LOW←TECH MAGAZINE Polski

Czy da się zbudować low-techowy panel solarny?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

Zdjęcie: George Cove stoi przy swoim trzecim prototypie panelu słonecznego. Źródło: „Wytwarzanie energii za pomocą promieni słonecznych, *Popular Electricity*, wyd. 2, nr 12, kwiecień 1910 roku, strona 793.

Bardziej wydajne, mniej zrównoważone

Od czasu kiedy Laboratoria Bell’a zaprezentowały światu pierwszy panel fotowoltaiczny w latach 50. XX w. rozwój technologiczny skupił się na redukcji kosztów i zwiększaniu sprawności ogniw krzemowych. Badacze osiągnęli niemały sukces na tych polach. Sprawność paneli solarnych wzrosła z mniej niż 5% w latach 50. do ponad 20% dzisiaj, a koszt za jeden wat mocy szczytowej spadł z 30 dolarów w 1980 roku do 0.2 dolara w 2020 r. Niższa cena – do czego przyczynia się wyższa sprawność – jest uważana za kluczowy czynnik, który pozwoli fotowoltaice konkurować na rynku energii elektrycznej z paliwami kopalnymi.

Jednak pod względem zrównoważenia niewiele udało się poprawić. Chociaż minęło siedem dekad od powstania pierwszych krzemowych ogniw, ciągle nie nadają się one do recyklingu i w tysiącach ton lądują jako odpad na wysypiskach – w nadchodzących latach będzie ich coraz więcej. Panele solarne mają żywotność około 25-30 lat ((analiza rynku fotowoltaiki w Niemczech wskazuje, że ogniwa krzemowe mają krótszą żywotność, wynoszącą ok. 17-18 lat, przyp. tłum.), a większość z nich została zainstalowana niedawno. Badacze przewidują, że do 2050 roku prawie 80 milionów ton paneli słonecznych zakończy swój żywot. ¹ ² ³ Oznacza to ogrom zmarnowanych surowców i zagrożenie dla środowiska – złomowane panele zawierają toksyczne substancje i stwarzają ryzyko pożarowe.

Produkcja fotowoltaiki wymaga dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, a to blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórców.

Produkcja paneli fotowoltaicznych jest równie problematyczna. Generuje toksyczne substancje i wymaga globalnych łańcuchów dostaw, w tym: drogich fabryk, skomplikowanych maszyn, kopalń minerałów i ciągłego dopływu paliw kopalnych. W analizie cyklu życiowego paneli słonecznych naukowcy policzyli ile energii i materiałów potrzeba do ich zbudowania, jednak nie uwzględnili w obliczeniach ogromnych nakładów energii potrzebnych na powstanie i utrzymanie globalnych łańcuchów dostaw. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Taka analiza nie pokazuje więc prawdziwego kosztu paneli fotowoltaicznych, który wyraża się w zużytych paliwach kopalnych, wyemitowanych zanieczyszczeniach i gazach cieplarnianych. Co więcej, produkcja fotowoltaiki, wymagająca dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórcom.

Szukając inspiracji w przeszłości

Czy fotowoltaika musi być niezrównoważona, nierecyklingowalna i uzależniona od kapitałochłonnych zaawansowanych technologii wytwarzania? A może da się ją wytwarzać prostszymi metodami z lokalnie dostępnych i możliwych do recyklingu materiałów? Innymi słowy, czy można zbudować low-techowy panel fotowoltaiczny? A jeśli tak, to jakie będę koszty i sprawność?

Zanim postaramy się odpowiedzieć na te pytania, musimy zaznaczyć, że najlepszą low-techową alternatywą dla high-techowych paneli solarnych nie jest low-techowy panel, tylko bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej bez zamiany jej na elektryczność. Na przykład, sznurek na bieliznę i solarne grzanie wody są znacznie bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne niż suszarka bębnowa i bojler elektryczny zasilany fotowoltaiką. Energię słońca można wykorzystywać bezpośrednio, używając lokalnych materiałów, niezbyt zaawansowanych procesów technologicznych i krótkich łańcuchów dostaw.

Jednakże w tym artykule próbuję szczerze odpowiedzieć na postawione pytanie: czy możemy zbudować low-techowe urządzenia fotowoltaiczne, które zamieniają promienie słoneczne na elektryczność? W poprzednim artykule zobaczyliśmy, że z historii możemy czerpać inspirację do budowy bardziej zrównoważonych turbin wiatrowych. Czy historia zainspiruje nas również do poszukiwań bardziej zrównoważonych ogniw solarnych?

Prehistoria ogniw solarnych

Zaprezentowany w roku 1954 panel fotowoltaiczny Laboratoriów Bell’a nie wziął się znikąd. Korzenie krzemowych ogniw słonecznych sięgają prostszych urządzeń, które wytwarzały prąd elektryczny ze światła lub z ciepła.

W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył, że w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali ze złączami o różnych temperaturach popłynie prąd elektryczny. Ten „efekt termoelektryczny” stanowił podstawę działania „generatora termoelektrycznego” — urządzenia, które przekształca ciepło (na przykład z pieca opalanego drewnem) bezpośrednio na energię elektryczną. W 1839 roku Antoine Becquerel odkrył, że światło można również zamieniać w elektryczność, a w latach 70. XIX wieku kilku naukowców odkryło ten sam efekt w ciałach stałych - zwłaszcza w selenie. „Efekt fotoelektryczny” stał się podstawą „generatora fotoelektrycznego”, który teraz nazywamy generatorem fotowoltaicznym lub ogniwem fotowoltaicznym. W 1883 roku Charles Fritts skonstruował pierwszy w historii moduł fotowoltaiczny wykorzystując selen na cienkiej warstwie złota. ¹² ¹³ ¹⁴

Od lat 20. XIX w. aż do lat 50. XX w. praktyczne zastosowanie urządzeń termoelektrycznych i fotoelektrycznych było ograniczone. Wynalazcy zbudowali wiele eksperymentalnych generatorów termoelektrycznych (zwykle zasilanych płomieniem gazowym), jednak ich sprawność nie przekraczała 1%. Podobnie panel słoneczny Charlesa Frittsa (i później wyprodukowane selenowe ogniwa słoneczne) osiągnęł zaledwie 1-2% wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną. ¹⁵ Mówiąc krótko, okres przed latami 50. XX w. nie wydaje się dawać wiele inspiracji do budowy bardziej zrównoważonych paneli fotowoltaicznych.

Zapomniany pionier energii solarnej

Historia paneli słonecznych zdaje się być niekompletna. W 2019 roku otrzymałem maila od czytelnika Low-tech Magazine, Philipa Pesavento:

„Badam od początku lat 90. [historię] wczesnego pioniera technologii ogniw solarnych z przed drugiej wojny światowej. Jestem już za stary, żeby w jakikolwiek sposób kontynuować [tę pracę], jednak jest jeden, lub dwa, artykuły naukowe o Panu Cove, jednak zupełnie mylą się co do tego, co on osiągnął. Załączam pdf z prezentacją PowerPoint, którą zrobiłem w 2015, ale nigdy nikomu nie pokazałem. Jeśli jesteś zainteresowany samemu napisać o nim, mogę przesłać ci pendrive ze wszystkimi materiałami, które zebrałem.”

Jeśli hipotezy i zebrany przez Philipa Pesavento materiał historyczny są rzetelne, to oznacza, że George Cove postanowił zbudować generator termoelektryczny, ale przypadkowo stworzył generator fotowoltaiczny (ogniwo fotowoltaiczne). Chociaż miało to miejsce na początku XX wieku, Cove uzyskał porównywalną moc wyjściową i wydajność z urządzeniem z Laboratoriów Bell’a z 1954 roku. Jego projekt wykazywał również znacznie wyższą wydajność niż selenowe ogniwa słoneczne budowane w latach 1880-1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

„To byłoby ekscytujące udowodnić, że stosunkowo wysokowydajne ogniwa solarne zostały wynalezione 40 lat przed opracowaniem ogniw krzemowych. Co ważniejsze, jeśli okaże się, że przed I wojną światową istniała fotowoltaika i system paneli fotowoltaicznych, może to nieść korzyści, takie jak: taniości surowców, niskiej energii wcielonej potrzebnej do przetwarzania rud na materiały metaliczne, [wyższej] wydajności końcowej ogniwa fotowoltaicznego i łatwości produkcji.”

Innymi słowy, jeśli historyczny opis i hipotezy Philipa Pesavento są prawdziwe, możliwe jest zbudowanie low-techowych paneli słonecznych.

Słoneczny generator elektryczny George Cove

George Cove zaprezentował swój pierwszy „słoneczny generator elektryczny” w 1905 roku w Metropole Building w Halifax w Nowej Szkocji. Poza jedną fotografią nie ma żadnych informacji o tym panelu, ¹⁷ jednak jego moc i wydajność były na tyle niezwykłe, że amerykańscy inwestorzy wysłali do wynalazcy swojego eksperta. W oparciu o oględziny urządzenia przeprowadzone przez rzeczonego eksperta, sprowadzili Cove’a do Stanów Zjednoczonych (Sommerville, stan Massachusetts), aby kontynuował rozwój swojego urządzenia.

W 1909 roku Cove zaprezentował w Sommerville swój drugi generator energii słonecznej. Ten panel o powierzchni 1,5 m² mógł wytwarzać 45 watów mocy i miał wydajność w przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną na poziomie 2,75%. W połowie 1909 roku Cove przeniósł się do Nowego Jorku, gdzie zaprezentował swój trzeci prototyp - moduł słoneczny składający się z czterech paneli słonecznych o mocy szczytowej 60 W każdy. Ładował on pięć akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Całkowita powierzchnia wynosiła 4,5 m², maksymalna moc wyjściowa 240 watów, a wydajność sięgnęła 5% – porównywalnie do pierwszego panelu fotowoltaicznego zaprezentowanego przez Laboratoria Bell’a. ¹⁸

Powyżej: Pierwszy panel słoneczny George Cove, zademonstrowany w 1905 roku. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Drugi panel słoneczny Cove, w którym brakuje jednej sekcji. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Panele są teraz pochylone pod kątem, a nie leżą płasko. Źródło: Literary Digest 1909 r, s. 1153.

Powyżej: Jeden z paneli słonecznych trzeciego zestawu solarnego Cove, ze zdjętą szklaną pokrywą. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Chociaż George Cove’a nie znajdziemy w większości opracowań historycznych o energii słonecznej, to jego generator zrobił wrażenie na niektórych popularnych czasopismach technicznych tamtych czasów. Na przykład, w 1909 roku Technical World Magazine napisał, że „ta maszyna jest tania i niezniszczalna jak asortyment kuchenny. Nawet w obecnym, nieco prymitywnym i eksperymentalnym kształcie, w dwa słoneczne dni zmagazynuje energię elektryczną wystarczającą do oświetlenia przeciętnego domu przez tydzień. Wynalazca udowadnia to od miesięcy w swoim zakładzie.” ¹⁹

Wtyki włożone w asfalt

Jak George Cove zdołał zbudować panel solarny wyprzedzający swoje czasy o 40 lat? Według Philipa Pesavento, który ma doświadczenie w inżynierii półprzewodników, Cove zamierzał zbudować udoskonalony generator termoelektryczny (ang. TEG przyp. tłum.), rozwijając eksperymentalne urządzenie Edwarda Westona (Weston stworzył pierwszy eksperymentalny termoelektryczny generator słoneczny w 1888 roku). Wystawił swój generator na działanie ciepła z pieca opalanego drewnem i bezpośredniej energii słonecznej. Intencje Cove’a były, z tego jak sam opisał swoje urządzenie, jasne:

„Ramka zawiera szereg tafli z fioletowego szkła, za którymi pod podkładem z mieszanki asfaltowej znajduje się wiele małych metalowych wtyków. Jeden koniec wtyku jest zawsze wystawiony na działanie promieni słonecznych, podczas gdy drugi koniec jest chłodny i osłonięty.”

Osiągnięcie jak największej różnicy temperatur jest kluczowe w produkcji energii termoelektrycznej, tak więc projekt Cove’a miał sens. Problem polegał na tym, że kiedy mierzył moc wyjściową swojego generatora nie reagował on na ciepło, tak jak powinien to zrobić generator termoelektryczny. Początkowo Cove zauważa, że jego wynalazek wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło do wytwarzania elektryczności pod wpływem energii słonecznej:

„Głównym elementem mojego wynalazku jest osobliwa kompozycja metalowych wtyków, na które słońce działa w taki sposób, że prąd jest generowany nie tylko przez promienie cieplne, ale także przez promienie fioletowe.”

Jednak po dalszych eksperymentach, zarówno z piecem opalanym drewnem jak i energią słoneczną, Cove stwierdza:

„Gdy maszyna jest wystawiona na działanie różnych źródeł sztucznego ciepła, w ogóle nie daje prądu. Poza promieniami cieplnymi słońca (podczerwień krótkofalowa), być może w wytwarzaniu prądu elektrycznego aktywne są promienie fioletowe lub ultrafioletowe.”

Głównym ogniwem panelu fotowoltaicznego Cove’a były trzycalowe wtyki, lub pręty metaliczne, ze stopów kilku pospolitych metali. Panel o powierzchni 1,5 m² miał 976 prętów, a zestaw o pow. 4 m² miał 4 razy po 1804 prętów. Nie miało to znaczenia, że chłodny koniec prętów był oddzielony od gorącego warstwą asfaltu. Ważne było to, że Cove przez przypadek zbudował złącze metal-półprzewodnik.

Pasmo wzbronione półprzewodników

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny – podobnie jak nikt inny w tym czasie. Dopiero praca Einsteina nad efektem fotoelektrycznym (z 1905 r.) i późniejsze odkrycia mechaniki kwantowej (lata 30. XX wieku i późniejsze) pozwoliły zrealizować koncepcję półprzewodnikowego pasma wzbronionego (inaczej przerwy energetycznej). Elektrony krążą wokół jądra atomu w różnych „stanach” tworzących obszary zwane „pasmami”. Te pasma utrzymują swoje elektrony na właściwym miejscu. Pomiędzy tymi pasmami znajdują się „pasma wzbronione” – stany, w których żaden elektron nie może się znajdować.

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny, podobnie jak nikt inny w tym czasie.

Przewodniki nie mają pasm wzbronionych, więc płyną przez nie elektrony. Dlatego właśnie drut miedziany przewodzi prąd. W izolatorach (takich jak drewno, szkło, tworzywa sztuczne czy ceramika) występują bardzo szerokie przerwy energetyczne blokujące przepływ elektronów. Za to w półprzewodnikach istnieją stosunkowo wąskie przerwy, co pozwala im działać jako izolator lub jako przewodnik. Półprzewodniki mogą stać się przewodnikami gdy absorbują „foton” (elementarną cząstkę światła) o potencjale energetycznym równym lub większym niż pasmo wzbronione materiału półprzewodnikowego. ²⁰

Zrozumienie działania półprzewodników doprowadziło w latach 50. XX w. do narodzin nowoczesnego ogniwa fotowoltaicznego. Poprawiła się również wydajność generatorów termoelektrycznych – jednak z innych powodów. Generatory termoelektryczne nie wykorzystują pasma wzbronionego półprzewodników, lecz półprzewodniki mają wyższe napięcia termiczne i niższe przewodnictwo cieplne, niż metale i stopy metali bez przerwy energetycznej, dzięki czemu generatory termoelektryczne są bardziej wydajne.

Złącze Schottky’ego

Aby efekt fotowoltaiczny mógł zaistnieć, musi istnieć pewna niejednorodność w systemie. W latach pięćdziesiątych naukowcom z Laboratoriów Bell’a udało się to zrobić za pomocą tzw. złącza p-n, które tworzy granicę między półprzewodnikiem naładowanym dodatnio i ujemnie. Półprzewodniki typu p mają luki elektronowe zwane „dziurami” (które przyciągają elektrony), podczas gdy półprzewodniki typu n mają dodatkowe elektrony. Na styku obu jest potencjał elektryczny.

Ogniwo fotowoltaiczne można zbudować również z tzw. złącza Schottky’ego, które łączy półprzewodnik z metalem. W tym przypadku metal działa jako półprzewodnik typu n. Philip Pesavento:

„Moja hipoteza jest taka, że George Cove natknął się na kontaktowe ogniwo fotowoltaiczne Schottky’ego dziesiątki lat przed tym, jak zostało opisane przez Waltera Schottky’ego. ²¹ Istnieje możliwość odpowiedzi fotowoltaicznych (głównie) i termoelektrycznych wychodzących z tych urządzeń. Złącze było wykonane ze stopu cynku i antymonu – o którym teraz wiemy, że jest półprzewodnikiem. Było on z jednej strony zamknięte przez [tzw.] nowe srebro (stop miedzi, niklu i cynku, przyp. tłum.) i miedź na przeciwległym końcu. W ten sposób powstał odpowiedni kontakt omowy i kontakt Schottky’ego. To jest właśnie urządzenie fotowoltaiczne.”

Przypadkowe odkrycie

Według Philipa Pesavento George Cove prawdopodobnie zaczął od nowego srebra jako materiału ujemnego na obu końcach wtyków i stopu antymonowo-cynkowego (ZnSb) jako materiału dodatniego. Były to wówczas najlepsze dostępne materiały termoelektryczne:

„Prawdopodobnie skończyło mu się nowe srebro i podstawiona miedź na dokończenie wiązki wtyków, ponieważ różnica w napięciu termoelektrycznym między miedzią a nowym srebrem była niewielka. Następnie, podczas testów, Cove zauważył, że te wtyki (z nasadką z nowego srebra na jednym końcu i miedzianą nasadką na drugim końcu) dają znacznie większe napięcie: 100s mV w porównaniu ze zwykłymi 10s mV dla generatora termoelektrycznego.”

Co z tego wyszło? Używając miedzi Cove nieświadomie zbudował złącze Schottky’ego. To zmieniło jego generator termoelektryczny w „generator termofotowoltaiczny”. Takie urządzenie działa tak samo jak ogniwo fotowoltaiczne, ale na innych długościach fali elektromagnetycznej. Widmo słoneczne obejmuje zakres od około 0,5 do 2,9 elektronowoltów (eV), od podczerwieni do ultrafioletu. Półprzewodnik z pasmem wzbronionym między 1,0 a 1,7 eV wydajnie przekształca światło widzialne w energię elektryczną (generator fotowoltaiczny), podczas gdy półprzewodnik z przerwą energetyczną między 0,4 a 0,7 eV sprawnie przekształca krótkofalową energię słoneczną podczerwoną w energię elektryczną (generator termofotowoltaiczny).

Powyżej: Rysunek z patentu [George Cove’ z 1906 roku](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) przedstawia stop cunku-antymonu “b”; nasadkę (omową) z nowego srebra”; i nasadkę zamykającą z miedzi lub cyny (Schottky) “f”. Wszystkie elementy są łączone na wcisk, ponieważ połączenia lutowane zmniejszyłyby wydajność.

Dzisiaj wiemy, że stop ZnSb (materiał ujemny we wtykach Cove’a) jest półprzewodnikiem o paśmie wzbronionym 0,5 eV. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego wynalazca początkowo zaobserwował, że jego generator solarny przetwarza zarówno ciepło, jak i światło na energię elektryczną. Generator termofotowoltaiczny dopasowuje się nie tylko do podczerwonego ogona widma słonecznego – dopasowuje się również do bezpośredniego widma płonącego płomienia lub gorącej do czerwoności powierzchni ogrzewanej spalaniem drewna czy gazu ziemnego. Przekształca także (z bardzo niską wydajnoscią) w energię elektryczną dolną część widma widzialnego.

Według Philipa Pesavento Georgowi Cove udało się następnie udoskonalić skład stopu zbliżony do Zn4Sb3 – stopu cynkowo-antymonowego o proporcjach 4 części cynku do 3 części antymonu. Dzisiaj wiadomo, że ten stop to również półprzewodnik. Ma jednak pasmo wzbronione 1,1 eV – bardzo zbliżone do pasma krzemu (1,2 eV). W konsekwencji tej zmiany, jego generator termofotowoltaiczny przekształcił się w generator fotowoltaiczny:

„Niesiony na fali entuzjazmu Cove wpadł na to, że użyje większej liczby wtyków i jakoś wyszły mu „złe” proporcje na jednej partii. Potem kiedy zmierzył napięcie,pomiar był jeszcze wyższy. Na końcu, skrupulatnie zbadał stopy cynku i antymonu i odkrył, że stop w proporcjach 40-42% cynku daje najwyższe napięcie (w porównaniu do udziału 35% cynku w ZnSb). Po (przypadkowym) odkryciu, że wyższe pasmo wzbronione półprzewodnika Zn4Sb3 oznacza, że nie działa on już wystawiony na ciepło z pieca [zaobserwował, że] działa nawet lepiej wystawiony na promieniowanie słoneczne – ponieważ teraz przekształca o wiele więcej pasma widzialnego światła słonecznego na elektryczność.”

Używając barwionych szklanych filtrów George Cove ustalił, że większość odpowiedzi układu pochodziła z fioletowego końca widma światła, a tylko niewielka z tak zwanych „promieni cieplnych”. Jego wcześniejsze wtyki PV reagowały równie dobrze na promienie „cieplne” i fioletowe, podczas gdy starsze generatory termoelektryczne (nowe srebro na obu końcach) w ogóle nie reagowały na promienie fioletowe.

Powrót ogniwa solarnego Schottky’ego?

Ogniwa słoneczne ze złączem Schottky’ego nie zdobyły wiele uwagi wśród naukowców i korporacji – niewiele projektów ogniw słonecznych wykorzystuje metale w obszarze aktywnym (oprócz styków). ²² Niemniej jednak Philip Pesavento uważa, że warto byłoby spróbować wyprodukować niektóre ogniwa słoneczne Schottky’ego według projektu George Cove’a:

„Gdyby można było wykazać, że Zn4Sb3 (przerwa energetyczna 1,2 eV) może być wykorzystany w ogniwie fotowoltaicznym, to istnieje duża szansa, że taki projekt ogniwa słonecznego będzie zrównoważony (w sensie oddziaływania na środowisko, przyp. tłum). Byłby dobrym kandydatem do szybkiego EROI (to oznacza, że energie włożona w jego wyprodukowanie szybko by się zwróciła, przyp. tłum.) i miałby akceptowalnie długi okres eksploatacji z nadwyżką produkcji energii przez kilkadziesiąt lat. To zdumiewające, ale wydaje się, że wszyscy przeoczyli ten materiał i jego przydatność w ogniwach fotowoltaicznych, i że nie dokonano żadnego postępu [w jego użyciu] – nawet po tym, jak chwilowo badacze uznali go za możliwą początkową opcję [materiału] do połowy lat 80. XX wieku. Wpisuje się on w kategorię „przedwczesnego odkrycia”, co powinno znaczyć, że w dzisiejszych czasach może się bardzo szybko rozwinąć”.

Oprócz fotowoltaiki Philip Pesavento dostrzega potencjał wykorzystania termofotowoltaiki dla pieców na drewno, kolektorów słonecznych lub zastosowań tandemowych z dwoma złączami, wykorzystując ZnSb zamiast Zn4Sb3. Co więcej, uważa on, że jeśli ogniwa słoneczne typu plug-in okażą się skuteczne to pozwolą na budowę kolektorów słonecznych z połączonych koncentratorami liniowymi – takimi jak rynny paraboliczne lub nie-obrazujące koncentratory CPC – przy znacznie obniżonych kosztach.

Proste wytwarzanie

Podstawową zaletą wynalazku Cove’a byłaby prostsza metoda produkcji w porównaniu do popularnych ogniw krzemowych. W latach 70. i 80. naukowcy badali Zn4Sb3 pod kątem zastosowania w fotowoltaice i doszli do wniosku, że „oczywistymi zaletami tego materiału są prostota i stosunkowo niska temperatura potrzebna w procesie wytwarzania.” ²³ Temperatura topnienia Zn4Sb3 wynosi 570 stopni Celsjusza, a krzemu 1400 stopni.

W latach 70. naukowcy badali ogniwa słoneczne ze złączem metal-półprzewodnik oparte na innych typach półprzewodników niż Zn4Sb3. Chcieli opracować prostszy i tańszy proces produkcji w porównaniu z ówczesnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi ze złączem p-n. ²⁴ ²⁵ Ogniwa Schottky’ego nie wymagają wysokotemperaturowego etapu dyfuzji fosforu, który zwykle tworzy warstwę n złącza p-n w dzisiejszym ogniwie krzemowym - samo to zmniejsza wkład energii w proces o 35%. ²²

W latach 80. naukowcy poczynili znaczne postępy w rozwoju krzemowych złącz p-n i to doprowadziło do spadku zainteresowania alternatywami. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie powraca. Na przykład, badania nad grafenowo-krzemowymi ogniwami słonecznymi Schottky’ego pokazują, że „jedną z zalet jest prosta i tania produkcja urządzeń, które nie wymagają wysokich temperatur”. ²⁶ W innych, niedawno przeprowadzonych badaniach, naukowcy dochodzą do wniosku, że „urządzenia selenowe typu Schottky’ego są… niezwykle proste i tanie w produkcji.” ²⁷ ²⁸ ²⁹ ³⁰

Łatwiejszy recykling

Kolejną zaletą ogniw słonecznych Schottky’ego może być ich łatwiejszy recykling. Moduły krzemowe są umieszczane pomiędzy dwoma warstwami laminatu (zazwyczaj EVA, czyli kopolimeru etylenu/octanu winylu). Warstwy te są niezbędne do zapewnienia żywotności modułu. ¹ ² ³ Aby poddać recyklingowi krzem – najcenniejszy składnik panelu słonecznego – warstwy laminatu muszą zostać oddzielone, ale nie można ich po prostu wypalić, bo to zniszczy moduły. Ogniwa krzemowe można poddawać recyklingowi tylko poprzez skomplikowane etapy obróbki termicznej, chemicznej i metalurgicznej. To kosztowny i nieobojętny dla środowiska proces. Chociaż można się spotkać z doniesieniami, że około 10% paneli fotowoltaicznych jest „poddawanych recyklingowi”, to bardziej prawdopodobne jest, że przechodzą tzw. „downcycling”. Moduły są po prostu rozdrabniane na kawałki, a powstały materiał stanowi wypełniacz w asfalcie i cemencie.

Ogniwa zbudowane przez George’a Cove dałoby się całkowicie przetworzyć. Nie wymagały warstwy ochronnej laminatu, ani nawet lutowanych styków. Philip Pesavento:

„Gdybyś miał zbudować ogniwa dokładnie tak, jak zrobił to Cove, [tj.] na wcisk montując nasadki, a następnie owijając je drutem dla szczelności, to byłyby prostsze do recyklingu, który stałby się w pełni mechaniczną czynnością. Nie potrzeba by było żadnych chemikaliów. Złożenie i rozłożenie byłoby pracochłonne, ale można by to zautomatyzować”.

Pesavento wierzy, że z materiału Cove’a można zbudować także płaskie ogniwa słoneczne, jednakże to, czy wymagałyby one warstwy ochronnej utrudniającej recykling, musi się dopiero okazać. W latach 70. ogniwa solarne Schottky’ego (oparte na innych materiałach) nie zawsze wymagały warstwy ochronnej, a osiągały żywotność dłuższą niż 20 lat. ²⁴

Sprawność

Jeśli moglibyśmy budować prostsze panele słoneczne, to jaką sprawność by one osiągały? Zdaniem Philipa Pesavento ogniwa Schottky’ego zrobione z tych samych materiałów są trochę mniej sprawne od złączy p-n, ponieważ złącza p-n dają wyższe napięcie – otrzymują więcej energii z zaabsorbowanych fotonów:

„Kiedy liczy się każdy ułamek procenta sprawności - robisz to [i używasz złączy P-N]. Jeśli twoim celem jest uproszczenie wytwarzania, posługując się ręcznymi lub rzemieślniczymi metodami, to dioda Schottky’ego będzie bardziej logicznym wyborem”.

Z drugiej strony, może da się zbudować ogniwo Schottky’ego cieńsze niż ogniwo krzemowe? To podniosłoby ich sprawność? Philip Pesavento:

„Nie znalazłem szczegółowych parametrów [m.in] prędkości nośnika, żywotności rekombinacji czy współczynnika absorpcji, żeby jasno to powiedzieć. Ale fakt, że Cove zrobił tak długie i cienkie ogniwa, oraz to że osiągnął tak wysoką wydajność, daje nadzieję, że mogłyby być cieńsze”.

Ostatnie badania nad ogniwami Schottky’ego oparte na innych materiałach wydają się to potwierdzać. Na przykład, w niedawnych eksperymentach z selenowymi ogniwami Schottky’ego osiągnięto grubość warstwy zaledwie 100 µm w porównaniu do 200-500 µm w przypadku ogniw krzemowych. ²⁷ ³¹ Naukowcy osiągnęli również 17% sprawności podczas eksperymentu dla grafenowo-krzemowego ogniwa Schottky’ego w porównaniu z 1,5% jeszcze dziesięć lat wcześniej. ²⁶

Powinniśmy dzisiejszą obsesję na punkcie wyższych wydajności wziąć w znak zapytania. Wiele osób będzie argumentować, że low-techowe panele słoneczne są mniej wydajne, więc będziemy potrzebować więcej paneli słonecznych, aby wytworzyć taką samą moc wyjściową. W efekcie zasoby zaoszczędzone dzięki prostszym metodom produkcji zostaną zniwelowane dodatkowymi zasobami zużytymi do budowy większej liczby paneli słonecznych. Jednak wydajność ma kluczowe znaczenie tylko wtedy, gdy przyjmujemy wysokie zapotrzebowanie na energię za pewnik. Spadek wydajności można równie dobrze zrekompensować zmniejszeniem zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy doprowadzi to do większej trwałości ogniw i mniejszego zużycia surowców w całym łańcuchu dostaw. Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych, poświęcenie części wydajności może przynieść wiele korzyści w zakresie stopnia zrównoważenia.

Co się stało z George’m Cove?

Skoro panele solarne Cove były tak rewolucyjne, to dlaczego zostały zapomniane? Pod tym względem materiały zebrane przed Phillipa Pesavento czyta się jak kryminał. Wysiłki Cove’a nad produkcję i sprzedażą swoich paneli zakończyły się w tajemniczych okolicznościach.

Wynalazca zawarł znajomość z giełdowym spekulantem Elmerem Burlingame, który w 1909 i 1910 roku wypuścił na giełdzie akcje nie należące do niego, w tym akcje start-upu Cove’a tj. Sun Electric Generator Company. W Październiku 1909 roku Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego wynalazku. Policja jednak odrzuciła tę historię i uznała ją za przekręt. W 1911 roku Cove i Burlingame zostali aresztowani za defraudację akcji i spędzili rok w więzieniu. Chociaż po wyjściu na wolność Cove pracował nad różnymi wynalazkami, to jednak żaden z nich nie miał już nic wspólnego z energią solarną. ³²

W Październiku 1909 roku George Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego solarnego wynalazku.

Czy George Cove był oszustem? A może był ofiarą oszustwa? Czy jego reputacja została zniszczona ponieważ jego wynalazki zagrażały interesom innych firm? Istnieje wiele historycznych przykładów tłumienia innowacji technologicznych przez wielkie amerykańskie korporacje. George Cove działał w tym samym czasie co Edison Electric Illuminating Company z Nowego Jorku, której pozbawione skrupułów praktyki wobec konkurencji są dobrze udokumentowane. Gdyby generator energii słonecznej Cove’a się upowszechnił, mógłby zmniejszyć rosnące zapotrzebowanie na elektrownie węglowe i olejowe Edison Company. ³² Wcześniej, w latach 80. XIX wieku, niesławna korporacja z Nowego Jorku kupiła firmę produkującą najlepszy w tamtych czasach generator termoelektryczny (ulepszony stos termoelektryczny Clamondsa) i następnie zatrzymała rozwój maszyny. ³³

Więcej zagadek

Chociaż można się pokusić o przedstawienie George Cove jako ofiary spisku, to brakuje nam wystarczających dowodów. Materiały archiwalne Phillipa Pesavento zawierają więcej tajemnic, jak np. patent Cove’a złożony w 1905 roku i zatwierdzony w 1906 r. W patencie wynalazca opisuje w szczegółach wykonanie swoich wtyków ze stopu Zn4Sb3. Na tej podstawie Pesavento oszacował moc wyjściową i sprawność modułówi słonecznych Cove’a. Jednak Cove opisuje swoje wtyki z przeznaczeniem do konwersji ciepła z pieca opalanego drewnem na energię elektryczną, co nie jest zgodne z jego własnym wyborem materiału. Aby generator zasilany piecem działał, wymagał wtyczek ZnSb z przerwą energetyczną 0,5 eV. Phillip Pesavento:

„Czy to było celowe wprowadzenie w błąd ze strony Cove’a, aby nie dopuścić innych do skopiowania projektu jego patentowego pieca? Nie wiem tego”.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, zdjęcie przedstawiające Cove stojącego obok jednego ze swoich paneli słonecznych pojawia się w historycznym przeglądzie energii słonecznej Johna Perlina z 2013 r.: Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy (Niech świeci: 6000 tysięcy lat historii energii słonecznej). Jednak panel słoneczny na zdjęciu przypisywany jest Charlesowi Frittsowi, wynalazcy selenowego ogniwa słonecznego. Co więcej, sam George Cove zniknął z fotografii. Fragmenty książki oraz zdjęcie pojawiły się na kilku stronach internetowych. Philip Pesavento nie był zdziwiony, gdy zadzwoniłem po tym odkryciu:

„Odkryłem to samo kilka lat temu. Myślę, że ktoś bardzo potrzebował zdjęcia paneli słonecznych Frittsa, znalazł to zdjęcie, a następnie wyciął z niego George’a Cove’a. W końcu Cove jest całkowicie nieznany i uważa się, że wynalazł solarny generator termoelektryczny, a nie panel fotowoltaiczny. Jeśli przyjrzysz się uważnie tym dwóm fotografiom, zobaczysz, że góra prawego portyku kolumny za nim została wycięta i wklejona w miejscu, w którym stał Cove […].”

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
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. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Ekstrapolując parametry kolejnego panelu możemy zgadywać, że ten miał moc wyjściową ok. 25 W i sprawność trochę poniżej 3%. ↩︎
George Cove mówił, że zbudował jeszcze większy zestaw solarny o powierzchni 9 m², a nie żadne zdjęcie nie przetrwało. Podobno miał moc wyjściową 768 W i sprawność 8% przy 100 W/ft2 nasłonecznienia. Ten zestaw składał się z 8 paneli i łącznie 14 432 wtyków. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Dlaczego w panelach solarnych nie używa się przewodników? Ponieważ światło padające na przewodnik jest prawie w całości odbijane i tylko ułamek energii (albo nic) jest pochłaniany. Co więcej, w przewodnikach elektrony poruszają się chaotycznie, więc nie może być mowy o ukierunkowanym przepływie prądu. ↩︎
Cove nie był pierwszy. Ogniwo solarne Charles’a Frtiis’a również było zbudowane na złączu Schottky’ego. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selen można osadzać przez odparowanie termiczne w temperaturze zaledwie 200°C. Temperatura ta jest łatwo osiągalna dla technologii solarnych, co oznacza, że w zasadzie procesy te mogą być prowadzone przez bezpośrednie wykorzystanie energia słonecznej. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
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 (2014): 1260-1267. ↩︎

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 ↩︎

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. ↩︎