Czy znajdą się jakieś nowe odnawialne źródła energii?
Według połączonych danych pochodzących z analiz Lazard’s Levelized Cost of Energy, Ember’s Global Electricity Review 2022, Amerykańskiego Departamentu Energii, Międzynarodowej Agencji Energii, porównanie wykorzystywanych obecnie źródeł odnawialnych wygląda tak: hydroenergetyka to generacja ponad piętnastu proc. światowej produkcji energii elektrycznej, energia z wiatru odpowiada za 6,6 proc., fotowoltaika - za 3,7 proc., biomasa - za 2,3 proc. geotermia zaś za mniej niż 1 proc.
Jak widać, generacji OZE sporo jeszcze brakuje do dominacji w dziedzinie światowej energetyki. Być może w ogóle nie ma na to szansy, bo zasoby OZE nie są nieskończone. Słońce nie zawsze i nie wszędzie świeci, wiatr raz wieje, a potem nie wieje. Poza tym miejsca, gdzie zasoby OZE są duże, bywają mocno od-dalone od miejsc, gdzie potrzeby energetyczne są duże, co osłabia opłacalność.
Wizje być może nie tak odległe
Dlatego m.in. szuka się nowych OZE. Wśród najczęściej rozpatrywanych potencjalnych nowych źródeł energii odnawialnej są te związane z wodami oceanicznymi, energią fal, prądów i pływów morskich, przy czym zastosowanie tej ostatniej jest ograniczone do obszarów o dużych różnicach poziomów wody podczas przypływów i odpływów. W sferze koncepcji i wizji jest korzystanie z energii słonecznej z kosmosu, z paneli słonecznych na orbicie okołoziemskiej, gdzie mogłyby zbierać energię słoneczną 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Do źródeł, po które jeszcze nie sięgnęliśmy należy też energia geotermalna z głębokich złóż - ciepło z wnętrza Ziemi, z głębokości kilku kilometrów. Także niektóre rodzaje alg mogą wytwarzać energię elektryczną w procesach podobnych do fotosyntezy.
Pomysły te mają najczęściej status badan laboratoryjnych lub prototypów instalowanych na próbną skalę w terenie. Co ciekawe, kosmiczna fotowoltaika, choć brzmi najbardziej fantastycznie, jest od dekad praktycznie wykorzystywana jako źródło energii w sondach i innych statkach kosmicznych. Wyzwaniem jest, oprócz budowy odpowiednio dużych instalacji na orbicie, przede wszystkim transmisja generowanej energii na naszą planetę. W ostatnich latach naukowcy pracujący dla Departamentu Obrony USA z powodzeniem przetestowali w kosmosie prototyp przyszłego systemu przesyłania energii elektrycznej z kosmosu do dowolnego punktu na Ziemi. Panel o nazwie Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM) zamontowany na bezzałogowym dronie Pentagonu X-37B został wystrzelony po raz pierwszy w maju 2020 roku. Urządzenie absorbuje energię fal niebieskiej części widma, które rozpraszane i absorbowane są w atmosferze naszej planety. Kolejnym krokiem będzie wysłanie zgromadzonej w satelitarnym urządzeniu energii w zakresie mikrofalowym. Możliwości takie zostały udowodnione już przed laty we wcześniejszych, m.in. japońskich, badaniach. Do rozwiązania jest wciąż dużo problemów. Zdaniem naukowców, optymalną orbitą dla tego rodzaju instalacji będzie kolista orbita geosynchroniczna, na wysokości ok. 36 tys. km nad powierzchnią Ziemi.
Prądy morskie - do roboty!
Wróćmy na Ziemię, gdzie, jak się okazuje, wciąż jest sporo energii do wzięcia z miejsc i procesów, których dotąd nie braliśmy pod uwagę. Japonia pracuje nad wykorzystaniem do generacji użytecznej mocy potencjał i prądów oceanicznych. Prądy oceaniczne są zasilane przez różnice w zasoleniu wody. Na biegunach woda oceaniczna zamarza, a ponieważ lód nie zawiera soli, woda wokół biegunów staje się bardziej słona, a przez to gęstsza, co sprawia, że opada. Woda ta cyrkuluje w kierunku stref zwrotnikowych, gdzie układ wiatrów ją wypiętrza, a cieplejszy klimat nagrzewa. Kieruje się do stref podbiegunowych, gdzie tonie zasolona gęsta woda, zajmując tam jej miejsce. Ten proces znany jest jako cyrkulacja termohalinowa. Oceanami płyną gigantyczne rzeki, znacznie potężniejsze niż te, które znamy z lądu. Prąd Kuroshio u wschodniego wybrzeża Japonii może przemieszczać się z prędkością 120 km dziennie i przenosić wodę o objętości odpowiadającej sześciu tysiącom dużych rzek. Prądy termohalinowe płyną ze stałą mocą, co czyni je stabilnym źródłem energii. Energia prądu oceanicznego pobierana jest ok. stu metrów pod powierzchnią. W Japonii szacuje się, że prąd Kuroshio może zapewnić nawet do 205 gigawatów mocy, co jest porównywalne z obecną całkowitą produkcją energii elektrycznej w Japonii.
Teoretycznie więc energia prądów oceanicznych może być idealnym ekologicznym źródłem energii. W przeciwieństwie do energii słonecznej i wiatrowej, nie wymaga drogich, gigantycznych megabaterii na poziomie sieci do utrzymywania stałej dostawy mocy. Nie powoduje również utraty siedlisk ptaków i innych zwierząt, jak to bywa z farmami fotowoltaicznymi. Nie utrudnia żeglugi statkom, tak jak farmy wiatrowe.
Testy prototypowych pływających w głębinie turbin podwodnych o nazwie Kairyu przeprowadził ostatnio japoński producent maszyn ciężkich IHI Corp. Mówi o sukcesie. Turbina jest zakotwiczona do morskiego dna. Może manewrować, zajmując pozycję w najszybszym przepływie prądu w celu uzyskania optymalnej mocy i łatwo wypływać na powierzchnię w celu konserwacji. Konstrukcja ma „skrzydła”, do których przymocowane są turbiny, każda generuje łącznie 100 kW mocy w prądzie o prędkości 5,5 km/h. IHI Corp chce po testach przejść do pełnowymiarowego prototypu zbliżonego do produkcyjnego z turbinami o średnicy 40 m, w którym pojedyncza jednostka (dwie turbiny na platformie) ma produkować 2 MW. Następnie IHI chce zbudować farmę składającą się ze stu takich turbin, co wystarczyłoby do zasilenia 3 tys. gospodarstw domowych.
Rozwiązanie to ma oczywiście także potencjalne wady. Przede wszystkim hałas, niebezpieczeństwo stwarzane dla stworzeń morskich przez obracające się łopatki turbin, teoretyczna możliwość spowolnienia prądu i wywołania zaburzeń klimatycznych. Nad wytłumieniem hałasu inżynierowie muszą popracować. Zagrożenie dla zwierząt jest, ale warto wiedzieć, że turbiny Kairyu poruszają się znacznie wolniej niż turbiny wiatrowe i mogą być zaprojektowane tak, aby w razie potrzeby obracały się jeszcze wolniej, co zmniejsza zagrożenie. Zakłócenia biegu prądów i potencjalnego zagrożenia dla ekosystemów oraz zjawisk pogodowych można uniknąć, jeśli nie przekroczy się określonego limitu liczby turbin.
W oceanach drzemie moc - tylko jak po nią sięgnąć?
Oceany nie od dziś stanowią pole poszukiwań nowych źródeł energii. Energia morskich fal i pływów od dawna budzi zainteresowanie. Nie opracowano jednak do tej pory rozwiązania, które pozwoliłoby sięgnąć po nią na zadowalająco dużą skalę. Być może nowe pomysły, takie jak np. wysokie na dwadzieścia metrów boje skonstruowane przez szwedzką firmę CorPower, która ogłosiła niedawno zakończenie swojego pierwszego programu demonstracyjnego generatora boi na skalę komercyjną u wybrzeży północnej Portugalii, odniosą sukces większy niż wiele dawniejszych pomysłów. W trakcie sześciomiesięcznych testów trzypiętrowy konwerter energii falowej C4 zbudowany przez CorPower przetrwał cztery duże sztormy na Atlantyku i dostosowywał się skutecznie do zmiennych wysokości fal.
Zasada stojąca za działaniem CorPower C4 jest stosunkowo prosta. Gdy boja kołysze się na falach, wewnętrzny system przekształca ruch w górę i w dół w moc obrotową do generowania energii. Jednocześnie jednak naprężony, wewnętrzny cylinder pneumatyczny reaguje na bieżąco na ruchy fal - nieznaczne opóźnienie jego ruchów w stosunku do nich wzmacnia kołysanie, pozwalając, według CorPower, na większą produkcję energii, nawet o 300 procent w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami. W trakcie sztormów układ przechodzi w tryb „przepuszczalny”, by przetrwać niekorzystne warunki oceaniczne. CorPower porównuje te funkcje „dostrajania” do systemów w turbinach wiatrowych, dostosowujących nachylenie łopat do warunków wiatrowych.
CorPower podaje, że podczas prób C4 produkowało nawet do 600 kW mocy i podobno możliwe jest, aby obecna wersja boi osiągnęła moc 850 kW. Firma ma plan budowy farmy produkującej 20 gigawatów energii w cenie konkurencyjnej wobec morskich farm wiatrowych, 24 godziny na dobę, czyli stabilnie w porównaniu z generacją wiatrową i słoneczną. Z obliczeń wynika jednak, że owe 20 GW wymagałoby ok. 20 tys. boi. Pomijając koszt, tak duża ich liczba to spora ingerencja w ocean.
Inną nową propozycją wykorzystania energii drzemiącej w wodach morskich jest Dragon 12, ważąca 28 ton o dwunastometrowej rozpiętości skrzydeł pływająca konstrukcja firmy Minesto, która przypomina nieco drona, a produkuje energię elektryczną, wykorzystując pływy morskie. Jest zakotwiczona w dnie morskim i przez przewód, którym łączy się z mocowaniem, przesyła energię do sieci energetycznej, z mocą 1,2 megawata. Zasada działania tej konstrukcji jest porównywana przez Minesto do latawców atmosferycznych, które wykonują w powietrzu ósemki, osiągając prędkości większe niż wiejący wiatr. Według konstruktorów pozwala to konstrukcji uzyskać więcej energii z prądu pływowego niż inne konstrukcje, a także większą efektywność, nawet przy słabszych prądach. Twórcy Dragona 12 przeprowadzili testy na wodach oceanicznych u wybrzeży Wysp Owczych, gdzie woda morska przepływa pomiędzy wyspami, co przyspiesza prądy.
Także na energii oceanicznej, choć pozyskiwanej inaczej, skupia się projekt oceanicznej konwersji energii cieplnej (OTEC) dla mieszkańców wysp.
Oparty jest na liczącym ok. półtora wieku pomyśle wykorzystania różnic temperatur między warstwami oceanu. Ogrzane wody powierzchniowe podwyższają tu temperaturę czynnika, jakim może być amoniak, a nawet po prostu woda. Ten, parując, obraca turbinę. Zimna woda z głębszych warstw oceanu transportowana rurociągiem schładza płyn i cykl się powtarza.
Naukowcy szacują, że jest wystarczająco dużo ciepła oceanicznego, aby dostarczyć siedem tysięcy gigawatów mocy rocznie bez ingerencji w naturalną cyrkulację oceanu, co wystarczyłoby do zaspokojenia całego rocznego zapotrzebowania na energię nie tylko społeczności wyspiarskich, ale właściwie całego świata. W latach 70. XX wieku zbudowano kilka projektów demonstracyjnych. Potem po 2000 roku znów podjęto nowe inicjatywy. Niewielka elektrownia OTEC dostarcza energię do sieci na Hawajach od 2015 roku, a inna działa na Okinawie w Japonii od 2016 roku. W 2019 r. koreańska firma przetestowała system OTEC, który ma zostać zainstalowany na wyspie Kiribati na Pacyfiku. Z kolei chińscy naukowcy przetestowali niedawno niewielki system oparty na statkach na Morzu Południowochińskim. Wszystkie te projekty są niewielkie. Ostrożność może przełamać inwestycja brytyjskiej firma Global OTEC w pływający system o mocy 1,5 megawata, który ma dostarczać energię na wyspy Świętego Tomasza i Książęcej u wybrzeży Afryki Zachodniej do 2026 roku. Firma prowadzi rozmowy z innymi zainteresowanymi rządami wysp, takimi jak Fidżi.
Ze względu na obecne wysokie koszty, także środowiskowe, generowania energii na oceanicznych wysepkach - wciąż powszechne są tam generatory Diesla - oraz obecność głębokiej zimnej wody niedaleko brzegu, miejsca te są naturalnym poligonem dla OTEC. Warto zdawać sobie sprawę, że wyspy te nie mają miejsca na farmy wiatrowe i słoneczne, choć słońca a także wiatru zwykle tam nie brakuje. Główną barierą dla poprzednich projektów był koszt instalacji kilometrów rur o dużej średnicy w celu dotarcia do głębokich wód. Projekt Global OTEC chce uniknąć tego problemu przez przedłużenie krótszej rury z platformy pływającej na głębokich wodach 10 kilometrów od brzegu, a następnie przesyłanie energii elektrycznej za pomocą kabla.
Akceleratorem do środka Ziemi
Instalacje geotermalne to znana od dawna rzecz, także w Polsce, ale elektrownie geotermalne czerpiące energię z naprawdę głębokich odwiertów są pomysłem znacznie dalej, a właściwie, głębiej, idącym. Chodzi o dotarcie do warstw, których temperatura sięga kilkuset stopni. Następnie trzeba wstrzyknąć tam wodę, wypuścić parę i użyć jej do obracania turbiną. Elektrownie geotermalne to stosunkowo prosta technika, a zatem niedroga, łatwa w budowie, zużywająca mniej materiałów i zajmująca niewiele miejsca, zwłaszcza w porównaniu z rozległymi farmami słonecznymi i wiatrowymi. Jedynym produktem ubocznym jest niewielka ilość pary wodnej. Dlaczego więc po prostu po tę głębinową energię nie sięgnąć?
Niestety, gorące skały znajdują się bardzo, bardzo głęboko pod ziemią. Takich miejsc jak Islandia, gdzie nie są tak głęboko, nie ma wiele na Ziemi. W większości lokalizacji, w których potrzebujemy energii, aby dotrzeć do gorących trzewi naszej planety, trzeba wwiercać się prawie 20 km w głąb skorupy ziemskiej. A to jest trudne i drogie.
Zmienić chce to start-up o nazwie Quaise, powstały w Massachusetts Institute of Technology. Jego twórcy opracowali koncept urządzenia nazywanego żyrotronem, będącego nie tyle nowym typem świdra, lecz akceleratorem cząstek. Od LHC różni się tym, że cząstki nie krążą w nim po okręgu, lecz są z niego wystrzeliwane z ogromną energią. Jak twierdzą jego twórcy, pozwala to „odparować skałę”. Wymaga oczywiście potężnego zasilania, zarządzania powstającą plazmą i rozwiązania szeregu innych problemów, ale nie są to dla Quaise wyzwania, z którymi nie można sobie poradzić. Firma zamierza w tym roku ukończyć pierwszy prototyp żyrotronu. Potem jest plan zbudowania pierwszej głębokiej elektrowni geotermalnej do 2026 r. i działalności komercyjnej od 2028.
Interesującym pomysłem Quaise jest plan „recyklingu” starych elektrowni i przestawienia ich na energię geotermalną. Znajdujące się tam już instalacje, przede wszystkim turbiny, zamiast energią ze spalania paliw kopalnych, miałyby być zasilane mocą geotermalną. Jest tam infrastruktura energetyczna i wszystko, czego potrzeba do produkcji energii elektrycznej.
Mirosław Usidus
