Energetyka słoneczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
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 2014 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 180 GW[4](wzrost o 40 GW w stosunku do 2013 roku)[5] i zaspokajały one 0,8% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[4].

Promieniowanie słoneczne[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Konwersja fotowoltaiczna[edytuj | edytuj kod]

 Osobne artykuły: ogniwo słonecznefotowoltaika.

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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Sztuczna fotosynteza.

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[edytuj | edytuj kod]

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 i małą sprawność.

Wieże słoneczne[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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:

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[edytuj | edytuj kod]

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 Wzrost
2014/2013
Udział
 Niemcy 6120 10566 17900 25400 33000 36300 38200 5,2% 21,2%
 Chiny 140 300 800 3300 7000 17639 28199 59,9% 15,6%
 Japonia 2144 2627 3618 4914 6632 13599 23300 71,3% 12,9%
 Włochy 458 1181 3502 12803 16454 18074 18460 2,1% 10,2%
 Stany Zjednoczone 1169 1616 2534 3910 7328 12079 18280 51,3% 10,1%
 Francja 186 335 1054 2974 4090 4733 5660 19,6% 3,1%
 Hiszpania 3635 3698 4110 4897 5216 5333 5358 0,5% 3,0%
 Wielka Brytania 23 26 70 976 1747 2780 5228 88,1% 2,9%
 Australia 105 188 571 1377 2407 3226 4136 28,2% 2,3%
 Belgia 108 627 1055 2057 2768 3009 3074 2,2% 1,7%
 Indie 71 101 161 481 1176 2320 3062 32,0% 1,7%
 Grecja 18 55 205 624 1536 2579 2595 0,6% 1,4%
 Korea Południowa 358 524 656 812 1025 1475 2384 61,6% 1,3%
 Czechy 64 462 1952 1959 2072 2132 2134 0,1% 1,2%
 Republika Południowej Afryki 0 12 40 68 75 122 1966 691,8% 0,5%
 Kanada 33 95 281 558 766 1211 1710 41,3% 0,9%
 Tajlandia 33 43 49 243 388 824 1299 57,7% 0,7%
 Rumunia 0 0 0 3 49 1022 1293 26,5% 0,7%
 Holandia 57 68 99 150 363 737 1098 49,0% 0,6%
 Szwajcaria 48 74 111 211 440 756 1076 42,3% 0,6%
 Bułgaria 1 7 35 141 1010 1020 1022 0,2% 0,6%
 Austria 32 53 96 187 360 626 766 22,4% 0,4%
 Izrael 3 25 70 190 237 481 731 52,1% 0,4%
 Ukraina 0 0 0 140 326 616 616 0,0% 0,3%
 Dania 3 5 7 17 379 563 603 7,1% 0,3%
 Słowacja 0 0 148 508 543 588 590 0,3% 0,3%
 Chile 0 0 0 0 0 3 368 0,2%
 Portugalia 68 102 123 158 226 281 391 39,1% 0,2%
 Meksyk 22 25 31 37 55 112 176 56,5% 0,1%
 Malezja 9 11 13 14 36 73 160 118,3% 0,1%
 Szwecja 8 9 11 16 24 43 79 82,9% 0,0%
 Turcja 4 5 6 7 9 18 58 227,7% 0,0%
 Norwegia 8 9 9 10 10 11 13 22,6% 0,0%
 Finlandia 4 5 7 8 9 10 10 0,0% 0,0%
Świat 16 063 24 263 41 330 71 218 102 076 140 150 180 396 28,7% 100,0%
Wzrost w roku +73% +51% +70% +72% +43% +37% +29%

Ekonomika[edytuj | edytuj kod]

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 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[17][18]. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej[19][20]. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Annual Solar Photovoltaics Production by Country, 1995-2010 (ang.). Earth Policy Institute, 2011-10-27. [dostęp 2011-10-30].
  2. BNEF: Clean energy investment in 2014 beats expectations: Surges in solar investment in China and the US helped to drive the global total up 16% to USD 310 billon
  3. 2014 - dobry rok dla energetyki odnawialnej na świecie, reo.pl
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 BP Statistical World Energy Review 2015. , 20 czerwca 2015. BP (ang.). [dostęp 23 czerwca 2015]. 
  5. Growth of Global Solar and Wind Energy Continues to Outpace Other Technologies
  6. 6,0 6,1 Energy flow charts (ang.). Global Climate & Energy Project. [dostęp 2012-10-16].
  7. Watching your heat budget (ang.). NASA. [dostęp 9 lutego 2012].
  8. 8,0 8,1 Natural Forcing of the Climate System (ang.). UNEP GRID-Arendal. [dostęp 9 lutego 2012].
  9. Annual Solar Irradiance, Intermittency and Annual Variations (ang.). Green Rhino Energy. [dostęp 29 października 2014].
  10. Zdzisław Kusto, Politechnika Gdańska: Wykorzystanie energii słonecznej.
  11. Energy conversion by photosynthetic organisms (ang.). FAO. [dostęp 9 lutego 2012].
  12. Fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii w ciągu 10 lat. odnawialnezrodlaenergii.pl. [dostęp 29 marca 2015].
  13. 13,0 13,1 Geoffrey Carr: Sunny Uplands: Alternative energy will no longer be alternative. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  14. Pricing Sunshine. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  15. Solar module pricing (ang.). solarbuzz.com. [dostęp 14 lutego 2012].
  16. EnergyTrend.com (ceny średnie) marzec 2015 (ang.). Cleantechnica. [dostęp 29 marca 2015].
  17. Germany Installed Record Amount Of Solar Power In 2012, 7.6 GW Of New Capacity (ang.). Cleantechnica. [dostęp 14 stycznia 2013].
  18. Zaskakujące wyniki rynku fotowoltaicznego w Niemczech w 2012 r.. Gram w zielone. [dostęp 14 stycznia 2013].
  19. Solar grid parity comes to Spain. Forbes, 2012. [dostęp 2013-02-14].
  20. Grid parity within reach in Europe, says consortium. 2012. [dostęp 2013-02-14].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]