Mokslo ir technologijų pasaulis
Didysis saulės energijos planas
Publikuota: 2008-04-21
Rūšis: Standartinė publikacija
Aut. teisės: sciam.lt
Autoriai:
Saulės elementai

Ekologų skatinama ir liaupsinama, daugelio energetikų vadinama neefektyvia ir nerealia dabartinėms reikmės atsinaujinančių šaltinių ekologiška energetika sukelia aibes diskusijų tiek visame pasaulyje, tiek ir Lietuvoje. Nors ekologinė energetika vienu mostu nepakeis visų dabar naudojamų energijos šaltinių, tačiau jos perspektyvos yra labai viliojančios - iki 2050 m. saulės energijos vartojimas galėtų padėti JAV (ir kitoms panašioje geografinėje situacijoje esančioms valstybėms) tapti nepriklausomoms nuo naftos iš užsienio ir sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų kiekį.

Benzino ir namams šildyti skirto kuro kainos vis dar aukštos. JAV kariauja Viduriniuosiuose Rytuose iš dalies tam, kad apgintų savo naftos interesus užsienyje. Tuo tarpu Kinijos, Indijos ir kitų šalių iškastinio kuro poreikis sparčiai auga, būsima kova dėl energijos grėsmingai artėja. Anglimis, naftos produktais bei gamtinėmis dujomis kūrenamos elektrinės ir gausybė transporto priemonių toliau į atmosferą kasmet išmeta milijonus tonų teršalų ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų, taip keldamos grėsmę mūsų planetai.

Gerų ketinimų kupini mokslininkai, inžinieriai, ekonomistai ir politikai pateikė įvairių pasiūlymų, galinčių ženkliai sumažinti iškastinio kuro suvartojimą ir išmetamų emisijų kiekį. Tačiau to nepakanka. JAV reikia drąsaus plano, pagal kurį šalis apsieitų be iškastinio kuro. Mūsų tyrimas įtikinamai rodo, kad logiškas sprendimas yra visuotinis perėjimas prie saulės energijos.

Saulės energijos galia sunkiai nusakoma. Energija, esanti Saulės spinduliuose, krintančiuose į žemę 40 minučių, lygi per metus visoje planetoje sunaudojamos energijos kiekiui. JAV pasisekė, kad gali naudotis dideliais ištekliais: mažiausiai 647, 5 tūkst. km2 žemės vien tik pietvakariuose tinka statyti saulės energijos elektrinėms, tai žemės daliai tenka milžiniškas saulės spindulių kiekis per metus. Vien tik 2,5 proc. iš jų pavertimas elektra atitiktų visos šalies energijos suvartojimą 2006 metais.

Norint, kad šalis imtų naudoti saulės energiją, reikia didelius žemės plotus padengti fotogalvaninėmis plokštėmis ir saulės energija kaitinamais loveliais. Taip pat reikėtų sukurti nuolatinės srovės (DC) perdavimo tinklą efektyviai išnešioti energijai po šalį.

Technologija jau paruošta. Tolesniuose puslapiuose pristatysime Didįjį planą, pagal kurį iki 2050 m. JAV galima būtų tiekti 69 proc. elektros ir 35 proc. visos energijos (įskaitant transportavimą) naudojant saulės energiją. Mes numatome, kad šią energiją galima parduoti vartotojams dabartinėmis įprastų energijos šaltinių kainomis, t. y. už maždaug 5 JAV centus už kilovatvalandę (kWh). Jei būtų išplėtoti vėjo, biomasės ir geoterminiai šaltiniai, atsinaujinanti energija iki 2100 m. teiktų šaliai 100 procentų proc. elektros ir 90 visos reikalingos energijos.

Federalinė vyriausybė per ateinančius 40 metų turės investuoti daugiau nei 400 mlrd. dolerių, kad būtų galima įgyvendinti 2050 m. planą. Investicijos labai didelės, tačiau jos tikrai atsipirks. Saulės elektrinės visai nenaudoja arba naudoja labai nedaug kuro. Dėl to kasmet sutaupoma milijardai dolerių.

 

Esminiai teiginiai

  • Visuotinis perėjimas nuo anglimis, naftos produktais ir gamtinėmis dujomis kūrenamų elektrinių ir atominių jėgainių prie saulės energijos elektrinių galėtų tiekti JAV 69 proc. elektros ir 35 proc. visos energijos iki 2050 m.
  • Didelė fotogalvaninių elementų sritis turėtų būti sukurta pietvakariuose. Perteklinė dienos energija būtų laikoma kaip suslėgtas oras požeminiuose urvuose, kad ją būtų galima panaudoti naktį.
  • Taip pat būtų statomos stambios saulės energijos koncentratoriaus elektrinės.
  • Naujas nuolatinės srovės perdavimo tinklas tiektų saulės elektrą visai šaliai.
  • Vis dėlto reikėtų 420 mlrd. dolerių subsidijomis 2011–2050 m. pramonei finansuoti ir suteikti jai konkurencingumo kainų atžvilgiu.

Pramonė nebenaudotų 300 stambių anglimis kūrenamų ir dar 300 gamtinėmis dujomis varomų elektrinių bei viso jų vartojamo kuro. Tokio plano įgyvendinimas veiksmingai pašalintų visą importuotą naftą ir iš esmės sumažintų JAV prekybos deficitą, be to, palengvintų politinę įtampą Viduriniuosiuose Rytuose ir kitur.

JAV planas 2050 metams

Iki 2050 m. elektros tiekimą iš iškastinio kuro varomų elektrinių perimtų pietvakariuose įrengti dideli fotogalvaniniai kompleksai. Tai paskatintų daugelį pereiti prie hibridinių elektra varomų transporto priemonių. Energijos perteklius būtų laikomas kaip suslėgtas oras požeminėse talpyklose. Elektrą tiektų ir didžiuliai kompleksai, sukoncentruojantys saulės šviesą taip, kad sušildytų vandenį. Naujas aukštos įtampos nuolatinės srovės perdavimo tinklas energiją paskirstytų po visą šalį. Technologijos ir jų sėkmei svarbūs rodikliai trumpai aprašyti dešinėje kartu su rodikliais, kuriuos technologijos turi pasiekti iki 2050 m. Planas žymiai sumažintų šalies iškastinio kuro suvartojimą ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų (žemiau). Mes ėmėme 1 proc. metinį grynos energijos poreikio augimą. Taip pat numatėme saulės technologijų progresą iki 2020 m. be jokių vėlesnių patobulinimų.

Saulės energijos technologijos beveik neteršia aplinkos, todėl planas sumažintų šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas iš elektrinių iki 1,7 mlrd. t per metus. Dar 1,9 t iš benzinu varomų transporto priemonių sumažėtų dėl varomų saulės energetine sistema hibridinių transporto priemonių naudojimo. 2050 m. JAV anglies dioksido emisijų kiekis butų 62 proc. mažesnis nei 2005 m. Tai smarkiai pristabdytų visuotinį atšilimą.

Fotogalvaniniai ūkiai

Kelerius pastaruosius metus fotogalvaninių elementų ir modulių gamybos kaina gerokai sumažėjo, tad atsirado galimybių statyti stambias elektrines. Elementų tipų yra įvairių, tačiau šiuo metu pigiausi moduliai yra iš kadmio telūrido pagamintos plėvelės. Norint iki 2020 m. tiekti elektrą už 6 JAV centus už kWh, kadmio telūrido moduliai turėtų versti elektrą 14 proc. našumu, o sistemas reikėtų montuoti esant 1,20 dolerio kainai už vatą. Srovės moduliai pasižymi 10 proc. galia, o sumontuotos sistemos kaina – 4 JAV doleriai už vatą. Nors pažangos aiškiai reikia, technologija tobulėja greitai; per pastaruosius 12 mėnesių komercinis efektyvumas išaugo nuo 9 iki 10 procentų. Iš kitos pusės tai nėra taip svarbu, nes moduliams tobulėjant ant stogo įtaisomi fotogalvaniniai elementai bus prieinamesni namų savininkams ir sumažins elektros poreikį dieną.

Fotogalvaniniai elementai

Pagal 2050 m. planą didžiuliai fotogalvaniniai ūkiai užimtų 77,7 tūkst. km2 nenaudojamos žemės šalies pietvakariuose. Jie primintų Springervilyje, Arizonoje esančią Tucson Electric Power Company 4,6 MW elektrinę, kuri pradėta 2000 m. (kairėje). Tokiuose ūkiuose daugybė fotogalvaninių elementų sujungiami į vieną modulį, o moduliai laidais sujungiami tarpusavyje ir suformuojamas komplektas (dešinėje). Iš kiekvieno komplekto nuolatinė srovė teka į transformatorių, o šis siunčia ją aukštos įtampos linijomis į energetinę sistemą. Plonos plėvelės elemente sugertų fotonų energijos pakanka elektronams išmušti iš kadmio telūrido sluoksnio. Išmušti elektronai kerta sandūrą, pasiekia viršutinį laidųjį sluoksnį, o tada keliauja į apatinį laidųjį sluoksnį. Taip sukuriama srovė.

Planuojame, kad iki 2050 m. fotogalvaninė technologija tieks maždaug 3 tūkst. GW, arba milijardus vatų energijos. Reiktų sumontuoti apie 77,7 tūkst. km2 fotogalvaninių kompleksų. Nors tai apimtų milžinišką plotą, veikianti įranga rodo, kad kiekvienai pietvakarinėje dalyje pagamintai saulės energijos gigavatvalandei reikia mažiau žemės ploto nei anglimis kūrenamose elektrinėse, kurios statomos anglių kasyklų teritorijoje. Goldene, Kolorado valstijoje, esančios Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos atliktas tyrimas rodo, kad tinkamos žemės pietvakariuose yra pakankamai, todėl nereikės naudoti nelabai tam tinkamų aplinkos vietų – sričių, kuriose daug gyventojų skaičius ir netinkamas statyboms žemės paviršius. Arizonos aplinkos apsaugos departamento atstovas spaudai Džekas Lavele (Jack Lavelle) pabrėžė, kad daugiau kaip 80 proc. Arizonos žemės nepriklauso privatiems asmenims ir valstija yra labai suinteresuota plėtoti saulės energijos galimybes. Fotogalvaninės elektrinės yra nekenksmingos (taip pat jos nenaudoja vandens), todėl susirūpinimas dėl aplinkos turėtų visiškai sumažėti.

Daugiausia pastangų reikia dėti, kad būtų galima pakelti modulio efektyvumą iki 14 proc. Nors komercinių modulių veiksmingumas niekada nepasieks saulės elementų lygio, gaunamo laboratorijose, kadmio telūrido elementų efektyvumas Nacionalinėje atsinaujinančios energijos laboratorijoje buvo pakeltas iki 16,5 proc. ir vis dar kyla. Bent vienas gamintojas, bendrovė First Solar Perisberge, Ohajo valstijoje, nuo 2005 iki 2007 m. padidino modulio efektyvumą nuo 6 iki 10 proc. ir ketina jį pakelti iki 11,5 proc. iki 2010 metų.

Iki 2100 m. JAV atsinaujinantys energijos šaltiniai galėtų gaminti 100 proc. elektros ir daugiau nei 90 proc. visos energijos.

Hermetiškos talpyklos

Didžiausias saulės energiją ribojantis veiksnys yra tas, kad kai dangus debesuotas, pagaminama mažai elektros, o naktį jos visai negaminama. Taigi reikia pagaminti papildomos galios šviečiant saulei ir laikyti ją, kad būtų galima naudoti naktį. Dauguma energijos saugojimo sistemų, tokių kaip baterijos, yra brangios arba neveiksmingos.

Suslėgto oro energijos saugyklos pasirodė esančios puiki alternatyva. Elektra iš fotogalvaninių elektrinių suspaudžia orą ir pumpuoja jį į hermetiškus požeminius urvus, apleistas kasyklas, vandens sluoksnius ir tuščius natūralių dujų šulinius. Jei reikia, suslėgtas oras išleidžiamas, jis įjungia turbiną, kuri gamina elektrą varoma dar ir nedidelio kiekio deginamų gamtinių dujų. Suslėgto oro energijos elektrinės nuo 1978 m. patikimai veikė Vokietijoje, Huntorfe, ir nuo 1991 m. Makintoše, Alabamoje. Turbinos sudegina tik 40 proc. gamtinių dujų, kurias sunaudotų, jei būtų varomos tik jų, o geresnė šilumos surinkimo technologija šiuos skaičius sumažintų iki 30 proc.

Požeminė saugykla

Per dieną fotogalvaninių ūkių pagamintas elektros perteklius energijos linijomis būtų siunčiamas į suslėgto oro energijos saugyklas netoli miestų. Naktį šiose vietose būtų gaminama energija vartotojams. Tokia technologija jau prieinama; PowerSouth Energy Cooperative jėgainė Makintoše, Alabamos valstijoje (viršuje), veikia nuo 1991 m. (baltu vamzdžiu oras keliauja po žeme). Tokiose konstrukcijose ateinanti elektra suka variklius ir kompresorius, kurie suslegia orą ir siunčia jį į tuščius urvus, kasyklas ar vandens sluoksnius (apačioje). Kai oras išleidžiamas, jis sušildomas deginant nedidelius natūralių dujų kiekius; karštos ir besiplečiančios dujos suka elektros gaminimo turbinas.

Kalifornijos valstijos Palo Alto mieste esančio Elektros energijos tyrimų instituto tyrimai rodo, kad suslėgto oro energijos laikymo kaina šiandien sudaro pusę švino ir rūgšties baterijų kainos. Tyrimai atskleidžia, kad dėl šių įrengimų naudojimo fotogalvaninės elektros kainos padidėtų 3 ar 4 centais už kWh, tai 2020 m. sudarytų 8 ar 9 ct už kWh.

Elektra iš fotogalvaninių ūkių pietvakarinėje JAV dalyje būtų siunčiama didelės įtampos DC (nuolatinės srovės) linijomis į suslėgto oro laikymo įrenginius visoje šalyje, kur turbinos gamintų elektrą ištisus metus. Svarbiausia rasti tinkamų vietų. Gamtinių dujų pramonės topografiniai žemėlapiai rodo ir Elektros energijos tyrimų institutas tvirtina, kad tinkamų geologinių klodų randama 75 proc. šalies teritorijos, dažnai arti didžiausių miestų. Iš tikrųjų suslėgto oro energijos laikymo sistema primintų JAV turimą gamtinių dujų laikymo sistemą. Šiuo metu pramonės reikmėms 400 požeminių talpyklų yra laikoma 224 mlrd. m3 dujų. Iki 2050 m. planui įgyvendinti prireiks 15,1 mlrd. m3 talpyklos, kur oras būtų hermetiškai suslėgtas 7,6 tūkst. kPa. Nors plėtra taps tikru iššūkiu, daugybė rezervuarų yra prieinami, o gamtinių dujų pramonei bus naudinga investuoti į šį tinklą.

Įkaitinta druska

Kita technologija, kuri, mūsų manymu, galėtų tiekti apie penktadalį saulės energijos, – tai vadinamoji koncentruota saulės energija. Šios sistemos veikimo principas toks: ilgi metaliniai veidrodžiai sufokusuoja saulės spindulius ant skysčio pripildyto vamzdžio ir įkaitina jį taip, kaip milžiniškas didinamasis stiklas. Karštas skystis bėga per šilumos keitiklį ir sukelia garus, o šie suka turbiną.

Iš energijos saugyklos vamzdžiai eina į didelę izoliuotą kamerą, pripildytą gerai šilumą išlaikančios tirpdytos druskos. Naktį šiluma išsiskiria ir susidaro garai. Tačiau ištirpdyta druska greitai neatvėsta, taigi laikomą energiją dieną reikia išleisti.

Koncentruota saulės energija

Stambios koncentruotos saulės energijos elektrinės papildytų fotogalvaninius ūkius pietvakariuose. Kramer Junction jėgainė Kalifornijos Mojavos dykumoje (viršuje), naudojanti Izraelyje sukurtą Solel Beit Shemesh technologiją, veikia nuo 1989 m. Metaliniai paraboliniai veidrodžiai nukreipia saulės spindulius į vamzdį, sušildo viduje esantį skystį etileno glikolį (apačioje). Veidrodžiai sukasi, kad pagautų saulės spindulius. Įkaitę vamzdeliai eina per antrą kontūrą šilumos keitiklio viduje, kur yra vandens, ir paverčia jį garais, kurie suka turbiną. Ateities elektrinės taip pat galėtų karštą skystį varinėti per specialią kamerą, taip įkaitindamos išlydytą druską; toks rezervuaras išsaugotų šilumą ir ją būtų galima panaudoti naktį šilumos keitikliui.

Devynios koncentruotos saulės energijos elektrinės, kurių bendra galia yra 354 MW, JAV patikimai gamino elektrą daugybę metų. Nauja 64 MW elektrinė Nevadoje buvo paleista 2007 m. kovo mėnesį. Deja, šiose elektrinėse nėra šilumos saugyklų. Pirmas komercinis statinys, turintis tokią saugyklą, bus 50 MW elektrinė su septynių valandų ištirpusios druskos talpykla, statoma Ispanijoje, o daugybė kitų jau projektuojama visame pasaulyje. Planuojame, kad prireiks 16 valandų saugyklos, norint elektrą gaminti 24 valandas per parą.

Jau dirbančios elektrinės patvirtina, kad koncentruota saulės energija yra praktiška, tačiau kainas reikia mažinti. Tą padaryti padėtų visuotinė ekonomija ir tolesni tyrimai. 2006 m. Vakarų gubernatorių asociacijos Saulės energijos grupės pateiktoje ataskaitoje nuspręsta, kad koncentruota saulės energija gali tiekti elektrą už 10 ar mažiau JAV centų už kWh iki 2015 m., jei būtų pastatyta 4 GW elektrinių. Darbo našumas taip pat padidėtų, jei pavyktų surasti būdų, kaip padidinti šilumos keitiklio skysčių temperatūrą. Inžinieriai tiria, kaip naudoti ištirpdytą druską kaip šilumos pernešimo skystį, sumažinant šilumos nuostolius bei išlaidas. Vis dėlto druska yra ėsdinamoji medžiaga, taigi reikia atsparių druskos poveikiui vamzdynų.

Koncentruota saulės energija ir fotogalvaniniai elementai yra dvi skirtingos technologijos. Nė viena iš jų nėra iki galo ištobulinta, taigi planuojame iki 2020 m. jas abi įrengti ir išbandyti. Įvairios saulės technologijų kombinacijos taip pat gali būti išsivystytos taip, kad patenkintų ekonominius poreikius. Sistemoms plėtojantis inžinieriai ir buhalteriai gali įvertinti privalumus ir trūkumus, o investuotojai nuspręsti, kurią technologiją labiau remti.

Ir nuolatinė srovė

Saulės energijos geografija aiškiai skiriasi nuo šalies srovės tiekimo schemos. Šiandien anglių, naftos produktų, gamtinių dujų ir atominės elektrinės išsibarsčiusios po visą kraštovaizdį ir pastatytos gana arti tų vietų, kur reikia energijos. Daugiausia elektros iš saulės energijos bus gaminama pietvakarinėje JAV dalyje. Dabartinė kintamos srovės (AC) linijų sistema nepajėgia tiekti energijos iš šių centrų gyventojams į įvairias šalies vietas, dėl pernešimo būtų prarandama per daug energijos. Reikėtų pastatyti naują aukštos įtampos teisioginės srovės (HVDC) energijos perdavimo tinklą.

Ouk Ridžo nacionalinės laboratorijos tyrimai rodo, kad ilgos HVDC linijos praranda daug mažiau energijos, nešamos tokį pat atstumą, nei AC linijos. Tinklas iš pietvakarių pasiektų šalies pakraščius. Linijos būtų nutiestos iki konvertavimo stočių, kur srovė būtų pakeista AC ir siunčiama jau esamomis perdavimo linijomis vartotojams.

AC sistema taip pat nėra tobula – pastebima jos trūkumų Kalifornijoje ir kituose regionuose; DC linijas pigiau tiesti ir joms reikia mažiau žemės negu tokioms pat AC linijoms. Šiandien JAV patikimai ir našiai veikia apie 800 km HVDC linijų. Nors nereikia jokių techninių patobulinimų, tačiau didesnė patirtis padėtų gerinti veikimą. Teksaso valstijos pietvakarių energijos fondas kuria integruotą DC ir AC perdavimo sistemą, kad suteiktų galimybę statyti 10 GW vėjo jėgainę vakarų Teksase. O TransCanada, Inc. siūlo maždaug 3,5 tūkst. km ilgio HVDC linijas vėjo energijai perduoti nuo Montanos ir Vajomingo į Las Vegasą ir toliau.

Pirmas etapas: nuo šiandien iki 2020 m.

Taigi išdėstėme idėją, kaip įgyvendinti Didįjį saulės energijos planą. Numatome du atskirus etapus. Pirma, nuo šiandien iki 2020 m. saulės energija turi tapti konkurencinga masinės gamybos lygiu. Tam reikės, kad vyriausybė užtikrinų paskolas 30 metų, sutiktų pirkti energiją ir suteiktų kainų palaikymo subsidijų. Metinis paramos paketas nuolat augtų nuo 2011 iki 2020 metų. Tuo metu saulės energijos technologijos konkuruotų. Surinktos subsidijos sudarytų 420 mlrd. JAV dolerių (paaiškinsime, kaip apmokėti šią sąskaitą).

Iki 2020 m. turėtų būti pastatyta apie 84 GW fotogalvaninių ir koncentruotos saulės energijos elektrinių, būtų nutiesta DC perdavimo sistema. Ji būtų išplėtota per viešąją ar privačią erdvę, sumažindama žemės įsigijimo ir priežiūros kliūtis. Šis tinklas pasiektų Finikso, Las Vegaso, Los Andželo ir San Diego rinkas vakaruose, o rytuose – San Antonijų, Dalasą, Hiustoną, Naująjį Orleaną, Birmingemą Alabamoje, Tampą Floridoje ir Atlantą.

Kasmet 1,5 GW didėjanti fotogalvaninių elementų ir 1,5 GW koncentruotos saulės energijos galia per pirmus penkerius metus paskatintų daugybę gamintojų proporcingai didinti gamybą. Per ateinančius penkerius metus statybų skaičius išaugtų iki 5 GW kasmet, tai paskatintų bendroves optimizuoti gamybos linijas.

Dėl šios priežasties saulės elektros kaina sumažės iki 6 centų už kWh. Šis planas realistiškas, nes daugiau nei 5 GW atominės elektrinės buvo pastatytos JAV kasmet nuo 1972 iki 1987 m. Be to, saulės energijos sistemos gali būti gaminamos ir montuojamos daug greičiau nei įprastos elektrinės dėl to, kad jų konstrukcijos nesudėtingos ir kyla nedaug problemų dėl poveikio aplinkai ir saugumui.

Antras etapas: nuo 2020 iki 2050 metų

Svarbiausia, kad pagrindinės rinkos lengvatos galios 2020 m. Jos paruoš dirvą vėlesniam savaiminiam augimui. Buvome nuoseklūs plėsdami savo modelį iki 2050 metų. Po 2020 m. neįtraukiame jokių technologijų ar kainos pakitimų. Taip pat manome, kad energijos poreikis šalyje didės 1 proc. kasmet. Esant tokiai situacijai, iki 2050 m. saulės energijos elektrinės tieks JAV 69 proc. elektros ir 35 proc. visos energijos. Tiek elektros užteks visiems 344 mln. hibridinių transporto priemonių aprūpinti. Jos pakeistų benzinu varomas mašinas. Tai svarbiausia priemonė, padėsianti sumažinti priklausomybę nuo naftos iš užsienio ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas. JAV būtų sukurta apie 3 mln. naujų darbo vietų – daugiausia saulės elementų gamybos srityje. Tai yra kelis kartus daugiau, nei būtų prarasta nykstant iškastinio kuro pramonei.

Kur kas mažesnis importuotos naftos kiekis sumažintų prekybos balanso išmokas 300 mlrd. JAV dolerių per metus, atsižvelgiant į neapdirbtos naftos kainą – 60 JAV dolerių už barelį (119 l) (2007 m. vidutinės kainos buvo aukštesnės). Įrengtas elektrines reikės prižiūrėti ir remontuoti, tačiau saulės spinduliai nieko nekainuoja, o šio kuro sankaupos didės kasmet. Be to, investavimas į saulės energiją sustiprins nacionalinės energijos saugumą, sumažins finansinę naštą kariuomenei ir taršos bei visuotinio atšilimo mokesčius, apimančius problemas nuo žmogaus sveikatos iki pakrančių ir dirbamos žemės nykimo.

Keista, tačiau Didysis saulės energijos planas sumažintų energijos suvartojimą. Net jei energijos poreikis augtų 1 proc. kasmet, 100 kvadrilijonų Btu, suvartotų 2006 m., kiekis sumažėtų iki 93 kvadrilijonų Btu 2050 m. Šis neįprastas skirtumas atsiranda todėl, kad daug energijos sunaudojama iškastiniam kurui išgauti ir apdirbti, dar daugiau išeikvojama jam deginti ir emisijoms tvarkyti.

Atsiperkamumas

  • Priklausomybė nuo naftos iš užsienio sumažėja nuo 60 iki 0 proc.
  • Palengvėja įtampa pasaulyje ir sumažėja karo išlaidos.
  • Žymiai sumažėja masinės prekybos deficitas.
  • Žymiai sumažėja šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos.
  • Padaugėja darbo vietų šalyje.

Norint įgyvendinti 2050 m. planą, prireiks 119,140 tūkst. km2 žemės fotogalvaniniams ir koncentruotos saulės energijos įrengimams statyti. Sritis didžiulė, tačiau apima tik 19 proc. tinkamos pietvakarių žemės. Didžioji dalis jos yra nualinta, taigi nevertinga. Ji nebus užteršta. Apskaičiavome, kad 10 proc. saulės galios 2050 m. bus gaunama iš pastatytų fotogalvaninių įrenginių, t. y. tų, kurie įrengti ant stogų ar komercinėse teritorijose visoje šalyje. Tačiau krintant kainoms šie įrenginiai gali tapti labai svarbūs.

2050 metais ir vėliau

Nors neįmanoma numatyti 50 ar daugiau metų tolyn, norėdami parodyti visas saulės energijos galimybes sukūrėme planą 2100 metams. Remiantis mūsų planu, tais metais visas energijos poreikis (įskaitant transportavimą) bus apie 140 kvadrilijonų Btu, o elektros gamybos galia bus septynis kartus didesnė negu šiandien.

Norėdami išlikti konservatyvūs, skaičiuojame, kokio galingumo saulės elektrinės prireiks pietvakariuose blogiausiomis saulės spinduliuotės sąlygomis, pavyzdžiui, kaip buvo 1982–1983 m. ir 1992 bei 1993 m. per Pinatubo ugnikalnio išsiveržimą, remiantis Nacionalinės saulės spinduliuotės duomenų bazės duomenimis 1961–2005 m. Mes neįtraukėme jokių tolesnių technologinių ar kainos pakeitimų po 2020 m., nors esame tikri, kad per 80 metų tyrimai padidins saulės energijos efektyvumą, kainą ir pagerins laikymo sąlygas.

Iki 2100 m. JAV atsinaujinantys energijos šaltiniai galėtų gaminti 100 proc. elektros ir daugiau nei 90 proc. visos energijos.

Laikantis tokių prielaidų, JAV energijos poreikis gali būti patenkintas esant tokioms galioms: 2,9 TW fotogalvaninės galios tiekiama tiesiogiai į tinklą ir dar 7,5 TW suslėgto oro laikoma; veiktų 2,3 TW koncentruotos saulės energijos elektrinių ir 1,3 TW pastatytų fotogalvaninių įrenginių. Tiekimas būtų papildytas 1 TW vėjo elektrine, 0,2 TW geoterminės elektrinės ir 0,25 TW biomasės kuro gamybos. Modelyje yra 0,5 TW geoterminės šilumos pompos tiesiogiai šildyti ir vėsinti. Saulės sistemoms reikės 789,1377 km2 žemės, o tinkamų plotų pietvakariuose yra daugiau nei reikia.

2100 m. šis atsinaujinančios energijos portfelis galėtų gaminti 100 proc. visos JAV elektros ir daugiau nei 90 proc. visos energijos. Pavasarį ir vasarą saulės energijos pramonė pagamintų pakankamai vandenilio patenkinti daugiau kaip 90 proc. viso transporto kuro poreikių ir pakeistų nedidelį gamtinių dujų tiekimą, naudojamą padėti sukti suslėgto oro turbinas. Beveik 182 mln. m3 biokuro sudarytų likusią transporto energiją. Su energija susijusios anglies dioksido emisijos sumažėtų 92 proc., palyginti su 2005 metais.

Kas moka?

Mūsų modelis nėra paprastas planas, nes jame įtrauktas 1 proc. pagal poreikį metinis augimas, kuris padėtų išlaikyti panašų į šiandienos gyvenimo būdą ir padidintų energijos gamybos bei vartojimo efektyvumą. Bene svarbiausias klausimas – kaip sumokėti 420 mlrd. JAV dolerių už šalies energijos infrastruktūros remontą. Vienas iš pasiūlymų yra anglies apmokestinimas. Tarptautinė energijos agentūra teigia, kad siekiant sumažinti anglies dioksido emisijas ir norint priversti elektros generatorius naudoti anglies pagavos ir laikymo sistemas, reikės apmokestinti anglis 40–90 dolerių už toną. Šis mokestis atitinka elektros kainos didinimą 1–2 centais už kWh. Tačiau mūsų planas pigesnis. 420 mlrd. dolerių galima surinkti apmokestinant anglį 0,5 cento už kWh. Atsižvelgiant į tai, kad šiandien elektra parduodama už 6–10 centų už kWh, pasiūlymas pridėti 0,5 cento už kWh atrodo protingas.

Kongresas galėtų suteikti finansinių lengvatų priimdamas Nacionalinį atsinaujinančios energijos planą. Turime omenyje JAV ūkių kainų paramos programą, kuri pasitvirtino nacionalinio saugumo srityje. Saulės energijos kainų paramos programa užtikrintų šalies energijos ateitį ir svariai prisidėtų prie šalies ilgalaikio klestėjimo. Subsidijos nuo 2011 iki 2020 m. būtų palaipsniui leidžiamos. Imant įprastą 30 metų atsipirkimo laikotarpį subsidijos baigtųsi nuo 2041 iki 2050 m. HVDC perdavimo įmonės nebūtų subsidijuojamos, nes jos finansiškai paremtų linijų ir konvertavimo stočių statybą taip, kaip dabar remia AC linijas ir gauna pajamas tiekdamos elektrą.

Nors 420 mlrd. dolerių būtini, kasmetinės išlaidos sudarytų mažiau, negu dabartinė JAV ūkių kainų paramos programa. Išlaidos mažesnės ir už apmokestintas subsidijas, surinktas šalies sparčiųjų telekomunikacijų infrastruktūrai kurti per praėjusius 35 metus. Tai padeda JAV išvengti politikos ir biudžeto problemų, kylančių dėl tarptautinių energijos konfliktų.

Neturint subsidijų, Didžiojo saulės energijos plano įgyvendinimas neįmanomas.

Ekonominiai klausimai

  • Subsidijos, sudarančios 420 mlrd. JAV dolerių per 2050 metus.
  • Politinė valdžia, reikalinga subsidijoms padidinti, galbūt apmokestinant anglis.
  • Pelningai privačių tiekėjų pastatyta nauja aukštos įtampos nuolatinės srovės elektros perdavimo sistema.
  • Nors 420 mlrd. dolerių būtini, ši suma mažesnė nei JAV Ūkių kainų paramos programos.

Kitų šalių nuomonė panaši: Japonija jau kuria stambią subsidijuojamą saulės energijos infrastruktūrą, Vokietija ėmėsi įgyvendinti programą visoje šalyje. Nors investicijos gausios, svarbu prisiminti, kad energijos šaltinis – saulės šviesa – nemokama. Nėra metinių kuro ar taršos valdymo mokesčių, kurie skiriami anglies, naftos ar atominei energijai; taikomas tik nedidelis mokestis už gamtines dujas suslėgto oro sistemoje, nors vandenilis ar biokuras galėtų ir jį išstumti. Pradėjus įskaičiuoti sutaupytą kurą, saulės energijos kaina ateinančiais dešimtmečiais galėtų sumažėti. Tačiau norėdami pradėti proporcingai didinti kainą, negalime tiek laukti.

Kritikams kilo kitų abejonių, pavyzdžiui, ar medžiagų apribojimas galėtų sustabdyti plataus masto statybas. Dėl sparčios plėtros gali kilti laikinų nesklandumų. Tačiau elementai yra kelių tipų ir jie naudoja skirtingus medžiagų junginius. Geresnis apdorojimas ir perdirbimas taip pat sumažina elementams reikalingų medžiagų kiekį. Laikui bėgant senus saulės elementus galima perdirbti į naujus, pakeičiant dabartinę neatsinaujinantį kurą naudojančią elektros tiekimo sistemą į naudojančią perdirbamas medžiagas.

Tačiau didžiausia kliūtis įgyvendinti atsinaujinančios JAV energijos sistemą yra ne technologija ar pinigų stygius. Tai visuomenės nežinojimas, kad saulės energija yra praktiška alternatyva, kurią galima taikyti ir transporto sistemoje. Žvelgiantys į ateitį mąstytojai turėtų pabandyti sudominti JAV piliečius bei jų politinius ir mokslinius vadovus neįtikėtinomis saulės energijos galimybėmis. Kai tik amerikiečiai suvoks šio potencialo svarbą, tikime, kad energijos ekonominės nepriklausomybės poreikis ir noras sumažinti anglies dvideginio emisijas paskatins juos imtis nacionalinio saulės energijos plano.

Apie autorius

Kenas Zveibelis (Ken Zweibel), Džeimsas Masonas (James Mason) ir Vasilis Ftenakis (Vasilis Fthenakis) susitiko prieš dešimtmetį atlikdami fotogalvaninių elementų gyvavimo raidos tyrimus. Zveibelis yra Goldene, Kolorado valstijoje, įsikūrusios PrimeStar Solar prezidentas. 15 metų jis dirbo Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Thin-Film PV Partnership vadovu. Masonas yra Saulės energijos bendrovės ir Niujorko Farmingadeilo Vandenilio tyrimų instituto direktorius. Ftenakis vadovauja Brukheiveno nacionalinės laboratorijos fotogalvaninės aplinkos tyrimų centrui, taip pat yra profesorius ir Kolumbijos universiteto Gyvybės raidos tyrimų centro direktorius.

Jei norite pasidomėti plačiau

  • The Terawatt Challenge for Thin Film Photovoltaic. Ken Zweibel. Thin Film Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications. Redaktoriai Džefas Purtmansas (Jef Poortmans) ir Vladimiras Archipovas (Vladimir Arkhipov). John Wiley & Sons, 2006.
  • Energy Autonomy: The Economic, Social and Technological Case for Renewable Energy. Hermann Scheer. Earthscan Publications, 2007.
  • Kolumbijos universiteto Gyvybės ciklo tyrimų centras: www.clca.columbia.edu  
    Nacionalinė saulės spinduliuotės duomenų bazė (The National Solar Radiation Data Base). Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija, 2007. http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb
  • JAV Saulės energijos Amerikos iniciatyvos departamentas (The U.S. Department of Energy Solar America Initiative): www1.eere.energy.gov/solar/solar_america  

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.