Ekspert: orbitalne elektrownie solarne to nie fantastyka naukowa

O orbitalnych elektrowniach słonecznych mówią z rozmowie z PAP: dr inż. Adam Jan Zwierzyński, adiunkt na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, właściciel start-upu Solar System Resources Corporation (SSRC) i Piotr Boroń, współwłaściciel SSRC.

Budowa orbitalnych elektrowni słonecznych - to brzmi jak fantastyka naukowa.

Dr inż. Adam Jan Zwierzyński: Pozornie może się wydawać, że to fantastyka naukowa, ale obecny rozwój technologii kosmicznych i systemów wynoszenia ładunków na orbitę jest na tyle dojrzały, że coraz więcej państw, takich jak USA, Chiny, Indie, Wielka Brytania, tworzy nowe programy badawczo-rozwojowe orbitalnych stacji energetycznych. W Wielkiej Brytanii powstała już nawet koncepcja Space Energy Initiative.

W czym taka elektrownia jest lepsza niż naziemna?

AJZ: Orbitalna solarna stacja energetyczna pracuje praktycznie przez całą dobę, gdyż światło słoneczne na orbicie geostacjonarnej nie jest przesłaniane przez kulę ziemską. Ponadto ilość energii słonecznej jest większa ze względu na brak tłumienia przez atmosferę. Jeśli porównamy ziemską farmę fotowoltaiczną i odpowiednik kosmiczny o tej samej mocy nominalnej, to produkcja energii na orbicie będzie większa 8-11 razy.

Chcą Państwo, jako Solar System Resources Corporation, uczestniczyć w budowie systemów słonecznych elektrowni orbitalnych. Jak one mają wyglądać?

AZJ: Typowy system składa się z konstelacji masywnych satelitów w skali kilometrowej na orbicie okołoziemskiej. Każdy z nich ma bardzo lekkie panele słoneczne i system luster, które skupiają światło słoneczne na panelach, generując ok. 3,4 GW energii elektrycznej na satelicie. Energia jest przekształcana w promieniowanie mikrofalowe o wydajności 85 proc. Proponowana częstotliwość mikrofal wynosi zwykle 2,45 GHz, aby była przezroczysta dla atmosfery i wilgoci.

Wspomniał Pan o brytyjskiej koncepcji Space Energy Initiative. Co to takiego?

Piotr Boroń: Kilka tygodni temu kraj ten przeznaczył 3 miliony funtów na prace koncepcyjne, co było poprzedzone analizą wykonalności technicznej i ekonomicznej przez firmę konsultingową Frazer-Nash Consultancy. Studium wykazało bardzo duże korzyści ekonomiczne i technologiczne dla gospodarki kraju, przy założeniu, że system będzie działał na orbicie geostacjonarnej od ok. 2040 roku. Szacowana moc efektywna jednej stacji typu CASSIOPEIA, uwzględniająca straty na przesył energii z kosmosu na Ziemię przy pomocy wiązki mikrofalowej, to ok. 2GW. Natomiast demonstrator technologii o mocy wielomegawatowej planowany jest już w 2031 roku.

Budowa takiej stacji nie będzie tania. Czy to się opłaci?

PB: Według analizy przygotowanej dla Europy, szacuje się, że pierwszy system SBSP, który zostanie oddany do użytku, będzie kosztował 9,8 mld EUR według cen z 2022 r., a koszty operacyjne wyniosą 3,5 mld EUR przez okres 30 lat użytkowania. Ze względu na ekonomię skali kolejne systemy będą tańsze. Koszt dziesiątego systemu szacuje się na 7,6 mld EUR, a koszty operacyjne na 1,3 mld EUR. Przy 5 proc. stopie zwrotu wyrównany koszt energii (LCOE) pierwszego systemu wyniósłby 69 EUR/MWh, co czyni go bardziej konkurencyjnym kosztowo niż wszystkie inne alternatywy. Docelowa moc dla Europy do 2050 wynosi 54 GW. Stacje takie mają pełnić funkcje stabilizacji sieci energoelektrycznych, opartych na niestabilnych źródłach OZE. Space Based Solar Power (SBSP) pracuje praktycznie przez 24 godziny na dobę, 356 dni w roku, z 99 proc. dyspozycyjnością mocy. Co ważne, energię z orbitalnych stacji energetycznych można elastycznie, według potrzeb, przesyłać na odległości tysięcy kilometrów.

Jaki proc. zapotrzebowania np. Europy takie elektrownie realnie mogłyby zaspokoić?

AZJ: Teoretycznie na orbicie jest ok. 1800 miejsc dla takich stacji, co mogłoby zapewnić energię nie tylko dla Europy, ale i znacznej części świata. Niedawno Europejska Agencja Kosmiczna ogłosiła wyniki analiz studium wykonalności i opłacalności dla Europy orbitalnych stacji słonecznych. Jeden z wariantów proponowanego systemu miał moc 54 GW, co wystarczałoby do skutecznego stabilizowania sieci energoelektrycznych kilku państw, w tym Polski.

Czy istnieją już odpowiednie rakiety i inne technologie, aby takie elektrownie wybudować?

AZJ: Kluczowe dla rozwoju tej technologii będzie wdrożenie superciężkich rakiet nośnych wielokrotnego użytku. Ale już w tym roku możemy się spodziewać pierwszego testowego lotu orbitalnego Starship Space X o nośności 100 ton. Ponadto Europejska Agencja Kosmiczna podjęła działania na rzecz stworzenia europejskiego superciężkiego systemu rakietowego, który ma mieć możliwość wynoszenia rocznie 10 000 ton ładunku (European heavy lift launcher - PROTEIN).

Jakich technologii brakuje? Elektrownie na orbicie zapewne będą składane przez roboty...

AJZ: Projekty budowy orbitalnych elektrowni solarnych są rozwijane od lat 70. XX wieku. Problem jak dotąd były głównie koszty wynoszenia, które uniemożliwiały realizację tych projektów. To jednak zmieniło się wraz z postępem w branży rakietowej i dziś takie projekty są już opłacalne i wykonalne technologicznie. Technologia jest już na tak wysokim poziomie dojrzałości, że nie wymaga żadnych wielkich przełomów, a jedynie wymaga udoskonalenia w zakresie większej autonomii i optymalizacji.

Po jakim czasie wspomniane, wysokie przecież koszty mogą się zwrócić?

PB: Z analizy przygotowanej przez Frazer-Nash Consultancy dla ESA wynika, że koszt europejskiego systemu może wynieść ok. 400 mld euro, jednak wartość wyprodukowanej energii i zysku dla gospodarki europejskiej przekroczy 600 mld euro i to przy założeniu bardzo wysokich kosztów rozwoju systemu pełnoskalowego w okresie 2040-2070 r. Studium objęło 5 krajów - Niemcy, Francja, W. Brytania, Włochy i Polskę. W przypadku Polski analizy wykonane przez Frazer-Nash Consultancy okazały się szczególnie korzystne.

To znaczy?

PB: Chodzi o obecny, wysokoemisyjny model sektora energoelektrycznego. W perspektywie długoletniej należny odejść nie tylko od węgla, ale również od paliw węglowodorowych (ropa, gaz, benzyna) na produkcję zielonego wodoru i zielonej energii. Orbitalne Stacje Solarne wygenerowałby zysk netto dla Polski w kwocie 233 mld euro (ponad bilion złotych). W analizie uwzględniono również korzyści zewnętrzne wynikające z finansowania prac B+R w polskich instytucjach badawczych, które oszacowano na 65 miliardów euro. Korzyści społeczne wynikające z unikniętej emisji dwutlenku węgla dzięki zastosowaniu SBSP wyniosą dla polskiej gospodarki 177 miliardów euro. Żadna dotychczasowa technologia klasyczna ani OZE nie jest w stanie zapewnić naszemu krajowi tak ogromnego zysku ekonomicznego, jak i skoku technologicznego.

Czy coś szczególnego Polska ma do zaoferowania?

AJZ: Na części terenów poprzemysłowych można budować stacje odbiorcze – rectenny. Według raportu Frazer-Nash Consultancy dla Europejskiej Agencji Kosmicznej nasz kraj ma do zaoferowania aż około 700 lokalizacji pod takie systemy. Posiadamy też wiele firm sektora kosmicznego, które konstruują mechanizmy działające w środowisku kosmicznym, komponenty satelitarne, a nawet pracują nad dynamiką układów złożonych w warunkach mikrograwitacji. Projekt brytyjsko-polski to szansa dla tych firm na stałe zlecenia – nie tylko przy budowie orbitalnych solarnych stacji energetycznych, ale też ich serwisowaniu.

Na czym ma polegać udział Państwa firmy?

PB: Od początku roku nasza firma Solar System Resources Corporation Sp. z o. o. zabiega o mocne zaangażowanie się Polski w brytyjski program budowy orbitalnych solarnych stacji energetycznych. Jesteśmy w kontakcie z firmą Frazer-Nash Consultancy oraz osobami odpowiedzialnymi za rozwój projektu orbitalnej solarnej stacji energetycznej CASSIOPEIA. Staramy się również o uzyskanie od polskiego rządu pomocy de-minimis na rozwój wstępnych koncepcji, analizy techniczne i ekonomiczne dla polskiej gospodarki. Interesuje nas komponent naziemny związany z rectennami.

Zatem chcą Państwo budować anteny do odbioru energii?

AJZ: Chcielibyśmy zająć się adaptacją terenów poprzemysłowych na stacje odbiorcze, a także właśnie budową rectenn. Chcielibyśmy w tym temacie współpracować z polskimi uczelniami i instytutami, np. Akademią Górniczo-Hutniczą. Chcemy również zbudować demonstrator technologii. Jako startup górnictwa kosmicznego interesuje nas również przyszły rozwój systemu orbitalnych solarnych stacji energetycznych z wykorzystaniem zasobów kosmicznych. Pierwsze stacje powstaną z wykorzystaniem ziemskich zasobów. Jednak w przyszłości dzięki zasobom kosmicznym można zmniejszyć koszty budowy i obsługi kolejnych stacji kosmicznych. Byłby to również silny impuls dla globalnego sektora kosmicznego.

Od czego zależy możliwość uczestnictwa, jakie są na to realne szanse?

Potrzebna jest przede wszystkim wola polityczna. Tak, będzie to kosztowało, ale to się opłaci. Raport Frazer-Nash Consultancy dla ESA pokazuje, że projekt będzie wysoce opłacalny dla naszego kraju. Nasza firma jest gotowa pomóc w realizacji tego projektu w Polsce.

Decyzja odnośnie ewentualnego rozpoczęcia prac nad budową elektrowni solarnych na orbicie ma zapaść za 5 lat, po ukończeniu analitycznego programu SOLARIS - Europejskiej Agencji Kosmicznej. Czy można tyle czekać?

System pełnoskalowy złożony z 54 stacji typu CASSIOPEIA powinien działać w latach 2040-2070, co oznacza, że mamy od dziś 18 lat na budowę ogromnej infrastruktury na orbicie Ziemi, łącznie z pracami badawczo-rozwojowymi.

Ważne będzie głosowanie na Radzie Ministrów ESA podczas jesiennego spotkania i zapewnienie środków dla programu SOLARIS. Uważamy, że polska delegacja powinna się opowiedzieć za solidnym finansowaniem tego programu (co najmniej 150 milionów euro) w trzyletniej perspektywie budżetowej Europejskiej Agencji Kosmicznej, bo może najwięcej skorzystać na tym nasz kraj.

Należy jednak pamiętać, że linia czasowa była budowana konserwatywnie, uwzględniając stopniowo narastające finansowanie, ograniczanie ryzyka. Jednak Polska nie ma tyle czasu, podobnie jak inwestorzy. Nasz kraj stoi w obliczu tak ogromnych wyzwań związanych z geopolityką, transformacją i bezpieczeństwem energetycznym, że projekt musi przyspieszyć.

autor: Marek Matacz