Солнечная энергия на широте выше 60° северной широты: Арктика как новый рубеж для фотовольтаики

Аккумулятор FIAMM 12FGL120

Согласно отчету Международного энергетического агентства, солнечная энергетика на территориях, расположенных севернее 60-й параллели, не только жизнеспособна, но и стремительно развивается благодаря повышению эффективности в условиях холодного климата, двусторонним технологиям и растущим потребностям в энергетической безопасности. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, такие как ярко выраженная сезонность, снег, вечная мерзлота и нехватка данных, арктическая солнечная энергетика становится важнейшим — и технически уникальным — направлением для глобального развития солнечной энергетики.

На протяжении десятилетий Арктику считали «мёртвой зоной» для солнечной энергетики. Долгие зимы, обильные снегопады и экстремальные холода, казалось, исключали возможность использования фотоэлектрических систем в качестве серьёзного источника энергии для населённых пунктов, расположенных севернее 60-й параллели. Новый отчёт Программы фотоэлектрических энергетических систем Международного энергетического агентства (задача 13) ставит под сомнение это утверждение, доказывая, что солнечная энергетика не только возможна в Арктике, но и становится всё более важной для энергетической безопасности региона.

77-страничный доклад под названием «Фотовольтаика и энергетическая безопасность в Большом Арктическом регионе», подготовленный исследователями из США, Канады, Швеции, Норвегии, Дании и Финляндии, вышел в тот момент, когда в некоторых регионах мощность арктических фотоэлектрических систем растет на 46–145 % в год. По состоянию на 2023 год общая установленная мощность выше 60° северной широты составляет примерно 1400 МВт — это все еще ничтожно малая доля от общемировой мощности, но тенденция очевидна.

Проблемы сезонности

Прежде всего при планировании фотоэлектрических проектов в высоких широтах необходимо учитывать сезонность: в июне, ближе к летнему солнцестоянию, в высоких широтах поступает большое количество солнечной радиации. В то же время в декабре, ближе к зимнему солнцестоянию, в высоких широтах поступает мало солнечной радиации (а за Полярным кругом на 66,56° северной широты ее нет вовсе).

Преодоление разрыва между интенсивностью солнечного света летом и его дефицитом зимой — важнейшая задача при интеграции фотоэлектрических систем в Арктике, о которой подробно говорится в докладе.

Аргументы в пользу использования солнечной энергии в Арктике

Главный аргумент доклада основан на парадоксальной идее: холод — не враг солнечных панелей. Зачастую он является преимуществом.

Кремниевые фотоэлектрические элементы вырабатывают больше энергии при более низких температурах, поскольку ширина запрещенной зоны полупроводника увеличивается, повышая напряжение. В отчете приводятся данные о системе, расположенной на южной стороне на Аляске, где средняя температура модулей в светлое время суток составляла всего 15 °C, что намного ниже стандартных 25 °C, при которых тестируются панели. В холодном климате модули также могут изнашиваться медленнее: в 16 системах, расположенных выше 59° северной широты, средний показатель снижения производительности составил всего -0,37 % в год по сравнению с -0,75 % в год в системах на территории континентальной части США.

В то же время снег — это палка о двух концах. Он может блокировать панели и создавать нагрузку на системы крепления, но в то же время значительно повышает альбедо поверхности, потенциально увеличивая коэффициент полезного действия двусторонних модулей до уровня, невиданного в более низких широтах. В докладе отмечается, что коэффициент полезного действия двусторонних модулей увеличивается с ростом широты именно из-за длительного снежного покрова, повышенного рассеянного освещения и низких углов возвышения Солнца. Рекомендация однозначна: двусторонние модули должны стать основным выбором для установки в Арктике.

Вертикальные фермы — ключ к освоению высоких широт

Один из наиболее впечатляющих практических выводов доклада касается ориентации системы. Вертикальные двусторонние панели, ориентированные с востока на запад, особенно перспективны в районах, расположенных севернее 60° северной широты. Благодаря наклону почти в 90° снег естественным образом скатывается с панелей, что позволяет избежать длительных периодов простоя, характерных для систем с фиксированным наклоном. Кроме того, такие панели вырабатывают энергию в начале и в конце дня, лучше подстраиваясь под кривые спроса на электроэнергию и снижая «эффект каннибализации», который приводит к снижению оптовых цен в середине дня.

Данные, полученные в ходе эксплуатации вертикально установленной агрофотоэлектрической системы в Швеции (59,55° северной широты), подтверждают эту точку зрения. В декабре 2023 года вертикальная система в 28 из 31 дня опережала по производительности соседнюю систему с фиксированным наклоном, обращенную на юг, вырабатывая в среднем 6,1 кВт⋅ч/кВт⋅ч в месяц по сравнению с 1,32 кВт⋅ч/кВт⋅ч у системы с наклоном. В 14 из этих дней система с наклоном вообще не вырабатывала энергию из-за снежного покрова.

Скрытые риски в фондах

Однако в отчете есть один раздел, который заслуживает особого внимания со стороны разработчиков: обсуждение морозного пучения и вечной мерзлоты. В двух подробных тематических исследованиях — о системе мощностью 699 кВт в Лулео, Швеция, и о массиве мощностью 563 кВт в Фэрбенксе, Аляска, — рассказывается о дорогостоящих повреждениях конструкций, вызванных промерзанием грунта, которые установщики не смогли предвидеть.

В Лулео перфорированные сваи С-образного сечения позволили глинистому грунту схватиться с опорами, что привело к видимой деформации уже в первую зиму. Всю систему опор пришлось заменить на более глубокие сваи без перфорации. В Фэрбенксе винтовые сваи, установленные в исторически сложившейся заболоченной зоне, были извлечены из грунта и утоплены, что привело к поломке модулей и потребовало частичной разборки и повторной установки на глубине 5,5 м.

Урок, который можно извлечь из обоих случаев: стандартные инженерно-геологические изыскания, проводимые при строительстве и дорожных работах, не подходят для установки фотоэлектрических систем на подверженных промерзанию грунтах. Разработчики должны проводить изыскания с использованием специальной методологии для фотоэлектрических систем и учитывать менее очевидные факторы, связанные с самой системой.

В регионах с вечной мерзлотой проблема усугубляется. Данные мониторинга, полученные в результате наблюдений за солнечными панелями в Коцебу, Аляска, показывают, что снежные заносы, скапливающиеся за рядами солнечных панелей, нагревают вечную мерзлоту, что со временем может привести к разрушению фундамента. Согласно отчету, солнечные панели в таких условиях могут служить своеобразными снежными барьерами, но долгосрочные структурные последствия такого воздействия изучены недостаточно.

Проблема нехватки данных

Для разработчиков, желающих профинансировать арктические проекты, в отчете указывается на серьезное препятствие: практически полное отсутствие качественных данных об освещенности выше 60° северной широты. Точность геостационарных спутников снижается после 65° северной широты. Спутники на полярной орбите с трудом отличают снег от облачного покрова. Наземных измерительных сетей мало, а те, что есть, сталкиваются с уникальными проблемами при обслуживании, такими как образование наледи на куполах радиометров, сбои в работе механизмов слежения и ограниченный доступ к площадкам в зимний период.

В результате оценка энергоотдачи арктических проектов сопряжена со значительно большей неопределенностью, чем в более низких широтах, что затрудняет финансирование. Авторы призывают инвестировать в измерительные приборы с подогревом и вентиляцией, внедрять строгие протоколы технического обслуживания и расширять сети наземных станций в высокоширотных регионах.

Дорога впереди

Данные по странам, приведенные в отчете, свидетельствуют о том, что регион быстро развивается, несмотря на препятствия. В 2023 году мощность фотоэлектрических систем Норвегии, расположенных выше 60° северной широты, достигла 173 МВт, увеличившись на 145% за год. К 2030 году страна планирует увеличить выработку солнечной энергии до 8 ТВт·ч. В Финляндии мощность национальных фотоэлектрических систем превысила 1 ГВт, а к 2030 году планируется увеличить ее до 9,1 ГВт. Установленная мощность ветрогенераторов в Арктической Швеции достигла 350 МВт, а среднегодовой темп роста за последние пять лет составил 58 % в год. В настоящее время в процесс получения разрешений на строительство ветряных электростанций мощностью в гигаватты вступают наземные электростанции промышленного масштаба.

В Северной Америке ситуация иная, но не менее динамичная. По состоянию на конец 2023 года общая мощность фотоэлектрических систем на Аляске достигла примерно 30 МВт, при этом самая крупная установка имеет мощность 8,5 МВт, а для сети Railbelt анонсирован проект мощностью 45 МВт. Более 150 изолированных сельских микросетей, зависящих от дизельных генераторов, получают финансирование на установку солнечных батарей с накопителями, и некоторые из них уже могут на 100 % обеспечивать себя энергией из возобновляемых источников в благоприятных условиях.

Основная идея этого отчета заключается в том, что арктический рынок солнечной энергетики существует, он растет и предъявляет особые технические требования, которые мировая фотоэлектрическая отрасль еще не в полной мере учла. Двусторонние вертикальные солнечные панели, геотехнические стандарты для фотоэлектрических систем, моделирование таяния снега в арктических условиях и расширенные наборы данных об освещенности — это не просто желательные дополнения, а фундамент, на котором должна строиться надежная отрасль солнечной энергетики в высоких широтах.