Zasilanie bez klimatycznych skutków ubocznych

Rozdarta pomiędzy energetycznymi potrzebami a zagrożeniami klimatycznymi ludzkość przeżywa coś w rodzaju klasycznego dramatu. Z jednej strony, cywilizacja potrzebuje coraz więcej energii. Z drugiej, pozyskiwanie jej z tradycyjnych źródeł, nawet jeśli nie wyczerpią się tak szybko, jak nam się kilka dekad temu wydawało, grozi chaosem i być może kolapsem cywilizacyjnym.

- Cywilizacja wymaga energii, ale wykorzystanie energii nie może niszczyć cywilizacji - powiedział papież Franciszek, gdy 9 czerwca spotkał się w Watykanie z przedstawicielami kierownictwa głównych światowych firm inwestycyjnych działających w sektorze paliwowym, gazu ziemnego i energii.

Szybkie przestawienie się na źródła odnawialne na razie nie było możliwe, choć co jakiś czas pojawiają się entuzjastyczne raporty o przełomie w cenach i wykorzystaniu OZE. To wciąż jednak w energetyce światowej margines.

Już w 1896 r. naukowiec Svante Arrhenius obliczył, że podwojenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze podniesie temperaturę Ziemi o 8-9°C. Początkowo prognozował, że potrwa to tysiące lat. Potem, widząc postępy emisji przemysłowych, zredukował swoje przewidywania do kilku stuleci.

Zatem już stosunkowo dawno temu futuryści przewidywali, że wkrótce będziemy musieli zrezygnować z węgla i ropy naftowej. Wynalazca telefonu, Alexander Graham Bell, w swoim przemówieniu z lutego 1917 r. poruszył dobrze nam dziś znany problem braku odnawialności węgla i ropy naftowej. Zauważył wtedy również, że być może pewnego dnia nauczymy się generowania energii z pływów lub fal, albo ‟wykorzystania promieni słonecznych jako źródła energii”.

Optymistyczne dane i realia gospodarcze

Dziś IPCC (stworzony przy ONZ Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu) odnotowuje spadek wykorzystania węgla we wszystkich obszarach jego zastosowania i ocenia, że w optymistycznym scenariuszu do 2050 r. wytwarzanie energii elektrycznej z tego źródła może praktycznie zaniknąć. Według raportu Światowego Forum Ekonomicznego (World Economic Forum, WEF), w 2016 r. w trzydziestu krajach koszty energii pozyskiwanej ze słońca i wiatru zrównały się z kosztami energii z paliw kopalnych. Z kolei zgodnie z danymi BNEF (Bloomberg New Energy Finance), inwestycje w kolektory słoneczne stają się w niektórych państwach alternatywą dla wydobycia węgla, gazu ziemnego czy nawet dla farm wiatrowych.

Branżowy serwis PVinsights regularnie podaje informacje o kolejnych spadkach cen ogniw słonecznych. Obecnie schodzą one do poziomu kilkunastu centów na wat uzyskiwanej z nich mocy.  W takich krajach jak Chile lub Zjednoczone Emiraty Arabskie cena elektryczności z fotowoltaiki spadła poniżej 3 centów za kilowatogodzinę. W innych - np. w Arabii Saudyjskiej, Jordanii i w Meksyku - istnieją plany znaczniejszego obniżenia tej ceny. Chińczycy spodziewają się, że do 2030 r. na ich rynku, największym na świecie, ceny energii słonecznej spadną poniżej tej z węgla. Już teraz Kraj Środka ma więcej instalacji solarnych niż przodujące przez lata Niemcy.

Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje 25-procentowy spadek kosztów produkcji energii solarnej do 2021 r. Inna międzynarodowa agencja - tym razem energetyki odnawialnej - spodziewa się do 2025 r. spadku kosztów pozyskiwania energii słonecznej od 43 do 65%. Wielu ekspertów uważa, że koszty energii odnawialnej maleją dzięki efektom skali - masowej produkcji i dystrybucji. Inaczej mówiąc, energia taka tanieje, bo jest jej coraz więcej.

Optymizm co do malejących kosztów OZE został jednak ostatnio przygaszony doniesieniami o światowym wzroście emisji CO₂ z produkcji energii elektrycznej. Po stabilizacji przez trzy kolejne lata, w roku 2017 wzrosła ona o 1,6%, mimo że w tym samym okresie światowa produkcja energii ze źródeł odnawialnych wzrosła aż o 17%, a zużycie węgla wróciło do stanu sprzed roku. Przyczyną był silny globalny wzrost gospodarczy, który doprowadził do ponadprzeciętnego zapotrzebowania na energię. Charakterystyczny jest przykład Chin. Produkcja energii cieplnej wzrosła tam o 10%, produkcja stali surowej o 9%, a wydobycie węgla o 4%.

1. Relacja wzrostu gospodarczego z produkcją energii i emisjami

Eksperci uspokajają, że to tylko chwilowe wahnięcie w wieloletniej tendencji odchodzenia od węgla i spadku tzw. karbonizacji energii, czyli emisji CO₂ na dżul wytwarzanej energii. Wykresy wykonane na podstawie analiz Global Coal Plant Tracker i Carbon Brief ukazują stopniowy schyłek epoki węgla. Wykres zużycia energii w poszczególnych sektorach w latach 2000-2016, oparty na danych koncernu BP, wyraźnie pokazuje, że zużycie węgla osiągnęło już szczytowy poziom, a teraz spada. Jednak zwiększa się zużycie ropy naftowej, a jeszcze bardziej gazu, który jest substytutem węgla w energetyce i w przemyśle. Energia jądrowa dołuje, zaś źródła odnawialne rosną, ale z bardzo na razie niskiego poziomu.

Emisja CO₂ związana z produkcją energii

OZE to nie tylko kwiaty róż

Historia mówi nam, że ludzie zawsze znajdowali sposoby, aby kontynuować misję rozwoju cywilizacji, odkrywając alternatywne źródła i/lub wymyślając nowe sposoby lepszego działania. Przykładem może być to, jak człowiek przeszedł z drewna na węgiel, a następnie na ropę naftową i gaz, zanim którykolwiek z tych zasobów został całkowicie wyczerpany.

Mogłoby się wydawać, że podobnie wygląda teraz kwestia rozwoju OZE. Substytucja okazuje się jednak nie taka prosta. Odnawialne źródła energii nie są jednakowo dostępne wszędzie na świecie, nie wspominając o ich wciąż wysokich kosztach kapitałowych i instalacyjnych, stanowiących czynniki ograniczające. Ponadto, choć mają ogólnie mniejszy negatywny wpływ na środowisko, nie są one wolne od negatywnego wpływu np. na klimat.

Wielkim problemem energii z wiatru i słońca jest to, że są to źródła niestabilne. Moc zmienia się wraz z pogodą i warunkami atmosferycznymi. Jednym ze sposobów ustabilizowania dostaw jest budowa magazynów energii, zdolnych przechowywać nadmiar produkcji w ciągu dnia i przekazywać nadwyżki do systemu w nocy lub w czas bezwietrzny. Magazynowanie wydłuża zakres godzin, w których projekt energii odnawialnej jest w stanie funkcjonować. Akumulatory litowo-jonowe, stosowane w magazynach m.in. przez Teslę, muszą jednak zostać udoskonalone. W tej chwili w ośrodkach badawczych trwają prace nad nowymi rodzajami akumulatorów, np. nad litowo-siarkowymi, przepływowymi, z zastosowaniem sodu lub powietrza. Zwiększenie gęstości mocy i trwałości baterii to podstawowy cel i zarazem wyzwanie.

Ile zużywaliśmy energii, według źródeł

Panuje dość powszechna zgoda, że przełomem w OZE będzie masowość. Może stać się to wraz z wprowadzeniem ogniw słonecznych do konstrukcji mieszkalnych, np. w oknach. Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) w USA zademonstrowało pod koniec ubiegłego roku prototyp inteligentnego okna zasilanego energią słoneczną o maksymalnej sprawności 11%. Ma ono wbudowany mechanizm przechodzenia z trybu przezroczystego na nieprzezroczysty przy silnym świetle słonecznym i w sytuacjach, gdy pomieszczenie za nim jest użytkowane. Konstrukcję NREL oparto na perowskitach. Po naświetleniu ogrzewanie fototermalne przełącza warstwę absorbera, złożoną z kompleksu metalohalogenkowego perowskitu-metyloaminy - od stanu przezroczystego (68% widocznej przepuszczalności) do stanu pochłaniającego, kolorowego fotowoltaicznego (mniej niż 3% przepuszczalności), w wyniku dysocjacji metyloaminy. Po schłodzeniu zaś kompleks metyloaminowy jest ponownie formowany, przywracając warstwę absorbera do stanu przezroczystego, w którym urządzenie działa jak zwykłe okno.

Niedawno grupa autorów projektu okien fotowoltaicznych opublikowała analizę sugerującą, że okna tego typu mogą dostarczyć aż 40% energii elektrycznej w USA, przy czym wymagana dla tego poziomu sprawność wcale nie jest wysoka, bo wynosi jedynie 5%.

- Słońce nigdy nie będzie jedynym źródłem energii - skomentował te badania Chris Namovicz, lider zespołu ds. analizy energii odnawialnej w amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej, w rozmowie z serwisem Futurism.com. - Nie bylibyśmy w stanie zbudować ekonomicznie opłacalnej sieci elektroenergetycznej, w 100% napędzanej energią słoneczną.

Jednak 40% to wciąż spora zniżka emisyjna.

Oceaniczne wichry zasilą cywilizację?

Panele słoneczne są wciąż za mało sprawne, drogie i trudne w utylizacji. Z turbinami wiatrowymi też mamy problemy. Dwaj naukowcy z Uniwersytetu Harvarda odkryli, że gdyby Ameryka przestawiła się całkowicie na energię wytwarzaną przez wiatr, opór z tak wielu zainstalowanych turbin wiatrowych uniemożliwiłby przepływ powietrza, które naturalnie chłodzi Ziemię. W pracy badawczej opublikowanej w październiku w czasopiśmie ‟Joule”, sugerują, że ogrzałoby to całą planetę o 0,25°C, podczas gdy usunięcie źródeł energii opartych na węglu globalnie obniżyłoby w tym samym czasie temperaturę tylko o 0,1°C. Oznacza to, że farmy wiatrowe z nawiązką negatywnie ‟zrekompensowałyby” różnicę w emisji swoimi własnymi efektami grzewczymi!

Dotyczy to lądu i stref przybrzeżnych, bo na otwartym oceanie rzecz się ma inaczej. Badania zespołu Kena Caldeiry z Uniwersytetu Stanforda, opublikowane w 2017 r., wykazały, że potencjał energii wiatrowej nad oceanami jest tak duży, iż teoretycznie można by go wykorzystać do wygenerowania ‟energii dla całej ludzkiej cywilizacji”. Zakładając oczywiście, że jesteśmy gotowi pokryć ogromne obszary morskie turbinami i wymyślimy dobre sposoby ich instalacji oraz utrzymania w często ekstremalnych warunkach oceanicznych.

 

Farma wiatrowa i magazyn energii Tesli w Australii

Za punkt wyjścia przyjęto tutaj wcześniejsze badania, które wykazały, że prawdopodobnie istnieje górna granica ilości energii, jaką może wytworzyć farma wiatrowa znajdująca się na lądzie. Ograniczenie to wynika zarówno z faktu, że naturalne i ludzkie struktury na lądzie powodują tarcie spowalniające prędkość wiatru, jak i z tego, że każda pojedyncza turbina wiatrowa, pobierając część energii wiatru i przekształcając ją w energię, którą możemy wykorzystać, pozostawia mniej energii wiatrowej do zebrania przez inne turbiny.

- Każda turbina zabiera ok. połowy przepływającej przez nią energii, więc podczas przechodzenia do drugiego rzędu zostaje tylko jedna czwarta energii itd. - wyjaśnił Caldeira.

Prędkość wiatru nad oceanem może być nawet o 70% wyższa niż na lądzie. Nowe badania wykazały, że w oceanach na średniej szerokości geograficznej burze regularnie przenoszą potężną energię wiatrową z większych wysokości na powierzchnię, co oznacza, że górna granica ilości energii, jaką da się przechwycić, pozostaje znacznie wyższa.

W pracy zespołu Caldeiry porównano hipotetyczną farmę wiatrową o powierzchni prawie 2 milionów km², usytuowaną w Stanach Zjednoczonych (w centrum Kansas), z podobną zbudowaną na otwartym Atlantyku. Zestawiając ze sobą potencjalne wydajności obu lokalizacji, obliczono, że północny Atlantyk mógłby teoretycznie nasycić potrzeby USA i Chin, czego nie udałoby się osiągnąć, pokrywając farmami wiatrowymi większość centralnych stanów USA. Z kolei aby zaspokoić obecne potrzeby energetyczne ludzkości, trzeba by stworzyć nad oceanem instalacje wiatrowe o powierzchni 3 mln km², zapewniające 18 terawatogodzin rocznie. Musiałyby zająć obszar większy niż Grenlandia. Projekt tego rodzaju miałby jednak duże reperkusje klimatyczne dla kuli ziemskiej. Jak szacują uczeni, np. schłodziłby rejon Arktyki nawet o 13°C. Może to jednak jest właśnie dobry pomysł na globalne ocieplenie?

Zielona Sahara wyprodukuje energię?

Niektórzy badacze lubią zapierające dech w piersiach wizje. Grupa amerykańskich naukowców zaproponowała w tym roku plan sprowadzenia deszczu i wprowadzenia zieleni na… pustynię Sahara oraz wygenerowania tamże ogromnych ilości czystej energii. Sugerują oni, że środowisko Sahary mogłoby zostać tak gruntownie przekształcone poprzez zainstalowanie na jej terenie turbin wiatrowych i paneli słonecznych. Farmy energii odnawialnej na Saharze mogłyby podobno dostarczać rocznie ok. 82 terawatogodzin energii elektrycznej, czyli znacznie więcej niż szacunkowo potrzebuje świat.

- Instalacja na dużą skalę farm słonecznych i wiatrowych mogłaby przynieść więcej opadów i sprzyjać wzrostowi wegetacji w tych regionach - stwierdziła w magazynie ‟Science” jedna z autorek wizji, Eugenia Kalnay z Uniwersytetu w Maryland. - Wzrost opadów byłby konsekwencją złożonych interakcji między lądem a atmosferą, zachodzących dzięki temu, że panele słoneczne i turbiny wiatrowe tworzą mniej gładką niż pustynia powierzchnię.

Zalety tego projektu omawiał również Yan Li z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign.

- Poziom pokrycia roślinnego wzrósłby w regionie o ok. 20% - powiedział. - Wynikałoby to z kilku powodów. Po pierwsze, turbiny wiatrowe poprawią pionowe mieszanie ciepła w atmosferze, spychając cieplejsze powietrze na powierzchnię i zwiększając tarcie powierzchniowe, co ostatecznie prowadzi do większego prawdopodobieństwa opadów atmosferycznych. Wzrost opadów wiedzie z kolei do zwiększenia pokrywy roślinnej, tworząc pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Oczywiście zbudowanie tego rodzaju hipotetycznej infrastruktury nie byłoby łatwe - mówimy o farmie słonecznej o powierzchni takiego państwa jak Kanada, przecinanej gigantycznymi turbinami. Ale być może przedsięwzięcie warte jest podjęcia, zważywszy, że owe 82 terawatogodziny rozwiązują z dużą nadwyżką problem energetyczny całego globu.

Wizja zielonej Sahary pokrytej farmami slonecznymi i turbinami wiatrowymi

Tyle fantastyki. Warto na koniec wspomnieć o sposobie na zmierzenie się z globalnym wyzwaniem energetycznym, mniej może śmiałym i efektownym, ale za to całkiem realistycznym. Chodziłoby o sięgnięcie po paliwo nuklearne, którego mnóstwo znajduje się w odpadach z siłowni jądrowych. Jednocześnie byłby to sposób na poradzenie sobie z wielkim ekologicznym problemem. Druga i trzecia generacja reaktorów wykorzystuje jako paliwo izotop uranu ²³⁵U, którego jest 0,7% w naturalnych złożach tego pierwiastka na Ziemi. W czwartej generacji reaktorów będzie można wykorzystywać izotop ²³⁸U, którego w uranie naturalnym mamy już aż 99,3%. To, co teraz jest balastem i odpadem, stałoby się więc cennym paliwem. Zakładając, że mówimy tylko o znanych dziś złożach uranu - z 37 zettadżuli potencjalnej energii materiałów rozszczepialnych na świecie zrobiłoby się 2,5 tys. zettadżuli. To jakieś 70 razy więcej niż dziś! Teoretycznie więc za 30-40 lat technologia czwartej generacji reaktorów pozwoliłaby zaspokoić do 85% potrzeb energetycznych planety.

Niestety, energetyka jądrowa nie jest tak popularna, jak geoinżynieria fantastyczna. A szkoda, bo posługując się znanymi przecież nieźle rozwiązaniami, można by całkiem poważnie porozmawiać o wyzwaniach energetycznych.