LOW←TECH MAGAZINE Polski

Piece Termoelektryczne: Fotowoltaika do Lamusa?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Ilustracja: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Jeśli popatrzymy na stary, dobry wiatrak (mający już z grubsza 2 tysiące lat) jak na przodka współczesnej turbiny wiatrowej.

Fotosynteza była fundamentem wszystkich historycznych źródeł energii mechanicznej: dzięki niej ludzie i zwierzęta otrzymywali paliwo w postaci pożywienia i drewna do budowy młynów i wiatraków. Chociaż ani staroświecki wiatrak, ani piec na drewno, nie wytwarzają elektryczności to oba można w łatwy sposób do tego przystosować. Wystarczy do wiatraka podpiąć generator prądu, a do pieca generator termoelektryczny.

Generator Termoelektryczny

Generatory termoelektryczne są bardzo zbliżone do generatorów „fotoelektrycznych” - dzisiaj nazywanych „fotowoltaicznymi” (albo ogniwami fotowoltaicznymi). Generator fotowoltaiczny bezpośrednio zmienia światło słoneczne w elektryczność, a generator termoelektryczny bezpośrednio zmienia ciepło w elektryczność. ¹

Generator termoelektryczny składa się z elementów półprzewodnikowych w kształcie sztabek, które są połączone szeregowo z paskami metalu. Z góry i z dołu, sztabki są izolowane ceramicznymi płytkami przewodzącymi ciepło (ale nie prąd elektryczny). Taki zestaw tworzy kompaktowy moduł o budowie „kanapki”. ² Gotowe moduły są dostępne w sprzedaży przez takich producentów jak Hi-Z, Tellurex, Thermalforce i Thermomanic.

Zdjęcie: Moduł termoelektryczny. Gerardtv (CCBY-SA3.0)

Moduł termoelektryczny. Zdjęcie wykorzystane za pozwoleniem Applied Thermoelectric Solutions LLC, [Jak Działa Generator Termoelektryczny](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Przyklej moduł termoelektryczny do powierzchni pieca na drewno, a będzie on wytwarzał energię elektryczną za każdym razem gdy piec będzie rozpalany do gotowania, ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody. W eksperymentach i prototypach, które są opisane bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu, uzyskano moc wyjściową na moduł od 3 do 19 watów.

Podobnie jak w przypadku paneli słonecznych, moduły termoelektryczne można łączyć ze sobą równolegle i szeregowo, aby uzyskać dowolne napięcie i moc wyjściową - przynajmniej tak długo na ile starczy nam powierzchni pieca. Tak, jak w ogniwie fotowoltaicznym, prąd elektryczny wytwarzany przez moduł/y termoelektryczny jest regulowany przez regulator ładowania i gromadzony w baterii, dzięki czemu nadwyżka energii jest dostępna również wtedy gdy piec nie jest używany. Piec termoelektryczny jest zwykle łączony z urządzeniami niskonapięciowymi na prąd stały, co pozwala uniknąć strat na konwersji wynikających z zastosowania falownika.

Piece termoelektryczne mogą znaleźć zastosowanie w wielu częściach świata. Większość badań nad ich wykorzystaniem celuje w „Globalne Południe”, gdzie prawie 3 miliardy ludzi (40% światowej populacji) jest zależnych od spalania biomasy do grzania wody i gotowania. Niektóre z tych gospodarstw domowych, używają pieców lub palenisk również do oświetlania (1,3 miliarda ludzi nie ma dostępu do elektryczności) oraz do ogrzewania pomieszczeń. Istnieją również badania nad wykorzystaniem pieców termoelektrycznych w społeczeństwach przemysłowych gdzie piece i kominki na biomasą, szczególnie poza miastami, zyskują na popularności.

Sprawność 100%

Od czasu kiedy efekt termoelektryczny został po raz pierwszy opisany przez Thomasa Seebecka w 1821 roku, generatory termoelektryczne cieszą się złą sławą ze względu na słabą sprawność konwersji ciepła na elektryczność. ³⁴⁵⁶ Dzisiejsze moduły termoelektryczne osiągają sprawność rzędu 5-6%, mniej więcej trzy razy niższą niż przeciętny panel fotowoltaiczny. ⁴

Jednak w połączeniu z piecem na biomasę, sprawność konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego przestaje być tak istotna. Jeśli moduł osiąga jedynie 5% sprawności, zamieniając energię termalną na elektryczną, to pozostałe 95% energii pozostaje do wykorzystania w postaci ciepła. Jeśli piec jest używany do ogrzewania pomieszczeń to nie można mówić o stratach energii, ponieważ 95% ciepła wykonuje zamierzoną pracę. Całkowita sprawność systemu (ciepło + elektryczność) zbliża się do 100% - energia się nie marnuje. Odpowiednio zaprojektowany piec może ponownie wykorzystać ciepło konwersji elektrycznej do gotowania czy grzania wody.

Bardziej Niezawodny Niż Panel Fotowoltaiczny

Moduły termoelektryczne dzielą wiele zalet z panelami fotowoltaicznymi: są modułowe, wymagają niewiele uwagi, nie mają ruchomych części, pracują bezgłośnie i ich żywotność jest długa. ⁷ Jednak moduły termoelektryczne, jeśli w domu regularnie używa się nieelektrycznego źródła ciepła, oferują coś więcej niż panel solarny.

Chociaż moduły termoelektryczne są prawie trzy razy mniej sprawne od fotowoltaiki, to piece termoelektryczne dostarczają elektryczności w bardziej przewidywalny sposób, ponieważ ich działanie nie jest uzależnione od kaprysów pogody, pory roku czy od obecności słońca na niebie. Używając żargonu inżynierów powiedzielibyśmy; że piece termoelektryczne mają wyższy „współczynnik wykorzystania mocy netto”.

Nawet, jeśli piec używany byłby jedynie do gotowania i grzania wody, to codzienne domowe prace gwarantują przewidywalną produkcję elektryczności bez względu na klimat. Co więcej, produkcja elektryczności przez piece termoelektryczne bardzo dobrze dopasowuje się do zapotrzebowania na prąd gospodarstwa domowego: w tym samym czasie kiedy używa się pieca, z reguły pojawia się potrzeba użycia elektryczności. Niestety, fotowoltaika generuje bardzo niewiele, albo wcale, energii elektrycznej wtedy kiedy potrzeba jej w domu.

Zdjęcie: Radziecki generator termoelektryczny oparty na lampie naftowej zasilający radio. 1959 rok. [Źródło: Muzeum Retrotechnologii](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Pamiętajmy, że ta przewaga znika kiedy generator termoelektryczny jest bezpośrednio zasilany energią słoneczną. Solarne generatory termoelektryczne (z ang. „STEGS”), w których moduł termoelektryczny nagrzewany jest skoncentrowaną wiązką promieni słonecznych, nie zrekompensuje niskiej sprawności modułu swoją wyższą przewidywalnością produkcji energii, ponieważ jest, tak samo jak fotowoltaika, skazany na zmienną pogodę. ⁸⁹¹⁰

Mniejsza Potrzeba Magazynowania Energii

Dzięki większej przewidywalności nie ma potrzeby zbytniej rozbudowy mocy wytwórczej i systemów magazynowania energii, żeby zrekompensować niższą produkcję prądu na jesieni i zimą (oraz w pochmurne dni), tak jak wymaga tego fotowoltaika. Baterie muszę mieć tylko tyle pojemności, aby energii starczyło pomiędzy jednym rozpaleniem pieca, a kolejnym i nie ma potrzeby montować dodatkowych modułów, żeby zrekompensować okresy niskiej produkcji.

Generatory termoelektryczne można łączyć z panelami fotowoltaicznymi, dzięki czemu stworzymy pewny, poza-sieciowy system korzystający jedynie ze skromnych magazynów energii. Taki hybrydowy system dobrze współpracuje z piecem służącym tylko do ogrzewania pomieszczeń. Moduły termoelektryczne dostarczają większości energii zimą, a fotowoltaika latem.

Tańsze w Instalacji, Łatwiejsze w Recyklingu

Drugą przewagą termoelektryki nad fotowoltaiką jest jej łatwiejszy montaż. Nie ma potrzeby budowania konstrukcji na dachu i połączenia elektrycznego ze światem zewnętrznym, ponieważ cała elektrownia znajduje się wewnątrz domu. Zapobiega to również kradzieży instalacji co, w przypadku fotowoltaiki, jest poważnym problemem w niektórych regionach świata.

Wszystkie te czynniki sprawiają, że piec termoelektryczny jest tańszy i bardziej zrównoważony w porównaniu do paneli fotowoltaicznych. Zaoszczędzimy sporo energii, surowców i pieniędzy, które trzeba by zużyć na wyprodukowanie baterii, modułów i infrastruktury towarzyszącej fotowoltaice.

Kolejną przewagą modułów termoelektrycznych jest ich wyższy stopień zrównoważania, ponieważ łatwiej od paneli słonecznych poddają się recyklingowi. Chociaż krzem w ogniwach fotowoltaicznych doskonale nadaje się do ponownego przetworzeniu to problemem jest to, że ogniwa otoczone są warstwą plastiku (przeważnie laminatem „EVA”, czyli etylenem/polimerem winylowym), który jest kluczowy dla długotrwałej sprawności modułu. ¹¹ Zdjęcie warstwy polimerowej bez uszkadzanie ogniw krzemowych jest technicznie możliwe, ale jest to proces tak bardzo złożony, że recykling fotowoltaiki staje się nieatrakcyjny zarówno ze względów finansowych jak i energetycznych. ¹²¹³ Moduły termoelektryczne nie posiadają żadnych elementów plastikowych. ¹⁴¹⁵¹⁶

Chłodzenie Modułów

Sprawność elektryczna generatora termoelektrycznego nie zależy jedynie od samego modułu. W dużej mierze jest związana z różnicą temperatur pomiędzy gorącą, a chłodną stroną modułu. Kiedy różnica temperatur spadnie o połowę to moduł termoelektryczny będzie generował tylko jedną czwartą mocy. W związku z tym, poprawa zarządzania ciepłem generatora termoelektrycznego jest głównym celem projektowania pieców termoelektrycznych, ponieważ umożliwia wytwarzanie większej mocy przy użyciu mniejszej liczby modułów.

Po pierwsze, polega to na zlokalizowaniu najgorętszych miejsc na piecu i zamocowaniu tam modułów - pod warunkiem, że są w stanie przyjąć tyle ciepła. Większość pieców ma temperaturę powierzchni od 100 do 300ºC, natomiast gorąca strona modułów z tellurku bizmutu (najbardziej przystępnych cenowo i wydajnych) wytrzymuje ciągłe temperatury od 150 do 350ºC, w zależności od modelu.

Po drugie, zarządzanie ciepłem sprowadza się do maksymalnego obniżenia temperatury strony chłodnej, co można osiągnąć na cztery sposoby: konwekcją wymuszoną chłodzoną powietrzem i wodą z wykorzystaniem wentylatorów i pomp elektrycznych albo chłodzoną powietrzem lub wodą konwekcją naturalną, która polega na zastosowaniu pasywnych radiatorów nie powodujących pasożytniczego obciążenia systemu.

Wymuszone chłodzenie ma zwykle wyższą wydajność, nawet jeśli weźmie się pod uwagę dodatkowe użycie wentylatora lub pompy. Z drugiej strony, systemy pasywne są tańsze, działają cicho i są bardziej niezawodne niż systemy aktywne. W szczególności awaria wentylatora może być problematyczna, ponieważ przegrzanie może doprowadzić do awarii modułu. ¹⁷

Piece Termoelektryczne Z Radiatorami

Pierwsze piece termoelektryczne na biomasę zostały zbudowane na początku XXI wieku, chociaż Sowieci byli pionierami podobnej koncepcji w latach pięćdziesiątych XX wieku, wykorzystując lampy naftowe do zasilania elektrycznych odbiorników radiowych. ⁶ W 2004 roku zespół libańskich naukowców doposażył typowy żeliwny piec opalany drewnem, powszechnie używany na terenach wiejskich, w wykonany przez zespół, pojedynczy moduł termoelektryczny o wymiarach 56 na 56 mm. ¹⁸

Zdjęcie: Żeliwny piec użyty do testów. [^18]

Naukowcy przykręcili gładką aluminiową płytę o grubości 1 cm do najgorętszego miejsca na powierzchni pieca, następnie do niej zamocowali moduł termoelektryczny, a do zimnej strony modułu dołożyli duży (180 na 136 na 125 mm) aluminiowy radiator żebrowany. Przy szybkości spalania wynoszącej 2,5 kg drewna sosnowego na godzinę, uzyskali średnią moc wyjściową równą 4,2 wata. Dziesięć godzin pracy pieca dziennie (z wyłączeniem fazy rozgrzewania) dostarcza zatem wiejskiemu libańskiemu gospodarstwu domowemu 42 watogodzin energii elektrycznej. Wystarczająco dużo na pokrycie podstawowych potrzeb.

Zdjęcie: Szczegóły budowy pieca termoelektryczny i jego umiejscowienia. [^18]

Zawsze można dodać więcej modułów i radiatorów w celu zwiększenia mocy wyjściowej, ale oczywiście powierzchnia pieca jest ograniczona, a wraz z dodawaniem modułów będą one umieszczane w obszarach o niższej temperaturze co pogorszy ich wydajność. Innym sposobem na zwiększenie produkcji energii jest zastosowanie jeszcze większego radiatora i / lub droższego radiatora wykonanego z materiałów o wyższej przewodności cieplnej.

Piece Termoelektryczne z Wentylatorami

Większość dotychczas zbudowanych pieców termoelektrycznych do chłodzenie modułu wykorzystuje wentylatory elektryczne w połączeniu ze znacznie mniejszym radiatorem. Chociaż wentylator może się zepsuć, i jest pasożytniczym obciążeniem systemu, to jednocześnie pozwala zwiększyć wydajność pieca poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza do komory spalania - zmniejszając tym sposobem zużycie drewna opałowego i zanieczyszczenie powietrza, mniej więcej o połowę. Ponadto, piece z wentylatorem nie potrzebują komina i zamiast niego wystarczy im pozioma rura dymowa. ¹⁹ Dzięki takim rozwiązaniom, piece z własnym zasilaniem, chłodzone wentylatorem umożliwiają zmniejszenie zużycia drewna opałowego i zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach na wiejskich obszarach Globalnego Południa, gdzie ludzie nie mają łatwego dostępu do elektryczności, ani środków na zbudowanie standardowego komina.

Podczas testów jednomodułowa, termoelektryczna kuchenka z wymuszonym nadmuchem osiągnęła moc wyjściową 4,5 W, z czego 1 W był potrzebny do zasilenia wentylatora. ²⁰ Produkcja energii netto (3,5 W) była niższa w porównaniu z piecem z samym radiatorem (4,2 W), jednak piec chłodzony wentylatorem zużył o połowę mniej drewna opałowego: wytwarzał 3,5 W energii elektrycznej netto przy szybkości spalania 1 kg drewna na godzinę, podczas gdy piec pasywnie chłodzony potrzebował 2,5 kg drewna do wyprodukowania 4,2 wata.

Zdjęcie: Kuchenka z wymuszonym ciągiem powietrza i modułami termoelektrycznymi. [^20]

W przeprowadzonym w Malawi, 80-dniowym teście podobnej konstrukcji przenośnej, terenowej kuchenki termoelektrycznej wykazano, że technologia ta była wysoko ceniona przez użytkowników, ponieważ piece wytwarzały więcej energii elektrycznej niż było to potrzebne. W całym okresie testów produkcja energii wynosiła od 250 do 700 Wh energii elektrycznej, a zużycie energii elektrycznej od 100 do 250 Wh. ²¹

Niektóre, dostępne w handlu termoelektryczne kuchenki do gotowania chłodzone wentylatorem, często są projektowane z myślą o turystach. Przykładami są produkty firm BioLite, Termomanic i Termefor, które podają moc wyjściową od 3 do 10 W, w zależności od konstrukcji kuchenki i liczby modułów termoelektrycznych. ¹⁷

Piece Termoelektryczne ze Zbiornikami Na Wodę

Najbardziej wydajne piece termoelektryczne to takie, w których zimna strona modułu (modułów) jest chłodzona przez bezpośredni kontakt ze zbiornikiem wody. Woda ma niższy opór cieplny niż powietrze, dzięki czemu skuteczniej chłodzi. Co więcej, jej temperatura nie przekroczyć 100ºC co zmniejsza prawdopodobieństwo awarii modułu z powodu przegrzania.

Obraz: Zasada działania pieca termoelektrycznego z pasywnym chłodzeniem wodnym. [^17]

Ciepło odpadowe, powstające podczas konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego chłodzonego wodą, nie służy do ogrzewania pomieszczeń, ale do ogrzewania wody użytkowej. Piece termoelektryczne chłodzone wodą mogą być aktywne (wyposażone w pompy) lub pasywne (bez ruchomych części). ¹⁷

Większość pieców termoelektrycznych z pasywnym chłodzeniem wodnym ma małe rozmiary i służy jedynie do podgrzewania stosunkowo niewielkich ilości wody. Z reguły, nie jest to klasyczny piec, a najczęściej garnek wyposażony w moduły termoelektryczne. Na przykład PowerPot, to dostępny w sprzedaży, turystyczny garnek do gotowania wyposażony w moduł termoelektryczny przymocowany do podstawy. Można go postawić bezpośrednio na kuchence, a wygeneruje 5-10 W mocy.

Obraz: Wielozadaniowy piec na drewno z pasywnym chłodzeniem wodą. [^22]

Znacznie większy i bardziej wszechstronny piec termoelektryczny z pasywnym chłodzeniem wodnym został zaprojektowany przez francuskich naukowców na podstawie dużego, wielofunkcyjnego pieca na drewno z Maroka. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Zainstalowali oni osiem modułów termoelektrycznych na dnie 30-litrowego zbiornika wody, który służył nie tylko jako radiator dla zimnej strony generatora, ale także jako źródło ciepłej wody użytkowej dla gospodarstwa domowego. Ponadto, piec wyposażono w wentylator elektryczny z własnym zasilaniem i podwójną komorę spalania podnoszącą efektywność spalania drewna.

Prototypowy piec wygenerował w teście 28 watów mocy przy użyciu dwóch modułów, spalając 1,5 kg drewna do gotowania i / lub ogrzewania. Wentylator zużywał 15 W, co oznaczało, że do pozostałych zastosowań zostało 13 W mocy. Praca pieca dostarczała 60 litrów ciepłej wody na godzinę. W zależności od tego, ile czasu zajmowało gotowanie na piecu (dwa razy dziennie), w akumulatorach zgromadzono w ciągu doby od 35 do 55 Wh energii elektrycznej. Zwróćmy uwagę na to, że badacze uwzględnili w obliczeniach straty wynikające z pracy regulatora ładowania, akumulatora 6 V i wentylatora.

Piece Termoelektryczne z Pompami

Pasywne chłodzenie wodne ma istotną wadę. Wraz ze wzrostem temperatury wody w zbiorniku różnica między zimną, a gorącą stroną modułu zmniejsza się, przez co spada sprawność pieca. Musi minąć odpowiednio dużo czasu, pomiędzy kolejnymi rozpaleniami pieca, aby woda w zbiorniku dostatecznie ostygła. Można również regularnie wymieniać ciepłą wodę (i używać ją do prac domowych) na zimną, a żeby się ciągle nie męczyć i ręcznie nie wymieniać wody, wystarczy zamontować pompę, która zrobi to za nas.

Zdjęcie: Prototyp pieca termoelektrycznego z modułami chłodzonymi wodą. [^26]

Przyjrzyjmy się teraz prototypowi pieca z 2015 roku. W tej konstrukcji pieca opalanego drewnem, służącego do gotowania i ogrzewania pomieszczeń oraz wody, umieszczono 21 modułów termoelektrycznych z aktywnym systemem chłodzeniem wodnym. Testy wykazały produkcję mocy na poziomie od 25 W (spalanie 1 kg drewna sosnowego na godzinę), przez 70 W (4 kg drewna / godzinę), do 166 W (9 kg drewna / godzinę). ²⁶ Moc wyjściowa na jeden moduł wyniosła aż 7,9 wata, co stanowi prawie dwukrotność mocy wyjściowej na jeden moduł pieca z pasywnym chłodzeniem powietrznym. Pompa zużywała 5 W. Prototyp posiadał dodatkowy wentylator (pobierający 1W) zwiększający efektywność spalania. ²⁷²⁸

Gazowe Kotły Termoelektryczne?

W obecnej infrastrukturze energetycznej społeczeństw ery przemysłowej lepiej odnajdą się generatory termoelektryczne z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zwłaszcza w gospodarstwach domowych z systemami centralnego ogrzewania. Można zwiększyć liczbę zainstalowanych modułów, dzięki czemu wzrośnie produkcja energii elektrycznej, tak potrzebna w „wysokoenergetycznym” stylu życia. Niestety pojawiają się tutaj pewne trudności. Po pierwsze, systemy centralnego ogrzewania są używane tylko do ogrzewania pomieszczeń i wody, a nie do gotowania, co sprawia że ilość energii, którą wytwarzają zmienia się sezonowo. Po drugie, tylko niektóre systemy CO spalają biomasę lub pelet drzewny. Większość działa na gaz, olej opałowy, węgiel lub prąd.

Zdjęcie: Prototyp opalanego peletem drzewnym kotła termoelektrycznego. [^30]

Gdy źródło ciepła jest elektryczne, nie ma oczywiście sensu przyklejać do niego modułu termoelektrycznego. System termoelektryczny jest nie do pogodzenia z wizją nowoczesnego, zrównoważonego budynku, w którym ogrzewanie odbywa się za pomocą elektrycznej pompy ciepła, gotowanie odbywa się na kuchence elektrycznej, a ciepłą wodę dostarcza bojler elektryczny.

Jednakże, gdy źródłem ciepła w domu jest gaz lub olej opałowy, to kocioł termoelektryczny jest niskoemisyjnym dostawcą elektryczności, na równi z systemem fotowoltaicznym umieszczonym na dachu. ²⁹ Taki termoelektryczny system grzewczy nie uniezależni jednak gospodarstwa domowego od paliw kopalnych, podobnie jak nie uczyni tego instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci energetycznej. Opiera się on bowiem na centralnej sieci energetycznej (w dużej mierze zasilanej paliwami kopalnymi), aby uniknąć niedoborów energii i pozbyć się nadwyżek, a do ogrzewania pomieszczeń i wody wykorzystuje z reguły system CO zasilany paliwami kopalnymi.

Zdjęcie: Jedno kilowatowy generator termoelektryczny z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zaprojektowany do wykorzystania niskotemperaturowego ciepła geotermalnego. [^31]

Termoelektryczny system grzewczy zasilany paliwami kopalnymi wypada korzystniej w porównaniu z dużą elektrociepłownią, która wychwytuje ciepło odpadowe z produkcji energii elektrycznej i rozprowadza je do indywidualnych gospodarstw domowych. W termoelektrycznym systemie grzewczym ciepło i moc są wytwarzane i konsumowane na miejscu. W przeciwieństwie do centralnej elektrociepłowni, nie ma potrzeby utrzymywania rozbudowanej infrastruktury dystrybucji ciepła i prądu. W ten sposób, oszczędza się zasoby i zapobiega stratom energii podczas przesyłu, które wynoszą od 10 do 20% w przypadku dystrybucji ciepła, i od 3 do 10% (lub znacznie więcej w niektórych regionach) w przypadku elektryczności.

Elektrociepłownia jest bardziej energooszczędna (25-40% sprawności konwersji) w procesie przetwarzaniu ciepła w energię elektryczną. Termoelektryczny system cieplny dostarcza znacząco więcej ciepła niż energii elektrycznej w porównaniu do elektrociepłowni. Nie jest to jednak problem ponieważ średnio, nawet w Europie, 80% zużywanej w gospodarstwach domowych energii schodzi na ogrzewanie pomieszczeń i wody.

W obu przypadkach praca może zostać odwrócona. Kiedy prąd elektryczny popłynie w module termoelektrycznym, ten będzie działał jak grzejnik albo chłodziarka. Kiedy w module fotoelektrycznym popłynie prąd to wytworzy się światło – jest to zasada działania LEDów. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Generatory termoelektryczne, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Jeśli chodzi o skład wagowy modułu to: 5 gramowy moduł termoelektryczny zawiera aluminium i płytki ceramiczne (44% masy), miedź na styki (28% masy), tellur (10%), bizmut (6%), antymon (2%) na „nóżki” termoelektryczne, małe ilości cyny do lutowania, selen jako wzmocnienie tellurków bizmutu i pastę sylikonową w formie spoiwa (jedyny komponent polimerowy). W modułach termoelektrycznych zwartość antymonu, telluru i bizmutu jest znacznie większą niż w rudach tych pierwiastków, więc ich recykling jest bardzo opłacalny. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
O’Shaughnessy, S. M., et al. “Field trial testing of an electricity-producing portable biomass cooking stove in rural Malawi.” Energy for Sustainable development 20 (2014): 1-10. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
Badacze podają możliwy sposób na wyeliminowanie pompy z systemu: zbiornik wodny można umieścić na wysokości 1 metra, co zapewni przepływ konwekcyjny gorącej wody, która zostanie zmagazynowana w izolowanym termicznie zbiorniku, a do chłodzenia modułu w jej miejsce napłynie zimna woda. ↩︎
Kolejny prototyp wygenerował średnio 27 W mocy tylko z dwóch modułów, znacznie więcej niż potrzeba było do zasilenia pompy wodnej (8 W). Produkcja energii netto wyniosła 9,5 W na moduł. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
W rzeczywistości, pierwsze eksperymentalne wykorzystanie systemów ogrzewania termoelektrycznego datuje się na rok 1990, i miało ono na celu opracowanie samo-zasilających się kotłów gazowych. Systemy CO pobierają z sieci średnio 250-400 W elektryczności do zasilania elementów systemu tj. wentylatorów, pomp, nagrzewnic i paneli sterowania. Dokładając do systemu moduły termoelektryczne, zachowuje on możliwości działania nawet w sytuacji długich przerw w dostawie prądu. Jeśli podłączyć taki system do sieciowej fotowoltaiki to jego działanie uzależnia się od obecności słońca na niebie. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Strona internetowa zasilana słońcem – w jakim stopniu jest zrównoważona?

Tue, 28 Jan 2020 00:00:00 +0000

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Nasza samodzielnie hostowana, zasilana wyłącznie energią słoneczną strona internetowa działa już 15 miesięcy. W tym artykule przedstawimy ile w tym czasie strona zużyła energii, przez ile czasu była dostępna online oraz policzymy energię wcieloną (ang. emobodied energy) naszego systemu. Opierając się na przedstawionych wynikach, zaproponujemy naszym zdaniem optymalną konfigurację systemu solarnego, zachowującą równowagę pomiędzy czasem pracy serwera, a stopniem jego zrównoważania (w sensie śladu ekologicznego, przyp. tłum.). Na koniec przedstawimy możliwe do wprowadzenie ulepszenia.

Czas Pracy, Zużycie Energii & Sprawność Systemu

Energia Wcielona & Czas pracy

Czas Pracy a Rozmiar Baterii

Czas Pracy & Wielkość Paneli Słonecznych

Energia wcielona paneli fotowoltaicznych i akumulatorów różnych rozmiarów

Emisja CO2: jak zrównoważona jest strona internetowa zasilana energią słoneczną?

Co można poprawić

Efekt korzyści skali

Sieciowe zużycie energii

Wprowadzenie

We wrześniu 2018 roku, Low-Tech Magazine uruchomił nową stronę internetową, której zadaniem było radykalne zmniejszenie zużycia energii i emisji dwutlenku węgla związanej przeglądaniem naszych treści. Zużycie energii światowej sieci internetowej szybko rośnie z powodu rosnącej ilości przesyłanych danych (treść stron staje się “cięższa”) oraz przez wzrost czasu spędzanego w sieci (szczególnie od czasów pojawienia się przenośnych komputerów, smartfonów i rozwoju sieci bezprzewodowych).

Zasilana energią słońca strona internetowa opiera się tym trendom. Aby móc znacząco obniżyć zużycie energii (poniżej tego ile potrzebuje przeciętna strona internetowa) skupiliśmy się na podstawach projektowania stron i wybraliśmy statyczną stronę zamiast systemu zarządzania treścią opartym na bazie danych. Żeby zmniejszyć ślad ekologiczny związany z użyciem paneli słonecznych i baterii, których produkcja jest wysoce energochłonna, postawiliśmy na minimalistyczny projekt godząc się na to, że strona może przejść w tryb offline kiedy pogoda będzie kiepska.

Przez piętnaście miesięcy prowadziliśmy monitoring zasilanego słońcem serwera i zebraliśmy dane dotyczące czasu pracy, zużycia prądu, sprawności systemu oraz ruchu sieciowego. Obliczyliśmy również ile energii potrzeba do wyprodukowania paneli słonecznych, baterii, kontrolera ładowania i serwera (tzw. energii wcielonej, przyp. tłum.).

Czas Pracy, Zużycie Energii & Sprawność Systemu

Czas pracy

Zasilana słońcem strona internetowa przechodzi w tryb offline kiedy pogoda jest zła - jak często się to zdarza? W okresie mniej więcej jednego roku (351 dni od 12 grudnia 2018 do 28 listopada 2019), osiągnęliśmy czas pracy na poziomie 95.26%. To oznacza, że z powodu złej pogody byliśmy offline przez 399 godzin.

Jeśli pominiemy dwa ostatnie miesiące, to czas online wrośnie do 98.2%, a offline spadnie do 152 godzin. Czas online spadł do poziomu 80% w ostatnich dwóch miesiącach, kiedy upgrade oprogramowania spowodował wzrost zużycie energii przez serwer. Z tego powodu co noc strona wyłączała się na kilka godzin.

Zużycie energii i sprawność systemu

Przypatrzmy się energii elektrycznej jaką używa nasz serwer sieciowy (“operacyjne zużycie energii”). Mamy pomiary poboru prądu z serwera i z kontrolera ładowania solarnego. Porównanie obu wskazań ujawniło problemy z wydajnością systemu. Przez okres z grubsza roku (od 3 grudnia 2018 do 24 listopada 2019), zużycie energii elektrycznej naszego serwera wyniosło 9.52 kWh.

Wykryliśmy znaczące straty w systemie fotowoltaicznym wynikające ze zmiany napięcie oraz straty przy ładowaniu/rozładowywaniu akumulatora. Kontroler ładowania solarnego wskazał zużycie prądu o wartości 18.10 kWh, co oznacza że sprawność systemu wynosiła ok. 50%.

Zużycie energii, a ilość odwiedzin strony

W okresie testowym, zanotowano 865 tysięcy indywidualnych odwiedzin witryny. Biorąc pod uwagę wszystkie straty energii w systemie wynika z tego, że zużycie prądu elektrycznego na każde indywidualne wejście wyniosło 0.021 Wh.

Tym samym, jedna kilowatogodzina energii solarnej może pozwolić na prawie 50 000 odwiedzin strony, a jedna watogodzina może pozwolić na około 50 indywidualnych wejść. Mowa o energii pochodzącej w pełni z odnawialnego źródła co oznacza, że prowadzenie naszej strony nie wiąże się bezpośrednio z emisją CO2.

Jedna kilowatogodzina energii słonecznej pozwala na prawie 50 000 odwiedzin

Energia Wcielona & Czas pracy

W tym miejscu przeważnie kończą się opowieści o energii odnawialnej jako rozwiązaniu na rosnące zużycie prądu przez Internet. Kiedy badacze przyglądają się energii zużywanej przez centra baz danych, hostujące treści dostępne w Internecie, nigdy nie biorą pod uwagę energii niezbędnej do wybudowania i utrzymania infrastruktury zasilającej te centra.

My poszliśmy o krok dalej. Dla nas panele fotowoltaiczne, akumulator i kontroler ładowania solarnego są równie istotne jak sam serwer. Nie można zapominać o energii zużytej na wydobycie surowców i wyprodukowanie wszystkich elementów systemu tj. o ich energii wcielonej.

Uproszoczny schemat naszego systemu. Zmiana napięcia (pomiędzy 12 woltowym kontrolerem ładowania, a 5 woltowym serwerem) i wskaźnik poziomu naładowania baterii (pomiędzy serwerem, a akumulatorem) nie zostały przedstawione. Ilustracja: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Niestety, większość tej energii pochodzi z paliw kopalnych, czy to w formie diesla (wydobycie surowców i transport części) czy w formie prądu elektrycznego wytwarzanego przez elektrownie spalające węgiel lub gaz (większość procesów wytwórczych).

Dobór wielkości akumulatora i panelu słonecznego jest kompromisem pomiędzy czasem online, a stopniem zrównoważenia systemu.

Energia wcielona naszego zestawu jest determinowana przede wszystkim przez wielkość akumulatora i panelu fotowoltaicznego. Od ich rozmiarów zależy tak samo to, jak często strona będzie dostępna online. Nasz wybór wielkości akumulatora i panelu słonecznego jest kompromisem pomiędzy czasem pracy, a zrównoważonym użyciem.

Żeby uzyskać optymalny balans, zmienialiśmy (i nadal zmieniamy) konfigurację obu tych komponentów. Czas prac i energia wcielona są również zależne od lokalnych warunków pogodowych, więc wyniki jakie uzyskaliśmy mogę być znaczące jedynie dla naszej lokalizacji (dla balkonu autora niedaleko hiszpańskiej Barcelony).

Illustracja: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/)

Czas Pracy & Rozmiar Baterii

To jak długo strona może działać bez zasilania zależy od pojemności akumulatora i wydajności fotowoltaiki. Konieczne jest zapewnienie minimum zmagazynowanej energii, aby móc podtrzymać stronę przez noc. Większa bateria może zrekompensować pewien okres niskiej (lub braku) produkcji energii słonecznej w ciągu dnia. Pojemność baterii z czasem maleje, więc najlepiej zacząć od większych akumulatorów niż jest to potrzebne. W przeciwnym razie szybko będziemy zmuszeni dokupić nowe.

Czas pracy > 90%

Najpierw obliczmy minimalne zapotrzebowanie na energię konieczne do utrzymania witryny przez noc w trybie online, zakładając że pogoda za dnia jest dobra, bateria jest nowa, a panel słoneczny jest wystarczająco duży, aby całkowicie naładować baterię. Średnie zużycie energii przez nasz serwer internetowy w pierwszym roku (łącznie ze wszystkimi stratami energii w instalacji solarnej) wyniosło 1.97 W. W najkrótszą noc roku (8 godz. 5 min., 21 czerwca) serwer pobrał 17.40 Wh energii z akumulatora, a podczas najdłuższej nocy roku (14 godz. 49 min, 21 grudnia) 29.19 Wh.

Minimum zmagazywnowej energii potrzebnej do utrzymania strony przez noc*

Miesiąc	Długość dnia	Noc	Zapas energii
21 Wrz 2018	12h13min	11h47min	23.21 Wh
21 Paź 2018	10h52min	13h8min	25.87 Wh
21 Lis 2018	9h41min	14h19min	28.2 Wh
21 Gru 2018	9h11min	14h49min	29.1 Wh
21 Sty 2019	9h41min	14h19min	28.2 Wh
21 Lut 2019	10h53min	13h7min	25.84 Wh
21 Mar 2019	12h13min	11h47min	23.22 Wh
21 Kwi 2019	13h34min	10h26min	20.55 Wh
21 Maj 2019	14h41min	9h19min	18.35 Wh
21 Cze 2019	15h10min	8h50min	17.4 Wh
21 Lip 2019	14h43min	9h17min	18.29 Wh
21 Sie 2019	13h36min	10h24min	20.49 Wh

Lokalizacja: Barcelona
Przyjmując, że jest słonecznie
Wh = watogodzina

Ponieważ akumulatory kwasowo-ołowiowe nie powinny być rozładowywane poniżej połowy ich pojemności, nasz serwer potrzebuje akumulatora o poj. 60 Wh, aby przetrwać najkrótsze noce, gdy warunki słoneczne są optymalne (2 x 29.19 Wh). Przez większą część roku korzystaliśmy z systemu z nieco większym zapasem energii (do 86,4 Wh) i panelem słonecznym o mocy szczytowej 50 Wp. Dzięki temu osiągnęliśmy wcześniej wspomniany czas pracy na poziomie 95-98%. ¹

Czas pracy = 100%

Większa bateria podtrzyma działanie strony nawet podczas dłuższych okresów złej pogody, pod warunkiem że panel słoneczny jest wystarczająco duży, aby całkowicie naładować baterię. Potrzebujemy 47.28 Wh (24h x 1.97 W) pojemności baterii, żeby zrekompensować jeden dzień niepogody.

Od 1 grudnia 2019 r. do 12 stycznia 2020 r. testowaliśmy konfigurację z panelem słonecznym o mocy 50 W z baterią o pojemności 168 Wh, która ma rzeczywistą pojemność wynoszącą 84 Wh. To wystarczyło, aby strona działała nieprzerwanie przez dwie noce i jeden dzień. Pomimo, tego że testy odbyły się w najciemniejszym okresie roku, to pogoda dopisała i osiągnęliśmy czas pracy równy 100%.

Jednak zapewnienie przez lata stuprocentowej, ciągłej pracy wymagałoby większego zapasu energii. Aby utrzymać stronę internetową w trybie online przez cztery dni przy niskim lub zerowym wytwarzaniu energii, potrzebowalibyśmy akumulatora kwasowo-ołowiowego o pojemności 440 Wh (takiego jak w samochodzie osobowym). Akumulatory tych rozmiarów to dzisiejszy standard wśród ludzi którzy chcą być samowystarczalni energetycznie i odłączyć swoje domy od sieci energetycznej.

Czas pracy < 90%

Przeprowadziliśmy również obliczenia dla akumulatorów, które nie są wystarczająco duże, aby zapewnić dostęp do witryny przez najkrótszą noc w roku: 48 Wh, 24 Wh i 15.6 Wh (przy praktycznych pojemnościach odpowiednio 24 Wh, 12 Wh i 7.8 Wh ). Ten ostatni jest najmniejszym dostępnym na rynku akumulatorem kwasowo-ołowiowym.

Dla małych lokalnych podmiotów chcących publikować swoje treści w Internecie, ale nie przewidujących dużego ruchu sieciowego po północy, witryna która przechodzi nocą w tryb offline może być ciekawą propozycją.

Przy dobrej pogodzie akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 48 Wh utrzyma serwer przec noc od marca do września. Akumulator o pojemności 24 Wh może utrzymywać witrynę w trybie online przez maksymalnie 6 godzin, co oznacza, że serwer będzie wyłączał się każdej nocy, chociaż o różnych godzinach w zależności od pory roku.

Gdy zabraknie zasilania to akumulator 15.6 Wh utrzyma stronę internetową tylko przez cztery godziny. Nawet przy dobrej pogodzie serwer przestanie działać od godziny pierwszej w nocy latem i około godziny 21:00 zimą. Maksymalny czas pracy dla najmniejszej baterii wynosiłby około 50%, ale w praktyce będzie krótszy z powodu chmur i deszczu.

Dla małych lokalnych podmiotów chcących publikować swoje treści w Internecie, ale nie przewidujących dużego ruchu sieciowego po północy, witryna która przechodzi w tryb offline w nocy może być ciekawą propozycją. W przypadku Low-Tech Magazine ruch sieciowy jest prawie równo podzielony między Europę i USA, więc dla nas nie jest to dobra opcja. Jeśli witryna co noc będzie się wyłączać, nasi amerykańscy czytelnicy będą mogli uzyskać do niej dostęp tylko rano.

Przewidywany czas pracy przy w pełni naładowanych bateriach różnych rozmiarów

Bateria	Czas pracy
440Wh	Strona działa przez 4 doby niepogody
168Wh	Strona działa przez 1 dobę niepogody
86.4Wh	Strona działa jedną noc jeśli pogoda jest dobra
48Wh	Strona przestaje działać nocą wiele razy w roku
24Wh	Strona przestaje działać każdej nocy
15.6Wh	Strona przestaje działać każdej nocy

Czas pracy a wielkość paneli słonecznych

Czas działania strony internetowej zasilanej energią słoneczną zależy nie tylko od rozmiaru baterii, ale także od powierzchni paneli słonecznych (zwłaszcza podczas niepogody). Im większy panel, tym szybciej naładuje się akumulator, co oznacza że potrzeba mniej godzin słońca do podtrzymania strony internetowej przez całą noc. Na przykład, dzięki panelowi o mocy 50 W wystarczy jedna do dwóch godzin pełnego słońca, aby całkowicie naładować dowolny z wymienionych wyżej akumulatorów (z wyjątkiem samochodowego).

Zamieńmy panel słoneczny 50 W na panel 10 W, a system będzie teraz potrzebował minimum 5.5 godziny, aby naładować akumulator o poj. 86.4 Wh przy optymalnych warunkach pogodowych (2 W do obsługi serwera, 8 W do naładowania akumulatora). Jeśli panel słoneczny o mocy 10 W połączymy z większym akumulatorem kwasowo-ołowiowym o pojemności 168 Wh, potrzeba będzie 10.5 godziny pełnego słońca, aby całkowicie go naładować. Będzie to jednak możliwe jedynie w okresie od lutego do listopad.

Dzięki większemu panelowi fotowoltaicznemu strona internetowa ma większe szanse pozostać online w czasie kiedy warunki pogodowe nie są optymalne.

Chmury

Większy panel słoneczny ma swoje zalety przy pochmurnej pogodzie. Chmury mogą obniżyć produkcję energii słonecznej do poziomu od 0 do 90% możliwej mocy, w zależności od grubości zachmurzenia. Nawet jeśli 50-watowy panel słoneczny pracuje z zaledwie 10% swojej mocy maksymalnej (5 Wp), to wciąż wystarczy prądu, aby uruchomić serwer (2 W) i naładować akumulator (3 W).

Jednakże, jeśli panel o mocy szczytowej 10 Wp będzie pracował jedynie na 10% tej wartości to nie będzie to wystarczające do ładowania baterii, nawet jeśli starczy mocy na zasilenie serwera. Próbowaliśmy zasilać system panelem o mocy 10 Wp od 12 do 21 stycznia 2020 roku, jednak szybko padał kiedy warunki pogodowe przestawały być optymalne. W tym momencie stronę zasila panel o mocy 30Wp połączony z akumulatorem o pojemniści 168 Wh.

Panel słoneczny o mocy 5 W (najmniejszy dostępny na rynku panel słoneczny o napięciu 12 V) to absolutne minimum wymagane do prowadzenia strony internetowej zasilanej energią słoneczną. Jednak tylko w optymalnych warunkach pogodowych będzie w stanie zasilić serwer i naładować baterię. W takiej konfiguracji witryna będzie dostępna w nocy, jedynie podczas odpowiednio długich dni. Jednakże pamiętajmy, że panele słoneczne rzadko osiągają swoją moc maksymalną. W rezultacie strona internetowa byłaby dostępna tylko wtedy, gdy świeci słońce.

Połączenie małego panelu z dużą baterią może mieć tą samą energię wcieloną, co połączenie dużego panelu słonecznego i małej baterii. Jednak oba systemy różnią się co do swoich właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej jest wybrać większy panel słoneczny i mniejszą baterię, ponieważ ta kombinacja zwiększa żywotność baterii - akumulatory kwasowo-ołowiowe muszą być od czasu do czasu całkowicie naładowane, w przeciwnym razie tracą pojemność.

Ile godzin słońca potrzeba, aby w całkowicie naładować baterie rożnych rozmiarów w zależności od wielkości panelu fotowoltaicznego.*

Bateria	50W	30W	10W	5W
440Wh	6h45min	11h14min	33h44min	67h28min
168Wh	2h35min	4h17min	12h53min	25h46min
86.4Wh	1h17min	2h12min	6h37min	13h15min
48Wh	0h44min	1h13min	3h41min	7h22min
24Wh	0h22min	0h37min	1h50min	3h41min
15.6Wh	0h14min	0h24min	1h12min	2h24min

Przyjmując, że średnio panel pracuje z 75% mocy sczytowej, przy 15% stratach podczas ładowania i 50% głębokości rozładowania

Energia Wcielona Paneli Fotowoltaicznych i Akumulatorów Różnych Rozmiarów

W tabeli poniżej przedstawiamy nasze kalkulacje energii wcielonej różnych rozmiarów akumulatorów i paneli fotowoltaicznych, podane jako ilość energii wcielonej na jeden rok użytkowania urządzenia. Przyjmujemy czas życia akumulatora na 5 lat, a panelu fotowoltaicznego na 25 lat.

Potrzeba 1.03 MJ energii do wyprodukowania 1 Wh pojemności akumulatora kwasowo-ołowiowego¹ i 3.514 MJ do wytworzenia 1 m2 paneli fotowoltaicznych.² [MJ] przeliczamy na [kWh] energii pierwotnej (nie elektryczności).

Zasilana energią słoneczną witryna potrzebuje również kontrolera zasilania i serwera sieciowego. Energia wcielona tych komponentów pozostaje ta sama dla każdego zestawu baterii i panelu. Energia wcielona na rok została policzona przy przyjęciu czasu życia obu urządzeń na 10 lat. ³⁴

Energia wcielona poszczególnych komponentów systemu (na jeden rok użytkowania)

Bateria*	Energia wcielona
440Wh bateria	25.17 kWh/rok
168Wh bateria	9.60 kWh/rok
86.4Wh bateria	3.91 kWh/rok
48Wh bateria	2.75 kWh/rok
24Wh bateria	1.27 kWh/rok
15.6Wh bateria	0.89 kWh/rok

Obliczone przy przyjęciu żywotności na 5 lat
kWh/rok = energia pierwotna

Panel fotowoltaiczny*	Energia wcielona
50W panel	16.96 kWh/rok
30W panel	10.20 kWh/rok
10W panel	3.40 kWh/rok
5W panel	1.70 kWh/rok

Obliczone przy przyjęciu żywotności na 25 lat
kWh/rok = energia pierwotna

Pozostałe komponenty*	Energia wcielona
Kontroler ładowania solarnego	3.33 kWh/rok
Serwer	5.00 kWh/rok

Obliczone przy przyjęciu żywotności na 10 lat
kWh/rok = energia pierwotna

Skoro już wiemy jaką energię wcieloną mają poszczególne komponenty możemy przejść do obliczeń energii wcielonej różnych ich kombinacji. Wyniki obliczeń przedstawiamy poniżej. Energia wcielona najmniejszego zestawu (panel 5 W i bateria 15.6 Wh) wynosi 10.92 kWh/rok, co jest jedną piątą energii wcielonej największego zestawu (panel 50 W i bateria 440 Wh) równej 50.46 kWh/rok.

Energia wcielona na rok użytkowania różnych konfiguracji sytemu solarnego*

Bateria	50W	30W	10W	5W
	Panel fotowoltaiczny
440Wh	50.46 kWh/rok	43.70 kWh/rok	n/a	n/a
168Wh	34.89 kWh/rok	28.13 kWh/rok	21.33 kWh/rok	n/a
86.4Wh	29.20 kWh/rok	22.36 kWh/rok	15.64 kWh/rok	13.94 kWh/rok
48Wh	28.04 kWh/rok	21.28 kWh/rok	14.18 kWh/rok	12.78 kWh/rok
24Wh	26.29 kWh/rok	19.80 kWh/rok	13.00 kWh/rok	11.30 kWh/rok
15.6Wh	26.18 kWh/rok	19.42 kWh/rok	12.62 kWh/rok	10.92 kWh/rok

Zawiera energię wcieloną serwera i kontrolera ładowania
kWh/rok = energia pierwotna
n/a = panel fotowoltaiczny nie jest w stanie w pełni naładować tej baterii, bez względu na porę roku

Jeśli podzielimy uzyskane wyniki przez liczbę odwiedzających stronę rocznie (865 000), uzyskamy zużycie energii wcielonej na jednego użytkownika naszej strony. W naszej pierwszej konfiguracji z 95-98% czasem pracy (panel słoneczny 50 W, akumulator 86.4 Wh) zużycie energii pierwotnej na jednego odwiedzającego wyniosło 0.03 Wh. Wynik ten będzie podobny w przypadku innych konfiguracji o niższym czasie pracy, ponieważ niższa energia wcielona systemu będzie podzielona przez mniejszą liczbę odwiedzin.

Emisja CO2: jak zrównoważona jest strona internetowa zasilana energią słoneczną?

Emija CO2 Strony Internetowej Zasilanej Słońcem

Teraz, gdy już obliczyliśmy energię zawartą w różnych zestawach panel i baterii, możemy spróbować obliczyć emisje dwutlenku węgla. Niestety, nie możemy porównać wpływu na środowisko witryny zasilanej energią słoneczną ze starą witryną, ponieważ ta druga jest zewnętrznie hostowana (nie możemy zmierzyź jej poboru energii). To, co możemy jednak porównać, to stronę internetową zasilana energią słoneczną z podobną samodzielnie hostowaną witryną, która jest zasilana z sieci energetycznej. Pozwoli nam to ocenić wpływ środowiskowy strony internetowej zasilanej słońcem.

Analizy cyklu życia paneli słonecznych nie są zbyt przydatne do obliczenia emisji CO2 naszych komponentów, ponieważ oparte są na założeniu, że cała energia wytwarzana przez panele jest zużywana, co w naszym przypadku nie jest prawdą. Przy optymalnych warunkach pogodowych nasze duże panele marnowały sporą część energii słonecznej.

Roczny hosting solarnej wersji Low-Tech Magazine wyemitował taką ilość CO2 jak samochód przejeżdżający 50 km.

Z tego powodu przyjmiemy inne podejście: przeliczymy energię zawartą w elementach naszego układu na litry ropy naftowej (1 litr ropy to 10 kWh energii pierwotnej) i na tej podstawie obliczmy emisję CO2, wiedząc że 1 litr ropy to 3 kg gazów cieplarnianych (łącznie z wydobyciem i rafinacją). Nasze rachunki wezmę pod uwagę to, że większość paneli słonecznych i akumulatorów produkuje się obecnie w Chinach - gdzie sieć energetyczna emituje 3 razy więcej CO2 na kWh energii i jej sprawność jest o połowę niższa w Europie. ⁵

Zużycie paliw kopalnych związane z prowadzeniem zasilanego energią słoneczną Low-Tech Magazine w pierwszym roku (panel 50 W, akumulator 86.4 Wh) odpowiada spaleniu 3 litrów ropy i wyemitowaniu 9 kg dwutlenku węgla - to tyle ile przeciętny europejski samochód spala na dystansie 50 km. Poniżej znajdują się obliczenia dla innych konfiguracji:

Energia wcielona jako ekwiwalent 1 litra ropy naftowej [l/rok] i emisja CO2 [kg/rok] dla różnych konfiguracji systemu solarnego*

	50W	30W	10W	5W
440Wh	5.05 l/rok 15.14 kg/rok	4.37 l/rok 13.11 kg/rok	n/a	n/a
168Wh	3.49 l/rok 10.47 kg/rok	2.81 l/rok 8.44 kg/rok	2.13 l/rok 6.40 kg/rok	n/a
86.4Wh	2.92 l/rok 8.76 kg/rok	2.24 l/rok 6.71 kg/rok	1.56 l/rok 4.69 kg/rok	1.39 l/rok 4.18 kg/rok
48Wh	2.80 l/rok 8.41 kg/rok	2.13 l/rok 6.38 kg/rok	1.45 l/rok 4.34 kg/rok	1.28 l/rok 3.83 kg/rok
24Wh	2.63 l/rok 7.89 kg/rok	1.98 l/rok 5.94 kg/rok	1.3 l/rok 3.90 kg/rok	1.13 l/rok 3.39 kg/rok
15.6Wh	2.62 /rokl 7.85 kg/rok	1.94 l/rok 5.83 kg	1.26 l/rok 3.79 kg/rok	1.09 l/rok 3.28 kg/rok

Zawiera energię wcieloną serwera i kotrolera ładowania

Porównanie z emisyjnością CO2 z hiszpańskiej sieci energetycznej

Obliczmy teraz hipotetyczną emisję CO2 z działania naszego samodzielnie hostowanego serwera podłączonego do hiszpańskiej sieci energetycznej. Emisja CO2 w tym przypadku będzie inna, ponieważ Hiszpania ma jedną z najmniej emisyjnych sieci energetycznych w Europie dzięki wysokiemu udziałowi energii odnawialnej i jądrowej (odpowiednio 36.8% i 22% w 2019 r.).

W ubiegłym roku intensywność emisji CO2 w hiszpańskiej sieci energetycznej spadła do 162 g CO2 na 1 kWh energii elektrycznej. Dla porównania średnia intensywność emisji dwutlenku węgla w Europie wynosi około 300 g na 1 kWh energii elektrycznej, podczas gdy w USA i Chinach emisja wynosi odpowiednio powyżej 400 g i 900 g CO2 na 1 kWh.

Jeśli spojrzymy na nasz serwer jedynie pod kątem zużycia prądu, które w pierwszym roku działania wyniosło 9.53 kWh energii elektrycznej, to uruchomienie go w hiszpańskiej sieci energetycznej dałoby wynik równy 1.54 kg emisji CO2 (w porównaniu z 3 do 10 kg w naszych testowych konfiguracjach). Mogłoby się wydawać, że serwer zasilany energią słoneczną to zły pomysł, ponieważ nawet najmniejszy panel słoneczny z najmniejszą baterią generuje więcej emisji CO2 niż serwer zasilany z sieci.

Kiedy mierzy sie emisyjność sieci energetycznej, zakłada się że energia wcielona infrastruktury energii odnawialnej wynosi zero.

Porównujemy jednak dwie różne rzeczy. Ilość emisji obliczyliśmy na podstawie energii wcielonej zawartej w naszych testowych instalacjach. Kiedy mierzy się intensywności emisji dwutlenku węgla dla hiszpańskiej sieci energetycznej przyjmuje się, że energia wcielona w infrastrukturę odnawialnych źródeł energii wynosi zero. Jeśli do naszej strony podejdziemy w ten sam sposób, jasne jest że nasza emisja również powinna wynieść zero.

Pomijanie wcielonej emisji CO2 (tzn. emisji dwutlenku węgla powstałej podczas produkcji, przyp. tłum.) przez infrastrukturę energetyczną jest uzasadnione, ponieważ jeśli sieć jest zasilana przez elektrownie na paliwa kopalne to emisje dwutlenku węgla powstające podczas budowy tej infrastruktury są bardzo małe w porównaniu z emisją ze spalanego paliwa. Jednak nie można tej emisji pomijać w przypadku odnawialnych źródeł energii, w których emisja podczas pracy jest prawie zerowa, ale CO2 jest emitowane podczas produkcji samych urządzeń.

Aby dokonać uczciwego porównania z naszym serwerem zasilanym energią słoneczną, obliczenie intensywności emisji dwutlenku węgla w hiszpańskiej sieci energetycznej powinno uwzględniać emisje z budowy i utrzymania elektrowni, linii przesyłowych oraz systemów magazynowania energii. Oczywiście ostateczna suma energii wcielonej wszystkich tych komponentów będzie zależeć od długości okresu, dla którego wykonujemy obliczenia.

Co można poprawić

To, co sami możemy zrobić żeby zwiększyć stopień zrównoważenia naszego systemu, to zmniejszyć zużycie energii serwera i poprawić wydajność instalacji fotowoltaicznej. Dzięki temu moglibyśmy uruchomić serwer na mniejszym akumulatorze i z mniejszym panelem słonecznym, obniżając w ten sposób energię wcieloną układu. Możemy również przejść na inny rodzaj magazynowania energii lub nawet inny rodzaj źródła energii.

Serwer

Wprowadziliśmy już pewne zmiany, które spowodowały mniejsze zużycie energii przez serwer. Na przykład odkryliśmy, że ponad połowa całkowitego ruchu danych na naszym serwerze (6.63 z 11.16 TB) była wynikiem pojedynczej zepsutej implementacji RSS, która ściągała nasz kanał co kilka minut.

Różnica w zużyciu prądu na poziomie 0.19 W sumuję się pzez dobę do 4.56 Wh, co oznacza że strona może pozostać online przez 2 i pół godziny dłużej.

Naprawienie tego, a także kilka innych zmian, obniżyło zużycie energii przez serwer (bez strat) z 1.14 W do około 0.95 W. Taki zysk może wydawać się niewielki, ale różnica w zużyciu energii wynosząca 0.19 W daje 4.56 Wh w na dobę, co oznacza, że strona może pozostać online dwie i pół godziny dłużej.

Sprawność systemu

Wydajność systemu wyniosła zaledwie 50% w pierwszym roku pracy. Straty energii występowały podczas ładowania i rozładowywania akumulatora (22%), a także podczas konwersji napięcia z 12V (system fotowoltaiczny) na 5V (połączenie USB), gdzie straty sumują się do 28%. Pierwszy konwerter napięcia który zbudowaliśmy nie był dobrze zoptymalizowany (nasz kontroler ładowania słonecznego nie ma wbudowanego połączenia USB), więc moglibyśmy postarać się zbudować lepszy lub przełączyć się na instalację fotowoltaiczną 5V.

Magazynowanie energii

Aby zwiększyć efektywność magazynowania energii, moglibyśmy zastąpić akumulatory ołowiowo-kwasowe droższymi akumulatorami litowo-jonowymi, których straty ładowania/rozładowania są niższe (<10%), a ich energia wcielona mniejsza. Bardziej prawdopodobne jest, że ostatecznie przejdziemy na małoskalowy system magazynowania energii na sprężone powietrze (Compressed Air Energy Storage, w skrócie CAES). Chociaż niskociśnieniowe układy CAES mają podobną wydajność jak akumulatory kwasowo-ołowiowe, to ich energia wcielona jest niższa z powodu znacznie dłuższej żywotności (dziesięciolecia, a nie lata).

Źródło zasilania

Innym sposobem na obniżenie energii wcielonej może być zmiana źródła energii odnawialnej. Energia słoneczna z fotowoltaiki ma wysoką energię wcieloną w porównaniu z wiatrową, wodną lub siłą ludzkich mięśni. Te ostatnie wymagają jedynie instalacji generatora i regulatora napięcia - resztę systemu zasilania można zbudować z drewna. ponadto strona internetowa zasilana wodą nie wymagałaby zaawansowanego technologicznie magazynowania energii. Jeśli żyjesz w chłodnym klimacie, to dzięki generatorowi termoelektrycznemu możesz nawet uruchomić witrynę internetową zasilaną piecem opalanym drewnem.

Moduł śledzenia słońca

Osoby, które cieszą się lepszym nasłonecznieniem i silniejszymi wiatrami, mogą zbudować system z niższą energią wcieloną niż nasz. Jednak dopóki autor nie zacznie zasilać swojej strony ręką lub nogą, jesteśmy skazani na słońce. Największym usprawnieniem jakie moglibyśmy wprowadzić, jest dodanie modułu śledzenia słońca, który sprawia że panel podąża za ruchem słońcem, co może zwiększyć uzysk prądu nawet o 30% i pozwala wydłużyć czas pracy (nawet przy mniejszym panelu fotowoltaicznym).

Efekt korzyści skali

Ostatnim sposobem na poprawienie stopnia zrównoważenia naszego systemu byłoby jego powiększenie: uruchomienie większej liczby stron internetowych na serwerze oraz uruchomienie większej liczby serwerów zasilanych słońcem. Tym sposobem można by zmniejszyć energię wcieloną systemu w porównaniu z tworzenie większej ilości pojedynczych stron.

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Słoneczna Spółka Hostingowa

Gdybyśmy zabudowali cały balkon autora panelami słonecznymi i założyli firmę hostingową zasilaną energią słoneczną, energia wcielona przypadająca na jednego odwiedzającego stronę znacznie by się zmniejszyła. Potrzebowalibyśmy tylko jednego serwera dla wielu stron internetowych i tylko jednego kontrolera ładowania słonecznego dla wielu paneli słonecznych. Konwersja napięcia byłaby bardziej energooszczędna, a zarówno energia słoneczna, jak i ta pobierana z baterii, mogłyby być dzielone przez wszystkie strony internetowe, co jest efektem korzyści skali.

Jest to oczywiście koncepcja centrum danych i chociaż nie mamy ambicji założenia takiej firmy, inni mogliby podchwycić ten pomysł: centrum danych, które działa równie skutecznie jak każde inne dzisiejsze centrum danych, ale z tą różnicą, że zasila je energia odnawialna i wyłącza się gdy pogoda jest zła.

Dodać więcej stron

Zauważyliśmy, że pojemność naszego serwera jest wystarczająco duża, aby pomieścić więcej stron internetowych, więc pierwszy krok w kierunku korzyści skali został wykonany. Na serwer słoneczny przenieśliśmy pozostałe wersje językowe w tym m.in. hiszpańską.

Chociaż ten ruch zwiększy nasze zużycie energii operacyjnej (potencjalnie także energię wcieloną), to eliminujemy tym sposobem pozostałe strony internetowe, które są lub były hostowane gdzie indziej. Musimy również pamiętać, że liczba odwiedzających Low-Tech Magazine może wzrosnąć w przyszłości, dlatego musimy stać się bardziej energooszczędni, aby utrzymać nasz niski ślad środowiskowy.

Łącząc serwer i oświetlenie

Innym sposobem osiągnięcia korzyści skali mogłoby być dosyć nietuzinkowe rozwiązanie. Serwer zasilany energią słoneczną jest częścią gospodarstwa domowego autora, które jest również częściowo zasilane energią słońca z poza sieci energetycznej. Gdy serwer był zasilany przez panel o mocy 50 W, autor zapalał światła w salonie na panelu o mocy 10 W, w wyniku czego często siedział po ciemku. Kiedy przełączaliśmy serwer na panel 10 watowy, było odwrotnie: w domu było więcej światła, ale czas pracy serwera skracał się.

Możemy więc przetestować różne konfiguracje bateri i paneli słonecznych, po prostu zamieniając komponenty pomiędzy instalacją sieciową a domową.

Jeśli pogoda się pogorszy autor może zdecydować, aby nie używać świateł i utrzymywać serwer online lub na odwrót.

Załóżmy, że uruchamiamy zarówno światła, jak i serwer na jednym układzie fotowoltaicznym. Obniżyłoby to energię wcieloną całości, ponieważ potrzebny byłby tylko jeden kontroler ładowania słonecznego. Co więcej, możliwe że wystarczyłaby znacznie mniejsza bateria i mniejszy panel słoneczny (w porównaniu do dwóch oddzielnych systemów), ponieważ jeśli pogoda się pogorszy, autor może zdecydować, że nie będzie zapalać światła tylko utrzymy serwer w trybie online lub na odwrót. W tym momencie jednak nie można tego zrobić ponieważ serwer jest jedynym obciążniem systemu, a jego mocą nie można łatwo manipulować.

Sieciowe zużycie energii

O ile wiemy, nasza analiza energetycznego cyklu życiowego strony internetowej, która działa wyłącznie na energii odnawialnej i zawiera kalkulację energii wcielonej infrastruktury magazynowania energii, jest pierwszą tego typu. Oczywiście nie jest to całkowita ilość energii jaką zużywa witryna.

Istnieje również energia operacyjna i wcielona infrastruktury sieci (która obejmuje nasz router, szkielet internetowy i sieć telefonii komórkowej), a także energia operacyjna i wcielona urządzeń używanych przez naszych gości do uzyskiwania dostępu do witryny: smartfonów, tabletów, laptopów czy komputerów stacjonarnych. Niektóre z nich mają niskie zużycie energii, ale wszystkie mają bardzo ograniczoną żywotność, a tym samym wysoką energię wcieloną.

Zużycie energii w sieci jest bezpośrednio związane z ruchem danych, więc nasza lekka strona internetowa jest równie wydajna w sieci komunikacyjnej, jak na naszym serwerze. Jednak mamy bardzo niewielki wpływ na to, z jakich urządzeń korzystają użytkownicy, aby uzyskać dostęp do naszej witryny. Nasza witryna mogłaby teoretycznie przedłużyć żywotność komputerów, ponieważ jest wystarczająco lekka, aby nawet bardzo stare maszyny miały do niej dostęp. Niestety, sam Low-Tech Magazine nie wydłuży życia wszystkich komputerów.

Zarówno infrastruktura sieciowa, jak i urządzenie do przeglądania stron mogłyby zostać na nowo opracowane zgodnie z kierunkiem jaki wyznacza strona zasilana energią słoneczną.

Podsumowując; zarówno infrastruktura sieciowa, jak i urządzenie do przeglądania strony mogłyby zostać na nowo opracowane zgodnie z kierunkiem jaki wyznacza strona zasilana energią słoneczną - mniejsze rozmiary, zasilanie z odnawialnych źródeł energii z małoskalowym systemem magazynowania energii. Urządzenia do przeglądania stron mogłyby mieć niskie zużycie energii i długą żywotność, i to one częściowo zainspirowały nasz projekt.

Ponieważ całkowite zużycie energii w Internecie jest zazwyczaj mierzone w przybliżeniu w równym stopniu na serwerach, w sieci i urządzeniach końcowych (łącznie z produkcją urządzeń), możemy dokonać przybliżonego szacunku całkowitego zużycia energii przez naszą stronę w nowym, przekształconym Internecie. W przypadku naszej pierwotnej konfiguracji z 95.2% czasem pracy byłoby to 87.6 kWh energii pierwotnej, co odpowiada 9 litrom ropy i 27 kg CO2. Ulepszenia, które zaproponowaliśmy w tym artykule mogą obniżyć ten wynik, ponieważ w naszych kalkulacjach przyjmujemy, że cały Internet jest zasilany przez zbyt duże niż jest to konieczne, nieruchome panele fotowoltaiczne na balkonach.

Podziękowania dla Kathy Vanhout, Adriana Parra i Gauthier Roussilhe.

Tłumaczenie Michał Kolbusz

Pojemność energii naszego pierwotnego zestawu jest wartością szacunkową. W rzeczywistości w tym okresie uruchomiliśmy serwer zasilany energią słoneczną na akumulatorze LiPo 24 Wh (3.7 V, 6.6 A) i umieściliśmy bardzo stary akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 84.4 Wh pomiędzy LiPo, a kontrolerem ładowania słonecznego aby oba systemy były kompatybilne. Napięcie odcięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego ustawiono bardzo wysoko latem (co oznacza, że system działał tylko na LiPo), ale zimą było przestawione niższe (tak, że po części akumulator kwasowo-ołowiowy zapewniał udział w magazynowaniu energii ). Ta skomplikowana konfiguracja była spowodowana faktem, że mogliśmy jedynie zmierzyć pojemność akumulatora LiPo, której potrzebowaliśmy do wyświetlenia naszego internetowego miernika akumulatora. W listopadzie 2019 r. Opracowaliśmy własny miernik akumulatorów kwasowo-ołowiowych, który umożliwił wyeliminowanie LiPo z naszej konfiguracji. ↩︎ ↩︎
“Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” (PDF) and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005 ↩︎
Pojemność energii naszego pierwotnego zestawu jest wartością szacunkową. W rzeczywistości w tym okresie uruchomiliśmy serwer zasilany energią słoneczną na akumulatorze LiPo 24 Wh (3.7 V, 6.6 A) i umieściliśmy bardzo stary akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 84.4 Wh pomiędzy LiPo, a kontrolerem ładowania słonecznego aby oba systemy były kompatybilne. Napięcie odcięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego ustawiono bardzo wysoko latem (co oznacza, że system działał tylko na LiPo), ale zimą było przestawione niższe (tak, że po części akumulator kwasowo-ołowiowy zapewniał udział w magazynowaniu energii ). Ta skomplikowana konfiguracja była spowodowana faktem, że mogliśmy jedynie zmierzyć pojemność akumulatora LiPo, której potrzebowaliśmy do wyświetlenia naszego internetowego miernika akumulatora. W listopadzie 2019 r. Opracowaliśmy własny miernik akumulatorów kwasowo-ołowiowych, który umożliwił wyeliminowanie LiPo z naszej konfiguracji. ↩︎
Nie ma badań dotyczących energii wcielonej naszego serwera. Obliczyliśmy tę wartość na podstawie analizy cyklu życia smartfona: Ercan, Mine & Malmodin, Jens & Bergmark, Pernilla & Kimfalk, Emma & Nilsson, Ellinor. (2016). [Ocena cyklu życia smartfona] (https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/research-papers/life-cycle-assessment-of-a-smartphone). 10.2991 / ict4s-16.2016.15. Nie wiemy ile popracuje nasz serwer, ale ponieważ nasz Olimex jest przeznaczony do użytku przemysłowego (w przeciwieństwie do Raspberry Pi), zakładamy, że żywotność wyniesie przynajmniej 10 lat, podobnie jak kontrolera ładowania. ↩︎
De Decker, Kris. “How sustainable is solar PV power?”, Low-tech Magazine, May 2015. ↩︎

Ogrzej swój dom za pomocą wiatraka

Wed, 27 Feb 2019 00:00:00 +0000

Ilustracja: [Rona Binay](https://ronabinay.com/) dla Low-Tech Magazine.

Produkcja energii odnawialnej skupia się prawie wyłącznie na wytwarzaniu elektryczności. Jednak większość energii zużywamy nie w formie prądu, lecz ciepła, którego nie są w stanie bezpośrednio dostarczyć nam ani panele fotowoltaiczne ani turbiny wiatrowe. Jeśli chcemy zamienić prąd na ciepło to musimy liczyć się dużymi stratami energii.

Cieplny kolektor solarny pomija zamianą energii słonecznej na elektryczną i staje się źródłem odnawialnej energii cieplnej w sposób bardziej bezpośredni i wydajny niż fotowoltaika.

Mało znanym jest fakt, że w wietrznym klimacie mechaniczne wiatraki mogą bezpośrednio produkować ciepło. Dzięki zastosowaniu powiększonego układu hamulcowego, wiatrak jest w stanie genereować duże ilości energii cieplnej poprzez tarcie. Wiatrak można dodatkowo połączyć z mechaniczną pompą ciepła, co może być tańszym rozwiązaniem niż ogrzewanie domu kotłem gazowym czy elektryczną pompą ciepła zasilaną przez turbinę wiatrową. (W tekście mianem „wiatrak” będzie określane urządzenie zamieniające energię siły wiatru na energię mechaniczną lub cieplną, za to mianem „turbiny wiatrowej” będzie określane urządzenie wytwarzające prąd elektryczny, przyp. tłum).

Ciepło kontra elektryczność

W skali globalnej zapotrzebowanie na energię cieplną odpowiada jednej trzeciej energii pierwotnej wykorzystywanej przez ludzkość (elektryczność to jedna piąta energii pierwotnej).¹ W klimacie zimnym i umiarkowanym jej udział jest jeszcze większy, na przykład, w Wielkiej Brytanii ciepło stanowi prawie połowę zużywanej energii. ² W gospodarstwach domowych energia potrzebna do ogrzania przestrzeni i wody stanowi od 60 do 80% całkowitego zużycia energii. ³

Pomimo tego energia odnawialna odgrywa wyjątkowo niewielkę rolę w produkcji ciepła. Głównym wyjątkiem jest tradycyjne spalanie biomasy do gotowania i ogrzewania domów - lecz w krajach “rozwiniętych” nawet biomasa jest często spalana w elektrowniach do produkcji prądu. Bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego i ciepła geotermicznego zaspokaja odpowiednio mniej niż 1% i 0,2% światowego zużycia ciepła. ⁴⁵ Chociaż źródła odnawialne odpowiadają za ponad 20% światowej produkcji elektryczności (przede wszystkim z elektrowni wodnych), ich udział w światowej produkcji ciepła wynosi jedynie 10%. Głównym źródłem odnawialnej energii cieplnej jest biomasa. ⁵⁶

Bezpośrednia kontra pośrednia produkcja ciepła.

Ektryczność dostarczana ze źródeł odnawialnych może być pośrednio zamieniana w energię cieplną. Weźmy dla przykładu turbinę wiatrową. Turbina zamienia energię obrotową (energię kinetyczną ruchu obrotowego) w energię elektryczną za pomocą prądnicy. Następnie prąd zamieniany jest w ciepło przez użycie grzejnika elektrycznego, elektrycznego kotła lub pompy ciepła. W ten sposób energia wiatru generuje ciepło.

W szczególności pompy ciepła są promowana przez wiele rządów i organizacji jako zrównoważony, odnawialny sposób produkcji ciepła. Jednak moc słońca i wiatru można bezpośrednio wykorzystać do produkcji ciepła, bez potrzeby wcześniejszej konwersji elektryczności na ciepło (to samo tyczy się spalania biomasy). Bezpośrednia produkcja energii cieplnej jest tańsza, bardziej wydajna energetycznie i bardziej zrównoważona niż produkcja pośrednia.

Prototypy wiatraków generujących ciepło, skonstruowane przez Esra L. Sorensen'a w 1974 r. Fotografia Claus Nyobre. Źródło: [^13]

Bezpośrednią alternatywą dla fotowoltaiki jest termiczna energia słoneczna. Technologia ta pojawiła się w XIX wieku w wyniku poszukiwań sposobu obniżenia kosztów produkcji szkła i luster. Termiczną energię słoneczną można użyć do ogrzewania wody i pomieszczeń oraz wykorzystać ją w przemyśle. Jest 2 do 3 razy bardziej wydajna energetycznie niż konwersja elektryczności na ciepło.

Prawie nikt nie wie, że wiatrak może bezpośrednio wytwarzać ciepło.

Bezpośrednią i powszechnie znaną konkurencją dla turbin wiartowych jest staromodny wiatrak, który ma już z grubsza dwa tysiące lat. Wiatrak zamienia energię obrotową wirnika bezpośrednio proprzez wał na energię mechaniczą, wykorzystywaną na przykład do cięcia drewna czy mielenie zboża. Ta stara technologia ciągle pozostaje wartościowa, ponieważ jest bardziej wydajana energetycznie (w szczególności w połączeniu z nowszymi rozwiązaniami) niż zamiana energii obrotowej turbiny na energię elektryczną i spowrotem na energię mechananiczną.

Jednakże staromodny wiatrak może być również źródłem ciepła. Problem z tym, że praktycznie nikt o tym nie wie! Nawet Międzynarodowa Agencja Energetyczna (ang. IEA) nie wymienia w swoich opracowaniach na temat wszystkich możliwych opcji zrównoważonej produkcji ciepła, bezpośredniej produkcji energii termicznej przez wiatraki.¹

Wiatrak z hamulcem wodnym

Istnieją mechaniczne wiatraki, które bezpośrednio zamieniają energię obrotową na ciepło, przy użyciu “hamulca wodnego” lub tzw. “maszyny Joule’a”. Tak działający generator ciepła to tak naprawdę napędzany wiatrem mikser zainstalowany w zaizolowanym zbiorniku z woda. Dzięki tarciu pomiędzy cząsteczkami wody, energia mechaniczna jest zamianiana w energię termiczną. Podgrzaną wodę można następnia przepompować do budynków i użyć ją do ogrzewania czy do prania. Przemysł, który wymaga względnie niskich temperatur (przetwórstwo spożywcze, papiernictwo, browarnictwo, przemysł chemiczny itp., przyp. tłum.) może również skorzystać z ciepła dostarczanego przez wiatraki. ⁷⁸⁹.

Szkic systemu ogrzewania bazujacego na wiatraku z hamulcem wodnym. Źródło: [^8]

Maszyna Joule’a została opracowana jako urządzenie pomiarowe. James Prescot Joule skonstruował ją w latach 40-tych XIX w. na potrzeby swoich słynnych pomiarów mechaniczego równoważnika ciepła - jedna kaloria równa się ilości energi potrzebnej do ogrzania 1 centymetra sześciennego wody o 1 stopień Celsiusza. ¹⁰

Tak działający generator ciepła to tak naprawdę napędzany wiatrem mikser zamontowany w zaizolowanym zbiorniku z wodę.

Najbardziej fascynujęce w wiatrakach z hamulcem wodnym jest to, że hipotetycznie, mogły być budowane setki, jak nie tysiace lat temu. Do ich postawienie wystarczą łatwo dostępny materiały, takie jak drewno lub metal. Chcociaż nie możemy wykluczyć, że podobne urządzenie nie pojawiały się w czasach przedprzemysłowych, to pierwsze udokumentowane ich wykorzystanie przypada na lata 70-te XX wieku, kiedy to Duńczycy zaczeli stawiać je w następstwie pierwszego kryzysu paliwowego.

Szkic generatora ciepła w wiatraku. Źródło: [^8]

W tym czasie Dania, była prawie całkowicie uzależniona od importowanej ropy do ogrzewania domów, przez co wiele gospodarstw zostało pozostawionych bez ogrzewania kiedy dostawy paliwa uległy zakłóceniu. Ponieważ wsród duńskich rolników istniała silna kultura “zrób-to-sam” w stawianiu małych turbin wiatrowych, w obliczu widma braku ogrzewania zaczęto na farmach stawiać wiatraki. Jedni wybrali metody pośrednie produkcji energii elektrycznej i zamiany jej na ciepło, inni postawili na bezpośrednią produkcje ciepła.

Tańsze w budowie

Bezpośrednia produkcja ciepła jest znacząco tańsza i bardziej zrównoważona niż konwersja energii słonecznej i wiatrowej na elektryczność, a następnie zamiana prądu na energię cieplną. Są dwa powody dlaczego tak jest.

Po pierwsze i najważniejsze, wiatraki mechaniczne są mniej skomplikowane niż turbiny wiatrowe, co czyni je bardziej opłacalnymi i mniej wymagającymi w budowie pod względem materiałowym. Dzięki mniej złożonej i prostszej konstrukcji charakteryzuję się one wyższą niezawodnością i dłuższą żywotnością. W wiatrakach z hamulcem wodnym generator, przekładnia i transformator są zbędne, dzięki czemu wiatraki są lżejsze. Niższa masa pozwala oszczędzić środków na fundamenty i solidności konstrukcji. Maszyna Joule’a jest mniejsza, waży mniej i kosztuje mniej niż generator. ¹¹. Należy równiez wziąć pod uwagę, że koszt magazynowania ciepła jest 60-70% niższy w porównaniu z bateriami lub z utrzymaniem elektrociepłowni jako back-up’u. ²

Wiatrak z hamulcem wodnym zbudowane przez Institute for Agricultural Techniques w 1974. Autor zdjęcia Ricard Matzen. Źródło [^13].

Po drugie, zamiana energii słońca i wiatru w energię cieplną lub mechaniczną może być bardziej wydajna energetycznie, w przypadku kiedy w cały w ten proces nie jest włączona produkcja eletryczności. Oznacza to mniejszą liczbę konwerterów energii do zapewnienie wymaganej ilości ciepła, co przekłada się na mniejszą ilość zajętej przestrzeni i zużytych surowców. W skrócie: wiatrak wytwarzający ciepło rozwiązuje główne problemy energii wiatrowej: niską gęstość energii i niską powtarzalność.

Komentarz tłumacza - energia wiatrowa ma niską gęstość energetyczną w porównaniu z gęstościa energetyczną paliw kopalnych. Problemem powtarzalności wynika z tego, że wiatrak moze pracować jedynie wtedy kiedy wieje wiatr z odpowiednią prędkością, a taka sytuacja nie zawsze ma miejsce. Wyższa wydajność energetyczna wiatraków mechanicznych wynika z pominięcie jednego istotnego kroku konwersji energii. Nie zmienia to jednak faktu, że energia wiatru ma niską gęstość ani że wiatr nie zawsze wieje, jednak mniej energii jest marnowana na konwersje przez co wiatrak może być bardziej wydajny w produkcji ciepła niż turbina wiatrowa.

Wiatraki mechaniczne są mniej skomplikowane, co wydłuża ich żywotność i czyni je bardziej opłacalnymi i mniej wymagającymi w budowie pod względem materiałowym.

Co więcej, bezpośrednia produkcja ciepła wyraźnie zwiększa ekonomiczność użycia małych wiatraków. Testy dowiodły, że małe turbiny wiatrowe mają wyjatkowo niską wydajność i rzadko kiedy wytworzą tyle energii ile zostalo zużyte do ich produkcji. ¹². Użycie małych wiatraków do produkcji ciepła może obniżyć koszty, zmniejszyć “emboddied energy” oraz zwiększyć żywotność i wydajność produkcji energii.

Ile ciepła może wyprodukować wiatrak?

Duński wiatrak z hamulcem wodnym z lat siedemdziesiatych XX w., był względnie niewielkim urządzeniem z wirnikiem o średnicy około 6 metrów i wysokości około 12 metrów. Większe wiatraki generujące ciepło budowano w latach osiemdziesiątych XX w. W większości z nich montowano proste drewniane skrzydła. Udokumentowano powstanie przynajmniej dwunastu wiatraków, zarówno samoróbek jak i modeli komercyjnych. ⁷ W wielu z nich wykorzystano używane części samochodowe i inne odrzucone materiały. ¹³.

Jeden ze wczesnych małych Duńskich wiatraków przeszedł oficjalne testy. “Calorius Typ 37” - z wirnikiem o średnicy 5 metrów i wysokości 9 metrów - był w stanie wytworzyć 3,5 kW mocy przy prędkości wiatru 11 m/s (silny wiatr, 6 w skali Beauforta). Są to osiągi porównywalane z mocą najmniejszego pokojowego grzejnika elektrycznego. Pomiędzy rokiem 1993 a 2000, Duńska firma Westrup zbudowała 34 wiatraki z hamulcem wodnym oparte na projekcie „Caloriusa”, a do 2012 roku w użyciu pozostało 17 z nich. ⁷

Wiatrak Calorius produkuje do 4 kW ciepła. Zdjęcie udostępnione przez [Nordic Folkecenter](http://folkecenter.eu) w Danii.

Znacznie większy wiatrak z hamulcem wodnym (wirnik średnicy 7.5 metra, wysokość wieży 17 metrów) został zbudowany przez braci Svaneborg w 1982 roku, i ogrzewał dom jednego z nich (drugi brat postawił na turbiną wiatrową i ogrzewania elekrtryczne). Wiatrak, wyposażony w trzy skrzydła z włókna szklanego, produkował według nieoficjalnych źródeł do 8 kW ciepła - porównywalnie z kotłem elektrycznym ogrzewającym skromny dom. ⁷

W późnych latach osiemdziesiątych XX w. Knud Berthou zbudował jak do tej pory najnowocześniejszy wiatrak wytwarzający ciepło - model LO-FA. W innych modelach produkcja ciepła odbywa się u podstawy wieży - od wirnika do podstawy wieży biegnie wał napędowy obracający hamulec wodny. W modelu LO-FA wszystkie części mechaniczne potrzebne do konwersji energii powędrowały na szczyt dwudziestometrowej wieży. 10 dolnych metrów jest wypełnionych 15 tonami wody i termicznie zaizolowanych. Można dosłownie odkręcić kurek i lać gorącą wodę prosto z wiatraka. ⁷

Wieża modelu LO-FA jest wypałniona 15 tonami wody i zaizolowana termicznie. Można dosłownie lać gorącą wodę prosto z wiatraka.

Lo-Fa był największym wiatrakiem wytwarzającym ciepło, z wirnkiem o średnicy 12 metrów. Moc cieplna szacowano na 90 kW przy prędkości wiatru 14 m/s (7 w skali Beuforta). Taka wartość zdaje się być przesadnie wysoka w porównaniu z innym wiatrakami, jednakże należy pamiętać, że moc wyjściowa wiatraka zwiększa się ponadproporcjonalnie z wielkością wirnika i z predkością wiatru. Dodatkowo w LO-FA zastosowano olej hydrauliczny zamiast wody, który może nagzrzewać się do znacznie wyższych temperatur. Gorący olej oddawał ciepło wodzie u podstawy wieży. ⁷

Zainteresowanie powraca

Chociaż od kilku lat można obserwować ponowne zainteresowanie wiatrakami wytwarzającymi ciepło, jednak niewiele ukazuje się opracowań naukowych na ich temat na ich temat. W pracy z 2011 roku Niemieccy i angielscy naukowcy piszą, że “małe i postawione na uboczy (off-grid) gospodarstwa domowe pónocnych regionów, potrzebują raczej ciepła niż elektryczności, więc turbiny wiatrowe w takich miejscach powinno być stawiane w celu produkcji energi cieplnej”. ⁸

Badacze pokazują mechanizm działania wiatraka z mechanicznym hamulcem wodnym i obliczają optymalne parametry pracy dla tej technologii. Dowodzą, że w celu uzyskania najlepszej wydajności średnica wirnika wiatraka powinna być precyzyjnie dobrana do średnicy wirnika hamulca wodnego. Dla bardzo małego wiatraka Savonius, który to naukowcy użyli do testów i modelowania, o średnicy wirnika 0,5 m i wysokości wieży 2,0 m, powinnien zostać dobrany wirnik hamulca o średnicy 0.388 m.

W celu obliczenia mocy wyjściowej wiatraka, naukowcy przeprowadzili symulacje trwające 50 godzin. Okazało się, że Savonius, który jest wolnoobrotowym wiatrakiem nienadającym się do produkcji elektryczności, ma świetne wyniki jeśli chodzi o produkcje ciepła. Witrak wytwarzał do 1 kW mocy cieplnej przy prędkości wiatru 15 m/s. ⁸ W opracowaniu z 2013 roku uzyskano podobne rezultaty w testach prototypu wiatraka. Obliczono, że wydajność tej metody produkcji ciepła sięga 91%. ⁹. Jest to wynik porównywalny z wydajnością turbiny wiatrowej ogrzewającej wodę prądem elektrycznym.

W opracowaniu z 2013 roku, używając prototypu wiatraka, obliczono wydajność systemu na 91%

Oczywiście nie zawsze wieje porywisty wiatr, co oznacza że dla generowanie ciepła z wiatru ważna jest przedewszystkim średnia prędkość wiatru na danym terenie. W pracy z 2015 roku zbadano możliwość wytwarzania ciepła dzieki energii wiatru na Litwie, w pństwie bałtyckim o zimnym klimacie, zdanym na import drogich paliw koplanych. ¹⁴. Badacze obliczyli, że przy średniej krajowej prędkości wiatru (4 m/s, 3 w skali Beuforta) wygenerowanie 1 kW ciepła wymaga użycia wiatraka o średnicy wirnika 8.2 m.

Wiatrak wytwarzający ciepło z hamulcem wodnym umieszczonym w środku podstawy wieży. Wiatrak zbudowany przez Jorgena Andersena w 1975 w miejscowości Serritslev. Autor zdjęcia: Claus Nybroe. Źródło: [^13].

Badacze porównali uzyskany wyniki z zapotrzebowaniem cieplnym 120 metrowego, nowego, dobrze ocieplonego budynku ogrzewanego do temperatury współczesnych standardów komfortu (21’C) i wywnioskowali, że wiatrak byłby w stanie pokryć 40-75% rocznego zapotrzebowania na ciepło (w zależności od klasy termoizolacji budynku). ¹⁴.

Magazynowanie ciepła

Ponieważ nie ma gwarancji, że wiatr będzie wiał nawet ze średnią predkością, wiatrak wytwarzający ciepło potrzebuje systemu jego magazynowania. W przeciwnym razie będzie dostarczał ciepło jedynie wtedy kiedy wieje wiatr. Jeden metr sześcienny ogrzanej wody (1 tona lub 1 000 litrów) może zawierać do 90KWh ciepła, co mniej więcej odpowiada dwudniowemu zapotrzebowaniu na ciepło czteroosobowego gospodarstwa domowego.

Ten sam wiatrak co na poprzednim zdjęciu widziany od dołu. Źródło [^7].

Do zmagazynowanie odpowiedniej ilości ciepła wymaganego do przetrwania siedmiu bezwietrznych dni, potrzeba aż do 7 ton wody (co odpowiada 7 metrom szześciennym, nie licząc termoizolacji). Należy jednakże liczyć się ze stratami ciepła. Z tego powodu duńskie wiatraki wytwarzające ciepło mają zwykle zbiorniki wody o pojemności od 10 do 20 tysięcy litrów. ¹³

Wiatrak wytwarzający ciepło może być połączony z kotłem solarnym, dzięki czemu zarówno wiatr jak i słońce mogą bezpośrednio dostarczać energie termalną z użyciem małego zbiornika z wodą.

Wiatrak wytwarzający ciepło można połączyć z kotłem solarnym, dzięki czemu zarówno wiatr i słońce mogą bezpośrednio dostarczać energie termalną z użyciem wspólnego zbiornika wody. W takim układzie, możliwe staje się zbudowanie całkiem wydajnego systemu ogrzewania z mniejszym zbiornikiem wody, ponieważ połączenie dwóch (często komplementarnych) źródeł energii zwiększa szanse na ciągłe wytwarzanie ciepła. W szczególnie w mniej słonecznych regionach wiatraki wytwarzające cieplo mogą być świetnym dodatkiem do systemów ogrzewania solarnego, ponieważ te drugie produkują mniej ciepła podczas zimy kiedy to zapotrzebowanie na nie jest większe.

Zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła

Najbardziej aktualne i wyczerpujące badania nad wiatrakami wytwarzającymi ciepło pochodzą z lat 2016 i 2018, w których porównywano różne typy wiatraków z technikami niebezpośredniego wytwarzania ciepła. ¹¹⁵ Oprócz wiatraka wyposażonego w hamulec wodny przetestowano również konstrukcje wykorzystujące mechaniczną pompę ciepła i zwalniacz hydrodynamiczny (ang. hydrodynamic retarder).

Mechanicza pompa ciepła to po prostu pompa nie zasilana prądem elektrycznym. Wirnik połączony jest mechanicznie z kompresorem/kompresorami pompy ciepła. Jeden etap konwersji energii zostaje pominięty dzięki czemu taka pompa jest przynajmniej 10% bardziej wydajna energetycznie niż elektryczna pompa ciepła zasilana turbiną wiatrową.

Zwalniacz hydrodynamiczny jest dobrze znany jako system hamulcowy w ciężkich pojazdach. Tak jak maszyna Joule’a, zamienia energię obrotową w ciepło bez udziału energii elektrycznej. Zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła mają te same zalety co maszyny Joule’a - są znacznie mniejsze, lżejsze i tańsze od generatorów. Jednakże, aby uzyskać maksymalną wydajność należy zastosować w układzie skrzynię biegów.

Porównanie różnych typów bezpośredniej i pośredniej produkcji ciepła. Żródła [^15].

W badaniu porównywane są wiatraki generujące ciepło wyposażone w zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła z pośrednimi metodami produkcji ciepła opartymi na kotach elektrycznych i elektrycznych pompach ciepła. Działanie tych czterech technolgii testowane jest w trzech układach: małego wiatraka mającego ogrzać pojedyńczy dom, dużego wiatraka mającego zapewnić ciepło wiosce, oraz farmy wiatrowej produkującej ciepło dla 20 tysięcy mieszkańców. Podstawą oceny są roczne nakłady inwestycyjne i operacyjne, przyjmując czas pracy na 20 lat. ¹ ¹⁵

Bezpośrednie sprzężenie mechaniczego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła jest tańsze niż użycie kotła gazowego czy kombinacja turbiny wiatrowej z elektryczną pompą ciepła.

Dla pojedyńczego domostwa bezpośrednie sprzężenie mechanicznego wiatraka z mechanicza pompą ciepła jest najtańszym rozwiazaniem. Połączenie turbiny wiatrowej z kotłem elektrycznym jest trzykrotnie droższe. Wszystkie pozostałe technologie plasują się gdzieś pomiędzy. Biorąc pod uwagą koszty inwestycyjne, operacyjne i wydajność małych wiatraków (rocznie wytwarzają one od około 12 do 22% maksymalnej mocy wyjściowej), połączenie małego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła jest tańsze lub równie drogie jak użycie kotła gazowego.

Zdjęcie: Wiatrak z hamulcem wodnym opracowany przez O. Halgesona (po lewej), hamulec wodny z systemem zmiennego obciążenia (po prawej). Zdjęcie pochodzi z \"Testów pracy wiatraka z hamulcem wodnym przy bardzo dużej prędkości wiatru\", O. Helgason i A.S. Sigurdson. Instytut Nauki, Uniwersytet Islandzki. Źródło: [^7].

Z drugiej strony połączenie małej turbiny wiatrowej z elektryczną pompą ciepła wymaga użycia turbiny o współczynniku wykorzystanie mocy (jest to maksymalna moc turbiny podzielona przez średnią uzyskiwaną moc, przyp. tłum), przynajmniej na poziomie 30%, aby móc konkurować kosztami z ogrzewaniem gazowym. Niestety tak wysokie osiągi turbin są rzadkością. Wyniki testów większych systemów (wiatraki dostarczające ciepło farmie lub wiosce) są takie jak w przypadku małych - połączenie mechanicznego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła wymaga trzykrotnie mniejszego kapitału dzięki korzyści skali (koszt jednostkowy produkcji obniża się wraz ze zwiększajacą się skalą przedsięwzięcia). Większe wiatraki mają wyższy współczynnik wykorzystanie mocy (16-40%) co daje jeszcze większe oszczędności.

Z powodu dużych strat energii podczas transportu ciepła, wiatrak wytwarzający ciepło sprawdza się najlepiej jako zdecentralizowane źródło energii, zapewniające ciepło dla domu wyłączonego z sieci (ang. off-grid) - lub w najlepszym wypadku - dla małego miasteczka.

Jednakże, w większych systemach napotykamy problem związany z ich rozmiarami. Magazynowanie ciepła może być wydajniejsze niz elektryczności, ale w przypadku jego przesyłu systuacja ma się zupełnie inaczej - straty energetyczne w transporcie ciepła są znacznie większe niż straty w przesyle elekrtyczności. Naukowcy obliczyli, że maksymalna odległość przesyłu ciepła, która jest opłacalna przy optymalnej prędkości wiatru to 50 km. ¹⁵.

Zaślepieni elektrycznością

Wiatraki generujace ciepło testowane są rówenież pod kątem produkcji odnawialnej energii elektrycznej, ponieważ oferują lepsze rozwiązania magazynowania energii w porównaniu do baterii czy innych popularnych technologii. ¹⁶. W takich systemach, wyprodukowane ciepło jest zamieniane na prąd elektryczyczny za pomocą turbin parowych. System magazynowania energii jest zbliżony do tych używanych elektrowniach skoncentrowanej energii słonecznej (ang. concentrated solar power plant, skrót CSP), tylko że wiatraki zastępują kolektory słoneczne.

[Ilustration nr 10]. \"Grzejnik wiroprądowy\". Źródło: [^9]

Ponieważ turbina parowa potrzebuje wysokiej temperatury do wytworzenia prądu, nie jest możliwe użycie ani maszyny Joule’a, ani zwalniaczy hydrodynamicznych. Należy zastosować inny typ zwalniacza nazywany “grzejnikiem wiroprądowym” (lub “grzejnikiem indukcyjnym). Magnes umieszczony na wale obraca się wewnątrz cewki wypełnionej wodą. Indukowany przez magnes prąd elektryczny ogrzewa wodę w cewce, nawet do temperatury 600’C. Zastosowanie takiego rozwiązania może zapewnić ciepło o wysokiej temperturze, czyniąc wiatraki w nie wyposażone użytecznymi dla przemysłu.

Jednak wykorzystanie wytworzonego i zmagazynowanego przez wiatraki ciepła do produkcji energii elektrycznej jest bardziej kosztowne i mniej zrównoważone niż bezpośrednie jego zużycie. Konwersja ciepła na prąd elektryczny jest wydajne w co najwyżej 30%, co oznacza że dwie trzecie energii wiatru jest marnowana w podczasz konwersji energii. To samo tyczy się ciepła wytworzonego dzięki energii słonecznej. ¹⁵

Bezpośrednia produkcja ciepła oferuje możliwość zaoszczędzenia trzykrotnie większej ilości emisji gazów cieplarnianych i paliw kopalnych, wykorzystując tę samą liczbę wiatraków. Wiatraki mechancznicze są dodatkowo tańsze i bardziej zrównoważone w budowie niż turbiny wiatrowe. Na szczęście bezpośrednia produckja ciepła otrzyma uwagą na jakie zasługuje. Chociaż klimat się ociepla to zapotrzebowania na energie cieplną jest wysokie jak nigdy dotąd.

Nitto, Dipl-Ing Alejandro Nicolás, Carsten Agert, and Yvonne Scholz. “WIND POWERED THERMAL ENERGY SYSTEMS (WTES)”. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Integration of Thermal Energy Storage into Energy Network, Sharyar Ahmed, 2017 ↩︎ ↩︎
The bright future of solar thermal powered factories, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2011 ↩︎
Solar Heat Worldwide, edition 2018, International Energy Agency (IEA). ↩︎
Renewables 2018, Heat, International Energy Agency (IEA). ↩︎ ↩︎
World Bank: Renewable electricity output. ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. See chapter 13 (“Water brake windmills”, Jørgen Krogsgaard) and chapter 16 (“Consigned to Oblivion”, Preben Maegaard). These seem to be the only English language documents on Danish water brake windmills. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chakirov, Roustiam, and Yuriy Vagapov. “Direct conversion of wind energy into heat using joule machine.” Fourth International Conference on Environmental and Computer Science (ICECS 2011), Singapore, Sept. 2011. ↩︎ ↩︎ ↩︎
SMALL WIND ENERGY SYSTEM WITH PERMANENT MAGNET EDDY CURRENT HEATER, BY ION SOBOR, VASILE RACHIER, ANDREI CHICIUC and RODION CIUPERCĂ. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IAŞI. Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi Tomul LIX (LXIII), Fasc. 4, 2013 ↩︎ ↩︎
Joule’s experiment: An historico-critical approach, Marcos Pou Gallo Advisor. ↩︎
Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. ↩︎
Real-world tests of small wind turbines in Netherlands and the UK, Kris De Decker, The Oil Drum, 2010. ↩︎
Selfbuilders, Winds of Change website, Erik Grove-Nielsen. ↩︎ ↩︎
Černeckienė, Jurgita, and Tadas Ždankus. “Usage of the Wind Energy for Heating of the Energy-Efficient Buildings: Analysis of Possibilities.” Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering 10.1 (2015): 58-65. ↩︎ ↩︎
Cao, Karl-Kiên, et al. “Expanding the horizons of power-to-heat: Cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems.” Energy 164 (2018): 925-936. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. ↩︎