Klimat ciepły dla innowacji. Walka z globalnym ociepleniem rozwija technologie
Chyba nikt nie zaprzeczy, że nagłośnienie problemu zmian klimatycznych dało w efekcie m.in. silny impuls do rozwoju nowych technologii. Wielokrotnie pisaliśmy i będziemy pisać o kolejnych rekordach sprawności ogniw słonecznych, doskonaleniu turbin wiatrowych czy poszukiwaniu inteligentnych metod przechowywania i dystrybuowania energii z odnawialnych źródeł.
Według wielokrotnie cytowanego Międzyrządowego Panelu ds. Zmiany Klimatu (IPCC), mamy do czynienia z ociepleniem systemu klimatycznego, które jest spowodowane głównie przez zwiększającą się emisję gazów cieplarnianych oraz rosnące stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze. Wyniki modeli ocenionych przez IPCC sugerują, że aby zapewnić szansę ograniczenia ocieplenia o nie więcej niż 2°C, globalne emisje powinny osiągnąć szczyt przed 2020 r., a następnie podlegać trwałej redukcji - o 50-80% do 2050 r.
Z bezemisyjnością w głowie
Rozwój technologii indukowany przez - nazwijmy to najogólniej – "świadomość klimatyczną" to po pierwsze nacisk na wydajność w produkcji i zużyciu energii, ponieważ zmniejszenie zużywanej energii może mieć istotny wpływ na emisję gazów cieplarnianych.
Po drugie - wsparcie dla niskoemisyjnych technologii energetycznych o wysokim potencjale, takich jak biopaliwa i energia wiatrowa.
Po trzecie - badania i innowacje technologiczne, niezbędne, aby zapewnić niskoemisyjne opcje na przyszłość.
Pierwszym imperatywem jest rozwijanie technologii bezemisyjnych. Jeżeli zaś technologia nie może działać bezemisyjnie, to przynajmniej emitowane odpady powinny być surowcem w innych procesach (recykling). To technologiczne motto cywilizacji ekologicznej, na której opieramy walkę z globalnym ociepleniem.
Gospodarka światowa jest w gruncie rzeczy obecnie uzależniona od motoryzacji. Swoje eko-nadzieje eksperci wiążą tu z samochodami elektrycznymi. Nie można wprawdzie o nich powiedzieć, że są bezemisyjne, ale na pewno nie emitują spalin w miejscu, w którym się poruszają. Kontrola emisji w miejscu wytwarzania energii elektrycznej uważana jest za łatwiejszą do przeprowadzenia i tańszą, nawet jeśli chodzi o spalanie paliw kopalnych. Dlatego na innowacje i rozwój aut elektrycznych wydaje się w ostatnich latach - także w Polsce - sporo pieniędzy.
Oczywiście najlepiej, aby bezemisyjna była także druga część systemu - produkcja energii elektrycznej, którą samochód pobiera z sieci. Ten warunek można jednak stopniowo spełnić, przestawiając energetykę na źródła odnawialne (OZE). Dlatego samochód elektryczny poruszający się po Norwegii, gdzie większość energii elektrycznej pochodzi z elektrowni wodnych, staje się już bliski pełnej bezemisyjności.
Świadomość klimatyczna wchodzi jednak głębiej, np. w procesy i materiały do produkcji i recyklingu opon, karoserii lub akumulatorów. Sporo w tych dziedzinach jest jeszcze do udoskonalenia, ale - jak Czytelnicy "MT" doskonale wiedzą - autorzy innowacji technologicznych i materiałowych, o których słyszymy nieomal codziennie, mają mocno zakorzenione w głowie wymogi ekologiczne.
W rachunku ekonomicznym i energetycznym równie ważne, jak pojazdy, są nasze domy. Zgodnie z raportami Globalnej Komisji Ekonomii i Klimatu (GCEC), budynki zużywają 32% produkowanej na świecie energii i odpowiadają za 19% emisji gazów cieplarnianych. Do tego sektor budowlany ma na koncie 30-40% z pozostawianych na świecie śmieci.
Widać, jak bardzo branża budowlana potrzebuje zielonych innowacji. Jedną z nich jest np. technika budowy modularnej z prefabrykowanych elementów (choć prawdę mówiąc, jest to innowacja rozwijana od dekad). Metody, które umożliwiły firmie Broad Group zbudować w Chinach 30-piętrowy hotel w ciągu piętnastu dni (2), pozwalają na optymalizację produkcji i zmniejszenie środowiskowego impaktu. W konstrukcji np. wykorzystano w prawie 100% stal z recyklingu, a przygotowanie w wytwórni 122 modułów wielokrotnie zredukowało ilość odpadów budowlanych.
Wycisnąć więcej ze Słońca
Jak wskazują ubiegłoroczne analizy brytyjskich naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie, do 2027 r. nawet 20% energii elektrycznej zużywanej na świecie pochodzić może z systemów fotowoltaicznych (3). Postęp technologiczny plus przekroczenie bariery masowego stosowania sprawiają, że koszty generowanego w ten sposób prądu zmniejszają się tak szybko, iż niedługo będzie on tańszy niż energia ze źródeł konwencjonalnych.
Od lat 80. XX wieku ceny paneli fotowoltaicznych spadają w tempie ok. 10% rocznie. Wciąż trwają prace badawcze nad poprawą sprawności ogniw. Jednym z najnowszych doniesień w tej dziedzinie jest informacja o osiągnięciu naukowców z Uniwersytetu George’a Washingtona, którym udało się zbudować panel słoneczny o sprawności aż 44,5%. Urządzenie korzysta z koncentratorów fotowoltaicznych (CPV), w których soczewki skupiają promienie słoneczne na ogniwie o powierzchni poniżej 1 mm2, i składa się z kilku połączonych ze sobą ogniw, które razem przechwytują niemal całą energię ze spektrum światła słonecznego. Wcześniej m.in. firmie Sharp udało się uzyskać wydajność ogniw słonecznych na poziomie powyżej 40% dzięki podobnej technice - wyposażeniu paneli w soczewki Fresnela, skupiające światło trafiające na panel.
Innym pomysłem na zwiększenie sprawności fotoogniw jest rozszczepianie światła słonecznego, zanim padnie na panele. Chodzi o to, aby ogniwa, skonstruowane precyzyjnie do odbioru poszczególnych kolorów widma, mogły efektywniej "pobierać" fotony. Naukowcy z amerykańskiego uniwersytetu Caltech, którzy nad tym rozwiązaniem pracują, mają nadzieję przekroczyć próg 50-procentowej sprawności paneli słonecznych.
Energetyka z wyższym ilorazem
Rozwój odnawialnych źródeł energii elektrycznej sprawia, że przyspieszono prace nad rozwojem tzw. inteligentnych sieci energetycznych - smart grid. OZE należą do źródeł rozproszonych, czyli o mocy jednostkowej zazwyczaj mniejszej niż 50 MW (a maksimum 100), instalowanych blisko końcowego odbiorcy energii. Jednak przy odpowiednio dużej liczbie źródeł rozproszonych na niewielkim obszarze systemu elektroenergetycznego oraz dzięki możliwościom, jakie dają sieci smart grid, opłacalne staje się połączenie tych źródeł w jeden, zarządzany przez operatora, system, tworzący "wirtualną elektrownię". Jej celem jest skoncentrowanie generacji rozproszonej w jedną, logicznie połączoną sieć, zwiększającą techniczną i ekonomiczną efektywność wytwarzania energii elektrycznej. Generacja rozproszona, położona w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii, może wykorzystywać również lokalne zasoby paliw, w tym biopaliw i energii ze źródeł odnawialnych, a nawet odpady komunalne.
Ważną funkcję w tworzeniu wirtualnych elektrowni powinno spełniać magazynowanie energii, pozwalające dostosować wytwarzanie energii elektrycznej do dobowych zmian zapotrzebowania odbiorców. Zwykle zasobniki takie to baterie akumulatorów lub superkondensatory. Podobną rolę odgrywać mogą także elektrownie szczytowo-pompowe. Trwają intensywne prace nad opracowaniem nowych technologii magazynowania energii, np. w roztopionych solach lub za pomocą elektrolitycznego wytwarzania wodoru.
Ciekawe, że amerykańskie gospodarstwa domowe zużywają dziś tyle energii elektrycznej, ile w 2001 r. Tak wynika z danych tamtejszych agencji rządowych odpowiedzialnych za gospodarkę energetyczną - podanych na przełomie 2013 i 2014 r. agencja Associated Press. Zdaniem ekspertów cytowanych przez agencję, jest to głównie zasługa nowych technologii, oszczędności i wzrostu energetycznej wydajności urządzeń będących w domowym użyciu. Przeciętne zużycie energii przez, powszechne w USA, urządzenia klimatyzacyjne, spadło od 2001 r. aż o 20% - podało z kolei Stowarzyszenie Producentów Sprzętu Domowego. W podobnej skali zmniejszyła się energochłonność całego AGD, w tym telewizorów, których ciekłokrystaliczne lub LED-owe wyświetlacze zużywają nawet 80% energii mniej niż stary sprzęt!
Jedna z amerykańskich agend rządowych sporządziła analizę, w której porównała różne scenariusze rozwoju energetycznego bilansu współczesnej cywilizacji. Z tego, który przewidywał wysokie nasycenie gospodarki technologiami IT, wynikało, że do 2030 r. można by tylko w Stanach Zjednoczonych zredukować zużycie energii w ilości równej produkcji prądu przez trzydzieści 600-megawatowych elektrowni. Niezależnie od tego, czy będziemy to tłumaczyć oszczędnościami, czy bardziej generalnie mówić o środowisku i klimacie Ziemi, bilans wypada dość pozytywnie.
