3.1 C
Gdańsk
środa, 1 lutego, 2023

Wytwarzanie energii słonecznej / Laima Eicke, Anselm Eicke, Manfred Hafner

0
95

W Miesięczniku „WOBEC” dążymy do obiektywizmu, chcemy ukazywać wydarzenia w szerokim kontekście, podchodzić do większości zagadnień w sposób konstruktywny. Podejmując np. zagadnienia ekologii nie interesuje nas tak zwana „walka”. Bo z kim i o co? Wczoraj ukazał się na naszych łamach artykuł o elektrowniach wiatrowych w Polsce. Dostrzegamy zalety, ale też i wady tego rozwiązania. Czy jednak rozwiązania alternatywne nie byłyby lepsze, tak pod względem ekologicznym, jak i ekonomicznym. Dziś na portalu: gadzetomania.pl/ ukazał się artykuł o budowie największej elektrowni słonecznej na świecie. Powstaje w Australii a dostarczać ma prąd aż na dwa kontynenty. Do Australii oraz do azjatyckiego Singapuru, gdzie ma zaspokajać zapotrzebowanie aż na 15 procent potrzebnego temu państwu prądu. Zielona energia będzie przesyłana podmorskim kablem na odległość aż 3351 kilometrów (długość podmorskich kabli ma wynieść 4200 kilometry). Obiekt ma być uruchomiony do 2027 roku. Jak się okazuje można. 

Dla porównania: odległość z Warszawy do Egiptu wynosi 2939 km. Czy my w Europie nie potrafimy otworzyć się wspólnymi silami (w ramach UE) na współpracę z państwami afrykańskimi? Nieprzebrane i niewykorzystane przestrzenie afrykańskich pustyń są w stanie zaspokoić potrzeby energetyczne całej Europy. Zyski mogą rozwiązać wiele problemów gospodarczych i społecznych Afryki, a i my uzyskamy tańszą energię. Zyskamy dostęp do energii czystej ekologicznie i coraz tańszej. Ludzkość nie ma dziś problemów z dostępem do energii, naszym problemem jest brak chęci do współdziałania, egoizm i chęć dominacji. 

Poniżej kolejny artykuł na ten temat, który znalazłem w Internecie. Całe szczęście, że choć ludzie nauki otwierają się na współpracę, pozwalają na nieodpłatne korzystanie z ich pracy przez innych. Całe szczęście też, że wreszcie uczymy się współpracy. Dowodem media społecznościowe, Wikipedia, a także tworzony wysiłkiem nas wszystkich tłumacz google, który staje się coraz doskonalszy.   

                                                            Redakcja

 

Wytwarzanie energii słonecznej

  • 12k dostępów

Abstrakt

Energia słoneczna dostarcza coraz większy udział w światowym zapotrzebowaniu na energię. Jako odnawialne źródło energii odegra ważną rolę w dekarbonizacji dostaw energii elektrycznej. Ten rozdział zawiera przegląd sektora fotowoltaicznego z ekonomicznego punktu widzenia. Opisuje parametry techniczne fotowoltaiki i skoncentrowanej energii słonecznej oraz wyjaśnia, w jaki sposób wpływają one na konkurencyjność ekonomiczną energii słonecznej. Autorzy zwracają uwagę na trendy w sektorze energii słonecznej i szczegółowo opisują, w jaki sposób to przerywane źródło energii można zintegrować z systemem elektroenergetycznym. Kończą dyskusją na temat tego, w jaki sposób można zaprojektować systemy wsparcia energii odnawialnej, aby wspierać wdrażanie energii słonecznej poprzez uwzględnienie specyficznych cech energii słonecznej.

Słowa kluczowe

  • Ekonomika energii słonecznej
  • Słoneczny
  • PV
  • Fotowoltaika
  • CSP
  • Skoncentrowana energia słoneczna
  • Koszt energii słonecznej
  • Wytwarzanie energii
  • Elektryczność
  • Przerywaność
  • Schematy wsparcia
  • Polityka energetyczna

1 Wprowadzenie

W ciągu mniej niż dwóch godzin na ziemię dociera wystarczająca ilość światła słonecznego, aby zaspokoić roczne zapotrzebowanie światowych gospodarek na energię. Pomimo tej obfitości energii słonecznej, konwersja światła słonecznego w użyteczną formę energii stanowi jedynie niewielki ułamek dzisiejszego globalnego zaopatrzenia w energię. Jednak udział energii słonecznej w światowych dostawach energii, zwłaszcza w sektorze elektroenergetycznym, szybko rośnie. Bezprecedensowe wdrożenie miało miejsce w ostatniej dekadzie, stymulowane wysiłkami na rzecz poprawy dostępu do energii, bezpieczeństwa dostaw i łagodzenia zmiany klimatu. W latach 2010-2017 globalna zainstalowana moc wytwarzania energii słonecznej wzrosła ponad dziesięciokrotnie z 34 GW do 437 GW (IRENA 2020 ). Strome krzywe uczenia się i korzyści skali umożliwiły ulepszenia technologiczne, aw konsekwencji doprowadziły do ​​ogromnych redukcji kosztów.

Fotowoltaika słoneczna (PV), konwersja światła na energię elektryczną przy użyciu materiałów półprzewodnikowych, była jedną z najdroższych technologii wytwarzania energii elektrycznej, kiedy po raz pierwszy zastosowano ją w astronautyce pod koniec lat pięćdziesiątych. Do 2020 roku stanie się ekonomicznie opłacalnym źródłem energii dla wielu zastosowań. Alternatywnym procesem technicznym wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego jest skoncentrowana energia słoneczna (CSP). Jednak te ostatnie odpowiadały za mniej niż 3% całej energii słonecznej w światowej produkcji energii elektrycznej w 2017 r. (IRENA 2020 ).

PV jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii pod względem globalnej mocy po elektrowniach wodnych i wiatrowych. Na całym świecie energia słoneczna jest wykorzystywana głównie w Azji, Europie i Ameryce Północnej, przy czym największy wzrost odnotowano w Azji, głównie za sprawą Chin i Indii (rys. 9.1 ). Według World Energy Outlook Międzynarodowej Agencji Energetycznej, fotowoltaika może stać się największą technologią pod względem globalnej mocy zainstalowanej w scenariuszu Stated Policies do 2035 r. (IEA 2019 ).

2 Charakterystyka techniczna energii słonecznej

Krótkie wprowadzenie do charakterystyki technicznej energii słonecznej zawiera informacje niezbędne do lepszego zrozumienia jej ekonomiki.

2.1 Fotowoltaika

Głównymi składnikami ogniw fotowoltaicznych są materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem i german. W tych materiałach światło słoneczne uwalnia nośniki ładunku (elektrony), które tworzą pole elektryczne. Jako źródło generowania elektryczności pole to indukuje stały prąd elektryczny. Proces ten znany jest jako efekt fotowoltaiczny. Wytwarzanie energii elektrycznej wykorzystujące ten efekt jest możliwe nie tylko z bezpośredniego światła słonecznego, ale także z jego rozproszonych składników, co oznacza, że ​​ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną również przy zachmurzonym niebie.

Ogniwa fotowoltaiczne są zintegrowane z panelami słonecznymi. Inwertery (do odwracania prądu stałego z paneli słonecznych na prąd przemienny), transformatory, elektryczne urządzenia zabezpieczające, okablowanie i sprzęt monitorujący są podsumowane jako równowaga systemu (BOS). W niektórych przypadkach BOS obejmuje również systemy śledzenia słońca, które zwiększają wydajność, ustawiając panele w kierunku słońca.

Trzy główne rodzaje technologii fotowoltaicznej to ogniwa monokrystaliczne, ogniwa polikrystaliczne i cienkie ogniwa twarde, z których pierwsze dwa stanowią ponad 95% światowej produkcji modułów (Fraunhofer ISE 2019 ).

Monokrystaliczne ogniwa słoneczne mają najwyższe współczynniki wydajności, zazwyczaj 15–20%, ale panele najwyższej jakości mogą osiągnąć sprawność do 23%. Podobnie jak w przypadku wszystkich paneli słonecznych, wydajność paneli monokrystalicznych zależy od temperatury otoczenia. Średnio wydajność spada o około 10%, gdy temperatura otoczenia wzrasta o 25°C (Quaschning 2019 ). Monokrystaliczne panele słoneczne, charakteryzujące się wysoką wydajnością, zajmują mało miejsca, tj. wymagają mniejszych powierzchni gruntu, aby wytworzyć taką samą ilość energii elektrycznej w porównaniu z innymi technologiami. Żyją również najdłużej, a większość producentów udziela 25-letniej gwarancji na monokrystaliczne panele słoneczne. Ich główną wadą jest wysoki koszt, ponieważ produkcja wymaga krzemu najwyższej jakości.

Ogniwa z krzemu polikrystalicznego są tańsze ze względu na prostszy proces produkcji, a ilość krzemu odpadowego jest mniejsza w porównaniu z ogniwami monokrystalicznymi. Wydajność tych paneli jest zwykle niższa (13–16%). Mają też nieco niższą tolerancję cieplną, co oznacza, że ​​panele polikrystaliczne nieco gorzej radzą sobie w wysokich temperaturach niż panele monokrystaliczne.

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne osadzają jedną lub kilka cienkich warstw materiału fotowoltaicznego na podłożu. Większość modułów cienkowarstwowych ma sprawność około 9–11%. Ich masowa produkcja czyni je tańszymi niż ogniwa słoneczne na bazie kryształów. Cienkowarstwowe panele słoneczne są najczęściej używane w zastosowaniach, w których rozmiary paneli nie stanowią problemu. Kolejną zaletą jest to, że można je łatwiej zintegrować z elewacjami i dachami.

Przy porównywaniu sprawności ważne jest rozróżnienie sprawności pojedynczych ogniw, paneli oraz całej instalacji, w tym przetwornicy i transformatora. W ciągu ostatnich 10 lat wydajność przeciętnych komercyjnych modułów krzemowych wzrosła z około 12% do 17% (Fraunhofer ISE 2019 ). Wydajność ogniw laboratoryjnych bliska 50% przy koncentracji promieni świetlnych i zastosowaniu nowych materiałów wskazuje na potencjał dalszego wzrostu wydajności na poziomie produkcji (Geisz et al. 2020 ).

2.2 Skoncentrowana energia słoneczna

Skoncentrowana energia słoneczna (CSP) nie wykorzystuje efektu fotowoltaicznego. Zamiast tego lustra służą do skupiania promieni słonecznych w celu podgrzania płynu. Podobnie jak w konwencjonalnych elektrowniach, energia cieplna napędza następnie turbinę do wytwarzania energii elektrycznej. Wadą technologii CSP jest to, że do procesu wymagane jest promieniowanie bezpośrednie, ponieważ nie można skupić promieniowania rozproszonego. Plany CSP są zatem najczęściej lokalizowane w krajach o wysokim bezpośrednim promieniowaniu i suchym klimacie (patrz rozdział dotyczący potencjału słonecznego), na przykład w północnej Afryce i na Bliskim Wschodzie.

Jedną z głównych zalet technologii CSP w porównaniu z fotowoltaiką jest to, że ciepło można magazynować przy stosunkowo niskich kosztach. Wyposażone w zbiorniki ze stopioną solą jako magazyn energii cieplnej, większość elektrowni CSP ma bardziej stabilny profil wytwarzania w ciągu dnia i wydłuża produkcję energii elektrycznej na długo po zachodzie słońca.

Cztery główne typy konstrukcji elektrowni CSP to wieże słoneczne, rynny paraboliczne, liniowe reflektory Fresnela i małe silniki talerzowe (ryc. 9.2 ). Instalacje CSP z korytami parabolicznymi i wieżami słonecznymi są najbardziej dojrzałymi technologiami CSP i zdecydowanie przodują w nowych instalacjach (REN21 2019 ).

Technologie CSP można podzielić na systemy koncentracji punktowej (wieże słoneczne i silniki talerzowe) oraz liniowe systemy koncentracji (rynny paraboliczne i liniowe reflektory Fresnela). Technologie oparte na systemach koncentracji punktowej osiągają wyższe temperatury (do 1200°C) niż technologie koncentracji liniowej (300–550°C), a tym samym dają wyższe sprawności cieplne. Jednak skupienie dużej liczby zwierciadeł w jednym punkcie jest bardzo skomplikowane i prowadzi do wysokich kosztów budowy i konserwacji. Z kolei technologie koncentracji liniowej wymagają mniej terenu niż systemy koncentracji punktowej.

Koryta paraboliczne i systemy wież zostały po raz pierwszy zbudowane komercyjnie w latach 80. Podczas gdy potencjał uczenia się w dobrze rozwiniętych, dojrzałych procesach parowych, takich jak turbiny parowe, skraplacze i generatory, został wyczerpany, oczekuje się dalszych ulepszeń technologicznych w innych komponentach. Na przykład wyższy potencjał magazynowania można osiągnąć, stosując nowe płyny lub cząstki, które umożliwiają przenoszenie i magazynowanie energii słonecznej w wyższych temperaturach; ulepszone materiały lustrzane mogłyby obniżyć koszty i zwiększyć współczynnik odbicia; a technologia informacyjna może być wykorzystana do wykrywania awarii systemów, zmniejszając koszty eksploatacji i utrzymania, w szczególności złożonych systemów koncentracji punktowej; takie innowacje technologiczne mogłyby jeszcze bardziej poprawić wydajność technologii i jeszcze bardziej obniżyć koszty (Desai i Bandyopadhyay 2017; Islam i in. 2018 ).

3 Zastosowania energii słonecznej

Systemy fotowoltaiczne od dawna stosowane są w specjalistycznych zastosowaniach jako instalacje wolnostojące (systemy wyspowe). Systemy fotowoltaiczne podłączone do sieci zostały po raz pierwszy zbudowane w latach 90. Obecnie energia słoneczna do wytwarzania energii elektrycznej jest stosowana w szerokim zakresie, od małych dachowych systemów fotowoltaicznych po duże parki fotowoltaiczne na skalę użytkową. W przeciwieństwie do modułowej fotowoltaiki słonecznej, CSP jest najczęściej wdrażany w elektrowniach na dużą skalę.

PV i CSP w dużych parkach fotowoltaicznych, bezpośrednio podłączonych do sieci wysokiego napięcia, są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej na skalę komercyjną. Największe elektrownie słoneczne na całym świecie to parki fotowoltaiczne z zainstalowaną mocą szczytową do 2 GW na obiekt, co jest wielkością dużej elektrowni jądrowej. Największe parki fotowoltaiczne znajdują się w Indiach, Chinach i na Bliskim Wschodzie.

Modułowość fotowoltaiki (i elektrowni CSP z silnikami talerzowymi) umożliwia również wdrażanie na małą skalę. Systemy fotowoltaiczne na dachach znacznie wzrosły, czemu sprzyjały spadające koszty i rządowa polityka wsparcia. Na małą skalę fotowoltaika na dachu służy do zużycia własnego lub zasilania lokalnych mini-sieci. W większości krajów rozproszone systemy mieszkaniowe mają już koszty wytwarzania poniżej (część energetyczna) detalicznych cen energii elektrycznej, co sprawia, że ​​wdrożenie fotowoltaiki na potrzeby własne jest atrakcyjne ekonomicznie (IEA 2020b).). Modele biznesowe za licznikiem, w coraz większym stopniu obejmujące magazynowanie baterii, pozwalają na samodzielną konsumpcję energii elektrycznej wytwarzanej przez fotowoltaikę na dachu. Na odległych obszarach wiejskich poza siecią, szczególnie w krajach rozwijających się o dobrych zasobach słonecznych, zdecentralizowana energia słoneczna dostarczana do lokalnych mini-sieci może zapewnić dostęp do energii elektrycznej w miejscach, w których podłączenie do sieci krajowej jest zbyt drogie. Na obszarach miejskich fotowoltaika na dachu może stanowić wsparcie dla zawodnego zasilania z sieci. W tych zastosowaniach fotowoltaika na dachu nie konkuruje z dużymi elektrowniami, ale z innymi jednostkami wytwórczymi na małą skalę, takimi jak generatory diesla. Często energia słoneczna jest nie tylko najbardziej zrównoważoną alternatywą, ale także ekonomicznie opłacalną. Ta rosnąca atrakcyjność ekonomiczna małych systemów fotowoltaicznych może prowadzić do szybkiego wzrostu zdecentralizowanej mocy fotowoltaicznej.

Oprócz wytwarzania energii, CSP może również generować parę wodną, ​​którą można wykorzystać w innych sektorach, na przykład w ulepszonym odzysku ropy naftowej lub procesach przemysłowych wykorzystujących parę wodną. Tym samym technologie CSP mogłyby być elementami łączenia sektorów w celu umożliwienia dalszej dekarbonizacji gospodarek.

4 Koszty energii słonecznej

Koszty inwestycyjne są zdecydowanie najwyższym składnikiem kosztowym energii słonecznej. Zmienne koszty eksploatacji energii słonecznej są bliskie zeru, ponieważ nie wykorzystuje ona innego paliwa niż promieniowanie słoneczne, które jest bezpłatne. Ta struktura kosztów różni się strukturalnie w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami wytwarzania. W tej części omawiamy rozwój kosztów inwestycji i utrzymania.

4.1 Spadające koszty inwestycji w energię słoneczną

W latach 2010-2018 średni całkowity koszt instalacji fotowoltaiki spadł o 74% (rys. 9.3 ). Te wyjątkowe redukcje kosztów były możliwe dzięki wyjątkowo wysokiemu tempu wzrostu mocy fotowoltaicznej. Łączna roczna stopa wzrostu instalacji fotowoltaicznych wyniosła 36,8% w latach 2010-2018 (Fraunhofer ISE 2019 ). Krzywa uczenia się (lub krzywa doświadczenia) jest kolejnym wskaźnikiem redukcji kosztów. Opisuje, w jaki sposób ceny spadają, gdy wzrasta liczba produkowanych towarów. Krzywe uczenia się modułów fotowoltaicznych były szczególnie strome: po każdym podwojeniu wydajności w ciągu ostatnich czterech dekad osiągnęły 20–22% redukcję kosztów (Fraunhofer ISE 2019). W ramach modułu ogniwa fotowoltaiczne mają największy udział w kosztach. Trzema głównymi czynnikami wpływającymi na obniżenie kosztów ogniw fotowoltaicznych były (i) zwiększenie rozmiarów zakładów produkcyjnych (korzyści skali), (ii) poprawa wydajności modułów (postęp technologiczny) oraz (iii) spadek kosztów oczyszczonego krzemu. Duży udział ostatnich obniżek kosztów można przypisać szybkiemu rozwojowi produkcji ogniw w Chinach, gdzie produkowanych jest około 70% wszystkich modułów fotowoltaicznych (Fraunhofer ISE 2019). Ze względu na modułowość paneli fotowoltaicznych transport paneli na duże odległości jest łatwiejszy niż w przypadku większości innych technologii wytwarzania, takich jak na przykład łopaty i wieże turbin wiatrowych, które są zwykle produkowane lokalnie. Rynek paneli fotowoltaicznych jest zatem rynkiem światowym, charakteryzującym się dużymi zakładami produkcyjnymi i dużą konkurencją, której skutkiem jest obniżenie kosztów.

Ryc. 9.3

Spadek bilansowania kosztów systemowych spowodowany był redukcją kosztów inwerterów. Podczas gdy moduły fotowoltaiczne miały historycznie największy udział w kosztach całkowitych, w 2020 r. całkowite koszty BOS stanowią do 40–60% całkowitych kosztów inwestycji fotowoltaicznych (IEA 2020b ).

Podobnie jak w przypadku fotowoltaiki, wysokie początkowe koszty inwestycji kapitałowych są również główną barierą dla technologii CSP. Stanowią one prawie cztery piąte całkowitych kosztów. W ciągu ostatniej dekady średnie koszty instalacji elektrowni CSP spadały z 8800 USD/kWh w 2010 r. do 5200 USD/kWh w 2018 r. (Rys. 9.3 ), choć w mniejszym stopniu niż w przypadku fotowoltaiki. Nierówną trajektorię można wytłumaczyć znacznie mniejszą liczbą nowych instalacji i nierówną rozbudową w poszczególnych krajach. Do 2013 r. większość zwiększania mocy produkcyjnych miała miejsce w Hiszpanii i Stanach Zjednoczonych, do czego zachęcały hojne wcześniejsze programy motywacyjne. Jednak od 2013 r. żadna nowa zdolność nie została uruchomiona komercyjnie w Hiszpanii, a w Stanach Zjednoczonych od 2015 r. Obecne zwiększanie zdolności produkcyjnej jest prowadzone przez Chiny i Maroko (REN21 2019).

4.2 Koszty eksploatacji i konserwacji energii słonecznej

Drugim istotnym czynnikiem kosztotwórczym energii słonecznej są koszty eksploatacji i konserwacji (O&M). Aby zapewnić wysoki poziom sprawności technicznej systemu fotowoltaicznego, konieczna jest identyfikacja i wymiana uszkodzonych modułów instalacji fotowoltaicznej lub odbiorników i luster instalacji CSP. Obszary szczególnie zakurzone (np. pustynie) wymagają regularnego czyszczenia luster i modułów. Oba zadania składają się na znaczne koszty (IRENA 2020 ). Wielkoskalowe elektrownie słoneczne czerpią korzyści ze znacznych korzyści skali w kosztach O&M.

Rozwój elektrowni na dużą skalę zwiększył zapotrzebowanie na narzędzia do inspekcji i monitorowania. Drony są często wykorzystywane w przemyśle fotowoltaicznym ze względu na szeroki zakres możliwości nadzoru i monitorowania. Wcześniej ręczny proces monitorowania jest coraz częściej zastępowany rozwiązaniami do monitorowania opartymi na danych. Dzięki elementom czujnikowym drony rejestrują niezbędne dane w krótszym czasie iw dokładniejszej formie, które są następnie przetwarzane cyfrowo. Umożliwia to inspekcję z dużej odległości i łatwą kontrolę instalacji, a tym samym znacznie zmniejsza koszty eksploatacji i konserwacji.

4.3 LCOE energii słonecznej

Uśredniony koszt energii elektrycznej (LCOE) łączy w sobie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Definiuje się go jako średni koszt energii elektrycznej na jednostkę wyprodukowanej energii elektrycznej. LCOE jest dobrym miernikiem do pomiaru redukcji kosztów i ulepszeń technologicznych technologii. Wskaźnik ten nie powinien być jednak używany do porównywania różnych technologii. Jest bardzo wrażliwy na liczbę godzin pełnego obciążenia technologii i pomija wartość energii elektrycznej, tj. ile energii elektrycznej jest wycenione w momencie jej wytworzenia (patrz rozdział 15 dotyczący integracji systemu).

W 2018 r. LCOE fotowoltaiki słonecznej wahały się od 60 do 210 USD/MWh przy średniej światowej na poziomie 85 USD/MWh (IRENA 2019c ). Oczekuje się, że dalsze spadki kosztów wyniosą 20-80 USD/MWh w 2030 r. i 14-50 USD/MWh w 2050 r. (IRENA 2019a ). LCOE technologii CSP również spadały w ciągu ostatniej dekady. W Stanach Zjednoczonych LCOE CSP spadło o połowę z 340 USD/MWh w 2010 r. do 190 USD/MWh w 2018 r. (IRENA 2019c ), a nawet oczekuje się, że do 2030 r. spadnie do 50 USD (Departament Energii USA 2020 ).

LCOE spadają, gdy koszty są redukowane, ale także, gdy wzrasta produkcja energii elektrycznej. Wzrost ten znajduje odzwierciedlenie we wzroście współczynników mocy (również współczynników wykorzystania lub współczynników obciążenia), opisujących relację wytworzonej energii elektrycznej do mocy zainstalowanej. Współczynnik wydajności wynoszący 20% oznacza, że ​​wytwarzanie energii elektrycznej jest równoważne temu, że generator pracuje przez 20% przez wszystkie godziny w roku z pełną mocą. Jak omówimy w kolejnych sekcjach, współczynniki wydajności silnie zależą od lokalizacji instalacji energii słonecznej i zasobów naturalnych.

Wzór 5 generacji energii słonecznej

Generacja energii słonecznej jest bardzo zmienna. Wytwarzanie energii z energii słonecznej jest ograniczone do pory dziennej, ponieważ słońce nie świeci w nocy. W rezultacie współczynniki wydajności elektrowni słonecznych (bez magazynowania) są niższe w porównaniu z innymi technologiami i zwykle wahają się od 10% do 20% w większości regionów, osiągając nawet 25% w najlepszych miejscach na obszarach pustynnych. Od 2010 r. globalny średni ważony współczynnik wydajności systemów fotowoltaicznych o skali użytkowej stale rośnie (rys. 9.4 ). Trzy główne czynniki wyjaśniają rosnące współczynniki przepustowości (IRENA 2019c). Po pierwsze, fotowoltaika jest coraz częściej wdrażana w regionach o wyższym poziomie napromieniowania. Po drugie, coraz częściej stosuje się systemy śledzenia, które śledzą ruch słońca, co zwiększa wydajność. Po trzecie, straty systemowe zostały ograniczone, na przykład poprzez poprawę wydajności falowników.

Rysunek 9.4 pokazuje, że współczynniki wydajności CSP odnotowały znacznie silniejszy wzrost w porównaniu z PV. Głównym powodem tego rozwoju jest coraz częstsze łączenie instalacji CSP z magazynowaniem ciepła. Pomaga to przenieść generowanie na godziny bez światła słonecznego, umożliwiając w ten sposób współczynniki wydajności przekraczające 30–40%. Wymiarowanie zasobników i turbin pozwala teoretycznie osiągnąć współczynniki wydajności powyżej 90%, co jednak jest nieekonomiczne. Wysokie temperatury płynu elektrowni słonecznych CSP najlepiej nadają się do przechowywania. Technologia ta ma zatem najwyższe zrealizowane współczynniki wydajności dochodzące do 70% (IRENA 2020). Ze względu na rozbudowę o magazynowanie ciepła schematy wytwarzania elektrowni CSP różnią się od fotowoltaiki. Ta elastyczność zapewnia dodatkową wartość w porównaniu z fotowoltaiką bez możliwości wysyłki (Pfenninger i in. 2014 ).

Ze względu na stosunkowo niskie współczynniki wydajności, udział energii słonecznej w miksie wytwórczym kraju jest zwykle niższy niż jej udział pod względem całkowitej mocy zainstalowanej. Drugim istotnym efektem wynikającym ze schematu generacji jest duża koncentracja wytwarzania energii słonecznej w ciągu kilku godzin w ciągu doby. W tych godzinach większość elektrowni fotowoltaicznych na danym obszarze wytwarza energię elektryczną. Wysoka jednoczesna podaż energii słonecznej ma przygnębiający wpływ na ceny hurtowe energii elektrycznej. W krajach o wysokim udziale energii słonecznej wartości rynkowe energii słonecznej są znacznie niższe niż w przypadku innych technologii, co oznacza, że ​​przychody ze sprzedaży energii elektrycznej z wytwarzania energii słonecznej są średnio niższe niż średnie hurtowe ceny energii elektrycznej (Hirth 2013). Efekt ten jest znany jako efekt kolejności zasług i dotyczy w szczególności fotowoltaiki, ponieważ jej wytwarzanie jest najbardziej skoncentrowane w czasie.

6 Potencjał energii słonecznej

Potencjał energii słonecznej jest bardzo zróżnicowany na całym świecie (ryc. 9.5 ). W zależności od poziomów natężenia promieniowania słonecznego, współczynniki pojemności słonecznej są najwyższe w pobliżu równika i maleją w kierunku biegunów. Największy potencjał energii słonecznej ma pustynia Atakama w Ameryce Południowej, region Sahary na Bliskim Wschodzie, pustynia Gobi w zachodnich Chinach, Australia i zachodnia część Stanów Zjednoczonych. Promieniowanie słoneczne na tych obszarach jest ponad dwukrotnie silniejsze niż we wschodnich Chinach i większości krajów Europy Północnej, gdzie zlokalizowana jest duża część światowych instalacji energii słonecznej. W rezultacie produkcja energii elektrycznej, a wraz z nią koszty wytwarzania energii elektrycznej, różnią się nawet dwukrotnie w zależności od lokalizacji.

Technologie CSP są jeszcze bardziej zależne od bezpośredniego promieniowania słonecznego niż elektrownie fotowoltaiczne i wymagają bezpośrednich normalnych wartości natężenia napromienienia wynoszących co najmniej 1800 kilowatogodzin na metr kwadratowy rocznie. Ich zastosowanie jest więc znacznie bardziej ograniczone. Jednak odpowiednie warunki można znaleźć na wszystkich kontynentach, w tym w regionach południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych, na Bliskim Wschodzie iw Afryce Północnej, Afryce Południowej, Australii, Meksyku, Chile i Europie Południowej.

Oprócz wzorców dziennych, wytwarzanie energii słonecznej charakteryzuje się wzorcami sezonowymi, zwłaszcza na wyższych stopniach szerokości geograficznej, tj. w kierunku biegunów. W pobliżu równika natężenie promieniowania słonecznego wzrasta, ale również zachmurzenie jest zwykle większe. Na tych obszarach produkcja energii słonecznej pozostaje względnie stabilna przez cały rok; pozycja słońca zmienia się mniej, a czas wschodu i zachodu słońca pozostaje podobny.

7 Instrumenty polityki i systemy wsparcia

Silny wzrost produkcji energii słonecznej nie byłby możliwy bez umożliwienia polityki rządu. Obejmują one finansowanie badań i rozwoju oraz polityki rozwojowe, które doprowadziły do ​​rozwoju branży energii słonecznej. Rozwój ten był w szczególności napędzany przez gwarantowane taryfy gwarantowane, które po raz pierwszy wprowadzono w Niemczech w 2000 r.

Projekt skutecznych programów wsparcia dla energii słonecznej musi uwzględniać strukturę kosztów i finansów wytwarzania energii słonecznej: jak omówiono w poprzednich sekcjach, elektrownie słoneczne są bardzo kapitałochłonne. Większość wydatków na wytwarzanie energii słonecznej ma miejsce w trakcie budowy, na wczesnym etapie życia projektu. Wyższy koszt kapitału, np. ze względu na wysokie stopy procentowe, silnie wpływa na rentowność projektu, ponieważ nakłady poniesione w tych latach zwracają się dekadę później. Dlatego rentowność energii słonecznej znacznie spada wraz ze wzrostem kosztu kapitału. Dla porównania, elektrownie gazowe charakteryzują się stosunkowo niskimi kosztami budowy, a znaczna część wydatków, kosztów paliwa i kosztów emisji, jest rozliczana w momencie uzyskania przychodów z wytwarzania energii.

Jednym z głównych celów systemów wsparcia jest zatem obniżenie kosztu kapitału, na przykład poprzez zmniejszenie ryzyka dla podmiotów realizujących projekty. Początkowo taryfy gwarantowane były podstawowym systemem wsparcia dla energii słonecznej, która była w większości budowana na małą skalę przez prywatne gospodarstwa domowe. Dzięki zagwarantowaniu stałych taryf gwarantowanych zmniejszyła się niepewność co do przyszłych przychodów. Zmniejsza się również ryzyko wahań cen energii elektrycznej dla inwestorów. Dzięki tym programom wsparcia projekty fotowoltaiczne stały się opłacalne. Począwszy od 2010 r. wiele krajów zaczęło ustalać w aukcjach poziom taryf gwarantowanych dla dużych projektów. W tych aukcjach projekty rywalizują o z góry określoną ilość wspieranej przepustowości, a wsparcie finansowe otrzymują tylko te najbardziej efektywne kosztowo. Od końca 2010 r. na wielu rynkach widoczne staje się przejście od rozwoju opartego na dotacjach do konkurencyjnego modelu cenowego. Obejmuje to również dwustronne umowy zakupu energii (PPA) między producentami a odbiorcami, takimi jak zakłady użyteczności publicznej i przemysł, przy braku wsparcia rządowego.

Mniej dojrzałe technologie CSP są nadal uzależnione od wsparcia politycznego, aby były ekonomicznie opłacalne. Ze względu na wyższy LCOE w porównaniu z fotowoltaiką systemy wsparcia musiałyby lepiej odzwierciedlać korzyści systemowe zapewniane przez dyspozycyjność CSP, aby wspierać dalszy rozwój technologii CSP. Efekty stabilizujące system, takie jak zdolność do wytwarzania energii elektrycznej podczas szczytów zapotrzebowania, będą zyskiwać na znaczeniu w miarę dekarbonizacji systemów energetycznych i dążenia do wysokiego udziału odnawialnych źródeł energii.

8 Perspektywy

Uwolnienie ogromnego potencjału energii słonecznej będzie kluczem do osiągnięcia globalnych celów klimatycznych i ograniczenia globalnego ocieplenia (IRENA 2019a ). W ten sposób w wielu krajach na całym świecie przyznawane jest stałe wsparcie polityczne. Oprócz programów wsparcia szybki rozwój energii słonecznej napędzają dalsze spadki kosztów i innowacje. Podobnie jak na wielu innych rynkach, cyfryzacja prowadzi do redukcji kosztów w sektorze fotowoltaicznym. Algorytmy predykcyjne oparte na big data i sztucznej inteligencji umożliwiają optymalne dostosowanie modułów fotowoltaicznych i luster CSP do pozycji słońca w celu maksymalizacji mocy wyjściowej. Nowe systemy monitorowania i sterowania zmniejszają koszty konserwacji. Dalszą poprawę w zakresie zrównoważonego rozwoju i redukcji kosztów można osiągnąć poprzez recykling materiałów, na przykład krzemu.

Energia słoneczna, napędzana rosnącą konkurencyjnością kosztową i wsparciem politycznym, jest bardzo dynamiczna. IEA przewiduje, że w latach 2019-2024 energia słoneczna będzie najszybciej rozwijającym się źródłem energii na świecie, przy wzroście całkowitej mocy zainstalowanej o około 700 GW (IEA 2020a ), ponad dwukrotnie w stosunku do poziomu 490 GW z 2018 r. (IRENA 2019b ). Oczekuje się, że motorem tego rozwoju będą Chiny, Unia Europejska, Stany Zjednoczone, Indie i Japonia (IEA 2020b ). IRENA spodziewa się, że do 2050 roku łączna moc zainstalowana fotowoltaiki przekroczy 8000 GW, czyli 16-krotnie więcej niż w 2018 roku (IRENA 2019b ). Branża fotowoltaiczna musi przygotować się na rosnący globalny popyt – dlatego zwiększenie inwestycji jest kluczowe w następnej dekadzie.

Literatura

Pobierz referencje

Informacje o autorze

Autorzy i afiliacje

Autor korespondujący

Korespondencja do Laimy Eicke .

Informacje o edytorze

Redaktorzy i afiliacje

Creative Commons

Jest to artykuł o otwartym dostępie rozpowszechniany na warunkach licencji Creative Commons CC BY , która zezwala na nieograniczone użytkowanie, dystrybucję i powielanie na dowolnym nośniku, pod warunkiem prawidłowego cytowania oryginalnego dzieła.

Nie musisz uzyskiwać pozwolenia na ponowne użycie tego artykułu.

Aby poprosić o pozwolenie na użycie niewymienione na liście, skontaktuj się ze Springer Nature

Obraz wyróżniający: Część parabolicznego kompleksu słonecznego z korytem 354 MW Solar Energy Generating Systems (SEGS) w północnym hrabstwie San Bernardino w Kalifornii. Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

mersin eskort - eskort mersin - izmir eskort - eskort ankara - amasya eskort - bodrum eskort - eskişehir eskort - mersin eskort bayan