Энергетика будущего

Энергетика будущего

Интервью с генеральным директором международного научного центра «Энергии Солнца» и руководителем проекта «Балтийская кремниевая долина — ПОЛИСИЛ» Липканским В. М. 14 октября 2008 года

Т. В. Зернова

начальник отдела по рекламно-информационной работе Балтийского государственного технического университета

«ВОЕНМЕХ» им. Устинова

Строительство под Петербургом завода по производству поликристаллического кремния откроет для России широкие возможности по развитию альтернативной энергетики.

Винтервьюгенеральный директор международного научного центра «Энергии Солнца» и руководитель проекта «Балтийская кремниевая долина — ПОЛИ-СИЛ»ВладимирМихайлович ЛИПКАНСКИЙ рассказывает об инновационном международном проекте «Балтийская кремниевая долина», который запускается под Петербургом. Российские производители используют при производстве поликристал-лического кремния не только известные западные технологии, но и собственные ноу-хау. Это позволит выпускать высокочистый продукт с параметрами 99,999999 %, что увеличит эффективность работы солнечных батарей и доведет КПД до 20-25 %.

По расчетам организаторов проекта БКД через десять лет выйдет на объем производства до 20 тонн поликристаллического кремния, что составляет половину мирового производства этого продукта.

Речь идет о Балтийской кремниевой долине (БКД), которая создается в Сосновом Бору Ленин-

градской области. Отцом этого масштабного проекта стал Нобелевский лауреат Александр Михайлович Прохоров. Академик задумывал осуществить идею о БКД еще в во второй половине 90-х годов. Его Долина представляла собою масштабный международный проект с полным циклом переработки кремния, развитием кремниевых технологий, созданием материальной базы и промышленного производства продукции, прежде всего солнечных батарей, привлечением мирового и российского научного потенциала, научно-технологическими инкубационными центрами электронной промышленности, университетскими комплексами, развитой инфраструктурой.

Целесообразнее всего было организовать производство поликристаллического кремния в Сосновом Бору под Петербургом. Здесь находится крупнейшая на Северо-западе Ленинградская атомная станция — в ядерном реакторе канального типа ЛАЭС можно производить нейтронное легирование кремниевых слитков, получая при этом уникальный материал для полупроводниковой индустрии. Так как источник энергии находится в непосредственной близости от запланированного завода (для выращивания кристаллов кремния требуется много энергии), то это сделает его продукцию — кремний — низкой по себестоимости, а, следовательно, и конкурентоспособной. Было подсчитано, что только от продажи БКД электроэнергии атомная станция будет ежегодно получать миллионы долларов. Внедрение проекта по всем расчетам обещает огромный экономический эффект. Уже сейчас по доходности кремниевое производство

В. М. Липканский

ПРОБЛЕМЫ И ОПЫТ

27

ИННОВАЦИИ № 12 (122), 2008

ИННОВАЦИИ № 12 (122), 2008

Главный производственный корпус

может затмить нефте- и газодобывающую отрасли. Эти технологии откроют для России возможности войти в число мировых производителей кремния электронной чистоты.

«Микроэлектроника будет развиваться в России только тогда, когда у нас будет собственное производство кремния», — не уставал повторять академик Александр Прохоров. Он отчетливо понимал, что у России есть реальные условия для развития микроэлектроники, силовой электротехники и солнечной энергетики.

Но в 90-е годы проект осуществить не удалось. И лишь два года назад были сделаны первые шаги по возрождению Балтийской кремниевой долины. О том, что сегодня происходит в Сосновом Бору, рассказывает генеральный директор международного научного центра «Энергии Солнца» и руководитель проекта «Балтийская кремниевая долина — ПОЛИСИЛ» Владимир Михайлович ЛИПКАНСКИЙ.

— Владимир Михайлович, БКД воссоздается в том же масштабе, в котором ее создал академик Прохоров, или же это новый проект?

В. М. Липканский и В. П. Сердюков

Идея Александра Михайловича была в том, чтобы создать в районе Соснового Бора полный кремниевый передел, начиная с производства технического кремния и заканчивая производством солнечных батарей, то есть всю т.н. «кремниевую цепочку». Если реализовать все сразу, потребуется более миллиарда долларов. И серьезные затраты электроэнергии. Поэтому мы отказались от полного цикла переработки кремния и остановились на строительстве производства по выпуску поли-кристаллического кремния, как наиболее рентабельного и востребованного кремниевого передела в мире. Ведь поликристаллический кремний — это базовый материал для солнечной энергетики, микроэлектроники, силовой электротехники.

Сегодня главная идея — возрождение в России кремневой индустрии. Ведь фактически ее у нас нет. Работа отдельных предприятий (например, в Подольске, в Железногорске и Усолье Сибирском, с точки зрения потребностей и российского, и мирового рынка — это капля в море. Мировое производство сегодня составляет около 40 000 тонн поликристаллического кремния в год, но спрос на него стремительно растет. По оценке западных аналитиков, к 2100 году производство электроэнергии с помощью Солнца будет равняться всей электроэнергии в мире. Россия должна здесь занять свою нишу, и время для этого еще есть. Под Петербургом мы создаем материальную базу — и это реальные шансы развить кремниевые технологии и войти в число мировых лидеров в этой области.

— Насколько известно из уроков химии, элемент Si (кремний) наряду с кислородом в земной коре играет такую же первостепенную роль как углерод в животном и растительном мире. Но в природе его не бывает в чистом виде. Как его приспосабливают для нужд человека, промышленности, энергетики?

Да, чистый кремний в природе не существует, в силу своей активности, он к себе сразу притягивает кислород и разные примеси. И то, что мы видим в виде кварцитов, песков, это все, как правило — оксиды кремния. Так вот для того, чтобы получить чистый кремний, приходится пройти ряд технологических переделов.

Один из самых чистых кремневых соединений в природе — кварцит — очищают до чистоты 98-99 %, применяя сравнительно несложные технологии переплавки. При этом, получается технический (или металлургический) кремний, который используется в металлургии, алюминиевой промышленности. Этот материал и является исходным для получения поликристаллического кремния. Дальше идет самый дорогой и самый сложный технологический передел: получение поликристаллического кремния, где кремний пе-

реходит из твердого агрегатного состояние в жидкое, потом — в газообразное и лишь затем — опять в твердое, осаждаясь в специальных печах на специальную оправку. Чистота конечного кремния зависит от качества очистки жидкой фазы кремнийсодержащих соединений. Поликристаллический кремний получают в виде слитков от 150 миллиметров в диаметре (в зависимости от оборудования) и метр-полтора высотой. Эти слитки разбивают, очищают и загружают в специальную печь для производства монокрис-таллического кремния. В чем разница? Поли-кристаллический кремний имеет решетку, состоящую из цепочек молекул, монокристаллический кремний — это, образно говоря, одна молекула. Слиток монокристаллического кремния режется на пластины, и далее — они идут либо для производства солнечных батарей, либо для подложек интегральных микросхем.

Чем вы будете выгодно отличаться от уже развитых западных производств?

Что Александр Михайлович Прохоров, что мы, не используем в базовых технологиях ничего уникального. Эту технологию мир знает с 60-х годов. И это скорее плюс, чем минус — придумывать ничего не нужно. За последние десятилетия мир пришел к циклу замкнутых, малоотходных и экологически безопасных кремниевых технологий. В свое время Александр Михайлович предложил в технологию доработку, которая позволяет оптимизировать некоторые параметры среды внутри замкнутого цикла.

Для производства солнечных батарей, сегодня используется кремний чистотой — 99,9999 %. А чем больше примесей, тем быстрее происходит деградация кремния. Чем чище кремний, тем он долговечнее. В идее нашего проекта — производство кремния с чистотой порядка 99,999999 %, которая позволит увеличить эффективность солнечных батарей и довести КПД до 20-25 % (сегодня этот показатель составляет не выше 14 %). Процесс очистки кремния технологически весьма сложен, и кроме того, чистоту кремния трудно сохранить. Ведь процессы преобразований идут на атомарном уровне. К примеру, популярные сегодня нанотехнологии — реализуются на молекулярном уровне. Поэтому существует некий разумный предел очистки, после которого цена на продукт вырастает не сообразно его потребительским свойствам, что делает дальнейшую очистку крайне дорогой.

Россия все что касается электроники, микроэлектроники, покупает на Западе. А ведь, по сути, успех был так близок, так реален... Сегодня же мы по удельному производству электроники на душу населения отстаем от США в 90 раз, от Япо-

нии — в 80 раз, от Европы — в 40 раз. Неужели мы сможем догнать эти страны?

Чтобы насытить кремниевый рынок, так или иначе перевести энергоисточники на энергию Солнца, времени достаточно. Кремний требуется развитым странам, развивающимся, как Россия, и отсталым государствам. Например, Африка, где много солнца — идеальный континент для использования солнечных батарей. Можно после установки забыть о них на 30, а то и 100 лет. Работа солнечных батарей не зависит ни от каких обстоятельств (кроме, разумеется, самого солнца), им не нужны электрические сети, а к военным конфликтам они вообще индеферентны, в смысле возможных негативных экологических последствий.

По оценкам экспертов не менее 30 % территории нашей страны пригодны для эффективного использования солнечной энергии. Однако и уже сегодня есть разработки, позволяющие увеличить эффективность использования солнечной энергии в местах с низкой солнечной активностью. Так в Санкт-Петербургском Физико-техническом институте им. Иоффе имеются перспективные разработки, которые позволяют существенно повысить эффективность использования солнечных батарей. Конечно, пока все они еще не дешевы, но это только пока...

- Конечно, напрашиваются аналогии с Силиконовой долиной в Калифорнии. Тем более, что там по сведениям работает более четверти миллиона наших специалистов. «Кремниевая долина — это больше, чем место. Это феномен, это стиль жизни, культура, конгломерат идей, луч надежды, набор возможностей, микрокосм потенциального будущего». Так поэтично пишет о ней Роберт Нойс, изобретатель интегральной схемы, основатель и руководитель фирмы Интел. Собираемся ли мы создавать нечто подобное?

Силиконовая долина в США — это инновационные центры, которые поддерживаются, в том числе, и государством. И помогают бизнесу генерировать идеи. Долина названа «кремниевой» в большей степени образно и связано это с полупроводниковыми технологиями, которые начинались, как правило, с кремния. В этом смысле Балтийская «кремниевая» долина в большей степени претендует на название «кремниевая», так как мы будем работать с кремнием. Хотя в дальнейшем на этой производственной базе возможно будет создавать инновационные центры по развитию полупроводниковых технологий, т. н. технопарки. Пока же, начать нужно с того, чтобы построить современный завод по производству поликрис-таллического кремния, что сегодня является сверхзадачей, но идти по этому пути надо.

ИННОВАЦИИ № 12 (122), 2008

ИННОВАЦИИ № 12 (122), 2008

Известно, что сосновоборцы восприняли еще один потенциальный источник угрозы окружающей среде неоднозначно. Как решаются экологические проблемы, которые могут возникнуть при производстве кремния? Может ли что-нибудь угрожать населению?

Есть некие фобии, которые развиваются на почве незнания и нежелания понимать. По поводу строительства кремниевого завода и якобы опасности для населения — это, от первого до последнего тезиса — ситуация надуманная. Мы проектируем и собираемся строить современное производство с реальным замкнутым циклом, которое не имеет «трубы». Да, будут остатки, которые образуются в незначительных количествах, которые используются в дальнейшем на химических комбинатах. Уверен, что вопросы, связанные с экологической опасностью при строительстве промышленных объектов в России инспирируются определенными кругами, не заинтересованными в ее развитии.

Мы взаимодействуем с серьезными западными компаниями, которые производят кремний. Прежде чем начать сотрудничество, мы детально ознакомились с передовым мировым опытом. В Германии кремниевые заводы стоят в центрах маленьких городков — и никто из жителей не поднимает вопросов о безопасности. За все время существования кремниевой индустрии не были зарегистрированы случаи с негативными экологическими последствиями. Это говорит о многом.

Если следовать подобным фобиям, то не менее опасно размещать в центре города и бензоколонки.

Как, по вашему мнению, будут развиваться альтернативные источники энергии?

Поскольку Солнце — природный источник, и его энергии нам хватит еще на миллионы лет, то не использовать ее грешно. Того количества солнечной энергии, которая доходит до Земли от Солнца только за один день, хватит для обеспечения всего мира энергией на год. Есть и другие альтернативные источники энергии — ветер, приливы, отливы, биомасса... Но Солнце — это самый реальный, массовый, безотказный генератор. Человечество прошло длинный путь от понимания сложного к простому. Мы проникли в недра атомного ядра, поняли, как из него извлекать энергию и управлять ей. Но мы вернулись к тому, что есть более безопасные, простые источники, которыми нужно научиться пользоваться. Да, пока не самые дешевые, но это только вопрос времени.

Вопрос о преобразовании солнечной энергии в электрическую решен давно. Сегодня этот процесс нужно увеличить до промышленных масштабов, а энергию нужно научиться сохранять без потерь. В России есть наработки для решения последней задачи. Например, т. н. водородный аккумулятор, который, вместе с солнечной батареей составляют идеальную энергетическую пару недалекого будущего. Пока такие разработки существуют только как опытные образцы. Но мы можем быть одной из первых стран, которая перейдет к их промышленному производству. Все зависит от того, какие средства будут направляться на эти цели...

Если говорить о Балтийской кремниевой долине, то на какой стадии вы находитесь?Не получится ли так, как в 90-х годах: все было решено, рассчитано... и осталось в идее?

Уверен, этого не произойдет. Мы заручились поддержкой на всех уровнях власти. Проект прошел фазу инициирования, подготовлены все условия для его реализации — бизнес-план, площадка, профессиональная команда, технико-технологические решения, разрабатывается рабочий проект. Есть принципиальные договоренности об инвестициях.. По нашим скорректированным планам первую партию в 500 тонн поликристал-лического кремния мы планируем выпустить в 2010 году. Рынок кремния стабильно растет. Производственные мощности, которые сегодня пытаются вводить разные страны, не поспевают за спросом. Через пять лет после получения первых инвестиций планируется выйти на проектную мощность — 5500 тонн в год. Есть планы за 8 лет довести общий объем производства до 20000 тонн, что отвечает прогнозам потребности мирового рынка поликристаллического кремния. С развитием нашего проекта, а также иных кремниевых проектов в нашей стране Россия займет свою нишу в области экспортно-ориентированного высокотехнологичного материала, получит собственную материальную базу для технологий как солнечных, так полупроводниковых. И в этом — одна из главных наших задач. По оценкам экспертов лет через десять — пятнадцать кремний может занять в мировой экономике и энергетике практически такое же важное место как нефть и газ.

Национальная безопасность государств будет зависеть в большей степени от того, как они будут выстраивать свою энергетическую независимость.

А кремний — и есть один из путей обретения такой независимости!