SZKOŁA GŁÓWNA GOSPODARSTWA WIEJSKIEGO W WARSZAWIE

Międzywydziałowe Studium Ochrony Środowiska

Zaliczenie przedmiotu: Odnawialne Źródła Energii

Rok akademicki 2008/2009

Temat: Energetyka wiatrowa na świecie.

Wykonał:

Mariusz Zarzycki

Radom, luty 2009

Świat w 2007 r. zrobił wielki krok naprzód w dziedzinie odnawialnych źródeł energii - zainwestowano w tym sektorze ponad 100 mld dolarów. Taki postęp nie został nigdy wcześniej odnotowany. W tej sumie 30% stanowią fundusze, które przypadły fotowoltaice. Dodatkowo ponad 10 mln dol. kosztowały nowe linie produkujące ogniwa i moduły PV. Wśród czołowych inwestorów znalazły się kraje: Niemcy, Chiny, USA, Hiszpania, Japonia i Indie.

Tymczasem Polska nie próbuje wykonać żadnego ruchu, aby iść w tym samym kierunku. Dlaczego wciąż drepczemy w miejscu? Warto przyjrzeć się sytuacji w innych krajach i przykładom inwestycji, zakończonych wielkim sukcesem, także komercyjnym.

Docierająca do Ziemi moc promieniowania słonecznego to 170 000 000 GW. Gdyby tak choć częściowo ją można było wykorzystać... Rzeczywiście, istnieje relatywnie prosta możliwość wykorzystania nawet 600 000 GW. To znacznie więcej, niż potrzeba.

Energia słoneczna ma szereg zalet:

- jest powszechnie dostępna na całej kuli ziemskiej w porze dziennej

- jest energia ekologiczna, gdyż brak negatywnych konsekwencji dla środowiska podczas eksploatacji

- instalacje niestarzeja się, po 20 latach pracy praktycznie nie obserwuje się spadku mocy

- minimalny koszt eksploatacji

- w instalacjach przydomowych oznacza ona zmniejszone uzależnienie od dostawców energii.

Energię słoneczną możemy wykorzystywać na mnóstwo sposobów, zarówno do ogrzewania, jak i do produkcji prądu:

• Pasywna konwersja fototermiczna. Energię słoneczną można wykorzystać do zwykłego ogrzania wody przepływającej przez specjalny system rur. Ten sposób wykorzystywania energii nie nadaje się do instalacji masowych, ale jest używany w gospodarstwach do ogrzewanie budynków, dostarczania ciepłej wody czy napędu pomp.

• Konwersja fotowoltaiczna. Technologia ogniw słonecznych pozwala na przetwarzanie promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Obecnie ogniwa fotowoltaiczne wykonuje się głównie z półprzewodników na bazie krzemu. Charakteryzują się one długą żywotnością oraz niezawodnością. Nawet ogniwa zainstalowane 20 lat temu nie wykazują zwykle znaczącego spadku mocy, produkując ponad 90% pierwotnie wytwarzanej energii. Ogniwa słoneczne najlepiej sprawdzają się w warunkach dużego nasłonecznienia, na przykład na pustyniach, gdzie teren i tak jest niewykorzystywany. Aby wyprodukować energię dla całego świata, wystarczyłoby zająć teren oznaczony na mapie czarnymi kropkami.

Jak na razie energia słoneczna jest marginalnym źródłem energii, ale odnotowuje się bardzo szybki przyrost mocy produkowanych ogniw słonecznych. Do roku 2006 było to 30% rocznie, w 2007 roku, na fali wzrastających cen paliw kopalnych, moc zainstalowanych paneli słonecznych skoczyła nawet o 60%.

Największą moc elektrowni słonecznych na świecie mają Niemcy, których warunki pogodowe są porównywalne z polskimi. Sprzyja temu polityka podatkowa, szczególnie wysokie gwarantowane ceny zakupu energii produkowanej ze źródeł odnawialnych. Moc zainstalowanych w Niemczech elektrowni fotowoltaicznych wzrosła ze 100 MW w roku 2000 do 4150 MW w roku 2007 (porównywalne z mocą największej polskiej elektrowni w Bełchatowie). W 2007 roku w Niemczech ogniwa fotowoltaiczne wyprodukowały 3.5 TWh prądu (czyli 0,6% z całkowitych 636 TWh). Polska produkuje 159 TWh prądu rocznie, czyli niemieckie ogniwa dałyby nam 2,2% całkowitej produkcji energii elektrycznej).

Wraz z postępem technologii i wzrostem wolumenu produkcji spadają ceny ogniw. W roku 1970 cena 1 kWh energii z paneli słonecznych wynosiła 8 dolarów, w roku 2001 było to już 40 centów, a w 2007 cena spadła do poziomu 20-25 centów.

Obecnie jest to źródło energii 2-3 krotnie droższe od paliw kopalnych, jednak szacuje się, że ogniwa słoneczne staną się ekonomicznie konkurencyjne w energetyce po 2020 roku i od tego czasu zacznie się ich intensywny wzrost jako źródła energii na skalę przemysłową.
Może się okazać, że postęp będzie tu szybszy. Najprostszym rozwiązaniem są efektywniejsze sposoby użycia materiałów fotowoltaicznych, np. zainstalowanie systemu zwierciadeł obrotowych, które nastawiają się automatycznie, tak aby skupić światło na małych panelach słonecznych i w ten sposób wykorzystać jak najwięcej energii słonecznej przy niskim koszcie samych paneli. Duże nadzieje wiąże się też z ogniwami polimerowymi, które w przyszłości mają być dużo tańsze od ogniw krzemowych, a ich produkcja ma być mniej skomplikowana.

• Aktywna konwersja fototermiczna. Lustra skupiają energię słoneczną podgrzewając specjalne roztwory (sód, lit, azotan potasu). Te z kolei parują i wprawiają w ruch turbinę, która wytwarza energię elektryczną. Oprócz produkcji prądu możliwa jest kogeneracja, czyli wykorzystanie powstającego ciepła, np. do ogrzewania mieszkań. Konstrukcja takich elektrowni jest prosta, czysta i bezpieczna w użytkowaniu, i nie wymaga zaawansowanych technologii. Elementy do takiej elektrowni mogą być produkowane masowo, umożliwiając szybkie zwiększanie zainstalowanej mocy. Sporą zaletą tego typu elektrowni jest możliwość pracy nawet bez światła - ciepło może być gromadzone, a następnie wykorzystywane do produkcji prądu przez kilka godzin.

Elektrownie słoneczne najlepiej sprawdzają się w warunkach dużego nasłonecznienia, na przykład na pustyniach, gdzie teren i tak jest niewykorzystywany. Aby wyprodukować energię dla całego świata, wystarczyłoby zająć na Saharze teren o rozmiarze 250 x 250 kilometrów.

Koszt kilowatogodziny prądu z takich elektrowni wynosi dziś 13-17 centów (czyli jest 30-70% wyższy, niż dla elektrowni węglowych), jednak szybko maleje - przewiduje się, że do 2015 roku może spaść do 10 centów - poziomu energii z paliw kopalnych, a do 2020, w przypadku dobrze zlokalizowanych elektrowni, nawet do 5 centów (połowy ceny energii z węgla). US Department of Energy szacuje, że do 2030 w USA zainstalowana moc wzrośnie do 35 GW (10% aktualnej mocy pracujących w USA elektrowni węglowych).

Główną wadą energii słonecznej jest jej sezonowość. W nocy produkcja energii ustaje, nawet na pustyni może się zdarzyć pochmurny dzień lub trwająca kilka dni burza piaskowa, podczas której praca elektrowni w ogóle byłaby wstrzymana. Rozwiązaniem może być gromadzenie energii, np. w akumulatorach, elektrowniach szczytowo - pompowych, w formie ciepła lub produkowanego w procesie elektrolizy wodoru. Wszystkie te metody mają jednak swoje słabości i problem gromadzenia energii z elektrowni słonecznych wciąż nie doczekał się powszechnego, efektywnego i taniego rozwiązania.

Dobrym rozwiązaniem jest budowanie elektrowni słonecznych rozrzuconych po całym kontynencie, czy to Europie i Afryce Północnej, czy Ameryce, i sprzężenie ich w jeden system, także z innymi źródłami odnawialnymi. Nigdy nie dzieje się tak, że nie ma słońca na całym kontynencie. Kiedy w Hiszpanii są chmury, jest słonecznie w Turcji, na Sycylii lub w Tunezji - dzięki temu zawsze część elektrowni dostarcza energii. Do rozwiązania pozostaje oczywiście kwestia połączenia systemów energetycznych pomiędzy krajami.

Jeszcze innym sposobem wykorzystania energii słonecznej jest pozyskanie wodoru w fotokatalitycznym rozkładzie wody, czyli tzw. konwersja fotochemiczna. Pod wpływem energii słonecznej woda rozkłada się na tlen i wodór, który z kolei jest gromadzony, a następnie wykorzystywany jako paliwo. Wodór spalając się z tlenem zamienia się w parę wodną, która jako produkt spalania gwarantuje ekologiczną czystość procesu.

Nic dziwnego, że Komisja Europejska określiła energię słoneczną jako strategiczne źródło zaopatrzenia EU w energię w przyszłości. Przewiduje się, że do połowy wieku energetyka słoneczna będzie dawać więcej energii niż węgiel, czy ropa.

Wbrew pozorom warunki polskie (1600h nasłonecznienia wciągu roku) nie przeszkadzają wcale w efektywnym wykorzystaniu promieniowania słonecznego. Fotoogniwa mogą bowiem absorbować także światło rozproszone występujące przy zachmurzonym niebie. Liderem w rozwoju energetyki słonecznej są Niemcy leżące w tym samym klimacie co Polska i promujące rozwój energii słonecznej.

Fotowoltaika na świecie

Największy odsetek wśród instalacji fotowoltaicznych stanowią te, które są podłączone do sieci energetycznej - w 2007 r. nastąpił w tej dziedzinie 50-procentowy wzrost w stosunku do roku poprzedniego z zainstalowaną mocą 2,7 GW (w 2006 r. - 1,6 GW). Daje to ok. 7,8 GW instalacji na całym świecie, co pozwala dostarczyć energię elektryczną do 1,5 mln gospodarstw domowych.

Rys. 1. Instalacje fotowoltaiczne na świecie w latach 1995-2007

Rys. 2. Energia ze źródeł odnawialnych w 2006 r.

Udział procentowy energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych określany jest w odniesieniu do energii pierwotnej lub produkcji końcowej. Tabela 1 przedstawia udział procentowy energii ze źródeł odnawialnych w wybranych krajach na świecie w 2006 r. i założone cele do 2025 r.

Zgodnie z zasadą substytucji ilość energii pierwotnej przypisywana energii elektrycznej wyprodukowanej w źródłach nie opartych o spalanie paliw (jądrowe, geotermalne, wodne, wiatrowe, słoneczne oraz energii fal) jest korygowana w celu odzwierciedlenia ilości energii pochodzącej z paliw kopalnych, koniecznej do wytworzenia takiej samej ilości energii elektrycznej. Źródła te przeliczane są na ich pierwotny odpowiednik za pomocą uniwersalnego współczynnika konwersji, identycznego dla wszystkich źródeł. Najczęściej stosowaną wartością jest 38,5%, co odzwierciedla przeciętną efektywność elektrowni cieplnej. W sposób oczywisty faworyzuje to źródła konwencjonalne i jądrowe, jeśli chodzi o  procentowy udział w ogólnym zużyciu energii pierwotnej. Źródła takie jak wiatr, woda czy PV są nie doszacowane.

Szukając przyczyn braku istotnego postępu w ilości instalowanych systemów PV w Polsce, należy przyjrzeć się czynnikom, które zadecydowały o postępie, jaki obserwujemy w krajach, które są dzisiaj liderami na tym polu.

Czynniki stymulujące rozwój PV

Istotny wpływ na rozwój instalacji fotowoltaicznych mają: regulacje budowlane, zbiór przepisów dla „zielonych budynków”, subsydia kapitałowe systemów, wykorzystujących odnawialne źródeł energii, feed-in-tariffs dla „zielonej energii”.

Regulacje budowlane istnieją we wszystkich krajach i są zazwyczaj neutralne w stosunku do instalacji fotowoltaicznych. Dotyczą one głównie bezpieczeństwa i poziomu zabezpieczeń instalacji elektrycznych. Mogą one jednakże zawierać wymogi odnośnie instalacji OZE. Na przykład w Hiszpanii większe budynki muszą być wyposażone w system PV lub instalację kolektorów słonecznych. Dla porównania: w Niemczech przepisy kładą jedynie nacisk na efektywność termiczną budynków, ale już nie na sprawność generatorów energii i urządzeń elektrycznych. To prowadzi czasami do sytuacji, w której instalacje kolektorowe (na które inwestor może uzyskać dofinansowanie) są planowane zamiast takich, które generują energię elektryczną, jak systemy PV.

Specjalne uregulowania dla „zielonych budynków” funkcjonują obecnie w kilku krajach. Podstawową formą jest dofinansowanie instalacji fotowoltaicznych, co stanowi istotną zachętę do stosowania tych systemów w budownictwie. Na przykład w Wielkiej Brytanii istnieje system minimalnego oprocentowania kredytów dla wsparcia projektów budynków wyposażonych w instalacje OZE.

Subsydia kapitałowe wspierające fotowoltaikę nie są obecnie tak powszechne, jak to było w przeszłości i zostały w niektórych krajach zastąpione przez taryfy feed-in. Wsparcie pieniężne wciąż funkcjonuje w Wielkiej Brytanii poprzez konkurencyjne granty w ramach programu „Low Carbon Buildings” oraz przez lokalne i regionalne działania w Austrii, Niemczech, Francji i Holandii. We Francji uruchomiono również system zwolnień z podatku dochodowego dla prywatnych inwestorów.

Udoskonalony system taryf feed-in funkcjonuje obecnie w Hiszpanii, Niemczech, Grecji i Francji, zapewniając preferencyjną stawkę za zakup energii elektrycznej, wyprodukowanej we wszystkich systemach fotowoltaicznych. Niemieckie prawo „The German Renewable Energy Sources Act” (EEG) zapewnia taryfy preferencyjne dla instalacji podłączonych do sieci na przestrzeni co najmniej 20 lat. Dzięki tym stawkom inwestycja fotowoltaiczna może się zwrócić w okresie jej eksploatacji z racjonalnym wskaźnikiem rentowności. W niewielkim zakresie system oparty na taryfach feed-in funkcjonuje również w Austrii, ale jest - ze względu na budżet - ograniczony do pierwszych kilku aplikujących inwestorów w każdym roku.

Mechanizmy promocji OZE w Europie

Regionalne i samorządowe strategie planowania, promujące na różne sposoby systemy odnawialnych źródeł energii, nie pokrywają się zazwyczaj z polityką centralną. W poszczególnych krajach stosuje się różne mechanizmy, będące zachętą do inwestowania w OZE.

W Austrii nie ma krajowych dyrektyw dotyczących uwzględnienia odnawialnych źródeł energii w planowaniu przestrzennym oraz żadnych zasad i celów, określających procentowy udział OZE w produkcji energii elektrycznej. Statuty miejskie mogą zawierać wymagania, mające na celu zwiększenie efektywności energetycznej nowych i restaurowanych budynków lub wykorzystania OZE. W Niemczech autorytety lokalne są upoważnione do wydzielania obszarów, na których energia słoneczna musi być wykorzystywana w ramach narodowej strategii.

 

Natomiast we Francji nie ma szczególnej polityki wspierającej OZE w planowaniu przestrzennym obszarów miejskich. W odpowiedzi na ten niedostatek w polityce narodowej wiele samorządów lokalnych wprowadziło własne programy. W szczególności program „Greater Lyon” dał samorządom lokalnym możliwość samodzielnego decydowania o polityce wspierania metod racjonalnego zużycia energii i stosowania OZE w nowych budynkach.

W Holandii proces planowania miejscowego przejęły na siebie samorządy miejskie. Rady miejskie przygotowują plany strukturalne, określające szczegółowo sposób ich realizacji. Prowadzi to do planowania rozwoju przestrzeni miejskich, który zaleca odpowiednie projektowanie systemów zasilania z uwzględnieniem aspektów zrównoważonego rozwoju.
Inaczej jest w Hiszpanii, gdzie uregulowania prawne w zakresie zagospodarowania gruntów i planowania instalacji energetycznych leżą w zakresie działań społeczności autonomicznych „Autonomous Communities” (AC).

 

Oprócz tego urbanistyka jest rozwijana na poziomie lokalnym przez rady miejskie. Każdy projekt, który otrzymał akceptację rady miejskiej, musi zostać wpisany w generalny plan zagospodarowania - główne narzędzie planowania przestrzennego w Hiszpanii. Przykładowo dla Madrytu założono w latach 2004-2012 podwojenie udziału energii ze źródeł odnawialnych i ograniczenie emisji CO2 o 10%. Oprócz działań wspierających rozwój fotowoltaiki, istnieje system promocji systemów PV dla budownictwa mieszkaniowego i kompleksów usługowych, a dodatkowo działania te zostały ujęte w zapisach statutowych samorządów lokalnych.

 

W 2005 r. zapisy takie istniały w ponad 30 statutach samorządów lokalnych, z czego większość dotyczyła instalacji kolektorowych. Do tej pory najaktywniejszym regionem w tej dziedzinie była Katalonia, następnie Madryt i Walencja.

Z kolei w Wielkiej Brytanii zapisy zawarte w Narodowej Strategii Planowania zachęcają do stosowania odnawialnych źródeł energii na poziomie lokalnym. Samorządy precyzują Strategię Rozwoju Lokalnego. Obserwuje się narastającą tendencję umieszczania w niej odnawialnych źródeł energii. Zasadą jest, aby wszystkie nowo powstające projekty budowlane, zawierające powyżej 10 budynków lub zajmujące powierzchnię powyżej 2000 m2, zaspokajały 10-40% swojego zapotrzebowania na energię z lokalnych OZE.
PV w sieci.

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, ważnym problemem jest określenie maksymalnej zainstalowanej mocy systemów PV (a także generatorów wiatrowych), która nie obniży znacząco jakości energii w sieci niskiego napięcia.

 

Teoretyczna granica wynosi ok. 3,5 kW na gospodarstwo domowe4. Obliczenia te zostały pozytywnie zweryfikowane we Freiburgu (Niemcy), gdzie w ramach inwestycji, zakończonej w 2006 r., zainstalowano system PV na każdym budynku (333 kW w 50 domach szeregowych).

 

Średnie zużycie energii wynosi tam rocznie 2 200 kWh na gospodarstwo domowe (znacznie mniej niż dla typowego gospodarstwa w USA: trzy razy mniej niż w Kalifornii, i cztery razy mniej niż w Ontario). Moduły PV zamontowane na dachu produkują rocznie trzy razy tyle energii, ile wynosi jej roczne zużycie (940 kWh/kW/rok)5. Najnowsze analizy wskazują, że system ten pracuje bez widocznego ujemnego wpływu na jakość energii w sieci, zgodnie ze standardami EN 50160.

---