Najbardziej wydajne źródło energii odnawialnej? Odpowiedź na 2025 rok może Cię zaskoczyć

Zrozumienie „wydajności” odnawialnych źródeł energii: więcej niż jeden wskaźnik

Co oznacza, że odnawialne źródło energii jest „wydajne”? W przeciwieństwie do jednej liczby na żarówce, wydajność w odnawialnych źródłach energii ma wiele aspektów. Może odnosić się do sprawności konwersji energii – czyli tego, jak dużo energii ze słońca, wiatru lub wody zamieniane jest na użyteczną energię elektryczną. Obejmuje także opłacalność – czyli jak ekonomicznie dane źródło dostarcza energię (np. koszt za kilowatogodzinę i zwrot z inwestycji). Jest też wydajność wykorzystania terenu i zasobów – ile ziemi lub materiałów potrzeba do wyprodukowania określonej ilości energii. I oczywiście wpływ na środowisko, zwłaszcza emisja dwutlenku węgla, to kluczowa część równania. W tym raporcie rozłożymy na czynniki pierwsze każdy z tych wymiarów dla głównych odnawialnych źródeł – energii słonecznej, wiatrowej, wodnej, geotermalnej – a także nowych opcji, takich jak zielony wodór i energia fal. Na końcu zobaczymy, które źródło (lub źródła) wysuwają się na prowadzenie w wyścigu o wydajność i dlaczego odpowiedź nie jest tak prosta, jak się wydaje.

Każdy rodzaj odnawialnych źródeł energii ma swoje mocne i słabe strony w tych kategoriach. Na przykład turbiny wodne są niezwykle skuteczne w konwersji energii, podczas gdy panele słoneczne wyróżniają się spadkiem kosztów i wszechstronnością. Farmy wiatrowe mogą zajmować dużo powierzchni, ale większość tej ziemi można nadal wykorzystywać rolniczo lub hodowlano. I choć wszystkie odnawialne źródła są znacznie czystsze niż paliwa kopalne, niektóre mają praktycznie zerową emisję, a inne mają niewielki ślad węglowy, który należy uwzględnić. Przeanalizujmy liczby i opinie ekspertów na lata 2024–2025, aby określić, które odnawialne źródło energii jest „najbardziej wydajne” – i w jakim sensie.

Sprawność konwersji energii: zamiana natury w elektryczność

Podstawowym sposobem porównania odnawialnych źródeł energii jest sprawność konwersji energii – czyli to, jak dużo dostępnej energii naturalnej (światła słonecznego, energii kinetycznej wiatru, energii potencjalnej wody itd.) zamieniane jest na energię elektryczną. Pod tym względem energia wodna jest zdecydowanym zwycięzcą. Nowoczesne turbiny wodne mogą zamienić do 90% energii płynącej wody na elektryczność wvic.com. To sprawia, że hydroenergetyka to najbardziej wydajny proces konwersji energii spośród wszystkich głównych źródeł energii (większość elektrowni węglowych i gazowych osiąga tylko ok. 35–50% sprawności dla porównania wvic.com). Gdy woda spada przez tamę i napędza turbinę, bardzo mało energii się marnuje – to jeden z powodów, dla których hydroenergetyka od dekad stanowi podstawę dostaw prądu w wielu krajach.

Turbiny wiatrowe zajmują kolejne miejsce pod względem wydajności konwersji. Istnieje teoretyczny limit (prawo Betza), zgodnie z którym żadna turbina wiatrowa nie może przechwycić więcej niż ~59% energii kinetycznej wiatru. W praktyce, dzisiejsze duże turbiny wiatrowe są w stanie wydobyć około 50% energii wiatru przepływającego przez powierzchnię omiataną przez wirnik css.umich.edu. To imponująco blisko fizycznego limitu. Innymi słowy, około połowa energii wiatru uderzającego w łopaty turbiny jest zamieniana na energię elektryczną, dzięki zaawansowanym projektom aerodynamicznym i systemom sterowania. Nowoczesne lądowe farmy wiatrowe mają zazwyczaj współczynniki mocy turbin (rzeczywista produkcja vs. maksymalna produkcja w czasie) na poziomie ~35–40%, a największe turbiny morskie mogą osiągać jeszcze wyższe wartości (oczekuje się, że współczynniki mocy offshore osiągną 60% w nadchodzących latach wraz z rozwojem technologii) css.umich.edu. Tak więc energia wiatrowa jest całkiem wydajna w wykorzystywaniu darmowego wiatru.

Panele fotowoltaiczne (PV) odnotowały dramatyczny wzrost wydajności, ale nadal pozostają w tyle za energią wiatrową i wodną pod względem czystego procentu konwersji. Przeciętny komercyjny panel słoneczny ma sprawność około 20–21% – co oznacza, że zamienia mniej więcej jedną piątą padającego na niego światła słonecznego na energię elektryczną css.umich.edu. Modele z wyższej półki i nowe konstrukcje radzą sobie lepiej: naukowcy opracowali specjalistyczne, wielowarstwowe ogniwa PV o sprawności bliskiej 40% w warunkach laboratoryjnych css.umich.edu. W rzeczywistości rekord świata w sprawności laboratoryjnej ogniwa słonecznego wyniósł około 40–47% pod skoncentrowanym światłem słonecznym dla konstrukcji wielozłączowych css.umich.edu. Jednak są to rozwiązania egzotyczne i kosztowne; typowe panele krzemowe na dachach pozostają na poziomie ~20% sprawności. Mimo to, nawet przy 20%, energia słoneczna jest obfita – więc umiarkowanie wydajny panel może wyprodukować dużo energii elektrycznej w ciągu swojego życia. Jak zauważył dr Fatih Birol, szef Międzynarodowej Agencji Energetycznej, gdy koszty energii słonecznej zaczęły gwałtownie spadać, „Widzę, że energia słoneczna staje się nowym królem światowych rynków energii elektrycznej,” ze względu na szybkie postępy i spadające koszty bigthink.com. „Król” wciąż zamienia tylko ułamek światła słonecznego na energię, ale jego inne zalety (omówione później) czynią go niekwestionowanym liderem we wdrażaniu.

Energia geotermalna – wykorzystująca ciepło Ziemi – ma niższą sprawność konwersji, ponieważ jest ograniczona przez termodynamikę silników cieplnych. Elektrownie geotermalne zazwyczaj wykorzystują gorące płyny lub parę z podziemi do napędzania turbin. Sprawność przetwarzania tego ciepła na energię elektryczną może wynosić od 10% do 17% dla tradycyjnych geotermalnych elektrowni parowych (ze średnią światową około 12%) researchgate.net. W geotermalnych elektrowniach binarnych (które wykorzystują zasoby o niższej temperaturze i wtórny czynnik roboczy), sprawności często wynoszą tylko 2%–10% researchgate.net. Krótko mówiąc, z każdej jednostki energii cieplnej pobranej z gorących skał lub wody, tylko niewielka część staje się energią elektryczną. Plusem jest to, że ciepło geotermalne jest stale uzupełniane przez Ziemię, a elektrownie mogą pracować 24/7 z równomierną mocą. Więc nawet jeśli konwersja nie jest świetna, niezawodność jest wysoka – co samo w sobie jest formą efektywności w dostarczaniu ciągłej energii.

Zielony wodór jest tu trochę wyjątkiem – nie jest pierwotnym źródłem energii, lecz nośnikiem energii wytwarzanym z innych źródeł. Warto jednak zwrócić uwagę na jego sprawność, ponieważ często jest przedstawiany jako przyszłe „paliwo” dla czystych systemów energetycznych. Do produkcji wodoru systemy elektrolizerów wykorzystują energię elektryczną (zwykle z OZE) do rozszczepiania wody. Obecna technologia elektrolizy osiąga sprawność na poziomie około 70–80% w najlepszym wypadku esig.energy, co oznacza, że 20–30% energii traci się w postaci ciepła. Następnie, jeśli użyjesz wodoru w ogniwie paliwowym do produkcji prądu, sprawność ogniwa wynosi około 50–60% reddit.com. Mnożąc te wartości, sprawność cyklu zamkniętego produkcji wodoru z prądu i ponownego wytwarzania prądu z wodoru wynosi tylko około 30–40% w konwencjonalnych systemach energy.ca.gov. Innymi słowy, możesz odzyskać mniej niż połowę energii elektrycznej, którą włożyłeś. (Niektóre projekty eksperymentalne próbują znacznie zwiększyć sprawność cyklu wodoru – jeden projekt w Kalifornii osiągnął 80% sprawności cyklu w testach energy.ca.gov – ale to nie jest jeszcze dostępne komercyjnie.) Z tego powodu zielony wodór jest mniej wydajny niż baterie do magazynowania energii, ale nadal jest bardzo przydatny do dekarbonizacji sektorów, gdzie bezpośrednia elektryfikacja jest trudna (przemysł, transport dalekobieżny itp.). Do roli wodoru jeszcze wrócimy.

Energia fal i pływów (energia morska) to rozwijające się odnawialne źródła energii, które również mają obiecujące statystyki konwersji na papierze. Ruch fal oceanicznych może napędzać generatory, a niektóre projekty deklarują wysoką wydajność w przechwytywaniu energii – często 30–40% lub więcej energii fal może być przekształcone w urządzeniach prototypowych. Co ważniejsze, fale są niezwykle gęste energetycznie. „Fale mają największą gęstość energii spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii,” zauważa profesor Lars Johanning, ekspert technologii oceanicznych, a farmy fal mogą dostarczyć trzykrotnie więcej energii na kilometr kwadratowy niż nawet morskie farmy wiatrowe wedusea.eu. Ta wysoka gęstość oznacza, że nawet jeśli sprawność konwersji pojedynczego urządzenia jest umiarkowana, potencjalna produkcja energii z danego obszaru jest ogromna. Turbiny pływowe (podwodne turbiny w szybkich prądach) również mogą przekształcić sporą część energii przepływu wody (z ograniczeniami podobnymi do Betza, jak w przypadku wiatru). Wyzwanie polega na tym, że technologie fal i pływów są wciąż na etapie pilotażowym – więc rzeczywista wydajność i niezawodność są obecnie potwierdzane. Więcej o ich kosztach i wpływie omówimy później, ale czysto pod względem przechwytywania surowej energii naturalnej, energia oceaniczna wykazuje duży potencjał.

Zwycięzca (sprawność konwersji): Energetyka wodna zdobywa koronę pod względem sprawności konwersji (~90% wvic.com), co zasadniczo czyni ją najbardziej wydajnym termodynamicznie odnawialnym źródłem energii. Na drugim miejscu jest wiatr (~50% przechwytywanej energii kinetycznej css.umich.edu), a na trzecim słońce (~20% światła słonecznego, z możliwością wyższej sprawności w zaawansowanych ogniwach css.umich.edu). Sprawność konwersji geotermii jest niższa (pojedyncze cyfry do kilkunastu procent researchgate.net), a cykl wodorowy jest jeszcze niższy (~30–40% energy.ca.gov). Ale pamiętaj, że sprawność konwersji to nie wszystko – w końcu światło słoneczne i wiatr są darmowe i obfite, więc nawet niższa sprawność może być akceptowalna, jeśli zasób jest ogromny i tani do pozyskania. Tu właśnie wchodzą w grę koszty i ekonomia.

Opłacalność: dolary za kWh i zwrot z inwestycji

Kiedy ludzie pytają o „najbardziej wydajne” źródło energii, często mają na myśli: które daje najwięcej korzyści za wydane pieniądze? Opłacalność jest kluczowa dla wdrożenia w rzeczywistych warunkach. Według tego kryterium ostatnie lata przyniosły jasny rezultat: wiatr i energia słoneczna są obecnie najtańszymi źródłami nowej energii elektrycznej w większości świata pv-magazine-usa.com, pv-magazine-usa.com. W 2024 roku, według Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA), 91% nowo uruchomionej mocy odnawialnej (słonecznej, wiatrowej itd.) było tańsze niż energia elektryczna z najtańszej nowej opcji paliw kopalnych sustainabilitymag.com. To przełomowy moment, który podkreśla, jak bardzo odnawialne źródła energii stały się opłacalne ekonomicznie.

Przyjrzyjmy się uśrednionemu kosztowi energii (LCOE), który mierzy średni koszt za kWh energii elektrycznej w całym okresie eksploatacji elektrowni. Na świecie w 2024 roku wiatr na lądzie był najtańszy, a nowe projekty produkowały energię po średnim ważonym LCOE wynoszącym około 0,034 USD za kWh (3,4¢/kWh) sustainabilitymag.com. Słoneczna energia PV na skalę przemysłową była tylko nieco droższa, średnio około 0,043 USD za kWh (4,3¢/kWh) sustainabilitymag.com. Dla porównania, te wartości to mniej niż połowa kosztu energii elektrycznej z nowych elektrowni węglowych lub gazowych w wielu przypadkach. Nawet istniejące elektrownie na paliwa kopalne często mają wyższe koszty operacyjne za kWh niż budowa nowych instalacji słonecznych lub wiatrowych. IRENA zauważyła, że w 2024 roku energia słoneczna PV była około 41% tańsza, a wiatr na lądzie 53% tańszy średnio niż najtańsze opcje energii z paliw kopalnych na świecie reuters.com. To dramatyczna zmiana w porównaniu z sytuacją sprzed zaledwie dekady.

Energia wodna to ciekawy przypadek: wiele starych elektrowni wodnych produkuje niezwykle tanią energię (ponieważ zapory zostały spłacone dawno temu). W przypadku nowych projektów hydroenergetycznych, globalna średnia LCOE w 2024 roku wynosiła około 0,057 USD za kWh (5,7¢) sustainabilitymag.com – nieco więcej niż wiatr lub słońce, ale wciąż konkurencyjnie lub lepiej niż paliwa kopalne. Wyzwanie związane z hydroenergetyką dotyczy mniej kosztu za kWh, a bardziej dostępności lokalizacji i inwestycji początkowych. Najlepsze miejsca są często już zagospodarowane, a duże zapory wymagają wysokich nakładów kapitałowych i napotykają przeszkody środowiskowe. Mimo to, hydro dostarcza przystępną cenowo energię masową w wielu regionach (np. znaczna część Kanady, Brazylii, Norwegii itp. polega na taniej energii wodnej).

Energia geotermalna, będąca stabilnym źródłem podstawowym, miała globalny średni koszt około 0,06 USD za kWh (6¢) w 2024 roku tecsol.blogs.com. To nieco więcej niż wiatr/słońce, ale geotermia zapewnia 24/7 produkcję. W obszarach z dobrymi zasobami geotermalnymi może być opłacalna, zwłaszcza jeśli cenimy stałą produkcję. Koszty geotermii również spadają – IRENA odnotowała 16% spadek kosztów energii geotermalnej w 2024 roku, dzięki ulepszeniom w technice wiercenia i technologii sustainabilitymag.com. Jednak wzrost jest powolny, ponieważ każdy projekt jest bardzo specyficzny dla danej lokalizacji.

Energia wiatrowa offshore, choć droższa niż lądowa, również odnotowała spadki kosztów. Średnie wartości w 2024 roku wynosiły około 0,08 USD za kWh (8¢) globalnie carboncredits.com. Turbiny morskie są większe i bardziej stabilne pod względem produkcji (silniejsze, bardziej stabilne wiatry na morzu), ale instalacja jest kosztowna. Mimo to, niektóre aukcje w latach 2023–2025 na energię wiatrową offshore w Europie osiągnęły poziom nawet 0,05–0,06 USD/kWh, co daje nadzieję na przyszłość.

A co z zielonym wodorem i kosztami? Ponieważ wodór nie jest źródłem energii elektrycznej, trudno go porównywać bezpośrednio. Zamiast tego, warto zauważyć, że produkcja zielonego wodoru kosztuje obecnie około 4–6 USD za kilogram (a jeden kilogram H₂ zawiera około 33 kWh energii). Nawet optymistyczne prognozy zakładają 1–2 USD/kg w przyszłości, co przekładałoby się na około 0,03–0,06 USD za kWh zawartości energetycznej. Jednak przekształcenie tego z powrotem w energię elektryczną w ogniwie paliwowym podwaja koszt za dostarczoną kWh. Krótko mówiąc, wodór nie jest dziś opłacalnym sposobem wytwarzania energii elektrycznej dzisiaj – to raczej rozwiązanie do magazynowania energii i paliwo. Potrzebne są usprawnienia wydajności i korzyści skali, aby obniżyć te koszty. Rządy inwestują znaczne środki: na przykład amerykańska ustawa Inflation Reduction Act oferuje obecnie do 3 USD/kg jako ulgę podatkową na produkcję czystego wodoru css.umich.edu, aby pobudzić tę dziedzinę.

Dla energii fal i pływów koszty są obecnie wysokie – często szacowane na ponad 0,20–0,30 USD za kWh lub więcej dla projektów pilotażowych sciencedirect.com. Branża wyznaczyła sobie cele, aby do 2025 roku obniżyć koszt energii z fal poniżej 0,20 USD/kWh, a w niektórych programach do około 0,15 USD do 2030 roku sciencedirect.com. Jeśli te redukcje kosztów nastąpią (dzięki masowej produkcji i przełomom technologicznym), energia z fal może zacząć konkurować z innymi odnawialnymi źródłami energii na rynkach niszowych. Potencjał istnieje, ale na rok 2025 żadna wielkoskalowa farma energii falowej nie dostarcza energii tak tanio jak wiatr czy słońce. Warto zauważyć, że wiele rządów narodowych (oraz UE) finansuje badania i rozwój energii fal. W rzeczywistości Europa planuje zainstalować 40 GW energii oceanicznej (fal/pływów) do 2050 roku wedusea.eu, co wskazuje na zaufanie, że koszty spadną. Na razie jednak „efektywność” energii falowej leży bardziej w jej przyszłym potencjale niż obecnej opłacalności.

Wreszcie, kluczowym aspektem opłacalności jest tempo spadku cen. Koszty paneli słonecznych spadły o około 90% w ostatniej dekadzie, a turbin wiatrowych o 70% lub więcej sustainabilitymag.com. Koszty magazynowania energii w bateriach – istotne dla zwiększenia dyspozycyjności odnawialnych źródeł energii – spadły o 93% w latach 2010–2024 carboncredits.com. Te trendy oznaczają, że odnawialne źródła energii stają się coraz bardziej „efektywne” pod względem kosztów z roku na rok. Nawet jeśli w 2024 roku odnotowano niewielkie wzrosty kosztów energii wiatrowej/słonecznej z powodu problemów z łańcuchem dostaw sustainabilitymag.com, długoterminowy trend jest imponująco spadkowy.

Aby zacytować eksperta na temat tej zmiany gospodarczej: „Nowa energia odnawialna wygrywa z paliwami kopalnymi pod względem kosztów, oferując jasną drogę do przystępnej cenowo, bezpiecznej i zrównoważonej energii,” mówi Francesco La Camera, dyrektor generalny IRENA, podkreślając, że odnawialne źródła energii uruchomione w 2024 roku pozwoliły zaoszczędzić szacunkowo 467 miliardów dolarów na kosztach paliw kopalnych na całym świecie reuters.com. Krótko mówiąc, z perspektywy efektywności kosztowej, wiatr i słońce są na prowadzeniu. Lądowa energetyka wiatrowa jest zazwyczaj najtańsza, a tuż za nią plasuje się wielkoskalowa fotowoltaika sustainabilitymag.com. Hydroenergetyka i geotermia mogą być bardzo opłacalne tam, gdzie są dostępne, choć mają więcej ograniczeń lokalizacyjnych. Trwające obniżki kosztów umacniają pozycję wiatru i słońca jako globalnych filarów energetycznych – nie tylko czystych, ale i tanich.

Zwycięzca (Efektywność kosztowa): Energetyka wiatrowa na lądzie prawdopodobnie zajmuje pierwsze miejsce w 2025 roku, z najniższym kosztem za kWh w większości analiz (około 3–4 centy) sustainabilitymag.com. Fotowoltaika jest bardzo blisko, często tylko o ułamek centa droższa średnio sustainabilitymag.com – a w słonecznych regionach z tanim finansowaniem, energia słoneczna może dorównać lub przewyższyć koszty wiatru. Te dwa źródła dominują nowe inwestycje, ponieważ maksymalizują produkcję energii za wydane pieniądze. Inne odnawialne źródła mają ważne role (hydro często najtańsze tam, gdzie już istnieje; geotermia zapewnia wartość jako stabilne źródło podstawowe; morska energetyka wiatrowa na wybrzeżach itd.), ale pod względem czystej efektywności kosztowej, wiatr i słońce są zwycięzcami na dzisiejszym rynku.

Efektywność wykorzystania ziemi i zasobów

Innym spojrzeniem na efektywność jest to, ile ziemi, wody lub innych zasobów potrzeba dla każdego źródła energii. Jest to szczególnie ważne, gdy zwiększamy skalę odnawialnych źródeł – zależy nam na tych o mniejszym śladzie i zrównoważonym wykorzystaniu zasobów.

Pod względem użytkowania gruntów, odnawialne źródła energii bardzo się różnią. Farmy fotowoltaiczne zazwyczaj wymagają 5–10 akrów na megawat (MW) mocy patentpc.com. Oznacza to, że duża farma słoneczna o mocy 100 MW może zajmować 500–1000 akrów. Brzmi to ogromnie, ale pamiętaj: ta ziemia często może być wykorzystywana podwójnie. Coraz popularniejszy jest trend agrifotowoltaiki, gdzie uprawy rosną pod i między panelami słonecznymi, dzięki czemu ziemia produkuje jednocześnie żywność i energię patentpc.com. Panele słoneczne można też instalować na dachach, parkingach i na pustyniach, co zmniejsza potrzebę zajmowania cennych gruntów. W rzeczywistości, gdyby rozmieścić wystarczającą liczbę paneli słonecznych, by zasilić całe Stany Zjednoczone, zajęłyby one tylko około 0,5% powierzchni kraju (około pół procenta) patentpc.com – to stosunkowo niewiele w porównaniu np. z rolnictwem, które zajmuje około 40% powierzchni USA. Strategiczne lokalizowanie (np. wykorzystanie nasłonecznionych terenów pustynnych lub integracja z budynkami) sprawia, że ślad powierzchniowy energii słonecznej jest całkiem łatwy do opanowania.

Farmy wiatrowe wymagają większego obszaru pomiędzy turbinami, ale większość tej ziemi nadal może być wykorzystywana do innych celów. Teoretycznie farma wiatrowa może wymagać około 60 akrów na MW mocy ze względu na odstępy patentpc.com. Jednak bezpośredni ślad – czyli teren faktycznie zajęty przez podstawy turbin, drogi itp. – to tylko około 1–2 akrów na MW patentpc.com. Reszta terenu pozostaje otwarta (na uprawy, wypas itp.). Na przykład farma wiatrowa o mocy 100 MW może zajmować około 6000 akrów, ale 95% tej powierzchni może nadal być wykorzystywane jako pastwiska lub pola wokół turbin patentpc.com. Ta współużytkowość to kluczowa zaleta energii wiatrowej: uzyskujesz energię bez całkowitego wypierania innych sposobów użytkowania ziemi. Dodatkowo, morskie farmy wiatrowe całkowicie eliminują kwestię zajmowania lądu, umieszczając turbiny na morzu – to coraz popularniejsze rozwiązanie w krajach z silnymi wiatrami przybrzeżnymi.

Aby zobrazować skalę wykorzystania terenu: analiza przeprowadzona przez MIT wykazała, że aby wygenerować terawatogodzinę rocznie, energia wiatrowa (na lądzie) zajmuje około 100 hektarów terenu, jeśli liczyć tylko podstawy turbin, lub do 10 000 hektarów, jeśli uwzględnić cały rozstaw farmy wiatrowej (choć ta przestrzeń nie jest w rzeczywistości „zużywana” w ten sam sposób) climate.mit.edu. Farmy fotowoltaiczne, będąc bardziej wymagające pod względem powierzchni, mogą zajmować ponad 1 000 hektarów na TWh/rok climate.mit.edu. Energetyka jądrowa (dla porównania) jest niezwykle gęsta, około 10 hektarów na TWh climate.mit.edu. Natomiast hydroenergetyka może mieć bardzo różne wartości – niektóre projekty wysokich zapór zalewają bardzo mało terenu na jednostkę mocy, podczas gdy inne z dużymi zbiornikami zalewają dużo. Szacunki wahają się od 100 hektarów do kilku tysięcy hektarów na TWh/rok dla hydro, w zależności od projektu climate.mit.edu. Na przykład tama Itaipu w Brazylii (14 GW) zalała ponad 1 300 km² terenu (130 000 hektarów), ale produkuje około 100 TWh rocznie – czyli około 1 300 ha/TWh. Z kolei mała alpejska zapora może zalewać znacznie mniejszy obszar na TWh. Tak więc „wydajność” powierzchniowa hydroenergetyki jest silnie zależna od lokalizacji.

Elektrownie geotermalne mają niewielki ślad powierzchniowy – zazwyczaj kilka akrów na elektrownię i głowice odwiertów, plus trochę terenu na rurociągi parowe lub odwierty wtryskowe. Powierzchniowy wpływ geotermii jest minimalny w porównaniu do fotowoltaiki czy wiatru. Jednak geotermia jest ograniczona przez geologię; można je budować tylko tam, gdzie pod powierzchnią dostępne jest ciepło. Tak więc, choć wykorzystanie terenu jest efektywne, „wykorzystanie zasobów” jest ograniczone (potrzebne są odpowiednie zbiorniki i woda).

Energia fal i pływów wypada bardzo dobrze pod względem wykorzystania terenu, ponieważ zajmuje przestrzeń morską. Konwertery energii fal unoszą się na oceanie lub są umieszczone na wybrzeżach, a turbiny pływowe znajdują się pod wodą w kanałach – więc w ogóle nie zajmują lądu. Mogą pojawić się kwestie środowiskowe na morzu (żegluga, interakcje z fauną morską), ale jeśli chodzi o konkurencję o teren, energia oceaniczna jest zdecydowanym zwycięzcą. Jak wspomniano wcześniej, jedna z tez głosi, że farma falowa może produkować 3× więcej energii na km² powierzchni oceanu niż pływająca farma wiatrowa wedusea.eu. Jeśli to prawda, oznacza to potencjalnie bardzo efektywne wykorzystanie przestrzeni (zwłaszcza dla krajów wyspiarskich lub tych z dużymi wyłącznymi strefami ekonomicznymi na morzu). Energia pływowa jest również gęsta; pojedyncza turbina pływowa może w dobrym prądzie wytwarzać kilka MW, zajmując tylko kilkadziesiąt metrów kwadratowych dna morskiego (choć potrzebne są odstępy, by uniknąć zakłóceń).

Rozważając materiały i zasoby, dostrzegamy więcej niuansów. Panele słoneczne wymagają wydobycia krzemu, srebra, aluminium itd., a turbiny wiatrowe potrzebują stali, betonu, miedzi, metali ziem rzadkich (dla niektórych generatorów) itd. W przeliczeniu na kWh, zapotrzebowanie na te materiały jest zazwyczaj niskie i maleje wraz z postępem technologicznym. Recykling i projektowanie w obiegu zamkniętym się poprawiają, ale przewidujemy falę odpadów z paneli słonecznych za kilka dekad, gdy obecne panele zakończą żywotność – recykling będzie wtedy ważny dla utrzymania długoterminowej efektywności zasobów.

Głównym zasobem wykorzystywanym przez hydroenergetykę jest woda (oraz ziemia poprzez zbiorniki). Zużycie wody nie jest dużym problemem dla elektrowni przepływowych lub większości hydroelektrowni (nie „zużywają” wody, tylko przepuszczają ją przez turbiny), ale parowanie ze zbiorników może być liczone jako zużycie wody w suchych regionach. Energia wiatrowa i słoneczna generalnie zużywają bardzo mało wody (szczególnie fotowoltaika – praktycznie żadnej podczas pracy), co jest wyraźną przewagą nad elektrowniami na paliwa kopalne lub jądrowymi, które potrzebują wody do chłodzenia.

Jeśli chodzi o zwycięzców pod względem efektywności wykorzystania ziemi: jeśli liczymy tylko zajętą powierzchnię, geotermia i fotowoltaika na dachach wypadają świetnie (prawie nie wymagają nowej ziemi dla PV na dachach). Morska energetyka wiatrowa i energia morska również wyróżniają się, całkowicie unikając wykorzystania lądu. Między lądową energią wiatrową a słoneczną, możliwość współistnienia wiatraków z rolnictwem sprawia, że są one mniej wymagające pod względem powierzchni z perspektywy użytkowania przez ludzi. Słońce jest bardziej elastyczne w lokalizacji (nawet dachy w miastach), co rekompensuje większe zapotrzebowanie na powierzchnię na kWh. Hydroenergetyka może produkować dużo energii na małej tamie lub zalewając doliny – gdy jest dobrze zaprojektowana, jest bardzo efektywna pod względem wykorzystania ziemi, ale gdy wymaga ogromnych zbiorników, wpływ na ziemię może być największy ze wszystkich (często też zalewa ekosystemy lub społeczności, co jest kwestią sprawiedliwości środowiskowej).

Podsumowując efektywność wykorzystania ziemi/zasobów:

Energia wiatrowa zajmuje dużo miejsca, ale można ją współużytkować (a morska eliminuje konflikt o ziemię).
Energia słoneczna zajmuje przestrzeń, ale często może wykorzystywać tereny nieużywane lub o podwójnym przeznaczeniu (pustynie, dachy) i jest dość gęsta pod względem produkcji energii na powierzchnię w porównaniu np. z biomasą.
Hydroenergetyka ma bardzo zróżnicowaną efektywność; niektóre instalacje są niezwykle wydajne pod względem wykorzystania ziemi, inne znacznie mniej climate.mit.edu.
Geotermia i energia pływów/fal mają minimalny ślad na lądzie, choć geotermia jest ograniczona lokalizacyjnie, a energia fal wykorzystuje powierzchnię morza.

Zwycięzca (Wydajność wykorzystania ziemi i zasobów): Nie ma jednego zwycięzcy, ale energia wiatrowa zasługuje na uznanie za to, jak niewielka część jej powierzchni jest faktycznie wyłączona z użytkowania (na 95% terenu farmy wiatrowej można nadal uprawiać ziemię lub hodować zwierzęta wokół turbin) patentpc.com. Fotowoltaika na dachach jest prawdopodobnie najbardziej wydajna pod względem wykorzystania terenu – wykorzystuje istniejące budynki, nie zajmując nowej ziemi. Jeśli rozpatrujemy przestrzeń szerzej, morskie farmy wiatrowe i energia oceaniczna wykorzystują rozległe, ale nieterestrialne obszary. Można więc powiedzieć: na lądzie, wiatr (współużytkowanie) i fotowoltaika na dachach są najbardziej wydajne pod względem wykorzystania terenu; ogólnie rzecz biorąc, odnawialne źródła morskie całkowicie unikają zajmowania lądu. Każde źródło wymaga pewnych materiałów i terenu, ale dobrą wiadomością jest to, że badania wskazują, iż mamy wystarczająco dużo ziemi, by przejść globalnie na 100% OZE (rzędu <1% powierzchni lądowej dla energii słonecznej/wiatrowej, globalnie) patentpc.com, zwłaszcza jeśli wdrożymy je inteligentnie.

Wpływ na środowisko i emisję dwutlenku węgla

Jednym z głównych powodów rozwoju OZE jest ograniczenie szkód środowiskowych, zwłaszcza zmian klimatu. Dlatego „wydajne” źródło energii powinno idealnie produkować maksymalną ilość energii przy minimalnym zanieczyszczeniu lub emisji dwutlenku węgla. W tym aspekcie praktycznie wszystkie OZE przewyższają paliwa kopalne o rzędy wielkości pod względem emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń. Jednak nadal istnieją różnice, na które warto zwrócić uwagę.

Jeśli chodzi o ślad węglowy na jednostkę energii elektrycznej (emisje w całym cyklu życia):

Energia wiatrowa należy do najniższych. Produkcja, budowa i eksploatacja turbin wiatrowych powoduje jedynie około 10–12 gramów ekwiwalentu CO₂ na kWh energii elektrycznej w całym okresie eksploatacji turbiny climate.mit.edu. (Uwzględnia to wydobycie surowców, produkcję stali itd., podzielone przez całkowitą wyprodukowaną energię.) Dla porównania, energia z węgla to ~820 g CO₂ na kWh en.wikipedia.org – prawie 80 razy większa emisja węgla niż w przypadku wiatru. Brak spalania paliwa oznacza, że po uruchomieniu turbiny mamy już tylko czystą produkcję energii.
Fotowoltaika słoneczna (Solar PV) ma nieco wyższy ślad węglowy, głównie z powodu produkcji (rafinacja krzemu jest energochłonna i często wykorzystuje energię elektryczną z sieci opartych na paliwach kopalnych). Elektrownie słoneczne na skalę przemysłową mają około 30–50 gramów CO₂ na kWh en.wikipedia.org, climate.mit.edu (mediana ~48 g). To wciąż bardzo mało – około jednej dziesiątej emisji z elektrowni gazowych (~490 g) i jednej dwudziestej z węglowych en.wikipedia.org. Nowsza produkcja paneli słonecznych zasilana czystą energią może jeszcze bardziej obniżyć ten ślad. Ponadto recykling paneli po zakończeniu ich żywotności dodatkowo zmniejszy wpływ netto.
Energia wodna (Hydropower) jest zazwyczaj bardzo niskoemisyjna – średnio około 4 do 24 gramów na kWh w analizach cyklu życia en.wikipedia.org. Sama produkcja nie emituje dwutlenku węgla. Jednak jest pewien haczyk: w niektórych przypadkach duże zbiorniki, zwłaszcza w strefach tropikalnych, mogą wytwarzać metan (silny gaz cieplarniany) z gnijącej pod wodą roślinności. IPCC zauważa, że w najgorszych przypadkach, gdy zbiorniki emitują dużo metanu, hydro może osiągać nawet kilkaset gramów en.wikipedia.org, climate.mit.edu. Jednak wiele elektrowni wodnych emituje tylko kilka gramów na kWh. W najlepszych przypadkach energia wodna jest tak czysta pod względem emisji jak wiatr czy atom. W najgorszych (płytkie tropikalne zbiorniki) jej wpływ na klimat może zbliżać się do elektrowni gazowej. „Może również uwalniać emisje ocieplające klimat, gdy rośliny na zalanym obszarze się rozkładają,” ostrzega jedna z analiz, choć wiele elektrowni wodnych pozostaje jednymi z najczystszych źródeł ogółem climate.mit.edu. Inne, nie związane z emisją węgla skutki środowiskowe hydro (blokowanie migracji ryb, zmiany w ekosystemach rzecznych) to osobna kwestia, ale pod względem emisji węgla hydro jest generalnie doskonałe.
Geotermia zazwyczaj ma niski ślad węglowy, często podawany w zakresie ~5 do 40 gramów CO₂ na kWh en.wikipedia.org. Może się zdarzyć, że pewna ilość CO₂ naturalnie obecna w podziemnych płynach zostaje uwolniona, gdy płyn geotermalny wydostaje się na powierzchnię (niektóre pola geotermalne, zwłaszcza we Włoszech, mają CO₂ w parze), ale nowoczesne elektrownie mogą wtłaczać gazy z powrotem lub stosować cykle binarne, aby uniknąć emisji. Ogólnie rzecz biorąc, geotermia to źródło niskoemisyjne, podobne do energii słonecznej pod względem emisji w całym cyklu życia. Wytwarza niewielkie lokalne emisje (takie jak śladowy siarkowodór w niektórych elektrowniach) i wymaga odpowiedzialnego zarządzania płynem geotermalnym, aby uniknąć zanieczyszczenia wód gruntowych. Niektóre systemy geotermalne muszą także uważać na wywoływanie drobnych trzęsień ziemi (z powodu wtłaczania płynów), choć zwykle są one niewielkie, jeśli są odpowiednio zarządzane.
Energie oceaniczne (energia fal/energia pływów) mają bardzo niewielkie emisje podczas eksploatacji. Ich ślad węglowy w całym cyklu życia może być podobny do energii wiatrowej – być może kilka gramów na kWh – ponieważ w urządzeniach dominuje stal i beton. Jednak ze względu na niewielką skalę obecnie, pierwsze urządzenia mogą mieć wyższy ślad węglowy, dopóki produkcja nie zostanie zwiększona. Jedno z badań wielu prototypów pływowych i falowych wykazało szeroki zakres (~15 do 105 g/kWh) ze średnią ~50 g en.wikipedia.org, ale to prawdopodobnie się poprawi. Zasadniczo oczekuje się, że energia fal i pływów będzie w tej samej niskoemisyjnej lidze co inne odnawialne źródła energii, gdy dojrzeje technologicznie.

Poza emisją dwutlenku węgla, inne oddziaływania na środowisko również mają znaczenie:

Dzikie zwierzęta i siedliska: Turbiny wiatrowe zwracają dużą uwagę ze względu na kolizje z ptakami i nietoperzami. To rzeczywisty problem – szacunki wskazują, że farmy wiatrowe w USA powodują śmierć dziesiątek tysięcy ptaków rocznie. Strategie łagodzenia (lepsza lokalizacja z dala od głównych tras migracyjnych, nowe technologie wykrywania i odstraszania, wyłączanie w czasie szczytowych migracji itp.) poprawiają tę sytuację. Dla porównania, budynki i koty zabijają o rzędy wielkości więcej ptaków, ale to wciąż obszar wymagający zarządzania, by energia wiatrowa była przyjazna środowisku. Morskie farmy wiatrowe również muszą być budowane z troską o życie morskie (hałas podwodny podczas budowy, na przykład, może niepokoić wieloryby – deweloperzy stosują obecnie kurtyny bąbelkowe i sezonowe ograniczenia prac, by to łagodzić).
Farmy słoneczne, jeśli są źle zlokalizowane, mogą zakłócać ekosystemy pustynne lub wymagać oczyszczenia terenu. Jednak wiele z nich buduje się na wcześniej zdegradowanych lub małowartościowych terenach (np. stare tereny przemysłowe, nieużytki). Oddziaływanie energii słonecznej jest też w dużej mierze odwracalne – można usunąć panele, a teren może się zregenerować.
Energia wodna prawdopodobnie ma największy wpływ ekologiczny z całej grupy. Zaporowanie rzek zmienia przepływ wody, wzorce osadzania się osadów i ekosystemy wodne. Może blokować migracje ryb (przepławki i inne środki mogą pomóc, ale nie zawsze są idealne). Duże zbiorniki mogą zalewać ogromne obszary, przesiedlając społeczności i dziką przyrodę. Te skutki są powodem, dla którego duże nowe projekty tam spotykają się z tak dużą kontrolą i oporem. Tak więc, choć hydro jest „wydajne” pod względem energii i emisji dwutlenku węgla, jego efektywność środowiskowa to bardziej złożona kwestia – może być łagodne (mała elektrownia przepływowa) lub mieć ogromny wpływ (gigantyczna tama w lesie deszczowym). Każdy projekt hydro jest pod tym względem wyjątkowy.
Energia geotermalna stosunkowo mało ingeruje w środowisko – elektrownie są kompaktowe, a poza niewielkim ryzykiem wywołania wstrząsów sejsmicznych i pewnym zużyciem wody do chłodzenia, uznaje się ją za bardzo przyjazną środowisku. Nie powoduje zanieczyszczenia powietrza (poza śladowymi ilościami gazów wulkanicznych, które niektóre elektrownie usuwają).
Zielony wodór podczas spalania lub użycia w ogniwach paliwowych daje parę wodną – nie powstaje CO₂ w miejscu użycia. To świetne rozwiązanie dla eliminacji zanieczyszczeń powietrza w transporcie lub przemyśle. Jednak produkcja wodoru może mieć wpływ na środowisko w zależności od sposobu jej realizacji. Jeśli odbywa się to za pomocą odnawialnych źródeł energii (zielony wodór), to jego ślad środowiskowy zależy od źródła prądu. Jeśli elektrolizer jest zasilany energią słoneczną/wietrzną, to ślad węglowy wodoru na kWh jest zbliżony do tych źródeł (z pewną stratą wydajności). Jedna kwestia środowiskowa: wodór, który wycieka do atmosfery, może pośrednio przyczyniać się do ocieplenia (wydłuża żywotność metanu i tworzy parę wodną w stratosferze). To niewielkie zagrożenie, ale jest badane wraz ze wzrostem skali produkcji wodoru. Ponadto, duża produkcja wodoru będzie wymagać wody (choć jest ona dostępna globalnie – można użyć odsalania przy niewielkim wzroście kosztów css.umich.edu).

Podsumowując, wszystkie odnawialne źródła energii są znacznie bardziej ekoefektywne niż spalanie paliw kopalnych. Wytwarzają znacznie więcej energii przy znacznie mniejszym zanieczyszczeniu. Wiatr i słońce nie powodują ciągłych emisji do powietrza ani zanieczyszczenia wody. Nie ma komina – czyli nie ma dwutlenku siarki, rtęci, pyłów powodujących kwaśne deszcze lub problemy z oddychaniem, jak w przypadku węgla. Ta „czystość” to kluczowa efektywność: oznacza, że możemy wytwarzać potrzebną energię bez skutków ubocznych w postaci szkód dla zdrowia publicznego i klimatu w takim stopniu. Według badań, emisje gazów cieplarnianych w cyklu życia dla wiatru, słońca, atomu itd. są poniżej ~50 g/kWh, podczas gdy każde paliwo kopalne to setki en.wikipedia.org, climate.mit.edu.

Zwycięzca (Wpływ na środowisko): Z perspektywy emisji dwutlenku węgla/klimatu mamy w zasadzie remis pomiędzy energią wiatrową, jądrową i wodną na szczycie – wszystkie mogą osiągać poziom około ~10 g CO₂/kWh lub mniej w najlepszych przypadkach climate.mit.edu, en.wikipedia.org. Energia wiatrowa jest często podawana jako ~11 g/kWh mediana climate.mit.edu, co jest znakomitym wynikiem. Fotowoltaika słoneczna jest nieco gorsza, ale wciąż bardzo niskoemisyjna (mediana ~48 g climate.mit.edu). Energia wodna, jeśli jest realizowana ostrożnie, również może być niezwykle niskoemisyjna en.wikipedia.org. Jeśli poszerzymy pojęcie wpływu na środowisko poza emisję dwutlenku węgla, być może wiatr i słońce (przy odpowiednim lokalizowaniu) mają najmniejszy wpływ na ekosystem – zwłaszcza fotowoltaika na dachach lub turbiny wiatrowe na morzu (z dala od korytarzy migracyjnych ptaków). Energia geotermalna również ma bardzo niski wpływ, jeśli jest dobrze zarządzana. Energia wodna ma prawdopodobnie największy ślad ekologiczny mimo korzyści klimatycznych, więc w tym sensie nie jest „efektywna” środowiskowo, jeśli projekt zalewa rozległe obszary bioróżnorodnych siedlisk.

Podsumowując, energia wiatrowa może zdobyć tytuł najbardziej ogólnie efektywnej środowiskowo: niemal zerowa emisja, niewielki fizyczny ślad na lądzie (tylko wysoka wieża tu i tam) oraz coraz większa dbałość o dziką przyrodę. Energia słoneczna jest blisko na drugim miejscu z podobnych powodów (zwłaszcza przy wykorzystaniu istniejącej zabudowy). Jednak wszystkie odnawialne źródła energii zdecydowanie przewyższają paliwa kopalne pod względem efektywności środowiskowej. Jak ujął to jeden z ekspertów MIT, wyprodukowanie 1 kWh z wiatru lub atomu emituje rzędu 10–12 gramów CO₂, podczas gdy ponad 800 gramów dla węgla – to różnica jak dzień i noc pod względem wpływu na środowisko climate.mit.edu.

Nowe i przyszłe opcje: Zielony wodór i energia fal

Żadna dyskusja o efektywności odnawialnych źródeł energii nie byłaby pełna bez spojrzenia na nowe technologie, które mogą odegrać dużą rolę w najbliższej przyszłości. Dwa najgorętsze tematy na lata 2024–2025 to zielony wodór i energia fal (wraz z innymi morskimi źródłami, jak pływy). Wspominaliśmy o nich w poprzednich sekcjach, ale przyjrzyjmy się ich perspektywom efektywności w sposób całościowy.

Zielony wodór – efektywne paliwo dla sektorów trudnych do dekarbonizacji?

Zielony wodór (wytwarzany przez rozszczepianie wody za pomocą energii odnawialnej) jest czasami nazywany „brakującym ogniwem” w oczyszczaniu takich branż jak stal, nawozy, transport dalekobieżny oraz jako sezonowy magazyn energii dla sieci energetycznych. Jak widzieliśmy, sprawność cyklu zamiany wodoru na energię elektryczną i z powrotem jest stosunkowo niska (około 30–40% dla prąd -> H₂ -> prąd energy.ca.gov), celem wodoru jest umożliwienie wykorzystania czystej energii tam, gdzie bezpośrednie użycie prądu nie jest tak wykonalne. W tych zastosowaniach sprawność wodoru powinna być oceniana inaczej.

Na przykład, użycie energii odnawialnej w elektrolizerze daje dziś wodór z wydajnością około 70%. Ten wodór w ciężarówce z ogniwem paliwowym może następnie zostać przekształcony w ruch z wydajnością około 50%. Nawet jeśli połowa energii jest tracona podczas konwersji, efektem jest ciężarówka jeżdżąca bez emisji z rury wydechowej – co jest ogromnym zyskiem pod względem efektywności środowiskowej (w porównaniu do ciężarówki z silnikiem diesla, gdzie energia jest marnowana jako ciepło, a zanieczyszczenia są emitowane). I następuje szybki postęp: nowsze elektrolizery (takie jak tlenkowe lub PEM z lepszymi katalizatorami) oraz lepsze ogniwa paliwowe zwiększają ogólną wydajność. Naukowcy dążą do tego, by elektrolizery przekraczały 80–85% sprawności, a ogniwa paliwowe podobnie, co w przyszłości może dać cykl zamiany na poziomie około 60% papers.ssrn.com. To uczyniłoby magazynowanie wodoru znacznie bardziej efektywnym energetycznie.

Jeśli chodzi o koszty i zużycie zasobów, produkcja zielonego wodoru wymaga taniej energii odnawialnej w ogromnych ilościach. Potrzebuje też wody (9 litrów na 1 kg H₂). Gdybyśmy mieli produkować, powiedzmy, 50 milionów ton wodoru rocznie (mniej więcej tyle, ile USA zużywa dziś wodoru z paliw kopalnych), zapotrzebowanie na wodę wyniosłoby około 0,5% obecnego zużycia wody słodkiej css.umich.edu – nie jest to pomijalne, ale też nie jest to ogromna wartość, a w razie potrzeby można ją pokryć odsalaniem przy niewielkich kosztach css.umich.edu. Z punktu widzenia powierzchni, same zakłady produkujące wodór nie zajmują dużo miejsca (wystarczy teren przemysłowy pod elektrolizery), ale pośrednio wymagają farm słonecznych i wiatrowych do ich zasilania. Tak więc ślad powierzchniowy wodoru to w zasadzie ślad powierzchniowy dodatkowych źródeł odnawialnych potrzebnych do jego produkcji.

Jedną z rzeczy, w których wodór się wyróżnia, jest czas trwania magazynowania energii. Baterie świetnie nadają się do magazynowania energii przez godziny, może dni, ale stają się bardzo drogie przy magazynowaniu wielodniowym lub sezonowym. Wodór (lub pochodne paliwa, jak amoniak) może magazynować energię przez miesiące – na przykład gromadząc energię słoneczną latem do wykorzystania zimą – co jest efektywnym sposobem na pokonanie sezonowych luk. Taka forma efektywności (można ją nazwać efektywnością czasową) będzie kluczowa w całkowicie odnawialnej sieci energetycznej. Tak więc, choć wodór nie jest „efektywny” w wąskim sensie konwersji energii, może znacznie zwiększyć ogólną skuteczność systemu energii odnawialnej, zapewniając elastyczność i dekarbonizując trudne sektory.

Przełomowe osiągnięcia w latach 2024–2025 obejmują uruchomienie dużych projektów zielonego wodoru (np. ogromne instalacje elektrolizerów w Europie, Australii, na Bliskim Wschodzie), a prognozy wskazują na dalszy spadek kosztów. Rządy i przemysł inwestują miliardy, ponieważ widzą długoterminowe korzyści w zakresie efektywności: tanie odnawialne źródła energii przekształcane w wszechstronne, czyste paliwo. Na przykład Unia Europejska i wiele krajów posiada obecnie dedykowane strategie wodorowe, których celem jest obniżenie kosztów i zwiększenie produkcji. Cel efektywnościowy dotyczy nie tylko energii, ale także wartości systemowej – wykorzystanie nadwyżki energii odnawialnej, która w innym przypadku zostałaby zmarnowana (zredukowana), do produkcji wodoru jest ekonomicznie efektywne, przekształcając potencjalne odpady w użyteczne paliwo.

Energia fal i pływów – wykorzystanie efektywności oceanów

Stały ruch oceanu to atrakcyjne źródło energii. Jak wspomniano, energia fal charakteryzuje się wysoką gęstością energetyczną, a pływy są bardzo przewidywalne (można je prognozować na lata naprzód). Kluczowe pytanie brzmi: czy potrafimy je efektywnie i opłacalnie wykorzystać?

Pod względem efektywności testowanych jest wiele konwerterów energii fal (WEC) – od oscylujących kolumn wodnych, przez urządzenia z zawiasowymi klapami, po pływające boje napędzające generatory. Niektóre z nich osiągają sprawność mechaniczną na poziomie 50–70% energii fali pochłanianej przez urządzenie przekształcanej w energię elektryczną w idealnych warunkach. Jednak surowe warunki oceaniczne sprawiają, że utrzymanie tej wydajności w czasie jest wyzwaniem. Korozja, sztormy, zarastanie biologiczne (porastanie urządzeń przez organizmy morskie) mogą obniżać efektywność. Branża koncentruje się na zwiększaniu odporności urządzeń i „odpornych i wydajnych konwerterach energii fal”, które mogą przetrwać i nadal pozyskiwać energię, jak zauważa prof. Johanning, a innowacje pchają tę dziedzinę na skraj komercjalizacji na dużą skalę wedusea.eu.

Turbiny prądów pływowych (podobne do podwodnych turbin wiatrowych) mogą osiągać sprawność konwersji porównywalną z turbinami wiatrowymi (ponad 40% energii kinetycznej wody zamienianej na energię elektryczną). Zazwyczaj mają współczynniki wykorzystania mocy na poziomie 30–50% w zależności od wzorców pływów (niektóre pływy występują dwa razy dziennie, co prowadzi do okresów bez generacji podczas tzw. martwej wody). Pierwsze wielomegawatowe farmy turbin pływowych (np. projekt MeyGen w Szkocji) wykazały obiecujące wyniki, ale koszty pozostają wysokie.

Z punktu widzenia węgla i środowiska, energia fal i pływów jest bardzo czysta (oczywiście brak emisji). Mogą jednak wpływać na ekosystemy morskie, jeśli nie zostaną odpowiednio zaplanowane – np. turbiny pływowe muszą zapewnić, że nie zaszkodzą rybom ani ssakom morskim (obracające się pod wodą łopaty stanowią pewne ryzyko, choć zwykle obracają się wolniej niż śruby statków i dotychczasowe badania wskazują na niewielki wpływ). Urządzenia falowe w pobliżu wybrzeży mogą nieznacznie zmieniać wzorce fal, potencjalnie wpływając na erozję lub osadzanie się osadów, jeśli zostaną wdrożone na dużą skalę. Są to kwestie możliwe do opanowania dzięki odpowiedniemu projektowi i lokalizacji.

Kluczowe dla energii fal i pływów są przełomy w zakresie kosztów i trwałości. Rok 2024 przyniósł kilka kamieni milowych: na przykład szkocka firma zainstalowała 2 MW pływającą turbinę pływową „O2”, najpotężniejszą turbinę pływową na świecie, dostarczającą energię do sieci. Inny projekt uruchomił pilotażowy program energii fal na Hawajach we współpracy z Marynarką Wojenną USA oceanenergy.ie. Program WEDUSEA UE (Wave Energy Demonstration at Utility Scale) testuje urządzenie falowe o mocy 1 MW w latach 2023–2026, aby udowodnić jego wydajność. Celem jest wyraźnie obniżenie kosztów – podobnie jak w przypadku energii wiatrowej i słonecznej, które dojrzewały przez dziesięciolecia. Wspólne Centrum Badawcze UE przewiduje, że koszt energii falowej spadnie wraz ze wzrostem wdrożeń, podobnie jak stało się to z energią wiatrową wedusea.eu.

Jeśli energia fal i pływów osiągnie dojrzałość, ich wkład w efektywność polegać będzie na dywersyfikacji miksu odnawialnego. Mogą dostarczać energię w momentach, gdy energia słoneczna czy nawet wiatrowa nie jest dostępna (fale mogą być silne w nocy lub gdy wiatr jest słaby, ale utrzymuje się długotrwały rozkołys; pływy działają według własnego harmonogramu). To pomaga w stabilności sieci – zwiększa efektywność wykorzystania infrastruktury. Co więcej, ponieważ fale i pływy są przewidywalne, mogą zapewnić bardziej niezawodne dostawy, ograniczając potrzebę rezerwowej mocy – co jest efektywnym rozwiązaniem dla całego systemu energetycznego.

Podsumowując, zielony wodór i energia morska są na horyzoncie, by uczynić nasze systemy odnawialne bardziej kompletnymi. Wodór odpowiada na potrzeby sektorów i magazynowania, których same elektrony nie są w stanie łatwo zaspokoić; fale i pływy oferują ogromne, niewykorzystane czyste źródło, które może uzupełnić energię wiatrową i słoneczną. Obie technologie wciąż stoją przed wyzwaniami efektywnościowymi (straty energii w cyklach wodorowych; wysokie koszty urządzeń falowych), ale trend na lata 2024–2025 to szybki wzrost inwestycji i innowacji w tych technologiach. Przy dalszym postępie mogą wkrótce zaznaczyć swoją obecność w wyścigu o efektywność – być może staną się najefektywniejszym rozwiązaniem dla określonych nisz (np. wodór dla ciężkiego transportu, energia falowa dla społeczności nadmorskich). Warto je obserwować, bo „lider” efektywności odnawialnej za dekadę może oznaczać synergię tych nowych rozwiązań z już ugruntowanymi.

Wnioski: Kto wygrywa wyścig o efektywność?

A więc, po przeanalizowaniu wszystkich tych aspektów – konwersji energii, kosztów, wykorzystania terenu i wpływu na środowisko – które odnawialne źródło energii jest najbardziej efektywne ogółem? Szczera (i być może zaskakująca) odpowiedź brzmi: nie ma jednego, uniwersalnego zwycięzcy. Każde odnawialne źródło wyróżnia się w pewnych aspektach, a w innych mniej:

Energia wodna to mistrz wydajności konwersji (ponad 90% energii jest przechwytywane wvic.com) i zapewnia niezawodną, stabilną energię przy bardzo niskiej emisji dwutlenku węgla. Jednak jej zastosowanie ogranicza geografia, a koszty ekologiczne i zajętość terenu mogą być wysokie.
Energia wiatrowa jest niezwykle opłacalna (często najtańsze źródło energii elektrycznej sustainabilitymag.com), ma bardzo mały ślad węglowy i umiarkowany ślad powierzchniowy (głównie współużytkowana ziemia) – co czyni ją prawdopodobnie najlepszą pod względem efektywności ekonomicznej i środowiskowej. Przekształca około połowy energii wiatru w energię elektryczną css.umich.edu, co jest doskonałym wynikiem, biorąc pod uwagę, że wiatr jest darmowy. Szczególnie energetyka wiatrowa na lądzie trafia w idealny punkt: jest tania, skalowalna i efektywna pod względem wykorzystania terenu i zasobów. To jeden z głównych kandydatów do tytułu „najbardziej efektywnej ogółem” w realiach 2025 roku.
Energia słoneczna stała się niezwykle ekonomicznie efektywna – ceny są tak niskie, że w wielu miejscach to praktycznie domyślne nowe źródło energii pv-magazine-usa.com. Ma umiarkowaną sprawność konwersji (~20% css.umich.edu), ale paliwo (światło słoneczne) jest nieograniczone. Słońce wymaga więcej powierzchni na 1 kWh niż wiatr, ale często można wykorzystać takie miejsca jak dachy czy pustynie. Jej ślad środowiskowy jest bardzo niskoemisyjny (pomimo emisji z produkcji) climate.mit.edu. Dzięki wszechstronności i ciągłym ulepszeniom, energia słoneczna jest również silnym kandydatem do tytułu „najbardziej efektywnej”, biorąc pod uwagę koszty i łatwość wdrożenia.
Energia geotermalna jest bardzo efektywna jako niezawodne źródło energii – pojedyncza elektrownia geotermalna może pracować niemal nieprzerwanie, oferując dużą wartość dla sieci. Jej sprawność przekształcania ciepła w energię elektryczną jest niska (~10-17% researchgate.net), ale rekompensuje to stałą produkcją i bardzo małym wykorzystaniem terenu. Tam, gdzie jest dostępna, geotermia to prawdziwy koń pociągowy odnawialnych źródeł. Nie jest najtańsza (wiercenia są kosztowne) ani nie daje najwyższej produkcji, ale jest niezwykle efektywna w wykorzystaniu – zapewnia stałą energię przy minimalnych kosztach środowiskowych, co czyni ją wartościową.
Zielony wodór nie jest „efektywny” w klasycznym rozumieniu ze względu na straty konwersji, ale jest strategicznie efektywny do magazynowania energii i dekarbonizacji sektorów, do których bezpośrednie OZE nie docierają. Jego prawdziwa efektywność będzie mierzona tym, jak dobrze potrafi zagospodarować nadwyżki energii odnawialnej i zastąpić paliwa kopalne w przemyśle i transporcie. To wciąż się rozwija, a najbliższe lata pokażą, jak szybko wodór będzie mógł się efektywnie rozwijać.
Energia fal i pływów to czarne konie – potencjalnie bardzo wydajne pod względem gęstości energii i przewidywalności. Jeśli farmy falowe rzeczywiście dostarczą 3× więcej energii na powierzchnię niż farmy wiatrowe, jak niektórzy oczekują wedusea.eu, mogą stać się niezwykle wartościowe w przyszłości. Obecnie są na wczesnym etapie rozwoju, a ich wydajność mierzona jest raczej sukcesami prototypów niż masowymi wdrożeniami. Jednak biorąc pod uwagę ogrom oceanów, nawet urządzenia o umiarkowanej wydajności mogłyby dostarczać znaczną ilość energii bez zajmowania lądu czy emisji dwutlenku węgla.

W rozmowach o jednym „najbardziej wydajnym” odnawialnym źródle energii, często słyszaną odpowiedzią jest „energia wodna” ze względu na wysokie wskaźniki konwersji. Rzeczywiście, z czysto inżynieryjnego punktu widzenia, hydro jest znakomite – przekształca niemal całą dostępną energię w elektryczność wvic.com. Jednak jeśli poszerzymy znaczenie wydajności o koszty i zrównoważony rozwój środowiskowy, energia wiatrowa na lądzie wysuwa się na prowadzenie. Energia wiatrowa na lądzie w wielu regionach generuje prąd taniej niż jakiekolwiek inne źródło sustainabilitymag.com, zajmuje minimalną powierzchnię (głównie współdzieloną) i praktycznie nie emituje dwutlenku węgla. Trudno przebić taką kombinację. Energia słoneczna depcze jej po piętach, a w niektórych kontekstach (gdzie światła słonecznego jest pod dostatkiem i dostępna jest ziemia) może nawet wyprzedzić wiatr.

W 2025 roku „najbardziej wydajnym” odnawialnym źródłem energii pod względem ogólnych korzyści w stosunku do kosztów będzie prawdopodobnie energia wiatrowa na lądzie, a tuż za nią energia słoneczna na skalę przemysłową. Ale ostateczna odpowiedź brzmi: potrzebujemy miksu. Każde odnawialne źródło odgrywa rolę w efektywnym wykorzystaniu dostępnych zasobów. Wiatr i słońce razem (często uzupełniające się dzień/noc lub w różnych porach roku) to wydajny duet napędzający transformację energetyczną. Hydro zapewnia wydajne magazynowanie i rezerwę w wielu regionach. Geotermia oferuje wydajną energię podstawową tam, gdzie pozwala na to geologia. A nowe technologie, takie jak wodór i energia oceaniczna, wypełnią luki i poprawią ogólną wydajność oraz odporność systemu czystej energii.

Słowami dyrektora generalnego IRENA, Francesco La Camera, odnawialne źródła energii jako całość „oferują jasną ścieżkę do taniej, bezpiecznej i zrównoważonej energii” reuters.com – wydajność w najszerszym sensie oznacza, że możemy zasilać świat obficie, jednocześnie chroniąc klimat i zasoby naszej planety. W tym ujęciu przejście na energię odnawialną jest najwydajniejszym wyborem, jakiego może dokonać ludzkość. Każde źródło wnosi swoje mocne strony: czy to niesamowity zwrot energetyczny z wiatru i słońca, wysoka sprawność konwersji hydro, czy całodobowa niezawodność geotermii – uczymy się maksymalizować potencjał każdego z nich. Wyścig o wydajność nie polega na wybraniu jednego zwycięzcy, lecz na wykorzystaniu wszystkich tych technologii w najinteligentniejszy sposób.

Podsumowanie: Jeśli musisz wybrać jedną odpowiedź, wiatr na lądzie obecnie prowadzi jako najbardziej wydajne odnawialne źródło energii pod każdym względem (tanie, niskie oddziaływanie i skuteczne) sustainabilitymag.com. Fotowoltaika (PV) jest tuż za nim, a czasem nawet wyprzedza, w zależności od lokalizacji sustainabilitymag.com. Energia wodna jest bezkonkurencyjna pod względem sprawności technicznej i wciąż kluczowa tam, gdzie jest dostępna wvic.com. Przyszłe postępy mogą przynieść nowych zwycięzców – być może za dekadę to wiatr na morzu lub energia fal będą dominować w dyskusjach o wydajności. Najważniejsze jest to, że w latach 2024–2025 opcje energii odnawialnej są łącznie tak wydajne na wielu polach, że zdecydowanie wyprzedzają paliwa kopalne, a my mamy różnorodne narzędzia do budowy naprawdę zrównoważonej i wydajnej przyszłości energetycznej.

Źródła:

Sprawność konwersji energii: Energia wodna ~90% wvic.com; Wiatr ~50% energii wiatru przechwytywane css.umich.edu; Fotowoltaika ~21% średnio (do ~40% w laboratorium) css.umich.edu; Geotermia 10–17% (elektrownie parowe) researchgate.net; Limit prawa Betza dla wiatru ~59% css.umich.edu.
Dane dotyczące opłacalności: Wiatr na lądzie 0,034 USD/kWh, fotowoltaika 0,043 USD/kWh, energia wodna 0,057 USD/kWh – średnie globalne w 2024 roku sustainabilitymag.com; 91% nowych źródeł odnawialnych tańszych niż alternatywy kopalne sustainabilitymag.com; Analiza Lazard/IRENA potwierdzająca, że wiatr i słońce to najtańsze źródła energii pv-magazine-usa.com, reuters.com.
Użytkowanie terenu: Farmy słoneczne ~5–10 akrów/MW patentpc.com; Farmy wiatrowe ~60 akrów/MW (z czego faktycznie zajęte tylko 1–2 akry) patentpc.com; Intensywność użytkowania terenu: wiatr vs słońce climate.mit.edu; Powierzchnia zajmowana przez hydroenergetykę bardzo zmienna climate.mit.edu.
Węgiel i środowisko: Wiatr ~11 g CO₂/kWh, Słońce ~48 g, Hydro ~1–24 g (z wyższymi wartościami odstającymi), wszystkie znacznie poniżej węgla ~820 g climate.mit.edu, en.wikipedia.org; Cytat o odnawialnych źródłach energii unikających kosztów paliw kopalnych w wysokości 467 mld USD i konkurujących cenowo reuters.com; Cytat o gęstości energii fal (prof. Johanning) wedusea.eu.