Niesamowite Chiny – czy staną się liderem OŹE

Pewnie dla większości Chiny to symbol biedy, tandety, wyzysku, rabunkowej gospodarki, która odciska bardzo negatywny wpływ na środowisko naturalne. Wielu nie dostrzega jednak jak szybko zmienia się Państwo środka i możliwe, że za kilkanaście lat będzie nie tylko największą gospodarką świata, ale również liderem czystych technologii.

Po pierwsze oszczędzaj surowce, których masz mało
Wielu uważa Chiny za największego truciciela, ale pewnie mało kto wie, że już w 1995 Chiny przyjęły regulacje mające na celu oszczędzanie ropy. Efekt jest taki, że obecnie średni chiński samochód pali 6,6/100 km (38.5 mpg), kiedy to Barak Obama chce osiągnąć ten standard w USA w 2016. W tym czasie Chińczycy planują dojść 5,7 l /100 (42,2 mpg), co zbliża Chiny do światowych liderów oszczędności paliwa jak UE czy Japonia.

Po drugie inwestuj w odnawialne źródła energii, które posiadasz
Dla wielu może to być duże zaskoczenie, ale Chiny dużymi krokami zbliżają się do czołówki Państw najwięcej inwestujących w energetykę odnawialną.

W latach 2008r Chiny po raz kolejny podwoiły moc zainstalowanych turbin osiągając 12GW. Utrzymując to tempo w 2010r Chiny wysuną się na drugą pozycję pod względem zainstalowanej mocy turbin wiatrowych wyprzedzając takie kraje jak Niemczy czy Hiszpania! Przyjęty przez Chińczyków cel 30GW w 2020r może z nich uczynić światowego lidera energetyki wiatrowej.

Równie ciekawie wygląda sytuacja na chińskim rynku fotowoltaicznym. Choć obecna zainstalowana moc ogniw PV nie jest imponująca ok. 80MW chiński rynek energetyki słonecznej rośnie w postępie geometrycznym. Według różnych szacunków na koniec 2013 Chiny osiągną zainstalowaną moc ogniw fotowoltaicznych 2,2-4,2 GW, co zbliży je do ścisłej światowej czołówki.


źródło EPIA

Najwięcej do myślenia powinien dać fakt, że w czyste odnawialne źródła energii inwestuje kraj kojarzony jedynie z redukcją kosztów. Trudno też powiedzieć, że czyste technologie to w Chinach fanaberia ekologów. Paliwa kopalne dają często złudne poczucie niskiej ceny gdyż nie uwzględniają kosztów społecznych i degradacji środowiska. OZE są tańsze w długiej perspektywie pytanie czy stać nas na poniesienie wyższych kosztów obecnie na rzecz oszczędności dla przyszłych pokoleń.

Konarka – fotowoltaiczny przełom czy tylko propaganda.

W ostatnich dniach internet pełen jest informacji na temat przełomowych organicznych ogniw PV firmy Konarka nazywanych power plastic.




Technologia rzeczywiście jest z pewnych względów rewolucyjna.
- ogniwa są produkowane metodą nadruku
- sposób produkcji oraz użyte materiały sprawiają, że ogniwa można produkować szybko i potencjalnie bardzo tanio
- ogniwa są bardzo cienkie i elastyczne co zwiększa możliwości ich zastosowania
- moduły można w 100% przetworzyć wtórnie



Choć wszystko to wygląda bardzo ciekawie, jeżeli zagłębimy się w temat pojawiają się pewne problemy. Konarka chwali się, posiadaniem certyfikatu pochodzącego z National Energy Renewable Laboratory (NREL) w którym sprawność power plastic została określona na 6.4%. Nie jest to zły wynik niestety produkowane komercyjnie moduły mają znacznie mniejszą sprawność. Konarka nigdzie oficjalnie nie podaje efektywności produkowanych modułów jednak na podstawie wymiarów oraz mocy można ją oszacować na 1,5-2% - co trzeba przyznać jest wynikiem bardzo słabym.

Niewątpliwie technologia power plastic jest ciekawym rozwiązaniem z dużym potencjałem choć w obecnej formie z pewnością nie jest to jeszcze rewolucja.

Energetyka wiatrowa czas na zmiany.

Chyba wszystkim energetyka wiatrowa kojarzy się z czymś takim?


Gran Canaria wschodnie wybrzeże

Osobiście jestem bardzo sceptycznie nastawiony do pomysłów stawiana turbin wiatrowych wszędzie gdzie tylko wieje wiatr. Jadąc nad morze nie zawsze chcę oglądać ciągnące się kilometrami farmy wiatrowe.

Z drugiej strony zdaję sobie sprawę z potencjału, jaki ma energetyka wiatrowa w Polsce i na Świece. Jest łatwa i stosunkowo tania w pozyskaniu. Dlatego jeszcze przez długie dziesięciolecia będzie odgrywać znaczącą rolę w odnawialnych źródłach energii.


W takim razie czy nie możemy zmienić oblicza energetyki wiatrowej na bardziej efektywny oraz przyjazny dla krajobrazu.

Jednym z ciekawszych projektów, z jakimi się spotkałem to FloDesign. Firma związana z przemysłem lotniczym opracowała turbinę, która jest wstanie przekroczyć teoretyczny 59% limit konwersji energii wiatru na energię mechaniczną wirnika. Dodatkowo innowacyjny szybkoobrotowy wirnik może pracować w znacznie szerszym paśmie prędkości wiatru, dzięki czemu możliwe jest zagospodarowanie zarówno zbyt wolnego dla tradycyjnej turbiny jak również zbyt silnego wiatru.




Kolejnym ciekawy pomysł zaprezentowali francuscy architekci Nicola Delon i Julien Choppin, oraz inżynier Raphaël Ménard. Pomysł genialny w swej prostocie polega na zaadoptowaniu istniejących słupów wysokiego napięcia na wierze dla turbin wiatrowych. Skoro te konstrukcje i tak stoją i szpecą krajobraz to należy wykorzystać je jak najbardziej efektywnie.




Jeżeli chodzi i nowatorstwo w mojej ocenie najdalej idzie pomysł o nazwie laddermill z uniwersytetu Delft w Holandii. Projekt polega na wykorzystaniu dużych latawców do napędzania generatora. Jako miłośnik kitesurfingu nie raz miałem okazję się przekonać jak dużą moc potrafi mieć kilkunasto metrowy kite. Holendrzy obliczyli że 10m2 latawca jest w stanie generować 50kW mocy. Zestaw specjalnie przygotowanych latawców nazywanych kiteplanes operujący na wysokości 1 km byłby w stanie osiągać moc 100MW, czyli tyle co duża farma wiatrowa zajmująca wiele hektarów.



Pomysł wydaje mi się niezwykle ciekawy w uwagi na:
- niskie koszty budowy
- łatwy i tani montaż
- małe zużycie terenu
- sięgniecie po zasoby energii wiatrowej na dużych wysokościach gdzie prędkość wiatru jest znacznie wyższa i bardziej stabilna.




Jestem przekonany, że w sposobach pozyskiwania energii odnawialnej czeka nas jeszcze wiele ciekawych rozwiązań

Czy różne typy ogniw fototowoltaicznych przy tej samej mocy dają jednakowe zyski energii ?

Ostatni wpis był przyczynkiem do tematu, który nurtuje zapewne wszystkich, którzy planują zakup ogniwa fotowoltaicznego.

Aby była jasność chodzi o pytanie czy np.100 Watowe ogniwo z krzemu monokrystalicznego da tą samą ilość energii, co ogniwo polikrystaliczne, amorficzne, CIGS i CdTe ?

Oczywiście nie gdyż różne typy ogniw PV mają różne zakresy spektrum, w którym będzie zachodził efekt fotowoltaiczny. Sprawność niema tu nic do rzeczy!

Generalna zasada jest taka

- Jeżeli dane ogniwo ma spektrum przesunięte w kierunku podczerwieni a co za tym idzie niską barierę potencjału półprzewodnika (ang. band gap) będzie bardziej efektywne w dni pochmurne przy braku bezpośredniego oświetlenia. Ogniwo będzie pracowało dość regularnie od wschodu aż do późnego zachodu Słońca.

- Jeżeli dane ogniwo ma spektrum przesunięte w kierunku ultrafioletu a co za tym idzie wysoką barierę potencjału półprzewodnika (ang. band gap) będzie bardziej efektywne przy bezpośrednim oświetleniu. Moc ogniwa będzie szybko reagowała na każde przysłonięcie Słońca przez chmurę, kąt oświetlenia. Często wymagane jest śledzenie wędrówki słońca.




Opisane różnice dobrze widać na przykładzie dwóch popularnych obecnie ogniw z krzemu amorficznego i polikrystalicznego. Moduł wykonany z krzemu amorficznego będzie bardziej efektywny latem, gdy mamy więcej promieniowania bezpośredniego. Natomiast zimą przy zwiększonym udziale promieniowania rozproszonego bardziej wydajny okaże się krzem monokrystaliczny. Oczywiście porównania dotyczą dwóch modułów tej samej mocy, i sprawność niema tu znaczenia!


Interesującym trendem są ogniwa DSSC, które mimo niskiej sprawności (do 10%) absorbują światło z zakresu bliskiej podczerwieni pozwala im to pracować praktycznie w każdych warunkach klimatycznych a ich moc wyjściowa nie podlega tak dużym wahaniom jak w przypadku innych ogniw PV.

Dlaczego ogniwa fotowoltaiczne mają taką niską sprawność

Choć pracuje się nad nimi już od dziesięcioleci ogniwa fotowoltaiczne nie mogą pochwalić się wysoką sprawnością. Najbardziej wydajne ogniwa będące w masowej produkcji (z krzemu monokrystalicznego) nie osiągają nawet sprawności 20% a rekord laboratoryjny przy kilkuset krotnym skoncentrowaniu promieniowania słonecznego i wykorzystaniu ogniwa o kilku złączach PN ledwo przekroczył 40%.


Aby zrozumieć dlaczego tak trudno jest zbudować wysoce sprawne ogniwo przypomnę pokrótce zasadę jego działania. (na przykładzie krzemu).



Sercem ogniwa krzemowego jest złącze P-N. Na styku tych dwóch półprzewodników tworzy się bariera potencjału, ujemna w części P oraz dodatnia w części N. Jeżeli na ogniwo (złącze) nie padają promienie słoneczne płynie w nim mały wsteczny prąd dyfuzyjny. Aby ogniwo stało się źródłem energii musi być oświetlone a dokładnie w złącze P-N musi uderzyć foton o odpowiedniej, ściśle określonej energii która wytrąci elektron z powłoki walencyjnej półprzewodnika (pozwoli mu pokonać przerwę energetyczną). Powstaje para elektron(-) – dziura (+) a pole elektryczne związane z obecnością złącza P-N przesuwa w przeciwne strony nośniki różnych znaków. Elektrony wędrują do obszaru N a dziury (+) do obszaru P – powstaje prąd fotowoltaiczny.

Kluczem problemu niskiej sprawności jest wspomniana bariera potencjału półprzewodnika (ang. band gap). Padający na ogniwo foton nie może mieć zbyt malej energii gdyż, nie wybije elektronu z powłoki walencyjnej. Także fotony o energii przewyższającej barierę potencjału nie są w pełni użyteczne, gdyż jedynie cześć ich energii będzie wykorzystana.

Producenci ogniw fotowoltaicznych podają zazwyczaj spektrum promieniowania, w którego przedziale następuje konwersja promieniowania słonecznego na elektryczność.



Z powyższego wykresu widać, że nawet w przypadku „wysoce sprawnego” krzemu konwersja promieniowania słonecznego na energię elektryczną zachodzi głównie w części widzialnej promieniowania słonecznego (od 300 – 1200 [nm] ) dodatkowo nawet w tym wąskim zakresie konwersja nie jest 100%.

Dzięki pracom Einsteina i Planka możemy przeliczyć długość światła na energię wyrażoną w eV (elektronowolt) jaką muszą mieć fotony, aby wybić elektron walencyjny z powłoki.



po podstawieniu stałej planka i prędkości światła mamy


gdzie lambda to długość fali w [nm]


Korzystając z tego wzoru w przypadku naszego wykresu możemy policzyć że:

- maksymalna energia, jaką mogą mieć fotony to 4.1 eV – konwersja poniżej 20%
- efektywna konwersja ponad 90% - zachodzi jedynie w przedziale 1,77eV – 1.3eV
- konwersja ustaje, gdy elektrony mają energię mniejszą niż 1.1eV



Jak można stworzyć wysoce sprawne ogniwo?

- można stworzyć ogniwo o kilku złączach (z kilku różnych półprzewodników), które będą absorbować fotony z wąskiego zakresu energetycznego, ale bardzo efektywnie. - Wiele laboratoriów zajmujących się fotowoltaiką pracuje nad tym rozwiązaniem

- z uwagi, że światło ma naturę korpuskularno – falową można próbować wykorzystać jego naturę falową i tworzyć koncentratory, które będą konwertować promieniowanie do długości fal, w których zakresie następuję najwyższa konwersja – pomysł jak na razie jedynie teoretyczny.

REKLAMA

Biopaliwo czy bioelektryczność ?

Sciencemag.org opublikował niedawno ciekawy raport dotyczący biopaliwa oraz bioelektryczności w kontekście transportu.

Wnioski nasuwające się z analizy dla wielu mogą być zaskakujące. Znacznie lepszym sposobem wykorzystywania biomasy na cele transportu jest produkcja zielonej energii elektrycznej oraz przesiadka na samochody elektryczne niż produkcja biopaliwa.

Jak pokazuje poniższy wykres produkcja z biomasy energii elektrycznej, a następnie lądując nią baterie samochodów elektrycznych wykorzystujemy każdy hektar bioupraw 2-3 razy efektywniej niż w przypadku przeznaczania tego samego obszaru pod produkcję biopaliwa.



Osobiście nie jestem wielkim entuzjastom przetwarzania biomasy zarówno na energię elektryczną, jak i biopaliwo, gdyż oba te procesy są wysoce nieefektywne. Z dużego obszaru uzyskujemy małe ilości użytecznej energii. Rożnica jest taka, że w przypadku bioelektryczności oraz samochodów elektrycznych mamy do czynienia z mniejszym złem - tylko jeden proces jest nieefektywny. W przypadku biopaliw mamy do czynienia z dwoma bardzo mało sprawnymi procesami. Produkcją biopaliwa, a następnie przetwarzaniem go w silniku spalinowym. W alternatywnym transporcie, energetyce odnawialnej musimy wspierać rozwiązania wysoce efektywne, w innym przypadku nie mamy co liczyć na sukces.

Dlaczego nie korzystamy z nadarzającej się szansy, jaką dają samochody elektryczne?

Ostatnio pisałem o planach elektryfikacji transportu w wybranych krajach. Wielu przy tej okazji podnosi argument ochrony środowiska ja zwrócę uwagę na korzyści gospodarcze.

Kilka poniższych ważnych liczb powinno dać do myślenia tym którzy opóźniają wdrażanie elektrycznych samochodów w naszym kraju.

- Mniej niż 2 % ropy którą przerabiamy na paliwa płynne pochodzi z polskich złóż
- Ponad 98% ropy importujemy. Praktycznie jedynym naszym źródłem importu jest Rosja
- Polski popyt na ropę wynosi ponad 20 mln ton/rok czyli ok 150 mln baryłek/rok
- Koszty poniesione na zakup ropy to 24.7 mld zł/rok (gdy ropa kosztuje 50$ baryłka)
- Jeżeli cena ropy wróci do cen z 2007r – 150$/baryłka polska będzie wydawać ponad 74 mld zł/rok na zakup ropy, z której w głównej mierze produkuje się paliwa silnikowe


Z drugiej strony energia elektryczna wykorzystywana w Polsce praktycznie w 100% pochodzi z krajowych elektrowni i produkowana jest z krajowych surowców energetycznych. Polska planuje duże inwestycje w odnawialne źródła energii oraz energię atomową oznacza to że za kilkanaście lat będziemy mieć olbrzymią nadprodukcje energii. Wsparcie dla Samochodów elektrycznych to inwestycja praktyczna ze wszystkich względów.

Elektryfikacja transportu pozwoli w głównej mierze:
- zdywersyfikować źródła energii w transporcie
- zmniejszyć uzależnienie od rosyjskiej ropy
- poprawi bezpieczeństwo energetyczne
- pozwoli na olbrzymie oszczędności w gospodarce
- poprawi bilans handlowy kraju
- stworzy popyt na czyste źródła energii w które polska zaczyna inwestować
- poprawi stan środowiska naturalnego

Jak widać samochody elektryczne to nie tylko ochrona środowiska. To także olbrzymia korzyść dla gospodarki szkoda, że jej nie możemy dostrzec.