Wtyczka do Słońca czyli jak ujarzmić największą baterię?

W listopadowy poranek słońce na pustyni Mojave zaczyna malować wierzchołki gór pasma McCullough różową poświatą. Za nimi księżyc w pełni zachodzi właśnie w gigawatowej łunie Las Vegas. Nevada Solar One jeszcze śpi. Ale dzień pracy wkrótce się rozpocznie. Trudno sobie wyobrazić, że elektrownia może być tak piękna – 100 hektarów lekko zakrzywionych luster zestawionych w długie rynny wygląda niczym kanały światła. Nocą lustra „śpią”, zwieszając paraboliczne głowy ku ziemi. Światło sprawia, że ponad 182 tys. zwierciadeł budzi się jednocześnie – i podąża za słońcem. – Zapowiada się 370 stopni – mówi jeden z siedzących w sterowni operatorów. Jego zadaniem jest monitorowanie szeregów parabolicznie wygiętych zwierciadeł, które skupiają światło słoneczne na długich, stalowych rurach wypełnionych olejem, rozgrzewając ciecz do temperatury sięgającej 400°C. Z pola zwierciadeł wrzący olej płynie do ogromnych chłodnic, które przekazują jego ciepło wodzie, zamieniając ją w parę. Ta napędza turbinę i prądnicę, która przesyła do sieci aż 64 MW – moc wystarczającą do zasilenia 14 tys. domów lub kilku kasyn w pobliskim Las Vegas.
Kiedy Nevada Solar One zaczęła działać w 2007 r., była pierwszą dużą elektrownią tego typu zbudowaną w USA od ponad 17 lat.

W tym czasie technologia solarna rozkwitała gdzie indziej. Zakład należy do hiszpańskiej firmy Acciona, która wytworzoną tu energię sprzedaje NV Energy, regionalnemu przedsiębiorstwu energetycznemu. Zwierciadła wyprodukowano w Niemczech.Założywszy kask i ciemne okulary, wsiadam z dyrektorem Robertem Cable’em do jego furgonetki i jedziemy powoli wzdłuż kolejnych szeregów luster. Mężczyźni z cysterną wody myją niektóre z nich. – Kurz źle na nie działa – wyjaśnia Cable. Na drugim końcu zwierciadlanego pola zatrzymujemy się i wysiadamy z samochodu. Dyrektor wali w lustro jak w bęben, chcąc mi pokazać, jak mocne jest szkło. Ponad jego głową, w ognisku paraboli, biegnie rura z olejem pokryta czarną ceramiczną osłoną, by skuteczniej wchłaniać światło, dla lepszej izolacji zamknięta w próżniowym, szklanym cylindrze. W bezchmurny dzień, kiedy słońce stoi najwyżej, Nevada Solar One potrafi zamienić w elektryczność mniej więcej 21 proc. energii jego promieni. Elektrownie gazowe są bardziej wydajne, ale tutaj paliwo jest za darmo. No i zakład nie wypuszcza do atmosfery dwutlenku węgla odpowiedzialnego za globalne ocieplenie.
Mniej więcej co 30 sekund słychać ciche brzęczenie. To silniki zmieniają kąt nachylenia luster. W południe czasze będą spoglądały prosto w górę. Każdy z 760 szeregów zwierciadeł wytwarza ok. 84 tys. W – prawie 113 KM mocy. Do 8 rano olej krążący w rurach osiąga temperaturę roboczą. Z chłodni kominowej unosi się biały pióropusz. Pół godziny później dźwięk turbiny w budynku elektrowni zmienia się w wysoki, przenikliwy pisk. Nevada Solar One może włączyć się do sieci elektrycznej. Amerykańska administracja zapowiada, że zajmie się globalnym ociepleniem i zmniejszy uzależnienie od ropy. Energia słoneczna może więc doczekać się wreszcie swych pięciu minut. W inauguracyjnym przemówieniu prezydent Obama obiecał: Zaprzęgniemy słońce, wiatr i ziemię, by napędzały nasze samochody i fabryki. – Jeśli mówimy np. o geotermii czy wiatrakach, to wszystkie te źródła są ograniczone ilościowo – powiedział mi Eicke Weber, dyrektor działu Systemów Energii Słonecznej Instytutu Fraunhofera w niemieckim Fryburgu. – Całkowite zapotrzebowanie na energię dla wszystkich mieszkańców Ziemi wynosi dziś w przybliżeniu 16 terawatów (TW; 1 TW = bilion watów). – W roku 2020 zapewne wzrośnie do 20 TW. Tymczasem promieniowanie słoneczne docierające do lądowej części naszej planety to 120 000 TW. Patrząc z tej perspektywy, energia słoneczna jest niemal nieograniczona.
Istnieją dwa główne sposoby jej wykorzystania. Pierwszy: poprzez produkcję pary bądź to za pomocą systemu parabolicznych rynien, takiego jak ten w Nevadzie, bądź też pola płaskich, sterowanych komputerowo luster zwanych heliostatami, które skupiają światło na odbiorniku umieszczonym na szczycie ogromnej „wieży energetycznej”. Drugim sposobem jest przetwarzanie promieniowania słonecznego bezpośrednio w elektryczność za pomocą ogniw fotowoltaicznych zbudowanych z półprzewodników, takich jak krzem. Wytwarzanie pary, znane jako metoda termodynamiczna lub heliotermiczna, jest dziś bardziej wydajne niż ogniwa fotowoltaiczne.
Lecz ten system wymaga ogromnych połaci terenu i linii przesyłowych. Panele fotowoltaiczne można z kolei umieszczać na dachach czy w ogrodach, bezpośrednio tam, gdzie energia jest potrzebna. Oba źródła mają oczywisty minus – ich wydajność słabnie w dni pochmurne i spada do zera w nocy. Dlatego inżynierowie opracowują systemy magazynowania słonecznej energii, by móc ją wykorzystać na czarną (czy raczej ciemną) godzinę.

Zdaniem optymistów nie potrzeba żadnego przełomu, wystarczą stopniowe ulepszenia i wsparcie rządu, by energia słoneczna stała się równie opłacalna jak paliwa kopalne. Pesymiści odpowiadają, że już to wszystko słyszeli – 30 lat temu, podczas prezydentury Jimmy’ego Cartera, gdy USA dotknął podobny kryzys, wywołany nałożeniem przez kraje arabskie embarga w 1973 r. Przemawiając do narodu, prezydent Carter przedstawił wtedy zarys nowej polityki energetycznej, w której energia słoneczna miała odegrać poważną rolę. I zamontował solarne bojlery na dachu Białego Domu.
W ciągu następnych kilku lat 260 km na południowy zachód od Las Vegas zainstalowano dwa duże pola parabolicznych rynien, SEGS I i II. Po nich pojawiło się jeszcze siedem kolejnych. Działają do dzisiaj – w sumie ok. miliona luster o łącznej mocy 354 MW, rozmieszczonych na 650 hektarach. Ale zapał nie potrwał długo. Kiedy gospodarka przystosowała się do irańskich reguł, ceny paliw spadły. W miarę jak oddalało się widmo naftowej posuchy, wysychały źródła funduszy na badania. Zakłady SEGS wciąż jeszcze były w budowie, a prezydent Ronald Reagan już zdejmował z Białego Domu solarne bojlery. Para z pierwszej solarnej rewolucji poszła w gwizdek.

W latach 80. XX w. inżynier Roland Hulstrom obliczył, że ogniwa fotowoltaiczne zajmujące zaledwie 3/10 proc. powierzchni kraju (kwadrat o boku 160 km) mogłyby zapewnić elektryczność całym Stanom Zjednoczonym. Ludzie podejrzewali go o to, że chce wyłożyć krzemem pustynię Mojave. – Działacze ochrony środowiska wyruszyli na wojenną ścieżkę, krzycząc: „Nie możesz sobie tak po prostu zakryć 25600 km2”– opowiadał niedawno Hulstrom, siedząc w swoim gabinecie w NREL (Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej – National Renewable Energy Laboratory) w Golden w stanie Kolorado. A to przecież wcale nie o to chodzi. – Da się wyłożyć ogniwami parking, umieścić panele na dachu. Możliwości jest naprawdę dużo.
I choć 20 lat później ogniwa fotowoltaiczne nadal stanowią jedynie drobną cząstkę zaopatrzenia kraju w elektryczność, na dachach Kalifornii, Nevady i innych stanów, w których nie brakuje słońca
i zachęt podatkowych, to już widok niemal równie częsty jak klimatyzatory. Nie są jeszcze tak efektywne jak technologia heliotermiczna, ale mogą mieć przed sobą lepszą przyszłość.
Dziś ogniwa FW są kosztowne, a ich wydajność wynosi ledwie 10 do 20 proc. w porównaniu z 24 proc. osiąganymi w szeregach parabolicznych rynien. Winę za to ponosi jednak nie tyle fizyka, ile koleje losu. Gdy energia solarna podupadła w połowie lat 80., wielu najlepszych inżynierów przeniosło się do branży komputerowej, która wykorzystuje ten sam surowiec – krzem i inne półprzewodniki. To dzięki ich geniuszowi w myśl prawa Moore’a mikroprocesory podwajały swoją wydajność co kilka lat, podczas gdy ogniwa leżały odłogiem. Teraz na szczęście część tych talentów wraca do energetyki.

Badacze z NREL wykorzystują fakt, że rozmaite półprzewodniki przechwytują różne kolory słonecznego widma. Układając warstwami na przemian fosforek galowo-indowy i arsenek galowo-indowy i używając soczewki do skupiania światła słonecznego, zbudowali ogniwo fotowoltaiczne o sprawności 40,8 proc. (ten rekord został już pobity). Ale do masowej produkcji jeszcze daleka droga. – To niewiarygodnie wyrafinowana technologia – stwierdził Ray Stults, zastępca dyrektora laboratorium. – Dziś koszt produkcji takiego ogniwa to 10 tys. dolarów za cm2. Kto to kupi?

Można, rzecz jasna, zrezygnować z wyższej wydajności na rzecz niskich kosztów. Choć cienkowarstwowe półprzewodniki mają niższą wydajność na centymetr kwadratowy, to potrzeba na nie mniej surowca, dzięki czemu są tańszą alternatywą dla wielkich instalacji fotowoltaicznych. Dwie amerykańskie firmy, First Solar i Nanosolar, twierdzą, że potrafią wytworzyć cienkowarstwowe ogniwa słoneczne w cenie dolara za wat – to kusząco niewiele, prawie tak tanio, żeby już konkurować z paliwami kopalnymi. Przyszłość jawi się w jeszcze jaśniejszych barwach, także dosłownie. Inżynierowie z NREL pracują bowiem nad fotowoltaicznymi cieczami, których koszt będzie porównywalny do farby. – Rzecz jasna, nie osiągną 40-proc. wydajności, tylko np. 10 proc., ale jeśli będzie tanio, możesz tym pomalować ściany, podłączyć do instalacji i gotowe – wyjaśnia Stults.

Zastosowanie paneli fotowoltaicznych nie ogranicza się do pojedynczych domów lub magazynów. Na obrzeżach Las Vegas, w bazie lotniczej Nellis, ogniwa dostarczają średnio 25 proc. prądu. W niektóre zimowe dni, gdy nie włącza się klimatyzacji, baza jest w całości zasilana przez słońce. Zeszłej jesieni patrząc na smagane wiatrem pole 72 416 paneli podążających za Słońcem, dostrzegłem, na czym polega ich powab: żadnych rur z olejem, wymienników ciepła, kotłów, prądnic czy kominów chłodniczych – tylko słoneczne fotony wybijające elektrony z atomów krzemu. System zbudowany w 2007 r. ma moc 14,2 MW i jest największą instalacją fotowoltaiczną w USA, choć na świecie mieści się dopiero w 3. dziesiątce. Niemal wszystkie większe od niego znajdują się w Hiszpanii, która podobnie jak Niemcy wiele inwestuje w energię słoneczną.

Żaden z tych zakładów nie posiada jeszcze systemu magazynowania energii. Przy bezpośrednim wytwarzaniu prądu to trudniejsze, bo nie ma tu ciepła, które można zamknąć np. w zbiornikach ze stopioną solą. Jedną z możliwości jest przekierowanie części prądu wytwarzanego w ciągu dnia do napędzania pomp sprężających powietrze w podziemnych zbiornikach. W Niemczech i Alabamie sprężone powietrze od lat wykorzystuje się do magazynowania nocnej produkcji konwencjonalnych elektrowni na czas dziennego szczytu. W zakładach solarnych cykl byłby tylko odwrócony – energię skumulowaną podczas słonecznych godzin uwalniano by podczas nocnego szczytu energetycznego, napędzając nią turbinę. Dziś ludzie, którzy nie są podłączeni do sieci energetycznej, tylko korzystają z paneli fotowoltaicznych na swoich dachach, nocami czerpią prąd z akumulatorów. W przyszłości będą używać np. zasilanych słońcem elektrolizerów rozszczepiających cząsteczki wody na wodór i tlen. Ponowne łączenie tych gazów w ogniwach paliwowych będzie dostarczać im elektryczności nocą. Idea jest stara, ale w zeszłym roku Daniel Nocera, chemik z MIT, dokonał przełomowego odkrycia – znalazł katalizator znacznie obniżający koszty rozkładu wody. Zdaniem Nocery całonocne zapotrzebowanie rodziny na elektryczność zmieściłoby się w pięciu plastikowych butlach z wodą i jeszcze wystarczyłoby dla elektrycznego samochodu.

W zimny grudniowy poranek, dygocząc na górskim grzbiecie nad miasteczkiem Morbach, patrzyłem, jak łopaty 100-metrowej turbiny wiatrowej na przemian wynurzają się i znikają w mroku. Poniżej pole fotowoltaicznych paneli usiłowało wyłapywać światło. Kto by pomyślał, że Niemcy staną się największym producentem energii fotowoltaicznej na świecie o zdolności produkcyjnej przekraczającej pięć gigawatów?

Tylko drobna część tej energii pochodzi z dużych zakładów, takich jak ten w Morbach, czy rozległy, 110-hektarowy Park Solarny Waldpolenz, wzniesiony ostatnio w technologii cienkowarstwowej na terenach po sowieckiej bazie lotniczej pod Lipskiem. Ziemia w Niemczech jest na wagę złota, panele słoneczne montuje się więc na dachach budynków, stadionach piłkarskich, wzdłuż autostrad. Choć rozproszone, są podłączone do krajowej sieci energetycznej, a przedsiębiorstwa komunalne muszą płacić nawet najmniejszym producentom premię w wysokości ok. 50 eurocentów za kWh. – Dostajemy pieniądze za to, że mieszkamy – mówi Wolfgang Schnürer z Solarsiedlunga („Słonecznego Osiedla”), kompleksu mieszkaniowego we Fryburgu. Za oknami śnieg zsuwał się z paneli słonecznych pokrywających dachy budynków. Poprzedniego dnia system Schnürera wytworzył zaledwie 5,8 kWh – za mało nawet dla rodziny. Jednak w słoneczny dzień daje i siedem razy tyle. Po podaniu kawy i ciasteczek Schnürer rozłożył na stole kilka wydruków. W 2008 r. jego osobista elektrownia wytworzyła 6187 kWh – ponad dwa razy więcej, niż sam potrzebował. Po odjęciu zużycia od produkcji byli „do przodu” o ponad 2500 euro. Położony na skraju Schwarzwaldu „słoneczny Fryburg”, jak nazywają go turystyczne broszury, pod wpływem solarnego boomu kompletnie się zmienił. Naprzeciw Solarsiedlunga, po drugiej stronie ulicy, fotowoltaiczne panele pokrywają wielopoziomowy parking i szkołę. W starszej części miasta strzeliste ściany ogniw witają przybyszów na dworcu kolejowym. Nieopodal, w ośrodku Systemów Energii Słonecznej Instytutu Fraunhofera, powstaje następna generacja tej technologii. W ramach jednego z projektów używa się soczewek Fresnela do 500-krotnego skupienia promieni słonecznych, co podnosi wydajność panelu fotowoltaicznego aż do 23 proc. Te i inne badania kwitną dzięki preferencyjnym rządowym taryfom energii, które kreują popyt, powiedział mi Eicke Weber, dyrektor instytutu. Każdy, kto zainstaluje system fotowoltaiczny, ma zagwarantowane na 20 lat stawki wyższe od rynkowych – równoważnik 8-procentowej rocznej stopy zwrotu z inwestycji.
Polska leży na tej samej szerokości geograficznej co Niemcy. Ale ponieważ państwo nie wprowadziło finansowych zachęt, energetyka solarna nad Wisłą pozostaje domeną idealistów i hobbystów.

Spektakularnym przykładem przyszłości energetyki słonecznej jest zbudowany na andaluzyjskiej równinie kompleks solarny Plataforma Solúcar. Widziałem zdjęcia tej 11-megawatowej wieży energetycznej o symbolu PS10. Ma 115 m wysokości i jest otoczona przez 624 lustra, które podążając za słońcem, skupiają jego promienie na koronie wieży jarzącej się niczym gwiazda. Niedawno w pobliżu ukończono nową wieżę – PS20, która ma dwa razy tyle heliostatów i dwukrotnie większą moc. Lecz gdy wspiąłem się na szczyt wzgórza 25 km na zachód od Sewilli, zobaczyłem, że w ślad za mną przybyła tu niemiecka pogoda. Dolinę spowijała mgła, która przypominała, że nawet w upalnej Hiszpanii sama słoneczna energia, bez instalacji magazynujących i innych źródeł prądu, nie wystarczy. – Ostatniej nocy mieliśmy problem. Nie było wieży – powiedział Valerio Fernández, dyrektor zakładu. Śmiał się, kiedy patrzyliśmy na PS10, której wierzchołek ginął w chmurach. W normalnym dniu moc wieży może osiągać cztery megawaty na metr kwadratowy, znacznie powyżej progu bezpieczeństwa. Operatorzy PS10 muszą ograniczać przepływ, aby nie stopić odbiornika. Wieże energetyczne to inna wersja elektrowni heliotermicznych, ale też wykorzystują słońce do produkcji pary. Paraboliczne rynny sprawdzają się na płaskich obszarach, wieże można zaś umieścić w górzystym terenie, ustawiając lustra tak, by skupiały promienie na wysoko umieszczonym odbiorniku. Ponieważ taka wieża rozgrzewa parę do wyższych temperatur, jest potencjalnie bardziej wydajna.
Jednak branża solarna wciąż jest w powijakach, więc Abengoa Solar działa asekuracyjnie. Widziałem, jak niedaleko wież energetycznych dźwigi montowały szeregi parabolicznych rynien. Za PS10 rozciągało się pole paneli fotowoltaicznych, które mogą podążać za słońcem zarówno ze wschodu na zachód, jak i z południa na północ – aby zapewnić optymalne naświetlenie przez cały rok. Panele były wyposażone w lustra lub soczewki Fresnela, aby intensyfikować światło. – Naszym celem jest czerpanie korzyści z każdego słonecznego promienia – oświadczył Fernández.

Po powrocie do Stanów Zjednoczonych przeczytałem w pewnym czasopiśmie artykuł wzywający kraj do przyspieszenia prac nad wykorzystaniem słońca. Co godzinę zalewa ono ziemię falą ciepła równą wytwarzanej podczas spalania 21 mld ton węgla – wyliczał autor. – Kolosalna moc energii słonecznej jest niemal niemożliwa do ogarnięcia. Artykuł ten, ilustrowany rysunkiem futurystycznej elektrowni słonecznej z ogromnymi zwierciadłami generującymi parę, nosił tytuł: "Dlaczego nie posiadamy… energii słonecznej?" Został wydrukowany we wrześniu 1953 r.

George Johnson, 2010

1 z 1

15-la-714

fot. Michael Melford