Energia słoneczna - pozyskiwanie, zalety i wady energii słonecznej

Energia słoneczna jest trzecią najbardziej produktywną gałęzią wśród energii odnawialnych. Jej globalna produkcja w 2020 r. stanowiła 3,1% całkowitej produkcji energii na świecie. Wyraźny jest przy tym dynamiczny trend wzrostowy, widoczny także w rosnącym zainteresowaniu fotowoltaiką wśród prywatnych odbiorców. Co warto wiedzieć o energii słonecznej i jej potencjale? Czy jest racjonalną alternatywą dla Polaków?



Panele fotowoltaiczne. Źródło: Mark Agnor/ShutterstockPanele fotowoltaiczne. Źródło: Mark Agnor/Shutterstock

  1. Co to jest energia słoneczna?
  2. Jak pozyskuje się energię słoneczną?
  3. Zalety energii słonecznej
  4. Wady energii słonecznej
  5. Energia słoneczna w Polsce
Już w latach 30-tych XIX w. genialny brytyjski astronom Joh Hershel w czasie swojej wiekopomnej podróży do Południowej Afryki wykorzystał specjalnie skonstruowane pudełko podgrzewane promieniami słonecznymi do przygotowywania posiłków. W latach 80-tych pierwszy panel solarny zamontowano w Nowym Jorku, zaś technologię przetwarzania słonecznej energii opatentował sam Nikola Tesla. Również Albert Einstein poświęcił sporo uwagi efektowi fotoelektrycznemu, za którą to pracę w 1921 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Co to jest energia słoneczna?


Energia, która dociera ze Słońca na Ziemię w czasie 1,5 h byłaby w stanie zaspokoić roczne potrzeby energetyczne całego świata! Jak to możliwe?

Słońce jest gigantyczną gwiazdą w centrum naszego układu planetarnego. Jego średnica wynosi prawie 700 tysięcy km, ale nie jest ono bynajmniej ciałem stałym, lecz mieszaniną gorącej plazmy, a konkretnie wodoru (73%) oraz helu (25%). Jego żarzenie, któremu zawdzięczamy życie na Ziemi, jest wynikiem fuzji nuklearnej zachodzącej w jądrze słońca. W wyniku nieustających, gwałtownych reakcji atomowych nasza centralna gwiazda emituje ogromne ilości energii w postaci światła, promieniowania ultrafioletowego oraz promieniowania podczerwonego.

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera dzięki Słońcu aż 174 petawatów (PW) energii. Szacuje się, że jedna trzecia odbijana jest z powrotem w kosmos, podczas gdy reszta przenika w głąb atmosfery i akumulowana jest w skałach oraz wodzie.

Człowiek nie jest oczywiście w stanie wykorzystać całej energii, którą posyła nam Słońce. Na dostępność promieniowania tuż przy powierzchni Ziemi wpływają bowiem takie czynniki jak ukształtowanie powierzchni czy gęstość chmur w danej lokalizacji. Zdolność do absorbowania i wykorzystywania energii słonecznej okazała się jednak strategicznym atutem gospodarczym. Najpierw wykorzystywano ją przede wszystkim do ogrzewania wody, ale dziś służy już jako zasilanie całych systemów grzewczych oraz źródło energii elektrycznej. Co ciekawe, energia solarna wykorzystywana jest również do destylacji i dezynfekcji wody!

Jak pozyskuje się energię słoneczną?


We współczesności wyróżniamy trzy rodzaje energii solarnej, którą jesteśmy w stanie wykorzystywać:
  • pasywną energię słoneczną – najprostszy typ ogrzewania wynikający z odpowiedniej ekspozycji na słońce; wykorzystują ją np. szklarnie oraz domy pasywne dzięki przemyślanej orientacji i powierzchni okien oraz stosowanej izolacji.
  • termiczną energię słoneczną wykorzystywaną głównie do ogrzewania wody;
  • fotowoltaikę, która pozwala zmieniać elektromagnetyczne promieniowanie słoneczne w elektryczność.

Termiczna energia słoneczna to stosunkowo prosta technologia, w której specjalne lustra  tworzące kolektory płaskie, tubowo-próżniowe i inne rozgrzewają się do temperatury od 65 do 500°C, po czym oddają zgromadzone ciepło. Można je wykorzystywać do ogrzewania wody basenie lub domowym bojlerze, ale znajdują również zastosowanie w przemysłowej energetyce. Istnieją już elektrownie solarno-termalne, w których ciepło pozyskane z energii słonecznej przewodzone jest na ciekłe czynniki, co z kolei generuje produkcję pary. Ta ostatnia napędza turbiny wytwarzające elektryczność w skali masowej. Technologię tą nazywa się skoncentrowaną energią słoneczną (CSP).

Ściśle do produkcji prądu wykorzystuje się wspomniane wyżej panele fotowoltaiczne (PV). Absorbują one energię słoneczną produkując ładunki elektryczne, które poruszają się wykorzystując wewnętrzną sieć ogniwa. Tym samym powstaje prąd stały, który za pośrednictwem specjalnej przetwornicy zmieniany jest dalej na prąd zmienny gotowy do odbioru w gniazdkach.

Oba systemy CSP oraz PV muszą być odpowiednio zintegrowane z sieciami elektrycznymi. Istnieje przy tym możliwość gromadzenia pozyskanej energii w akumulatorach do późniejszego wykorzystania (tzw. system off-grid). To bardzo ważne, gdyż energię pozyskuje się w ciągu dnia, a spożytkowuje zazwyczaj po zmroku. W niedalekiej przyszłości gospodarstwa domowe będą mogły odsprzedawać nadwyżki wytworzonej energii solarnej do sieci.

W ramach przyszłościowych wizji warto też wspomnieć o zyskującej coraz większe zainteresowanie technologii stopionej soli. Jest to krok dalej w stosunku do CSP, gdyż wygenerowane ciepło nie jest od razu zmieniane w prąd, ale magazynowane w specjalnie izolowanych zbiornikach zawierających azotany sodu, potasu i wapnia. Tym sposobem można zachować pożądaną temperaturę nawet przez tydzień, a dopiero później wykorzystać ją do produkcji elektryczności.
Panele solarne jako źródło elektryczności dla gospodarstw domowych. Źródło: Slavun/Shutterstock

Zalety energii słonecznej


W pełni odnawialna energia solarna zdecydowanie należy do najczystszych metod pozyskiwania ciepła i prądu. Przy jej produkcji nie są emitowane żadne substancje szkodliwe dla środowiska ani gazy cieplarniane. Jako taka ma więc minimalny wpływ na faunę, florę oraz zdrowie człowieka. Co więcej, panele fotowoltaiczne są dość skutecznie recyklowane, obniżając tym samym ilość odpadów trafiających na wysypiska. Pozyskane w procesie przetwarzania szkło, krzem, polikrzem, miedź i aluminium mogą być wykorzystane do produkcji kolejnych paneli PV.

Dzięki zaawansowanym metodom pozyskiwania i gromadzenia energii słonecznej wykorzystuje się ją dzisiaj nie tylko do pokrywania zapotrzebowania na prąd w gospodarstwach domowych i instytucjach, ale także do ładowania samochodów elektrycznych, zasilania transportu publicznego czy oświetlenia ulicznego. Istnieje możliwość skombinowanego wykorzystania fotowoltaiki z pompami ciepła.

Wady energii słonecznej


Największą niedoskonałością energii słoneczniej jest jej niestabilność. Nie tylko bowiem przez połowę doby słońce nie dociera do danej lokalizacji, ale w strefach położonych na północ i na południe od zwrotników zima jest okresem wyjątkowo niskiego nasłonecznienia. W efekcie zainstalowana na domu rodzinnym fotowoltaika może pokrywać z ogromną nadwyżką zapotrzebowanie na elektryczność latem, ale zimą zaspokaja zaledwie 20% potrzeb. A to właśnie w okresie chłodów i wczesnego mroku prądu potrzebujemy najwięcej. Kaprysy pogody takie jak długoterminowe zachmurzenie i opady śniegu również mogą poważnie obniżyć spodziewaną efektywność instalacji.

Nie bez znaczenia jest również fakt, że aby skutecznie zbierać energię słoneczną potrzebna jest ogromna powierzchnia lądu, na której ustawi się panele solarne. Według aktualnych szacunków, aby pokryć całkowite zapotrzebowania świata na energię należałoby zastawić 450 tysięcy km, a więc całe terytorium Polski, Czech i Słowacji.

Wreszcie, choć koszty pozyskania energii solarnej są stosunkowo niskie w porównaniu z innymi typami OZE, inwestycja w samą technologię, zwłaszcza przetwornicę prądu i baterie zwraca się w przypadku gospodarstw domowych dopiero po kilku lub kilkunastu latach – w zależności od aktualnych cen energii.
Tabela przedstawiająca fakty o energii słoneczniej; opracowanie własne

Energia słoneczna w Polsce


Według raportu GUS dotyczącego wykorzystania odnawialnych energii w Polsce w latach 2016-2020 obserwowano systematyczny wzrost użycia energii słonecznej – nawet o 300% na przestrzeni wspomnianych czterech lat! Co ciekawe w przypadku kolektorów wzrost ów wynosił zaledwie 53,3%, zaś w zakresie ogniw fotowoltaicznych aż 1480,6%!

Jeśli chodzi o sposoby wykorzystania energii solarnej to 2/3 zasiliły elektrownie przemysłowe, a 30% wyprodukowano i zużyto w gospodarstwach domowych. Intensywny rozwój fotowoltaiki w kraju zawdzięczamy nie tylko rosnącej świadomości ekologicznej społeczeństwa, ale także wprowadzeniu ulgi termomodernizacyjnej oraz programu dotacji „Mój prąd”. Ocenia się, że wszystkie mikroinstalacje w Polsce mają już łączną moc przekraczającą 10 gigawatów. Warto też wspomnieć o inwestycjach na masową skalę takich jak otwarcie farm fotowoltaicznych w Choszcznie i Jaworznie o łącznej mocy 5 MWp oraz budowie elektrowni słonecznej Choszczno II.
Niestety, na tle innych krajów europejskich wciąż wypadamy dość mizernie. W Niemczech energia słoneczna stanowi już ponad 10% całości wytworzonej energii elektrycznej, podczas gdy w Polsce jest to zaledwie 1,5%. Wyprzedzają nas przy tym kraje mnie słoneczne takie jak Dania (4,3%) czy Holandia (7,2%). Oczywiście jednak, efektywność pozyskiwania energii z instalacji fotowoltaicznych jest znacznie wyższa na południu Europy i Polski niż na północy. Niestety, 1 MW energii solarnej z fotowoltaiki wciąż jest ponad 2-krotnie wyższy niż w przypadku paliw kopalnych. Potrzeba dalszego rozwoju technologii i mądrych systemów dofinansowania, aby ową barierę dało się pokonać, korzystając więcej ze słońca!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „How Does Solar Work?” Energy.gov, https://www.energy.gov/eere/solar/how-does-solar-work, 15/09/2022
2. “Solar energy: what you need to know” Energy Sage, https://www.energysage.com/solar/, 15/09/2022
3. “Solar energy basics” NREL, https://www.nrel.gov/research/re-solar.html, 15/09/2022
4. “Solar energy” National Geographic, https://www.nationalgeographic.com/environment/article/solar-power, 15/09/2022
5. “Solar explained” EIA, https://www.eia.gov/energyexplained/solar/, 15/09/2022
6. “Energia ze źródeł odnawialnych w 2020 r.” GUS, Warszawa 2021

Ocena (3.5) Oceń: