Falešná naděje: fotovoltaická elektrárna na oběžné dráze

Fotovoltaické elektrárny na oběžné dráze jsou běžná záležitost již desítky let. Dokonce jeden z prvních satelitů – americky Vanguard – nesl na svém povrchu solární články. V současnosti fotovoltaické panely napájejí naprostou většinu kosmických družic na oběžných drahách Země. Rovněž většina meziplanetárních sond, minimálně do vzdálenosti oběžné dráhy Marsu, využívá k napájení elektronických zařízení fotovoltaické panely.

Orbitální fotovoltaická elektrárna

Je celkem pochopitelné, že se poměrně brzy – již v roce 1968 – objevila myšlenka postavit na oběžné dráze velkou fotovoltaickou elektrárnu a zachycenou energii posílat na zemský povrch. Výhody umístění elektrárny na oběžné dráze jsou zjevné:

  • Relativně stálá intenzita záření na úrovni 1370 W/m2
  • Žádné stínění okolními objekty nebo oblačností
  • Poměrně krátká doba pobytu ve stínu Země

Technicky je takové zařízení realizovatelné, praktickému využití však brání několik problémů:

  • Vysoké finanční náklady na vynesení elektrárny na oběžnou dráhu
  • Účinnost přenosu energie z oběžné dráhy na zemský povrch
  • Bezpečnostní rizika

Finanční náklady

Pozemní fotovoltaické elektrárny nejčastěji využívají články z krystalického křemíku s jedním polovodičovým přechodem s účinností až 20 %. V kosmu jsou obvyklé články se třemi polovodičovými přechody a komplikovanou strukturou kombinující různé polovodičové materiály. Jejich účinnost se pohybuje až kolem 30 %. Rovněž cena je však několikanásobně vyšší než cena článků křemíkových. Vyšší je pravděpodobně i energetická náročnost jejich výroby.

Pro orbitální fotovoltaickou elektrárnu jsou výhodnější speciální články zejména z hmotnostních důvodů, finanční náročnost je vzhledem k nižší hmotnosti kompenzována výrazně nižšími náklady na dopravu. Předpokládejme, že při masové výrobě článků a sestavení orbitální elektrárny z relativně malých mnohokrát opakovaných modulů by se cena kompletní elektrárny mohla pohybovat kolem 200 Kč/Wp.

Jen vynesení nákladu na oběžnou dráhu by vyžadovalo dalších minimálně 100 Kč/Wp, další náklady by představovala montáž zařízení na oběžné dráze. Pro srovnání náklady na dopravu jsou dvakrát vyšší než investiční náklady fotovoltaické elektrárny na zemském povrchu. Celková cena orbitální elektrárny včetně vynesení na oběžnou dráhu by tak pravděpodobně přesáhla 300 Kč/Wp – přibližně 6násobek ceny pozemní instalace s křemíkovými panely.

Energetická návratnost

Pokud se týká samotných fotovoltaických systémů, jejich energetická návratnost se v posledních několika desetiletích výrazně zkracuje. V polovině 70. let minulého století byla energie vložená do výroby fotovoltaického systému vyšší než energie získaná. Taková zařízení byla rentabilní jen v kosmickém výzkumu nebo ve velmi vzdálených lokalitách na zemském povrchu. V roce 2007 se energetická návratnost malého střešního fotovoltaického systému v podmínkách České republiky pohybovala kolem 3 let, u fasádních systémů kolem 5 let (v obou případech je uvažováno s reinvesticí střídače). Spotřeba energie na výrobu komponent fotovoltaické elektrárny se pohybuje kolem 3 kWh/Wp.

V případě fotovoltaické elektrárny na oběžné dráze je nutno do vložené energie zahrnout i energii na výrobu kosmické rakety a energii v palivu, která je potřebná pro vynesení na oběžnou dráhu. Kromě toho lze předpokládat, že energetická náročnost výroby speciálních třívrstvých fotovoltaických článků je výrazně vyšší. Spotřebu energie na dopravu na oběžnou dráhu lze na základě spotřeby paliva odhadnout zhruba na 1 kWh/Wp (včetně spotřeby energie na výrobu paliva a dopravního prostředku). Vzhledem k energetické náročnosti výroby orbitální elektrárny, která by se mohla pohybovat v rozmezí 5 až 10 kWh/Wp je spotřeba energie na dopravu relativně malá.

Životnost pozemní fotovoltaické elektrárny je odhadována na 30 až 40 let. U orbitální elektrárny lze očekávat životnost článků asi třetinovou. Na geostacionární dráze můžeme uvažovat roční využití výkonu přes 90 %. Oproti přibližně 15 % v České republice se jedná o šestinásobek. Poměr získané ke vložené energii (EROEI – Energy Returnet on Energy Invested) se u samotné elektrárny u pozemních instalací pohybuje kolem 10 až 15 pro systémy na střechách budov a 6 až 10 pro systémy fasádní. V případě orbitální elektrárny, vzhledem ke kratší životnosti, by se i při podstatně vyšším využití výkonu pohyboval poměr EROEI kolem 6 až 12.

Poměr se dále sníží, když započteme pozemní přijímací zařízení, které by v případě orbitální elektrárny o výkonu 1 GWp zabralo plochu cca 5 km2., sníží se EROEI odhadem na 5 až 10. Pro fungování civilizace je hodnota 10 považována za minimální, energetické technologie s EROEI nižší než 10 jsou akceptovatelné jen ve výjimečných případech. Energetickou efektivnost je podle některých návrhů možno zvýšit například využitím surovin z asteroidů nebo na konci životnosti fotovoltaické elektrárny její recyklací na oběžné dráze. Jedná se však pouze o teoretické koncepty, při jejichž rozpracování se mohou objevit další problémy.

Účinnost přenosu energie

Fotovoltaické panely jsou výborný zdroj pro zařízení na oběžné dráze. V současnosti se jedná zřejmě o nejvýhodnější zdroj pro takové použití. Má-li však být energie vyrobená v orbitální elektrárně využívána na zemském povrchu, je nutno ji nějakým způsobem přenést dolů. Vysokoenergetické lasery byly pro toto použití zavrženy z důvodu nízké účinnosti a vysokého rizika zneužití. Obvykle se uvažuje s přenosem pomocí mikrovlnného záření o intenzitě na úrovni maximálně ¼ slunečního příkonu, tj. do cca 250 W/m2. Omezení plošné intenzity je dáno zejména bezpečnostními důvody.

obrázek

Přijímací zařízení na zemském povrchu by muselo mít plochu srovnatelnou s fotovoltaickým systémem stejného výkonu, muselo by se však jednat o velkou souvislou plochu. Vyzařovanou energii je sice možno směřovat do velmi úzkého svazku, vždy je však část energie vyzářena mimo požadovaný úhel. Předpokládejme podíl této ztráty 20 %. Pro zachycení této části energie by bylo nutno zvětšit plochu přijímacího zařízení. Na okrajích energetického svazku je však intenzita záření nižší, rozšiřování přijímacího zařízení je od určité velikosti neefektivní.

Odhlédněme od technických problémů směřování toku energie do úzkého svazku přesně zacíleného na přijímací zařízení na zemském povrchu. Předpokládejme, že vysílač i přijímač budou mít účinnost 80 %. Nedávno publikovaný vědecký článek popisuje nejúčinnější mikrovlnnou anténu, jejíž účinnost byla změřena za ideálních podmínek 82 %. Přijatou mikrovlnnou energii je však ještě nutno konvertovat na elektřinu. Mikrovlnná trouba – v podstatě vysílač – má při elektrickém příkonu 1300 W mikrovlnný výkon 800 W, tedy účinnost kolem 60 %. Lze však předpokládat, že technický vývoj může zvýšit účinnost až k hranici uvedené na začátku odstavce. Výsledná kombinace vysílač-přijímač by potom mohla mít celkovou účinnost na úrovni 50 %.

Celkové využití primární energie respektive poměr získané ke vložené energii (EROEI) se z toho důvodu sníží na 3 až 5. Jsou-li předpoklady uvedené výše, je takový zdroj energie neefektivní. Účinnost přenosu byla přitom odhadnuta vysoce optimisticky. Zlepšit se může jedině energetická náročnost výroby fotovoltaické elektrárny a její dopravy na oběžnou dráhu, a to minimálně třikrát.

Technicky je pravděpodobně jednodušší nasměrovat na zemský povrch přímo sluneční záření pomocí zrcadel a tím například eliminovat potřebu nočního osvětlení ve velkoměstech. Zrcadlo lze vyrobit z velmi tenké kovové fólie (tloušťky jednotek mikrometrů), vynesení takového zrcadla na oběžnou dráhu je nejméně o řád levnější než vynesení fotovoltaické elektrárny, nehledě na rozdíl ceny kovové fólie a fotovoltaických panelů. Je potom otázka, co by udělala s psychikou lidí trvale vysoká intenzita osvětlení.

Rizika

Mikrovlnný vysílač může přenášenou energii nasměrovat jinam a za jistých okolností i koncentrovaněji. Pak se ze zdroje energie může stát nebezpečná zbraň. Je přitom vedlejší, jestli se jedná o technickou závadu nebo záměr operátora. Stejný problém se týká i prostého zrcadla, které by odráželo sluneční paprsky. Bezpečnost je zřejmě závažnějším důvodem pro zamítnutí orbitálních fotovoltaických elektráren, než nízká efektivnost využití primárních zdrojů energie.

Bronislav Bechník
Czech RE Agency, o. p. s. je nezisková společnost, která propaguje úspory, obnovitelné zdroje energie a trvalou udržitlenost

Vydáno: 1. července 2011

vytisknout nahoru

České fotovoltaické průmyslové asociace

EUROPEAN PHOTOVOLTAIC INDUSTRY ASSOCIATION