ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ODNAWIALNĄ W POLSCE NA PRZYKŁADZIE FOTOWOLTAIKI

Transkrypt

1 Studia i Materiały. Miscellanea Oeconomicae Rok 16, Nr 2/2012 Wydział Zarządzania i Administracji Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach Z a r ządzanie i f i n a n s e Izabela Wierzbicka 1 ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ODNAWIALNĄ W POLSCE NA PRZYKŁADZIE FOTOWOLTAIKI Zobowiązania wynikające z unijnego programu 3x20, który zakłada, że do roku 2020 udział odnawialnych źródeł w produkcji energii osiągnie 20%, nakłada na kraje członkowskie w tym Polskę poważne zobowiązania w tym obszarze. Z tego względu z pewnością udział energii odnawialnej w ogólnym oszacowaniu będzie systematycznie wzrastał. Oprócz zobowiązań Unii Europejskiej, głównym powodem przeorientowania energetyki w kierunku poszukiwania nowych technologii odnawialnych są ograniczone zasoby energetyczne paliw pierwotnych oraz coraz większa dbałość o środowisko naturalne. Dodatkowo, inwestycje w energię odnawialną wspierają również rozwój biznesu i miejsc pracy oraz, co ważniejsze, niezależność energetyczną danego państwa czy obszaru. Do najbardziej znanych i wykorzystywanych źródeł energii odnawialnych należą: energia biomasy, promieniowanie słoneczne, energia wiatru, energia spadku wody, geotermia (ciepło z wnętrza Ziemi), ciepło otoczenia (energia czerpana przy pomocy pomp ciepła). Wszystkie odnawialne źródła energii można wykorzystywać w gospodarce regionalnej. Wybór źródła lub źródeł zależy od lokalnych warunków środowiska geograficznego, gdyż nie wszystkie źródła występują lub są osiągalne i jednakowo opłacalne w każdym miejscu kraju. Energia słoneczna to najtańsze ale jednocześnie najbardziej marnotrawione źródło czystego ciepła a nawet prądu. Myślę, że w zakresie odnawialnych źródeł energii, w coraz większym zakresie będziemy szli w stronę słońca. Nasi sąsiedzi Niemcy (a więc kraj posiadający bardzo zbliżone warunki do wykorzystywania energii słonecznej) już dawno temu zrozumieli, że inwestowanie w energię słoneczną opłaca się ogromnie. W dziedzinie fotowoltaiki Niemcy są państwem 1 Dr Izabela Wierzbicka, adiunkt, Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach. 333

2 o największej zainstalowanej mocy w Europie. Na świecie tylko Stany Zjednoczone i Japonia przewyższają ten kraj pod względem całkowitej mocy zainstalowanych systemów fotowoltaicznych. Na świecie powstają już elektrownie słoneczne, a w Polsce moduły PV są wykorzystywane głównie do oświetlenia znaków drogowych. Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Efekt fotowoltaiczny został zaobserwowany przez francuskiego fizyka Edmonda Becquerela w 1839 r. Pierwszym poważnym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było zasilanie satelitów w końcu lat pięćdziesiątych XX w. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla zastosowań kosmicznych było siłą napędową rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej początkowym okresie, a postęp techniczny w latach sześćdziesiątych XX w. pozwolił na wykorzystanie systemów fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Pomimo postępu, systemy fotowoltaiczne były zbyt drogie, by mogły być powszechnie zastosowane. Jednakże, wzrost cen energii wywołany kryzysem naftowym w połowie lat siedemdziesiątych XX w., spowodował zwiększenie ich opłacalności. Od tego czasu koszt systemów fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów stale rośnie. Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych obszarach: elektronika powszechnego użytku, systemy wolnostojące i systemy dołączone do sieci elektroenergetycznej. Miliony małych ogniw fotowoltaicznych (generujących od kilku mw do kilku W mocy) zasila obecnie zegarki, kalkulatory, zabawki, radia, przenośne telewizory i wiele innych dóbr konsumpcyjnych. Ogniwa takie wykonane są najczęściej z cienkich warstw krzemu amorficznego (a-si). Obecnie na świecie najpowszechniejszym zastosowaniem fotowoltaiki są systemy wolnostojące średniej skali, produkujące od kilku W do kilku tysięcy W. Są one najczęściej używane na obszarach oddalonych od sieci elektroenergetycznej, gdzie inne sposoby generacji energii elektrycznej są drogie, oraz tam gdzie konieczna jest generacja energii w sposób czysty, cichy i niezawodny 2. Profesjonalne systemy wolnostojące wykorzystywane są do zasilania automatycznych urządzeń, takich jak oświetlenie i telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne. Stwierdzono iż wolnostojące systemy fotowoltaiczne są niezawodne, opłacalne i nie wymagają obsługi. Systemy fotowoltaiczne mają również ogromny potencjał do zasilania urządzeń na obszarach nie podłączonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi nie ma dostępu do prądu elektrycznego). Dziesiątki tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie polega obecnie na systemach fotowoltaicznych, wykorzystując je do pokrycia większości lub całości swojego zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednakże w ostatnich latach duży nacisk jest kładziony na rozwój systemów PV zintegrowanych z architekturą (BIPV - Building Integrated Photovoltaics) podłączonych do sieci elektroenergetycznej, 2 ( ). 334

3 ponieważ zapewniają one najwyższy potencjał na długofalową redukcję zużycia paliw kopalnych oraz zmniejszenie emisji CO 2. W dzisiejszych czasach ogniwa fotowoltaiczne prawie całkowicie zasilają satelity używane zarówno do celów telekomunikacyjnych, badawczych, jak i wojskowych. Co ważne, moduły fotowoltaiczne w czasie swojej pracy nie emitują żadnych zanieczyszczeń, hałasu i oddziaływają na środowisko w stopniu najmniejszym spośród innych nośników energii. Ze względu na niską gęstość energii produkowanej w siłowniach fotowoltaicznych (PV- photovoltaic) i relatywnie dużą powierzchnię zajmowaną przez moduły, celowym okazuje się integrowanie systemów PV z pokryciami dachowymi lub fasadami budynków. Zwrócić uwagę należy na uregulowania systemowe m.in. w zakresie fotowoltaiki w Polsce. Otóż, Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, który przyjęty został przez rząd w grudniu 2010 r 3. określa polskie cele w zakresie udziału energii z OZE w sektorze transportowym, energii elektrycznej oraz ogrzewania i chłodzenia. Zwraca uwagę, że wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych przyczynia się do rozwoju słabiej rozwiniętych regionów, bogatych w zasoby zielonej energii oraz, ze w związku z realizacją inwestycji w OZE Ministerstwo Gospodarki przewiduje wzrost zatrudnienia w gospodarce. Prognoza wykorzystania systemów fotowoltaicznych w Polsce została ujęta w trzech scenariuszach, z czego pierwszy oparty jest o ustalenia Polityki Energetycznej Polski do roku 2030 i zawiera projekcję w zakresie rozwoju mocy wytwórczych fotowoltaiki 4. Tabela 1. Prognoza rozwoju mocy wytwórczych energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych (MW). Paliwo/technologia Fotowoltaika Źródło: Polityka Energetyczna Polski do 2030 r. Oczywiste jest, ze zastosowanie na dużą skalę modułów PV umożliwiłoby przyspieszenie przyrostu mocy zainstalowanej w odnawialnych źródłach energii, ponieważ instalacja niewielkich systemów fotowoltaicznych nie wymaga długotrwałych przygotowań. Ułatwieniem szybkiej instalacji dużej ilości systemów fotowoltaicznych jest niewielkie zapotrzebowanie tej technologii na grunty, możliwość wykorzystania powierzchni dachowych a co za tym idzie bark potrzeby przeprowadzania zmian w planach zagospodarowania przestrzennego 5. Z tego 3 Sporządzenie i przesłanie komisji Europejskiej ww. dokumentu wynika bezpośrednio z art. 4 dyrektywy 2009/28/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniających i w następstwie uchylającej dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE. 4 Polityka Energetyczna Polski do roku 2030, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, 2009 r. 5 Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, 2010 r. 335

4 punktu widzenia fotowoltaika w Polsce może okazać się szybką alternatywą zrealizowania brakującej mocy OZE w przeciwieństwie do energetyki wiatrowej czy biomasowej, w których proces inwestycyjny może trwać kilka lat. Polska posiada znaczne zasoby energii odnawialnej, jednak istnieją znaczne rozbieżności w ocenie ich potencjału technicznego oraz przestrzennego rozkładu na obszarze kraju. Dlatego też, rozważając możliwości jak wykorzystana może zostać ta energia odnawialna, należy każdorazowo przeprowadzić analizę dostępnych na danym terenie zasobów oraz technicznych możliwości ich wykorzystania. Jeżeli chodzi o zasoby energii słonecznej w Polsce to są one na wysokim poziomie, bo gęstość promieniowania słonecznego wynosi kwh/m 2 rocznie. Potencjalne zasoby energii promieniowania słonecznego w Polsce po uwzględnieniu strat energii na skutek pochłaniania i rozpraszania w atmosferze określa się na kwh/m 2 rocznie 6. Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Na rysunku poniżej i w tabeli poniżej pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju 7. Rysunek 1. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kwh/m 2 /rok. (Liczby wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju). Źródło: z r. 6 M. Butkowski, Rynek technologii słonecznych w Polsce, Polskie Sieci Elektroenergetyczne - Wschód Sp. z o.o. 7 odnawialna.pl/wykorzystanie_es.htm, ( ). 336

5 Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach kwh/m 2. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie. Tabela 2. Potencjalna energia użyteczna w kwh/m 2 /rok w wyróżnionych rejonach Polski. Rejon Rok Półrocze letnie Sezon letni Półrocze (I-XII) (IV-IX) (VI-VIII) zimowe (X-III) Pas nadmorski Wschodnia część Polski Centralna część Polski Zachodnia część Polski z górnym dorzeczem Odry Południowa część Polski Południowo-zachodnia część polski obejmująca obszar Sudetów z Tuchowem Źródło: ( ). Dane zaprezentowane na rysunku powyżej odnoszą się do skali regionalnej. W rzeczywistych warunkach terenowych, wskutek lokalnego zanieczyszczenia atmosfery i występowania przeszkód terenowych, rzeczywiste warunki nasłonecznienia mogą odbiegać od podanych. Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego. Przedstawiono je na rysunku poniżej, podając wartości godzin usłonecznienia (ilości godzin czasu trwania promieniowania słonecznego w ciągu roku) dla reprezentatywnych rejonów Polski wg IMGiW. Wielkość zasobów słonecznych w Polsce jest porównywalna z takimi krajami jak Wielka Brytania, Belgia, Holandia, Dania, Niemcy, Szwajcaria. Mimo stosunkowo długiego okresu jesienno-zimowego i częstych zachmurzeń, roczne zasoby energii słonecznej w Polsce na jednostkę powierzchni są tylko około 50% mniejsze niż w takich krajach europejskich jak: Włochy, Grecja, Turcja, Francja, Hiszpania czy Portugalia i około dwukrotnie mniejsze niż w krajach afrykańskich takich jak Senegal, Izrael, Egipt, Etiopia 8. 8 A. Skoczek, Możliwości rozwoju fotowoltaiki w Polsce na tle programu rozwoju odnawialnych źródeł energii w Niemczech, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. 337

6 Rysunek 2. Średnioroczne sumy usłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych rejonów Polski. Źródło: ( ). Usłonecznienie to czas, w którym widoczna jest tarcza słoneczna lub umownie, wyrażony w godzinach czas, w którym natężenie promieniowania słonecznego przekracza 120 W/m 2. W Polsce odpowiada to średnio 1600 godzinom słonecznym rocznie. Jest to więc znacząca ilość energii. Jak dotąd, udział wykorzystania energii słonecznej wyprodukowanej w systemach fotowoltaicznych w całkowitym zużyciu energii elektrycznej w Polsce jest niebywale mały. Rynek energii słonecznej w Polsce znajduje się w stadium rozwoju. Systemy fotowoltaiczne w Polsce, w chwili obecnej funkcjonują jako rozwiązania mające charakter dydaktycznodemonstracyjny, a także jako źródło zasilania np. stacji monitoringu, różnego typu sygnalizacji, itp. Na rynku krajowym pojawiły się już firmy oferujące kolektory słoneczne, solary czy ogniwa fotowoltaiczne. Są oni w stanie dostarczyć kompletne systemy dla klientów zainteresowanych energią słoneczną. Rozwój fotowoltaiki w Polsce nie będzie jednak możliwy bez konkretnych rozwiązań systemowych bo przecież np. o powodzeniu niemieckiego programu rozwoju fotowoltaiki zadecydowało wsparcie finansowe ze strony państwa i władz lokalnych. Mimo, iż możliwości rozwoju rynku fotowoltaicznego w Polsce są ograniczone, to jednak celowym jest zwrócenie uwagi na możliwości wykorzystania energii słonecznej w aspekcie bezpośrednich korzyści dla państwa. Są to korzyści ekologiczne, ekonomiczne i społeczne. Polska zobowiązana jest do ograniczania emisji CO 2 do atmosfery, więc zwiększanie udziału energii odnawialnych w strukturze 338

7 energii pierwotnej (elektroenergetyka opiera się na węglu), bezpośrednio przyczyni się do obniżenia emisji. Bibliografia: 1. Butkowski M., Rynek technologii słonecznych w Polsce, Polskie Sieci Elektroenergetyczne-Wschód Sp. z o.o, 2. Jarzębski Z., Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna. PWN, Warszawa, Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC, Skoczek A., Możliwości rozwoju fotowoltaiki w Polsce na tle programu rozwoju odnawialnych źródeł energii w Niemczech, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. 5. Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, Polityka Energetyczna Polski do roku 2030, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, Abstrakt Prezentowany referat przedstawia zasoby energii słonecznej w Polsce, rodzaje konwersji energii promieniowania słonecznego oraz możliwości zastosowania technologii słonecznych w poszczególnych regionalnych Polski. Renewable energy management on the example of photovoltaics The paper describes solar energy resources in Poland, types of solar power conversions and the possibilities to use solar technologies in particular regions in Poland. PhD Izabela Wierzbicka, assistant professor, Jan Kochanowski University in Kielce. 339