Energetyka odnawialna – XXI wiek należy do niej
W Polsce do 2020 r. 19 procent energii ma pochodzić z takich właśnie źródeł. W obecnych warunkach nie jest to energia tania, więc rozwija się głównie dzięki finansowemu wsparciu państw.
Według analiz Instytutu Energii Odnawialnej z 2013 r. koszt wytworzenia 1 MWh energii odnawialnej kształtuje się, w zależności od źródła, od 200 do nawet 1500 zł.
Dla porównania, cena hurtowa 1 MWh energii elektrycznej w 2012 r. wynosiła ok. 200 zł. Najtaniej w tych badaniach wychodziło uzyskiwanie energii z instalacji spalania wielopaliwowego, czyli tzw. współspalania i z gazu wysypiskowego. Najdroższą energię pozyskuje się z wody i wód termalnych.
Drożej wychodzą najbardziej znane i widoczne formy OZE, czyli turbiny wiatrowe (1) i panele słoneczne (2). Jednak na dłuższą metę ceny energii węglowej i np. jądrowej, nieuchronnie będą rosły. Z różnych badań (np. ze studium przeprowadzonego przez grupę RWE w 2012 r.) wynika, że "zachowawcze" i "krajowe" kategorie, czyli tradycyjne źródła energii będą w dalszej perspektywie drożeć (3).
A to sprawi, że OZE staną się alternatywą nie tylko ekologiczną, ale również ekonomiczną. Niekiedy zapomina się przy tym, że przecież paliwa kopalne także są silnie subwencjonowane przez państwo, a w ich cenie nie uwzględnia się na ogół negatywnego wpływu, jaki mają na środowisko.
Koktajl słoneczno-wodno-wiatrowy
W 2009 r. profesorowie Mark Jacobson (Uniwersytet Stanforda) i Mark Delucchi (Uniwersytet Kalifornijski - Davis) opublikowali w "Scientific American" artykuł, w którym utrzymują, że do roku 2030 cały świat mógłby przestawić się na energię odnawialną. Powtórzyli swoje wyliczenia wiosną 2013 r. dla amerykańskiego stanu Nowy Jork.
Ich zdaniem, mógłby on za niedługi czas w całości zrezygnować z paliw kopalnych. Ze źródeł odnawialnych można bowiem pozyskać energię potrzebną dla transportu, przemysłu i mieszkańców. Energia miałaby pochodzić z tzw. miksu WWS (wind, water, sun - wiatr, woda, słońce).
Aż 40 procent energii pochodziłoby z przybrzeżnych elektrowni wiatrowych, których trzeba by rozmieścić prawie trzynaście tysięcy. Na lądzie potrzeba byłoby ponad 4 tys. turbin, które zapewniałyby kolejne 10 procent energii. Następne 10 procent pochodziłoby z blisko czterystu farm słonecznych w technologii skupiającej promieniowanie.
Zwykłe instalacje fotowoltaiczne dodadzą od siebie 10 procent. Dalsze 18 procent brałoby się ze słonecznych instalacji - domowych i na budynkach publicznych oraz siedzibach firm. Brakującą do pełnego rachunku energię kompletowano by za pomocą instalacji geotermalnych, hydroelektrowni, generatorów pływowych i wszelkich innych odnawialnych form.
Uczeni wyliczyli, że dzięki wykorzystaniu systemu opartego na energii odnawialnej zapotrzebowanie na energię - w związku z lepszą efektywnością takiego systemu - spadłoby w skali całego stanu o ok. 37 procent, a ceny energii uległyby stabilizacji.
Powstałoby więcej miejsc pracy, niż zostałoby utracone, gdyż cała energia produkowana byłaby na terenie stanu. Ponadto oszacowano, że w związku ze zmniejszonym zanieczyszczeniem powietrza każdego roku umierałoby o ok. 4 tys. osób mniej, a koszty związane z zanieczyszczeniem zmniejszyłyby się o 33 mld dolarów rocznie.
Oznacza to, że cała inwestycja zwróciłaby się w ciągu ok. 17 lat. Niewykluczone, że nastąpiłoby to szybciej, gdyż stan mógłby część energii sprzedawać. Czy władze stanu Nowy Jork podzielają optymizm tych wyliczeń? Chyba trochę tak i trochę nie.
Nie "rzucają" przecież wszystkiego, aby zamienić propozycję w rzeczywistość, ale też bez wątpienia inwestują w technologie wytwarzania odnawialnej energii. Były już burmistrz Nowego Jorku, Michael Bloomberg, zapowiedział kilkanaście miesięcy temu, iż największe na świecie wysypisko śmieci - Freshkills Park na wyspie Staten Island - przekształci się w jedną z największych elektrowni słonecznych.
W miejscu, gdzie rozkładały się odpady Nowego Jorku, powstawać będzie energia o mocy 10 megawatów. Reszta powierzchni Freshkills, czyli prawie 600 hektarów, zostanie zamieniona na tereny zielone o charakterze parkowym.
Tam, gdzie odnawialna rządzi
Wiele krajów jest już daleko do przodu na drodze do zielonej przyszłości. Kraje skandynawskie dawno temu przekroczyły 50-procentowe progi pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Według danych opublikowanych jesienią 2014 r. przez międzynarodową organizacje ekologiczną WWF, Szkocja już dziś produkuje za pomocą turbin wiatrowych więcej energii niż wynoszą potrzeby wszystkich szkockich gospodarstw domowych.
Wspomniane dane mówią o wyprodukowaniu przez szkockie turbiny wiatrowe w październiku 2014 r. ilości energii równej 126 procentom potrzeb tamtejszych domów. Ogólnie w tym regionie 40 procent wytwarzanej energii pochodzi ze źródeł odnawialnych.
Ze źródeł odnawialnych pochodzi ponad połowa hiszpańskiej energii. Połowa z owej połowy bierze się ze źródeł wodnych. Jedna piąta całej hiszpańskiej energii pochodzi z farm wiatrowych. Meksykańskie miasto La Paz z kolei posiada elektrownię słoneczną o nazwie Aura Solar I, o mocy 39 MW.
Ponadto na ukończeniu są prace nad instalacją drugiej, farmy Groupotec I, o mocy 30 MW, dzięki czemu już wkrótce miasto może być całkowicie zasilane energią z OZE. Przykładem kraju, który od wielu lat konsekwentnie realizuje politykę zwiększania udziału energii ze źródeł odnawialnych są Niemcy.
Z danych thinktanku Agora Energiewende wynika, że w 2014 r. odnawialne źródła energii odpowiadały za 25,8 procent dostaw w tym kraju. Do roku 2020 Niemcy mają już czerpać z tych źródeł przeszło 40 procent. Niemiecka transformacja energetyczna to nie tylko odejście od atomu oraz węgla na rzecz energii odnawialnej w sektorze energetycznym.
Nie należy bowiem zapominać, że Niemcy są także liderem w tworzeniu rozwiązań dla "domów pasywnych", które w dużym stopniu obywają się bez systemów grzewczych. "Nasz cel, by w 2050 r. w Niemczech 80 procent energii pochodziło ze źródeł odnawialnych, pozostaje aktualny", zadeklarowała niedawno kanclerz Angela Merkel.
Baterie słoneczne po nowemu
W laboratoriach toczy się nieustanna walka o poprawienie sprawności odnawialnych źródeł energii - np. ogniw fotowoltaicznych. Rekordy sprawności ogniw słonecznych, które przetwarzają energię światła naszej gwiazdy w elektryczność, zbliżają się do 50 procent.
Wciąż jednak dostępne obecnie na rynku systemy wykazują się sprawnością nie wyższą niż 20 procent. Najnowocześniejsze panele fotowoltaiczne, które w tak wydajny sposób konwertują energię słonecznego widma - od podczerwieni, przez zakres widzialny, po ultrafiolet - składają się właściwie nie z jednego a czterech ogniw.
Półprzewodnikowe warstwy nałożone są jedna na drugą. Każda zaś odpowiada za odbieranie innego zakresu fal z widma. Technologia ta oznaczana jest skrótem CPV (concentrator photovoltaics) i była wcześniej testowana w kosmosie.
W ubiegłym roku np. inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) stworzyli materiał, który składa się z grafitowych płatków umieszczonych na węglowej piance (4). Po umieszczeniu go w wodzie i skierowaniu na niego promieni słonecznych generuje parę wodną, przekształcając w nią aż 85 procent całej energii promieniowania słonecznego.
Nowy materiał działa bardzo prosto - porowaty grafit w jego górnej części jest w stanie doskonale absorbować i przechowywać energię słoneczną, natomiast na dole znajduje się węglowa, wypełniona częściowo bąbelkami powietrza (tak, aby materiał mógł unosić się na wodzie) warstwa uniemożliwiająca energii cieplnej ucieczkę do wody.
Dotychczasowe rozwiązania parowo-słoneczne potrzebowały do działania nawet tysiąckrotnego skoncentrowania promieni słonecznych.
Nowe rozwiązanie z MIT wymaga skupienia ich zaledwie dziesięciokrotnego, przez co całość instalacji może być relatywnie tania.
A może spróbować w jednej technologii połączyć antenę satelitarną ze słonecznikiem? Inżynierowie ze szwajcarskiej firmy Airlight Energy, mieszczącej się w Biasca, chcą udowodnić, że owszem, da się.
Zaprojektowali dziesięciometrowe talerze wyposażone w kompleksy paneli słonecznych, które przypominają anteny telewizji satelitarnej lub radioteleskopy i śledzą promienie Słońca niczym słoneczniki (5).
Założenie jest takie, że mają to być swoiste energetyczne kombajny, dostarczające nie tylko elektryczności z ogniw fotowoltaicznych, ale również ciepła, czystej wody, a nawet, po zastosowaniu pompy ciepła, mogące zasilać chłodziarkę.
Zwierciadła rozłożone na ich powierzchni przekazują padające promieniowanie słoneczne i skupiają je na panelach, nawet do 2 tys. razy. Każdy z sześciu panelu roboczych wyposażony jest w 25 chipów fotowoltaicznych, chłodzonych przepływającą w mikrokanalikach wodą.
Moduły fotowoltaiczne dzięki koncentracji energii pracują czterokrotnie wydajniej. Jeśli wyposażyć je w aparaturę do odsalania wody morskiej, urządzenie wykorzystuje gorącą wodę do wytwarzania słodkiej wody w ilości 2500 litrów dziennie.
W rejonach oddalonych od morza, w miejsce urządzeń do odsalania można zainstalować sprzęt do filtrowania wody. Całość 10-metrowej konstrukcji anteny-kwiatu da się złożyć i łatwo przewieźć niewielką ciężarówką. Nowy pomysł na wykorzystanie energii słonecznej na mniej rozwiniętych obszarach to Solarkiosk (6).
Instalacje tego typu wyposażone są w router z siecią Wi-Fi i mogą podładować ponad 200 telefonów komórkowych dziennie czy też zasilić minilodówkę, która przechowywałaby np. niezbędne leki. Wdrożono już pilotażowo kilkadziesiąt takich kiosków. Działano głównie na terenie Etiopii, Botswany oraz Kenii.
Energetyczna architektura
Mający stanąć w Dżakarcie, stolicy Indonezji, 99-piętrowy wieżowiec Pertamina (7) ma produkować tyle energii, ile sam zużywa. Jest to pierwsza takiej wielkości budowla na świecie. Architektura budynku została ściśle związana z lokalizacją - przepuszcza do środka tylko niezbędne promieniowanie słoneczne, pozwalając, by reszta energii ze Słońca była gromadzona.
Ścięta wieża działa jak tunel, umożliwiający wykorzystanie energii z wiatru. Panele fotowoltaiczne zainstalowano z każdej strony obiektu, co pozwala na produkcję energii przez cały dzień, o każdej porze roku.
Budynek będzie mieć wbudowaną elektrownię wykorzystującą energię geotermalną, która uzupełni energię słoneczną i wiatrową.
Tymczasem niemieccy badacze z Uniwersytetu w Jenie przygotowali projekt "inteligentnych fasad" budynków. Przepuszczalnością światła można w nich sterować za pomocą naciśnięcia guzika. Nie tylko wyposażone są w ogniwa fotowoltaiczne, ale również przewidziano na nich hodowlę alg służących do produkcji biopaliwa.
Projekt "wielkopowierzchniowych płynnych okien" (Large-Area Fluidic Windows - LaWin) ma wsparcie z funduszy europejskich w ramach program "Horyzont 2020". Trochę nawiązuje do powyższej koncepcji cud współczesnej zielonej technologii, który wykiełkował na fasadzie Teatru Raval w Barcelonie (8).
Zaprojektowany przez firmę Urbanarbolismo, wertykalny ogród roślinny jest całkowicie samowystarczalny. Rośliny nawadniane są przez system irygacyjny, którego pompy zasila energia wytwarzana przez panele fotowoltaiczne zintegrowane z systemem.
Woda z kolei pochodzi z opadów atmosferycznych. Deszczówka ścieka rynnami do zbiornika magazynującego, skąd jest następnie tłoczona przez pompy, których jedynym źródłem energii są panele słoneczne. Nie ma zewnętrznego źródła zasilania.
Inteligentny system podlewa rośliny według ich potrzeb. Konstrukcji tego rodzaju pojawia się na dużą skalę coraz więcej. Przykładem niech będzie zasilany energia słoneczną Narodowy Stadion w Kaohsiung na Tajwanie (9).
Zaprojektowany przez japońskiego architekta Toyo Ito i oddany do użytku jeszcze w 2009 r. pokryty jest ogniwami fotowoltaicznymi w liczbie 8844. Może generować nawet 1,14 gigawatogodzin energii rocznie, zapewniając 80 procent potrzeb dzielnicy, w której go zbudowano.
Czy stopione sole zdobędą energetykę?
Magazynowanie energii w postaci roztopionych soli nie jest rzeczą nieznaną. Technologię tę wykorzystuje się w wielkich siłowniach słonecznych, np. w niedawno otwartej Ivanpah na Pustyni Mojave. Zdaniem niezbyt znanej jeszcze firmy Halotechnics z Kalifornii, technika ta jest na tyle obiecująca, ze można jej zastosowanie rozszerzyć na całą energetykę, zwłaszcza oczywiście odnawialną, w której kwestia magazynowania nadwyżek na czas niedoboru energii to rzecz kluczowa.
Przedstawiciele firmy argumentują, że przechowywanie energii w ten sposób jest dwa razy tańsze niż baterie, różnego rodzaju wielkie akumulatory. Jeśli chodzi o koszty może konkurować z systemami szczytowo-pompowymi, które, jak wiadomo mogą być stosowane tylko przy sprzyjających warunkach terenowych. Jednak technologia ta ma swoje wady.
Choćby taką, że jedynie 70 procent skumulowanej w roztopionych solach energii można wykorzystać ponownie jako elektryczność (w bateriach jest to 90 procent). Firma Halotechnics pracuje więc teraz nad efektywnością tych systemów, wykorzystujących m.in. pompy ciepła i różne mieszanki soli.
W laboratoriach Sandia National w Arbuquerque, w stanie Nowy Meksyk, w Stanach Zjednoczonych, uruchomiono pokazowy zakład magazynowania energii z zastosowaniem stopionej soli. Zaprojektowano go specjalnie do współdziałania z technologią CLFR, która wykorzystuje lustra kumulujące energię słoneczną do ogrzania cieczy roboczej.
Jest nią stopiona sól, znajdująca się w zbiorniku. System pobiera sól z zimnego zbiornika (290°C), wykorzystuje ciepło luster i podgrzewa ciecz do temperatury 550°C, a następnie przekazuje ją do kolejnego zbiornika (10). W razie konieczności stopiona sól o wysokiej temperaturze przechodzi przez wymiennik ciepła, wytwarzając parę wodną do produkcji energii elektrycznej.
Na koniec, stopiona sól ponownie wraca do zimnego zbiornika i proces powtarza się w obiegu zamkniętym. Jak wykazują badania porównawcze, stosowanie stopionej soli jako cieczy roboczej umożliwia operacje w wysokiej temperaturze, zmniejsza ilość soli niezbędnej do składowania i eliminuje konieczność używania dwóch zestawów wymienników ciepła w systemie, co zmniejsza koszty i komplikacje systemu.
Rozwiązaniem zapewniającym magazynowanie energii w skalach mniejszych być może stanie się bateria parafinowa do instalacji z kolektorami słonecznymi na dachu. Mowa o technologii opracowanej na hiszpańskim Uniwersytecie Kraju Basków (Universidad del Pais Vasco/Euskal Herriko Uniberstitatea).
Przeznaczona ma być na użytek przeciętnego gospodarstwa domowego. Główną część urządzenia stanowią aluminiowe płyty zanurzone w parafinie. Woda jest wykorzystywana jako medium przenoszące energię, a nie magazynujące. To zadanie należy do parafiny, która odbiera ciepło nagrzewających się aluminiowych paneli i topi się w temperaturze 60°C.
W wynalazku tym energię elektryczną wyzwala się przez ochłodzenie parafiny, która oddaje ciepło cienkim panelom. Naukowcy pracują nad dalszym zwiększeniem sprawności procesu przez zastąpienie parafiny innym materiałem, np. kwasem tłuszczowym.
Energia produkowana jest w procesie przemiany fazowej. Instalacja może mieć różne kształty, dopasowane do wymogów konstrukcyjnych w budynkach. Można z nich budować nawet tzw. fałszywe sufity.
Nowe pomysły, nowe ścieżki
Uliczne lampy opracowane przez holenderską firmę Kaal Masten można ustawiać w jakimkolwiek miejscu, nawet na terenach niezelektryfikowanych. Do działania nie potrzebują bowiem sieci energetycznej. Świecą wyłącznie dzięki bateriom słonecznym.
Słupy tych latarni pokryte są panelami ogniw słonecznych. Konstruktor twierdzi, iż mogą zgromadzić za dnia tyle energii, że potem świecą przez całą noc. Nie wyłączy ich nawet pochmurna pogoda. Do imponującego zestawu baterii dołączone są tutaj energooszczędne lampy LED.
Spirit (11), bo tak nazwano ten model latarni, potrzebuje raz na kilka lat wymiany ogniw. Co ciekawe, z ekologicznego punktu widzenia baterie te są łatwe w recyklingu.
Tymczasem w Izraelu sadzą drzewka solarne. Nie byłoby w tym może nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że zamiast liści nasadzenia te mają panele słoneczne, pozyskujące energię, która potem ma zostać wykorzystana do ładowania urządzeń mobilnych, chłodzenia wody i rozsiewania sygnału Wi-Fi.
Konstrukcja nazwana eTree (12) składa się z metalowego "pnia", który rozgałęzia się, a na konarach zamontowane są panele solarne. Pozyskana za ich pomocą energia jest magazynowana na miejscu i za pomocą gniazda USB może być "przelewana" do baterii smartfonów czy tabletów.
Ma też być używana do wytwarzania źródła wody dla zwierząt a nawet dla ludzi. Drzewka mają również służyć jako lampy w nocy.
Mogą zostać wyposażone w informacyjne wyświetlacze LCD. Pierwsze tego typu konstrukcje pojawiły się w parku Hanadiv, niedaleko miasteczka Zichron Ja’akow.
Wersja z siedmioma panelami generuje 1,4 kilowata mocy, co wystarczyć może do zasilania 35 przeciętnych laptopów. Tymczasem potencjały OZE odkrywane są wciąż w nowych miejscach, np. tam, gdzie rzeki wpadają do morza i łączą się ze słoną wodą.
Grupa naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) postanowiła zbadać zjawiska odwróconej osmozy w środowiskach, w których mieszają się wody o różnym poziomie zasolenia. Na granicy tych ośrodków powstaje różnica ciśnień. Przechodząc przez tę granicę, woda przyspiesza, co jest źródłem znaczącej energii.
Naukowcy z uczelni położonej w Bostonie nie szukali daleko praktycznego testu tego zjawiska. Oszacowali, że wody uchodzące w tym mieście do morza mogłyby wytworzyć dość energii, aby zaspokoić potrzeby miejscowej oczyszczalni ścieków.
