Prąd ze Słońca

Z kosmosu na ziemię

Pierwsze instalacje wykorzystujące fotoogniwa pojawiły się na samym początku podboju kosmosu – światło słoneczne było (i jest) najwygodniejszym źródłem energii na orbicie. Z tego też powodu panele ogniw słonecznych są stosowane do zasilania satelitów orbitujących dookoła Ziemi od samego początku lotów kosmicznych. Inne zasilanie stosowane jest tylko w przypadku wypraw do planet zewnętrznych. W okolicach orbity Ziemi ilość dostępnej energii słonecznej wynosi około 1,36kW na metr kwadratowy. Przy jej pełnym wykorzystaniu potrzeby energetycznego przeciętnego Polaka da się zaspokoić niespełna 2 metrami kwadratowymi fotoogniw. Zanim energia ta dotrze do ziemi jej część ulega rozproszeniu i absorpcji w atmosferze. Jednakże i tak, ta energia, która pozostaje jest ponad 10 tysięcy razy większa od całkowitego zużycia energii wszystkich mieszkańców naszej planety.

Niestety, nie tak łatwo

Niestety nie ma szans na wykorzystanie całej docierającej do nas energii. Teoretyczny limit wydajności przetwarzania światła na elektryczność dla ogniw krzemowych to około 28%, a dla znacznie droższych ogniw GaAs około 30%. Ogniwa wielowarstwowe wykazują wydajność sięgającą w warunkach laboratoryjnych 40% – ale praktyczne wykorzystanie fotoogniw wymaga pokonania jeszcze kilku dodatkowych przeszkód wpływających na wydajność całego systemu.

Po pierwsze, generowany przez fotoogniwa prąd jest prądem stałym i zanim zostanie wykorzystany do zasilania większości urządzeń musi zostać przetworzony na prąd przemienny.

Po drugie, ilość produkowanego prądu zmienia się w ciągu doby – spadając do zera w nocy i rosnąc bądź malejąc w ciągu dnia, w zależności od położenia Słońca i zachmurzenia. Oświetlone ogniwo generuje praktycznie stałe napięcie, zaś natężenie prądu, jakie można uzyskać jest wprost proporcjonalne do natężenia światła.

Oznacza to, że ogniwo słoneczne o mocy maksymalnej 1kW, oznaczanej 1 kWp, w praktyce nie wyprodukuje w ciągu doby więcej niż kilka kilowatogodzin – ich dokładna liczba zależy od pozycji geograficznej i średniego rocznego nasłonecznienia, będącego funkcją pogody. W Polsce jedno zainstalowane ogniwo o mocy 1kWp może w skali roku produkować średnio trochę ponad 2kWh dziennie – przy czym jest to sześć razy więcej w lecie, niż w zimie. Powoduje to, że ogniwo słoneczne albo musi zostać uzupełnione systemem akumulatorów, co wpływa na kolejne obniżenie wydajności, albo wymaga uzupełniającego źródła energii. W zależności od okoliczności może nim być np. generator spalinowy albo podłączenie do sieci energetycznej. Naturalnie maksymalna moc ogniwa musi być wielokrotnie większa od przewidywanego średniego zapotrzebowania na prąd.

Dotychczasowa technologia

W ogniwach dostępnych na rynku stosuje się najczęściej dwa rodzaje materiału. Najlepszy – ale i najdroższy – jest krzem monokrystaliczny. Zrobione z niego ogniwa osiągają w warunkach laboratoryjnych sprawności rzędu 24%, a produkowane masowo – do 17%. Trochę gorsze są ogniwa z krzemu polikrystalicznego. Ich sprawność wynosi 18% w warunkach laboratoryjnych i do 15% w panelach dostępnych komercyjnie. Są one jednak zdecydowanie łatwiejsze i tańsze w produkcji, dzięki czemu robione z nich panele są atrakcyjne cenowo.

Inne rozwiązania nieoparte o krzem stanowią obecnie tylko kilka procent rynku. Najwyższą wydajność uzyskuje się w ogniwach z arsenku galu, jednak ich koszt jest kilkadziesiąt razy większy od kosztu ogniw krzemowych, a ilość generowanej mocy większa o kilkanaście do kilkudziesięciu procent, dlatego stosowane są bardzo rzadko i tylko w urządzeniach, w których cena jest sprawą drugorzędną.

Technologia cienkowarstwowa

Rys. 1. Światowa produkcji ogniw fotowoltaicznych (źródło: PV News, luty i maj 2003)

Zastosowania

Ogniwa fotoelektryczne od dosyć dawna są stosowane tam, gdzie potrzebna jest bezobsługowa praca urządzeń, zapotrzebowanie na moc niewielkie, a podłączenie zasilania kablami kłopotliwe. Przykładem mogą być stacje pogodowe i boje sygnałowe. W ciągu ostatnich kilku lat cena ogniw spadła na tyle, że opłaca się je stosować również tam, gdzie można bez problemu dociągnąć kabel – na przykład w umieszczanych przy ulicach miast urządzeniach do monitoringu zanieczyszczeń powietrza i natężenia ruchu.

Spadek cen spowodował, że opłacalne zaczęły być i inne zastosowania. Ogniwa fotoelektryczne coraz częściej montowane są na przyczepach kempingowych albo na łodziach. Są to jednak wszystko przykłady, w których użytkownik gotów jest zapłacić wyższą cenę za zwiększenie swojej niezależności i mobilności. Zastosowanie ogniw do zasilania domów mieszkalnych ciągle jeszcze jest zbyt kosztowne, choć – biorąc pod uwagę ich żywotność, liczoną na 20-30 lat – uzyskiwana z nich energia elektryczna zaczyna być tańsza niż energia kupowana z sieci energetycznej. Dzięki temu coraz częściej fotoogniwa stają się częścią projektów budynków mieszkalnych i biurowych. Efektem tego jest fakt, że roczna produkcja paneli przekroczyła już 1GWp i rośnie (rok do roku) o 20-30%.

Problemy

Głównym problemem utrudniającym rozwój produkcji fotoogniw jest od kilku lat brak wystarczającej ilości krzemu polikrystalicznego o odpowiedniej czystości. Braki te będą trwały co najmniej do 2008 roku, choć według niektórych analiz nie ma co liczyć na zrównoważenie popytu i podaży przed rokiem 2012. Do produkcji fotoogniw w 2006 roku zużyto 33% światowej produkcji krzemu wysokiej czystości. I choć krzem używany w fotoogniwach nie wymaga tak wysokiej czystości jak podłoże do produkcji układów scalonych, nie da się wykluczyć sytuacji, w której braki surowca zaczną dotyczyć obu gałęzi przemysłu. Prognozy gospodarcze przewidują jednakże spowolnienie tempa wzrostu produkcji układów scalonych w 2007 i 2008 roku.

Równocześnie jednak braki krzemu polikrystalicznego mogą ułatwić rozwój technologii cienkowarstwowych. O pierwszeństwo na rynku walczy kilkadziesiąt firm, poczynając od gigantów takich jak Honda czy Sharp, po niewielkie firmy jak SunPower czy First Solar. Potencjalny rynek jest gigantyczny, nic więc dziwnego, że wielu inwestorów jest gotowych zaryzykować duże pieniądze i zainwestować w badania i rozwój nowej technologii.

Ekonomia, ekologia, podatki

Krytycy istniejących rozwiązań zwracają uwagę na fakt, że nie jest wcale oczywiste, czy ilość uzyskiwanej z fotoogniw energii elektrycznej przekracza koszty związane z ich produkcją. Wprawdzie samo wytwarzanie energii jest ekologicznie tak czysta, jak to tylko możliwe, izolowanie krzemu i jego rafinacja są procesami przebiegającymi w bardzo wysokich temperaturach i powodują powstawanie dużych ilości odpadów. Sama energia ulega zbilansowaniu w ciągu kilku pierwszych lat działania fotoogniw, co przy ich długowieczności oznacza czysty zysk energetyczny, jednak koszt związany z zanieczyszczeniem środowiska może być ciągle jeszcze większy, niż przy pozyskaniu energii z paliw kopalnych.

Koszt instalacji fotoogniwa razem z niezbędnymi urządzeniami dodatkowymi zmalał od 7,5 dol./Wp w 1990 roku, do 4 dol./Wp w 2005 roku, choć w następnych latach nieco wzrósł, w związku ze zmianami zapotrzebowania i brakiem krzemu na rynku. Biorąc pod uwagę przewidywany okres działania fotoogniw, koszt uzyskanej z nich energii elektrycznej w większości państw ciągle jest wyższy niż koszt energii elektrycznej kupowanej z sieci energetycznej. Amerykańskie szacunki mówią, że przed 2010 w USA cena kilowatogodziny z ogniw słonecznych nie będzie niższa niż cena kilowatogodziny z sieci, nie uwzględniając ewentualnych ulg podatkowych. To mniej więcej trzy lata – czyli bardzo krótko – a w międzyczasie ceny ogniw mogą spaść nie tylko dzięki rozwojowi technologii, ale także z bardziej prozaicznego, czysto ekonomicznego powodu. Na świecie budowanych jest obecnie kilka fabryk krzemu polikrystalicznego. Ich uruchomienie zwiększy jego podaż i automatycznie obniży ceny.

Wiele rządów stosuje w chwili obecnej ulgi podatkowe, by zachęcać obywateli do wykorzystania ogniw fotoelektrycznych na jak największą skalę. W Kalifornii rozpoczęto realizację zaplanowanego na 10 lat programu ulg podatkowych, którego koszt wyniesie około 3mld dolarów. Ma on doprowadzić do zainstalowania na dachach domów całego stanu paneli o łącznej mocy 3GWp do 2017 roku. Innym sposobem zachęcania do instalacji ogniw słonecznych jest system zastosowany w Niemczech. W zależności od ilości produkowanej energii elektrycznej domowa instalacja może albo pobierać energię z sieci by uzupełnić braki, albo przekazywać do sieci własne nadwyżki. By zachęcić do stosowania tego rozwiązania, uczestnicy programu dostają 8 razy więcej pieniędzy za energię oddawaną do sieci, niż płacą za pobieraną. Inne działanie podejmuje rząd Austrii, które zwraca część kosztów ponoszonych podczas instalacji fotoogniw.

Mała skala, duża skala

Przetwarzanie energii słonecznej na prąd elektyrczny to nie tylko małe instalacje na dachach domów mieszkalnych. Na świecie istnieje już wiele relatywnie dużych elektrowni o mocach liczonych w dziesiątkach megawatów. Ich liczba w samych Niemczech przekroczyła 15, a budowę takiej instalacji w okolicach Brna planują Czesi. Im dalej na południe tym parcie do wykorzystywania energii słonecznej jest coraz większe. Wynika to z dużego nasłonecznienia tych regionów dostępnego przez większość roku. Jednakże, jak wskazują przykłady nie musi to być problemem – plany związane z budową elektrowni słonecznych mają nawet Finowie.

A co z Polską?

W Polsce tematem ogniw słonecznych nie zajmuje się praktycznie nikt, poza grupkami entuzjastów, często związanych z uczelniami technicznymi. Jak na razie nie ma żadnych planów rozwiązań systemowych, a wypowiedzi decydentów sprowadzają się do traktowania elektrowni fotowoltaicznych jako egzotycznych pomysłów bez większego znaczenia gospodarczego. Jednocześnie dyrektywy unijne obligują nas do zwiększania wykorzystywania odnawialnych źródeł energii do 7,5% w 2010 roku, a budowy odpowiednich instalacji mogłaby być dofinansowana z funduszy strukturalnych na inwestycje ekologiczne. Niestety ceny paneli fotoogniw są jak na razie na tyle wysokie, że przy niskiej zamożności polskiego społeczeństwa jeszcze przez kilka-kilkanaście lat nie ma co liczyć na rozwój polskiej energetyki słonecznej.

Marcin Borkowski