Dla kogo zielony prąd

Według GUS Polska rocznie zużywa około 74 mln ton węgla, z czego przeszło połowę na produkcję energii elektrycznej. To 203 tys. ton dziennie, 8,5 tys. ton na godzinę. Mniej więcej trzy wagony węgla przechodzą każdej minuty przez polskie kominy. Budynek jedno­rodzinny o powierzchni 150 metrów rocznie zużywa średnio 4500 kilowatogodzin energii elektrycznej (czyli około 200 zł miesięcznie w rachunkach za prąd), co wymaga spalenia prawie 3 ton węgla. Powstanie z tego niemal 5 ton dwutlenku węgla, około 200 kg popiołu, 15 kg siarki, 5 g uranu i 150 mg rtęci. Uran i rtęć będą głównie w popiele, który zapewne trafi na hałdę przy elektrowni. Te 150 mg rtęci to tak, jakbyśmy rozbili rocznie 50 żarówek energooszczędnych, czyli jedną na tydzień. Nie jest fajnie.

Nawet jako zwykli konsumenci energii możemy coś z tym zrobić i sami zacząć produkować energię. Oczywiście prąd to nie konfitury, produkcja energii wymaga zaawansowanych technologii. Ale te technologie stają się w mikroskali coraz tańsze. Instalacja do domowej produkcji energii kosztuje 30-40 tys. złotych – mniej niż nowy samochód. W kontekście budowy i eksploatacji domu to nie jest cena zaporowa. W dodatku można ją zmniejszyć dzięki finansowym zachętom do takich inwestycji ze strony państwa.

Praca Słońca

Energię najlepiej wziąć bezpośrednio z ogólnie dostępnego źródła. Najważniejszym źródłem energii na Ziemi jest Słońce. Zdecydowana większość zjawisk, z których dziś pozyskujemy energię użyteczną – cieplną, mechaniczną i elektryczną – to zjawiska powstałe w wyniku przetwarzania obecnie dostępnych źródeł energii na Ziemi – pochodnych energii słonecznej. W końcu Słońce nieustannie dostarcza nam energię, która jest magazynowana przez rośliny w związkach węgla, powoduje parowanie (a więc podnoszenie wody) czy ruchy atmosfery, czyli wiatr.

Procesy technologiczne wykorzystywane dzisiaj do wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o paliwa stałe są bardzo złożone. Żeby uzyskać energię np. z węgla, trzeba się nieźle napocić: najpierw ten węgiel wykopać, potem spalić go i podgrzać wodę tak, by zamieniła się w parę, parę wpuścić do turbiny, która napędza generator, a ten produkuje prąd.

Czyli energię chemiczną zamieniamy na cieplną, tę na kinetyczną (mechaniczną), a tę z kolei na elektryczną. Nie ma się co dziwić, że nawet w najnowocześniejszych elektrowniach konwencjonalnych przeszło połowa energii uzyskanej ze spalania tracona jest bezpowrotnie – najlepsze elektrownie oparte na węglu mają sprawność do 45 proc. To znaczy, że 55 proc. energii zamkniętej w węglu idzie w komin (choć często można ją odzyskać jako ciepło służące do ogrzewania mieszkań).

W domu nie musimy jednak stawiać elektrowni węglowej. Znacznie bardziej eleganckim rozwiązaniem w kontekście domowej produkcji prądu jest wykorzystanie efektu fotowoltaicznego (zob. ramka). Działa to następująco: w materiale półprzewodnikowym światło jest w stanie wybić elektrony z jego struktury. Taki wybity elektron porusza się swobodnie po całym półprzewodniku, unosząc energię dostarczoną przez światło. Odpowiednio dobierając właściwe materiały, można zaprząc takie wyswobodzone elektrony do pracy.

Czytaj także: Adam Robiński: Zmierzch epoki człowieka

Na tej zasadzie działają ogniwa foto­woltaiczne. Bardzo eleganckie rozwiązanie, bo nie mamy żadnych części ruchomych, nie musimy dokładać paliwa, wystarczy, że zapewnimy dostęp do światła słonecznego. A tego światła mamy pod dostatkiem. Rocznie każdy metr kwadratowy naszego kraju otrzymuje około 1100 kWh (ile dokładnie w rejonie, w którym mieszkamy, można sprawdzić na mapie ­www.solargis.info). Wspomniane na początku 150-metrowe gospodarstwo domowe zużywa tyle energii elektrycznej, ile dociera do 4 metrów kwadratowych powierzchni Polski. Do każdego skrawka naszego kraju o boku 13 na 13 kilometrów dociera tyle energii słonecznej, ile nasz kraj r0cznie zużywa w postaci prądu. To mniej więcej taki obszar, jaki planowany jest pod lotnisko w Baranowie.

Kłopoty z magazynowaniem

Co stoi na przeszkodzie, żeby zamiast lotniska postawić elektrownię? Problemów jest kilka. Niestety nie jesteśmy w stanie całej dostępnej energii słonecznej przekształcić w prąd. Co gorsza, światło słoneczne raz jest, raz go nie ma, i to nie tylko z powodu pory dnia, ale również ze względu na pogodę. Ten pierwszy problem nie jest aż tak wielki, ponieważ współczesne panele słoneczne, dostępne normalnie na rynku (czyli za normalne pieniądze), mają sprawność w granicach 15–20 proc., więc nawet w najgorszym przypadku potrzeba instalacji o 7 razy większej powierzchni (czyli nie 4 metry kwadratowe dla wspomnianego gospodarstwa domowego, tylko 28 metrów, i nie 13x13 kilometrów, tylko 34x34 dla całej Polski), ale to wciąż nie są wielkości przerażające. 28 metrów kwadratowych zmieści się na większości dachów, a te 34x34 kilometry też gdzieś da się upchnąć w naszym kraju. Znacznie większym problemem jest kwestia magazynowania energii słonecznej.

Gdyby nie to, wystarczałoby pozamykać elektrownie węglowe, uruchamiając w ich miejsce siłownie słoneczne. Na przykład gdyby przykryć dwa z trzech wyrobisk kopalni węgla brunatnego w ­Bełchatowie panelami fotowoltaicznymi, dostalibyśmy instalację o porównywalnej mocy co ­bełchatowska elektrownia. Problem w tym, że o ile węgiel do kotła jesteśmy w stanie sypać codziennie, w dzień i w nocy, w słońce i deszcz, o tyle elektrownie fotowoltaiczne działają tylko w słoneczne dni. Dlatego prąd produkowany zarówno za pomocą fotowoltaiki, jak i z farm wiatrowych dopóty nie będzie w stanie zastąpić tradycyjnych elektrowni, dopóki nie poprawimy ich dyspozycyjności. Najlepszy znany sposób magazynowania energii, jakim są elektrownie szczytowo-pompowe, pozwala gromadzić nadwyżki zaledwie z kilku godzin produkcji, a w przypadku odnawialnych źródeł energii powinniśmy mieć możliwość gromadzenia energii przez kilka dni. Największa taka instalacja w Polsce – Elektrownia Wodna Żarnowiec – jest w stanie pomieścić 3600 MWh. Tyle, ile Bełchatów jest w stanie wyprodukować w 40 minut.

Już pomijam fakt, że moc zainstalowana z ogniw fotowoltaicznych to jedno, a moc uzyskana to drugie, i żeby zastąpić elektrownię w Bełchatowie panelami słonecznymi, trzeba zainstalować panele o mocy nie 5,4 gigawata, lecz 10 razy większej, czyli 54 gigawatów. To lekko licząc 180 milionów paneli, które zajęłyby powierzchnię 280 km kwadratowych, czyli działkę o rozmiarach 16x16 km (zmieścilibyśmy na tej powierzchni trzy kopalnie bełchatowskie). Słowem, pomysł z zasypaniem bełchatowskich wyrobisk może i jest dobry, ale niedopracowany w szczegółach.

Elektrownia na dachu

O ile budowanie ogromnych elektrowni fotowoltaicznych ma umiarkowany sens, o tyle w mikroskali, na prywatne ­potrzeby, warto się zastanowić. Dobrze zaprojektowane, energooszczędne budynki jednorodzinne z odpowiednią instalacją fotowoltaiczną są w stanie funkcjonować z marginalnym udziałem sieci nawet 9-10 miesięcy w roku. Ponieważ w lecie instalacje fotowoltaiczne mogą produkować energię z dużym naddatkiem w stosunku do potrzeb, nic nie stoi na przeszkodzie, żeby przez 10 miesięcy w roku produkować tyle energii, by starczyło na dwa pozostałe miesiące.

Nie ma w tym też żadnej sprzeczności, bo magazynowanie prądu w domowej instalacji fotowoltaicznej realizuje się banalnie. Dzięki obowiązującemu w Polsce prawu właściciel takiej instalacji może oddawać nadwyżki prądu do sieci energetycznej, a sieć musi mu zwrócić część tego, co dostarczył. To znaczy, że z dobrze zaprojektowaną instalacją fotowoltaiczną jesteśmy w stanie uzyskać samowystarczalność energetyczną przez znaczną część roku. W Polsce jest 5 milionów domów jednorodzinnych. Gdyby na każdym dachu zainstalować po 36 paneli, to… moglibyśmy wyłączyć Bełchatów.

Oczywiście natychmiast rodzi się pytanie, co z kosztami ekologicznymi związanymi z produkcją paneli fotowoltaicznych. W końcu produkcja panelu zużywa energię, energię skądś trzeba wziąć, a zwykle bierzemy ją ze spalania węgla. Okazuje się jednak, że wcale nie jest tak źle. Według szacunków amerykańskiego Departamentu Energii okres zwrotu energetycznego w przypadku najpopularniejszych paneli tzw. polikrystalicznych wynosi raptem trzy lata. Ponieważ same panele mogą pracować 15–25 lat i po wyprodukowaniu nie zużywają już prądu do pracy, to można powiedzieć, że po trzech latach mamy źródło w 100 proc. ekologiczne. W dodatku coraz więcej fabryk paneli energię niezbędną do produkcji czerpie z fotowoltaiki, więc nie emitują CO2.

Panele fotowoltaiczne są dość trwałe – większość producentów daje na nie 15 lat gwarancji, a są tacy, którzy dają aż 25 lat. W instalacji nie ma żadnych elementów ruchomych, a półprzewodniki używane do produkcji paneli degradują się w niewielkim stopniu – spadek sprawności to około 0,5 proc. rocznie. Czyli po 20 latach instalacja o pierwotnej mocy 1000 kW będzie produkować 900 kW prądu. Nie uwzględniamy tu zmian technologicznych – za 10 lat panele będą miały o wiele większą sprawność, ze względu na ogromny popyt na rynku.

Przestawienie gospodarstw domowych na fotowoltaikę ma jeszcze jeden sens: pozwala przyspieszyć modernizację obecnego system produkcji energii w naszym kraju. Od dawna naukowcy twierdzą, że przyszłością energetyki jest tzw. generacja rozproszona.

Jeśli w systemie elektroenergetycznym pojawi się mnóstwo małych źródeł, to niejako wymusimy rewolucję. W gminach i powiatach, w których będzie dużo paneli fotowoltaicznych, można pokusić się o budowanie małych elektrowni gazowych, dopasowanych do potrzeb lokalnej społeczności, zapewniających podtrzymanie zasilania w nocy i w pochmurne dni. Nawet istnieją już ramy prawne – projekt tzw. klastrów energetycznych, w których powiat lub grupa pięciu gmin może stworzyć spółdzielnię pozwalającą na produkcję energii na własne potrzeby. Wydatki na instalację foto­woltaiczną będzie można w tym roku odliczyć od podstawy opodatkowania i dodatkowo uzyskać dotację z Funduszu Ochrony Środowiska nawet na jedną trzecią kosztów.

Instalacja fotowoltaiczna zwraca się w cenach prądu po około 10 latach. To dużo, ale pamiętajmy, że wiszą nad nami nieuchronne podwyżki cen energii. Nie ma gwarancji, czy ceny zablokowane przez rząd gigantycznymi dopłatami utrzymają się po wyborach, a wtedy tempo zwrotu z instalacji poszybuje w górę. A gdy już spłacimy fotowoltaikę, warto będzie rozejrzeć się za elektrycznym samochodem – za 10 lat rynek będzie wyglądał zupełnie inaczej (Niemcy będą wymieniać auta kupowane dziś). Wtedy wystarczy dołożyć kilka paneli na dachu i ceny ropy naftowej też nas nie będą obchodzić. Ale to już temat na inną opowieść. ©

Dziękujemy za konsultację merytoryczną dr. Mariuszowi Kłosowi z Politechniki ­Warszawskiej.

EFEKT FOTOWOLTAICZNY

To zjawisko, w którym między dwoma różnymi, stykającymi się materiałami (zazwyczaj półprzewodnikami, jak np. krzem) pod wpływem światła pojawia się napięcie elektryczne. W uproszczeniu polega to na tym, że fotony (cząstki światła) przekazują swoją energię elektronom półprzewodnika, umożliwiając im swobodne poruszanie się po całym materiale. Takie „wyswobodzone” elektrony mogą też przepływać między oboma materiałami, ale różnica w ich własnościach sprawia, że przepływ ten jest nierównomierny – w którąś stronę przepływa więcej elektronów. Tworzy się więc różnica ładunków, a wraz z nią – napięcie. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował już w 1839 r. Alexandre-Edmond Becquerel (ojciec Henriego Becquerela, noblisty, odkrywcy promieniotwórczości). Nie należy go mylić z pokrewnym mu efektem fotoelektrycznym (opisanym przez Alberta Einsteina), w którym elektrony pod wpływem światła są całkowicie wybijane z materiału.

© TOMASZ MILLER