Rozwój fotowoltaiki na świecie i w Polsce

Transkrypt

1 Rozwój fotowoltaiki na świecie i w Polsce Autor: Ewa Klugmann-Radziemska - Politechnika Gdańska ( Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 9/2009) Przemysł fotowoltaiczny jest jednym z najintensywniej rozwijających się na świecie: w roku 2007 zainwestowano w sektorze odnawialnych źródeł energii ponad 100 miliardów dolarów amerykańskich, z czego 30% stanowią fundusze, które przypadły fotowoltaice. Dodatkowo ponad 10 milionów dolarów kosztowały nowe linie produkujące ogniwa i moduły PV. Wśród czołowych inwestorów znalazły się kraje: Niemcy, Chiny, USA, Hiszpania, Japonia i Indie. Produkcja fotowoltaiczna wzrosła w roku 2007 o ponad 60% (do 4 GW) w stosunku do roku poprzedniego. TakŜe rynek instalacyjny zanotował ponad 60% wzrost i osiągnął 2825 MW w obszarze instalacji podłączonych do sieci energetycznej oraz 1200 MW w instalacjach samodzielnych, artykułach konsumpcyjnych i zapasach magazynowych. Największy odsetek wśród instalacji fotowoltaicznych stanowią te, które są podłączone do sieci energetycznej w roku 2007 nastąpił w tej dziedzinie 50% wzrost w stosunku do roku poprzedniego z zainstalowaną mocą 2,7 GW (w roku ,6 GW). Daje to około 7,8 GW instalacji na całym świecie, co pozwala dostarczyć energię elektryczną do 1,5 miliona gospodarstw domowych. W roku 2008 w 27 krajach UE wyprodukowano w roku TWh energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych. Wśród dziesięciu najwaŝniejszych producentów ogniw i modułów fotowoltaicznych na świecie znajdują się obecnie: Q-Cells (Niemcy), Sharp (Japonia), Suntech (Chiny), Kyocera (Japonia), First Solar (USA), Motech (Taiwan), Sanyo (Japonia), SunPower (USA), Yingli Solar (Chiny), Solarworld (Niemcy/USA). W efekcie niewielkiego wzrostu produkcji japońskiej, udział Japonii w rynku światowym zmalał z 36,9% do 23%, a ilość japońskich fabryk, znajdujących się w pierwszej dziesiątce zmalała do trzech,

2 przy czym znaczenia nabrali producenci w Chinach (rys.1). W roku 2007 aŝ 90 % wyprodukowanych modułów PV zostało zamontowanych w instalacjach podłączonych do sieci elektro - energetycznej w Europie, globalnie udział instalacji pracujących na sieć wynosi 70%. Sytuacja ta jest wynikiem świadomej polityki wielu krajów, wspierających ten rozwój poprzez taryfy feed in, przede wszystkim Niemiec. Pozostałe kraje europejskie poszły w ślady niemieckiego sukcesu na rynku PV. Instalacje fotowoltaiczne podłączone do sieci elektroenergetycznej stają się coraz bardziej popularne, istotnie wpływając na lokalny system dystrybucji energii. W krajach, gdzie osiągnięto wysoki udział OZE w systemie energetycznym, istotnym problemem jest określenie maksymalnej zainstalowanej mocy systemów PV (a takŝe generatorów wiatrowych), która nie obniŝy znacząco jakości energii w sieci niskiego napięcia. Teoretyczna granica wynosi około 3,5 kw na gospodarstwo domowe [2]. Obliczenia te zostały pozytywnie zweryfikowane we Freiburgu (Niemcy), gdzie w ramach inwestycji, zakończonej w roku 2006, zainstalowano system PV na kaŝdym budynku (333 kw w 50 domach szeregowych). Średnie zuŝycie energii wynosi tam rocznie kwh na gospodarstwo domowe (znacznie mnij niŝ dla typowego gospodarstwa w USA: 3 razy mniej niŝ w Kalifornii i 4 razy mniej niŝ w Ontario). Moduły PV zamontowane na dachu produkują rocznie 3 razy tyle energii ile wynosi jej roczne zuŝycie (940 kwh/kw/rok) [3]. Najnowsze analizy wskazują, Ŝe system ten pracuje bez widocznego ujemnego wpływu na jakość energii w sieci, zgodnie ze standardami EN BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) architektoniczne, strukturalne i estetyczne systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami to jedna z najbardziej obiecujących form wykorzystania energii odnawialnej, pozwalająca na połączenie systemu generującego energię elektryczną z obiektami, takimi jak domy mieszkalne, szkoły i biurowce. Instalacje takie powstają na całym świecie, głównie w przypadku prestiŝowych projektów, takich jak np. olbrzymie biurowce wielkich korporacji. Coraz częściej jednak projektuje się mniejsze systemy, równieŝ w przypadku prywatnych budynków mieszkalnych. Rozwiązanie to uwaŝa się obecnie za przyszłość fotowoltaiki. Szczególnie na obszarach wielkich miast, gdzie nie ma wolnej przestrzeni dla instalacji innego typu, moŝe to być jedyna moŝliwość wykorzystania energii odnawialnej. NiezaleŜnie od inicjatyw politycznych i regulacji prawnych, wiele istotnych technologicznych, przełomowych dokonań powoduje, Ŝe technologie BIPV są coraz bardziej dostępne. Dotyczy to między innymi nowych gatunków szkła (szkło samoczyszczące, z nowymi powłokami antyrefleksyjnymi, przepuszczającymi do 96% padającego promieniowania, co poprawia sprawność systemu o 3,5%). Systemy fotowoltaiczne z koncentratorami (CPV) są inną moŝliwością dla zastosowania instalacji zintegrowanych z budynkami, szczególnie w klimacie, gdzie dostępne promieniowanie słoneczne składa się w zasadniczej większości z promieniowania bezpośredniego. Stosując soczewki lub zwierciadła zogniskowane na ogniwach PV uzyskuje się większą ilość energii elektrycznej na wyjściu z układu w odniesieniu do jednostkowej powierzchni instalacji. Przewidywania na temat rozwoju rynku fotowoltaicznego na świecie do roku 2010 wahają się między 6 GW (negatywny scenariusz konserwatywny), poprzez 7 do 8 GW (EPIA, Bank Sarasin, LBBW) do 17 GW (Photon Consulting) [1]. Całkowita zainstalowana moc przekroczy 35 GW na koniec roku Rys. 2 przedstawia tendencję rozwoju rynku PV dla dwóch załoŝonych scenariuszy: rozwój bazujący na tempie dotychczasowego wzrostu i rozwój przyspieszony.

3 Niedobór krzemu wysokiej czystości pozwolił na rozwój i wzrost znaczenia technologii cienkowarstwowych. W roku 2007 technologie te stanowiły 11% globalnej sprzedaŝy [5]. Rys. 3 ilustruje tendencję zwiększania się udziału technologii cienkowarstwowych wglobalnej produkcji. Około 90% bieŝącej produkcji bazuje na ogniwach wykonanych na bazie krystalicznego krzemu. Dzięki temu moŝliwy jest zakup kompletnej linii produkcyjnej i uruchomienie produkcji w stosunkowo krótkim czasie. Wg scenariuszy rozwoju rynku PV na świecie, takie inwestycje nadal powinny być obciąŝone

4 niewielkim ryzykiem i zapewniać stosunkowo krótki okres zwrotu nakładów inwestycyjnych, jednakŝe brak dostatecznej podaŝy krzemu wskazuje na konieczność rozwoju technologii cienkowarstwowych. Analitycy z WTC, firmy konsultacyjnej, mieszczącej się w Monachium (Niemcy), wskazali 130 instytucji zaangaŝowanych obecnie we wdraŝanie badań B+R w największych korporacjach produkujących moduły PV. Obecnie obserwuje się następujące trendy, związane z niewystarczającą podaŝą czystego krzemu, nie zaspakajającą potrzeb intensywnie rozwijającego się rynku: producenci krzemu są na etapie zwiększania moŝliwości produkcyjnych; oznacza to,ŝe oceniają oni rynek modułów fotowoltaicznych z krystalicznego krzemu jako stabilny, na rynek wkraczają nowi producenci krzemu; szereg firm jest obecnie na etapie finalizowania biznesplanów, producenci ogniw fotowoltaicznych próbują wdraŝać technologie z wykorzystaniem coraz cieńszych płytek krzemowych oraz zwiększyć ich sprawność, aby ograniczyć zuŝycie krzemu, istotna ekspansja wdroŝonych technologii cienkowarstwowych jest obecnie na etapie realizacji, a jednocześnie na rynek wchodzą nowi producenci: w porównaniu do roku 2006, udział tych technologii wzrósł ponad dwukrotnie - do 402 MW w roku 2007; w roku 2010 moŝliwe jest osiągnięcie produkcji na poziomie 10 GW, o 60% większej niŝ przewidywano w roku Przewidywana produkcja krzemu dla fotowoltaiki w roku 2010 waha się pomiędzy ton a ton. Zapotrzebowanie na surowiec powinno zmaleć z obecnego poziomu 10 g/wp do 8 g/wp [1]. MoŜna wymienić następujące tendencje, mające prowadzić do rozwiązania problemu ograniczonej podaŝy krzemu: producenci krzemu starają się zwiększyć swoje moŝliwości produkcyjne, utrzymuje się tendencja do produkowania ogniw na bazie cieńszych płytek i zwiększania sprawności; Innovalight Inc. poinformowała właśnie o wielkim sukcesie, jakim jest uzyskanie 18% sprawności ogniw krzemowych, co zostało niezaleŝnie potwierdzone przez U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) oraz The Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) w Niemczech [7], zwiększa się udział technologii cienkowarstwowych: w porównaniu do roku 2006 udział ten wzrósł ponad 100% do 402 MW w roku 2007, jeśli zostanie utrzymane obecne tempo, moŝliwe będzie osiągnięcie poziomu produkcji 10 GW w roku 2010, co stanowi wzrost 60% w porównaniu z przewidywaniami z zeszłego roku. Istotny wpływ na przyrost zainstalowanej mocy w systemach fotowoltaicznych mają: - regulacje budowlane, - zbiór przepisów dla zielonych budynków, - subsydia kapitałowe systemów, wykorzystujących odnawialne źródeł energii, - feed-in-tariffs dla zielonej energii, - krajowe, regionalne i lokalne polityki dla odnawialnych źródeł energii. Zgodnie ze stanowiskiem Komisji Europejskiej najistotniejszym zagadnieniem powinno być bezpieczeństwo energetyczne, przy dotrzymaniu warunku zrównowaŝonego rozwoju i konkurencyjności. Podczas posiedzenia w Brukseli 25 września 2008 r. określono takŝe kierunki współpracy B+R między ośrodkami naukowymi a przemysłem, w ramach następujących kategorii:

5 redukcja kosztów, technologie nowej generacji (wysokosprawne ogniwa krzemowe i organiczne, przełom w dziedzinie technologii krzemu krystalicznego), integracja z siecią, sieci inteligentne, magazynowanie energii, nowe technologie produkcyjne, wydłuŝenie czasu Ŝycia modułów powyŝej 35 lat. W czasie obrad 23 Europejskiej Konferencji Fotowoltaicznej, która odbyła się na początku września 2008 r. w Walencji, postawiono cel osiągnięcia 12% poziomu produkcji energii elektrycznej z modułów fotowoltaicznych w Europie w roku 2020 [6], co odpowiada TWh ( GW zainstalowanej mocy w systemach PV). Aby tę wizję zrealizować naleŝałoby zainstalować do roku 2020 systemy PV o mocy GW. Ta polityka uzasadniona jest wzrostem cen energii oraz postępem technologicznym, jaki dokonał się w ostatnim okresie. Dominującymi państwami pozostają: Włochy, Hiszpania i Niemcy, chociaŝ większość krajów europejskich równieŝ będzie rozwijać sektor fotowoltaiczny. W roku 2007 rynek europejski zanotował wzrost na poziomie 87% (2157 MW zainstalowanej mocy). W poszczególnych krajach notuje się specyfikę rozwoju: w Niemczech 40% stanowią systemy poniŝej 10 kw, w Hiszpanii 91% instalacji podłączonych w r do sieci elektroenergetycznej ma moc powyŝej 1 MW, we Włoszech zanotowano 350% wzrost (do 90 MW), a największą liczbę instalacji stanowią instalacje komercyjne (46% rynku), we Francji nastąpił wzrost 257% (do 50 MW), przy czym ponad 60% nowo zainstalowanych systemów znajduje się poza granicami kraju. Analizując sytuację w poszczególnych krajach Unii Europejskiej oraz w Polsce, dla otrzymania pełnego obrazu sytuacji fotowoltaiki, naleŝy porównać udział energii, pochodzącej ze źródeł odnawialnych w odniesieniu do: całkowitej produkcji/konsumpcji energii i całkowitej produkcji/konsumpcji energii elektrycznej. Raport Frost&Sullivan wskazuje dodatkowo na istotny wzrost ilości instalacji zintegrowanych z budynkami (BIPV) w Europie do 25,7 MW (głównie w Niemczech, Francji, Włoszech i Hiszpanii), a takŝe postęp w tej dziedzinie, jaki ma miejsce w Grecji, Portugalii i Szwajcarii. Kondycja fotowoltaiki w poszczególnych krajach Unii Europejskiej róŝni się zasadniczo, głównie dzięki odmiennej polityce i programom wspomagającym. Od ponad 10 lat liderem na rynku europejskim (EU27) są Niemcy - ponad 80% z mocą zainstalowaną 1100 MW, z roczną produkcją energii 3,07 TWh i prognozowaną na rok 2009 produkcją 5,6 TWh, drugie miejsce zajmuje Hiszpania: 340 MW i Włochy: 50 MW zainstalowanej mocy. Hiszpania planuje pokrycie 12,1% całkowitego zapotrzebowania na energię i 30,3% na energię elektryczną przez energię z OZE do r

6 We wszystkich krajach, które odnotowały znaczny rozwój fotowoltaiki (Niemcy, Hiszpania, Włochy, Francja), siłą napędową było wprowadzenie korzystnych feed-in tariffs, a takŝe realizacja innych programów wspierających. 15 spośród 27 krajów, wchodzących w skład UE (wraz ze Szwajcarią) wprowadziło juŝ specjalne taryfy. Dla przykładu Hiszpania gospodarz 23 Europejskiej Konferencji Fotowoltaicznej, ogłosiła kolejny PV Royal Decree (Real Decreto) z nowym poziomem taryf feed in dla wszystkich instalacji: 0,32 /kwh (dla instalacji naziemnych i montowanych na dachach budynków o mocy powyŝej 20 kw oraz 0,34 /kwh dla instalacji montowanych na dachach o mocy poniŝej 20 kw. RównieŜ pierwsze uregulowania prawne dla fotowoltaiki w Południowej Australii wprowadzają na kolejne 20 lat taryfy feed in na poziomie 0,42 US$/kWh. Tymczasem w Polsce nadal trudno zauwaŝyć jakikolwiek postęp w dziedzinie produkcji energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych. Pojawiają się ostatnio inicjatywy uruchomienia produkcji ogniw i modułów PV w naszym kraju w trzech róŝnych lokalizacjach, częściowo w oparciu o dofinansowanie inwestycji w ramach programów operacyjnych UE. Produkcja ta ma być oparta o gotowe rozwiązania licencyjne i kompletne linie technologiczne. Zbyt na produkowane moduły znajdzie się prawdopodobnie poza granicami naszego kraju ze względu na korzystniejsze warunki dla produkcji energii fotowoltaicznej. Jest to jednak szansa na wzrost zainteresowania tą technologią w Polsce i nadzieja na korzystne regulacje finansowo-prawne w przyszłości. Literatura [1] A. Jäger-Waldan, PV Status Report 2008, Joint Research Centre, European Commission [2] H. Laukamp, Get connected: PV on the grid, Renewable Energy World, January 2008 [3] P. Gipe, Freiburg's Solar Siedlung (Settlement), April 7, Wind-Works.org 2007 [4] F.R. Martins, R. Rüther, E.B. Pereira, S.L. Abreu, Solar energy scenarios in Brazil. Part two: Photovoltaics applications, Energy Policy 36 (2008), p [5] P. Mints, Is Booming Growth Sustainable? The Global Photovoltaic Industry, Renewable Energy World Magazine, Volume 11, Issue 4, July/August 2008 [6] D. Appleyard, Rising the Sun PV sector shines in Spain, Renewable Energy World Magazine, Volume 11, Issue 6, November/December 2008 [7] Innovalight Reaches 18% Efficiency with Silicon Ink Solar Cell, RenewableEnergy WorldCom, September 2009 Ewa Klugmann-Radziemska Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny Gdańsk, Narutowicza 11/12 ewa.klugmann-radziemska@pg.gda.pl