Kilka lat temu z uwagi na ich niedostateczną efektywność, wysokie koszty pozyskania, a przede wszystkim dostępność i niską cenę ropy naftowej, alternatywne źródła energii nie były traktowane jako główne źródło energii.

Obecnie jednak sytuacja odwróciła się diametralnie, ceny ropy poszybowały w górę, znacznie do przodu poszła również technologia, pozwalająca w relatywnie tani, a przede wszystkim efektywny sposób pozyskiwać energię w sposób inny, niż przetwarzanie ropy naftowej.

Czynnikiem, wydaje się, najbardziej determinującym rządy wielu państw, do poszukiwania alternatywy dla ropy są jej kurczące się zasoby i konsekwencje tego zjawiska. Otóż tylko niewielki procent krajów jest w posiadaniu ropy naftowej, nawet w takich ilościach by zaspokoić swe potrzeby. Nawet olbrzymie Stany Zjednoczone Ameryki Północnej posiadają zasoby, które starczą na ok. 9 - 10 lat. Już teraz 50% surowca w tym kraju, od którego uzależniona jest cała gospodarka pochodzi z importu, czy to z Bliskiego Wschodu, czy Zatoki Meksykańskiej, czy Morza Północnego. Wszystkie potęgi militarne Świata, wszystkie najsilniejsze gospodarki uzależnione są od eksporterów ropy naftowej. Taka sytuacja może zrodzić w przyszłości wiele konfliktów, również zbrojnych, a jak powszechnie wiadomo czołgi też potrzebują ropy by „walczyć". Widać więc wyraźnie, że uniezależnienie od ropy powinno stać się priorytetem większości krajów świata. Ryzyko zwiększa dodatkowo fakt, że największe złoża naftowe, znajdują się regionie Bliskiego Wschodu, czyli obszaru targanego ciągłymi konfliktami, w które „zachód" nieustannie ingeruje by utrzymać kontrolę, przynajmniej częściową.

Wobec bardzo zmiennego kursu ropy naftowej i ewentualności wyczerpania jej zasobów, światowe ośrodki badawcze i naukowe rozpoczęły badania w celu wynalezienia tańszej alternatywy. Z jednej strony obniżone zostałyby w dłuższej perspektywie koszty (zarówno finansowe jak i zewnętrze - środowiskowe) jak i niepewność związana z niestabilnymi kartelami energetycznymi.

Energia słoneczna

Słońce , nasza gwiazda, której Ziemia zawdzięcza wszystko, jest dla niej życiem, potrafi jednak wyrządzać potworne szkody, o czym przekonujemy się pośrednio w wyniku efektu cieplarnianego. Było z nami od zawsze, dając życiodajną energię większości żyjących organizmów. Jest to najpotężniejsze źródło, praktycznie niewyczerpalnej energii jakie posiadamy, w dodatku energia ta jest całkowicie darmowa, trzeba ją tylko wykorzystać. I tu pojawiają się pierwsze problemy, o ile bez problemu potrafimy pozyskiwać energię słoneczną tak z jej magazynowaniem, mamy poważny problem . Obecnie po prostu nie ma technologii pozwalającej na efektywne gromadzenie energii (znane dziś akumulatory nie nadają się do magazynowania energii), naukowcy ciągle pracują nad nowymi sposobami i należy przypuszczać, że najbliższe lata przyniosą zamierzony skutek.

Skąd jednak bierze się ta energia? Słońce osiąga na powierzchni temperaturę 5500 stopni Celsjusza, wytwarza ono dzięki temu ogromne ilości energii która dociera do Ziemi w postaci promieniowania, głownie podczerwonego oraz cieplnego, i w nieznacznym stopniu ultrafioletowego. W ciągu roku Słońce dostarcza 4 * 10^24 dżula energii, która jest rozpraszana i absorbowana przez naszą atmosferę, w dużej mierze przez ozon . Dzięki temu życie na naszej planecie jest możliwe. Dziura ozonowa , która znacznie powiększyła się w ostatnich latach, jest właśnie dlatego tak niebezpieczna, że przez nią dostaje się na Ziemię zbyt duża ilość promieniowania ultrafioletowego, które w dużych dawkach może być śmiertelne dla człowieka - powoduje raka . Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi jest uzależniona, w prostym tłumaczeniu od szerokości geograficznej. Idąc tym tokiem myślenia najwięcej jest w rejonach pustynnych, czyli na pasach zwrotnikowych, a najmniej tam gdzie jest zimno.

Atmosfera w tych średnich szerokościach geograficznych, w słoneczny, bezchmurny dzień potrafi zatrzymać ok. 30% promieni, a przy gęstym zachmurzeniu już tylko jeden procent dotrze bezpośrednio do powierzchni. Jednak i w tym przypadku oddziaływanie słońca jest ogromne, gdyż występuje zjawisko rozproszenia promieni słonecznych, które silnie oddziałują na nasze środowisko.

Średnio na metr kwadratowy powierzchni Słońce dostarcza 180W energii, jest to wartość uśredniona, amplitudy dla całej planety są bardzo duże, a jej poziom jest głownie uzależniony, jak już wspomniałem od szerokości geograficznej. W tych promieniach drzemie ogromny potencjał, naukowcy głoszą, iż jeśli udało by się wykorzystać tylko 20% energii przez nią niesionej, obszar o powierzchni równej jednej czwartej powierzchni Kalifornii, mógłby pokryć całość potrzeb energetycznych Stanów Zjednoczonych. Inne wyliczenia wskazują, że dzisiejsze baterie słoneczne ustawione na powierzchni 500 tys. kilometrów kwadratowych pustyni Sahara, przy efektywności zaledwie 10% pokryłby zapotrzebowanie na energię elektryczną całej ludności.

Jak więc wykorzystać tą darmową elektrownię? Jest wiele sposobów, by je przedstawić, należy podzielić energię słoneczną na energię niskiej jakości, z której każdy może skorzystać oraz wysokiej jakości. Energia słoneczna niskiej jakości, pozwala na uzyskanie temperatur niższych niż 100 stopni Celsjusza i może być z powodzeniem wykorzystywana w każdym gospodarstwie domowym. Najprostszym przykładem, nie wymagającym żadnych nakładów finansowych jest okno. Okno które „wychodzi" na południe. Dzięki czemu słońce przez dłuższy czas może nagrzewać szybę, która stopniowa uwalnia energię do ogrzania pomieszczenia . Podobnie dzieje się ze ścianami dlatego coraz częściej wykorzystywana jest ta technika przy projektowaniu budynków. Wykorzystuje się materiały, które akumulują ciepło, a następnie stopniowo je oddają. Prosta metoda, która w znacznym stopniu pozwala zaoszczędzić energię na ogrzanie pomieszczenia. Taką energię można wykorzystać na wiele sposobów, choćby poprzez ogrzewanie zbiorników wodnych umieszczonych na dachu , czy ogrzewanie rur przez które przepływa woda. Są to niezwykle proste sposoby, a ich poziom zaawansowania technologicznego praktycznie żaden, niestety koszt instalacji odstrasza wielu potencjalnych użytkowników. Oczywiście na dłuższą metę ma to wymierne korzyści finansowe, inwestycja zwraca się po wielu latach. Nie jest to jednak rozwiązanie idealne dla klimatu umiarkowanego czy zimnego, gdzie energia elektryczna najbardziej potrzebna jest zimą, a wtedy promieni słonecznych jest najmniej. Nie zmienia to jednak faktu, że nawet w krajach wysoko położonych, jak Wielka Brytania czy Niemcy, pozwoliłoby to na wytworzenie ok. 50% energii w ciągu roku, przy pomocy alternatywnych źródeł. Niestety rządy nie zachęcają swoich obywateli do podejmowania takich działań, np. poprzez ulgi podatkowe, a koszt takiej instalacji jest na tyle wysoki by skutecznie odstraszać nabywców.

Jak jednak wykorzystać energię słoneczną w celach przemysłowych? Odpowiedzią na to pytania jest elektrownia słoneczna. Pierwsza taka elektrownia powstała w Kalifornii w okolicach Barstow, nosi nazwę Solar One . Jest to prototypowa budowla składająca się z 2000 zwierciadeł, każde o powierzchni 2m^2, które w ciągu dnia może dostarczyć 100MW mocy. Właściwa elektrownia powinna być dziesięciokrotnie większa i zbudowana na obszarze pustynnym. Przede wszystkim z uwagi na nasłonecznienie i równie ważny czynnik, tym razem ekonomiczny - cenę gruntów. Koszt budowy takiej elektrowni jest ogromny, z uwagi na ogromną ilość zwierciadeł i układów sterowania. Elektrownia ta ma dość prosty system działania, zwierciadła odbijające światło kierują je wprost na czubek wieży znajdujący się w samym środku okręgu przez nie utworzonego . W wieży znajduje się ciecz (woda lub ciekły metal), która w wyniku parowania bądź przenoszenia ciepła wprawia w ruch turbiny prądotwórcze. Obecnie wydajność takich elektrowni jest niewielka i wynosi ok. 20%. Przy bardzo wysokich kosztach budowy, staje się ona zupełnie nieopłacalna, jednak rosnące ceny ropy i postęp technologiczny sprawią zapewne, iż za kilkadziesiąt lat pojawią się one masowo na naszym globie produkując zieloną energię.

Innym sposobem pozyskiwania energii są ogniwa fotoelektryczne, w których prąd wytwarzany jest w wyniku reakcji promieni świetlnych z elektronami półprzewodników. Ogniwa fotoelektryczne są powszechnie znane i stosowane na całym świecie, to te urządzenia, które często można zaobserwować na dachach budynków. I tu jednak, największym problemem jest ich wydajność oraz koszt wytworzenia. Najlepsze i najdroższe ogniwa osiągają wydajność rzędu 12 -15%, te tańsze, powszechnie stosowane już tylko 4 - 6 %. Ich zaletą jest wykorzystywanie zarówno promieniowania bezpośredniego jaki rozproszonego oraz bezpośrednie wytwarzanie prądu stałego, które bez problemu można zmienić w zmienny. Możliwe jest również magazynowanie tej energii, co niewątpliwie jest dużą zaletą. Wady tych urządzeń, nie pozwalają jednak na ich upowszechnienie. Szczególnie wydajność pozostawia wiele do życzenia. Ogniowo o średnicy 7cm pozwala wytworzyć 0.7 wata, pod warunkiem, że pracuje w pełnym nasłonecznieniu . By uzyskać większe ilości energii, można oczywiście łączyć ogniwa, jednak wtedy koszty będą ogromne .

Z pomocą przychodzi jednak technika, a w zasadzie postęp technologiczny. Za 3, 4 lata ceny ogniw mają zacząć spadać, a ich żywotność wydłuży się. Energia potrzebna do ich wytworzenia zrówna się z energią przez nie produkowaną, przy czym uniknie się emisji dwutlenku węgla podczas produkcji. Za 30 lat, ogniwa będą wytwarzały dziesięciokrotnie więcej energii, niż pochłonie ich produkcja, dzięki czemu ograniczenie emisji CO2 będzie kolosalne. Już obecnie można założyć, że przy 10% wydajności, ogniwo fotoelektryczne w kształcie kwadratu o boku długości 160 km, zaspokoiłoby wszystkie potrzeby energetyczne Stanów Zjednoczonych. Zajęło by również powierzchnię równą 25% wszystkich utwardzonych dróg.

Ogniwa fotoelektryczne możemy spotkać praktycznie wszędzie, czy to w domowych kolektorach, czy wzdłuż drogi zasilające drogowskazy, czy to na dachach budynków. Stosuje się je również w pojazdach kosmicznych, co jest olbrzymim krokiem naprzód w tej dziedzinie. Obecnie energię pochodzącą z ogniw fotoelektrycznych, wykorzystuje się przede wszystkim w regionach gdzie ciężko doprowadzić ją w inny sposób. Arabia Saudyjska stworzyła budowlę wywarzającą 350*10^3 W, zaspokajającą potrzeby 3600 mieszkańców z trzech wiosek. Stany Zjednoczone również planują budowę elektrowni w Kalifornie, która miałaby mieć moc 100MW. Eksperci, zapewnie dość optymistycznie zakładają, że w połowie XXI w. ok. 30% energii będzie pochodziło właśnie z elektrowni słonecznych. Jest to możliwe, gdyż futurystyczne plany na przyszłość, zakładają przesyłanie energii słonecznej zgromadzonej na orbicie, poprzez mikrofale wprost na Ziemię...

W artykule wykorzystano fragmenty z książki Witolda M. Lewandowskiego "Proekologiczne odnawialne źródła energii" oraz Wiesława Ciechanowicza "Węgiel a inne źródła energii w przyszłości".

Autor: Tomasz Gołąb / IPO.pl