Solarna energija: Izvori energije

Najveći deo energije koju naša planeta koristi dolazi od Sunca. Počnimo od najočiglednijeg – Sunce nas greje i obezbeđuje dnevnu svetlost. Ipak, obično najpre pomislimo na električnu energiju koju dobijamo na razne načine, u Srbiji gotovo isključivo od termoelektrana i hidroelektrana. I jedan i drugi izvor zapravo predstavljaju posredno korišćenje sunčeve energije.

Fosilna goriva (ugalj, nafta, mazut…) koja koristimo u termoelektranama nastala su raspadom mrtvih organizama. Ti organizmi su procesom fotosinteze „zarobili“ sunčevu energiju u svoje ćelije u vidu hemijske energije. Kada su se phytoplankton i zooplankton našli pod zemljom, bez vazduha i na većem pritisku, dolazilo je do složenih procesa koji su kroz milione godina stvorili naftu. Na sličan način su biljke (pre svega džinovske paprati) u anaerobnim uslovima stvorile razne vrsta uglja kao i gas (metan). Ovaj proces teče neprekidno, dakle nafta, ugalj i gas nastaju i dalje, ali su potrebni milioni godina da se oni formiraju, a mi ih trošimo u ogromnim količinama, tako da se fosilna goriva postepeno iscrpljuju.

Dodatni problem sa fosilnim gorivima je što se njihovim sagorevanjem oslobađa ugljen dioksid (CO2), upravo onaj gas koji je u procesu fotosinteze „zarobljen“, kada je oslobađan kiseonik. Emisija velikih količina „zarobljenog“ CO2 negativno utiče na ravnotežu u prirodi, pojačava efekat staklene bašte (globalno zagrevanje) i na razne načine šteti životnoj sredini.

Šta sa hidroelektranama?

Hidroelektrane na prvi pogled nemaju veze sa sunčevom energijom, a ne oslobađaju ni CO2 – voda koja pada okreće turbine i taj mehanički rad se pretvara u električnu energiju. Neminovno se postavlja pitanje „šta će biti kada sva voda padne dole“? Nema nade da vodu ponovo „podignemo gore“ koristeći generisanu energiju; ne samo da ne bismo dobili nikakvu energiju za dalju upotrebu, nego bismo bili u stalnom minusu pošto postoje gubici i kod proizvodnje energije i kod pumpanja vode (istini za volju, postoje tzv. reverzibilne hidroelektrane koje troše struju da bi noću vraćale vodu u osnovno jezero, ali je tu smisao u ujednačavanju potrošnje i obezbeđivanju stabilnosti elektroenergetskog sistema, uz svesne gubitke energije).

Pa ko onda „podiže“ vodu? Zamislite – Sunce. Voda iz mora, reka i jezera isparava pod uticajem Sunčeve toplote, vodena para formira oblake koji negde istresu kišu, ta kiša napaja zemlju i izvore reka, koje nastavljaju da dovode „podignutu“ vodu u akumulaciona jezera hidrocentrala. Na sličnim principima funkcionišu i vetrogeneratori, pošto različita temperatura vazduha izaziva njegovo strujanje, dakle vetar koji okreće elise, a taj mehanički rad se pretvara u električnu energiju.

Da li taj proces predstavlja onaj čuveni „večiti pokretač“, perpetuum mobile? Na nivou trajanja naših život u neku ruku da, ali Sunce neće večito „podizati vodu“ ili „praviti vetar“, pošto se naša zvezda neminovno troši. Gruba procena kaže da je vek Sunca oko 8 milijardi godina, pri čemu je ono sada na oko pola puta, pošto je staro 4.5 milijarde godina. Sunce je sada u ravnoteži, pošto njegovo gravitaciono polje teži da ga zgusne, dok nuklearne reakcije u središtu stvaraju tendenciju širenja. Kada se posle 8 milijardi godina većina vodonika u jezgru Sunca potroši, tj. tamo ostane helijum, povećanje gustine jezgra će intenzivirati nuklearne reakcije. U jezgru će nastajati razni elementi, kao što su ugljenik, kiseonik i magnezijum, nuklearne reakcije će se pojačati, nadvladaće silu gravitacije i Sunce će početi da se širi.

Ukupna energija koju Sunce zrači će se povećati, ali će ta energija biti raspoređena po površini znatno veće sfere, pa će se temperatura površine snižavati, sve do tačke tzv. crvenog usijanja (oko 5000 kelvina), koje je niža od tačke belog usijanja koje karakteriše „mladu“ zvezdu. Sunce će postati crveni džin, toliko veliki da će „progutati“ unutrašnje planete, dakle Merkur, Veneru, verovatno Zemlju, a možda čak i Mars. Ta faza bi mogla potrajati nekoliko stotina miliona godina.

Alternative

Sunce se neće „beskonačno“ širiti da bi najzad eksplodiralo kao nova ili supernova – previše je malo za tako nešto. Energija dobijena fuzijom helijuma u veća jezgra i fuzijom tih jezgara u još veća će dostizati možda 5‑10% energije koju je davala fuzija vodonika. Gravitaciona sila će ponovo preovladati i crveni džin će početi da kolabira tj. da se smanjuje do planetarnih dimenzija, ali uz očuvanje većine prvobitne mase. Počeće fuzija preostalog vodonika u spoljnim slojevima Sunca i površina će ponovo doći do tačke belog usijanja, pa i do viših temperatura nego što su današnje. Nastaće beli patuljak, telo ogromne gustine i visoke temperature. Vremenom će se i to nebesko telo ohladiti i tako završiti svoj „život“ kao crni patuljak.

Možda milijardu godina pre dramatičnog nastanka crvenog džina, Zemlja će biti nenastanjiva, barem što se sadašnjih oblika života tiče, jer će na njoj biti pretoplo. Čovečanstvo će, ako bude postojalo, morati da se iseli na satelite gasovitih džinova ili da se otisne dalje u kosmos. Tada će mu od ogromnog značaja biti raspolaganje energijom koja ne potiče od Sunca.

Da li je to atomska energija? U današnjim atomskim elektranama široko je primenjen proces fisije. Jezgro atoma nekog teškog elementa, recimo uranijuma 235 se, kada ga pogodi spori neutron, raspada na dva nova jezgra, u ovom slučaju barijum 141 i kripton 92, oslobađajući tri nova neutrona i ogromnu energiju (oko 200 mega elektronvolti). Stvar je u tome što je manje energije potrebno za formiranje dva lakša jezgra nego jednog težeg jezgra, pa se pri raspadu taj višak energije oslobađa. Naročito je zgodno što se oslobađaju i ona tri neutrona, koja će inicirati raspad nekoliko obližnjih atoma uranijuma 235; tako nastaje lančana reakcija.

Ovaj metod proizvodnje energije je po mnogo čemu superioran u odnosu na korišćenje fosilnih goriva, pošto uranijuma i drugih pogodnih elemenata ima dovoljno za znatno duži period nego uglja i nafte, a ne generiše se CO2 koji izaziva loše efekte po životnu sredinu. Sa druge strane, ostaje radioaktivni otpad koji treba pažljivo skladištiti, a postoji i mogućnost katastrofe poput one u Černobilu ili Fukushimi.

Dakle, fisiona elektrana ne koristi sunčevu energiju? Zaista ne, ali svejedno koristi neku zvezdanu energiju. Kako je nastao uranijum i drugi teški elementi? Videli smo da se u jezgru zvezde vodonik, element broj 1 u periodnom sistemu, greje i stiska toliko da postane helijum (element broj 2), a uz dalji pritisak može postati i neki teži element iz periodnog sistema, sve do gvožđa čiji je atomski broj 26. Gvožđe je toliko stabilno da, kada ga se skupi dovoljno, reakcija se usporava. Videli smo da u tom procesu dolazi do zgušnjavanja čitave zvezde, u kom slučaju jezgro postaje toliko vrelo da pod odgovarajućim uslovima eksplodira u novu ili supernovu. Tokom te eksplozije nuklearne reakcije su toliko moćne da mogu stvoriti jezgra teških elemenata među kojima je i uranijum. Onda eksplozija razbaca uranijum i druge elemente u svemir, pa se neki od tih atoma mogu naći na planetama koje su se kasnije formirale.

Smatra se da je uranijum, sa njegova 92 protona i 146 neutrona, nastao u eksploziji zvezde koja nije bila daleko od Sunčevog sistema koji se tada upravo formirao ili, prema novijim teorijama, sudarom dve neutronske zvezde. Imali smo neverovatnu sreću da se ti atomi zadrže u Zemljinoj kori, i to dovoljno plitko da bismo mogli da ih iskopamo.

Prava stvar i način da budemo nezavisni od sunčeve energije jeste nuklearna fuzija. To je proces koji se događa u samom Suncu i ostalim zvezdama, kada se vodonik pretvara u helijum. Umesto pretvaranja vodonika u helijum, verovatno ćemo pretvarati vodonikove izotope deuterijum 2H i tricijum 3H u litium i helijum, pri čemu se neće javljati nuklearno zagađenje i neće biti emisije CO2. Zalihe deuterijuma na Zemlji su praktično neograničene, a šanse za havarije su male – ako i dođe do kvara, plazma će se pretvoriti u običan gas i to je sve.

Mi već umemo da izazovemo nuklearnu fuziju, koja je demonstrirana kroz hidrogensku bombu, ali ne umemo da je kontrolišemo – da je izazovemo i održavamo pri sobnim temperaturama. Proteklih decenija je bilo puno najava tehnološkog prodora u ovoj oblasti, ali i dalje nemamo ništa konkretno. Nadajmo se da će nas fuzija uskoro učiniti „nezavisnim“ od Sunca; dok se to ne desi, snalazićemo se s onim što imamo.

Zelena agenda

Srbija je 10. novembra 2020. godine u Sofiji potpisala Zelenu agendu za Zapadni Balkan. Taj akt je deo evropske inicijative (tzv. Zelenog plana, European Green Deal) da do godine 2050. Evropa bude „klimatski neutralna“. To podrazumeva strogu klimatsku politiku, reformu energetskog i transportnog sektora, ali i konkretne mere, poput uvođenje takse na emisiju ugljen‑dioksida, kao i tržišnih modela za podsticanje primene obnovljivih izvora energije.

ETS (Emissions Trading System) podrazumeva prihvatanje ograničenja po pitanju emisije GHG (Greenhouse Gas Emissions), u početku za određene sektore u privredi (u našem slučaju energetski sektor i daljinsko grejanje), a nakon toga verovatno i za sve emitere. ETS cena je u 2020. godini bila oko 25 evra po toni CO2, što bi u Srbiji podrazumevalo godišnja izdavanja od oko 750 miliona evra. U ovoj godini cena raste na čak 50 evra po toni CO2. Vremenom će se veći deo tih iznosa verovatno „preliti“ na cenu električne energije koja dolazi iz neobnovljivih izvora kao što su termocentrale, pa bi ta cena mogla da poraste za 2 evrocenta po kilovat času. Postaje jasno koliko je važno da se brzo razvijaju solarne elektrane i drugi metodi proizvodnje „čiste“ energije.

Kako smo počinjali

Još pre 40 godina, januara 1982, u Srbiji je popularizovana primena sunčeve energije kroz specijalno izdanje časopisa Galaksija pod naslovom „Solarne kuće“. Bila je to (za ono vreme) luksuzno štampana publikacija na 100 strana, u kojoj su detaljno opisane prednosti korišćenja sunčeve energije, ali i dati konkretni projekti zgrada u kojima se za grejanje koriste solarni paneli, izmenjivači toplote i sanitarni fluid. Pomenuta je i mogućnost transformacije solarne energije u električnu, ali je naglašeno da je to stvar budućnosti, pošto je trenutno takva oprema preskupa. Sada živimo u budućnosti koju su „Solarne kuće“ prorekle.

Autor „Solarnih kuća“ je naš najpoznatiji stručnjak za ovu oblast, doktor Branislav Branko Lalović (1928‑1988), naučni savetnik instituta Vinča. Iako po struci nuklearni fizičar, profesor Lalović je već početkom sedamdesetih godina počeo da istražuje primenu solarne energije i da sarađuje sa domaćim i stranim firmama koje su se bavile ovom oblašću. Objavio je radove u vodećim svetskim časopisima Nature, IEEE Transactions of Nuclear Science, Physical Review Letters i održao predavanja na nizu naučnih skupova.

Nažalost, kada je profesor Lalović bio u najvećem naučnom naboju, kod nas su duvali drugačiji vetrovi i počelo se govoriti o izgradnji atomskih (fisionih) elektrana, protiv kojih je profesor Lalović bio. Njegovi stavovi nisu odgovarali vladajućem establišmentu. Iznenada se „neko setio“ da zaposleni u Vinči imaju beneficirani radni staž, pa je profesor Lalović prisilno penzionisan 31.12.1985. godine, u 57. godini života. Razočaran svime što se desilo, profesor Lalović je ubrzo oboleo i preminuo dve godine kasnije. Tako smo ostali bez čoveka koji je, kako su tada govorili mnogi njegovi studenti i saradnici, „bio najbliže Suncu“.

Zahvaljujemo se Nenadu Jovanoviću i firmi Solar Enverde na pomoći pri realizaciji ovog teksta. Solar Enverde vode eksperti sa preko 30 godina iskustva u energetskom menadžmentu i upravljanju kritičnom infrastrukturom, kao i u sertifikovanom vođenju projekata. Uz njih je stalno rastući tim mladih stručnjaka, čime nastaje spoj iskustva i svežih ideja. Deviza kojom se kompanija vodi je da se za bolje sutra rešenja traže već danas. Vizija kompanije je da se uposli svaki potencijal u korišćenju obnovljivih izvora energije, a da posebno energija Sunca, kao izvora života, treba da bude dostupna svakom i da treba da bude iskorišćena na svakom mestu gde postoji potreba