Perspektywy rozwoju energetyki słoneczno-wodorowej

Tradycyjny proces spalania paliw organicznych, będący podstawą pozyskiwania energii cieplnej i elektrycznej, jest jedną z głównych przyczyn zanieczyszczenia powietrza substancjami szkodliwymi dla ludzi i środowiska. Ponadto powoduje to wzrost zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze, co prowadzi do wzrostu globalnej temperatury planety. W związku z tym nieuchronnie zmienia się klimat, siedliska różnych gatunków zwierząt, granice lasów, strefy wiecznej zmarzliny itp. [1]. W 2018 r. zmiana klimatu spowodowała ponad 300 klęsk żywiołowych (93% stanowiły burze, pożary, niedobory żywności i susze), które dotknęły ponad 68 milionów ludzi. i spowodował ogromne szkody gospodarcze wynoszące około 131,7 miliarda dolarów [2]. Równie istotnym problemem są ograniczone zasoby tradycyjnych paliw i stały wzrost ich zużycia. Dalsze wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych będzie stopniowo prowadzić do wzrostu ich kosztów, co ostatecznie stworzy nowe problemy dla rozwoju przemysłu i społeczeństwa. Takie wyzwania spowodowały duże zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii (OZE), które mogą okazać się rozwiązaniem powstałych problemów. Jednocześnie, aby osiągnąć neutralność emisyjną, globalny udział odnawialnych źródeł energii, według prognoz badaczy, powinien wzrosnąć z 14 do 74% w latach 2018–2050.

Patrząc na energię odnawialną całościowo, możemy wyróżnić 5 głównych grup: energię słoneczną, energię wodną, ​​energię wiatrową, energię geotermalną i wykorzystanie biopaliw. Jednocześnie instalacje wykorzystujące taką energię pierwotną mają własne charakterystyki eksploatacyjne, które są determinowane m.in. przez ich lokalizację [3]. Z praktycznego punktu widzenia wykorzystanie energii słonecznej samo w sobie może w pełni zaspokoić zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną i cieplną, co sprawia, że ​​ta dziedzina energii odnawialnej jest najbardziej obiecująca dla badań naukowych [4].

W kontekście ludzkości Słońce stanowi darmowe i niewyczerpane źródło energii. Obecnie ta gałąź energetyki odnawialnej rozwija się dynamicznie (rys. 1) [2].

Biorąc pod uwagę wyłącznie generację energii słonecznej opartą na wykorzystaniu przetwornic fotowoltaicznych, zauważamy dwa główne trendy w rozwoju tej technologii: obniżanie kosztów ogniw słonecznych (w celu osiągnięcia większej konkurencyjności) oraz zwiększanie efektywności działania (w celu zmniejszenia gabarytów instalacji i kosztów systemu energii słonecznej) [5]. Obecnie najpopularniejszym rodzajem paneli słonecznych są panele krzemowe - są one najliczniej reprezentowane na nowoczesnym rynku. Rozwój energii słonecznej doprowadził jednak do pojawienia się wielu innych typów ogniw słonecznych, które zazwyczaj klasyfikuje się na trzy generacje, w zależności od materiałów użytych do ich produkcji. Aby uzyskać bardziej szczegółowy opis istniejącej klasyfikacji, należy zapoznać się z pozycjami [6–9]. Pierwszą generację stanowią monokrystaliczne ogniwa krzemowe, które można łatwo odróżnić po jednolitym kolorze i kształcie (prostokątne ogniwa ze ściętymi rogami). Innym rodzajem są panele polikrystaliczne, które składają się z wielu pojedynczych kryształów i mają prostokątny wygląd z niezaokrąglonymi krawędziami. Do tej generacji zaliczają się również panele bazujące na arsenku galu; Są one bardziej wydajne, ale ze względu na obecność drogich, rzadkich i toksycznych substancji, nie są powszechnie stosowane. Produkcja ogniw słonecznych z krzemu jest jednak stosunkowo kosztowna, dlatego rozpoczęto poszukiwania tańszych metod produkcji przetworników energii słonecznej.

Rozwiązaniem tego problemu stały się konwertery drugiej generacji, w skład których wchodzą różne rodzaje cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Klasyfikuje się je z kolei w zależności od materiału fotowoltaicznego, którym pokryte jest podłoże: ogniwa słoneczne z tellurku kadmu (CdTe), krzemu amorficznego (a-Si), diselku miedziowo-indowo-galowo-selenowego (CIGS). Tego typu panele słoneczne są tańsze w produkcji, mają elastyczną konstrukcję i są mniej podatne na zacienienie i wysokie temperatury. Jednak ich główną wadą jest stosunkowo niska wydajność, co przyczyniło się do powstania różnych konstrukcji ogniw słonecznych trzeciej generacji.

Trzecia generacja obejmuje tandemowe panele słoneczne, a także nowsze typy przetworników, takie jak barwnikowe ogniwa słoneczne; ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi; panele słoneczne z perowskitu; organiczne panele słoneczne; Ogniwa słoneczne z siarczku miedzi i cynku (CZTS). Perspektywy rozwoju tej generacji wiążą się z opracowaniem technologii długoterminowej, która będzie ekonomicznie opłacalna, umożliwiając masową produkcję energii elektrycznej w oparciu o przyjazne dla środowiska materiały o nieograniczonym dostępie. Ich liczne zalety można uzasadnić międzynarodowymi inwestycjami i badaniami mającymi na celu zwiększenie wydajności, redukcję kosztów i zwiększenie produkcji na dużą skalę. Zaktualizowane badania amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej pozwalają na prześledzenie rozwoju wszystkich opisanych powyżej generacji ogniw słonecznych w latach 1975–2024 (rys. 2) [8].

Z rys. 2 wynika, że ​​sprawność przetwornic fotowoltaicznych z roku na rok wzrasta, natomiast powierzchnia samych modułów maleje. Ogniwa słoneczne wielozłączowe mają obecnie najwyższą sprawność (ponad 48%). Można również zauważyć szybki rozwój nowych typów przetworników fotowoltaicznych trzeciej generacji (ang. emerging PV). Włączenie odnawialnych źródeł energii bazujących na tego typu urządzeniach do istniejącej sieci energetycznej wiąże się z szeregiem problemów, które należy rozwiązać, aby zapewnić stabilność, niezawodność i efektywność jej pracy. Głównym problemem jest to, że zasoby energii słonecznej nie są stałe, dlatego moc elektrowni słonecznej może się znacznie wahać w zależności od warunków pogodowych i innych czynników. Ponadto im więcej odnawialnych źródeł energii zostanie zintegrowanych w sieci, tym trudniej będzie zapewnić stabilność systemu energetycznego.

Rozwiązaniem zidentyfikowanego problemu mogłoby być zastosowanie systemów magazynowania energii i wdrożenie opartych na nich algorytmów rezerwacji pojemności. W tym obszarze na szczególną uwagę zasługuje energetyka wodorowa, która ma duży potencjał rozwiązania tego problemu.

Wodór jest obecnie uważany za rozwiązanie umożliwiające dekarbonizację różnych gałęzi przemysłu ze względu na swoje zalety jako przyjazne dla środowiska paliwo. Podczas spalania nie emituje się dwutlenku węgla, co czyni go ważnym narzędziem w rozwijaniu gospodarki niskoemisyjnej. Ponadto ma duże ciepło spalania, które jest prawie 3 razy wyższe niż w przypadku benzyny i jest łatwopalny [10]. Wodór, który powstaje przy użyciu odnawialnych źródeł energii w procesie elektrolizy wody, jest zazwyczaj klasyfikowany jako wodór „zielony”. Technologia ta przyczynia się do łączenia różnych sektorów gospodarki z odnawialnymi źródłami energii, a ogólny rozwój energii alternatywnej i technologii jej wytwarzania stopniowo obniża koszty takiego „zielonego” wodoru (rys. 3) [11].

Pomimo wysokich kosztów produkcji wodoru jako paliwa [12], koncepcja skojarzonej energii słonecznej i wodorowej zyskuje coraz większą popularność. System ten zakłada przetwarzanie części energii słonecznej na produkcję wodoru, przy czym istnieje możliwość wykorzystania zarówno energii słonecznej, jak i zmagazynowanego wodoru jako paliwa. Zaletą tej metody jest możliwość pośredniej akumulacji energii słonecznej w celu pokrycia obciążenia w godzinach niesłonecznych, wykorzystując technologię „Power-to-gas” (P2G) [13]. Technologia P2G polega na przetwarzaniu energii elektrycznej na energię związaną chemicznie w postaci substancji gazowej (najczęściej wodoru lub metanu), która w przeciwieństwie do energii elektrycznej jest wygodna do magazynowania i dalszego wykorzystywania. Jednocześnie technologia ta pozwala na zmniejszenie zapotrzebowania na gaz ziemny w przypadku różnego rodzaju obiektów użytkowych. Warto zauważyć, że metan można uzyskać również z nagromadzonego wodoru zgodnie z reakcją Sabatiera (wzór 1) [14].

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O

W kontekście rozwoju wybranej koncepcji energetyki słoneczno-wodorowej można wyróżnić kilka udanych projektów, które zostały wdrożone w ostatnim czasie. Należą do nich: FH2R (rys. 4, a) – największa fabryka wodoru w Japonii (posiada 10 MW instalację produkcyjną wodoru wykorzystującą do wytwarzania energię panele słoneczne) oraz fabryka Sinopec w Chinach (rys. 4, b), która jest w stanie wyprodukować 600 mln kWh rocznie (wykorzystując elektrownie słoneczne) [15].

W Rosji również obecnie trwają intensywne badania w tej dziedzinie, jednak z niewielkim przesunięciem akcentu na wykorzystanie energii pierwotnej do produkcji wodoru. Zgodnie z informacjami opublikowanymi 17 kwietnia 2024 r. na stronie internetowej Centralnego Biura Dyspozytorskiego Kompleksu Paliwowo-Energetycznego, Federacja Rosyjska zamierza do 2030 r. zająć 20% światowego rynku wodoru. Jednocześnie informuje się, że głównymi przesłankami rozwoju energetyki wodorowej będą dekarbonizacja i przejście na źródła bezemisyjne. W tym kontekście rosyjskie Ministerstwo Energetyki mówi o konieczności rozwijania krajowych technologii w dziedzinie energetyki wodorowej, a także o zapewnieniu konkurencyjności gospodarki kraju w kontekście globalnej transformacji energetycznej. Należy zaznaczyć, że w obwodzie kaliningradzkim planuje się produkcję „zielonego” wodoru przy wykorzystaniu energii odnawialnej, w oparciu o konwersję energii wiatru. Warto zwrócić uwagę na oświadczenie spółki ŁUKOIL, która planuje produkcję „zielonego” wodoru w Kraju Krasnodarskim w ilości do 13 ton rocznie. Nie podano jednocześnie, jaki rodzaj energii będzie wykorzystywany w tym celu [16]. Biorąc pod uwagę, że energetyka słoneczna w strukturze bilansu energetycznego odnawialnych źródeł energii dla naszego kraju nie jest tak rozwinięta jak np. energetyka wodna czy wiatrowa, trudno jest wymienić jakąkolwiek istniejącą na dużą skalę produkcję „zielonego” wodoru w oparciu o energię słoneczną, choć istnieje w tym zakresie znaczny potencjał techniczny, podobny do wcześniej rozważanych projektów zagranicznych. Fakt ten aktualizuje temat rozpatrywanej kwestii dotyczącej celowości rezerwowania mocy elektrowni fotowoltaicznych w kontekście produkcji „zielonego” wodoru.

Typowy podłączony do sieci system wykorzystujący energię słoneczną i wodór (rysunek 5) składa się z instalacji fotowoltaicznej, elektrolizera wody, zbiornika na wodór oraz ogniwa paliwowego. Wyjścia systemu fotowoltaicznego i ogniw paliwowych podłączone są do przetworników w celu przekształcenia prądu elektrycznego do postaci wymaganej przez obciążenie. Nadmiar energii fotowoltaicznej jest przesyłany do elektrolizera w celu wytworzenia „zielonego” wodoru, który następnie jest przechowywany w specjalnym zbiorniku ciśnieniowym w celu wykorzystania jako zapas. Zmagazynowany gaz wodorowy jest następnie przetwarzany przez ogniwo paliwowe na energię elektryczną, która zaspokaja zapotrzebowanie na energię w godzinach, w których nie jest dostępna energia fotowoltaiczna. Aby utrzymać równowagę energetyczną między wytwarzaniem a zużyciem, sieć energetyczna może być podłączana wyłącznie w celu pokrycia pozostałych obciążeń, których nie pokrywa produkcja energii odnawialnej z instalacji fotowoltaicznych i ogniw paliwowych. W ten sposób proponowana łączona konfiguracja może zapewnić bezpieczeństwo zużycia energii i niezawodność działania systemu elektroenergetycznego, zwiększając jednocześnie wolumen dostaw zielonej energii i zmniejszając wymagania dotyczące zakupu energii elektrycznej z sieci [17].

Przykład autonomicznego łączonego systemu słoneczno-wodorowego pokazano na rys. 6. W ciągu dnia dostępnymi źródłami energii dla domu są energia słoneczna z zestawu paneli fotowoltaicznych oraz energia ze stosu ogniw paliwowych, które podczas pracy zużywają wodór ze zbiornika wodoru. Wodór wytwarzany jest przy użyciu elektrolizera, gdy dostępna jest energia słoneczna. Po zachodzie słońca w takim przypadku stos ogniw paliwowych pozostaje jedynym dostępnym źródłem zasilania w takim układzie hybrydowym [18].

Wdrożony w tym kierunku projekt z powodzeniem zapewnia już 100% autonomiczne zasilanie energetyczne budynku mieszkalnego [19]. Cały dach budynku pokryty jest panelami fotowoltaicznymi o zainstalowanej mocy elektrycznej 20 kW i rocznej produkcji około 20 kWh. Energia elektryczna magazynowana latem w postaci wodoru jest zużywana zimą przez ogniwa paliwowe. Wodór przechowywany jest w specjalnych zbiornikach pod ciśnieniem 32 barów. Dzięki temu systemowi udało się zapewnić pełną autonomię budynku mieszkalnego.

Obecnie obserwuje się wzrost zainteresowania odnawialnymi źródłami energii, co tłumaczy się chęcią dekarbonizacji wytwarzania mocy energetycznych i zmniejszenia udziału zużycia zasobów węglowodorów. Analiza licznych źródeł informacji wykazała, że ​​wśród różnorodnych źródeł odnawialnych, energia słoneczna charakteryzuje się wysokim tempem rozwoju, a koszt produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu przetworników fotowoltaicznych z roku na rok maleje i stopniowo zbliża się do energii wodnej. Takie sukcesy są w dużej mierze zasługą technicznej optymalizacji technologii fotowoltaicznych, dzięki której udało się znacząco zwiększyć sprawność przetworników fotowoltaicznych do prawie 49%.

W kontekście rozwiązania problemu rezerwacji mocy elektrycznej elektrowni fotowoltaicznych i przestawienia się na coraz popularniejszą energetykę wodorową, której strategia rozwoju została zaakceptowana przez wiele państw współczesnego świata, wykorzystanie wodoru jako metody magazynowania energii nabiera dużego znaczenia praktycznego. Analiza projektów pilotażowych tego typu pozwala stwierdzić, że idea zapasowego zasilania wodorem ma nie tylko podstawy teoretyczne, ale i zastosowanie praktyczne. Głównym czynnikiem ograniczającym na chwilę obecną jest koszt wdrożenia takich rozwiązań.