Światowe zasoby energii słonecznej i kierunki ich

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/m2. Średnia moc energii
docierającej do Ziemi waha się od ok. 100 do 300 W/m2 – czyli od 800 (północna Kanada) do 2500
(pustynie blisko równika) kWh/m2/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 elektryczną1-4.
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
Ciepło
elektryczna
[EJ/rok]
[TWh/rok]
Energia słoneczna
Energia elektryczna
ƒ fotowoltaika
ƒ termiczna
Energia cieplna
Moc
[GW]
Rezerwy
Zasoby
[TWh/rok] [EJ/rok]
5,3
0,245
119,5
-
5,3
4
1,3
-
0,245
4,5
4
0,5
115
4300
-
157549837
-
Energia
docierająca
na Ziemię
[EJ/rok]
2,9 mln
-
*wstępne dane na rok 2005
Opracowanie własne na podstawie1, 4, 5-11
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 OECD3
%
Rok
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 IEA5 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
technologii12.
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 $/kWe w przypadku elektrowni termicznej (rys. 2). Koszty te uzależnione są
głównie od skali przedsięwzięcia, lokalizacji inwestycji i wyboru ogniw fotowoltaicznych. Droższe
ogniwa cechuje wyższa wydajność.
Rys. 2. Koszt budowy elektrowni słonecznych [$/kWe]
12 000
10 000
[$/kWe]
8 000
6 000
termiczna
4 000
2 000
ZE
-S
C
KS
DN
DE
US2
US
A
-S
2
DE
US1
US
A
-S
1
0
Opracowanie własne na podstawie2
Wybudowanie elektrowni słonecznej trwa przeważnie rok lub dłużej dla elektrowni
fotowoltaicznych i do trzech lat w przypadku elektrowni termicznych. Na rys. 3 i 4 zaprezentowano
koszty energii elektrycznej w tych sześciu elektrowniach.
Rys. 3. Koszt energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych (pięcioprocentowy koszt kapitału)
1 600
eksploatacja
spłata inwestycji
1 400
1 200
[$/MWh]
1 000
800
600
termiczna
400
200
Opracowanie własne na podstawie2
C
ZE
-S
DN
KS
DE
US2
DE
US1
-S
1
A
US
US
A
-S
2
0
Rys. 4. Koszt energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych (dziesięcioprocentowy koszt kapitału)
2 000
1 800
eksploatacja
spłata inwestycji
1 600
[$/MWh]
1 400
1 200
1 000
800
termiczna
600
400
200
C
ZE
-S
DN
KS
DE
US2
DE
US1
US
A
-S
1
US
A
-S
2
0
Opracowanie własne na podstawie2
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 $/MWh).
Tab. 2. Wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej oraz koszt budowy i koszt energii w elektrowniach słonecznych
Min*
Max*
Średnia
% śr.
Odchylenie
standardowe
8,6
40,4
6
Ilość elektrowni objętych analizą:
20
40
29
Żywotność [lata]
0,002
100
17,7
Moc [MWe]
Wskaźnik wykorzystania mocy
9%
24%
13%
5,8%
zainstalowanej
2775
10164
5046
2654
Koszt budowy [$/kWe]
Koszt energii elektrycznej [$/MWh] przy pięcioprocentowym koszcie kapitału
115,9
1 382,2
453,72
91,1% 476,04
• spłata inwestycji
0
137,9
44,52
8,9%
49,88
• eksploatacja
120,7
1 520,1
498,23
100% 519,54
• razem*
Koszt energii elektrycznej [$/MWh] przy dziesięcioprocentowym koszcie kapitału
204,4
1 738,7
644,72
93,5% 573,18
• spłata inwestycji
• eksploatacja
• razem*
0
209,2
137,9
1 876,6
44,52
689,23
6,5%
100%
49,88
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
Opracowanie własne na podstawie2
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 Co-operation 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 (UN-DESA) 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 (UN-DESA) 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.