Gorętsza planeta sprawi, że energia słoneczna będzie mniej wydajna

Energia słoneczna to ekologiczne, odnawialne źródło energii i ważny sposób na zmniejszenie uzależnienia planety od paliw kopalnych. Wielką nadzieją jest to, że to i inne odnawialne źródła mogą pomóc odwrócić ogrzewanie, które zagraża naszemu klimatowi.

Ale jest problem: zmiany klimatyczne prawdopodobnie będą miały znaczący wpływ na wytwarzanie energii słonecznej, nie tylko ze względu na zmiany w ilości padającego światła słonecznego w różnych częściach świata. Niektóre obszary będą widzieć więcej światła słonecznego, a inne mniej z powodu zmian w zachmurzeniu, zawartości wody atmosferycznej, aerozoli i tak dalej. Większość miejsc będzie miała większą zmienność.

Dokładne zmiany w konkretnych lokalizacjach są trudne do obliczenia. Dlatego naukowcy, decydenci, dostawcy energii i inni zmagają się z przewidywaniem, w jaki sposób będzie to miało wpływ na ich obszary.

Dziś Ian Peters i Tonio Buonassisi z MIT pokazują, dlaczego należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden czynnik: temperaturę. Wydajność ogniw fotowoltaicznych spada, gdy się nagrzewają. Ale jak to się ułoży, gdy planeta się ociepli, jest słabo rozumiane, i właśnie tam wkraczają Peters i Buonassisi.

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd, gdy światło słoneczne przekazuje energię elektronom w materiale. Proces ten tworzy również dodatnio naładowane dziury w strukturze, które przepływają w kierunku przeciwnym do elektronów.

Ważnym czynnikiem wpływającym na wydajność ogniw fotowoltaicznych jest szybkość, z jaką elektrony łączą się z dziurami, co jest procesem, który usuwa je z pasma przewodnictwa, a tym samym zmniejsza moc wyjściową. Szybkość ta jest bardzo wrażliwa na temperaturę: im jest cieplej, tym wyższa szybkość rekombinacji.

To prawdopodobnie odegra znaczącą rolę, gdy planeta się ociepli, mówią Peters i Buonassisi. Obliczają, że średnio moc fotowoltaiczna zmniejsza się o 0,45% na każdy stopień wzrostu temperatury.

Następnie badają wpływ tej zmiany, wykorzystując zmianę temperatury przewidywaną przez Międzynarodowy Zespół ds. Zmian Klimatu. IPCC przedstawił kilka prognoz opartych na różnych szacunkach przyszłych emisji gazów cieplarnianych. Peters i Buonassisi stosują tak zwany scenariusz Reprezentatywnej Ścieżki Koncentracji 4,5, w którym emisje osiągają szczyt w 2040 r. i zwiększają średnią globalną temperaturę o 1,8 stopnia Kelvina do 2100 r.

Mówią, że ponieważ temperatury rosną niemal wszędzie na lądzie naszej planety, produkcja energii spada wszędzie. Ale niektóre obszary będą w gorszej sytuacji niż inne. Obszary szczególnie dotknięte to południowe Stany Zjednoczone, Afryka Południowa i Azja Środkowa.

Następnie tworzą globalną mapę, która pokazuje zakres zmian mocy wyjściowej w dowolnym obszarze.

Oczywiście naukowcy zwracają uwagę na szereg zastrzeżeń. Mówią, że na moc wyjściową ogniw fotowoltaicznych wpłyną również inne czynniki. W szczególności ilość padającego światła słonecznego będzie zależeć od zachmurzenia i zawartości wody atmosferycznej (tj. wilgotności).

Wskazują, że wartość -0,45%/K, której używają do obliczenia spadku mocy wyjściowej, jest tylko reprezentatywną liczbą. Przełomy w materiałoznawstwie mogą w przyszłości znacząco to zmienić. Na przykład materiały o wyższej przerwie wzbronionej, takie jak tellur kadmu, mają znacznie mniejszy spadek wydajności.

Niemniej jednak przesłanie jest jasne. Globalne ocieplenie zmniejszy ilość energii, którą mogą wytworzyć ogniwa fotowoltaiczne, w niektórych miejscach o znaczną ilość. A to będzie wymagało rozliczenia, jeśli chodzi o przyszłe planowanie energetyczne.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1908.00622 : Wpływ globalnego ocieplenia na wydajność krzemowej energii fotowoltaicznej w 2100

ukryć