Kryzysem energetycznym jesteśmy straszeni od dziesiątków lat. Zasoby surowców energetycznych zgromadzonych przez naturę w głębi Ziemi (węgiel, ropa, gaz) są niewątpliwie ograniczone, lecz oszacowanie tych zasobów wzbudza wiele dyskusji. Według prognoz z połowy XX wieku, już dzisiaj nasza cywilizacja powinna zamierać z braku energii. Tymczasem widzimy, że realnych braków energii nie doświadczamy, a krótkotrwałe „kryzysy” są wywoływane spekulacjami i sytuacją polityczną.
Obecne „prognozy” są bardzo rozbieżne. Ropy podobno ma wystarczyć na 50-70 lat (dawniej mówiono o 30 latach), węgla mamy w Ziemi na 300-1000 lat, podobnie szacowane są zasoby gazu. Do tego dochodzą wprost nieprzebrane zasoby hydratów metanowych pod dnem oceanów i ciężkiej ropy w złożach piasku. Są to wprawdzie złoża coraz trudniejsze do eksploatacji, lecz technologia wydobywania rozwija się szybciej niż tych surowców ubywa.
Możemy nie martwić się o przyszłość, gdyż naszego pokolenia już to nie dotyczy, podobnie jak nasi pradziadkowie sto lat temu rozbudowywali energetykę i ciężki przemysł nie martwiąc się, czy nam teraz to nie sprawi kłopotu. Następne pokolenia zawsze sobie radziły w sposób trudny wcześniej do przewidzenia.
Niektórzy politycy znaleźli nowy straszak mający ograniczyć zużywanie naturalnych surowców energetycznych. Spalanie tych surowców powoduje uwalnianie do atmosfery dwutlenku węgla, a to z kolei podobno powoduje wzrost średniej temperatury naszego globu.
Moje zdanie na ten temat prezentowałem wielokrotnie. Ludzie wolą cieplejszy klimat, przeprowadzając się w wieku emerytalnym na Florydę, do Arizony czy Kalifornii, gdzie już jest tak ciepło, jak ma być podobno w Chicago za dwieście lat. Huraganów i powodzi wcale nie jest więcej niż dziesiątki lat temu, a jeżeli o nich częściej słyszymy, to dlatego, że coraz więcej ludzi mieszka na zagrożonych od wieków terenach a wiadomości rozchodzą się szybciej.
Ziemia wielokrotnie była dużo cieplejsza i przyroda rozwijała się wtedy oszałamiająco. Była też wielokrotnie skuta lodem i życie mogło przetrwać tylko w oceanach. Jeszcze 10 tysięcy lat temu, Północna Ameryka i duża część Europy była przykryta kilometrową warstwą lodu. Gdyby nie powolne, naturalne ocieplenie, ludzie nigdy nie wyszliby z Afryki, południowej Azji i wybrzeży Morza Śródziemnego.
Wiadomo jednak, że w perspektywie kilku następnych pokoleń, duże ilości energii trzeba będzie czerpać z innych źródeł niż obecne paliwa kopalne. Potężny i niewyczerpalny strumień energii dociera do Ziemi ze Słońca a problemem jest tylko sposób, jak tę energię przechwytywać i przekształcać dla naszych potrzeb.
Przyroda to załatwiła. Rośliny korzystają z energii słonecznej budując swoje komórki. Szacuje się, że około 30% energii padającej na zielone partie roślin pozostaje w celulozie i innych związkach organicznych. Ludzie korzystali z tej zgromadzonej energii od wieków, paląc drewno.
O wydzielany przy tym dwutlenek węgla nie musimy się martwić. Rośliny go potrzebują i przechwytują, budując swoje struktury. I tak w kółko – bilans jest zerowy. Nawet, jeżeli nie spalimy drewna, lecz pozostawimy go Naturze, wszechobecne bakterie gnilne i tak uwolnią do atmosfery dwutlenek węgla i metan.
Swego czasu postanowiono wykorzystywać ten naturalny proces przyrody do produkcji paliwa samochodowego (spirytusu). Najszybciej rosnącą rośliną i najłatwiej przekształcaną na spirytus okazała się kukurydza. Nie jest to jednak najszczęśliwszy pomysł, gdyż użycie kukurydzy do produkcji paliw zmniejsza produkcję żywności a dodatkowo zużywana jest energia do produkcji nawozów i do zmechanizowanej uprawy gleby.
Technika wypracowała wiele sposobów przechwytywania energii słonecznej, niestety, nie zawsze są to sposoby konkurencyjne dla tradycyjnej energetyki. Energia zawarta w promieniowaniu Słońca przechodzącego przez bezchmurną atmosferę do powierzchni Ziemi, szacowana jest na 1000 Watt/metr kwadratowy (ok. 100 W/square foot). Tak jest na równiku, bo na naszych szerokościach geograficznych Słońce pada pod kątem i strumień na powierzchnię Ziemi zmniejsza się do ok. 60%.
Najłatwiej wychwycić z promieniowania słonecznego energię cieplną. Od dawna instalowane są kolektory ciepła słonecznego do ogrzewania wody w domach wakacyjnych (i również w całosezonowych), do ogrzewania przydomowych basenów a także do niektórych procesów technologicznych (suszenie, destylacja wody). Instalacje takie okazały się ekonomiczne, chociaż przy ich obsłudze jest trochę więcej kłopotu niż z tradycyjnymi podgrzewaczami wody, elektrycznymi lub gazowymi.
Bardziej atrakcyjna byłaby zamiana energii słonecznej bezpośrednio na energię elektryczną, którą można rozsyłać tam, gdzie aktualnie potrzeba. Niestety, obecna wiedza i technologia pozwala na przetworzenie w tak zwanych bateriach słonecznych nie więcej niż około 20% padającego promieniowania Słońca.
Oszacujmy potrzeby energetyczne przeciętnego domu jednorodzinnego. Jeżeli na całej powierzchni dachu ustawimy baterie słoneczne (ok. 1000 stóp kwadratowych) to przy 20% sprawności przetwarzania uzyskamy w bezchmurne południe 12 kilowatów. Efektywnie baterie te oświetlane są przez 6 godzin w lecie i 4 godziny w zimie, gdyż rano i późniejszym popołudniem Słońce świeci pod kątem i słabiej. Przypuśćmy średnio przez 5 godzin, ale tylko 200 dni w roku niebo jest bezchmurne. Uzyskamy więc rocznie 12 tysięcy kilowatogodzin, za które elektrowni musielibyśmy zapłacić około $1,200.
Nie pokryje to w całości naszego zapotrzebowania na prąd, gdyż zwykle zużywamy i płacimy więcej. Dodatkowo często wykorzystujemy gaz. Przy obecnych cenach baterii słonecznych, ok. $5 za Wat ich mocy, na 12 kW zestaw wydamy $60,000. Po 10-15 latach baterie już się zanieczyszczą, popsują i stracą swą moc – trzeba je będzie wymienić. Czy przy takich warunkach można mówić o jakiejkolwiek opłacalności?
Uzyskiwanie energii elektrycznej ze Słońca w małych instalacjach, może być opłacalne pod warunkiem pięciokrotnie mniejszej ceny produkcji baterii słonecznych i znacznego przedłużenia ich żywotności. Obecnie baterie słoneczne używa się tam, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej byłoby zbyt kosztowne lub dla zabawy w przydomowych ogródkach, gdzie nie liczymy kosztów.
Politycy, naukowcy i inżynierowie myślą jednak o wielkiej energetyce słonecznej. Aby zapewnić energię elektryczną dla Chicago i okolic, to przy najlepszej obecnie wydajności baterii słonecznych trzeba byłoby pokryć bateriami obszar około 2,500 chicagowskich „bloków” – kwadrat, którego jeden róg byłby nad jeziorem w Downtown a drugi w okolicach Copernicus Center.
Oczywiście, można proponować wykorzystanie terenów z dala od miasta. Lecz tam mamy pola uprawne i tereny zielone oczyszczające powietrze. Nic dziwnego, że nie licząc się z kosztami, proponuje się budowę elektrowni na pustyniach.
Na wszystkich kontynentach są obszary praktycznie bezludne i na których roślinność nie ma możliwości rozwoju. W sumie, pustynie pokrywają jedną piątą lądów. W Azji – pustynia Gobi, w Afryce – Sahara, większość środkowej Australii, a bliżej nas pustynie Kalifornii i nieużytki Nevady. Proponowane są różne metody wykorzystania niemal codziennego nasłonecznienia tych terenów i wytwarzania energii elektrycznej, bo ciepłej wody to tam nie potrzeba.
Baterie słoneczne na jakiś czas zostały odłożone, może technolodzy zaproponują w przyszłości radykalne obniżenie ich ceny. Natomiast ciepło słoneczne można wykorzystywać podobnie jak wykorzystuje się ciepło spalania węgla lub rozpadu uranu we współczesnych elektrowniach.
Powstają jednak nowe problemy. Do przetworzenia ciepła
na energię mechaniczną a następnie na elektryczną, potrzeba miejsca gorącego (mamy), miejsca zimnego (problematyczne) i nośnika ciepła (woda, para). Ciepło musi „przepływać” przez generator, aby wprawiać go w ruch. Dla każdej elektrowni ważne jest nie tylko grzanie, lecz również chłodzenie – rzeka, jezioro, chłodnie kominowe.
Wiadomo, nie ma wody na pustyni. Jest, ale głęboko pod piaskami i trudno wydobywać ją w dużej ilości. Efekty uzyskiwane z obecnych eksperymentalnych instalacji prądotwórczych są mizerne, chociaż przy odpowiednim komentowaniu mogą budzić entuzjazm.
Efekt nagrzewania słonecznego zwielokrotnia się używając specjalnie ustawianych luster. Przy odpowiedniej konstrukcji luster śledzących ruch Słońca na niebie, można uzyskać w naświetlanym kotle, temperaturę taką jak w kotłach klasycznych elektrowni (ok. 400 stopni Celsjusza). Wytwarzana para może zasilać turbiny, ale powinna być po drugiej stronie skraplana (czym chłodzić?). Gdyby była wypuszczana w powietrze, tak jak w dawnych lokomotywach, pompy nie nadążyłyby z uzupełnianiem wody.
Wiele eksperymentalnych generatorów używa silniki Stirlinga. Były one opracowane jeszcze przed silnikami spalinowymi i zawierają gaz (najczęściej wodór) w obiegu zamkniętym. Po wpompowaniu wodoru do cylindra podgrzewany jest on z zewnątrz skoncentrowanym promieniowaniem Słońca i rozszerza swoją objętość poruszając cylinder (zamiast wybuchu jak w klasycznym silniku). Po wykonaniu pracy wodór kierowany jest do zbiornika chłodzonego pustynnym powietrzem(?), gdzie się kurczy. I tak w kółko, kilka razy na sekundę.
Zaletą silników Sterlinga jest ich bardzo cicha praca, ale moc niewielka. Eksperymentalne generatory badane w wielu miejscach na świecie mają moc kilkunastu – kilkudziesięciu kilowatów (tyle co przydomowy generator awaryjny) a składają się z kilku wielometrowej średnicy luster i konstrukcji odpornej na wiatr.
Inny projekt pustynnej elektrowni też nie potrzebuje wody. Proponowane jest wybudowanie tysiącmetrowego komina, który u podstawy będzie ogrzewany skupionym przez lustra promieniowaniem Słońca a wzbudzony gorącym powietrzem ciąg kominowy będzie napędzał wiatrak umieszczony u wylotu. O zaletach ekonomicznych tego projektu (a raczej o braku tych zalet) trudno dyskutować.
Bezsprzecznie, energię Słońca będą kiedyś musieli wykorzystywać nasi pra-prawnukowie, jeżeli w 2012 roku świat zostanie uratowany przez wykopanego na pustyni faraona. Nasze pokolenie nie musi jeszcze tego wyzwania podejmować. Ropy, węgla i gazu mamy pod dostatkiem.
Nawoływanie do rozbudowy alternatywnej energetyki ma wydźwięk polityczny i (paradoksalnie) ekonomiczny. Do podtrzymywania koniunktury trzeba dać społeczeństwu zachęty do produkowania i zużywania rzeczy często zbędnych. Wtedy ludzie mają zajęcie, wynagrodzenie, kupują to co inni wyprodukowali (chociażby niepotrzebne gadgety), i wszystko się kręci.
Koniunkturę napędzały zbrojenia, coraz doskonalszy sprzęt domowy, ostatnio domy, zbyt duże na rzeczywiste potrzeby (i możliwości finansowe). Po jakimś czasie takie rozdmuchiwane bańki pękają. Nawoływania do rozbudowy tych bardzo kosztownych, alternatywnych metod, uzyskiwania „zielonej” energii, jest sposobem tworzenia nowej ekonomicznej bańki, która by nie pękła z jeszcze większym hukiem.
(ami)
