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.

Często 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.

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 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.

 

Link do oryginalnego tekstu: ziemianarozdrozu.pl/artykul/1976/swietlana-przyszlosc-fabryk-napedzanych-energia-slonca