - 21.03.2020 Hydrogen is getting cheaper
11. Energyjobline – 13.08.2019 New study finds renewable energy storage cost needs to drop 90%