Żyjemy w ciekawych, burzliwych i niebezpiecznych czasach – to najczęściej wygłaszany truizm przez celebrytów i polityków od lewa do prawa. Niepewność bliskiej przyszłości napawa lękiem starsze i młodsze pokolenie. Chyba największym zmartwieniem ludów północy jest energia przeznaczana na ogrzewanie domostw, a w szczególności dostępność i stabilność dostaw. Nie mam wątpliwości, że powstaje czas wielkiego przełomu w korzystaniu z energii uzyskiwanej z zasobów kopalnych, energii odnawialnych oraz w szczególności bieżącej energii słonecznej.

Felietony Jaglarza

 

 

Wszystkie wymienione formy energii to przejaw dawnej i teraźniejszej aktywności Słońca. Węgiel, ropa naftowa i gaz to przecież magazyny energii słonecznej w postaci węglowodorów stałych i płynnych. Magazyny te były uzupełniane przez miliony lat aktywności Słońca. Są one dostępne dla nas, jednak ich wykorzystanie staje się uciążliwe i szkodliwe dla ludzi, szkodliwe dla fauny i flory naszej planety nie mówiąc o drastycznych zmianach klimatycznych. Tak więc, energetyka oparta na eksploatacji węglowodorów to w istocie korzystanie z magazynów energii słonecznej wyrażonej w chemicznej formie związków organicznych. Tautologią stało się wykazywanie wyższości energii bezpośrednio dostępnej z promieniowania słonecznego przetworzonej na prąd elektryczny nad energią słoneczną zmagazynowaną przez fotosyntezę w czasach prehistorycznych, czyli energią kopalną. Dla wszystkich jest oczywiste, że taka energia jest dostępna dotąd, dopóki świeci słońce, wieje wiatr, płyną rzeki, szumią fale. Wszystkie te formy są skutkiem działania światła słonecznego. Są cudownie czyste, bezemisyjne i ekologiczne. Służą postępowi i rozwojowi cywilizacyjnemu. Niestety mają one jedną oraz kilka pomniejszych dysfunkcji. Nie działają (tzn. nie produkują energii) gdy jest noc, gdy jest zima, gdy w wyniku blokad termicznych ustaje wiatr, lub nęka nas susza. Działają wówczas, gdy spełnione są odpowiednie warunki środowiskowe. Jednak stabilność pogodowa w warunkach szybko zmieniającego się klimatu staje się coraz bardziej wątpliwa. Magazynowanie energii to przede wszystkim gwarancja przesyłu energii w każdym czasie, bez limitów zużycia (oczywiście w rozsądnym wymiarze)

Jeżeli Europa wybrała jedynie słuszne, w mniemaniu jej decydentów, źródła energii odnawialnej to w celu zapewnienia stabilności dostępu należy wdrożyć wielki program jej dystrybucji ze szczególnym uwzględnieniem magazynowania na czas jej niedostępności. Nadmiar energii uzyskanej z konwencjonalnej energii może być zamieniany na energię potencjalną wody, wyniesioną na duże wysokości. Energia elektryczna wyprodukowana z magazynów węglowodorowych zostaje wykorzystana do przepompowania wody z niższego poziomu (rzeki, jeziora, morza) na wyższy. Na tej zasadzie działają elektrownie szczytowo–pompowe (S–P), które tak naprawdę są efektywnymi magazynami energii wyprodukowanej w konwencjonalnych elektrowniach na węgiel, olej opałowy czy gaz.

W czasie deficytu energetycznego otwierane są odpowiednie śluzy i woda naturalny, grawitacyjny sposób spada z dużej wysokości napędzając odpowiednie turbiny prądotwórcze. To doskonałe rozwiązanie zaproponował już na początku XX wieku Nicola Tesla. Jest to chyba najczystsza forma magazynowania energii nadmiarowej wyprodukowanej przez klasyczne, wielkie elektrownie. Ślad węglowy jest w tym przypadku znacznie mniejszy niż alternatywne rozwiązania projektowane dla energetyki OZE. Niestety w naszym kraju elektrownie S–P raczej się nie sprawdzą (jedynym chlubnym wyjątkiem jest elektrownia S–P na górze Żar). Polska to kraj nizinny, z małą ilością górskich dolin w których można gromadzić nadprodukowaną energię. Dostęp do wody jako medium przenoszącego energię jest ograniczony. Polska jest krajem o trzykrotnie mniejszych opadach niż Norwegia, która jest ponadto zdecydowanie górzystym krajem. Nawet pomijając jej olbrzymie zasoby ropy i gazu to pod względem dostępności do OZE jest ona w światowej champion league.

W rozproszonych systemach OZE, w tym głównie w fotowoltaice, rozważane są rozwiązania oparte na akumulacji energii w akumulatorach elektrycznych (ostatnio nazywanych powerbankami, co ma dodać im pozorów produktów na miarę technologii kosmicznych). Rozproszony system to my – mali producenci energii słonecznej produkowanej z paneli zamontowanych na dachach naszych domów. Możemy gromadzić jej nadmiar za pomocą akumulatorów elektrycznych. Mimo, że zakup drogiego akumulatora raczej nie pogrąży nas finansowo, to pożytek z niego w czasie naszej długiej zimy jest znikomy. Energia z akumulatorów to myślenie życzeniowe,

Owszem akumulatory dzień/noc spełniają swoją funkcję tylko, że szybko się degradują. Między bajki należy wsadzić możliwość 3 do 5 tysięcy cykli doładowań. Jeśli to prawda, to przy 100–krotnym użyciu rocznym powinno się zapewnić ich pracę co najmniej przez jedno pokolenie (teraz jedno pokolenie to 30 lat a nie 20 jak to było w czasach słusznie minionych). Producenci z ostrożności dają gwarancje ich wydajności tylko na kilka lat. Tak naprawdę nikt jeszcze nie wie czy powerbanki będą stabilne na dłuższy czas. W tej technologii nie zanosi się na przełom.

Najbardziej obiecującym medium (do względnie długiego czasu magazynowania energii) jest wodór. Do tej pory wodór jest rozpatrywany jako paliwo napędowe do pociągów, samolotów czy wielkogabarytowych samochodów. To olbrzymi rynek z ogromnymi możliwościami i pieniędzmi. Wodór może być nie tylko paliwem napędowym ogniw paliwowych. Może być produkowany z nadmiarowej energii fotowoltaicznej i stosowany do stabilizacji pracy infrastruktury rozproszonej energetyki słonecznej. Należy tutaj rozróżnić czysty wodór uzyskiwany w procesie elektrolizy wody produkowany bezpośrednio przy panelach słonecznych oraz wodór brudny wytwarzany np. z biogazów. Ten ostatni jest tańszy i łatwiejszy w produkcji, jednak ze względu na zanieczyszczenia nie nadaje się do zastosowania w pewnych procesach technologicznych. Magazyny wodoru mogłyby się wydawać podobne do zbiorników na gaz płynny. Jednak problemem jest to, że nie możemy go skroplić. Magazynowany jest pod wielkim ciśnieniem, a jako że cząsteczki wodorowe są małe, to łatwo mogą przenikać (dyfundować) do ścian zbiornika i wydostawać się na zewnątrz. Możliwe, że opracowanie skutecznej technologii składowania wodoru zajmie jeszcze trochę czasu.

Polska to północny kraj, jesteśmy znacznie bliżej bieguna niż równika. W zasadzie w miesiącach od listopada do lutego nasłonecznienie w Polsce jest znikome. W gruncie rzeczy w tych miesiącach fotowoltaika nie produkuje energii. Jednym z ambitnych projektów jest konwersja energii elektrycznej na mechaniczną. Przykładem takiego zastosowania może być podnoszenie wielkich mas na duże wysokości w czasie nadwyżki energetycznej i opuszczanie dużych ciężarów w czasie deficytu. Wówczas nadmiarowa energia zostaje zamieniona na prąd elektryczny. Podobnie nadmiar energii można gromadzić w postaci mechanicznej energii sprężystej lub innym, możliwym zastosowaniem jest użycie kół zamachowych.
W epoce świadomej rezygnacji z kopalnych źródeł energii, stabilność i bezpieczeństwo energetyczne może nam również zapewnić energetyka jądrowa. To Święty Graal w energetyce XXI wieku. Będąc studentem fizyki jądrowej UŚL w  latach 80–tych przeżyłem Czarnobyl, piłem roztwór Lugola, w klapie nosiłem dozymetr promieniowania, który nigdy nie przekroczył normy. Tamtejsze wzmożenie antyatomowe i irracjonalna panika nie wpłynęła na mój entuzjazm dotyczący tej formy energii. Tym bardziej, że w Polsce nikt nie umarł na chorobę popromienną a dwugłowe potworki o 6–ściu kończynach się nie narodziły.

Jeżeli w przyszłości odejdziemy od konwencjonalnej energetyki opartej na paliwach kopalnych produkującej wielkie ilości CO2 to wpłyniemy wstrzymanie zmian klimatycznych. Do promowanej tak intensywnie energetyki OZE należy też rozważyć dołączenie energetyki jądrowej. Bo choć ma ona kilka pomniejszych wad to jednak gwarantuje stabilność sytemu energetycznego kraju, zapewniając tym samym bezpieczeństwo energetyczne. Udział energii jądrowej na poziomie 20% pełnej produkcji energii otrzymanej ze zdywersyfikowanych źródeł energii OZE wydaje się optymalnym rozwiązaniem problemów przyszłych potrzeb konsumpcyjnych.

 

dr hab. Janusz Jaglarz prof. PK
Politechnika Krakowska