Energia słoneczna to główne źródło energii na Ziemi, dzięki któremu rośliny zielone produkują biomasę. Energetyka słoneczna to gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii.
Energię słoneczną można wykorzystać z pomocą kolektorów słonecznych do produkcji energii cieplnej, do podgrzewania wody użytkowej, czy też ogrzewania domu. Energię słoneczną można również zamienić z pomocą ogniw fotowoltaicznych w energię elektryczną. Ograniczeniem energetyki słonecznej są znaczne koszty inwestycyjne, dotyczy to zwłaszcza instalacji fotowoltaicznych.
Każdy globalny problem ludzkości od zanieczyszczenia środowiska po brak dostępu do wody, czy głód, można by rozwiązać mając do dyspozycji odpowiednią ilość energii. Słońce oświetla ogromne pustkowia. Nawet stosując mało wydajne ogniwa słoneczne, niewielki kawałek pustyni rozwiązałby ziemskie problemy energetyczne.
Niestety tradycyjne przesyłanie prądu przewodami elektrycznymi na duża odległość nie ma ekonomicznego sensu. Koszty inwestycji i straty związane z przesyłem byłyby ogromne. Dlatego naukowcy poszukują nowych rodzajów baterii o niewielkich rozmiarach które byłyby w stanie zmagazynować olbrzymią ilość energii elektrycznej. Na razie mamy do dyspozycji baterie, które są ciężkie i magazynują stosunkowo mało prądu.
Spis treści
Potencjał mocy promieniowania słonecznego
Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m². Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów.
Około 30% tej mocy jest odbijane w kosmos, a 20% pochłaniane przez atmosferę. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, czyli średnio 180 W/m².
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. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok).
Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych.
Całkowita moc energii słonecznej 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!
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.
Kolory na mapie obrazują średnie miejscowe nasłonecznienie za lata 1991÷1993, przez 24 godziny na dobę, z uwzględnieniem zachmurzenia wg pomiarów satelitarnych. Obszary zaznaczone czarnymi punktami mogłyby dostarczyć teoretycznie więcej energii, niż wynosi całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną na świecie (przyjmując efektywność konwersji na poziomie 8%). To znaczy, że cała współcześnie zużywana przez ludzkość energia – wliczając ciepło, energię elektryczną oraz pozyskiwaną z paliw kopalnych – mogłaby zostać wytworzona w postaci prądu przez ulokowane tam ogniwa słoneczne.
Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego
Konwersja fotowoltaiczna
Fotowoltaika jest procesem zamiany promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Proces ten wykorzystuje do produkcji energii półprzewodniki, które po nagrzaniu przez promienie słoneczne generują odpowiednią siłę elektromotoryczną. Pełne wykorzystanie tego typu procesu polega na zbudowaniu ogniw (baterii) fotowoltaicznych aby uzyskać odpowiednią moc i napięcie.
Konwersja fototermiczna
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 wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną.
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
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.
Wieża słoneczna
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
Skala indywidualna
Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były do tej pory 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
Obecnie energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi ze spadkiem cen (200-krotnym w latach 1977-2015), 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 z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych.
Skala przemysłowa
Od początku XXI wieku energetyka słoneczna rozwija się w tempie około 40% rocznie. Różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. 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.
Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2014 wyniosły 149,6 mld dolarów. W 2015 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 230 GW i zaspokajały one 1% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Ekonomia
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.
Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%. W latach 1977 – 2015 ceny ogniw spadły 200-krotnie – z 76,67 USD/wat do poziomu 0,36 USD/wat, powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu.
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 Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej.
Z danych Ministerstwa Energii wynika, że w 2018 roku w Polsce powstało łącznie 28,36 tys. mikroinstalacji fotowoltaicznych o łącznej mocy 173 MW. To ponad dwukrotnie więcej niż w 2017 roku.
Według raportu Instytutu Energetyki Odnawialnej Polska ma szansę znaleźć się na 4. miejscu w UE pod względem rocznych przyrostów nowych mocy fotowoltaicznych (raport „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2019”). Dane przytaczane przez koalicję „Więcej niż energia” pokazują z kolei, że w Polsce co najmniej 4 mln budynków ma warunki techniczne do zainstalowania mikroinstalacji fotowoltaicznych.
Dofinansowania, kredyty, dotacje na instalacje fotowoltaiczne
Instalacje solarne i panele fotowoltaiczne coraz szybciej zyskują na popularności, a branża fotowoltaiczna dynamicznie się rozwija. Obecnie osoba zainteresowana budową dom energooszczędnego może liczyć na finansowe wsparcie związane z instalacją fotowoltaiczną.
Zalecenia Unii Europejskiej odnośnie Odnawialnych Źródeł Energii
Zgodnie z zaleceniami Unii Europejskiej w 2020 roku udział produkcji energii z odnawialnych źródeł w pełnym bilansie energetycznym Polski powinien wynieść 15%, gdzie średnia unijna dla innych krajów członkowskich wynosi 20%.
Żeby zachęcić do korzystania z energii odnawialnej, rząd we współpracy z samorządami prowadzi wiele kampanii na rzecz tzw. zielonej energii. Co jakiś czas otwierają się również możliwości uczestnictwa w programach, pozwalających uzyskać dofinansowanie inwestycji w OZE. W wielu przypadkach chodzi nawet o połowę kosztów związanych z zakupem i montażem określonych produktów. Część takich programów prowadzą we własnym zakresie województwa, ale włączają się również banki i NFOŚiGW.
Kredyt na niski procent w Banku Ochrony Środowiska
Jednym ze sposobów na sfinansowanie inwestycji w odnawialne źródła energii, w tym we wciąż drogą fotowoltaikę, jest uzyskanie nisko oprocentowanego kredytu współfinansowanego np. przez Bank Ochrony Środowiska i wojewódzki fundusz.
Raty kredytu spłacane są zyskami z instalacji fotowoltaicznej. Kredyty na elektrownie słoneczne rozdzielane są przez poszczególne województwa.
Niezależnie, poszczególne oddziały Funduszy prowadzą swoje programy, w ramach których można otrzymać dofinansowanie – głównie w formie nisko oprocentowanej pożyczki lub, choć rzadziej, dotacji – do określonego udziału procentowego wszystkich kosztów kwalifikowanych instalacji PV. W niektórych przypadkach istnieje także możliwość umorzenia części pożyczki.
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska
Program rządowy Mój Prąd jest skierowany do gospodarstw domowych (osób fizycznych), które mogą uzyskać dotacje do 50% wartości instalacji fotowoltaicznej, ale nie więcej niż 5 tys. zł. Wsparciem zostaną objęte instalacje o mocy zainstalowanej 2-10 kW.
Całkowity budżet programu to 1 mld zł. Ta kwota ma wystarczyć na dofinansowania dla fotowoltaiki dla ok. 200 tys. gospodarstw domowych. W założeniu Mój Prąd ma zwiększyć produkcję energii z mikroźródeł fotowoltaicznch i pobudzić rynek OZE. Nabór wniosków do programu jest prowadzony przez NFOŚiGW.
Program Mój Prąd dedykowany jest konkretnej grupie tzn. osobom fizycznym, które prowadzą gospodarstwo domowe. Nie jest to program, który odciąży elementy naszego systemu energetycznego, które w największym stopniu wpływają na niedobory mocy. Warto dodatkowo wskazać, że wysokość dotacji, którą można uzyskać w programie Mój Prąd, jest dość ograniczona.
W tej chwili koszt instalacji, na którą można uzyskać dofinansowanie w ramach tego programu, waha się od 10 do 20 tys. zł. Więcej muszą wydać osoby, które postawią na bardziej zaawansowane technologie.
Kwota 5 tys. zł dotacji jest znaczącym dodatkiem, ale nie wyłącza konieczności zaangażowania własnego kapitału. Okres amortyzacji takiej inwestycji może być różny i zależy od tego, jak dużą moc zainstalujemy na dachu, oraz jakiej jakości będą panele.
Rodzaje OZE czyli odnawialnych źródeł energii
Energia słoneczna
Energia słoneczna to główne źródło energii na Ziemi, dzięki któremu rośliny zielone produkują biomasę. Energetyka słoneczna to gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii.
Energia wodna
Energia wodna to wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody. Wykorzystanie energii wodnej polega na spiętrzeniu wody, a następnie przetworzeniu energii spadających wód w energię mechaniczną lub elektryczną.
Energia wiatru
Energia wiatru to energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych, oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych.
Energia geotermalna
Energia geotermalna (energia geotermiczna, geotermia) to energia cieplna skał, wody i gruntu pod powierzchnią Ziemi, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Ciepło to powstaje w wyniku zachodzących we wnętrzu Ziemi reakcji jądrowych i termochemicznych.
Energia prądów morskich, pływów i falowania
Jednym ze źródeł energii odnawialnej jest energia związana z ruchami wody morskiej: falowaniem (wiatrowym i sejsmicznym), pływami (przypływy i odpływy) i prądami morskimi. Moc prądów morskich jest oceniana na 7 TW. Jest to prawie dwa razy więcej niż moc możliwa do otrzymania ze spadku wód śródlądowych.
Energia cieplna oceanu
Energia cieplna oceanu (Thermal Energy Conversion OTEC) to technologia mająca pozwolić odzyskiwać energię cieplną zgromadzoną w wodach oceanów, a dokładnie wykorzystać różnicę temperatur między chłodniejszymi wodami z głębin a cieplejszymi z wód powierzchniowych.
Biomasa
Biomasa oznacza ulegającą biodegradacji frakcję produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej (substancji pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), leśnej i powiązanych gałęzi przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także biogazy i ulegającą biodegradacji frakcję odpadów przemysłowych i komunalnych.
Biopaliwo
Biopaliwo to paliwo wyprodukowane z biomasy. Różnego rodzaju biopaliw jest mnóstwo i występują one w formie gazowej, ciekłej i stałej. Ponieważ biomasa jest odnawialnym źródłem energii, można uważać biopaliwo jako nośnik energii odnawialnej.
Biogaz
Biogaz to gaz powstający z przetworzenia organicznych związków zawartych w biomasie. Jest źródłem wtórnym powstającym z przetworzenia biomasy przy wykorzystaniu różnych procesów. Biogaz może zostać oczyszczony do bio-metanu, aby spełniał standardy jakości gazu ziemnego. Może zostać sprężony i wykorzystywany jako paliwo CNG.
Definicja, wady i zalety odnawialnych źródeł energii
Odnawialne źródła energii (OZE) to źródła energii, których wykorzystywanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem, ponieważ zasób tych źródeł odnawia się w krótkim czasie. Źródłami takimi są wiatr, promieniowanie słoneczne, opady, pływy morskie, fale morskie i geotermia.