Energetyka słoneczna

Elektrownia słoneczna Nellis w Stanach Zjednoczonych

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie^[1]. Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2014 wyniosły 149,6 mld dolarów^[2][3]. W 2019 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 586 GW^[4] (wzrost o 98 GW w stosunku do 2018 roku)^[5] i zaspokajały one 2,7% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną^[4].

Promieniowanie słoneczne

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary (kropki) mogłyby pokryć całkowite światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną (18 TW czyli 568 eksadżuli (EJ) rocznie), gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%

Teoretycznie dostępna energia źródeł odnawialnych w porównaniu z aktualnym światowym zapotrzebowaniem^[6]

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę^[7][8]. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m²^[8]. Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m²*rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce^[9]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok)^[10].

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy^[11]. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni^[6].

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego

Ogniwo fotowoltaiczne

Konwersja fotowoltaiczna

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Konwersja fototermiczna

Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe’a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2–6 m² kolektorów słonecznych), jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Konwersja fotochemiczna

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

Termoliza wody

Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło Sewilli w Hiszpanii

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń, ich szybkie zużywanie się i małą sprawność.

Wieże słoneczne

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.

Zastosowanie energii słonecznej

Zasilany energią słoneczną Tramwaj Wodny na Brdzie w centrum Bydgoszczy

Zasilanie akumulatora jachtu za pomocą ogniwa fotowoltaicznego

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania budynku

Skala indywidualna

Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:

• urządzenia przenośne wymagające niewielkich ilości energii, np. kalkulatory, zegarki elektroniczne,
• trudno dostępne miejsca, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej byłoby nieopłacalne, np. domy stojące pojedynczo, kamery monitorujące, fotoradary,
• pojazdy, w których wykorzystanie innych źródeł energii byłoby nieopłacalne, np. sztuczne satelity, jachty żaglowe, wozy kempingowe.

Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi ze spadkiem cen (200-krotnym w latach 1977-2015 – patrz „ekonomika” poniżej), z większą dostępnością technologii, programami dofinansowania instalacji tego typu urządzeń, rosnącą świadomością ekologiczną oraz wzrostem cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł. Na rynku pojawiły się również nowe rozwiązania łączące tradycyjne źródła energii (np. LPG) z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych (np. w czasie zimy).

Skala przemysłowa

Widok na elektrownię słoneczną SEGS III–VII, Kramer Junction, CA, USA

Kraje o największym wykorzystaniu energii słonecznej w latach 2004-2013^[4]

Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie^[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW.

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW^[4]:

Region	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	Wzrost 2018/2017	Udział
Chiny	140	300	800	3300	7000	17639	28199	43480	78070	130816	175032	33.8%	35.9%
Japonia	2144	2627	3618	4914	6632	13599	23300	35400	42750	49040	55500	13.2%	11.4%
Stany Zjednoczone	1169	1616	2534	3910	7328	12079	18280	25600	40300	43031	51450	19.6%	10.5%
Niemcy	6120	10566	17900	25400	33000	36300	38200	39700	41275	42339	45932	8.5%	9.4%
Włochy	458	1181	3502	12803	16454	18074	18460	18900	19279	19688	20126	2.2%	4.1%
Indie	71	101	161	481	1176	2320	3062	5062	9010	9647	17873	85.3%	3.7%
Wielka Brytania	23	26	70	976	1747	2780	5228	9070	11727	12776	13108	2.6%	2.7%
Australia	105	188	571	1377	2407	3226	4136	5065	5488	5993	9769	63.0%	2.0%
Francja	186	335	1054	2974	4090	4733	5660	6557	7130	8610	9483	10.1%	1.9%
Korea Południowa	358	524	656	812	1025	1475	2384	3408	4350	5835	7862	34.7%	1.6%
Hiszpania	3635	3698	4110	4897	5216	5333	5358	5432	5490	7029	7048	0.3%	1.4%
Turcja	4	5	6	7	12	19	41	250	834	3422	5064	48.0%	1.0%
Holandia	57	68	99	150	363	737	1098	1405	2100	2903	4150	43.0%	0.9%
Belgia	108	627	1055	2057	2768	3009	3074	3251	3422	3610	4026	11.5%	0.8%
Kanada	33	95	281	558	766	1211	1900	2504	2715	2873	3113	8.4%	0.6%
Południowa Afryka	0	12	40	68	75	122	920	1120	2174	2486	2959	19.0%	0.6%
Tajlandia	33	43	49	243	388	824	1299	1420	2150	2702	2725	0.8%	0.6%
Grecja	18	55	205	624	1536	2579	2595	2606	2611	2606	2652	1.8%	0.5%
Szwajcaria	48	74	111	211	440	756	1076	1361	1640	1906	2246	17.8%	0.5%
Chile	0	0	0	0	0	3	368	848	1125	1809	2137	18.1%	0.4%
Czechy	64	462	1952	1959	2072	2132	2134	2075	2073	2070	2078	0.4%	0.4%
Austria	32	53	96	187	360	626	766	937	1096	1269	1431	12.8%	0.3%
Rumunia	0	0	0	3	49	1022	1293	1325	1372	1374	1377	0.2%	0.3%
Izrael	3	25	70	190	237	481	731	881	872	975	1076	10.4%	0.2%
Bułgaria	1	7	35	141	1010	1020	1022	1036	1028	1036	1036	0.0%	0.2%
Dania	3	5	7	17	379	563	603	783
Słowacja	0	0	148	508	543	588	590	600
Portugalia	68	102	123	158	226	281	391	454
Meksyk	22	25	31	37	55	112	176	282
Malezja	9	11	13	14	36	73	160	231
Szwecja	8	9	11	16	24	43	79	130
Finlandia	4	5	7	8	9	10	14	19
Norwegia	8	9	9	10	10	11	13	15
Świat	16 063	24 263	41 330	71 218	102 076	140 150	180 396	230 606	301 473	392 263	487 829	24.4%	100.0%
Wzrost w roku	+73%	+51%	+70%	+72%	+43%	+37%	+29%	+28%	+33%	+30%	+24%

Ekonomika

Przewidywany koszt energii z instalacji fotowoltaicznych w Europie w latach 2010-2020

Spadek cen krzemowych ogniw fotowoltaicznych w latach 1977-2015

Z raportu instytutu Fraunhofer ISE (należącego do Fraunhofer-Gesellschaft) wynika, że w 2025 roku fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii. Koszt energii pozyskanej z paneli słonecznych w krajach środkowej i południowej Europy będzie wynosił ok. 4-6 eurocentów/kWh, zaś ok. 2050 roku 2-4 eurocenty/kWh^[12]. Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%^[13]. W latach 1977 – 2015 ceny ogniw spadły 200-krotnie – z 76,67 USD/wat^[13][14] do poziomu 0,36 USD/wat, powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu.

Dynamiczny wzrost zainstalowanej mocy spowodował szybki spadek cen ogniw fotowoltaicznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5 USD/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3 USD/wat^[15], w marcu 2015 roku 0,28-0,36$/wat^[16], w grudniu 2019 roku 0,08-0,16$/wat^[17].

W ekonomice energetyki słonecznej ważny jest aspekt zapewniania maksymalnej wielkości wyprodukowanej energii w najwyższych letnich „pikach” jej zużycia, związanych z masowym wykorzystaniem klimatyzacji, gdy energia w systemie energetycznym jest najdroższa. W ten sposób energia słoneczna zapobiega tzw. letnim „blackoutom”.

W 2012 roku, mimo ograniczenia finansowego wsparcia dla sektora solarnego, w Niemczech zainstalowano rekordową moc ogniw słonecznych – 7600 MW, dając całkowitą moc 32 000 MW dla tego źródła odnawialnego^[18][19]. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci, czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej^[20][21]. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Zobacz też

• elektrownia orbitalna
• demokracja energetyczna
• energetyka słoneczna w Polsce
• energetyka słoneczna we Francji
• energetyka słoneczna w Niemczech

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Polskie Towarzystwo Energetyki Słonecznej z siedzibą w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej
• Instytut Energetyki Odnawialnej (IEO)
• Kampania Demokracja energetyczna, Zielony Instytut
• Sunlight and its Properties