Hoće li do 2050. godine Sunce napajati cijeli svijet?

Vrijeme čitanja: 9 min

Uvod

Njemačka udruga strojarske industrije VDMA (njem. Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) dvaput godišnje objavljuje plan razvoja fotonaponske tehnologije pod nazivom ITRPV (engl. International Technology Roadmap for Photovoltaic).[3] U tom planu razvoja navedeno je predviđanje godišnjih instalacija i ukupne instalirane snage fotonaponskih sustava do 2050. godine. Godišnje instalacije fotonaponskih sustava trebale bi doseći 4,5 TW u 2050. godini, dok bi ukupna instalirana snaga te godine iznosila 63 TW. Očekuje se da će fotonaponski sustavi proizvoditi 104 PWh ( = 104 * 1012 kWh) električne energije u 2050. godini.

Je li realno očekivati da će se ta predviđanja za 2050. godinu ostvariti? Koje je trenutno stanje fotonaponske industrije i kako smo došli do tog stanja? Koje su glavne prepreke ostvarenju predviđenog rasta i kako ih fotonaponska industrija planira riješiti?

Hrvatski elektroenergetski sustav kao referentna točka

Godišnja prosječna potražnja električne energije u Hrvatskoj iznosi 19 TWh, slika 1.

Kako bismo dobili prosječnu snagu potrebnu za proizvodnju 19 TWh električne energije godišnje, možemo podijeliti ukupnu godišnju potrošnju s brojem sati u godini.

Izračun:

  • godišnja potrošnja električne energije: 19 TWh
  • broj sati u godini: 365 dana * 24 h/dan = 8760 h

Prosječna snaga: 19 TWh / 8760 h = 2,18 GW (približno 2,2 GW).

U hipotetskom scenariju kada bi se sva potražnja električne energije u Hrvatskoj proizvodila isključivo korištenjem fotonaponskih sustava, nazivna snaga takvog sustava morala bi biti pet puta veća u odnosu na prosječnu snagu od 2,2 GW (jer se uzima u obzir faktor iskorištenja[5] od 20 %). Stoga bi fotonaponski sustav snage 11 GW zadovoljio ukupnu godišnju potrošnju električne energije u Hrvatskoj.

Pogledajmo sada godišnje instalacije fotonaponskih sustava za 2023. godinu i projekcije za 2030. i 2050. godinu i usporedimo ih sa elektroenergetskim potrebama Hrvatske.

Prema izvješću Međunarodne agencije za obnovljivu energiju[6] (engl. The International Renewable Energy Agency, IRENA) u 2023. godini instalirano je 346 GW novih fotonaponskih sustava. Dakle, već danas godišnje globalne instalacije solarnih panela premašuju potrebe Hrvatske za više od 30 puta.

Kako je navedeno u ITRPV-u,[3] godišnje instalacije 2030. godine trebale bi premašiti 1 TW, što znači da bi se 2030. godine instaliralo oko 100 puta više fotonaponskih sustava nego što je potrebno za hrvatsku potražnju električne energije.

Konačno, predviđanja za 2050. godinu govore o godišnjim instalacijama od 4,5 TW. To znači da bi se unutar jedne godine instaliralo oko 450 puta više solarnih panela nego što je Hrvatskoj potrebno.

Procjena ostvarivosti predviđanja za 2050. godinu

Promotrimo proizvodnju električne energije po glavi stanovnika za Hrvatsku, svijet i neke razvijene i neke zemlje u razvoju, slika 2.

Koja se prosječna godišnja proizvodnja električne energije po glavi stanovnika u svijetu očekuje 2050. godine?

Kako bismo odgovorili na ovo pitanje, možemo se pozvati na Ciljeve održivog razvoja (engl. Sustainable Development Goals, SDG)[9] koje su sve članice Ujedinjenih naroda usvojile 2015. godine. Iako je rok za postizanje svih ciljeva SDG-a prvotno bio postavljen do 2030. godine, zbog njihove ambicioznosti, većina ciljeva vjerojatno neće biti u potpunosti ispunjena do tog roka.

Ciljevi održivog razvoja koji nas zanimaju u kontekstu predviđanja rasta proizvodnje električne energije do 2050. godine su:

  • Iskorjenjivanje siromaštva (engl. No poverty, SDG 1) i Doličan rad i gospodarski rast (engl. Decent work and economic growth, SDG 8): Ekonomski rast je glavni alat u ispunjenju ovih ciljeva. Dok u razvijenim zemljama, poput Japana, SAD-a i EU-a, rast gospodarstva više ne dovodi do povećanja potrošnje električne energije, veći dio svijeta je i dalje u procesu razvoja. S obzirom na očekivani ekonomski rast zemalja u razvoju, možemo očekivati i rast globalne potražnje za električnom energijom. Proizvodnju električne energije po glavi stanovnika na globalnoj razini u 2050. godini procjenjujemo na 6.000 kWh. To je otprilike na razini trenutne prosječne proizvodnje u Europskoj uniji, slika 2.
  • Održiva energija za sve (engl. Affordable and clean energy, SDG 7) i Djelovanje protiv klimatskih promjena (engl. Climate action, SDG 13): Zbog klimatskih promjena neophodna je potpuna dekarbonizacija svjetske ekonomije. Put do potpune dekarbonizacije uključuje elektrifikaciju globalnog energetskog sektora te proizvodnju električne energije isključivo iz obnovljivih izvora energije. Prema izvještaju konzultantske tvrtke The Brattle Group[10], potpuna elektrifikacija toplinskog sektora i cestovnog prometa u SAD-u bi do 2050. godine udvostručila potražnju za električnom energijom. Stoga, umjesto ranijih 6.000 kWh, uzimamo dvostruko više, odnosno 12.000 kWh, kao očekivanu globalnu godišnju proizvodnju električne energije po glavi stanovnika u 2050. godini.

Važno je napomenuti da su vrijednosti od 6.000 kWh i 12.000 kWh konzervativne procjene. Većina razvijenih zemalja ima veću potrošnju električne energije po glavi stanovnika od EU-a. Potpuna dekarbonizacija energetskog sustava mora uključivati i druge sektore osim toplinskog sektora i cestovnog prometa.

Kako bismo izračunali ukupnu svjetsku proizvodnju električne energije u 2050. godini, uz odabranu vrijednost od 12.000 kWh proizvodnje električne energije po glavi stanovnika, potrebno je znati i broj stanovnika Zemlje u toj godini. Prema podacima Ujedinjenih naroda, ukupna populacija na Zemlji u 2050. godini procjenjuje se na otprilike 10 milijardi stanovnika[8], slika 3.

Pomnožimo li 10 milijardi ljudi s odabranom vrijednosti od 12.000 kWh proizvodnje električne energije po glavi stanovnika, dobivamo ukupnu svjetsku proizvodnju električne energije u 2050. godini od 120 PWh.

Kako bismo dobili prosječnu snagu potrebnu za proizvodnju 120 PWh električne energije godišnje, možemo podijeliti ukupnu godišnju potrošnju s brojem sati u godini:

Prosječna snaga: 120 PWh / 8760 h = 13,7 TW (približno 14 TW).

Uzmemo li u obzir faktor iskorištenja od 20% za fotonaponske elektrane, potrebno je pomnožiti tih 14 TW s 5 kako bismo dobili nazivnu snagu elektroenergetskog sustava izgrađenog isključivo od fotonaponskih elektrana. Za opskrbljivanje cijelog svijeta 2050. godine električnom energijom iz fotonaponskih sustava instalirana snaga takvog sustava bi trebala iznositi 70 TW.

S obzirom na to da je u planu razvoja ITRPV-a[3], spomenutom u uvodu članka, predviđena ukupna instalirana snaga od 63 TW fotonaponskih sustava 2050. godine s godišnjom proizvodnjom od 104 PWh električne energije možemo zaključiti kako je navedeno predviđanje u skladu s projekcijama rasta potreba električne mreže svijeta radi ekonomskog rasta i borbe protiv klimatskih promjena.

Povijest fotonaponske industrije

Eksponencijalni rast instalacija fotonaponskih sustava najlakše se uočava u usporedbi s rastom instalacija drugih obnovljivih izvora energije, slika 4.

Važno je napomenuti da podaci na prethodnoj slici prikazuju stanje do 2022. godine. U novom izvješću Međunarodne agencije za obnovljivu energiju[6] objavljenom u ožujku 2024. godine navedeni su podaci i za 2023. godinu. Dok je hidroenergija još uvijek bila značajan izvor obnovljive energije u 2023. godini s 1408 GW instalirane snage, solarna energija je zauzela vodeće mjesto s 1419 GW.

S porastom instalacija fotonaponskih sustava, cijena panela se smanjuje. Pad cijene povećava potražnju, što dovodi do novih instalacija i daljnjeg pada cijene. Ovaj ciklus se odvija više od 40 godina, slika 5.

Cijena fotonaponskih panela smanjuje se za 20 % uz svako udvostručenje ukupne instalirane snage. To je posljedica tzv. „ekonomije razmjera“ (engl. economies of scale) gdje inkrementalni pomaci u tehnologiji samih panela ali i inkrementalni pomaci u industrijskoj proizvodnji te nova regulacija i financijski instrumenti doprinose povećanju učinkovitosti proizvodnje, dok povećanje proizvodnih kapaciteta motivira novi interes za sve navedeno.

Pravac prikazan na logaritamskoj skali na slici 5 predstavlja tipičan primjer krivulje učenja (engl. learning curve). Prikazana krivulja učenja, kada je riječ o instalacijama i cijeni fotonaponskih panela, naziva se Swansonov zakon (engl. Swanson’s law).

Hoće li se ovaj trend brzog rasta instalacija fotonaponskih sustava nastaviti do 2050. godine? Koje su prepreke daljnjem rastu i kako fotonaponska industrija planira nadvladati te izazove?

Plan za održivi rast fotonaponske industrije

Bilo da se radi o fotonaponskim sustavima instaliranim na krovovima stambenih i komercijalnih objekata (engl. residential PV) ili komunalnim sustavima snage od 1 MW do nekoliko gigawata (engl. utility-scale PV), ukupni trošak izgradnje takvih sustava uz fotonaponske panele uključuje i dodatne troškove poput:

  • dodatni hardver – inverteri, ožičenje, sklopke, montažni sustavi, baterije, punjači baterija, senzori sunčevog zračenja
  • radna snaga – električari, mehaničari, geodeti i drugi inženjeri, upravitelji za građevinske i ostale dozvole
  • trošak odobravanja dozvola, inspekcije i spajanja na mrežu
  • neizravni troškovi poput administrativnih troškova, prodaje i marketinga
  • trošak najma ili otkupa tla odnosno krova na kojemu se planira izgraditi sustav.

Problem nastaje jer cijena samih panela čini sve manji udio u ukupnom trošku fotonaponskog sustava.[13] Stoga se smanjenje cijene panela ne odražava više tako značajno na konačni trošak sustava. Čak i u ekstremnom scenariju da su paneli besplatni, trošak izgradnje novih fotonaponskih sustava pao bi samo za 30%.

Rješenje za taj problem je povećanje učinkovitosti pretvorbe fotonaponskih panela. Udvostručenje učinkovitosti pretvorbe u odnosu na današnje panele dovelo bi do sljedećih prednosti:

  • smanjenje potrebne površine tla ili krova: Za istu instaliranu snagu, potrebno je upola manje površine tla ili krova za postavljanje sustava. To znači da su troškovi najma ili otkupa zemljišta odnosno krova smanjeni za 50 %, a nove lokacije, koje su prije bile neprimjerene zbog nedostatne površine u odnosu na potrebnu snagu fotonaponskog sustava, sada postaju pogodne za instalaciju.
  • smanjenje troškova montaže: Potrebno bi bilo upola manje montažnih sustava, ožičenja i ostalog hardvera.
  • smanjenje troškova logistike: Cijena transporta i skladištenja panela te ostale opreme fotonaponskog sustava bila bi smanjena za 50%.
  • smanjenje troškova rada: Trebalo bi upola manje radne snage kod instalacije i održavanja.

Koje su to buduće tehnologije koje bi omogućile fotonaponske panele s visokom učinkovitosti pretvorbe? Pogledajmo grafikon Američkog Nacionalnog laboratorija za obnovljivu energiju (engl. National Renewable Energy Laboratory, NREL) koji prikazuje rekorde učinkovitosti pretvorbe prema implementiranoj tehnologiji kroz vrijeme, slika 6.

Prema planu razvoja fotonaponske tehnologije ITRPV[3], fotonaponska industrija će idućih 10 godina postepeno prelaziti na tehnologiju tandema silicija i perovskita, slika 7. Očekuje se da će paneli tandem tehnologije do 2034. godine postići učinkovitost pretvorbe od oko 30 %, u usporedbi s današnjim panelima koji imaju učinkovitost od oko 21 %. To znači da će paneli tandem tehnologije proizvoditi oko 40 % više električne energije u istim uvjetima u odnosu na panele danas.

Dvije ključne prepreke su sprječavale komercijalizaciju panela s tandem tehnologijom silicija i perovskita tijekom proteklih godina:

  • Prva prepreka je uporaba olova u kristalnoj strukturi perovskita te s time povezan potencijalni problem curenja olova u okoliš. Zamjena olova drugim elementima u perovskitu i korištenje premaza koji apsorbira curenje olova predstavljaju neke od metoda rješavanja ove prepreke.
  • Druga prepreka je nestabilnost perovskita, koja uzrokuje brzu degradaciju učinkovitosti pretvorbe sunčeve energije u električnu energiju. Isplativost fotonaponskih elektrana je iznimno osjetljiva na degradaciju učinkovitosti pretvorbe sunčeve energije panela.[17] Sve prednosti korištenja panela s visokom učinkovitosti pretvorbe su poništene u slučaju brze degradacije jer se time smanjuje učinkoviti životni vijek fotonaponskih sustava.

Fotonaponska industrija nastavlja s inkrementalnim poboljšavanjem postojećih tehnologija. Cilj je prelazak na tandeme silicija i perovskita u 2030-ima. Nakon toga, planira se razvoj solarnih ćelija s tri i više slojeva, koje bi mogle koristiti perovskite ili druge nove materijale. Time bi se nastavio trend rasta učinkovitosti pretvorbe sunčeve energije fotonaponskih panela. Važno je pritom održati, a po mogućnosti i produljiti životni vijek fotonaponskih elektrana, te stalno smanjivati cijenu po vatu fotonaponskih panela.

Zaključak

Planovi fotonaponske industrije su ambiciozni, ali su u skladu s projekcijama rasta buduće potrebe za električnom energijom. Rast instalacija fotonaponskih sustava je ključan za postizanje potpune dekarbonizacije, što je presudno u borbi protiv klimatskih promjena. Također je važno osigurati dovoljno električne energije za ekonomski rast u procesu iskorjenjivanja siromaštva gdje se do 2050. godine predviđa rast svjetske populacije od 2 milijarde ljudi.

Posljedice klimatskih promjena, borba protiv loše kvalitete zraka koja je odgovorna za 7 milijuna preranih smrti godišnje[18], geopolitička težnja za energetskom nezavisnošću, osiguravanje dovoljno energije za održivi gospodarski razvoj, činjenica da 6 milijardi ljudi živi u zemljama globalnog juga s obiljem sunca, visoka fleksibilnost primjene fotonaponskih sustava od kalkulatora do višegigavatnih instalacija komunalnih elektrana, inkrementalna evolucija tehnologije fotonaponskih sustava, korištenje već postojeće infrastrukture logistike svjetske trgovine kroz jednostavnu kontejnerizaciju samih panela, oslanjanje na sličnost lanaca opskrbe kao i kod silicijske elektroničke industrije, te visoka podatnost automatizaciji proizvodnih procesa s industrijskim robotima su među ključnim faktorima koji pogone daljnji eksplozivni rast fotonaponske industrije.

Sve to otvara nove poslovne mogućnosti za sve one koji žele osigurati rast vlastitog poslovanja. A uz to, doprinosite i u globalnim naporima u borbi protiv klimatskih promjena i iskorjenjivanju siromaštva. Bilo da ste zainteresirani za instalacije fotonaponskih sustava ili marketing, logistiku, trgovinu i održavanje te pružanje financijskih usluga za fotonaponske projekte i slično, vrlo je vjerojatno da će se globalni trend rasta fotonaponske industrije odraziti i na vaše poslovanje!!!

S odmakom od 25-30 godina jednaka krivulja rasta instalacija fotonaponskih sustava otvara dodatne poslovne mogućnosti vezane za recikliranje fotonaponskih panela te tržište rabljene robe (engl. second hand market) i svega ostalog povezanog s krajem životnog vijeka (engl. end of lifetime) fotonaponskih sustava.

Konačno, rastom udjela fotonaponske energije u električnoj mreži raste i potreba za skladištenjem energije radi usklađivanja vremena kada fotonaponske elektrane proizvode električnu energiju s vremenom kada se ta energija potražuje preko električne mreže. No više o tome u sljedećem članku.

Izvori

  1. IEA (2024), Renewables 2023, IEA, Paris, Licence: CC BY 4.0
  2. QueenBarenziah / Wikimedia Commons / Solar plant in Ameland / CC BY 4.0 / Rotated and cropped from original
  3. ITRPV 15th Edition, Dr. Markus Fischer, VDMA, 13 March 2024
  4. Electricity demand, CC BY, Our World in Data, last updated: 8 May 2024; Data source: Ember (2024) – with major processing by Our World in Data. “Electricity demand – Ember and Energy Institute” [dataset]. Ember, “Yearly Electricity Data” [original data].
  5. Capacity factor, Wikipedia, last edited: 19 March 2024, accessed: 01 May 2024
  6. Renewable capacity statistics 2024, IRENA, March 2024, ISBN: 978-92-9260-587-2
  7. Total electricity generation per person, CC BY, Our World in Data, last updated: 8 May 2024; Data source: Ember (2024); Energy Institute – Statistical Review of World Energy (2023); Population based on various sources (2023) – with major processing by Our World in Data. “Total electricity generation per person – Ember and Energy Institute” [dataset]. Ember, “Yearly Electricity Data”; Energy Institute, “Statistical Review of World Energy”; Various sources, “Population” [original data].
  8. Population, CC BY, Our World in Data; Data source: United Nations, World Population Prospects (2022) – processed by Our World in Data. “Population” [dataset]. United Nations, World Population Prospects (2022) [original data].
  9. Sustainable Development Goals, United Nations, accessed: 9 May 2024
  10. Electrification: Emerging Opportunities for Utility Growth; J. Weiss, R. Hledik, M. Hagerty, W. Gorman; The Brattle Group; January 2017
  11. Global installed renewable energy capacity by technology, CC BY, Our World in Data, last updated: 12 December 2023; Data source: International Renewable Energy Agency (2023) – processed by Our World in Data. “Global installed renewable energy capacity by technology” [dataset]. International Renewable Energy Agency, “Renewable Electricity Capacity and Generation Statistics” [original data].
  12. Solar (photovoltaic) panel prices vs. cumulative capacity, CC BY, Our World in Data, last updated: 8 May 2024; International Renewable Energy Agency (2023); Nemet (2009); Farmer and Lafond (2016) – with major processing by Our World in Data. “Solar photovoltaic module price” [dataset]. International Renewable Energy Agency, “Renewable Power Generation Costs”; Nemet, “Interim monitoring of cost dynamics for publicly supported energy technologies”; Farmer and Lafond, “How predictable is technological progress?” [original data].
  13. Solar Installed System Cost Analysis, National Renewable Energy Laboratory (NREL), accessed: 10 May 2024
  14. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Public domain, via Wikimedia Commons
  15. Dennis Schroeder / National Renewable Energy Laboratory, Public domain, via Wikimedia Commons; Cropped from original
  16. National Renewable Energy Laboratory, Public domain, via Wikimedia Commons; Cropped from original
  17. Drivers for progress in PV based on LCOE simulations, UNSW SPREE, H. Nussbaumer, 12 April 2024
  18. Ambient (outdoor) air pollution, WHO, published: 19 December 2022, accessed: 11 May 2024

Svibanj 2024.

Leo Kaliger;  [email protected]

Je li vam ovaj tekst pomogao?
Dislike 0
Pogleda: 53