Szukając nowych ścieżek wzrostu europejskiego bezpieczeństwa energetycznego, dekarbonizacji oraz wzmocnienia europejskiej niezależność paliwowej, firmy i uczeni pilnie potrzebują nowych rozwiązań. Musimy pilnie zadać pytanie „A co jeśli…?” Potrzebujemy nowych, ambitnych innowacji, które pozwolą przyspieszyć redukcję wykorzystania paliw kopalnych i adaptację do zmian klimatu. Poniżej przedstawiamy wybrane przykłady technologii, które stanowią zachętę do bezustannego wysiłku w wynajdywaniu coraz bardziej innowacyjnych, ekologicznych rozwiązań.

Upały coraz mocniej dają się we znaki mieszkańcom miast, szczególnie w porze letniej.  Wysokie temperatury powodują tworzenie się tak zwanych „miejskich wysp ciepła” (UHI).  Dzieje się tak z powodu globalnego ocieplenia, gęstej populacji, rosnącej zabudowy i braku roślinności. 

Pilnie potrzeba zatem rozwiązań, które pomogą regulować poziom ciepła w przestrzeniach miejskich, np. pochłaniać jego nadmiar w ciągu dnia i odprowadzać wieczorem. Pozwoliłoby to ochłodzić miasta w tych najbardziej gorących chwilach. Veolia i 2EI, jej biuro projektowe, rozwijają nowe obszary wiedzy, aby bezpośrednio i natychmiastowo oddziaływać na gromadzące się ciepło w miastach. Już dziś istnieją rozwiązania obniżające temperaturę gruntu o 10 – 15°C i temperaturę powietrza o 5 – 8°C.

• Parująca kostka brukowa – system, który dobrze sprawdza się na powierzchniach miejskich  przeznaczonych dla pieszych. W przypadku wysokich temperatur pod kostkę brukową wtłacza się wodę za pomocą systemu kroplowego. Poprzez stopniowe odparowanie wody w wyniku działania kapilarnego chłodzi się powierzchnia, po której poruszają się piesi.
• Automatyczne nawilżanie jezdni to rozwiązanie bardziej odpowiednie dla obszarów przeznaczonych do jazdy. Polega na spryskiwaniu jezdni i chodników wodą za pomocą systemu dysz rozpylających na poziomie gruntu.

W ramach możliwości rozwiązania te wykorzystują zmagazynowaną i wstępnie oczyszczoną wodę deszczową. 

Na placu zabaw szkoły podstawowej Sousa-Mendes w Bordeaux położono 120 m2 chłodzącej kostki brukowej Saint Jacques wykonanej z muszli przegrzebków. Woda deszczowa, która przepływa przez te kostki, aby je schłodzić, jest odzyskiwana, przechowywana i oczyszczana w systemie opracowanym przez Veolię.

Neutralny pod względem emisji CO2 biometanol zwiększy unijne zasoby biopaliw i wzmocni europejską niezależność paliwową. Może on być produkowany z celulozy, dzięki rafinacji surowego metanolu siarczanowego z masy celulozowej. Zeroemisyjny biometanol może stać się nowym źródłem zrównoważonego paliwa niskoemisyjnego zastępującego paliwa kopalne. Może przyczynić się do wzrostu europejskiego bezpieczeństwa energetycznego, jednocześnie wspierając ambicje dekarbonizacji transportu w ramach Europejskiego Zielonego Ładu.

W Äänekoski w Finlandii Veolia uruchomi największą na świecie biorafinerię produkującą neutralny pod względem emisji CO2 bio-metanol z celulozowni. Firma zaoferowała nowe źródło zrównoważonego paliwa, które zastąpi paliwa kopalne. Potencjał produkcji biometanolu na świecie jest szacowany na około 2 miliony ton, gdyż jest to możliwe w większości celulozowni na świecie.

Rafineria w Äänekoski będzie sąsiadować i częściowo zostanie wbudowana w fabrykę Metsä Fibre. Przy rocznej zdolności produkcyjnej na poziomie 12.000 ton zakład, który ma zostać uruchomiony do 2024 roku, pozwoli uniknąć nawet 30.000 ton emisji CO2 rocznie. Inwestycja o wartości 50 milionów euro jest wspierana przez dotację fińskiego Ministerstwa Gospodarki i Zatrudnienia.

Projekt biorafinerii z Metsä Fiber jest zgodny ze strategią Veolii dotyczącą rozwoju lokalnych pętli energetycznych umożliwiających dekarbonizację i zapewnienie wystarczalności energetycznej. To także czynnik umożliwiający transformację ekologiczną poprzez integrację przemysłową w różnych sektorach. Umożliwia tworzenie skalowalnych i zrównoważonych rozwiązań dla lokalnie produkowanych paliw neutralnych pod względem emisji CO2.

Miasta wraz z przemysłem i sektorem usługowym muszą być w stanie szybko przystosować się i reagować  na poważne awarie i przerwy w dostawie prądu lub przeciążenia sieci centralnej, powstałe w wyniku zmiennych warunków meteorologicznych. Awaria zasilania może bowiem mieć poważne konsekwencje dla sprawnego funkcjonowania podstawowych usług, takich jak transport czy ochrona zdrowia – szczególnie w krajach słabiej rozwiniętych. Dlatego wskazane jest rozwijanie „mikrosieci”, inteligentnych mini-sieci energetycznych, które działają w połączeniu z siecią główną lub niezależnie od niej i są w stanie zaspokoić potrzeby na małą skalę.

Mikrosieci stają się innowacyjną, ekonomiczną i przyjazną dla środowiska alternatywą dla centralnych sieci energetycznych. Są w stanie nie tylko wytwarzać energię elektryczną i ciepło, głównie z wykorzystaniem energii odnawialnej , ale także magazynować energię i zaopatrywać lokalny obszar. Pomaga to ograniczyć koszty, oszczędzać energię i zmniejszyć wpływ instalacji na środowisko.

Aby zmniejszyć ślad węglowy kampusu Sippy Down o 40% w ciągu 25 lat oraz koszty energii elektrycznej, Veolia opracowała „projekt baterii wodnej”. Na dachach i parkingach zamontowano panele fotowoltaiczne. Wytworzona energia jest wykorzystywana w procesie termicznym do schładzania wody zmagazynowanej w zbiorniku, działając jak bateria. Woda jest następnie uwalniana do obwodów chłodzących budynki w żądanym czasie, aby zapewnić ich klimatyzację.

Odpady z gospodarstw domowych są zasobem, z którego można wytwarzać zieloną energię – na przykład jako ciepło do zasilania lokalnych sieci ciepłowniczych lub jako energię elektryczną, która może zasilać sąsiednie gospodarstwa domowe lub być sprzedawana do sieci krajowej. To rozwiązanie pomaga ograniczyć zużycie paliw kopalnych. Ma to zalety dla miast, którym zależy na gospodarce o obiegu zamkniętym. 

Spalanie odpadów jest szybko rozwijającym się rozwiązaniem, ponieważ przepisy zachęcają gminy do przetwarzania odpadów z gospodarstw domowych w bardziej zrównoważony sposób i do ograniczania wykorzystania składowisk.

• W Unii Europejskiej 19% odpadów komunalnych jest spalanych i  przekształcanych w energię. Odsetek ten wzrósł do 32% we Francji i ponad 50% w krajach skandynawskich. 
• Według ADEME ilość odpadów z gospodarstw domowych spalanych i przekształcanych w energię wzrosła we Francji  o 41% – z 10,3 mln ton w 2000 r. do 14,2 mln ton w 2012 r.
• 113 spalarni odpadów we Francji wyprodukowało 12,7 TWh energii elektrycznej i cieplnej w 2012 r. Dla porównania cały francuski sektor farm wiatrowych wyprodukował 14,9 TWh energii elektrycznej w tym samym okresie.

Energia może pochodzić również ze spalania pozostałych odpadów komunalnych. Ciepło powstające podczas spalania jest odzyskiwane w postaci pary pod ciśnieniem. Wychwycona w ten sposób energia cieplna jest: 

• wykorzystywana bezpośrednio, na przykład do zasilania sieci ciepłowniczych lub do ogrzewania szklarni, lub
• przekazywana do turbogeneratora, który przekształca ją w energię elektryczną, którą następnie można sprzedać dystrybutorom energii elektrycznej.

Poprzez odzysk odpadów z gospodarstw domowych, których nie można kompostować ani poddać recyklingowi Veolia wytwarza 19 MW energii elektrycznej w East Sussex w Wielkiej Brytanii. Wystarcza to do zasilania 25 000 domów.A co jeśli  nasze domy będziemy ogrzewać ściekami?

Walcząc ze zmianami klimatycznymi, coraz więcej władz lokalnych wynajduje i wdraża ekologiczne rozwiązania. Doskonałym tego przykładem jest odzyskiwanie energii cieplnej ze ścieków. Według programu ONZ „UN-Habitat” miasta zużywają prawie 75% światowej energii pierwotnej. Jednak ponad 78% tej energii pochodzi z paliw kopalnych, takich jak ropa, gaz i węgiel. W rezultacie miasta odpowiadają za 80% światowej emisji gazów cieplarnianych.

Odzyskiwanie ciepła ze ścieków komunalnych umożliwia miastom zmniejszenie zużycia energii pierwotnej i generowanie energii z lokalnych zasobów, która jest dostępna w dużych ilościach oraz wydajną dystrybucję wyprodukowanej energii. Tym samym miasta zmniejszają wpływ na środowisko oraz ograniczają wydatki na energię.

Technologia Energido jest rozwiązaniem, które kieruje część miejskich ścieków do wymiennika ciepła w celu przekazania zawartej w nim energii do płynu przenoszącego ciepło. Odzyskane ciepło jest przesyłane przez odwracalną pompę ciepła, która jest w stanie uwolnić energię do zasilania sieci grzewczej lub chłodniczej. Takie rozwiązanie oferuje dodatkową efektywność energetyczną przez cały rok.

Na południu Francji gmina Roquebrune-Cap-Martin we współpracy z firmą Veolia wdrożyła rozwiązanie Energido dla eko-okręgu AZUR CAP. Dzięki temu 100% zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie 300 mieszkań pokrywane jest poprzez odzysk energii zawartej w ściekach. Pozwala to uniknąć zużycia paliw kopalnych i emisji 84 ton metrycznych CO2 rocznie, co równa się średniej rocznej emisji 75 samochodów osobowych.

Typowa oczyszczalnia ścieków wykorzystuje chemikalia i zużywa dużo energii. Wynika to z zastosowania urządzeń elektromechanicznych do działania i efektywnego oczyszczania ścieków przed odprowadzeniem ich do środowiska naturalnego. Koszty eksploatacji i utrzymania infrastruktury są wysokie, co wpływa na ceny usług wodnych dla ludności podłączonej do zbiorowego systemu kanalizacyjnego. Innowacyjnym rozwiązaniem może być połączenie konwencjonalnych technologii oczyszczania z inżynierią ekologiczną, m.in. stosowanie osadu czynnego do naturalnego usuwania zanieczyszczeń ze ścieków.

Naturalne oczyszczanie ścieków może odbywać się dzięki roślinom, bakteriom i mikroorganizmom. 

• Wybrane, odporne rośliny, takie jak cibora (Cyperus), są stosowane ze względu na ich system korzeniowy, który może rozwijać się w ściekach. Rośliny umieszcza się więc w basenach, uprawia na powierzchni w szklarni, a ich korzenie zanurza się w ściekach na głębokość 1,5 metra. 
• Wiele żywych organizmów, takich jak skorupiaki, ślimaki, krewetki słodkowodne i bakterie, żyje zawieszone w wodzie lub przyczepione do korzeni i pomaga w oczyszczaniu ścieków.

Liczne zalety oczyszczalni stosujących inżynierię ekologiczną obejmują: podobną jakość ścieków oczyszczonych i odprowadzanych, mniejsze zużycie energii, dwukrotnie mniejszą przestrzeń potrzebną do oczyszczania ścieków, lepsze tłumienie zapachów, obniżenie kosztów eksploatacji czy wtopienie szklarni botanicznej w krajobraz. Stacje nowej generacji można budować w pobliżu domów, a ich innowacyjny i oryginalny charakter co roku przyciąga wielu zwiedzających, którzy chcą poznać zasady ich działania.

Veolia jest właścicielem oczyszczalni ścieków w Budapeszcie od 1997 roku. W 2012 roku wdrożyła proces oczyszczania ścieków Organica, dzięki czemu zakład ten stał się wówczas najnowocześniejszą oczyszczalnią na Węgrzech. W ten innowacyjny sposób oczyszczane są ścieki około 300.000 mieszkańców z powiatów Pestlőrinc, Kispest, Erzsébet i Soroksár oraz z okolicznych firm. Stacja łączy konwencjonalną technologię oczyszczania z inżynierią wodną, która wykorzystuje rośliny, bakterie i mikroorganizmy do naturalnej redukcji zanieczyszczeń w ściekach.

W południowokoreańskim Yeoju Veolia przetwarza nienadające się do recyklingu odpady z tworzyw sztucznych w stałe paliwo. Odzyskiwane w ten sposób tworzywo pomaga zaspokoić część potrzeb energetycznych krajowego przemysłu.

Każdego roku przemysł na całym świecie generuje setki milionów ton odpadów. Wiele operacji przemysłowych napotyka istotne  przeszkody w bezpiecznym obchodzeniu się, zbieraniu i usuwaniu materiałów odpadowych. W niektórych przypadkach odpady mogą być niebezpieczne i szkodliwe dla środowiska. Wymagają ścisłej kontroli w zakresie zgodności z normami bezpieczeństwa i ochrony środowiska, które stają się coraz bardziej rygorystyczne. Innowacyjne rozwiązania są istotną kwestią dla klientów przemysłowych wobec rosnącej presji na zasoby, coraz bardziej rygorystycznych przepisów oraz zwiększającej się świadomości społecznej w zakresie gospodarki o obiegu zamkniętym czy ekonomii współdzielenia. Na te potrzeby odpowiada zintegrowany system zarządzania odpadami, który pomaga zoptymalizować przepływ produkcji, obniżyć koszty transportu i składowania oraz zmniejszyć wpływ na środowisko.

Od 2007 roku Veolia prowadzi innowacyjny zakład recyklingu odpadów z tworzyw sztucznych w Yeoju, w prowincji Gyeonggi. Odpady są zbierane, przetwarzane, poddawane recyklingowi i przekształcane w stałe paliwo wtórne z odpadów (Solid Recovered Fuel –  SRF). Obecnie Veolia przetwarza prawie 70.000 ton odpadów przemysłowych, z których produkuje 60.000 ton SRF.

Zgodnie z szacunkami wykorzystujemy jedynie około 40 proc. energii pochodzącej m.in. ze spalania węgla i węglowodorów. Pozostałe 60 proc. rozprasza się w powietrzu w postaci ciepła odpadowego. W efekcie, aby zaspokoić zapotrzebowanie na prąd, spalamy więcej surowców i przyczyniamy się do negatywnych zmian klimatycznych i wyższych kosztów paliw.

Istnieją technologie, które pozwalają na przekształcenie odpadowej energii cieplnej w energię elektryczną. Można w tym celu wykorzystać pozbawione ruchomych elementów mechanicznych i niewielkie gabarytowo moduły termoelektryczne. Tak jak w przypadku ogniw fotowoltaicznych, ich integralną częścią są elementy mające formę niewielkich, połączonych szeregowo kostek półprzewodnikowych. W typowych konstrukcjach elementy termoelektryczne umiejscowione są pomiędzy ceramicznymi okładzinami, które pełnią rolę izolatora. Przy podgrzewaniu jednej z okładzin i chłodzeniu drugiej powstaje napięcie elektryczne i wytwarzany jest przepływ prądu.

Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Wojciechowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH we współpracy z partnerami z Sieci Badawczej Łukasiewicz oraz Instytutu Fizyki PAN w Warszawie opracował i wytworzył prototypowe moduły termoelektryczne o gęstości mocy zbliżonej do 2,5 kW/m2, co daje im dziesięciokrotną przewagę w tym względzie nad komercyjnymi ogniwami fotowoltaicznymi.

Koszt modułów udało się znacząco obniżyć w stosunku do komercyjnych odpowiedników m.in. dzięki zastąpieniu ceramicznych okładzin mniej kosztownymi i znacznie lepiej przewodzącymi ciepło stopami aluminium. Co więcej, stopy aluminium są łatwiej formowalne niż ceramika, dzięki czemu można konstruować moduły o niemal dowolnych kształtach dostosowanych do danego systemu odzysku ciepła.

Źródło: agh.edu.pl
https://www.agh.edu.pl/nauka/artykuly/detail/naukowcy-z-agh-stworzyli-przelomowe-moduly-termoelektryczne

W związku z postępującymi zmianami klimatu konieczne jest zmniejszenie ilości dwutlenku węgla uwalnianego do atmosfery i poszukiwanie alternatywnych wobec paliw kopalnych źródeł pozyskiwania energii. Jest to widoczne w postępie technologicznym nad niskoemisyjnymi i odnawialnymi źródłami energii. Przełom dla branży energetycznej mogą stanowić perowskitowe ogniwa słoneczne. Zawierają one perowskit, związek o krystalicznej strukturze, najczęściej hybrydowy organiczno-nieorganiczny materiał na bazie halogenków ołowiu lub cyny. Technologię tworzenia ogniw słonecznych na bazie perowskitów opracowała Olga Malinkiewicz. 

Standardowe kolektory słoneczne są zbudowane ze sztywnych, ciężkich i kruchych ogniw krzemowych, których produkcja jest obciążająca dla środowiska, głównie ze względu na wysoką temperaturę (powyżej 1000°C) konieczną do ich wytwarzania. Zasadniczą przewagą perowskitów jest ich lekka, cienka i bardzo elastyczna konstrukcja, która znacząco rozszerza możliwości zastosowania tej technologii. Można stosować ją nawet na pionowych powierzchniach. Perowskitowe ogniwa słoneczne lepiej absorbują energię fotonową, przez co znajdą zastosowanie nawet w miejscach o słabym lub sztucznym oświetleniu. Produkcja perowskitów jest stosunkowo tania, może odbywać się nawet poprzez nadruk na folię PET. Ich transport jest również o wiele łatwiejszy w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami. 

Tę innowacyjną technologię można wykorzystywać też w nietypowych miejscach, takich jak namioty, żagle, plandeki samochodów ciężarowych czy karoserie samochodów osobowych. Można nimi również pokrywać ściany nowych i istniejących budynków oraz okna.

Pierwsza na świecie instalacja perowskitowa Saule Technologies została zainstalowana w Lublinie na budynku firmy Aliplast. Panele perowskitowe zostały zintegrowane z lamelami, czyli łamaczami światła, a całe rozwiązanie wytwarza energię wykorzystując światło słoneczne oraz chroni budynek przed przegrzaniem i wychłodzeniem. Dzięki systemowi automatycznego sterowania lamele zmieniają swoje położenie w zależności od ruchu słońca.

W ramach polityki klimatycznej i energetycznej Unii Europejskiej konieczne jest ograniczenie ilości emisji związanych z ogrzewaniem i chłodzeniem budynków. Zmieniający się klimat stawia coraz większe wyzwania w tym zakresie. Przyspieszenie transformacji energetycznej i znaczne zmniejszenie emisji dwutlenku węgla wymaga wdrożenia nowych technologii. Jednym z funkcjonujących rozwiązań są pompy ciepła. Holenderskiej Organizacji Zastosowań Nauki (TNO) i jej spin-offowi, Blue Heart Energy, udało się opracować alternatywę dla tradycyjnych sprężarkowych pomp ciepła. Przełomem może stać się t termoakustyczna pompa ciepła, która wytwarza ciepło i chłód dzięki falom akustycznym. 

Termoakustyczna pompa ciepła wykorzystuje bardzo silną falę akustyczną wewnątrz zamkniętego zbiornika ciśnieniowego wypełnionego 50 barami helu. Falę akustyczną wytwarzają dwa tłoki, które drgają z częstotliwością 100 Hz. Następnie fala akustyczna przemieszcza ciepło z niższej do wyższej temperatury. Urządzenie jest ciche, pomimo, że wykorzystuje tak potężne fale dźwiękowe.

Głównymi zaletami wykorzystania termoakustycznych pomp ciepła są: 

• możliwość osiągnięcia wyższej temperatury niż przy istniejących pompach ciepła, dzięki czemu mogą pracować zarówno w systemach niskotemperaturowych, jak i przy konieczności podgrzewania wody użytkowej i grzejników do  wysokiej temperatury;
• brak konieczności stosowania czynników chłodniczych, co zmniejsza wymagania konserwacyjne urządzenia  i wydłuża jego żywotność;
• cichsza praca urządzenia niż tradycyjnych pomp ciepła.

Wykorzystanie termoakustyki jako techniki wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju. W bieżącym roku mają odbyć się testy pompy w warunkach domowych.

Portal internetowy „Transformacja 2050”, który właśnie odwiedzasz, to kontynuacja projektu foresightowego Energia 2050. Pragniemy, aby portal, podobnie jak projekt „Energia 2050”, był źródłem wartościowej, eksperckiej, nietuzinkowej wiedzy na tematy związane z przyszłością rynku energii, transformacją energetyczną i pokrewnymi tematami. „Transformacja 2050” jest otwartą trybuną rozmowy o przyszłości energetyki w polskich miastach, animowanej przez Veolię Energia Polska oraz specjalistów w zakresie foresightu strategicznego z firmy 4CF. Zapraszamy do kontaktu i współtworzenia tego portalu ekspertów i interesariuszy rynku energii.

Jeśli zainteresował Cię powyższy artykuł, to z pewnością chętnie zobaczysz i przeczytasz także: