П’ятдесят років тому літаки й заводи, що працюють на енергії Сонця, можна було зустріти тільки на сторінках книг наукових фантастів. Сьогодні Сонце – джерело найдешевшої енергії у світі, доступної й промисловим монополістам, і звичайному фермеру. Історія винаходів, які призвели до масового використання чистої сонячної енергетики, насичена. Та ще цікавіша історія, яка пишеться просто зараз, адже на Сонце покладають великі надії порятунку Землі від зміни клімату, а людства – від енергетичної бідності вже в найближчі десятиріччя.
Передісторія
Люди завжди намагались використовувати потенціал Сонця. Відома історія, як у 212 році до н.е. Архімед спалив цілий римський флот під час облоги Сиракуз, фокусуючи сонячні промені на кораблях за допомогою дзеркал. Завдяки маніпуляціям із лінзами розводили багаття і плавили метали. Стародавні єгиптяни проєктували свої будівлі таким чином, щоб стіни вдень накопичували сонячне тепло і гріли будинок уночі.
Однак перетворювати сонячне світло в електричний струм почали тільки 67 років тому.
Пара, вугілля та атом: де людство брало енергію
Винаходи у теплоенергетиці – одна з головних причин Промислової революції, завдяки якій населення світу збільшилось у 6 разів за два сторіччя, а дохід на душу населення виріс у 10 разів. Винайдення парової машини стало справжнім фурором, завдяки якому з’явились потяги, автомобілі та ціла галузь машинобудування. Паливом для парових машин у різні часи слугували деревина, вугілля та нафтопродукти. Ми досі користуємось енергією від спалювання, зокрема, у двигунах внутрішнього згоряння та теплових електростанціях. Але цей спосіб виснажує природні ресурси та є головною причиною зміни клімату.
У 1954 році ввели в експлуатацію першу у світі промислову атомну електростанцію. Після цього понад 30 країн побудували на своїй території ядерні реактори. За даними Міжнародної агенції з атомної енергії, у 2020 році атомні електростанції виробили близько 10% електроенергії у світі. В Україні ж атомні електростанції забезпечують понад 50 % усієї електроенергії. Але Чорнобильська трагедія і проблема ядерних відходів змушують шукати безпечніші альтернативи атомній енергетиці. В Україні щороку утворюється більше, ніж 550 м3 твердих і рідких радіоактивних відходів, і вченим досі не відомо, як їх безпечно утилізувати.
Відкриття та Нобелівські премії
Достеменно невідомо, кому людство має найбільше завдячувати за винайдення сонячних електростанцій, бо цьому передувала ціла низка відкриттів.
Вперше використав селен для перетворення світла в електрику американський винахідник Чарльз Фріттс у 1883 році. Ефективність такого методу була дуже низька, але він поклав початок сонячної енергетики.
Явище фотоефекту – вивільнення електронів під дією світла, пояснив Альберт Ейнштейн. За це він отримав Нобелівську премію у 1921 році. Це відкриття стало наріжним каменем для галузі сонячної енергетики.
Кремнієвий сонячний елемент запатентував у 1946 році американський інженер Рассел Ол. Кремній до сьогодні використовують у виробництві сонячних панелей.
У 1954 році дослідники американської компанії Bell Labs спроєктували кремнієву сонячну батарею, здатну забезпечити 6% ефективності перетворення енергії під прямими сонячними променями. Завдяки цьому відкриттю компанія випустила перші у світі фотомодулі. У 2016 Bell Labs стала частиною Nokia.
Вчені з австралійського Університету Нового Південного Уельсу винайшли спосіб підвищити ефективність сонячних панелей до 20% у 1985 році.
Перші сонячні електростанції (СЕС)
- У 1958 роцівперше запустили супутник із сонячними панелями. Відтоді НАСА активно використовувала їх на обсерваторіях та станціях у відкритому космосі, що прискорило розвиток технологій.
- Масове виробництво сонячних панелей почалося у 1963 році.
- У 1973 році Делаверський університет збудував Solar One — першу у світі будівлю, в якій опалення й електрика забезпечувались виключно сонячною енергією.
Бум сонячної енергетики
У 1991 році ООН приймає першу світову кліматичну угоду — Рамкову конвенцію про зміну клімату. Саме тоді на високому рівні вперше прозвучав заклик зменшувати викиди парникових газів і переходити на відновлювані джерела енергії (ВДЕ). На виконання конвенції був укладений Кіотський протокол, націлений стабілізувати викиди парникових газів у 2008–2012 роках. У 2015 році була прийнята Паризька угода, яка передбачає конкретні кроки урядів всіх країн для стримання глобального потепління. Оскільки викопне паливо утворює найбільше парникових газів, держави та бізнеси інвестують у розвиток чистих енергетичних технологій, щоб запобігти кліматичній кризі.
Завдяки розвитку технологій, масовому виробництву та державній підтримці, сонячні електростанції стають дешевшими. З 1980 по 2018 роки ціна на фотоелектричні модулі впала на 99%.
У 2020 році за даними Міжнародного енергетичного агентства (IEA) сонячна енергія стала найдешевшою в історії людства.
З 2000 по 2020 роки сукупна потужність сонячних станцій у світі зросла в 600 разів.
Що далі?
Вважається, що ВДЕ здатні забезпечити електропостачання у всьому світі вже у 2050 році. Це доводять результати моделювання Технологічного університету Лапенранта (Фінляндія).
Кількість сонячних електростанцій може збільшитись у 6 разів за 10 років за даними IRENA. А у 2050 році загальна встановлена потужність сонячних станцій може бути у 18 разів більша, порівнюючи з 2018 роком.
Попит на СЕС росте у багатьох сферах. Розробляються літаки, які працюватимуть виключно на енергії з сонячних елементів. Сонячна генерація стає невід’ємною частиною міського планування.
В Японії за спонсорства компанії Panasonic було побудоване автономне “розумне” місто Фуджісава, в якому 100% енергетичних потреб домогосподарств забезпечують дахові СЕС.
Така динаміка обов’язково призведе до швидкого розвитку технологій. Очікується, що сонячні станції майбутнього матимуть більш витривалі акумулятори, будуть оснащені технологіями штучного інтелекту і на 100% складатимуться з екологічно безпечних компонентів, придатних до повторного використання чи перероблення.