Sahara jest pełna oświetlonego słońcem piasku. Czy to więc nie jest idealne miejsce na ogólnoświatowy megaprojekt energetyczny? Może zmienić pustynię w gigantyczną elektrownię słoneczną? To kusząca wizja, ale wbrew pozorom bardzo skomplikowana w realizacji. Wyjaśniamy dlaczego.
Spis treści
Fotowoltaika? Na co to komu? Trudne początki
Dziś przyjmujemy, że odkrywcą zjawiska fotowoltaicznego, czyli przemiany energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny w pewnych materiałach był Alexandre Edmond Becquerel, francuski fizyk, który odkrył to zjawisko w 1840 roku. Wówczas odkrycie fotowoltaiki nie znalazło żadnego praktycznego zastosowania. Po części wynikało to z faktu, że pozyskiwana energia była bardzo mała.
Ponad trzy dekady później, w 1876 roku dwaj naukowcy brytyjscy, fizyk William Grylls Adams wraz ze swoim uczniem Richardem Evansem Dayem zaobserwowali zjawisko wytwarzania energii elektrycznej przez wystawione na promieniowanie słoneczne materiały zawierające selen. Wydajność takich ogniw selenowych jest bardzo niska, zaledwie rzędu kilku procent. Współczesne panele fotowoltaiczne zbudowane z krzemu osiągają ok. 20-procentową wydajność. Innymi słowy, 20 procent energii ze słońca trafiającej na panel jest zamieniane w energię elektryczną.
Pierwsze panele fotowoltaiczne powstały dopiero ponad wiek po odkryciu Becquerela. W 1954 roku w oddziale badawczym amerykańskiego Bell Laboratories naukowcy Gerald Pearson, Calvin Fuller i Daryl Chaplin skonstruowali pierwsze krzemowe ogniwa słoneczne, które w wyniku naświetlania promieniowaniem słonecznym generowały mierzalną energię elektryczną, która – w przeciwieństwie do ogniw selenowych – mogła mieć znaczenie praktyczne.
Sahara jako źródło masowej energii słonecznej
Pomysł, by wykorzystać spowite słonecznym blaskiem piaski Sahary do masowej produkcji energii słonecznej, pojawił się już dawno temu. I wcale nie w Afryce, a we Francji. Augustin Mouchot, urodzony w 1825 roku we Francji nauczyciel matematyki i wynalazca już w drugiej połowie XIX wieku zdał sobie sprawę z faktu, że węgla kiedyś zabraknie. To właśnie on w 1866 roku zbudował pierwszy, paraboliczny, rynnowy kolektor słoneczny, to on również jest twórcą największych maszyn parowych, których energii nie dostarczało spalanie węgla, lecz nasza dzienna gwiazda.
Mouchot był pierwszym, który chciał „zatrudnić” Słońce na skalę przemysłową. Mimo pewnych dotacji z francuskiego rządu, a także udanej instalacji silników cieplnych na energię słoneczną, nie tylko w samej Francji, ale również we francuskiej ówcześnie Algierii, pomysł energetycznej megastruktury na wielkiej pustyni pozostał jedynie pomysłem. Paliwa kopalne były wówczas znacznie tańsze, łatwiej dostępne, a z konsekwencji ich wykorzystania na masową skalę nikt wówczas nie zdawał sobie sprawy.
Największa elektrownia solarna świata
Całkowita powierzchnia Sahary szacowana jest na około 9,3 miliona kilometrów kwadratowych, a średnie nasłonecznienie wynosi tam 263 W/m2. Dla porównania Polska ma powierzchnię nieco ponad 322 tysiące kilometrów kwadratowych, nasłonecznienie również jest z oczywistych względów niższe. Na dodatek w Polsce i Europie instalacje słoneczne muszą konkurować z infrastrukturą, zabudową, areałem rolniczym itp.
Dziś wiemy już znacznie więcej, nic zatem dziwnego, że dość często słyszymy o dużych infrastrukturalnych inwestycjach w energię słoneczną. W 2018 roku w Maroku, czyli na interesującym nas tu obszarze, wszak znaczna część Maroka to część Sahary, uruchomiono energetyczny kompleks Noor-Ourzazate.
W momencie jego startu był to największy pojedynczy kompleks energetyczny produkujący energię ze słońca. Ta energetyczna placówka składa się z trzech jednostek produkcyjnych Noor I, Noor II i Noor III, różniących się nie tylko wydajnością, ale i rozwiązaniami technologicznymi. Żadna z trzech placówek nie korzysta z fotowoltaiki, zamiast tego placówka wykorzystuje technologię koncentrowanej energii słonecznej (Concentrating Solar Power Plant – CSP).
Polega to na tym, że promienie słoneczne są skupiane na jakimś ogrzewanym przedmiocie, a generowane ciepło jest później wykorzystywane do wytwarzania pary wodnej napędzającej turbiny wytwarzające prąd elektryczny. W każdym z trzech obiektów prąd jest wytwarzany w nieco odmienny sposób. W obiekcie Noor I wykorzystuje się cylindryczne lustra paraboliczne do skupiania promieni słonecznych na rurach z wodą. Podgrzana woda zamienia się w parę, która napędza turbinę.
Placówka Noor II korzysta z parabolicznych kolektorów, które skupiają promienie słoneczne na rurach z olejem termicznym (olej można podgrzać do wyższej temperatury niż wodę), później ciepło z oleju jest oddawane turbinie wytwarzającej prąd.
Wreszcie Noor III korzysta z tzw. heliostatów (płaskie lustra sterowane komputerowo) do skupiania promieni słonecznych na zbiornikach ze stopioną solą. Sól oddaje ciepło do turbiny, a nadmiar ciepła jest magazynowany w zbiornikach z solą fluorową. Sól ta w ciągu dnia jest podgrzewana do temperatury ok. 550°C. Ten zapas ciepła pozwala, by placówka oddawała ciepło (i produkowała energię elektryczną) również nocą, gdy nie świeci słońce.
Powierzchnia, jaką zajmuje cały obiekt, przekracza 3 tysiące hektarów, dla porównania lotnisko Chopina w Warszawie zajmuje obszar ok. 830 ha. Ponad 3 tys. ha to mniej więcej tyle, co zajmuje cały Wilanów (dzielnica Warszawy), albo Bielany, czy całe Skierniewice. Łatwo zauważyć, że znalezienie takiego areału w jakimkolwiek miejscu w Europie jest… trudne.
Choć z drugiej strony podobny obszar zajmuje jeden z największych emitentów CO2 świata – Elektrownia Bełchatów (wraz z wyrobiskiem eksploatacyjnym i wewnętrznym zwałowiskiem). Może chociaż moc obiektu na Saharze jest zbliżona do tej z Bełchatowa? Niestety, marokańska instalacja jest w stanie wytworzyć 580 MW energii elektrycznej, Bełchatów dysponuje mocą osiągalną blisko dziewięciokrotnie wyższą: 5102 MW.
Mamy rok 2024 i instalacja na marokańskiej pustyni to już nie największa elektrownia słoneczna świata. Dziś znamy więcej bardziej wydajnych obiektów. Te o największych mocach wytwórczych korzystają z innej technologii, z paneli fotowoltaicznych.
To, co uderza na liście największych elektrowni słonecznych świata to fakt, że oprócz powyżej opisanej, marokańskiej instalacji, tylko jedna z pozostałych wielkich elektrowni słonecznych zlokalizowana jest na Saharze (w Egipcie). Z czego to wynika? Po prostu produkcję energii uruchamia się w miejscach, w których jest na nią zapotrzebowanie, do kwestii transportu energii jeszcze wrócimy. Poniżej lista kilku wydajniejszych elektrowni słonecznych wraz z mocą wytwórczą, wykorzystywaną technologią i lokalizacją.
- elektrownia słoneczna Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park, 1013 MW, panele fotowoltaiczne, Zjednoczone Emiraty Arabskie (placówka cały czas rozbudowywana);
- elektrownia słoneczna Noor Abu Dhabi Solar Power Plant, 1177 MW, Zjednoczone Emiraty Arabskie;
- elektrownia słoneczna Tengger Desert Solar Park, 1547 MW, Chiny;
- elektrownia słoneczna Benban Solar Park, 1650 MW, panele fotowoltaiczne, Egipt;
- elektrownia słoneczna Pavagada Solar Park, 2050 MW, panele fotowoltaiczne, Indie;
- elektrownia słoneczna Hainan Solar Park, 2200 MW, panele fotowoltaiczne, Chiny;
- elektrownia słoneczna Bhadla Solar Park, 2245 MW, panele fotowoltaiczne, Indie.
Największa (obecnie, bo cały czas powstają nowe placówki) elektrownia słoneczna, Bhadla Solar Park w Indiach wciąż ma moc wytwórczą niższą od połowy polskiego Bełchatowa, a zajmuje obszar 5700 ha. Jak duża musiałaby być elektrownia słoneczna zdolna zaspokoić potrzeby całej ludzkości? Ile w ogóle energii potrzebujemy?
Globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną
Zanim przejdziemy do liczb, trzeba zdać sobie sprawę, że największa pustynia świata zapewnia wystarczający areał. W rzeczy samej już pokrycie zaledwie 1,2 proc. jej powierzchni powinno zapewnić moce produkcyjne z fotowoltaiki odpowiadające energetycznym potrzebom całej ludzkości. Inna sprawa, że owe 1,2 proc. powierzchni Sahary to bardzo konkretny areał, jakieś 112 tys. kilometrów kwadratowych, czyli więcej niż trzecia część powierzchni całej Polski. A ile w ogóle my, jako ludzkość, tej energii potrzebujemy?
Według najnowszego raportu Międzynarodowej Agencji Energii (International Energy Agency – IEA), pt. „Electricity 2024 – Analysis and forecast to 2026” globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną będzie rosło i to coraz szybciej, średnio o 3,4% rocznie do roku 2026. IEA zwraca uwagę, że jedną z przyczyn wzrostu popytu na energię elektryczną jest zapotrzebowanie na nią ze strony centrów danych, chodzi oczywiście o sztuczną inteligencję, czy energetyczne potrzeby sektora kryptowalut. O ile centra danych w 2022 roku na całym świecie zużyły szacunkowo 460 TWh (terawatogodzin) energii elektrycznej, to całkowite zużycie z tego sektora może wzrosnąć do ponad 1000 TWh w 2026 roku.
Zasadniczo popyt na energię elektryczną w 2023 roku, według danych IEA zbliżał się do 30 tysięcy TWh, a prognozy agencji sugerują, że w 2026 roku będzie to już 10 proc. więcej (ok. 33 tys. TWh).
Warto też zdać sobie sprawę, że rozważając budowanie hipotetycznej, gigantycznej solarnej infrastruktury na największej pustyni świata wcale nie trzeba budować placówki, która ma dostarczyć energię całej ludzkości. Przecież my tę energię już teraz produkujemy z najrozmaitszych źródeł rozmieszczonych na całej planecie.
Jedyny powód, dla którego w ogóle warto rozważać wielkie inwestycje w odnawialne źródła energii, to chęć wyparcia z miksu energetycznego tych obiektów, które produkują prąd z paliw kopalnych. Zatem hipotetyczna gigantyczna elektrownia wcale nie musiałaby zajmować 1,2 proc. powierzchni Sahary, choć naukowcy zajmujący się klimatem zwrócili jakiś czas temu uwagę na jeszcze jeden problem.
Zielona energia zazieleni Saharę?
W styczniu 2024 roku na witrynie ResearchGate pojawił się naukowy artykuł opublikowany w Nature, zatytułowany Large-scale photovoltaic solar farms in the Sahara affect solar power generation potential globally. Badacze z wielu różnych instytucji naukowych przedstawili w nim potencjalny wpływ wielkoskalowych instalacji solarnych, budowanych na terenach suchych, na globalny klimat.
To nie jest pierwsze tego typu badanie, już w 2018 roku opublikowano inną pracę badawczą, w której podkreślano, że budowa wielkiej farmy solarnej na Saharze może spowodować w dłuższej perspektywie, że Sahara przestanie być pustynią. Teoretycznie brzmi to dobrze, zyskalibyśmy nie tylko zieloną energię, ale też zamienilibyśmy pustynny areał w tereny zielone. To wcale nie takie proste.
Panele solarne inaczej pochłaniają promieniowanie słoneczne niż bardzo jasny piasek pustyni. Są od tego piasku znacznie ciemniejsze, a przez to kumulują ciepło. W efekcie Sahara stałaby się cieplejsza, ale też bardziej wilgotna. Niestety atmosfera i klimat naszej planety to niezwykle skomplikowany system naczyń połączonych. W badaniach z 2018 roku przestrzegano, że pokrycie znacznych obszarów Sahary panelami solarnymi może wpłynąć negatywnie na pozostałe obszary planety, a w nowszym artykule naukowym mówi się o tym wpływie znacznie więcej. Kłopot związany z trudnym do oszacowania wpływem saharyjskiej, energetycznej megastruktury na klimat Ziemi to tylko jedno z wielu wyzwań.
Elektrownia słoneczna a transfer energii na duże odległości. Czy mamy nadprzewodniki?
Odpowiedź na tak postawione pytanie brzmi: nie, nie mamy. Gwoli ścisłości istnieją pewne eksperymentalne instalacje, które do przesyłania energii wykorzystują nadprzewodzące kable. Przykładem może być chińska, eksperymentalna linia z nadprzewodników zainstalowana na początku 2024 roku w Szanghaju, w Chinach (informowała o tym chińska agencja informacyjna Xinhua). Pracę naukową na temat tego projektu Chińczycy opublikowali jeszcze w 2020 roku. Nadprzewodzący kabel energetyczny, czy to w ogóle możliwe? Chińczycy udowodnili, że jak najbardziej, ale ekonomia szybko sprowadza ten projekt na Ziemię.
W jaki sposób Chińczykom udała się ta sztuka? Niestety, nie odkryli oni żadnego rewolucyjnego materiału nadprzewodzącego, lecz po prostu umieścili eksperymentalny 1200-metrowy przewód do przesyłania prądu o napięciu 35 kV w ciekłym azocie, co i tak jest imponującym wyzwaniem inżynierskim, biorąc pod uwagę fakt, że przewód ten stał się częścią energetycznej, infrastrukturalnej tkanki miejskiej Szanghaju.
Pomysł zadziałał i Chińczycy planują zastosować go w gęstej infrastrukturze miejskiej, bo zdolność przesyłowa ich zdaniem odpowiada wydajności nawet sześciu konwencjonalnych kabli przesyłowych przy tym samym poziomie napięcia, a to pozwala zwyczajnie zaoszczędzić miejsca na tory prowadzenia takiej infrastruktury, którego w silnie zurbanizowanych rejonach jest zawsze za mało. Na Saharze miejsca natomiast nie brakuje, problemem są odległości. Chiński pomysł traci rację bytu ze względów ekonomicznych.
Przesyłanie energii elektrycznej wyprodukowanej w jednym miejscu (w naszym założeniu: na Saharze) wymaga budowy gigantycznej infrastruktury przesyłowej, która i tak będzie podlegać prawom fizyki. Szacuje się, że współczesne, najbardziej zaawansowane kable energetyczne (ale nie będące nadprzewodnikami) tracą ok. 3 procent energii na każdy 1000 km długości. Wystarczy włączyć Mapy Google, by przekonać się, że odległość z Polski na Saharę, nawet najkrótsza, w linii prostej, to grubo powyżej 1000 km.
W rzeczywistości linie przesyłowe z Sahary tylko do Europy musiałyby mieć nawet ponad 3000 km. Dla porównania najdłuższa istniejąca dziś linia przesyłowa, to oddana do użytku w 2013 roku Rio Madeira HVDC System w Brazylii. Linia ta łączy hydroelektrownie Santo Antonio i Jirau z regionem São Paulo, ma długość ok. 2400 km. Potężne wyzwanie inżynieryjne, ale znacznie łatwiejsze od naszego hipotetycznego wyzwania, czyli linii Sahara – Europa. Brazylijska sieć nie musi pokonywać… Morza Śródziemnego.
Jak widać, choć teoretycznie gigantyczna elektrownia słoneczna mogłaby wytworzyć ilość energii, która wystarczyłaby ludzkości, to ludzkość nie jest w stanie dziś tej energii odebrać, nie mówiąc o jej zmagazynowaniu. A przecież nawet nie dotknęliśmy polityki i problemów społecznych w kilkunastu państwach, na których terenie znajduje się największa pustynia świata. Nie poruszyliśmy kwestii ewentualnej zależności energetycznej, potencjalnych szantaży energetycznych, ani jakiejkolwiek kwestii ekonomicznej, bo przecież wciąż pozostaje pytanie: kto za to wszystko zapłaci?
Czy potrzebujemy paneli solarnych na Saharze?
Nie. W ciągu ostatnich dwóch dekad koszt produkcji paneli fotowoltaicznych znacząco spadł, w efekcie zamiast budowy gigantycznej elektrowni na Saharze, lepszym rozwiązaniem, przynajmniej dla Europy, są instalacje rozproszone. Wspomniany wcześniej raport IEA sugeruje, że do początku 2025 roku (a to już przecież za kilka miesięcy) odnawialne źródła energii mają zapewnić ponad jedną trzecią całkowitej produkcji energii elektrycznej na świecie. Tym samym źródła OZE wyprzedzą węgiel. Przy czym za ten wzrost ma odpowiadać przede wszystkim rozwój fotowoltaiki.
Czy wiecie, w jakim kraju produkuje się najwięcej energii elektrycznej z fotowoltaiki per capita? Według danych z 2023 roku liderem jest Australia, ale zaraz za nią plasuje się Holandia, bardzo wysoko są też Niemcy. To doskonale pokazuje, że wcale nie trzeba szukać bardziej nasłonecznionych szerokości geograficznych i snuć megalomańskich planów energetycznych. Polska leży na tej samej szerokości geograficznej co Niemcy i Holandia, słońce dla Warszawy świeci podobnie jak dla Berlina czy Amsterdamu. Owszem, rozwój mikroinstalacji wymaga rozwiązania wielu problemów związanych z m.in. z pojemnością sieci, inteligentnymi sieciami energetycznymi, dynamicznymi taryfami, równoważeniem popytu, przemyślanymi programami wsparcia etc., etc. To jednak już temat na inny materiał, który mam nadzieję, również niedługo na łamach naszego serwisu poruszymy.
Źródło: International Energy Agency, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. Zdjęcie otwierające: Oursolarenergy / X, zrzut ekranu
Część odnośników to linki afiliacyjne lub linki do ofert naszych partnerów. Po kliknięciu możesz zapoznać się z ceną i dostępnością wybranego przez nas produktu – nie ponosisz żadnych kosztów, a jednocześnie wspierasz niezależność zespołu redakcyjnego.