На фоне зеленого хайпа и потока грантовых статей на тему солнечной энергетики, доверия которым ноль, решил самостоятельно посчитать, сколько же все-таки электроэнергии нужно потратить, чтобы произвести солнечную панель.
Ковыряться пришлось несколько дней. Результаты меня не очень удовлетворяют, но как говорится, Сократ мне друг, но истина дороже.
Использовал научно-техническую литературу старой отечественной школы, чтобы не терзали смутные сомнения:
[1] Технология выплавки технического кремния. С.В. Архипов, А.А. Тупицын, О.М. Катков, Е.А. Руш, И.М. Седых. — Под. ред. Каткова О.М. Иркутск: Кремний, 1999. — 244 с.
[2] Технология полупроводникового кремния. Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червонный И.Ф., Шварцман Л.Я., Яркин В.Н., Салли И.В. – М.Металлургия, 1992. – 408 с.
Итак, наша цель - найти минимальные затраты электроэнергии на производство солнечных панелей (кВтч на 1 м2).
При этом игнорируются все затраты, кроме прямых затрат электроэнергии в процессе производства.
Сырье.
Сырьем, наиболее доступным и пригодным для выплавки технического кремния, является кварцит с содержанием SiO2 (кремнезем, диоксид кремния) не менее 98% ([1]-стр.82). Это может быть чистый кварцевый песок или дробленая порода (до 80 мм.)
Затраты эквивалента электроэнергии на извлечение/ дробление/ сортировку/ концентрацию/ транспортировку сырья к заводу, здесь не рассматриваются.
Стадии производства.
Первая стадия. Технический кремний.
Первый этап промышленного производства кремния, происходит в электродуговых рудотермических печах. Краткая реакция: SiO2 + 2C => Si+2CO.
Реальные показатели взяты с двух заводов: Иркутский (ИркАЗ) и Братский(БрАЗ).
Реальные расход руды на заводах: 2,4—4,5 кг. / 1 кг. технического кремния ([1] - стр.115).
В среднем на 1 кг. кварцита требуется 0,4-0,6 кг. угля/кокса ([1] – стр.113). Это важно, если считать полный энергетический баланс, но здесь мы его упустим.
Вот таблица с реальными показателями. Предпоследний столбец - расход электроэнергии, что нас и интересует:
11–15 кВтч на 1 кг. технического кремния ([1]-стр.146).
Честно говоря, вспоминая как выглядят эти печи, думал на порядок больше.
Теперь посмотрим, что же из себя представляет продукт (технический кремний) на примере реальных показателей ИРкАЗа и БрАЗа ([1]-стр.135).
Действующий ГОСТ 2169-69 по кремнию ([1]-стр.194):
Т.е. на выходе из печи (лучший 1984 г.):
0,1% - Кр00 (т.е. кремний 99% чистоты);
0,6% - Кр0 (98,8 % чистоты); 27,5% - Кр1 (98% чистоты); 47,3% - Кр2 (97% чистоты); 27,4% - Кр03 (96% чистоты).
Для солнечных панелей требуемая чистота кремния не менее 6N, т.е. 99,99999%.
Вторая стадия. Поликристаллический кремний.
Трихлорсилан
На данной стадии технический кремний сначала превращают в трихлорсилан SiHCl3 (прозрачная жидкость с температурой кипения 31,8 Со). Для справки, попадание на кожу вызывает сильные химические ожоги, вплоть до отделения мышечной ткани от костей (Википедия).
Расход технического кремния 0,22-0,23 т. на 1 т. получаемого конденсата трихлорсилана ([2]-стр.163).
Это сложный для описания процесс, детально с ним можно ознакомится в [2]-стр.170 и далее.
К сожалению, не нашел в литературе затраты электроэнергии на эти процессы, поэтому привожу их для сведения и возможного дальнейшего уточнения затрат электроэнергии.
На данной стадии чистый трихлорсилан восстанавливают водородом до чистого кремния.
Можно сказать, проводят обратную химическую реакцию, полученный из кремния и хлорводорода хлорсилан, теперь разлагают на кремний и хлорводород.
Краткая реакция: SiHCl3 + H2 => Si + 3HCl. Теоретический предел извлечения кремния из трихлорсилана в данной реакции ~60%.
Рассмотрим самый распространенный в настоящее время способ получения поликристаллического кремния, так называемый Сименс-процесс.
В реактор помещают стержни из чистого кремния, длинной до 2 м., по которым пропускают электрический ток, разогревая их до температуры 1000-1300 Со. в парах трихлорсилана и водорода. На стержнях осаждается поликристаллический кремний, они растут до диаметра 0,18 м. ([2]-стр.217).
Расход электроэнергии на получение поликристаллического кремния из трихлорсилана 430-540 МДж/кг. ([2]-стр. 217) это составляет
119-150 кВтч на 1 кг. поликристаллического кремния.
Третья стадия производства. Монокристаллический кремний.
Метод Чохральского.
Поликристаллический кремний расплавляют в ректоре, заполненном инертными газами (аргон, гелий) с низким давлением 30 мл. ртутного столба (4000 Па), после чего в расплав помещается вращающийся затравочный кристалл монокристаллического кремния в виде стержня, который начинают медленно вытягивать из расплава.
Детально с процессом можно ознакомится в [2]-стр.254.
Для расчета затрат электроэнергии рассмотрим современную отечественную установку «Редмет-90М».
Мощность установки 250 КВт.
Диаметр монокристалла 300 мм.
К сожалению, расход электроэнергии не приводится, придется рассчитать.
Итоговые затраты: 38.6 кВтч / м2
Общие затраты электроэнергии.
на 1 м2 солнечных панелей из монокристаллического кремния, непосредственно тратится электроэнергии не менее:
315,23 - 389,72 кВтч.
Комментарии
Грубо прикинуть- стоимость кремния это электроэнергия плюс зарплата процентов десять.
Надо добавить получение азота (затратно) и получение жидкого азота (тоже затратно).
Можно улавливать хлористый водород и возвращать в "голову" процесса.
Для сравнения- сколько вырабатывается этим самым метром электроэнергии в год?
На территории Центральной России один квадратный метр солнечной панели за год примерно и выработает 350-380 кВт*часов электроэнергии, то есть отобьёт прямые затраты той самой электроэнергии на своё производство.
Главное - это уголёк для восстановления кремния из песочка!
Можно магнием восстанавливать, сложнее но можно. Лет через десять наладиться рецикл, то-есть отработавшие батареи будут возвращаться обратно.
Если весь год солнечный и птицы не гадят около 600 кВт часов в год. В средней полосе. С тучками и птичками раза в два меньше.
Получается что кремний за год отобьется. Надо остальные шалабушки считать, германий или что там бодяжат....
Какой смысл считать кремниевую пленку в отрыве от всей системы образующей "Солнечную
ПанельЭлектростанцию"полкиловатта в сутки с 1 кв.м. - 2 года надо, чтобы отбиться только по э/э/
Как говорится титановый шуруп стоит 5 долларов, а когда его ставят в челюсть в виде импланта с зубом - он стоит 500 баксов!
Какой смысл считать когда отобьется кремниевая пленка на какой либо подложке в отрыве от стоимости всей "Солнечной Электростанции"?
Тем более, по нашим ценам она отбивается лет за 10-15 в зависимости от того что сделаешь сам, а что спецы.
У Овца с кредитами она окупалась лет за 20-25 вроде.
Вы не учитываете что большая часть панелек нынче делаются из поликристаллического кремния. Впрочем конечный EROI всё равно не дотянет до необходимого для индустриальной цивилизации уровня.
Хороший расчёт.
Единственное, что чутка смущает - это мощность установки как постоянное потребление установки.
Не знаю, как с кремнием, но обычно мощность считают на пиковые значения, ибо если смотреть кривую потребления у термических установок, то обычно сто процентов потребления, идёт только в фазе нагрева. На поддержание температуры, если у нас не конвейер, в зависимости от потерь, редко требуется более пяти процентов пиковой мощности.
Но, как я уже говорил - в технологии кристаллизации кремния - я не эксперт.
Предложите поправки, если знаете, как можно точнее определить потребную мощность.
Как минимум, могу сказать, что пока бадья с поликристаллическим кремнием не расплавится, затравку вытаскивать не начнут, а потому расчет не точен в этом месте в сторону уменьшения потребления.
Ну не суть, порядок примерно известен, автору большое спасибо.
Делал ремонт в квартире три года назад, вроде все-все-все посчитал внимательно и до копейки. Ан нет, получилось в два с лишним раза дороже. (если что, делал все своими руками, в расчете не учитывал мелочи вроде перчаток, кисточек, грунтовок, крепежа - вот и набежало...)
Feel yuo bro!
В прошлом году делал смету для косметического ремонта дома. После всех подсчётов накинул ещё 20% на накладные, и на итоговую сумму ещё 30% - на непредвиденные. И в таком раскладе обманулся всего лишь на четверть сметы (вышло на 25% дороже от сметы). Но в смете учитывал всё - СИЗ, расходники и даже мешки для мусора и укрывную плёнку.
" пока бадья с поликристаллическим кремнием не расплавиться ,то затравку вытаскивать не начнут "- я извиняюсь ,но не бадья ,а кварцевый тигель и затравку не вытаскивают ,а погружают в расплав после выдержки ( иногда это не один час ) и подбора температуры затравления ( это самое сложное ) .И вообще 2х одинаковых плавок не бывает практически ( одна идет с 1 го затравления ,другая к примеру с 8 го ) . С уважением к Вам .
Извините, использую ту терминологию, которой владею.
все хорошо ,просто я этим ( выращиванием кремния ) всю жизнь занимаюсь и позволил себе немного уточнить .
Было бы интересно узнать об этой технологии побольше. В представлении обывателя все выглядит просто и детерминировано: расплавил, опустил затравку, чтобы на ней расплав кристаллизоваться начал, и вытаскивай ее потихоньку. Что там может не получаться, при условии, что материал и температуры одни и те же каждый раз - решительно непонятно.
нюансов очень много ,лет 35 назад было проще из -за малого веса загрузок ( 8- 10 кг ) температура подбирала сь достаточно быстро ( 30- 40 минут ) , сейчас 200 ! кг( в России ) , и время плавления всегда разное ( все время в тигель загружаются разные по весу фракции ) плюс полностью загрузить весь металл в тигель невозможно ( будет большая гора и плавление очень опасно ,куски скатываются и могут попасть на нагреватель ) ведется постоянный контроль плавления и при необходимости температура поднимается или опускается. А само выращивание ( несмотря на то ,что в наше время процес достаточно автоматизирован ) тоже каждую плавку разное .Подбор температуры для затравления это до сих пор в основном личный опыт плавильщика .оттяжка должна быть и не холодная и не горячая ( а для массы 200 кг ) учитывая средний диаметр оттяжки 4 мм это очень непросто . Я работал и за рубежом там в общем тоже самое .А на самом уже " вытягивании " тоже проблем хватает - камера поддержания ди аметра может его " потерять " из раскачки к примеру и сразу идут броски температуры .Но в целом это достаточно интересно .
А что такое металл загрузить в тигель? Кремний же не металл. Опечатка?
это понятно ,но мы называем его металлом для простоты ( своего рода сленг ) . я как нибудь пару фото скину если есть интерес ( с разных фаз процесса )
Есть, это интересно. Если только за эти фотографии у вас не будет проблем со службой безопасности. А то на одном инженерном форуме на конкурс по мастерству в САПР прислали скриншоты ракетного двигателя - в итоге конкурсанта уволили и были какие-то разборки на уровне прокуратуры. Дальнейшая судьба неизвестна.
Спасибо за комментарии.
Пока писал статью сохранил для себя:
Расход электроэнергии на производство 1м3 водорода : 15,4 -16,2 МДж, это составляет 4,3-4,5 кВт/ч. / 1 м3. водорода.
Электролиз хлора из водного раствора поваренной соли: 3 кВт/ч. /кг. хлора.
Расход электроэнергии на производство 1м3 азота : 0,2 кВт/ч. / 1 м3.
Расход на сжижение азота - 8 кВт/ч/л.
Источники не сохранил, звиняйте.
Да, наверно. Жаль, что нет данных по кВтч. С другой стороны львиная часть энергии идет на превращение в трихлорсилан и обратно.
З.Ы. Поправил конец статьи. Я там в формулу площади круга диаметр подставлял 300мм., поправил на радиус 150 мм. )) Бывает.. Результат не сильно поменялся.
Трихлорсилан
Заодно формулку поправьте.
Тут значок Cl хлора потерялся где-то.
В целом хороший текст и расчёты. Найти бы посвежее, было б ещё лучше. За 30 лет много воды утечь могло по оптимизации техпроцессов в частности.
Зря вы так мучались, уже давно всё подсчитано.Расход кремния на 1 Вт монокристаллической панели в среднем 3 г,толщина пластинки 7 микрон.Данные из PHOTOVOLTAICS REPORT 2021 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems.Отчет есть в Интернете.
Интересно эти 7,4% с учётом разных субсидий или это чистый брутто ценник для всех потребителей? Получается в 10 раз "уценили" за 30 лет.
В отличие от США в Германии не дают льготы на само оборудование,а субсидируют производство электроэнергии на СЭС.И 7,4 % от 14000 это 1036.т.е разница в 14 раз.Реально меньше с учетом инфляции.И 1036 евро за кВт это рыночная цена.
Да, в 14, но речь там не об этом. Там речь о том, что за 30 лет стоимость генераторов снизилась на 92%. Т.е. условно это генератор в 1992м стоил 14000, а сейчас будет стоить 1036. (цифры примерные)
Вот и интересно что учтено, а что нет. Но "прокачка" впечатляющая...
Разрешите поправить. Нет там 7 микрон. Примерно 180-200 микрон пластинка (плюс-минус). 100 микрон - теоретический оптимум, но он пока недостижим с технологической стороны - дефекты, примеси с одной стороны, распил на пластины с другой стороны.
Ща Овче скажет - Я купил за 100 баксов панелек и они дают 100500 КВт*час на охулион баксов.И ему пофиг на ваши выкладки,он живёт здесь и сейчас,"после него хоть потоп".Главное,чтобы жопа в тепле и теславозка под ней.
Вообще-то у автора тоже самое получилось. Год окупаемости, у овче около 3-4 лет. Так что разброс не глобален. Сложнее с сохранением и накоплением, но и это не сильная проблема в перспективе. При дальнейшем развитии области скорее всего срок окупаемости (примерно за 50 лет) установится на 3-4 года вместе с резервами...
https://m.aftershock.news/?q=comment/10014718#comment-10014718
Вообще-то автор сделал попытку определить энергетическую окупаемость,т.е.ЕРОИ.
Экономика производства делает это быстрее и точнее, пусть и на глазок.
Видимо экономика автору не интересна,раз он обратился к энергозатратам.И правильно сделал.Деньги можно напечатать,а вот уголь и нефть нет.
То есть вы сейчас серьёзно рассматриваете вопрос невозможности замены угля?
В этой химической реакции нельзя заменить уголь? Древесина тот же уголь!
Я не про замену угля,а про то,что любое полезное ископаемое нельзя напечатать на монетном дворе..
Конкретно в примере производства солнечных панелей уголь занимает 15% от затрат, если верить расчету автора, при этом для получения углерода можно использовать древесину. возможно получится дороже. Пусть даже в 10 раз на первоначальном этапе. Всё равно момент энергетической окупаемости увеличится с года до 2. Напоминаю розничная окупаемость сейчас 4 года. О каком ЕРОИ вообще может идти речь? Солнечные панели уже сейчас действительно выгодны при использовании в 10-20% от общего объёма. Если использовать для выделения углерода из древесины сейчас только солнечную энергию, то вот вам процесс аккумулирования солнечной энергии, только с текущей стоимостью угля это никому не нужно.
Че-то у Овче с учетом кредитов, субсидий окупаемость СЭ была лет 20-ть (если мне склероз не изменяет).
Это если рассматривать с полным резервированием и хранением. Скорее всего и получится 20 лет. Ссылку на разбор статьи по окупаемости в 2-4 года именно самих панелей и альтернативные расчёты я давал. Можете перепроверить.
Спасибо, исправил.
Там случайно нет данных, сколько энергии затратили на эти 3 гр. ? Как-то неинформативно.
Ну, допустим, исходя из моих данных, чтобы получить эти 3 гр. нужно скажем 13 кВтч/кг * 0,003 кг = 0,04 кВтч (технический кремний) + 135 кВтч/кг * 0,003 кг = 0,405 кВтч (поликристаллический кремний) + ? (монокристаллический), итого, допустим 0,5 кВтч на 1 кВт панель. И какой EROI такой панели ?
Прнято считатьЕРОИ всей СЭС,а не только панели.Там кроме панели много чего надо.Цифры разные,зависят от многих факторов.Но, как пишут вучоные, получается где-то для монокристалического кремния 25 000 мегаджоулей первичной энергии на кВт ном.мощности..Почему первичной и почему джоули?? Для того чтобы привести разные виды энергии к одному знаменателю.
Чтобы определить ЕРОИ надо знать,сколько электроэнергии в пересчете на первичную произведет СЭС за весь срок службы.Результат тоже зависит от многих факторов (кпд,инсоляция,деградация срок службы и т.п) поэтому диапазон ЕРОИ довольно широкий,от 10 до 50 для кремниевых СЭС.
Если ЕРОИ такой хороший, то и финансово это выгодно. Но почему тогда панели не столь востребованы в, скажем, частных домохозяйствах? (Примеры с прямыми или косвенными субсидиями не в счёт). Я вот считаю экономику и технику панелей для дома - и прихожу к выводу, что нужны доппричендалы для возможности использовать электроэнергию с панелек и на круг выходит в 3 раза дороже (в лучшем случае) того электричества, что есть сейчас из розетки.
Энергетическая окупаемость (ЕРОИ) почти никогда не совпадает с экономической.И никто не говорит,что сегодня панели везде выгодны.В России мало где,поскольку электричество для населения субсидируется и во многих местах мало солнца.
Вот ,например,в Германии кВт*ч стоит для бюргера 30 евроцентов,а с крышной панели в два раза дешевле.700 млн.человек на планете вообще не имеют электричества и это в основном страны,где много солнца,Для них панели единственный вариант.
Про совпадение речи нет. Но корреляция должна быть весьма чёткая и сильная. Если ЕРОИ 10-50 - это уже значит доступно и выгодно даже на фоне текущих цен на сетевую электроэнергию.
Нет никакой корреляции.При одинаковых затратах энергии на изготовление,себестоимость может сильно отличаться.Просто одних кормят икрой,а других лапшой.
Кто-нибудь посчитает ?
+1000% к тому, что произведёт панелька за год.
Косвенные расходы больше прямых в разы. Не говоря о тех, которые напрямык - ноль, а косвенных есть и немалые.
Сам в шоке.
Ну за год они произведут 600квтч. Так что неплохо.
вот тут поновее, и более полный подсчет
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781782423362000070
На производство 1 м2 панелей (включая все инверторы, крепления, перевозку) тратится от 850 до 2900 MJ энергии. Это было лет 10 назад, и сегодня уже меньше. 1м2 панелей производит в год от 700 до 1300 MJ энергии, в зависимости от места. Как видим, они окупают энергию потраченную на них за один год, в худшем случае 2-3 года.
Спасибо за исследование.
Результаты жесткие, и это только по основному техпроцессу не считая побочных.
Страницы