28 wierzbicka - Studia i Materiały "Miscellanea Oeconomicae"

Studia i Materiały. Miscellanea Oeconomicae
Rok 16, Nr 2/2012
Wydział Zarządzania i Administracji
Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach
Zarządzanie i finanse
Izabela Wierzbicka1
ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ODNAWIALNĄ W POLSCE
NA PRZYKŁADZIE FOTOWOLTAIKI
Zobowiązania wynikające z unijnego programu 3x20, który zakłada, że do roku
2020 udział odnawialnych źródeł w produkcji energii osiągnie 20%, nakłada na
kraje członkowskie – w tym Polskę – poważne zobowiązania w tym obszarze.
Z tego względu z pewnością udział energii odnawialnej w ogólnym oszacowaniu
będzie systematycznie wzrastał. Oprócz zobowiązań Unii Europejskiej, głównym
powodem przeorientowania energetyki w kierunku poszukiwania nowych technologii odnawialnych są ograniczone zasoby energetyczne paliw pierwotnych oraz
coraz większa dbałość o środowisko naturalne. Dodatkowo, inwestycje w energię
odnawialną wspierają również rozwój biznesu i miejsc pracy oraz, co ważniejsze,
niezależność energetyczną danego państwa czy obszaru.
Do najbardziej znanych i wykorzystywanych źródeł energii odnawialnych należą: energia biomasy, promieniowanie słoneczne, energia wiatru, energia spadku
wody, geotermia (ciepło z wnętrza Ziemi), ciepło otoczenia (energia czerpana przy
pomocy pomp ciepła).
Wszystkie odnawialne źródła energii można wykorzystywać w gospodarce regionalnej. Wybór źródła lub źródeł zależy od lokalnych warunków środowiska
geograficznego, gdyż nie wszystkie źródła występują lub są osiągalne i jednakowo
opłacalne w każdym miejscu kraju.
Energia słoneczna to najtańsze ale jednocześnie najbardziej marnotrawione
źródło czystego ciepła a nawet prądu. Myślę, że w zakresie odnawialnych źródeł
energii, w coraz większym zakresie będziemy szli w stronę słońca. Nasi sąsiedzi –
Niemcy (a więc kraj posiadający bardzo zbliżone warunki do wykorzystywania
energii słonecznej) już dawno temu zrozumieli, że inwestowanie w energię słoneczną opłaca się ogromnie. W dziedzinie fotowoltaiki Niemcy są państwem
1
Dr Izabela Wierzbicka, adiunkt, Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach.
333
o największej zainstalowanej mocy w Europie. Na świecie tylko Stany Zjednoczone
i Japonia przewyższają ten kraj pod względem całkowitej mocy zainstalowanych
systemów fotowoltaicznych. Na świecie powstają już elektrownie słoneczne, a w
Polsce moduły PV są wykorzystywane głównie do oświetlenia znaków drogowych.
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie
ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na
energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Efekt fotowoltaiczny został zaobserwowany przez francuskiego fizyka Edmonda Becquerela w 1839 r.
Pierwszym poważnym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było zasilanie
satelitów w końcu lat pięćdziesiątych XX w. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla zastosowań kosmicznych było siłą napędową
rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej początkowym okresie, a postęp techniczny w latach sześćdziesiątych XX w. pozwolił na wykorzystanie systemów
fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Pomimo postępu, systemy fotowoltaiczne były zbyt drogie, by mogły być powszechnie zastosowane. Jednakże,
wzrost cen energii wywołany kryzysem naftowym w połowie lat siedemdziesiątych XX w., spowodował zwiększenie ich opłacalności. Od tego czasu koszt systemów fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów stale rośnie. Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych
obszarach: elektronika powszechnego użytku, systemy wolnostojące i systemy
dołączone do sieci elektroenergetycznej. Miliony małych ogniw fotowoltaicznych
(generujących od kilku mW do kilku W mocy) zasila obecnie zegarki, kalkulatory,
zabawki, radia, przenośne telewizory i wiele innych dóbr konsumpcyjnych. Ogniwa takie wykonane są najczęściej z cienkich warstw krzemu amorficznego (a-Si).
Obecnie na świecie najpowszechniejszym zastosowaniem fotowoltaiki są systemy
wolnostojące średniej skali, produkujące od kilku W do kilku tysięcy W. Są one
najczęściej używane na obszarach oddalonych od sieci elektroenergetycznej, gdzie
inne sposoby generacji energii elektrycznej są drogie, oraz tam gdzie konieczna
jest generacja energii w sposób czysty, cichy i niezawodny2. Profesjonalne systemy wolnostojące wykorzystywane są do zasilania automatycznych urządzeń, takich jak oświetlenie i telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne.
Stwierdzono iż wolnostojące systemy fotowoltaiczne są niezawodne, opłacalne
i nie wymagają obsługi. Systemy fotowoltaiczne mają również ogromny potencjał
do zasilania urządzeń na obszarach nie podłączonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi nie ma dostępu do prądu elektrycznego). Dziesiątki
tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie polega obecnie na systemach
fotowoltaicznych, wykorzystując je do pokrycia większości lub całości swojego
zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednakże w ostatnich latach duży nacisk
jest kładziony na rozwój systemów PV zintegrowanych z architekturą (BIPV Building Integrated Photovoltaics) podłączonych do sieci elektroenergetycznej,
2
www.pv-polska.pl (29.04.2011).
334
ponieważ zapewniają one najwyższy potencjał na długofalową redukcję zużycia
paliw kopalnych oraz zmniejszenie emisji CO2.
W dzisiejszych czasach ogniwa fotowoltaiczne prawie całkowicie zasilają satelity używane zarówno do celów telekomunikacyjnych, badawczych, jak i wojskowych. Co ważne, moduły fotowoltaiczne w czasie swojej pracy nie emitują żadnych zanieczyszczeń, hałasu i oddziaływają na środowisko w stopniu najmniejszym spośród innych nośników energii. Ze względu na niską gęstość energii produkowanej w siłowniach fotowoltaicznych (PV- photovoltaic) i relatywnie dużą
powierzchnię zajmowaną przez moduły, celowym okazuje się integrowanie systemów PV z pokryciami dachowymi lub fasadami budynków.
Zwrócić uwagę należy na uregulowania systemowe m.in. w zakresie fotowoltaiki w Polsce. Otóż, Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, który przyjęty został przez rząd w grudniu 2010 r3. określa polskie cele
w zakresie udziału energii z OZE w sektorze transportowym, energii elektrycznej
oraz ogrzewania i chłodzenia. Zwraca uwagę, że wytwarzanie energii ze źródeł
odnawialnych przyczynia się do rozwoju słabiej rozwiniętych regionów, bogatych
w zasoby zielonej energii oraz, ze w związku z realizacją inwestycji w OZE Ministerstwo Gospodarki przewiduje wzrost zatrudnienia w gospodarce. Prognoza wykorzystania systemów fotowoltaicznych w Polsce została ujęta w trzech scenariuszach, z czego pierwszy oparty jest o ustalenia Polityki Energetycznej Polski do
roku 2030 i zawiera projekcję w zakresie rozwoju mocy wytwórczych fotowoltaiki4.
Tabela 1. Prognoza rozwoju mocy wytwórczych energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych (MW).
Paliwo/technologia
Fotowoltaika
2010
0
2015
0
2020
2
2025
6
2030
32
Źródło: Polityka Energetyczna Polski do 2030 r.
Oczywiste jest, ze zastosowanie na dużą skalę modułów PV umożliwiłoby
przyspieszenie przyrostu mocy zainstalowanej w odnawialnych źródłach energii,
ponieważ instalacja niewielkich systemów fotowoltaicznych nie wymaga długotrwałych przygotowań. Ułatwieniem szybkiej instalacji dużej ilości systemów
fotowoltaicznych jest niewielkie zapotrzebowanie tej technologii na grunty, możliwość wykorzystania powierzchni dachowych a co za tym idzie bark potrzeby
przeprowadzania zmian w planach zagospodarowania przestrzennego5. Z tego
3
4
5
Sporządzenie i przesłanie komisji Europejskiej ww. dokumentu wynika bezpośrednio z art. 4
dyrektywy 2009/28/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie
promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniających i w następstwie uchylającej dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
Polityka Energetyczna Polski do roku 2030, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, 2009 r.
Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, Ministerstwo Gospodarki,
Warszawa, 2010 r.
335
punktu widzenia fotowoltaika w Polsce może okazać się szybką alternatywą zrealizowania brakującej mocy OZE w przeciwieństwie do energetyki wiatrowej czy
biomasowej, w których proces inwestycyjny może trwać kilka lat.
Polska posiada znaczne zasoby energii odnawialnej, jednak istnieją znaczne
rozbieżności w ocenie ich potencjału technicznego oraz przestrzennego rozkładu
na obszarze kraju. Dlatego też, rozważając możliwości jak wykorzystana może
zostać ta energia odnawialna, należy każdorazowo przeprowadzić analizę dostępnych na danym terenie zasobów oraz technicznych możliwości ich wykorzystania.
Jeżeli chodzi o zasoby energii słonecznej w Polsce – to są one na wysokim poziomie, bo gęstość promieniowania słonecznego wynosi 930-1160 kWh/m2 rocznie. Potencjalne zasoby energii promieniowania słonecznego w Polsce po
uwzględnieniu strat energii na skutek pochłaniania i rozpraszania w atmosferze
określa się na 780-1050 kWh/m2 rocznie6. Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego najistotniejszymi parametrami są roczne wartości
nasłonecznienia (insolacji) – wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Na rysunku poniżej
i w tabeli poniżej pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju7.
Rysunek 1. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok. (Liczby
wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla
wskazanych rejonów kraju).
Źródło: www.energia-odnawialna.pl/wykorzystanie_es.htm z 27.04.2011 r.
6
7
M. Butkowski, Rynek technologii słonecznych w Polsce, Polskie Sieci Elektroenergetyczne Wschód Sp. z o.o.
www.energia odnawialna.pl/wykorzystanie_es.htm , (27.04.2011).
336
Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą
waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy
czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast
w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.
Tabela 2. Potencjalna energia użyteczna w kWh/m2/rok w wyróżnionych rejonach
Polski.
Rejon
Pas nadmorski
Wschodnia część Polski
Centralna część Polski
Zachodnia część Polski
z górnym dorzeczem Odry
Południowa część Polski
Południowo-zachodnia
część polski obejmująca
obszar Sudetów z Tuchowem
Rok
(I-XII)
1076
1081
985
Półrocze letnie
(IV-IX)
881
821
785
Sezon letni
(VI-VIII)
497
461
449
Półrocze
zimowe (X-III)
195
260
200
985
785
438
204
962
682
373
280
950
712
393
238
Źródło: www.energia-odnawialna.pl/wykorzystanie_es.htm, (27.04.2011).
Dane zaprezentowane na rysunku powyżej odnoszą się do skali regionalnej.
W rzeczywistych warunkach terenowych, wskutek lokalnego zanieczyszczenia
atmosfery i występowania przeszkód terenowych, rzeczywiste warunki nasłonecznienia mogą odbiegać od podanych. Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego. Przedstawiono je na rysunku poniżej, podając wartości godzin usłonecznienia (ilości godzin czasu trwania promieniowania słonecznego w ciągu roku) dla reprezentatywnych rejonów Polski wg
IMGiW.
Wielkość zasobów słonecznych w Polsce jest porównywalna z takimi krajami
jak Wielka Brytania, Belgia, Holandia, Dania, Niemcy, Szwajcaria. Mimo stosunkowo długiego okresu jesienno-zimowego i częstych zachmurzeń, roczne zasoby
energii słonecznej w Polsce na jednostkę powierzchni są tylko około 50% mniejsze niż w takich krajach europejskich jak: Włochy, Grecja, Turcja, Francja, Hiszpania czy Portugalia i około dwukrotnie mniejsze niż w krajach afrykańskich takich jak Senegal, Izrael, Egipt, Etiopia8.
8
A. Skoczek, Możliwości rozwoju fotowoltaiki w Polsce na tle programu rozwoju odnawialnych
źródeł energii w Niemczech, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
337
Rysunek 2. Średnioroczne sumy usłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych
rejonów Polski.
Źródło: www.energia-odnawialna.pl/wykorzystanie_es.htm (27.04.2011).
Usłonecznienie to czas, w którym widoczna jest tarcza słoneczna lub umownie,
wyrażony w godzinach czas, w którym natężenie promieniowania słonecznego
przekracza 120 W/m2. W Polsce odpowiada to średnio 1600 godzinom słonecznym rocznie. Jest to więc znacząca ilość energii. Jak dotąd, udział wykorzystania
energii słonecznej wyprodukowanej w systemach fotowoltaicznych w całkowitym
zużyciu energii elektrycznej w Polsce jest niebywale mały. Rynek energii słonecznej w Polsce znajduje się w stadium rozwoju. Systemy fotowoltaiczne w Polsce,
w chwili obecnej funkcjonują jako rozwiązania mające charakter dydaktycznodemonstracyjny, a także jako źródło zasilania np. stacji monitoringu, różnego typu
sygnalizacji, itp. Na rynku krajowym pojawiły się już firmy oferujące kolektory
słoneczne, solary czy ogniwa fotowoltaiczne. Są oni w stanie dostarczyć kompletne systemy dla klientów zainteresowanych energią słoneczną.
Rozwój fotowoltaiki w Polsce nie będzie jednak możliwy bez konkretnych
rozwiązań systemowych bo przecież np. o powodzeniu niemieckiego programu
rozwoju fotowoltaiki zadecydowało wsparcie finansowe ze strony państwa i władz
lokalnych.
Mimo, iż możliwości rozwoju rynku fotowoltaicznego w Polsce są ograniczone, to jednak celowym jest zwrócenie uwagi na możliwości wykorzystania energii
słonecznej w aspekcie bezpośrednich korzyści dla państwa. Są to korzyści ekologiczne, ekonomiczne i społeczne. Polska zobowiązana jest do ograniczania emisji
CO2 do atmosfery, więc zwiększanie udziału energii odnawialnych w strukturze
338
energii pierwotnej (elektroenergetyka opiera się na węglu), bezpośrednio przyczyni się do obniżenia emisji.
Bibliografia:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Butkowski M., Rynek technologii słonecznych w Polsce, Polskie Sieci Elektroenergetyczne-Wschód Sp. z o.o,
Jarzębski Z., Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna. PWN, Warszawa, 1990.
Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC,
2010.
Skoczek A., Możliwości rozwoju fotowoltaiki w Polsce na tle programu rozwoju
odnawialnych źródeł energii w Niemczech, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, Ministerstwo
Gospodarki, Warszawa, 2010.
Polityka Energetyczna Polski do roku 2030, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa,
2009.
www.pv-polska.pl
www.energia-odnawialna.pl/
Abstrakt
Prezentowany referat przedstawia zasoby energii słonecznej w Polsce, rodzaje
konwersji energii promieniowania słonecznego oraz możliwości zastosowania
technologii słonecznych w poszczególnych regionalnych Polski.
Renewable energy management on the example of photovoltaics
The paper describes solar energy resources in Poland, types of solar power
conversions and the possibilities to use solar technologies in particular regions in
Poland.
PhD Izabela Wierzbicka, assistant professor, Jan Kochanowski University in Kielce.
339