Światowe zasoby energii słonecznej i kierunki ich wykorzystania Autor: Marek Łukasz Michalski, Politechnika Krakowska ( Czysta Energia grudzień 2006) Energia słoneczna docierająca na Ziemię jest kilka tysięcy razy większa niż światowe zapotrzebowanie na energię. Współcześnie jednak nie jest ona pozyskiwana w znaczącej ilości w energetyce. Maksymalne natężenie energii słonecznej na Ziemi wynosi ok. 1 kw/m 2. Średnia moc energii docierającej do Ziemi waha się od ok. 100 do 300 W/m 2 czyli od 800 (północna Kanada) do 2500 (pustynie blisko równika) kwh/m 2 /rok. Energia słoneczna może być wykorzystywana w dwóch zasadniczych obszarach: do bezpośredniego ogrzewania wody lub innej cieczy z wykorzystaniem kolektorów słonecznych i do przetwarzania jej na energię elektryczną 14. Zasoby i ich wykorzystanie W tab. 1 przedstawiono światowe zasoby energii słonecznej. Ilość energii słonecznej docierającej na Ziemię jest ogromna szacowana na ok. 2,9 mln EJ/rok przekracza ponad pięć tysięcy razy całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię. Potencjał możliwy do wykorzystania przy zastosowaniu dostępnych technologii (tzw. zasoby) jest znacznie mniejszy i choć wynosi już tylko od 1580 do 49840 EJ/rok, to wciąż jest od 4 do 117 razy większy od współczesnego światowego zapotrzebowania na energię. Tab. 1. Światowe zasoby i wykorzystanie energii słonecznej Produkcja i moc* Energia elektryczna [TWh/rok] Ciepło [EJ/rok] Moc [GW] Rezerwy [TWh/rok] Zasoby [EJ/rok] Energia docierająca na Ziemię [EJ/rok] Energia słoneczna 1575 5,3 0,245 119,5 49837 2,9 mln Energia elektryczna fotowoltaika termiczna 5,3 4 1,3 4,5 4 0,5 4300 Energia cieplna 0,245 115 *wstępne dane na rok 2005 1, 4, 511 Opracowanie własne na podstawie Obecnie najpopularniejszym sposobem wykorzystania energii słonecznej są systemy grzewcze, najczęściej służące do ogrzewania wody. Łączna ich moc wynosi ok. 115 GW, a wytwarzają one ok. 0,245 EJ energii w ciągu roku.
Rys. 1. Prognoza udziału energii słonecznej w ogrzewaniu wody w krajach OECD 3 % Rysunek 1 obrazuje wieloletnią prognozę udziału energii słonecznej w ogrzewaniu wody dla krajów OECD. Obecnie ok. 3% ciepłej wody ogrzewane jest tam przy pomocy energii słonecznej, a wg prognozy IEA 5 udział ten będzie rósł i osiągnie ok. 14% w 2030 r. Podobny potencjał rozwoju tej technologii może mieć miejsce w krajach słabiej rozwiniętych gospodarczo, w których tanie kolektory słoneczne mogą być produkowane i instalowane lokalnie (w tym przypadku za kraje słabiej rozwinięte pod względem gospodarczym uznajemy kraje nie należące do OECD). Wydajność ogniw fotowoltaicznych stosowanych do wytwarzania energii elektrycznej z promieni słonecznych rośnie z roku na rok, podczas gdy ich ceny maleją. W 2005 r. moc zainstalowanych w świecie ogniw fotowoltaicznych wyniosła tylko 4 GW, ale teraz rośnie z szybkością ponad 30% rocznie. Ilość energii wyprodukowanej w ten sposób wyniosła ok. 4 TWh. Mniejsze zastosowanie miała technologia wytwarzania energii elektrycznej przy pomocy parabolicznych kolektorów skupiających promienie słoneczne na cieczy. Są to tzw. elektrownie termiczne, w których ciecz po odparowaniu napędza turbinę parową, gdzie podłączony jest generator. Tego typu kolektory posiadały łączną moc rzędu 0,5 GW i wytworzyły w 2005 r. ok. 1,3 TWh energii elektrycznej. Koszt wytworzenia energii cieplnej z energii słonecznej na świecie wynosi zazwyczaj od 30 do 200 $/MWh w zależności od nasłonecznienia w danej szerokości geograficznej i od zastosowanej technologii 12. Elektrownie słoneczne Analiza funkcjonowania elektrowni słonecznych oparta została na danych z sześciu elektrowni słonecznych zlokalizowanych w czterech krajach (pięciu opartych na ogniwach fotowoltaicznych i jednej elektrowni termicznej). Moce badanych elektrowni są niewielkie, co jest typowe dla tego typu systemów. Wynoszą one od 2 kw do 5 MW, z wyjątkiem elektrowni termicznej o nominalnej mocy 100 MW. Koszt inwestycji wahał się w przedziale od 3363 do 10164 $/kwe dla elektrowni fotowoltaicznych oraz wyniósł 2775 $/kwe w przypadku elektrowni termicznej (rys. 2). Koszty te uzależnione są głównie od skali przedsięwzięcia, lokalizacji inwestycji i wyboru ogniw fotowoltaicznych. Droższe ogniwa cechuje wyższa wydajność. Rok
Rys. 2. Koszt budowy elektrowni słonecznych [$/kwe] 12 000 10 000 8 000 [$/kwe] 6 000 4 000 termiczna 2 000 0 USAS1 DEUS1 USAS2 DEUS2 DNKS CZES Wybudowanie elektrowni słonecznej trwa przeważnie rok lub dłużej dla elektrowni fotowoltaicznych i do trzech lat w przypadku elektrowni termicznych. Na rys. 3 i 4 zaprezentowano koszty energii elektrycznej w tych sześciu elektrowniach. Rys. 3. Koszt energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych (pięcioprocentowy koszt kapitału) 1 600 1 400 eksploatacja spłata inwestycji 1 200 1 000 [$/MWh] 800 600 400 termiczna 200 0 USAS2 USAS1 DEUS1 DEUS2 DNKS CZES
Rys. 4. Koszt energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych (dziesięcioprocentowy koszt kapitału) 2 000 1 800 1 600 1 400 eksploatacja spłata inwestycji [$/MWh] 1 200 1 000 800 600 termiczna 400 200 0 USAS2 USAS1 DEUS1 DEUS2 DNKS CZES Tabela 2 zawiera analizę danych z sześciu elektrowni objętych badaniami. Koszt energii elektrycznej składa się z kosztu spłaty inwestycji i kosztów eksploatacji. Przy pięcioprocentowym koszcie kapitału (rys. 3) spłata poniesionych nakładów na inwestycje wynosi od 115,9 do 1382,2 $/MWh (średnio 453,72 $/MWh), natomiast przy dziesięcioprocentowym koszcie kapitału (rys. 4) od 204,4 do 1738,7 $/MWh (średnio 644,72 $/MWh). Tab. 2. Wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej oraz koszt budowy i koszt energii w elektrowniach słonecznych Min* Max* Średnia % śr. Odchylenie standardowe Ilość elektrowni objętych analizą: 6 Żywotność [lata] 20 40 29 8,6 Moc [MWe] 0,002 100 17,7 40,4 Wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej 9% 24% 13% 5,8% Koszt budowy [$/kwe] 2775 10164 5046 2654 Koszt energii elektrycznej [$/MWh] przy pięcioprocentowym koszcie kapitału spłata inwestycji 115,9 1 382,2 453,72 91,1% 476,04 eksploatacja 0 137,9 44,52 8,9% 49,88 razem* 120,7 1 520,1 498,23 100% 519,54 Koszt energii elektrycznej [$/MWh] przy dziesięcioprocentowym koszcie kapitału spłata inwestycji 204,4 1 738,7 644,72 93,5% 573,18 eksploatacja 0 137,9 44,52 6,5% 49,88 razem* 209,2 1 876,6 689,23 100% 615,53 *Łączny minimalny i maksymalny koszt energii obliczono dla całych elektrowni słonecznych nie jest to więc suma minimalnych i maksymalnych kosztów inwestycji i eksploatacji dla odrębnych elektrowni
Koszt eksploatacji elektrowni waha się w przedziale od 0 do 137,9 $/MWh (średnio 44,52 $/MWh). Wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wyniósł od 9% do 24% (średnio 13%, przy czym średnia dla PV wyniosła 12,6%, a dla instalacji termicznej 15%). Ilość wytwarzanej energii jest ściśle uzależniona od średniej intensywności nasłonecznienia, które z kolei podlega dużym dobowym i sezonowym wahaniom cyklicznym. Reasumując, wytwarzanie energii elektrycznej z promieni słonecznych wymaga dużych nakładów inwestycyjnych. Koszt energii wytwarzanej w poddanych analizie elektrowniach słonecznych utrzymywał się w przedziale od 120,7 do 1520,1 $/MWh (średnio 498,23 $/MWh) przy pięcioprocentowym koszcie kapitału oraz od 209,2 do 1876,6 $/MWh (średnio 689,23 $/MWh) przy dziesięcioprocentowym koszcie kapitału. Podane sumy nie uwzględniają kosztu zapewnienia dostaw energii z innych źródeł, gdy zmienia się natężenie promieni słonecznych. Większość rodzajów elektrowni jest w stanie wytwarzać stałą moc, podczas gdy moc elektrowni słonecznych zmienia się wraz z nasłonecznieniem. Bariery dla wykorzystania energii słonecznej Energia słoneczna jest energią czystą, pomijając minimalne zanieczyszczenia środowiska naturalnego powstające przy produkcji ogniw fotowoltaicznych. Podobnie jednak jak w przypadku energii wiatrowej należy uwzględnić uwarunkowania ściśle związane z wykorzystywaniem energii słonecznej na większą skalę. Są nimi uzależnienie natężenia promieniowania słonecznego od położenia geograficznego terenu elektrowni oraz koszt zakupu bądź dzierżawy ziemi pod budowę elektrowni słonecznych (coraz częściej spotykanym rozwiązaniem tego problemu jest instalowanie kolektorów słonecznych lub ogniw fotowoltaicznych w nowych budynkach). Trzeba też pamiętać, że moc elektrowni uzależniona jest od nasłonecznienia przy niekorzystnych zmianach atmosferycznych lub w nocy drastycznie maleje ilość wytwarzanej energii. Dlatego z reguły wytwarzaniu energii elektrycznej z energii słonecznej muszą towarzyszyć dostawy energii z innych źródeł, najczęściej z akumulatorów. Duże akumulatory są kosztowne, a wykorzystanie energii słonecznej zazwyczaj wymaga większych akumulatorów niż w przypadku zastosowania technologii wiatrowych. Źródła 1. International Energy Agency (IEA). Renewables for Power Generation Status and Prospects. IEA. Paryż 2003. 2. International Energy Agency (IEA). Organisation for Economic Cooperation and Development (OECD) i Nuclear Energy Agency (NEA). Projected Costs of Generating Electricity. OECD/IEA. Paryż 2005. 3. Szramka R., Różycki A.W.: Perspektywy dla małych elektrowni wodnych. Biuletyn URE 4/1999. 4. United Nations Development Programme (UNDP), United Nations Department of Economic and Social Affairs (UNDESA) i World Energy Council (WEC). World Energy Assessment (WEA): Energy and the Challenge of Sustainability. UNDP. Nowy Jork 2000. 5. International Energy Agency (IEA). World Energy Outlook 2004. IEA. Paryż 2004. 6. International Energy Agency (IEA). World Energy Outlook 1998. IEA. Paryż 1998.
7. International Energy Agency (IEA). Solar Heat Worldwide. Solar Heating and Cooling (SHC) Programme. IEA SHC. Graz (Austria) 2006. 8. International Energy Agency (IEA). Trends in Photovoltaic Applications. Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2005. Photovoltaic Power Systems Programme. IEA. Paryż 2006. 9. Nakicenovic N., Grübler A., McDonald A.: Global Energy Perspectives. Cambridge: Cambridge University Press. 1998. 10. United Nations Development Programme (UNDP), United Nations Department of Economic and Social Affairs (UNDESA) i World Energy Council (WEC). World Energy Assessment (WEA): Overview 2004 Update. UNDP. Nowy Jork 2004. 11. Michalski M.Ł.: Biomass, Biogas and Municipal Waste as Alternative Energy Sources for Historical Cities. Environment Protection Engineering 1/2006. 12. Fridleifsson I.B.: Status of geothermal energy amongst the world s energy sources. European Geothermal Congress 2003. Szeged (Węgry) 2003.