Jak podgrzać klimat?
Punktem wyjścia jest sprawność instalacji fotowoltaicznych. Realnie nie przekracza ona 14% (należy z dystansem podchodzić do zapewnień akwizytorów o rzekomej wyższej sprawności oferowanych w Polsce zestawów). Co się dzieje z pozostałą energią?
Albedo panelu wynosi około 5%. Tyle zostaje z powrotem odbite w przestrzeń. Z prostego rachunku wynika, że 81% energii musi ulec zamianie na ciepło. To jest potężne wymuszenie klimatyczne.
Panel o powierzchni 5,3m2, jak z wcześniejszego przykładu, dostarczający w słoneczny dzień 1 kW energii elektrycznej ogrzewa swoje otoczenie z mocą 5,8 kW. Zestaw paneli o mocy 10 kW ogrzewa swoje otoczenie już z mocą 58 kW. Wymaga to z pewnością dobrego odprowadzania ciepła, aby nie doprowadzić do pożaru. Inwerter – urządzenie przekształcające napięcie stałe pochodzące z paneli do napięcia przemiennego zsynchronizowanego z siecią elektroenergetyczną ma sprawność około 95% (profesjonalne dla dużych farmach fotowoltaicznych mają lepszą sprawność, inwertery drobnych prosumentów mają sprawność mniejszą), to znaczy, że 95% pozostaje energią elektryczną, a 5% stracone zostanie na ciepło.
Dla porównania: sprawność energetyczna nowoczesnego bloku elektrowni węglowej wynosi 46%. Co to oznacza? Elektrownia słoneczna ogrzewa swoje otoczenie 81% energii, podczas, gdy elektrownia węglowa tylko 54%. Najgorsze w tym jest to, że zainstalowane panele fotowoltaiczne na dachu ogrzewają teren zamieszkały przez ludzi, otoczenie budynków, dramatycznie wzmacniając efekt miejskiej wyspy ciepła. Elektrownia węglowa pracuje zwykle daleko od centrów zamieszkania.
Przetwarzanie energii słonecznej w elektryczną za pomocą paneli fotowoltaicznych ma katastrofalny wpływ na klimat, szczególnie miejskiej wyspy ciepła. W obecnym stanie technologii jest dla klimatu zdecydowanie gorsze w porównaniu z tradycyjnymi sposobami pozyskiwania energii.
A gdyby dwutlenek węgla faktycznie powodował globalne ocieplenie?
Lobby innych rodzajów energetyki z pewnością spróbuje zarzucić, że to dwutlenek węgla odpowiada za globalne ocieplenie. Proponuję tym naukowcom skorzystanie z kalkulatora i przeliczenie, jaki jest udział wymuszenia klimatycznego spowodowanego zmianą albedo powierzchniowego przez panele fotowoltaiczne wobec domniemanego wymuszenia radiacyjnego CO2, jakie by powstało przy wytworzeniu tej samej ilości energii użytkowej w nowoczesnej elektrowni węglowej.
Czy zawsze bilans energetyczny jest tak tragiczny?
Od opisanego wyżej czarnego scenariusza mogą istnieć wyjątki, choć nieliczne. Pierwszym jest sytuacja, gdy panele fotowoltaiczne zainstalować na powierzchni sztucznego zbiornika wodnego. Jak wykazano sztuczne zbiorniki wodne, z uwagi na bardzo niskie albedo spokojnej wody (ok. 5%) chłoną 95% energii słonecznej, przyczyniając się w znaczący sposób do globalnego ocieplenia (dlaczego dwutlenek węgla ma znikomy wpływ – będzie w przyszłości – błędy teorii CO2-centrycznej tkwią u jej podstaw). Jest to albedo tego samego rzędu, co albedo paneli fotowoltaicznych. Pierwsza w Europie instalacja paneli na sztucznym zbiorniku wodnym Lac des Toules jest w Szwajcarii, w miejscowości Bourg Saint Pierre. Niestety, trudny do przewidzenia jest wpływ na ekosystem zbiornika wodnego w przypadku dużego stopnia jego pokrycia panelami. Drugi wyjątek związany jest z ostatnią modą w Polsce i części Europy na dachy kryte „elegancką” czarną dachówką bitumiczną lub czarną blachodachówką o albedo poniżej 20 %, jakże fatalnych dla klimatu szczególnie miejskiej wyspy ciepła. Przykrycie takiego dachu panelem fotowoltaicznym o albedo około 5% już tylko w umiarkowanym stopniu przyczynia się do wzrostu globalnego ocieplenia. Dramat pojawia się wtedy, gdy takie panele instalowane są na dachach pokrytych niezmurszałym eternitem o albedo około 55% lub, zalecaną obecnie z powodu globalnego ocieplenia dachówką białą ceramiczną lub cementową o albedo ponad 70% (dostępne 73-74%). Są to tzw. „cool roofs”: Monczyński B., Ksit B., Komu w Polsce są potrzebne chłodne dachy, Inżynier Budownictwa, 2017. Istnieją też powłoki o albedo ponad 90%. Pokrycie o albedo 73% powoduje, że tylko 27% promieniowania słonecznego ulega zamianie na ciepło, a nie 81%, jak w przypadku paneli fotowoltaicznych. To już ogromna różnica. Co więcej, w przestrzeni pomiędzy zespołem paneli a dachówką powstaje pułapka ciepła. Istniejąca tam lokalna cyrkulacja powoduje przekazywanie ciepła bezpośrednio dachówkom przy braku możliwości ich naturalnego chłodzenia owiewającym wiatrem. O ile zimą jest to dodatkowa izolacja cieplna dachu, to w czasie upałów może wydatnie podnosić temperaturę poddasza, a nawet całej przestrzeni mieszkalnej domu. Należy jeszcze przypomnieć, że nie zawsze to, co widzimy białe musi mieć duże albedo dla promieniowania słonecznego, dlatego przy wyborze białego (lub jasnego) pokrycia dachu należy zwrócić baczną uwagę, czy atesty faktycznie obejmują całe spektrum promieniowania słonecznego. Białe farby komponowane są dla percepcji ludzkiego oka, zgodnie z klasycznym trójkątem Maxwella. W zakresie spektrum widzialnego mogą występować luki nieodbitych (czyli pochłanianych) długości fal, pomimo subiektywnej oceny farby jako białej, co więcej, niewidoczny dla człowieka zakres podczerwieni stanowiący blisko 50% promieniowania słonecznego może być doskonale pochłaniany i ulegać zamianie na ciepło. Optycznie biała powierzchnia może również pochłaniać ultrafiolet. Nawiasem mówiąc – podobne zjawisko obserwowane jest dla pokryw śnieżnych. Nieobojętny dla wyboru warstwy zewnętrznej pokrycia jest kąt nachylenia połaci dachowej (np. znacznie nachylona jasna, o dużym albedo, połać dachowa może odbijać promieniowanie słoneczne w kierunku czarnej nawierzchni drogi i tam powodować skumulowane wydzielanie ciepła), istotne jest także przewodnictwo cieplne pokrycia oraz zdolność akumulacji ciepła. Z kolei nie zawsze ciemny dach musi być termodynamicznie gorszy od jasnego, bo np. wysoko położony ciemny dach, z dobrą izolacją, wskutek nagrzania może przestać przyjmować więcej promieniowania w zakresie podczerwieni zgodnie z II zasadą termodynamiki.
Pożary instalacji fotowoltaicznych
Najbardziej spektakularne są duże pożary w znanych firmach; w minionych kilku latach polskie media informowały o pożarach wielkich magazynów Amazona w Stanach Zjednoczonych: w 2018 Redlands w Kalifornii, W 2020 w Fresno w Kalifornii i w 2021 w Perryville w stanie Maryland. W Stanach zjednoczonych dochodzi do 50. pożarów instalacji fotowoltaicznych rocznie. W Polsce wzrasta ilość pożarów związanych z instalacjami fotowoltaicznymi. W Niemczech już przekraczyłą 400, we Włoszech 700. W Niemczech w latach 1995-2014 wykazano 430 pożarów instalacji fotowoltaicznych, z czego połowa spowodowana została przez samą instalację fotowoltaiczną, zaś 1/3 spowodowała uszkodzenia budynków. Najczęściej problem dotyczy wad instalacyjnych. Ponieważ czytelnik bez trudu znajdzie w sieci artykuły o błędach instalacji, zwrócimy tylko uwagę, że napięcie na zespole paneli fotowoltaicznych może sięgać 1000 wolt. W materiałach informacyjnych notorycznie pomijany jest istotny problem wysokiej temperatury wynikającej z opisanej powyżej energetycznej sprawności paneli fotowoltaicznych (plus inwertera plus instalacji), co powoduje, że panel dostarczający przykładowo w południe 6,5 kW energii elektrycznej ogrzewa swoje otoczenie aż 38 kW energii cieplnej! Naciski polityków Unii Europejskiej pod pretekstem (sic!) zapobiegania globalnemu ociepleniu wymusiły na Polsce decyzje dotyczące niezwykle kosztownych inwestycji w skali państwa masowego instalowania chińskich (bo takie są dostępne) paneli fotowoltaicznych, które, jak powyżej zostało wykazane – właśnie najbardziej ocieplają klimat. Polska nie wprowadziła restrykcyjnych przepisów dotyczących ich montażu, więc działa tu ponad 20 tysięcy firm zajmujących się sprzedażą lub/i montażem paneli fotowoltaicznych. Kwalifikacje pracowników mogą budzić wątpliwości. Można się spodziewać, że ilość pożarów z tego powodu będzie w Polsce rosła. Chciwość inwestorów powoduje, że panele ustawiane są pod takim kątem, aby w miesiącach letnich dawały największy zysk. W rzeczywistości panele takie przegrzewają się, ich efektywność maleje. W miesiącach, kiedy ta energia jest bardziej potrzebna, dają one mniej energii, bo musiały by być nastawione pod większym kątem właściwym dla położenia Słońca w zimie. Byłoby to rozwiązanie i bezpieczniejsze, i korzystniejsze ekologicznie. Lecz ceny paneli w Polsce są wciąż wysokie – wyśrubowane, co jest prostym skutkiem dotacji z naszych wspólnych, publicznych środków. W najbliższych latach można spodziewać się znacznego spadku ich cen. Z obserwacji zespołów paneli montowanych na polskich dachach można się obawiać zbyt wielu paneli ściśle do siebie przylegających, bez przerw wentylacyjnych i na dodatek na niskich wspornikach pomiędzy pokryciem dachu a panelem. Zdarzają się panele na dachach stodół, gdzie być może przechowywane jest siano.
Najważniejsza w Polsce stała się statystyka zadowalająca urzędników unijnych, a więc szybkość instalacji, bez względu na jakość. Ostatecznym efektem jest wzrost intensywności ogrzewania klimatu pod pretekstem jego chłodzenia. Czy to jest paranoja urzędnicza, czy bezwzględny lobbing chińskiego eksportu?
Panele hybrydowe.
Ponieważ panele fotowoltaiczne o satysfakcjonującej sprawności są bardzo drogie, bądź istnieją dopiero w laboratoriach, próbuje się poprawić ten niekorzystny wskaźnik na kilka sposobów. Pierwszy – to panele dwustronne. Wykorzystują one światło odbite od podłoża i trafiające od drugiej strony na powierzchnię panelu. Ten zabieg poprawia sprawność panelu zaledwie o kilka procent. Nie dotyczy on, oczywiście paneli układanych na pochyłych dachach. Innym sposobem poprawy sprawności jest połączenie panelu fotowoltaicznego z kolektorem słonecznym. Składane są takie i w Polsce. To działa podobnie, jak kogeneracja w przypadku elektrowni atomowych i paliwowych. Pierwszy dostarcza energii elektrycznej, drugi ciepłej wody. Doskonale się sprawdza latem. Nie dopuszcza do przegrzania panelu fotowoltaicznego, a więc utraty mocy, zgodnie z opisanym wcześniej zjawiskiem, zmniejsza też ryzyko pożaru z powodu rozgrzania pokrycia dachowego. Niestety, późną jesienią, zimą i wczesną wiosną kolektory cieplne zamontowane pod panelami fotowoltaicznymi nie dostarczą ciepłej wody. Producenci paneli hybrydowych przedstawiają głównie zalety: korzystniejszy całkowity bilans energetyczny, oszczędność miejsca, jednoczasowy montaż, wspomniane zabezpieczenie panelu przed przegrzaniem, poprawa sprawności panelu (latem), dostarczanie ciepłej wody. Są chętnie stosowane na małych daszkach altan lub domków nie mających zasilania z sieci energetycznej jako instalacja off-grid. Niestety, wady są istotne. Korzyść odnosi się w zasadzie latem. W bilansie rocznym dodatkowy uzysk energii nie przekracza 10 %. Powodują większe obciążenie jednostki powierzchni dachu. Awaria lub uszkodzenie blokuje jednocześnie i produkcję energii elektrycznej i ciepłej wody. Jeśli ktoś dysponuje odpowiednią powierzchnią, w dzisiejszym stanie technologii korzystniejsze wydaje się zamontowanie niezależnie fotowoltaiki i kolektorów cieplnych. Niewykluczone, że za kilkanaście lat nowsze generacje paneli hybrydowych okażą się korzystniejsze. Jeszcze raz przypomnimy: kolektory cieplne nie wpływają tak niekorzystnie na globalne ocieplenie, jak obecnie instalowane w Polsce panele fotowoltaiczne.
