Wielka słoneczna rewolucja. Ta technologia zmienia oblicze energetyki [ANALIZA]

 XXI wiek jest świadkiem cichej, choć donośnej, jeśli chodzi o wpływ na rzeczywistość, rewolucji. Dokonuje się ona na naszych oczach i choć obarczona wieloma wadami, zmienia sposób patrzenia na system energetyczny. Jej efekty bez wątpienia pozostaną z nami na długie lata i to niezależnie od tego czy mówimy o ogromnych połaciach ziemi na pustyni Atacama czy dachu domu jednorodzinnego w Koszycach Małych. Nie mam wątpliwości, że już dawno domyśliliście się, drodzy Czytelnicy, dokąd zmierzam – zapraszam do lektury tekstu, w którym przyjrzymy się nie tyle fotowoltaice, jako takiej (choć i tego nie zabraknie), ale najbardziej spektakularnym projektom związanym z tym sposobem wytwarzania energii. 

Zanim jednak porozmawiamy o tym, co współczesne, zacznijmy od krótkiego zarysowania historii fotowoltaiki - odkłamując przy tym jeden z najbardziej popularnych mitów na jej temat pt. „To nowa technologia” Otóż nie. Zapraszam Państwa na krótką podróż do świata nauki oraz opowieść o ludzkiej pomysłowości, dążeniu do wiedzy i wielkich umysłach, wśród których znajdziemy także Polaka, a właściwie – Polaków. 

Nasza historia swój początek znajduje w XIX wieku, a konkretnie roku 1839 i jest nierozerwalnie związana z francuskim fizykiem Alexandrem Edmondem Becquerelem. Miał on wówczas zaledwie (jak na obecne standardy) 19 lat i pracując w laboratorium ojca zaobserwował, że niektóre materiały pod wpływem działania światła wytwarzają niewielkie ilości prądu elektrycznego. Jego odkrycie, choć z biegiem czasu uznane za przełomowe dla naszego myślenia o energetyce, wówczas traktowano jednak raczej w ramach ciekawostki, aniżeli praktycznego rozwiązania, które kiedyś mogłoby wywrzeć realny wpływ na rzeczywistość. Prawie czterdzieści lat później William Grylls Adams i Richard Evans Day dokonali odkrycia, które można uznać za symboliczny kolejny krok. Ich badania wykazały, że materiały stałe (w tym przypadku selen) mogą „zamieniać” energię świetlną na energię elektryczną bez udziału ruchu czy ciepła. Było to dokonanie o tyle niezwykłe, że przełamujące pewien paradygmat myślowy – otóż okazało się, że konwersja energii w ramach efektu fotowoltaicznego jest czymś więcej niż tylko laboratoryjnym konceptem i ma potencjał do zastosowań w realnym świecie. Choć oczywiście od tego momentu dzieliła nas wówczas jeszcze ,chwila”.

Istotną rolę w historii fotowoltaiki (ujmując rzecz umownie), choć niewiele osób o tym wie i pamięta, odegrał także Albert Einstein. Nie otrzymał on nagrody Nobla za to z czym kojarzy się bodaj najmocniej – teorię względności – ale za „wkład w rozwój fizyki teoretycznej, a zwłaszcza za odkrycie praw rządzących efektem fotoelektrycznym”. Cóż to oznacza?

Ano mniej więcej tyle, że Einstein pochylił się nad naturą światła i doszedł do wniosków fundamentalnych nie tylko z perspektywy opisywanej przez nas branży, ale także fizyki kwantowej. Zdaniem Einsteina na światło należy patrzeć jak na strumień cząstek (fotonów) niosących ze sobą określoną ilość energii. W momencie uderzenia w powierzchnię, w określonych przypadkach, dochodzi do „wybijania” elektronów poza jej obręb i zachodzi zjawisko fotoelektryczne.

W naszych rozważaniach nie sposób pominąć jednego z najbardziej szanowanych w świecie polskich naukowców – Jana Czochralskiego. To chemik, metaloznawca i najczęściej cytowany polski uczony, urodzony w drugiej połowie XIX wieku w niewielkim mieście Kcynia (wojkujawsko-pomorskie, a wówczas zabór pruski). Wynalazł on metodę pomiaru szybkości krystalizacji metali, używaną do produkcji np. monokryształów krzemu.  Wywarł tym samym ogromny wpływ nie tylko na przemysł półprzewodników (a zatem ogromną branżę elektroniczną), ale z czasem także szczególnie nas interesujący fotowoltaiczny.

Odkrycie Jana Czochralskiego położyło podwaliny pod masową produkcję wydajnych „niedrogich” paneli, znacząco przyczyniając się do rozwoju całego sektora energii odnawialnej. I należy o tym przypominać bez ustanku, ponieważ niestety wciąż tylko niewielka część naszego społeczeństwa kojarzy nazwisko tego wielkiego naukowca. Przyznam, i dla mnie do niedawna było ono obce.

Pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne powstało w Stanach Zjednoczonych w pierwszej połowie lat pięćdziesiątych XX wieku. Było ono ponad dwukrotnie bardziej wydajne od ogniw na bazie selenu i traktowane głównie jako ciekawostka. Przyczyna była prozaiczna – wysokie koszty produkcji i niski współczynnik konwersji.

Prawdziwy przełom w tej kwestii nastąpił tak naprawdę dopiero w latach 90, ale fundament pod niego położono oczywiście wcześniej, angażując już od lat 70 znaczne środki na badania prowadzące do poprawy wydajności ogniw i redukcji kosztów.

O historii tej technologii, zastosowaniach kosmicznych i wielu innych ciekawostkach moglibyśmy rozprawiać jeszcze długo, ale może innym razem. Poznanie, w skrócie, historii fotowoltaiki pozwoli nam w nieco inny sposób spojrzeć na największe na świecie projekty PV. Każdy z wielkich pionierów - Becquerela, przez Einsteina aż po Czochralskiego odegrał w niej swoją rolę i przyczynił się do ukształtowania krajobrazu, który dzisiaj opisujemy. 

Z danych Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej wynika, że od 2010 do 2022 roku najszybciej rozwijającym się obszarem OZE była wspominana już tutaj wielokrotnie fotowoltaika. Przyczyn takiego stanu jest wiele, ale do najważniejszych zaliczane są m.in. redukcja kosztów, postęp technologiczny, wsparcie polityczne oraz innowacyjne modele finansowania. W 2022 globalna skumulowana moc zainstalowana PV osiągnęła 1047 GW – z tego, jak podaje IRENA, aż 191 GW w 2022 r. Prawie 1/3 nowych instalacji to Azja. Oczekuje się, że do 2025 moce PV osiągną poziom 2,3 TW. 

 Jestem już tak stary, że pamiętam program „30 ton lista przebojów”, którego nie rozpoczynano od wskazania największego hitu i 29 kolejnych, ale w odwrotnej sekwencji. Idąc właśnie tym tropem chciałbym opowiedzieć Państwu o pięciu największych na świecie projektach PV. Rozpoczynając, jako już się rzekło, od końca. W tym miejscu warto odnotować, że ze względu na intensywną politykę „informacyjną” zainteresowanych stron wielkości poszczególnych instalacji, w zależności od źródeł, bywają różne.

 Ostatnie miejsce w naszym zestawieniu zajmuje… największa farma fotowoltaiczna w Afryce – Benban Solar Park. Źródła branżowe, np. EnergyDigital wskazują, że posiada ona ogromny potencjał produkcyjny – na poziomie 6,3 kWh/m2 dziennie. Jest to oczywiście premia geograficzna, ponieważ farma zlokalizowana jest w Egipcie. Zajmuje powierzchnię ok. 9000 akrów, a jej budowa pochłonęła zawrotną sumę 4 miliardów dolarów. Prace rozpoczęły się na początku roku 2018, a zakończyły w końcówce 2019. Jej moc nominalna to 1650 MW, decelowo – 1800.

Obiekt podzielono na 41 oddzielnych działek, które przydzielono ok. 30 deweloperom. Co ciekawe, Benban Solar Park jest widoczny z kosmosu (choć nie jako jedyny, np. NASA publikuje co jakiś czas takie fotografie) – w październiku 2019 NASA opublikowała zdjęcia) wykonane przez satelitę Landsat8, na których widać zarówno farmę, jak i przepływający „obok” Nil.

Czwarte miejsce to kraj będący jednym z największych producentów ropy w ramach OPEC - Zjednoczone Emiraty Arabskie oraz ich Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park. Obecnie jego moc to 1,63 GW, ale do 2030 ma ona wzrosnąć do poziomu 5 GW. Obecnie pozwala uniknąć emisji ok 1,4 mln ton dwutlenku węgla, zaś docelowo będzie to 6,5 mln ton. Wartość całego projektu (do 2030) szacowana jest na 50 miliardów dirhamów, tj. ok13,6 mld dol. 

Podium zamyka (lub otwiera, w zależności od perspektywy) Pavagada Solar Park. Znajduje się on w Indiach i zajmuje łączną powierzchnię ok. 13 000 akrów, tj. nieco ponad 50 km2. Został zbudowany przez Karnataka Solar Power Development Corporation i kosztował ponad 2 miliardy dolarów. Oddano go do użytku w grudniu 2019 roku, zaś prace budowlane rozpoczęły się trzy lata wcześniej – w 2016 r. Pavaganda dysponuje mocą na poziomie 2,05 GW. 

Drugie miejsce, to prawdziwy kolos i kolejny obiekt zlokalizowany w Indiach – Bhadla Solar Park. Początkowo dysponował mocą 2,25 GW, ale została ona zwiększona do 2,7 GW. Na ten wynik pracuje ponad 10 milionów paneli fotowoltaicznych. Budowa obiektu zlokalizowanego na pustyni Thar rozpoczęła się w 2015 roku i kosztowała dotychczas ponad 2,1 mld dolarów. 

Zaszczytne pierwsze miejsce, choć zauważmy o przysłowiowy włos (lub panel) zajmuje (źródła bywają tutaj niekoniecznie zgodne) Golmud Solar Park – pierwszy obiekt zlokalizowany na terytorium Chińskiej Republiki Ludowo-Demokratycznej. Jego budowa rozpoczęła się w roku 2011 i zakończyła osiem lat później. W jej trakcie zainstalowano ponad 7,2 mln ogniw slonecznych. Obecnie przekłada się to na 2,8 GW, ale plany w tym zakresie są bardzo ambitne - w ciągu 5-6 lat BSP osiągnąć ma nawet 16 GW.

Widzimy zatem wyraźnie, że fotowoltaika (rozumiana tutaj jako jeden ze sposobów wytwarzania energii elektrycznej) zdecydowanym krokiem opuściła laboratoria wielkich naukowców i na stałe wpisała się w nasz energetyczny krajobraz. Kwestią wciąż, jak sądzę, otwartą zostaje ocena jej wpływu nań – zwłaszcza uwzględniając wszystkie koszty. Niemniej, tendencja, gdy mamy na uwadze rozwój „technologii wsparcia”, wydaje się pozytywna i obiecująca. Warto również pamiętać, że jesteśmy tu, gdzie jesteśmy dzięki wielkim umysłom pokroju Czochralskiego. Przyszłość zależy od tego, czy nasze pokolenie będzie w stanie dać z siebie równie dużo. I tutaj, obserwując choćby dokonania Olgi Malinkiewicz,  jestem optymistą.