Skoncentrowana energia słoneczna przez całą dobę

Czasem słońce, czasem deszcz, a czasem chmury. A później i tak przychodzi noc. I jak tutaj korzystać ze Słońca przy tak zmiennych warunkach? Bardzo możliwe, że skoncentrowana energia słoneczna stanowi pewne rozwiązanie.

Skoncentrowana energia słoneczna, czyli jaka?

Takie pytanie na początek jest zasadne. W naszym wcześniejszym wpisie na temat energii słonecznej mogliście dowiedzieć się, jak ogromne ilości energii produkuje nasza gwiazda oraz zgłębić zagadnienia dotyczące działania fotowoltaiki i kolektorów słonecznych. Wspomnieliśmy także o tym, że można wykorzystać energię słoneczną za pomocą zwierciadeł skupiających. Jak to działa?

Otóż na wstępie musimy Was rozczarować – nie postawicie sobie takiej instalacji na dachu ani w ogródku. Właściwie to skoncentrowana energia słoneczna jest wykorzystywana jedynie w kilku krajach. Dlaczego? Bo do wytworzenia energii cieplnej lub elektrycznej potrzeba duuuuuuuuużo słońca. A gdzie jest go najwięcej?

skoncentrowana energia słoneczna statystyki 2016 REN21

Skoncentrowana energia słoneczna jest znana przede wszystkim w Hiszpanii i USA / Źródło: REN21

Generalnie największe bezpośrednie natężenie promieni słonecznych występuje mniej więcej w okolicy zwrotników Raka i Koziorożca (tu jest dobra mapa). Liderem pod względem mocy zainstalowanej instalacji CSP (skrót od Concentrated Solar Power) jest akurat Hiszpania, która ma do dyspozycji 2,3 GW. Na drugim miejscu są Stany Zjednoczone, które posiadają instalacje o łącznej mocy 1,8 GW. A globalnie, na koniec 2016 roku,  wszystkie instalacje tego typu miały całkowitą moc 4,87 GW. Stanowi to wprawdzie jedynie ułamek całkowitej globalnej mocy zielonej energii (tutaj są najnowsze statystyki dotyczące OZE), ale w tej technologii drzemie potencjał. Na początek sprawdźmy jednak…

Jak działa skoncentrowana energia słoneczna?

Na pewno kiedyś, jako dzieci, bawiliście się lupą, prawda? Ale nie chodzi nam o powiększanie literek, tylko o skupianie promieni słonecznych na różnych przedmiotach (najlepiej łatwopalnych). Nawet na własnej skórze można się było przekonać, że temperatura w punkcie skupienia jest wysoka na tyle, żeby się poparzyć. Ba, na tym filmie możecie zobaczyć, co taka temperatura może zrobić z różnymi przedmiotami.

Technologia skupiania promieni słonecznych była znana już w starożytności. Podobno sam Archimedes skonstruował “promień śmierci” ze zwierciadeł wycelowanych we wrogie okręty. Wprawdzie Pogromcy Mitów dowiedli, że byłaby to broń mało praktyczna, ale mimo wszystko w teorii powinna działać. Teoria teorią, ale skoncentrowana energia słoneczna obecnie wykorzystywana jest do produkcji czystej energii. W jaki sposób?

Lustereczko powiedz przecie, co najlepiej odbija Słońce na świecie?

Najbardziej rozpowszechnioną na świecie technologią CSP są zwierciadła paraboliczne, skupiające wiązkę promieni słonecznych na specjalnej tubie. Takie tuby (jest ich zazwyczaj oszałamiająco dużo) są umieszczone w odpowiedniej odległości od zwierciadła (w punkcie skupienia), żeby zawarty w niech czynnik roboczy (np. olej termalny, stopione sole) mógł zaabsorbować jak największą ilość energii słonecznej. Czyli, innymi słowy, podgrzać się do blisko 400°C.

skoncentrowana energia słoneczna zwierciadła paraboliczne

Zwierciadła paraboliczne, czyli koncentratory słoneczne, w pełnej okazałości / Źródło: DLR

Następnie ta gorąca ciecz, oddając ciepło w wymienniku, podgrzewa wodą na tyle, by zamieniła się w parę, która z kolei wprawia w ruch turbinę, a ta wytwarza prąd. Prawie tak samo jak w tradycyjnej elektrowni na węgiel, tyle tylko że nie mamy żadnych emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń powietrza.

Wieże słoneczne jak z filmów science-fiction

Drugą najczęściej stosowaną technologią CSP są wieże słoneczne. Brzmi trochę jak koncepcja z futurystycznych filmów i trochę tak wygląda. A działa poprzez rozmieszczenie na sporym terenie luster, zwanych heliostatami. Promienie słoneczne odbijają się od takich luster (są ruchome i ustawiają się odpowiednio do Słońca) i są kierowane wprost na wysoką wieżę. Po co?

skoncentrowana energia słoneczna wieża słoneczna

Skoncentrowana energia słoneczna w postaci wieży słonecznej robi wrażenie / Źródło: Torresol Energy Investments, S.A.

Na szczycie wieży znajduje się zbiornik ze stopionymi solami (60% azotanu sodu, 40% azotanu potasu), które dzięki skupionej wiązce promieni słonecznych podgrzewają się do ponad 560°C (a czasem i do 1000°C). Ta gorąca mieszanina jest potem używana do produkcji pary i elektryczności, dokładnie tak jak przy instalacji ze zwierciadłami parabolicznymi).

Słoneczne talerze i zwierciadła Fresnela

Są jeszcze dostępne dwie mniej rozpowszechnione technologie. Pierwsza z nich to system talerzy skupiających energię słoneczną na zamontowanym na wysięgniku odbiorniku, który działa jak silnik. Wewnątrz są cienkie rurki wypełnione wodorem albo helem oraz cylindry. Skoncentrowana energia słoneczna podgrzewa cały układ na tyle, że następuje rozprężenie gorących gazów. Te z kolei wprawiają w ruch tłoki, a dalej, poprzez wał, generator wytwarza energię elektryczną. Hmm, trochę to skomplikowane, prawda?

skoncentrowana energia słoneczna solar dish fresnel

Po lewej solarny talerz (żródło: energy.gov), po prawej zwierciadła Fresnela (źródło: seia.org)

Ostatnią, ale nieco prostszą opcją wykorzystania promieni słonecznych są tzw. zwierciadła Fresnela. To system podobny do zwierciadeł parabolicznych, z tą różnicą, że odbijane od luster promienie słoneczne podgrzewają czynnik roboczy (w tym przypadku jest to zazwyczaj woda) w jednym, większym i podłużnym odbiorniku. Dalej zasada działania jest podobna. Zdjęcia mówią więcej niż tysiąc słów, więc spójrzcie.

skoncentrowana energia słoneczna technologia

Skoncentrowana energia słoneczna może być przetwarzana na 4 sposoby / Źródło: Peter Heller – The Performance of Concentrated Solar Power (CSP) Systems

Świetnie, ale co z tego, że mamy tak wspaniałe solarne technologie, skoro nie działają wtedy, gdy Słońce znika za horyzontem, a właśnie wtedy najczęściej przydałaby się nam energia? Okazuje się jednak, że dwie pierwsze technologie mogą działać przez całą dobę. Jak to możliwe?

Skoncentrowana energia słoneczna przez całą dobę

Kluczem do rozwiązania tej zagadki jest magazynowanie energii w rozgrzanej mieszaninie soli. I to nie na pół godziny, ale nawet przez kilkanaście godzin. Oznacza to, że energię z elektrowni CSP można wytwarzać przez całą dobę. Fantastycznie!

Skąpany w słońcu Dubai lubi wykorzystywać energię słoneczną. Mają tam już zamontowanych sporo paneli fotowoltaicznych, ale właśnie rozpoczął się projekt budowy elektrowni CSP wykorzystującej dwie solarne wieże o mocy 200 MW. Jednym z wymagań ma być właśnie możliwość magazynowania i wytwarzania energii przez 15 godzin po zachodzie Słońca. Elektrownia ma zostać uruchomiona w 2021 roku, a wytwarzana w niej energia ma kosztować około 3,6 zł (0,95 $) za kilowatogodzinę.

skoncentrowana energia słoneczna elektrowania gemasolar

Elektrownia Gemasolar w Hiszpanii z lotu ptaka / Źródło: Torresol Energy Investments, S.A.

Co zaskakujące, może być jeszcze taniej. Trzy elektrownie CSP powstające w Chile (zostaną uruchomione za kilka lat) będą sprzedawać prąd za 2,4 zł za 1 kWh (0,63$) i to bez żadnych subsydiów. One też będą korzystały z technologii wież słonecznych (dwóch albo trzech) z 14-godzinnym czasem magazynowania energii. Ich maksymalna moc cieplna to ponad 1 gigawat, dzięki czemu będą w stanie co roku dostarczyć Chilijczykom 7100 GWh czystej energii prosto ze Słońca. To wystarczy do zasilenia w sumie ponad 2 milionów domów przez całą dobę! Najlepsze jest to, że…

Powstaje coraz więcej elektrowni CSP

Izrael też sobie taką buduje. I to od razu z rekordową wieżą solarną wysoką na 240 metrów. Dookoła niej będzie 50 tysięcy zwierciadeł zajmujących ponad 3 km2 powierzchni. W 2018 roku ma zacząć produkować energię elektryczną, która zapewni 1% zapotrzebowania całego kraju.

skoncentrowana energia słoneczna elektrownia Izrael

Tak ma wyglądać elektrownia słoneczna w Izraelu, gdy zostanie ukończona / Źródło: HELIOSCSP

Niby niewiele, ale zawsze to 1% czystej energii więcej. A tej przecież świat potrzebuje, żeby zastąpić paliwa kopalne i ograniczyć emisje gazów cieplarnianych podgrzewających naszą planetę. A będzie więcej czystej energii, bo kolejne tego typu instalacje już powstają lub będą budowane w Maroko, RPA, Chinach i w Australii. Co by zatem nie mówić, dzieje się i coraz więcej państw jest energetycznie oświeconych.

Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) oszacowała, że do 2050 roku ponad 11% energii elektrycznej będzie produkowane dzięki instalacjom wykorzystującym koncentratory słoneczne, co może zredukować emisję CO2 w skali całego świata nawet o 8%. Z kolei agencja IRENA podaje, że w samej Europie w 2030 roku ponad 4% mocy mogą zapewnić nam elektrownie CSP nawet wtedy, gdy nie świeci Słońce. Świetnie, ale…

Po co o tym pisać, skoro w Polsce to nie zadziała?

Ok, możecie tak pomyśleć, bo słoneczną potęgą nie jesteśmy (roczne promieniowanie w Polsce to raptem 1000 kWh/m2 – w Chile ponad 3 razy więcej), więc teoretycznie takie technologie się u nas nie sprawdzą. A co powiecie na to, że w niedalekiej, tak samo jak my wystawionej na promienie słoneczne Danii, w miejscowości Brønderslev, działa od zeszłego roku elektrownia słoneczna korzystająca z technologii zwierciadeł parabolicznych? Można? Można!

skoncentrowana energia słoneczna elektrownia Aalborg

Skoncentrowana energia słoneczna jest z powodzeniem wykorzystywana w niedalekiej Danii / Źródło: Aalborg CSP

Jej moc cieplna to 16,6 MW, a lustra ustawione są w 40 rzędach po 125 metrów każdy. Czynnikiem roboczym jest specjalny olej, który rozgrzewa się do 330°C. Z powodzeniem wystarczy do produkcji prądu. Ale można tę instalację wykorzystać również do wytwarzania ciepła do ogrzewania domów. I z tej opcji właśnie korzystają Duńczycy, co przydałoby się także u nas, by zastąpić choć trochę spalany w elektrociepłowniach węgiel. 

Dodatkowo cała instalacja będzie uzupełniona o biomasową elektrownię, żeby jeszcze więcej prądu generować z energii odnawialnej. Gdyby nasz rząd chciał, to mógłby tego typu projekty zrealizować także w Polsce. Bo to na zielonej energii będziemy musieli polegać w coraz większym stopniu i żadne technologie „czystego węgla” tutaj nie pomogą. A im większy wybór coraz tańszych odnawialnych źródeł, tym lepiej. Jak nie, jak tak!

 

Źródła: IRENA, IEA, Renewable Energy Magazine, Climate News Network, SolarReserve, HELIOSCSP

 

(Visited 75 times, 1 visits today)