Пустыня — культурный символ и научный объект. Именно так ее видит израильский профессор Евгений Кац. Сфера его научных интересов — технологии преобразования солнечной энергии в электричество.
Но работа над прорывными технологиями в Институте пустыни подтолкнула его к чему-то большему… Сегодня своими размышлениями об этом профессор Кац делится с читателями нашего альманаха.
ПУСТЫНЯ КАК РЕСУРС
Израиль, как известно, небольшая страна, но ее природа невероятно разнообразна — целых шесть климатических зон! Правда, для 60% территории это разнообразие неактуально, поскольку их занимает пустыня Негев. В масштабах крошечной страны это очень большие пространства, чтобы ими можно было так просто пренебречь.
Поэтому Израиль практически с самого начала своей государственности рассматривал пустыню как ресурс. Как объектом науки ею активно занимаются в Университете имени Бен-Гуриона (Ben-Gurion University of the Negev). Уже из названия ясно, что наш университет находится в пустыне Негев.
Я работаю на университетском факультете, который называется «Институты исследования пустыни». Его задача — развитие технологий, которые помогают людям полноценно жить и работать в условиях пустыни. По существу, это три института. Первый — институт воды. На сегодняшний день 70% потребляемой израильтянами пресной воды получены путем опреснения морской.
И из года в год производство опресненной воды продолжает увеличиваться. На Ближнем Востоке вода с древнейших времен является ключевым и жизненно важным стратегическим ресурсом. Сегодня это так же очевидно, как и 5 тысяч лет назад. Неудивительно поэтому, что технологии, позволяющие получать воду в пустынях, являются гордостью и нашего университета, и всего Израиля.
Следующее технологическое направление логично вытекает из первого — это разработка и внедрение высокоэффективных сельскохозяйственных технологий, которые адаптируются к условиям пустыни. Это зона научного интереса специалистов Института агробиологии и агрохимии.
И, наконец, третье направление и соответствующий Институт энергии и окружающей среды. Я работаю в его отделе Солнечной энергии и физики окружающей среды. Собственно, из названия отдела понятно, чем я занимаюсь. Энергетическое регулирование — очень важная составляющая “экономики пустыни”, в которой оно напрямую связано с управлением опресненными водными ресурсами.
У СОЛНЦА АЛЬТЕРНАТИВ НЕТ
Понятно, что как сотрудник Института пустыни и по совместительству директор “Национального центра солнца и солнечной энергии”, я в первую очередь сконцентрирован на проблемах возобновляемой энергии, главным источником которой, безусловно, является энергия солнечного излучения. На сегодняшний день человечество научилось эффективно преобразовывать ее в сравнительно дешевое электричество.
Проблемы начинаются не в сфере производства, а в области хранения энергии. Если включить в себестоимость преобразованного электричества затраты на аккумулирующие устройства (батареи), то она резко возрастает. В наше время это самый главный фактор, который сдерживает крупномасштабное развитие солнечной энергетики.
С другой стороны, научная работа, которая сегодня ведется в Израиле, показывает, что, “скрестив” процессы опреснения и фотоэлектрического преобразования света, можно, во-первых, резко уменьшить стоимость опреснения, а во-вторых, решить проблему запаса энергии. Эту функцию может выполнять сам процесс опреснения.
Вопросы энергетической стратегии выходят сегодня на передний план во всем мире. Внедрение новых технологий неизбежно увеличивает потребление и спрос на электричество. Возьмите такие тренды, как электрический транспорт, цифровые валюты, уменьшение “карбонового следа” и борьба с выбросами в атмосферу, негативно влияющими на климат планеты… На все это надо больше электричества.
Сейчас в научной среде существует консенсус, что наблюдаемое нами изменение климата напрямую связано с деятельностью человека. Из этого некоторые люди делают вывод, что мы должны свернуть технологический прогресс, и тогда планета вернется к климатической норме. Это в корне неверный, тупиковый путь. Возврат в каменный век не поможет нам решить глобальных проблем.
Изменить ситуацию мы можем только на новом витке научно-технологического развития. Новейшие технологии, включая и технологии опреснения, требуют непрерывного роста производства электроэнергии.
А единственным на сегодняшний день оптимальным и разумным способом его увеличить является “солнечное” электричество. Этот факт все больше осознается учеными всего мира и человечеством в целом. Глобальное общество сейчас стоит на пороге мощнейших революционных изменений, связанных с применением фотоэлектричества.
БЕСЦЕННАЯ ЗЕМЛЯ И ДЕШЕВЫЙ КРЕМНИЙ
Однако существуют технологические факторы, которые сдерживают фотоэлектрическую революцию. Главный из них в Израиле — как ни парадоксально это звучит — дефицит территорий, где можно разместить солнечную электростанцию. Ведь вроде бы в пустыне полно свободного места, строй что хочешь. На самом же деле это далеко не так. Большая часть пустыни Негев занята национальными заповедниками и парками, где строительство промышленных объектов запрещено.
А солнечные станции, использующие для генерации электричества термический нагрев воды концентрированным солнечным светом, могут быть установлены только на ровной поверхности.
Но пустыни Израиля очень гористые, разравнять их все в промышленных масштабах не получится. На сегодняшний день Израиль построил довольно крупную наземную солнечную электростанцию такого типа. К счастью, у израильской бюрократии и законодателей появилось понимание того, что земля “не резиновая”.
Поэтому в самое ближайшее время вступит в силу закон о так называемом “втором применении”. То есть если вы хотите построить солнечную электростанцию на крыше, то фотовольтаика должна соединяться с чем-то еще. Например, производство электроэнергии на крыше может совмещаться с тепличным хозяйством, которое размещено под этой крышей. Планируется, что таким образом будет преодолеваться дефицит производственных площадей.
Ключевое отличие солнечной энергетики от тепловой или ядерной в том, что оно некомпактно. Плотность энергии здесь очень маленькая, и ее приходится собирать с больших площадей. А свободных и одновременно подходящих для этого пространств у человечества с каждым годом все меньше и меньше. То есть земля, территория становится тем ресурсом, который человечество в самое ближайшее время начнет очень сильно экономить.
Неудивительно поэтому, что производство солнечной энергии трансформируется в глобальный многомиллиардный бизнес, тесно связанный с геополитикой и геоэкономикой. Пока что в “солнечной” гонке явным лидером является Китай. Он производит подавляющее большинство солнечных батарей в мире. Основная часть этих батарей создана на основе кристаллического кремния.
Эта технология не нова, ей уже не один десяток лет, в течение которых она совершенствовалась. Сегодня себестоимость солнечных элементов, изготовленных на основе кремния, довольно низкая. Однако их КПД уже подошел к своему теоретическому пределу. Чтобы двигаться дальше, нужны фундаментальные научные прорывы.
Решение появилось, когда было открыто семейство новых полупроводников — металл-галоидных перовскитов. Солнечные элементы на их основе намного дешевле кремниевых, поскольку их можно производить из растворов, например, печатать на принтере.
Кроме того, перед нами открывается перспектива получения “тандемного солнечного элемента”. Если металл-галоидный пероксид нанести поверх кремния, то КПД солнечной батареи увеличивается с 26% до 35–40%. А это очень существенно.
Единственное, что сдерживает развитие этой технологии, — ее низкая стабильность, материалы быстро деградируют на свету. Сфера моего актуального научного интереса как раз и заключается в поиске решений, которые помогут увеличить срок службы перовскитных и тандемных солнечных элементов.
ИДЕАЛЬНЫЙ СВЕТ ПУСТЫНИ НЕГЕВ
В месте, где мы проводим эксперименты, не просто много солнечных дней в году. Наш солнечный свет очень качественный. В безоблачный день его интенсивность близка к принятому во всем мире лабораторному стандарту натурального солнечного спектра — АМ 1,5. Солнечный свет, как известно, состоит из прямого и диффузного излучения, рассеянного в атмосфере. Благодаря последнему мы, например, можем видеть предметы, находящиеся в солнечной тени.
Со времен Архимеда мы умеем концентрировать прямой свет с помощью так называемой геометрической оптики — линзами или зеркалами определенной формы. А диффузно рассеянный свет так не сконцентрируешь. Так вот, особенность пустыни Негев в том, что здесь практически весь свет — прямой. А значит, мы можем эффективно работать с очень высокой его концентрацией.
Стандарт мощности солнечного излучения — 1 солнце — 100 мВт на квадратный сантиметр. В реальных условиях эксплуатации солнечных станций эта мощность существенно меньше. Мы же научились концентрировать натуральный солнечный свет до 10000 солнц!
Процесс концентрации натурального света начинается снаружи лабораторных помещений. Далее с помощью оптических волноводов и других устройств свет транспортируется в лабораторию в сверхконцентрированном виде.
Мы используем это для самых разных экспериментов: синтезируем новые материалы, ускоряем их деградацию и изучаем ее механизмы, проводим ускоренный тест на стабильность. Именно этим мы занимаемся для разработки стабильных перовскитных приборов. Наши исследования интердисциплинарны, они находятся на стыке нескольких наук: физики, химии и своего рода “солнечной инженерии”.
Фото из личного архива Евгения Каца
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.