Postawmy na Słońce

Po dokonaniu analizy całkowitych globalnych rezerw paliw kopalnych oraz rocznych zasobów energii odnawialnej w odniesieniu do rocznego światowego zapotrzebowania na energię okazuje się, że największe rezerwy tkwią w energii słonecznej.

Najbliższa nam gwiazda (rys. 1), znajdująca się w odległości zaledwie 150 mln km od Ziemi, przez astronomów nazywana żółtym karłem, corocznie traci 1,26x1014 t ze swej masy wynoszącej 1,99x10²⁷ t. Jest to jednak ubytek masy tak nieznaczny że nie spowoduje istotnych zmian przez następnych kilka miliardów lat. Następuje on w wyniku promieniowania elektromagnetycznego, wyrzutów materii oraz rozbłysków, które są następstwem zachodzącej we wnętrzu Słońca reakcji syntezy termojądrowej, polegającej na łączeniu lekkich jąder wodoru i przekształcaniu w cięższe jądra helu (proces przebiegający w przeciwnym kierunku do reakcji rozszczepiania jąder wykorzystywanej w elektrowniach jądrowych), podczas której uwalnia się ogromna ilość energii (znacznie większa, niż w reakcji rozszczepiania). Temperatura w jądrze gwiazdy dochodzi do 14 mln °C, zaś na powierzchni osiąga 5,5 tys. °C.

Rysunek 1. Słońce (Źródło: NASA) [z prawej strony na dole zdjęcia, w celu zobrazowania proporcji, autor przedstawił Ziemię].

Z zewnętrznych obszarów korony słonecznej wyrzucany jest tzw. wiatr słoneczny, który stanowią strumienie protonów i elektronów z niewielką domieszką jąder helu. Korona jest natomiast źródłem słonecznego promieniowania elektromagnetycznego, które w postaci światła, fal radiowych, podczerwieni, nadfioletu oraz promieni rentgenowskich przenika i wypełnia przestrzeń międzyplanetarną. Słońce wypromieniowuje energię poprzez całą swoją powierzchnię, 12 tys. razy większą od powierzchni Ziemi, we wszystkich kierunkach. Stąd na Ziemię, po ośmiu minutach i dwudziestu sekundach od wypromieniowania, dociera jedynie niewielka część energii uwalnianej przez Słońce. Bez niej jednak życie na naszej planecie nie byłoby możliwe. Energia słoneczna dostarcza światła i ciepła, które są niezbędne do wzrostu roślin dostarczających pożywienia dla zwierząt i ludzi, a także stwarza warunki sprzyjające rozwojowi tych ostatnich. Wykorzystywane dotychczas w celach energetycznych paliwa kopalne stanowią formę zmagazynowanej energii słonecznej.

Większość wypromieniowywanej przez Słońce energii to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal rzędu 0,2-2,5 µm, które jest wysokoenergetyczne, gdyż energia promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Jedynie część (46%) ww. promieniowania, o długości fal 0,35-0,75 µm, to światło widzialne, którego barwy zdolne jest zarejestrować ludzkie oko, reszta to podczerwień odczuwana w postaci ciepła (47%) i niebezpieczny dla organizmów żywych nadfiolet (7%). Łącznie do Ziemi kierowana jest jedna półmiliardowa część energii emitowanej przez Słońce, a jej strumień docierający do ziemskiej atmosfery ma średnią moc ok. 1,39 kW/m², która w ciągu roku ulega niewielkim, kilkuprocentowym wahaniom, ze względu na zmianę odległości Ziemi od Słońca. Wskutek odbicia, absorpcji i rozproszenia, w zależności od pory dnia i roku, do powierzchni Ziemi dociera mniej niż połowa tej energii1). Jedynie 1% to ultrafiolet, gdyż reszta zostaje przechwycona przez warstwę ozonową w atmosferze, natomiast 59% stanowi podczerwień, a 40% światło widzialne. Do powierzchni Ziemi okresowo dociera także promieniowanie korpuskularne (wiatr słoneczny), które powoduje powstawanie zórz polarnych oraz zakłóceń radiowych, nie odgrywa ono jednak większej roli w procesach biologicznych zachodzących na naszej planecie.

Światowe zainteresowanie energetyką słoneczną

Po dokonaniu analizy całkowitych globalnych rezerw paliw kopalnych oraz rocznych zasobów energii odnawialnej w odniesieniu do rocznego światowego zapotrzebowania na energię (rys. 2) okazuje się, że największe rezerwy tkwią w energii słonecznej.

Rysunek 2. Dostępne na świecie źródła energii (Źródło: W.B. Koldehoff, The Solar Thermal Market, Status-Technologies-Perspectives, Inter Solar 2009, San Francisco 2009)

Docierające do Ziemi zasoby energii słonecznej (rys. 3) znacznie przewyższają dostępne w skali roku zasoby pozostałych rodzajów energii odnawialnej, a także całkowite rezerwy wszelkiego rodzaju paliw kopalnych łącznie. Problem tkwi w efektywności dostępnych systemów umożliwiających wykorzystywanie energii słonecznej.

Rysunek 3. Rozkład promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi (Źródło: http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area)

Systemy wykorzystujące promieniowanie słoneczne po zainstalowaniu na terenach wskazanych ciemnymi punktami na rys. 3, tj. na afrykańskiej Saharze oraz na pustyniach: Arabii Saudyjskiej, Chin, Australii, USA i Chile, byłyby w stanie dostarczyć więcej energii niż wynosi obecne światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną (uwzględniając efektywność konwersji rzędu 8%). W powyższych szacunkach uwzględniona została cała aktualna konsumpcja energii obejmująca zapotrzebowanie na energię cieplną, energię elektryczną oraz surowce energetyczne, w tym służące do produkcji paliw transportowych.

Do zalet energii słonecznej należą:
- powszechna dostępność,
- brak negatywnych konsekwencji dla środowiska podczas eksploatacji,
- małe koszty eksploatacji,
- pozytywny wpływ na zmniejszenie uzależnienia od dostawców energii.

Wśród wad można dostrzec natomiast:
- wysoki koszt instalacji systemów solarnych,
- dużą podatność na warunki środowiskowe,
- sezonowość dostaw, gdyż w nocy produkcja energii ustaje.

Wśród podstawowych sposobów wykorzystania energii słonecznej wymieniane są:
- pasywna konwersja fototermiczna - polegająca na ogrzewaniu wody przepływającej przez specjalny system rur - ten sposób używany jest m.in. do ogrzewania budynków i dostarczania ciepłej wody,
- aktywna konwersja fototermiczna - polegająca na podgrzewaniu specjalnych roztworów (sód, lit, azotan potasu), które parując wprawiają w ruch turbinę wytwarzającą energię elektryczną,
- konwersja fotowoltaiczna - polegająca na przetwarzaniu promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną (nadaje się do zastosowania głównie w warunkach dużego nasłonecznienia).

Systemy fototermiczne (tab. 1) występują w dwóch odmianach, które należy wykorzystywać w zależności od klimatu panującego w miejscu ich instalacji (zamieszkiwania użytkownika), tj. dla klimatu chłodnego lub ciepłego. W systemach dla klimatu chłodnego (z obiegiem zamkniętym) wykorzystywane są substancje niezamarzające, które zabezpieczają system, zwłaszcza zimą oraz podczas chłodnych jesiennych nocy. W systemach dla klimatu ciepłego (z obiegiem otwartym) woda po przejściu przez kolektor słoneczny przesyłana jest bezpośrednio do bojlera.

Tabela 1. Moc cieplnych elektrowni słonecznych na świecie na początku 2008 r. [w GW]
Źródło: Renewables Global Status Report, REN21, Paryż 2009.

Poziom energii generowanej przez system fotowoltaiczny zależy od trzech czynników:
1) ilości odbieranego promieniowania słonecznego,
2) technologii budowy użytych w systemie ogniw fotowoltaicznych,
3) efektywności konwersji systemu.

System fotowoltaiczny zwykle (rys. 4) składa się z ogniw fotowoltaicznych (fotoogniw, ogniw słonecznych) oraz przetworników dostosowujących wytwarzany w nich prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. Aby wytworzona energia mogła być wykorzystywana także w nocy, w systemie muszą być stosowane akumulatory (ołowiowo-kwasowe lub inne), umożliwiające jej magazynowanie. Do zasilania urządzeń prądem stałym niezbędne jest stosowanie kontrolera napięcia, zaś prądem zmiennym - falownika (zmieniającego napięcie stałe na zmienne). Materiałem najczęściej używanym do produkcji fotoogniw jest krzem krystaliczny i półkrystaliczny, ale do ich wytwarzania wykorzystywane są także: arsenek galu, tellurek kadmu, selenek indowo-miedziowy i inne materiały.

Rysunek 4. System fotowoltaiczny (Źródło: opracowanie własne autora)

Pojedyncze ogniwa, ze względu na zbyt niską moc wytwarzaną (1-2 W), nie są wykorzystywane i zwykle łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduły fotowoltaiczne o powierzchni 0,3-1 m2, których moc wyrażona w watach mocy szczytowej (Wp - watt peak) kształtuje się na ogół w przedziale 30-120 Wp. Systemy fotowoltaiczne wykorzystywane są jako: wolnostojące (korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych), hybrydowe (kombinacja modułu fotowoltaicznego i kolektora, bądź innego systemu wytwarzania energii, np. z wykorzystaniem generatora spalinowego, gazowego lub wiatrowego), lub dołączone do sieci (elektrownie z dużą ilością paneli, oddające energię do sieci elektroenergetycznej).

Rynek słonecznej energetyki fotowoltaicznej wykazywał w 2008 r. trzy główne trendy:
1) wzrost zainteresowania integracją budownictwa i energetyki PV,
2) najszybszy rozwój segmentu najcieńszych ogniw fotowoltaicznych,
3) budowa wielkich elektrowni słonecznych.

W 2007 r. (tab. 2) i 2008 r. (rys. 5) słoneczna energetyka fotowoltaiczna (PV) była najszybciej rozwijającą się technologią opartą o odnawialne źródła energii. Odnotowała ona 70% wzrost w porównaniu z 2007 r. i osiągnęła poziom 13 GW (licząc razem z instalacjami niedołączonymi do sieci energetycznej poziom ten wynosi 16 GW). Wzrost, który nastąpił w 81 krajach wyniósł łącznie 5,95 GW. 82%-owy udział w powyższym rynku osiągnęła Unia Europejska. Liderem była Hiszpania, która zainstalowała 41% nowych światowych mocy w tym obszarze (2,46 GW) i ze wzrostem wynoszącym aż 285% zepchnęła Niemcy z pozycji dotychczasowego lidera rynku PV W tym samym czasie USA zajęły trzecie miejsce, a Korea Południowa, w wyniku gwałtownego rozwoju rynku PV, wyszła na czwartą pozycję, wyprzedzając Włochy i Japonię. Wzrost odnotowano także w: Australii, Kanadzie, Chinach, Francji i Indiach.

Tabela 2. Państwa z najlepiej rozwiniętym sektorem energetyki PV – stan na 1.01.2008 r. [w MW]
Źródło: opracowanie własne autora. 

Rysunek 5. Światowy rynek PV w 2008 r. (Źródło: Annual World Solar PV Market Report – www.solarbuzz.com)

W USA inwestycje w czyste źródła energii, w tym w energetykę słoneczną, ukierunkowane są na zapewnienie niezależności energetycznej kraju przez:
- przerwanie zależności od ropy naftowej, np. wskutek wdrożenia nowej generacji aut napędzanych akumulatorami,
- produkowanie większej ilości energii blisko domu w wyniku rozwoju lokalnej energetyki odnawialnej,
- poprawę efektywności energetycznej i redukcję jej zużycia w przemyśle, rolnictwie, budownictwie i transporcie.

Właśnie w USA rozpoczęła się budowa największych elektrowni słonecznych na świecie. W Deming w stanie Nowy Meksyk na 2011 r. planowane jest uruchomienie 5-krotnie większej od największej funkcjonującej obecnie elektrowni słonecznej, tj. o mocy 300 MW. Zajmować będzie ona 1,3 tys. ha i dostarczy energię elektryczną do 240 tys. domów. Niewiele mniejsza będzie elektrownia słoneczna budowana nieco ponad 100 km od Phoenix, blisko miejscowości Gila Bend, w stanie Arizona. Od 2011 r., na 769 ha, produkować będzie 280 MW energii. Wcześniej jednak, gdyż już w 2010 r., w Mildura (stan Victoria) w Australii uruchomiona zostanie 154 MW elektrownia słoneczna, która następnie do 2013 r. ma być rozbudowywana, aż do osiągnięcia pełnej mocy 270 MW.

Pierwsza słoneczna elektrownia cieplna zbudowana została w 1980 r. w Kramer Junction w słonecznej Kaliforni (USA). Funkcjonuje ona dotychczas i dostarcza 350 MW energii cieplnej. Jednak to w Chinach następuje najbardziej dynamiczny rozwój energetyki słonecznej, ze względu na ogromną energochłonność tamtejszej gospodarki (rys. 6). Energia słoneczna wykorzystywana jest tam do ogrzewania wody i budynków, klimatyzacji i wentylacji pomieszczeń oraz wytwarzania energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych. Energetyka słoneczna w najbliższych latach zachowa w państwie środka znaczący udział w planowanym zwiększeniu produkcji energii ze źródeł odnawialnych z obecnych 1,5% do 6% całkowitego wolumenu energii. W Japonii energia słoneczna zimą wykorzystywana jest do roztapiania śniegu zalegającego na jezdniach, zaś w lecie do magazynowania energii w celu jej późniejszego wykorzystania w sezonie zimowym. Miliardy jenów wydawane są na rozwój technologii PV.

Rysunek 6. Cieplna energetyka słoneczna na świecie w 2007 r. (Źródło: W.B. Koldehoff, The Solar Thermal Market, Status-Technologies-Perspectives, Inter Solar 2009, San Francisco 2009)

W 2008 r. na rynku słonecznej energetyki cieplnej odnotowano wzrost o 15% (19 GW), osiągając poziom 145 GW. Największy wzrost odnotowano w Chinach (14 GW), co stanowiło trzy czwarte nowych mocy zainstalowanych na całym świecie, a jednocześnie wzmacniało chińską dominację w tej dziedzinie. W Niemczech zainstalowano w 2008 r. ponad 200 tys. nowych systemów słonecznej energetyki cieplnej, co przyniosło rekordowy wzrost mocy w tym zakresie, gdyż o 1,5 GW. Szybki wzrost (o 0,5 GW) zaobserwowano również w Hiszpanii. Znaczne ilości nowych systemów słonecznej energetyki cieplnej zainstalowano także w Turcji, Brazylii, Indiach, Australii, Japonii, USA, Meksyku, Izraelu, Maroku i Tunezji.

W wielu innych krajach budowane są domy mieszkalne, a nawet całe osiedla, zasilane w ciepłą wodę do celów użytkowych i grzewczych, podgrzewaną za pomocą promieniowania słonecznego. Baterie kolektorów słonecznych umieszczane są wówczas zwykle na dachach, a do instalacji włączane także podziemne magazyny ciepła. Spośród najbardziej rozwiniętych gospodarczo państw świata dostrzec można, że jedynie w Wielkiej Brytanii występuje mniejsze niż w innych krajach zainteresowanie energetyką słoneczną.

System fotowoltaiczny w Rose Barni blisko Pistoi, przy autostradzie A11 (Włochy)
Fot. T. Leszczyński

Aktualnie największym realizowanym słonecznym projektem energetycznym jest elektrociepłownia na Pustyni Mojave (Kalifornia, USA) o docelowej mocy 900 MW. W pierwszym etapie realizowane są trzy obiekty (bloki), w tym jeden o mocy 100 MW, który oddany zostanie w 2010 r. oraz dwa po 200 MW, planowane do uruchomienia w 2011 r. Oczekuje się, że już pierwsza część ww. zakładu energetycznego będzie produkować 246 GWh rocznie.

Jednak największy na świecie projekt z obszaru energetyki słonecznej, który na długo może przyćmić wszystkie dotychczasowe osiągnięcia, planowany jest w indyjskim stanie Gujarat. Będzie to zintegrowane Słoneczne Miasto o mocy 5 GW. Władze stanu proponują, by projekt zrealizować w Kutch lub Banaskanta, które należą do najbardziej na zachód wysuniętych części kraju, leżących w pobliżu granicy z Pakistanem. Rząd Indii szacuje, że realizacja ww. projektu może kosztować 200 mld rupii (ok. 0,5 mld USD). Termin budowy Słonecznego Miasta nie został jeszcze określony.

Energetyka słoneczna w Unii Europejskiej

W większości państw Unii Europejskiej nie ma odpowiednich warunków do budowy elektrowni słonecznych, heliociepłowni i pieców słonecznych (rys. 7 - str. 72). Jednak w prawie każdym z nich istnieje możliwość stosowania energii słonecznej do ogrzewania budynków, klimatyzacji pomieszczeń oraz ogrzewania wody użytkowej.

Rysunek 7. Średnioroczne promieniowanie słoneczne w Europie [w kWh/m2] (Źródło: Komisja Europejska)

W 2007 r. największy wzrost w tym obszarze odnotowała niemiecka energetyka słoneczna (rys. 8), która osiągnęła na koniec roku poziom 658 MW zainstalowanej mocy szczytowej (rys. 9).

Rysunek 8. Nowe moce zainstalowane w cieplnej energetyce słonecznej w państwach Unii Europejskiej w 2008 r. (Źródło: W.B. Koldehoff, The Solar Thermal Market, Status-Technologies-Perspectives, Inter Solar 2009, San Francisco 2009)

Do 2007 r. Niemcy były także światowym liderem w zakresie zainstalowanych ogniw fotowoltaicznych, których ilość sięgała połowy ilości ogniw zainstalowanych na świecie. W 2007 r. moc nowozainstalowanych systemów wyniosła 1,3 GW osiągając na koniec roku moc skumulowaną 3,83 GW i dostarczając 1% produkowanej w kraju energii elektrycznej. Największa słoneczna elektrownia fotowoltaiczna w Niemczech zlokalizowana została w Muldental-kreis, a jej moc wynosi 40 MW. Obecnie ok. 400 tys. budynków w Niemczech ma zainstalowane panele słoneczne, znajdują się one głównie na słonecznym południu kraju. Do 2012 r. 6 mln domów ma być zaopatrywanych w energię elektryczną wytwarzaną przez słoneczne elektrownie fotowoltaiczne, których moc osiągnie wówczas 12 GW.

Rysunek 9. Cieplna energetyka słoneczna w Unii Europejskiej w 2007 r. (Źródło: G. Stryi-Hipp, German experiences with suport programs for the development of Photovoltaic And Solar Terma markets, Solar Support Programs, San Francisco 2009)

W 2008 r. nastąpił dynamiczny rozwój energetyki słonecznej w Hiszpanii, który plasuje ten kraj i hiszpańskie przedsiębiorstwa w czołówce światowych liderów innowacyjnych technologii energetycznych, zarówno w obszarze energii cieplnej, jak i energii elektrycznej. Hiszpańskie spółki we współpracy z miejscowymi instytutami badawczymi podjęły wyzwanie i w całym kraju instalują coraz nowocześniejsze systemy luster (CSP) oraz olbrzymie pola fotowoltaiczne (PV), a także prowadzą badania nad panelami nowej generacji. Hiszpania jest aktualnie czwarta na świecie i druga w Unii Europejskiej pod względem wykorzystania energii słonecznej (do końca 2008 r. zainstalowano m.in. 8,3 tys. systemów fotowoltaicznych). Hiszpanie zamierzają być najszybciej rozwijającym się rynkiem ogniw fotowoltaicznych, tak by niebawem zająć drugą pozycję na światowym rynku PV Na południu Hiszpanii, w okolicach Sewilli panują znakomite warunki do wykorzystania energii pochodzącej z ciepła słonecznego, tam też zlokalizowano słoneczną elektrociepłownię o mocy 10 MW (w 2012 r. osiągnie pełną moc 300 MW).

Natomiast w okolicach Granady powstał zakład o mocy 50 MW. Hiszpania jest także jednym z największych na świecie producentów ogniw fotowoltaicznych, które wytwarzają dwaj główni producenci: Isofoton i BP Solar. Ok. 80% ww. ogniw jest eksportowanych, w tym głównie do państw Unii Europejskiej oraz do krajów leżących w obu Amerykach i Azji. Rząd Hiszpanii promuje inwestycje w krajową energetykę słoneczną i planuje instalację w 2009 r. 400 MW PV i 500 MW CSP Zgodnie z przewidywaniami energetyka słoneczna będzie dostarczała zasadniczą część z zadeklarowanych 20% energii odnawialnej w 2020 r. Zgodnie z Planem energetyki odnawialnej do 2010 r. mają zostać zainstalowane kolektory słoneczne o powierzchni minimum 5 mln stóp kwadratowych, tj. 465 tys. m².

Obecnie siedem z dziesięciu największych na świecie fotowoltaicznych elektrowni słonecznych eksploatowanych jest w Hiszpanii (tab. 3). Wszystkie one zostały zbudowane i oddane do użytku w 2008 r.

Tabela 3. Moc największych na świecie elektrowni PV – stan na 9.08.2009 r. [w MW]
Źródło: opracowanie własne autora.

Koszt produkcji 1 MW w słonecznej elektrowni fotowoltaicznej jest ok. dwa razy wyższy niż w słonecznej elektrowni cieplnej, a ten dwukrotnie wyższy niż w tradycyjnych elektrowniach węglowych lub gazowych. W związku z szybką tendencją zniżkową należy przypuszczać, że już wkrótce zarówno ceny energii elektrycznej, jak i energii cieplnej uzyskiwanych z energii słonecznej będą konkurencyjne do cen energii pozyskiwanej z pozostałych źródeł energii. Nastąpi to, gdy wejdą dopłaty do cen węgla ze względu na emisję gazów cieplarnianych, tym szybciej, im szybciej będą rosły ceny gazu ziemnego i ropy naftowej.

Ze względu na obecny kryzys gospodarczy przewiduje się, że w latach 2009-2010 przyrost mocy zainstalowanej, zarówno w energetyce słonecznej PV, jak i CSP, będzie mniejszy niż w 2008 r. Znaczny spadek przewiduje Hiszpania: z 2,5 GW w 2008 r. do 0,5 GW w 2009 r. Czterokrotny w porównaniu do roku poprzedniego wzrost planują natomiast Włochy, w których nowe instalacje słoneczne mają w br. osiągnąć 0,9-1 GW. Realizowanych jest ok. 70 tys. projektów, w szczególności na północy kraju. Włosi planują, po instalacji w 2010 r. ok. 1,5 GW nowych mocy, uplasowanie się w energetyce słonecznej na drugim miejscu w Unii Europejskiej po Niemczech. Zaznaczyć należy, że instalacje włoskie podobne są do niemieckich, gdzie ok. 40% stanowią projekty o mocy mniejszej niż 10 kW Odmienną koncepcję przyjęto w Hiszpanii, gdzie 91% to instalacje o mocy przekraczającej 1 MW. W perspektywie średnio- i długookresowej przewidywać należy dalszy dynamiczny rozwój energetyki słonecznej, jednak skala wzrostu jest trudna do oszacowania.

W piśmiennictwie dotyczącym energetyki słonecznej nie brak głosów, iż istotny wpływ na rozwój instalacji fotowoltaicznych mają regulacje budowlane²). Także zdaniem autora dla rozwoju energetyki słonecznej w Polsce należałoby wykorzystać doświadczenie innych państw członkowskich Unii Europejskiej, w których wszystkie budynki powinny charakteryzować się wymaganą efektywnością termiczną (Niemcy), a najwyższe z nich należy wyposażać w system PV lub instalację kolektorów słonecznych (Hiszpania). Zmiany systemowe mogłyby także częściowo uwzględniać dofinansowywanie instalacji fotowoltaicznych stosowanych w budownictwie (Wielka Brytania), choćby z funduszy przeznaczonych na ochronę środowiska, w tym zarówno krajowych, jak i pozyskiwanych z projektów unijnych.

Oceniając, że dotychczasowe działania są niewystarczające, Komisja Europejska stwierdziła, iż potrzebne są przełomowe odkrycia umożliwiające opracowanie technologii nowej generacji³). Pomimo trudności, do których należą: rozproszona baza naukowa Wspólnoty, mnogość nieskoordynowanych strategii badawczych państw członkowskich oraz niedostateczne kompetencje struktur, Unia Europejska zamierza być światowym liderem w dziedzinie no-wych technologii energetycznych. Decydujące w tym zakresie będzie najbliższe 10 lat, w czasie których podjęte decyzje będą miały głębokie konsekwencje z punktu widzenia europejskiego i światowego bezpieczeństwa energetycznego. W tym czasie Komisja Europejska planuje m.in. stworzyć warunki dla powstania jednolitej, inteligentnej europejskiej sieci energetycznej, która sprosta masowemu włączeniu do sieci odnawialnych i zdecentralizowanych źródeł energii. W zakresie energetyki słonecznej planowana jest koncentracja: na dużych projektach prezentujących doświadczenia w dziedzinie słonecznych ogniw fotoelektrycznych i skoncentrowanej energii słonecznej.

Jak już wyżej wspomniano, jedną z wad energetyki słonecznej jest jej sezonowość. Skutecznym sposobem rozwiązania tego problemu może być np. budowa elektrowni słonecznych rozrzuconych po całym kontynencie europejskim. Zdecydowanie lepsze pod tym względem warunki panują jednak w Afryce, a zwłaszcza w bardzo bliskiej Europie - Afryce Północnej. Badania w powyższym zakresie, na zlecenie niemieckiego Ministerstwa Ochrony Środowiska i Bezpieczeństwa Nuklearnego (Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety), przeprowadził Institute of Technical Thermodynamics, których wyniki opublikował w 2006 r. (rys. 10).

Rysunek 10. Wizja sieci energetycznej EUMENA (Źródło: German Aerospace Center, Institute of Technical Thermodynamics, 2006)

Analizą objęto m.in. potencjał europejskiej energetyki opartej o odnawialne źródła energii oraz perspektywy w zakresie zapotrzebowania na energię w Europie. Koncepcja uwzględniła połączenie sieci energetycznych państw Unii Europejskiej oraz krajów Środkowego Wschodu i Afryki Północnej (EUMENA, od European Union and Middle East and North Africa), a także ewaluację możliwości i potencjalnych korzyści, jakie może przynieść import energii z najbliższego otoczenia na teren Wspólnoty.

W efekcie zidentyfikowano trzy obszary najbardziej perspektywiczne dla budowy elektrowni słonecznych (A-C), rejony Europy, w których po 2020 r. nastąpi największy deficyt energii elektrycznej (1-3) oraz optymalne trasy połączenia producentów z odbiorcami energii (rys. 11).

Rysunek 11. Projekt produkcji energii elektrycznej w MENA i dostarczania jej do EU (Źródło:German Aerospace Center, Institute of Technical Thermodynamics, 2006)

Jako najbardziej efektywne pod względem dostępnej ilości energii słonecznej na 1 m² rozpoznane zostały rejony: zachodniej Algierii, Południowej Libii i środkowego Egiptu. Największe zapotrzebowanie na energię elektryczną - zdaniem opracowujących raport niemieckich ekspertów - w badanej perspektywie wystąpi w: Niemczech, Holandii, Wielkiej Brytanii, północnych Włoszech oraz Turcji i Polsce. Aby połączyć wskazane wyżej regiony należy wybudować wysokowydajną i przeznaczoną do przesyłu wysokich napięć sieć HVDC (High Voltage Direct Current), której każde ramię będzie miało ponad 1 000 km. Przewidywany został roczny transfer energii w ww. sieci od 60 TWh w 2020 r. do 700 TWh w 2050 r.

Wnioski

Dotychczas energia słoneczna była na świecie mało docenianym źródłem energii. Jednak w niektórych państwach, w tym w wybranych krajach Unii Europejskiej, odnotowuje się ostatnio bardzo szybki przyrost mocy produkowanych i instalowanych ogniw słonecznych. W 2007 r. moc zainstalowanych w Niemczech elektrowni fotowoltaicznych sięgała 4 GW, dzięki którym wyprodukowano 3,5 TWh energii. W 2008 r. nastąpił gwałtowny rozwój energetyki słonecznej w Hiszpanii, zaś na kolejne lata szybki przyrost mocy zainstalowanych w elektrowniach słonecznych zapowiadają Włochy.

Energia słoneczna bardziej niż do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywana jest obecnie do produkcji ciepła. Światowym liderem w tym zakresie są Chiny. Walkę o dominację, w której na najbliższe dekady pierwsza pozycja Azji będzie niezagrożona, podejmują Indie. Projekt Słonecznego Miasta w indyjskim stanie Gujarat wielokrotnie przewyższa wszystko, czego dotychczas dokonano w energetyce słonecznej.

Obecnie koszt wyprodukowania 1 MW energii z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych jest dwukrotnie wyższy niż z użyciem paliw kopalnych, jednak szybko maleje i szacuje się, że po 2020 r. technologie słoneczne staną się ekonomicznie konkurencyjne. Niemcy, unijny lider w dziedzinie technologii słonecznych, na 2020 r. zapowiadają 7% udziału energetyki PV w produkcji energii elektrycznej. Wówczas także należy oczekiwać realizacji projektu Trans-Śródziemnomorskiego, który będzie w stanie w znacznym stopniu przyczynić się do zaspokojenia energetycznych potrzeb państw członkowskich Unii Europejskiej.

Elektrownia słoneczna PV w Lucalnena de las Tores w hiszpańskiej Andaluzji (Źródło: D. Lenardič, Large-Scale Photovoltaic Power Plants, Jesenice 2009 )

Literatura:
1.Annual World Solar PV Market Report- www.solarbuzz.com.
2.Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions A European strategic energy technology plan "Towards a low carbon future", COM(2007) 723 final.
3.Concentrating Solar Power Global Outlook 2009, Greenpeace, Amsterdam 2009.
4.PV status report 2008, Komisja Europejska, Luksemburg 2008.
5.Renewables Global Status Report, REN21, Paryż 2009.

Przypisy:
1.Atmosfera eliminuje część widma i zmienia natężenie promieniowania, tak, że maksimum gęstości strumienia energii docierającego do Ziemi w obszarze podzwrotnikowym wynosi około 1 kW/m².
2.Por. E. Klugman-Radziemska, Przełamać stereotyp - foto-woltaika nie dla nas, Czysta energia nr 6/2008.
3.Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions A European strategic energy technology plan "Towards a low carbon future", COM(2007) 723 final.

dr inż. Tadeusz Zbigniew Leszczyński

Autor jest pracownikiem służby cywilnej w Komendzie Głównej Policji i ekspertem bezpieczeństwa narodowego i zarządzania kryzysowego.

 Źródło: Chrońmy Klimat