Nov. 12th, 2016

Originally posted by [livejournal.com profile] shkrobius at Даешь уголь! (Честь безумцу, который навеет)
Сначала про кремний, который мудрый Дмитрий Иваныч поместил в соседнюю клеточку с предметом обсуждения. Я давно не занимался кремнием; знаю, как было 10 лет назад. Вряд ли многое изменилось...

Большинство коммерческих солнечных батарей - на кремнии; это микронные пластины, вырезанные из монокристалла. Солнечный свет в них сильно поглощается. Такой толщины не нужно, это перерасход дорогого материала. Увы, за 70+ лет никто не придумал, как его можно нарезать тоньше. С начала 70-х годов пытались использовать аморфный кремний (его можно наносить из газовой фазы тонким слоем). К сожалению, в нем болтающиеся связи, которые ловят заряды, и материал не годится. Если его гидрогенизировать, получается сплав, который в принципе годится, но (1) КПД заметно меньше и (2) со временем (под светом) образуются дефекты, которые ловят заряды, и КПД падает. Что это за дефекты, как они образуются - до сих пор не известно (эффект был открыт в 1973-м году). Существует примерно 200 теорий, там десятки тысяч статей.
https://en.wikipedia.org/wiki/Staebler%E2%80%93Wronski_effect
И все без толку. Существуют способы обхода (например, быстро удалять заряды после того, как они разделились - это возможно в гетероструктурах). Такие способы удорожают производство. Лет десять назад обнаружили, что легирование германием помогает (тоже нет общепринятого объяснения, почему). Результат тот, что аморфный кремний так и остался предметом разговоров.

Кремния в коре много, но он в виде оксида. Получить в чистом виде элемент тяжело, это тебе не уголь, о нас не позаботились. Сначала кремний превращают в тетрахлорид, многократно дистиллируют (это агрессивная жидкость). Потом восстанавливают кремний в электрической дуге (главный источник энергопотерь). Кремний очищают многократной зонной плавкой, растят кристалл, распиливают. Делать солнечные батареи из кремния за приемлемую цену без субсидий невозможно. Как же их тогда делают?

Кремний производят не для батарей, а для электроники. Когда режут кристалл, лучшую часть пускают на платы, остаются обрезки. Производители скупают их и делают из них батареи; так удается снизить цену производста. Постепенно электронная индустрия учится лучше растить и утилизировать кристаллы, дешевых обрезков меньше, цены на них растут. Поскольку солнечные батареи б/м экзотика, обрезочков хватает. Для массового производства (которое способно что-то изменить в общем энергетическом балансе) их не хватит; придется специально чистить и производить кремний для солнечных батарей. Это резко увеличит их себестоимость. Кремниевые солнечные батареи надежны и эффективны, но они оказались в "ловушке". Они годятся для потемкинских деревень, выкачивания субсидий, списывания налогов и т. п., но энергетические проблемы ими (при существующих технологиях и расценках) не решить.

***

Когда заводят шарманку о солнечной энергии, забывают, что материалы для солнечных батарей должны откуда-то браться и куда-то деваться в конце срока жизни, что их производство и утилизация требуют энергии, что они должны образовывать замкнутый цикл, что исключение выброса CО2 предполагает, что не происходит эмиссии в этом цикле и т. д. Ситуация с солнечными батареями (как глобального решения энергопроблем) воистину безумная. Скажем, для них нужен прозрачный электрод. Обычно это оксид индия и олова. Столько индия, сколько необходимо для покрытия мировой потребности в этих материалах (для мирового же производства панелей) нет; даже малой части нет. Нет и меди на проводки, чтобы соединить квадратные километры таких батарей. Спросишь: откуда все это возьмется, а тебе в ответ - графен! наноматериалы! - А это откуда? - и в какой форме возьмется энергия на это производство?

У кремния есть много недостатков, но есть огромное преимущество - он доступен в неограниченном количестве. У большинства материалов в цикле производства солнечных батарей фигурируют полезные ископаемые как источник углерода, а это ограниченный ресурс.

Скажем, пишут про полимеры для солнечных батарей. Они будут тонкие, гибкие, эффективные, прекрасные, чудесные. Допустим. Но откуда они возьмутся и куда денутся? Возьмутся они из нефти, газа и угля. И в конце концов превратятся в углекислый газ. Извлеченный из недр углерод проделает тот же самый путь, как если его сжечь, но в процессе будет произведено больше энергии. К эффекту эмиссии CO2 будут добавлены огромные тепловые потери (т.к. эффективность таких батарей не выше 15%).

Трудно сказать, лучше это с точки зрения нагревания планеты, чем просто сжечь уголь или нет. Некоторая задержка эмиссии углекислоты компенсируется тепловым загрязнением, плюс потери на химическую трансформацию в необходимую форму. Органические солнечные батареи - замечательная, полезная вещь. Но причем тут "спасение планеты"? Когда солнечных батарей мало, они ничего не спасают. Когда их много, они изменяют альбедо, а их производственный цикл становится источником изменения климата. В лучшем случае, они эти изменения замедляют, в худшем - ускоряют. Полного анализа ни самого цикла, ни его долгосрочных последствий не существует. Фокусируются только на его малой части. Для декларируемой цели ("спасение планеты") имеет значение полный цикл. Такой цикл существует в природе, но его эффективность очень мала, 1-2% - это после 3+ миллиардов лет, отпущенных Провидением на совершенствование. Возможно ли улучшить этот показатель? Вряд ли, учитывая топорность наших решений по сравнению с химией клетки.

И даже это не проблема. Сожгут - прямо или косвенно - ископаемые, как-то там изменится климат. Такое было за историю земли неоднократно. Следующий цикл оледенения (а оно не за горами) тоже не подарок. Вопрос в том, что делать дальше? Углерод далее придется производить самим - из углекислого газа. Потомки из мира Полудня и Великого Кольца окажутся в ситуации нынешних деревьев. Для производства энергии им потребуются солнечные батареи. Для производства батарей им понадобятся материалы. Для этого тоже нужна энергия и сырье. Если цикл не замкнут, все это не работает. Либо нужен внешний источник сырья, либо "альтернативный" источник энергии. Если такой источник есть, незачем разводить канитель с солнечной энергией.

***

Может, перед нами открыто солнечное будущее. Верить в него или нет - дело житейское. Но попасть туда можно только поняв эффект Стаблера-Вронского и тому подобные материи, а это занятие не быстрое.

Это я к тому, что если чумазые ребята будут выдавать на-гора уголь, а веселые девчата в косынках и нарядных комбинезончиках делать из него на химзаводе солнечные батареи, которые злобные капиталисты будут обменивать на зеленые бумажки у озабоченной общественности, и те батареи будут служить 20 лет, а потом идти на растопку, это никакую планету, разумеется, не спасет. Так, однако, вопрос не стоит. Не спасет ее и Солындра - и не может, да и спасать ее не от чего, планете все по барабану, а для будущего разницы никакой. В этом смысле силиконовая долина ничем не отличается от угольного бассейна. Разница существует в воображении граждан, и это замечательно, так как воображаемую проблему (в отличие от реальной) можно решить воображаемым же способом ко всеобщему удовольствию.

Человек рожден для счастья, как птица для полета. Пусть у рыдающих сердце порадуется, что они делают что-то такое, от чего хорошо завтра наступит. И работягам будет что клепать, и они тоже будут счастливы.

Все веселые, все довольные, а тем временем можно и делом заняться, а то так можно и того-с.