Zielone ambicje

Polityka energetyczna Niemiec wykonała w ciągu ostatnich miesięcy kilka gwałtownych zwrotów. W zeszłym roku gabinet Angeli Merkel, choć intensywnie promował energię odnawialną, przedłużył czas do zamknięcia elektrowni atomowych. Po katastrofie w Fukushimie kanclerz tymczasowo zawiesiła tę decyzję; zamknęła jednocześnie siedem najstarszych reaktorów i zażądała ponownego sprawdzenia ich bezpieczeństwa. Teraz rządząca koalicja zdecydowała właśnie, że wszystkie niemieckie elektrownie jądrowe zostaną zamknięte do roku 2022. Wydaje się, że dziś bardziej niż kiedykolwiek Niemcy będą kładli nacisk na energię odnawialną.

A mają na co ów nacisk kłaść - już teraz.

Jest o co walczyć

Niemcy mówią, że słowa "energia odnawialna" są in aller Munde - na ustach wszystkich. Słychać je nie tylko w niemieckim biznesie, ale także - a może przede wszystkim - w tamtejszych ministerstwach środowiska oraz edukacji i badań. W strategii rozwoju niemieckiej energetyki największą część budżetu pochłaniają właśnie energia odnawialna oraz energetyczne oszczędności. To kwoty rzędu 200 mln euro rocznie.

A jest na co te pieniądze wydawać: najnowsze ogniwa słoneczne trzeciej generacji, które mają wykorzystywać już nie tylko fale świetlne o określonych długościach, ale całe ich spektrum; ogniwa organiczne, które nie będą potrzebowały krzemu, będą więc tanie, elastyczne i półprzezroczyste; nanowłókna węglowe, które posłużą do przechowywania, a nawet przewodzenia elektryczności. W efekcie rozmaitych konkursów powstaną energooszczędne miasta. Tak przynajmniej twierdzi ambitny niemiecki rząd.

W niektórych przypadkach przełomy technologiczne to pieśń dalekiej przyszłości, nawet 50-letniej. Nie zmienia to jednak faktu, że Berlin ma bardzo konkretne energooszczędne plany: w roku 2020 energia odnawialna ma stanowić 35 proc. całości energetycznego zapotrzebowania Niemiec, dziesięć lat później - połowę, a w roku 2050 - 80 proc.

Źródła odnawialne będą miały sporo zalet, oprócz oczywistej - zmniejszenia zużycia paliw kopalnych i redukcji emisji CO2. Niektóre elektrownie będą małe i będą produkowały prąd o zmiennym napięciu, co pozwoli je wykorzystać lokalnie. Zmienne będą również ceny takiej energii: według niektórych szacunków od 1 do 6 centów za 1 kWh (obecnie konsumenci płacą ok. 20 centów za 1 kWh; to jedna z najwyższych cen w Europie).

Rząd w Berlinie ma o co walczyć. Po pierwsze o ochronę klimatu. Po drugie o zrównoważony rozwój (w tym uniezależnienie się od ropy), po trzecie o pozycję lidera technologii, które można także sprzedać za granicę.

Bo, jak się tam mówi, historia energii to historia technologii.

Nieziemskie grzanie

Schludna, ale skromna minihala centrum Gross Schönebeck niedaleko Poczdamu nie robi wielkiego wrażenia. Jakieś drewno, rura z kilkoma zaworami. Wygląda jak instalacja sztuki nowoczesnej w Tate Modern albo wymyślny hydrant. A jednak - geotermalna stacja badawcza powstaje, by sprawdzić efektywność produkcji elektryczności dzięki gorącym skałom głęboko pod ziemią. Proces polega na wymuszonym obiegu wody. Gorąca woda wysysana jest spod ziemi na powierzchnię, gdzie może posłużyć do produkcji prądu albo ogrzewania budynków. Na głębokości 4 km woda może mieć temperaturę nawet 150 st. C. A w Niemczech skały są gorące już dość blisko powierzchni ziemi - takimi warunkami dysponują zwykle tylko tereny czynne sejsmicznie. Woda oddaje ciepło na górze, potem trafia z powrotem pod ziemię w odległości 400-1000 m od miejsca poboru. Nie może zostać na powierzchni lub spłynąć do rzek, ponieważ jest słona. Trzeba więc budować "systemy dwururowe" - jedna ciągnie wodę w górę, druga pompuje ją w dół. Inaczej jest np. w Indonezji, gdzie warunki geologiczne również sprzyjają energii geotermalnej: tam wystarczy jedna rura ciągnąca wodę na powierzchnię.

- Takie źródło energii ma sporo zalet - podkreśla szef centrum dr Ernst Hünges. Jak mówi, elektrownia jest bardzo wydajna, a emisje dwutlenku węgla - z którymi Niemcy zaciekle walczą - są znikome. Ponadto siłownie geotermalne mogą być zdecentralizowane, czyli budowane tam, gdzie trzeba, blisko klienta, by zminimalizować straty przy przesyłaniu energii.

Jest jednak sporo wad: moc jednego zespołu to ok. 30 MW. Do zasilenia całego Berlina potrzeba by więc ponad 300 takich instalacji. Choć produkcja energii jest stosunkowo tania, to w instalację trzeba zainwestować aż 20-50 mln dolarów. Problemem są także ruchy sejsmiczne, które łatwo mogą uszkodzić podziemne rury. Być może dlatego zainteresowanie takim źródłem ciepła jest stosunkowo niewielkie, co z kolei spowalnia rozwój tej technologii. Czy więc energia geotermalna przyjmie się w Niemczech? - Zapytajcie mnie o to za 20 lat - odpowiada dr Hünges.

Inferno

Elektrownia biomasy - to brzmi dumnie. W rzeczywistości elektrociepłownia "RWE Innogy Cogen GmbH Holzheizkraftwerk Berlin-Neukölln" okazuje się spalarnią... starych mebli. Zaczęła działać w 2006 r., dostarcza ciepło dla 50 tys. ludzi w 20 tys. mieszkań, oraz w szpitalach i centrach handlowych. Spala rocznie 250 tys. ton drewna, dając 20 MW energii elektrycznej i 65 MW energii cieplnej. Drewno dowożone jest głównie barkami. Jedna o nazwie "Wrocław" - należy do przewoźnika znad Odry.

Zbiórką i przemiałem drewna na fragmenty nie większe niż 15 cm zajmują się firmy zewnętrzne. Gotowe drzazgi z barek trafiają taśmociągiem do silosów (wszędzie unosi się specjalna wodna mgiełka, zapobiegająca pyleniu), a stąd do dwóch pieców, z których każdy może pomieścić 60 ton drewna. Szacuje się, że jeden transport płonie ok. 45-60 minut. Potrzebne są do tego specjalne warunki, np. zmniejszona do 7 proc. (z 21 proc. w powietrzu) ilość tlenu. Niezbędna temperatura to 850 st. C. - tylko wtedy możliwe jest skuteczne spalenie farb i lakierów pokrywających meble. Na wszelki wypadek utrzymuje się jednak temperaturę ok. 1000 st. C. Rozgrzany gaz unosi się do góry w 25-metrowym kominie, na którego szczycie filtry usuwają pył, chlorowodór, CO2, rtęć czy dioksyny. Jednocześnie wymienniki odbierają ciepło. W przypadku nadmiernej produkcji energii, gorąca woda przechowywana jest w stojących nieopodal pięciu potężnych zbiornikach.

Pracownicy elektrociepłowni (jest ich 35) przyznają, że potencjał tej energii jest ograniczony: bywa, że w zimie, by utrzymać produkcję ciepła i elektryczności na niezbędnym poziomie, trzeba spalać gaz. Dzieje się tak przez 20-30 dni w roku.

Mimo wodnej mgiełki pyłu uniknąć się nie da. Wychodzi się stąd z piekielnie umorusanymi dłońmi. Praca w elektrowni biomasy to czarna robota.

Oszczędności na słońcu

Z kolei w fabryce baterii słonecznych SolarWorld we Freibergu wnętrza są nieskazitelnie czyste. Jakikolwiek pył mógłby przeszkodzić w produkcji modułów słonecznych. A na przestój fabryka pozwolić sobie nie może, bo wymagana wydajność to 4 tys. modułów w 24 godziny.

Jak działają ogniwa? Światło słoneczne pada na krzemową płytkę grubości ok. 200 mikrometrów (0,2 mm). Penetruje ją i odbija się od chemicznego "lustra" na spodzie, by wykorzystać słoneczne fotony jak najefektywniej. Fotony wybijają elektrony zawarte w krzemie, które przechwytywane są dzięki polu elektrycznemu i odprowadzane do przewodów.

Ogniwa pokryte są zwykle niebieską substancją - azotkiem krzemu - który w minimalnym tylko stopniu odbija światło, zwiększając wydajność ogniwa.

Dlaczego płytki są tak cienkie? Krzem, z którego są zrobione, jest drogi, potrzebne są bowiem jego specjalne, krystaliczne odmiany. Ogniwa polikrystaliczne są mniej wydajne. Monokrystaliczne - bardziej wydajne i droższe. Te krzemowe kryształy trzeba jednak specjalnie hodować. Chodzi więc o zmniejszenie ceny. Cieńsza niż 150-200 mikrometrów płytka być nie może, bo będzie zbyt krucha. Na razie. Plany mówią o zmniejszeniu grubości do 100 mikrometrów.

By obniżyć cenę krzemu, eksperci SolarWorld dbają o recykling; każda płytka po końcu cyklu życia może być użyta ponownie, i tak do 8 razy. 40 proc. całego krzemu w fabryce pochodzi z recyklingu.

Pojedyncze ogniwa krzemowe łączy się w większe moduły i laminuje w temperaturze 150 st. C. Na końcu pokrywa się je twardym szkłem - podobnym do tego z szyb samochodowych, ale jeszcze wytrzymalszym i przepuszczającym nieco więcej światła (do 95 proc.; zwykłe szkło okienne ok. 86 proc.).

Wreszcie całość trzeba przetestować. Po pierwsze więc wydajność: tzw. flasher, potężna lampa błyskowa, rzuca światło na słoneczny panel, zapewniając 1000 watów energii na każdy metr kwadratowy ogniwa. To tyle światła, ile otrzymuje średnio latem każdy metr kwadratowy Niemiec. Sprawność tych ogniw - czyli ilość wyprodukowanej energii w stosunku do energii całego padającego światła słonecznego - to maksymalnie 17,5 proc.

Potem odporność na trudne warunki atmosferyczne. Losowo wybrane ogniwa wkłada się na 28 dni do komory, gdzie temperatury wahają się od -40 do +85 st. C, a wilgotność od 0 do 85 proc.

Wreszcie wytrzymałość mechaniczna. Ten test robi chyba największe wrażenie. W kierunku panelu wystrzeliwuje się metalowe kulki o średnicy 4 cm. Ich prędkość sięga 90 km/h. Szkło panelu musi wytrzymać, by nie zmógł go żaden grad. I wytrzymuje.

- Taki moduł jest bezpieczniejszy niż jakikolwiek dach domu jednorodzinnego - zapewnia David Münster, rzecznik prasowy firmy. Po takich testach producent daje 25 lat gwarancji.

Nabywcom paneli do tej pory się one opłacały. Dostarczenie energii (średnia wymagana moc to 4 kW) do domu jednorodzinnego wymaga zainstalowania 10-20 dużych (1,6 m2) paneli. Nadmiar elektryczności odprowadzany jest do sieci po promocyjnie wysokich cenach. Cena rynkowa jednego kilowata to 15-20 eurocentów. Elektryczność z ogniw skupowana jest po 31 centów. W ten sposób rząd Niemiec zachęca do inwestowania w energię odnawialną. Raz ustaloną cenę gwarantuje na 20 lat. A zwrot z inwestycji jest dość szybki: po ok. dwóch latach od montażu paneli w Niemczech, w południowej Europie zaś już po roku.

- Ale takie rządowe dopłaty kosztują na każde gospodarstwo domowe średnio 70 euro rocznie i eksperci zastanawiają się, czy to nie za drogo - mówi współpracujący z SolarWorld prof. Hans Joachim Möller. Tak czy inaczej, rząd chce osiągnąć tzw. parytet sieci - czyli rynkowe ceny elektryczności ze słońca - za 2-3 lata. Zmusza to więc producentów modułów słonecznych do obniżania kosztów.

To możliwe dzięki nowym materiałom czy usprawnianiu produkcji. Spośród 1,6 tys. pracowników SolarWorld około stu osób pracuje w dziale badań i rozwoju. Ich wiedza jest niesłychanie cenna: Niemcy boją się utraty swego know-how na rzecz innych państw, zwłaszcza Chin, gdzie produkuje się olbrzymie ilości modułów słonecznych, choć mają one niższą jakość. Nikt w firmie nie zna więc wszystkich szczegółów technologicznych.

- Mamy nawet specjalne protokoły, które określają, na jakie tematy nie powinniśmy między sobą rozmawiać. Z jednej strony chcielibyśmy promować najlepszych studentów, nawet jeśli pochodzą z Azji; z drugiej strony zdarzyło się, że zakazano przyjęcia na Uniwersytet studenta z Chin - wspomina prof. Möller.

"Wiemy, w którą stronę wieje wiatr" - zapewniają pracownicy Instytutu Fraunhofer w Bremerhaven, których jest ponad 250. Mało tego, wiedzą, jak wiatr przetworzyć na elektryczność. A to znacznie bardziej skomplikowane, niż by się wydawało.

Po pierwsze, żeby postawić jeden większy maszt z wiatrakiem, trzeba mieć milion euro (orientacyjnie; ceny różnią się zależnie od wielkości i mocy). Wiatraki stojące w morzu są znacznie bardziej wydajne, o około 40 proc., ale droższe - na lądzie jedna wiatrowa kilowatogodzina, jak podaje Instytut Fraunhofer, kosztuje 5-6 centów. Na morzu cena ta wzrasta do 12-15 centów za 1 kWh.

Skąd ta różnica? Budowa turbiny na morzu jest po prostu bardzo trudna. Najpierw trzeba ustalić siłę wiatru i wysokość fal, by ocenić, jakie statki wykorzystać do budowy turbin. Jednocześnie należy zbadać skały pod dnem, bo maszt trzeba solidnie umocować. Do tego dochodzą maszty do pomiaru prędkości wiatru, które kosztują ok. 20 mln euro za sztukę. Wreszcie turbiny - niezwykle wytrzymałe. Muszą znieść napór wiatru i fal, działanie słońca i soli, lodu i prądów morskich. Ramię turbiny musi wytrzymać samo siebie - jego końcówka porusza się na wietrze z prędkością 200 km/h, wewnętrzne naprężenia są więc ogromne. Poza tym, by produkcja energii z wiatru się opłacała, turbina musi się kręcić przez 90-95 proc. czasu, i takie warunki trzeba jej zagwarantować.

A mimo to właśnie elektryczność z wiatru ma najjaśniejszą przyszłość ze wszystkich; w roku 2030 ma ona stanowić połowę całej energii odnawialnej Niemiec.

***

Rząd, jak się wydaje, doskonale wie, że nie ma rzeczy idealnych. Dlatego np. budżet na badania nad energią termojądrową jest niemal tak samo potężny jak finanse na energię odnawialną. Bo taka energia, choć to na razie tylko marzenie naukowców, mogłaby się okazać rozwiązaniem wszystkich problemów energetycznych świata. Jak to ujął "Der Spiegel", będzie to "energia gwiazd bez żadnych emisji". Oprócz tego, że Niemcy są członkiem najważniejszego na świecie projektu ITER, czyli eksperymentalnego reaktora budowanego na południu Francji przy współpracy krajów UE, USA czy Japonii, to jeszcze od prawie 20 lat prowadzą własne badania w centrum ASDEX, w bawarskim Garching.

Katastrofa w Fukushimie nasiliła nastroje antynuklearne: wybory lokalne w Badenii-Wirtembergii po 58 latach rządów konserwatystów wygrali Zieloni. Kanclerz Merkel nie może sobie pozwolić na to, by nie wziąć tego pod uwagę przed federalnymi wyborami w 2013 r. To dopiero za dwa lata. Na razie wydaje się, że przyszłość energetyczna Niemiec ma intensywnie zielone kolory.

Autor dziękuje Anke Sobieraj, Esther Kirk i Friedrichowi Maltzahnowi z niemieckiego Ministerstwa Edukacji i Badań, które umożliwiło odwiedzenie opisanych w tekście miejsc.