LOW←TECH MAGAZINE

Czy da się zbudować low-techowy panel solarny?

2021-10-05T00:00:00+02:00

Zdjęcie: George Cove stoi przy swoim trzecim prototypie panelu słonecznego. Źródło: „Wytwarzanie energii za pomocą promieni słonecznych, Popular Electricity, wyd. 2, nr 12, kwiecień 1910 roku, strona 793.

Bardziej wydajne, mniej zrównoważone

Od czasu kiedy Laboratoria Bell’a zaprezentowały światu pierwszy panel fotowoltaiczny w latach 50. XX w. rozwój technologiczny skupił się na redukcji kosztów i zwiększaniu sprawności ogniw krzemowych. Badacze osiągnęli niemały sukces na tych polach. Sprawność paneli solarnych wzrosła z mniej niż 5% w latach 50. do ponad 20% dzisiaj, a koszt za jeden wat mocy szczytowej spadł z 30 dolarów w 1980 roku do 0.2 dolara w 2020 r. Niższa cena – do czego przyczynia się wyższa sprawność – jest uważana za kluczowy czynnik, który pozwoli fotowoltaice konkurować na rynku energii elektrycznej z paliwami kopalnymi.

Jednak pod względem zrównoważenia niewiele udało się poprawić. Chociaż minęło siedem dekad od powstania pierwszych krzemowych ogniw, ciągle nie nadają się one do recyklingu i w tysiącach ton lądują jako odpad na wysypiskach – w nadchodzących latach będzie ich coraz więcej. Panele solarne mają żywotność około 25-30 lat ((analiza rynku fotowoltaiki w Niemczech wskazuje, że ogniwa krzemowe mają krótszą żywotność, wynoszącą ok. 17-18 lat, przyp. tłum.), a większość z nich została zainstalowana niedawno. Badacze przewidują, że do 2050 roku prawie 80 milionów ton paneli słonecznych zakończy swój żywot. ¹ ² ³ Oznacza to ogrom zmarnowanych surowców i zagrożenie dla środowiska – złomowane panele zawierają toksyczne substancje i stwarzają ryzyko pożarowe.

Produkcja fotowoltaiki wymaga dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, a to blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórców.

Produkcja paneli fotowoltaicznych jest równie problematyczna. Generuje toksyczne substancje i wymaga globalnych łańcuchów dostaw, w tym: drogich fabryk, skomplikowanych maszyn, kopalń minerałów i ciągłego dopływu paliw kopalnych. W analizie cyklu życiowego paneli słonecznych naukowcy policzyli ile energii i materiałów potrzeba do ich zbudowania, jednak nie uwzględnili w obliczeniach ogromnych nakładów energii potrzebnych na powstanie i utrzymanie globalnych łańcuchów dostaw. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Taka analiza nie pokazuje więc prawdziwego kosztu paneli fotowoltaicznych, który wyraża się w zużytych paliwach kopalnych, wyemitowanych zanieczyszczeniach i gazach cieplarnianych. Co więcej, produkcja fotowoltaiki, wymagająca dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórcom.

Szukając inspiracji w przeszłości

Czy fotowoltaika musi być niezrównoważona, nierecyklingowalna i uzależniona od kapitałochłonnych zaawansowanych technologii wytwarzania? A może da się ją wytwarzać prostszymi metodami z lokalnie dostępnych i możliwych do recyklingu materiałów? Innymi słowy, czy można zbudować low-techowy panel fotowoltaiczny? A jeśli tak, to jakie będę koszty i sprawność?

Zanim postaramy się odpowiedzieć na te pytania, musimy zaznaczyć, że najlepszą low-techową alternatywą dla high-techowych paneli solarnych nie jest low-techowy panel, tylko bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej bez zamiany jej na elektryczność. Na przykład, sznurek na bieliznę i solarne grzanie wody są znacznie bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne niż suszarka bębnowa i bojler elektryczny zasilany fotowoltaiką. Energię słońca można wykorzystywać bezpośrednio, używając lokalnych materiałów, niezbyt zaawansowanych procesów technologicznych i krótkich łańcuchów dostaw.

Jednakże w tym artykule próbuję szczerze odpowiedzieć na postawione pytanie: czy możemy zbudować low-techowe urządzenia fotowoltaiczne, które zamieniają promienie słoneczne na elektryczność? W poprzednim artykule zobaczyliśmy, że z historii możemy czerpać inspirację do budowy bardziej zrównoważonych turbin wiatrowych. Czy historia zainspiruje nas również do poszukiwań bardziej zrównoważonych ogniw solarnych?

Prehistoria ogniw solarnych

Zaprezentowany w roku 1954 panel fotowoltaiczny Laboratoriów Bell’a nie wziął się znikąd. Korzenie krzemowych ogniw słonecznych sięgają prostszych urządzeń, które wytwarzały prąd elektryczny ze światła lub z ciepła.

W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył, że w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali ze złączami o różnych temperaturach popłynie prąd elektryczny. Ten „efekt termoelektryczny” stanowił podstawę działania „generatora termoelektrycznego” — urządzenia, które przekształca ciepło (na przykład z pieca opalanego drewnem) bezpośrednio na energię elektryczną. W 1839 roku Antoine Becquerel odkrył, że światło można również zamieniać w elektryczność, a w latach 70. XIX wieku kilku naukowców odkryło ten sam efekt w ciałach stałych - zwłaszcza w selenie. „Efekt fotoelektryczny” stał się podstawą „generatora fotoelektrycznego”, który teraz nazywamy generatorem fotowoltaicznym lub ogniwem fotowoltaicznym. W 1883 roku Charles Fritts skonstruował pierwszy w historii moduł fotowoltaiczny wykorzystując selen na cienkiej warstwie złota. ¹² ¹³ ¹⁴

Od lat 20. XIX w. aż do lat 50. XX w. praktyczne zastosowanie urządzeń termoelektrycznych i fotoelektrycznych było ograniczone. Wynalazcy zbudowali wiele eksperymentalnych generatorów termoelektrycznych (zwykle zasilanych płomieniem gazowym), jednak ich sprawność nie przekraczała 1%. Podobnie panel słoneczny Charlesa Frittsa (i później wyprodukowane selenowe ogniwa słoneczne) osiągnęł zaledwie 1-2% wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną. ¹⁵ Mówiąc krótko, okres przed latami 50. XX w. nie wydaje się dawać wiele inspiracji do budowy bardziej zrównoważonych paneli fotowoltaicznych.

Zapomniany pionier energii solarnej

Historia paneli słonecznych zdaje się być niekompletna. W 2019 roku otrzymałem maila od czytelnika Low-tech Magazine, Philipa Pesavento:

„Badam od początku lat 90. [historię] wczesnego pioniera technologii ogniw solarnych z przed drugiej wojny światowej. Jestem już za stary, żeby w jakikolwiek sposób kontynuować [tę pracę], jednak jest jeden, lub dwa, artykuły naukowe o Panu Cove, jednak zupełnie mylą się co do tego, co on osiągnął. Załączam pdf z prezentacją PowerPoint, którą zrobiłem w 2015, ale nigdy nikomu nie pokazałem. Jeśli jesteś zainteresowany samemu napisać o nim, mogę przesłać ci pendrive ze wszystkimi materiałami, które zebrałem.”

Jeśli hipotezy i zebrany przez Philipa Pesavento materiał historyczny są rzetelne, to oznacza, że George Cove postanowił zbudować generator termoelektryczny, ale przypadkowo stworzył generator fotowoltaiczny (ogniwo fotowoltaiczne). Chociaż miało to miejsce na początku XX wieku, Cove uzyskał porównywalną moc wyjściową i wydajność z urządzeniem z Laboratoriów Bell’a z 1954 roku. Jego projekt wykazywał również znacznie wyższą wydajność niż selenowe ogniwa słoneczne budowane w latach 1880-1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

„To byłoby ekscytujące udowodnić, że stosunkowo wysokowydajne ogniwa solarne zostały wynalezione 40 lat przed opracowaniem ogniw krzemowych. Co ważniejsze, jeśli okaże się, że przed I wojną światową istniała fotowoltaika i system paneli fotowoltaicznych, może to nieść korzyści, takie jak: taniości surowców, niskiej energii wcielonej potrzebnej do przetwarzania rud na materiały metaliczne, [wyższej] wydajności końcowej ogniwa fotowoltaicznego i łatwości produkcji.”

Innymi słowy, jeśli historyczny opis i hipotezy Philipa Pesavento są prawdziwe, możliwe jest zbudowanie low-techowych paneli słonecznych.

Słoneczny generator elektryczny George Cove

George Cove zaprezentował swój pierwszy „słoneczny generator elektryczny” w 1905 roku w Metropole Building w Halifax w Nowej Szkocji. Poza jedną fotografią nie ma żadnych informacji o tym panelu, ¹⁷ jednak jego moc i wydajność były na tyle niezwykłe, że amerykańscy inwestorzy wysłali do wynalazcy swojego eksperta. W oparciu o oględziny urządzenia przeprowadzone przez rzeczonego eksperta, sprowadzili Cove’a do Stanów Zjednoczonych (Sommerville, stan Massachusetts), aby kontynuował rozwój swojego urządzenia.

W 1909 roku Cove zaprezentował w Sommerville swój drugi generator energii słonecznej. Ten panel o powierzchni 1,5 m² mógł wytwarzać 45 watów mocy i miał wydajność w przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną na poziomie 2,75%. W połowie 1909 roku Cove przeniósł się do Nowego Jorku, gdzie zaprezentował swój trzeci prototyp - moduł słoneczny składający się z czterech paneli słonecznych o mocy szczytowej 60 W każdy. Ładował on pięć akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Całkowita powierzchnia wynosiła 4,5 m², maksymalna moc wyjściowa 240 watów, a wydajność sięgnęła 5% – porównywalnie do pierwszego panelu fotowoltaicznego zaprezentowanego przez Laboratoria Bell’a. ¹⁸

Powyżej: Pierwszy panel słoneczny George Cove, zademonstrowany w 1905 roku. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Drugi panel słoneczny Cove, w którym brakuje jednej sekcji. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Panele są teraz pochylone pod kątem, a nie leżą płasko. Źródło: Literary Digest 1909 r, s. 1153.

Powyżej: Jeden z paneli słonecznych trzeciego zestawu solarnego Cove, ze zdjętą szklaną pokrywą. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Chociaż George Cove’a nie znajdziemy w większości opracowań historycznych o energii słonecznej, to jego generator zrobił wrażenie na niektórych popularnych czasopismach technicznych tamtych czasów. Na przykład, w 1909 roku Technical World Magazine napisał, że „ta maszyna jest tania i niezniszczalna jak asortyment kuchenny. Nawet w obecnym, nieco prymitywnym i eksperymentalnym kształcie, w dwa słoneczne dni zmagazynuje energię elektryczną wystarczającą do oświetlenia przeciętnego domu przez tydzień. Wynalazca udowadnia to od miesięcy w swoim zakładzie.” ¹⁹

Wtyki włożone w asfalt

Jak George Cove zdołał zbudować panel solarny wyprzedzający swoje czasy o 40 lat? Według Philipa Pesavento, który ma doświadczenie w inżynierii półprzewodników, Cove zamierzał zbudować udoskonalony generator termoelektryczny (ang. TEG przyp. tłum.), rozwijając eksperymentalne urządzenie Edwarda Westona (Weston stworzył pierwszy eksperymentalny termoelektryczny generator słoneczny w 1888 roku). Wystawił swój generator na działanie ciepła z pieca opalanego drewnem i bezpośredniej energii słonecznej. Intencje Cove’a były, z tego jak sam opisał swoje urządzenie, jasne:

„Ramka zawiera szereg tafli z fioletowego szkła, za którymi pod podkładem z mieszanki asfaltowej znajduje się wiele małych metalowych wtyków. Jeden koniec wtyku jest zawsze wystawiony na działanie promieni słonecznych, podczas gdy drugi koniec jest chłodny i osłonięty.”

Osiągnięcie jak największej różnicy temperatur jest kluczowe w produkcji energii termoelektrycznej, tak więc projekt Cove’a miał sens. Problem polegał na tym, że kiedy mierzył moc wyjściową swojego generatora nie reagował on na ciepło, tak jak powinien to zrobić generator termoelektryczny. Początkowo Cove zauważa, że jego wynalazek wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło do wytwarzania elektryczności pod wpływem energii słonecznej:

„Głównym elementem mojego wynalazku jest osobliwa kompozycja metalowych wtyków, na które słońce działa w taki sposób, że prąd jest generowany nie tylko przez promienie cieplne, ale także przez promienie fioletowe.”

Jednak po dalszych eksperymentach, zarówno z piecem opalanym drewnem jak i energią słoneczną, Cove stwierdza:

„Gdy maszyna jest wystawiona na działanie różnych źródeł sztucznego ciepła, w ogóle nie daje prądu. Poza promieniami cieplnymi słońca (podczerwień krótkofalowa), być może w wytwarzaniu prądu elektrycznego aktywne są promienie fioletowe lub ultrafioletowe.”

Głównym ogniwem panelu fotowoltaicznego Cove’a były trzycalowe wtyki, lub pręty metaliczne, ze stopów kilku pospolitych metali. Panel o powierzchni 1,5 m² miał 976 prętów, a zestaw o pow. 4 m² miał 4 razy po 1804 prętów. Nie miało to znaczenia, że chłodny koniec prętów był oddzielony od gorącego warstwą asfaltu. Ważne było to, że Cove przez przypadek zbudował złącze metal-półprzewodnik.

Pasmo wzbronione półprzewodników

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny – podobnie jak nikt inny w tym czasie. Dopiero praca Einsteina nad efektem fotoelektrycznym (z 1905 r.) i późniejsze odkrycia mechaniki kwantowej (lata 30. XX wieku i późniejsze) pozwoliły zrealizować koncepcję półprzewodnikowego pasma wzbronionego (inaczej przerwy energetycznej). Elektrony krążą wokół jądra atomu w różnych „stanach” tworzących obszary zwane „pasmami”. Te pasma utrzymują swoje elektrony na właściwym miejscu. Pomiędzy tymi pasmami znajdują się „pasma wzbronione” – stany, w których żaden elektron nie może się znajdować.

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny, podobnie jak nikt inny w tym czasie.

Przewodniki nie mają pasm wzbronionych, więc płyną przez nie elektrony. Dlatego właśnie drut miedziany przewodzi prąd. W izolatorach (takich jak drewno, szkło, tworzywa sztuczne czy ceramika) występują bardzo szerokie przerwy energetyczne blokujące przepływ elektronów. Za to w półprzewodnikach istnieją stosunkowo wąskie przerwy, co pozwala im działać jako izolator lub jako przewodnik. Półprzewodniki mogą stać się przewodnikami gdy absorbują „foton” (elementarną cząstkę światła) o potencjale energetycznym równym lub większym niż pasmo wzbronione materiału półprzewodnikowego. ²⁰

Zrozumienie działania półprzewodników doprowadziło w latach 50. XX w. do narodzin nowoczesnego ogniwa fotowoltaicznego. Poprawiła się również wydajność generatorów termoelektrycznych – jednak z innych powodów. Generatory termoelektryczne nie wykorzystują pasma wzbronionego półprzewodników, lecz półprzewodniki mają wyższe napięcia termiczne i niższe przewodnictwo cieplne, niż metale i stopy metali bez przerwy energetycznej, dzięki czemu generatory termoelektryczne są bardziej wydajne.

Złącze Schottky’ego

Aby efekt fotowoltaiczny mógł zaistnieć, musi istnieć pewna niejednorodność w systemie. W latach pięćdziesiątych naukowcom z Laboratoriów Bell’a udało się to zrobić za pomocą tzw. złącza p-n, które tworzy granicę między półprzewodnikiem naładowanym dodatnio i ujemnie. Półprzewodniki typu p mają luki elektronowe zwane „dziurami” (które przyciągają elektrony), podczas gdy półprzewodniki typu n mają dodatkowe elektrony. Na styku obu jest potencjał elektryczny.

Ogniwo fotowoltaiczne można zbudować również z tzw. złącza Schottky’ego, które łączy półprzewodnik z metalem. W tym przypadku metal działa jako półprzewodnik typu n. Philip Pesavento:

„Moja hipoteza jest taka, że George Cove natknął się na kontaktowe ogniwo fotowoltaiczne Schottky’ego dziesiątki lat przed tym, jak zostało opisane przez Waltera Schottky’ego. ²¹ Istnieje możliwość odpowiedzi fotowoltaicznych (głównie) i termoelektrycznych wychodzących z tych urządzeń. Złącze było wykonane ze stopu cynku i antymonu – o którym teraz wiemy, że jest półprzewodnikiem. Było on z jednej strony zamknięte przez [tzw.] nowe srebro (stop miedzi, niklu i cynku, przyp. tłum.) i miedź na przeciwległym końcu. W ten sposób powstał odpowiedni kontakt omowy i kontakt Schottky’ego. To jest właśnie urządzenie fotowoltaiczne.”

Przypadkowe odkrycie

Według Philipa Pesavento George Cove prawdopodobnie zaczął od nowego srebra jako materiału ujemnego na obu końcach wtyków i stopu antymonowo-cynkowego (ZnSb) jako materiału dodatniego. Były to wówczas najlepsze dostępne materiały termoelektryczne:

„Prawdopodobnie skończyło mu się nowe srebro i podstawiona miedź na dokończenie wiązki wtyków, ponieważ różnica w napięciu termoelektrycznym między miedzią a nowym srebrem była niewielka. Następnie, podczas testów, Cove zauważył, że te wtyki (z nasadką z nowego srebra na jednym końcu i miedzianą nasadką na drugim końcu) dają znacznie większe napięcie: 100s mV w porównaniu ze zwykłymi 10s mV dla generatora termoelektrycznego.”

Co z tego wyszło? Używając miedzi Cove nieświadomie zbudował złącze Schottky’ego. To zmieniło jego generator termoelektryczny w „generator termofotowoltaiczny”. Takie urządzenie działa tak samo jak ogniwo fotowoltaiczne, ale na innych długościach fali elektromagnetycznej. Widmo słoneczne obejmuje zakres od około 0,5 do 2,9 elektronowoltów (eV), od podczerwieni do ultrafioletu. Półprzewodnik z pasmem wzbronionym między 1,0 a 1,7 eV wydajnie przekształca światło widzialne w energię elektryczną (generator fotowoltaiczny), podczas gdy półprzewodnik z przerwą energetyczną między 0,4 a 0,7 eV sprawnie przekształca krótkofalową energię słoneczną podczerwoną w energię elektryczną (generator termofotowoltaiczny).

Powyżej: Rysunek z patentu George Cove’ z 1906 roku przedstawia stop cunku-antymonu “b”; nasadkę (omową) z nowego srebra”; i nasadkę zamykającą z miedzi lub cyny (Schottky) “f”. Wszystkie elementy są łączone na wcisk, ponieważ połączenia lutowane zmniejszyłyby wydajność.

Dzisiaj wiemy, że stop ZnSb (materiał ujemny we wtykach Cove’a) jest półprzewodnikiem o paśmie wzbronionym 0,5 eV. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego wynalazca początkowo zaobserwował, że jego generator solarny przetwarza zarówno ciepło, jak i światło na energię elektryczną. Generator termofotowoltaiczny dopasowuje się nie tylko do podczerwonego ogona widma słonecznego – dopasowuje się również do bezpośredniego widma płonącego płomienia lub gorącej do czerwoności powierzchni ogrzewanej spalaniem drewna czy gazu ziemnego. Przekształca także (z bardzo niską wydajnoscią) w energię elektryczną dolną część widma widzialnego.

Według Philipa Pesavento Georgowi Cove udało się następnie udoskonalić skład stopu zbliżony do Zn4Sb3 – stopu cynkowo-antymonowego o proporcjach 4 części cynku do 3 części antymonu. Dzisiaj wiadomo, że ten stop to również półprzewodnik. Ma jednak pasmo wzbronione 1,1 eV – bardzo zbliżone do pasma krzemu (1,2 eV). W konsekwencji tej zmiany, jego generator termofotowoltaiczny przekształcił się w generator fotowoltaiczny:

„Niesiony na fali entuzjazmu Cove wpadł na to, że użyje większej liczby wtyków i jakoś wyszły mu „złe” proporcje na jednej partii. Potem kiedy zmierzył napięcie,pomiar był jeszcze wyższy. Na końcu, skrupulatnie zbadał stopy cynku i antymonu i odkrył, że stop w proporcjach 40-42% cynku daje najwyższe napięcie (w porównaniu do udziału 35% cynku w ZnSb). Po (przypadkowym) odkryciu, że wyższe pasmo wzbronione półprzewodnika Zn4Sb3 oznacza, że nie działa on już wystawiony na ciepło z pieca [zaobserwował, że] działa nawet lepiej wystawiony na promieniowanie słoneczne – ponieważ teraz przekształca o wiele więcej pasma widzialnego światła słonecznego na elektryczność.”

Używając barwionych szklanych filtrów George Cove ustalił, że większość odpowiedzi układu pochodziła z fioletowego końca widma światła, a tylko niewielka z tak zwanych „promieni cieplnych”. Jego wcześniejsze wtyki PV reagowały równie dobrze na promienie „cieplne” i fioletowe, podczas gdy starsze generatory termoelektryczne (nowe srebro na obu końcach) w ogóle nie reagowały na promienie fioletowe.

Powrót ogniwa solarnego Schottky’ego?

Ogniwa słoneczne ze złączem Schottky’ego nie zdobyły wiele uwagi wśród naukowców i korporacji – niewiele projektów ogniw słonecznych wykorzystuje metale w obszarze aktywnym (oprócz styków). ²² Niemniej jednak Philip Pesavento uważa, że warto byłoby spróbować wyprodukować niektóre ogniwa słoneczne Schottky’ego według projektu George Cove’a:

„Gdyby można było wykazać, że Zn4Sb3 (przerwa energetyczna 1,2 eV) może być wykorzystany w ogniwie fotowoltaicznym, to istnieje duża szansa, że taki projekt ogniwa słonecznego będzie zrównoważony (w sensie oddziaływania na środowisko, przyp. tłum). Byłby dobrym kandydatem do szybkiego EROI (to oznacza, że energie włożona w jego wyprodukowanie szybko by się zwróciła, przyp. tłum.) i miałby akceptowalnie długi okres eksploatacji z nadwyżką produkcji energii przez kilkadziesiąt lat. To zdumiewające, ale wydaje się, że wszyscy przeoczyli ten materiał i jego przydatność w ogniwach fotowoltaicznych, i że nie dokonano żadnego postępu [w jego użyciu] – nawet po tym, jak chwilowo badacze uznali go za możliwą początkową opcję [materiału] do połowy lat 80. XX wieku. Wpisuje się on w kategorię „przedwczesnego odkrycia”, co powinno znaczyć, że w dzisiejszych czasach może się bardzo szybko rozwinąć”.

Oprócz fotowoltaiki Philip Pesavento dostrzega potencjał wykorzystania termofotowoltaiki dla pieców na drewno, kolektorów słonecznych lub zastosowań tandemowych z dwoma złączami, wykorzystując ZnSb zamiast Zn4Sb3. Co więcej, uważa on, że jeśli ogniwa słoneczne typu plug-in okażą się skuteczne to pozwolą na budowę kolektorów słonecznych z połączonych koncentratorami liniowymi – takimi jak rynny paraboliczne lub nie-obrazujące koncentratory CPC – przy znacznie obniżonych kosztach.

Proste wytwarzanie

Podstawową zaletą wynalazku Cove’a byłaby prostsza metoda produkcji w porównaniu do popularnych ogniw krzemowych. W latach 70. i 80. naukowcy badali Zn4Sb3 pod kątem zastosowania w fotowoltaice i doszli do wniosku, że „oczywistymi zaletami tego materiału są prostota i stosunkowo niska temperatura potrzebna w procesie wytwarzania.” ²³ Temperatura topnienia Zn4Sb3 wynosi 570 stopni Celsjusza, a krzemu 1400 stopni.

W latach 70. naukowcy badali ogniwa słoneczne ze złączem metal-półprzewodnik oparte na innych typach półprzewodników niż Zn4Sb3. Chcieli opracować prostszy i tańszy proces produkcji w porównaniu z ówczesnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi ze złączem p-n. ²⁴ ²⁵ Ogniwa Schottky’ego nie wymagają wysokotemperaturowego etapu dyfuzji fosforu, który zwykle tworzy warstwę n złącza p-n w dzisiejszym ogniwie krzemowym - samo to zmniejsza wkład energii w proces o 35%. ²²

W latach 80. naukowcy poczynili znaczne postępy w rozwoju krzemowych złącz p-n i to doprowadziło do spadku zainteresowania alternatywami. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie powraca. Na przykład, badania nad grafenowo-krzemowymi ogniwami słonecznymi Schottky’ego pokazują, że „jedną z zalet jest prosta i tania produkcja urządzeń, które nie wymagają wysokich temperatur”. ²⁶ W innych, niedawno przeprowadzonych badaniach, naukowcy dochodzą do wniosku, że „urządzenia selenowe typu Schottky’ego są… niezwykle proste i tanie w produkcji.” ²⁷ ²⁸ ²⁹ ³⁰

Łatwiejszy recykling

Kolejną zaletą ogniw słonecznych Schottky’ego może być ich łatwiejszy recykling. Moduły krzemowe są umieszczane pomiędzy dwoma warstwami laminatu (zazwyczaj EVA, czyli kopolimeru etylenu/octanu winylu). Warstwy te są niezbędne do zapewnienia żywotności modułu. ¹ ² ³ Aby poddać recyklingowi krzem – najcenniejszy składnik panelu słonecznego – warstwy laminatu muszą zostać oddzielone, ale nie można ich po prostu wypalić, bo to zniszczy moduły. Ogniwa krzemowe można poddawać recyklingowi tylko poprzez skomplikowane etapy obróbki termicznej, chemicznej i metalurgicznej. To kosztowny i nieobojętny dla środowiska proces. Chociaż można się spotkać z doniesieniami, że około 10% paneli fotowoltaicznych jest „poddawanych recyklingowi”, to bardziej prawdopodobne jest, że przechodzą tzw. „downcycling”. Moduły są po prostu rozdrabniane na kawałki, a powstały materiał stanowi wypełniacz w asfalcie i cemencie.

Ogniwa zbudowane przez George’a Cove dałoby się całkowicie przetworzyć. Nie wymagały warstwy ochronnej laminatu, ani nawet lutowanych styków. Philip Pesavento:

„Gdybyś miał zbudować ogniwa dokładnie tak, jak zrobił to Cove, [tj.] na wcisk montując nasadki, a następnie owijając je drutem dla szczelności, to byłyby prostsze do recyklingu, który stałby się w pełni mechaniczną czynnością. Nie potrzeba by było żadnych chemikaliów. Złożenie i rozłożenie byłoby pracochłonne, ale można by to zautomatyzować”.

Pesavento wierzy, że z materiału Cove’a można zbudować także płaskie ogniwa słoneczne, jednakże to, czy wymagałyby one warstwy ochronnej utrudniającej recykling, musi się dopiero okazać. W latach 70. ogniwa solarne Schottky’ego (oparte na innych materiałach) nie zawsze wymagały warstwy ochronnej, a osiągały żywotność dłuższą niż 20 lat. ²⁴

Sprawność

Jeśli moglibyśmy budować prostsze panele słoneczne, to jaką sprawność by one osiągały? Zdaniem Philipa Pesavento ogniwa Schottky’ego zrobione z tych samych materiałów są trochę mniej sprawne od złączy p-n, ponieważ złącza p-n dają wyższe napięcie – otrzymują więcej energii z zaabsorbowanych fotonów:

„Kiedy liczy się każdy ułamek procenta sprawności - robisz to [i używasz złączy P-N]. Jeśli twoim celem jest uproszczenie wytwarzania, posługując się ręcznymi lub rzemieślniczymi metodami, to dioda Schottky’ego będzie bardziej logicznym wyborem”.

Z drugiej strony, może da się zbudować ogniwo Schottky’ego cieńsze niż ogniwo krzemowe? To podniosłoby ich sprawność? Philip Pesavento:

„Nie znalazłem szczegółowych parametrów [m.in] prędkości nośnika, żywotności rekombinacji czy współczynnika absorpcji, żeby jasno to powiedzieć. Ale fakt, że Cove zrobił tak długie i cienkie ogniwa, oraz to że osiągnął tak wysoką wydajność, daje nadzieję, że mogłyby być cieńsze”.

Ostatnie badania nad ogniwami Schottky’ego oparte na innych materiałach wydają się to potwierdzać. Na przykład, w niedawnych eksperymentach z selenowymi ogniwami Schottky’ego osiągnięto grubość warstwy zaledwie 100 µm w porównaniu do 200-500 µm w przypadku ogniw krzemowych. ²⁷ ³¹ Naukowcy osiągnęli również 17% sprawności podczas eksperymentu dla grafenowo-krzemowego ogniwa Schottky’ego w porównaniu z 1,5% jeszcze dziesięć lat wcześniej. ²⁶

Powinniśmy dzisiejszą obsesję na punkcie wyższych wydajności wziąć w znak zapytania. Wiele osób będzie argumentować, że low-techowe panele słoneczne są mniej wydajne, więc będziemy potrzebować więcej paneli słonecznych, aby wytworzyć taką samą moc wyjściową. W efekcie zasoby zaoszczędzone dzięki prostszym metodom produkcji zostaną zniwelowane dodatkowymi zasobami zużytymi do budowy większej liczby paneli słonecznych. Jednak wydajność ma kluczowe znaczenie tylko wtedy, gdy przyjmujemy wysokie zapotrzebowanie na energię za pewnik. Spadek wydajności można równie dobrze zrekompensować zmniejszeniem zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy doprowadzi to do większej trwałości ogniw i mniejszego zużycia surowców w całym łańcuchu dostaw. Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych, poświęcenie części wydajności może przynieść wiele korzyści w zakresie stopnia zrównoważenia.

Co się stało z George’m Cove?

Skoro panele solarne Cove były tak rewolucyjne, to dlaczego zostały zapomniane? Pod tym względem materiały zebrane przed Phillipa Pesavento czyta się jak kryminał. Wysiłki Cove’a nad produkcję i sprzedażą swoich paneli zakończyły się w tajemniczych okolicznościach.

Wynalazca zawarł znajomość z giełdowym spekulantem Elmerem Burlingame, który w 1909 i 1910 roku wypuścił na giełdzie akcje nie należące do niego, w tym akcje start-upu Cove’a tj. Sun Electric Generator Company. W Październiku 1909 roku Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego wynalazku. Policja jednak odrzuciła tę historię i uznała ją za przekręt. W 1911 roku Cove i Burlingame zostali aresztowani za defraudację akcji i spędzili rok w więzieniu. Chociaż po wyjściu na wolność Cove pracował nad różnymi wynalazkami, to jednak żaden z nich nie miał już nic wspólnego z energią solarną. ³²

W Październiku 1909 roku George Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego solarnego wynalazku.

Czy George Cove był oszustem? A może był ofiarą oszustwa? Czy jego reputacja została zniszczona ponieważ jego wynalazki zagrażały interesom innych firm? Istnieje wiele historycznych przykładów tłumienia innowacji technologicznych przez wielkie amerykańskie korporacje. George Cove działał w tym samym czasie co Edison Electric Illuminating Company z Nowego Jorku, której pozbawione skrupułów praktyki wobec konkurencji są dobrze udokumentowane. Gdyby generator energii słonecznej Cove’a się upowszechnił, mógłby zmniejszyć rosnące zapotrzebowanie na elektrownie węglowe i olejowe Edison Company. ³² Wcześniej, w latach 80. XIX wieku, niesławna korporacja z Nowego Jorku kupiła firmę produkującą najlepszy w tamtych czasach generator termoelektryczny (ulepszony stos termoelektryczny Clamondsa) i następnie zatrzymała rozwój maszyny. ³³

Więcej zagadek

Chociaż można się pokusić o przedstawienie George Cove jako ofiary spisku, to brakuje nam wystarczających dowodów. Materiały archiwalne Phillipa Pesavento zawierają więcej tajemnic, jak np. patent Cove’a złożony w 1905 roku i zatwierdzony w 1906 r. W patencie wynalazca opisuje w szczegółach wykonanie swoich wtyków ze stopu Zn4Sb3. Na tej podstawie Pesavento oszacował moc wyjściową i sprawność modułówi słonecznych Cove’a. Jednak Cove opisuje swoje wtyki z przeznaczeniem do konwersji ciepła z pieca opalanego drewnem na energię elektryczną, co nie jest zgodne z jego własnym wyborem materiału. Aby generator zasilany piecem działał, wymagał wtyczek ZnSb z przerwą energetyczną 0,5 eV. Phillip Pesavento:

„Czy to było celowe wprowadzenie w błąd ze strony Cove’a, aby nie dopuścić innych do skopiowania projektu jego patentowego pieca? Nie wiem tego”.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, zdjęcie przedstawiające Cove stojącego obok jednego ze swoich paneli słonecznych pojawia się w historycznym przeglądzie energii słonecznej Johna Perlina z 2013 r.: Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy (Niech świeci: 6000 tysięcy lat historii energii słonecznej). Jednak panel słoneczny na zdjęciu przypisywany jest Charlesowi Frittsowi, wynalazcy selenowego ogniwa słonecznego. Co więcej, sam George Cove zniknął z fotografii. Fragmenty książki oraz zdjęcie pojawiły się na kilku stronach internetowych. Philip Pesavento nie był zdziwiony, gdy zadzwoniłem po tym odkryciu:

„Odkryłem to samo kilka lat temu. Myślę, że ktoś bardzo potrzebował zdjęcia paneli słonecznych Frittsa, znalazł to zdjęcie, a następnie wyciął z niego George’a Cove’a. W końcu Cove jest całkowicie nieznany i uważa się, że wynalazł solarny generator termoelektryczny, a nie panel fotowoltaiczny. Jeśli przyjrzysz się uważnie tym dwóm fotografiom, zobaczysz, że góra prawego portyku kolumny za nim została wycięta i wklejona w miejscu, w którym stał Cove […].”

Kris De Decker * Zapisz się do naszego newslettera * Wesprzyj Low-tech Magazine przez Paypal lub Patreon. * Kup frukowanę stronę internetową. * Dowiedzi się więcej o naszej stronie internetowej zasilanej słońcem.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩↩
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩↩
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩↩
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩
Ekstrapolując parametry kolejnego panelu możemy zgadywać, że ten miał moc wyjściową ok. 25 W i sprawność trochę poniżej 3%. ↩
George Cove mówił, że zbudował jeszcze większy zestaw solarny o powierzchni 9 m², a nie żadne zdjęcie nie przetrwało. Podobno miał moc wyjściową 768 W i sprawność 8% przy 100 W/ft2 nasłonecznienia. Ten zestaw składał się z 8 paneli i łącznie 14 432 wtyków. ↩
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩
Dlaczego w panelach solarnych nie używa się przewodników? Ponieważ światło padające na przewodnik jest prawie w całości odbijane i tylko ułamek energii (albo nic) jest pochłaniany. Co więcej, w przewodnikach elektrony poruszają się chaotycznie, więc nie może być mowy o ukierunkowanym przepływie prądu. ↩
Cove nie był pierwszy. Ogniwo solarne Charles’a Frtiis’a również było zbudowane na złączu Schottky’ego. ↩
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩↩
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102. ↩↩
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩↩
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩↩
Selen można osadzać przez odparowanie termiczne w temperaturze zaledwie 200°C. Temperatura ta jest łatwo osiągalna dla technologii solarnych, co oznacza, że w zasadzie procesy te mogą być prowadzone przez bezpośrednie wykorzystanie energia słonecznej. ↩
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩↩
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩

Miejskie stawy rybne: akwakulturowe oczyszczanie ścieków miast i miasteczek

2021-03-28T00:00:00+01:00

Zdjęcie: Stawy rybne położone na Mokradłach Wschodniej Kolkaty – największy na świecie akwakulturowy system oczyszczania ścieków. Źródło: Edwards, 2008. ⁸

Nasze kupy i siuśki lądują w toalecie. Z pomocą wody nieczystości trafiają do kanalizacji sanitarnej. Stamtąd ścieki pompuje się do oczyszczalni, gdzie w serii skomplikowanych procesów usuwa się z nich zanieczyszczenia. Im bardziej zaawansowana oczyszczalnia, tym więcej energii i pieniędzy kosztuje proces. Tak to się robi w Europie, ale w wielu miejscach na świecie ścieki nie są w żaden sposób oczyszczane. ¹

Nawet po oczyszczeniu ścieki zawierają dużą ilość rozpuszczonego azotu, fosforu, tlenu i materii organicznej – niezbędnych składników życia na ziemi. Zrzucanie ich do rzek, jezior i mórz może prowadzić do eutrofizacji, przez co w wodzie mogą pojawić się wykwity sinic będące przyczyną masowej śmierci ryb i spadku różnorodności biologicznej. ²

Fundamentalny problem jest taki, że składniki odżywcze zamiast wracać do obiegu w ekosystemie w którym powstały są z tego ekosystemu bezpowrotnie usuwane. Oszczędzanie wody, czy używanie bardziej zaawansowanych energochłonnych procesów oczyszczanie ścieków, nie rozwiązuje problemu – obieg biogenów przecieka. Nie załatasz zlewu zużywając mniej (albo innej) wody.

Za dużo dobrego

Jeśli chcemy „naprawić nasz cieknący zlew” musimy przestać postrzegać ludzie ekskrementy jako coś z zasady toksycznego. Musimy również przestać sądzić, że każde ludzkie działanie szkodzi środowisku. Takie myślenie jest zakorzenione w przeświadczeniu, że człowiek jest oddzielony od Natury. Wychodząc z takiego założenia, logiczne jest, że rozwiązaniem naszych problemów musi być jeszcze większe odseparowanie się od cyklów przyrody: musimy zbudować jeszcze nowocześniejsze, chemiczne i energointenswne oczyszczalnie ścieków, aby postawić wyraźną granicę, pomiędzy produkcją żywności, a środowiskiem wodnym. Jeśli to się nie uda, i nasze granice będą nieszczelne, to wytoczymy wielkie projekty geoinżynieryjne do oczyszczenia rzek i jezior.

Problemem jednakże nie jest to, że jesteśmy w jakiś sposób toksyczni, przez co zagrażamy środowisku. Problem jest w tym, że składniki odżywcze, które zrzucamy do ekosystemów są zbyt skoncentrowane. W tym tkwi główna przyczyna eutrofizacji. Wywołana bogatymi w pierwiastki biogenne ściekami i spływem wód z terenów rolnych, jest postrzegana jako coś złego. Wróćmy jednak do etymologii tego słowa, które po grecku znaczy „stać się sytym”.

Problemem nie jest to, że jesteśmy w jakiś sposób toksyczni, przez co zagrażamy środowisku. Problem jest w tym, że składniki odżywcze, które zrzucamy do ekosystemów są zbyt skoncentrowane.

Eutrofizacja jest czymś złym tylko dlatego, że składnik biogenne, takie jak azot, węgiel i potas, są zbyt skoncentrowane, a to prowadzi do szybkiego namnażania się glonów, a tym samym do spadku ilości tlenu wodzie oraz zbyt dużej ilości produktów przemiany materii sinic - zabójczych dla ryb. Przypomnijmy sobie, że przecież ryby jedzą glony, więc jeśli te drugie namnażają się odpowiednio wolno, to ryby nadążają w utrzymaniu ich populacji w ryzach i w efekcie same się namnażają. Nie chodzi więc o to, że ścieki są „zanieczyszczone”, ale o to, że jest w nich za dużo dobrych rzeczy – więcej niż ekosystem jest w stanie przyjąć.

Jak naprawić cieknący zlew

Pierwszy raz usłyszałem o akwakulturowym sposobie oczyszczania ścieków, kiedy mieszkałem w Hanoi. Okazało się, że recykling ludzkich odchodów na potrzeby rolne jest bardzo powszechną praktyką, szczególnie w biednych wiejskich społecznościach.

Zdjęcie: Zawieszony na stawem rybnym w Wietnamie wychodek. Źródło: UNEP International Environmental Technology Centre. (2002). Environmentally Sound Technologies for Wastewater and Stormwater Management: an International Source Book (Vol. 15). International Water Assn.

W krajach, takich jak Wietnam czy Indonezja, toalety nierzadko umieszcza się nad stawami rybnymi. Ludzkie i zwierzęce odchody zbiera się też do pojemników, a potem opróżnia się je do stawów. W jakim celu? Pobudzone dodatkowym azotem, fosforem i węglem organicznym glony i fitoplankton zaczynają się szybko namnażać i rozkładać składniki odżywcze oraz bakterie, w wyniku czego produkują tlen. Kiedy poziom tlenu podniesie się wystarczająco, to w wodzie razem z fitoplanktonem będą mogły żyć ryby, które się nim odżywiają. Ryby łowi się i sprzedaje na targu, a kiedy spuści się wodę ze stawów, to muł bogaty w rybie odchody można wykorzystać jako nawóz w sadach lub na polach ryżowych.

W Chinach wykorzystanie obornika (również ludzkiego) w rolnictwie i akwakulturze ma wieluset letnią tradycję. W czasach komunizmu, kiedy rolnicy mieli ograniczony dostęp do paszy dla ryb i do lokalnych państwowych spółdzielni, sami organizowali systemy zbiórki ludzkich odchodów. Aż do lat 90 tych. XX w. z miast na wieś wyruszały transporty ciężarówek i łodzi wiozących ludzki nawóz (działalność prowadziły tak samo państwowe służby, jak i grupy przestępcze) do akwakultur znajdujących się pod miastem. W latach 1952-1966 około jedną trzecią nawozów (oraz paszy dla ryb) dostarczały ludzkie odchody, a w roku 1966 90% tego surowca było ponownie wykorzystywane. ³ Dzisiejsze wielkoskalowe uprawy wodorostów na wybrzeżach Chin przez przypadek znacznie ograniczały ryzyko eutrofizacji wód przybrzeżnych, stając się tym samym niezamierzoną metodą bioremediacji i recyklingu biogenów. ⁴

Zdjęcie: Ścieki pompowane do stawów rybnych na przedmieściach Hanoi, Wietnam. Źródło: Edwards, 2005. ¹⁵

Zdjęcie: Woda po oczyszczeniu w stawach rybnych Hanoi. Zdjęcie Edwards, 1996 r. ⁵

Jeden z ciekawych przykładów wielkoskalowych systemów oczyszczanie ścieków przez bioremediację znajduje się na przedmieściach Hanoi. Powstał w latach 60. XX wieku, kiedy to Wietnam, dopiero odzyskawszy niepodległość, musiał toczyć wojnę z zachodnimi siłami okupacyjnymi. Młoda stolica komunistycznego państwa nie miała miejskiej oczyszczalni ścieków. Nieczystości zrzucano do dwóch rzek płynących na południe i wpadających do Czerwonej Rzeki.

W okresie komunistycznej kolektywizacji wsi, wietnamskie spółdzielnie rolnicze zostały odcięte od rynków międzynarodowych i starały się, czymkolwiek co mieli do dyspozycji, karmić ryby hodowlane, np. odpadkami z rzeźni lub spleśniałym zbożem. Rolnicy patrząc na nieoczyszczone ścieki płynące kanałami zobaczyli w nich marnowany surowiec i zaczęli przekierowywać go do swoich wielkich stawów.

Widząc nieoczyszczone ścieki płynące kanałami – surowiec nie na swoim miejscu – rolnicy zaczęli pompować je do dużych stawów rybnych.

Metodą prób i błędów, inwestując to co mieli w poprawę infrastruktury, udało im się ustalić jaki jest właściwy stosunek ścieków do czystej wody, więc umieli odpowiednio rozcieńczać ścieki i ryby nie umierały.

Zdjęcie: Lokalny targ rybny w komunie Yen So. Zdjęcie Ander Dalsgaard. Źródło: Thi Phong Lan Nguyen i inni „Microbiological quality of fish grown in wastewater-ded and non-wastewater-fed fishponds in Hanoi, Vietnam: influence on hygiene practices in local retail marcets, Journal of Water and Health 5/2 (2007): strony 209-218.

Rolnicy sadzili w stawach rośliny (np. wodnego hiacynta), aby zabezpieczyć brzegi przed erozję i móc karmić nimi ryby. Rośliny wyciągały również z wody metale ciężkie. Ryby były nierzadko hodowane w polikulturach. Trzymając razem różne gatunki, takie jak karpie, tilapie i sumy, hodowcy skuteczniej oczyszczali wodę z zanieczyszczeń oraz chronili narybek przed drapieżnikami. Ze stawów co roku spuszczano wodę i mułem z dna nawożono okoliczne pola - jeszcze bardziej usprawniając krążenie pierwiastków odżywczych.

Rolnicy i hodowcy z biegiem lat stworzyli system, który w 1995 roku dostarczał ludności Hanoi 40-50% ryb. Pomiary jakości wody wykazały, że woda trafiająca do rzek po oczyszczeniu w stawach, miała poziom zapotrzebowania na tlen organiczny znacznie poniżej poziomy wymaganego przez WHO, co pokazuje, jak dobrze była oczyszczona z substancji organicznej. ⁵ Wietnamowi udało się stworzyć wydajny system oczyszczanie ścieków dla półtoramilionowego miasta - praktycznie bez żadnych wydatków ze strony państwa.

„Prosta, ludowa technologia” służy całemu miastu

Możecie sobie pomyśleć: „może jest to ciekawy, alternatywny przykład oczyszczania ścieków, ale nie przetrwa długo. To tylko wynaturzenie, którego nie można długo utrzymać”. Niestety wasz wewnętrzny cynik się zawiedzie, bo ten system działa. Miasto Kolkata (dawniej Kalkuta) w Indiach – populacja 14.8 mln – ma największy na świecie akwakulturowy system oczyszczania ścieków. Chociaż rolnicy używają ścieków do karmienia ryb na różne sposoby już od XIX w., to system zaczął być systematycznie rozbudowywany od lat 40. XX w.

Zdjęcie: Stawy rybne na Mokradłach Wschodniej Kolkaty, największy akwakulturowy system oczyszczania ścieków na świecie. Źródło: iStock.

W czasach kolonialnych brytyjscy zarządcy wykopali w mieście szereg kanałów, które m.in. odprowadzały ścieki. Wpadały one do rzeki Bidyadhari. Przez nadmiar niesionego materiału rzeka szybko się zamuliła i stała się bezużyteczna, a woda wylewała się do okolicznych słonowodnych mokradeł. Z biegiem czasu mokradła w większości przekształciły się w słodkowodne bagna. Zmusiło to miasto do wykopania dwóch kanałów ściekowych, który miały odprowadzać ścieki do oceanu. W tym samym czasie, lokalni rolnicy zaczęli kierować wodę zmieszaną ze ściekami do swoich stawów rybnych, położonych na kiedyś słonowodnych mokradłach. Na brzegach kanałów uprawiali warzywa i zakładali kooperatywy zarządzające ściekami.

Chociaż system Kolkaty rozwijał się z długo to jest dosyć usystematyzowany. Każdego roku najpierw ze stawów spuszcza się wodę, a mułem nawozi się pola. Następnie wpuszcza się powoli ścieki na niski poziom i pozostawia się je na dwa tygodnie. Jest to naśladownictwo konwencjonalnego systemu oczyszczania, w którym ścieki na początku oczyszcza się przez wspieranie zakwitu glonów i bakterii oraz sedymentację szkodliwej zawiesiny. Większość pasożytów ginie w ciągu tych pierwszych dwóch tygodni, ponieważ ich jaja i larwy giną jeśli nie znajdą żywiciela. W stawie obok umieszcza się ryby i powoli wprowadza się do wody ścieki w stosunku 4:1 (woda:ścieki). Wymaga to doświadczenia i umiejętności wykształcanych przez kilka pokoleń. Rolnicy wiedzą dobrze, kiedy poziom tlenu w wodzie jest zbyt niski i zabije ryby. ³ ⁶ Oczyszczona woda osiąga jakość tej po konwencjonalnym oczyszczeniu. ⁷

Zdjęcie: Śluza zrobiona z bambusa na Mokradłach Wschodniej Kolkaty. Hodowla hiacynta wodnego pomaga oczyszczać wodę i karmić ryby. Autor: Mukherjee, 2020. ⁶

Zdjęcie: Każdego roku najpierw ze stawów spuszcza się wodę, a mułem nawozi się pola, włączając składniki odżywcze z powrotem do obiegu. Źródło: Strona na Facebooku: Take pride in the East Kolkata Wetlands. (Facebook-page).

Metodą prób i błędów, miejscowi rolnicy stworzyli system oczyszczania ścieków, który jest ekstremalnie wydajny i dostosowany do lokalnych warunków. Potrafią dzięki śluzom rozdzielić strumień ścieków – przemysłowych od komunalnych – i w razie potrzeby mogą je rozcieńczać lub koncentrować. Np. ścieki z garbarni będą dla ryb toksyczne, więc nie zostaną wpuszczone do stawów. Rolnicy kontrolują poziom wody w zależności od pory roku, pogody i ilość dostępnych ścieków. Wiedzą jaki odcień szarości i zieleni ma mieć woda, aby zawierała odpowiednią dla ryb ilość tlenu i mocznika. Wiedzą czy w wodzie jest odpowiednie stężenie tlenu, obserwując jak często ryby podpływają do powierzchni, żeby złapać powietrze. Rolnicy wybierają ze stawów zagrażające narybkowi ślimaki, które potem miażdżą i karmią nimi kaczki, a odchody tychże użyźniają stawy i pobliskie pola. Uprawiają wodne hiacynty i rzęsę wodną, aby wyciągnąć ze ścieków metale ciężkie. ⁷ ⁸

Gospodarstwa rybne Kolkaty dostarczają 40% ryb w regionie i oczyszczają 80% ścieków miasta.

Gospodarstwa rybne Kolkaty dostarczają miastu 8000 ton ryb rocznie, co odpowiada 40% konsumpcji ryb w regionie. Oczyszczają 80% ścieków miasta i zmniejszają ilość biogenów i materii organicznej w ściekach o 50-90%, jednocześnie utrzymując ilość bakterii na poziomie akceptowalnym przez WHO. Szacuje się, że dzięki nim miasto oszczędza rocznie równowartość 64.4 mln dolarów, czyniąc Kolkatę „miastem dotowanym przez ekologię”. ⁹ System zapewnia rolnikom zwrot inwestycji na poziomie 28% i daje zatrudnienie 200 tys. osób. ¹⁰

Chociaż celem całego systemu nie powinno być osiągnięciu zysku – są to w końcu usługi publiczne – to bez dwóch zdań, pomaga to pokryć koszty oczyszczania ścieków. Badania prowadzone w małej gminie w Karnal na północy Indii, pokazały, że publiczny system oczyszczania oparty na stawach rybnych założony w 2010 roku przynosi 25 tys. dolarów zysku netto rocznie, oraz niebezpośrednio poprawia kondycję okolicznych terenów rolnych, przez sprzedaż oczyszczonych ścieków rolnikom. ¹¹

Zdjęcie. Stawy rybne zasilane ściekami są pewnym źródłem białka dla małorolnych chłopów. Źródło: Fish Farming in the East Kolkata Wetlands, Ramble On, Priya Mallic.

Zdjęcie: Ryby wyłowione z Mokradeł Wschodniej Kolkaty. Źródło: Fish Farming in the East Kolkata Wetlands, Ramble On, Priya Mallic.

Korzyści jakie przynosi ten system oczyszczania ścieków małym społecznościom wykracza poza finanse i rozciąga się na społeczne, kulturalne i ekologiczne aspekty. Przynosi m.in. poprawę jakości gleb, zwiększa rezyliencję miejscowych społeczności do zmian klimatu, daje wypoczynek (np. wędkowanie z przyjaciółmi) i jest pewnym źródłem białka dla małych gospodarstw. Załóżmy, że rolnik nie sprzedaje swoich ryb. W takim wypadku, mały staw zasilany ściekami może zapewnić sześcioosobowej rodzinie 8 kg ryb rocznie na osobę, czyli niemałą ilość białka w niezamożnych wiejskich społecznościach. ¹² Mokradła Wschodniej Kolkaty, ze swoimi stawami rybnymi, pomagają utrzymać odpowiedni poziom wód gruntowych, co w przypadku dręczonych suszami Indiach jest niezwykle istotne. Wyczerpywanie zbiorników wód gruntowych to poważny problem na całym subkontynencie. ¹³

Mokradła Kolkaty to „tania ludowa technologia”, ¹⁴ która oczyszcza ścieki dużego miasta z populacją równą Nowemu Jorkowi. Jest to możliwe dzięki istnieniu rozległego ludzko-rybno-roślinnego systemu, który narodził się dzięki kreatywności, wiedzy ekologicznej i kierownictwu miejscowych rolniczych społeczności.

Na początku XX wieku 90 takich systemów funkcjonowało w Niemczech

W tym momencie wasz wewnętrzny cynik może zaprotestować i powiedzieć, że: „Jasne, to działa nieźle na duża skalę, ale musiałbym być biedny i zdesperowany żeby hodować ryby w ściekach. To może działać w Indiach, działało przez chwilę w Wietnamie i Chinach, ale w krajach rozwiniętych, z wysokimi standardami sanitarnymi, nikt nie będzie chciał jeść ryb wyłowionych ze ścieków”.

Zdjęcie: Widok na niegdysiejszy akwakulturowy system oczyszczania ścieków w Monachium – dzisiaj ostoja dzikich ptaków. Autor: Peter Schleypen, 2012. Źródło: Historisches Lexikon Bayerns

W takim razie zdziwicie się. Na początku XX wieku 90 takich systemów działało w Niemczech. Aż do lat 90., ¹⁶ miasto Monachium oczyszczało większość swoich ścieków dzięki stawom rybnym. Niemcy przeprowadzili jedno z najbardziej szczegółowych i rygorystycznych badań naukowych nad wielkoskalową przydatności akwakulturowego oczyszczania ścieków już w latach 90. XIX wieku.

Aż do lat 90., miasto Monachium oczyszczało większość swoich ścieków dzięki stawom rybnym.

W Europie, tak jak w Chinach, tego typu systemy mają długą, ale niedocenianą historię. Fosy zamków, klasztory i wioski miały często dobudowane stawy rybne zasilane ściekami. Kiedy miasta się rozrastały, ścieki były po prostu zrzucane do rzek, co doprowadziło do załamania się łowisk ryb, ogólnego spadku warunków sanitarnych i szerzenia się chorób. Do Europejczyków powoli dochodziło, że ścieki trzeba oczyszczać. Jednym z popularnych wskaźników skuteczności oczyszczania wody było to, czy mogły przeżyć w niej pstrągi. Inżynierowie konstruowali małe stawy rybne, w których na pstrągach testowano jakość oczyszczonej wody.

W późnych latach 80. XIX wieku, inżynier budownictwa Gustaw Oesten rozpoczął swoje eksperymenty nad akwakulturowym oczyszczaniem berlińskich ścieków. W jego zamyśle, woda miała być oczyszczana dzięki rybom, a połów tychże miał być dodatkową korzyścią dla miasta. Oesten spędził większą część dekady na eksperymentowaniu z różnymi gatunkami ryb, projektami stawów oraz z różnymi lokalnymi i pogodowymi czynnikami. ¹⁶

Zdjęcie: Kanał doprowadzający wodę do stawów rybnych akwakulturowej oczyszczalni ścieków miasta Monachium. Autor: Bjs (CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons.

Dzięki swoim eksperymentom pokazał, że ryby rosną szybciej w wodzie ze ścieków i że pomagają ją oczyszczać. Pstrąg nie jest gatunkiem, który nadaje się do tego zadania, ponieważ źle znosi niskie stężenie tlenu – to powszechne zjawisko w wodzie ściekowej jest skutkiem zakwitu glonów. Karp rośnie za to bardzo dobrze, ponieważ potrafi podpłynąć do powierzchni wody i zaczerpnąć powietrza. Karpie hodowane w ściekach, jak odkrył Oesten, rosną szybciej niż w normalnych stawach. Pstrągi były używano jako wskaźniki, że woda jest już odpowiednio czysta by móc zrzucić ją do rzek. Eksperymenty Gustawa Oesten’a dowiodły, że stawy rybne mogą być odpowiedzią na europejski kryzys wodny, oraz przynosić zyski ze sprzedaży ryb.

Z początkiem XX wieku wielu naukowców prowadziło swoje własne małoskalowe doświadczenia. Ichtiolog Bruno Hofer, lepiej znany ze swoich pionierskich prac nad chorobami ryb, zaczął skalować eksperymentalne akwakulturowe oczyszczalnie ścieków, udowadniając, że ścieki z dużych obiektów (takich jak szpitale, browary, fabryki, a nawet male miasteczka) mogą teoretycznie być oczyszczane przez stawy rybne. W swych pomysłach poszedł o krok dalej i „ośmielił się” zaproponować taki system miastu tak dużemu jak Monachium – w tamtych czasach pewnie ten pomysł został uznany za dziwaczny.

Zdjęcie: Tryskacz wprowadzający oczyszczone ścieki wymieszane z wodą z rzeki do stawów rybnych w Monachium. Źródło: Edwards, 2005. ¹⁵

Po wielu udanych w całych Niemczech realizacjach projektu Hofera, miasto Monachium w roku 1929 zbudowało swój własny system akwakulturowego oczyszczania ścieków, który służył aż do lat 90. XX w. Był to największy tego typu system na świecie, z początku zaprojektowany na obsługę 500 tys. ludzi. Oczyszczanie ścieków było tak skuteczne, że woda opuszczająca stawy miała jakość i stężenie składników odżywczych porównywalną do naturalnej wody. ¹⁷

Wiele zastosowań

Te przykłady pokazują, że akwakulturowy system oczyszczania ścieków jest rozwiązaniem wielu splatających się ze sobą problemów. Przetwarza odpady – z rolnictwa, hodowli zwierząt i komunalne – i z powrotem włącza składniki biogenne w obieg pierwiastków przez produkty spożywcze i rolne. Zmniejsza stężenie fosforu i azotu w wodzie zapobiegając eutrofizacji. Ponownie wykorzystuje wodę, spowalnia jej obieg, wzmacnia retencję i pozwala na odtworzenie się zasobów wód podziemnych. Zmniejsza ilość zużywanych nawozów chemicznych, fosforanów i przemysłowej paszy rybnej. Tworzy dodatkowe miejsca pracy i źródła dochodów - szczególnie w biednych krajach.

Jeśli policzymy tylko, jaki potencjał jako źródła nawozu mają ścieki, to już jest to wystarczający powód, aby wybudować ten system. Weźmy za przykład jedno badanie naukowe przeprowadzone w 2000 roku w Indiach. Obliczono, że dzienna porcja ścieków z całych Indii jest warta 2 mln dolarów w formie nawozu. ¹⁸ Innymi słowy, Hindusi codziennie spłukują w swoich toaletach miliony. Stawy rybne zasilane ściekami były by świetnym sposobem, aby odzyskać to bogactwo. Może się to wydać kontrintuicyjne, jednak naukowcy dowiedli, że zasilane ściekami akwakultury mogą być wielce przydatne w krajach, gdzie wody jest niewiele, dzięki zamienianiu ścieków na pożywne białko. ¹⁹ Stawy rybne nie muszę służyć tylko produkcji. Można je zintegrować z mokradłami i obszarami chronionymi, z wędkarstwem, z obiektami turystycznymi lub edukacyjnymi. Dają szansę na poprawę różnorodności biologicznej i czynią tereny miejskie bliższe przyrodzie.

Stawy rybne nie muszę służyć tylko produkcji. Można je zintegrować z mokradłami i obszarami chronionymi, z wędkarstwem, z obiektami turystycznymi lub edukacyjnymi.

Kolejnym powodem dla którego stawy rybne są ciągle wartościowe jest to, że są tanie i proste w budowie, a dzięki temu, nie ma wiele przeszkód do ich wdrożenia. Chociaż wysokie technologie, materiało- i energointensywne, tj. hydroponika, ogrodnictwo pionowe, czy zautomatyzowane rolnictwo, mogą liczyć na zainteresowanie mediów, to prawda jest taka, że większość rolników na świecie ma niewiele, albo nie ma żadnego dostępu, do kapitału i musi polegać na skromnych, ale za to bardzo zrównoważonych, metodach, aby wyżywić 70% światowej populacji. ²⁰ Akwakultura zasilana ściekami oferuje źródło utrzymania obarczone małym ryzykiem finansowym dla tych drobnych rolników. ⁸ Na poziomie lokalnych społeczności stwarza to szansę miasteczkom, wioskom i ubogim w surowce społecznościom na pokrycie kosztów gospodarki ściekami, a co więcej, zapewnienie zatrudnienia miejscowym ludziom i polepszenie warunków sanitarnych. ¹¹ ¹²

Dlaczego nie robimy tego częściej?

Pomimo wielu zalet, większość akwakulturowych systemów oczyszczania ścieków zostało albo całkowicie porzuconych albo jest w zaniku. Co się stało? Pierwszy możliwy powód, to prawdopodobnie reakcja większości ludzi na podobne pomysły, którą nazwiemy „czynnikiem fuj”. Możliwe, że większość uważa jedzenie ryb hodowanych na kupach po prostu za obrzydliwe. Co ciekawe, większość badań naukowych nad miejskimi stawami rybnymi, co rusz pokazuje zadziwiającą akceptację dla ryb karmionych odpadami. ²¹ Co więcej, około 10% światowej populacji prawdopodobnie już spożywa pożywienie z pól nawadnianych ściekami. ²² Nawet w Unii Europejskiej, z jej sławnymi surowymi regulacjami, wielu rolników wylewa na swoje pola szlamy ściekowe - europejskim konsumentom najwyraźniej to nie przeszkadza.

Zdjęcie: Tilapia nilowa (Oreochromis niloticus)

Zdjęcie: Wietnamski sum szary (Plotosus canius)

Zdjęcie: Karp zwyczajny (Cyrpinus carpio)

Drugim możliwym powodem ich zaniku może być podejrzenie, że są niebezpieczne. To prawda, że należy zachować bardzo dużą staranność, aby zaprojektować skuteczny system oczyszczania ścieków, jednak są mocne dowody na to, że oczyszczanie ścieków z pomocą stawów rybnych jest tak samo bezpieczne jak metody konwencjonalne. Jeden z najdobitniejszych przykładów pochodzi ze stolicy Peru, Limy z lat 80. Razem z Bankiem Światowym i Programem Narodów Zjednoczonych ds. Rozwoju przeprowadzono w Limie eksperyment mający na celu zaprojektowanie dużego systemu akwaponicznego oczyszczania ścieków. ²³

Cały system był dowodem wielkim jak miasto, pokazującym bezpieczeństwo całego przedsięwzięcia. Przez 20 lat jego użytkowania została wykonana niezliczona ilość pomiarów, wdrożono wiele usprawnień i zmian, oraz przeprowadzono mnóstwo kontroli ilości ścieków oraz monitorowano pogodę. Zostało dobitnie dowiedzione, że oczyszczalnia ścieków oparta na rybach, jest nie tylko dostępną i opłacalną alternatywą dla biedniejszych krajów, ale że również potrafi sprostać surowym wytycznym co do jakości wody opracowanym przez Światową Organizację Zdrowia. Ryby były badane czy nadają się do spożycia przez ludzi. We wszystkich trzech próbach 100% ryb zostało uznanych jakie „bardzo dobre” pod względem bezpieczeństwa. ²⁴ To nie było osamotnione badanie. Nad bezpieczeństwem ryb hodowanych w zbiornikach ściekowych przeprowadzono wiele innych. ²⁵

Coś więcej niż cieknący zlew

Skoro nie jest ty czynnik „fuj”, ani bezpieczeństwo, to co to może być? W Hanoi nie rozpoznano pełnego potencjału systemu akwakulturowego i na tereny stawów rybnych w latach 90. zaczęła wkraczać zabudowa. Kiedy era komunizmu dobiegła końca, tereny podmiejskie stały się bardzo wartościowe i zaczęto zasypywać stawy. Ścieki komunalne mieszały się z nieoczyszczonymi zrzutami przemysłowymi, przez co większość ścieków była dla ryb trująca, a to spowodowało, że większość właścicieli stawów zaczęła karmić ryby paszą - coraz łatwiej dostępną w Wietnamie otwierającym swój rynek krajowy na handel zagraniczny. ²⁶ ²⁷ Hanoi oczyszcza dzisiaj zaledwie 22% swoich ścieków, resztę zrzucając bezpośrednio do rzek. Codziennie 180 tys. metrów sześciennych ścieków jest zrzucane do rzeki To Lich, tej samej, która niegdyś służyła stawom rybnym. ²⁸ ²⁹

Tak samo jest w Niemczech - zanik stawów rybnych spowodowany jest w większości rozrastaniem się terenów podmiejskich. Przedmieścia (tam gdzie muszą znajdować się stawy rybne, aby być blisko źródła ścieków i czystej wody) zyskują na wartości kiedy miasta się powiększają. Napędzane szalejącymi wzrostami cen nieruchomości, niedostatkiem terenów pod zabudowę, wysokimi kosztami pracy oraz spadająca konkurencyjnością krajowej hodowli ryb, zmuszonej konkurować na międzynarodowych rynkach, władze postanowiły zlikwidować stawy rybne, albo przerobić je na konwencjonalne oczyszczalnie ścieków. Nawet w Monachium, mającym największy tego typu system w Niemczech, obsługa jego była droga i coraz cięższa do utrzymania. Stawy rybne Monachium zostały w końcu przekształcone na rezerwat przyrody, gdzie odpoczywają migrujące ptaki. Hodowla ryb przestała być pierwszorzędnym zadaniem, a mokradła przyjmują teraz tylko niewielki procent monachijskich ścieków. ¹⁶

Grafika: Mokradła Wschodniej Kolkaty w 2005. Źródło: Google Earth.

Grafika: Mokradła Wschodniej Kolkaty w 2019. Źródło: Google Earth.

System Kolkaty wciąż działa, ale boryka się podobnymi problemami. W swoim szczytowym okresie stawy rybne Mokradeł Wschodniej Kolkaty zajmowały 12 tys. hektarów. Z powodu postępującej zabudowy dzisiaj to tylko 4 tys. hektarów. Hodowcy ryb w Kolkacie, tak jak w Wietnamie, muszą zmagać się z dopływem ścieków przemysłowych (np. ze sporego przemysłu garbarskiego), które są trujące dla ryb, a zrzuca się je po kryjomy do ścieków komunalnych. ⁶ ¹⁰ ³⁰ ³¹ Miasto Kolkata i indyjski rząd zrozumiał znaczenie tego systemu i wprowadził szereg regulacji, aby chronić go przed dalszą zabudową. Jednak nielegalna budowlanka – deweloperzy zasypujący nocą gruzem stawy zmuszając rolników do ich opuszczenia – wciąż powoli wypiera mokradła.

Głównym powodem zaniku akwakulturowych oczyszczalnie jest jak widać rozrastanie się miast. Przyczyną tego są w dużej mierze globalne spekulacje na rynku nieruchomości – co stanowi 60% wszystkich dzisiejszych inwestycji finansowych. ³² Większość urzędników mając wybór: albo sprzedać tereny podmiejskie temu kto płaci najwięcej, albo utrzymać jakąś tam hodowlę ryb w ściekach, długo się nie zastanawia - stawy muszą odejść. Drugim powodem zaniku systemu jest wysokie stężenie w ściekach toksycznych związków chemicznych – zbyt duże dla ekosystemu i akwakultury. Musimy sami siebie zapytać, czy naprawdę warto pozwalać na produkcje tych rzeczy, skoro utrudniają nam zasypać ekologiczną przepaść, jaka dzieli nasze miejsce życia od naturalnego otoczenia?

Systemy organiczne są często uważane za prymitywne i zacofane, chociaż tak naprawdę, mogą być znacznie bardziej zrównoważone i odpowiednie od energointensywnych, łatwo powielanych „rozwiązań”, tak lubianych przez planistów i inżynierów.

Trzeci powód to względnie niska cena paliw kopalnych. W większości krajów przemysłowych, bardziej racjonalny zdaje się wybór systemu zajmującego mniej miejsca, za to mającego wysoki ślad węglowy. W świecie taniej energii koszty ekologiczne można spychać na bok. Jednak one w końcu dadzą o sobie znać, a tak naprawdę już dają. Na koniec powiem jeszcze o jednym znaczącym czynniku, którego nie możemy zignorować – jest to uprzedzenie inżynierów do „brudnych”, organicznych systemów, właśnie takich jak akwakulturowe oczyszczalnie ścieków. Takie proste rozwiązania w umysłach wielu jawią się jako zacofane i prymitywne, chociaż faktycznie mogą być znacznie bardziej odpowiednie i zrównoważone od energointensywnych, łatwo powielanych „rozwiązań”, tak lubianych przez planistów i inżynierów. ³³

Każdy z powyższych powodów wskazuje na głębszy problem: niezdolność naszej gospodarki do docenienie właściwych rzeczy. Tak samo, jak inne zrównoważone technologie o których mówimy w Low-tech Magazine, akwakulturowe oczyszczalnie ścieków dotyka większy problem: „nie możesz zmienić jednej rzeczy, nie zmieniając całego systemu”. Te systemy są oblężone przez międzynarodową spekulację nieruchomościami, toksyczne związki w ściekach komunalnych, zanieczyszczenia przemysłowe, niską cenę paliw kopalnych i głęboko zakorzenione w ludziach poczucie odrębności od ekosystemów których są częścią. U podstaw tego wszystkiego leży system wartości niedopasowany do naszych realnych potrzeb ekologicznych jako gatunku, członka ziemskiej społeczności żywych organizmów.

Stawy rybne to proste, tanie i zrównoważone rozwiązanie problemu naszego społecznego cieknącego zlewu. Jeśli jednak w poszukiwaniu przecieku schylimy się zajrzymy pod spód, to znajdziemy wiele innych rzeczy wymagających naprawy.

Aaron Vansintjan

Dziękuję Henningowi Fehr za zebranie danych na temat systemu stawów rybnych w Niemczech, Michaelowi Digregorio za powiedzenie mi o wietnamskim systemie, Phoung Anh Nguyenowi za zebranie dodatkowych informacji na ten temat i Geertowi Vasintjan za bycie dla mnie ciągłą inspiracją.

W wielu krajach rozwiniętych, oczyszczanie ścieków stosuje np. ciągłe, zautomatyzowane mieszanie ścieków w wielkich zbiornikach – system trudny w utrzymaniu i wymagający wiele energii. Chociaż oczyszczanie ścieków odpowiada tylko za 4% krajowego zużycie energii w USA, to stanowi jednak 50% komunalnego zużycia energii – znaczący ślad energetyczny. Oznacza to że miasta i miasteczka mogłyby zmniejszyć zużycie energii jeśli przeszłyby na inny system. Zobacz https://betterbuildingssolutioncenter.energy.gov/sites/default/files/Primer%20on%20energy%20efficiency%20in%20water%20and%20wastewater%20plants_0.pdf ↩
Przyczynia się również do mało znanego zjawiska zwanego “ciemnieniem wybrzeży”, polegającym na spadku albedo dna mórz i oceanów przez depozycję osadów i mętnienie wody, co z kolei wzmaga globalne ocieplenie, a także zmniejsza możliwość organizmów morskich do pobierani światła słonecznego. https://www.hakaimagazine.com/news/the-environmental-threat-youve-never-heard-of/ ↩
Edwards, P. (2003) Philosophy, principles and concepts of integrated agri-aquaculture systems. In: Gooley, G. J., & Gavine, F. M.(Eds.), Integrated agri-aquaculture systems: a resource handbook for Australian industry development. Rural Industries Research and Development Corporation. ↩↩↩↩
Edwards, P. (2015). Aquaculture environment interactions: past, present and likely future trends. Aquaculture, 447, 2-14. ↩
Edwards, P. (1996). Wastewater reuse in aquaculture: Socially and environmentally appropriate wastewater treatment for Vietnam. The ICLARM Quarterly, January. ↩↩
Mukherjee, J. (2020). Blue Infrastructures. Springer Singapore. ↩↩↩
Ho, L., & Goethals, P. L.(2020). Municipal wastewater treatment with pond technology: Historical review and future outlook. Ecological Engineering, 148, 105791. ↩↩
Edwards, P. (2009). Traditional asian aquaculture. In New Technologies in Aquaculture (pp. 1029-1063). Woodhead Publishing. ↩↩↩↩
A term attributed to Dhrubajyoti Ghosh, a high-profile activist for the Eastern Kolkata Wetlands. ↩
Banerjee, S., & Dey, D. (2017). Eco-system complementarities and urban encroachment: A SWOT analysis of the East Kolkata Wetlands, India. Cities and the Environment (CATE), 10(1), 2. ↩↩
Kumar, D., Chaturvedi, M.K., Sharma, S.K. and Asolekar, S.R., 2015. Sewage-fed aquaculture: a sustainable approach for wastewater treatment and reuse. Environmental monitoring and assessment, 187(10), pp.1-10. ↩↩↩
Lightfoot, C., Bimbao, M.A.P., Dalsgaard, J.P.T. and Pullin, R.S., 1993. Aquaculture and sustainability through integrated resources management. Outlook on Agriculture, 22(3), pp.143-150. ↩↩
Datta, S. (2006). Waste Water Management Through Aquaculture. Journal of Environmental Management. 1. 339-350. ↩
Mukherjee, J. (2020) citing Dhrubajyoti Ghosh. ↩
Edwards, P. (2005). Development status of, and prospects for, wastewater-fed aquaculture in urban environments. Urban Aquaculture. Costa-Pierce B, Desbonnet A, Edwards P, Baker D, editors. Wallingford Oxfordshire: CABI Publishing, 45-59.\ ↩↩
Prein, M. (1988, December). Wastewater-fed fish culture in Germany. In Edwards, P. and Pullin, RSV Wastewater-Fed Aquaculture. Proceedings of the Internation al Seminar on Wastewater reclamation and Reuse for Aquaculture, Calcut ta, India (pp. 6-9). ↩↩↩↩
Jednym z problemów ze stawami rybnymi w Niemczech była duża zmienność pogody. Mniej słońca jesienią i wiosną oznaczało, że wzrost glonów był znacznie niższy, co z kolei wpływało na wzrost ryb i zdolność systemu do oczyszczania ścieków. W miesiącach zimowych stawy często zamarzają, co prowadzi do niedoborów tlenu i śmierci ryb. Ponieważ nasłonecznienie może się zmieniać w ciągu dnia, stawy rybne wymagają codziennego doglądania celem zrównoważenia wzrostu ryb, wzrostu glonów, usuwania składników odżywczych i zbyt dużej ilości ścieków, które prowadziłyby do śmierci ryb. ↩
Obliczone na podstawie kursu rupii do dolara amerykańskiego w roku 2000, powiększone przez autora inflację w 2021. B. B., Heeb, J., & Das, S. (2018). Ecosystem Resilient Driven Remediation for Safe and Sustainable Reuse of Municipal Wastewater. In Wastewater management through aquaculture (pp. 163-183). Springer, Singapore. ↩
Na przykład w Izraelu kolonie kibuców w latach 60., często eksperymentowały z ponownym wykorzystaniem ścieków do produkcji ryb, ponieważ miały ograniczony zasób wód gruntowych. W Egipcie rząd pokładał nadzieję w akwakulturze zasilanej ściekami, m.in. Próbowano w ten sposób zwiększyć krajową produkcję białka zwierzęcego i zmaksymalizować prawność zużycia wody. ³ ²⁰ See also Kolkovsky, S., Hulata, G., Simon, Y., Segev, R., & Koren, A. (2003). Integration of agri-aquaculture systems the Israeli experience. In: Gooley, G. J., & Gavine, F. M.(Eds.), Integrated agri-aquaculture systems: a resource handbook for Australian industry development. Rural Industries Research and Development Corporation. ↩
El-Zohri, M., Hifney, A. F., Ramadan, T., & Abdel-Basset, R. (2014). Use of Sewage in Agriculture and Related Activities. In: Pessarakli, M. (Ed.), Handbook of plant and crop physiology. CRC Press. ↩↩↩
W Niemczech w XX wieku konsumenci początkowo odrzucali te ryby, ale gminy angażowały się w publiczne kampanie edukacyjne, aby przekonać ludzi, że są bezpieczne. ¹⁶ W Limie w Peru naukowcy przeprowadzili badanie, czy ryby są akceptowane przez konsumentów i ze zdumieniem odkryli, że ludziom nie przeszkadzało, gdy dowiedzieli się, skąd pochodzą. ²² Również w Kolkacie ryby karmione ściekami nadal stanowią 40% lokalnego rynku rybnego, chociaż konsumenci mają dostępne alternatywy. ↩
WHO (2015) Sanitation. Fact sheet no. 392. World Health Organization, Geneva ↩↩
Cointreau, S. J.(1990). Aquaculture with treated wastewater: A status Report on studies conducted in Lima, Peru. Applied Research and Technology (WUDAT), Technical Note No. 3. The World Bank Water Supply and Urban Development Department: p. 1-56. ↩
W czwartym badaniu tylko 6% zostało ocenionych jako „nie do zaakceptowania”, ale było tak dlatego, że celowo zwiększono stosunek ścieków do czystej wody, powyżej dopuszczalnego poziomu, aby zasymulować „wypadek”. Mimo to, te same ryby zostały następnie ocenione jako „bardzo dobre”, gdy poziom ścieków w kolejnych 30 dniach został obniżony. To pokazuje, że nawet w razie awarii ryby mogą łatwo wrócić do stanu bezpiecznego do spożycia. Zobacz UNEP International Environmental Technology Centre. (2002). Environmentally Sound Technologies for Wastewater and Stormwater Management: an International Source Book (Vol. 15). International Water Assn. ↩
Tam, gdzie nie ma wystarczających zasobów, aby wprowadzić wymagania sanitarne do systemu oczyszczania ścieków, naukowcy zalecają, aby czyszczenie, rozbiór i pakowanie ryb odbywało się w warunkach sanitarnych, aby mięso ryb nie było narażone na zarażenie się patogenami ze skóry i z jelit. Zalecane jest również intensywne gotowanie ryb – w Kolkacie lokalna kuchnia na szczęście nie serwuje surowych ryb. Innym zabezpieczeniem jest przeniesienie ryb do stawów z czystą wodą na dwa tygodnie przed połowem; zmniejsza to ryzyko obecności patogenów w mięsie i jelitach ryb, a także pomaga wyeliminować ewentualne nieprzyjemne zapachy. Edwards P. (1990) Ponowne wykorzystanie ludzkich odchodów w akwakulturze: przegląd stanu techniki. Projekt raportu. Bank Światowy w Waszyngtonie. Jeśli chodzi o obecność w ściekach toksycznych związków chemicznych, istnieją dowody na to, że nie jest to poważny problem, jednak zależy to od warunków lokalnych. Na przykład ludzie w krajach uprzemysłowionych używają znacznie więcej detergentów i konsumują środków farmaceutycznych, które mogą mieć niekorzystny wpływ na ryby. Obejmuje to szeroką kategorię toksyn, które znajdują się w nowych produktach, takich jak kosmetyki i leki (oraz narkotyki). W krajach uprzemysłowionych przeprowadzono do tej pory niewiele badań na temat wpływu tych produktów na ryby karmione ściekami – w dużej mierze dlatego, że systemy te w większości zdążyły zniknąć do czasu, gdy artykuły gospodarstwa domowego stały się bardziej rozpowszechnione. ³ ⁸ ¹¹ ²⁰ ³⁰ ³¹ ³³ ↩
Edwards, P. (2004). Decline of wastewater-fed aquaculture in Hanoi. Aquaculture Asia, Volume IX (4, October-December): 13-14. ↩
Hoan, V. Q., & Edwards, P. (2005). Wastewater reuse through urban aquaculture in Hanoi, Vietnam: status and prospects. Urban aquaculture. CABI International, Wallingford, 103-117. ↩
Saigoneer (2019). Only 13% of Vietnam’s Urban Sewage Is Treated Before Discharge. The Saigoneer. https://www.saigoneer.com/saigon-environment/17571-only-13-of-vietnam-s-urban-sewage-is-treated-before-discharge ↩
Kiet, Anh. (2019). No technology can radically clean Hanoi’s polluted river if sewage not treated: Mayor. Hanoi News. http://hanoitimes.vn/no-technology-can-clean-hanois-heavily-polluted-river-if-people-keep-pouring-sewage-into-it-mayor-300420.html ↩
Bunting, S. W.(2007). Confronting the realities of wastewater aquaculture in peri-urban Kolkata with bioeconomic modelling. Water Research, 41(2), 499-505. ↩↩
Jana, B. B.(1998). Sewage-fed aquaculture: the Calcutta model. Ecological Engineering, 11(1-4), 73-85. ↩↩
Stein, S. (2019). Capital city: Gentrification and the real estate state. Verso Books. ↩
Mara, D. (2013). Domestic wastewater treatment in developing countries. Routledge. ↩↩

Rolnictwo pionowe nie oszczędza przestrzeni

2021-02-16T00:00:00+01:00

Miejskie rolnictwo w formie umieszczonych wewnątrz budynków pionowych „farm” szybko się rozwija. Sztuczne oświetlenie pozwala na całoroczną uprawę roślin na położonych jedno na drugim „polach”. Ludzie promujący tą metodę przekonują, że uprawa roślin w ten sposób może zaoszczędzić mnóstwo przestrzeni i poszerzyć tym samym dostępny areał ziemi rolnej. Kolejną zaletą, według nich, ma być oszczędność energii na transporcie (ponieważ większość ludzi żyje w miastach) oraz wody i środków ochrony roślin.

Co można uprawiać w ten sposób?

Pionowe farmy są obecne na rynku komercyjnym od wielu lat. Wszystkie z nich uprawiają te same rośliny tj. sałatę, roszponkę, pomidory, ogórki, paprykę i zioła, które w większości składają się z wody (bardziej niż inne rośliny, przyp. tłum). Nie są to płody rolne, którymi można wyżywić miasto. Praktycznie pozbawione są węglowodanów, białka i tłuszczów. Żeby wyżywić mieszkańców miasta, potrzeba zbóż, bulw, strączków i roślin olejowych, a te obecnie zajmują obszar 16 milionów kilometrów kwadratowych, czyli praktycznie tyle co cała Ameryka Południowa. ¹

Pionowa uprawa pszenicy

W Brukseli wystawiono instalację artystyczną nazwaną „Farma”, która w założeniu jest eksperymentem badawczym, mającym na celu oszacować czego potrzeba, aby uprawiać pszenice w pionowej farmie wewnątrz budynku. Na potrzeby tego eksperymentu obsiano pszenicą jeden metr kwadratowy ziemi w całkowicie sztucznym środowisku. Mierząc dopływ surowców (m. in. wody i energii) do doświadczalnego poletka, projekt ukazuje w jakim stopniu naturalne ekosystemy podtrzymują produkcję naszego pożywienia. Pszenica wysiana pod gołym niebem, jedna obok drugiej (zamiast jedna na drugiej), otrzymuje darmowe światło ze słońca i darmową wodę z chmur.

Bochenek chleba za 345 euro

Eksperyment pokazał, że 1 m² pszenicy w uprawianej w sztucznym środowisku zużywa 2,577 kWh energii elektrycznej i 394 litry wody rocznie. Energia zużyta na wyprodukowanie sprzętu „rolnego” (np. oświetlenia) nie została uwzględniona, więc końcowy wynik jest zaniżony. Pod uwagę nie została również wzięta ilość energii potrzebnej do budowy budynku i jego utrzymania (ogrzewanie, klimatyzacja, pompowanie wody).

Do całkowitego kosztu rocznej uprawy pszenicy w pionowej farmie wliczono koszt zakupu sprzętu (1,227 euro). Założono, że infrastruktura starczy na 8 lat. Po podliczeniu kosztów wyszło, że uprawa 1 m² pszenicy w całkowicie sztucznych warunkach kosztuje 610 euro za metr kwadratowy na rok, z czego 412 euro poszło na rachunek za prąd i 1 euro za wodę. Możliwe, że ten wynik jest przeszacowany, ponieważ farma jest umiejscowiona w przestrzeni wystawienniczej.

„Farma” dała cztery żniwa w roku. Z każdego żniwa można było zrobić jeden bochenek chleba o masie 580 gramów, który kosztował co najmniej 345 euro. Każdy bochenek zawierał 2,000 kalorii, czyli tyle ile potrzebuje jedna dorosła osoba na dzień. Z tego wynika, że do wyżywienia w ten sposób jednej przeciętnej osoby przez rok potrzeba 91 m² sztucznie uprawianej pszenicy, co będzie kosztowało 125 680 euro rocznie.

Paradoks rolnictwa pionowego

Sztuczne oświetlenie oszczędza przestrzeń, ponieważ rośliny można sadzić jedne na drugiej. Jednakże, jeśli prąd pochodzi z paneli słonecznych, to oszczędność miejsca jest negowana przez przestrzeń zabieraną przez panele. Pionowe rolnictwo tworzy paradoks, którego jedynym rozwiązaniem jest energia paliw kopalnych ² (albo atomowa, przyp. tłum.). W efekcie, w tym przedsięwzięciu nie ma nic zrównoważonego.

Przyjmując uzysk energii z jednego metra kwadratowego paneli fotowoltaicznych na 175 kWh rocznie, uprawa 1 m² pszenicy w sztucznych warunkach będzie wymagała instalacji 20 m² paneli słonecznych. Jest to liczba zaniżona, ponieważ opiera się na średnim rocznym uzysku. W zimie dostępność światła jest niższa niż w lecie. W rzeczywistości, pionowa farma potrzebuje znacznie więcej powierzchni paneli słonecznej, aby móc pracować przez cały rok. Ponieważ fotowoltaika generuje energię w sposób nieciągły, należy postawić system magazynowania energii elektrycznej, co oczywiście również wymaga nakładów finansowych i energii. Na koniec, musimy przypomnieć, że produkcja paneli słonecznych również zużywa energię, a jeśli chcemy je produkować za pomocą fotowoltaiki, to znów będziemy musieli poświęcić na to przestrzeń.

Innowacja?

Ta krytyka tyczy się również farm pionowych produkujących sałatę i pomidory. W ich wypadku zużycie wody jest znaczące. Firmy sprzedające tak uprawiane warzywa przynoszą dochody, ponieważ uprawa opiera się na energii tanich paliw kopalnych. Jeśli energię miały by dostarczać panele słoneczne, to dodatkowy koszt i przestrzeń, potrzebna na zapewnienie dostaw energii, znów zaneguje powstałe oszczędności, czy to miejsca czy pieniędzy. Jedyną zaletą uprawy pionowej jest zmniejszenie odległości na jaką transportowana byłaby żywność z „pola” do miejskich odbiorców.

Problemem uprawy rolnej nie jest to, że odbywa się ona na wsi. Problemem jest to, że zależy ona w ogromnej mierze od paliw kopalnych. Pionowa uprawa nie jest rozwiązaniem, ponieważ zastępuje, znowu, darmową i odnawialną energię słońca kosztowną technologią zależną od paliw kopalnych (lampy LED, komputery, budynki z betonu, panele słoneczne). Nasz styl życie staje się coraz mniej zrównoważony, a nasza zależność od surowców mineralnych, infrastruktury, maszyn i paliw kopalnych rośnie. Niestety, można to samo powiedzieć o większości dzisiejszej technologii określanej mianem zrównoważonej.

Kris De Decker

Więcej informacji: Solar Share (The Farm), by Disnovation.org (Maria Roszkowska, Nicolas Maigret) and Baruch Gottlieb.

Korekta tekstu: Eric Wagner

Zapisz się do naszego newlettera
Wesprzyj Low-tech Magazine przez Paypal lub Patreon.
Kup drukowaną stronę internetową.
Dowiedz się więcej o stronie internetowej zasilanej słońcem.

Comments

Aby skomentować tekst wyślij, proszę mail na adres solar (at) lowtechmagazine (dot) com. Twój adres mail nie zostanie wykorzystane do innych celów i zostanie skasowany po publikacji posta. Jeśli chcesz podpisać się pod komentarzem swoim imieniem i nazwiskiem, podpisz mail imieniem jakie ma się wyświetlić.

Smil, Vaclav. “It’ll be harder than we thought to get the carbon out [Blueprints for a Miracle].” IEEE Spectrum 55.6 (2018): 72-75. ↩
Atomic power and wind turbines are other options. See the comments. ↩