ENERGIJA

Pripremio: Jozef Baruhović

Solarne elektrane sa heliostatima i sa fotonaponskim ćelijama

Sunce - nepresušni izvor

Pod pojmom “solarne elektrane” (SE) podrazumevaju se veća elektroenergetska postrojenja (iznad 10 mWp instalisane snage) koja proizvode električnu energiju a priključena su na prenosnu distributivnu elektro-mrežu.

Jedna od prvih SE (sa fotonaponskim panelima) izgrađena je u SAD, 1982. godine. Instalisana snaga iznosila je 1 mWp. Druga je izgrađena 1984, snage 5,4 mWp. Izgradnja SE trajala je do 1990. godine da bi, posle kraćeg zatišja, novi potsticaj izgradnji dat 2002. tako da je, krajem prošle godine, radilo već oko stotinu SE, ukupne instalisane snage 4900 mWp. Najviše je izgrađeno u Španiji (24), SAD (17), Nemačkoj (17), Japanu i Kini. Instalisana snaga SE u radu izunosi od 25-354 mWp. Poređenja radi, jedan generator u HE Đerdap ima instalisanu snagu od 200 mW. Trenutno se grade 55 SE koje treba da budu završene do 2014, ukupne instalisane snage 7459 mWp. Ipak, udeo SE u svetskoj proizvodnjin energije iznosi do 1,5%.

Postoje dve glavne grupe SE: elektrane koje rade na principu koncentrisanog sunčevog zračenja, tzv. CSP (termalne SE) i SE koje rade na principu fotoelektričnog efekta. Kod prve grupe, proces pretvaranja sunčeve energije u električnu vrši se preko reflektujućih solarnih kolektora, ogledala raznih dimenzija i oblika heliostata. Kod druge grupe, sunčeva energija pretvara se direktno u električnu energiju.

U okviru prve grupe, mogu se razlikovati podgrupe, zavisno od konfiguracije solarnih kolektora - ogledala. Prema do sada odomaćenoj terminologiji, ove nose nazive: SE sa heliostatima i sabirnim solarnim tornjem, SE sa paraboličnim kolektorima u vidu “korita”, poređanih u duge paralelne redove, SE sa sfernim kolektorima u vidu “tanjira” i motorgeneratorskom grupom postavljenom u žiži sfere, sa “stirling” pogonskim motorom i električnim generatorom i SE sa fotonaponskom panelima.

Radni fluid kod prve dve podgrupe je otopina soli ili voda a kod poslednje su vodonik i helijum. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod SE sa heliostatima i sabirnim tornjem kreće se u granicama od 900 do 1500 sa temperaturom u žiži preko 1000 C. Koncentracija sunčevog zračenja kod paraboličnih “koritastih“ SE iznosi okvirno 30 do 100 a razvijaju temperature 150-350 C. Sačinilac koncentracije kod sfernih tanjirastih kolektora sa postavljenim motorom i elektro-generatorom je oko 2000, a razvijaju temperature oko 400-500 C.

SE sa heliostatima i solarnim tornjem

Za primer prikazane su dve SE, obe u Španiji, PS1 (10 mW) i PS2 (20 mW), puštene u rad 2006. i 2009. godine. Opremljene su sa 1256 heliostata površine svaki 120 m2. Pokretna ogledala, heliostati, prate kretanje Sunca po dve ose, tokom dana i kod promena leto-zima. Sabirni solarni toranj, “prijemnik”, visok je 165 m. SE zauzima površinu 920x920 m. Radni fluid je voda pod pritiskom. Sunčevo zračenje u tom delu Španije iznosi 1650-1950 kWh/m2 godišnje. U Srbiji je nesto slabije ( Beograd - 1450 kWh/m2, u Kuršumliji - 1550 kWh/m2) ali ipak prihvatljivo za izgradnju SE. SE se inače grade na terenu koji mora biti nivelisan do 2%.

SE sa paraboličnim ogledalima

Kao primer, navodi se SE “Andasol” (ime je skraćenice od Andaluzija + solarna). Puštena je u rad 2009. snage 50 mWp, zauzima površinu od 200 ha. Sunčevo zračenje u Andaluziji je 2200 kWh/m2 godišnje. Iznos investicija: 300 miliona dolara. Opremljena je paraboličnim solarnim kolektorima. Ukupna površina kolektora iznosi oko 510.000 m2 (postavljeni su u dugim paralelnim redovima, pravcem sever-jug, sa jednom osom za praćenje putanje Sunca. Opremljene su sa dva skladišta/posude veličine 14x36 m. Sadržaj skladišta su rastopljena so natrijuma i kalijum nitrat u odnosu pola-pola. Temperatura u posudama: hladna posuda oko 300 C, topla oko 390 C. To su, u stvari, toplotni akumulatori. Skladištenjem toplote se gotovo udvostručuje rad SE. Moguće je ostvariti produženje rada do 7.5 sati.

Dalji proces proizvodnje struje je konvencionalan; rastopljene so ide u izmenjivač toplote (generator pare i dalje, na turbinu i elektro-generator). I kod SE sa paraboličnim kolektorima potrebno je ostvariti nivelaciju terena ispod 2%. Investicija je iznosila 300 miliona dolara. Cena proizvedene električne energije iznosi 27 Ec/kWh. Drzava dotira cenu proizvodnje.

Sferni kolektori u obliku “tanjira” snage do 50 kW sa motor-generatorskom grupom (Stirlingov motor spregnut sa elektro-generatorom) sastoji se od sfernog ogledala prečnika 15-20 m. Temperatura u žiži iznosi 250-700 C. Mogu se postavljati na terene nagiba do 5% i nema mogućnosti skladištenja. U primeru sfernog kolektora radni fluid sačinjavaju vodonik i helijum. Snaga pojedinih sfera kreće se u granicama 25-50 kW po jednom sfernom “tanjirastom“ kolektoru.

SE sa fotonaponskim panelima (PV) izrađuju se pretežno od silicijuma u kristalnoj formi. tj. mono i poli-kristalima, i silicijuma u amorfnoj strukturi. Više povezanih ćelija (svaka napona 1,2 V) i struju od nekoliko stotina mA formiraju više panela. Jedan panel 1,0x1,2 m daje snagu od oko 150 W tako da je za SE snage 10 mW potrebno upotrebiti oko 65000 panela. Zahtevi u pogledu nivelacije terena su 5%.

Prednosti i nedostaci SE

Prednosti SE su očigledne: uvek prisutno besplatno gorivo, ne zagađuju se životna sredina, ne ispuštaju CO2 u atmosferu, ne stvaraju kisele kiše (zbog emisija sumpor-dioksida i azot-dioksida), ne stvara se nikakav otpad, ne truju zemljište i vodotokovi, uklapaju se u “vršno dnevno opterećenje“ kada potrošnja raste preko dana. Dodatna korist je otvaranje radnih mesta, posebno u fazi izgradnje SE koja traje 3-4 godine. Moguća je i ispaša stada između fotoelektričnih panela, za rad ne koriste vodu…

I nedostaci su očigledni: energija se proizvodi samo preko dana, kada sunce sija. Efekti rada SE umanjeni su po oblačnom i kišovitom vremenu i zimi kada je intenzitet sunčevog zračenja 4-5 puta manji u odnosu na leto. Drugi veliki nedostatak je da zahvataju velike površine zemljišta. Primera radi, elektrana instalisane snage 350 mWp zauzima prostor od oko 25 km2. SE od 50 mW zauzima prostor od oko 200 ha. I jedna pretpostavka: za celokupnu svetsku proizvodnju električne energije iz SE, pri skromnom zračenju Sunca od 1000 kWh/godišnje po m2, potreban je prostor od oko 150x150 km.

Izbor mesta za SE i skladištenje sunčeve energije

Problem skladištenje rešava se postavljanjem velikih sfernih cisterni, veličine 36x14 m, zapremine 14000 m3. Ispunjene su rastopljenim solima natrijum i kalijum nitrata a drže se na temperaturi od preko 400 C pa se električna energija može isporućivati i noću.

Isti problem kod SE koje rade na principu fotonaponskih ćelija praktično je nerešiv. Potrebne su suviše velike akumulatorske baterije da bi ostvarile relativno skroman učinak akumulaciju za koji sat više. Srećna je okolnost da se efikasan rad SE sa fotonaponskim ćelijama poklapa sa ”vršnim opterećenjem“ u distributivnoj mreži preko dana, kada potrošnja naglo raste zbog potrošnje električne energije u industriji.

Što se tiče pogodnih mesta za centrale, to su suva aridna prostranstva, polu pustinje i polu stepe koje se ne koriste za potrebe poljoprivrede: zemlje Mediteranskog bazena, Sahara, delimično i Srbija, pustinja Negev u Izraelu, pustinja Tara u Indiji, Australija, jug Meksika, Nevada, Arizona, Kalifornija, pustinja Gobi u Kini… Problem izgradnja SE na tim mestima je u povezivanju na prenosnu električnu mrežu pošto su to uglavnom periferni delovi zemalja, slabo razvijeni i retko naseljeni.

Ulaganja i cena električne energije

Cena energije SE sa paraboličnim (koritastim) kolektorima iznosi oko 4000-6000 Ec/kWh (evro cent po kilovat satu), dok je za klasične TE oko 1000-12000 Ec/kWh. Cena klasične TE sa fosilnim gorivom iznosi oko 8-10 Ec/kWh.

Cena električne energije proizvedena u SE (termička) je 27-32 Ec/kWh, a cena električne energije proizvedene u SE (fotonaponska) je 18-25 Ec/kWh. Zasad je električna energija proizvedena u SE 3-4 puta skuplja od one proizvedene u elektranama na fosilna goriva.

Kod SE sa PV razlog visoke cene je cena fotonaponskih ćelija. U strukturi troškova, fotonaponske ćelije učestvuju sa oko 50 %. Cena solarnih PV ćelija u maloprodaji na evropskom tržištu iznosi 3-4 E/W, a cena koju nude kineski proizvođači u velikoprodaji iznosi 1,8-2,5 E/W. Procene su da cena PV ćelija treba da padne ispod 0,82 E/W da bi SE postale konkurentne elektranama na fosilna goriva.

Inovacije

Kod SE sa paraboličnim ogledalima, umesto paraboličnih ogledala koriste se Frenselova, kao kod svetionika. Prednosti su da zahvataju manje površinu, polažu se horinzontalno po površini (nema senki), jeftinija je izrada u odnosu na parabolične kolektore, radni fluid je voda koja se odmah pretvara u paru.

Kod SE sa fotonaponskim ćelijama, istraživanja su usmerena u pravcu da se dobiju solarne ćelije većeg stepena iskorišćenja: sada je 15-18 %, a cilj je fotonaponska ćelija 35-40%.

Kod hibridnih SE koje objedinjuju PV ćelije sa sočivima, pojačava se intenzitet svetlosti koja pada na površinu fotoćelije PV. Na primer, deset puta jači intenzitet svetlosti znači deset puta veću proizvodnju električne energije. Zatim, svaki panel može da prati kretanje Sunca po dve ose, što ipak poskupljuje cenu SE.

Mogućnosti za SE u Srbiji

U Srbiji godišnje ostaje neobrađeno 600.000 ha zemlje. Za potrebe jedne SE snage 40-50 mW potrebno je oko 160-200 ha. Tri SE ukupnog kapaciteta 120-150 mW znatno bi popravile elektroenergetski bilans Srbije. One bi pokrile prostor od oko 480-600 ha, što je manje od 0,1% raspoloživog i neobrađenog zemljišta.

U Badnjevcu, kod Kragujevca, postavljena je prva “solarna toplana”. Solarni kolektor sfernog oblika je prečnika 13 m.

Na Wikipediji, pojavila su se dva lokaliteta u Srbiji za SE PV: Kovin i Vranje, svaka snage 150 mW - ali nije naznačeno vreme početka i završetka gradnje. Značajna je i informacija koja se pojavila na sajtu Ministarstva za zaštitu životne sredine: “Potpisan je memorandum o izgradnji solarnog parka od 1000 MW do 2016. godine između Ministarstva životne sredine i Securum Eguiti Partners Europe.“ Solarni park treba da zauzima prostor od 3000 ha, investicija iznosi dve milijarde evra. Treba da se zaposli 2500-3000 ljudi. Proizvedena električna energija namenjena je izvozu u narednih dvadeset godina. Korist za Srbiju su otvaranje novih radnih mesta i prihodi od poreza. Izgradnja treba da počne 2013. godine.

Jozef Baruhović