Pompy ciepła | Oświetlenie LED, żarówki LED | Kolektory słoneczne | Certyfikat energetyczny | Podłogówka

Przemiana promieniowania słonecznego w magazynowalne paliwo... Skoncentrowane promienie

Już cztery miliardy lat Słońce dostarcza energię krążącym wokół niego planetom i tak będzie na przestrzeni podobnego okresu po nas. Ten fakt oraz wyczerpywanie się zasobów węgla, ropy oraz gazu ziemnego - nie wspominając o zaostrzających się wymogach ochrony środowiska - wymusza na gospodarce światowej pokrywanie potrzeb energetycznych w niedalekiej przyszłości promieniowaniem słonecznym.

Tu jest miejsce na reklamę. Zobacz cennik

Aby móc to uczynić, trzeba wypracować technologie wytwórczości nośników energii z promieniowania słonecznego, które będzie można łatwo magazynować oraz tanio transportować. Dopiero spełnienie tych warunków umożliwi zastąpienie nieodnawialnych nośników energii promieniowaniem słonecznym.

Energetyczne instalacje słoneczne, pracujące ze sprawnością 20 proc. na 0,1 proc. powierzchni kuli ziemskiej, będą w stanie pokryć pełne zapotrzebowanie na energię wszystkich mieszkańców naszej planety - jest to opinia prof. R.D. Palumbo, kierownika laboratorium wysokotemperaturowych technik utylizacji promieniowania słonecznego w Instytucie Paula Scherrera (ISP) w Villingen w Szwajcarii.

Od wielu lat wdrażane kolejnych generacji instalacje fotowoltaiczne, jak i kolektory ciepłownicze, generujące promieniowanie słoneczne do energii elektrycznej oraz ciepła, stają się ekonomicznymi w regionach o dużym nasłonecznieniu. Są to jednak regiony Ziemi o niewielkim zaludnieniu. W nocy i w czasie zachmurzenia są oczywiście tego typu instalacje energetyczne nieczynne.

 Źródło:  PSI - Szwajcaria
Rys. 1.    Schemat przemiany energii słonecznej w paliwo, które można łatwo magazynować oraz tanio transportować (cynk i wodór)

  Kluczem rozwiązującym te niedogodności są technologie, które generują promieniowanie słoneczne do takiego nośnika energii, który można w relatywnie prosty sposób magazynować i przewozić, przy czym cały ten proces przebiegać winien ze sprawnością powyżej 20 proc.

W szwajcarskim instytucie IPS biegną badania - z pomyślnymi wynikami w coraz większej skali - nad wysokotemperaturowym reaktorem procesu, który ilustruje rys. 1. Istotą tego procesu jest ok. pięciotysięczne skoncentrowanie promieniowania słonecznego, co zapewnia otrzymywanie w reaktorze temperatur powyżej 1200 st. C.

W tego typu elektrowni (rys. 2-3) tysiące luster (Heliostate) kierują promieniowanie słoneczne na wymiennik ciepła (Receiver), umiejscowiony na szczycie wieży. Oczywiście obroty luster są automatycznie sterowane stosownie do obrotu Ziemi (tj. do zmieniającej się pozycji Słońca). W ten sposób można promieniowanie słoneczne skoncentrować nawet kilka tysięcy razy, a na wymienniku ciepła, na szczycie wieży uzyskać temperaturę nawet przewyższającą 1200 st. C. Nie tylko temperatura jest tu ważna, ale wielkość mocy, jaką może przekazać wymiennik ciepła do obiegu nośnika energii, która winna osiągnąć kilkaset MW.

Od początku lat 80. wybudowano dziewięć tego typu instalacji pilotażowo-referencyjnych, aby rozpracować oraz opanować wysoki stopień niezawodności ich ruchu. Na tej drodze opracowywano różnorakie technologie, ale tylko dwie do dziś osiągnęły dojrzałość wielkoprzemysłową. Jedna z nich (ta wg rys. 2), opracowana przez Amerykanów w latach 90., a sprawdzona w skali 10 MW we Francji, bazuje na obiegu stopionej soli, którą jest azotan potasu (ale może być również sodu). Relatywnie wysoka temperatura topnienia tej soli (120-140 st. C) wymaga elektrycznego ogrzewania rurociągów, maszyn, aparatów oraz zbiorników. Stopień nagrzania soli w wymienniku ciepła na wieży zależy od temperatury pary, produkowanej w typowej wyparce (wytwornicy) dla turbiny parowej, sprzężonej z elektrogeneratorem. Im wyższa temperatura pary, tym lepsza sprawność termiczna całego układu, dziś osiągająca prawie 25 proc.

Jak wynika z rys. 2, stopiona sól osiąga w wymienniku ciepła na wieży temperaturę 565 st. C (ale daje się uzyskać znacznie wyższą) i można ją magazynować w zbiorniku buforowym w takiej masie, aby w wytwornicy (wyparce) móc wytwarzać parę wodną również w nocy, co oznacza w praktyce dobowy ciągły ruch elektrowni w dni normalnego nasłonecznienia, a takie niemal warunki panują w szerokim pasie przyzwrotnikowym i na południu Europy.

Inna wersja technologiczna, obecnie już technicznie opanowana, obejmuje obieg powietrza, sprzężonego z turbiną gazową i elektrogeneratorem. Tu powietrze po wymienniku ciepła na wieży (wg rys. 3) osiąga ciśnienie 8-15 barów oraz temperaturę do ok. 450 st. C i powietrze o tych parametrach kierowane jest do turbiny gazowej, sprzężonej z elektrogeneratorem. Oczywiście sprawność termiczna całego układu jest tym lepsza, im wyższe są ciśnienie oraz temperatura powietrza przed turbiną i w tym zakresie nie osiągnięto jeszcze maksymalnych parametrów.

Ten proces w porównaniu z poprzednim jest inwestycyjnie tańszy i osiąga wyższą sprawność, ale pod względem kosztów eksploatacyjnych nie jest tak atrakcyjny, jak instalacja konkurencyjna wg rys. 2.

Jak już wspomniano we wstępie niniejszego artykułu, prezentowany proces obejmuje przemianę energii promieniowania słonecznego w paliwo, które można magazynować i przewozić, a to zmyślą o transporcie kołowym. W dodatku uwzględnia się tu auta tak z silnikami spalinowymi, jak i z ogniwami paliwowymi.

Istota tej technologii została schematycznie zaprezentowana na rys. 1, aczkolwiek jej ważne elementy bazują na techniczno-procesowych rozwiązaniach, ujętych na rys. 2-3, które - z myślą o Czytelnikach - trzeba było syntetycznie przedstawić w poprzednim rozdziale.

Według technologii szwajcarskiej placówki badawczej IPS stosuje się aż pięciotysięczną wielokrotność koncentracji promieniowania słonecznego, które zapewnia w reaktorze (w miejsce wymiennika ciepła - Receiver - na wieży) temperaturę 1200 st. C. W tych warunkach temperaturowych tlenek cynku - w ramach reakcji silnie endotermicznej - ulega przemianie do wolnego metalu oraz tlenu. Korzystnym dla przebiegu tego procesu jest dodawanie ok. 3 proc. masowo rozpylonego węgla, który z tlenkiem cynku przereagowuje do postaci metalicznej oraz tlenku węgla.

Temperatura tego procesu przewyższa temperaturę wrzenia cynku (907 st. C) i dzięki temu metal wydziela się w postaci pary, która skrapla się w ceramicznym odbieralniku, a w nim krzepnie w postaci pyłu w temperaturze poniżej 419,5 st. C.

Teraz w dowolnym innym miejscu planety, pył cynku, będący nośnikiem przetworzonej energii słonecznej, może być przemieniony z parą wodną - w egzotermicznym procesie - w wodór oraz tlenek cynku, który zawraca się do procesu redukcji w postać metaliczną (wg rys. 1) w reaktorze z napromieniowaniem słonecznym.

Wytworzony w powyższy sposób cynk nie musi być w całości przemieniony w wodór oraz tlenek cynku z udziałem pary wodnej, gdyż można również paliwo-cynk w typowej baterii, zasilanej powietrzem zamieniać bezpośrednio w energię elektryczną oraz ZnO.

W ten sposób utworzono zamknięty obieg materiałowy, umożliwiający przemianę energii słonecznej w paliwo, które można przechowywać oraz transportować tak w postaci pyłu cynkowego, jak i wodoru. Energochłonność tego procesu wynosi 1,75 kWh/kg cynku, co uznać należy za zadawalające w porównaniu z produkcją cynku z jego rud na drodze chemicznej.

Instalacja pilotażowa o mocy 250 kW jest aktualnie w rozruchu w Instytucie Weizmanna w Izraelu i osiąga sprawność termiczną prawie 35 proc. Schemat tej instalacji ilustruje rys. 4. Po prawej stronie fotografii jest lustro (Heliostat) o powierzchni 120 m kw., odbierające promieniowanie słoneczne i kierujące je na paraboliczny koncentrator o średnicy 8,5 m (w środku fotografii). Ten, kierując skoncentrowaną energię słoneczną na reaktor redukcji tlenku cynku, zapewnia utrzymanie temperatury powyżej 1200 st. C.

Zaprezentowano powyżej proces chemiczno-słoneczny, który swą sprawnością termiczną na poziomie nieomal 35 proc. stał się w chwili obecnej konkurencyjnym do innych technologii przetwarzania promieniowania słonecznego w inne nośniki energii. Osiągane wyniki w skali pilotażowej są tak zachęcające, że teraz inne, endotermiczne procesy chemiczne - przykładowo kraking ciężkich frakcji z przerobu ropy do paliw silnikowych - znajdzie zapewne również w Polsce zainteresowanie. Podjęcie tej tematyki badawczej w kraju, na szerszą niż dotąd skalę, jest problemem o strategicznym znaczeniu.

Wysoko rozwinięte gospodarczo kraje oraz czołowe koncerny samochodowe podjęły działania badawczo-pilotażowe na niespotykaną dotąd skalę, aby jak najszybciej wprowadzić wodór do napędu pojazdów kołowych tak w silnikach spalinowych jak i via ogniwa paliwowe.

W Unii Europejskiej to zadanie realizuje w ramach projektu "Zero-Regio" (region wolny od emisji) 16 instytucji, a wśród nich koncerny: DaimlerChrysler, Linde, Fraport i Agip, które wspólnie z innymi firmami w Danii oraz w Szwecji współfinansują tego typu działania na kwotę 16 mln euro. W ramach tych środków będą budowane wariantowe instalacje referencyjne dla magazynowania, transportu i tankowania wodoru wysoko sprężonego do 70 MPa oraz ciekłego. Do tego dojdą nowej generacji pojazdy samochodowe.

Światowe koncerny samochodowe zainwestowały dotychczas prawie 2 mld dolarów w działania badawczo-wdrożeniowe nad zastosowaniem wodoru do napędu aut osobowych, autobusów oraz samochodów ciężarowych. Obok stosowania wodoru do silników spalinowych, rozpracowuje się ogniwa paliwowe, które jeszcze w tej dekadzie będą napędzały pojazdy z seryjnej produkcji.

Nie powinno w tych programach zabraknąć naszych instytucji badawczych oraz przemysłowych. W strategii dalszego rozwoju gospodarki Unii Europejskiej zastosowanie wodoru jako paliwa dla pojazdów kołowych zajmuje jedną z czołowych pozycji.

Przemiana promieniowania słonecznego w magazynowalne paliwo