Potrzebujemy odnawialnego źródła energii termicznej, żeby skończyć z uzależnieniem od paliw kopalnych do zasilania takich procesów przemysłowych jak produkcja chemii, wytop metali czy produkcja układów scalonych.

Większość dyskusji o odnawialnych źródłach energii skupia się na produkcji elektryczności. Jednak to ciepło, jest formą energii jakiej najbardziej potrzebujemy, a ani panele fotowoltaiczne, ani turbiny wiatrowe go nie generują.

Potrzebujemy odnawialnego źródła energii cieplnej, żeby zasilić takie procesy przemysłowe jak wyrób chemikaliów, wytop metali czy produkcja układów scalonych. Bez niego nie skończymy z naszym uzależnieniem od paliw kopalnych i nie damy rady produkować urządzeń do zbierania energii odnawialnej bez emisji gazów cieplarnianych. Rozwiązaniem może być bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej. Dzięki temu przejdziemy całkowicie na energię odnawialną i położymy podwaliny pod prawdziwie zrównoważoną cywilizację przemysłową.

Brakującym elementem naszej strategii transformacji energetycznej jest źródło odnawialnej energii cieplnej.

Spora część zużywanej na świecie energii to ciepło, zarówno w gospodarstwach domowych jak i w przemyśle. Gotowanie, ogrzewanie pomieszczeń i grzanie wody dominują w domowym bilansie energetycznym. W Wielkiej Brytanii, te zajęcia odpowiadają za 85% domowego zużycia energii, w całej Europie za 89%, a w USA za 61% (wyłączając gotowanie).

Fabryki, tak samo jak domy, potrzebują energii cieplnej. W Wielkiej Brytanii, 76% energii zużywanej w przemyśle to ciepło. Średnia europejska to 67%. Nie mogłem znaleźć danych ani dla USA, ani dla świata, ale te wartości powinny być podobne (a może nawet wyższe w skali globalnej, ponieważ wiele z energointensywnych gałęzi przemysłu zostało przeniesionych do krajów rozwijających się). Bez energii termicznej niewiele można dzisiaj wyprodukować.

Fotowoltaika i turbiny wiatrowe nie generują energii cieplnej

W wysiłkach nad zrównoważeniem infrastruktury energetycznej, kluczowa rola energii cieplnej jest wyraźnie pomijana. Prawie w całości wysiłki te skupiają się na produkcji zrównoważonej energii elektrycznej za pomocą paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych. To prawda, że bez przeszkód można zamienić prąd na ciepło, tak jak to dzieje się np. w elektrycznych piekarnikach, nie mniej jednak, jest to wyjątkowo niskowydajny proces.

Uważa się, że nasze problemy energetyczne zostaną rozwiązane, kiedy OZE osiągną „parytet sieci” - moment w którym będą generować prąd w tej samej cenie co paliwa kopalne. Jednak, żeby naprawdę konkurować z paliwami kopalnymi, zielona energia musi osiągnąć „parytet cieplny”.

W danym regionie świata, produkcja prądu ze źródeł odnawialnych może być równie tania jak z paliw kopalnych. Jednocześnie produkcja odnawialnej energii termicznej (z fotowoltaiki i turbin wiatrowych) będzie znacznie droższa niż ta z węgla, ropy czy gazu, ponieważ wystarczy 2-3 kWh energii paliw kopalnych do wyprodukowania 1 kWh prądu elektrycznego. W efekcie, co najmniej 2-3 razy taniej jest wytworzyć ciepło bezpośrednio spalając te paliwa, niż wykorzystać do odnawialną energię elektryczną - nawet osiągającą parytet sieci.

Produkcja turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych wymaga energii termicznej

Oznacza to, że aby osiągnąć parytet cieplny - na równi z paliwami kopalnymi- turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne musiałyby stanieć dwu-, trzykrotnie. Rosnące ceny kurczących się zasobów paliw kopalnych powinny w tym pomóc*, jednak musimy sobie uświadomić, że pomimo tego, iż turbiny i panele mają zastąpić paliwa kopalne to faktycznie są one od nich uzależnione.

*Komentarz tłumacza: Chociaż rzeczywiście paliwa kopalne kończą się to ich ceny nie rosną liniowo, z roku na rok, tak jak od dawna się tego spodziewano. W 2008 roku cena ropy naftowej sięgnęła rekordowej ceny 147$, spadła gwałtownie do poziomu 60$, a później ustabilizowała się na kilka lat na poziomie około 100$. Tak wysoka cena doprowadziła do załamania się popytu na ropę i w efekcie drastyczny spadek ceny w 2015 roku. Kiedy coraz mniej ludzi stać na to, żeby kupić odpowiednią ilość ropy to zaczynają ją oszczędzać lub szukają dla niej alternatyw (np. w ostatnich latach w USA setki tysięcy kilometrów dróg asfaltowych zamieniono na drogi szutrowe, które są mniej zależne od ceny ropy). To prowadzi do spadku cen ropy, nawet poniżej granicy opłacalności. W tym momencie obserwujemy taką sytuację: konsumenci oszczędzają na kupnie paliw, więc producenci sprzedają je poniżej kosztów, tnąc wydatki na poszukiwania nowych złóż, które miałyby zastąpić stare. Efektem tej dynamiki rynkowej będzie przyśpieszenie spadku wydobycia ropy i jeszcze większe zawirowania cenowe. Era paliw kopalnych nie skończy się wtedy, kiedy ostatnia kropla ropy i grudka węgla zostaną wydobyte z dna ziemi – skończy się znacznie wcześniej, kiedy ich producenci zbankrutują bo zabraknie chętnych do kupna.

Turbiny wiatrowe i fotowoltaika nie potrzebują paliw kopalnych do pracy. Jednakże są one niezbędne do ich produkcji (i konserwacji, przyp. tłum). Nie znajdziecie żadnego producenta tych urządzeń, który zasilałby swoją fabrykę własnym prądem z paneli słonecznych czy wiatraków. Dlaczego? Dlatego, że generowanie energii termicznej poprzez konwersję z prądu elektrycznego kosztowałoby 2-3 razy więcej, niż wytworzenie jej przez bezpośrednie spalanie węgla, ropy czy gazu. Do produkcji większości kluczowych materiałów, z których buduje się turbiny i panele, przede wszystkim stali, cementu, szkła i ogniw krzemowych, potrzeba wysokich temperatur. Oznacza to, że wzrost cen paliw kopalnych spowoduje jednocześnie wzrost cen turbin wiatrowych i paneli słonecznych.

Nie znajdziecie żadnej fabryki produkującej fotowoltaikę z prądu z własnych paneli słonecznych i wiatraków, ponieważ wygenerowanie niezbędnego ciepła do produkcja stali, szkła i ogniw krzemowych byłoby 2-3 razy droższe.

Tak samo wygląda sprawa z bateriami - kluczowym elementem samochodów elektrycznych i systemów magazynowania energii. Podobnie jest z wieloma innymi nowoczesnymi „zielonymi” technologiami, m. in. diodami LED i pompami ciepła. Do ich produkcji potrzeba energii termicznej, a tę można tanio wygenerować spalając paliwa kopalne (tani prąd z hydroelektrowni również wchodzi w grę, ale jego potencjał jest ograniczony). Jest to fundamentalny problem, ponieważ będziemy musieli za dwadzieścia, trzydzieści lat, zastąpić dzisiejsze turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne nowymi (średni czas życia morskiej turbiny wiatrowej jest jeszcze krótszy, wynosi 15 lat, przyp. tłum). Baterie również nie są wieczne - co 5, 10 lat trzeba je wymieniać na nowe.

Odnawialne źródła energii termicznej

Brakującym elementem, we wszystkich dzisiaj pisanych wielkich strategiach transformacji energetycznej, jest źródło odnawialnej energii cieplnej. Geotermia generuje ciepło, jednak jej potencjał jest ograniczony do miejsc o sprzyjającej geologii (w Polsce potencjał wysokotemperaturowej energii cieplnej jest niewielki, można wykorzystać geotermię jako niskotemperaturowe źródło ciepła np. do celów komunalnych, przyp. tłum.). Biomasa to kolejna opcja, jednak dosyć problematyczna. Jeśli chcielibyśmy zapewnić odpowiednią ilość ciepła dzisiejszym procesom przemysłowym spalając biomasę, to szybko zderzylibyśmy się z twardym murem ograniczeń jaki stawia przed nami Natura. Pozostaje tylko jedno źródła energii cieplnej i jest ono potężne i niewyczerpane - energia słońca.

Energię słońca postrzegamy jako jedno ze źródeł elektryczności. Zbieramy ją za pomocą paneli fotowoltaicznych i termicznych elektrowni solarnych. Jednak słońce może dostarczyć nam energii bezpośrednio - pomijając elektryczność. Zacznijmy od tego, że można na trzy sposoby bezpośrednio zbierać energię słoneczną: za pomocą opartych na wodzie płaskich kolektorów albo za pomocą rurowych kolektorów próżniowych. Te drugie, są w stanie zbierać promieniowanie słoneczne ze wszystkich stron i osiągają temperaturę do 120ºC. Trzecim sposobem, jest skorzystanie ze słonecznych kolektorów skupiających, które podążają za ruchem słońca po niebie, skupiają jego promieniowania na małej powierzchni i dzięki temu generują znacznie wyższe temperatury. Mogą to być korytkowe kolektory paraboliczne, kolektory liniowe Fresnela, kolektory paraboliczne talerzowe, albo wieże słoneczne. Praktycznie wszystkie te technologie pojawiły się na początku XX wieku.

Solarna energia termiczna kontra solarna moc termiczna

Technologia już istnieje i działa. Problem jednak jest taki, że wykorzystujemy ją w niewłaściwy sposób. We współczesnych termicznych elektrowniach słonecznych, energia słońca zamieniana jest w parę wodną (przez kocioł parowy), a ta następnie zamieniana jest na prąd elektryczny (przez turbinę parową, która napędza prądnicę). Ten proces jest równie niskowydajny, jak zamiana prądu w ciepło: dwie trzecie energii traci się podczas konwersji pary wodnej na elektryczność. Właśnie to jest powód, dlaczego tego typu elektrownie opłaca się budować tylko na pustyniach.

Jeśli skoncentrowana energia słoneczna mogłaby bezpośrednio produkować ciepło, > bez zamiany go na elektryczność, to opłacałoby się to robić gdziekolwiek > na Ziemi.

Jeśli wykorzystalibyśmy termalne elektrownie słoneczne do bezpośredniej produkcji ciepła (zamiast elektryczności), to ta technologia mogłaby być trzy razy tańsza niż jest obecnie, a przez to, miałaby rację bytu również w mniej słonecznych regionach. Kluczową różnicą pomiędzy solarną energią termiczną, a pozostałymi źródłami odnawialnymi generującymi elektryczność, jest taka, że ta pierwsza zaczyna od produkcji energii termicznej. W efekcie, koszt produkcji ciepła za pomocą tej technologii jest znacznie niższy, niż koszt produkcji ciepła z prądu z OZE,i dzięki temu może konkurować ze spalaniem paliw kopalnych.

Niskotemperaturowe ciepło słoneczne

Łatwo to udowodnić na przykładzie kolektorów płaskich i kolektorów rurowo-próżniowych, które powszechnie wykorzystuje się do grzania wody i pomieszczeń. W tej technologii nie ma żadnych strat na konwersji, a jej cena jest konkurencyjna z paliwami kopalnymi praktycznie w każdym miejscu na Ziemi. Według raportu Programu Solarnego Grzania i Chłodzenia Międzynarodowej Agencji Energetycznej (ang. IAE-SHC), ciepło solarne jest trzecim najważniejszym, po energii wiatrowej i fotowoltaice, źródłem energii odnawialnej – większym, niż solarne elektrownie termalne (dane uaktualnione do 2019 roku, przyp. tłum). 70% zainstalowanej mocy ciepła solarnego należy do Chin. Pozostała moc przypada kolejno na Europę i Amerykę Północną. W USA i Kanadzie tej technologii używa się przede wszystkim do grzania basenów.

Barbados, Cypr, Austria, Izrael, Grecja mają najbardziej rozwinięte rynki różnych systemów energii słonecznej, wliczając w to duże i małe zakłady ciepłownicze i coraz liczniejsze systemy klimatyzacyjne i chłodnicze (używające chillerów absorpcyjnych). W 2019 roku w Danii, zainstalowana solarna moc termiczna wzrosła o 170%. Według raportu IAE-SHC, w 2019 roku wygenerowano 389 TWh słonecznej energii termicznej, dzięki czemu zaoszczędzono ekwiwalent 41.9 milionów ton ropy naftowej i uniknięto emisji do atmosfery 135.1 milionów ton dwutlenku węgla.

Potencjał Ciepła Solarnego w Przemyśle

Bez dwóch zdań, domowe wykorzystanie ciepła słonecznego powinno dalej być promowane i rozwijane, ponieważ jego potencjał w tym sektorze wciąż jest ogromny. To nie jedyne pole gdzie może ono zabłysnąć. Zgodnie z raportem z roku 2008 (nowszych danym nie ma, przyp. tłum.), który analizuje sytuację w Europie, potencjał ciepła solarnego w przemyśle jest większy niż w gospodarstwach domowych. Około 30% zapotrzebowania na ciepło przemysłowe w Europie to ciepło o temperaturze niższej niż 100ºC. Taką temperaturę można bez problemu dostarczyć za pomocą popularnych kolektorów płaskich (< 80 °C) i kolektorów rurowo-próżniowych (< 120 °C).

W Europie, prawie 60% zapotrzebowania przemysłu na ciepło można dostarczyć za pomocą już dostępnej, opłacalnej technologii bazującej na niewyczerpanym źródle energii odnawialnej.

Kolejne 27% to zapotrzebowanie na średniotemperaturowe ciepło przemysłowe od 100 do 400ºC, które można dostarczyć za pomocą ulepszonych wersji wcześniej wspomnianych kolektorów (do 160ºC, czytaj tutaj) i za pomocą dostępnych w sprzedaży skupiających kolektorów słonecznych, takich jak kolektory korytkowe, talerze paraboliczne i kolektory liniowe Fresnela. Na dzień dzisiejszy używa się ich przede wszystkim do wytwarzania prądu elektrycznego.

Oznacza to, że co najmniej 57% zapotrzebowania europejskiego przemysłu na ciepło (czyli 40% całkowitego zapotrzebowania przemysłu na energię), można zaspokoić za pomocą już dostępnej, opłacalnej technologii bazującej na niewyczerpanym źródle energii odnawialnej, które, samo w sobie, nie niesie ze sobą żadnych zagrożeń dla środowiska. Nakłady inwestycyjne i energia wcielona, potrzebne żeby to osiągnąć, byłyby znacznie niższe, niż w przypadku zastępowania paliw kopalnych turbinami wiatrowymi i panelami fotowoltaicznymi. Co więcej, można tego dokonać wszędzie, nie tylko w Europie.

Ciepło solarne w przemyśle: Aktualne zastosowania

Jeśli przemysłowi zależy tylko na niskich i średnich temperaturach, to ciepło słoneczne można wykorzystać na kilka sposobów. Może dostarczać ciepłą wodę do procesów takich jak mycie butelek lub produkcja chemikaliów. Po drugie, może dostarczać gorące powietrze do procesów suszenia i pieczenia, na przykład w przemyśle spożywczym i papierniczym. Po trzecie, może generować parę wodną, którą można wprowadzić do sieci dystrybucji ciepła parowego, szeroko rozpowszechnionych w wielu gałęziach przemysłu. Należy podkreślić, że we wszystkich tych zastosowaniach istniejące maszyny przemysłowe i infrastruktura dystrybucyjna pozostają na swoim miejscu. Zmienia się tylko źródło energii.

Niektórzy producenci zaczęli wprowadzać na rynek swoje własne technologie koncentratorów słonecznych do wykorzystania w produkcji ciepła przemysłowego - obok zastosowania ich jako generatorów energii elektrycznej. Przykładami są Sopogy (hawajska firma sprzedająca modułowe paraboliczne systemy korytkowe - zdjęcie powyżej), the Solar Power Group (niemiecka firma sprzedająca liniowe kolektory skupiające Fresnela) oraz amerykańska HelioDynamics (zdjęcie poniżej).

Instalacje wykorzystujące przemysłowe ciepło słoneczne są nadal rzadkie, ale istnieją. Niemiecki producent systemów grzewczych Viessmann zainstalował w swojej fabryce we Francji 260 m² kolektorów płaskich, które dostarczają gorącą wodę do procesów chemicznych, stawiając tym samym pierwszy krok w kierunku wytwarzania energii odnawialnej za pomocą energii odnawialnej. W Krugersdorp w RPA, powstała instalacja do ogrzewania największej południowo-afrykańskiej szklarni kwiatowej – dzięki niej zużycie węgla zakładu spadło o 80%. Inny przykład to solarny zakład ciepłowniczy, oparty na 1900 m² parabolicznych korytek, dostarczający parę wodną egipskiej fabryce leków.

Podobną instalacją wybudowano przy zakładach mleczarskich w Grecji. Zakład przetwórstwa spożywczego w Kalifornii postawił na 5 tyś. m² kolektorów korytkowych generujących parę wodną. Wiele instalacji produkujących przemysłowe ciepło solarne wybudowano w Indiach, opierając je zarówno na kolektorach płaskich jak i technologiach skupiających.

Jak do tej pory, największy przemysłowy projekt wykorzystujący nieskomplikowane kolektory płaskie stanął w kopalni miedzi w Gaby, w Chile. 39.5 tysiąca m² kolektorów słonecznych podgrzewa wodę do temperatury 46-51ºC potrzebną w procesie flotacji i wzbogacania urobku przez elektrolizę.

Największa instalacja komunalna działa od grudnia 2016 w Danii. W zaledwie siedem miesięcy w mieście Silkeborg postawiono instalację o powierzchni 156 694 m², która ma zapewnić 20% rocznego zapotrzebowania na ciepło 21 tysiącom indywidualnych odbiorców.

Do produkcji nisko, i średniotemperaturowego ciepła przemysłowego wystarczą już istniejące maszyny i systemy dystrybucji ciepła.

Nadzieją na niedrogie dostarczanie ciepła średniotemperaturowego jest kolektor słoneczny ARUN – odbłyśnik paraboliczny Fresnela ogniskujący światło punktowo, zdolny osiągnąć temperatury od 80 do 400ºC. Działa już w sześciu krajach. Spełnia on wiele różnorakich zadań, od pracy w zakładach mleczarskich po fabryki samochodów (zdjęcie po lewej). W Indiach pracuje w wielu dużych stołówkach komunalnych (w szkołach, szpitalach, fabrykach, centrach religijnych). Największy model ARUN’a składa się z 84 parabolicznych talerzy, osiąga temperaturę do 650ºC i produkuje do 38.5 tysiąca posiłków dziennie.

Global Solar Thermal Energy Council ciągle uaktualnia listę nowych przemysłowych zastosowań ciepła słonecznego.

Paliwa kopalne nie są potrzebne

Pozostałe 43% europejskiego zapotrzebowania na ciepło przemysłowe to ciepło o temperaturach powyżej 400ºC. Wiele procesów przemysłowych, niezbędnych do produkcji urządzeń energii odnawialnej (turbin wiatrowych, paneli słonecznych, kolektorów płaskich, kolektorów skupiających) oraz niezbędnej infrastruktury przesyłowej (słupów energetycznych, linii przesyłowych, stacji trafo) i innych „zielonych” technologii (diod LED, baterii, rowerów), potrzebuje znacznie wyższych temperatur, niż są w stanie dostarczyć proste kolektory słoneczne. Na przykład, produkcja szkła wymaga temperatur do 1575ºC, cementu 1400ºC, recykling aluminiom 660ºC, recykling stali 1520ºC, wytop stali 1800ºC, wytop aluminium 2000ºC, wypalanie ceramiki od 1000 do 1400ºC, a produkcja krzemowych układów scalonych wymaga temperatur rzędu 1900ºC.

Piece solarne mogą osiągać temperatury dochodzące do 3500ºC, > wystarczająco wysokie do produkcji układów scalonych, ogniw > fotowoltaicznych, węglowych nanorurek, wodoru > i wszystkich metali.

Takie temperatury można osiągnąć za pomocą technologii skupiających światło słoneczne. Odbłyśniki linijne (systemy paraboliczny i liniowe kolektory skupiające Fresnela) są ograniczone do temperatury ok. 400ºC, ale kolektory punktowe mogą dojść do znacznie wyższych wartości. Mowa w tym momencie o systemach parabolicznych talerzy, wieżach solarnych i piecach solarnych – te ostatnie, to tak naprawdę, połączenie dwóch pierwszych technologii.

Piece solarne mogą osiągać temperatury dochodzące do 3500ºC, czyli wystarczająco wysokie do produkcji układów scalonych, ogniw fotowoltaicznych, węglowych nanorurek, wodoru i wszystkich metali (łącznie z wolframem, którego temperatura topienia wynosi 3400ºC). Do takich temperatur dochodzą w zaledwie kilka sekund. Pokaz możliwości pieca solarnego został nagrany na krótkim filmie o potężnym solarnym piecu hutniczym wytapiającym stal, zbudowanym w 1970 roku w Odeillo we Francji, który skupia światło słoneczne 10 tysięcy razy i osiąga moc 1 MW.

Ponad sześćdziesiąt heliostatów (na zdjęciu powyżej widać je w prawym dolnym rogu za drzewami) kieruje promienie słoneczne na paraboliczne lustro o powierzchni ponad 1800 m², które skupia je w jednym punkcie o średnicy zaledwie czterdziestu centymetrów, znajdującym się na wieży naprzeciwko. Podobny piec solarny stoi w Uzbekistanie, zbudowany w 1976 roku, lecz nie osiąga tak wysokiej mocy z racji niższego nasłonecznienia w regionie. Na zdjęciu poniżej widać jak piec topi metal.

Na szczęście, żeby uzyskać równie wysokie temperatury nie potrzeba stawiać tak wielkich instalacji. Do tej pory skonstruowano wiele mniejszych pieców solarnych - wyposażonych często tylko w jeden heliostat. Generują podobne, lub trochę niższe, temperatury (przeważnie od 1500 do 3000ºC) jak olbrzymy, które widać na zdjęciach, ale ich moc wyjściowa jest zauważalnie niższa (od 15 do 60 kW). Znajdą zastosowanie w większości procesów zasilanych przez duże piece słoneczne, przerabiając jednak mniejsze ilości materiałów.

Przykłady takich małych instalacji można zobaczyć; w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii (zdjęcie powyżej); w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej w USA; Platformie Solarnej w Almerii w Hiszpanii; w Niemieckim Centrum Kosmicznym i w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu (wieża solarna). Skupiają one światło słoneczne od 4 do 10 tysięcy razy. Osiągana temperatura jest wprost proporcjonalna do stopnia skupienia, a moc instalacji jest wprost proporcjonalna do powierzchni heliostatów i wydajności (wydajność jest zależna zwykle od temperatury).

Energia solarna podnosi jakość produktu

Piece solarne mogą nie tylko zastąpić paliwa kopalne w energointensywnych procesach wytwórczych, takich jak produkcja materiałów budowlanych, stali, układów scalonych i paneli fotowoltaicznych. Mają dodatkową przewagę nad paliwami konwencjonalnymi, wynikającą z czystego procesu spalania i selektywnej mocy grzewczej. Artykuł naukowy z 1999 roku, tak opisuje potencjał pieców solarnych w produkcji ogniw fotowoltaicznych: „[…]wytwarzanie fotowoltaicznych ogniw krzemowych w piecu solarnym może poprawić wydajność ogniw, obniżyć koszty ich produkcji, a także stać się metodą przyjazną dla środowiska. Wykazaliśmy również, że piec słoneczny można wykorzystać do krystalizacji amorficznego krzemu w fazie stałej z bardzo dużą prędkością.”

Niestety, w przeciwieństwie do nisko i średniotemperaturowych procesów wytwórczych, w większości których można użyć już istniejących maszyn i infrastruktury dystrybucji ciepła, to w przypadku procesów wysokotemperaturowych należy zainstalować nowe urządzenia. Piece hutnicze i wapienniki trzeba przebudować. Pewne kroki w tym kierunku uczynił Instytut Paula Sherrera w Szwajcarii, w którym zaprojektowano wiele nowych, zasilanych energią słoneczną wapienników i pieców cementowych (pdf). W instytucie przeprowadzono badania, które pokazują że ich projekty, po wprowadzeniu dalszych ulepszeń, mogą być opłacalną alternatywą dla wapienników i cementowni zasilanych paliwami kopalnymi. Co więcej, w tym przemyśle (tak jak w elektronice) są szanse na poprawienie jakości produktów dzięki wyeliminowaniu obniżających jakość wapna i cementu produktów ubocznych spalania paliw kopalnych (popiołów, metali ciężkich, sadzy i siarki ze spalania węgla kamiennego, przyp. tłum.)

Piece solarne dowiodły, że dzięki mocy słońca można produkować praktycznie wszystko, bez potrzeby posiłkowania się paliwami kopalnymi. Jednak, jak na razie, w porównaniu z węglem, ropą naftową i gazem, nie jest to opłacalne. W przyszłości może się to zmienić, jeśli ceny paliw kopalnych będą rosnąć. Ponieważ za pomocą pieców solarnych można wyprodukować wszystkie potrzebne materiały do budowy kolejnych pieców solarnych, koszty ich działania nie są bezpośrednio uzależnione od cen paliw kopalnych (w przeciwieństwie do dzisiejszych turbin wiatrowych i fotowoltaiki). W takim razie, ta technologia, nawet bez ulepszań, stanie się w końcu opłacalna (stanie się względnie opłacalna w porównaniu do procesów opartych na drożejących paliwach kopalnych – nie wiadomo czy będzie to technologia opłacalna sama w sobie, przyp. tłum.).

Co więcej, dzięki najnowszym innowacjom, mającym na celu uprościć tę technologię, koszty inwestycyjne budowy pieców solarnych spadają. Może w przyszłości, nie tylko wysokotemperaturowe koncentratory słoneczne, ale również źródła średniotemperaturowej energii słonecznej stanieją.

Najbardziej spektakularnym przykładem jest Solar Fire P32 (na zdjęciu powyżej i poniżej) – koncentrator słoneczny opracowany w 2010 roku przez francuską organizację pozarządową Solar Fire Project (pol. Project Słoneczny Ogień). Jest to projekt open source zrób-to-sam (stworzony w kooperatywie z projektem Open Source Ecology), ale chętni mogą kupić już gotowe urządzenie za 7.5 tysiąca dolarów – czyli taniej, niż miejską turbinę wiatrową.

Solar Fire P32 zbudowano z powszechnie dostępnych, nietoksycznych materiałów. W przeciwieństwie do większości nowoczesnych „zielonych” technologii, do jego budowy nie potrzeba ani pierwiastków ziem rzadkich, ani żadnych zaawansowanych narzędzi, których nie znajdziecie w przeciętnym zakładzie odlewniczym. Jest to, w zasadzie, źródło odnawialnej energii cieplnej analogiczne do domowej produkcji wiatraka generującego energię mechaniczną.

Urządzenie to może osiągnąć moc 15 kW i temperaturę w punkcie skupienia do 700ºC – wystarczająco wysoką do recyklingu aluminium, czyli materiału z którego zrobione są jego odbłyśniki. To oznacza, że dzięki Solar Fire P32 można zrobić kolejny Solar Fire P32. No… prawie. Odbiornik i rama rusztowania jest wykonana ze stali, a do stopienia tejże potrzeba wyższej temperatury. Jednak z pomocą odrobiony kreatywności, ramę można zrobić z drewna, wikliny albo aluminium, a stalowy odbiornik zespawać ze stali znalezionej na złomowisku. Użycie szkła poprawiłoby działania urządzenia, ale nie jest ono konieczne.

Solar Fire P32 kosztuje 7 500 dolarów i można za jego pomocą zbudować kolejny > Solar Fire P32.

Solar Fire P32 składa się z 360 małych luster (odbłyśników) o powierzchni całkowitej 32 m², skupiających światło słoneczne na kotle parowym powyżej nich. Za pomocą samej pary wodnej można bezpośrednio uzdatniać duże ilości wody, pasteryzować mleko, produkować oleje spożywcze, wytwarzać węgiel drzewny, wypalać cegły, robić papier i wiele, wiele innych rzeczy.

Zwiększając Autonomię Energetyczną

Parę wodną można zaprząc do napędzania silnika parowego, która zasilałby pompy wodne, tłocznie oleju, żarna młynów, maszyny przędzalnicze albo inne stacjonarne urządzenie wymagające energii mechanicznej. Można by również przekierować parę wodną do prądnicy parowej i wygenerować do 3 kW prądu elektrycznego. Pamiętajmy jednak, że zamiana jednej formy energii na drugą zawsze wiąże się ze stratami, czy to zamieniając energię cieplną na energię mechaniczną czy na elektryczną. Solar Fire P32 może stać się ciekawym wyborem dla tych, którzy chcą osiągnąć niezależność energetyczną, w szczególności w regionach gdzie świeci dużo słońca, a wieje niewiele wiatru.

Solar Fire P32 jest – w pierwszej kolejności – nastawiony na kraje rozwijające się i jest tak zaprojektowany, aby stać się opłacaną alternatywą dla spalania węgla i drewna, ograniczając tym samym wylesienie i zanieczyszczenie powietrza, podnosząc autonomię energetyczną i zapewniając źródło energii dla małych biznesów i tradycyjnych metod produkcji. Urządzenia trafiły już do odbiorców w Meksyku, na Kubie, Burkina-Faso, Mali, do Indii i Kenii, ale również do Teksasu, Francji i Kanady. Oczywistym jest, że ten projekt niesie również wiele korzyści społeczeństwom krajów „rozwiniętych”, nad którymi wisi widmo wyczerpania się paliw kopalnych.

Upraszczając Technologię

Konwencjonalne koncentratory słoneczne to droga inwestycja. Oprócz dodatkowego wyposażenia, potrzebnego do generowania elektryczności, jest kilka powodów dlaczego na początku trzeba wyłożyć na nie sporo pieniędzy. Systemy korytek parabolicznych i talerzy parabolicznych wymagają wygiętych luster, które są drogie w produkcji. Co więcej, takich luster nie można wyprodukować lokalnie i nierzadko trzeba je dostarczyć z daleka, co jeszcze bardziej podnosi koszta. W obu systemach lustra są ciężkie. Mocuje się je na solidnych ramach, wylewa fundamenty i zaopatruje w potężne systemy hydrauliczne i zaawansowane moduły śledzenia słońca. W systemach talerzy parabolicznych, silnik cieplny i kocioł porowy są ruchomymi elementami, co jeszcze bardziej zwiększa masą całego urządzania, a tym samym koszty.

Wieże słoneczne – wynalezione w 1878 roku – rozwiązują niektóre z tych problemów: używają prawie płaskich luster, które dzielą ze sobą jeden nieruchomy odbiornik. Problem jest taki, że trzeba postawić sporej wielkości wieżę. Na koniec trzeba powiedzieć, że wszystkie z tych systemów zabierają dużo miejsca i żeby uniknąć problemów zacienieniem należy dokładnie wybrać dla nich miejsce. Koncentratory liniowe Fresnela używają (w większości) płaskich luster, mają prostsze moduły śledzenia słońca i są bardziej kompaktowe. Nie osiągają jednak wysokich temperatur - dochodzą do 250ºC (zrobione ze względnie prostych materiałów) albo 450ºC (z użyciem zaawansowanej technologii).

Solar Fire P32 to, tak jak ARUN, paraboliczny odbłyśnik Fresnela z punktową ogniskową, ale w przeciwieństwie do niego ustawiony jest horyzontalnie, a odbiornika nie trzeba obracać razem z lustrami. Dzięki temu, mniej waży i lepiej opiera się wiatrowi. Solar Fire P32 używa lekko mechanicznie giętych luster, które można giąć na miejscu. Śledzenie słońca odbywa się ręcznie, przez co nie ma potrzeba montowania elektroniki i silników elektrycznych (z użyciem zębatek można ręcznie obracać wiele luster naraz). Może cała procedura wygląda dość prymitywnie, ale jeśli chce się użyć go do celów przemysłowych to i tak potrzeba kogoś do obsługi.

Ponieważ jest to projekt open source, każdy może spróbować go ulepszyć. Projektant urządzenia Eerik Wissenz uważa, że to jedyne wyjście: „Firmy, które opatentowały swoje koncentratory słoneczne wpadły w ‘pułapkę złożoności’. Skoro słońce jest za darmo, to dużo prościej dodać 5% więcej powierzchni [odbłyśników] zamiast budować skomplikowane maszyny, za drogie żeby używać je komercyjnie. Solar Fire P32 jest tak prosty, że nie można go opatentować”.

Proste Piece Słoneczne

Wysokotemperaturowe piece słoneczne również mogą stać się prostymi, niezależnymi systemami. Jednym z przykładów jest wielkie szkło powiększające wykorzystane przez Sundrop Jewelry – na tyle duże, żeby topić kolorowe szkło na ręcznie robioną biżuterię. Oczywiście, moc wyjściowa jest niewielka i do przemysłowej produkcji szkła zupełnie się nie nadaje, ale ten przykład pokazuje, że ciepła słońca można użyć w każdej skali, nawet tej malutkiej.

Chciałbym teraz zacytować słowa artysty Markusa Kaysera, który pokazał jak produkować szkło z pustynnego piasku jedynie za pomocą światła słonecznego: „Chociaż nie daje on definitywnych odpowiedzi, eksperyment ten jest punktem wyjścia z którego może wyrosnąć nowe, świeże myślenie”.

Magazynowanie Energii

Jak zasilać fabrykę źródłem energii, które nie zawsze jest dostępne? Regionalne nasłonecznienie jest zmienne, a co więcej zależy jeszcze od pory dnia, pory roku, no i w nocy nie możemy liczyć na słońce. Koncentratory słoneczne potrzebują promieniowania nierozproszonego, więc przelatujący po niebie obłoczek może wstrzymać produkcję energii. W tym momencie pojawiają się dwa pytania. Po pierwsze, wiele procesów przemysłowych dobrze sobie radzi z nieciągłymi dostawami mocy, ale jak zapewnić nieprzerwane dostawy energii procesom, których nie można wstrzymać? Po drugie, co zrobić kiedy słońce nie będzie świecić cały tydzień?

Magazynowanie ciepła jest znacznie tańsze i wydajniejsze od magazynowania prądu w bateriach.

Żeby poradzić sobie z nieciągłością energii słonecznej, mamy do wybory trzy rozwiązania. Pierwszy, to systemy hybrydowe – połączenie energii słonecznej z już zainstalowanym źródłem energii. Tak właśnie działa większość dzisiejszych słonecznych elektrowni termalnych, będąc odpowiedzią na zarówno krótko, jak i długoterminowe przerwy w dostawie energii. Kiedy to tylko możliwe, procesy przemysłowe napędzane są energią słońca, a kiedy jej brakuje natychmiast jest zastępowana paliwami kopalnymi lub elektrycznością. Nie jest to oczywiście rozwiązanie idealne, ale oszczędza ogromne ilości paliw kopalnych i żeby działać nie potrzebuje żadnej nowej technologii.

Drugi sposób to magazynowanie energii słonecznej, tak aby mogła nieprzerwanie zasilać procesy przemysłowe (analogicznie do koła zamachowego) i zagwarantować dostawy mocy w pochmurne dni (a może nawet w nocy). Magazynowania ciepła jest znacznie tańsze i bardziej wydajne od magazynowania elektryczności. Najprostsza metoda to dobrze zaizolowany zbiornik na wodę – technologia, która liczy sobie już przeszło sto lat.

Problem z wodą jest taki, że zabiera sporo przestrzeni i temperatura jaką maksymalnie można zmagazynować to tylko 100ºC. Jednak istnieją bardziej kompaktowe metody magazynowania ciepła o wyższych temperaturach. Można użyć ceramiki albo substancji zmieniających fazę skupienia (niektóre sole). Takie magazyny ciepła już działają przy jednej ze słonecznych elektrowni termicznych, ale byłyby znacznie wydajniejsze, jeśli magazynowałyby ciepło systemu bezpośredniej produkcji energii termicznej. Na tym polu jest sporo miejsca na innowacyjność i kreatywność.

Zamiast Magazynować Energię, Magazynujmy Pracę

Trzecim sposobem, na poradzenie sobie z nieciągłością energii cieplnej słońca, jest magazynowanie pracy zamiast energii. Niech fabryki pracują tylko wtedy kiedy świeci słońce. Tak, jak czekamy na słoneczny dzień żeby wywiesić pranie, tak samo, moglibyśmy poczekać z suszeniem cegieł, recyklingiem aluminium czy produkcją smartfonów. Produkcja przemysłowa mogłaby skoncentrować się w letnich miesiącach. Oczywiście, niosłoby to ze sobą koszta w postaci obniżonych mocy wytwórczych. Jednak, jeśli przypomnimy sobie, że nasze problemy energetyczne i środowiskowe w większości wynikają z nadmiernej produkcji i konsumpcji, to ten pomysł przestaje być już taki odjechany.

Można by również połączyć ze sobą wszystkie trzy strategie. Jak by to wyglądało? Część fabryk pracowałoby tylko wtedy kiedy świeci słońce (albo kiedy wieje wiatr), posiłkując się zmagazynowanym ciepłem, paliwami kopalnymi, biomasą lub elektrycznością, żeby nie przerywać już wprawionych w ruch procesów przemysłowych. Kluczowe towary produkowano by ciągle, łącząc ciepło słoneczne, zmagazynowane ciepło, paliwa kopalne i biomasę. Jasne jest, że nie każdy region świata ma wystarczające nasłonecznienie, żeby słońce stało się główną siłą napędową przemysłu. Jednak, skoro tak dużo się mówi, że powinniśmy przenieść produkcję elektryczności na pustynie, to dlaczego nie przenieść fabryk tam gdzie słońca jest pod dostatkiem? Znacznie wydajniej transportuje się towary na długie dystanse, niż prąd.

Energia słońca usprawnia odzysk ropy naftowej

Jak to zwykle bywa, zrównoważona technologia może zostać użyta do niezrównoważonych celów. Okazuje się, że ciepło słońca świetnie nadaje się do tego, aby ponownie ożywić stare, spisane już na straty pola naftowe. Wydobycie pozostałej w starym złożu ropy byłoby bardzo kosztowne i nieopłacalne, jeśli energia do tego pochodziłaby z gazu ziemnego. Użycie darmowej energii wszystko zmienia.

Co najmniej jedna firma specjalizuje się w tym procederze. Glasspoint, amerykańskie przedsiębiorstwo założone w zamyśle suszenia energią słoneczną płyt kartonowo-gipsowych, teraz przeżywa boom na swoje usługi, promując „Wspomagane Słońcem Odzyskiwanie Ropy Naftowej”.

Już kiedyś tego próbowano, ale Glasspoint ma nowe, innowacyjne podejście. Korytkowe lustra paraboliczne zawieszone u stropu ogromnej szklarni, wyposażonej w robotyczne systemy myjące. Ponieważ szklarnia chroni lustra przed wiatrem, pyłem i piaskiem, są one wyjątkowo lekkie i delikatne. Nie potrzebują dodatkowej ochronnej warstwy szkła – dzięki temu są tańsze i sprawniejsze. Para wodna generowana przez ciepło słoneczne jest wpompowywana do złoża. Im więcej świeci słońca, tym więcej ropy tryska z ziemi. Ze złoża, za pomocą standardowych technik, da się wydobyć tylko 20-40% obecnej w nim ropy. Dzięki energii słońca można podnieść ten wynik do 60-80% procent. Widzimy na tym przykładzie, że źle wykorzystane „zielone technologie” mogą zwiększyć produkcję paliw kopalnych i emisję gazów cieplarnianych.

Materiał źródłowy, inspiracje & informacje dodatkowe:

• The thermal problem and the solar (thermal) solution, Eerik Wissenz, 2011.
• Solarne koncentratory skupiające na stronie Build it Solar Site. Duża ilość projektów zrób-to-sam. Podziękowania dla Paul Nash.
• Wysokotemperaturowe koncentratory słoneczne, Robert Pitz-Paal, in ‘Solar Energy Conversion and Photoenergy Systems’.
• „Bespośrednie Wykorzystanie Energii Słońca”{width=“1” height=“1”}, Farrington Daniels, 1964.
• Zadanie 33 – Ciepło słoneczne do procesów przemysłowych, Programu Solarnego Grzania i Chłodzenia, Międzynarodowa Agencja Energetyczna.
• Potencjał Ciepła Słonecznego w Procesach Przemysłowych (pdf), Claudia Vannoni, Riccardo Battisti and Serena Drigo, Task 33
• Process Heat Collectors - state of the art within task 33/IV (pdf), Werner Weiss and Matthias Rommel
• Solar thermochemical process technology, Aldo Steinfeld & Robert Palumbo, 2001
• Ciepło Solarne Na Świecie 2019 pdf. (pdf), SHC, Werner Weiss, Monika Spörk-Dür, 2019
• The Value of Concentrating Solar Power and Thermal Energy Storage, National Renewable Laboratory, 2010
• Zrozumieć Kolektor Solarny, George Kaplan, 1985
• Światowa Rada Solarnej Energii Termicznej.
• So-Pro: European project on solar process heat
• Stowarzyszenie Europejskich Producentów Ciepła Słonecznego
• The European Alliance SolLab
• SolarPACES
• CSP - jak to działa

Powiązane artykuły:

• Mury owocowe: Miejskie rolnictwo rodem z XVII wieku
• Szklarnia wymyślona na nowo(https://solar.lowtechmagazine.com/pl/2015/12/reinventing-the-greenhouse/)
• The solar envelope: How to heat and cool cities without fossil fuels - Czy fotowoltaika jest zrównoważonym źródłem energii?
• Średniowieczne kominy fabryk: Paliwa kopalne w czasach przedprzemysłowych - Fabryki napędzane wiatrem: Historia (i przyszłość) przemysłowych wiatraków
• Pedal powered farms and factories: the forgotten future of the stationary bicycle machine.