Czy energia słoneczna może zastąpić rozszczepialny atom?

Czy energia słoneczna może zastąpić rozszczepialny atom?

W cieniu awarii elektrowni Fukushima w Japonii i rocznicy wybuchu reaktora w Czarnobylu na Ukrainie, w atmosferze antyatomowej histerii, w Polsce trwa debata publiczna dotycząca rozwoju energetyki jądrowej. Czy mamy alternatywę dla elektrowni atomowej? W jakim stopniu mogą ją zastąpić odnawialne źródła energii? Czy w Polsce opłaca się korzystanie z energii pochodzącej ze słońca?

Zmiany polityki energetycznej wymagają od Polski regulacje unijne, zobowiązujące do ograniczenia poziomu emisji dwutlenku węgla (obecnie mamy jeden z najwyższych w Europie) oraz konieczność zapewnienia państwu bezpieczeństwa energetycznego. W 2009 r. aż 93,8 proc. energii elektrycznej produkowanej w naszym kraju pochodziło z paliw kopalnych. Żeby wytworzyć zużywane obecnie 140 TWh musimy rocznie sprowadzić 13 mln ton węgla, bo własnego mamy zbyt mało, a do 2030 r. zapotrzebowanie na energię wzrośnie do ok. 215 -220 TWh.

Inwestycja w energetykę jądrową wydaje się najlepszym rozwiązaniem. W przeciwieństwie do elektrowni produkujących energię z paliw kopalnych oznacza czystą wodę, czyste powietrze i czystą glebę. Głównym argumentem przeciwko jest niebezpieczeństwo awarii i problem składowania odpadów radioaktywnych. Waga tych głosów wzrosła zwłaszcza po trzęsieniu ziemi w Japonii.

Obecnie łączy nam się w myślach awaria w Fukushimie z liczbą 25 tys. ofiar w Japonii – zauważa prof. dr inż. Andrzej Strupczewski z Instytutu Energii Atomowej Polatom. Trzeba jednak zaznaczyć, że żaden z tych zgonów nie był spowodowany promieniowaniem. W elektrowni zginęły trzy osoby: operator dźwigu przygnieciony tą maszyną i dwie osoby, które utopiły się w wyniku uderzenia fali tsunami.

Po pierwsze bezpieczeństwo
Elektrownie jądrowe rzeczywiście mogą stworzyć zagrożenie, jakiego inne typy elektrowni nie znają. Jednak budowane po 11 września 2001 r. elektrownie jądrowe wyposażone w tzw. reaktory III generacji są odporne na zamachy terrorystyczne – wybuch bomby, uderzenie samolotu, jak również fali morskiej o wysokości 14 m oraz trzęsienia ziemi o przyspieszeniu 0,3g (0,3 przyspieszenia ziemskiego). Dlaczego więc doszło do awarii w Fukushimie? Znajdował się tam reaktor starszego typu, a trzęsienie ziemi było największym w tym kraju od czasów, kiedy notowała je historia, czyli ok. 150 lat.

Trudność polegała na tym, że osłona przed falą tsunami była za niska – tłumaczy prof. Strupczewski. W efekcie choć reaktor i jego obudowa pozostały nienaruszone, została zniszczona cała infrastruktura wokół nich, co uniemożliwiło skuteczne odebranie ciepła z reaktora.
Podkreśla również, że awarii tej nie można przyrównywać do Czarnobyla. Ukraińskie reaktory były skonstruowane w taki sposób, by produkować energię, a jednocześnie móc wytwarzać pluton dla celów militarnych. To powodowało, że w pewnych okolicznościach moc paliwa w reaktorze gwałtownie rosła (1000 razy w ciągu 13 sek.). W nowoczesnych elektrowniach w razie awarii, niezależnie od działań podjętych przez człowieka, moc reaktora samoczynnie maleje.

Atomowe śmieci w zbrojonych sarkofagach
Z rocznej eksploatacji elektrowni jądrowej o mocy 1000 MW otrzymujemy ok. 20 ton wypalonego paliwa zajmującego pojemność ok. 10 m3 oraz około 150 ton (pojemność ok. 100 m3) niskoaktywnych odpadów przekonuje Dr. Stanisław Latek, rzecznik Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki. W przypadku elektrowni o tej samej mocy zasilanych węglem kamiennym lub brunatnym jest to odpowiednio kilka tysięcy lub kilka milionów ton rocznie.

Poza tym odpady radioaktywne można bardzo łatwo odseparować. Te długoterminowe składowane są w pod ziemią na głębokości 800 m. Żeby promieniowanie nie przeniknęło do wód gruntowych są wcześniej zamykane w szkle, pojemnikach stalowych, otaczane blachą nierdzewną i zamykane w pojemnikach z bitumitu. Nawet gdyby w jakiś sposób ta osłona nie zadziałała, woda z tej głębokości wydostałaby się na powierzchnię po 100 tys. lat, czyli po tym jak dojdzie do całkowitego rozpadu atomów promieniotwórczych.

Należy pamiętać, że aktywność odpadów radioaktywnych z czasem maleje. Po recyklingu, spadnie poniżej aktywności rudy uranowej po 300 latach. Odpady ze spalania węgla jak żużel i popiół pozostają toksyczne na zawsze – podkreśla Stanisław Latek.

Szansa dla OZE?
Problemu odpadów paliwowych nie ma w przypadku energii ze źródeł odnawialnych. Czy mogą jednak stanowić realną alternatywę dla energetyki jądrowej i paliw kopalnych?
Przykład wielu krajów europejskich sugeruje, że tak. W Islandii z paliw kopalnych pochodzi zaledwie 0,01 proc. wyprodukowanej energii (tzw. pierwotnej), 72,9 proc. z elektrowni wodnych, a 29 proc. ze źródeł geotermalnych, pozostały udział w produkcji ma biomasa. W Norwegii z elektrowni wodnych otrzymywane jest aż 95,8 proc. produkowanej energii wobec 3,2 proc. z paliw kopalnych. Na trzecim miejscu w Europie jest Austria, gdzie udział energii odnawialnej w produkcji ogółem przekracza 72 proc. (dane wg. raportu francuskiego Obserwatorium Energetyk Odnawialnych L’ObservER).

Na tym tle Polska, gdzie produkcja energii ze źródeł odnawialnych stanowi tylko 6 proc., wypada bardzo słabo. Nie możemy się porównywać nawet do sąsiadów. Na Łotwie udział OZE wynosi 63,8 proc. (głównie jest to energia pochodząca z wody), na Słowacji – 19,8 proc. (dodatkowo 53,8 proc. krajowej produkcji to energia jądrowa). W Niemczech, które są największym światowym producentem energii wiatrowej i drugim energii ze słońca, źródła odnawialne stanowią 17 proc. produkcji ogółem (energia jądrowa stanowi tam 22,6 proc.). Lepsi jesteśmy tylko od Białorusi, gdzie 99,7 proc. energii pochodzi z paliw kopalnych i Estonii – 97,4 proc.

W czy tkwi problem?
Przede wszystkim w kosztach związanych z wytworzeniem energii, których główną część stanowią nakłady inwestycyjne. Najniższe są w przypadku elektrowni węglowych. Tzw. koszty EPC (Engineering, Procurement & Construction) obejmujące koszty inżynieryjne, budowy i konstrukcji, w przypadku elektrowni jądrowych wynoszą ok. 3 mld euro za 1000 MW mocy elektrycznej – tłumaczy prof. dr inż. Andrzej Strupczewski z Instytutu Energii Atomowej Polatom Dla elektrowni węglowej koszty EPC wynoszą 1,8 mld euro za 1000 MW. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę ceny paliwa wraz z opłatami za składowanie odpadów i przewidywanym kosztem likwidacji elektrowni (56 mln euro za 1000 MW rocznie w przypadku energii jądrowej i 160 mln euro plus opłaty za emisję CO2 – ok. 250 mln euro rocznie za 1000 MW mocy dla energii węglowej), różnica zwróci się w ciągu kilkunastu lat.

Uwzględniając koszty paliwa i odpadów, pod względem ekonomicznym najbardziej powinna się opłacać energia wytwarzana ze źródeł odnawialnych. W końcu wiatr, słońce i wodę mamy za darmo. Jednak w przypadku elektrowni wiatrowej te liczby są jeszcze wyższe. Według opracowania konfederacji przemysłu brytyjskiego (Confederation of British Industry) z czerwca 2009 r., nakłady inwestycyjne bezpośrednie na elektrownię jądrową o mocy 1000 MW wyniosą 2,85 mld euro, podczas gdy farma wiatrowa na morzu, pracująca ze współczynnikiem wykorzystania mocy 0,34 i wytwarzająca rocznie taką samą ilość energii, kosztowałaby 7,4 mld euro.

Składa się na to przede wszystkim koszt betonowych fundamentów i stali do wiatraków, których produkcja jest przy okazji bardzo energochłonna. Ich rentowność zmniejsza dodatkowo fakt, że wiatraki pracują przez 20 lat, a elektrownie jądrowe III generacji mogą być eksploatowane do 60 lat.

Decyduje zmienna aura
Pozostaje jeszcze jeden problem - niska dyspozycyjność OZE. Wiatraki pracują przez 80 proc. czasu, ale zwykle bardzo wolno. Dlatego średnia uzyskiwana przez nie moc stanowi zaledwie 1/5 mocy nominalnej. Czyli wiatrak o mocy nominalnej 2 MW daje w rzeczywistości ok. 400 kW energii rocznie.

Zasoby energii słonecznej rozkładają się natomiast bardzo nierównomiernie. W Polsce 80 proc. całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na półrocze wiosenno-letnie, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz. na dzień, w zimie skraca do 8 godzin dziennie. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły fotowoltaiczne z krzemu krystalicznego wykazują sprawności powyżej 16 proc. Moduły konstruowane do zastosowań kosmicznych mają sprawności dochodzące do 30 proc.

Odnawialne źródła energii mogą służyć jako uzupełnienie dopływu energii, ale nie zapewnią całkowitego bezpieczeństwa energetycznego – uważa Andrzej Strupczyński. Wynika to przede wszystkim z faktu, że jak dotąd nie udało się wynaleźć efektywnego sposobu magazynowania energii. Gromadzenie jej w systemach akumulatorów jest bardzo drogie. Magazynami mogą być elektrownie pompowo-szczytowe, ale możliwości ich lokalizacji w Polsce są bardzo niewielkie. Rocznie zużywamy 140 TWh energii, ale tylko 2 TWh pochodzi z energii wodnej.

Ekonomia przekreśla słońce?
Również fotowoltaika nie jest jeszcze na skalę przemysłową konkurencyjna dla paliw kopalnych. Na przeszkodzie szerszego niż w chwili obecnej wykorzystania w Polsce energii słonecznej stoi kilka czynników.

Przede wszystkim brak wiedzy, czym jest współczesna energetyka słoneczna i jakie technologie są lub mogą być stosowane – twierdzi Dorota Chwieduk, przewodnicząca Polskiego Towarzystwa Energetyki Słonecznej PTES-ISES. – Po drugie, niezrozumienie faktu, że energetyka słoneczna w naszym kraju to w większości systemy energetyczne służące do wytwarzania energii na potrzeby indywidualne samych jej producentów. Po trzecie, bardzo słaba polityka wsparcia i promocji OZE. Mechanizmy wsparcia dopiero pojawiły się w zeszłym roku, są bardzo ograniczone, dotyczą obecnie kolektorów i nie są wystarczająco promowane.

W Polsce ze słońca pochodzi tylko 0,001 proc. ogółu wyprodukowanej energii. W kilku innych krajach np. w Niemczech, jako elektrownie PV testowanych jest kilkanaście dużych systemów fotowoltaicznych, produkujących od kilkuset kW do kilku MW. Ale to na razie wyjątki możliwe tylko dzięki wysokim dotacjom. Przyznają to sami przedsiębiorcy działający w tym sektorze.
Jeśli bierzemy pod uwagę koszt inwestycji bez dotacji w fotowoltaiczny system sieciowy, to okres zwrotu dla inwestora wyniesie 15-20 lat, pod warunkiem że spożytkuje całą wyprodukowaną energię w ciągu dnia. System z akumulatorami nie zwróci się nigdy, chyba że byłby zainstalowany w miejscu, gdzie nie ma sieci i cena jej doprowadzenia byłby porównywalna – przyznaje Marek Półtorak, dyrektor ds. marketingu i sprzedaży w firmie Eco Solar.

Dlatego energia elektryczna pozyskiwana ze słońca jest wykorzystywana przede wszystkim w małej skali. Służy głównie jako źródło ciepła poprzez instalacje kolektorów słonecznych ogrzewających powietrze lub wodę. W elektronice powszechnego użytku ogniwa fotowoltaiczne generujące od kilku miliwatów do kilku watów mocy zasilają zegarki, kalkulatory, zabawki, radia, przenośne telewizory itp. Systemy wolnostojące instalowane są w terenie, gdzie nie ma sieci do zasilania domków, stacji przekaźnikowych w systemach łączności bezprzewodowej (BTS-ów), instalacji gazowych (zawory, punkty pomiaru przepływu i ciśnienia), oświetlenia opartego na lampach z dookólnymi modułami słonecznymi w maszcie, z zaawansowanym mikroprocesorowym systemem sterowania. Systemy z podłączeniem do sieci opłacają się w miejscach, gdzie energia jest w 100 proc. zużywana za dnia (np. hale fabryczne).

Energia słoneczna ma natomiast przyszłość w motoryzacji w formie autonomicznych lub hybrydowych (solarno-wiatrowych) stacji do ładowania samochodów elektrycznych (choć na razie napęd elektryczny nie pozwala na rozwijanie wysokich prędkości w porównaniu z silnikami spalinowymi). Panele słoneczne stanowią niezależne źródło zasilania łodzi takich jak niemiecki katamaran oceaniczny Planet Solar, Turystyczny Solar z Politechniki Gdańskiej czy łódka Fiten Solar Team, skonstruowana przez gdyńskich inżynierów na potrzeby międzynarodowych regat. Kilka dni temu odbył się również pierwszy międzypaństwowy lot szwajcarskiego samolotu Solar Impulse zasilanego tylko energią ze słońca.

(xt)