Słońce na wodzie
Jeziorko Bomhofsplas ma około 600 m długości i dwa razy mniej szerokości. Znajduje się niedaleko stutysięcznego miasta Zwolle w północnej Holandii. Zbiornik nie jest dziełem natury. Przez wiele dekad funkcjonowało tu spore wyrobisko piasku. Wciąż jest on tu pozyskiwany, ale od dekady w niewielkich ilościach. Większość sztucznego zagłębienia wypełnia dziś woda o średniej głębokości kilku metrów. Od kwietnia 2020 r. na tej wodzie unosi się… elektrownia słoneczna. Jej głównym elementem są oczywiście panele fotowoltaiczne, których jest ok. 73 tys. Łączna ich moc wynosi 27 MW. Zajmują większą część powierzchni jeziorka. Poza nimi jest też prawie 200 falowników zamieniających prąd stały, produkowany przez panele, w prąd zmienny, który można przesłać do sieci energetycznej. Do tej ostatniej operacji konieczne są transformatory. Unosi się ich na wodzie 13. Wszystko oczywiście połączono kilometrami kabli.
Cała ta wodna elektrownia została umieszczona na Bomhofsplas wczesną wiosną 2020 r. w ciągu zaledwie siedmiu tygodni. Mniej więcej tyle samo trwało potem oczekiwanie na podłączenie jej do sieci i od czerwca panele produkują już prąd odbierany przez lokalnego dystrybutora. Zbudowanie w siedem tygodni elektrowni mogącej zaopatrzyć w energię nawet kilkanaście tysięcy prywatnych odbiorców to nie lada wyczyn. Pobicie rekordu było możliwe dzięki temu, że panele słoneczne łączono w zestawy po 12 sztuk, a następnie każdy taki zestaw przytwierdzano do platform, które spuszczano na wodę. Gdy platform zebrało się dziewięć, zaciągano je na środek jeziora i dołączano do wcześniejszych. Przypominało to trochę układanie klocków Lego – w tym przypadku jednak montowano prawdziwą elektrownię, średnio po półtora tysiąca modułów dziennie.
Firma, która tego dokonała, nazywa się BayWa, a jej centrala znajduje się w Monachium. Zachęcona sukcesem, zamierza iść za ciosem. Jej szefowie zapowiedzieli, że w ciągu dwóch, trzech lat chcieliby zbudować pływające elektrownie słoneczne o łącznej mocy 500 MW. Nie tylko w Holandii, ale też we Francji, Włoszech, Hiszpanii i Niemczech. I pomyśleć, że przygodę ze „słońcem na wodzie” zaczęli zaledwie trzy lata temu. Ich pierwsza instalacja miała moc 2 MW, kolejne trzy nie przekraczały 10 MW, potem odważyli się na Bomhofsplas, a teraz mają ochotę na obiekty o mocy nawet 100 MW. Śpieszą się, bo nowa moda szybko zyskuje amatorów. Chcą zająć dobrą pozycję wyjściową w wyścigu, który dopiero się rozpoczyna, a nagroda może być naprawdę duża. W raporcie opublikowanym w październiku 2020 r. przez agencję doradczą Fitch Solutions przyszłość pływającej energetyki słonecznej rysuje się różowo. Autorzy analizy twierdzą, że do 2025 r. łączna moc takich nietypowych elektrowni wyniesie co najmniej 10 GW. To oczywiście niewiele w porównaniu z mocą tradycyjnych ogniw słonecznych, ustawianych masowo na ziemi i mocowanych na dachach, szacowaną na 750 GW (i powiększającą się w tempie ponad 100 GW rocznie), ale trzeba pamiętać, że mówimy o technologii, która jeszcze dwa, trzy lata temu była niszą okupowaną przez grupę zapaleńców.
Azja na czele
Najpierw z niszy wyszedł Daleki Wschód. I to on – zdaniem prognostyków z Fitch Solutions – będzie wciąż nadawał ton nowej odmianie zielonej energetyki. Do budowy pływających elektrowni z wielkim entuzjazmem przymierzają się m.in. Indie, Tajlandia, Indonezja, Wietnam, Japonia i przede wszystkim Korea Południowa oraz Chiny. Te ostatnie mogą się pochwalić inwestycjami, których rozmach robi wrażenie. W 2018 r. w chińskiej prowincji Anhui podłączona została do sieci elektrownia słoneczna o rekordowej mocy 150 MW. Rok później dołączyła do niej kolejna, równie duża. Obie zlokalizowano w pobliżu dwumilionowego miasta Huainan, a powstały na jeziorach, które pojawiły się w wyniku zapadania się gruntu na terenach pokopalnianych. Huainan to stolica ważnego rejonu wydobycia węgla kamiennego. Wiele kopalń nadal jest czynnych, ale niektóre zamknięto, a wtedy grunt nad nimi zaczął się zapadać. W dół wędrowały całe wsie, z których ludzie musieli uciekać. Zamiast wsi i pól na wierzchu pojawiła się woda gruntowa. Efekt jest taki, że okolica, gdzie do niedawna nie było ani jednego jeziora, teraz zmieniła się w pojezierze.
Jest coś niezwykle symbolicznego w tym, że w miejscach, w których do niedawna wykopywano spod ziemi węgiel, teraz połyskują jeziora z unoszącymi się na nich panelami słonecznymi. Ambitne plany są takie, aby co najmniej połowę takich pokopalnianych zbiorników w prowincji Anhui zmienić w elektrownie. Ich łączna moc powinna w ciągu kilku lat przekroczyć 1 GW. Co ciekawe, zarówno w Holandii, jak i w Chinach zaobserwowano, że unoszące się na zbiornikach moduły fotowoltaiczne zmniejszyły tempo parowania wody oraz ograniczyły zakwity glonów. Chińczycy liczą na to, że dzięki temu w jeziorach można będzie równocześnie prowadzić hodowlę ryb, a ponadto przy obsłudze kolejnych elektrowni znajdą zatrudnienie ludzie, którzy stracili swoje pola w wyniku zapadania się gruntu. Na dodatek taka wolniej parująca i pozbawiona zanieczyszczeń biologicznych woda doskonale schładza pływającą na niej elektrownię, dzięki czemu straty energii są mniejsze nawet o 10%.
„Kiedy trzy lata temu ruszaliśmy z pierwszym niewielkim projektem, ostrzegano nas, że barierą mogą się okazać wysokie koszty konstrukcji i utrzymania elektrowni oraz bezpieczeństwo instalacji elektrycznych. Tymczasem okazało się, że obsługa takiego pływającego zakładu jest tańsza niż elektrowni na twardym podłożu. Nie musimy płacić np. za koszenie trawy, ochronę czy montaż kamer. W efekcie z każdą kolejną inwestycją koszty zainstalowania 1 MW mocy nam spadały” – mówi Benedikt Ortmann z BayWa.
Konkretne rozwiązania techniczne mogą być rozmaite. Francuzi z firmy Ciel & Terre, którzy pierwsze panele słoneczne zwodowali w 2011 r., umieszczają je na specjalnie zaprojektowanych pływakach wykonanych z HDPE, czyli polietylenu dużej gęstości. Pływaki można łączyć w dowolnych konfiguracjach, a następnie cały zestaw jest zakotwiczany w dnie. Niestraszny im śnieg, deszcz czy silny wiatr o prędkości nawet do 200 km/h, jak wykazały testy przeprowadzone w tunelach aerodynamicznych. Ciel & Terre ma już za sobą ponad 100 takich inwestycji, zwykle małych, o mocy poniżej 10 MW. Elektrownie unoszą się na powierzchni wszelkich sztucznych zbiorników. Największa, o mocy 70 MW, powstała w zeszłym roku w Chinach, w pobliżu miasta Suzhou, na północy wspomnianej już prowincji Anhui. Składa się z 13 słonecznych wysepek mających łącznie 1,5 km2.
Ludzi dużo, ziemi mało
A wszystko zaczęło się w Japonii, kraju, którego nie można pominąć, gdy mowa o „słońcu na wodzie”. Pierwszą pływającą instalację – skromniutką, o mocy kilkudziesięciu kilowatów – uruchomiono tu w 2007 r. w jednym z miasteczek w prefekturze Aichi, znajdującej się mniej więcej pośrodku największej japońskiej wyspy Honsiu. Po niej pojawiły się dziesiątki innych. Dziś takich elektrowni działa tam ponad 100, choć nie znajdziecie wśród nich olbrzymów. To geografia zmusiła Japończyków do testowania takich niestandardowych źródeł zielonej energii. Ten górzysty, wyspiarski kraj jest bardzo gęsto zaludniony i najmniejszy skrawek ziemi uprawnej jest tam na wagę złota. Zarazem znajdują się w nim dziesiątki tysięcy sztucznych zbiorników wodnych, często położonych niedaleko miast, zakładów przemysłowych i linii energetycznych wysokiego napięcia. Tak pojawił się pomysł umieszczania paneli słonecznych na wodzie. Z identycznych geograficznych powodów cieszą się one zainteresowaniem również w wielu innych krajach Azji, gęsto zaludnionych i cierpiących na głód ziemi. Jest wśród nich Korea Południowa, która ostatnio poszła na całość. Ogłosiła mianowicie, że zbuduje na wodzie elektrownię słoneczną o mocy… 2000 MW. Taką ilością prądu można zaspokoić potrzeby miliona gospodarstw domowych. Korea Południowa to państwo trzykrotnie mniejsze od Polski, ale mające 51 mln obywateli; na każdym kilometrze kwadratowym mieszka tam średnio około 500 osób. Ścisk jest więc spory, szczególnie że pół kraju zajmują góry. Stąd m.in. pomysł zbudowania gigantycznej elektrowni słonecznej, która unosiłaby się na wodzie. Jej lokalizacja jest już znana i tym razem nie jest to sztuczny zbiornik wodny.
Ćwierć wieku temu Koreańczycy postanowili wziąć przykład z Holendrów i zdecydowali o powiększeniu swojego terytorium lądowego o ziemie odebrane morzu. Przez 15 lat mozolnie – i wbrew licznym protestom naukowców i organizacji ekologicznych – usypywali olbrzymią groblę o długości 33 km, aby zamknąć ujścia dwóch rzek wpadających do Morza Żółtego i tworzących rozległe estuarium, zwane Saemangeum. Bariera, której budowę ukończono w 2010 r., odcięła od morza obszar o powierzchni blisko 400 km2. Część tego akwenu jest osuszana i zmieniana w pola uprawne, natomiast reszta ma pozostać zbiornikiem wodnym, na którym m.in. powstanie pływająca elektrownia słoneczna, składająca się z ok. 5 mln ogniw fotowoltaicznych. Decyzja w tej sprawie zapadła w 2019 r.
Projekt Saemangeum będzie kosztował mniej więcej 4 mld dolarów, co nie jest wygórowaną ceną za elektrownię o takiej mocy. Prace już ruszyły. Norweska firma Ocean Sun ma w przyszłym roku uruchomić próbną instalację do testowania różnych rozwiązań technicznych, a następnie zbudować pierwszy kawałek elektrowni o mocy 100 MW, który w ciągu kolejnych 5 lat zostanie powiększony o 400 MW. Norwedzy nie będą jedynymi wykonawcami. Projekt jest tak olbrzymi, że pracować przy nim będzie wiele firm koreańskich i zagranicznych.
Oceany Słońca
Skoro mowa o Norwegach z Ocean Sun, pora na następny krok. Opuśćmy wraz z nimi spokojne wody sztucznych zbiorników i wypłyńmy na morza. Wszak stanowią one dwie trzecie powierzchni Ziemi i teoretycznie można sobie wyobrazić wielkie elektrownie słoneczne unoszące się w niewielkiej odległości od brzegu i oczywiście zakotwiczone w dnie morskim, aby nie odpłynęły w siną dal. Natychmiast pojawia się wątpliwość, czy pierwszy silny sztorm nie zniszczy takiej elektrowni. O dziwo, znaleźli się tacy, których zdaniem pomysł nie jest wcale taki szalony. Istnieje wiele zacisznych zatoczek, gdzie ogniwa słoneczne będą mogły sobie spokojnie wytwarzać prąd – argumentowali.
Do takich właśnie optymistów należą założyciele Ocean Sun. Źródłem tego optymizmu jest ich kilkudziesięcioletnie doświadczenie w projektowaniu zbiorników na potrzeby akwakultury, czyli hodowli ryb, głównie łososi. Norwegia to wszak potentat w tej branży. „Czerpaliśmy z tych doświadczeń, projektując nasze okrągłe platformy wykonane z HDPE, które są mocowane do dna w czterech miejscach przy pomocy dwunastu lin. Pośrodku tych niezatapialnych kręgów znajduje się usztywniająca membrana o składzie chemicznym chronionym patentem. Na niej układane są płasko ogniwa słoneczne o łącznej mocy 600 kW. Z takich właśnie kręgów chcemy zbudować koreańską elektrownię Saemangeum” – tłumaczy Børge Bjørneklett, ekspert z Ocean Sun. Cieszy się, że testy prowadzone od półtora roku w pobliżu jednej z filipińskich wysp wypadły pomyślnie. Wykorzystano w nich konwencjonalne ogniwa słoneczne chronione z dwóch stron szkłem hartowanym. Chociaż dwa razy nad okolicą przetoczyły się tajfuny, to kręgi przetrwały w dobrym stanie uderzenia żywiołów, a wkrótce po ich przejściu, gdy tylko pogoda się uspokoiła, wznowiły produkcję prądu. „Właśnie z powodu tych tajfunów postanowiliśmy pojechać aż na Filipiny. To kraj szczególnie często nawiedzany przez cyklony tropikalne. Zjawia się ich tam średnio dziesięć rocznie. Chcieliśmy zobaczyć, jak nasze kręgi sprawdzą się w tak ekstremalnych warunkach. Przebiegło to lepiej, niż się spodziewaliśmy. To był dla nich i dla nas prawdziwy chrzest bojowy” – mówi Bjørneklett.
Chętnych do budowania słonecznych platform na morzach jest więcej. Należy do nich również holenderska firma Oceans of Energy, założona przez grupę badaczy przy wsparciu kilku uczelni. Trzy lata temu wystartowała z projektem Zon-op-Zee (Słońce na Morzu), w którego ramach w ciągu dwóch lat zbudowano niewielki zestaw morskich ogniw słonecznych o mocy 17 kW. Jesienią 2019 r. umieszczono je na Morzu Północnym w odległości kilkuset metrów od brzegu. Najcięższy test instalacja przeszła w pierwszej połowie lutego 2020 r., kiedy w północną Europę uderzyła od zachodu potężna wichura o nazwie Ciara, towarzysząca bardzo aktywnemu i szybko się pogłębiającemu układowi niżowemu – tego rodzaju niże zwane są bombami niżowymi. Ciara wiała z prędkością 130 km/h, a w miejscu, gdzie na wodzie unosiły się panele słoneczne, wysokość fal przekroczyła 5 m. Mimo to, jak poinformowali badacze z Oceans of Energy, ich prototyp „pozostał nienaruszony i po przejściu sztormu działał stabilnie”.
Następny cel to zbudowanie i przetestowanie modułu o mocy 1 MW. „Takie moduły można następnie łączyć ze sobą, tworząc przybrzeżne elektrownie słoneczne o mocy 100 MW i większej” – snuje ambitne plany Allard van Hoeken, naukowiec z Oceans of Energy. Jego zdaniem w przyszłości takie elektrownie wodne mogłyby być umieszczane pomiędzy turbinami wiatrowymi, które są już podpięte do sieci, i w pakiecie z nimi dostarczać zielonej energii. „Wyliczyliśmy, że gdybyśmy przykryli ogniwami paliwowymi 5% powierzchni holenderskiej strefy morskiej, zaspokoiłyby one połowę zapotrzebowania Niderlandów na energię elektryczną” – mówi van Hoeken.
Najwyraźniej do takich samych wniosków doszli ich sąsiedzi z Belgii, gdzie konsorcjum kilkunastu firm i instytucji naukowych realizuje od zeszłego roku podobny projekt, na który na razie przeznaczono 2 mln euro. „To logiczny krok. Skoro ogniwa słoneczne unoszą się już na sztucznych zbiornikach i lagunach, to czemu nie miałyby się sprawdzić na morzach przybrzeżnych? Dla wielu niedużych i gęsto zaludnionych krajów, które mają dostęp do płytkich mórz szelfowych, takich choćby jak Belgia, może to być doskonałe źródło zielonej energii” – mówi Margriet Drouillon, badaczka z Ghent University, uczelni będącej jednym z członków konsorcjum.
Niszowym do niedawna pomysłem zaczynają się interesować nawet giganci energetyczni. Norweski Equinor – lepiej znany pod poprzednią nazwą Statoil, którą porzucił, by nie kojarzyć się z ropą – oraz włoska firma Saipem, której udziałowcem jest koncern paliwowy Eni, poinformowały latem 2020 r. o zamiarze zbudowania własnej platformy słonecznej na Morzu Śródziemnym. Zatem kto wie, może w nie tak bardzo odległej przyszłości dziesiątki, a może setki tysięcy takich platform chwytających energię słoneczną, by przetworzyć ją w prąd, będą się kołysały np. na Morzu Śródziemnym albo Zatoce Meksykańskiej, której „moc słoneczną”, możliwą do pozyskania dzięki pływającym przy brzegu panelom fotowoltaicznym, amerykańscy badacze oszacowali ostatnio na 600 GW. To kilkanaście razy więcej niż moc wszystkich polskich elektrowni.
Ale to i tak niewiele w porównaniu z wartościami, które pojawiły się w innym raporcie, opublikowanym kilka tygodni temu. Jego autorzy wyliczyli, że gdyby pływające ogniwa słoneczne wykorzystać masowo na setkach tysięcy sztucznych zbiorników, przy których działają elektrownie wodne (wróciliśmy na ląd), wówczas moc tych pierwszych mogłaby sięgnąć w skali globu nawet 7600 GW. Tyle wystarczyłoby do wyprodukowania jednej trzeciej energii elektrycznej wytworzonej na świecie w 2018 r. Hydroelektrownie stabilizowałyby dostawy prądu w nocy i dni pochmurne. „To dość optymistyczne kalkulacje, nieuwzględniające np. rozmaitych ekonomicznych uwarunkowań, ale jedno wydaje się dziś pewne – pływające panele słoneczne szybko zyskują na popularności i w wielu krajach mają szansę stać się hitem” – podsumowuje główny autor raportu Nathan Lee z National Renewable Energy Laboratory.
Andrzej Hołdys
Dziennikarz naukowy specjalizujący się w naukach o Ziemi i dyscyplinach pokrewnych, tłumacz literatury popularnonaukowej. Ukończył geografię na Uniwersytecie Warszawskim. Stały współpracownik „Wiedzy i Życia”.