LOW←TECH MAGAZINE Polski

Jak ponownie uczynić energię wiatrową zrównoważoną

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Ilustracja: Eva Miquel dla Low-Tech Magazine

Przez ponad dwa tysiące lat budowano wiatraki wytwarzające energię mechaniczną, wykorzystując materiały nadających się do recyklingu lub wielokrotnego użytku: drewno, kamień, cegły, płótno, metal. Kiedy w latach osiemdziesiątych XIX wieku pojawiły się turbiny wiatrowe nowego typu - wytwarzające energię elektryczną - materiały konstrukcyjne nie zmieniły się. Dopiero po pojawienie się kompozytowych skrzydeł wiatraków w latach osiemdziesiątych XX wieku energia wiatrowa stała się źródłem toksycznych odpadów, które trafiają na wysypiska śmieci.

Nowe technologie produkcji drewna oraz nowe rozwiązanie konstrukcyjne pozwalają ponownie budować duże turbiny wiatrowe niemal całkowicie z drewna - nie tylko skrzydła, ale także resztę konstrukcji. Upowszechnienie tych technologii rozwiązałoby problem odpadów i uczyniłoby produkcję turbin wiatrowych w dużej mierze niezależną od wydobycia paliw kopalnych i surowców mineralnych. Las posadzony między turbinami wiatrowymi może zapewnić drewno do budowy nowych wiatraków, kiedy stare ulegną zużyciu.

Czy skrzydło turbiny jest przyjazne środowisku?

Turbiny wiatrowe są uważane za czyste i zrównoważone źródło energii. Chociaż rzeczywiście mogą wytwarzać energię elektryczną emitując mniej CO2 niż elektrownie spalające paliwa kopalne, produkują dużo odpadów. Ten fakt można łatwo przeoczyć, ponieważ około 90% masy dużej turbiny to stal, użyta to konstrukcji wieży. Złomowana wieża jest często poddawana recyklingowi, co wyjaśnia, dlaczego turbiny wiatrowe mają bardzo krótki czas zwrotu energii - stal z recyklingu może być wykorzystana do produkcji nowych części turbin wiatrowych, co znacznie obniża zużycie energii podczas procesu produkcyjnego. (“Czas zwrotu energii” jest to czas w którym urządzenie wytwarzające energię, wytworzy energię równą energii użytej do wyprodukowania urządzenia, przyp. tłum.).

Jednak skrzydła współczesnych turbin wiatrowych są wykonane z lekkich kompozytowych tworzyw sztucznych, które zajmują sporo przestrzeni i są niemożliwe do recyklingu. Chociaż masa skrzydeł jest niska w porównaniu z całkowitą masą turbiny wiatrowej, nie jest ona zaniedbywalna. Na przykład jedno 60-metrowej długości skrzydło z włókna szklanego waży 17 ton, co oznacza, że turbina wiatrowa o mocy 5 MW wytwarza ponad 50 ton odpadów z tworzyw sztucznych, pochodzących z samych tylko skrzydeł.

Skrzydło ze wzmocnionego włókna szklanego. Źródło: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Skrzydło wiatraka zazwyczaj składa się z połączenia żywicy epoksydowej - produktu rafinacji ropy naftowej - ze wzmocnieniami z włókna szklanego. Skrzydła zawierają również umieszczone w rdzeniu takie materiały jak pianka z polichlorku winylu, pianka z politereftalanu etylenu, drewno balsa (splecione we włókna i żywice epoksydowe) oraz powłoki poliuretanowe. ¹²³⁴

W przeciwieństwie do zawartej w wieży stali, plastikowe skrzydła nie mogą być poddane recyklingowi w celu wytworzenia nowych plastikowych skrzydeł. Zużyte materiały można jedynie poddać „downcycklingowi” (przetworzenie materiału na materiał niższej jakości przyp. tłum.), na przykład poprzez jego rozdrobnienie. Jednakże proces ten uszkadza włókna kompozytów i czyni je bezużytecznymi. Tak przetworzone skrzydło może jedynie posłużyć jako wypełniacz w produkcji cementu lub asfaltu. Opracowywane są inne metody przeróbki, jednak wszystkie napotykają na ten sam problem: nikt nie chce „przetworzonego” materiału. Pewna grupa architektów wykorzystała zużyte skrzydła do zrobienie ławek i placów zabaw, ale nie jest to rozwiązanie problemu kłopotliwych odpadów - nie możemy budować wszystkiego ze skrzydeł turbin wiatrowych.

Turbina wiatrowa o mocy 5 MW zawiera w samych skrzydłach ponad 50 ton tworzywa sztucznego, które nie nadaje się do recyklingu.

Ze względu na ograniczone możliwości recyklingu i ponownego wykorzystania skrzydła są one zwykle składowane na wysypiskach (w USA) lub spalane (w UE). To ostatnie podejście jest nie mniej niezrównoważone niż składowanie, ponieważ spalanie tylko częściowo zmniejsza objętość odpadów (60% produktów spalania to toksyczny popiół), a resztę przekształca w zanieczyszczenie powietrza. Ponadto, biorąc pod uwagę, że włókno szklane jest niepalne, wartość kaloryczna łopat jest tak niska, że można z nich uzyskać niewielką lub żadną energię. ¹²³⁴

Problem odpadów - 25 lat później

Większość z około 250 000 turbin wiatrowych działających obecnie na całym świecie zainstalowano mniej niż 25 lat temu. 25 lat to szacunkowa długość życia turbiny. Gwałtowny rozwój energetyki wiatrowej w ciągu ostatnich dwóch dekad zostanie wkrótce odzwierciedlony, w opóźnionej w czasie, ale stale rosnącym i nieskończonym strumieniu odpadów.

W Europie udział zainstalowanych turbin wiatrowych starszych niż 15 lat wzrośnie z 12% w 2016 r. do 28% w 2020 r. W Niemczech, Hiszpanii i Danii ich udział wzrośnie do 41-57%. Tylko w 2020 r. te trzy kraje będą musiały zdeponować na składowiskach od 6 000 do 12 000 skrzydeł turbin wiatrowych. ⁵

Staroświeckie wiatraki miały żagle zrobione z materiałów całkowicie nadających się do recyklingu. Źródło: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Ilość składowanych na wysypiskach skrzydeł będzie nie tylko rosnąć ale również ich rozmiary będą się powiększać. Obecnie na świecie panuje trend budowy coraz większych wirników. Turbiny wiatrowe budowane 25 lat temu miały skrzydła o długości około 15-20 m, podczas gdy dzisiejsze łopaty osiągają długości 75-80 m lub więcej. ³ Szacunki oparte na aktualnych danych dotyczących wzrostu energii wiatrowej sugerują, że do 2028 r. na całym świecie odpady z materiałów kompozytowych ze skrzydeł turbin osiągną masę 330 000 ton rocznie i 418 000 ton rocznie do 2040 r. ¹

Gwałtowny rozwój energetyki wiatrowej w ciągu ostatnich dwóch dekad zostanie wkrótce odzwierciedlony, w opóźnionym w czasie, ale stale rosnącym i nieskończonym strumieniu odpadów.

Są to ostrożne szacunki, ponieważ nie biorą pod uwagę licznie zgłaszanych awarii i wymiany uszkodzonych skrzydeł oraz ponieważ ciągły rozwój bardziej wydajnych skrzydeł o wyższych możliwościach generowania energii powoduje wymianę tych elementów na długo przed końcem ich żywotności. ¹ ⁶ Ponadto szacowana ilość odpadów wynika z liczby turbin wiatrowych zainstalowanych w latach 2005–2015, kiedy to energia wiatrowa zapewniała maksymalnie 4% światowego zapotrzebowania na energię. Gdyby wiatr, tak jak oczekuje się tego w krajach uprzemysłowionych, dostarczał 40% (obecnego) zapotrzebowania na energię, powstawałoby 3 do 4 milionów ton odpadów rocznie.

Skrzydło wiatraka na przestrzeni wieków

Kiedy przyjrzymy się historii energetyki wiatrowej, zobaczymy że tworzywa sztuczne nie były jej istotnym elementem. Wykorzystanie wiatru do mechanicznej produkcji energii sięga starożytności, a pierwsze wiatraki wytwarzające energię elektryczną - obecnie nazywane turbinami wiatrowymi - powstały w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Skrzydła z włókna szklanego zaczęto produkować dopiero w latach osiemdziesiątych XX wieku. Przez około dwa tysiące lat wiatraki dowolnego rodzaju nadawały się w całości do recyklingu.

Pierwsze turbiny wiatrowe w Europie postawił w Danii Paul La Cour. Użył skrzydeł z drewnianych listew - tak jak w tradycyjnych wiatrakach. Zdjęcie: Paul La Cour Museum.

Staromodne wiatraki miały wieże zbudowane z drewna, kamienia lub cegły. Ich „skrzydła” lub „żagle” były zwykle wykonane z drewnianej ramy pokrytej płótnem lub deskami. W późniejszych wiekach części były coraz częściej wytwarzane z żelaza, materiału również nadającego się do recyklingu.

Kiedy w XVIII i XIX wieku wynaleziono nowe typy żagli (później w XX wieku opracowano żagle Dekkerized i Bilau), konstrukcja wiatraków uległa zmianie, ale materiały konstrukcyjne pozostały takie same (można wspomnieć również o ograniczonym użyciu aluminium w XX wieku, metalu, który można w całości poddać recyklingowi przyp. tłum). ⁷ Ponadto, w przeciwieństwie do współczesnych turbin wiatrowych, które wymagają regularnej wymiany w całości, staromodne wiatraki mogą przetrwać wiele dziesięcioleci, a nawet stuleci, dzięki regularnym naprawom i konserwacji.

Rzut oka na historię energetyki wiatrowej pokazuje, że plastik nie jest koniecznym materiałem.

Pierwsza turbina wiatrowa w USA, zbudowana przez Charlesa F. Brusha, miała żagiel o średnicy 17 m, złożony 144 cienkich łopatek wykonanych z drewna cedrowego. Pierwsza turbina wiatrowa w Europie, zbudowana przez Paula La Cour w Danii, miała cztery tradycyjne żagle z drewnianymi listwami o średnicy wirnika 22,8 m.

Projekt La Cour’a został szeroko skopiowany przez lokalne duńskie przedsiębiorstwa na terenie całego kraju, w wyniku czego tysiące turbin wiatrowych pracowało na duńskich farmach w latach 1900–1920. W pierwszej połowie XX wieku zbudowano dziesiątki eksperymentalnych turbin wiatrowych, w tym niektóre wyposażone w stalowe skrzydła, takie jak turbina wiatrowa Smith-Putnam z 1939 r. w USA. ⁸

Wirnik trójskrzydłowej turbiny Gedser usztywniony nadbudową z ramą powietrzną ze stalowych drutów.

W 1957 r. Johannes Juul - uczeń Paula La Cour - zbudował trójskrzydłową turbinę wiatrową Gedser. Wirnik o średnicy 24 m opierał się na nadbudowie z ramą powietrzną ze stalowych drutów, zapewniającą należytą sztywność wirnika i skrzydeł. Łopaty zostały zbudowane ze stalowych żerdzi obudowanych aluminiowymi płatami mocowanymi do drewnianych żeber.

Turbina Gedser była najbardziej udaną turbiną wiatrową, aż do połowy lat osiemdziesiątych. Pracowała przez 11 lat bez konserwacji, generując do 360 000 kWh rocznie. Pracę turbiny przerwała na wiele lat awaria łożyska wirnika. Usterka została naprawiona dopiero pod koniec lat siedemdziesiątych. Kiedy turbina znów zaczęła pracować okazało się, że działa sprawniej niż pierwsze turbiny wiatrowe ze skrzydłami z włókna szklanego. ⁸⁹

Rozmiar ma znaczenie

Pierwsza turbina wiatrowa ze skrzydłami z włókna szklanego została postawiona 1978 roku w Danii, gdzie zasilała budynek szkoły. Dzięki wirnikowi o średnicy 54 m turbina Tvind była w tym czasie największą turbiną wiatrową jaką kiedykolwiek zbudowano. Po 1980 roku skrzydła z włókna szklanego stały się standardem w Danii, a „duński model” został później skopiowany na cały świat. Wydaje się, że skrzydła z plastiku to nieodłączna cecha wiatraków. To stawia nas przed istotnym dylematem.

Przejście na skrzydła z włókna szklanego było spowodowane głównie chęcią budowy większych turbin wiatrowych. Większe turbiny wiatrowe obniżają koszt wytworzonej energii elektrycznej na kilowatogodzinę z dwóch powodów: siła wiatru rośnie wraz z wysokością, a podwojenie promienia wirnika zwiększa moc wyjściową turbiny czterokrotnie.

Odkąd zaczęto wprowadzać do konstrukcji włókno węglowe, wiatraki staja się coraz większe. Średnice wirników wzrosły z około 50 m latach dziewięćdziesiątych do 120 m latach dwutysięcznych. Największe współczesne morskie turbiny wiatrowe mają średnice wirników powyżej 160 m, a w Holandii budowana jest turbina o mocy 12 MW i średnicy wirnika 220 m. ³⁶¹⁰

Udoskonalone skrzydła wiatraka z lat czterdziestych XX w. zaprojektowane i zbudowane przez P. L. Fauel. Zdjęcie: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Jednak wraz ze wzrostem wielkości wzrasta również masa skrzydła wirnika, co wymaga użycia lżejszych materiałów. Jednocześnie większe skrzydła bardziej odchylają się pod naporem wiatru, tak że ich sztywność strukturalna ma coraz większe znaczenie dla utrzymania optymalnej wydajności aerodynamicznej i uniknięcia uderzenia skrzydła w wieże. Krótko mówiąc, większe turbiny wiatrowe z dłuższymi skrzydłami stawiają coraz wyższe wymagania wobec użytych materiałów, które to wymagania przewyższają możliwości materiałów nadających się do recyklingu. ¹¹¹² Turbiny wiatrowe stały się bardziej wydajne, ale także mniej zrównoważone.

Większe turbiny wiatrowe z dłuższymi skrzydłami stawiają coraz wyższe wymagania materiałowe.

Obecnie ten trend ilustruje rosnące wykorzystanie kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym, które są jeszcze mocniejsze, sztywniejsze i lżejsze niż kompozyty wzmocnione włóknem szklanym. ¹¹ Zastosowanie włókna węglowego – które dodatkowo komplikuje możliwość recyklingu - stało się standardem w konstrukcji największych skrzydeł turbin wiatrowych, głównie w miejscach poddawanych dużym obciążeniom, takich jak: mocowania skrzydeł do piasty lub czop dźwigara. Wkroczyliśmy w nową erę, w której skrzydła są teraz tak wielkie, że nie mogą być wykonane z samych kompozytów wzmocnionych włóknem szklanym.

Skrzydło wirnika wynaleziona na nowo.

Przemysł, który nazywa siebie zrównoważonym i odnawialnym, nie może co roku wysyłać milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych na wysypiska. Czy możemy wrócić do budowania turbin wiatrowych wyłącznie z materiałów nadających się do recyklingu? Jak duże moglibyśmy je budować? W jakim stopniu można pogodzić wydajność i zrównoważony rozwój?

Udoskonalone skrzydła wiatraka z lat trzydziestych XX w. zaprojektowane przez Kurta Bilau. Wieża jest zbudowana z kamienia, a łopaty z drewna i aluminium. Zdjęcie: Frank (CC BY-SA 3.0).

Większość badań nad bardziej przyjaznymi środowisku skrzydłami turbin wiatrowych trzyma się kurczowo tworzywa sztucznego jako głównego materiału. Tworzywa termoplastyczne można stopić i ponownie wykorzystać, co umożliwia przetworzenie zużytych skrzydeł w nowe skrzydła, nawet na miejscu. Jednak ze względu na niższą wytrzymałość i sztywność materiałów termoplastycznych nie skonstruowano jeszcze z nich skrzydeł większych niż 9 m. ¹¹³

Innym kierunkiem badań są próby zastąpienie włókien szklanych włóknami drzewnymi lub lnianymi. Takie skrzydła mogą osiągać duże rozmiary, ale mają tylko niewielką przewagę w zakresie zrównoważonego rozwoju w porównaniu z łopatami z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. ¹⁴¹⁵ Żywica epoksydowa na bazie ropy naftowej jest bardziej szkodliwa niż włókno szklane, a materiały kompozytowe wytwarzane z użyciem naturalnych włókien wymagają zastosowania większej ilość żywicy (część żywicy jest pochłaniana przez same włókna, co nie ma miejsca w przypadku włókna szklanego przyp. tłum) ¹⁶¹⁷¹²

Niektórzy inżynierowie i naukowcy zbaczają z utartych ścieżek rozwoju technicznego i wracają do bardziej tradycyjnych konstrukcji drewnianych. W przypadku małych turbin wiatrowych skrzydła można wyciąć z litego drewna. W przypadku większych turbin wiatrowych skrzydła mogą przybierać postać pustej w środku aerodynamicznej skorupy, przymocowanej do żebrowanej ramy, i podłużnic wspartych na belce zwanej dźwigarem – wszystkie elementy zbudowane z klejonych laminowanych desek, belek i paneli.

Drewno klejone warstwowo z fornirów

Drewno klejone warstwowo z fornirów – jest to materiał który powstaje poprzez zrywanie z drzewa z płatów drewna, a następnie sklejanie ich w cienkie warstwy. Materiał ten pojawił się w latach osiemdziesiątych XX wieku i posiada wyraźną przewagę nad litym drewnem. Struktura drewna może różnić się w obrębie jednego drzewa. Dlatego długość belki-dźwigara używanych w przedprzemysłowych wiatrakach była ograniczona dostępnością dużych pni drzew o równomiernej jakości. Największy tradycyjny drewniany wiatrak, jaki kiedykolwiek zbudowano - młyn Murphy z 1900 r. W San Francisco - miał średnicę wirnika 35 m.

Skrzydła patentowe z krawędziami Dekker'a, lata 40te XX w. Zdjęcie: Reboelje.

Proces licowania, w którym powstaje drewno laminowane, równomierniej rozkłada defekty drewna (takie jak sęki), dając lepsze i bardziej przewidywalne właściwości materiału. Pozwala to budować większe drewniane skrzydła. ¹² Laminaty drewniane pozwalają na znaczne obniżenie kosztów i masy w porównaniu z włóknem szklanym. Mimo że wytrzymałość i sztywność są niższe, większość obciążenia, które musi wytrzymać skrzydło, jest wynikiem jego ciężaru własnego. Z tego wynika, że drewniane skrzydło nie musi być tak wytrzymała jak skrzydło z włókna szklanego (ponieważ waży proporcjonalnie mniej) ¹² Niemniej jednak niska sztywność drewna utrudnia kontrolę ugięcia skrzydła w wirnikach o bardzo dużych rozmiarach.

W 2017 roku podczas testów turbiny wiatrowej o mocy 5 MW ze skrzydłami o długości 61,5 m przeprowadzonej w UMassAmherst w USA obliczono, że aby uzyskać wystarczającą sztywność i wytrzymałość, skrzydło wykonane z laminowanych paneli fornirowych musiałaby być o 2,8 razy cięższe niż skrzydło wykonane z tworzywa sztucznego (48 ton w porównaniu z 17 tonami) i musiałaby być skonstruowana z laminatu o grubości ponad 50 cm. ¹² Chociaż wynik testów sugeruje, że z technicznego punktu widzenia możliwe jest zbudowanie wiatraka z drewnianymi skrzydłami o długości większej niż 60 m, lecz nie jest to praktyczne rozwiązanie. Cięższe skrzydła wymagają znacznie solidniejszej konstrukcji turbiny, co pomnaża koszty i zużycie zasobów.

Są dwa sposoby rozwiązania problemu niskiej sztywności drewna. Pierwszym z nich jest konstruowanie skrzydeł wykonanych głównie z drewna klejonego warstwowo z fornirów wzmocnionego poprzeczkami z włókna węglowego pokrytych zewnętrzną warstwą włókna szklanego. We wcześniej wspomnianym teście stwierdzono, że takie hybrydowe skrzydła drewno-włókno węglowe są wystarczająco sztywne aby osiągnąć długość 61,5 m dla turbiny o mocy 5 MW i osiągają ciężar o 3 tony niższy niż skrzydła z włókna szklanego. ¹² Inne badania skrzydeł drewno-włókno węglowe o tej samej długości, uzyskały podobne wyniki (chociaż w drugim przypadku skrzydło drewno-włókno węglowe jest nieco cięższe niż skrzydło z tworzywa sztucznego). ¹⁴

Skrzydła wykonane z drewna wzmacnianego włóknem węglowym zawierają mniej elementów z tworzyw sztucznych, a jednocześnie elementy te nie są przeplecione z drewnem na całej długości skrzydła, ale są wyraźnie oddzielone od niego. Dzięki takiemu rozwiązaniu ponowne użycie lub spalanie zużytych skrzydeł staje się bardziej atrakcyjne. Jednak zgodnie z wyżej wspomnianymi badaniami tak skonstruowane skrzydło nadal zawiera 2,5 tony ¹⁴ do 6,2 ton ¹² kompozytów z tworzyw sztucznych, co oznacza, że trójskrzydłowa turbina wiatrowa o mocy 5 MW wytworzyłaby 7,5 do 18,4 ton odpadów nie nadających się do recyklingu (konwencjonalna turbina tej mocy produkuje do 50 ton odpadów nie nadających się do przetworzenia).

Mniejsze turbiny wiatrowe?

Szkody środowiskowe spowodowane przez odpady powstające przy złomowaniu skrzydeł hybrydowych można uznać za dopuszczalne w porównaniu z masę odpadów z konwencjonalnych skrzydeł. Jednak dalej nie rozwiązuje to problemu powstawania nienadających się do przetworzenia odpadów co przy dynamicznym wzroście produkcji energii wiatrowej nadal skutkuje rosnącym strumieniem plastiku.

Skrzydło z drewna klejonego warstwowo z fornirów wzmocnione włóknem węglowym. Źródło [^14]

Możemy jednak podejść do problemu zrównoważonego rozwoju w sposób bardziej ambitny i powrócić do budowy turbin wiatrowych wykonywanych w całości z drewna - nawet jeśli oznacza to, że będą one mniejsze. Istnieje również inny powód za tym, aby przestać skupiać się wyłącznie na wydajności turbin. Problem powstawania szkodliwych odpadów nie wynika jedynie z konstrukcji skrzydeł. Inne części turbin wiatrowych są również coraz częściej wykonywane z tworzyw sztucznych. Są to przede wszystkim przednia piasta (miejsce mocowania łopat) i pokrywa gondoli (obudowa, która chroni układ napędowy i urządzenia pomocnicze przed warunkami atmosferycznymi). ¹²³⁴

Dzisiejsze trendy w konstrukcji turbin stawiają na coraz większe zastosowanie elektroniki, która w większości nie nadaje się do recyklingu, oraz instalowanie generatorów z magnesami trwałymi opartymi na pierwiastkach ziem rzadkich, które oszczędzają koszty w porównaniu z mechanicznymi przekładniami, ale tylko kosztem niszczycielskiego wydobycia surowców. Większe turbiny wiatrowe zabijają także więcej ptaków i nietoperzy. ¹⁸

Poświęcając część wydajności, moglibyśmy wiele zyskać w kwestii ochrony środowiska.

Poświęcając część wydajności moglibyśmy wiele zyskać w kwestii ochrony środowiska. Zwolennicy energetyki wiatrowej mogą się z tym nie zgadzać, ponieważ spowodowałoby to, że energia wiatrowa byłaby mniej konkurencyjna w stosunku do paliw kopalnych.

Jednak wzrostowi cen energii wiatrowej zawsze można przeciwdziałać przez wzrost cen paliw kopalnych. Wysoce problematyczne jest to, że tanie paliwa kopalne służą nam za punktu odniesienia dla oceny rentowności energii wiatrowej. Turbiny wiatrowe stają się coraz bardziej szkodliwe dla środowiska przez dążenie do konkurowania z paliwami kopalnymi - a tym samym przez dążenie do zapewnienia energii dla zasilania naszego stylu życia opartego na węglu, ropie i gazie. Gdybyśmy zmniejszyli nasze zapotrzebowanie na energię, mniejsze i mniej wydajne turbiny wiatrowe nie stanowiłyby problemu.

Pierwsza turbina wiatrowa w USA, zbudowana przez Charles'a F. Brush'a, miała wirnik średnicy 17 metrów złożony z 144 cienkich cedrowych łopatek.

Jak duże moglibyśmy budować skrzydła turbin wiatrowych wykorzystując jedynie laminowany fornir? Na dzień dzisiejszy nie wiadomo. Zapytałem Rachel Koh, naukowczynię, która obliczyła wymagania dla w pełni drewnianej łopaty o długości 61,5 m, ale nie mogła mi pomóc: „Przeprowadziłam modelowanie jedynie dla skrzydeł turbiny o mocy 5 MW. Hipotetycznie możliwe byłoby przeprowadzenie kolejnego modelowania aby odpowiedzieć na Twoje pytanie, ale byłoby to poważne przedsięwzięcie”. Koh zauważa także, że możliwe jest dalsze zwiększenie sztywności laminatów drewnianych dzięki innowacjom w ich produkcji.

Las turbin wiatrowych

Niezależnie od tego, czy wybieramy duże skrzydła z drewna i włókna węglowego, czy mniejsze łopaty z samego drewna, w obu przypadkach możemy użyć drewna do wykonanie pozostałych elementów turbin. W 2012 r. niemiecka firma TimberTower zbudowała wieżę z klejonego warstwowo drewna o wysokości 100 m dla turbiny wiatrowej o mocy 1,5 MW. Może się wydawać, że nie ma potrzeby aby budować drewniane wieże turbin skoro są one konstruowane z materiałów doskonale nadających się do recyklingu (ze stali). Jednak turbina wiatrowa, której konstrukcja jest prawie całkowicie wykonana z drewna, oferuje dodatkowe korzyści.

Ilustracja Eva Miquel dla Low-Tech Magazine.

Użycie drewna może prawie całkowicie uniezależnić produkcję turbin wiatrowych od wydobycia surowców mineralnych i paliw kopalnych. Wykonanie części przekładni i podzespołów elektrycznych nadal potrzebowałoby pozyskania kopalin, jednak możliwe jest częściowe ominięcie tego problemu konstruując wiatraki wytwarzające bezpośrednio energię mechaniczną (takie konstrukcje nie wymagają użycia elektroniki, a niezbędne elementy metalowe można wykonać z przetworzonego złomu, przyp. tłum.). ¹⁹ Ponadto, drewniane turbiny wiatrowe mogą sekwestrować CO2, ponieważ drzewa przeznaczone na wiatraki pochłaniają dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy.

Ponadto, przestrzeń pomiędzy turbinami wiatrowymi na farmie wiatrowej, która nie nadaje się pod zabudowę, powinna zostać wykorzystana do hodowli lasu, który dostarczy drewno dla następnego pokolenia turbin wiatrowych. Drewno można piłować, przetwarzać i montować na miejscu, co eliminuje zużycie energii związane z transportem części turbin wiatrowych. Energia potrzebna do produkcji laminatów i budowy turbin mogłaby pochodzić z wiatraków, a także ze spalania biomasy leśnej. Drewniana turbina wiatrowa może stać się podręcznikowym przykładem gospodarki o obiegu zamkniętym.

Co z panelami słonecznymi?

W nadchodzącym artykule skupimy się na panelach fotowoltaicznych. Czy są one przyjazne środowisku i czy ich produkcja jest zrównoważona? Czy toksyczne i niezdatne do recyklingu odpady są nieodłącznie towarzyszą energii słonecznej z PV? Czy możemy budować panele słoneczne przy użyciu zrównoważonych materiałów? Jaki to będzie miało wpływ na cenę i wydajności energii słonecznej?

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩︎
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩︎ ↩︎
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2009). here ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩︎ ↩︎
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩︎
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩︎
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩︎ ↩︎
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩︎
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩︎
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩︎
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩︎
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎

Technologie cyfrowe i ich gigantyczny ślad środowiskowy

Tue, 16 Jun 2009 00:00:00 +0000

Praca artystyczna: [Krajobraz miejski I & II, autorstwa Grace Grothaus](http://gracegrothaus.com/).

Zużycie energii naszych zaawansowanych maszyn i urządzeń jest wielce niedoszacowane.

Kiedy dyskutujemy o zażyciu energii, cała nasza uwaga skupia się na ilości prądu, którą pobiera podczas pracy urządzenie czy maszyna. Uważamy, że 30 watowy laptop jest bardziej wydajny energetycznie niż 300 watowa lodówka. Może wydawać się to logiczne, ale kiedy przyjrzymy się energii jaką potrzeba zużyć na wyprodukowanie urządzenia, takie porównanie przestaje być sensowne. Dotyczy to w szczególności zaawansowanych urządzeń, do których wyprodukowania potrzeba ogromnej ilości surowców i energii. Ile energii, tak naprawdę pochłaniają nasze elektroniczne gadżety?

Zużycie energii przez sprzęt elektroniczny rośnie w zastraszającym tempie, co zostało niedawno (maj 2009 roku, przyp. tłum.) przedstawione w raporcie “Gadżety i Gigawaty” wydanym przez Międzynarodowa Stowarzyszenie Energetyczne (“Gadgets and Gigawatts”, International Energy Association). Według tego raportu, zużycie energii elektrycznej przez komputery, telefony komórkowe, płaskie telewizory, iPody i inne gadżety, podwoi się w roku 2022, następnie potroi w 2030 r. Będzie to oznaczało wzrost światowego zapotrzebowania na elektryczność o 280 Gigawatów. Wydany wcześniej raport The British Energy Saving Trust pt. „Amper kontratakuje"- pdf), dochodzi do podobnych konkluzji.

Jest wiele powodów, dlaczego rośnie zużycie energii związane z korzystaniem ze sprzętu elektronicznego; coraz więcej i więcej ludzi może pozwolić sobie na kupno gadżetów, coraz więcej i więcej pojawia się gadżetów, a już istniejące urządzenie zużywają coraz więcej i więcej energii - bez względu na pojawienie się bardziej wydajnych technologii - o tym paradoksie wydajności energetycznej piszemy dalej.

180 Watowy Laptop

Chociaż to, na co wskazują oba wspomniane wcześniej raporty, powinno dać nam do myślenia, to niestety i jeden i drugi, ogromnie niedoszacowują realnego zużycia energii przez sprzęt elektroniczny. Zacznijmy od tego, że zużycie energii nie jest tożsame ze zużyciem prądu elektrycznego z sieci. W USA sprawność energetyczna sieci energetycznej wynosi średnio około 35%. Jeśli weźmiemy laptopa, który fabrycznie pobiera 60 Wattów mocy z gniazdka, to oznacza to, że naprawdę zużywa trzy razy tyle energii (około 180 Wh, lub 648 kJ).

Jeśli chcemy mieć bardziej realistyczny obraz zużycia energii przez nasz sprzęt elektroniczny to powinniśmy od dzisiaj, mnożyć zużycie prądu pobieranego urządzenie przez 3. Kolejną sprawą, o której łatwo zapomnieć, jest to ile energii zużywa infrastruktura potrzebna do funkcjonowania wielu dzisiejszych technologii: przede wszystkim sieci komórkowej i Internetu (który składa się z farm serwerów, centr baz danych, routerów, przełączników sieciowych, światłowodów, wież nadawczych i wielui innych elementów).

Energia Wcielona

Jednak najważniejsza jest energia potrzebna do wytworzenia tych wszystkich sprzętów elektronicznych (tak samo infrastruktury sieciowej jak i urządzeń osobistych) – tzw. energia wcielona. Energia zużyta na produkcję urządzenia jest obecnie znacznie wyższa niż energia, którą pobierze urządzenie przez cały okres swojej eksploatacji. Przez większość XX wieku było inaczej - procesy wytwórcze nie były tak energointensywne („energointensywne” oznacza wysokie zużycie energii w stosunku do masy wytworzonych produktów, przyp. tłum.)

Staroświecki samochód zużywa znacznie więcej energii, podczas swojego życia (w postaci benzyny), niż potrzeba jej na jego wyprodukowanie. Tak samo jest w przypadku lodówki czy zwykłej żarówki: ilość zużytej energii do ich produkcji jest znikoma w porównaniu z tym ile zużywają podczas swojej eksploatacji.

Zaawansowane technologie cyfrowe odwróciły tę zależność do góry nogami. Garść mikroprocesorów może zawierać w sobie tyle energii wcielonej ile jest w półtoratonowym samochodzie. Ponieważ technologie cyfrowe przyniosły nam mnogość nowych produktów, oraz przeniknęła ona do już prawie każdego istniejącego urządzenie, stajemy dzisiaj w obliczu poważnych konsekwencji. Dzisiejsze samochody, oraz znane od dawna urządzenia analogowe, są obecnie pełne mikroprocesorów (elektryczny czajnik na wodę z WiFi, sterowany przez aplikację w smartfonie już istnieje, przyp. tłum.). Półprzewodniki, które są podstawę energointensywnych mikroprocesorów (w tym kontekście autor podkreśla, że do produkcji procesora potrzeba wyjątkowo dużo energii, jak na jego małą masę, a nie to że sam procesor pobiera duże energii, przyp. tłum.) znalazły swoje miejsce nawet w ekoproduktach, takich jak diody LED czy panele fotowoltaiczne.

Gdzie Się Podziały Dane?

Chociaż łatwo jest pozyskać dane o zużyciu prądu elektrycznego przez urządzenia elektroniczne podczas ich eksploatacji (możecie to nawet zmierzyć sami z użyciem miernika mocy), to znalezienie wiarygodnych, aktualnych danych dotyczących energii zużytej w procesie ich wytwarzania jest niezwykle trudne. W szczególności jeśli dotyczą one szybko rozwijających się technologii. Analiza cyklu życiowego zaawansowanego produktu jest niezwykle złożona i może zając wiele lat (ze względu na mnogość części, materiałów i procesów wytwórczych potrzebnych do ich wytworzenia). W międzyczasie, produkty i procesy wytwórcze ciągle się zmieniają, co skutkuje tym, że analizy stają się nieaktualne już z dniem ich publikacji.

Energia wcielona samej tylko kości RAM przewyższa ilość energii, jaką zużywa laptop w czasie swojego, przeciętnego trzyletniego życia.

Nie istnieją analizy cyklu życiowego nowych technologii (w 2009 roku, przyp. tłum.). Spróbujcie znaleźć analizę, która stara się obliczyć energię wcieloną diody LED, baterii litowo-jonowej czy jakiejkolwiek innej, współczesnej rzeczy napakowanej elektroniką, a jej nie znajdziecie (a jeśli wam się uda, to dajcie mi znać!).

Energia Wcielona Komputera

Najbardziej aktualna analiza cyklu życiowego komputera pochodzi z 2004 roku, a dotyczy urządzenia z 1990 r. Wnioski jakie płyną z tego opracowania są takie, że dla większości wytw arzanych dóbr konsumpcyjnych, stosunek użycia paliw kopalnych do masy wynosi 2 do 1 (potrzeba 2 kg paliw kopalnych, aby wytworzyć 1 kg produktu). W przypadku komputera stosunek ten wynosi 12 do 1 (12 kg paliwa na 1 kg komputera). Przyjmując czas życia komputera na trzy lata oznacza to, że całkowita energia zużyta podczas „życia” komputera, przypada przede wszystkim na jego wytworzenie - 83% lub 7.329 MJ. Energia, którą komputer pobiera z sieci do pracy to 17% z całości. W przypadku telefonów komórkowych wyniki było podobne.

W 1990 roku, komputer to była stacjonarna maszyna z monitorem CRT, a dzisiaj jest to przede wszystkim laptop z płaskim monitorem LCD. Może to sugerować, że energia wcielona dzisiejszych urządzeń będzie niższa, z powodu mniejszej ilości wykorzystanych materiałów (plastiku, metalu, szkła). Jednak to nie plastik, metal i szkło są tym, co czyni komputer tak energochłonnym. Są to mikroprocesory, a dzisiejsze maszyny mają ich więcej, nie mniej.

100 Lat Produkcji

Energia potrzebna do wyprodukowania mikroprocesora jest nieproporcjonalna do jego rozmiarów. Timothy Gutowski naukowiec z MIT, porównał materiało- i energochłonność konwencjonalnych metod wytwarzania, z tymi używanymi do produkcji półprzewodników i nanomaterialów (technologii, która będzie miała zastosowania w tysiącach produktów m. in. elektronice, panelach fotowoltaicznych i diodach LED).

Technologie Cyfrowe Są Owocem Taniej Energii.

Gutowski obliczył ile energii potrzebują konwencjonalne metody wytwarzania takie jak: obróbka skrawaniem, formowanie wtryskowe i odlewanie. Te techniki, są dzisiaj wciąż powszechnie wykorzystywane, chociaż powstały prawie 100 lat temu. Formowanie wtryskowe jest wykorzystywane do produkcji elementów plastikowych, odlewnictwo to technologia metalurgiczna, a obróbka skrawaniem jest procesem usuwania materiału, który obejmuje cięcie metali (używanych zarówno do tworzenia, jak i wykańczania produktów).

6 Rzędów Wielkości

Chociaż istnieją znaczne różnice między poszczególnymi konfiguracjami, wszystkie te metody produkcji wymagają od 1 do 10 megadżuli energii elektrycznej na kilogram materiału [MJ/kg]. Odpowiada to, od 278 do 2780 Wh energii elektrycznej na kilogram materiału [Wh/kg]. Wytworzenie jednego kilogramowego elementu z tworzywa sztucznego lub metalu wymaga zatem tyle samo energii elektrycznej, co oglądanie telewizji na telewizorze z płaskim ekranem przez 1 do 10 godzin (jeśli założymy, że dana część podlega tylko jednej operacji produkcyjnej).

Zapotrzebowanie na energię procesów wytwarzania półprzewodników i nanomateriałów jest znacznie wyższe: do sześciu rzędów wielkości powyżej wymagań konwencjonalnych procesów produkcyjnych (patrz rysunek poniżej, źródło:, dane uzupełniające). Sprowadza się to do 1 000 – 100 000 [MJ] na kilogram elektroniki, w porównaniu z 1 - 10 [MJ/kg] w przypadku konwencjonalnych technik produkcji.

Wyprodukowanie jednego kilograma elektroniki, lub nanomateriałów, wymaga zatem od 280 do 28000 [kWh] energii elektrycznej; wystarczająco dużo, do ciągłego zasilania telewizora z płaskim ekranem przez 41 dni do 114 lat. Dane te nie obejmują energii zużywanej na wentylację pomieszczeń i klimatyzację, które są kluczowa dla produkcji półprzewodników.

Energia Wcielona Mikroczipu

Zużycie energii w procesach produkcji półprzewodników pochodzi z analizy cyklu życia „typowego” 2-gramowego mikroczipu, przeprowadzonej w 2002 r. Niestety dotyczy ona 32 MB pamięci RAM - nawet dzisiaj niezbyt zaawansowanej technologii. Jej wyniki są jednak wymowne: do wyprodukowania 2-gramowego mikroczipu potrzebnych było 1.6 kg paliwa. Oznacza to, że potrzeba 800 kilogramów paliwa do wyprodukowania jednego kilograma mikroczipów (w porównaniu do 12 kilogramów paliwa do wyprodukowania jednego kilograma komputera).

Jeśli jeden kilogram ropy naftowej ma gęstość energetyczna 45 [MJ/kg], to oznacza to, że do wyprodukowania 2 gramów karty pamięci potrzeba 72 [MJ] energii, lub 20 [kWh]. W takim razie 1 kilogram mikroczipu pamięci, będzie miał energię wcieloną równą 36 [GJ] (3.3 [MWh]) energii elektrycznej, co mieści się w naszych wcześniejszych kalkulacjach – 1 000 – 100 000 [MJ/kg] (280 do 28000 [kWh/kg]).

Ponadto, International Roadmap Technology for Semiconductors 2007 Edition (Międzynarodowa Mapa Drogowa Technologii Półprzewodników, edycja 2007) podaje liczbę - 1.9 kilowatogodzin na centymetr kwadratowy mikroczipu [kWh/cm²]. Tak więc, możemy uznać, że 20 kilowatogodzin na 2 gramy jednego czipu, o powierzchni centymetra kwadratowego, jest rozsądnym szacunkiem.

Ile Mikroczipów Jest w Komputerze?

Elektroniczny gadżet lub komputer, nie kryją w sobie kilogramów półprzewodników - jest ich oczywiście znacznie mniej. Jednak nie potrzebujemy kilograma mikroprocesorów, aby być pewnym, że faza produkcji elektroniki zdominuje fazę użytkowania (w sensie zużycie energii, przyp. tłum.). Wcielona energia samego układu RAM przewyższa zużycie energii przez laptop w okresie jego żywotności, wynoszącym średnio trzy lata.

Dzisiejsze komputery osobiste mają pamięć RAM o pojemności od 0.5 do 2 gigabajtów składających się z 18 do 36 dwuczęściowych mikrochipów (jak te opisane powyżej). Odpowiada to, od 1296 do 2595 [MJ] energii zawartej w samej pamięci komputera, lub od 360 000 do 720 000 [Wh]. Wystarczająco dużo, by zasilać 30-watowego laptopa non-stop przez 500 do 1000 dni.

Mikroprocesory („mózgi” wszystkich urządzeń cyfrowych) są bardziej zaawansowane niż układy pamięci, a zatem zawierają co najmniej tyle samo energii wcielonej. Niestety nie opublikowano żadnej analizy cyklu życia mikroprocesora. Jednakże pewne jest, że współczesne komputery zawierają ich coraz więcej.

Jednym z najnowszych trendów w świecie elektroniki jest wprowadzenie „procesorów wielordzeniowych” i „systemów wieloprocesorowych”. Komputery osobiste mogą teraz zawierać 2, 3 lub 4 mikroprocesory. Serwery, konsole do gier i systemy wbudowane mogą mieć ich znacznie więcej (dzisiaj nawet smartfony mogą być wyposażone w ośmiordzeniowe procesory, przyp .tłum.). Każdy z tych „rdzeni” jest w stanie wykonywać swoje zadania niezależnie od innych. Umożliwia to jednoczesne wkonywanie kilku procesów, intensywnie wykorzystujących moc obliczeniową (takich jak skanowanie antywirusowe, przeszukiwanie folderów lub nagrywanie DVD). Z każdym dodatkowym układem (lub powierzchnią układu) rośnie ilość energii wcielonej systemu.

Oszczędności energii uzyskane dzięki technologiom cyfrowym ledwo rekompensują ich rosnący ślad środowiskowy

Kolejnym zjawiskiem, jest wzrost liczby procesorów graficznych (ang. GPU). Jest to specjalistyczny procesor, który odciąża renderowanie grafiki 3D z mikroprocesora. Karta graficzna jest niezbędna we współczesnych grach komputerowych, ale jest również konieczna ze względu na coraz wyższe wymagania graficzne systemów operacyjnych. Procesory graficzne nie tylko zwiększają zużycie energii przez komputer podczas jego używania (GPU mogą zużywać więcej energii niż obecne procesory), ale także oznaczają więcej energii wcielonej komputera. Procesor graficzny wymaga dużej ilości pamięci, a tym samym zwiększa zapotrzebowanie na dodatkowe układy pamięci RAM.

Nanomateriały

Dlaczego mikrochipy są tak energointensywne w produkcji? Stanie się to jasne, kiedy przyjrzymy się z bliska tym urządzeniom - najlepiej pod mikroskopem. Mikrochip jest mały, ale ilość elementów z których się składa jest ogromna. Mikroprocesor wielkości paznokcia może teraz zawierać do dwóch miliardów tranzystorów - każdy tranzystor ma szerokość mniejszą niż 0.00007 milimetra. Powiększmy ten układ, a stanie się on strukturą tak złożoną jak rozległa metropolia.

Ilość materiału zawartego w produkcie może być mała, ale aby uzyskać tak złożony system jak obwód elektroniczny, należy włożyć wiele pracy w jego wytworzenie (co oznacza wiele energii zużytej przez maszyny). Zapotrzebowanie na energię elektryczną maszyn wytwarzających półprzewodniki jest zbliżone do tych używanych w starszych procesach (jak formowanie wtryskowe), jednak różnią się one wydajnością: na wtryskarce można wytworzyć do 100 kg produktów na godzinę, ale w procesie produkcji półprzewodników dostaniemy najwyżej gramy, jak nie miligramy, na godzinę.

Kolejnym powodem, dla którego technologia cyfrowa jest tak energointensywna w produkcji, jest potrzeba zastosowania wysoce skutecznych filtrów powietrza i systemów cyrkulacji powietrza (czego nie uwzględniają powyższe szacunki). Kiedy budujesz nieskończenie małe struktury, jedna drobinka pyłu zniszczy twój obwód. Z tego samego powodu, produkcja mikrochipów wymaga najczystszej klasy krzemu (krzem klasy elektronicznej, skrót z ang. EGS, uzyskiwany w energochłonnym procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej, skrót z ang. CVD).

Produkcja Nanorurek Jest Tak Energointensywna Jak Produkcja Mikrochipów.

Co 18 miesięcy ilość tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się (prawo Moore’a). Z jednej strony oznacza to, że potrzeba mniej krzemu aby uzyskać tę samą moc obliczeniową czy wielkość pamięci. Z drugiej strony, gdy tranzystory stają się coraz mniejsze, potrzeba jeszcze skuteczniejszej filtracji powietrza i jeszcze czystszego krzemu. Ponieważ struktura staje się coraz bardziej złożona, jej produkcja wymaga coraz więcej etapów wytwarzania.

Nanotechnologia operuje w jeszcze mniejszej skali niż mikroelektronika, ale ich zapotrzebowanie na energię jest porównywalne. Produkcja nanowłókien węglowych, dzielących wiele procesów produkcyjnych z półprzewodnikami, wymaga od 760 do 3000 [MJ] energii elektrycznej na kilogram materiału, podczas gdy produkcja nanorurek węglowych i nanorurek jedno-ściennych (z ang. SWNT, czyli single wall nanotubes) wymaga 20 000 do 50 000 [MJ] na kilogram. Produkcja nanorurek jest zatem tak energochłonna jak produkcja mikroprocesorów (36 000 [MJ/kg]). Przemysł nanomateriałów chciałby widzieć swoje produkty w prawie każdej dziedzinie współczesnej gospodarki, jednak zastosowanie ich na wielką skalę, będzie raczej niemożliwe z powodu ogromnego zapotrzebowania na energię.

Recykling Nie Jest Rozwiązaniem

Zachęcanie do recyklingu elektroniki jest postrzegane jako sposób na obniżenie energii wcielonej nowych urządzeń. Niestety, w przypadku mikroelektroniki i nanomateriałów to nie działa. Ma to jedynie sens w produktach wytworzonych konwencjonalnymi metodami, ponieważ wymagania energetyczne procesu produkcyjnego (1–10 [MJ/kg]) są niewielkie w porównaniu z energią wymaganą do wytworzenia samych materiałów.

Na przykład, wyprodukowanie 1 kg plastiku z ropy naftowej wymaga od 62 do 108 [MJ] energii, podczas gdy typowa mieszanka pierwotnego i odzyskanego aluminium potrzebuje 219 [MJ] na kilogram nowego metalu. Aby dokonać uczciwego porównania, należy pomnożyć zapotrzebowanie na energię w procesie produkcyjnym przez trzy (1 [MJ] energii elektrycznej wymaga 3 [MJ] energii pierwotnej), ale nawet wtedy konwencjonalne procesy produkcyjne wydają się dość skromne (od 3 do 30 [MJ/kg]) w porównaniu z wydobyciem surowców i obróbką wstępną - około 100 [MJ/kg] (patrz tabela).

Recykling nie jest rozwiązaniem, jeśli całe zużycie energii jest skoncentrowane w samym procesie produkcyjnym.

W przypadku produkcji półprzewodników ten stosunek jest odwrotny. Podczas gdy do wytworzenia 1 kilograma krzemu (i tak już dość wysokiego w porównaniu z wieloma innymi materiałami) potrzeba 230 do 235 [MJ] energii, to chemiczne osadzanie z fazy gazowej (ważny krok w procesie produkcji półprzewodników) wymaga około 1000 [MJ] energii elektrycznej na kilogram, a zatem 3000 [MJ] energii pierwotnej (ponieważ przeciętna sieć energetyczna ma sprawność około 35%, przyp. tłum.).

To dziesięć razy więcej niż wynosi zużycie energii podczas wydobywania surowców i obróbki wstępnej (obróbka wstępna oznacza odzyskiwanie minerałów z rudy, aż do uzyskania surowego materiału, przyp. tłum.). W przypadku konwencjonalnych technik wytwarzania, użycie surowców pochodzących z recyklingu jest skutecznym sposobem na zmniejszenie całkowitego zużycia energii podczas produkcji. Nie tyczy się to półprzewodników. Recykling nie jest rozwiązaniem, jeśli całe zużycie energii jest skoncentrowane w samym procesie wytwórczym.

Nie oznacza to, że produkcja mikroczipów nie wymaga żadnych surowców. W rzeczywistości wytwarzanie mikroprocesorów i nanomateriałów wymaga również większych nakładów materiałowych niż wytwarzanie konwencjonalnych produktów (o kilka rzędów wielkości więcej). Dotyczy to procesów pomocniczych, które nie są bezpośrednio wbudowywane w produkty.

Na przykład, energia wcielona zawarta w strumieniu gazów czyszczących w procesie CVD (nieuwzględniona na powyższych rysunkach) jest o 4 rzędy wielkości większa, niż energia wcielona produktu. Ponadto, gazy te należy poddać obróbce w celu zmniejszenia ich reaktywności i zapobieżeniu powstaniu zanieczyszczeń. Gutowski pisze, „Jeśli zostanie to zrobione przy użyciu spalania w metanie w miejscu użytkowania, energia wcielona samego metanu może przekroczyć ilość zużytego prądu”.

Korzyści Z Technologii Cyfrowej

Mikrochipy mogą mieć pozytywny wpływ na środowisko, jeśli dzięki nim wzrośnie sprawność działania konkretnych technologii i procesów. Te efekty zostały opisane w raporcie inicjatywy Grupy Klimatycznej, zainicjowanej przez 50 największych światowych firm. Ich raport „Smart 2020 – Enebling The Low Carbon Economy in the Information Age” („Smart 2020 – Umożliwienie Gospodarki Niskoemisyjnej w Erze Informacji”) potwierdza wyniki innych badań dotyczących zużycia energii elektrycznej przez sprzęt elektroniczny, ale także wylicza korzyści środowiskowe wynikające z upowszechniania się elektroniki.

Według raportu „Smart 2020”, emisje z technologii informacyjno-komunikacyjnych (w tym zużycie energii przez centra danych, których nie uwzględnia raport IEA) wzrosną z 0.5 giga ton ekwiwalentu CO2 [Gt/eCO2] w 2002 r. do 1.4 [Gt/eCO2] w 2020 r., przy założeniu, że sektor będzie nadal osiągał „imponujące postępy w zakresie efektywności energetycznej, które osiągnął wcześniej”. Jednak podnosząc efektywność energetyczną w innych sektorach gospodarki, technologie informacyjno-komunikacyjne mogłyby przynieść pięciokrotnie większe oszczędności emisji dwutlenku: 7.8 [Gt/eCO2] w 2020 r.

Rozwiązanie problemu błyskawicznie szybkiego starzenia się sprzętu elektronicznego byłoby najpotężniejszym krokiem do zmniejszenia śladu ekologicznego technologii cyfrowej.

Korzyści jakie można osiągnąć to m. in. powstanie inteligentnych sieci energetycznych (2.03 [Gt/eCO2]), inteligentnych budynków (1.86 [Gt/eCO2]), inteligentnych systemów silnikowych (0.97 [Gt/eCO2]), dematerializacja i przechodzenie na aktywność wirtualną (poprzez zastąpienie fizycznych produktów i działań o wysokiej emisji dwutlenku węgla, takich jak książki i spotkania, wirtualnymi ekwiwalentami o niskiej emisji węgla, takimi jak handel elektroniczny, administracja elektroniczna, wideokonferencje, 0.5 [Gt/eCO2]), i inteligentna logistyka (0.225 [Gt/eCO2]). Jednym z pierwszych zadań technologii informatyczno-komunikacyjnych, będzie monitorowanie zużycia energii i emisji w całej gospodarce w czasie rzeczywistym i dostarczanie danych niezbędnych do optymalizacji wydajności energetycznej.

Raport podsumowuje, „Skala redukcji emisji, którą można by zapewnić dzięki inteligentnej integracji technologii informacyjno-komunikacyjnych w nowe sposoby życia, pracy, nauki i podróżowania, sprawia, że sektor ten odgrywa kluczową rolę w walce ze zmianami klimatu, pomimo wzrostu własnego śladu ekologicznego".

Jeśli nawet założymy, że wszystkie te oszczędności się urzeczywistnią (raport przyznaje, że nie będzie to łatwe zadanie), to nie rozwiąże to problemu ogromnej ilości energii potrzebnej do wyprodukowania całego tego sprzętu. Jeśli założymy, że udział procesu wytwarzania wynosi 80% w całkowitym zużyciu energii przez technologie informacyjno-komunikacyjne (bazując na wyliczeniu z jedynej dostępnej analizy cyklu życia komputera), to 1.4 [Gt/eCO2] w 2020 r. w rzeczywistości wyniesie 7.0 [Gt/eCO2] (prawie tyle, co 7.8 [Gt/eCO2]). To praktycznie tyle samo, ile oszczędności ma przynieść rozpowszechnienie technologii cyfrowych. Żadna korzyść dla środowiska nie będzie miała miejsca, a jej rosnący ślad ekologiczny pochłonie wszystkie oszczędności energii.

Technologia Cyfrowa Jest Produktem Taniej Energii.

Badania Timothey’go Gutowskiego pokazują, że historyczny trend zmierza w kierunku coraz bardziej energointensywnych procesów. Jednocześnie zasoby dostępnej energii maleją.

Gutowski pisze, że:

“Zjawisko to [proliferacja technologii cyfrowych] było możliwe dzięki stabilnym i spadającym cenom materiałów i energii w tym okresie. Pozornie ekstrawaganckie wykorzystanie materiałów i zasobów energetycznych przez wiele nowszych procesów produkcyjnych jest niepokojące i należy się z nim zmierzyć. Konieczne są również, działania na rzecz zwiększenia trwałości produktów wytwarzanych w ten sposób.”

Produkcja półprzewodników i nanomateriałów mogłaby stać się bardziej wydajna (i tak zapewne będzie), dzięki obniżeniu zapotrzebowania na energię środków produkcji lub poprzez zwiększenie wydajności procesu wytwarzania (w sensie ilości materiału produkowanego na godzinę). Na przykład „Międzynarodowa Mapa Drogowa Technologii Półprzewodników” (Iternational Technology Roadmap for Semiconductors, w skrócie ITRS), inicjatywa największych producentów układów scalonych na świecie, ma na celu zmniejszenie zużycia energii na centymetr kwadratowy mikroczipu z 1.9 [kWh] dzisiaj do 1.6 [kWh] w 2012 r., a następnie do 1.35 [kWh] w 2015, 1.20 [kWh w 2018 r. i 1.10 [kWh] w 2022 r.

Jednak jak wynika z analizy tych liczb, poprawa wydajności ma swoje granice. Z czasem zyski będą mniejsze, a sama poprawa wydajności nigdy nie zasypie przepaści pomiędzy konwencjonalnymi technikach produkcji, a technikami zaawansowanymi. Energointensywne metody produkcji są nieodłącznym elementem znanej nam technologii cyfrowej.

Raport ITRS ostrzega, że:

„Ograniczenia dostępnych źródeł energii mogą potencjalnie ograniczyć zdolność przemysłu do rozbudowy istniejących obiektów lub budowy nowych”

Gutowski pisze:

„Należy zauważyć, że istnieje również potrzeba całkowitego przeanalizowania każdego z tych procesów i zbadania możliwości użycia procesów alternatywnych i prawdopodobnie zrezygnowania z metody osadzania z fazy gazowej”.

Starzenie Się Technologii

Opisanemu powyżej obrazowi śladu ekologicznego technologii cyfrowej daleko do kompletności. Raport ITRS koncentruje się wyłącznie na zużyciu energii i nie bierze pod uwagę toksyczności procesów produkcyjnych i zużycia zasobów wodnych, które są o kilka rzędów wielkości wyższe, zarówno w przypadku półprzewodników, jak i nanomateriałów (w porównaniu do wytwarzania produktów nieelektronicznych, przyp. tłum.). Podam przykład, który może zobrazować ten problem: większość wody używanej do produkcji półprzewodników to woda ultra czysta (ang. Ultra Pure Water, w skrócie UPW), której produkcja wymaga użycia dużych ilości chemikaliów. W przypadku wielu z tych problemów branża przyznaje, że nie ma skutecznych rozwiązań (patrz ten sam raport ITRS, pdf). Nie można również pominąć problemów dotyczących zagospodarowania odpadów, które nagminnie, w formie elektrośmieci, trafiają do krajów tzw. “trzeciego świata”, gdzie przetwarzane w prymitywne sposób stają się ogromnym zagrożeniem dla zdrowia i środowiskowa. Wydobycie rzadkich surowców potrzebnych do produkcji współczesnej elektroniki może wiązać się z ryzykiem konfliktu zbrojnego (patrz. wydobycie koltranu i wojna domowa w Demokratycznej Republice Kongo, przyp. tłum.).

Powiedzmy na koniec o tym, że wysoka energochłonność technologii cyfrowej wynika nie tylko z energochłonnych procesów produkcyjnych. Równie ważny jest niezwykle krótki czas życia większości elektronicznych gadżetów. Jeśli produkty cyfrowe byłyby długowieczne (lub przynajmniej działały przez dekadę), to ich wysoka energia wcielona nie byłaby takim problemem. Niestety większość komputerów i innych urządzeń elektronicznych jest wymieniana już po zaledwie kilku latach użytkowania, pomimo tego że są w pełni sprawne. Rozwiązanie problemu błyskawicznie szybkiego starzenia się sprzętu elektronicznego byłoby najpotężniejszym krokiem do zmniejszenia śladu ekologicznego technologii cyfrowej.

Prace artystyczne autorstwa Grace Grothaus (prace są na sprzedaż).

Więcej informacji na temat metod produkcji.

Citroën 2CV: Czysta Technologia z Lat Czterdziestych

Fri, 06 Jun 2008 00:00:00 +0000

Jeśli czasem zachodzicie w głowę, czemu bardziej wydajne technologie nie przyniosły nam bardziej wydajnych samochodów, to powinniście zerknąć na kolekcję broszur Citroëna (większość w obcych językach) z lat pięćdziesiątych, sześćdziesiątych, siedemdziesiątych i osiemdziesiątych (więcej tutaj, tutaj, tutaj i tutaj).

Są to oryginalne, zeskanowane ulotki poświęcone legendarnemu Francuskiemu hipisowskiemu samochodzikowi – “2CV”, lub “Deux Chevaux” (nazywanym “kaczką” lub “kozą” w wielu krajach Europy). Pomimo tego, że od czasu powstania 2CV w 1949 roku, w samochodach upchnięto całą masę zaawansowanych technologii, to poczciwa “kaczka” wciąż jest bardziej wydajna energetycznie od najmniejszego współczesnego Citroëna. Dlaczego tak jest?

“Jeśli naprawdę chcemy bardziej wydajnych energetycznie samochodów, to potrzeba nam nie więcej, a mniej technologii.”

2CV był produkowany od 1949 do 1990 roku i sprzedawany był prawie wyłącznie w Europie. Kiedy po raz pierwszy schodził z linii produkcyjnych, pod maską miał silnik o pojemności 375 cm3 osiągający moc 8 koni mechanicznych i prędkość maksymalną na poziomie 65 km/godz.

W 1954 roku podwyższono moc silnika do 10 koni mechanicznych, co podniosło prędkość maksymalną do 80 km/godz. W 1974 moc wzrosła ponownie, tym razem do 25 koni mechanicznych, a prędkość maksymalna do 102 km/godz. Ostatnie modele wyposażone były w większe silniki, o pojemności 602 cm3, mocy maksymalnej 30 koni mechanicznych, zdolne rozpędzić autko do 120 km/godz.

500 Kilogramów

Chociaż na przestrzeni dekad, osiągi 2CV znacznie się zwiększyły (moc silnika ponad dwukrotnie, a prędkość maksymalna prawie czterokrotnie), waga samochodu pozostała praktycznie ta sama - 500 kilogramów. (Źródła: 1,2,3)

Nie ma dzisiaj samochodu, który chociaż zbliżałby się do tych wartości. Najmniejszy, dostępny obecnie na rynku Citroën C1 (w roku 2019, przyp. tłum.) waży 810 kg, pomimo tego, że zrobiony jest z lżejszych materiałów. Citroën C1 ma silnik o pojemności 998 cm2, moc 68 koni mechanicznych i prędkość maksymalną 157 km/godz.

8 Razy Więcej Mocy

Porównując Citroëna C1 do 2CV, widać, że waga najmniejszego Francuza wzrosła prawie dwukrotnie, prędkość maksymalna wzrosła ponad dwukrotnie, a moc maksymalna wzrosła ośmiokrotnie.

Może to być zaskoczeniem, że zużycie paliwa pomimo, wzrostu masy i osiągów, pozostało prawie identyczne. C1 pali 4.6l/100 km, 2CV zużywa 4.4 l/100km.

To pokazuje, że silnik w C1 jest o wiele sprawniejszy od tego w 2CV - skoro ten drugi potrzebuje tej samej ilości paliwa do napędzania znacznie lżejszego i wolniejszego pojazdu.

Innymi słowy: jeśli zastosowalibyśmy nowoczesną technologię z C1, w samochodzie, który jest tak lekki i powolny jak 2CV z lat pięćdziesiątych, to moglibyśmy jeździć samochodami, które palą tyle co nic. Niestety, cały postęp technologiczny został pożarty przez większą masę, większą prędkość, większy komfort i masę elektroniki.

Pasy Bezpieczeństwa

Większa masa wynika częściowo ze względów bezpieczeństwa - tego wymaga się od producentów samochodów. Większe bezpieczeństwo jest oczywiście czymś dobrym. Nie mniej jednak, prędkość pojazdów znacząco wzrosła Większa prędkość oznacza poważniejsze wypadki, więc część postępu w dziedzinie bezpieczeństwa przepadła (tak samo jak wyższa sprawność energetyczna przepada na rzecz wyższych osiągów). Co więcej, pasy bezpieczeństwa, od czasu ich upowszechnienia w latach 70-tych, wciąż pozostają najważniejszą przyczyną spadku liczby wypadków śmiertelnych, chociaż ważą tak niewiele.

Komfort

Kolejnym powodem wzrostu wagi i zużycia energii są usprawnienia w zakresie komfortu jazdy i triumf elektroniki. Pierwsze 2CV’ki miały deskę rozdzielczą niewiele bogatszą w osprzęt od zwykłej deski. Samochody te, nie posiadały ogrzewania ani klimatyzacji - nie było nawet wskaźnika paliwa.

Jeśli chciałeś się dowiedzieć, ile masz jeszcze paliwa w baku, musiałeś zatrzymać auto, odkręcić korek i włożyć bagnet do baku

Jeśli chciałeś się dowiedzieć, ile masz jeszcze paliwa w baku, musiałeś zatrzymać auto, odkręcić korek i włożyć bagnet do baku. Do lat 60-tych wycieraczki otrzymywały napęd z kół, więc nie działały podczas postoju (chyba że poruszało się je ręcznie).

Okna w 2CV nie były otwierane nawet mechanicznie, nie wspominając o elektryce - trzeba było popchnąć je łokciem. W dzisiejszych samochodach wszystkie te mechanizmy (i wiele, wiele innych) poruszane są własnymi silniczkami elektrycznymi.

Te wszystkie urządzenie elektryczne podnoszą zużycie paliwa, ponieważ zwiększają wagę samochodu oraz pobierają prąd elektryczny, który wytwarzany jest przez silnik spalinowy (poprzez alternator). Jeśli naprawdę chcemy bardziej wydajnych energetycznie samochodów, to potrzeba nam nie więcej, a mniej technologii.

Broszury znajdziesz na Things Magazine & Tecnología Obsoleta

Linki:

Na tych stronach jest więcej informacji na temat Citroën’a 2CV (po angielsku).

Sprawdź również broszury na Panhard, Hoffmann 2CV](http://www.citrobe.org/hofflnks.htm), Dyane, AMI, the plastic Mehari i inne modele Citroën’a.

Dokumenty o modelu 2CV.