СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ОРИЕНТИРЫ РАЗВИТИЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ: СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Aннотация
В статье рассмотрены проблемы связанные с производством кремния из каракумского песка, которые представляют инновационные направления развития механизма высокоочищенного нанокремния из Туркменского кварца. Проведен социально-экологический и экономический анализ развития фотоэнергетики в Туркменистане, представлены технологические характеристики полученного поликристаллического кремния из каракумского кварцевого песка. Выявлены негативные влияния технических устройств солнечной энергетики в земной поверхности на людей и окружающую среду и предложены варианты их
решения.
Ключевые слова: фотоэнергетика, традиционные источники энергии, штрафные санкции, структура стоимости, объем производства
Введение.
Актуальность проблемы. Обращаясь к участникам международной научной конференции «Инновационные технологии в использовании возобновляемых источников энергии» 3 декабря 2014 году Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов сказал: «Внедрение в производство возобновляемых источников энергии даст возможность находить научные решения, связанные с главными вопросами современной жизни человечества, – изменением климата на Земном шаре, благоприятной экологией, обеспечением энергетической безопасности в мире. Мы относимся к этим вопросам, как к приоритетным направлениям внутренней и внешней политики нашей страны. В настоящее время наша страна в качестве крупной энергетической державы направляет свои природные богатства, энергетические ресурсы и экономический потенциал на обеспечение национального, регионального и мирового развития, поддержку и укрепление мира и безопасности на Земле» [1].
По сравнению с другими возобновляемыми видами энергетики солнечная энергетика, является наиболее экологически чистым видом энергии и на территории Туркменистана солнечный энергетические ресурсы составляют – 4·1015 кДж или же
1.4 ·109 т у.т. в год.
Цель исследования – показать экологические проблемы, связанные с производством кремния из каракумского песка, дать
социально-экономические характеристики солнечной энергетики и перспективы использования фотоэнергетикив хозяйствах Туркменистана.
Научная новизна исследования заключаются в полученных экономических, социально-экологических и технологических научных результатах производство полупроводниковых материалов из каракумского кварцевого песка, которые дадут новое инновационное направление механизме чистого развития при получении высокоочищенного нанокремния из туркменского кварца.
Основная часть
Социально-экологические характеристики фотоэнергетики. Если рассмотреть всю технологическую линию получения полупроводниковых материалов, то полностью наносимый вред воздействия на человека и окружающую среду практически не возможно.
Для учета отрицательного влияния различных типов энергетических установок на окружающую среду в настоящее время имеются несколько различных методических подходов [4, 7, 14].
В качестве примера в таблице 1 представлены характеристики штрафных экологических баллов для различных видов использующих энергоисточников, которые дают возможность учета безразмерного количественного отрицательно влиявших на окружающую среду.
Таблица 1
Штрафные экологические баллы для различных видов топлива при получении электроэнергии в энергетических станциях
Table 1
Penal ecological points for different types of fuel when receiving
the electric power in power stations
Топливо/технология | Штрафные экологические баллы |
Бурый уголь | 1735 |
Нефтяное топливо | 1398 |
Каменный уголь | 1356 |
Ядерное топливо | 672 |
Солнечные фотоэлектрические элементы | 461 |
Природный газ | 267 |
Ветер | 65 |
Малые ГЭС | 5 |
Приведённые штрафные баллы в таблице 1 были рассчитаны с учетом следующих факторов воздействия на нашу биосферу: глобального потепления земной поверхности, истощения органических веществ, вырабатывания зимнего и летнего смога, отработанные промышленные, радиоактивные отходы и их радиоактивности выбросов, а также истощения традиционных источников энергии, работающие на органическом топливе. Экологические штрафные баллы, оцениваются по результатам количеству штрафных баллов при получении производства электричества, чем больше баллов, тем больше наносит вредное воздействие на окружающую среду.
Как видно по штрафным экологическим баллам солнечные фотоэнергетические установки (СФЭУ) и их эксплуатационные характеристики наносит не значительный вред на окружающую среду. Поэтому по сравнению с другими возобновляемыми видами энергетики солнечная энергетика, является наиболее экологически чистым видом энергии.
В целом производство различных полупроводниковых материалов является экологически и социально весьма опасным по следующим показателям: 1 – наиболее опасными химическими элементом, является кадмий Cd, Ga, As и Те. Среди них более изучен кадмий, который значительно наносит вредное воздействие на здоровье человека, в мире на него введен запреты по использованию даже в бытовых условиях это микробатарейки и аккумуляторы. Длительное вдыхание паров кадмия приводит к легочным или же бронхиальным заболеваниям, и может привести летальному исходу. Постоянное воздействие кадмия на организм хотя и в малых дозах он накапливается в легких, почках, в итоге приводит различным заболеваниям, даже размягчение и деформация костного состава скелета;
2 – весьма токсичны и некоторые селеновые соединения – SeH, SeО2. Эти соединения отрицательно влияют на дыхательные органы. В США отработанные свой срок или отбракованные солнечные фотомодулей на основе CuInSe2 и CdTe показали, что если CuInSe2 из них удовлетворяют требованиям американского Агентства по защите окружающей среды, то CdTe – нет, так как в них уровень кадмия провещает допустимую норму в 8-10 раз. Поэтому выработавшие свой ресурс солнечные модули на основе CdTe классифицироваться как потенциальные ядовитые отходы и по возможности возвращаться к их изготовителям, там перерабатывается аналогично, как отработавшие элементы ТВЭЛ-ами на АЭС.
Исходя из этого в ряде странах мира, осуществляют жесткие контроль и требования к производству полупроводниковым материалам и установкам на их основе, к их хранению, транспортировке и ликвидацию вредных веществ. При производстве СФЭУ, ограничивается контакты персонала с этими вредными веществами, разрабатывается план действия в случае нештатных технологических аварийных ситуациях, а также предусматривается программа ликвидации производственных отходов, отработавшие свой срок или бракованных СФЭУ [6, 8].
Учитывая выше приведённых социально-экологических характеристики производство полупроводниковых кремневых изделии, обязательно должно полностью автоматизированным и размещены вдали от населенных пунктов. Но при этом должны быть приняты и все необходимые специальные меры экологической защиты самого производства. Сама эксплуатация и использования солнечных фотоэлектрических элементов, установок, то она практически безопасна.
Технологические характеристики фотоэнергетики. Для наглядности из выше сказанного о вредности самого производства солнечных элементов. В таблице 2 приведены пять основных технологических этапов получения высокочистого поликристаллического кремния. На рис. 1 представлена непрерывная технологическая схема процессе очистки и производства монокристаллического или крупнозернистого поликристаллического листового кремния для изготовления солнечных элементов [2, 13, 19].
Среди приведённых данных в таблице 2 перспективным считается применение химического взаимодействия кремния с четырехфтористым кремнием. При этом технологический процесс извлечения кремния реализуется из расплава, его очистки и химического осаждения из паровой фазы в течение одной стадии процесса.
Рис. Технологическая схема очистки кремния, для изготовления солнечных
фотоэлектрических преобразователей
Fig. The technological scheme of purification of silicon, for production
of solar photo-electric converters
Таблица 2
Основные этапы технологического процесса получения высокоочищенного поликристаллического кремния из ископаемого кремнезема SiО2
Table 2
Main stages of technological process of receiving high cleaning polycrystalline silicon
of fossil SiO2 silicon dioxide
Этапы | Исходный материал | Технологический процесс | Результирующий материал |
1. | Кремнезем SiO2 | Восстановление кремния в дуговой печи коксованием | Ферросилициум со степенью чистоты около 98 % |
2. | Ферросилициум | Пульверизация, взаимодействие с соляной кислотой | Хлорсилан |
3. | Хлорсилан | Частичная перегонка | Обычный SiHCl3 |
4. | Обычный SiHCl3 | Частичная перегонка | Высокочистый SiHCl3 |
5. | Высокочистый Si НСЦ | Восстановление кремния в процессе пирометрического разложения в присутствии Н-, | Высокочистый кремний для солнечного элемента с содержанием примесей менее 10-9 |
Современные методы получения пластин и листов кремния весьма многочисленны. Основным направлением здесь, является оптимизация путей получения поликристаллического и монокристаллического кремния, с высоким КПД.
Солнечные монокристаллических фотопреобразователи в промыщленности позволяет производится по технологической стандартной форме круглые с диаметром 7,5 см, псевдопрямоугольной формы размером до 2×8 см. В основном для выращивании кристаллов используется метод Чохральского, резко полученных кремневых материалов осуществляется алмазной лентой. При шлифовки образуется абразивный порошок и пыль кремния, кадмия и арсенидные соединения, которые является очень вредным для здоровья человека. На рис. 1 приведена технологическая схема очистки кремния, для изготовления солнечных элементов [2, 10, 13].
Таким образом, сам технологический процесс производства солнечных фотоэлектрических преобразователей, их хранения и утилизации, является вредным для человека и окружающей среды. Для внедрения в производство необходимо учесть экономическую рентабельность, экологическую обоснованность и крупномасштабность, которая требует больших капитальных и материальных затрат. Необходимо также учитывать работы по разведыванию ресурсов, добыче кремнезема и изъятие земель из хозяйственного производства, учитывать социально-экологические условия каждого региона страны.
По масштабу солнечные энергетические станции занимает много площади причиной, которой является высокая рассеянность поступления солнечного излучения на земную поверхность. В таблице 3 приведены экспертные оценки землеемкости в сравнения с другими типами энергетических установок и станции.
Таблица 3
Землеемкость разных типов энергетических установок
Table 3
Zemleemkost of different types of power stations
Тип | Биоэнергетические | ГЭС | ВЭС | Солнечный пруд | Гео- ТЭС | АЭС | СФЭУ | ТЭС без топливной базы | БСЭС |
Землеемкость, га/МВт | 20 | 10 | 10 | 8 | 1,9 | 0,65-2,0 | 1-1,6 | 1,17 | 1,1 |
Из таблицы 3 видно, что получение
1 МВт энергии из башенной солнечной энергетической станции (БСЭС) для ввода в действия потребуется 1,1 га земли, на солнечную фотоэлектрическую установку – от 1,0 до 1,6 га, на солнечные пруды – до 8 га, что очень ощутимо скажется для густо населённых регионов любой страны. Сами солнечно-энергетические станции (СЭС) являются значительно материалоемкими (металл, стекло, бетон и т.п.).
Солнечные пруды при эксплуатации, способствует загрязнению почвы и подземных вод с химически активными растворами солей.
При эксплуатации БСЭС, а также СФЭС происходит заметное изменение природно-климатические условия местности, в том числе заметно изменение почвенные условия, флоры и фауны, циркуляция воздухообмена вследствие затенения земной поверхности, с одной стороны, и нагрева воздуха массы – с другой. В связи этим меняется температурно-влажностный баланс местности, а это влияет на направление и величину ветрового потока. Использование СЭС с концентраторами солнечного излучения высока вероятность опасность перегрева и возгорания самих приемных систем при получении энергии от высокой концентрации солнечного излучения (СИ).
Низкий КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию с концентраторами ведет к появлению проблем, связанных с охлаждением конденсата. Если сравнить тепловые выбросы в атмосферу от СЭС более чем в два раза превышают аналогичный сброс от тепловых электростанции (ТЭС).
Использования низкокипящих жидкостей и их утечка из СЭС так же может привести к загрязнению окружающей среды – почвы, подземных и питьевых воды в регионе. При этом особо опасным является жидкости с химическими соединениями, такие как нитриты и хроматы, которые являются очень токсичным и опасным веществом.
В таблице 4 приведены ключевые значения эмиссионных выбросов на окружающую среду, которые рассчитаны по глубокому циклу производства электроэнергии, от разных видов энергетических источников, использующих для получения электричества на разных видах энергетических станциях.
Из приведенных в табл. 3 и 4 данных следует, отметить солнечные фотоэлектрические установки, а также солнечные тепловые станции обладают заметными преимуществами по сравнению с традиционными видами электростанций, использующими органические источники энергии [3, 11].
Таблица 4
Эмиссии различных электростанций по полному циклу производства
электроэнергии (г/кВт ч)
Table 4
Issues of various power plants on a full cycle of electricity generation (g/kW of the h)
Виды электростанции | Эмиссионные выбросы | ||
СО | SO | NOx | |
Большие ГЭС | 9 | 0,03 | 0,07 |
Малые ГЭС | 3,6-11,6 | 0,009-0,024 | 0,003-0,006 |
Солнечные фотоэлектростанции | 98-167 | 0,20-0,34 | 0,18-0,30 |
Солнечные тепловые станции | 26-38 | 0,13-0,27 | 0,06-0,13 |
Ветроэлектростанции | 14,9 | 0,02-0,09 | 0,02-0,06 |
Геотермальные станции | 79 | 0,02 | 0,28 |
Электростанции на угле | 1026 | 1,2 | 1,8 |
Электростанции на природном газе (комбинированный цикл) | 402 | 0,2 | 0,3 |
Все вышесказанное относится солнечным электростанциям наземного вида. Однако при перемещении солнечную электростанцию (СЭС) в космическое пространство не избавляет солнечную энергетику от решения связанных с ней социально-экологических проблем, определяемых сложностью технологического процесса передачи энергии с космоса земному потребителю. С помощью сверх высокой частоты (СВЧ) излучения в пределах от 2,4 до 2,5 ГГц и длиной волны от 10 до 12 см, а так же при использовании лазерного лучение в оптическом диапазоне.
Экспертные оценки показывали, что для передачи 5 ГВт на земную поверхность с космического пространство СЭС с содействием СВЧ-излучения потребуется антенна – с размером излучателя в диаметре одного км; ректенна на земной поверхности с диаметром до 12 км и размешенным на экваторе. С учетом всех технологических процессов преобразования постоянного тока в переменный на использования потребуется занять от 250 до 270 км2земляную
площадь.
Передача с помощью СВЧ больших мощностей лучей может привести к изменению распределения заряженных частиц ионосферы и, как следствие, к изменению условия распространения телекоммуникационных, спутниковых связях, что приведет помехам в радиоволнах, радиотелесвязях.
СВЧ-пучок и особенно его высокочастотная составляющая сильно будет поглощать молекулы воды и кислорода, что приведет к локальному нагреву атмосферы и антропогенной нагрузке изменению климата в местах прохождения СВЧ-пучка.
СВЧ-излучение будет оказывать отрицательное влияние на работу бортовых электронных оборудований, космических станции, спутников и летательных аппаратов.
СВЧ-излучениеи лазеры, непосредственно, так же окажет негативно влияниена озоновый слой земной поверхности.
По сравнению с СВЧ-излучением лазерный луч займет меньшую площадь для антенн и ректенн. Однако мощные лазерные лучи с большим КПД не совпадают по несущей частоте, которые позволяют эффективно преобразовать солнечное излучение в электрическую энергию. На пропускную способность лазерного изменения в атмосфере существенно влияют облачность и аэрозольность.
Отрицательное влияние космических солнечных электрических станции(КСЭС) на биосферу и здоровье людей, необходимо нужно будет решить следующие проблемы: само строительство космической солнечной электрической станции его сборка и производство производит на Земле; подготовка высококвалифицированных специалистов для технологической работы в космическом пространстве; разработка конструкции, строительство специальных грузовых ракет для транспортировки в космическое пространство; разработка различных технологических оборудований для передача электроэнергии потребителю с помощью СВЧ-излучения или лазеров.
Все эти перечисленные проблемы, имеют место при развитии космической солнечной энергетики, влияют на все биологические процессы на биотехносферу, на нижнюю часть атмосферы (топосферу), на верхние слои атмосферы, на ионосферу и магнитосферу Земли.
Возможные отрицательные воздействия СВЧ-излучения на человека, биоразнобразию и окружающую среду пока еще не достаточно изучены и полностью не идентифицированы из-за низкого уровня развития отрасли космической солнечной энергетики.
Однако перечень этих воздействий на биосферу уже сегодня может быть представлен следующим образом: длительное воздействие СВЧ-излучения малой плотности на биотехосферу; действие космической радиации на здоровье людей и биоразнообразию; воздействие продуктов сгорания ракетных топлив и мощного СВЧ-излучения на верхние слои атмосферы повышения парникового эффекта; влияние нагрева и другие антропогенных нагрузок на возмущения ионосферы от продуктов сгорания и СВЧ-излучения; помехи от СВЧ-излучения наземным телекоммутационными космическим аппаратным радиотехнической системы связи.
Поскольку космическая солнечная энергетика еще более наука, техноёмкая и материалоемкая по сравнения наземными СЭС, а так же они ограничены по территории. Развитие и строительство КСЭС приводит решения принципиально новых проблем в плане социально-политического и международно – правового характера, в том числе: использования значительные объемы природного сырья. Например, для получения 10 ГВт мощности на КСЭС потребуется использовать один миллион тонн алюминия это примерно 13 % запасов США, или же 0,08 % мировых запасов. Расход кремния составит 15-30 тыс. т, энергозатраты на создание КСЭС в 10 ГВт составит около
300 ТВтч на Земле, для небольшой КФСЭС в 500 МВт потребуется переместить в космос около 8 тыс. т солнечных батарей при общей массе КФСЭС в 12 тыс. т; большое количество закупка сырья, разработка нанокомпозиционных материалов, подбор нового экономичного ракетного топлива и т.п.; отведения больших площадей Земли для космодрома и ректенные запретной зоной территорией для нормального проживания людей около этих объектов. Например, для передачи 10 ГВт по СВЧ-излучению на Земле нужна ректенна диаметром 8 км и диаметром 16 км запретной территории для самолетов, птиц и т.п.; высокая шумовая нагрузка на окружающую среду при частых запусках космических ракет; новые международные соглашения в геополитике об использовании КСЭС; вероятности избежание военного применения КСЭС, террористических актов, атак и т.п.
Однако из результатов аналитического обсуждения, как это и было отмечено выше, в целом можно констатировать негативное влияние технических устройств солнечной энергетики в земной поверхности на людей, биоразнообразию и окружающую среду намного меньше, чем у других видов энергетики КСЭС и, особенно по сравнению с традиционными томными, тепловыми и гидростанциями.
Заключение. (Conclusions).
Привидение научно обоснованные результаты, рассмотренные социально-экологические и экономические анализы развития фотоэнергетики в Туркменистане и технологические характеристики получения высокочистого поликристаллического кремния из каракумского кварцевого песка. В условиях рыночного хозяйствования перевод топливно-энергетического комплекса на интенсивный путь развития инновационными совершенствованиями и индустриализациями структуры приведет ускорению роста производительных сил и устойчивому механизму чистого развития Туркменистана.
С учетом экологически безопасной автоматизированной инновационной технологической схемой с высокой очистки кремния, для изготовления солнечных фотоэлектрических преобразователей, основанной на использовании туркменского кварца высокой чистоты даст новое направление улучшения индустриализации устойчивого развития Туркменистана.
Рассмотрены землеемкость разных типов энергетических установок и экологические штрафные баллы для различных видов употребляемого источника электрической энергии. Охарактеризованы вредные выбросы различных электростанций по полному циклу производства электрической энергии, цены электроэнергии и удельные капитальные вложении традиционных и нетрадиционных электрических станций за рубежом. Оценены структура стоимости и объема производства, солнечных фотоэлектических модулей в мире в настоящее время и в будущем. Приведены вредные выбросы в окружающую среду различных электрических станции станций по полному циклу производства электрической энергии.
Список литературы
с. 17-25.
ВИЭСХ, 2005. 40 с.