W dziedzinie OZE (Odnawialne Źródła Energii) dzieje się dużo. Nie mam zamiaru rozwodzić się nad uzasadnianiem lub pożytkami płynącymi z "dywersyfikacji kopalnych źródeł energii", bo zrobili to już inni. Wspomnę tylko, że cieszy fakt iż coraz więcej ludzi zaczyna zdawać sobie sprawę, że eksploatacja paliw kopalnych, na dłuższą metę, nie wyjdzie nikomu na dobre i coraz szersze rzesze przekonują się do alternatywnych sposobów pozyskiwania energii.
Stan ten, oczywiście napędza koniunkturę czego efektem jest zwiększenie podaży tego typu urządzeń, a co za tym idzie - spadek ich cen, przekazywanie większych środków na rozwój i badania. W ślad za tym idą nowe regulacje prawne, ułatwiające korzystanie z urządzeń OZE. W obiegu pojawiły się nowe pojęcia jak prosument czyli ktoś, kto jest producentem i konsumentem zarazem. Rynek produkcji energii się zmienia!
Ale jak to często bywa, rozwój technologii, który wymusza zmiany - na ogół takie jakich oczekujemy - przy okazji generuje również problemy.
Najpopularniejszymi urządzeniami, obecnie stosowanymi masowo, są kolektory słoneczne, panele fotowoltaiczne, zwane potocznie, solarami, elektrownie wodne oraz turbiny wiatrowe. Zamierzam zająć się tutaj tymi ostatnimi, ale na początek kilka faktów aby lepiej ogarnąć temat.
Spójrzmy najpierw jak wygląda rozkład zużycia energii na poszczególne sektory ludzkiej aktywności dla Europy:
Według mnie, już dziś technologicznie możliwe było by zastosowanie OZE w sektorze gospodarstw domowych na skalę, praktycznie uniezależniającą go od źródeł kopalnych. I jak widać wyżej, oszczędności - ale i korzyści dla środowiska - tylko z tego tytułu, były by znaczne. To prawie trzecia część ogółu zużycia energii w Europie.
Podstawowy problem z OZE polega jednak na tym, że dostarczają one energii niezbyt regularnie i przewidywalnie. Są zależne od czynników, na które nie mamy zbyt dużego wpływu. I to jest, w zasadzie, główny powód różnych kontrowersji i nieufności do tych rozwiązań .
Na co dzień potrzebujemy określonych ilości energii, zwłaszcza takie sektory jak przemysł, potrzebują jej w konkretnych ilościach i stale, bez względu na porę roku czy dnia. Jak na razie, takie warunki mogą spełnić tylko kopalne źródła lub energetyka jądrowa. OZE w liczbach oczywiście wyglądają imponująco ale ogółem. W jakiejś dłuższej skali czasowej np. roku i jak się to, oczywiście podsumuje już po fakcie. Nie udało mi się, niestety, znaleźć żadnych statystyk/prognoz, które by pokazywały jak to wygląda w podziale na różne okresy - pory roku, dnia, etc. Tak aby np. można było to uwzględnić, planując jakąś "dywersyfikację" źródeł energii na swój użytek. Ostatnia zima, przełomu 2017/18 pokazała, że pogoda potrafi być naprawdę mało przewidywalna.
Raz więc tej energii mamy nadwyżkę, innym razem niedobór.
Fotowoltaika i kolektory dostarczają energii tylko w ciągu dnia i przy dobrym słońcu. Do tego nie pod każdą szerokością geograficzną i nie o każdej porze roku będą tak samo wydajne. Obydwa rozwiązania najbardziej efektywne są latem, kiedy jest dobre słońce i dzień jest długi, a my więcej energii zużywamy jednak zimą i po zmroku.
Turbiny wiatrowe najefektywniejsze są tam, gdzie wieją wiatry czyli np.w górach, nad morzem... w czasie zmian frontów atmosferycznych, kiedy np. zmienia się aura z ciepłej na chłodną lub odwrotnie, wtedy masy powietrza się przemieszczają i mamy wietrzną pogodę.
Kontrowersje jakie narosły w okół turbin wiatrowych, głównie tych tradycyjnych ze śmigłem czyli o poziomej osi obrotu, są raczej znane: infradźwięki, zagrożenie dla ptaków, wpływ na krajobraz, spadek cen nieruchomości... to tylko te najbardziej znane, bo najczęściej powtarzane. Tutaj można poznać argumenty przeciwników , a tu argumenty zwolenników.
Dni "wiatraków" wydawały się być policzone. Jednym z bardziej obiecujących rozwiązań, szczególnie u nas w kraju - bo jakieś firmy opracowały kilka rozwiązań i nagłośniły to w mediach - miały być turbiny o pionowej osi obrotu. To rozwiązanie eliminuje większość wad i uciążliwości, charakterystycznych dla klasycznych "śmigieł" oraz jest od nich znacznie bardziej poręczne do zastosowań na małych wysokościach. Jednak duże "przemysłowe" farmy wiatrowe nadal korzystają z turbin poziomych i chyba tak jeszcze pozostanie przez jakiś czas. Turbiny o poziomej osi obrotu nadal są bardzo efektywne na dużych wysokościach, ale i tu pojawił się pewien dość istotny problem z nimi związany: okazuje się, że zakłócają sygnały radarowe kontroli ruchu powietrznego.
Problem ten rozwiązano, wypełniając łopaty śmigieł, specjalną substancją jaką powlekane są samoloty "stealth". Jej skład pozostaje oczywiście utajniony i produkcja odbywa się pod nadzorem stosownych instytucji. Niestety, odbija się to na kosztach budowy takiej turbiny.
Turbiny "stealth" produkuje się dziś w Danii, niestety nie mam pojęcia czy w innych krajach też.
Zdolności wytwórcze turbin wiatrowych, ze względu na wspomniane wyżej uwarunkowania, szacuje się obecnie na jakieś 25%. Przy czym zależy to od wysokości na jakiej umieści się rotor.
Różnych "ale" można by tu jeszcze sporo wymienić.
Ten wpis jest o tym, jak można by było poprawić ich efektywność, zapewniając im stały dopływ "sztucznego wiatru". Tak po prostu. By kręciły się ciągle. Dodam, że chodzi o turbiny umieszczone nisko nad ziemią. Nawet baaardzo nisko.
Przy czym zaznaczam, że jest to tylko pomysł. Ogólna idea, nie potwierdzona żadnymi próbami ani eksperymentami, więc nie wiem na ile to może być rzeczywiście efektywne.
Raczej nie będę miał czasu ani środków, by zająć się tematem od strony eksperymentalnej, więc piszę to w nadziei, że może kogoś, kto akurat ma takie możliwości, to zainteresuje i pociągnie temat. Może warto?
W uproszczeniu rzecz polega na wykorzystaniu bardzo powszechnego zjawiska termodynamicznego, mianowicie na wywołaniu ruchu mas powietrza poprzez zróżnicowanie ich temperatur.
Nagrzane, nad jakimś określonym obszarem, powietrze będzie się unosić, wywołując swego rodzaju podciśnienie, które będzie zasysać chłodniejsze powietrze z otoczenia poza owym obszarem i w ten sposób wymuszony ruch masy powietrza będzie poruszał turbiny ustawione gdzieś w strefie ich przemieszczania się. Umownie może to być jakaś czarny, okrągły placyk, na obrzeżach którego będzie ustawiona turbina lub kilka turbin. Placyk ten, przez to, że jest czarny będzie pochłaniać energię słoneczną/cieplną i w ten sposób będzie się szybciej nagrzewać niż pozostała powierzchnia poza nim, która np. dla zwiększenia efektu odbicia słońca/ciepła, będzie pomalowana na biało. W ten prosty sposób uzyska się różnicę temperatur pomiędzy obydwoma obszarami. Różnica temperatur nie musi być duża, by wywołać taki "sztuczny wiatr". Chodzi raczej o to, by ogrzać jednocześnie taką masę powietrza i w takim czasie aby wywołane przez nią podciśnienie było na tyle odpowiednie żeby wywołać ciągły ruch powietrza, zapewniający optymalną pracę turbiny. Lub kilku turbin. Taki "komin cieplny".
Przechodząc do konkretów, widzę to tak:
W powyższej prezentacji, do wzniesienia konstrukcji zasugerowałem beton ale może być z gliny, kamienia, sklejki, szkła... czegokolwiek co może się nadawać. Rdzeń - absorber z jakiegoś materiału dobrze przewodzącego ciepło, który by je wchłaniał i oddawał przez wiele godzin (nie mam pojęcia co by to mogło być. Jakiś kamień? Na przykład bazalt? Może właśnie beton? A może jakaś bardziej złożona instalacja?). Oczywiście powyższa prezentacja to tylko schemat, nie uwzględniający proporcji. Powierzchnię rdzenia absorbującego, jego objętość - potrzebną do optymalnego zmagazynowania ciepła i oddawania go do otoczenia - jak i proporcje całego obiektu, należało by oczywiście dopiero opracować. To samo z ilością turbin. Ale to już następny etap.
Mamy więc instalację, która - na razie tylko teoretycznie - zapewnia stały przepływ strumienia powietrza, poruszającego turbinę lub turbiny, po przez oddawanie przez rdzeń - absorber, zgromadzonej ze słońca, energii cieplnej do otoczenia. Energia ta, ogrzewając masy powietrza nad absorberem, wywołuje, wspomniane już podciśnienie, które powoduje "zasysanie" chłodniejszych mas z zewnątrz, po przez dyfuzory, przechodząc przez łopaty wirników turbin, do wewnątrz konstrukcji, gdzie znajduje się rdzeń absorbujący, który je ogrzeje wypromieniowywanym ciepłem i cały cykl będzie się powtarzał.
W celu zoptymalizowania działania, można zastosować pochyloną do wewnątrz górną pokrywę dyfuzorów tak, by zwiększyć kąt padania słońca oraz zwierciadła skupiające i nakierowujące promienie słońca na rdzeń. Tutaj jest ciekawe narzędzie do szacowania ilości energii ze słońca, co prawda na potrzeby fotowoltaiki ale w naszym przypadku też może być przydatne.
No dobrze - pewnie ktoś powie - ale miało być "autonomicznie", a tu nadal mamy zależność od warunków pogodowych, głównie słońca. Co jeśli akurat tego słońca nie będzie przez kilka dni albo i dłużej?
I tu właśnie dochodzimy do sedna całej koncepcji, której punktem centralnym jest ów rdzeń absorbujący. Energia słoneczna stanowi tutaj tylko jedno ze "źródeł zasilania" powyższego układu. Cała zabawa polega na tym, że może być ono dywersyfikowane. Pozostając jednak w obszarze "siły natury w służbie człowieka", takim dodatkowym "źródłem zasilania" na pochmurne dni mógłby być... kompostownik.
Taki kompostownik zlokalizowany pod rdzeniem absorbującym, w zależności od skomponowanego wsadu, jest w stanie wytworzyć temperaturę w przedziale 40-50⁰C. Używa się tej metody do podgrzewania wody. Zalet takiego rozwiązania jest wiele: powstaje nawóz dla uprawy roślin, utylizuje się w ten sposób pewną część odpadów oraz fakt, że nie trzeba zbytnio inwestować w pozyskanie takiej biomasy na kompost. Kompostować możemy na mokro, sucho, tlenowo i beztlenowo. Co ważne: produktem ubocznym takiego kompostowania jest metan.
W tym momencie dochodzimy do dywersyfikacji trzecim "źródłem zasilania" jakim jest powstały w ten sposób biogaz.
Mamy więc układ jeszcze dodatkowo zasilany gazem powstałym w procesie gnilnym biomasy, którym można dogrzewać rdzeń, gdy różnica temperatur nie jest zbyt wystarczająca.
Koncept można wykorzystać nie tylko do produkcji energii. Jeśli zamiast turbin wstawimy jakieś filtry powietrza to można w ten sposób otrzymać urządzenie pochłaniające smog i oczyszczające powietrze w miastach. Takie instalacje stają się ostatnio popularne. Zaletą jest, że nie trzeba by go dodatkowo zasilać energią z sieci.
Oczywiście tak jak wspomniałem na wstępie, to tylko surowy koncept i otwartym pozostaje pytanie czy tak uzyskane podciśnienie, będzie wystarczająco efektywne, by opłacało się w ten sposób produkować energię? Czy jeśli już, to nie było by lepiej jednak zastosować np. silnik Stirlinga, który jest o wiele efektywniejszym urządzeniem jeśli chodzi o wykorzystanie energii cieplnej?
Silnik Stirlinga napędzany energią cieplną z kompostownika!
Ale to już rozkminka na osobny wpis.
Stan ten, oczywiście napędza koniunkturę czego efektem jest zwiększenie podaży tego typu urządzeń, a co za tym idzie - spadek ich cen, przekazywanie większych środków na rozwój i badania. W ślad za tym idą nowe regulacje prawne, ułatwiające korzystanie z urządzeń OZE. W obiegu pojawiły się nowe pojęcia jak prosument czyli ktoś, kto jest producentem i konsumentem zarazem. Rynek produkcji energii się zmienia!
Najpopularniejszymi urządzeniami, obecnie stosowanymi masowo, są kolektory słoneczne, panele fotowoltaiczne, zwane potocznie, solarami, elektrownie wodne oraz turbiny wiatrowe. Zamierzam zająć się tutaj tymi ostatnimi, ale na początek kilka faktów aby lepiej ogarnąć temat.
Spójrzmy najpierw jak wygląda rozkład zużycia energii na poszczególne sektory ludzkiej aktywności dla Europy:
 |
Konsumpcja energii w Unii Europejskiej w podziale na sektory (jednostka Mtoe)
źródło: blogogarniamprad.pl |
Według mnie, już dziś technologicznie możliwe było by zastosowanie OZE w sektorze gospodarstw domowych na skalę, praktycznie uniezależniającą go od źródeł kopalnych. I jak widać wyżej, oszczędności - ale i korzyści dla środowiska - tylko z tego tytułu, były by znaczne. To prawie trzecia część ogółu zużycia energii w Europie.
Podstawowy problem z OZE polega jednak na tym, że dostarczają one energii niezbyt regularnie i przewidywalnie. Są zależne od czynników, na które nie mamy zbyt dużego wpływu. I to jest, w zasadzie, główny powód różnych kontrowersji i nieufności do tych rozwiązań .
Na co dzień potrzebujemy określonych ilości energii, zwłaszcza takie sektory jak przemysł, potrzebują jej w konkretnych ilościach i stale, bez względu na porę roku czy dnia. Jak na razie, takie warunki mogą spełnić tylko kopalne źródła lub energetyka jądrowa. OZE w liczbach oczywiście wyglądają imponująco ale ogółem. W jakiejś dłuższej skali czasowej np. roku i jak się to, oczywiście podsumuje już po fakcie. Nie udało mi się, niestety, znaleźć żadnych statystyk/prognoz, które by pokazywały jak to wygląda w podziale na różne okresy - pory roku, dnia, etc. Tak aby np. można było to uwzględnić, planując jakąś "dywersyfikację" źródeł energii na swój użytek. Ostatnia zima, przełomu 2017/18 pokazała, że pogoda potrafi być naprawdę mało przewidywalna.
Raz więc tej energii mamy nadwyżkę, innym razem niedobór.
Fotowoltaika i kolektory dostarczają energii tylko w ciągu dnia i przy dobrym słońcu. Do tego nie pod każdą szerokością geograficzną i nie o każdej porze roku będą tak samo wydajne. Obydwa rozwiązania najbardziej efektywne są latem, kiedy jest dobre słońce i dzień jest długi, a my więcej energii zużywamy jednak zimą i po zmroku.
Turbiny wiatrowe najefektywniejsze są tam, gdzie wieją wiatry czyli np.w górach, nad morzem... w czasie zmian frontów atmosferycznych, kiedy np. zmienia się aura z ciepłej na chłodną lub odwrotnie, wtedy masy powietrza się przemieszczają i mamy wietrzną pogodę.
Kontrowersje jakie narosły w okół turbin wiatrowych, głównie tych tradycyjnych ze śmigłem czyli o poziomej osi obrotu, są raczej znane: infradźwięki, zagrożenie dla ptaków, wpływ na krajobraz, spadek cen nieruchomości... to tylko te najbardziej znane, bo najczęściej powtarzane. Tutaj można poznać argumenty przeciwników , a tu argumenty zwolenników.
Dni "wiatraków" wydawały się być policzone. Jednym z bardziej obiecujących rozwiązań, szczególnie u nas w kraju - bo jakieś firmy opracowały kilka rozwiązań i nagłośniły to w mediach - miały być turbiny o pionowej osi obrotu. To rozwiązanie eliminuje większość wad i uciążliwości, charakterystycznych dla klasycznych "śmigieł" oraz jest od nich znacznie bardziej poręczne do zastosowań na małych wysokościach. Jednak duże "przemysłowe" farmy wiatrowe nadal korzystają z turbin poziomych i chyba tak jeszcze pozostanie przez jakiś czas. Turbiny o poziomej osi obrotu nadal są bardzo efektywne na dużych wysokościach, ale i tu pojawił się pewien dość istotny problem z nimi związany: okazuje się, że zakłócają sygnały radarowe kontroli ruchu powietrznego.
Problem ten rozwiązano, wypełniając łopaty śmigieł, specjalną substancją jaką powlekane są samoloty "stealth". Jej skład pozostaje oczywiście utajniony i produkcja odbywa się pod nadzorem stosownych instytucji. Niestety, odbija się to na kosztach budowy takiej turbiny.
Turbiny "stealth" produkuje się dziś w Danii, niestety nie mam pojęcia czy w innych krajach też.
Zdolności wytwórcze turbin wiatrowych, ze względu na wspomniane wyżej uwarunkowania, szacuje się obecnie na jakieś 25%. Przy czym zależy to od wysokości na jakiej umieści się rotor.
Różnych "ale" można by tu jeszcze sporo wymienić.
Ten wpis jest o tym, jak można by było poprawić ich efektywność, zapewniając im stały dopływ "sztucznego wiatru". Tak po prostu. By kręciły się ciągle. Dodam, że chodzi o turbiny umieszczone nisko nad ziemią. Nawet baaardzo nisko.
Przy czym zaznaczam, że jest to tylko pomysł. Ogólna idea, nie potwierdzona żadnymi próbami ani eksperymentami, więc nie wiem na ile to może być rzeczywiście efektywne.
Raczej nie będę miał czasu ani środków, by zająć się tematem od strony eksperymentalnej, więc piszę to w nadziei, że może kogoś, kto akurat ma takie możliwości, to zainteresuje i pociągnie temat. Może warto?
Przechodząc do konkretów, widzę to tak:
W powyższej prezentacji, do wzniesienia konstrukcji zasugerowałem beton ale może być z gliny, kamienia, sklejki, szkła... czegokolwiek co może się nadawać. Rdzeń - absorber z jakiegoś materiału dobrze przewodzącego ciepło, który by je wchłaniał i oddawał przez wiele godzin (nie mam pojęcia co by to mogło być. Jakiś kamień? Na przykład bazalt? Może właśnie beton? A może jakaś bardziej złożona instalacja?). Oczywiście powyższa prezentacja to tylko schemat, nie uwzględniający proporcji. Powierzchnię rdzenia absorbującego, jego objętość - potrzebną do optymalnego zmagazynowania ciepła i oddawania go do otoczenia - jak i proporcje całego obiektu, należało by oczywiście dopiero opracować. To samo z ilością turbin. Ale to już następny etap.
Mamy więc instalację, która - na razie tylko teoretycznie - zapewnia stały przepływ strumienia powietrza, poruszającego turbinę lub turbiny, po przez oddawanie przez rdzeń - absorber, zgromadzonej ze słońca, energii cieplnej do otoczenia. Energia ta, ogrzewając masy powietrza nad absorberem, wywołuje, wspomniane już podciśnienie, które powoduje "zasysanie" chłodniejszych mas z zewnątrz, po przez dyfuzory, przechodząc przez łopaty wirników turbin, do wewnątrz konstrukcji, gdzie znajduje się rdzeń absorbujący, który je ogrzeje wypromieniowywanym ciepłem i cały cykl będzie się powtarzał.
W celu zoptymalizowania działania, można zastosować pochyloną do wewnątrz górną pokrywę dyfuzorów tak, by zwiększyć kąt padania słońca oraz zwierciadła skupiające i nakierowujące promienie słońca na rdzeń. Tutaj jest ciekawe narzędzie do szacowania ilości energii ze słońca, co prawda na potrzeby fotowoltaiki ale w naszym przypadku też może być przydatne.
No dobrze - pewnie ktoś powie - ale miało być "autonomicznie", a tu nadal mamy zależność od warunków pogodowych, głównie słońca. Co jeśli akurat tego słońca nie będzie przez kilka dni albo i dłużej?
I tu właśnie dochodzimy do sedna całej koncepcji, której punktem centralnym jest ów rdzeń absorbujący. Energia słoneczna stanowi tutaj tylko jedno ze "źródeł zasilania" powyższego układu. Cała zabawa polega na tym, że może być ono dywersyfikowane. Pozostając jednak w obszarze "siły natury w służbie człowieka", takim dodatkowym "źródłem zasilania" na pochmurne dni mógłby być... kompostownik.
Taki kompostownik zlokalizowany pod rdzeniem absorbującym, w zależności od skomponowanego wsadu, jest w stanie wytworzyć temperaturę w przedziale 40-50⁰C. Używa się tej metody do podgrzewania wody. Zalet takiego rozwiązania jest wiele: powstaje nawóz dla uprawy roślin, utylizuje się w ten sposób pewną część odpadów oraz fakt, że nie trzeba zbytnio inwestować w pozyskanie takiej biomasy na kompost. Kompostować możemy na mokro, sucho, tlenowo i beztlenowo. Co ważne: produktem ubocznym takiego kompostowania jest metan.
W tym momencie dochodzimy do dywersyfikacji trzecim "źródłem zasilania" jakim jest powstały w ten sposób biogaz.
Mamy więc układ jeszcze dodatkowo zasilany gazem powstałym w procesie gnilnym biomasy, którym można dogrzewać rdzeń, gdy różnica temperatur nie jest zbyt wystarczająca.
Koncept można wykorzystać nie tylko do produkcji energii. Jeśli zamiast turbin wstawimy jakieś filtry powietrza to można w ten sposób otrzymać urządzenie pochłaniające smog i oczyszczające powietrze w miastach. Takie instalacje stają się ostatnio popularne. Zaletą jest, że nie trzeba by go dodatkowo zasilać energią z sieci.
 |
| fot.: www.inhabitat.com |
Silnik Stirlinga napędzany energią cieplną z kompostownika!
Ale to już rozkminka na osobny wpis.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz