Czy elektroenergetyka rozproszona może stanowić realną alternatywę dla elektroenergetyki konwencjonalnej?

W kontekście zamieszczonych rozważań wydaje się, że  sielankowa wizja, w której każdy z mieszkańców produkuje sobie we własnym zakresie energię elektryczną za pomocą miniaturowych wiatraków zainstalowanych w przydomowym ogródku czy też na dachu domu, wydaje się mało realna do urzeczywistnienia. W sytuacji, gdy mała energetyka wiatrowa nie spełnia pokładanych w niej oczekiwań, z publikacji [1] można dowiedzieć się, że:

„Jest jeszcze  energetyka fotowoltaiczna; mimo obecnie wysokich kosztów inwestycyjnych (ok. 6 tys. euro/kW) i niskiej sprawności, rozwija się bardzo gwałtownie, ponieważ jest bezawaryjna, bezobsługowa i  bezemisyjna”.

Na wstępie wypada zauważyć, że nie ma urządzeń i systemów technicznych, które byłyby bezawaryjne, ponieważ każdy wytwór techniki ludzkiej jest zawodny i kiedyś z pewnością się zepsuje. Owszem, przypadki awarii ogniw fotowoltaicznych są stosunkowo rzadkie, jednak dojazd specjalistycznej ekipy serwisowej z oddalonego o kilkadziesiąt kilometrów dużego miasta może być bardzo kosztownym przedsięwzięciem.

Jak widać, również w rozważanym przypadku rozwój rozproszonej energetyki opartej na ogniwach fotowoltaicznych napotyka istotną barierę cenową. Dla właścicieli domków jednorodzinnych wydatek kwoty 20 tys. zł za każdy zainstalowany kilowat mocy ogniw fotowoltaicznych w zdecydowanej większości wypadków jest nie do zaakceptowania. Ponadto energetyka fotowoltaiczna ma jedną poważną wadę, polegającą na tym, że energia elektryczna jest produkowana jedynie wtedy, gdy  wysoko nad horyzontem świeci słońce. Natomiast gdy jest ciemno (czyli wtedy, gdy zapotrzebowanie na energię jest stosunkowo największe), moc wydawana przez ogniwa fotowoltaiczne wynosi dokładnie zero. Zatem, gdyby ktoś chciał zaspokajać potrzeby energetyczne własnego gospodarstwa domowego jedynie za pomocą ogniw fotowoltaicznych, wówczas musiałby magazynować nadwyżki energii  elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia, wykorzystując w tym celu akumulatory.

W tym miejscu można podjąć próbę oszacowania, jak wielka powinna być moc zainstalowanych ogniw fotowoltaicznych, aby były one w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną niewielkiego domku jednorodzinnego. Na potrzeby dalszych obliczeń załóżmy, że w rozważanym domku jednorodzinnym zużywa się 2000 kWh rocznie, co nie wydaje się wartością zbytnio wygórowaną. Przyjęcie takiego rocznego zużycia energii daje 5,5 kWh dziennie. Tyle energii zużywałby w ciągu 24 godzin odbiornik o mocy 229 W. Jednak zapotrzebowanie na moc w gospodarstwie domowym zmienia się nieustannie w dość szerokich granicach. Wystarczy tylko wyobrazić sobie sytuację, w której  jednocześnie włączony jest np. elektryczny podgrzewacz wody o mocy 2200 W, suszarka do włosów o mocy 1200 W, komputer PC o mocy 300 W, lodówka również o mocy 300 W oraz oświetlenie  pobierające łącznie moc 200 W (zapewne jedynie w przypadku zastosowania żarówek energooszczędnych).

Jak łatwo można policzyć, wszystkie wymienione urządzenia pobierają łącznie moc 4200 W. Aby można było zapewnić odpowiedni komfort korzystania z urządzeń elektrycznych, należy przyjąć, że przydział mocy dla rozważanego domku jednorodzinnego powinien wynosić minimum 5 kW. Tyle też powinna  wynosić moc przetwornicy DC/AC, która z prądu stałego pobieranego z baterii akumulatorów wytwarza prąd przemienny, który służy już do bezpośredniego zasilania domowych urządzeń elektrycznych.

Aby ogniwa fotowoltaiczne mogły pracować z pełną mocą, słońce musi znajdować się odpowiednio wysoko nad horyzontem. Stwarza to pewne problemy, zwłaszcza w okresie zimowym. Na przykład w grudniu słońce znajduje się dostatecznie wysoko nad horyzontem jedynie przez około cztery godziny.  Zatem w ciągu rozważanych czterech godzin ogniwa fotowoltaiczne muszą wytworzyć tyle energii, aby po jej zgromadzeniu w bateriach akumulatorów wystarczyło jej na pozostałe godziny doby.

Zakładając sprawność cyklu magazynowania energii elektrycznej w postaci energii elektrochemicznej akumulatorów i jej ponownego odzysku na poziomie 60%, dla przyjętego w rozważanym domku jednorodzinnym dobowego zużycia energii otrzymujemy ilość energii koniecznej do zmagazynowania w baterii akumulatorów, wynoszącą 9 kWh. Ponieważ podana ilość energii w miesiącach zimowych musi zostać wytworzona w najgorszym wypadku w ciągu zaledwie czterech godzin, moc zainstalowanych  ogniw fotowoltaicznych powinna wynosić przynajmniej 2,25 kW, co po uwzględnieniu danych podanych w publikacji [1] daje koszt takiej instalacji fotowoltaicznej na poziomie około 50 tys. zł.

Ale to jeszcze nie wszystko, ponieważ do magazynowania wytworzonej w ciągu dnia energii elektrycznej konieczne są akumulatory. W przypadku zastosowania akumulatorów o napięciu 12 V można policzyć, że w celu zmagazynowania 9 kWh energii ich pojemność powinna wynosić 750 Ah, czemu odpowiada  łączna pojemność ponad 12 dużych akumulatorów samochodowych o pojemności 60 Ah każdy.

Jeśli uwzględni się, że czas życia akumulatorów jest ograniczony i wynosi co najwyżej około pięciu lat, a ponadto akumulatory dość szybko tracą pojemność wraz z ich starzeniem się, to całe przedsięwzięcie związane z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych do przydomowej produkcji energii elektrycznej wydaje się być bardzo kosztowną zabawą – można wręcz powiedzieć fanaberią dostępną jedynie dla osób bardzo zamożnych, w związku z czym nie może być postrzegane jako realna alternatywa, dostępna dla szerokich mas społecznych.

Jednak autor publikacji [1] wskazuje na kolejne możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii, gdyż możemy m.in. przeczytać, że:

„Możliwe są także rozwiązania hybrydowe – fotowoltaika, małe wiatraki, geotermia niskotemperaturowa, pompy ciepła, wykorzystanie biomasy i inne rozwiązania techniczne, stosowane jednocześnie z programem oszczędzania energii, mogą w  krótkiej perspektywie stać się głównym alternatywnym rozwiązaniem dla obiektów rozproszonych, jak budownictwo jednorodzinne, gospodarstwa rolne, drobny przemysł, administracja”.