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 SiH3 (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.
Краткое описание:
- измельчение технического кремния до частиц 1,6 мм. и менее, загрузка в реактор;
- получение хлорводорода HCl(боевой отравляющий газ) из водорода и хлора;
- нагрев кремния электрическими нагревателями в потоке горячего азота до 583-593 Со;
- подача хлорводорода;
- поддержание указанной выше температуры реакции (охлаждение реактора, т.к. процесс идет с выделением тепла);
- парогазовая смесь хлорсиланов через фильтры поступает в первый теплообменник, где конденсируется холодильными установками (до температуры 223-233 Со);
- затем во второй теплообменник, где охлаждается и очищается жидким азотом (расход 80-100 л. на 1 т. конденсата) до температуры 183-193 Со;
- конденсат содержит 59-73% трихлорсилана;
- ректификация конденсата с отделением трихлорсилана 99,9999999% чистоты.
К сожалению, не нашел в литературе затраты электроэнергии на эти процессы, поэтому привожу их для сведения и возможного дальнейшего уточнения затрат электроэнергии.
Поликристаллический кремний.
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.
Второй менее распространенный способ
Следует упомянуть еще один менее распространенный способ получения поликремния. Реакция разложение моносилана, получаемого примерно также, как трихлорсилан. Краткая запись: SiH4 => Si + 2H2. Расход электроэнергии на получение поликристаллического кремния из моносилана 360-450 МДж/кг. ([2]-стр. 249) это составляет 100-125 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.
Расчет
Рабочая скорость перемещения тигля 0,03-0,77 мм/мин.
Значит 1 м. монокристалла кремния будет выращен минимум за 1000 / 0,77 = 1298 минут (21,64 часа).
Расход электроэнергии за это время составит: 21,64 ч. * 250 кВтч. = 5410 кВтч.
Готовый тигель распиливают, кругами или проволокой с алмазным абразивом, на пластины толщиной ~250 мкм (0,4 мм) и шлифуют. Ширина распила составляет 0,1-0,15 мм.
Затраты энергии на это упускаем.
Таким образом, из 1 м. монокристалла кремния можно получить: 1000 мм/0,5 мм = 2000 пластин.
На одну пластину тратится 5410 кВтч / 2000 = 2,7 кВтч.
Т.к. площадь одной пластины S=pi*R2 = 0,3 м * 0,3 м * 3,1415 = 0,2827 м2, на 1 м2 требуется 1 / 0,2827 = 3,5373 платины.
Или иначе, общая площадь 2000 пластин составит: 0,2827 * 2000 =565,4 м2.
В итоге, затраты энергии на 1 м2 составят: 2,7 кВтч * 3,5357 = 5410 кВтч / 565,4 м2 = 9,56 кВтч.
Итоговые затраты: 9,56 кВтч / м2
Расчет веса 1 м2 кремниевых пластин
Объем 1 м2 (10000 см2) платин, толщиной 0,4 мм. будет 10000 см2 * 0,04 см. = 400 см3. Плотность кремния 5,32 г/см3. Значит масса 1 м2 пластин составит 5,32 г/см3 * 400 см3 = 2128 г. То есть 2,128 кг.
Общие затраты электроэнергии.
Расчет
1). 11–15 кВтч на 1 кг. технического кремния;
2). 119-150 кВтч на 1 кг. поликристаллического кремния;
3). 9,56 кВтч на 1 м2. монокристаллического кремния;
Т.к. на 1 м2 панелей тратится 2,128 кг. кремния, имеем по минимуму:
1). 2,128 кг * 11 кВтч = 23,4 кВтч /м2 затрат на стадии получения технического кремния;
2). 2,128 кг * 119 кВтч = 253,23 кВтч / м2 затрат на стадии получения поликристаллического кремния;
3). 9,56 кВтч на 1 м2 монокристаллического кремния;
По максимуму:
1). 2,128 кг * 15 кВтч = 31,92 кВтч /м2 затрат на стадии получения технического кремния;
2). 2,128 кг * 150 кВтч = 319,2 кВтч /м2 затрат на стадии получения поликристаллического кремния;
3). 9,56 кВтч на 1 м2 монокристаллического кремния;
Суммируем по минимуму: 23,4 кВтч /м2 + 253,23 кВтч /м2 + 9,56 кВтч /м2 = 286,19 кВтч /м2.
Суммируем по максимуму: 31,92 кВтч /м2 + 319,2 кВтч /м2 + 9,56 кВтч /м2 = 360,68 кВтч /м2.
на 1 м2 солнечных панелей из монокристаллического кремния, непосредственно тратится электроэнергии не менее:
286,19-360,68 кВтч.
Свежие комментарии