Artykuły

Postępujące zmiany klimatu oraz wzrost cen nośników energii powodują, iż kwestia bezpieczeństwa energetycznego i uniezależnienia się od importowanych paliw kopalnych nabrała przez ostatnie lata kluczowego znaczenia. Niewątpliwie istotnym elementem transformacji energetycznej są odnawialne źródła energii wraz z najszybciej rozwijającą się wśród nich fotowoltaiką. Zarówno dachowe jak i gruntowe instalacje fotowoltaiczne stały się powszechne, a dynamiczny przyrost ich mocy w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym wyprzedził założenia przyjęte w Polityce Energetycznej Polski do 2040 roku. Jednakże zarówno ilość dachów, na których możliwe jest umieszczenie efektywnie pracujących instalacji fotowoltaicznych, jak i ilość gruntów, które nie mogą być użytkowo wykorzystane na potrzeby rolnictwa czy budownictwa, jest ograniczona. Stąd też podejmowane są starania, aby rozwijać energetykę słoneczną bez konieczności konkurowania z innym przeznaczeniem dostępnej powierzchni. Dobrym tego przykładem jest agrofotowoltaika, czyli instalacje towarzyszące uprawom rolnym oraz carporty, czyli wiaty fotowoltaiczne dla samochodów osobowych.

Stosunkowo nowym pomysłem, który dopiero zyskuje na popularności jest też budowa instalacji pływających (ang. floating photovoltaics, w skrócie FPV), czyli takich, które są posadowione na zbiornikach wodnych np. jeziorach, stawach, a nawet morzach i oceanach. W Polsce one co prawda dopiero raczkują, ale na świecie ich moc możemy już liczyć w gigawatach. Ten typ instalacji rozwija się szczególnie w Azji - Japonii i Chinach, ale również w Europie, np. w Niemczech, Holandii, Francji, Hiszpanii, czy Portugalii.

Jak to dziś wygląda?

Co pewien czas na polskich portalach branżowych pojawiają się ciekawostki o tego typu pilotażowych instalacjach, np. o pionierskim projekcie realizowanym przez Energa OZE przy Elektrowni Wodnej Łapino, czy o wybudowanej w ubiegłym roku w Gdańsku mikroinstalacji fotowoltaicznej na sztucznym zbiorniku retencyjnym wód opadowych, która jest dobrym przykładem wykorzystania nieużytkowych powierzchni wodnych do generacji zielonej energii. Są to jednak tylko małe jednostki, które mają pełnić rolę demonstratorów. Testy te poprzedzają docelowe inwestycje obejmujące pływające farmy fotowoltaiczne o mocach rzędu kilku megawatów. Prowadzone są w celu wyboru najbardziej odpowiedniego systemu pływającego, dobrania optymalnego kąta nachylenia modułów fotowoltaicznych w stosunku do tafli wody, optymalnej wyporności oraz zweryfikowania wydajności poszczególnych instalacji przy zastosowaniu różnych modułów fotowoltaicznych.

W Polsce znajdziemy też przykłady większych, komercyjnych instalacji, jak choćby uruchomiona w 2021 r. w podtoruńskiej miejscowości Czarne Błoto pływająca farma o mocy 0,5 MW na zbiorniku powstałym po wydobyciu żwiru.

Rys. 1 Pływająca farma fotowoltaiczna o mocy 0,5 MW na zbiorniku powstałym po wydobyciu żwiru [1]

Trwają też przygotowania do uruchomienia kolejnych pływających farm, będących największymi tego rodzaju instalacji w Polsce. W najbliższych miesiącach zrealizowane zostaną budowy dwóch pływających farm fotowoltaicznych. Moc pierwszej z nich wyniesie 2,83 MW, a drugiej – nawet 11 MW [2]. Jak widać, budowane są w ten sposób instalacje fotowoltaiczne o coraz większych mocach. Daleko im co prawda do rekordzistów, m.in. takich jak największa na świecie pływająca farma Wenzhou Taihan Solar PV Park o mocy 550 MW zajmująca niespełna 5 kilometrów kwadratowych [3], ale nasze polskie doświadczenie zebrane w ostatnich latach podczas dynamicznego wzrostu instalacji prosumenckich i farm gruntowych, pozwalają z nadzieją patrzeć także na przyszłość innych gałęzi fotowoltaiki.

Jakie są zalety pływających instalacji?

Szacunki Banku Światowego mówią, że istnieje ponad 6600 dużych zbiorników wodnych z potencjałem do zainstalowania na nich ponad 4000 GW (zakładając, że zaledwie 10% ich powierzchni zostałoby pokryte panelami słonecznymi) [4]. Nic więc dziwnego, że przy tak ogromnym potencjale rynek tej technologii dynamicznie rośnie począwszy od 2016 roku.

Rys. 2 Moc zainstalowana w pływającej fotowoltaice na świecie [4]

Pływające instalacje fotowoltaiczne mogą stać się bardzo pożądaną alternatywą w zakresie wykorzystania energii pochodzącej ze słońca, ponieważ mimo potrzeby dywersyfikacji źródeł wytwarzania i stawiania na OZE, wielkopowierzchniowe, gruntowe farmy fotowoltaiczne podobnie jak turbiny wiatrowe coraz częściej spotykają się z oporem społecznym. Kwestia ich estetyki pozostaje dyskusyjna, ale wpływ na środowisko oraz przede wszystkim rywalizacja z rolnictwem o grunty niższych klas, które przy odpowiednim nawożeniu mogłyby być efektywnie wykorzystane do mniej wymagających upraw, mają silne argumenty przemawiające za bardziej restrykcyjnym uwzględnieniem ich w planowaniu przestrzennym. Budowa pływających instalacji spotyka się z potencjalnie mniejszym oporem społecznym niż podobne projekty na lądzie, ponieważ w przeciwieństwie do wielu lądowych elektrowni słonecznych, pływające panele mogą być dyskretne, gdyż zazwyczaj zlokalizowane są w miejscu z dala od przestrzeni publicznej. Fotowoltaikę na wodzie z reguły lokalizuje się na zbiornikach sztucznych lub przemysłowych, wykorzystując powierzchnie wodne niemające walorów przyrodniczych czy społecznych. Ale to nie jedyne z jej zalet, publikacje naukowe wymieniają szereg innych, także z perspektywy społeczno-gospodarczej, np. przyczynianie się do realizacji celów w zakresie adaptacji i łagodzenia zmiany klimatu poprzez ograniczanie parowania wody w jeziorach, co może mieć pozytywny wpływ w lokalizacjach narażonych na suszę lub niedobory wody. Dodatkowo latem instalacje te chronią zbiorniki wodne przed nadmiernym rozwojem glonów ograniczając eutrofizację oraz zapewniają schronienie i cień dla ryb i innych organizmów wodnych przed naturalnymi drapieżnikami takimi jak ptaki, potencjalnie przynosząc korzyści lokalnym ekosystemom. Ponadto jedną z najczęściej wymienianych zalet jest naturalne chłodzenie modułów, co szczególnie w trakcie upalnych dni znacząco podnosi ich efektywność. Moduły słoneczne zwykle działają lepiej w niższych temperaturach, a woda działa jak naturalny radiator, zmniejszając ryzyko przegrzania. Ponadto tak specyficzna lokalizacja pozwala wyeliminować zacienienie oraz ilość zanieczyszczeń osiadających na panelach. Również modułowy sposób montażu za pomocą pływaków zakotwiczonych do dna pozwala na szybszą realizację obiektu niż w przypadku lądowych farm PV.

Rys. 3 Montaż pływającej instalacji PV na sztucznym zbiorniku osadowym [1]

Instalacja hybrydowa oparta o pływającą fotowoltaikę

Co również istotne, instalacje pływające mogą doskonale współpracować z elektrowniami wodnymi, aby się uzupełniać i choćby w ramach tzw. cable poolingu pracować wymiennie lub wspólnie, efektywnie wykorzystując przyznaną im moc przyłączeniową. Profil produkcji tego typu hybrydy w odpowiednich warunkach może być stały, a przynajmniej przewidywalny i częściowo sterowalny, czego brak jako ogromną wadę zazwyczaj wytykają sceptycy miksu energetycznego opartego o odnawialne źródła energii. Ponadto rozbudowując elektrownie o dodatkowy komponent w postaci fotowoltaiki, wykorzystujemy istniejącą infrastrukturę energetyczną, obniżając tym samym zarówno koszty inwestycji jak i koszty eksploatacji. Gdyby dodatkowo tego typu hybrydę wykorzystać w szczególnym typie elektrowni wodnej, czyli szczytowo-pompowej, która pełni rolę magazynu energii i często ratuje Krajowy System Elektroenergetyczny w kryzysowych sytuacjach, uzyskalibyśmy idealne źródło wytwórcze dodatkowo poprawiające elastyczność sieci. W końcu nie od dziś wiadomo, iż magazynowanie energii będzie kluczowym elementem transformacji energetycznej jako stabilizator sieci przenoszący piki energii wyprodukowanej przez fotowoltaikę i turbiny wiatrowe na okres kiedy te jej nie produkują wypełniając w ten sposób lukę na rynku energii pomiędzy stroną popytu i podaży.

Rys. 4 Schemat instalacji hybrydowej – elektrowni wodnej i pływającej instalacji fotowoltaicznej [5]

Perspektywa rozwoju FPV

Koszt instalacji pływających farm fotowoltaicznych jest obecnie nieco wyższy niż w przypadku instalacji naziemnych, należy się jednak spodziewać, że będą one dość szybko spadać wraz z rozwojem technologii i wzrostem produkcji charakterystycznych dla nich komponentów. Jak już zostało wspomniane, rynek tej technologii dynamicznie rośnie począwszy od 2016 roku, choć według danych Banku Światowego, pierwsza pływająca instalacja powstała w 2007 r. w Prefekturze Aichi w Japonii. Pierwsze 20 elektrowni o mocy kilkudziesięciu kilowatopików powstało w latach 2007-2013, a największą dynamikę odnotowano w ostatnich latach, kiedy moc zainstalowana wzrosła z 3 GW w 2020 r. do 13 GW w 2022 r., przekraczając już wtedy wcześniejszą prognozę mówiąca o 10 GW do 2025 r. [6].

Z pewnością technologia ta nie jest jeszcze w pełni rozwinięta i nadal brakuje dostatecznego doświadczenia w jej budowie, co sprawia, że jest to duże wyzwanie, z którym należy się zmierzyć. Pisząc o jej zaletach, nie wolno zapominać też o wadach, których również nie brakuje. Do najważniejszych należą przede wszystkim wyższy niż w przypadku naziemnej fotowoltaiki koszt inwestycji oraz brak wystarczającej wiedzy jak komponenty takie jak panele lub kotwy będą działać w środowisku mokrym lub zasolonym. Jak widać czynniki oddziałujące niekorzystnie na pływające farmy wynikają przede wszystkim z jeszcze małej skali takich inwestycji, stąd też łatwo wysnuć wniosek, że z każdym nowym zainstalowanym gigawatem kontrargumentów będzie mniej. Istotne jest, aby instalacja została poprawnie zaprojektowana uwzględniając charakterystykę danego zbiornika, a komponenty dobrane tak, aby radziły sobie w wilgotnych i czasami wzburzonych przez fale lub prąd rzeki warunkach. Stąd tak ważne są instalacje pilotażowe, które dadzą odpowiedź na pytanie jaką platformę pływającą i systemy kotwiące wybrać. W przypadku wody słonej, konieczne mogą okazać się regularne kontrole i czyszczenie modułów fotowoltaicznych. Nie można również zapominać, że kluczowe znaczenie dla powodzenia projektów pływających ma pierwszy etap, czyli staranny wybór lokalizacji. Należy wziąć pod uwagę takie czynniki jak głębokość wody, jej jakość, panujące warunki pogodowe i lokalne przepisy dotyczące ochrony środowiska. Bardzo ważna jest ocena potencjalnego wpływu instalacji na środowisko. Choć jak wspomniano wcześniej,  mogą one zapewnić cień i siedlisko organizmom wodnym, ale mogą również mieć niezamierzone konsekwencje, takie jak zmiana temperatury i składu chemicznego zbiorników wodnych. Dlatego aby zminimalizować negatywne skutki, konieczne są badania i oceny środowiskowe.

Podsumowanie

Podsumowując, pływające systemy fotowoltaiczne mogą być bardzo dobrym pomysłem, jeśli tylko zostaną zaprojektowane w sposób przemyślany i odpowiedzialny w odpowiednich lokalizacjach. Oferują sposób na maksymalne wykorzystanie zbiorników wodnych do wytwarzania energii odnawialnej, co może być szczególnie cenne na obszarach o dużych zasobach wody, ale ograniczonych terenach pod instalacje naziemne. Jednakże każdy projekt powinien zostać poddany starannemu planowaniu i ocenie środowiskowej, aby określić, czy jest to rozwiązanie wykonalne i zrównoważone, aby w sposób niezamierzony doprowadzić do gospodarki rabunkowej. Zebrane dotychczas doświadczenia pozwalają sądzić, iż segment ten ma podstawy do dynamicznego rozwoju, a trwające badania mają na celu poprawę wydajności, trwałości i opłacalności.