Περιβάλλον: H Ηλιακή Ενέργεια δεν είναι πανάκεια

Η ηλιακή ενέργεια είναι μόνιμη, άφθονη και ακίνδυνη. Η επιφάνεια της Γης δέχεται πάνω από 10.000 φορές περισσότερη ενέργεια από όση η Ανθρωπότητα καταναλίσκει. Η άφθονη όμως αυτή ροή ενέργειας υπόκειται σε δύο περιορισμούς: α) δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στην Γη (1000 kWh ανά m²/έτος στην Βόρειο Γαλλία, 2200 kWh ανά m²/έτος στην Σαχάρα) και β) η αλληλοδιαδοχή ημέρας και νύκτας υποχρεώνει στην πρόβλεψη συστημάτων αποθήκευσης της ενέργειας για την αντιμετώπιση των διακυμάνσεων.

Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, ταξινομείται αδρά σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: α) Ενεργητικά ηλιακά συστήματα, β) Παθητικά ηλιακά συστήματα, γ) Φωτοβολταϊκά συστήματα. Σε αδρή περιγραφή, τα ηλιακά συστήματα (α και β) εκμεταλλεύονται την θερμότητα η οποία εκπέμπεται, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα (γ) στηρίζονται στην μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αναλυτικά:

ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και στην συνέχεια την μεταφέρουν υπό μορφή θερμότητος σε νερό, σε αέρα ή σε κάποιο άλλο ρευστό. Απλή τεχνολογία με πολλές δυνατότητες εφαρμογής σε χρήσεις χαμηλών σχετικά θερμοκρασιών.

Ηλιακός θερμοσίφωνας: Αποτελείται από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, δοχείο αποθήκευσης της θερμότητος και σωληνώσεις (ηλιακός θερμοσίφωνας). Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από τον συλλέκτη και η συλλεγόμενη θερμότητα μεταφέρεται στο δοχείο αποθήκευσης. Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται συνήθως στην οροφή του κτιρίου, με νότιο προσανατολισμό και κλίση 30° - 60° ως προς τον ορίζοντα, ώστε να μεγιστοποιηθεί το ποσόν της ακτινοβολίας το οποίο συλλέγεται ετησίως.

Η επιφάνεια ηλιακών συστημάτων τα οποία ευρίσκονται σε λειτουργία στην χώρα μας είναι περίπου 4.200.000 m² με αντίστοιχη εξοικονόμηση 500.000 περίπου τόνων ισοδύναμου πετρελαίου (ΤΙΠ) και μείωση των εκπομπών Διοξειδίου του Άνθρακος κατά 1.500.000 kg CO₂ ετησίως (στοιχεία 2005). Ήδη, περισσότερες από ένα εκατομμύριο οικογένειες στην Ελλάδα καλύπτουν περίπου 80% των ετησίων αναγκών τους σε ζεστό νερό με χρήση ηλιακού θερμοσίφωνα. Η Ελλάδα είναι από τους μεγαλύτερους εξαγωγείς στην Ευρώπη, ακόμη και σε χώρες με ιδιαίτερη βιομηχανική παράδοση, όπως η Γερμανία.

Θέρμανση νερού και χώρων: Η χρήση των συστημάτων αυτών στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες για την θέρμανση νερού και χώρων, θεωρείται τεχνικά αλλά και οικονομικά αποδοτική, εάν συνδυαστεί με την κατάλληλη μελέτη/κατασκευή του κτιρίου (καλή μόνωση, προσανατολισμός, κ.ά.) και την συνεργασία του χρήστη.

Ψύξη: Η παραγωγή ψύξης, για τον κλιματισμό χώρων και άλλες εφαρμογές, εμφανίζεται ως μία από τις πολλά υποσχόμενες προοπτικές, λόγω της αυξημένης ηλιακής ακτινοβολίας, ακριβώς την εποχή κατά την οποία απαιτούνται τα ψυκτικά φορτία. Υπάρχουν ήδη επιτυχείς εφαρμογές τέτοιων συστημάτων στην χώρα μας και αναμένεται να έχουν ταχεία ανάπτυξη.

ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Τα Παθητικά Ηλιακά Συστήματα αποτελούνται από δομικά στοιχεία, κατάλληλα σχεδιασμένα χωρίς μηχανολογικά εξαρτήματα ή πρόσθετη παροχή ενέργειας, ώστε να υποβοηθούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων ή/και για την ρύθμιση της θερμοκρασίας μέσα σε αυτά. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν την αρχή της Βιοκλιματικής Αρχιτεκτονικής και μπορούν να εφαρμοσθούν σε όλους σχεδόν τους τύπους κτιρίων καθ΄όλη την διάρκεια του έτους. Χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: α) Θέρμανσης, β) Τεχνικών Φυσικού Δροσισμού, γ) Τεχνικών Φυσικού Φωτισμού.

Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός εξαρτάται από το τοπικό κλίμα και βασίζεται στις παρακάτω αρχές:

• Θερμική προστασία των κτιρίων όλο τα έτος, θερμομονώνοντας το εξωτερικό κέλυφος των κτιρίων και αεροστεγανώνοντας ολόκληρο το κτίριο και τα ανοίγματά του.
• Θέρμανση των κτιρίων την χειμερινή περίοδο και φυσικός φωτισμός όλο το χρόνο, προσανατολίζοντας τους χώρους και ιδιαίτερα τα ανοίγματα (ο νότιος προσανατολισμός είναι ο καταλληλότερος) και διαρρυθμίζοντας τους εσωτερικούς χώρους,ανάλογα με τις θερμικές και φωτιστικές τους ανάγκες.
• Προστασία των κτιρίων κυρίως μέσω της σκίασης, αλλά και της κατάλληλης κατασκευής του κελύφους.
• Απομάκρυνση της θερμότητος η οποία το καλοκαίρι συσσωρεύεται μέσα στο κτίριο, με φυσικό τρόπο προς το εξωτερικό περιβάλλον, με συστήματα και τεχνικές παθητικού δροσισμού και κυρίως με τον φυσικό αερισμό τις νυχτερινές ώρες.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα έχουν την δυνατότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το τυπικό Φ/Β σύστημα αποτελείται από το Φ/Β πλαίσιο (ή αλλοιώς, ηλιακή γεννήτρια ρεύματος) και τα ηλεκτρονικά συστήματα τα οποία διαχειρίζονται την ηλεκτρική ενέργεια η οποία παράγεται. Για αυτόνομα συστήματα υπάρχει επίσης το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας σε μπαταρίες. Όταν τα Φ/Β πλαίσια εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία, μετατρέπουν ποσοστό 14% περίπου της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Τα Φ/Β συστήματα χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη-διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων (π.χ., δορυφόροι, φάροι, απομονωμένες κατοικίες). Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των Φ/Β συστημάτων είναι εξαιρετική, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας.

Θεωρητικά, η συνολική σημερινή κατανάλωση ενέργειας παγκοσμίως είναι δυνατόν να παραχθεί από μια επιφάνεια700 km x 700 km(2 φορές το έδαφος της Μ. Βρετανίας) καλυμμένη με φωτοβολταϊκά. Το οικονομικό είναι το κύριο εμπόδιο στην άντληση αυτού του δυναμικού. Σήμερα, η χρήση της άμεσης ηλιακής ενέργειας συνεισφέρει μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό, στις συνολικές απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια και θέρμανση. Ένα επιπλέον πρόβλημα είναι και η μικρή απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων.

Παρόλα αυτά, ο τομέας προβλέπεται να συνεχίσει να αναπτύσσεται δυναμικά, αλλά δεν αναμένεται να συμβάλει πάνω από 1-2% στην συνολική παραγωγή ενέργειας πριν το έτος 2020. Η ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των Φ/Β συστημάτων. Τα Φ/Β συστήματα μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στην λεγόμενη “Διάσπαρτη Παραγωγή Ενέργειας”, η οποία αποτελεί το νέο μοντέλο ανάπτυξης σύγχρονων ενεργειακών συστημάτων παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.

Ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία: Τα Φ/Β πλαίσια αποτελούνται από κατάλληλα επεξεργασμένους δίσκους Πυριτίου τα οποία ευρίσκονται ερμητικά σφραγισμένοι μέσα σε πλαστική ύλη, για να προστατεύονται από τις καιρικές συνθήκες (π.χ. υγρασία). Η πρόσθια όψη του πλαισίου προστατεύεται από ανθεκτικό γυαλί. Η κατασκευή, η οποία δεν υπερβαίνει σε πάχος τα 4 - 5 mm, τοποθετείται συνήθως σε πλαίσιο Αλουμινίου, όπως στους υαλοπίνακες των κτιρίων.

Χαρακτηριστικά Φ/Β Συστημάτων

Τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων, τα οποία τα διαφοροποιούν από τις άλλες μορφές ΑΠΕ είναι:

• Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ. σε επίπεδο μερικών δεκάδων W ή και mW.
• Είναι εύχρηστα. Τα μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες.
• Εγκαθίστανται εύκολα σε πόλεις, ενσωματώνονται σε κτίρια και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον.
• Συνδυάζονται με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα).
• Είναι βαθμωτά συστήματα, δηλαδή μπορούν να επεκταθούν αργότερα, για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες ανάγκες των χρηστών, χωρίς μετατροπή του αρχικού συστήματος.
• Λειτουργούν αθόρυβα, εκπέμπουν μηδενικούς ρύπους, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον.
• Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές.
• Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία κατά την λειτουργία.

Εφαρμογές Φ/Β Συστημάτων

• Καταναλωτικά προϊόντα. Εφαρμογές μικρής κλίμακας ισχύος όπως τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, εξωτερικός φωτισμός κήπων, ψύξη και προϊόντα όπως μικροί φορητοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, φανοί κ.ά.
• Αυτόνομα ή απομονωμένα συστήματα. Συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς οι οποίοι δεν είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Αφαλάτωση / άντληση / καθαρισμός ύδατος, συστήματα εξωτερικού φωτισμού δρόμων, πάρκων, αεροδρομίων, συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεμετρήσεων και συναγερμού, συστήματα σηματοδότησης οδικής κυκλοφορίας, ναυτιλίας, αεροναυτιλίας, αγροτικές εφαρμογές όπως άντληση ύδατος, ιχθυοκαλλιέργειες, ψύξη αγροτικών προϊόντων, φαρμάκων κ.α.
• Μεγάλα Διασυνδεδεμένα στο Δίκτυο Φ/Β Συστήματα, όπου η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο.
• Διασυνδεδεμένα Φ/Β Συστήματα – Οικιακός Τομέας. Εγκαθίστανται σε στέγες ή προσόψεις κατοικιών και τροφοδοτούν άμεσα τις καταναλώσεις του κτιρίου, η δε πλεονάζουσα ενέργεια διοχετεύεται στο ηλεκτρικό δίκτυο (αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της παγκόσμιας αγοράς Φ/Β συστημάτων).

Πλεονεκτήματα

Η ηλιακή θερμική ενέργεια είναι πολλά υποσχόμενη για τις πόλεις, όπου η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι σοβαρότατο πρόβλημα. Πρόκειται για:

• Αξιόπιστη και καθ΄όλα ώριμη και δοκιμασμένη τεχνολογία.
• Η θερμική ενέργεια παράγεται στα σημεία ζήτησής της. Αποφεύγονται έτσι οι υψηλές απώλειες μεταφοράς ενέργειας μέσω του ηλεκτρικού δικτύου (στην Ελλάδα αγγίζουν κατά μέσον όρο το 12%).
• Αυτονομία: Αποτρέπονται οι τεράστιες δαπάνες για εισαγωγή ενέργειας και η ανασφάλεια λόγω εξάρτησης από εισαγόμενους ενεργειακούς πόρους.
• Θέσεις εργασίας: Ήδη αρκετές χιλιάδες άτομα απασχολούνται στην βιομηχανία ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα.
• Ευκολία: Η τοποθέτηση ενός ηλιακού συλλέκτη είναι απλή, η δε συντήρηση η οποία απαιτείται είναι ελάχιστη.
• Εξοικονόμηση χρημάτων: Για τον καταναλωτή, ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι η πλέον απλή και συμφέρουσα λύση για την μείωση του κόστους του ηλεκτρικού ρεύματος (ΔΕΗ).
• Εξοικονόμηση ενέργειας: Οι εγκατεστημένοι ηλιακοί θερμοσίφωνες στην χώρα μας εξοικονομούν ήδη 1,1 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες τον χρόνο, όση ενέργεια παράγει ένας συμβατικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής, ισχύος 200 MW.
• Προστασία περιβάλλοντος: Αποτρέπεται η έκλυση μεγάλων ποσοτήτων ρύπων οι οποίοι επιβαρύνουν το περιβάλλον και την δημόσια υγεία.
• Κλιματικές αλλαγές: Αποτρέπεται η κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και κατά συνέπεια οι εκπομπές CO₂. Ένα τυπικό θερμοσιφωνικό σύστημα για οικιακή χρήση παράγει στην Ελλάδα ετησίως 840 - 1.080 kWh και αποσοβεί την έκλυση 925 - 1200 kg CO₂ / έτος, όσο δηλαδή θα απορροφούσε 1,5 στρέμμα δάσους.

Μειονεκτήματα

Εκτός από την χαμηλή απόδοση των ηλιακών πηγών ενεργείας (σε σχέση με το κόστος τους), υπάρχουν και άλλα προβλήματα τα οποία θα πρέπει να λαμβάνονται υπ’ όψιν, σε μακροχρόνια προοπτική:

• Η μαζική χρήση των φωτοβολταϊκών κυττάρων επιβάλλει την δημιουργία μιας χημικής βιομηχανίας, κυρίως αυτής του Πυριτίου, με πάμπολλα τεχνικά και οικολογικά προβλήματα.
• Ένας ηλιακός σταθμός παραγωγής ενέργειας, ισχύος 3 MW τύπου THEMIS, καλύπτει έκταση 50 στρεμμάτων. Για να καλυφθούν οι ενεργειακές ανάγκες π.χ. της Γαλλίας κατά 10% θα απαιτούντο 5.500 τέτοιοι σταθμοί συνολικού εμβαδού 275.000 στρεμμάτων, τοποθετημένοι στα περισσότερο ηλιόλουστα μέρη της χώρας. Για σύγκριση, η ίδια ενέργεια είναι δυνατόν να παραχθεί από 16,5 πυρηνικές μονάδες μεσαίας ισχύος, συνολικής επιφάνειας 8.250 στρεμμάτων, δηλαδή 33 φορές μικρότερη.
• Για τις χώρες του Τρίτου Κόσμου θεωρήθηκε πανάκεια, χωρίς να είναι: Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα είναι χρήσιμα τις ηλιόλουστες ημέρες και για άμεση χρήση μόνο. Την περίοδο των βροχών (αρκετοί μήνες τον χρόνο) ο ουρανός είναι φορτωμένος με βαριά σύννεφα και τα συστήματα είναι σχεδόν άχρηστα. Η αντικατάσταση τους με Φ/Β είναι συχνά απαγορευτική, λόγω του μεγάλου κόστους για πληθυσμό ο οποίος ζει με 2 δολάρια την ημέρα. Ακόμα και αυτή η λύση είναι ατομική (ανά νοικοκυριό) και δεν μπορεί να καλύψει τις παραγωγικές και βιοτικές ανάγκες της χώρας σε μακροκλίμακα.
• Για λόγους τους οποίους εξηγεί η θερμοδυναμική, η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική και στην συνέχεια σε μηχανική, θα οδηγούσε στην απελευθέρωση στην ατμόσφαιρα ή στους ποταμούς των ίδιων ποσοτήτων θερμότητος τις οποίες αποβάλλουν και οι συνηθισμένες θερμικές μηχανές, για ίση παραγωγή ενέργειας.
• Εάν το ζητούμενο ήταν η κάλυψη όλων των ενεργειακών αναγκών από τον Ήλιο, οι απαιτούμενες τεχνικές εγκαταστάσεις θα κατελάμβαναν έκταση ίση με το 3% της επιφάνειας της Γης.

Βιβλιογραφία

• Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος – ΤΕΕ, “Τεχνολογίες Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας”, http://portal.tee.gr/portal/page/portal/tptee/dg2013/ktirio/DE4-Renewable%20Energy%20Sources-final.pdf, Έκδοση ΤΕΕ, 2011
• www.greenpeace.org/greece, 2018
  • Energy Informative, “Solar Energy Pros and Cons”, http://energyinformative.org/solar-energy-pros-and-cons/, 2018
  • Environmental Science “Solar Power 101: Advantages & Disadvantages”, https://www.environmentalscience.org/solar-power-101, 2018
  • Électricité de France – EDF, “Solar energy - advantages and disadvantages”, https://www.edfenergy.com/for-home/solar-energy-advantages-disadvantages