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
Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.
А что там с EROI панелей из перовскита?
У меня, за 27 месяцев, каждая панель уже произвела по 1.2 МВтч. Давно уже окупила энергию потраченную на ее производство. Панель в центре была заменена в апреле 2021, и показывает производство только после этого.
Интересно, что угловые панели больше генерят потому что охлаждение лучше.
кстати первый ряд панелей (в котором новая панель стоит) на диаграмме, физически ниже или выше установлен? Судя по генерации он ниже, от него тепло идёт на второй, поэтому у него кпд хуже.
У панелей на нижнем ряду больше тени. Солнце когда выходит, в первую очередь освещает верхний ряд. И панели с краю и по углам - обычно лучше обдуваются, и дают чуть больше.
На 2000 рублей электричества. Копейки вообще.
Не понял, далее на следующие стадии процесса идёт весь кремний или только 0,1% чистотой 99? Если второе то корректно ли считать, что на 0,1% кремния пригодного для производства электроники расходуется 0,1% энергии, стали бы производить остальные 99,9%? Раз "грязный" кремний потерян для энергетики не правильнее ли относить все затраты энергии на 0,1% используемого для производства панелей.
А 6N как получают? Обычно очистка в несколько стадий проходит и весьма энергозатратна.
А потери между стадиями? Обычно же часть промежуточного продукта идёт в отходы (торцы стержней или кристаллов, например).
Подозреваю, что вы в своей работе не все энергозатраты учли.
А где учет энергозатрат на 100% дублирование рваной генерации нормальной генерацией или строительство батарей?
Статья про ограниченные затраты на конкретный процесс. Это примерно 1/10 будет от итогового значения. В луччем случае.
Хороший расчет. Но как и вы сами упоминали, не совсем корректный.
Для получения точной цифры нужно учесть и затраты на получения всех компонентов участвующих в производстве.
Иначе получается "тут играем, тут не играем, а тут рыбу заворачивали".
Ну и в идеале, посчитать бы количество вредных выбросов на всех этапах.
И еще!! Солнечная панель, это же не только кремниевая пластина. Это еще: корпус, крепеж, контроллер, провода...
Думаю тогда картинка будет совсем не такая.
Но ведь ЭЭ с панелей фактически не может быть использована напрямую. Она должна быть запасена в каком-то виде и преобразована второй раз уже в удобоваримый вид.
Если для домовых хозяйств это батарейки, то как быть с запасением и транспортировкой ЭЭ от мест выработки солнечными панелями до мест промышленного потребления? Выработка и транспортировка водорода? Почему-то мне кажется, что затраты на эту часть цикла должны быть кратно больше...
Вот поэтому панельки без субсидий или без принуждения никто и не устанавливает.
Не совсем так.Сейчас почти вся ЭЭ с панелей используется напрямую.В будущем,когда доля ВИЭ достигнет 70-80 %,часть энергии с ВИЭ придется запасать в различных формах для суточного и сезонного маневрирования.По предварительным расчетам это 20-30% от выработки.
Так рождаются мифы.
Задумайтесь почему расход автомобиля на 100 км в городском цикле и за городом разный.
Так и в жизни вы посчитали несколько из множества энергозатрат на производство одного из множества компонентов солнечной панели.
Если хотите посчитать хоть как-то приближенное к жизни, а не объем сферического коня в вакууме то:
1. Берете данные нескольких фабрик производящих панели (желательное не менее чем за год) расход электроэнергии (полностью включая забыли выключить свет в подсобке), расход топлива (его можно свести к энергии) и количество произведенных панелей. Считаете расход на 1 м2 (заодно удивляясь в разнице на разных фабриках, но помня что реальное производство это не поездка по прямому шоссе)
2. Разделяете панель на условные компоненты (допустим провод не надо делить на проводник и изоляцию достаточно провод) далее повторяем пункт первый для каждого компонета.
3. Все суммируем и получаем некий диапазон (минимальный и максимальный) расхода энергии на производство 1 м2. Вот где-то в этом диапазоне и лежит ответ так сколько-же тратится энергии на производство 1 м2 солнечной панели.
P.S. И не надо рассказывать сказки про - есть прямые и косвенные расходы. Любые расходы необходимо учитывать иначе не далеко до "банкротства".
С удовольствием, скиньте данные по конкретному заводу с конкретными цифрами.
Я эти то цифры с трудом откопал.
З.Ы. Где я рассказывал сказки ? Давать советы - не мешки ворочать. Могли бы сами легко и непринужденно написать тут свои расчеты, вместо того, чтобы объяснять очевидную методику. Понятно, почему не пишите - данных нет. Эти претензии не ко мне.
Ваша ошибка в том что вы насчитали какое-то число. На это число начала сбегаться зеленка - "Вот смотрите, умный человек посчитал все. Панельки рулят."
Потом они начнут с умным видом ссылаться на этот расчет. Только полученная вами цифра ни о чем не говорит от слова совсем.
Взяли-бы теплоемкость кремния да посчитали бы сколько нужно энергии что-бы его расплавить - тоже ведь результат с цифрами.
Вам не угодишь. Тут считай, тут не считай.
Результат меня самого удивил, что ж теперь не публиковать ? В этом была моя главная ошибка ?
Зеленка и без моего расчета продолжит изображать розовых пони.
Помимо затрат э/э, в статье есть данные про вредность трихлорсилана и хлорводорода и сколько их используется в производстве.
Кстати я не закончил. Как выше правильно сказали, без аккумуляции не катит. Посмотрим затраты на производство аккумуляторов. Со временем, может и данные по какому-нибудь заводику появятся/подкинут. Не все сразу.
Это все ерунда. Вы пытаетесь учитывать рябь не учитывая 9-ти бальный шторм.
https://zen.yandex.ru/media/bessedka/pochemu-solnechnye-paneli-i-vetriak...
Страницы