Życie bez paliw kopalnych - czy to możliwe? Od słonecznych miast po moc z głębin
Nowe, całkowicie elektryczne, zasilane energią słoneczną i akumulatorami kalifornijskie mikrospołeczności położone są w miejscowościach Oak Shade i Durango. W projekcie nie chodzi tylko o typowe energooszczędne domy z dodanymi panelami słonecznymi. Postawione przez firmę deweloperską KB Homes domostwa są wyposażone w zapasowe akumulatory, mają systemy ładowania pojazdów elektrycznych działające dwukierunkowo, czyli w razie potrzeby wykorzystujące samochodowe akumulatory do zasilania gospodarstw domowych. Wszystko oplecione jest tzw. smart gridem, czyli inteligentną, elastyczną mikrosiecią energetyczną.
Każdy dom jest na takim osiedlu wyposażony w następujące elementy: system słoneczny SunPower Equinox, akumulator SunVault o pojemności 13 kWh, hybrydowy elektryczny podgrzewacz wody z pompą ciepła Rheem ProTerra oraz wysokowydajną dwustopniową pompę ciepła Carrier. Panele słoneczne pozyskuję energię ze słońca, a następnie magazynują ją w akumulatorach, które służą jako zapasowe źródło energii. Dodatkowo, panele słoneczne domostw są podłączone do zbiorczego magazynu akumulatorowego dla osiedla liczącego dwieście domostw, o mocy 2,3 MW. Każdy dom wyposażony jest w ładowarkę aut elektrycznych.
Właściciele domów mogą zapisać się do programu Virtual Power Plan (VPP) firmy SunPower, który umożliwia im wykorzystanie posiadanych ładowarek, akumulatorów i innych systemów energetycznych do równoważenia obciążenia w czasie. W rezultacie, według SunPower, uodporniają się na przerwy w dostawie prądu. Ponadto program ten służy jako platforma ucząca się na potrzeby przyszłych doskonalszych rozwiązań mikrogridowych.
Takie, oparte na elektryczności i źródłach odnawialnych mikrospołeczności energetyczne, już wykazały swoją odporność na sytuacje kryzysowe. Babcock Ranch, "społeczność zasilana energią słoneczną" na Florydzie, położona ok. 20 km od Fort Myers, nie ucierpiała w powodu przerw w dostępności bieżącej wody, prądu i internetu, gdy ponad pięć milionów mieszkańców gęsto zaludnionych okolic zostało tego wszystkiego pozbawionych po przejściu huraganu Ian.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Europejski dom samowystarczalny
Floryda, Kalifornia, cóż, powie sceptyk, to ciepłe i słoneczne miejsca, zaś w miejscach bardziej klimatycznie wymagających, rzecz nie wygląda tak optymistycznie. Nie zgadza się z tym znany orędownik energii słonecznej, Thomas Vogel, szwajcarski przedsiębiorca i inżynier. W swoich publikacjach dowodzi, że samowystarczalność słoneczna jest możliwa nawet w klimacie umiarkowanym, i to przy korzystaniu z samochodów elektrycznych.
Demonstruje to na własnym domu. Vogel zbudował go w 2012 roku, zwracając szczególną uwagę na efektywność energetyczną. Od początku w domu zainstalowany jest system ogrzewania/wentylacji Drexel+Weiss Aerosmart X2 z gruntową pompą ciepła, co pomogło utrzymać zużycie energii na ogrzewanie na bardzo niskim poziomie. Vogel podaje, że przy pracy na pełnej mocy w mroźny zimowy dzień zużycie energii przez system grzewczy wynosi około 1,2 kW.
Po kilku latach mieszkania w swoim domu i rozpoznaniu rzeczywistego zużycia energii, Vogel dodał do systemu panele słoneczne wschód-zachód na wiaty samochodowej, o mocy 8 kW, panele słoneczne wschód-zachód na domu o mocy 14 kW oraz akumulator o pojemności 12 kWh. Jego rodzina nabyła też dwa samochody Tesla Model 3 z baterią 75 kWh każdy. Dużymi odbiornikami energii (samochody, pralka, ogrzewanie) steruje system kontroli budynku Loxone, biorąc pod uwagę dostępność energii słonecznej, poziom naładowania akumulatorów i pory roku. Vogel skrupulatnie odnotowuje, że średnie poziomy samowystarczalności jego gospodarstwa domowego na przestrzeni lat przekraczają 70 proc. dla całego roku, "i to przy dwóch samochodach elektrycznych". W okresie pandemii, czyli, gdy auta nie były używane/ładowane, od lutego do października 2020 samowystarczalność domu Vogla sięgała 100 proc.
Jak pisze Szwajcar, okres od połowy października do połowy lutego (zimowy) to zazwyczaj tylko 20-30 proc. samowystarczalności w jego domu. Uważa on, że jeśli w roku jest około ośmiu miesięcy ze stuprocentową samowystarczalnością, to w miesiącach letnich musi być pewna nadwyżka produkcji energii. W Szwajcarii nadwyżka energii może być wprowadzona z powrotem do sieci i sprzedana lokalnemu przedsiębiorstwu energetycznemu. Bilansowanie podaży i popytu odbywa się poprzez liczne elektrownie szczytowo-pompowe w górach.
W ostatnim czasie bilans energetyczny domu Vogel poprawił przez wymianę samochodów na modele Tesli o mniejszej pojemności akumulatorów. Ponadto zamierza dodać pionowe panele słoneczne wyściełające części fasady. Zainstalowanie dodatkowych 4,9 kW da, jak szacuje, dodatkowe 2500 kWh rocznie, także zimą, gdy słońce jest nisko, bo wówczas panele pionowe lepiej się sprawdzają. Korzystając z danych historycznych od 2017 roku, a także z dokładnego kalkulatora słonecznego Vogel przewiduje, że pionowe panele zwiększą poziom samowystarczalności z 70 do 80 proc. w skali roku.
Skrupulatny szwajcarski inżynier "przeprowadza dowód" samowystarczalności energetycznej w klimacie umiarkowanym, krok po kroku. 100 proc. jeszcze nie osiągnął, ale jest z roku na rok bliżej.
Oceaniczne wymienniki ciepła pomogą dalekim wyspom?
Są miejsca na Ziemi, gdzie osiągnięcie samowystarczalności i uniezależnienie się od zewnętrznych dostaw energii dałoby ogromne oszczędności. To rozrzucone po ziemskich oceanach wyspy. W tropikach głębiny morskie są zimne, a powierzchnia morza ciepła. Tę różnicę temperatur można wykorzystać i zamienić w energię elektryczną. Jeśli uda się udoskonalić technikę, ta metoda produkcji energii elektrycznej może okazać się zbawienna dla krajów wyspiarskich uzależnionych od drogiego i brudnego oleju napędowego.
Możliwe jest w takich instalacjach wykorzystanie czynnika o niskiej temperaturze wrzenia, np. amoniaku. Ciepło pochodzące z ciepłej wody morskiej (pomiędzy 20 a 30°) podgrzewa czynnik, aż zamienia się on w parę i może być użyty do napędzania turbin. Na kolejnym etapie cyklu para jest wystawiona na działanie zimnej wody morskiej (około 5°), która zamienia ją z powrotem w ciecz, dzięki czemu cykl może być kontynuowany. Aby pobierać zimną wodę, potrzeba rur zanurzonych do 600 metrów w głąb morza. To zamknięta pętla, ogrzewana i chłodzona przez wymienniki ciepła. Takie źródło energii to potencjalnie stabilniejsze dostawa niż kapryśne słońce i wiatr.
Niestety technika ta nie jest jeszcze w pełni gotowa. Pilotażowa elektrownia systemu nazywanego OTEC na Hawajach zainstalowana przez Makai Ocean Engineering w 2015 roku ma moc 100 kilowatów. To kilkadziesiąt razy mniej niż typowa turbina wiatrowa i tylko ok. cztery razy więcej niż domowa instalacja słoneczna inżyniera Vogela.
Głównym wyzwaniem technicznym do pokonania jest pozyskanie dużych ilości wymaganej zimnej wody morskiej. W projekcie pilotażowym Makai zastosowano rurę o średnicy jednego metra, która zanurzona jest na głębokość 670 metrów. Jak się szacuje, aby zwiększyć skalę do bardziej użytecznej 100-megawatowej elektrowni, rura musiałaby mieć dziesięć metrów średnicy i sięgać na głębokość jednego kilometra. Tego typu infrastruktura jest kosztowna i musi być zbudowana tak, by wytrzymać korozję, cyklony i aktywność biologiczną w morzu. To poważne wyzwania ale to nie wszystko.
Jak obliczają amerykańscy eksperci, by zbliżyć się do kosztów energii wiatrowej i słonecznej, które obecnie wynoszą zaledwie 1-2 centy za kilowatogodzinę w USA, morskie elektrownie cieplne potrzebowałyby skali około czterech wodospadów Niagara przepływających przez system na bieżąco. Dlaczego potrzeba tak ogromnych ilości wody? Ponieważ niemożliwe jest przekształcenie całej energii cieplnej w pracę mechaniczną, czyli, w tym przypadku, obrót turbiny. Proces konwersji energii działa tu przy stosunkowo małej różnicy temperatur pomiędzy ciepłą i chłodną wodą morską. Oznacza to, że tylko bardzo mały procent energii cieplnej zawartej w wodzie morskiej jest zamieniany na energię elektryczną.
Mimo to, naukowcy z Korei i Nowej Zelandii przekonują, że OTEC może być opłacalnym źródłem energii elektrycznej dla państw wyspiarskich, gdzie tradycyjnie energia jest droga. Potrzeba tylko więcej elektrowni pilotażowych, które pomogą udoskonalić projekty.
Mirosław Usidus
