LOW←TECH MAGAZINE Polski

Gospodarka Zasilana Pogodą

Thu, 21 Sep 2017 00:00:00 +0000

Obraz: „Barka z kamieniem”, obraz Johna Warda z Hull.

Przed nastaniem Rewolucji Przemysłowej, ludzie dostosowywali swoje potrzeby energetyczne do dostępności zasobów energii o zmiennym charakterze (ang. intermittent energy sources). Globalny handel i system transportowy – oparty się na łodziach żaglowych – działał tylko wtedy, kiedy wiał wiatr. Wiatraki dostarczające nam pożywienia, i napędzające wiele procesów wytwórczych, działały na tej samej zasadzie.

Takie podejście byłoby równie praktyczne dzisiaj, szczególnie gdy wspomożemy się nowoczesnymi technologiami. Fabryki i system transportowy – łodzie, a może i kolej – mogłyby pracować wyłącznie na energii odnawialnej, wtedy kiedy jest dostępna. Dopasowanie popytu na energię do podaży na nią spowoduje, że transformacja energetyczna na źródła odnawialna będzie bardziej realistyczna, niż jest dzisiaj.

Energia Odnawialna W Czasach Przedprzemysłowych

Przed Rewolucją Przemysłową, zarówno przemysł, jak i transport, były w dużej mierze uzależnione od nieciągłych źródeł energii odnawialnej. Już starożytności używano młynów, wiatraków i łodzi żaglowych, lecz dopiero od XIV wieku, Europejczycy zaczęli wykorzystywać ich pełny potencjał.

W czasach ich świetności, tuż przed nadejściem ery przemysłowej, szacuje się, że w Europie pracowało 200 tysięcy wiatraków i 500 tysięcy kół wodnych. Początkowo, wiatraki i koła wodne służyły jedynie do mielenia zboża w młynach - bardzo pracochłonnego zajęcia, dawniej wykonywanego ręcznie (najpierw za pomocą kamieni, a później ręcznie obracanych żaren).

Obraz: „Letni krajobraz”, obraz autorstwa Jan'a van Os.

Wiatraki i koła wodne szybko zaadaptowano w przemyśle, gdzie wprawiały w ruch maszyny wykonujące takie procesy jak np. cięcie drewna, polerowanie szkła, wyrób papieru, wiercenie rur, cięcie kamieni, ostrzenie noży, cięcie metalu, kruszenie wapieni, wyrób prochu strzelniczego, wyrób zaprawy, bicie monet i wiele, wiele innych. ¹² Wiatraki i koła wodne znalazły swoje miejsce również w przetwórstwie rolnym. Wyciskały oliwę z oliwek, łuskały jęczmień i ryż na kaszę, mieliły przyprawy i tytoń, międliły len, wyciskały z rzepaku i konopi olej używany do gotowania i oświetlania.

Chociaż zdany był na kaprysy pogody i nieprzewidywalne siły energii wiatrowej, handel międzynarodowy stanowił fundament rozwoju wielu europejskich gospodarek ery przedprzemysłowej.

Koła wodne znano już w starożytności, jednak dopiero od XV wieku, zaczęły zyskiwać na popularności i rozprzestrzeniły się po całej Europie. Jednak „przemysłowe młyny (wiatraki)” narodziły się dopiero w Holandii, w kraju który najlepiej ujarzmił i zaprzągł do pracy energię wiatru. Te konstrukcje zaczęto stawiać w XVI w. i przez dłuższy czas były tylko tam spotykane. Holendrzy wykorzystywali wiatr do przeróżnych zadań, w tym do wydzierania morzu cennych skrawków ziemi. Aż do roku 1850, za ich pomocą, ten położony nisko nad poziomem morza kraj, mógł skutecznie osuszać tereny potrzebne rolnictwu. ²

Obraz: „Krajobraz rzeczny z rybakami na łodziach wiosłowych”, Abraham Storck, 1679 rok.

Transport napędzany wiatrem – za pomocą żaglowców – zaczął się gwałtownie rozwijać od XVI wieku, kiedy to Europejczycy „odkryli” nowe lądy. Dzięki niemu, powstał przewidywalny, różnorodny i ciągle się rozrastający system międzynarodowego handlu towarami masowymi (takimi jak zboże, drewno, wino, metale, ceramika, suszone ryby), dobrami luksusowymi (np. metalami szlachetnymi, futrem, przyprawami, kością słoniową, jedwabiem i lekami) i niewolnikami. ³

Chociaż zdany był na kaprysy pogody i nieprzewidywalne siły energii wiatrowej, handel międzynarodowy stanowił fundament rozwoju wielu europejskich gospodarek ery przedprzemysłowej. Niech przykładem będzie Holandia tamtego okresu, której przemysł stoczniowy, skoncentrowany wokół 450 zasilanych wiatrem tartaków, importował praktycznie wszystkie materiały z basenu Morza Bałtyckiego: drewno, smołę, żelazo, konopie i lniane płótno. Żeby wyżywić swoją ludność Holendrzy również byli zdani na wiatr dmuchający w żagle. Pod koniec XV wieku, do holenderskich portów rocznie zawijało dwa tysiące statków ze zbożem z Gdańska. ³ Łodzie żaglowe były również niezbędne do połowu ryb.

Jak W Epoce Przedprzemysłowej Radzono Sobie z Nieciągłością Energii

Już 500 lat przed nastaniem ery paliw kopalnych, odnawialne źródła energii były niezbędne dla funkcjonowania europejskich społeczeństw. Jednak Europejczycy nie mogli liczyć ani na chemiczne baterie, linie przesyłowe, ani na zapasowe elektrownie konwencjonalne równoważące niedobory produkcji energii. Jak, w takim razie, nasi przodkowi radzili sobie ze zmienną i nieciągłą naturą odnawialnych źródeł energii?

Jednym ze sposobów było wprowadzanie rozwiązań technicznych, które do pewnego stopnia, dopasowywały podaż energii do popytu, tak jak my robimy to dzisiaj. Poziom wody w rzekach zależał od pogody i pory roku. Koła wodne umieszczone na łodziach i młyny zbudowane na mostach były jednymi z pierwszych prób rozwiązania tego problemu. Podnosiły się i opadały razem z poziomem wody, dzięki czemu pracowały w bardziej przewidywalny sposób. ¹⁴

Nasi przodkowie wprowadzali rozwiązania techniczne, które do pewnego stopnia, dopasowywały podaż energii do popytu.

Potrafili również część energii wodnej zmagazynować na późniejszy użytek. Od czasów średniowiecza, na rzekach stawiano zapory, jazy i inne urządzenie hydrotechniczne piętrzące wodę. Jest to tożsame rozwiązanie do współczesnych tam na rzekach. Wszelkiego typu zapory wyrównywały przepływ wody w strumieniach i w razie potrzeby zapewniały potrzebną energię. ⁴ ⁵

Obraz: “Młyn Konny”, obraz Jamesa Herringa, 1850 rok.

Rzeki mogły jednak wyschnąć, albo zamarznąć na dłuższy czas, i wtedy ani jazy ani regulacja wysokości koła wodnego nie pomagały. Jeśli ktoś postawił na wiatraki, to niestety nie mógł liczyć na żadną sztuczkę techniczną przynoszącą wiatr podczas ciszy - pozostawało tylko się o niego pomodlić. ²⁶⁷

Jedną z technologicznych odpowiedzi tamtych czasów na nieciągłość produkcji energii, zarówno energii wiatru i wody, był kierat - zwany inaczej „młynem końskim”. ⁸ W przeciwieństwie do wiatru i wody, siła mięśni – osłów, mułów, koni, wołów, ludzi, a nawet psów - mogła zostać zaprzęgnięta do pracy w dowolnym momencie. Jednak pod względem sprawności energetycznej kierat był drogą i mało wydajną technologią - utrzymanie jednego konia wymaga osiem razy więcej gruntów przeznaczonych na pastwiska, niż ziemi uprawnej do wyżywienia jednego człowieka. ⁹ Z tego powodu, praca zwierząt w przemyśle nigdy nie została wykorzystana na większą skalę. Kieraty znalazły swoją niszę w mieleniu zboża, lub jako źródło energii małych zakładów wytwórczych. ¹

Tym bardziej, kierat nie mógł mieć zastosowania jako zapasowe źródło energii na statkach żaglowych. Z zasady, kiedy nie ma wiatru, łódź może skorzystać z pracy wioślarzy, jednak utrzymanie wystarczająco licznej załogi wioślarzy wymaga dodatkowych zapasów wody pitnej i pożywienia, przez co, taki napęd sprawdzał się jedynie na statkach wojennych i małych łodziach.

Dopasowywanie Popytu Do Podaży: Fabryki

Ponieważ nasi przodkowie mieli ograniczone możliwości radzenia sobie z nieciągłą naturą źródeł odnawialnych, podeszli do całej sprawy inaczej, niż staramy się to zrobić my - ludzie współcześni. Starali się oni zaadaptować do zmiennych zasobów energii. Innymi słowy, akceptowali to, że energia odnawialna nie zawsze jest dostępna i działali podług tego. Na przykład, wiatraki i łodzie żaglowe były w użyciu tylko wtedy, kiedy wiał wiatr.

Obraz: [„Wiatraki w Westzijderveld niedaleko Zaandam”, obraz Cloude Monet](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Claude_Monet_Mills_in_the_Westzijderveld_near_Zaandam.jpg).

Przemysłowe wiatraki wykorzystywały każdy moment sprzyjającej pogody. Kiedy wiatr wiał wystarczająco silnie, wiadomo było, że młynarz będzie pracował dzień i noc, robiąc w trakcie tylko krótkie drzemki. Wiemy na przykład, że w angielskich zakładach Union Mill w Cranbrook, zdarzyło się, że młynarz podczas wietrznego okresu trwającego 60 godzin, zdążył zaznać jedynie trzech godzin snu. ² Publikacja „Mills and Millwrighting” („Młyny i stawiania młynów”) z roku 1957, częściowo oparta na rozmowach z ostatnimi żyjącymi tradycyjnymi młynarzami, pokazuje jak ważne było wykorzystanie każdej okazji, kiedy tylko dostępny był wiatr:

„Nie było to niczym niezwykłym, że z nadejściem jesiennych wiatrów, młynarzowi zdarzało się pracować od północy w niedzielę do wtorkowego wieczoru, od środy rano do czwartku w nocy, a następnie od piątkowego poranku do północy następnego dnia, łapiąc w tym czasie tylko kilka chwil na drzemkę; po tym poznać dobrego młynarza, że zawsze zerwie się z łóżka kiedy wiatr się wzmaga, wstając o północy aby uruchomić młyn, ponieważ wiatr to jego nadzorca i musi wykorzystać każdą okazję kiedy wieje. Wiele wiosek doświadczyło czasów, przed wynalezieniem silnika parowego, gdy brakowało pszennego chleba, ponieważ młyn (wiatrak) nie pracował w okręgu, w którym nie było rzek ani strumieni; w takich kryzysowych czasach, bezwietrznych jesieni, ludzie musieli się zadowolić chlebem z jęczmiennej mąki, a nawet z ziemniaków." ¹⁰

Wcześniej, w bardziej konserwatywnych czasach, młynarz zostałby ukarany za pracę w niedzielę, ale nie zawsze się tym przejmował. Kiedy zaprotestowano przeciwko niedzielnej pracy młynarza Wade z Wiclewood z młyna wieżowego w Norfolk, ów młynarza tak się tłumaczył: „Jeśli Pan jest na tyle dobry, że zsyła mi w Niedzielę wiatr, to ja z niego korzystam”. ¹¹ W czasie ciszy wiatrowej młynarze wykonywali inne prace, takie jak naprawa i konserwacja urządzeń, albo robili sobie wolne. Noah Edwards, ostatni młynarz młyna wieżowego Arkley w hrabstwie Hertfordshire, w tym czasie - „wieczorem siedziałby u wejścia do młyna i grał na skrzypcach”. ¹¹

Dopasowywanie Popytu Do Podaży: Żaglowce

Do podróży morskich podchodzono podobnie jak do wiatraków. Ponieważ, w tamtym czasie napęd statkom dostarczały żagle, żeglarze podczas ciszy wiatrowej schodzili na ląd, żeby np. dokonać niezbędnych napraw statków czy uzupełnić zapasy. Podróże planowali biorąc pod uwagę sezonowe zmienności pogody, wykorzystując sprzyjające wiatry i morskie prądy. Na morzu, wiatr nie tylko wieje mocniej niż na lądzie, ale jest również bardziej przewidywalny.

Żeglarze planowali podróż biorąc pod uwagę sezonowe zmienności pogody – wykorzystując sprzyjające wiatry i morskie prądy.

W troposferze wyróżniamy sześć głównych pasów wiatrów, po trzy na każdej półkuli ziemskiej. Od równika do biegunów wieją pasaty, wiatry zachodnie i wiatry wschodnie (w języku angielskim pasaty zwyczajowo nazywa się „trade winds” czyli „wiatrami handlu”, przyp. tłum.). Sześć pasów wiatrów przesuwa się na północ podczas lata na półkuli północnej, i na południe podczas zimy na tej samej półkuli. Z dominującymi kierunkami wiatrów jest skorelowanych pięć głównych oceanicznych prądów morskich.

Obraz:”Maas w Dordrecht”, obraz Aelberta Cuyp, rok 1660.

Europejscy żeglarze rozszyfrowali z czasem globalny układ wiatrów i prądów morskich, i wkrótce system sieci szlaków morskich oplótł całą kulę ziemską. Krzysztof Kolumb, zanim dotarł do Ameryki, odkrył, że dzięki wykorzystaniu pasatów i wiatrów zachodnich, możliwe jest wytyczenie trasy morskiej po oceanie atlantyckim z Europy do Nowego Świata i z powrotem.

Na półkuli północnej pasaty osiągają swoje najbardziej wysunięte na północ szerokości geograficzne w lecie, dochodząc do wybrzeży Hiszpanii i Portugalii. Dzięki tym wiatrom, można latem z łatwością w dopłynąć żaglowcem z Południowej Europy na Karaiby i do Ameryki Południowej, ponieważ wieją wtedy ze wschodu na zachód.

Grafika: Mapa wiatrów na Atlantyku, 9 września 2017 rok. Źródło: [Windy](https://www.windy.com)

Powrót tą sama trasą byłby wtedy prawie niemożliwy. Iberyjscy żeglarze odkryli jednak, że jeśli zimą popłyną na północ, wzdłuż wybrzeża Ameryki Północnej, to natrafią na wiatry zachodnie, które zabiorą ich z powrotem do Południowej Europy. Około 1560 roku, baskijski podróżnik Andrés de Urdenata odkrył podobną trasę morską dookoła Pacyfiku. ¹²

Dzięki wykorzystaniu sprzyjających wiatrów, czas podróży morskich żaglowców był całkiem przewidywalny. Przepłynięcie Atlantyku zajmowało od 21 do 29 dni.

Dzięki wykorzystaniu sprzyjających wiatrów, czas podróży morskich statkami żaglowymi był całkiem przewidywalny. Książka „Ocean Passages for the World” wspomina, że typowa podróż morska z Nowego Jorku do Kanału Angielskiego, od połowy XIX wieku do wczesnych lat XX wieku, zajmowała żaglowcom od 25 do 30 dni. W latach 1818 do 1832, najkrótsza podróż wyniosła 21 dni, a najdłuższa 29. ¹³

Kurs z Kanału Angielskiego do Nowego Jorku trwał 35-40 dni zimą i 40-50 dni latem. Do Cape Town trzeba było płynąć 50-60 dni, do Kalkuty 80-90 dni, a do Melbourne 100-120 dni. ¹³ Te czasy są dwa, trzy razy dłuższe od dzisiejszych, pokonywanych przez współczesne kontenerowce, które to dostosowują swoją prędkość podróżną do cen ropy naftowej i popytu na ich usługi.

Stare Podejście, Nowa Technologia

Dzisiaj, dopasowywanie popytu na energię do jej dostępności jest tak samo sensowną strategią na radzenie sobie ze zmiennymi źródłami energii, jak była kiedyś w czasach przedprzemysłowych. Nie oznacza to jednak, że jesteśmy skazani na powrót do przedprzemysłowego stylu życia. Dysponujemy teraz lepszymi technologiami, które pozwolą nam znacznie łatwiej dostosować się do kaprysów pogody.

Obraz: „Statki podczas ciszy morskiej”, obraz Charles Brooking, pierwsza połowa XVIII wieku.

W kolejnych akapitach, bardziej szczegółowo zbadam to, w jaki sposób przemysł i transport mogłyby oprzeć się wyłącznie na zmiennych, nieciągłych źródłach energii i pokażę jakie możliwości otwierają przed nami nowe technologie. Mój wywód podsumuję, starając się zanalizować efekt jaki ta przemiana wywrze na konsumentach, pracownikach i na wzroście gospodarczym.

Produkcja Przemysłowa

W skali światowej, produkcja przemysłowa odpowiada za prawię połowę całkowitego zużycia energii. Wiele z mechanicznych procesów wytwórczych, które kiedyś wykonywano dzięki wiatrakom, takie jak: cięcie, piłowanie, wiercenie, honowanie, miażdżenie, kucie, ostrzenie, skrawanie, polerowanie, mielenie, ciągnienie itd., jest dzisiaj tak samo ważna jak dawniej. Wszystkie te procesy produkcyjne można zasilać z nieciągłych źródeł energii.

To samo tyczy się przetwórstwa spożywczego (mielenia, rozdrabniania, odsiewania ziarna, obłuszczenia i polerowanie kasz, wyciskania oleju z nasion), wydobywczego (kopania, wiercenia, kruszenie rud i skał) i przemysłu tekstylnego (folowania, przygotowanie włókien, przędzenia i tkania). W tych wszystkich wymienionych procesach, nieciągłe dostarczanie energii nie będzie miało wpływu na jakość procesu produkcyjnego, a jedynie na jego prędkość.

Nieciągłe źródła energii nie mają wyraźnie negatywnego wpływu na wiele z dzisiejszych procesów produkcyjnych.

Zasilanie tych procesów energią źródeł odnawialnych jest znacznie prostsze dzisiaj niż w przeszłości. Dzisiejsze turbiny wiatrowe są całkowicie zautomatyzowane, kiedy wiatraki wymagały ciągłej uwagi. ¹⁴

Obraz:„Praca z młynami”, Jean Bruggeman, 1996 rok.

Co więcej, nie tylko dzisiejsze turbiny wiatrowe (i wodne) są praktyczniejsze i potężniejsze niż dawniej, ale nauczyliśmy się również wykorzystywać energię słoneczną do produkcji energii mechanicznej. Dzieje się to zwykle za sprawą fotowoltaiki, zmieniającej energię słoneczną na prąd elektryczny zasilający silniki elektryczne.

Dzięki temu, fabryki można zasilać połączonymi siłami energii wiatru i słońca, co zwiększa prawdopodobieństwo, że zapotrzebowanie na energię maszyn przemysłowych zostanie zaspokojone. Możliwość zbierania energii słonecznej jest bardzo ważna, ponieważ, póki co, jest to najbardziej dostępne dla nas źródło energii odnawialnej. Potencjał energii wodnej (na lądzie, przyp. tłum.) został już praktycznie całkowicie zagospodarowany. ¹⁵

Energia Cieplna

Kolejną niezwykle ważną różnicą, pomiędzy współczesnością, a czasami przedprzemysłowymi, jest to, że to samo podejście możemy zastosować do podstawowych procesów wytwórczych, które wymagają energii cieplnej. Ciepło dominuje w wielu gałęziach przemysłu np. w wytwarzaniu układów scalonych, produkcji szkła, przemyśle chemicznym czy wytopie metali.

W czasach przedprzemysłowych, procesy wymagające energii cieplnej były zasilane spalaniem biomasy, węgla lub torfu. Niestety skutki tego były opłakane. Nadmierna eksploatacja tych paliw doprowadziła do zniszczenia lasów, erozji gleby i zanieczyszczenia powietrza. Chociaż w przeszłości ludzie korzystali z energii słonecznej w takich przedsięwzięciach jak np. produkcja soli z wody morskiej, suszenie płodów rolnych celem ich konserwacji, czy wypalanie na słońcu cegieł, to jednak te zadanie wymagały względnie niskich temperatur.

Możemy zastosować to samo podejście do podstawowych procesów wytwórczych wymagających energii termicznej, co nie było możliwe przed Rewolucją Przemysłową.

Dzisiaj, energia odnawialna, inna niż pochodząca ze spalania biomasy, może służyć do produkcji ciepła na dwa sposoby. Po pierwsze, możemy użyć turbin wiatrowych i fotowoltaiki, które wygenerują prąd elektryczny, a my zamienimy go na energię termiczną dzięki efektowi oporu elektrycznego. Nie dało się tego zrobić w czasach przedprzemysłowych - ponieważ nie znano jeszcze elektryczności.

Grafika: Zasilana energią słoneczną prasa drukarska Augustina Mouchot'a, 1882 rok.

Drugi sposób, to bezpośrednie użycie ciepła promieni słonecznych. Można to zrobić wykorzystując kolektory płytowe z wodą jako medium roboczym, lub rurowe kolektory próżniowe, które absorbują promieniowanie słoneczne ze wszystkich stron i są w stanie osiągnąć temperaturę 120 stopni Celsjusza. Pozostają jeszcze kolektory skoncentrowanego światła słonecznego, które podążają za ruchem słońca, skupiają jego promieniowanie i potrafią wytworzyć temperatury wystarczająco wysokie do topienie metali czy wytwarzania układów scalonych i ogniw fotowoltaicznych. Takie możliwości pojawiły się dopiero w późnych latach XIX wieku, dzięki postępowi w produkcji szkła i luster.

Ograniczone Możliwości Gromadzenia Energii

Zasilanie fabryk nieciągłymi źródłami energii odnawialnej nie wyklucza użycia magazynów energii, albo pomocy zapasowych elektrowni. Dopasowanie popytu do podaży energii powinno być priorytetem, jednak inne strategie mogą spełniać role pomocnicze. Po pierwsze, magazyny energii, lub zapasowe elektrownie, mogłyby być potrzebne w sytuacjach krytycznych, zasilając w razie potrzeby procesy, których nie można wstrzymać na dłuższy czas, jak np. produkcję żywności.

Po drugie, magazynowanie energii na krótki czas jest przydatne w zasilaniu procesów, w których jakość wyrabianych produktów zależy od stałych parametrów procesu produkcyjnego, a te wymagają niezaburzonej dostawy mocy. ¹⁶ Po trzecie, krótkoterminowe magazynowanie energii jest kluczowe w procesach sterowanych komputerowo, ponieważ nie pozwala przerwać pracy w krótkich momentach w przerwie w dostawie prądu i zapewnia, w wypadku spodziewanych długich przerw w zasilaniu, bezpieczne zatrzymanie procesów. ¹⁷

Obraz: „Port miejski w Rotterdamie”. Obraz Jongkinda Johana Bertholda, rok 1857.

Dzisiaj mamy znacznie lepsze możliwości magazynowania energii w porównaniu do czasów przedprzemysłowych. Możemy na przykład użyć biomasy, kiedy braknie energii mechanicznej. Kilka wieków temu, kiedy wiatr przestawał wiać, młynarz nie mógł skorzystać z tej opcji, ponieważ nie wymyślono jeszcze silnika parowego.

Mamy też do dyspozycji baterie chemiczne, różne formy prostych technologii, tj. koła zamachowe, sprężone powietrze, akumulatory hydrauliczne i elektrownie szczytowo-pompowe. Jeśli chcemy przechować energię cieplną, to również jest z czego wybierać: możemy przechowywać ciepło w izolowanych zbiornikach na wodę (do 100ºC) lub w soli, oleju albo ceramice (do znacznie wyższych temperatur). Każde z tych rozwiązań niestety zawiedzie, z tego czy innego powodu, jeśli będziemy chcieli zmagazynować znaczną ilość nadwyżki energii ze źródeł odnawialnych. Małoskalowe magazyny energii, służące jedynie do równoważenie zapotrzebowania, mogą jednak okazać się bardzo użyteczne.

Nowa Era Żagli

Kolejnym kandydatem do przejścia na nieciągłe źródła energii odnawialnej jest transport towarowy, a przede wszystkim transport morski. Statki przewożą około 90% wszystkich towarów w handlu międzynarodowym, i chociaż są najbardziej sprawnym energetycznie sposobem przemieszczania ładunków, to ich całkowite zużycie energii jest wysokie, a napędzane ropą masowce produkują ogromną ilość zanieczyszczeń.

Zdjęcie: Zdjęcie wykonane przez Arne List [CC BY-SA 2.0], przez Wikimedia Commons

Dzisiaj, często się wspomina, że rozwiązaniem problemu zanieczyszczeń podrukowanych przez transport morski, może stać się zasilanie statków wodorem. Paliwo miałoby być produkowane w procesie elektrolizy wody, a energię potrzebną do tego dostarczałyby morskie farmy wiatrowe. Jednak ludzkość od tysiącleci zna sprawdzony, prostszy, czysty i efektywny sposób bezpośredniego wykorzystanie siły wiatru. Wystarczy statkom zamontować żagle. Ponieważ nawet dzisiaj, wiele ze statków wyposażonych w silniki spalinowe, często dryfuje bezczynnie całymi dniami, czy tygodniami, czekając na pozwolenie wpłynięcie lub wypłynięcia z portu, to względnie nieprzewidywalna natura wiatrów nie będzie takim dużym problemem.

Znacznie praktyczniej, i wydajniej energetycznie, jest bezpośrednio napędzać statki wiatrem.

Tak jak w przypadku procesów przemysłowych, dysponujemy dzisiaj większa wiedzą i lepszą technologią, dzięki którym możemy transport morski oprzeć wyłącznie na wietrze. Mamy lepsze materiały by budować lepsze i bardziej niezawodne statki i żagle, posiadamy dużo precyzyjniejsze instrumenty nawigacyjne i komunikacyjne, prognozy pogody są coraz dokładniejsze, możemy w razie potrzeby użyć fotowoltaiki do zasilenia silników, oraz zebraliśmy znacznie bardziej szczegółową wiedzę na temat układu wiatrów i prądów morskich.

Zdjęcie: „Thomas W. Lawson” - siedmiomasztowy szkuner o stalowym kadłubie, zbudowany w 1902 roku do handlu pacyficznego. Załoga liczyła osiemnaście osób.

Tak naprawdę, światowy układ wiatrów i prądów morskich został w pełni poznany, kiedy era żagli dobiegała już końca. Pomiędzy rokiem 1842 a 1861, amerykański nawigator Matthew Fontaine Maury, zebrał wyczerpujący zasób dzienników pokładowych, na podstawie których wykreślił mapy przeważających wiatrów i prądów morskich, oraz ich sezonowe wariacje. ¹⁸

Dzieło Maury’ego pozwoliło żeglarzom znacząco skrócić czas żeglugi. Na przykład, podróż z Nowego Jorku do Rio de Janeiro skróciła się z 55 do 23 dni, a podróż z Melbourne do Liverpoolu zmalała o połowę, z 126 do 63 dni. ¹⁸

W ostatnich czasach, wiele innowacji w żeglowaniu pojawia się za sprawą wyścigów jachtów i mogłyby wejść one do żeglugi handlowej. Na przykład, w Pucharze Ameryki w roku 2017, drużyna Emirates Team New Zealand wprowadziła pedały zamiast korb ręcznych do zasilania hydraulicznego systemu sterowania łodzią. Ponieważ nasze nogi są mocniejsze niż ramiona, napęd na pedały pozwala wykonywać szybsze halsy i zwroty przez rufę podczas zawodów, ale nic nie stoi na przeszkodzie, żeby ta innowacja znalazła się na pokładzie handlowych żaglowców, zmniejszając ilość wymaganej do obsługi statku załogi. ¹⁹

Zdjęcie: Jacht sportowy zespołu Emirates Team New Zealand.

Wymowne są również nowe rekordy prędkości. Najszybsza żaglówka w 1972 roku nie osiągała nawet 50 kilometrów na godziną, kiedy w 2012 roku statek Vestas Sailrocket 2 osiągnął prędkość 121 km/godz. Oczywiście te wyczynowe konstrukcje nie nadają się do przewożenia ładunków, nie mniej jednak, mogą stać się inspiracją dla statków handlowych.

Pociągi Zasilane Słońcem i Wiatrem

Podobne podejście możemy przyjąć w transporcie lądowym, opracowując pociągi napędzane energią słońca i wiatru. Podobnie jak łodzie żaglowe, pociągi mogłyby jeździć tylko wtedy kiedy dostępna jest energia odnawialna. Oczywiście nie polegałoby to na postawieniu masztów z żaglami na lokomotywach, ale na podłączeniu trakcji do paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych rozmieszczonych wzdłuż torów. Byłoby to całkowicie nowe użycie, możliwe dzięki odkryciu elektryczności, mającej już wieki, strategi radzenie sobie z nieciągłymi źródłami energii.

Pociągi zasilane słońcem i wiatrem byłyby całkowicie nowym wykorzystaniem, wielowiekowej strategii radzenie sobie z nieciągłymi źródłami energii.

Pociągi towarowe są idealnymi kandydatami to przetestowania tego rozwiązania, ponieważ jeżdżą przede wszystkim nocą, kiedy produkcja energii wiatrowej osiąga z reguły szczyt, a zapotrzebowania na prąd jest najniższe. Tak jak statki handlowe, pociągi towarowe nie mogą pochwalić się przewidywalnymi rozkładami jazdy, ponieważ często czekają całymi dniami na bocznicach towarowych na pełny załadunek.

Obraz: „Doki Cardiff”, obraz Lionel Waldena, rok 1894.

Prędkość pociągów również może być regulowana dostępnością energii odnawialnej, tak jak prędkość wiatru określa jak szybko może płynąć żaglowiec. Podobne podejście można wykorzystać do innych elektrycznych systemów transportowych, takich jak: tramwaje, tramwaje wodne czy napowietrzne kolejki linowe.

Połączenie, zasilanych słońcem i wiatrem pociągów towarowych z zasilanymi słońcem i wiatrem fabrykami, stwarza nowe możliwości. Na pierwszy rzut oka, pociągi pasażerskie, które napędza energia odnawialna, wydają się czymś niemożliwym, ponieważ przewóz ludzi jest znacznie mniej elastyczny niż towarów. Jeśli pociąg pasażerski zbytnio zwolni, albo co gorsza nie odjedzie, pasażerowie będą musieli w ostatniej chwili zmienić swoje plany. W pochmurne dni niewielu dotrze do swoich miejsc pracy.

Zdjęcie: Panele fotowoltaiczne pokrywające trakcje kolejową w Belgii, 2016. Źródło: Infrabel.

Rozwiązaniem tego problemu mogłoby być wykorzystanie wspólnych źródeł energii dla fabryk i pociągów pasażerskich. Wzdłuż trakcji kolejowych można postawić wystarczającą ilość paneli słonecznych, żeby pociągi mogły odjeżdżać nawet w pochmurne dni. Kiedy będzie więcej słońca, to nadwyżkę energii wykorzysta się fabrykach stojących wzdłuż torów, albo puści się na tory dodatkowe składy pociągów.

Konsekwencje Społeczne: Konsumpcja i Produkcja

Widzimy teraz, że będziemy mogli produkować całkiem dużą różnorodność dóbr konsumenckich i przewozić je po całym świecie, nawet wtedy, kiedy produkcja przemysłowa i transport międzynarodowy staną się całkowicie zależne od nieciągłych źródeł energii odnawialnej. Oczywiście nie wszystkie produkty będą dostępne cały czas. Możliwe, że jeśli zechcemy kupić nową parę butów, to będziemy musieli poczekać, aż nastanie właściwa pora roku na ich produkcję i transport.

Zarówno produkcja, jak i konsumpcja, zależeć będzie od pogody i pór roku. Zasilane słońcem fabryki będą bardziej produktywne latem, a te zasilane energią wiatrową zimą. Trzeba będzie również uwzględnić najlepszy sezon do żeglowania.

Możliwe, że jeśli zechcemy kupić nową parę butów to będziemy musieli poczekać, aż nastanie właściwa pora roku na ich produkcję i transport.

Gospodarka zasilana w rytmie zmiennej pogody nie musi koniecznie oznaczać spadku produkcji i konsumpcji. Jeśli fabryki i transport towarowy dostosują swoje zapotrzebowanie na energię do warunków pogodowych, to będą mogły w pełni wykorzystać roczną produkcję mocy turbin wiatrowych i paneli słonecznych.

Obraz: „Wiatrak w Zaandam”, obraz Clouda Moneta, 1871 rok.

Wytwórcy mogliby radzić sobie z okresowymi brakami w dostawie mocy w ten sposób, że w „sezonie” będą produkować nadwyżki towarów i magazynować je w pobliżu rynków zbytu. Dzięki temu, można je będzie sprzedawać podczas miesięcy malejącej produkcji, unikając w ten sposób niedoborów. Byłby to w rzeczywistości sposób „magazynowania energii” w produktach. Zamiast gromadzić energię, żeby wytwarzać towary, można kiedy nadarza się okazja, zamieniać energię w towary i gromadzić je na później.

Takie rozwiązanie może jednak spowodować spadek produkcji i konsumpcji. Nadprodukcja w okresach nadwyżek energetycznych wymaga dużych, rozbudowanych zakładów produkcyjnych i powierzchni magazynowych, które przez resztę roku będą stały nieużywane. Żeby produkcja była opłacalna, producenci musieliby pójść na kompromisy. Od czasu do czasu, te kompromisy powodowałyby niedobory produktów, co mogłoby zachęcić ludzi do szukania rozwiązań innych niż codzienne zakupy, jak np. naprawa, upcykling, ponowne wykorzystanie starych przedmiotów, rękodzieło, zrób-to-sam, czy wymiana i współdzielenie dóbr.

Konsekwencje Dla Pracowników

Dopasowanie popytu na energię do jej podaży spowoduje, że robotnicy też będą musieli dostosować się do pogody. Jeśli fabryka pracowałaby dzięki światłu słonecznemu, to dostępność energii do jej zasilania bardzo dobrze współgra z ludzkim rytmem biologicznym. Minusem jednak w tym przypadku, byłyby przymusowe dni wolne od pracy zimą i podczas niepogody.

Z drugiej strony, jeśli zakład produkcyjny, albo transport towarowy, zasilany byłby wiatrem to ludzie musieliby pracować w nocy, co jest niezdrowe. Pozytywną stroną byłyby jednak wakacje latem i wolne podczas słonecznych dni.

Obraz: “Nocna prace w dokach”, obraz Henri Andolhe Schaep, 1856 rok.

Uciążliwe dla pracowników byłyby również nieprzewidywalne godziny pracy, jeśli produkcję i transport oprzeć by, tylko i wyłącznie, na słońcu i wietrze. Chociaż w dzisiejszych czasach możemy liczyć na znacznie lepsze prognozy pogody, to jednak ciężko o dobrą prognozę na więcej niż kilka dni do przodu.

Dzisiejsze elektrownie źródeł odnawialnych są całkowicie zautomatyzowane. Istnieją już całkowicie zautomatyzowane fabryki. W ostatnim wieku obserwujemy znaczny rozwój automatyzacji procesów produkcyjnych i proliferację robotów. Doprowadziło to do powstania tzw. „ciemnych fabryk”, w których nie palą się światła, ponieważ nie pracuje w nich żaden człowiek.

Dzisiejsze elektrownie źródeł odnawialnych są całkowicie zautomatyzowane. Istnieją już całkowicie zautomatyzowane fabryki.

Jeśli fabryka nie zatrudnia ludzkich pracowników, to nie ważne w jakich godzinach pracuje. Co więcej, wiele zakładów jest czynnych dwadzieścia cztery godziny na dobę, częściowo z powodu zatrudniania milionów pracowników na nocną zmianę. W takim wypadku, ilość osób pracujących nocą zmniejszyłaby się, ponieważ fabryki mogłyby działać tylko w te noce, kiedy wieje wiatr.

Może, najlepsze co możemy zrobić to ograniczyć skalę produkcji przemysłowej i kolejowego transport towarowego, dostosowując je do normalnych, dziennych godzin pracy? W takim wypadku, będziemy po prostu, mieli mniej dóbr materialnych do użytku, za to więcej czasu wolnego. Może to spowodować wzrost zapotrzebowania w innych sektorach gospodarki, takich jak: rzemiosło czy żeglarstwo.

A Co z Internetem?

Wychodzi na to, że jest możliwe żeby produkcja przemysłowa i transport towarowy, tak na lądzie jak i na morzu, był napędzany wyłącznie zmiennymi źródłami energii odnawialnej, bez potrzeby wsparcia w postaci rozbudowanej infrastruktury przesyłowej, magazynów energii, elektrowni zapasowych i przeskalowanych elektrowni odnawialnych. Nie da się tego powiedzieć o proponowanym dzisiaj, zaawansowanym technologicznie podejściu do dopasowania podaży na energię do popytu na nią. Takie podejście, zakładające że energia ma być dostępna cały czas, powoduje konieczność postawienia dodatkowej, rozbudowanej infrastruktury źródeł odnawialnych i magazynów energii. Jak dowiedliśmy w poprzednim artykule, jest to skomplikowane, wolne, drogie i niezrównoważone podejście do energii odnawialnej.

Dopasowywanie naszego zapotrzebowania na energię, do aktualnie dostępnej mocy źródeł odnawialnych, pozwoliłoby na szybszą i bardziej realną transformację energetyczną na źródła odnawialne. Nie byłoby potrzeby ograniczania produkcji, gromadzenia energii i godzenia się na straty na przesyle. Cała energia wygenerowana przez panele słoneczne i turbiny wiatrowe byłaby zużywana na miejscu i nic by się nie marnowało.

Obraz: „Marina”, obraz Carol Popp de Szathmary, 1800 rok.

Trzeba przyznać, że dostosowanie zapotrzebowania na energię do jej podaży może być trudniejsze w innych sektorach. Chociaż Internet mógłby być całkowicie obsługiwany przy użyciu nieciągłych źródeł zasilania - dzięki sieciom asynchronicznym i oprogramowaniu odpornemu na opóźnienia – to wiele nowszych aplikacji internetowych musiałoby zniknąć.

Jeśli chodzi o nasze życie codzienne, to nie możemy liczyć na to, że ludzie zgodzą się na siedzenie po ciemku, albo że odłożą na później ugotowanie obiadu w oczekiwaniu na pojawienie się dostępnej energii odnawialnej. Tak samo trudno sobie wyobrazić, że będziemy jeździć pociągiem na pogotowie, i to tylko w słoneczny dzień. Do zaspokojenia wielu naszych potrzeb, musimy mieć jakieś formy magazynów energii, albo jeszcze inne rozwiązania, aby skutecznie radzić sobie z nieciągłością dostaw energii. To będzie temat następnego postu.

. Edycja Jenna Collett.

Cześć materiału użyta w tym artykule została zebrana podczas odbywania stypendium w Demand Center, w mieście Lancaster w Wielkiej Brytanii.

Lucas, Adam. Wind, Water, Work: Ancient and Medieval Milling Technology. Vol. 8. Brill, 2006. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Hills, Richard Leslie. Power from wind: a history of windmill technology. Cambridge University Press, 1996. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Paine, Lincoln. The sea and civilization: a maritime history of the world. Atlantic Books Ltd, 2014. ↩︎ ↩︎
Reynolds, Terry S. Stronger than a hundred men: a history of the vertical water wheel. Vol. 7. JHU Press, 2002. ↩︎ ↩︎
Jedna z pierwszych zapór wodnych postawiona do produkcji energii, była zapora Cento we Włoszech. Ukończone w 1450 roku, miała 71 metrów długości i 6 metrów wysokości. Do XVIII wieku, największe zapory osiągały długość 260 metrów, 25 m wysokości, odchodziło od nich wiele kanałów zasilających koła wodne. [2] ↩︎
Chociaż wiatraki posiadały szereg mechanizmów pozwalających dostosowywać ich pracę do nagłych zmian prędkości i kierunku wiatru, to energia wiatrowa nie mogła liczyć na pomoc magazynów energii – tak jak zapory służyły energii wodnej. ↩︎
To wyjaśnia dlaczego wiatraki były tak istotne w regionach o suchym klimacie, w płaskich regionach, albo wyjątkowo zimnych, w których nie było wystarczających zasobów energii wodnej. W krajach, w których zasoby energii wodnej były wystarczające, wiatraki pojawiły się dopiero wtedy, kiedy rosnące zapotrzebowania na energię mogło zastopować rozwój gospodarczy. W takich wypadkach energia wiatrowa zyskiwała na wartości, ponieważ najlepsze miejsca do postawienia zapór i kół wodnych zostały już wykorzystane. ↩︎
Młyny pływowe, były podobnie skonstruowane jak koła wodne, jednak można było na nich lepiej polegać, ponieważ morze jest mniej (od rzek) narażone na wyschnięcie, zamarznięcie albo zmianę poziomu wody. ↩︎
Sieferle, Rolf Peter, and Michael P. Osman. The subterranean forest: energy systems and the industrial revolution. Cambridge: White Horse Press, 2001. ↩︎
Freese, Stanley. Windmills and millwrighting. Cambridge University Press, 1957 ↩︎
Wailes, Rex. The English windmill. London, Routledge & K. Paul, 1954 ↩︎ ↩︎
Globalny układ wiatrów składa się z regionalnych układów, takich jak np. morskie i lądowe bryzy. Północny Ocean Indyjski ma wiatry monsunowe, które odwracają swój kierunek co pół roku. Od czerwca do listopada wieją z południowego zachodu, a od grudnia do maja z północnego wschodu. Handel morski na Oceanie Indyjskim rozpoczął się wcześniej niż gdziekolwiek indziej na świecie i był całkowicie zależny od sezonowych zmian w układzie wiatrów. ↩︎
Jenkins, H. L. C. “Ocean passages for the world.” The Royal Navy, Somerset (1973). ↩︎ ↩︎
Młynarze musieli zawsze pozostawać w pogotowiu, żeby utrzymać odpowiedni odstęp między żarnami kiedy wiatr był wzburzony, a w czasach przed regulatorami odśrodkowymi musieli robić to ręcznie. Młynarz musiał bacznie obserwować wiatr, żeby ocenić prawidłowo ile żagla ma rozwinąć na skrzydłach, oraz musiał być gotów, aby w razie potrzeby zatrzymać wiatrak, i albo zwinąć, albo rozwinąć więcej płótna, ponieważ nie znano jeszcze wtedy żagli patentowych. Przed pojawieniem się ogonów w wiatrakach, młynarz musiał śledzić kierunek wiatru, żeby móc nacelować środek wirnika dokładnie na wiatr. [11] ↩︎
Oprócz elektryczności Rewolucja Przemysłowa zaowocowała też m. in skompresowanym powietrzem, wysokociśnieniową hydrauliką, i usprawnionym przekazywaniem mocy mechanicznej, a to może być, w wielu zastosowaniach, dobrą alternatywą dla prądu. ↩︎
Podobnego rozróżnienia dokonano w dawnych czasach. Np. do przędzenie wymagana była stała prędkość obrotowa, żeby motki i zębatki się nie kołysały, co prowadziłoby do powstania przędzy nierównomiernej grubości. [3] Z tego powodu, tkactwo i przędzalnictwo zostało zmechanizowane tylko dzięki energii wodnej (później silnika parowego, przyp. tłum.) ponieważ, dzięki możliwości magazynowania energii możliwe było zagwarantowania materiału o stałej jakości. Energia wiatrowa nie sprawdzała się także w takich dziedzinach jak np. produkcja papieru, transport urobku w kopalniach czy zasilanie miechów hutniczych. ↩︎
Bardzo krótko-terminowe magazynowanie energii jest wymagane dla wielu mechanicznych procesów produkcyjnych opartych na nieciągłych źródłach energii, żeby wyrównać małe i nagłe zmiany w dostawie mocy. Takie systemy (np. koła zamachowe, przyp. tłum) były znane już w czasach przedprzemysłowych. ↩︎
Leighly, J. (ed) (1963) The Physical Geography of the Sea and its Meteorology by Matthew Fontaine Maury, 8th Edition, Cambridge, MA: Belknap Press. Cited by Knowles, R.D. (2006) “Transport shaping space: the differential collapse of time/space”, Journal of Transport Geography, 14(6), pp. 407-425. ↩︎ ↩︎
“Nasi rywale odrzucili napęd na pedały, ponieważ przestraszyli się radykalnej zmiany”, powiedział konstruktor Team New Zealand gazecie The Telegraph, May 24, 2017. ↩︎

Średniowieczne kominy fabryk: Paliwa kopalne w czasach przedprzemysłowych

Thu, 29 Sep 2011 00:00:00 +0000

Ilustracja: Zasilana torfem manufaktura szkła w Holandii, XVIII wiek.

Długą historię tego, skąd ludzkość czerpała energię do swoich działań, z reguły podsumowuje się w kilku słowach: od Starożytności do początków Rewolucji Przemysłowej ludzie wykorzystywali siłę swoich mięśni, pracę zwierząt oraz biomasę, wodę, słońce i wiatr.

Następnie, wszystkie te odnawialne źródła energii zastąpiły paliwa kopalne: najpierw węgiel, a później ropa naftowa i gaz. Jako ostatni, w połowie XX wieku, na scenę wszedł uran.

Można powiedzieć, że ten zwięzły opis jest w większości trafny, jednak brakuje w nim czegoś dosyć istotnego. Mianowicie tego, że prawie wszystkie wiodące gospodarki Zachodniej Europy w ostatnim tysiącleciu opierały się na intensywnym spalaniu paliw kopalnych takich jak torf i węgiel.

Romantyczny obraz Wieków Średnich i Renesansu – niemalże raju, zasilanego odnawialną energię – daleko odbiega od rzeczywistości, ponieważ nie potrafi rozróżnić energii cieplnej od kinetycznej.

Zanim zanurzymy się w arcyciekawej historii przedprzemysłowego wykorzystania paliw kopalnych, najpierw musimy dokonać ważnego rozróżnienia pomiędzy energią termiczną (ciepłem), a energię kinetyczną (ruchem). Przez większą część historii, wiatr, woda i siła mięśni mogły dostarczyć jedynie energii kinetycznej i taka właśnie forma energii była potrzebna do mielenia zboża, cięcia drewna, czy do wprawiania w ruch żaglowców.

Przez wieki jedynym źródłem energii cieplnej w Europie było drewno i węgiel drzewny, a w mniejszym stopniu ciepło promieni słonecznych, z którego korzystano do suszenia cegieł i produktów rolnych.

Drewno i węgiel drzewny były potrzebne w takich procesach jak: ogrzewanie budynków, gotowanie posiłków, produkcja materiałów budowlanych (cegieł, dachówek, cementu, wapna, gipsu), produkcja szkła i papieru, wytop żelaza i produkcja barwników i mydeł. Drewno było jednocześnie podstawowym materiałem konstrukcyjnym statków, budynków, mostów, młynów, nadbrzeży, dźwigów, wciągarek, szybów kopalnianych, beczek, mebli, narządzi i wielu, wielu innych.

Ilustracja: Piec.

Wynalezienie silnika parowego w XVIII wieku (tak naprawdę silnik parowy był wynaleziony dużo wcześniej, ale to James Watt w 1763 r., udoskonalił go w takim stopniu, że stał się popularny, przyp .tłum.) oznaczało, że teraz można było zamieniać energię termiczną na energię kinetyczną: silnik cieplny spalał węgiel, zasilając maszyny i pojazdy. Następnie, pojawienie się elektryczności XIX wieku umożliwiło zamianę energii kinetycznej na energię cieplną: wiatrak, na przykład, mógł służyć do napędzania generatora zasilającego elektryczny grzejnik albo piec. (Mógł też wytwarzać energię cieplną na drodze tarcia pomiędzy trybami trybów, ale była ona zwykle marnowana).

W dzisiejszych czasach, wydaje się oczywiste, że możemy jedną formę energie zamieniać w drugą i z powrotem (przy stratach na konwersji), lecz przez większość historii ludzkości, energia kinetyczna i energia cieplna były zupełnie oddzielnymi bytami i korzystano z nich niezależnie. Wtedy, tak jak dzisiaj, energia cieplna była znacznie ważniejsza od energii kinetycznej.

Odrodzenie Miast

Rzymianie – którzy praktycznie całość czynności mechanicznych zasilali pracą niewolniczą – ogołocili z lasów spore obszary Europy, żeby zaspokoić swój nienasycony głód energii cieplnej i materiałów konstrukcyjnych. Kiedy upadło Zachodnie Cesarstwo Rzymskie, lasy Europy odrodziły się w ciągu kolejnych 500 lat, dzisiaj nazwanych Wiekami Ciemnymi.

Jednak z początkiem drugiego tysiąclecia naszej ery, Europa doświadczyła odrodzenia, nie tylko lasów, ale również życia miejskiego. Pomiędzy rokiem 500 a 1000 naszej ery, pojawiło się wiele innowacji w rolnictwie, takich jak pługi, trójpolówka, uprząż homontowa i podkowy.

Ilustracja: Walcownia w Neustadt-Eberswalde, obraz Carl Blechen, około 1830 rok.

Urbanizacja szła w parze ze wzrostem produkcji przemysłowej. Miasta były ośrodkami produkcji, w nich zakładano liczne gildie rzemieślnicze i manufaktury. Nie mogłyby one funkcjonować bez energii i materiałów dostarczanych z zewnątrz, których przybywało coraz więcej wraz z rozrostem miast. Poza przemysłem, inne dziedziny życia też miały swoje potrzeby energetyczne. Wynalezienie prasy drukarskiej, na przykład, zwiększyło zapotrzebowanie na drewno. Podobnie, jak niebotyczne gotyckie katedry pochłaniały tony wszelkiej maści materiałów, podnosząc zapotrzebowanie na energię cieplną.

Średniowieczne techniki wytwórcze nie były tak wydajne energetycznie jak dzisiejsze. Na przykład, do wytopu 1 kg żelaza trzeba było zużyć 20 kg węgla, czyli około 600 MJ energii. Dzisiejsze huty zużywają 20-25 MJ energii na 1 kg żelaza. Przez to, postępująca urbanizacja, szczególnie w latach 1100-1300, znów doprowadziła do poważnego wylesiania.

Wiatraki To Tylko Połowa Historii

Romantyczny obraz Wieków Średnich i Renesansu – niemalże raju, zasilanego odnawialną energię – daleko odbiega od rzeczywistości, ponieważ nie potrafi rozróżnić energii cieplnej od kinetycznej. Dlaczego jest to ważne, wyjaśnimy w dalszej części tekstu.

Holendrzy i Flamandowie, którzy zdominowali gospodarkę Zachodniej Europy od XII do XVIII wieku, zdobyli sławę dzięki rozwinięciu imponujących technologii wykorzystujących siłę wiatru. Historia holenderskich wiatraków sięga początków XII wieku, jednak ich Złota Era zaczęła się dopiero w XVI wieku. Holendrzy zaprzęgli siłę wiatru do zasilania szerokiej gamy procesów przemysłowych, takich jak produkcja papieru, cięcie drewna, polerowanie szkła, produkcja cementu i wiele innych. (Przeczytaj artykuł: “Fabryki zasilane wiatrem: historia i przyszłość produkcji przemysłowej”).

Ilustracja: Piec.

Wiatrak przemysłowy był genialnym wytworem prostych technologii ery przedprzemysłowej, jednak jego popularność tyko częściowo wyjaśnia, dlaczego Holandia stała się największą potęgą przemysłową siedemnastowiecznego świata. Wiatrak dostarcza odnawialnej i zrównoważonej energii, ale tylko w formie energii kinetycznej (wiatrak wytwarzający ciepło to wynalazek XX wieku, patrz: „Ogrzej swój dom za pomocą wiatraka”). Dzięki pracy skrzydeł wiatraka, wprawiających w ruch koła zębate i przekładnie, można było polerować szkło, ale nie można było szkła produkować. Żeby to zrobić, potrzeba energii termicznej, a w czasach przedprzemysłowych, jak wskazują na to podręczniki historii, jedynym sposobem żeby to osiągnąć było spalanie drewna.

Tutaj pojawia się problem. Chociaż w początkach XVII wieku w Niderlandach zniknęły praktycznie wszystkie lasy to w czasie Holenderskiej Złotej Ery (z grubsza od 1581 do 1672 roku, przyp. tłum.) Holendrzy nie tylko produkowali szkło, ale również wypalali cegły, dachówki, ceramikę, kamionkowe rury, rafinowali sól i cukier, bielili len, gotowali mydło, warzyli piwo, destylowali spirytus i piekli chleb. Wszystkie te czynności, wymagały ogromnych ilości energii cieplnej.

Chociaż IPCC klasyfikuje torf jako paliwo odnawialne, to sprawa jest wysoce dyskusyjna. Potrzeba 3 tysięcy lat, żeby warstwa torfu grubości 3 metrów powróciła to pierwotnego stanu.

Co więcej, Holandia produkowała znacznie więcej towarów niż potrzebował lokalny rynek. Stała się największym europejskim eksporterem wielu z wyżej wymienionych produktów przemysłowych. W mniejszej skali, podobny boom przemysłowy wydarzył się we Flandrii kilka wieków wcześniej, gdzie energochłonny przemysł wyrósł w miejscu prawie całkowicie pozbawionym zasobów drewna. Jak w takim razie Holendrom i Flamandom udało się osiągnąć ten sukces? Dzięki torfowi wydobywanemu na olbrzymią skalę.

Czym Jest Torf?

Torf jest pośrednim ogniwem w formowaniu się złóż węgla. Torf powstaje kiedy materiał rośliny jest odkładany w podmokłych ekosystemach, przede wszystkim torfowiskach, mokradłach i bagnach. Obecność wody stwarza warunki beztlenowe, a powoli rosnąca warstwa szczątków roślinnych powoduje koncentrację materii organicznej i wyciskanie wody. W sprzyjających warunkach, złoża torfu mogą następnie przekształcić się w węgiel brunatny, a później w węgiel kamienny.

[TN: Jeśli zastanowimy się nad tym procesem, to można stwierdzić, że nawet złoża paliw kopalnych (ropy naftowej także) odnawiają się. Niestety, trwa to tak długo (dla węgla kamiennego minimum dziesiątki milionów lat), że klasyfikujemy je jako kopaliny nieodnawialne. Możliwe, że kiedyś w odległej przyszłości, znów pojawi się cywilizacja (niekoniecznie ludzka), która rozpocznie kolejną epokę przemysłową opartą na odnowionych złożach paliw kopalnych, przyp. tłum.]

Zdjęcie: Kopacze torfu w Holandii.

Gęstość energetyczny wysuszonego i ubitego torfu wynosi 15-17 MJ na kilogram, co jest mniej więcej równe energii zawartej w wysuszonym drewnie (15-18 MJ/kg), jednak wyraźnie mniej niż w węglu kamiennym (24 MJ/kg) i węglu drzewnym (do 29 MJ/kg). Kolejną różnicą, pomiędzy torfem a drewnem i węglem, jest jego niska gęstość energetyczna na objętość - 1 m³ węgla kamiennego zapewnia tyle ciepła co 6 m³ torfu.

W niektórych krajach torf jest wciąż wydobywany na użytek prywatny, a w kilku innych spala się go w elektrowniach. Takimi krajami są przede wszystkim Irlandia, Finlandia i Rosja. Chociaż IPCC klasyfikuje torf jako paliwo odnawialne, to sprawa jest wysoce dyskusyjna. Potrzeba 3 tysięcy lat, żeby warstwa torfu grubości 3 metrów powróciła to pierwotnego stanu – i to tylko wtedy, kiedy w tym czasie pozostawi się teren w spokoju.

Co więcej, kopanie torfu ma bardzo duży wpływ na krajobraz, o czym powiemy w dalszej części artykułu, jednak spalanie torfu produkuje tylko trochę więcej CO2 od węgla, na tę samą ilość wytworzonej energii. Przewaga torfu nad węglem jest taka, że jego spalanie emituje mniej dymu i tlenków siarki, przez co w mniejszym stopniu od węgla zanieczyszcza powietrze.

Jak Kopie Się Torf

W czasach przedprzemysłowych torf kopano z użyciem bardzo prostych narzędzi. Przed rozpoczęciem wydobycia, na powierzchni złoża kopano rowy odwadniające, które częściowo odprowadzały wodę. Następnie usuwano z terenu roślinność, a złoże cięto pionowo w kratkę, dzieląc powierzchnię na małe części.

Zdjęcie: Kopanie torfu w Holandii.

Kolejnym krokiem było pocięcie złoża poziomo i wydobycie kostek surowca, które ładowano na taczki i transportowano na sąsiednie pola. Kostki układano jedne na drugich, żeby mogły wyschnąć na słońcu i wietrze. Kostki regularnie obracano i przekładano. Ostatnim etapem było ugniatanie i ściskanie suchych kostek, żeby stały się bardziej zbite. Gotowy surowiec można było zawieźć na targ albo zmagazynować w stodole.

Kopanie torfu było zajęciem sezonowym odbywającym się przez trzy miesiące w roku, od późnej wiosny to wczesnego lata. Jeśli kopanie rozpoczęłoby się wcześniej niż w kwietniu to istniało ryzyko, że mróz uszkodzi suszący się torf. Kopiąc torf latem, nie było za to pewności, że zdąży on dostatecznie wyschnąć przed przyjściem jesiennych chłodów i słot. Nie zabezpieczenie w porę surowca, i pozostawienie suszących się kostek w upalny letni dzień, groziło nadmiernym przesuszeniem i wywianiem torfu przez wiatr.

Zdjęcie: Suszące się kostki torfu.

Biorąc pod uwagę wszystkie cechy torfu jako paliwa można by stwierdzić, że dzieli on wszystkie wady paliw kopalnych i źródeł odnawialnej energii, za to nie ma żadnych z ich zalet. Tak samo, jak inne popularniejsze paliwa kopalne, jest nieodnawialnym źródłem energii produkującym duże ilości CO2, jednak jego gęstość energetyczna jest znacznie niższa od reszty paliw kopalnych. Co więcej, jego pozyskanie jest zajęciem sezonowym, a „zbiory” mogą zawieźć w wypadku złej pogody. A jednak, Holendrzy i Flamandowie, nie mając innego wyboru, zbudowali całe gospodarki na torfie.

Ewolucja Produkcji Torfu

Historia wydobycia torfu była podobna do współczesnej historii wydobycia paliw kopalnych. Kiedy najłatwiej dostępne złoża się wyczerpały, kopacze opracowali nowe, bardziej zaawansowane narzędzia wydobywcze i metody, pozwalające eksploatować coraz trudniej dostępne złoża. Analogicznie do współczesnych paliw kopalnych, koszty finansowe i środowiskowe rosły wraz z pogarszającą się jakością i dostępnością surowca. Ponieważ niewiele zachowało się do dnia dzisiejszego średniowiecznych źródeł pisanych, nie posiadamy zbyt szczegółowej wiedzy o produkcji torfu we Flandrii i Brabancji. Dysponujemy za to całkiem dobrze udokumentowaną historią produkcji torfu w Holandii.

Brugia, Antwerpia, Amsterdam

Odrodzenie się europejskich miast po upadku Cesarstwa Rzymskiego, rozpoczęło się w północnych Włoszech, gdzie miasta takie jak Wenecja, Milan, Genua i Florencja, stały się ważnymi ośrodkami handlu. Drugą falę odrodzenia miast można umiejscowić na terenach na wschodnim wybrzeżu Morza Północnego, regionu, który od XV wieku zaczęto określać mianem „Niderlandów. Region ten, szybko zaczął rywalizować z miastami północnej Italii i w okresie od XVI do XVIII wieku, stał się centrum europejskiego przemysłu i handlu.

Miasta Brugia, Gandawa i Ypres w prowincji Flandria (dzisiaj część Belgii), jako pierwsze osiągnęły gospodarczy i kulturowy rozkwit. W szczególności Brugia stała się znaczącą siłą gospodarczą w handlu międzynarodowym, finansach i produkcji tekstylnej. W 1350 roku Brugię zamieszkiwało 90 tysięcy mieszkańców (Gandawę 57 tysięcy), kiedy w tym roku w Amsterdamie, można było się doliczyć jedynie tysiąca mieszkańców.

Zdjęcie: Ratusz w Brugii wybudowany w 1376 roku. Autor zdjęcia: [Pantchoa](http://www.flickr.com/photos/francois-2/5395519921/).

Na przełomie XIV i XV wieku, dominująca pozycja gospodarcza zaczęła się przenosić do Antwerpii, Brukseli i Leuven (dzisiejsza Belgia) w prowincji Brabancja. Aż do końca XV wieku, Antwerpia była centrum gospodarczym Świata Zachodniego. W 1550 roku, Antwerpia liczyła 90 tysięcy mieszkańców (wzrost z 40 tys. w roku 1500), zajmując, po Paryżu, miejsce drugiego najliczniejszego miasta Europy na północ od Alp.

W 1579 roku Niderlandy, wtedy pod panowaniem Królestwa Hiszpanii, zostały podzielone na dwie części. Siedem prowincji północnych zbuntowało się przeciwko Koronie Hiszpańskiej i utworzyło nowe państwo – Republikę Zjednoczonych Prowincji (dzisiejsza Holandia). Polityczny chaos ogarnął prowincje południowe (dzisiejsza Belgia), w wyniku czego Antwerpia straciła swoją przewodnią rolę na rzecz szybko rozwijających się, niderlandzkich prowincji Holandii. Stolica Holandii – Amsterdam – stał się europejskim centrum przemysłowym i gospodarczym i utrzymał tę pozycje do końca XVII wieku.

Wydobycie Torfu Od XII Do XVI Wieku

Wydobycie torfu na dużą skalę rozpoczęło się na przybrzeżnych terenach Flandrii i północnej Antwerpii w XII i XIII wieku. Działalność ta, była nacelowana na zapewnienie paliwa szybko rosnącym miastom Brugii, Gandawy i Ypres. Zasoby torfu w przybrzeżnych złożach zostały wyczerpane w końcu XIV i XV wieku. Produkcja torfu w Brabancji trwała dłużej, ale doświadczyła gwałtownego załamania w XV wieku. > Kiedy najłatwiej dostępne złoża się wyczerpały, kopacze opracowali nowe, bardziej zaawansowane narzędzia wydobywcze i metody, pozwalające eksploatować coraz trudniej dostępne złoża.

Kiedy Antwerpia umacniała swoją dominującą pozycję w światowej gospodarce, jej zasoby torfu były już na tyle wyczerpane, że nie mogły zaspokoić potrzeb energetycznych Flandrii. W wyniku tego, produkcja torfu przeniosła się do sąsiedniej prowincji Holandia, skąd torf eksportowano do Antwerpii.

Zdjęcie: Wydobycie torfu powyżej zwierciadła wód gruntowych.

W tym czasie, Holandia była w większości rolniczym regionem ze względnie niewielkimi potrzebami energetycznymi. Oszacowano, że w tym czasie, każdego roku w Holandii i Utrechcie było eksploatowanych od 220 do 440 hektarów torfowisk. Około 1530 roku, łatwo dostępne złoża w obu prowincjach skończyły się. Popyt na torf ciągle rósł, więc wynikiem, jednoczesnego wzrostu zapotrzebowania ze spadającą podażą, były oczywiście błyskawicznie rosnące ceny brązowego paliwa.

Wydobycie Torfu Przyśpiesza: Kopanie Poniżej Zwierciadła Wód Gruntowych

Kopacze torfu w odpowiedzi na tę sytuację opracowali noże narzędzie, zwane „bahherbeugel” (podbierak do oczyszczania kanałów na długim kiju wyposażony w ostrze). Dzięki niemu, kopacze były w stanie z łodzi, ciąć na kawałki znajdujący się pod wodą torf i wydobyć go na powierzchnię. Technika ta, nazwana „slagturven”, ogromnie powiększyła dostępne zasoby torfu.

Pokłady torfu w Amsterdamie i Utrechcie sięgały 4,5 metra grubości, jednak z powodu wysokiego poziomu zwierciadła wód gruntowych (stąd nazwa Niderlandy czyli „ziemie położone niżej”, przyp tłum.), tylko wierzchnia warstwa mogła być zebrana za pomocą standardowych technik. Głębsze wykopy doprowadziłby do zalania terenu i odcięcia dostępu do surowca.

Zdjęcie: Kopanie torfu poniżej zwierciadła wód gruntowych.

Dzięki baggerbeugel’owi można było kopać torf spod wody, a więc teraz, całe złoże stawało się dostępne. Istnieją dowody świadczące o tym, że nowe narzędzie znano we Flandrii już dwa wieki wcześniej i wiedza o nim dopiero później dotarła na Północ (na północ Niderlandów, przyp. tłum.).

Zintensyfikowana produkcja torfu niosła ze sobą dodatkowe koszta. Sam proces kopania się nie skomplikował, przybyło za to nowych czynności, niezbędnych do pozyskania paliwa spod poziomu wody gruntowej. Przez dużą zawartość wody, szlamowaty torf trzeba było rozkładać na ziemi (jeszcze nieobdartej z torfu) w wąskich, długich pasach. Następnie, wodę trzeba było wycisnąć, a robili to ludzie, mocując do swoich chodaków drewniane deski i chodząc po urobku. Dopiero wtedy można było torf pociąć w kostki i ułożyć do wyschnięcia.

Ilustracja: Chodaki kopacza torfu. Autor: [MOT](http://www.mot.be)

Koszt Środowiskowy: Ląd Zamienia Się W Wodę

Co gorsza, za nową techniką poszły ogromne zniszczenia w środowisku i straty terenów rolnych. Tam, gdzie torf wydobywano poniżej poziomu wody, grunt znikał pod wodą. Jest to ironia losu, że kraj, który włożył za pomocą wiatraków tyle wysiłku w wydarcie morzu tak potrzebnej mu ziemi, tracił ją przez głód energii. Każdego roku, z powodu produkcji torfu około 115 do 230 hektarów lądu znikało pod morskimi falami. W wyeksploatowanych torfiarniach powstawały jeziora, pokrywające znaczne powierzchnie Holandii i Utrechtu.

W sumie, w wyniku kopania torfu, morze zajęło 60 tysięcy hektarów lądu w Holandii i Utrechcie – prawie 10% ich całkowitej powierzchni lądowej.

Tylko podłużne pasma ziemi, używane wcześniej do suszenia torfu, wystawały nad wodę. Historyk Jan de Vries, wspomina jak teren pomiędzy Amsterdamem, Rotterdamem i Utrechtem: „[…]nabrał wyglądu szwajcarskiego sera, z wielką ilością wypełnionych wodą pustych torfiarni, które dzieliły jedne od drugich, zaledwie wąskie paski bezbronnej ziemi, na której rozrzucone były zabudowania porzuconych gospodarstw”.

Ilustracja: Kopanie torfu doprowadziło do powstania śródlądowego morza o powierzchni 17 tys. hektarów, które zalało wiele wiosek.

Niektóre z tych jezior wciąż można znaleźć w niderlandzkim krajobrazie. Zdjęcie powyżej, przedstawia “Nieuwkoopse Plassen" w Holandii, dzisiaj rezerwat przyrody o powierzchni 1.4 tysiąca hektarów. Inne przykłady to “Loosdrechtse plassen” i “Vinkeveense plassen” w prowincji Utrecht. Nie rzadko, nawet wąskie pasma lądu (pozostawione żeby schnął na nich torf) w końcu również były przekopywane, albo po prostu zmywane do wody podczas burz i sztormów.

W pewnym momencie to zjawisko wymknęło się spod kontroli i pod wodą zaczęły znikać całe wioski. Historyk J.W. De Zeeuw pisze: “Około roku 1600, jeziora [te] zajmowały większość terenów pomiędzy rzekami Oude Rijn, Gouwe i Hoallandse Ijssel, zagrażając miejscowościom Zevenhuizen, Moerkapelle i Waddinxveen. W roku 1630 kościół w Jacobswoude, na północ od Oude Rijn, został rozebrany, ponieważ wioska w której stał zniknęła w stworzonych przez ludzi, otaczających je wodach jezior.”

Ilustracja: Kopanie torfu stworzyło śródlądowe morze o powierzchni 17 tys. hektarów, które zalało wiele wiosek.

Na przestrzeni wieków kopanie torfu doprowadziło do połączenie dwóch dużych jezior (Haarlemmermeer i Leidsemeer) i kilku mniejszych, tworząc śródlądowe morze o powierzchni 17 tys. hektarów, które zatopiło wiele wiosek (Niuewerkerk, Rijk, Vijfhuizen, i część Aalsmeer – zobacz mapę powyżej). Ten zbiornik wodny – zwany wśród miejscowych jako „wilcza woda” - w XVIII wieku zagrażał położonym w pobliżu miastom Haarlem, Lejda i Amsterdam, które wtedy nawet nie leżały na polderach (czyli poniżej poziomu morza, przyp. tłum.).

Władze publiczne, przerażone stratą gruntów rolnych – i spadkiem związanych z nimi podatków – starały się zatrzymać kopaczy torfu, nakładając na nich w XVI wieku zakaz eksportu kopaliny i restrykcje dotyczące wydobywania go poniżej zwierciadła wód gruntowych. Ponieśli porażkę. Kopanie torfu przynosiło większe zyski niż uprawa roli. W sumie, w wyniku kopania torfu, morze zajęło 60 tys. hektarów lądu w Holandii i Utrechcie – prawie 10% ich całkowitej powierzchni lądowej.

Produkcja Torfu Przenosi Się Na Północ: Kopanie Kanałów

Kiedy pod koniec XVI wieku, dominacja gospodarcza w regionie zaczęła przenosić się z Flandrii i Brabancji do Holandii, znów można było zaobserwować znaczący wzrost zapotrzebowania na energię. Pomimo zniszczenia środowiska, kopanie torfu spod wody było ciągle kontynuowane w siedemnastowiecznej Holandii i Utrechcie w skali średnio 200 hektarów rocznie. Jednak było to za mało, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie i ceny torfu znów poszły do góry.

Ilustracja: Kopanie torfu w północnych prowincjach.

W wyniku tego, poczynając od 1580 roku, zainteresowanie kopaczy przeniosło się na wyżej położone torfowiska w północnych prowincjach Fryzji, Groningen i Drenthe, oddalonych o 200-250 kilometrów (patrz mapa powyżej). W XVII wieku, produkcja torfu z tych prowincji sięgnęła średnio 400 hektarów rocznie. Większość urobku eksportowano do Holandii.

Jednak eksploatacja tych złóż była zupełnie innym przedsięwzięciem, ponieważ w regionie było tylko kilka, nielicznych kanałów wodnych. Przetransportowanie torfu, najpierw do Zuiderzee, a do dopiero później do Holandii i Utrechtu, byłoby niezwykle kosztownym przedsięwzięciem ze względu na dostępne opcje transportu lądowego tamtych czasów. Żeby móc zagospodarować wysokie torfowiska Północnych Prowincji, należało wykopać rowy i kanały, a to wiązało się z dużymi inwestycjami.

Zdjęcie: Suszący się torf.

Posłuchajmy znowu Jana De Vries: „Efekt był taki, że zamiast licznych, indywidualnych kopaczy torfu pracujących na małej parceli ’laagveen’ [torfowisko niskie], torf z ‘hoogveen’ [torfowisko wysokie] wydobywany był przez konsorcja inwestorów (miejskich biznesmenów z zachodnich miast), którzy stwierdzili, że sytuacja na rynku jest sprzyjająca do inwestycji w wykupywanie rozległych, niezamieszkanych mokradeł, wykopanie długich kanałów [prowadzących] do torfowisk i zatrudnienia armii kopaczy”.

„Torf produkowali miejscy biznesmeni z zachodnich miast, którzy stwierdzili, że sytuacja na rynku jest sprzyjająca do inwestycji w wykupywanie rozległych, niezamieszkanych mokradeł, wykopanie długich kanałów do torfowisk i zatrudnienia armii kopaczy”.

Mapy pokazują, że w odpowiedzi na rozrastający się przemysł wydobywczy w Północnych Prowincjach, zaczęto od lat 80tych XVI wieku kopać rozległą sieć kanałów wodnych. W regionach wysokich torfowisk Groningen i Wschodnim Drenthe, budowa kanałów trwała nieprzerwanie od 1580 do 1650 roku, co pozwoliło udostępnić największe złoża torfu. Około 30 tysięcy hektarów torfowisk stało się gotowych do eksploatacji.

W regionach wysokich torfowisk Zachodniego Drenthe, Fryzji i Overijsell, budowa kanałów trwała od 1600 do 1670 roku, nacelowana na sięgnięcie po kolejne 30 tysięcy hektarów cennego surowca. Szacuje się, że w sumie około 700 kilometrów kanałów wodnych, nastawionych głównie na transport torfu, zostało wykopanych w Północnych Prowincjach. Wiele z nich przetrwało do dziś, dając czasem zaskakujące efekty jak np. miasta bez dróg.

Ilustracja: Mapa systemu kanałów wodnych zbudowanych do transportu torfu na północy Niderlandów.

Wcześniej we Flandrii i Brabancji również kopano kanały służące produkcji torfu, lecz głównymi graczami w tym biznesie były klasztory, które zorganizowały kopanie torfu na duża skalę, wykupując grunty i zatrudniając kopaczy. Od początku XIV wieku, w Brabancji i Północno-wschodniej Antwerpii wykopano 20 kanałów, ponad 16 metrów na poziomem morza, każdy o długości od 10 do 20 kilometrów.

Główny kanał, który łączył porty eksportowe z terenami wydobycia, osiągnął długość całkowitą 320 km. Stawiano nawet akwedukty nad strumieniami, żeby kanały mogły je przekroczyć. W Północnych Prowincjach Niderlandów całkowita długość kanałów osiągnęła co najmniej 700 kilometrów.

Kopanie Torfu Kontra Rolnictwo

Eksploatacja wysokich torfowisk na Północy nie zawsze prowadziła do utraty gruntów rolnych, tak jak działo się to na Południu. Spółki wydobywcze, po zakończeniu wydobycia, zmieniały niektóre torfowiska na tereny rolne.

Jan De Vries tak o tym pisze: „Kiedy już warstwa torfu została zdarta, przedsiębiorstwa te miały interes w tym, aby zrobić użytek z właśnie odsłoniętych gleb. Ponieważ gleba leżała ponad zwierciadłem wód gruntowych, to koszt przemiany jej na produktywne tereny rolne wiązał się głównie z koniecznością zabezpieczenia warstwy wierzchniej gleby (w torfowiskach wysokich jakość torfu była niska), więc można było go [torf wcześniej zdjęty] ponownie rozprowadzić po powierzchni, znacząco nawożąc nową glebę. Tak właśnie działo się w Groningen, gdzie stolica prowincji wspomagała rozwój rolnictwa na wysokich torfowiskach dostarczając im „nocną glebę”.”

Ilustracja: Bardziej szczegółowy widok na kanały wykopane do produkcji torfu.

Nowo powstały system kanałów do transportu torfu dla Holenderskiego przemysłu na Południu pozwalał, również rolnictwu, tanio przewozić swoje towary. Sama wieś nie byłaby w stanie wyłożyć pieniędzy na taką inwestycję. Jednak, owoce wysiłków na rzecz powiększenia terenów rolnych (chodzi o wydzieraniu gruntów morzu, przyp. tłum.), w niektórych częściach kraju, nie pokrywały dużo większych strat gruntów wynikłych z powodu kopania torfu.

Niewiele torfowisk w Groningen przekształcono na pola uprawne podczas Złotej Ery – dopiero pojawienie się nawozów sztucznych, po koniec XIX wieku, pozwoliło na wielkoskalową rekultywację terenów. We Fryzji, gleby leżące pod warstwą torfu słabo nadawały się pod uprawę, a kopanie torfu pozostawiło po sobie rozlegle jeziora, które przetrwały do dziś. Tak, jak wspominaliśmy o tym wcześniej, duże połacie lądu na południu kraju zniknęły pod morskimi falami.

W efekcie Niderlandy, w przeciwieństwie do innych państw europejskich tego okresu, były uzależnione od importu żywności. Hodowano tutaj warzywa, produkowano nabiał i mięso, jednak około połowy spożywanych zbóż (najważniejszego pożywienia) była dostarczana z krajów Bałtyckich (głownie z Polski, przyp. tłum.) - co drogo kosztowało.

Konsumpcja Energii Na Osobę

Holendrzy do początku XX wieku ogołocili z torfu szacunkowo 283,500 hektarów torfowisk, czyli blisko 10% całkowitej lądowej powierzchni Niderlandów. Co ciekawe, jedna trzecia całkowitego wydobycia przypadła na czasy epoki przemysłowej, czyli ostatnie 100 lat wielowiekowej tradycji kopania torfu, a to dzięki zastosowaniu mechanicznych koparek zasilanych węglem. Przemysłowe wydobycie torfu zakończyło się w 1950 roku.

Jeśli za początek epoki przemysłowej, a w Holandii zaczęła się ona dosyć późno, przyjmiemy rok 1850 rok, to wydobycie torfu od roku około 1300 do roku 1850 szacuje się na ponad 190 tysięcy hektarów, z czego około 70 tysięcy hektarów wyeksploatowano w XVII i XVIII wieku, co mniej więcej, pokrywa się z okresem Niderlandzkiej Złotej Ery.

Wszystkie te liczby pochodzą z opracowania W. De Zeeuw’a - „Torf i Holenderska Złota Era” z 1978 roku (patrz materiał źródłowy). Inny autorzy, np. Jan de Vries, w nowszych opracowaniach szacują wydobycie na wyższe, podając, że od początku XVII wieku przekopano około 275 tysięcy hektarów torfowisk, co równa się prawie całości zasobów torfu w Holandii.

Ilustracja: Produkcja torfu w Holandii. Legenda: „Low peat” - torfowiska niskie, „High peat” torfowiska wysokie.

W. De Zeeuw starał się obliczyć ile energii znajdowało się w wydobytym torfie, opierając się na średniej miąższości warstw torfu w stanie suchopowietrznym. Według niego, w XVII wieku Holendrzy rocznie spalali brązowego paliwa o zawartości energetycznej równej 25,120,800 GJ. Przy populacji 1.5 miliona osób, wychodzi po 16.75 GJ energii na osobę rocznie.

Inni autorzy doszli do podobnych wyników, wahających się od 13.4 do 19.3 GJ torfu na osobę rocznie. Jest to podobna ilość energii, jaką dzisiaj zużywają ludzie w dziesiątkach biednych krajów (chociaż niektórzy nie osiągają nawet 10 GJ na osobę rocznie). Średnie światowe zużycie energii na osobę rocznie wyniosło 76.6 GJ w 2008 roku, tylko 4.5 raza więcej niż zużywał siedemnastowieczny Holender (teraz Holendrzy konsumują około 198 GJ/osobę – rok 2020). Trzeba mieć jednak na uwadze, że liczba 16.75 GJ/osobę rocznie, dotyczy tylko zużycia torfu i nie uwzględnia innych źródeł energii takich jak drewno, wiatr, praca zwierząt, węgiel drzewny i węgiel kamienny.

Urbanizacja I Industrializacja W XVII Wiecznej Holandii

Tak wysokie zużycie energii w XVII Holandii było europejskim ewenementem, jednak to samo, możemy powiedzieć o poziomie jej dobrobytu i tempie urbanizacji i uprzemysłowienia.

Ponad 60% Holendrów mieszkało w tym czasie w miastach, w porównaniu do średnio 10% w większości pozostałych krajów europejskich końca XVII wieku. Podobny poziom urbanizacji został osiągnięty w innych krajach Europu dopiero na przełomie XX wieku. (W Europie wschodniej, np. w Polsce, dopiero na przełomie XXI wieku, przyp. tłum.).

Podobnego rozwoju miast doświadczyły Flandria i Brabancja w XVI wieku, kiedy to 30% procent ludności zamieszkiwała miasta o ilości mieszkańców powyżej 10 tysięcy. W latach 1600-1720 Holendrzy odnotowali najwyższy dochód na głowę na świecie - co najmniej, dwa razy wyższy od sąsiadów i około pięć razy wyższy od ówcześnie najbiedniejszych krajów świata.

Ilustracja: Amsterdam w 1662 roku.

Eksploatacja torfowisk północnych prowincji Niderlandów, rozpoczęta w latach 80tych XVI wieku, dała Holendrom łatwo dostępne źródło taniej energii – reszta Europy w tym czasie musiała zadowolić się drewnem, które, razem z postępującym wylesianiem, stawało się coraz droższe. Bogate zasoby paliwa pobudziły rozwój różnych, energointensywnych gałęzi przemysłu nastawionych na eksport.

Ponad 60% Holendrów mieszkało w tym czasie w miastach, w porównaniu do średnio 10% w większości pozostałych krajów europejskich końca XVII wieku.

Wiele zakładów wytwórczych istniało jedynie dzięki obfitym i tanim zasobom energii termicznej. Tak było np. w przypadku rafinacji cukru - proces całkowicie oparty na energii cieplnej. Cukier stał się jednym z najważniejszych towarów siedemnastowiecznego świata, a Amsterdam objął pozycję największego producenta cukru w 1650 roku. Ponad połowa, z dwustu europejskich przetwórni cukru, znajdowała się w Niderlandach, i wszystkie z nich rafinowały surowiec importowany z Karaibów i Ameryki Południowej.

Tak samo zależna, od potężnych nakładów energii cieplnej, była produkcja soli. Sól była niezbędna do konserwacji mięsa, ryb i nabiału, zanim pojawiły się elektryczne chłodziarki. W Niderlandach w 1674 roku działało 293 tężni soli, większość z nich skoncentrowana w Holandii, a wszystkie one rocznie spalały 800 ton torfu.

Około sześćdziesięciu zakładów produkowało sól na potrzeby konserwacji śledzi w beczkach - kolejnego ważnego produkty eksportowego. Co więcej, miasto Haarlem stało się centrum bielenia niemieckiego lnu, a to kolejny z procesów całkowicie opartych na energii cieplnej. Ikoniczny holenderski wiatrak, nie służył żadną, bezpośrednią pomocą w ani jednej z tych gałęzi przemysłu.

Ilustracja: Wypalanie cegieł zasilane torfem jako paliwem.

Sukces wielu innych sektorów przemysłu wynikał z połączenia energii torfu i siły wiatru. Najlepszym przykładem jest przemysł stoczniowy. Holandia została europejskim liderem budowy statków w XVII wieku.

Od roku 1625 do 1700, holenderskie stocznie wypuszczały rocznie z doków do 500 nowych statków, zamawianych często przez zagraniczne potęgi. Drewno na statki cięto w zaawansowanych technicznie tartkach napędzanych energią wiatru, które wynaleziono w 1596 roku. Spalanie torfu dostarczało energii cieplnej, potrzebnej w takich procesach jak gięcie desek, topienie smoły i kucie elementów żelaznych.

Oprócz tego, torf przynosił inne ważne, lecz niebezpośrednie korzyści. Chociaż kopanie torfu na masową skalę, nie uchroniło Niderlandów od importu sporych ilości drewna, to torf zaspokajał przynajmniej zapotrzebowanie na ciepło, dzięki czemu, praktycznie całe importowane drewno było używane wyłącznie jako materiał konstrukcyjny.

W ten sposób, holenderski przemysł osiągał znacznie wyższe stopy zwrotu, niż w sytuacji, kiedy musiałby używać drewna jako paliwa oraz sprawił, że Holendrzy byli mniej narażeni na rosnące ceny drewna. Torf stanowił podstawowy opał w domach i budynkach publicznych. Tylko bardzo bogaci obywatele mogli sobie pozwolić na drewno opałowe, które było bardzo drogie, ale jednak produkowało mniej dymu i zanieczyszczeń.

Dlaczego Torfu Używano Tylko W Niderlandach?

Niderlandy nie były jedynym europejskim regionem, który doświadczył poważnych niedoborów drewna pomiędzy XII a XVIII wiekiem. Co więcej, torfowiska można znaleźć w wielu miejscach Europy, np. na północ od Alp, jednak inne kraje nie postanowiły rozwiązać problemu własnych niedoborów energetycznym kopiąc torf. Dlaczego tak się stało?

Dla tych „przedprzemysłowych” krajów, wartość zasobów energii była raczej uzależniona od kosztów transportu surowca, a nie od kosztów jego pozyskania. Nie ma w historii świata okresu, w którym pojawiłyby się globalne, kontynentalne, czy nawet krajowe, niedobory drewna. Problem ten był zawsze lokalny, powstały w wyniku wycinki drzew wokół miejskich i przemysłowych ośrodków.

Transport lądowy – kiedy w Europie utwardzone Rzymskie drogi odeszły do przeszłości - opierał się na wozach ciągniętych po złych, nieutwardzonych drogach. Było to nadzwyczaj powolne, pracochłonne, drogie i ograniczone do krótkich dystansów (najwyżej 20-25 kilometrów) zajęcie, pomiędzy kopalnią, a miejscem zbytu. Tylko transport wodny, aż do pojawienia się lepszych dróg i kolei, był realną alternatywą w przemieszczaniu towarów. W czasach przedprzemysłowych napędzany był wiatrem, ale również siłą ludzkich i zwierzęcych mięśni, czy to dzięki wiosłom i drągom, czy dzięki holowaniu kanałami wzdłuż ścieżek holowniczych. Był to znacznie sprawniejszy sposób transportu w porównaniu do ślamazarnych wozów, co chwila łamiących drewniane ośki na dziurach i grzęznących w błocie.

Zdjęcie: Transport torfu.

Jedno spojrzenie na mapę Niderlandów natychmiast wyjaśnia, dlaczego ten region mógł sobie pozwolić na transport torfu na tak duże dystanse: jest wzdłuż i wszerz poprzecinany jeziorami i rzekami. Z Groningen i Fryzji, z najbardziej północnej części dzisiejszej Holandii, można przepłynąć łodzią (dosłownie) prosto do Amsterdamu, Utrechtu, Rotterdamu oraz Antwerpii, do Brukseli, Gandawy i Brugii leżących w dzisiejszej Belgii. Żaden inny region Europy nie ma tak rozbudowanej sieci dróg wodnych.

Co więcej, region ten jest wietrzy i płaski, oferując świetne warunki do żeglowania – a wylesienia jeszcze bardziej je poprawiło. Co ważne, Niderlandy leżą nisko nad poziomem zwierciadła wód gruntowych – tak samo jak torfowiska. Kopanie kanałów w regionach zasobnych w torf, i łączenie ich zresztą istniejącej rozległej, naturalnej sieci dróg wodnych, było względnie proste. Ponieważ naturalne drogi wodne dawały dostęp do wszystkich ważniejszych miast regionu, torf mógł być transportowany bezpośrednio z torfiarni pod drzwi miejskich konsumentów. Można było praktycznie wykluczyć transport lądowy, a przez to utrzymywać niskie ceny przedsięwzięcia.

Transport lądowy był nadzwyczaj powolny, pracochłonny, drogi i ograniczony praktycznie do krótkich dystansów pomiędzy kopalnią, a miejscem zbytu.

W większości pozostałych krajów, złoża torfu leżały zbyt wysoko ponad poziomem wód gruntowych, przez co budowanie kanałów byłoby znacznie droższe niż w Niderlandach. Nie rzadko, miasta i ośrodki przemysłowy leżały za daleko potencjalnych złóż torfu i nie miały dostępu do dróg wodnych. To wyjaśnia, dlaczego wielkoskalowe wydobycie torfu w innych regionach Europy i w USA zaczęło się dopiero pod koniec XIX wieku, kiedy torf można było przewozić koleją albo spalać na miejscu produkując elektryczność (którą to łatwiej się „transportuje”).

Węgiel i Koniec Holenderskiej Złotej Ery

Torf nie był jedynym z paliw kopalnych używanych w Europie w drugim tysiącleciu naszej ery. Węgiel kamienny zaczęto wydobywać już z w XIII wieku w Anglii, Walii i w regionie, który dzisiaj jest francuskojęzyczną częścią Belgii. Czarne paliwo szybko stało się pożądane w całej Europie, ponieważ świetnie sprawdzało się w niektórych procesach przemysłowych, w szczególności w metalurgii i wypalaniu wapna.

Wydobycie węgla na większą skalę rozpoczęło się w XV wieku. W roku 1430, od 1 600 do 2000 osób pracowało w przemyśle wydobywczym węgla kamiennego w Liège (dzisiejsza Belgia). Od XVI wieku, wydobycie węgla szybko przyśpieszało. W Londynie, który wówczas był jednym z najludniejszych miast Europy, węgiel kamienny był szeroko wykorzystywany w przemyśle i do ogrzewania domów i gotowania.

Zdjęcie: Piec.

Na początku XVII wieku, kiedy Holandia wchodziła w okres swojej Złotej Ery, węgiel stanowił trzy czwarte spalanego w Londynie paliwa, co skutkowało znacznym zanieczyszczeniem powietrza. Węgiel kamienny podczas spalania uwalnia znacznie więcej zanieczyszczeń niż drewno, dlatego wcześniej był w Anglii zakazany. Jednakże, dotkliwe niedobory drewna opałowego, które Anglicy zaczęli odczuwać już na początku XVI wieku, nie pozostawiały Londyńczykom większego wyboru, jak tylko spalać brudne, ale za to dostępne w obfitości, paliwo. Z powodów wymienionych wcześnie, nie było możliwości kopania torfu.

Krytyczna Rola Produkcji Żelaza

Z początku, torf miał wiele zalet na węglem kamiennym przez co Anglicy, dosyć wcześnie korzystający z czarnego paliwa, nie osiągnęli przewagi gospodarczej nad siedemnastowiecznymi Niderlandami. Węgla nie można było użyć w większości ówczesnych procesów przemysłowych, ponieważ podczas spalania wchodził w reakcje chemiczne z innymi składnikami. Znajdujące się w nim zanieczyszczenia – przede wszystkim siarka – niszczyła produkt wyjściowy. Tylko w procesach, w których można było oddzielić spalany węgiel od kontaktu z innymi składnikami, węgiel kamienny skutecznie zastąpił drewno.

Na początku XVII wieku, węgiel stanowił trzy czwarte spalanego w Londynie paliwa, co skutkowało znacznym zanieczyszczeniem powietrza.

Dzięki swojej niskiej zawartości siarki, torf nie sprawiał takich problemów i Holendrzy mogli go wykorzystać w prawie wszystkich procesach przemysłowych opartych na energii termicznej. Z czasem jednak Anglicy udoskonalali swoje technologie i powoli adaptowali procesy przemysłowe do użycia węgla kamiennego, zamiast drewna i węgla drzewnego. Z każdym kolejnym krokiem, Anglicy pomału doganiali Holendrów. Punkt zwrotny tej pogoni miał miejsce w XVIII wieku, kiedy to ostatni – i najważniejszy – proces przemysłowy został przystosowany do spalania węgla: wytop żelaza.

Ilustracja: Piec hutniczy.

Koks - czyli oczyszczony węgiel kamienny - był kamieniem milowym, od którego w świecie zachodnim rozpoczęła się rewolucja przemysłowa. (Chińczycy odkryli proces koksowania już w XII wieku naszej ery). Od tej pory, wykorzystanie żelaza jako materiału konstrukcyjnego nie było już ograniczone dostępnością drewna. Spalanie torfu nie pozwala osiągać temperatur tak wysokich jak spalanie węgla kamiennego, więc nie można było go użyć do wytopu żelaza ani do zasilania silników parowych (Holendrzy nigdy nie produkowali żelaza, zawsze je importowali). Co więcej, węgiel jest czterokrotnie gęstszy energetycznie od torfu, przez co łatwiej go transportować i składować. Żelazo i silnik parowy rozpoczęły w Anglii erę kolei, rozwiązując problem transportu czarnego paliwa lądem. Kolej okazała się ponadto szybszym i bardziej elastycznym środkiem transportu od barek pływających po kanałach.

Wyczerpanie Dostępnych Złóż Torfu.

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy Angielski krajobraz zaczęły przecinać linie kolei żelaznych, najłatwiej dostępne holenderskie złoża torfu wyczerpały się. Dodatkowo, rosnącym problemem stało się zamulanie płytkich dróg wodnych i portów, podnoszące jeszcze bardziej koszty wydobycia brązowego paliwa. Coraz więcej i więcej, pojawiało się w kanałach mielizn, przez które barki z torfem musiały zostać przeciągnięte.

Podobny los spotkał kilka wieków wcześniej Brugię. Unikalne położenie geograficzne Niderlandów, pozwalające na wczesne, masowe użycie paliw kopalnych, z czasem stało się dotkliwym ciężarem. Kończące się zasoby torfu, i coraz większe problemy transportowe, prowadziły do wzrostu cen paliwa do momentu, kiedy bardziej opłacało się importować węgiel kamienny.

Zdjęcie: Kopanie torfu w Rotterdamie, rok 1918.

Żeby przeciwdziałać drożyźnie i ratować gospodarkę, Holandia zaczęła importować węgiel. Wszędzie tam, gdzie było to możliwe, przemysł zaadaptował się do nowego, tańszego paliwa. Eksport angielskiego węgla do Holandii wzrósł z 32.200 ton w 1700 roku, do 117.900 ton około 1750 roku.

Import węgla działał na niekorzyść holenderskiego przemysłu, ponieważ Anglicy nakładali stosowne taryfy na sprzedawany węgiel. Gospodarka Holandii zaczęła podupadać. Import zboża stał się zbyt drogi i rozpoczął się proces powolnej dezurbanizacji - ludzie zaczęli wracać z miast na wieś, żeby zająć się rolą. Do roku 1815, odsetek ludzi zamieszkujących holenderskie miasta spadł z 60 do 38 procent.

Czy Społeczeństwo Może Prosperować Na Energii Odnawialnej?

Od XII wieku do początku Rewolucji Przemysłowej, wszędzie tam, gdzie w Europie powstał dobrze prosperujący przemysł, przyczyniło się do tego przedprzemysłowe wykorzystanie węgla i torfu. Flamandia, Holandia i Anglia, jedna po drugiej, stawały się najlepiej prosperującymi regionami Europy z chwilą, kiedy zaczęły spalać duże ilości paliw kopalnych.

Innymi słowy, każdy sukces gospodarczy ubiegłego tysiąclecia bazował na wielkiej ilości paliw kopalnych, a co za tym idzie, poważnym zniszczeniu środowiska. Co więcej, wspomniane kraje produkowały wiele towarów na eksport, a więc (niebezpośrednio) inne regiony świata również korzystały z paliw kopalnych.

Wszystkie cudy gospodarcze ubiegłego tysiąclecia bazowały na wielkiej ilości paliw kopalnych, a co za tym idzie, poważnym zniszczeniu środowiska.

To wszystko nie oznacza, że niemożliwym jest stworzenie dobrze prosperującego społeczeństwa opartego w stu procentach na źródłach energii odnawialnej. Możemy teraz, dzięki dobrym drogom i efektywnym środkom transportu, przewozić biomasą na znacznie większe dystanse. Nie mówię teraz o autostradach i napędzanych dieslem ciężarówkach, ale o pociągach, drogach szutrowych, tramwajach towarowych, rowerach cargo, lekkich pojazdach elektrycznych w regionach płaskich oraz napowietrznym transporcie linowym i kolejkach linowych w regionach górskich.

Co więcej, dzisiaj dysponujemy nowym, niedostępnym wcześniej sposobem wykorzystywania mocy słońca, dzięki któremu możemy uzyskać ogromne ilości energii cieplnej – solarnej energii termicznej. (Przeczytaj artykuł: „Świetlana przyszłość słonecznych fabryk termalnych”). Zalety ciepła słonecznego i skoncentrowanej energii słońca znane są od stuleci, ale materiały i procesy przemysłowe, potrzebne do zastosowania ich na większą skalę, stały się dostępne dopiero pod koniec XIX wieku. To samo tyczy się energii geotermalnej, której potencjał nie mógł do tej pory zostać wykorzystany z powodu braku odpowiednich materiałów i technologii.

To oczywiste, że dobrobytu ośmiu miliardom ludzi nie zapewnimy technologią przedprzemysłową. Kluczem do sukcesu będzie dobór najlepszych technologii ery przemysłowej i odrzucenie reszty.

Materiał źródłowy:

“Energiemarkten en energiehandel in Holland in de late middeleeuwen”, Charles Cornelisse, 2008.
“Peat and the Dutch golden age” (.pdf), J.W. de Zeeuw, 1978.
“The First Modern Economy: Success, Failure, and Perseverance of the Dutch Economy, 1500-1815”, Jan de Vries, 1997.
“The Economy of Europe in an Age of Crisis, 1600-1750”, Jan De Vries, 1976
“Verdwenen venen. Een onderzoek naar de ligging en exploitatie van thans verdwenen venen in het gebied tussen Antwerpen, Turnhout, Geertruidenberg en Willemstad. 1250-1750”, K.A.H.W. Leenders, 1989 (English summary). - “Peat and Canals” (.pdf), Michiel A.W. Gerding
“Meeten, boren en besien: turfwinning in de buitenrijnse ambachten van het Hoogheemraadschap van Rijnland 1680-1800”, A.J.J. van’t Riet, 2005
“Delfstoffen, machine- en scheepsbouw”, in “Geschiedenis van de techniek in Nederland”, H.W. Lintsen, 1993.
“Het verloren technisch paradijs”, in “Geschiedenis van de techniek in Nederland”. H.W. Lintsen, 1993.
“Vervening”, “Turfsteken”, “Veen”, “Slagturven”, “Baggerbeugel”, Dutch Wikipedia.
“Canals and energy. The relationship between canals and the extraction of peat in the Netherlands 1500-1950” (.pdf), Michiel A.W. Gerding, in “Peatlands”, February 2010.
“The Rise of Commercial Empires: England and the Netherlands in the Age of Mercantilism, 1650-1770!, David Ormrod, 2003
“A Forest Journey: The Story of Wood and Civilization”, second edition, John Perlin, 2005
“The Making of Urban Europe, 1000-1994!”, Paul M. Hohenberg & Lynn Hollen Lees, 1985
“Urban World History: an Economic and Geographical Perspective.: An article from: Canadian Journal of Regional Science!”, Luc-Normand Tellier, 2009
“Peatlands and climate change” (pdf), International Peat Society, 2008
“The Dutch Republic in the Seventeenth Century: The Golden Age!”, Maarten Roy Prak, Diane Webb, 2005.
“The Rise of the Amsterdam Market And Information Exchange: Merchants, Commercial Expansion And Change in the Spatial Economy of the Low Countries, C.1550-1630”, Clé Lesger, 2006.
“Turf fires -burning peat”. Old and Interesting.
“The Mother of All Trades: The Baltic Grain Trade in Amsterdam from the Late 16th to the Early 19th Century!”, Milja van Tielhof, 2002.
“Energy transitions: history, requirements, prospects”, Vaclac Smil, 2010.

Świetlana przyszłość słonecznych fabryk

Tue, 26 Jul 2011 00:00:00 +0000

Zdjęcie: [ARUN](http://www.clique.in/arun.html).

Potrzebujemy odnawialnego źródła energii termicznej, żeby skończyć z uzależnieniem od paliw kopalnych do zasilania takich procesów przemysłowych jak produkcja chemii, wytop metali czy produkcja układów scalonych.

Większość dyskusji o odnawialnych źródłach energii skupia się na produkcji elektryczności. Jednak to ciepło, jest formą energii jakiej najbardziej potrzebujemy, a ani panele fotowoltaiczne, ani turbiny wiatrowe go nie generują.

Potrzebujemy odnawialnego źródła energii cieplnej, żeby zasilić takie procesy przemysłowe jak wyrób chemikaliów, wytop metali czy produkcja układów scalonych. Bez niego nie skończymy z naszym uzależnieniem od paliw kopalnych i nie damy rady produkować urządzeń do zbierania energii odnawialnej bez emisji gazów cieplarnianych. Rozwiązaniem może być bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej. Dzięki temu przejdziemy całkowicie na energię odnawialną i położymy podwaliny pod prawdziwie zrównoważoną cywilizację przemysłową.

Brakującym elementem naszej strategii transformacji energetycznej jest źródło odnawialnej energii cieplnej.

Spora część zużywanej na świecie energii to ciepło, zarówno w gospodarstwach domowych jak i w przemyśle. Gotowanie, ogrzewanie pomieszczeń i grzanie wody dominują w domowym bilansie energetycznym. W Wielkiej Brytanii, te zajęcia odpowiadają za 85% domowego zużycia energii, w całej Europie za 89%, a w USA za 61% (wyłączając gotowanie).

Fabryki, tak samo jak domy, potrzebują energii cieplnej. W Wielkiej Brytanii, 76% energii zużywanej w przemyśle to ciepło. Średnia europejska to 67%. Nie mogłem znaleźć danych ani dla USA, ani dla świata, ale te wartości powinny być podobne (a może nawet wyższe w skali globalnej, ponieważ wiele z energointensywnych gałęzi przemysłu zostało przeniesionych do krajów rozwijających się). Bez energii termicznej niewiele można dzisiaj wyprodukować.

Fotowoltaika i turbiny wiatrowe nie generują energii cieplnej

W wysiłkach nad zrównoważeniem infrastruktury energetycznej, kluczowa rola energii cieplnej jest wyraźnie pomijana. Prawie w całości wysiłki te skupiają się na produkcji zrównoważonej energii elektrycznej za pomocą paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych. To prawda, że bez przeszkód można zamienić prąd na ciepło, tak jak to dzieje się np. w elektrycznych piekarnikach, nie mniej jednak, jest to wyjątkowo niskowydajny proces.

Uważa się, że nasze problemy energetyczne zostaną rozwiązane, kiedy OZE osiągną „parytet sieci” - moment w którym będą generować prąd w tej samej cenie co paliwa kopalne. Jednak, żeby naprawdę konkurować z paliwami kopalnymi, zielona energia musi osiągnąć „parytet cieplny”.

W danym regionie świata, produkcja prądu ze źródeł odnawialnych może być równie tania jak z paliw kopalnych. Jednocześnie produkcja odnawialnej energii termicznej (z fotowoltaiki i turbin wiatrowych) będzie znacznie droższa niż ta z węgla, ropy czy gazu, ponieważ wystarczy 2-3 kWh energii paliw kopalnych do wyprodukowania 1 kWh prądu elektrycznego. W efekcie, co najmniej 2-3 razy taniej jest wytworzyć ciepło bezpośrednio spalając te paliwa, niż wykorzystać do odnawialną energię elektryczną - nawet osiągającą parytet sieci.

Produkcja turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych wymaga energii termicznej

Oznacza to, że aby osiągnąć parytet cieplny - na równi z paliwami kopalnymi- turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne musiałyby stanieć dwu-, trzykrotnie. Rosnące ceny kurczących się zasobów paliw kopalnych powinny w tym pomóc*, jednak musimy sobie uświadomić, że pomimo tego, iż turbiny i panele mają zastąpić paliwa kopalne to faktycznie są one od nich uzależnione.

*Komentarz tłumacza: Chociaż rzeczywiście paliwa kopalne kończą się to ich ceny nie rosną liniowo, z roku na rok, tak jak od dawna się tego spodziewano. W 2008 roku cena ropy naftowej sięgnęła rekordowej ceny 147$, spadła gwałtownie do poziomu 60$, a później ustabilizowała się na kilka lat na poziomie około 100$. Tak wysoka cena doprowadziła do załamania się popytu na ropę i w efekcie drastyczny spadek ceny w 2015 roku. Kiedy coraz mniej ludzi stać na to, żeby kupić odpowiednią ilość ropy to zaczynają ją oszczędzać lub szukają dla niej alternatyw (np. w ostatnich latach w USA setki tysięcy kilometrów dróg asfaltowych zamieniono na drogi szutrowe, które są mniej zależne od ceny ropy). To prowadzi do spadku cen ropy, nawet poniżej granicy opłacalności. W tym momencie obserwujemy taką sytuację: konsumenci oszczędzają na kupnie paliw, więc producenci sprzedają je poniżej kosztów, tnąc wydatki na poszukiwania nowych złóż, które miałyby zastąpić stare. Efektem tej dynamiki rynkowej będzie przyśpieszenie spadku wydobycia ropy i jeszcze większe zawirowania cenowe. Era paliw kopalnych nie skończy się wtedy, kiedy ostatnia kropla ropy i grudka węgla zostaną wydobyte z dna ziemi – skończy się znacznie wcześniej, kiedy ich producenci zbankrutują bo zabraknie chętnych do kupna.

Turbiny wiatrowe i fotowoltaika nie potrzebują paliw kopalnych do pracy. Jednakże są one niezbędne do ich produkcji (i konserwacji, przyp. tłum). Nie znajdziecie żadnego producenta tych urządzeń, który zasilałby swoją fabrykę własnym prądem z paneli słonecznych czy wiatraków. Dlaczego? Dlatego, że generowanie energii termicznej poprzez konwersję z prądu elektrycznego kosztowałoby 2-3 razy więcej, niż wytworzenie jej przez bezpośrednie spalanie węgla, ropy czy gazu. Do produkcji większości kluczowych materiałów, z których buduje się turbiny i panele, przede wszystkim stali, cementu, szkła i ogniw krzemowych, potrzeba wysokich temperatur. Oznacza to, że wzrost cen paliw kopalnych spowoduje jednocześnie wzrost cen turbin wiatrowych i paneli słonecznych.

Nie znajdziecie żadnej fabryki produkującej fotowoltaikę z prądu z własnych paneli słonecznych i wiatraków, ponieważ wygenerowanie niezbędnego ciepła do produkcja stali, szkła i ogniw krzemowych byłoby 2-3 razy droższe.

Tak samo wygląda sprawa z bateriami - kluczowym elementem samochodów elektrycznych i systemów magazynowania energii. Podobnie jest z wieloma innymi nowoczesnymi „zielonymi” technologiami, m. in. diodami LED i pompami ciepła. Do ich produkcji potrzeba energii termicznej, a tę można tanio wygenerować spalając paliwa kopalne (tani prąd z hydroelektrowni również wchodzi w grę, ale jego potencjał jest ograniczony). Jest to fundamentalny problem, ponieważ będziemy musieli za dwadzieścia, trzydzieści lat, zastąpić dzisiejsze turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne nowymi (średni czas życia morskiej turbiny wiatrowej jest jeszcze krótszy, wynosi 15 lat, przyp. tłum). Baterie również nie są wieczne - co 5, 10 lat trzeba je wymieniać na nowe.

Odnawialne źródła energii termicznej

Brakującym elementem, we wszystkich dzisiaj pisanych wielkich strategiach transformacji energetycznej, jest źródło odnawialnej energii cieplnej. Geotermia generuje ciepło, jednak jej potencjał jest ograniczony do miejsc o sprzyjającej geologii (w Polsce potencjał wysokotemperaturowej energii cieplnej jest niewielki, można wykorzystać geotermię jako niskotemperaturowe źródło ciepła np. do celów komunalnych, przyp. tłum.). Biomasa to kolejna opcja, jednak dosyć problematyczna. Jeśli chcielibyśmy zapewnić odpowiednią ilość ciepła dzisiejszym procesom przemysłowym spalając biomasę, to szybko zderzylibyśmy się z twardym murem ograniczeń jaki stawia przed nami Natura. Pozostaje tylko jedno źródła energii cieplnej i jest ono potężne i niewyczerpane - energia słońca.

Image: [ARUN](http://www.clique.in/arun.html).

Energię słońca postrzegamy jako jedno ze źródeł elektryczności. Zbieramy ją za pomocą paneli fotowoltaicznych i termicznych elektrowni solarnych. Jednak słońce może dostarczyć nam energii bezpośrednio - pomijając elektryczność. Zacznijmy od tego, że można na trzy sposoby bezpośrednio zbierać energię słoneczną: za pomocą opartych na wodzie płaskich kolektorów albo za pomocą rurowych kolektorów próżniowych. Te drugie, są w stanie zbierać promieniowanie słoneczne ze wszystkich stron i osiągają temperaturę do 120ºC. Trzecim sposobem, jest skorzystanie ze słonecznych kolektorów skupiających, które podążają za ruchem słońca po niebie, skupiają jego promieniowania na małej powierzchni i dzięki temu generują znacznie wyższe temperatury. Mogą to być korytkowe kolektory paraboliczne, kolektory liniowe Fresnela, kolektory paraboliczne talerzowe, albo wieże słoneczne. Praktycznie wszystkie te technologie pojawiły się na początku XX wieku.

Solarna energia termiczna kontra solarna moc termiczna

Technologia już istnieje i działa. Problem jednak jest taki, że wykorzystujemy ją w niewłaściwy sposób. We współczesnych termicznych elektrowniach słonecznych, energia słońca zamieniana jest w parę wodną (przez kocioł parowy), a ta następnie zamieniana jest na prąd elektryczny (przez turbinę parową, która napędza prądnicę). Ten proces jest równie niskowydajny, jak zamiana prądu w ciepło: dwie trzecie energii traci się podczas konwersji pary wodnej na elektryczność. Właśnie to jest powód, dlaczego tego typu elektrownie opłaca się budować tylko na pustyniach.

Jeśli skoncentrowana energia słoneczna mogłaby bezpośrednio produkować ciepło, > bez zamiany go na elektryczność, to opłacałoby się to robić gdziekolwiek > na Ziemi.

Zdjęcie: Termalna elektrownia słoneczna.

Jeśli wykorzystalibyśmy termalne elektrownie słoneczne do bezpośredniej produkcji ciepła (zamiast elektryczności), to ta technologia mogłaby być trzy razy tańsza niż jest obecnie, a przez to, miałaby rację bytu również w mniej słonecznych regionach. Kluczową różnicą pomiędzy solarną energią termiczną, a pozostałymi źródłami odnawialnymi generującymi elektryczność, jest taka, że ta pierwsza zaczyna od produkcji energii termicznej. W efekcie, koszt produkcji ciepła za pomocą tej technologii jest znacznie niższy, niż koszt produkcji ciepła z prądu z OZE,i dzięki temu może konkurować ze spalaniem paliw kopalnych.

Niskotemperaturowe ciepło słoneczne

Łatwo to udowodnić na przykładzie kolektorów płaskich i kolektorów rurowo-próżniowych, które powszechnie wykorzystuje się do grzania wody i pomieszczeń. W tej technologii nie ma żadnych strat na konwersji, a jej cena jest konkurencyjna z paliwami kopalnymi praktycznie w każdym miejscu na Ziemi. Według raportu Programu Solarnego Grzania i Chłodzenia Międzynarodowej Agencji Energetycznej (ang. IAE-SHC), ciepło solarne jest trzecim najważniejszym, po energii wiatrowej i fotowoltaice, źródłem energii odnawialnej – większym, niż solarne elektrownie termalne (dane uaktualnione do 2019 roku, przyp. tłum). 70% zainstalowanej mocy ciepła solarnego należy do Chin. Pozostała moc przypada kolejno na Europę i Amerykę Północną. W USA i Kanadzie tej technologii używa się przede wszystkim do grzania basenów.

Zdjęcie: Produkcja energii i całkowita zainstalowana moc rożnych źródeł energii odnawialnej, rok 2019.

Barbados, Cypr, Austria, Izrael, Grecja mają najbardziej rozwinięte rynki różnych systemów energii słonecznej, wliczając w to duże i małe zakłady ciepłownicze i coraz liczniejsze systemy klimatyzacyjne i chłodnicze (używające chillerów absorpcyjnych). W 2019 roku w Danii, zainstalowana solarna moc termiczna wzrosła o 170%. Według raportu IAE-SHC, w 2019 roku wygenerowano 389 TWh słonecznej energii termicznej, dzięki czemu zaoszczędzono ekwiwalent 41.9 milionów ton ropy naftowej i uniknięto emisji do atmosfery 135.1 milionów ton dwutlenku węgla.

Potencjał Ciepła Solarnego w Przemyśle

Bez dwóch zdań, domowe wykorzystanie ciepła słonecznego powinno dalej być promowane i rozwijane, ponieważ jego potencjał w tym sektorze wciąż jest ogromny. To nie jedyne pole gdzie może ono zabłysnąć. Zgodnie z raportem z roku 2008 (nowszych danym nie ma, przyp. tłum.), który analizuje sytuację w Europie, potencjał ciepła solarnego w przemyśle jest większy niż w gospodarstwach domowych. Około 30% zapotrzebowania na ciepło przemysłowe w Europie to ciepło o temperaturze niższej niż 100ºC. Taką temperaturę można bez problemu dostarczyć za pomocą popularnych kolektorów płaskich (< 80 °C) i kolektorów rurowo-próżniowych (< 120 °C).

W Europie, prawie 60% zapotrzebowania przemysłu na ciepło można dostarczyć za pomocą już dostępnej, opłacalnej technologii bazującej na niewyczerpanym źródle energii odnawialnej.

Kolejne 27% to zapotrzebowanie na średniotemperaturowe ciepło przemysłowe od 100 do 400ºC, które można dostarczyć za pomocą ulepszonych wersji wcześniej wspomnianych kolektorów (do 160ºC, czytaj tutaj) i za pomocą dostępnych w sprzedaży skupiających kolektorów słonecznych, takich jak kolektory korytkowe, talerze paraboliczne i kolektory liniowe Fresnela. Na dzień dzisiejszy używa się ich przede wszystkim do wytwarzania prądu elektrycznego.

Oznacza to, że co najmniej 57% zapotrzebowania europejskiego przemysłu na ciepło (czyli 40% całkowitego zapotrzebowania przemysłu na energię), można zaspokoić za pomocą już dostępnej, opłacalnej technologii bazującej na niewyczerpanym źródle energii odnawialnej, które, samo w sobie, nie niesie ze sobą żadnych zagrożeń dla środowiska. Nakłady inwestycyjne i energia wcielona, potrzebne żeby to osiągnąć, byłyby znacznie niższe, niż w przypadku zastępowania paliw kopalnych turbinami wiatrowymi i panelami fotowoltaicznymi. Co więcej, można tego dokonać wszędzie, nie tylko w Europie.

Ciepło solarne w przemyśle: Aktualne zastosowania

Jeśli przemysłowi zależy tylko na niskich i średnich temperaturach, to ciepło słoneczne można wykorzystać na kilka sposobów. Może dostarczać ciepłą wodę do procesów takich jak mycie butelek lub produkcja chemikaliów. Po drugie, może dostarczać gorące powietrze do procesów suszenia i pieczenia, na przykład w przemyśle spożywczym i papierniczym. Po trzecie, może generować parę wodną, którą można wprowadzić do sieci dystrybucji ciepła parowego, szeroko rozpowszechnionych w wielu gałęziach przemysłu. Należy podkreślić, że we wszystkich tych zastosowaniach istniejące maszyny przemysłowe i infrastruktura dystrybucyjna pozostają na swoim miejscu. Zmienia się tylko źródło energii.

Zdjęcie: [Sopogy](http://sopogy.com/).

Niektórzy producenci zaczęli wprowadzać na rynek swoje własne technologie koncentratorów słonecznych do wykorzystania w produkcji ciepła przemysłowego - obok zastosowania ich jako generatorów energii elektrycznej. Przykładami są Sopogy (hawajska firma sprzedająca modułowe paraboliczne systemy korytkowe - zdjęcie powyżej), the Solar Power Group (niemiecka firma sprzedająca liniowe kolektory skupiające Fresnela) oraz amerykańska HelioDynamics (zdjęcie poniżej).

Zdjęcie: [HelioDynamics](http://www.hdsolar.com/).

Instalacje wykorzystujące przemysłowe ciepło słoneczne są nadal rzadkie, ale istnieją. Niemiecki producent systemów grzewczych Viessmann zainstalował w swojej fabryce we Francji 260 m² kolektorów płaskich, które dostarczają gorącą wodę do procesów chemicznych, stawiając tym samym pierwszy krok w kierunku wytwarzania energii odnawialnej za pomocą energii odnawialnej. W Krugersdorp w RPA, powstała instalacja do ogrzewania największej południowo-afrykańskiej szklarni kwiatowej – dzięki niej zużycie węgla zakładu spadło o 80%. Inny przykład to solarny zakład ciepłowniczy, oparty na 1900 m² parabolicznych korytek, dostarczający parę wodną egipskiej fabryce leków.

Podobną instalacją wybudowano przy zakładach mleczarskich w Grecji. Zakład przetwórstwa spożywczego w Kalifornii postawił na 5 tyś. m² kolektorów korytkowych generujących parę wodną. Wiele instalacji produkujących przemysłowe ciepło solarne wybudowano w Indiach, opierając je zarówno na kolektorach płaskich jak i technologiach skupiających.

Jak do tej pory, największy przemysłowy projekt wykorzystujący nieskomplikowane kolektory płaskie stanął w kopalni miedzi w Gaby, w Chile. 39.5 tysiąca m² kolektorów słonecznych podgrzewa wodę do temperatury 46-51ºC potrzebną w procesie flotacji i wzbogacania urobku przez elektrolizę.

Największa instalacja komunalna działa od grudnia 2016 w Danii. W zaledwie siedem miesięcy w mieście Silkeborg postawiono instalację o powierzchni 156 694 m², która ma zapewnić 20% rocznego zapotrzebowania na ciepło 21 tysiącom indywidualnych odbiorców.

Do produkcji nisko, i średniotemperaturowego ciepła przemysłowego wystarczą już istniejące maszyny i systemy dystrybucji ciepła.

Zdjęcie: [ARUN](http://www.clique.in/arun.html)

Nadzieją na niedrogie dostarczanie ciepła średniotemperaturowego jest kolektor słoneczny ARUN – odbłyśnik paraboliczny Fresnela ogniskujący światło punktowo, zdolny osiągnąć temperatury od 80 do 400ºC. Działa już w sześciu krajach. Spełnia on wiele różnorakich zadań, od pracy w zakładach mleczarskich po fabryki samochodów (zdjęcie po lewej). W Indiach pracuje w wielu dużych stołówkach komunalnych (w szkołach, szpitalach, fabrykach, centrach religijnych). Największy model ARUN’a składa się z 84 parabolicznych talerzy, osiąga temperaturę do 650ºC i produkuje do 38.5 tysiąca posiłków dziennie.

Global Solar Thermal Energy Council ciągle uaktualnia listę nowych przemysłowych zastosowań ciepła słonecznego.

Paliwa kopalne nie są potrzebne

Pozostałe 43% europejskiego zapotrzebowania na ciepło przemysłowe to ciepło o temperaturach powyżej 400ºC. Wiele procesów przemysłowych, niezbędnych do produkcji urządzeń energii odnawialnej (turbin wiatrowych, paneli słonecznych, kolektorów płaskich, kolektorów skupiających) oraz niezbędnej infrastruktury przesyłowej (słupów energetycznych, linii przesyłowych, stacji trafo) i innych „zielonych” technologii (diod LED, baterii, rowerów), potrzebuje znacznie wyższych temperatur, niż są w stanie dostarczyć proste kolektory słoneczne. Na przykład, produkcja szkła wymaga temperatur do 1575ºC, cementu 1400ºC, recykling aluminiom 660ºC, recykling stali 1520ºC, wytop stali 1800ºC, wytop aluminium 2000ºC, wypalanie ceramiki od 1000 do 1400ºC, a produkcja krzemowych układów scalonych wymaga temperatur rzędu 1900ºC.

Piece solarne mogą osiągać temperatury dochodzące do 3500ºC, > wystarczająco wysokie do produkcji układów scalonych, ogniw > fotowoltaicznych, węglowych nanorurek, wodoru > i wszystkich metali.

Takie temperatury można osiągnąć za pomocą technologii skupiających światło słoneczne. Odbłyśniki linijne (systemy paraboliczny i liniowe kolektory skupiające Fresnela) są ograniczone do temperatury ok. 400ºC, ale kolektory punktowe mogą dojść do znacznie wyższych wartości. Mowa w tym momencie o systemach parabolicznych talerzy, wieżach solarnych i piecach solarnych – te ostatnie, to tak naprawdę, połączenie dwóch pierwszych technologii.

Piece solarne mogą osiągać temperatury dochodzące do 3500ºC, czyli wystarczająco wysokie do produkcji układów scalonych, ogniw fotowoltaicznych, węglowych nanorurek, wodoru i wszystkich metali (łącznie z wolframem, którego temperatura topienia wynosi 3400ºC). Do takich temperatur dochodzą w zaledwie kilka sekund. Pokaz możliwości pieca solarnego został nagrany na krótkim filmie o potężnym solarnym piecu hutniczym wytapiającym stal, zbudowanym w 1970 roku w Odeillo we Francji, który skupia światło słoneczne 10 tysięcy razy i osiąga moc 1 MW.

Zdjęcie: Najpotężniejszy piec solarny stoi w Odeillo we Francji, zbudowany w 1970 roku. Skupia on światło słoneczne 10 tysięcy razy i osiąga moc 1 MW.

Ponad sześćdziesiąt heliostatów (na zdjęciu powyżej widać je w prawym dolnym rogu za drzewami) kieruje promienie słoneczne na paraboliczne lustro o powierzchni ponad 1800 m², które skupia je w jednym punkcie o średnicy zaledwie czterdziestu centymetrów, znajdującym się na wieży naprzeciwko. Podobny piec solarny stoi w Uzbekistanie, zbudowany w 1976 roku, lecz nie osiąga tak wysokiej mocy z racji niższego nasłonecznienia w regionie. Na zdjęciu poniżej widać jak piec topi metal.

Zdjęcie: Piec solarny w Uzbekistanie topi metal.

Na szczęście, żeby uzyskać równie wysokie temperatury nie potrzeba stawiać tak wielkich instalacji. Do tej pory skonstruowano wiele mniejszych pieców solarnych - wyposażonych często tylko w jeden heliostat. Generują podobne, lub trochę niższe, temperatury (przeważnie od 1500 do 3000ºC) jak olbrzymy, które widać na zdjęciach, ale ich moc wyjściowa jest zauważalnie niższa (od 15 do 60 kW). Znajdą zastosowanie w większości procesów zasilanych przez duże piece słoneczne, przerabiając jednak mniejsze ilości materiałów.

Zdjęcie: Piec solarny w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii.

Przykłady takich małych instalacji można zobaczyć; w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii (zdjęcie powyżej); w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej w USA; Platformie Solarnej w Almerii w Hiszpanii; w Niemieckim Centrum Kosmicznym i w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu (wieża solarna). Skupiają one światło słoneczne od 4 do 10 tysięcy razy. Osiągana temperatura jest wprost proporcjonalna do stopnia skupienia, a moc instalacji jest wprost proporcjonalna do powierzchni heliostatów i wydajności (wydajność jest zależna zwykle od temperatury).

Energia solarna podnosi jakość produktu

Piece solarne mogą nie tylko zastąpić paliwa kopalne w energointensywnych procesach wytwórczych, takich jak produkcja materiałów budowlanych, stali, układów scalonych i paneli fotowoltaicznych. Mają dodatkową przewagę nad paliwami konwencjonalnymi, wynikającą z czystego procesu spalania i selektywnej mocy grzewczej. Artykuł naukowy z 1999 roku, tak opisuje potencjał pieców solarnych w produkcji ogniw fotowoltaicznych: „[…]wytwarzanie fotowoltaicznych ogniw krzemowych w piecu solarnym może poprawić wydajność ogniw, obniżyć koszty ich produkcji, a także stać się metodą przyjazną dla środowiska. Wykazaliśmy również, że piec słoneczny można wykorzystać do krystalizacji amorficznego krzemu w fazie stałej z bardzo dużą prędkością.”

Niestety, w przeciwieństwie do nisko i średniotemperaturowych procesów wytwórczych, w większości których można użyć już istniejących maszyn i infrastruktury dystrybucji ciepła, to w przypadku procesów wysokotemperaturowych należy zainstalować nowe urządzenia. Piece hutnicze i wapienniki trzeba przebudować. Pewne kroki w tym kierunku uczynił Instytut Paula Sherrera w Szwajcarii, w którym zaprojektowano wiele nowych, zasilanych energią słoneczną wapienników i pieców cementowych (pdf). W instytucie przeprowadzono badania, które pokazują że ich projekty, po wprowadzeniu dalszych ulepszeń, mogą być opłacalną alternatywą dla wapienników i cementowni zasilanych paliwami kopalnymi. Co więcej, w tym przemyśle (tak jak w elektronice) są szanse na poprawienie jakości produktów dzięki wyeliminowaniu obniżających jakość wapna i cementu produktów ubocznych spalania paliw kopalnych (popiołów, metali ciężkich, sadzy i siarki ze spalania węgla kamiennego, przyp. tłum.)

Proste koncentratory słoneczne open source

Piece solarne dowiodły, że dzięki mocy słońca można produkować praktycznie wszystko, bez potrzeby posiłkowania się paliwami kopalnymi. Jednak, jak na razie, w porównaniu z węglem, ropą naftową i gazem, nie jest to opłacalne. W przyszłości może się to zmienić, jeśli ceny paliw kopalnych będą rosnąć. Ponieważ za pomocą pieców solarnych można wyprodukować wszystkie potrzebne materiały do budowy kolejnych pieców solarnych, koszty ich działania nie są bezpośrednio uzależnione od cen paliw kopalnych (w przeciwieństwie do dzisiejszych turbin wiatrowych i fotowoltaiki). W takim razie, ta technologia, nawet bez ulepszań, stanie się w końcu opłacalna (stanie się względnie opłacalna w porównaniu do procesów opartych na drożejących paliwach kopalnych – nie wiadomo czy będzie to technologia opłacalna sama w sobie, przyp. tłum.).

Co więcej, dzięki najnowszym innowacjom, mającym na celu uprościć tę technologię, koszty inwestycyjne budowy pieców solarnych spadają. Może w przyszłości, nie tylko wysokotemperaturowe koncentratory słoneczne, ale również źródła średniotemperaturowej energii słonecznej stanieją.

Najbardziej spektakularnym przykładem jest Solar Fire P32 (na zdjęciu powyżej i poniżej) – koncentrator słoneczny opracowany w 2010 roku przez francuską organizację pozarządową Solar Fire Project (pol. Project Słoneczny Ogień). Jest to projekt open source zrób-to-sam (stworzony w kooperatywie z projektem Open Source Ecology), ale chętni mogą kupić już gotowe urządzenie za 7.5 tysiąca dolarów – czyli taniej, niż miejską turbinę wiatrową.

The Solar Fire P32.

Solar Fire P32 zbudowano z powszechnie dostępnych, nietoksycznych materiałów. W przeciwieństwie do większości nowoczesnych „zielonych” technologii, do jego budowy nie potrzeba ani pierwiastków ziem rzadkich, ani żadnych zaawansowanych narzędzi, których nie znajdziecie w przeciętnym zakładzie odlewniczym. Jest to, w zasadzie, źródło odnawialnej energii cieplnej analogiczne do domowej produkcji wiatraka generującego energię mechaniczną.

Urządzenie to może osiągnąć moc 15 kW i temperaturę w punkcie skupienia do 700ºC – wystarczająco wysoką do recyklingu aluminium, czyli materiału z którego zrobione są jego odbłyśniki. To oznacza, że dzięki Solar Fire P32 można zrobić kolejny Solar Fire P32. No… prawie. Odbiornik i rama rusztowania jest wykonana ze stali, a do stopienia tejże potrzeba wyższej temperatury. Jednak z pomocą odrobiony kreatywności, ramę można zrobić z drewna, wikliny albo aluminium, a stalowy odbiornik zespawać ze stali znalezionej na złomowisku. Użycie szkła poprawiłoby działania urządzenia, ale nie jest ono konieczne.

Solar Fire P32 kosztuje 7 500 dolarów i można za jego pomocą zbudować kolejny > Solar Fire P32.

Solar Fire P32 składa się z 360 małych luster (odbłyśników) o powierzchni całkowitej 32 m², skupiających światło słoneczne na kotle parowym powyżej nich. Za pomocą samej pary wodnej można bezpośrednio uzdatniać duże ilości wody, pasteryzować mleko, produkować oleje spożywcze, wytwarzać węgiel drzewny, wypalać cegły, robić papier i wiele, wiele innych rzeczy.

Zwiększając Autonomię Energetyczną

Parę wodną można zaprząc do napędzania silnika parowego, która zasilałby pompy wodne, tłocznie oleju, żarna młynów, maszyny przędzalnicze albo inne stacjonarne urządzenie wymagające energii mechanicznej. Można by również przekierować parę wodną do prądnicy parowej i wygenerować do 3 kW prądu elektrycznego. Pamiętajmy jednak, że zamiana jednej formy energii na drugą zawsze wiąże się ze stratami, czy to zamieniając energię cieplną na energię mechaniczną czy na elektryczną. Solar Fire P32 może stać się ciekawym wyborem dla tych, którzy chcą osiągnąć niezależność energetyczną, w szczególności w regionach gdzie świeci dużo słońca, a wieje niewiele wiatru.

Solar Fire P32 jest – w pierwszej kolejności – nastawiony na kraje rozwijające się i jest tak zaprojektowany, aby stać się opłacaną alternatywą dla spalania węgla i drewna, ograniczając tym samym wylesienie i zanieczyszczenie powietrza, podnosząc autonomię energetyczną i zapewniając źródło energii dla małych biznesów i tradycyjnych metod produkcji. Urządzenia trafiły już do odbiorców w Meksyku, na Kubie, Burkina-Faso, Mali, do Indii i Kenii, ale również do Teksasu, Francji i Kanady. Oczywistym jest, że ten projekt niesie również wiele korzyści społeczeństwom krajów „rozwiniętych”, nad którymi wisi widmo wyczerpania się paliw kopalnych.

Upraszczając Technologię

Konwencjonalne koncentratory słoneczne to droga inwestycja. Oprócz dodatkowego wyposażenia, potrzebnego do generowania elektryczności, jest kilka powodów dlaczego na początku trzeba wyłożyć na nie sporo pieniędzy. Systemy korytek parabolicznych i talerzy parabolicznych wymagają wygiętych luster, które są drogie w produkcji. Co więcej, takich luster nie można wyprodukować lokalnie i nierzadko trzeba je dostarczyć z daleka, co jeszcze bardziej podnosi koszta. W obu systemach lustra są ciężkie. Mocuje się je na solidnych ramach, wylewa fundamenty i zaopatruje w potężne systemy hydrauliczne i zaawansowane moduły śledzenia słońca. W systemach talerzy parabolicznych, silnik cieplny i kocioł porowy są ruchomymi elementami, co jeszcze bardziej zwiększa masą całego urządzania, a tym samym koszty.

Wieże słoneczne – wynalezione w 1878 roku – rozwiązują niektóre z tych problemów: używają prawie płaskich luster, które dzielą ze sobą jeden nieruchomy odbiornik. Problem jest taki, że trzeba postawić sporej wielkości wieżę. Na koniec trzeba powiedzieć, że wszystkie z tych systemów zabierają dużo miejsca i żeby uniknąć problemów zacienieniem należy dokładnie wybrać dla nich miejsce. Koncentratory liniowe Fresnela używają (w większości) płaskich luster, mają prostsze moduły śledzenia słońca i są bardziej kompaktowe. Nie osiągają jednak wysokich temperatur - dochodzą do 250ºC (zrobione ze względnie prostych materiałów) albo 450ºC (z użyciem zaawansowanej technologii).

Zdjęcie: Lupa powiększająca wykorzystana przez Sundrop Jewelry, daje temperaturę na tyle wysoką, aby roztopić kolorowe szkło używane do ręcznie robionej biżuterii.

Solar Fire P32 to, tak jak ARUN, paraboliczny odbłyśnik Fresnela z punktową ogniskową, ale w przeciwieństwie do niego ustawiony jest horyzontalnie, a odbiornika nie trzeba obracać razem z lustrami. Dzięki temu, mniej waży i lepiej opiera się wiatrowi. Solar Fire P32 używa lekko mechanicznie giętych luster, które można giąć na miejscu. Śledzenie słońca odbywa się ręcznie, przez co nie ma potrzeba montowania elektroniki i silników elektrycznych (z użyciem zębatek można ręcznie obracać wiele luster naraz). Może cała procedura wygląda dość prymitywnie, ale jeśli chce się użyć go do celów przemysłowych to i tak potrzeba kogoś do obsługi.

Ponieważ jest to projekt open source, każdy może spróbować go ulepszyć. Projektant urządzenia Eerik Wissenz uważa, że to jedyne wyjście: „Firmy, które opatentowały swoje koncentratory słoneczne wpadły w ‘pułapkę złożoności’. Skoro słońce jest za darmo, to dużo prościej dodać 5% więcej powierzchni [odbłyśników] zamiast budować skomplikowane maszyny, za drogie żeby używać je komercyjnie. Solar Fire P32 jest tak prosty, że nie można go opatentować”.

Proste Piece Słoneczne

Wysokotemperaturowe piece słoneczne również mogą stać się prostymi, niezależnymi systemami. Jednym z przykładów jest wielkie szkło powiększające wykorzystane przez Sundrop Jewelry – na tyle duże, żeby topić kolorowe szkło na ręcznie robioną biżuterię. Oczywiście, moc wyjściowa jest niewielka i do przemysłowej produkcji szkła zupełnie się nie nadaje, ale ten przykład pokazuje, że ciepła słońca można użyć w każdej skali, nawet tej malutkiej.

Zdjęcie: Markus Kayser produkuje szkło na pustyni bezpośrednio za pomocą promieni słonecznych.

Chciałbym teraz zacytować słowa artysty Markusa Kaysera, który pokazał jak produkować szkło z pustynnego piasku jedynie za pomocą światła słonecznego: „Chociaż nie daje on definitywnych odpowiedzi, eksperyment ten jest punktem wyjścia z którego może wyrosnąć nowe, świeże myślenie”.

Magazynowanie Energii

Jak zasilać fabrykę źródłem energii, które nie zawsze jest dostępne? Regionalne nasłonecznienie jest zmienne, a co więcej zależy jeszcze od pory dnia, pory roku, no i w nocy nie możemy liczyć na słońce. Koncentratory słoneczne potrzebują promieniowania nierozproszonego, więc przelatujący po niebie obłoczek może wstrzymać produkcję energii. W tym momencie pojawiają się dwa pytania. Po pierwsze, wiele procesów przemysłowych dobrze sobie radzi z nieciągłymi dostawami mocy, ale jak zapewnić nieprzerwane dostawy energii procesom, których nie można wstrzymać? Po drugie, co zrobić kiedy słońce nie będzie świecić cały tydzień?

Magazynowanie ciepła jest znacznie tańsze i wydajniejsze od magazynowania prądu w bateriach.

Żeby poradzić sobie z nieciągłością energii słonecznej, mamy do wybory trzy rozwiązania. Pierwszy, to systemy hybrydowe – połączenie energii słonecznej z już zainstalowanym źródłem energii. Tak właśnie działa większość dzisiejszych słonecznych elektrowni termalnych, będąc odpowiedzią na zarówno krótko, jak i długoterminowe przerwy w dostawie energii. Kiedy to tylko możliwe, procesy przemysłowe napędzane są energią słońca, a kiedy jej brakuje natychmiast jest zastępowana paliwami kopalnymi lub elektrycznością. Nie jest to oczywiście rozwiązanie idealne, ale oszczędza ogromne ilości paliw kopalnych i żeby działać nie potrzebuje żadnej nowej technologii.

Drugi sposób to magazynowanie energii słonecznej, tak aby mogła nieprzerwanie zasilać procesy przemysłowe (analogicznie do koła zamachowego) i zagwarantować dostawy mocy w pochmurne dni (a może nawet w nocy). Magazynowania ciepła jest znacznie tańsze i bardziej wydajne od magazynowania elektryczności. Najprostsza metoda to dobrze zaizolowany zbiornik na wodę – technologia, która liczy sobie już przeszło sto lat.

Zdjęcie: Magazyn ciepła.

Problem z wodą jest taki, że zabiera sporo przestrzeni i temperatura jaką maksymalnie można zmagazynować to tylko 100ºC. Jednak istnieją bardziej kompaktowe metody magazynowania ciepła o wyższych temperaturach. Można użyć ceramiki albo substancji zmieniających fazę skupienia (niektóre sole). Takie magazyny ciepła już działają przy jednej ze słonecznych elektrowni termicznych, ale byłyby znacznie wydajniejsze, jeśli magazynowałyby ciepło systemu bezpośredniej produkcji energii termicznej. Na tym polu jest sporo miejsca na innowacyjność i kreatywność.

Zamiast Magazynować Energię, Magazynujmy Pracę

Trzecim sposobem, na poradzenie sobie z nieciągłością energii cieplnej słońca, jest magazynowanie pracy zamiast energii. Niech fabryki pracują tylko wtedy kiedy świeci słońce. Tak, jak czekamy na słoneczny dzień żeby wywiesić pranie, tak samo, moglibyśmy poczekać z suszeniem cegieł, recyklingiem aluminium czy produkcją smartfonów. Produkcja przemysłowa mogłaby skoncentrować się w letnich miesiącach. Oczywiście, niosłoby to ze sobą koszta w postaci obniżonych mocy wytwórczych. Jednak, jeśli przypomnimy sobie, że nasze problemy energetyczne i środowiskowe w większości wynikają z nadmiernej produkcji i konsumpcji, to ten pomysł przestaje być już taki odjechany.

Można by również połączyć ze sobą wszystkie trzy strategie. Jak by to wyglądało? Część fabryk pracowałoby tylko wtedy kiedy świeci słońce (albo kiedy wieje wiatr), posiłkując się zmagazynowanym ciepłem, paliwami kopalnymi, biomasą lub elektrycznością, żeby nie przerywać już wprawionych w ruch procesów przemysłowych. Kluczowe towary produkowano by ciągle, łącząc ciepło słoneczne, zmagazynowane ciepło, paliwa kopalne i biomasę. Jasne jest, że nie każdy region świata ma wystarczające nasłonecznienie, żeby słońce stało się główną siłą napędową przemysłu. Jednak, skoro tak dużo się mówi, że powinniśmy przenieść produkcję elektryczności na pustynie, to dlaczego nie przenieść fabryk tam gdzie słońca jest pod dostatkiem? Znacznie wydajniej transportuje się towary na długie dystanse, niż prąd.

Energia słońca usprawnia odzysk ropy naftowej

Jak to zwykle bywa, zrównoważona technologia może zostać użyta do niezrównoważonych celów. Okazuje się, że ciepło słońca świetnie nadaje się do tego, aby ponownie ożywić stare, spisane już na straty pola naftowe. Wydobycie pozostałej w starym złożu ropy byłoby bardzo kosztowne i nieopłacalne, jeśli energia do tego pochodziłaby z gazu ziemnego. Użycie darmowej energii wszystko zmienia.

Co najmniej jedna firma specjalizuje się w tym procederze. Glasspoint, amerykańskie przedsiębiorstwo założone w zamyśle suszenia energią słoneczną płyt kartonowo-gipsowych, teraz przeżywa boom na swoje usługi, promując „Wspomagane Słońcem Odzyskiwanie Ropy Naftowej”.

Już kiedyś tego próbowano, ale Glasspoint ma nowe, innowacyjne podejście. Korytkowe lustra paraboliczne zawieszone u stropu ogromnej szklarni, wyposażonej w robotyczne systemy myjące. Ponieważ szklarnia chroni lustra przed wiatrem, pyłem i piaskiem, są one wyjątkowo lekkie i delikatne. Nie potrzebują dodatkowej ochronnej warstwy szkła – dzięki temu są tańsze i sprawniejsze. Para wodna generowana przez ciepło słoneczne jest wpompowywana do złoża. Im więcej świeci słońca, tym więcej ropy tryska z ziemi. Ze złoża, za pomocą standardowych technik, da się wydobyć tylko 20-40% obecnej w nim ropy. Dzięki energii słońca można podnieść ten wynik do 60-80% procent. Widzimy na tym przykładzie, że źle wykorzystane „zielone technologie” mogą zwiększyć produkcję paliw kopalnych i emisję gazów cieplarnianych.

Materiał źródłowy, inspiracje & informacje dodatkowe:

The thermal problem and the solar (thermal) solution, Eerik Wissenz, 2011.
Solarne koncentratory skupiające na stronie Build it Solar Site. Duża ilość projektów zrób-to-sam. Podziękowania dla Paul Nash.
Wysokotemperaturowe koncentratory słoneczne, Robert Pitz-Paal, in ‘Solar Energy Conversion and Photoenergy Systems’.
„Bespośrednie Wykorzystanie Energii Słońca”{width=“1” height=“1”}, Farrington Daniels, 1964.
Zadanie 33 – Ciepło słoneczne do procesów przemysłowych, Programu Solarnego Grzania i Chłodzenia, Międzynarodowa Agencja Energetyczna.
Potencjał Ciepła Słonecznego w Procesach Przemysłowych (pdf), Claudia Vannoni, Riccardo Battisti and Serena Drigo, Task 33
Process Heat Collectors - state of the art within task 33/IV (pdf), Werner Weiss and Matthias Rommel
Solar thermochemical process technology, Aldo Steinfeld & Robert Palumbo, 2001
Ciepło Solarne Na Świecie 2019 pdf. (pdf), SHC, Werner Weiss, Monika Spörk-Dür, 2019
The Value of Concentrating Solar Power and Thermal Energy Storage, National Renewable Laboratory, 2010
Zrozumieć Kolektor Solarny, George Kaplan, 1985
Światowa Rada Solarnej Energii Termicznej.
So-Pro: European project on solar process heat
Stowarzyszenie Europejskich Producentów Ciepła Słonecznego
The European Alliance SolLab
SolarPACES
CSP - jak to działa

Powiązane artykuły:

Mury owocowe: Miejskie rolnictwo rodem z XVII wieku
Szklarnia wymyślona na nowo(https://qelnixcor.cloud/pl/2015/12/reinventing-the-greenhouse/)
The solar envelope: How to heat and cool cities without fossil fuels - Czy fotowoltaika jest zrównoważonym źródłem energii?
Średniowieczne kominy fabryk: Paliwa kopalne w czasach przedprzemysłowych - Fabryki napędzane wiatrem: Historia (i przyszłość) przemysłowych wiatraków
Pedal powered farms and factories: the forgotten future of the stationary bicycle machine.