Me võrdleme oma energiatarbimist taastuvenergia kujutletaldava tootlusega. Eelmises kolmes peatükis nägime, et ainuüksi autodega sõitmine ja lennukitega lendamine kulutab rohkem energiat kui on tõenäoline toota tuulegeneraatoritega Ühendkuningriikide rannikualadel. Kas päikeseenergia suudab meie arvestuses tootmise uuesti tarbimisest suuremaks muuta?

Joonis 6.1: Päikesevalguse maale langemine sügisesel või kevadisel keskpäeval. Päikesekiirte tihendus ühikpindala kohta Cambridge'is (${52}^{\circ }$ pikkuskraad) on umbes 60% päikesekiirte tihedusest ekvaatoril.	Joonis 6.2 Keskmine päikesekiirguse intensiivsus Londonis ja Edinburghis aja funktsioonina. Keskmine intensiivsus pinnaühiku kohta on $100W/m^2$.

Pilvitu taevaga on keskpäeval maale langeva päikesekiirguse võimsus $1000W$ ruutmeetri kohta. See on $1000W$ päikese poole suunatud pinna, mitte maapinna ruutmeetri kohta. Suurbritannias maapinna kohta saadava võimsuse saamiseks peame sisse viima mitmeid parandusi. Me peame arvestama nurgaga päikese ja maapinna vahel, mis vähendab keskpäeval päikesekiirguse intensiivsust umbes $60\%$ võrreldes selle väärtusega ekvaatoril (vt joonis 6.1). Me kaotame võimsust ka sellepärast, et kogu aeg ei ole keskpäev. Septembri või märtsi päeval on päikesekiirguse keskmine intensiivsus võrreldes keskpäevase intensiivsusega umbes $32\%$. Ja viimaks kaotame võimsust ka pilvede tõttu. Tüüpiliselt paistab Suurbritannias päike vaid $34\%$ päevast.

Nende faktorite mõju ja ka aastaaegade vaheldumise tulemusena on lõunasse suunatud katusel Britannias keskmine päikesekiirguse võimsus ruutmeetri kohta umbes $110W/m^2$ ja maapinnal umbes $100W/m^2$.  

Seda toorenergiat võib kasulikuks energiaks muundada neljal viisil:

1. Päikesekiirgusest saadav soojusenergia: kui kasutame päiksekiirgust ehitiste või vee soojendamiseks.
2. Päikesekiirgusest saadav elekter: kui toodame elektrienergiat.
3. Biomass: kui kasutame puid, baktereid, vetikaid, teravilja, sojaubasid või õliseemneid kütuse, kemikaalide või ehitusmaterjalide tootmiseks.
4. Toit: sama mis biomass, välja arvatud see, et me vohmime taimin inimestesse või teistesse loomadesse.

(Järgevates peatükkides me käsitleme veel mõnda päikeseenergia kasutamise teholoogiat, mis on sobilikud kasutamiseks kõrbetes.)

Hindame järgnevalt ligikaudselt maksimaalse mõeldava võimsuse, mida sellistel viisidel on võimalik saada. Me ei käsitle majanduslikke kulusid ja energiat, mis kulub jõujaamade tootmiseks ja töös hoidmiseks.

Päikesekiirgusest saadav soojusenergia

Kõige lihtsam päikeseenergiat kasutav tehnoloogia on sooja vett tootev paneel. Kujutame ette, et me katame selliste paneelidega kõik lõuna poole suunatud katused – see on umbes $10m^2$ inimese kohta – ja teeme eelduse, et need paneelid muundavad päikesekiirguse keskmise intensiivsuse $110W=m^2$ soojaks veeks kasuteguriga $50\%$  (joonis 6.3).

Ma värvisin selle kasti joonisel 6.4 valgeks, sest toodetav energia on madala kvaliteediga – soe vesi ei ole nii väärtuslik (grade) kui näiteks tuulegeneraatorite poolt toodetud elektrienergia. Soojust ei saa üle kanda elektrivõrku. Kui te seda ära ei kasuta, on see raisatud. Me peame arvestama sellega, et suur osa kogutud energiast ei ole õiges kohas. Enamus inimesi elab linnades ja seal on ühe inimese kohta vähem katusepinda kui kogu riigis keskmiselt. Enamgi veel: seda energiat toodetakse läbi aasta erinevas mahus.

Päikeseelemendid 

Päikeseelemendid (täpsemalt fotogalvaanilised elemendid) muundavad päikesevalgust elektriks. Tüüpilise päikeseelemendi kasutegur on umbes $10\%$; kallimatel $20\%$. (Fundamentaalsed füüsika seadused piiravad fotogalvaaniliste elementide kasutegurit, see ei saa tõusta üle $60\%$ juhul, kui kasutatakse ideaalseid kiirgust koondavaid peegleid või läätsesid, ja $45\%$ ilma kiirguse koondamiseta. Oleks väga märkimisväärne, kui masstootmisesse jõuaksid seadmed, mille kasutegur oleks suurem kui $30\%$.) Keskmine võimsus, mida annab Suurbritannias katuse lõunapoolsele küljele paigaldatud paneel, on 

Joonis 6.5 esitab andmed, mis seda numbrit toetavad. Andkem igale inimesele $10{\text{m}}^2$ kalleid ($20\%$-kasuteguriga) päikesepaneele ja katkem kõik lõunasse vaatavad katused. Selliselt saaksime

Joonis 6.6: Kaks päikeserüütlit naudivad oma päikesepaneele, mis annavad energiat nende elektriautodele ja majale.$120$ päikeseelemendist (igaühe võimsus $300\text{W}$ $2,2{\text{m}}^2$ kohta) koosneva päikesepaneeli pindala on $268{\text{m}}^2$, maksimaalne võimsus (kus on arvesse võetud alalisvoolult vahelduvvoolule konverteerimisel tekkivad kaod) on $30,5\text{kW}$, ja keskmine võimsus – Kalifornias, Santa Cruz'i lähistel – on $5\text{kW}$ ($19W/m^2$). Foto: Kenneth Adelman. www.solarwarrior.com

Joonis 6.7: Päikesefarm: $6.3\text{MW}$ võimsusega (maksimaalse) päikesefarm Mühlhausenis, Bavaarias. Loodetakse, et selle keskmine võimsus ühikpindala kohta saab olema $5W/m^2$. Foto: SunPower.

Kuna lõunasse suunatud katuste pindala on $10{\text{m}}^2$ inimese kohta, siis ei ole seal korraga ruumi nii päikeseelementidele kui ka sooja vett tootvatele päikesepaneelidele. Seega peame nende kahe vahel valiku langetama. Aga ma ikkagi liidan mõlemad need panused meie tootmise tulbale kokku. Tänasel päeval on päikeseelementide paigaldamine umbes neli korda kallim kui päikesepaneelide paigaldamine, samas annavad need poole vähem energiat, kuigi, jah, see energia on kõrgemat sorti (elekter). Nii et ma soovitan peredele esimese asjana kaaluda investeeringut soojust tootvatesse päikesepaneelidesse. Kõige nutikam lahendus päikeseküllastes riikides on ehitada kombineeritud süsteem, mis toodab nii elektrit kui ka soojust. Sellise lähenemise võttis esimesena kasutusele Heliodynamics, kes vähendas oma süsteemide hinda ümbritsedes väikesed kvaliteetsed gallium-arseniidi päikeseelemendid aeglaselt liikuvate tasapeeglitega. Peeglid fokusseerivad päikesevalguse päikeseelementidele, mis toodavad nii elektrit kui ka soojust; vee soojendamiseks pumbatakse seda mööda päikeseelementide tagakülgi.

Meie senise jutu kokkuvõte: lõunasse suunatud katuste päikeseelementidega katmine võimb anda üsna suure osa meie keskmisest personaalsest elektritarbest, aga katused ei ole piisavalt suured, et katta arvestatavat osa meie koguenergiatarbimisest. Et päikesepatareidega rohkem saavutada, peaksime tulema maa peale. Joonisel 6.6 kujutatud päikeserüütlid näitavad siin teed.

Aeg fantaasiateks: päikesefarmid

Kui toimub tehnoloogiline läbimurre ja päikeseelementide hind lubab neid paigaldada kõikjale maastikule, milline oleks siis maksimaalne mõeldav tootmine? Kui me kataksime $5\%$ kogu ÜK territooriumist $10\%$-efektiivsusega päikesepatareidega, siis saaksime

Muide, ma eeldasin vaid $10\%$-kasuteguriga päikesepatareisid, sest minu ettekujutuses suudetakse neid nii suurtes kogustes toota vaid juhul, kui need on väga odavad ja kõigepealt muutuvad odavamaks madala kasuteguriga päikesepaneelid. Selliste päikesefarmide võimsustihedus (võimsus ühikpindala kohta) oleks

See on kaks korda suurem kui Bavaaria päikesefarmis (joonis 6.7).

Kas selline päikesefarmide üleujutus saab eksisteerida peatükis Tuul kirjeldatud tuulegeneraatorite armeega samaaegselt? Jah, ei ole probleemi: tuulegeneraatorite vari on väike ja maapinnal asuvate päikesefarmide mõju tuulegeneraatoritele võime arvestamata jätta, see on väga väike. Kas see plaan on väga ebaharilik? Ühendkuningriikide iga inimese kohta päevas $50\text{kWh}$ elektrienergia tootmiseks oleks vaja $100$ korda rohkem päikeseelemente kui täna maailmas olemas on. Kas seda arvestades ma ikkagi peaksin päikeseelemendid oma taastuvenergia tootmise tulpa lisama? Olen kahevahel. Selle raamatu alguses ma ütlesin, et tahan uurida, mida ütleb füüsika taastuvenergia tootmise piiride kohta juhul, kui eeldame, et raha ei ole probleemiks. Sellisel eeldusel ma peaksin mõttega edasi minema, industrialiseerima maapiirkonnad ja lisama päikesefarmid tulpa. Samas ma tahaksin anda inimestele ettekujutuse sellest, mida peaks tegema alates tänasest 2050. aastani. Ja täna oleks päikesefarmidest saadav elektrienergia neli korda kallim kui on elektrienergia turuväärtus. Nii et ma tunnen end veidi vastutustundetuna, kui lisan selle joonisel 6.9 taastuvenergia tootmise tulpa – $5\%$ Ühendkuningriikide palistamine päikesefarmidega ei tundu enam mõistlikuna väga paljudest aspektidest lähtudes. Kui me tõesti tahaksime midagi sellist teha, võiksime pigem need päikesefarmid paigutada kusagile kaks korda päikeselisemasse riiki ja saata osa toodetud energiast koju mööda elektriliine. Me arutame seda ideed peatükis Elu teiste riikide taastuvenergia arvel.

Müütarusaamad

Päikesepaneelid tootmine kulutab rohkem energiat kui sellega on võimalik toota.

Vale. Katusele installeeritud elektrivõrku ühendatud $20$-aastase elueaga päikesepaneeli energeetiline kasumlikkus (energy yield ratio) (süsteemi eluajal toodetud energia suhe energiasse, mida on vaja selle tootmiseks) Kesk-Põhja-Euroopas $4$ (Richards ja Watt, 2007); ja rohkem kui $7$ päikeselistemas kohtades, näiteks Austraalias. (Energeetiline kasumlikkus üle ühe tähendab, et energia seisukohast lähtudes on tegemist Hea Asjaga.) $20$-aastase elueaga tuulegeneraatorite energeetiline kasumlikkus on $80$.

Kas ei ole nii, et päikeseelemendite kasutegur tehnoloogia arenedes järjest suureneb?

Ma olen kindel, et päikesepaneelid muutuvad järjest odavamaks; Olen ka kindel, et päikesepaneelide tootmisel kulutatakse järjest vähem energiat, mis teeb need energeetiliselt kasumlikumaks. Aga siin peatükis välja toodud hinnangud ei ole piiratud päikeseelementide hinnaga, samuti mitte nende tootmisele kuluva energiaga. Selles peatükis vaatlesime maksimaalset mõeldavat energiatootmise võimsust. $20$ kasuteguriga päikesepaneelid on üsna lähedal teoreetilisele piirile (vaata selle peatüki lõpumärkusi). Oleksin väga üllatunud, kui neid hinnanguid tuleb kunagi märkimisväärselt ülespoole korrigeerida.

Biomass

Teate, ühel hetkel võime me olla energiaäris kasvatades õues muru! Ja me kogume seda ning muundame energiaks. See võib juhtuda üsna pea..

George W. Bush, Veebruar 2006

Kõik bioenergia lahendused näevad esimese asjana ette millegi rohelise kasvatamist, pärast mida selle rohelise asjaga tehakse veel midagi. Kui palju on võimalik selle rohelise asjaga energiat koguda? Päikesest energiat saavatest bioloogilistest süsteemidest energia kätte saamiseks on neli peamist võimalust:

1. Me võime kasvata taimi ja põletada neid jõujaamades, mis toodavad elektrit või soojust või siis mõlemat. Me kutsume seda protsessi söe asendamiseks (coal substitution).
2. Me võime kasvatada spetsiaalseid selleks sobivaid taimi (õliseemne raps, suhkruroog või näiteks mais), teha neist piiritust või biodiislit ning kasutada neid siis autodes, rongides lennukites ja teistes kohtades, kus sellised kemikaalid on kasutatavad. Me võime ka aretada geneetiliselt muundatud baktereid, tsüanobaktereid või vetikaid, mis toodavad otseselt vesinikku, etanooli või butanooli, isegi elektrit. Me nimetame kõiki selliseid lähenemisi „nafta asendamiseks".
3. Me võime võtta teistest põllumajandusharudest kõrvalsaaduseid ja põletada neid jõujaamades. Kõrvalsaadusteks võivad olla igasugused asjad alates õlgedest (Weetabixi kõrvalsaadus) kuni kanasitani (McNuggets'i kõrvalsaadus). Selliste kõrvalsaaduste põletamine on jällegi söe asendamine, aga siin kasutatakse tavalisi, mitte spetsiaalseid kõrge energiasisaldusega taimi. Põllumajanduses tekkivaid kõrvalsaadusi põletavad jõujaamad ei anna nii palju energiat põllumaa pinnaühiku kohta kui optimeeritult biomassi tootvad põllumaad. Eeliseks on siinkohal aga see, et me ei monopoliseeri maad. Prügimägedest saadava metaani põletamine on sarnane energia saamise viis. Aga see on taastuvenergia vaid juhul, kui ladestatava prügi või jäätmete allikas on taastuv. (Enamus prügilate metaanist pärineb raisatud toidust; Suurbritannia inimesed viskavad ära umbes $300g$ toitu inimese kohta päevas.) Kodumajapidamises tekkivate jäätmete tuhastamine on päikeseenergiast tekkivast biomassist energia saamiseks vahetum võimalus.
4. Me võime kasvatada taimi ja toita nendega inimesi või teisi energiat vajavaid loomi.

Kõikide nende protsesside esimeseks sammuks on mõne keemilise aine, näiteks süsivesiku, molekul rohelises taimes. Järelikult me võime ükskõik millisest neist protsessidest saadavat võimsust hinnata selle järgi kui palju võimsust neisse molekulidesse pääseb. Kõigis järgnevates traktoreid, loomi, keemiatehaseid, jäätmejaamasid ja jõujaamu sisaldavates sammudes saab energia vaid kaduda. Seega on esimeses sammus sisalduv võimsus maksimaalne, mida on võimalik saada suvalisest taimi kasutavast energiatootmise lahendusest.

Joonis 6.10: Mõned siidpöörise taimed nautimas doktor Emily Heatoni seltskonda, kelle pikkus on $5^{\prime }4”$ ($163cm$). Suurbritannias saavutavad siidpöörise taimed võimsuse $0,75W/m^2$. Foto: Illinois'i Ülikool.

Joonis 6.11: Erinevate taimede energia tootmise võimsus ruutmeetri kohta. Allikad on toodud peatüki lõpumärkustes. Need võimsustihedused sõltuvad põldude kastmisest ja väetamisest; mõnede taimede jaoks on antud vahemikud, näiteks puidu jaoks on see $0,095-0,254W/m^2$. Alumised kolm võimsustihedust on troopilistes piirkondades kasvatatavate taimede jaoks. Viimane võimsustihedus (troopilised istandused*) eeldab geneetilist modifitseeritust, väetamist ja kastmist. Tekstis kasutan ma parimate Loode-Euroopa energiataimede väärtust $0,5W/m^2$.

Hinnakem selle esimese sammu võimsust. (Peatükis Päike II me läheme detailsemaks ja uurime iga protsessi maksimaalset panust.) Keskmine kogutav päikesekiirguse võimsus Suurbritannias on $4100W/m^2$. Euroopa kõige suurema kasuteguriga taim muundab päikeseenergia süsivesikuteks $2\%$ kasuteguriga, millest järeldub, et me võiksime taimedelt saada $2W/m^2$; aga nende kasutegur langeb suurematel valguse intensiivsustel ja parim, mis Euroopas biomassi tootmisel saadakse, on lähemal väärtusele $0,5W/m^2$. Oletame, et katame $75\%$ maapinnast rohelise kraamiga. See annaks $3000m^2$ bioenergiat tootvat maad inimese kohta. See on sama palju kui on täna Suurbritannias maad põllumajanduses. Seega on maksimaalne saavutatav võimsus, kui ignoreerime täiendavaid kulutusi kasvatamisele, kogumisele ja töötlemisele.

Vau. See ei ole just liiga palju, kui arvestada suurema numbri saamiseks tehtud hullumeelselt suuremeelseid eeldusi. Kui tahaksime saada biomassist biokütust, oleksid kõik järgnevad sammud selles ahelas paratamatult ebaefektiivsed, alates rohelusest ja lõpetades süüteküünlaga. Ma arvan, et oleks optimistlik loota, et kaod selles tootmisahelas oleksid väikemad kui $33\%$. Isegi kuiva puidu põletamisel heas katlas kaob $20\%$ soojusest korstnasse. Nii et tegelik biomassist saadav potentsiaalne võimsus ei saa olla suurem kui $24kWh/p$ inimese kohta. Ja ärge unustage, et tahaksime kasutada veidi rohelust ka toidu tootmiseks ja oma pudulojustele.

Kas geneetiliselt muundatud taimed suudaksid päikeseenergiat efektiivsemalt keemiliseks energiaks muundada? See oleks mõeldav. Aga ma ei ole leidnud veel ühtegi teadusartiklit, mis ennustaks, et taimed suudaksid Euroopas toota rohkem kui  $1W/m^2$.

Ma panen rohelisse tulpa $24kWh$ inimese kohta rõhutades, et minu arvates on see väärtus üle hinnatud – ma arvan, et tegelik biomassist saadav maksimaalne võimsus on põlluharimises ja töötlemisel tekkivate kadude pärast väiksem.

Arvan, et oleme jõudnud selge järelduseni: biokütuste abil ei ole võimalik energia tootmist ja tarbimist klappima saada – vähemasti mitte sellistes  riikides nagu Suurbritannia - ja mitte kogu transpordis kasutatavate kütuse jaoks. Isegi kui jätame kõrvale biokütuste suurima puuduse – need võistlevad toidu tootmisega ja lisakulutused põlluharimisele ja töötlemisele enamasti nullivad kogu saadava energia (joonis 6.14) – annavad taimedest toodetud biokütused Suurbritanniaga sarnastes Euroopa riikides nii vähe energiat, et sellest on vaevalt mõtet rääkidagi.

Joonis 6.13: Päikeselisus Cambridge's: päikesepaisteliste tundide arv aastas murdosana kõigist päevastest tundidest.	Joonis 6.14: See joonis illustreerib selliseid kvantitatiivseid küsimusi, mida tuleb küsida igasuguste biokütuste kasutamise ettepanekute kohta. Kui palju lisaenergiat kulub saagi kasvatamiseks ja töötlemiseks? Kui suur on saadud energiahulk? Kui suur on toodetud kasuliku energia hulk? Tihti kulub kogu taimedest toodetav energia ära taimede kasvatamisele ja muudele kadudele.

Märkused ja edasine lugemine

Me peame arvestama nurgaga päikese ja maapinna vahel... Cambridge'i pikkuskraad $\theta ={52}^{\circ }$; keskpäevane päikesevalguse intensiivsus korrutatakse $\cos \theta \simeq 0,6$. Selle kordaja täpne väärtus sõltub aastaajast ja on vahemikus $\cos (\theta +{23}^{\circ })=0,26$ ja $\cos (\theta -{23}^{\circ })=0,87$.

Tüüpiliselt paistab Suurbritannias päike vaid 34% päevast. Mägismaal on 1100 tundi päikesepaistet aastas – $25\%$ päikeselisus. Parimates Šotimaa paikades on see number 1400 tundi aastas – 32%. Cambridge: $1500\pm 130$ tundi aastas – 34%. Inglismaa lõunarannik (Suurbritannia kõige päikeselisem osa): 1700 tundi aasta kohta – 39%. [2rqloc] Andmed Cambridge'i kohta [2szckw]. Vaata ka joonis 6.16.

... keskmine päikesekiirguse võimsus ruutmeetri kohta lõunasse suunatud katusel Britannias umbes $110</em><em>W/m^2$ ja maapinnal umbes $100</em><em>W/m^2$. Allikas: NASA “Surface meteorology and Solar Energy” [5hrxls]. Olete üllatunud, et lõunasse suunatud viilkatuse ja lamekatuse vahel on siin nii väike vahe? Mina olin. Erinevus on tõepoolest ainult $10\%$ [6z9epq].

... umbes $10m^2$ inimese kohta. Ma hindasin inimese kohta lõunasse suunatud katuse pindala selle järgi, kui suur pindala on iga inimese kohta kaetud ehitistega (Inglismaal on see number $48m^2$ – vaata tabel I.6). Lõunasse suunatud katuste osa saamiseks korrutame seda $1/4$-ga ja suurendame tulemust katuse kalde arvestamiseks $40\%$ võrra. See annab $16m^2$ inimese kohta. Päikesepaneele müüakse tavaliselt ebapraktiliste ristkülikukujuliste tükkidena, nii et osa katusest jääb paistma; seega $10m^2$ päikesepatareisid.

Tüüpilise päikeseelemendi kasutegur ... Käib ringi müüt, et päikesepaneelide võimsus on pilvise ja päikesepaistelise ilmaga peaaegu ühesugune. See ei ole tõsi. Heleda kuid aga pilvise ilmaga päikeseelemendid ja taimed küll toodavad energiat, kuid palju vähem: kui päike läheb pilve taha, väheneb päikeseelementide energiatootmine umbes kümme korda (sest neile langeva päikesekiirguse intensiivsus väheneb kümme korda). Joonis 6.15 näitab, et päikeseelemendi võimsus on peaaegu täpselt proportsionaalne päikesekiirguse intensiivsusega – vähemalt juhul, kui paneelide temperatuur on $25{}^{\circ }C$. Tegelikult on asi pisut keerulisem ja päikeseelemendi võimsus sõltub ka temperatuurist – kuuma paneeli võimsus on väiksem (tüüpiliselt väheneb võimsus $0.38\%$ kraadi kohta) – aga kui uurite reaalsete päikesepatareide andmeid, näiteks aadressil www.solarwarrior.com, võite leida kinnituse põhilisele: väljundvõimsus on pilvisel päeval palju väiksem kui päikeselisel päeval. See teema on segaseks aetud mõningate päikesepaneelide reklaamijate poolt, kes arutlevad, kuidas „efektiivsus" muutub vastavalt päikesevalgusele. Nad ütlevad, et „päikesepaneelid on pilvise ilma korral efektiivsemad;” see võib isegi tõsi olla, aga kasutegurit ei maksa segi ajada saadud võimsusega.

Tüüpiliste päikesepatareide kasutegur on umbes $10\%$, kallimatel $20\%$. Vaata joonis 6.18. Allikad: Turkenburg (2000), Sunpower www.sunpowercorp.com, Sanyo www.sanyo-solar.eu, Suntech.

Oleks väga märkimisväärne, kui masstootimisesse jõuaksid seadmed, mille kasutegur oleks suurem kui $30\%$. See tsitaat pärineb Hopfield ja Gollub artiklist (1978), milles kirjutati päikesepaneelidest ilma valgust koondavate peeglite ja läätsedeta. Teoreetiline piir ilma koondajateta „ühe siirdega" päikesepaneelidele (Shockley–Queisser piir) ütleb, et selliste päikesepaneelidega saab elektrienergiaks muundada kõige rohkem $31\%$ päikeseenergiast (Shockley ja Queisser, 1961). (Selle piirangu peamine põhjus seisneb selles, et tavalistel päikeseelementide materjalil (pooljuhid) on omadus, mida nimetatakse keelutsooni laiuseks, ja mis määrab footonite jaoks sellise energia, mida materjal kõige efektiivsemalt elektrienergiaks muundab. Päikesevalguses on väga erinevate energiatega footoneid; footoneid, mille energia on väiksem kui keelutsooni laius, ei kasutata üldse; footoneid, mille energia on keelutsooni laiusest suurem, küll neelatakse, aga see osa nende energiast, mis ületab keelutsooni laiust, läheb kaotsi.)

Koondajad (läätsed või peeglid) vähendavad fotoelemendi hinda (vati kohta) ja tõstavad nende kasutegurit. Shockley–Queisser piir kondajatega päikesepaneelidele on $41\%$. Ainus võimalus Shockley–Queisser piiri ületamiseks on ehitada udupeeneid fotoelemente, mis jagavad valguse erinevate lainepikkustega osadeks ja töötlevad iga sellist osa selleks sobiva keelutsooni laiusega päikeseelemendis. Selliseid päikeseelemente nimetatakse mitme keelutsooniga päikeseelementideks. Hiljuti anti teada, et mitme keelutsooniga päikeseelementidega on saavutatud umbes $40\%$ kasutegur. [2tl7t6], www.spectrolab.com. 2007. a juulis raporteeris Delaware'i Ülikool $2$0-kordse kooondamise juures $42.8\%$ kasutegurit [6hobq2], [2lsx6t]. 2008.a. augustis raporteeris NREL $326$-kordse kooondamise juures $40.8\%$ kasutegurit [62ccou]. Veidral kombel nimetatakse mõlemaid neid tulemusi efektiivsuse maailmarekorditeks. Milliseid mitme keelutsooniga seadmeid täna turult leiab? Uni-solar müüb õhukest (thin-film) kolme keelutsooniga $58W$ (maksimum) $1{\text{m}}^2$ päikesepaneelid. See tähendab, et päikesepaiste korral on efektiivsus vaid $5.8\%$.

Joonis 6.5: PV andmed. Andmed ja foto: Jonathan Kimmitt.

Heliodynamics –www.hdsolar.com. Vt joonis 6.19.

Sarnaseid süsteeme teeb Arontis: www.arontis.se.

Päikesefarm Muhlhausenis, Bavaarias. Oodatakse, et see $25$ hektaril laiuv päikesefarm hakkab andma $0,7\text{MW}$ ($17000\text{kWh}$ päevas). New York’i Stillwell avenüü metroojaama katusekuplisse on integreeritud amorfne räni thin-film päikeseelement, mis annab $4W/m^2$ (Fies et al., 2007). 140 aakril laiuv Nellise päikesefarm valmis 2007.a detsembris ja peaks andma $30\text{GWh}$ aastas. See on $6W/m^2$ [5hzs5y]. Serpa päikesejõujaamas (Serpa Solar Power Plant Portugal, „maailma kõige võimsamas päikesefarmis” [39z5m5] [2uk8q8]) on 60 hektarit ($600000{\text{m}}^2$ ehk $0,6{\text{km}}^2$) päikest jälgivaid paneele, millest loodetakse $20GWh$ aastas, st keskmiselt $2,3\text{MW}$. See teeb pindalaühiku kohta $3,8W/m^2$.

Et saada Suurbritannias $50kWh/p$ inimese kohta, oleks meil vaja $100$ korda nii palju päikeseelemente, kui neid on kokku kogu maailmas. Et saada Suurbritannias $50kWh/p$ oleks meil vaja keskmist võimsust $25\text{GW}$, mis nõuab maksimaalset võimsust $1250\text{GW}$. 2007.a lõpus oli kogu maailmas installeeritud päikeseelementide maksimaalne võimsus $10\text{GW}$; igal aastal lisandub umbes $2GW$ aastas ...

... $<em>5\%$ Ühendkuningriikide palistamine päikesefarmidega ei tundu enam mõistlikuna väga paljudest aspektidest lähtudes. Peamine põhjus, miks mulle tundub, et selline palistamine ei tundu mõistlik, on see, et brittidele meeldib kasutada oma maad põllupidamiseks ja puhkuseks, mitte päikesepaneelide kasvatamiseks. Teiseks põhjuseks võib olla hind. See raamat ei räägi majandusest, kuid annan siin mõned numbrid. Kui vaadata Bavaaria päikesefarmi hinnalipikut, siis $50kWh/p$ tootmiseks inimese kohta tuleb maksta €91000  inimese kohta; kui see jõujaam töötaks $20$ aastat ilma lisakulutusteta, oleks elektri hind €0,25 kWh kohta. Edasine lugemine: David Carlson, BP solar [2ahecp].

Suurbritannia inimesed viskavad ära umbes $300g$ toitu inimese kohta päevas. Allikas: Ventour (2008).

Joonis 6.10. USA-s annab ilma lämmastikväetisteta kasvatatud siidpööris kuivatatud massi umbes 24 t/ha/a. Suurbritannias on see number $12–16t/ha/a$. Kuiva siidpöörise kogukütteväärtus on $17MJ/kg$, nii et Suurbritannia toodang vastab võimsustihedusele $0,75W/m^2$. Allikas: Heaton et al. (2004) ja [6kqq77]. Selline toodang on saavutatav ainult pärast kolme aastat segamatut kasvatamist.

Euroopa kõige suurema kasuteguriga taim muundab päikeseenergia süsivesikuteks $2\%$-kasuteguriga, millest järeldub, et me võiksime taimedelt saada $2W/m^2$. Madalatel valguse intensiivsustel annavad parimad Suurbritannia taimed hästi väetatud põldudel (Monteith, 1977) efektiivsuseks $2.4\%$, kuid kõrgematel valguse intensiivsustel nende kasutegur langeb. Turkenburg (2000) ja Schiermeier et al. (2008) andmetel on päikeseenergia biomassi energiaks muundamise kasutegur vähem kui $1\%$.

Annan siin mõned allikad, mis toetavad mu hinnangut $0,5W/m^2$ taimedelt saadava energia kohta. The Royal Commission on Environmental Pollution hindab Suurbritannias potentsiaalselt energiataimedelt saadavaks võimsuseks $0,2W/m^2$ (Royal Commission on Environmental Pollution, 2004). Kuningliku Seltsi biokütuste dokumendi (Royal Society working group on biofuels, 2008) tipus asub siidpööris, mis annab umbes $0,8W/m^2$ keemilist võimsust.

UNDP poolt välja antud Maailma Energiahinnangus (World Energy Assessment) kirjutab Rogner (2000): „Oletades $45\%$ efektiivsusega elektrienergiaks muundamist ja $15$ kuivatatud massi tonni hektari kohta aastas, vajaksime $2{\text{km}}^2$ taimekasvatust, et saada ühe megavati installeeritud võimsuse ekvivalent, mis töötab $4,000$ tundi aastas.” See annab pinnaühiku kohta $0,23W\left(e\right)/m^2$. ($1\text{W(e)}$ tähendab $1$ vatti elektrivõimsust.)

Energy for Sustainable Development Ltd (2003) hinnangul on energiavõsast võimalik saada ühes aastas $10$ tonni kuiva puitu hektari kohta, mis vastab energiatihedusele $0,57W/m^2$. (Kuiva puidu kütteväärtus on $5kWh$ kilogrammi kohta.)

Archer ja Barber (2004) andmetel on terve lehe otsene kasutegur kuni $5\%$, aga tänapäevaste energiataimede pikaajaline energia salvestamise efektiivsus on $0.5–1\%$. Archer ja Barber hinnangul on geneetilise modifitseerimisega võimalik taimede energia salvestamise efektiivsust suurendada. See kehtib eriti C4 kategooria taimede kohta, millel on looduslikult välja arenenud efektiivsemad fotosünteesi rajad. C4 kategooria taimi leiab peamiselt troopikas ja need kasvavad hästi kõrgete temperatuuride juures; need ei kasva madalamal temperatuuril kui ${10}^{\circ }$. C4 taimed on näiteks suhkruroog, mais, sorgo, sõrmhirss ja vitshirss. Zhu et al. (2008) arvutavad, et päikeseenergia biomassiks muundamise efektiivsuse teoreetiline piir on $4.6\%$ C3 fotosünteesis $30{}^{\circ }$ ja tänasel $380$ ppm $C{O}_2$ kontsentratsioonil atmosfääris. Nad väidavad, et kõrgeim saavutatud päikeseenergia muundamise efektiivsus C3 ja C4 taimedel on vastavalt $2,4\%$ ja $3,7\%$; ja Boyer (1982) andmetel on põhiliste taimede keskmine energiamuundamise efektiivsus Ameerika Ühendriikides 3 või 4 korda madalam kui rekordtase (st umbes $1\%$ efektiivsus). Üks põhjuseid, miks taimed seda maksimaalset efektiivsust ei saavuta, on see, et need ei suuda ära kasutada kogu neile langeva ereda päikesevalguse energiat. Mõlemad need artiklid (Zhu et al., 2008; Boyer, 1982) arutlevad efektiivsemate taimede geneetilise aretamise väljavaateid.

Joonis 6.11. Sellel joonisel esitatud numbrid pärinevad järgmistes teadustöödest: Rogner (2000) (puidu, rapsi, suhkruroo ja troopiliste taimede koguenergia toodang); Bayer Crop Science (2003) (raps biodiisliks); Francis et al. (2005) ja Asselbergs et al. (2006) (jatropha); Mabee et al. (2006) (suhkruroog, Brasiilia); Schmer et al. (2008) (vitshirss, väiksemõõdulised rohumaad USA-s); Shapouri et al. (1995) (vili etanooliks); Royal Commission on Environmental Pollution (2004); Kuningliku Seltsi biokütuste töörühm (2008); Energy for Sustainable Development Ltd (2003); Archer ja Barber (2004); Boyer (1982); Monteith (1977).

Isegi kuiva puidu põletamisel heas katlas kaob $20\%$ soojusest korstnasse.  Allikad: Kuningliku Seltsi biokütuste töörühm (2008); Royal Commission on Environmental Pollution (2004).