Świetlana przyszłość fabryk napędzanych energią słońca

Większość dyskusji na temat odnawialnych źródeł energii skupia się na produkcji elektryczności. Okazuje się jednak, że energia jaka jest nam najbardziej potrzebna to energia cieplna, której ani panele słoneczne ani turbiny wiatrowe nie mogą efektywnie produkować. By napędzać procesy przemysłowe takie jak produkcja mikroprocesorów, chemikaliów lub wytapianie metali potrzebujemy odnawialnego źródła energii cieplnej. Dobrym rozwiązaniem może być bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej, a ponadto tworzy możliwość produkcji urządzeń wytwarzających energię odnawialną przy wykorzystaniu wyłącznie energii odnawialnej. Dopiero to mogłoby być podstawą prawdziwie zrównoważonej cywilizacji przemysłowej.

Olbrzymia część energii na świecie jest zużywana w postaci ciepła. Gotowanie, ogrzewanie mieszkań i podgrzewanie wody stanowią największy procent energii zużywanej w gospodarstwach domowych. W Unii Europejskiej te czynności pochłaniają 89% zużycia energii w domach. Ciepło stanowi aż 67% energii zużywanej w przemyśle Unii Europejskiej. Dla reszty świata liczby te są prawdopodobnie nawet większe – nie tylko dlatego, że duża część gospodarstw domowych nie ma tam dostępu do elektryczności, ale też dlatego, że wiele najbardziej energochłonnych gałęzi przemysłu zostało przeniesione do krajów rozwijających się. Prawie niczego nie da się wyprodukować bez użytecznej energii cieplnej.

Panele słoneczne i turbiny wiatrowe nie produkują ciepła.

Znaczenie ciepła w całkowitym zużyciu energii stoi w wyraźnej sprzeczności z naszymi wysiłkami na rzecz "zazielenienia" infrastruktury energetycznej. Co prawda przekształcenie energii elektrycznej w energię cieplną jest jak najbardziej możliwe, lecz robienie tego jest bardzo nieefektywne.

Cęsto zakłada się, że nasze problemy energetyczne zostaną rozwiązane, gdy OZE osiągną tzw. "parytet sieci"- cena energii z OZE będzie porównywalna z ceną energii produkowanej przez paliwa kopalne. Ale żeby naprawdę konkurować z węglowodorami, źródła odnawialne muszą także osiągnąć tzw. "parytet termiczny".

Mimo że już dziś są miejsca gdzie cena energii odnawialnej i kopalnej jest taka sama, to nadal znacznie taniej jest produkować ciepło za pomocą gazu, węgla i ropy niż paneli sonecznych lub turbin wiatrowych. Dlaczego? Ponieważ produkcja 1 kWh energii elektrycznej wymaga od 2 do 3 kWh energii cieplnej z paliw kopalnych. Stąd produkcja ciepła poprzez spalenie węglowodorów jest przynajmniej 2-3 razy tańsza niż przy użyciu energii elektrycznej z OZE. 

Produkcja turbin wiatrowych i paneli słonecznych wymaga energii cieplnej.

To oznacza że jedne i drugie musiałyby być dwa do trzech razy tańsze niż obecnie, by osiągnąć parytet termiczny z paliwami kopalnymi. Nie jest to niemożliwe, szczególnie jeśli założymy wzrost cen paliw kopalnych, jest jednak pewien problem – nawet jeśli systemy energii odnawialnej będą zastępować paliwa kopalne to jednocześnie będą całkowicie zależne od ciągłych dostaw tych paliw. Panele PV i turbiny wiatrowe nie potrzebują węglowodorów by działać, lecz potrzebują ich, by w ogóle powstać.

Nigdzie nie znajdziecie fabryki paneli słonecznych lub turbin wiatrowych, która byłaby zasilana energią z jej własnych paneli lub turbin. Dlaczego? Bo konwersja energii elektrycznej na energię cieplną byłaby nieefektywna i niesłychanie droga. A przecież do produkcji OZE, stali lub krzemu energia cieplna jest niezbędna. To oznacza, że koszty produkcji paneli słonecznych i turbin wiatrowych wraz ze wzrostem cen paliw kopalnych także wzrosną. Taka sama zależność zaistnieje też z pewnością dla baterii i innych "zielonych" produktów takich jak diody LED i pompy ciepła. Wszystkie te rzeczy potrzebują energii cieplnej by powstać. Energii, która w obecnym systemie produkcji zawsze będzie 2-3 krotnie tańsza jeśli będzie pochodzić ze spalania paliw kopalnych, a nie z elektryczności OZE. To bardzo poważny problem, ponieważ będziemy musieli produkować nowe turbiny wiatrowe co 20-30 lat, a nowe baterie co 5-10 lat.

Odnawialne źródło ciepła

W naszej strategii budowy zrównoważonego systemu energetycznego brakuje dobrego źródła energii cieplnej. Instalacje geotermiczne mogą dostarczać ciepło, ale wysokie temperatury mogą być osiągane tylko w nielicznych regionach wulkanicznych. Inną możliwością jest biomasa, jednak jej ilość jest bardzo ograniczona i próba zaspokojenia znacznej części naszych potrzeb cieplnych z jej pomocą szybko doprowadziłaby do jej braku.

Jest tylko jedno odnawialne, potężne, szybkie we wprowadzeniu i niewyczerpywalne źródło energii cieplnej: energia słoneczna.

Najczęściej patrzymy na to źródło energii jak na kolejny sposób uzyskania elektryczności. Jednak może ona być stosowana bezpośrednio jako źródło ciepła w różnej skali: od domowych kolektorów ogrzewających wodę aż po przemysłowe piece słoneczne.

Elektryczność z kolektorów słonecznych CSP, a ciepło z CSP

Problem w tym, że dziś używamy tych technologii w niewłaściwy sposób. W dzisiejszych termicznych elektrowniach słonecznych energia cieplna używana jest do produkcji pary, która z kolei używana jest do produkcji elektryczności. Ten proces jest równie nieefektywny jak zamiana elektryczności w ciepło – dwie trzecie energii jest tracone. Dlatego użycie tego typu instalacji jest opłacalne tylko na pustyniach. Gdybyśmy używali tych instalacji do produkcji ciepła zamiast elektryczności, produkcja energii byłaby 3 krotnie tańsza i konkurencyjna cenowo także w mniej nasłonecznionych regionach. Koszt produkcji energii cieplnej z tych instalacji jest wielokrotnie mniejszy niż koszt produkcji elektryczności, może więc konkurować z paliwami kopalnymi.

Niskotemperaturowe ciepło ze słońca

Instalacje wytwarzające niewielką temperaturę już dziś znajdują zastosowanie w gospodarstwach domowych do podgrzewania wody oraz w mniejszym zakresie do ogrzewania pomieszczeń. Straty energii podczas tego procesu są marginalne a koszty porównywalne z paliwami kopalnymi. Bez wątpienia, domowe ogrzewanie słoneczne ma przyszłość, ale zastosowanie ciepła ze słońca na tym się nie kończy.

Energia słoneczna w procesach przemysłowych

Słoneczna energia termiczna ma też spory potencjał w procesach przemysłowych, być może nawet większy niż w gospodarstwach domowych. W Europie około 30% przemysłowego zapotrzebowania na ciepło dotyczy temperatur mniejszych niż 100°C. Domowe kolektory słoneczne zapewniają temperaturę do 120°C.  Kolejne 27% zapotrzebowania dotyczy średnich temperatur w zakresie 100-400°C.  Temperatury tego rzędu z łatwością mogą wytwarzać niewielkie instalacje dziś używane do produkcji energii elektrycznej.

To oznacza, że co najmniej 57% zapotrzebowania na energię cieplną w Europie (lub 40% całkowitego zapotrzebowania w europejskim przemyśle) może być pokryte przez dostępne, konkurencyjne, niewyczerpalne źródło energii które nie wpływa negatywnie na środowisko naturalne. Koszty tego rozwiązania byłyby wielokrotnie niższy niż użycie energii paneli słonecznych i turbin wiatrowych.

Termiczne instalacje słoneczne średniej mocy mogą dostarczać ciepłą wodę np. do mycia naczyń lub procesów chemicznych. Mogą też dostarczać gorące powietrze do suszenia i pieczenia np. w przemyśle spożywczym i papierniczym. Mogą też dostarczać parę wodną do sieci dystrybucyjnych, powszechnie używanych w wielu gałęziach przemysłu. Co najciekawsze, cała istniejąca aparatura oraz infrastruktura dystrybucyjna pozostają bez zmian. Zmieni się jedynie źródło energii.

Pozostałe 43% przemysłowego zapotrzebowania na energię cieplną w Europie dotyczy temperatur powyżej 400°C. Na przykład produkcja szkła wymaga temperatury 1575°C, a cementu ok 1450°C, recykling aluminium wymaga 660°C, zaś recykling stali 1520°C. Produkcja stali wymaga 1800°C, zaś produkcja aluminium 2000°C. Wypalanie ceramiki - od 1000 do 1400°C, a wytwarzanie mikroprocesorów i ogniw słonecznych 1900°C.

Zapotrzebowanie na ciepło w przemyśle

Takie temperatury mogą być osiągalne w technologii koncentratorów słonecznych. Już dziś istnieją aplikacje tego typu np. wieże słoneczne oraz piece słoneczne. Piece słoneczne mogą wytwarzać temperaturę ponad 3500°C. To wystarczy, by wyrabiać mikroprocesory, nanorurki węglowe, wodór i wszystkie metale łącznie z wolframem, który topi się w 3400°C. Ponadto takie temperatury można wytwarzać w zaledwie kilka sekund. Dodatkowe korzyści tego źródła energii to czyste, przyjazne środowisku spalanie i selektywna moc grzewcza. Największy piec słoneczny znajduje się we Francuskiej miejscowości Odeillo. Wybudowany w 1970 roku jest w stanie skoncentrować światło słoneczne 10 000 razy i osiąga moc 1MW.

Piec słoneczny Odeillo 1 MW

Jedyną wadą instalacji słonecznych dużej mocy, takich jak piece słoneczne, (oprócz tego że muszą zostać zbudowane) jest to że wraz z nimi musi powstać całkowicie nowa, kompatybilna aparatura i infrastruktura.

Ale jak napędzać fabryki używając energii, która nie zawsze jest dostępna?

Nasłonecznienie zmienia się w zależności od pory dnia, pór roku i oczywiście nie ma go w nocy. Do tego technologie koncentrujące światło słoneczne działają wyłącznie w pełnym świetle. Oznacza to, że nawet mała chmurka zatrzymuje produkcję energii. To rodzi dwa pytania: niektóre procesy przemysłowe mogą nieźle działać w warunkach sporadycznych dostaw energii, ale jak zagwarantować niezakłócone dostawy energii dla procesu który jest w trakcie? I co zrobić gdy słońce jest zasłonięte np. przez tydzień?

Są trzy rozwiązania:

  1. Systemy hybrydowe: energia słoneczna + energia paliw kopalnych.
  2. Magazynowanie ciepła: za pomocą wody, ceramiki lub niektórych soli.
  3. Magazynowanie pracy: pozwalamy fabrykom pracować tylko gdy świeci słońce - tak jak czekamy na odpowiedni dzień by wywiesić pranie, tak samo możemy poczekać by wysuszyć cegły, recyklingować metale czy produkować smartfony. Produkcja przemysłowa byłaby skoncentrowana w miesiącach letnich. Oczywiście produkcja będzie wolniejsza, ale nie jest to aż tak straszne, jeśli uświadomimy sobie, że większość naszych problemów energetycznych i środowiskowych jest spowodowana głównie przez nadprodukcję i nadmierną konsumpcję dóbr.

Połączenie tych trzech strategii może być więc całkiem dobrym rozwiązaniem.

To prawda, że nie każdy klimat nadaje się do wykorzystania energii termicznej słońca we wszystkich gałęziach przemysłu. Wielu ludzi mówi dziś o importowaniu elektryczności z terenów pustynnych, a przecież równie dobrze możemy przenieść swoje fabryki w regiony, gdzie słońca jest pod dostatkiem. Dużo efektywniej jest transportować wytworzone produkty na duże odległości niż transportować elektryczność.

Tłumaczenie Tomasz Asztemborski

angNa podstawie EnergyBulletin

Komentarze

02.01.2012 10:28 Adi

Niezwykle ciekawy artykuł. Ostatnio też interesowałem się tymi tematami i okazuje się, że istnieje już całkiem sporo ciekawych rozwiązań dających świetne wyniki pozyskiwania ciepła, żywności, wody albo elektryczności dla gospodarstw domowych, bez udziału paliw kopalnych. Niektóre są tak prymitywne i tanie, że aż zdumiewające, że tego nie używamy.

Mnie zaciekawiło jak praktycznie powinno wyglądać normalne gospodarstwo domowe w Polsce w wersji eko.
Założenie: musi ono być samowystarczalne w czterech tematach: zapewnić wodę, ciepło, żywność i elektryczność.


Woda. Gospodarstwo musi być zlokalizowane w pobliżu rzeki, jeziora lub/i posiadać własną studnię i system zbiorników do magazynowania deszczówki (podlewanie ogrodu, woda dla ludzi i zwierząt).


Ciepło. Latem do ogrzewania i wytworzenia ciepłej wody w zupełności wystarczą panele słoneczne lub odpowiednie zbiorniki z wodą pomalowane na czarno i odpowiednio izolowane. Zimą piec opalany drewnem z własnego przydomowego lasu. Myślę, że do zapewnienia ciepła dla domu o wielkości ok. 70-80 m2 w okresie zimy, wystarczy obszar przydomowego lasu o powierzchni ok. 10 hektarów. Corocznie wycinamy dorosłe drzewa z powierzchni 2000 m2, w miejsce wyciętych drzew sadzimy nowe. Uda się nawet pozyskać trochę drewna dla potrzeb budownictwa. Uzupełnienie może stanowić biomasa z własnego pola.


Żywność - sprawa stosunkowo prosta - własny ogród warzywny i owocowy o powierzchni ok 1000 m2, sad o powierzchni 500 m2 do tego własne zwierzęta typu kury, króliki, (po kilkadziesiąt sztuk) krowa (2,3 sztuki). W zupełności wystarczające dla potrzeb 4-osobowej rodziny.


Elektryczność. Kombinacja: panele słoneczne (lato), lub/i pozostałe pory roku - przydomowa farma wiatrowa, elektrownia wodna na rzece.
Trudno mi oszacować niezbędne moce gdyż nie jestem specjalistą w tych sprawach. Ale z pewnością jest to wykonalne i realne. Nie będziemy mieli prądu przez cały czas i być może trzeba się będzie zastanowić nad np 24 woltową instalacją oświetleniową w domu, ale technologicznie jest to już bezproblemowe.

Z pewnością trzeba będzie odkurzyć wiele patentów używanych w dawniejszych czasach, a są one zdumiewające, do tego należy wdrożyć wykorzystując w skali mikro nowe technologie i zdobycze techniki w zakresie OZE. No i przyzwyczaić się do nowego trybu życia.

Ja już rozglądam się za odpowiednią nieruchomością na wsi, pilnie studiuję muzea techniki oraz analizuję oferty w zakresie mini wiatraków i solarów. Wielu rzeczy już się nauczyłem, typu hodowla zwierząt, uprawa ogrodu i sadu, mam wiedzę o odpowiednich szybko rosnących gatunkach drzew, umiem je rozmnażać, wyszukuję w inernecie ciekawe pomysły na ogrzewanie wody słońcem, uczę się przechowywać bezenergetycznie żywność (wędzenie, suszenie, marynowanie itp).

Potrzebny jest tu dział do wymiany praktycznych porad i wiedzy w tematach.

02.01.2012 15:52 Devak

Z wikipedii w 2007 roku gęstość zaludnienia 122 osoby na 100 hektarów, czyli około 3.5 hektara na czteroosobową rodzinę, zakładając że takich rodzin jest dziesięć milionów.
Tak więc tych hektarów zabraknie

02.01.2012 18:16 Zbrozlo

I nawet nic dziwnego bo 2 -3 krowy dadzą dziennie 24 - 36 litrów mleka, to trochę dużo jak dla 4 osobowej rodziny. :D

02.01.2012 18:30 Adi

@Zbrozlo
Niekumatyś z rolnictwa więc wyjaśnię: Jeden to byczek, jedna jałówka i jedna krowa mleczna. Zastepowalność pokoleń musi być ;) A cielaczki na mięsko. Poza tym część mleka pójdzie na masło, śmietanę i twarogi. Jak będzie za dużo, zawsze można wymienić na ryby z sąsiadem zza jeziora

02.01.2012 19:31 Adi

@ Devak
jeżeli przyjąć, że powirzchnia potrzebna dla 4 os. rodziny to 15 ha (doliczyłem jeszcze areał niezbęny do wykarmienia zwierząt) i założyć że 75% powierzchni Polski spełnia warunki bycia polem, łąką lub lasem to wychodzi, że bez paliw kopalnych w naszym kraju jest w stanie przetrwac jeakieś 4-5% obecnej populacji - około 1 500 000 ludzi. W klimacie gdzie nie trzeba ogrzewać będzie to pewnie ze trzy razy więcej. Przyjmując z grubsza 10 % obecnej liczby ludzi to i tak daje szokującą wręcz skalę depopulacji. To by się z grubsza zgadzało bo tyle ludzi było ok. 1750-1800 roku czyli przed erą ropy węgla i gazu.

03.01.2012 19:44 Radosław

Jeśli ktoś z Was ma w swoim domu kolektory słoneczne, czy mógłby opisać swoje doświadczenia?

Planuję w tym roku zakup, ale chciałbym wiedzieć, do jakiej temperatury realnie nagrzewa się woda szczególniew marcu i listopadzie? Jak oceniacie opłacalność przedsięwzięcia? O ile spadły wasze rachunki za gaz? Jaką firmę polecacie?

04.01.2012 14:26 Devak

@Radosław
Ja sobie zafundowałem solary w zeszłym roku. Tak, że mogę powiedzieć coś o listopadzie( o marcu jeszcze nie ;) )
Mam solary próżniowe o powierzchni 7,2 metra i zbiornik do wody 300 litrów. Latem przy około 60% nasłonecznieniu woda w zbiorniku osiąga 80 stopni celsjusza, a jeżeli chodzi o listopad, to gdy dzień jest naprawdę słoneczny temperatura dobjiała do mniej więcej 40 stopni.
Osobiście skorzystałem z dofinansowania z NFŚ, ale drugi raz bym tego nie zrobił. Dotacja jest przyznawana pod warunkiem, że bierzemy kredyt z banku. Związane z tym koszty, a także konieczność odprowadzenia części dotacji jako podatku do urzędu skarbowego sprawia, że nie warto w to się bawić.
Gdy podliczyłem wszystkie koszty jakie poniosłem w związku z kredytem, jego ubezpieczeniem, ilością formalności jakie musiałem spełnić mogę tylko powiedzieć, że kupienie solarów na wolnym rynku bez dotacji byłoby tańsze.
Ale poza tym polecam. Myślę, że przynajmniej osiem miesięcy w ciągu roku można nie martwić się o brak ciepłej wody, a raczej o jej nadmiar :)

04.01.2012 21:40 Radosław

Czyli wiem że grzeje wyśmienicie.

Nie wiem tylko jak z tą dodacją. Niby dotacja 45%, ale dochodzą opłaty wiec wyliczyli mi w sklepie że rzeczywista dotacja wyniesie 30%.

O ubezpieczeniu kredytu i podatku od darowizny rozumiem nie wspomnieli

05.01.2012 11:46 Devak

Rzeczywista dotacja wyniosłaby w granicach 32,33 procent gdyby chodziło tylko o podatek. Ale dotacji nie dostaniesz bez kredytu.
U mnie wyglądało to tak. Około miesiąca ubiegałem się o kredyt zbierając różne zaświadczenia ( za które nawiasem mówiąc zapłaciłem też prawie trzy stówy).
Chciałem wziąść kredyt na najkrótszy mozliwy okres. Pani w banku po ocenieniu moich zarobków powiedziała, że moge wziąść na rok, ale pod warunkiem ubezpieczenia kredytu. Na pytanie ile to ubezpieczenie będzie kosztowało odpowiedziała, że około stu złotych. Niechętnie, ale się zgodziłem na podpisanie umowy za tydzień. Po tygodniu przyjechałem do banku w dobrej wierze, ż ejuz nic niespodziewanego mnie nie spotka,, podpisuję wszystkie papiery, a tu nagle pani mówi, ze czas opłacić ubezpieczenie w wysokości 497 złotych. Zaniemówiłem i wyszedłem aby ochłonąć. Gdyby nie poniesione wydatki na zaświadczenia i projekt rzuciłbym to wszystko.
Ale koniec końców podpisałem. Po dwóch miesiącach przyszło dofinansowanie do banku i spłaciłem kredyt przed czasem. Opłaty manipulacyjne i procenty w tym czasie wyniosły około tysiąca złotych.
Mam coś takiego
http://www.marax.pl/zestaw-solarny-ulrich-solarset-sd-30048-brspanpow78-m2-kolektor-prozniowy-solarglas-sg-18002424zasobnik-300-litrowspan-p-2213.html

Do tego dochodzą jeszcze bardzo drogie rury i złączki a także stelaże na dach. Tak więc ogółem z własnej kieszeni wyłozyłem z 16 tysięcy.

Myślę, że bez dotacji zaoszczędziłbym z tysiąc złotyc i nikogo nie musiałbym całować w w iadomo jakie miejsca ;)
Jeżeli będzie to trwałe urządzenie to za wysokie koszty eksploatacji nie są, ale trzeba liczyć, ze pompa solarna przy obecnych cenach energii pobierze prądu za około 50 złotych rocznie i tak co mniej więcej sześć lat trzeba wymieniać płyn solarny i to jest koszt około sześćset złotych.
Jak się już ma to urządzenie spłacone to się w końcu zapomina o kosztach, ale tania rzecz to to nie jest.
Ale jeszcze raz powiem koniec końców jestem zadowolony. Jak jest słońce to prosto z kranu można kawę zaparzyć :)

16.03.2012 13:24 Dark

"Ten proces jest równie nieefektywny jak zamiana elektryczności w ciepło – dwie trzecie energii jest tracone." - To stwierdzenie jest nieprawdziwe. Zamiana energii elektrycznej w cieplną to jeden z najłatwiejszych w realizacji i najsprawniejszych procesów przemiany energii. Przykład zwykła grzałka elektryczna sprawność bliska 100%.

19.04.2012 1:36 gupol

@dark
"Zamiana energii elektrycznej w cieplną to jeden z najłatwiejszych w realizacji i najsprawniejszych procesów przemiany energii"
może i tak ale produkcja 1 kWh energii elektrycznej wymaga od 2 do 3 kWh energii cieplnej z paliw kopalnych. Stąd produkcja ciepła poprzez spalenie węglowodorów jest przynajmniej 2-3 razy tańsza niż przy użyciu energii elektrycznej:)

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto