ENERGIA WODNA

Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeń (w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz - w elektrowniach pływowych) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie - mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu.

 

Najpopularniejsze wykorzystanie wody do produkcji energii to elektrownie wodne, które zamieniają energię spadku, lub przepływu wody na energię elektryczną za pośrednictwem turbin wodnych. Turbina wodna często nosi nazwę turbiny hydraulicznej i jest nic innego jak silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami. Obracający się wirnik z łopatami napędza prądnicę lub ich układ.

 

Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru ( odcinek strumienia , rzeki , część zatoki ) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu . Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych.

 

Wykorzystanie energii z wody:

Do lat 80 tych ubiegłego wieku panował powszechny pogląd, że elektrownie wodne są źródłem "czystszej" energii, to znaczy, że są najmniej szkodliwe dla środowiska naturalnego. Podczas wytwarzania energii przez elektrownię wodną do atmosfery nie dostają się żadne zanieczyszczenia, a poziom emitowanego hałasu (ze względu na małą prędkość obrotową turbin) jest niski. Jednak budowa elektrowni znacząco zmienia ekosystem i krajobraz otoczenia. Aby uzyskać wysoki poziom wody, często trzeba zalać ogromne obszary dolin rzek. Wiąże się to z przesiedleniem ludzi mieszkających dotychczas w tym miejscu oraz prawdopodobną zagładą żyjących zwierząt i roślin. Powstały w miejsce szybkiej, wartkiej rzeki zbiornik zawiera wodę stojącą, co sprawia, że rozwijają się tam zupełnie inne organizmy niż przed powstaniem zapory. Jednocześnie duży zbiornik charakteryzuje się znacznie większym parowaniem i zmienia wilgotność powietrza na stosunkowo dużym obszarze. Wartka dotychczas rzeka po wyjściu z zapory zwykle płynie już bardzo wolno. Zmniejsza się napowietrzanie wody, brak okresowych powodzi prowadzi do zamulenia dna. W celu zniwelowanie niekorzystnych wpływów zapory na środowisko w niektórych MEW stosuje się specjalne progi (przepławki) umożliwiające rybom łososiowatym wpłynięcie w górę rzeki na tarliska.

 

Wykorzystanie energii kinetycznej i potencjalnej cieków wodnych jest powszechnie znane. Aktualnie energia ta jest przekształcana do postaci energii elektrycznej przesyłanej w sieci elektroenergetycznej lub wykorzystywanej lokalnie. W przeszłości hydroenergia była użytkowana jedynie lokalnie do napędu prostych urządzeń mechanicznych; młynów czy tartaków. IEA (Międzynarodowa Agencja Energetyczna) nie wyodrębnia tutaj elektrowni wodnych o dużej mocy, mimo że te budowane były jako przedsięwzięcia komercyjne i nie wymagały, ani nie wymagają, dodatkowego wsparcia finansowego ze środków publicznych, jak ma to miejsce w przypadku małych hydroelektrowni. Wszystkie je zalicza do odnawialnych źródeł energii danego państwa.

 

 Dla Polski dominujące znaczenie ma hydroenergetyki maja dolna Wisła oraz Dunajec. W 1990 roku produkcja energii elektrycznej z energii wód w Polsce wynosiła 3,3 TW*h, a na świecie - około 2162 TW*h. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energetycznemu wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tak zwanych małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej .

 

Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na największą Polskę rzekę Wisłę. 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na samą Odrę. Pozostałe 1,8% na rzeki Pomorza. To bardzo duży i niewykorzystywany obecnie potencjał. Przed II wojną światową elektrownie wodne na rzekach pomorskich dostarczały energię elektryczną do portu morskiego w Gdyni, Kartuzom oraz mieszkańcom Gdańska i jego okolic.

 

Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym. Liderem i niedoścignionym wzorcem w tej dziedzinie jest Norwegia, uzyskuje z energii spadku wody 98% energii elektrycznej.

ENERGIA PŁYWÓW MORSKICH

Elektrownia pływowa - elektrownia wytwarzająca prąd elektryczny przy pomocy specjalnych urządzeń wykorzystujących przypływy i odpływy morza. Im są one większe, tym bardziej efektywna jest elektrownia. Jest lokowana w miejscach umożliwiających budowę zapór (z turbinami) między otwartym morzem a utworzonym zbiornikiem.

 

Elektrownie pływowe (hydroelektrownie) wytwarzają prąd elektryczny przy użyciu siły wód. Buduje się specjalne tamy, które powodują w określonych miejscach gwałtowny spadek mas wody. Woda spada wtedy na turbinę wyposażoną w specjalne łopaty ustawione pod odpowiednim kątem. Turbina wprawiona w ruch przekazuje swoja energię prądnicy, która wytwarza prąd. Ściślej mówiąc, aby umożliwić przemianę energii wód płynących do napędu silników wodnych (kół i turbin), spiętrza się wodę za pomocą budowli piętrzących (jazów lub przegród dolinowych). Uzyskany w danym przekroju rzeki przez spiętrzenie spad stanowi energię mechaniczną.

 

Silnik wodny napędza bezpośrednio maszyny robocze (np: maszyny młyńskie, tartaczne lub papiernicze) lub też prądnicę prądu elektrycznego. Zakłady złożone z budowli piętrzącej i silników wodnych nazywamy zakładami hydroenergetycznymi lub siłowniami wodnymi, a zakłady w których następuje przemiana energii mechanicznej w energię elektryczną, elektrowniami wodnymi. Są to zakłady energetyczne wykorzystują energię pływów (przypływów i odpływów morza). Olbrzymia, choć ilościowo dokładnie nieznana energia ożywia wody oceanów i mórz podczas pływów (dwa przypływy i dwa odpływy w ciągu doby). Różnica poziomów wody podczas przepływów i odpływów wynosi w niektórych miejscach kuli ziemskiej do 12 m, a średnia moc przypływu i odpływu jest oceniana ~10 trylionów KM, tj. 1012 KM.

 

Elektrownia tego typu nie może wytwarzać energii elektrycznej w sposób ciągły, ponieważ w okresie wyrównywania się poziomów wody w morzu i zbiorniku spad wody jest tak mały, że praca turbin jest nie możliwa. Z tego względu elektrownia tego typu powinna współpracować z elektrownia cieplną lub rzeczną elektrownią wodną, wytwarzającą energie elektryczną w okresie przerwy w pracy elektrowni przepływowej. Inne rozwiązanie problemu zapewnia ciągłej produkcji energii elektrycznej może polegać na pompowaniu wody do położonego wysoko zbiornika w okresie kiedy różnica poziomów wody w morzu i zbiorniku jest dostatecznie duża i wykorzystywaniu tej wody do poruszania turbin w okresie wyrównywania się poziomów w morzu i zbiorniku. Zakład hydroenergetyczny tego typu nazywa się pompowym.

 

W swym dolnym biegu rzeki są zbyt leniwe, aby budować na nich elektrownie wodne. Alternatywne źródło energii mogą tam stanowić pływy morskie. Siła pływów podobnie jak w zwykłej elektrowni wodnej obraca się turbinę , połączoną z generatorem. Jednak w niewielu tylko miejscach budowa takiej elektrowni jest opłacalna, gdyż elektrownie te cechują się znikomą rentownością. Jedna z istniejących, położona we Francji nad rzeką Rance, ma moc zaledwie 100MW, czyli 10 część tego, co duża elektrownia węglowa.

 

W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu.

 

Największa na świecie taka elektrownia znajduje się we Francji. Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10MW, a więc cała elektrownia ma moc 240MW. Pracuje od 1967 roku.

 

Takie elektrownie pracują również w Kanadzie, Chinach i byłym ZSRR, a są projektowane w Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Korei Południowej i Indiach. Dla ekonomii pracy elektrowni wykorzystujących pływy nie jest bez znaczenia, że ich okres eksploatacji jest liczony na 100 lat. Wadami elektrowni tych jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów wskutek wahań wody, a także utrudnianie wędrówek ryb w górę rzek.

 

Pomimo nieprzezwyciężonych wciąż trudności, naukowcu uważają, że zasoby energii pływów morskich należą do najpoważniejszych na świecie. Napływające w czasie w czasie przypływu wody są, jak już wspomniałam, zatrzymywane przez zaporę i wykorzystywane do napędzania turbin. Z kolei specjalnie skonstruowane przyrządy przetwarzają energię falową wody morskiej na energię elektryczną.

ENERGIA FAL MORSKICH

Energię fal morskich ludzkość próbuje wykorzystać już od 1799 roku, kiedy to po raz pierwszy zarejestrowano w Anglii patent z tej dziedziny. Sto lat później Amerykanin Wrigth zgłosił w urzędzie patentowym "motor poruszany falami", zaś w drugiej dekadzie naszego wieku uruchomiono pierwszą elektrownię tego typu w Bouchaux-Praceique we Francji. W sumie do dziś zarejestrowano ponad tysiąc patentów z Europy i Ameryki Pn. Przodują w tej dziedzinie kraje wyspiarskie-Japonia i Anglia.

 

Elektrownie wykorzystujące przetworzony ruch fal morskich, ze względu na lokalizację dzieli się na trzy grupy: nadbrzeżne, przybrzeżne - zazwyczaj osadzone na dnie w płytkich wodach (10-20 m głębokości) i morskie (ponad 40 m głębokości).

 

Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania fal morskich napędzających, a są to:

• turbiny wodne,

• turbiny powietrzne.

W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Instalacja taka pracuje od 1986 roku na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen, dając moc 350 kW.

Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC.

 

W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformie na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale morskie powietrze wprawia w ruch turbinę napędzająca generator. Instalacja taka pracuje również na norweskiej wyspie Toftestallen oraz na wybrzeżu szkockiej wyspy Islay, dając moc 75 kW. Instalacje tego typu mają nierzadko kilkadziesiąt km długości, dzięki czemu w pewnych sytuacjach spełniają drugi ważny cel, a mianowicie ochronę brzegu morskiego przed zniszczeniem (falochron). Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC.

Elektrownię typu MOSC znajdują się np. na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji, a Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy 2MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku. Elektrownie wykorzystującą fale morskie projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.

 

Oprócz tych rozwiązań znane są jeszcze tzw. "kaczki" i "tratwy", które wykorzystują pionowy i poziomy ruch wody morskiej.

ENERGIA CIEPLNA OCEANU

Technologia konwersji oceanicznej energii cieplnej (OTEC - ocean thermal energy conversion) wykorzystuje zmiany temperatury wód morskich na różnych głębokościach. W istocie OTEC umożliwia zamianę energii promieniowania słonecznego pochłoniętego przez te wody na energię elektryczną. Technologię tę można zastosować przy różnicy temperatur warstw wody minimum 36 F.

 

Dotychczas skonstruowano trzy typy układów OTEC: otwarty cykl, zamknięty cykl i cykl mieszany. W układzie otwartym, cieplejsza woda morska w pobliżu powierzchni, będąca czynnikiem roboczym, ulega odparowaniu w komorze próżniowej. Powstała para napędza turbinę niskiego ciśnienia sprzężoną z generatorem. Para wylotowa z turbiny skrapla się w kondensatorze wytwarzając odsoloną wodę. Kondensator chłodzony jest zimną wodą morską czerpaną z głębszych warstw. Do następnego cyklu używana jest nowa ilość wody morskiej. Zaletą tej technologii jest połączenie wytwarzania energii elektrycznej z odsalaniem wody morskiej.

 

W zamkniętym cyklu OTEC czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia. Ciepła woda morska powoduje odparowanie czynnika roboczego, którego pary napędzają turbinę niskiego ciśnienia. Zimna woda morska powoduje skroplenie par w kondensatorze, po czym skropliny te są użyte do następnego cyklu przemiany.

 

Z technologią OTEC naukowcy wiążą duże nadzieje, a mianowicie otwarty cykl OTEC zapewnia odsalanie wody na dużą skalę. Duże ilości energii dostarczane przez te układy umożliwią hodowlę niektórych cennych roślin i zwierząt w wodach oceanicznych. Innym zastosowaniem układów OTEC może być dostarczanie energii niezbędnej do uzyskiwania licznych cennych pierwiastków i związków śladowych zawartych w wodach morskich. Obecnie odzyskiwanie tych substancji śladowych jest nieopłacalne z powodu konieczności użycia wielkich ilości energii.

 

Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 ⁰C, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 ⁰C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.

TURBINY WODNE

Racjonalne wykorzystanie małych zasobów wody w Polsce wymaga modernizacji istniejących elektrowni wodnych oraz odbudowy i budowy nowych, zwłaszcza małych elektrowni wodnych.  Z uwagi na warunki hydrologiczne w kraju będą to głównie mikroelektrownie o spadach poniżej 10 m, a często poniżej 2 m.

  

Mikroelektrownie wodne (moc instalowana do 100 kW) to głównie elektrownie przepływowe. Niewielki zbiornik, który powstaje w wyniku piętrzenia rzeki, nie może być wykorzystywany do regulacji przepływu i mocy elektrowni. Zatem jej moc zależy od naturalnego chwilowego dopływu wody do elektrowni i jest ograniczona maksymalnym i minimalnym przełykiem zainstalowanej turbiny (lub rzadziej kilku turbin).

 

Jeżeli przepływ naturalny jest mniejszy od minimalnego przełyku turbiny, to elektrownia nie wykorzysta tej ilości wody do produkcji energii elektrycznej, a kiedy przepływ naturalny jest większy od przełyku maksymalnego, to różnica przepływu naturalnego i przełyku turbiny nie będzie wykorzystana.

Dobór turbiny

W małej energetyce wodnej są stosowane wszystkie rodzaje turbin wodnych. W Polsce w mikroelektrowniach wodnych, ze względu na niskie spady, wykorzystywane są turbiny reakcyjne (Francisa, Kaplana, Semi-Kaplana i śmigłowe) i rzadko akcyjno-reakcyjne (Michella-Banki) bądź w szczególnych przypadkach pompy w ruchu turbinowym.
Dobór turbin dla tego rodzaju elektrowni wodnych powinien być szczególnie staranny i uwzględniać zmienności przepływu wody tak, żeby była wykorzystana cała energia rzeki, a inwestor osiągnął maksymalny efekt ekonomiczny.

Turbina w układzie pionowym, w komorze otwartej

Turbina w układzie poziomym, z regulacją wewnętrzną, w komorze otwartej

 

Turbina w układzie poziomym, w obudowie spiralnej

 

Jednym z etapów procedury doboru turbin do projektowanej elektrowni jest wybór rodzaju turbiny.
Wybierając turbinę, należy uwzględnić następujące kryteria:

Koszty

Specyfiką inwestowania w mikroenergetyce wodnej jest obniżanie kosztów inwestycyjnych (koszty zakupu hydrogeneratora, zainstalowania i uruchomienia). Takie podejście jest uzasadnione tylko na wstępnym etapie projektowania elektrowni i można je sprowadzić do analizy porównawczej kosztu zakupu turbiny określonego rodzaju. Biorąc pod uwagę konstrukcję turbiny, najdroższe są te Kaplana, tańsze Francisa i śmigłowe, a najtańsze - o przepływie poprzecznym (Michella-Banki). W związku z powyższym (oraz w zakresie niskich spadów) do stosowania w mikroelektrowniach polecane są turbiny śmigłowe i o przepływie poprzecznym. Bezwzględne różnice w cenach, zwłaszcza mikroturbin, nie są jednak wyraźne, co może wynikać z faktu, że ok. połowę ceny turbiny stanowią koszty urządzeń regulacyjnych.

Spad turbiny H

Podstawowymi technicznymi kryteriami ilościowymi wyboru rodzaju turbiny są: spad turbiny H oraz wyróżnik szybkobieżności ns.
Poniżej podano wartości wyróżnika szybkobieżności, określonego jako prędkość obrotowa zredukowana na spad H=1 m i moc N=1 KM).

 

Dla spadów H=1 do 500 m i dynamicznych wyróżników szybkobieżności ns=50 do 450 stosowane są turbiny Francisa, dla H=1 do 70 m i ns=250 do 1200 - Kaplana lub śmigłowe i dla H=1 do 250 m i ns=50 do 120 - turbiny o przepływie poprzecznym.

 

Spad turbiny H wynika z wysokości piętrzenia na jazie Hz, zmniejszonej o straty hydrauliczne w urządzeniach doprowadzających wodę do turbiny oraz ze sposobu posadowienia turbiny (dotyczy wyłącznie turbin o przepływie poprzecznym). Do wyznaczenia wyróżnika szybkobieżności przyjmowany jest spad określony dla przełyku (przepływu) znamionowego (nominalnego) turbiny.

 

Instalowany przełyk Qi oraz zakres regulacji przełyku (przełyk minimalny Qmin i przełyk maksymalny Qmax)

Przełyk instalowany Qi wynika z warunków hydrologicznych rzeki i jest tak dobierany, aby uzyskać maksymalną produkcję energii elektrycznej przy możliwie niskich nakładach inwestycyjnych. Pełne wykorzystanie zmiennego przepływu rzeki jest możliwe wtedy, gdy turbina może być eksploatowana w szerokim zakresie regulacji przełyku.

Największy zakres regulacji (przy stałej prędkości obrotowej) mają turbiny Kaplana i o przepływie poprzecznym (z regulacją przełyku za pomocą dzielonej po szerokości, jednołopatkowej kierownicy lub przysłony obrotowej) Q t= 0,2 Qtmax do Qtmax. Natomiast mniejszy zakres maja turbiny Francisa - Q t = 0,3 Qtmax do Qtmax, a najmniejszy turbiny śmigłowe - Qt = 0,4 Qtmax do Qtmax.

 

W praktyce zakres regulacji jest na ogół węższy. Wynika to z konkretnej konstrukcji turbiny, jej posadowienia, własności regulatorów oraz generatora.

Prędkość obrotowa n i prędkość rozbiegu nr

Najlepiej jest, gdy turbina napędza generator bezpośrednio. W tych warunkach prędkość obrotowa turbiny będzie równa prędkości synchronicznej (dla generatorów synchronicznych) lub nieco wyższa (dla generatorów asynchronicznych). Ze wzrostem prędkości obrotowej rośnie wyróżnik szybkobieżności, maleją gabaryty turbiny, a tym samym mniejsze koszty inwestycyjne, ale zwiększa się wrażliwość na zatykanie turbiny.

 

Dla standardowych wykonań turbin prędkości znamionowe nz wynoszą: turbina śmigłowa nz = 75-100 1/min, turbina Kaplana nz = 75-150 1/min, turbina Francisa nz = 100-500 1/min, a turbina o przepływie poprzecznym nz = 50-1000 1/min.

 

Wyższe prędkości obrotowe dotyczą na ogół wysokich i bardzo wysokich spadów. Ponieważ w mikroelektrowniach wodnych są najczęściej stosowane generatory asynchroniczne (silniki klatkowe w ruchu generatorowym), konieczne jest użycie multiplikatorów.

 

Każdy rodzaj turbiny charakteryzuje się określoną prędkością rozbiegu nr. Jest ona krotnością prędkości obrotowej znamionowej nz i wynosi odpowiednio dla turbin: śmigłowych nr = (2-2.4)nz, Kaplana nr = (2,8-3,2)nz, Francisa nr = (1,8-2,2)nz, a dla turbin o przepływie poprzecznym nr = (1,8-2)nz.

 

Wyższe prędkości obrotowe (znamionowe i rozbiegu) podnoszą koszty hydrogeneratora ze względu na konieczne wzmocnienia konstrukcyjne (turbiny, przekładni i generatora) oraz zainstalowanie odpowiednich regulatorów do zabezpieczenia układu.

Sprawność ηt

Sprawności turbin stosowanych w małej energetyce wodnej wynoszą odpowiednio1: turbina Francisa ηt = 84 do 90%, turbina Kaplana i śmigłowa ηt = 84 do 90%, turbina o przepływie poprzecznym ηt = 78 do 84%. Sprawność turbiny zależy od jej wielkości (przełyku znamionowego). Na rysunku  przedstawiono zmianę sprawności w zakresie małych przełyków dla turbin o wysokim standardzie wykonania (krzywa a) i średnim standardzie wykonania (krzywa b).

 

W warunkach zmiennych przepływów ważna jest nie tylko wartość sprawności w znamionowym punkcie pracy, ale również zależność sprawności od przełyku (rys. 2). Wykresy opracowano na podstawie danych literaturowych3, 4 oraz badań własnych3. Płaskie charakterystyki są korzystniejsze - umożliwiają eksploatację turbiny z wysoką sprawnością w szerokim zakresie przepływów.

Własności kawitacyjne

Własności kawitacyjne turbiny charakteryzowane są za pomocą współczynnika kawitacji δk. Dla turbin reakcyjnych w standardowych wykonaniach współczynnik ten można oszacować w zależności od wyróżnika szybkobieżności (rys. 3). Turbiny o wyższych wyróżnikach szybkobieżności (Kaplana, śmigłowe) mają wyższe współczynniki kawitacji i w wielu przypadkach konieczne jest posadowienie turbiny poniżej zwierciadła wody, co znacząco podnosi koszty inwestycji i utrudnia eksploatację.

 
Poza wymienionymi powyżej kryteriami dobór turbiny może zależeć od realizowanej inwestycji. W przypadku odbudowy lub modernizacji istniejącej elektrowni ograniczenia będą dotyczyły gabarytów, konfiguracji (układu turbiny - pionowa, pozioma), zabudowy (komora otwarta, rurociąg, układ lewarowy itp.). Poniżej kilka wybranych przykładów konfiguracji i zabudowy turbin i ich cechy.

 

Turbina w układzie pionowym, w komorze otwartej (rys. 4) ma zwartą konstrukcję i zajmuje małą powierzchnię, co utrudnia przeglądy i naprawy. Turbina w układzie poziomym, z regulacją wewnętrzną, w komorze otwartej (rys. 5) ma większą powierzchnię zabudowy, co również sprawia, że trudne są przeglądy i naprawy. Natomiast turbina w układzie poziomym, w kadłubie spiralnym (rys. 6), pomimo większej powierzchni zabudowy zapewnia łatwość w dokonywaniu przeglądów i napraw.

Grunt to ekonomia

Właściwy wybór (w przestrzeni dobrze zdefiniowanych kryteriów) rodzaju turbiny zmniejsza zakres i koszty dalszych prac projektowo-konstrukcyjnych. Kolejnym etapem projektowania elektrowni jest ustalenie wielkości turbiny - dobór przełyku instalowanego. Zagadnienie to oraz procedury obliczeniowe zostały przedstawione w pracach6, 7. Ostatecznie optymalne rozwiązanie należy wybrać, obliczając roczną produkcję energii oraz odpowiednie wskaźniki ekonomiczne.

 

Prawidłowy dobór rodzaju i wielkości turbiny jest podstawowym warunkiem efektywności inwestycji, a w konsekwencji stymulatorem rozwoju dziedziny, ponieważ nietrafione inwestycje zmniejszają zainteresowanie potencjalnych inwestorów.

BUDOWA ELEKTROWNI WODNEJ

Elektrownia wodna (hydroelektrownia) to zakład przetwarzający energię kinetyczną wody na energię elektryczną.

Zapora

Nie jest niezbędna we wszystkich rodzajach hydroelektrowni, większość elektrowni wodnych posiada jednak zapory. Ta przegradzająca dolinę rzeki i spiętrzająca jej wody budowla może zostać wzniesiona w rozmaitych celach: dla utworzenia zbiornika rekreacyjnego, stawu hodowlanego, zbiornika przeciwpowodziowego, po to by zapewnić zaopatrzenie w wodę lub by nawadniać uprawy. Wiele zapór miało służyć innym celom niż produkcja elektryczności, zaś elektrownie wodne dobudowano do nich dopiero później. Przykładem może być 80 tys. zapór w Stanach Zjednoczonych, spośród których tylko 2400 służy produkcji energii elektrycznej.

Buduje się zapory ziemne, betonowe i - najrzadziej - kamienne. W Polsce najbardziej rozpowszechnione są zapory betonowe. Część zapory stanowią regulujące przepływ wody przelewy, umożliwiające żeglugę śluzy, przepusty, pozwalające przepływać tratwom i przepławki, dzięki którym ryby mogą wędrować w górę rzeki. W Polsce istnieje obecnie ponad 30 zapór o wysokości przekraczającej 200 m., ponieważ jednak wysokie zapory mają niekorzystny wpływ na środowisko, coraz częściej rezygnuje się z nich na rzecz zapór mniejszych.
Nie każda hydroelektrownia wyposażona jest w zaporę, częścią każdej jest jednak sprzęgnięta z generatorem energii elektrycznej turbina wodna.

Turbina wodna

Zwana jest też silnikiem wodnym rotodynamicznym bądź też turbiną hydrauliczną. Turbina wodna to silnik, przetwarzający mechaniczną energię przepływającej przezeń wody na użyteczną pracę mechaniczną. W zależności od kierunku przepływu wody wyróżnia się turbiny wodne osiowe, diagonalne (skośne), promieniowe i styczne, zaś ze względu na przetwarzanie energii turbiny dzieli się na akcyjne, przetwarzające tylko energię kinetyczną wody i reakcyjne, które poza energią kinetyczną przetwarzają także energię ciśnienia. Wybór odpowiedniej turbiny zależy od wysokości spadu i ilości wody, którą dysponuje dana elektrownia.

Turbiny akcyjne są zazwyczaj stosowane w elektrowniach o wysokim spadzie, przykładem może być używana w rzadko występujących w Polsce elektrowniach o najwyższym spadzie turbina Peltona. Dla niższych spadów odpowiedniejsze są turbiny reakcyjne, na przykład najpopularniejsza i najstarsza turbina Francisa, która znajduje zastosowanie w elektrowniach o średnio wysokim spadzie (od kilkunastu do kilkuset metrów) czy wyposażona w ruchome łopatki, skomplikowana turbina Kaplana, używana przy spadach niskich (do kilkunastu metrów).

Generator

Turbina wodna zamienia energię kinetyczną na mechaniczną, zaś połączony z turbiną generator z energii mechanicznej wytwarza - czyli generuje - energię elektryczną. Praca generatora, zwanego także prądnicą opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej odkrytym w 1831 roku przez brytyjskiego uczonego Michaela Faradaya, który zaobserwował, że przez poruszający się w obrębie pola elektromagnetycznego przewodnik elektryczny - na przykład miedziany drut - zaczyna przepływać prąd. Tak jest też w generatorze, w którego ruchomej części zwanej wirnikiem znajdują się przewody elektryczne, obracające się na wytwarzającej silne pole elektromagnetyczne żelaznej ramie. Wirnik jest wprawiany w ruch przy pomocy turbiny, poruszającej się z kolei dzięki energii kinetycznej spadającej wody.

Linie przesyłowe

Wyprodukowaną w elektrowni energię elektryczną transmitują na miejsce odbioru linie przesyłowe. Elektryczność nie trafia jednak do naszych domów i zakładów pracy bezpośrednio z miejsca produkcji, prąd ma bowiem niekiedy zbyt niskie napięcie, by można go było efektywnie przesyłać na dalekie dystanse. Podczas transmisji część energii elektrycznej przekształca się w ciepło i jest tym samym tracona, straty są zaś tym większe, im większy jest ładunek elektryczny prądu. By zminimalizować straty energii, elektryczność kieruje się najpierw do stacji transformatorów, które odpowiednio zwiększają jej napięcie. Ponieważ moc jest wynikiem pomnożenia napięcia przez ładunek elektryczny, a straty energii związane są właśnie z ładunkiem, opłaca się transmitować prąd o niższym ładunku i o wyższym napięciu. Taki prąd nie nadaje się jednak do użytku i dlatego nim zostanie rozdystrybuowany, jego napięcie musi zostać odpowiednio obniżone w stacjach przekaźnikowych.

ENERGIA WIATROWA

Energia wiatru jest jednym z najstarszych odnawialnych źródeł energii wykorzystywanych przez człowieka. Jej historia zaczyna się ponad 2500 lat temu od wiatraków nawadniających pola uprawne, następnie młynów wiatrowych oraz holenderskich tartaków napędzanych siłą wiatru. Obecne turbiny wiatrowe przekształcają prędkość przepływu powietrza (siłę wiatru) na energię elektryczną za pośrednictwem wiatraków z długimi najczęściej trzema łopatami.

 

Opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz, generują uciążliwy hałas, oraz stanowią zagrożenie dla ptaków (urazy mechaniczne oraz zakłócenia w ptasiej nawigacji). Dlatego też przyszłość elektrowni takiego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny mogą być dobrym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.

Wykorzystanie energii wiatrowej

Przed decyzją o wyborze miejsca na siłownię wiatrową należy przeprowadzić szczegółowe badania siły wiatru w wybranym pod inwestycję miejscu. Badania i pomiary takie powinny trwać nie krócej niż rok, a pojedyncze badania powinny byś przeprowadzone w tym okresie częstotliwością co 10 min. Na tej podstawie w odniesieniu do turbin jakie mają być zainstalowane można w miarę dokładnie określić wielkość produkcji energii.

 

Energia wiatru zależy od jego prędkości w trzeciej potędze w związku z tym niezwykle ważnym aspektem jest miejsce lokalizacji wiatraków. Dogodne miejsca to takie gdzie częstości występowania silnych wiatrów 10-20 m/s jest najwyższa. Wysoce zaawansowane wiatraki prądotwórcze pracują przy prędkości wiatru od 3 do 30 m/s. Dla turbiny wiatrowej o mocy 1 MW minimalna średnioroczna prędkość wiatru gwarantująca opłacalność inwestycji to 5 m/s. Aby uzyskać 1 MW mocy, poza odpowiednią siłą wiatru, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów.
Konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet 1 GW. Uzyskanie tej samej mocy wymaga użycia 1000 generatorów wiatrowych. W celu optymalnego wykorzystania miejsc w których występują korzystne warunki lokalizacyjne budowane są elektrownie wiatrowe składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin - tzw. farmy wiatrowe.

 

W Polsce średnia prędkość wiatrów wynosi 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w zimie tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 5m/sek, co stanowi absolutne minimum do zasilania turbin wiatrowych. Konsekwencją niskiej wietrzności jest to, że elektrownia wiatrowa wybudowana w Danii dostarczy 100 kW, podczas gdy taka sama elektrownia wybudowana w rejonie Szczecina dostarczy tylko 17,3 kW. Tylko nad Bałtykiem w okolicach Darłowa, Pucka i Kołobrzegu, w okolicach Suwalszczyzny oraz na Podkarpaciu można mówić o korzystnych warunkach pod względem lokalizacji farm wiatrowych. Tam też wiatraki stanowią stały element krajobrazu. Specjaliści z Politechniki Szczecińskiej twierdzą wręcz, że rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski jest i będzie w przyszłości mała. Problem ciszy wiatrowej dotyka także niemieckich fermy wiatrowe licznie lokalizowanych wzdłuż granicy z Polską. 16 tysięcy turbin wiatrowych, zainstalowanych w całych Niemczech, mogących produkować do 15% zapotrzebowania na energię elektryczną, jednak problemy ze zjawiskiem ciszy wiatrowej powodują, że produkują zaledwie 3%.

 

Problemy energetyki wiatrowej w Polsce dodatkowo potęgują kłopoty wynikające z polityki energetycznej firm - odbiorców energii. Żądają one zapewnienia stałej wielkości dostaw oraz fakt, że na terenie Niziny Szczecińskiej istnieje zespół elektrowni konwencjonalnych zaspokajających potrzeby tego regionu, a przesył energii ze względu na straty jest nieopłacalny. Rozwojowi energetyki wiatrowej w Polsce wydają się też nie sprzyjać przepisy prawne - szacuje się, że same wydatki dot. uzyskania pozwolenia na budowę wiatraków często stanowią nawet 25% kosztów ogólnych uruchamiania elektrowni wiatrowej, natomiast możliwość uzyskania kredytów na taką budowę jest w Polsce niewielka.

 

Pomimo tych wszystkich (mniejszych i większych) kontrowersji, Niemcy w Zatoce Pomorskiej chcą zbudować jedną z największych na świecie farm wiatrowych: 35 kilometrów na wschód od Rugii ma stanąć ok. 200 zakotwiczonych w dnie morskim wiatraków, których łączna moc zainstalowana ma docelowo wynieść ok. 1 GW. Projektanci tego przedsięwzięcia zapewniają, że zadbali o to, by wiatraki nie kolidowały z trasami przelotu ptaków ani z międzynarodowymi szlakami żeglugi. Całość ma być ukończona do 2010 roku.

WIATRAKI ENERGETYCZNE

Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń produkujących energię elektryczną, wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe. Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż, pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.

 

Światowym potentatem w produkcji energii wiatrowej są Niemcy (ok. 40% produkcji w skali całego globu).

 

Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet 1GW (gigawata), tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin - tzw. farmy wiatrowe. Na polskim wybrzeżu Bałtyku oddano do użytku w 2006 roku taką farmę w miejscowości Tymień (25 wiatraków o mocy 2 MW każdy = 50 MW).

 

Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz, generują uciążliwy hałas, oraz stanowią zagrożenie dla ptaków (urazy mechaniczne oraz zakłócenia w ptasiej nawigacji). Dlatego też przyszłość elektrowni takiego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny mogą być dobrym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.

Elektrownia wiatrowa w Pucku

Oceny mocy wiatru dokonywane są globalnie na podstawie pomiarów i wyników modeli numerycznych. Archer i Jacobson (2003, 2006) opracowali mapy mocy wiatru na wysokości 80 m. Lokalnie oceny wiatru dokonuje się używając mezoskalowych modeli numerycznych, które pozwalają na zejście do skali 2-10 km, a oceny mocy wiatru na skali 100-200 m dokonuje się za pomocą prostszych modeli, często uwzględniających lokalne warunki topograficzne (Pinard i inni, 2005). W Polsce tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 4m/sek, co uznawane jest za minimum, aby mogły pracować urządzenia prądotwórcze wiatraków energetycznych. Średnia prędkość wiatrów wynosi 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w zimie. Konsekwencją niskiej wietrzności jest to, że elektrownia wiatrowa wybudowana w Danii dostarczy 100 kW (kilowatów), podczas gdy taka sama elektrownia wybudowana w rejonie Szczecina dostarczy tylko 17,3 kW. Na terenie Polski przeważają strefy ciszy wiatrowej, czego doświadczyli ponoszący straty posiadacze kilku elektrowni wiatrowych. Tylko nad Bałtykiem, w okolicach Suwalszczyzny oraz na Podkarpaciu można mówić o jakimkolwiek rozwoju wiatraków. Polskimi "zagłębiami wiatrowymi" są przybrzeżne pasy w okolicach Darłowa i Pucka. Specjaliści z Politechniki Szczecińskiej twierdzą wręcz, że rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski jest i będzie w przyszłości mała, co jednakże nie przeszkadza Niemcom budować licznych farm wiatrowych (na każdej liczba turbin idzie w dziesiątki) wzdłuż granicy z Polską. Jednakże i oni mieli już okazję zetknąć się z tym problemem - w 2003 roku upalne lato nad większością obszaru Europy spowodowało ciszę wiatrową o rozmiarach klęski: stanęły wiatraki, i gdyby nie konwencjonalne źródła energii, na wielu terenach zabrakłoby prądu. Problem ciszy wiatrowej wydaje się być niedocenianą do tej pory przeszkodą w planach wykorzystania energii wiatru - w Niemczech istnieje ok. 16 tysięcy turbin wiatrowych, mogących produkować do 15% zapotrzebowania na energię elektryczną, jednak problemy ze zjawiskiem ciszy wiatrowej powodują, że produkują tej energii zaledwie 3%.

Wpływ na klimat

Elektrownie wiatrowe mogą wpływać na lokalny klimat - większe skupiska wiatraków mogą być przyczyną zmniejszenia prędkości wiatru (Roy i inni, 2004). Keith i inni (2004) oceniają, że bardzo duże ilości energii generowane przez elektrownie wiatrowe mogą wpływać na klimat w skali kontynentalnej, ale mają minimalny wpływ na zmiany temperatury.

Kontrowersje  

Zdaniem przeciwników elektrownie wiatrowe, jako uzależnione od warunków pogodowych, wymuszają na tradycyjnej energetyce utrzymywanie rezerwy mocy, tak aby w każdej chwili można było zastąpić lub uzupełnić spadek mocy dostarczanej przez elektrownie wiatrowe. Duża bezwładność czasowa elektrowni cieplnych, oraz uwarunkowania techniczne sprawiają, że muszą one pracować z pewną mocą mimo że moc w nich produkowana nie jest potrzebna. Gdy wieje wiatr i elektrownie wiatrowe wytwarzają moc elektryczną, prowadzi do spalania mniejszej ilości węgla, a co za tym idzie mniejszej emisji gazów cieplarnianych. Sumarycznie ilość spalonych paliw kopalnych potrzebnych do budowy systemu elektrowni wiatrowych i konwencjonalnych oraz zużyte w trakcie pracy nie jest mniejsze od budowy i pracy nowoczesnego zakładu energetycznego.

 

Jednym z argumentów na rzecz budowania elektrowni wiatrowych na świecie był problem konieczności zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Jednak z ostatnich raportów organizacji Greenpeace wynika, że rozwój energetyki wiatrowej jest, jak na razie, jednym z najdroższych sposobów i wcale nie najefektywniejszym rozwiązywania tego problemu. Znacznie tańszym sposobem obniżenia emisji dwutlenku węgla jest zastąpienie części elektrowni węglowych elektrowniami jądrowymi. Mamy więc do wyboru droższą w produkcji energię elektryczną ze źródeł odnawialnych i jej niskie koszty środowiskowe lub tańszą energię elektryczną ze spalania węgla obarczoną wysokimi kosztami środowiskowymi lub energetykę jądrową mającą zerową emisję gazów cieplarnianych i związków toksycznych lecz z nie rozwiązanym do końca problemem przechowywania odpadów radioaktywnych, oraz zagrożeniem skażeniem radioaktywnym w wyniku uszkodzenia reaktora w tym szczególnie w wyniku ataku terrorystycznego.

 

Problem też stanowi fakt, iż wg niektórych badań farmy wiatrowe poważnie zagrażają ptactwu, zaś wzdłuż Odry przebiega szlak ich sezonowych wędrówek południkowych. Na ten problem zwracają też uwagę światowi ekolodzy, m.in. ze Szkocji i USA. Stwierdzono, że szkockie elektrownie wiatrowe przyczyniają się do ginięcia zagrożonych gatunków ptactwa (m.in. sokołów, orłów i latających na małych wysokościach drzemlików), a amerykańska organizacja pozarządowa Center for Biological Diversity policzyła, że turbiny jednej tylko lokalnej elektrowni wiatrowej zabijają corocznie nawet do 1,3 tys. latających ptaków drapieżnych. Z innych badań (m.in. duńskich, niemieckich i holenderskich) wynika natomiast, że ptaki potrafią się znakomicie dostosować do pojedynczych elektrowni wiatrowych jak i potężnych farm wiatrowych. Jeśli na drodze przelotu ptaków pojawiają się nowe elektrownie wiatrowe (bądź inne elementy mogące stanowić potencjalne zagrożenie), ptaki omijają je szerokim łukiem wykluczając możliwość kolizji lub znacznie zmniejszając możliwość jej wystąpienia. Znane są także przypadki, że ptaki niektórych gatunków zakładały gniazda na gondolach elektrowni wiatrowych, co stanowi silny dowód, że nie dochodziło do kolizji tego gatunku z łopatami wirnika turbiny wiatrowej.

Ponadto farmy wiatrowe szpecą krajobraz i nie pozwalają na wykorzystanie terenów np. w zakresie agroturystyki. Faktycznie tereny zajęte przez farmy wiatrowe mogą być używane jedynie rolniczo czy przemysłowo, a krajobraz będący elementem chronionym prawnie pozostaje przez nie zniszczony - m.in. nie jest de facto możliwe budowanie farm w parkach krajobrazowych.

 

Farmy wiatrowe emitują także pewien hałas. Hałas obecnie uznawany jest za zanieczyszczenie, więc wiatraki uniemożliwiają zabudowę terenu w ich najbliższym otoczeniu.

 

Oprócz typowego hałasu (w zakresie słyszalnym) generowane są często (ale tylko w starszych konstrukcjach) przez niektóre elementy konstrukcyjne turbiny wiatrowej, zwłaszcza łopaty, tzw. infradźwięki, czyli fale w zakresie częstotliwości mniejszych, od słyszalnych. W początkowym okresie rozwoju turbin wiatrowych były one rzeczywiście uciążliwe dla sąsiedztwa. Jednak zaostrzenia prawne i szybki rozwój w tej dziedzinie doprowadził do uzyskania konstrukcji prawie nie emitujących infradźwięków.

 

Zauważono również, że ludzi mieszkających w pobliżu wiatraków bardzo denerwują światła ostrzegawcze migające nocą oraz błyski słoneczne odbijające się od łopat wiatraków w dzień (tzw. "efekt disco"). Dlatego nowoczesne turbiny wiatrowe wykonywane są z materiałów matowych, minimalizujących odbijanie światła słonecznego.

 

W Polsce dodatkowym elementem utrudniającym zaistnienie tego źródła energii są kłopoty wynikające z polityki energetycznej firm-odbiorców energii, które żądają zapewnienia stałej wielkości dostaw oraz fakt, że na terenie Niziny Szczecińskiej istnieje zespół elektrowni zaspokajających potrzeby tego regionu, a przesył energii ze względu na straty jest nieopłacalny. Rozwojowi energetyki wiatrowej w Polsce wydają się też nie sprzyjać przepisy prawne - szacuje się, że same wydatki dot. uzyskania pozwolenia na budowę wiatraków często stanowią nawet 25% kosztów ogólnych uruchamiania elektrowni wiatrowej, natomiast możliwość uzyskania kredytów na taką budowę jest w Polsce niewielka.

 

Pomimo tych wszystkich (mniejszych i większych) kontrowersji, inwestorzy z Niemiec w Zatoce Pomorskiej chcą zbudować jedną z największych na świecie farm wiatrowych: 35 kilometrów na wschód od Rugii ma stanąć ok. 200 zakotwiczonych w dnie morskim wiatraków, których łączna moc zainstalowana ma docelowo wynieść ok. 1 GW. Projektanci tego przedsięwzięcia zapewniają, że zadbali o to, by wiatraki nie kolidowały z trasami przelotu ptaków ani z międzynarodowymi szlakami żeglugi. Całość ma być ukończona do 2010 roku.

 

W jednym z raportów Greenpeace przedstawiono obliczenia, z których wynika, że do roku 2020 elektrownie wiatrowe będą produkować ok. 12% całkowitej energii elektrycznej.

BUDOWA TURBINY WIATROWEJ

Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę. Przekładania połączona jest z wałem szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem.

 

Generator, przekładnia, a także monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieży o wysokości od 30 do 100 m. Na szczycie wieży znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru. Budowa siłowni wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie prostsza. Nie posiadają one na przykład mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja umożliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika.

Turbiny wiatrowe są wyposażone w układ kontroli, który pozwala uniknąć mechanicznego uszkodzenia elektrowni i umożliwia jak najefektywniejsze wykorzystywanie jej potencjału. Na przykład turbiny wiatrowe na farmie w Crookwell w australijskiej prowincji Południowa Nowa Walia (nawiasem mówiąc, była to pierwsza australijska farma wiatrowa podłączona do sieci energetycznej) są wyłączane, gdy prędkość wiatru przekracza 72 km/h. Komputerowy system kontroli, korzystający z danych dotyczących kierunku i prędkości wiatru pozwala im także kierować się zawsze w odpowiednią stronę.

Rodzaje turbin

Turbiny o poziomej osi obrotu

Najbardziej rozpowszechnione są turbiny o poziomej osi obrotu, składające się z wysokiej wieży, zakończonej przypominającym śmigło wirnikiem. Wirnik posiada zwykle trzy łopaty, choć istnieją także konstrukcje, w których łopat jest mniej - dwie lub nawet jedna - bądź więcej - przykładem mogą być kilkunastołopatowe wiatraki amerykańskie, używane do napędzania pomp wodnych. By osiągnąć maksymalną efektywność, turbiny o poziomej osi obrotu muszą być zwrócone dokładnie w kierunku wiatru, umiejscowienie wirnika w stosunku do wiejącego wiatru może być jednak różne. Wśród turbin o poziomej osi obrotu wyróżnia się:

• turbiny, w których wirnik znajduje się przed masztem

• i turbiny, o wirniku zamocowanym za masztem.

To ostatnie rozwiązanie nie jest zbyt popularne z uwagi na straty powodowane częściowym zacienianiem wirnika przez maszt.

Turbiny o pionowej osi obrotu

Niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych stanowią turbiny o pionowej osi obrotu. Ich przykłady to:

• przypominająca z wyglądu trzepaczkę do ubijania piany turbina Darrieusa, wynaleziona we Francji w latach 20. minionego wieku oraz

• wynaleziona w Finlandii turbina Savoniusa, która widziana z góry kształtem przypomina literę „s”.

Turbina ta nie powinna być stosowana w rejonach o nie najlepszych warunkach wiatrowych, ponieważ nie może osiągać prędkości większej, niż prędkość wiejącego w danej chwili wiatru. Mniej wydajna niż turbina o poziomej osi obrotu, osiągająca małe prędkości turbina Savoniusa nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej, może być za to wykorzystywana do mielenia ziarna, pompowania wody i wielu innych zadań.

Generatory

Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposażona w stosowane w siłowniach wiatrowych o stałej prędkości obrotowej generatory asynchroniczne. Zaletą tego typu siłowni jest łatwość podłączenia do sieci energetycznej, wadą zaś konieczność używania przekładni o dużym stopniu przełożenia - największą moc użyteczną generatory asynchroniczne wytwarzają bowiem przy prędkości obrotowej znacznie przekraczającej prędkość obrotową wirnika. Inny minus takich rozwiązań to spadek ogólnej sprawności elektrowni, wywołany stałą prędkością obrotową wirnika niezależną od prędkości wiatru, a także fakt, że przekładnie o dużym stopniu przełożenia stanowią najbardziej awaryjny i hałaśliwy zespół siłowni wiatrowej.

 

Przekładnia nie jest potrzebna, gdy wykorzystuje się generatory o zmiennej prędkości obrotowej, które wytwarzają moc użyteczną przy małych prędkościach obrotowych i mogą być podłączone bezpośrednio do wirnika. Dzięki małym prędkościom obrotowym i wyeliminowaniu przekładni, tego typu konstrukcje są prostsze, nie zużywają się tak szybko i nie emitują tak dużego hałasu. Zmienne obroty natomiast zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Słabą stroną takich rozwiązań jest jednak konieczność stosowania przemienników napięcia i częstotliwości, bez których niemożliwe byłoby podłączenie elektrowni do sieci. Parametry energii elektrycznej, wytwarzanej przez generatory o zmiennej prędkości obrotowej różnią się bowiem od parametrów sieci energetycznej.

Turbina mała czy duża?

Moc zainstalowana współczesnych parków wiatrowych dochodzi nawet do setek MW. Wraz z jej wzrostem zwiększa się także moc i - co za tym idzie - rozmiar pojedynczych turbin, produkujących energię elektryczną o wartości nawet kilku MW i zamocowanych na wieżach, których wysokość sięga aż 100 m. Tak duże turbiny wiatrowe wymagają jednak szczególnie dobrych warunków wiatrowych i rozległych niezabudowanych terenów. Nie wszędzie występują takie warunki, poza tym stosowanie dużych turbin wiatrowych pociąga za sobą pewne problemy.

Duże turbiny wiatrowe:

• „zanieczyszczają wizualnie środowisko”, czyli po prostu szpecą krajobraz,

• emitują uciążliwy monotonny hałas, a także

• stanowią zagrożenie dla ptaków i nietoperzy.

Gdy panujące w danym miejscu warunki nie pozwalają na wykorzystywanie dużych turbin wiatrowych lub, gdy inwestorowi zależy na uniknięciu wyżej wymienionych problemów, rozwiązaniem pozostaje stosowanie turbin małych, o mocy od 0,1 do 100 kW. Pracują one cicho, nie stwarzają niebezpieczeństwa dla ptaków i nie tylko nie szpecą otoczenia, lecz mogą wręcz podnosić jego walory estetyczne, stanowiąc część dekoracyjnych elementów architektonicznych. Poza tym niektóre miejsca szczególnie sprzyjają wykorzystaniu małych turbin wiatrowych.

Turbiny te sprawdzają się zwłaszcza:

• na terenach o mniej korzystnych warunkach wiatrowych, gdzie potrzebne są niewielkie ilości energii elektrycznej,

• na obszarach trudno dostępnych - zaletą małych turbin wiatrowych jest bowiem ich przenośna konstrukcja,

• na dalekiej północy, gdzie ilość światła jest niewielka i małe turbiny wiatrowe efektywniej niż ogniwa fotowoltaiczne zasilają stacje telefonii komórkowej,

• w warunkach ekstremalnych, przy bardzo silnych wiatrach, w skrajnych temperaturach. Małe turbiny wiatrowe o pionowej osi i mocy około 10 kW wytrzymują nawet cyklony, sztormy i burze piaskowe, mogą też pracować w temperaturach od -50 do 50 st. C. Tego typu rozwiązania były testowane we włoskich Alpach, gdzie na wysokości 3150 m. n.p.m. prędkość wiatru sięga ponad 250 km/h.

W fazie projektu jest koncepcja wykorzystania małych turbin wiatrowych na terenach zabudowanych, gdzie budynki mają pełnić rolę koncentratorów prędkości wiatru. Turbina wiatrowa byłaby umieszczana bądź w najwęższym miejscu między zabudowaniami, bądź też na dachu budynku, gdyż - jak wykazują symulacje komputerowe - kilka metrów nad dachem prędkość wiatru jest o 30% większa niż na tej samej wysokości na terenie niezabudowanym.

Małe turbiny wiatrowe można z powodzeniem wykorzystywać:

• na jachtach i łódkach,

• do podświetlania tablic informacyjnych nocą,

• do zasilania systemów sygnalizacyjnych,

• do zasilania systemów pomiarowych,

• do ładowania baterii.

Wraz z postępem technicznym wydajność turbin wzrasta. Na przykład jedna z firm ma w swojej ofercie wysokie na 2,4 m turbiny o powierzchni 2,973 m2, które przy wietrze wiejącym z prędkością 5 m/s produkują 57 W mocy, zaś przy wietrze o prędkości 14 m/s wytwarzają już 1259 W.

Dlaczego elektrownie wiatrowe hałasują?

Głównym „sprawcą” hałasu emitowanego przez elektrownie wiatrowe są łopaty wirnika, które obracając się natrafiają na opór powietrza, poza tym do powstawania uciążliwego szumu przyczynia się także układ przeniesienia mocy, czyli wirnik, przekładnia i generator. Im większa moc elektrowni, im starsza technologia, im mniej aerodynamiczna konstrukcja łopat, tym większy hałas, powodowany przez turbinę. Redukcji poziomu hałasu, który jest szczególnie dokuczliwy przy wietrze o małych i średnich prędkościach służy stosowanie nowoczesnych technologii (współczesne turbiny wiatrowe pracują ciszej od swych poprzedniczek), by zaś zneutralizować wpływ hałasu na ludzi należy zachować odpowiedni dystans między elektrownią wiatrową a zabudową mieszkaniową. Polskie prawo wymaga, by hałas emitowany w porze nocnej na obszarach zabudowy jednorodzinnej i na terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych poza miastem nie przekraczał 40 decybeli.

BUDOWA TURBINY WIATROWEJ DOMOWYM SPOSOBEM

Artykuł ten jest poświęcony elektrowni wiatrowej małej mocy, którą zbudowałem wraz z kolegą Pawłem Zygą na pracę dyplomową do Technikum Mechanicznego w Hrubieszowie. Elektrownia ta może nie jest wspaniałą budowlą ale pozwoliła na zebranie pewnych doświadczeń i wiedzy na temat budowy elektrowni wiatrowych.

1. WIRNIK, PIASTA SKRZYDŁOWA, WAŁ SKRZYDŁOWY I PRZEKŁADNIA

Wirnik opisywanego wiatraka składa się z 12 jednakowych skrzydeł. Skrzydła te wykonane są z blachy aluminiowej o grubości 3mm. Skrzydło ma kształt trapezu prostokątnego o wymiarach 1000x200 mm.

Rolę dźwigara, czyli elementu nośnego skrzydła spełnia rura stalowa o średnicy 3/4". Jest to rura bez szwu, o długości 1m. Rura ta narażona jest podczas pracy na rozrywanie, zginanie i skręcanie, dlatego na dźwigar należy wykorzystywać tylko elementy nowe i dobre gatunkowo. Do każdego dźwigara przymocowane są trzy płaskowniki (o długości 100mm każdy), do których przytwierdzone jest skrzydło za pomocą śrub.

Skrzydła nie pokrywają środkowej części wirnika. Zmniejsza to nieznacznie moc wiatraka, lecz jednocześnie obniża osiowy napór i koszt wytwarzania. Optymalny kąt skręcenia skrzydeł wynosi 29°. Piasta jest częścią wirnika osadzoną na wale lub osi, do której przymocowane są skrzydła. Korpus piasty wykonano z blachy stalowej o grubości 10mm. Jest on przymocowany śrubami do tarczy wału skrzydłowego. Skrzydła na dźwigarach przytwierdzone są do płyty za pomocą uchwytów. Piastę naszej konstrukcji i jej elementy dostosowano do osadzenia na półosi tylnego mostu samochodu osobowego "FIAT 125p". Jest ona zamocowana na miejscu koła samochodu, natomiast na końcu wału napędowego umieszczone jest koło pasowe napędzające alternator.

Wał skrzydłowy, na którym osadzone jest piasta oraz łożyska, przenosi moment obrotowy oraz inne siły działające na wirnik, wynikające z jego ciężaru, parcia wiatru i momentu od sił żyroskopowych.

Ze względu na wykorzystanie tylnego mostu samochodu osobowego wał skrzydłowy jest częścią tego mostu. W rozwiązaniu tym osią wirnika jest rurowa pochwa tylnego mostu, która narażona jest na obciążenia podobne jak w przypadku wirnika.

2. UKŁAD STEROWY: MECHANIZMY ZATRZYMYWANIA I ZABEZPIECZENIA PRZECIW BURZOWEGO

Do ustawiania zespołu wiatraka zgodnie z kierunkiem wiatru służy ster ogonowy. Wykonany jest on z blachy aluminiowej o grubości 3mm, przytwierdzonej do wysięgnika z rury stalowej bez szwu (1 3/4"). Ster ten osadzony jest przegubowo i przytrzymywany w położeniu osiowym (zgodnie z osią koła wiatrowego) łańcuchem regulacyjnym. Oprócz steru głównego, do głowicy przymocowany jest pod kątem prostym do osi wirnika ster boczny (również wykonany z blachy aluminiowej, przytwierdzonej do rury stalowej bez szwu o grubości 13/4"). Jego zadaniem jest (w przypadku nadmiernej prędkości wiatru) obrócenie głowicy o 90°, czyli ustawieniu płaszczyzny wirnika równolegle do kierunku wiatru przez rozciągnięcie łańcucha regulacyjnego. Po zmniejszeniu prędkości wiatru, łańcuch wraz z podwieszonym ciężarem ustawi ster główny w położeniu pracy.

Zatrzymanie wiatraka w celu dokonania przeglądów lub wyłączenia go z eksploatacji można uzyskać przez ustawienie płaszczyzny wirnika równolegle do kierunku wiatru. Należy wtedy pociągnąć za linkę zatrzymującą, co spowoduje ustawienie steru głównego pod kątem 90° do osi wirnika, a równolegle do steru bocznego.

3. POMOST OBROTOWY (GŁOWICA WIATRAKA) I WIEŻA

Pomost obrotowy, czyli głowica wiatraka - jest to konstrukcja mogąca obracać się wokół osi pionowej, umieszczona na wierzchołku wieży, do której umocowane są mechanizmy wiatraka. Obrót głowicy powodowany jest przez mechanizm orientacji.

Jako pomost obrotowy wykorzystano część tylnego mostu samochodu ciężarowego "Lublin", na którym osadzono pozostałe elementy.

Wieża siłowni wiatrowej ma kształt ostrosłupa ściętego o podstawie czworokąta, poszerzonego na dole i jest wyposażona w drabinę. Wieża ta ma 8 m wysokości i jest to konstrukcja spawana. Materiałem, który posłużył do jej budowy są kątowniki stalowe. Jako ochronę odgromową wieży zastosowano uziemienie wykonane z linki stalowej połączonej z uziomem zakopanym w ziemi.

ROZWIĄZANIA - Uzasadnienie przyjętych rozwiązań

1. Ustawienie wirnika przed masztem przyjęto dla uniknięcia drgań skrzydeł, które mogą być wzbudzane przy każdym obrocie wskutek przejścia skrzydła przez "cień" aerodynamiczny masztu, jeśli koło wiatrowe jest za nim. Umieszczenie wirnika przed masztem umożliwia także zastosowanie zabezpieczenia przeciwburzowego za pomocą steru bocznego.

2. Dwunastoskrzydłowy wirnik zastosowano ze względu na pracę wirnika przy małej prędkości wiatru (od 2 m/s) oraz dla uniknięcia niepożądanych drgań i naprężeń.

3. Stałe zamocowanie skrzydeł w piaście przyjęto jako bardziej niezawodne, łatwiejsze i tańsze w wykonaniu od skrzydeł zamocowanych obrotowo.

4. Ustawienie na wiatr (orientacja) za pomocą steru głównego w postaci płata na wysięgniku zastosowano w konsekwencji umieszczenia wirnika przed wieżą oraz przyjętego systemu zabezpieczenia przeciw burzowego. Dla długości steru ok. 4 m możliwe jest zastosowanie wysięgnika w postaci rury grubościennej 11". Taka konstrukcja jest tania i prosta.

5. Zabezpieczenie przeciw burzowe za pomocą steru bocznego, odwracającego wirnik bokiem do wiatru po przekroczeniu określonej prędkości wiatru (ok. 10 m/s). Konstrukcja prosta i tania, jak również niezawodna w działaniu.

6. Przekładnia zębata zamknięta w skrzyni olejowej, z kołami zębatymi o zębach krzywoliniowych powodujących cichobieżność pracy przekładni.

7. Funkcję głowicy obrotowej umieszczonej na wierzchołku wieży spełnia część mostu tylnego samochodu ciężarowego "Lublin". Obrót głowicy powodowany jest przez mechanizm orientacji.

8. Prądnica prądu stałego, możliwie wolnoobrotowa, dla zmniejszenia niezbędnego przełożenia.

9. Maszt może być wykonany w kilku wariantach, zależnie od potrzebnej wysokości oraz posiadanych materiałów, np. jako maszt stalowy lub drewniany z odciągami, względnie jako wieża piramidalna, wolno stojąca.

10. Urządzenie zatrzymujące - ręcznie za pomocą cięgna, powodujące ustawienie steru głównego równolegle do steru bocznego i tym samym ustawiające wirnik bokiem do wiatru.

ANEMOMETRY - BUDOWA, TYPY I ZASADA DZIAŁANIA

1. Anemometr
   
   Anemometr [gr. anemos = wiatr + metrein = mierzyć] jest przyrządem meteorologicznym mierzącym prędkość i kierunek ruchu płynów (gazów i cieczy). Jego najczęstsza konstrukcja to wirnik z 4 łopatami zakończonymi półkolistymi czaszami obracającymi się pod wpływem przepływu czynnika. Obroty wirnika rejestruje licznik, którego wskazania porównane z sekundnikiem określają prędkość przepływu płynu. Rodzajem anemometru jest wiatromierz.

2. Rodzaje anemometrów
Anemometr rotacyjny jest to anemometr o wirniku z półkolistymi czaszami lub skrzydełkami, w którym prędkość przepływu danego płynu określa się na podstawie obrotów wirnika.
Anemometr statyczny - welometr - jest to przyrząd do pomiaru prędkości ruchu powietrza - zasadę jego działania stanowi uzyskiwanie równowagi między wolną częścią przekroju a przesłaniającą przekrój ruchomą zastawką.
Anemoskop - wiatrowskaz - jest to urządzenie wskazujące kierunek wiatru na lotnisku, zwykle w postaci rękawa lub anemometru z obrotową głowicą.
Wiatromierz - miernik prędkości wiatru, niekiedy także wskaźnik jego kierunku; stosuje się rozmaite odmiany, różniące się konstrukcją i zasadą działania; współczesne wiatromierze są najczęściej urządzeniami elektronicznymi,
Wiatromierz Wilde'a (najprostszy) wskazuje prędkość wiatru wskazując odchylenie płytki na tle podziałki wykonanej z prętów, a jego kierunek - ustawienie statecznika. Wiatromierz ten jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych i najprostszych przyrządów do pomiaru prędkości i kierunku wiatru. Stosuje się go do pomiaru prędkości wiatru od ok. 1 m/s do 20 m/s. Wiatromierz Wilde'a zbudowany jest z żelaznego sworznia na którym umieszczono osiem prętów kierunkowych, klina kierunkowanego złożonego z 2 łopatek i przeciwwagi oraz wskaźnika prędkości wiatru, zbudowanego z płytki i z ośmiowskazówkowej skali prędkości.
Anemometr Robinsona - urządzenie to posiada czasze obracające się po wpływem wiatru, czasze na stałe połączone są z osią i ślimacznicą, czasze podczas poruszania się wprawiają w ruch licznik obrotów. Zapis stanu licznika obrotów powinien nastąpić przed włączaniem anemometru. W wyniku prostych przeliczeń otrzymujemy informacje o prędkości wiatru w metrach na sekundę.
Anemometr skrzydełkowy - Anemometr tego typu umożliwia pomiar prędkości chwilowej lub średniej przepływającego powietrza. Do pomiarów stosowane są sondy skrzydełkowe 2 rodzajów i z różnymi średnicami skrzydełek.

ENERGIA SŁONECZNA

Słońce jest jedną z miliardów gwiazd, ale dla nas ma znaczenie wyjątkowe, ponieważ znajduje się najbliżej Ziemi. Wysyłane przez nie promieniowanie elektromagnetyczne umożliwia życie wszystkich organizmów i stanowi siłę napędową ich ewolucji. Prawie cała energia generowana w jądrze Słońca w wyniku reakcji termojądrowych jest emitowana w postaci promieniowania, które rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej. Moc tej energii szacowana jest na 1023 kW.

 

Z energii docierającej do granic atmosfery Ziemi około 28% zostaje odbite i rozproszone, reszta jest zaabsorbowana przez biosferę. Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi przekracza 10 000 razy obecne zapotrzebowanie ludzkości na energię. Dlatego też, w obliczu kończących się zasobów konwencjonalnych źródeł energii, energia słoneczna i metody jej zamiany na inne formy energii nabierają coraz większego znaczenia - zwłaszcza, że jej pozyskiwanie nie powoduje żadnych efektów ubocznych, szkodliwych emisji, czy zubożenia zasobów naturalnych, a instalowanie urządzeń głównie na obiektach architektonicznych, nie wpływa zasadniczo na krajobraz.

Wykorzystanie energii słonecznej

Energię słoneczną w postaci bezpośredniej wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej przy pomocy fotoogniw - energia fotowoltaiczna, oraz do produkcji energii cieplnej. Ogniwa fotoelektryczne, wykonane z półprzewodników na bazie krzemu charakteryzują się dużą niezawodnością i długą żywotnością. Są one jednak stosunkowo mało wydajne i bardzo kosztowne. Ich podstawową wadą jest wysokie zapotrzebowanie na powierzchnię instalacyjną. Energia wytwarzana przez takie ogniwa jest w tej chwili kilka razy droższa od energii wytwarzanej w konwencjonalny sposób. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

 

Metody wykorzystywania energii słonecznej znane były już w starożytności i polegały na samoczynnym ruchu ciepła w budynkach, poprzez odpowiednie umieszczenie okien, ścian, otworów wentylacyjnych. W ten sposób energia słońca była magazynowana do ogrzewania pomieszczeń w nocy. Również współcześnie poszukuje się wydajnej metody pozwalającej
w ekologiczny sposób ogrzewać domy, a jednocześnie gwarantującej niskie koszty jej utrzymania. Najpopularniejszym i najtańszym urządzeniem jest obecnie kolektor słoneczny. Pochłania on promieniowanie i następnie przekazuje energię cieplną wodzie, która przepływając przez niego ogrzewa się do temperatury 40-65°C. System ten najczęściej wykorzystuje się w rolnictwie i do podgrzewania wody do celów gospodarczych głównie w domkach jednorodzinnych. Prawidłowo dobrana instalacja słoneczna zapewniająca 95% absorbcji promieniowania słonecznego może zaspokoić 50-60% zapotrzebowania na energię cieplną. 

 

Z punktu widzenia przydatności promieniowanie słoneczne ma zarówno wady, jak i zalety. Pomimo, że dociera do całej powierzchni Ziemi, oświetlenie jej nie jest równomierne i zależy od szerokościi geograficznej, pory roku i pory dnia. Obecność pyłów lub pary wodnej w atmosferze oraz zachmurzenie, uniemożliwiają efektywne wykorzystanie tego źródła energii. Z drugiej strony, spośród źródeł niekonwencjonalnych, energia słoneczna wykazuje najmniejszy ujemny wpływ na środowisko, przy czym szczególnie ważny jest brak emisji szkodliwych substancji. Oszacowano, że 20-letnia eksploatacja instalacji słonecznej wspomagającej grzejnictwo elektryczne, obniży emisję SO2 o 500kg a CO2 o 60 ton!

 

Na świecie stale ma miejsce rosnące zapotrzebowanie na energię. Jeśli w roku 1986 światowe zużycie energii wynosiło 11,2 TW lat, to prognoza na rok 2030 uwzględniając  zużycie w roku 2000 wynoszące ok. 15 TW lat, będzie wynosić prawdopodobnie 29,0 TW lat.

KOLEKTOR SŁONECZNY

Kolektor słoneczny to urządzenie zamieniające energię słoneczną na energię cieplną. Najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Istnieją również tubowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii, jednak są droższe.

 

Jeśli chce się energię ze Słońca pozyskiwać bezpośrednio za pomocą kolektorów słonecznych, to trzeba pogodzić się z myślą, że słońce nie daje tyle ciepła ile nam potrzeba. Na pewno w ten sposób nie można zapewnić ciągłości i równomierności ogrzewania. Pewnym rozwiązaniem niwelującym te niedogodności są zasobniki z wodą, w których to ciepło może być gromadzone, jednak nie jest ono doskonałe, ponieważ nie jest w stanie pokryć w całości potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej, nie mówiąc już o ogrzewaniu pomieszczeń. Mimo to, kolektory słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników. Jednak stanowić one będą zawsze tylko rozwiązanie uzupełniające.

 

Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierające do kolektora służy do produkcji nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Kolektory można podzielić na:

• płaskie

• gazowe

• cieczowe

• dwufazowe

• płaskie próżniowe

• próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)

• skupiające (prawie zawsze cieczowe)

• specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna)

Budowa kolektora płaskiego

Kolektor płaski składa się z:

• przezroczystego pokrycia;

• absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);

• wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);

• izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa)

Schemat kolektora płaskiego

Budowa kolektora próżniowo-rurowego

Kolektor próżniowo-rurowy składa się z:

• rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich jak nasza. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej , dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni.

• niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami , bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta.

Kolektory skupiające

W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

Sprawność kolektora

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.

Wykres przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.

Popularne zastosowania

Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.

 

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

• podgrzewania wody użytkowej,

• podgrzewanie wody basenowej,

• wspomagania centralnego ogrzewania.

Do celów tych służą cieczowe kolektory płaskie i próżniowe. Schemat prostej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej zawiera:

1. kolektory słoneczne (w domkach jednorodzinnych od dwóch do czterech),

2. regulator (uruchamiający pompę obiegu gdy zaistnieje odpowiednia różnica temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem),

3. pompę,

4. naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika),

5. zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwiema wężownicami lub płaszczami grzejnymi (dolna zasilana czynnikiem z kolektorów słonecznych, górna innym źródłem ciepła),

6. inne źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym)

Zasoby energii słonecznej w Polsce

W Polsce pogoda jest kapryśna a ilość dni słonecznych w roku zmienna, dlatego trudno jest podać formułę na ilość dostępnej energii. Najlepiej w takim przypadku posłużyć się statystyką, która mówi, że najlepsze i najsprawniejsze kolektory słoneczne są w stanie dostarczyć rocznie z każdego metra kwadratowego powierzchni czynnej około 450 kWh energii. Jest to granica wyznaczona przez prawa fizyki i pogodę w naszej strefie klimatycznej.

(źródło: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej)

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Poniższa mapa prezentuje rozkład średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok (wielkości wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju).

 

Istotny wpływ na wielkość pozyskiwanej energii ma kąt nachylenia kolektora w stosunku do padania promieni słonecznych. W poniższej tabeli przedstawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.

miesiące	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
kąt nachylenia względem poziomu	60	55	45	30	15	10	15	30	45	55	65	65

Zasoby energii słonecznej w Polsce (źródło: www.ekologika.pl)

 

W naszej szerokości geograficznej Słońce oferuje około 1000 Watów mocy na każdy metr kwadratowy napromieniowanej powierzchni. Niezależnie od jakości kolektora może on pobrać tylko pewną jej część. Wynika to z faktu, że nagrzany przez słońce kolektor tym więcej traci do otoczenia im jego temperatura jest wyższa od temperatury otaczającego go powietrza.

 

Na przykład, w piękny słoneczny dzień kolektor może z łatwością nagrzać się do temperatury +100°C. Lecz jeśli rzecz się dzieje na przykład zimą, gdy temperatura powietrza wynosi 0°C, to w takim wypadku różnica temperatur kolektor - otoczenie wyniesie 100 stopni Celsjusza (lub jak kto woli 100K) i zgodnie z przedstawioną na wykresie zależnością sprawność absorpcji spadnie do 30% dla zwykłego kolektora płaskiego, natomiast dla próżniowego wyniesie ona 45%. Tłumacząc procenty na moce otrzymamy odpowiednio z dostarczanych w piękny słoneczny dzień 1000W - w pierwszym przypadku 350W, a w drugim 450W. Jednak nie znaczy to, że ta moc cieplna zostanie w całości wykorzystana. Po drodze jeszcze traci się od 7 do 10 % z powodu strat przy przesyłaniu ciepła. Pozostała wielkość ciepła i tak jest warta wykorzystania.

Zalecenia montażowe

W celu optymalnego wykorzystania kolektor powinien być ustawiony prostopadle do padania promieni słonecznych. Ponieważ najintensywniejsze promieniowanie występuje w godzinach południowych, dlatego płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym, zaś kąt nachylenia (kąt pomiędzy poziomem a płaszczyzną kolektora) powinien znajdować się w przedziale 30° a 45°.

Kolektory słoneczne montuje się zazwyczaj na dachach domów, rzadziej na ścianach, zaś służące do podgrzewania wody w basenach - na ziemnych konstrukcjach.

Zastosowanie

Kolektory słoneczne są stosowane przede wszystkim do ogrzewania wody, idealnie nadają się do domków letniskowych, gdzie ciepła woda jest potrzebna wtedy, gdy słońce dostarcza najwięcej energii. Często wykorzystuje je się do ogrzewania basenów. Ponadto, mogą być stosowane w domach jednorodzinnych całorocznych jako rozwiązanie uzupełniające podstawowy system grzewczy np. pompy ciepła, ogrzewanie elektryczne.

OGNIWA FOTOWOLTAICZNE

Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego. Maksymalną mocą jaką można wykorzystać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym powierzchni jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1367 W/m² i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. 35-37% tej energii odbija się od atmosfery lub jest przez nią wchłaniana, więc do powierzchni Ziemi dociera do 1000 W/m².

Ogniwa fotowoltaiczne - są urządzeniami półprzewodnikowymi typu p-n, służącymi do bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Półprzewodnik bombardowany jest fotofonami promieniowania słonecznego, które posiadają większą energię niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika. Powoduje przemieszczanie się elektronów i dziur elektronowych pomiędzy obszarami n i p półprzewodnika. Cykliczne przemieszczenie się ładunków elektrycznych powoduje wzrost różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

 

Efekt fotowoltaiczności to nic nowego, zastał on zaobserwowany po raz pierwszy w 1839 roku przez A.C. Becquerel a dalsze prace nad tym zjawiskiem na styku dwóch ciał stałych przez następne 37 lat prowadzili W. Adams i R. Day. Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju korpuskularno-falowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są jednocześnie własności falowe i materialne. Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który wykorzystał hipotezę kwantów wysuniętą w 1905 roku przez Maxa Plancka.

 

Półprzewodnikowe fotoogniwa produkowane są z wykorzystaniem krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Pojedyncze krzemowe ogniwo słoneczne generuje napięcie ok. 0,5V. Połączenie szeregowe pojedynczych ogniw powoduje sumowanie się napięcia i w ten sposób tworzy się baterie słoneczne o porządnym napięciu wyjścia.

 

Kolejnym nieco bardziej skomplikowanym urządzeniem zamieniającym bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną są ogniwa wykorzystujące konwersję fotochemiczną. Fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną jak dotąd na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy. Jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego. Istnieją także metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji.

Zastosowania ogniw fotowoltaicznych:

• Elektronika użytkowa, kalkulatory, lampy ogrodowe, oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji świetlnej

• Zasilanie elektroniki promów i sąd kosmicznych, stacji orbitalnych i sztucznych satelit ziemi.

• Próby konstrukcji samolotów i samochodów zasilanych za pośrednictwem ogniw fotowoltaicznych.

• Doładowywanie akumulatorów w dzień i wykorzystywanie energii w nocy na jachtach, kempingach, domach jednorodzinnych.

• Zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii elektryczne.

• Zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej

• Pierwsze elektrownie słoneczne.

Rozpowszechnianie się ogniw fotowoltaicznych jest ograniczone ich wysoką ceną oraz jeszcze niewielką sprawnością.

MOC PROMIENIOWANIE SŁONECZNEGO W POLSCE

Najbardziej istotne wielkości opisujące promieniowanie słoneczne to[ Pomierny 2003]:

• Usłonecznienie, czyli średnia liczba godzin słonecznych w okresie (dotyczy roku), w którym przewidujemy eksploatację systemu słonecznego. Usłonecznienie zależy od długości dnia, zachmurzenia oraz przeźroczystości atmosfery. Średnie roczne wartości usłonecznienia dla różnych miast Polski zawarto w tabeli 1 (dane wieloletnie)
  Dane zawarte w tabeli obrazują ilości godzin słonecznych w ciągu roku dla Białegostoku (1780 godzin) i Suwałk(1676 godzin), świadczące o możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego na terenie województwa podlaskiego.

• Natężenie promieniowania słonecznego wyrażone w watach na metr kwadratowy (W/m2) jest to gęstość mocy promieniowania padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieniowania. Najwyższe natężenie promieniowania odnotowano na Kasprowym Wierchu - ok.1200 W/m2 i w pasie nadmorskim - ok. 1050 W/m2. Najczęściej wartości promieniowania słonecznego wahają się od 600-800 W/m2.

• Napromieniowanie całkowite to sumy energii promieniowania słonecznego wyrażone w MJ na metr kwadratowy(MJ/m2). Dla Polski przyjmuje się wartość 3600MJ/m2 w ciągu roku. W promieniowaniu całkowitym udział promieniowania rozproszonego waha się od około 47% w lecie do 70% w zimie.

ENERGIA GEOTERMALNA

Energia geotermalna to energia produkowana przez jądro Ziemi, dostępna w postaci gorącej wody lub pary wodnej. Jest wykorzystywana do produkcji ciepła grzewczego dla potrzeb komunalnych i produkcji rolnej, a lokalnie - również - energii elektrycznej. Brak jest wyraźnego określenia sposobu obliczania mocy takich źródeł, uznając wartości naliczanych OZE jako tożsame z ilością energii przekazanej do użytkownika końcowego. Dotyczy to jednak tylko wykorzystania ciepła z pierwotnych nośników energii geotermalnej poprzez wymiennik ciepła, bez zastosowania tzw. pompy ciepła, gdyż ciepło netto pozyskiwane z pompy ciepła, generalnie, nie zalicza się do OZE, niezależnie od rodzaju dolnego źródła: grunt, powietrze, zbiornik wody powierzchniowej lub geotermalnej, czy energia odpadowa procesów technologicznych.

 

Ogólnie jest to energia zgromadzona w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. O energii geotermalnej mówi się przede wszystkim, gdy nośnikiem tej energii jest woda i para wodna. Energia ta biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna w wyniku jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m.

 

O atrakcyjności tych źródeł świadczą:

1. dostępność, źródła ich nie podlegają wahaniom warunków pogodowych i klimatycznych,

2. są to źródła nie ulegające wyczerpaniu,

3. obojętność dla środowiska - geotermia nie powoduje wydzielania jakichkolwiek szkodliwych substancji,

4. urządzenia techniki geotermalnej nie zajmują wiele miejsca i nie wpływają prawie wcale na wygląd krajobrazu.

Wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią prawie 80% terytorium Polski. Pomimo tak licznego występowania wód ich eksploatacja nie jest łatwa. Główną przeszkodą są zarówno warunki wydobycia jak i ekonomiczna strona tego typu przedsięwzięcia.

 

Jak dotąd na terenie Polski funkcjonują cztery geotermalne zakłady ciepłownicze:

1. Bańska Niżna (4,5 MJ/s, docelowo 70 MJ/s),

2. Pyrzyce (15 MJ/s, docelowo 50 MJ/s),

3. Mszczonów (7,3 MJ/s),

4. Uniejów (2,6 MJ/s).

Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej oprócz produkcji energii elektrycznej jest budowa ciepłowni geotermalnych. Ponadto wykorzystuje się ją także w balneologii, ogrzewaniu budynków przy pomocy pomp ciepła, uprawach, przemyśle chemicznym, suszarnictwie, przetwórstwie, hodowli ryb, basenach kąpielowych, itp.

 

Na świecie ok. 40 krajów zużywa energii goetermalnej na potrzeby inne niż produkcja energii elektrycznej co daje sumaryczną wartość 11 400 MW. Największymi odbiorcami ciepła z energii geotermalnej są Japonia, Chiny, Węgry, b r. ZSRR, Islandia i USA. W Europie warto zwrócić uwagę na Islandię, aż 85% zapotrzebowania na ciepło pochodzi z energii  geotermalnej i pokrywa aż 46% energii pierwotnej kraju.

Pompy ciepła

Wśród dostępnych na rynku urządzeń, które pozwoliłyby na zmniejszenie kosztów ogrzewania domów są pompy ciepła - urządzenia proekologiczne, nowoczesne i coraz bardziej przystępne inwestycyjnie.

 

Pompy ciepła są to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zasada ich działania jest prosta i analogiczna do zasady działania lodówki. Pompa ciepła pobiera energię (ciepło) z powietrza lub ziemi z zewnątrz budynku, kumuluje je do odpowiedniej wysokości i przekazuje do wymiennika ciepła. Pozyskana energia może być przeznaczona na ogrzanie wody użytkowej lub budynku. Podstawową zaletą wyróżniającą pompy ciepła od innych systemów grzewczych jest to, że 75% energii potrzebnej do celów grzewczych czerpanych jest bezpłatnie z otoczenia, a pozostałe 25% stanowi prąd elektryczny. Powoduje to, że pompy ciepła, w obecnej chwili są najtańszymi w eksploatacji urządzeniami w porównaniu z innymi urządzenia i grzewczymi.

POMPY CIEPŁA - ZASADA DZIAŁANIA

Pompy pobierają energię z otoczenia, czyli jedynie oddają to co pobrały. Nie bez powodu nazwane są one pompami, a nie generatorami ciepła. System taki nie wymaga konserwacji, nie grozi wybuchem jak piec gazowy i nie wydziela zapachu jak piec olejowy. Pracuje cicho i może być instalowany także w pomieszczeniach użytkowych.

 

Zadaniem pompy ciepła jest pobranie z otoczenia niskotemperaturowej energii i podwyższeniu jej temperatury do poziomu umożliwiającego ogrzewanie budynków. Korzystają one przy tym z energii elektrycznej, lecz stanowi ona tylko pewien procent w ogólnym bilansie energii.

Zasada pracy wygląda następująco: w wewnętrznym obwodzie pompy ciepła znajduje się czynnik chłodniczy, którym jest specjalna ciecz wrząca w temperaturach poniżej -10°C. W wymienniku do którego dostarczana jest energia cieplna niskotemperaturowa na przykład woda o temperaturze +10°C odbywa się parowanie czynnika chłodniczego. Jak zawsze parowanie jest pobieraniem ciepła z otoczenia. W tym przypadku ciecz parująca ma na przykład -10°C i w związku z tym pobiera ciepło od wody i tak "ogrzana" para cieczy mając już temperaturę +3°C jest zasysana przez elektrycznie napędzana sprężarkę. W sprężarce tej odbywa się wzrost ciśnienia. Po opuszczeniu sprężarki para ta ma ciśnienie około 20 bar co jest równoznaczne z podniesieniem jej temperatury do około +70°C. Para o tej temperaturze oddaje ciepło w drugim wymienniku do wody obiegu grzewczego. Oddanie ciepła oznacza jednocześnie zamianę pary w ciecz, czyli jej skroplenie. Dlatego pierwszy z omawianych wymienników jest parownikiem a drugi skraplaczem. Po skropleniu ciecz przechodzi przez zawór rozprężny gdzie następuje gwałtowny spadek ciśnienia i rozpylenie czynnika, który znów zaczyna parować i cykl w ten sposób się zamyka. Pompa ciepła transportuje energię z otoczenia. Jednocześnie zużywana jest energia elektryczna służąca do napędu sprężarki i pomp obiegowych. Ta energia elektryczna jest też zamieniona na ciepło.

Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej. Im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej. Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania. Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba chcąc nie chcąc, zapłacić. Przypuśćmy, ze mamy budynek prawidłowo izolowany o powierzchni użytkowej 200 m2, dla którego wyliczono roczne zużycie energii na poziomie 18.000 kWh. Jeśli współczynnik efektywności wynosi na przykład 4,5 to w tym przypadku należałoby zapłacić tylko za 4.000 kWh. Najważniejszym zadaniem jest właściwy wybór sposobu pozyskiwania ciepła. To źródło ciepła decyduje kosztach eksploatacyjnych. Nawet najlepsza pompa ciepła nie zniweluje jego niedoskonałości. Najłatwiej jest korzystać z ciepła wody jeziora lub stawu. Gdy takich możliwości brak, projektowany jest odpowiedni kolektor gruntowy lub stosuje się urządzenia pobierające ciepło z powietrza. Do oddawania ciepła w pomieszczeniu najlepsze jest ogrzewanie podłogowe, które pozwala na ekonomiczną pracę pompy ciepła i daje najwyższy możliwy komfort. Ogrzewanie podłogowe jest obok kolektora ziemnego najważniejszym składnikiem instalacji grzewczej.

Pompy ciepła gruntowe (solanka/woda)

Najbardziej rozpowszechnione są pompy ciepła pobierające energię z gruntu za pomocą wymiennika gruntowego przez który przepływa ciecz niezamarzająca zwana solanką. Pozycje tę na rynku zdobyły ze względu na bardzo dobre parametry eksploatacyjne i niezależność od zmian temperatury zewnętrznej. O ile tylko wydajność źródła ciepła (gruntu) i pompa są właściwie dobrane do potrzeb ogrzewanego budynku, to nawet przy temperaturach zewnętrznych -20°C system będzie pracować prawidłowo.

Powyższy rysunek w pełni oddaje istotę zagadnienia. Mamy tutaj prawie pełny obraz typowej instalacji grzewczej dla domu jednorodzinnego. Energia cieplna pobierana jest z poziomego kolektora gruntowego. Po podniesieniu temperatury w pompie ciepła ogrzana woda zasila układ centralnego ogrzewania pomieszczeń i wężownicę w zasobniku do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła solanka/woda maja współczynnik efektywności energetycznej w zakresie 4 do 5. Najczęściej jako źródło ciepła stosuje się kolektory gruntowe zwane też kolektorami ziemnymi. I nie dzieje się to za sprawą przypadku, gdyż to rozwiązanie posiada dobre parametry energetyczne i jednocześnie jest łatwe do wykonania i do tego niezbyt kosztowne. Dlatego wszędzie tam gdzie tylko pozwala na to powierzchnia działki będą miały one zastosowanie. Kolektor gruntowy nie jest źródłem ciepła jest tylko wymiennikiem wykonanym z rur ułożonych (zakopanych) w gruncie. Tak naprawdę to i grunt też nie jest źródłem ciepła, a tylko akumulatorem, który gromadzi energię promieniowania słonecznego i ciepło zawarte w opadach atmosferycznych. W praktyce kolektor ziemny stanowią rury o odpowiedniej długości (1 mb rury to około 20W) podzielone w pętle zakopane na głębokości 1,2 do 1,5 m i połączone ze sobą w jednym punkcie, z którego biegną dwie rury o większej średnicy do pomieszczenia, w którym pracuje pompa ciepła.

Pompy ciepła wodne (woda/woda)

Pompy ciepła służące do pobierania ciepła z wody gruntowej są konstrukcyjnie identyczne z poprzednio omawianymi pompami typu solanka/woda. Jedyna różnica polega na tym, że o ile w pompie solanka/woda w jej wymienniku krąży niezamarzająca ciecz to w pompie woda/woda przepływa woda gruntowa, która jest co prawda schładzana, ale nigdy tak żeby zamarzła. W związku z tym układy kontrolne pompy ciepła czuwają nad tym, aby awaryjne wyłączyć urządzenia w przypadku, gdyby woda dopływająca do pompy ciepła miała temperaturę niższą niż +7°C. Woda gruntowa czerpana jest ze studni zasilającej i doprowadzana do parownika pompy ciepła. Tu odbierane jest zawarte w niej ciepło, a ochłodzona woda odprowadzana jest do studni spustowej Wydajność studni musi gwarantować ciągły pobór wody przy maksymalnym przepływie wody przez pompę ciepła. Wydatek studni zależy od miejscowych uwarunkowań geologicznych. Niezależnie od wszelkich formalności należy w każdym przypadku wykonać analizę wody, aby móc ustalić, czy woda gruntowa nadaje się do użycia w parowniku pompy ciepła. Pompy ciepła solanka/woda maja współczynnik efektywności energetycznej w zakresie 4 do 5. To rozwiązanie jest najlepsze pod względem energetycznym, ale instalacje te stanowią raczej wyjątek i najczęściej sięga się do kolektorów gruntowych, które są pracochłonne, skomplikowane i drogie. Bowiem tylko pozornie źródło ciepła w postaci dwóch studni jest rozwiązaniem prostym. Tak może się wydawać tylko laikowi. Niewiele jest firm studniarskich które mają doświadczenia w wykonywaniu takich prac, a wymagania są bardzo wysokie. Nawet zakładając, ze w danej lokalizacji wody jest pod dostatkiem a w dodatku jest to woda doskonałej jakości to i tak jest jeszcze całą masę problemów jakie trzeba będzie pokonać. Obok wydajności (która musi być zagwarantowana na lata!) zapewnić trzeba absolutną szczelność całego układu. Właściwie prawie tak, jakby był to zamknięty obwód kolektora gruntowego. Bardzo dobrym kompromisem jest czerpanie ciepła ze stawu za pomocą kolektora rurowego zanurzonego w wodzie. W takim przypadku efektywność energetyczna jest prawie taka jak dla pompy ciepła woda/woda a jednocześnie trwałość i niezawodność taka, jak dla pomp solanka/woda.

Pompy ciepła powietrzne (powietrze/woda)

To co dla jednych jest tylko powietrzem, dla drugich jest ważnym źródłem ciepła. Pompy cieplne powietrze/woda wykorzystują energię słoneczną nagromadzoną w powietrzu. A powietrze jest wszędzie. Taka pompa ciepła jest w stanie pobierać energię z powietrza nawet wtedy gdy ono ma temperaturę -20°C. Jednak ilość uzyskanej energii zależy bardzo od temperatury. Ta sama pompa ciepła będzie oddawać 22 kW przy temperaturze powietrza +35°C i 6 kW, gdy temperatura zewnętrzna spadnie do -20°C. Taka charakterystyka mocy stoi w sprzeczności z potrzebami budynku, gdyż w miarę spadku temperatury zewnętrznej rosną potrzeby grzewcze, a spada moc pompy ciepła. Dlatego taki rodzaj pompy jako samodzielne ogrzewanie budynku rzadko się spotka.

 

Pozornie nic nie stoi na przeszkodzie, aby zastosować tak dużą pompę ciepła, która nawet przy -20°C będzie wystarczająco silna, aby sprostać potrzebom, wtedy jednak przy wyższych temperaturach
zewnętrznych taka pompa miałaby moc kilkakrotnie większa od wymaganej, co rodziłoby problemy z zagospodarowaniem nadwyżek energii. Mimo to, instalacja pompy typu powietrze/woda ma wiele zalet. Najważniejsza z nich, to niewielkie nakłady na prace budowlane i instalacyjne. Do normalnej instalacji centralnego ogrzewania wystarczy przyłączyć moduł pompy i już można korzystać z nieprzebranych zasobów ciepła zawartego w powietrzu. Odpada konieczność wykonania kosztownych kolektorów czy studni. Jedyną wadą jest niższy współczynnik wydajności w porównaniu z pompami woda/woda lub solanka/woda. Ale efektywność energetyczna dobrze dobranej powietrznej pompy ciepła jest większa niż efektywność kiepskich instalacji pracujących z gruntowym wymiennikiem ciepła.

Pompy ciepła do ogrzewania wody użytkowej

Istnieją także pompy ciepła przeznaczone tylko do podgrzewania wody użytkowej. Mają one formę bojlera gdzie w górnej jego części znajduje się mała pompa ciepła typu powietrze/woda. Jak sama nazwa wskazuje, pompa taka podgrzewa wodę w zasobniku kosztem pobierania ciepła z otaczającego ją powietrza. Parownik ma wtedy postać chłodnicy, która zabiera ciepło z powietrza i pompuje go do skraplacza, który jako wężownica jest zanurzony w izolowanym termicznie zasobniku. W efekcie woda w zasobniku podgrzewana jest do 65°C za pomocą powietrza (np. w piwnicy), które ma około 15°C. Woda w zasobniku podgrzewana jest ciepłem zabranym z powietrza tłoczonego za pomocą wentylatora. Urządzenie ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie istnieje nadmiar ciepłego powietrza. Taka sytuacja ma miejsce w kuchniach lokali gastronomicznych lub w piwnicach, gdzie istnieje potrzeba utrzymania niskiej temperatury. Takie rozwiązanie ma jeszcze jedną cechę, otóż podczas schładzania przepływającego powietrza para wodna ulega skropleniu i jest odprowadzana do kanalizacji. Daje to uboczny bardzo pożądany efekt osuszania.

POTENCJAŁ ENERGII GEOTERMICZNEJ

POTENCJAŁ I WYKORZYSTANIE

Roczny światowy potencjał energii geotermalnej odpowiada około 35 mld ton węgla kamiennego, jednak na powierzchnię ziemi wydostaje się zaledwie 1% tych wszystkich zasobów. To tyle, ile teoretycznie mogłoby zaspokoić najwyżej 3% światowego zapotrzebowania na energię. W przyszłości liczba ta może się jednak nieco zwiększyć dzięki rozwojowi nowych technologii, pozwalających wykorzystywać energię gorących podziemnych warstw skalnych.

 

Zasoby geotermalne istnieją na całej Ziemi, jednak ich praktyczne wykorzystanie jest możliwe w ponad 70 krajach świata. W 39 krajach, położonych w Afryce, Ameryce Środkowej i Południowej oraz na wyspach Pacyfiku energia wnętrza Ziemi jest w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie na elektryczność, jednak w rzeczywistości energię elektryczną produkuje pozyskuje się tą drogą w 21 krajach.

 

Elektrownie geotermalne wytwarzają tam ponad 8200 MW energii, zaopatrując w prąd około 60 milionów ludzi. Główni producenci wytwarzanego w ten sposób prądu to Stany Zjednoczone, Filipiny, Włochy, Meksyk, Japonia i Nowa Zelandia.

Stany Zjednoczone

Choć amerykańskie zakłady geotermalne dysponują 2544 MW mocy zainstalowanej, z czego zaledwie 110 MW przybyło po roku 1989, w rzeczywistości wykorzystywane jest tylko około 1900 MW. Przyczyną tej różnicy jest nadmierne wyeksploatowanie obszaru dysponującego największą w USA ilością mocy zainstalowanej - kalifornijskiego The Geysers, które posiada co prawda 1421 MW mocy zainstalowanej, lecz dostarcza gorącej pary pozwalającej wyprodukować zaledwie 888 MW energii. W okresie największego rozwoju, w 1987 roku, ilość mocy zainstalowanej w The Geysers wynosiła 1891 MW.

 

Najwięcej mocy zainstalowanej i najwięcej zakładów geotermalnych w USA skupiają stany Kalifornia i Newada. Na Hawajach, w miejscowości Puna, pracuje 20 małych instalacji geotermalnych, które w 2002 roku przez kilka miesięcy nie nadawały się do użytku z powodu braku gorącej pary i korozji rur. Tylko jedną instalację geotermalną posiada stan Utah (w miejscowości Roosvelt).

 

W najbliższych latach Amerykanie planują rozbudowę instalacji geotermalnych w Kalifornii, Newadzie i Utah. Jeśli wszystkie planowane przedsięwzięcia zakończą się sukcesem, do roku 2010 ilość mocy zainstalowanej amerykańskich zakładów geotermalnych wzrośnie o 340 MW, co oznacza wzrost o 20% w ciągu 5 lat.

 

Jeśli chodzi o bezpośrednie wykorzystanie energii wnętrza ziemi (pompy ciepła, podgrzewanie wody w basenach, ogrzewanie szklarni, akwakultura i in.), to Stany Zjednoczone dysponują 7817,4 MWt (megawatami termicznymi) mocy zainstalowanej, a wykorzystanie energii na wzmiankowane cele wynosi 31 239 TJ rocznie (8678,2 GWh/rok). Największy wzrost następuje przy tym w sektorze pomp ciepła.

Filipiny

Moc zainstalowana zakładów geotermalnych na Filipinach, które są drugim co do wielkości światowym producentem energii geotermalnej wynosi 1931 MW, z czego faktycznie wykorzystywanych jest 1838 MW. Głównym ośrodkiem wykorzystania energii geotermalnej na Filipinach jest Tongonan wraz z pobliskimi złożami geotermalnymi w prowincji Leyte, gdzie zainstalowanych jest 723 MW mocy. Zakłady te wytwarzają duże ilości energii elektrycznej: w 2003 roku ich produkcja wyniosła 4745 GWh.

 

Bezpośrednie wykorzystanie energii wnętrza Ziemi na Filipinach ogranicza się do podgrzewania wody w basenach i suszenia miąższu orzechów kokosowych. Przeznaczone do obu tych celów instalacje dysponują łącznie mocą zainstalowaną 3,3 MWt (z tego aż 1,6 MWt przypada na instancję przeznaczoną do suszenia miąższu kokosów) i zużywają 39,5 TJ energii rocznie (11 GWh). Plany na przyszłość obejmują wykorzystanie zasobów geotermalnych na Filipinach do celów balneologicznych.

Włochy

Włoskie elektrownie geotermalne dysponują mocą zainstalowaną 790 MW, z czego faktycznie wykorzystywanych jest 699 MW. W 2003 roku wyprodukowały one 5340 GWh energii elektrycznej.
We Włoszech istnieją dwa ważne obszary geotermalne: jeden, o powierzchni około 400 km2, obejmujący Larderello, gdzie wykonano 180 odwiertów i Travale/Radicondoli (22 odwierty), drugi to Monte Amiata. Na obu tych terenach występują zasoby geotermalne o temperaturze 300-350 st. C.

Jeśli chodzi o bezpośrednie wykorzystanie energii wnętrza Ziemi, to Włochy dysponują 606,6 MWt mocy zainstalowanej i zużywają 7554 TJ energii rocznie (2098,5 GWh). Wykorzystywane w ten sposób zasoby geotermalne służą w pierwszym rzędzie do podgrzewania wody w basenach (158,8 MWt) i zasilania pomp ciepła (120 MWt), których zainstalowano we Włoszech około 6 tys. Energia geotermalna jest też wykorzystywana do ogrzewania szklarni oraz znajduje zastosowanie w akwakulturze i w przemyśle (produkcja serów, kwasu bornego i dwutlenku węgla).

 

Choć średnie temperatury w Islandii nawet w sierpniu nie przekraczają 12 st. C, w wodach położonej na Półwyspie Reykjanes Błękitnej Laguny (Blaa Lonidh) można się kąpać przez cały rok. W tym wielkim, bladoniebieskim jeziorze wypełnionym wodami odpływowymi z pobliskiej elektrowni geotermalnej w Svartsengi temperatura wody przy ujściu z ziemi wynosi zawsze 70 st. C. Położona na obszarze głębokich na 1800 m gorących źródeł, których temperatura sięga 2400 st. C i oddalona o zaledwie 40 km od
Reykjaviku Błękitna Laguna jest najpopularniejszym kąpieliskiem Islandii i jedną z głównych atrakcji turystycznych tego kraju.

 

Wody geotermalne służą tu nie tylko do produkcji prądu i do celów grzewczych (nawiasem mówiąc elektrownia geotermalna w Svartsengi była pierwszym zakładem na świecie, wykorzystującym zasoby geotermalne do obu tych celów), lecz znane są także ze swych leczniczych właściwości. Podczas gdy gorąca para wykorzystywana jest do napędzania turbin w elektrowni, a odsolona woda służy do ogrzewania pobliskiego lotniska i osiedli na półwyspie (zapewnia komfort cieplny 20 tys. osób), zbyt słona, by mogła służyć do celów grzewczych, bogata w mikroelementy woda z Błękitnej Laguny jest znakomitym lekarstwem na rozmaite choroby skórne, w tym nawet na uznawaną za nieuleczalną łuszczycę. Nic więc dziwnego, że Błękitna Laguna szybko zdobyła popularność, szybko powstała tu też odpowiednia infrastruktura (motele, restauracje, kawiarnie, a nawet ośrodek jazdy konnej i pole golfowe) i dziś do uzdrowisko odwiedzane jest przez coraz liczniejsze rzesze kuracjuszy z Europy. Na miejscu mają oni możliwość skorzystania z leczniczych kąpieli, mogą również nabyć lecznicze kosmetyki z solami mineralnymi (seria Blue Lagoon).

Polska

W Polsce zasoby geotermalne znajdują się pod powierzchnią 80% terytorium, ich eksploatacja nie jest jednak łatwa. Zakłady geotermalne pracują w Zakopanem, w Pyrzycach k. Szczecina, w Uniejowie i w Mszczonowie k. Warszawy, zaś źródła geotermalne są wykorzystywane w uzdrowiskach, takich jak Cieplice, Duszniki Zdrój, Lądek Zdrój, Ustroń, Konstancin i Ciechocinek.

Plan budowy największego kąpieliska geotermalnego w Polsce

12 basenów kąpielowych - połowa w stylowych budynkach, połowa pod gołym niebem - z wodą o temperaturze 29-36 st. C. Możliwość korzystania z zabiegów aquaterapeutycznych, kąpieli błotnych i sauny: góralskiej, rzymskiej, bądź fińskiej. Pomieszczenia rehabilitacyjne dla niepełnosprawnych, siłownie, solaria, zaplecze gastronomiczne, a także zjeżdżalnia i piaskownica wodna - wszystko to ma się znaleźć na terenia największego kąpieliska geotermalnego w Polsce, którego budowę planuje spółka 40 mieszkańców Bukowiny Tatrzańskiej. Projekt, przygotowany przez Bukowiańskie Towarzystwo Geotermalne ma zostać wcielony w życie w ciągu najbliższych trzech lat, kiedy to na terenie 4 hektarów w pobliżu starej skoczni powstanie nowoczesny, czynny przez cały rok obiekt. Do napełniania basenów i ogrzewania kąpieliska posłuży gorąca woda ze źródeł geotermalnych, które obficie występują w rejonie Bukowiny. Z pierwszego odwiertu, wykonanego jeszcze w latach 90. w okolicy bukowiańskiego Klina pozyskiwano 46 m3 gorącej wody (o temperaturze 64,5 st. C) na godzinę. Finansowy udział w budowie kąpieliska, której koszt całkowity wyniesie około 50 mln złotych rozważają władze województwa małopolskiego.

WYKORZYSTANIE ENERGII GEOTERMALNEJ

Wstęp
Źródła energii odnawialnej są jedynymi z tych, które mogą okazać się alternatywą dla paliw kopalnych, stanowiących źródła energii konwencjonalnej. Znajomość technologii źródeł odnawialnych jest pomocna dla wyjaśnienia kwestii jakie źródła odnawialne i w jakim stopniu mogą one uczestniczyć w zaspokajaniu przyszłych potrzeb energetycznych naszej cywilizacji [Ciechanowicz, Szczukowski, 2006].
Odnawialne źródła energii można podzielić na globalnie dostępne i lokalnie dostępne w poszczególnych krajach ub regionach. Podstawowe, globalnie dostępne źródła energii odnawialnej spełniają warunek wymaganej ciągłej dostawy mocy w każdym położeniu geograficznym, natomiast podstawowe, lokalnie dostępne spełniają en warunek w określonych położeniach na kuli ziemskiej.
Jak z tego wynika, odnawialnymi źródłami energii golnie dostępnymi są jedynie: energia słoneczna w postaci promieniowania słonecznego oraz energia wnętrza skorupy ziemskiej, czyli energia geotermalna [Ciechanowicz, Szczukowski, 2006].

Energia geotermalna

Jak już wspomniano, jedynym globalnym, odnawialnym źródłem energii cieplnej jest ciepło skorupy ziemskiej docierające tam z głębi ziemi na zasadzie przewodzenia. Jest ono teoretycznie dostępne w każdym punkcie powierzchni Ziemi, albo w postaci tzw. suchych źródeł geotermicznych, albo w postaci wód geotermalnych. Wykorzystanie suchych źródeł geotermicznych związane jest z umieszczeniem na odpowiedniej głębokości odpowiednich powierzchni wymiany ciepła.
Zgodnie z definicją geologiczną, energia geotermalna jest nadwyżką energii cieplnej w stosunku do energii odpowiadającej średniej temperaturze powierzchni Ziemi. Przyjmuje się, że średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15 oC. Rzeczywiste wartości zmieniają się w zależności od szerokości geograficznej, pory roku i dnia oraz są wynikiem ustalenia się równowagi cieplnej między najważniejszymi trzema strumieniami ciepła:

• doprowadzonego przez promieniowanie ze Słońca,

• doprowadzonego przez przewodzenie lub konwekcję z jądra Ziemi,

• wypromieniowanego do przestrzeni kosmicznej.

W jądrze Ziemi zachodzi rozpad pierwiastków promieniotwórczych, którego efektem jest wysoka temperatura, dochodząca do 6000 oC. Temperatura ta maleje w miarę zbliżania się do powierzchni Ziemi, w zależności od rodzaju skał i warunków geologicznych od 15 do 80 K na jeden kilometr. Przeciętnie, przyjmuje się, że gradient temperatury skorupy ziemskiej wynosi 25 K/km.

Całkowity strumień energii zgromadzonej w skorupie ziemskiej szacuje się na około 35 TW. Pojemność cieplna globu ziemskiego o masie całkowitej około 5,6·1027 kg i przy średnim cieple właściwym 0,8 kJ/kg·K wynosi około 4,5·1027 kJ/K. Gdyby do celów grzewczych wykorzystać tylko tyle energii, aby średnia temperatura wnętrza Ziemi obniżyła się tylko o 0,0001 K to, przy prognozowanym
w najbliższym czasie rocznym światowym zużyciu energii cieplnej na poziomie około 2·1018 kJ, energii tej starczyłoby na 223 tysiące lat [Lewandowski, 2002].

Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce
Dotychczasowe wyniki badań wskazują na możliwość wykorzystania energii geotermalnej w niektórych obszarach na terenie Polski, natomiast możliwości wykorzystania energii geotermicznej, jak to wynika z przytoczonych wcześniej określeń, są praktycznie na terenie całego kraju. Wody głębokich poziomów wodonośnych, są zawsze wodami gorącymi. Nie wszędzie jednak warto je eksploatować. Aby wydobycie było opłacalne musi być spełnione kilka warunków. Wody termalne muszą mieć możliwie wysoką temperaturę, niską mineralizację (duża powoduje korozję i zanieczyszczanie instalacji) i po winny zalegać na niewielkiej głębokości. Bardzo ważna jest odnawialność zasobów. Eksploatacja zbiorników wód geotermalnych podlega takim samym ograniczeniom
jak eksploatacja zwykłych wód podziemnych. Z warstwy wodonośnej można wydobywać tylko tyle, na ile pozwalają zasady racjonalnej gospodarki zasobami.
Często stosowane jest wtłaczanie z powrotem do złoża wody, której energia została już wykorzystana. Wody termalne zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów zdnia 18 grudnia 2001 r., stanowią kopalinę podstawową w rozumieniu Prawa Geologicznego i Górniczego.

W Polsce najkorzystniejsze warunki eksploatacji wód termalnych do celów grzewczych istnieją w obrębie niecki podhalańskiej. Decyduje o tym sytuacja geologiczna, wysoka temperatura na wypływie, (sięgająca 90 oC), niska mineralizacja (do 3 g/dm3), wysoka wydajność (nawet do 550 m3/h z pojedynczego ujęcia), dobra odnawialność łoża i łatwa dostępność terenu. Obszarem zasilania dla niecki podhalańskiej są Tatry. Wody opadowe, które tam wsiąkają, spływając na północ, trafiają na warstwę nieprzepuszczalnych skał fliszowych, które stanowią rodzaj
klina rozdzielającego je na dwa strumienie - górny i dolny. Górny spływa na teren niecki, do utworów czwartorzędowych i spękanej górnej partii utworów fliszowych (są to wody zwykłe), natomiast dolny przepływa systemem szczelin i pustek krasowych do trzeciorzędowych skał węglanowych i mezozoicznych utworów jednostek tatrzańskich, stając się wodami termalnymi [Chowaniec, 2003].

Parametry hydrogeologiczne fliszu Karpat zewnętrznych są zdecydowanie odmienne od parametrów utworów budujących podłoże niecki podhalańskiej. Wody termalne na tym obszarze są rozpoznane punktowo, a skomplikowana budowa geologiczna ogranicza uzyskanie większych ich ilości. Występują one w zbiornikach zamkniętych i dlatego ich zasoby są ograniczone.
Z dotychczasowych badań wynika, że flisz zewnętrznokarpacki jest mało perspektywicznym kolektorem dla uzyskania wód termalnych w znaczących ilościach [Chowaniec, 2003a]. Stosunkowo korzystne warunki panują w rejonie Poręby Wielkiej, gdzie uzyskano z pojedynczego ujęcia do 12,1 m3/h wody o mineralizacji 21,8 g/dm3 i temperaturze 42 oC na wypływie. Godny
uwagi jest również rejon Wiśniowej koło Strzyżowa. W Wiśniowej, na początku lat 90 - tych XX wieku, nawiercono wody termalne o temp. 84 oC i mineralizacji ok.7,0 g/dm3 [Karnkowski, Jastrząb, 1994]. Wody termalne w Wiśniowej zostały nawiercone „przy okazji”, podczas poszukiwań ropy naftowej. Z uwagi na cel wiercenia, jak i konstrukcję otworu, nie było możliwości
określenia zasobów eksploatacyjnych.

Z zasobów energii geotermalnej korzysta obecnie prawie 80 krajów, z czego ponad 30 w samej Europie. Pierwsza siłownia wykorzystująca energię geotermalną do produkcji energii elektrycznej powstała we Włoszech. Aktualnie światowym potentatem w produkcji energii elektrycznej w oparciu o geotermalne zasoby energetyczne są Stany Zjednoczone. W wielu krajach także wykorzystuje się energię geotermalną do produkcji energii elektrycznej. Do tych krajów należy zaliczyć Filipiny, Włochy, Meksyk, Japonię, Nową Zelandię i Islandię. W Polsce energię geotermalną
na skalę przemysłową wykorzystuje pięć ciepłowni. Największa i zarazem najstarsza z nich działa w Bańskiej (Białym Dunajcu) na Podhalu. Pozostałe zlokalizowane są w Pyrzycach, Mszczonowie, Słomnikach i Uniejowie. Ta ostatnia już od sześciu lat ogrzewa dwie trzecie miejscowości liczącej ponad 3200 mieszkańców i wkrótce ma być wykorzystywana także do produkcji energii elektrycznej.

Pierwszy zakład geotermalny w kraju wybudował IGSMiE PAN, w roku 1993, na Podhalu. Jako ujęcie eksploatacyjne wykorzystano otwór Bańska IG-1, o głębokości 5261 m, wykonany w Białym Dunajcu przez Oddział Karpacki Państwowego Instytutu Geologicznego. Obecnie, wodę o temperaturze ok. 86 oC, eksploatuje się dwoma otworami produkcyjnymi, a po wykorzystaniu zmagazynowanego w niej ciepła, zatłacza się z powrotem do złoża dwoma otworami chłonnymi. W sumie można pobierać 670 m3 wody na godzinę. Energia cieplna z wydobywanych
wód termalnych jest odbierana za pośrednictwem wymienników ciepła. W wymiennikach ogrzewana jest woda obiegu wtórnego, która następnie jest transportowana rurociągiem przesyłowym do Zakopanego. Sieć dystrybucyjna zaopatruje nie tylko Zakopane, ale również Biały Dunajec i Bańską Niżną. Do 2005 roku planuje się dostarczenie energii cieplnej do Nowego Targu i pozostałych
miejscowości wzdłuż trasy rurociągu przesyłowego.

Obecnie, wody termalne na terytorium Polski, jak już wspomniano, wykorzystywane są w pięciu zakładach geotermalnych: w Białym Dunajcu, w Pyrzycach, Mszczonowie, Słomnikach i w Uniejowie. Zakład geotermalny w Pyrzycach (zbudowany w latach 1992 - 96) wykorzystuje wody o temperaturze ok. 64 oC. Działają w nim dwa otwory eksploatacyjne i dwa otwory chłonne. Energia cieplna zasila czternastotysięczne miasto. Zakład geotermalny w Mszczonowie (2000 r.) zastąpił trzy osiedlowe kotłownie zlokalizowane w centrum miasta. Jego działalność oparta jest na energii pozyskanej z wód słodkich (mineralizacja 0,5 g/dm3) pochodzących z głębokości 1700 m. Woda, o temperaturze 40 oC, wypływa samoczynnie z otworów eksploatacyjnych, dzięki ciśnieniu panującemu w złożu. Po odebraniu ciepła jest wykorzystywana do celów użytkowych. W Uniejowie zakład geotermalny korzysta z wody o temperaturze ok. 67 oC. Instalacja stanowi przykład wykorzystania wód termalnych w połączeniu z ciepłownią olejową. Składa się z dwóch bloków: pierwszy - geotermalny - zawiera otwór produkcyjny i zatłaczający, wymienniki ciepła, filtry i system tłoczenia między otworami, zaś drugi - dwa kotły opalane lekkim olejem opałowym.

W 2002 roku została uruchomiona nowa instalacja geotermalna - zakład ciepłowniczy w Słomnikach. Instalacja ta wykorzystuje wody słodkie o temperaturze około 17 oC jako źródło ciepła dla obiektów szkoły i budynków indywidualnych. Woda ta, po schłodzeniu, staje się wodą pitną i trafia do wodociągu miejskiego [Bujakowski, 2003].

Wody termalne w Polsce z powodzeniem wykorzystuje się nie tylko w ciepłownictwie, ale również w balneologii, rekreacji i w agroturystyce. Siedem polskich uzdrowisk - Ciechocinek, Cieplice Śląskie, Duszniki Zdrój, Lądek Zdrój, Iwonicz Zdrój, Ustroń i Konstancin - korzysta z wód termalnych wydobywanych z naturalnych źródeł oraz odwiertów. W niektórych z nich, wody termalne będą
mogły służyć w przyszłości nie tylko do celów leczniczych, lecz również do grzewczych i przemysłowych. W Zakopanem, do 2001 r., wody termalne wykorzystywane były do celów rekreacyjnych i terapeutycznych. Obecnie, na stokach Antałówki, powstał duży aquapark. W najbliższej przyszłości w Bukowinie Tatrzańskiej planuje się wybudowanie kompleksu rekreacyjno - rehabilitacyjnego,
wykorzystującego nawiercone tutaj wody termalne.

Zasoby energii geotermalnej w Polsce
Możliwość wykorzystania energii wnętrza Ziemi istnieje na ponad 60% powierzchni naszego kraju. Wody geotermalne charakteryzują się temperaturami w granicach 30 - 120 oC, co czyni je przydatnymi raczej do pozyskiwania energii cieplnej niż elektrycznej. Według danych Polskiej Akademii Nauk, potencjał techniczny zasobów geotermalnych wynosi 302000 PJ.

Potencjał zasobów energii geotermalnej w Polsce szacowany jest przez różnych badaczy bardzo rozbieżnie. Według Zimnego [2001] potencjał ten szacowany jest na 625000 PJ/rok. Jest to wartość czysto teoretyczna i zdaniem wielu innych badaczy znacznie przeszacowana. Wiśniewski oszacowuje tę wartość początkowo na 1512 PJ/rok [1997], a w późniejszych publikacjach [2002] na 200 PJ/rok. Sala i Szargut [2002] oceniają te zasoby na 257 PJ/rok, a Ministerstwo Środowiska w „Strategii redukcji emisji gazów cieplarnianych” na około 100 PJ/rok. Polska
Akademia Nauk ocenia ten potencjał na 1512 PJ/rok. Zasoby energii geotermalnej poszczególnych okręgów i subbasenów istniejących na terenie Polski według Neya i Sokołowskiego
(1992) przedstawione są na rysunku 1 i wyrażone w tpu/km2.

Najbardziej zasobny jest okręg szczecińsko-łódzki, gdzie potencjał energii geotermalnej szacowany jest na 246000 tpu/km2. Dużą zasobnością charakteryzuje się też subbasen warszawsko-grudziądzki (168000 tpu/km2) i przedkarpacki (97000 tpu/km2). Zasobne są także okręgi karpackie. Właśnie te regiony podlegają eksploatacji złóż geotermalnych na skalę przemysłową i cieszą się największym
zainteresowaniem wśród potencjalnych inwestorów.

Zasoby energii geotermicznej możliwe są do pozyskania praktycznie na terenie całego kraju. Technologia pozyskania tej energii jest jednak zupełnie odmienna od technologii pozyskania energii geotermalnej i wymaga wykorzystania zupełnie innych urządzeń. Jest ona jednak opanowana i praktycznie wykorzystywana coraz powszechniej.

Technologia wykorzystania energii geotermicznej jest w gruncie rzeczy bardzo prosta. Wykorzystując pompy ciepła pobieramy ciepło z gruntu w zimę żeby nas ogrzać, a latem możemy odwrócić proces i oddawać ciepło do gruntu aby chłodzić mieszkanie, ten drugi proces może być stosowany tylko w przypadku stosowania energii gruntu. Ponieważ temperatura gruntu
kilka metrów w głąb powierzchni pozostaje stała, niezależna od pór roku, ok. 10 oC - jest to dużo mniej niż temperatura powietrza w lato i dużo więcej niż temperatura
powietrza w zimę. Aby jednak można było tą energię wykorzystać potrzebne jest zastosowanie pompy ciepła.

Istnieje wiele różnych rozwiązań umożliwiających wykorzystanie energii geotermicznej. Do najczęściej stosowanych systemów wykorzystujących energię cieplną gruntu lub wód gruntowych należą:

•  Systemy zamknięte, w których układ rur, zazwyczaj z tworzywa sztucznego, wypełniony wodą lub specjalnymi niezamarzającymi płynami tworzy zamkniętą pętlę, zakopaną w gruncie, połączoną z pompą ciepła i układem wydzielania ciepła w mieszkaniu; czynnik roboczy krąży w zamkniętym obiegu; w systemie tym możemy wyróżnić układ poziomy - z rurami ułożonymi poziomo, zajmującymi większą powierzchnię - tańszy jednak w realizacji o niższej jednak sprawności, nadający się do małych budynków mieszkalnych oraz układ pionowy stosowany w przypadku braku miejsca na układ poziomy, droższy w ułożeniu, lecz bezpieczniejszy w eksploatacji.

Coraz więcej firm w Polsce podejmuje się kompleksowego opracowania projektów i wykonania instalacji wykorzystujących energię geotermiczną w oparciu o pompę ciepła. Instalacje takie nie są zbyt drogie, dlatego znajdują szerokie zainteresowanie indywidualnych użytkowników.
Są dwa możliwe systemy ułożenia rur w systemie poziomym „jedna obok drugiej” - tzn. rury są ułożone poziomo w pętli. Na rysunku mamy przedstawiony układ szeregowy równoległy. Maksymalna
średnica rur wynosi ¾'' do 1'', długość pętli - 150m. Kolejną możliwością jest układ poziomy z rurami „jedna nad drugą” również w formie równoległej jak i szeregowej. Daje on lepsze
wykorzystanie powierzchni, lecz zmusza do wykonania głębszych rowów - ponieważ również górna rura musi znajdować się poniżej poziomu przemarzania gruntu - a odległość między rurami, zarówno w układzie „jedna obok drugiej” jak i „jedna nad drugą” powinna być większa niż 1,25m.

W celu jeszcze lepszego wykorzystania ciepła gruntu stosuje się układy z czterema rurami w dwóch wariantach.

• Układ zamknięty, w którym jednak pobierane jest ciepło wody z dna rzeki lub jeziora. lecz rury ułożone są na dnie rzeki lub jeziora.

• Układ otwarty, w którym woda gruntowa lub woda ze źródła termalnego pobierana z ziemi przepływa przez pompę ciepła, oddając swoją energię, a następnie jest wylewana na zewnątrz; system ten wymaga jednak zarówno źródła wody gruntowej jak i zbiornika na wodę wykorzystaną; jeżeli zbiornikiem będzie jakiś zbiornik wody powierzchniowej, to pojawiają się wątpliwości natury ekologicznej, związane z lokalnym obniżeniem poziomu wód gruntowych i wzrostem zasolenie wód powierzchniowych - chyba, że wykorzystana woda będzie wtłaczana z powrotem w to samo miejsce z którego była pobrana.

1. Systemy z wykorzystaniem wód powierzchniowych. Systemy te wymagają blisko położonego zbiornika wodnego, w którym umieszczony jest wymiennik, przekazujący ciepło do pompy ciepła. W ten sposób wykorzystywana jest stała temperatura wody. W przeciwieństwie do systemów wykorzystujących ciepło z wód gruntowych, systemy te nie potrzebują kosztownych odwiertów. Pompy ciepła znajdują zastosowanie w systemach:

• ogrzewania podłogowego

• podgrzewania ciepłej wody użytkowej klimatyzacji

• podgrzewania wody basenowej,

• innych zastosowań do celów komunalnych.

PRZYKŁADOWA KALKULACJA MONTAŻU POMPY CIEPŁA

1. Dane wejściowe do wyceny i doboru urządzeń:

• powierzchnia użytkowa: 154 m2

• powierzchnia zabudowy: 146 m2

• kubatura: 913 m3

• wysokość do kalenicy: 8,9 m

• kąt nachylenia dachu: 40 stopnia

• Dom zamieszkuje czteroosobowa rodzina

• Zapotrzebowanie na ciepło (obliczenia IBP): 48,3kWh/m2 na rok; 16,1 kWh/m3 na rok

• Ogrzewanie podłogowe

• Dolne źródło: kolektor gruntowy, gleba spójna, wilgotna

2. Dobór urządzeń:

• Urządzenie szwedzkiego producenta pomp ciepła,pompa ciepła FIGHTER 1240-8kW

• Łączny koszt inwestycji: 44 110 (poziomy kolektor gruntowy), 50 610 (pionowy kolektor gruntowy)

1) Cena produktu: Pompa ciepła FIGHTER 1240-8kW - koszt urządzenia: 31 110 zł brutto
2) Cena wykonania kolektora gruntowego poziomego lub pionowego:
a) Poziomy kolektor gruntowy o długości 410 m (gleba spójna, wilgotna) - Całkowity koszt wykonania metra bieżącego kolektora poziomego wynosi około 25 zł/mb, co daje łączny koszt
wykonania poziomego kolektora gruntowego około 10 500 zł brutto
b) Pionowy kolektor gruntowy o długości 130 m (gleba spójna, wilgotna), 1 odwiert o głębokości 130m lub 2 odwierty po 70 m - Całkowity koszt wykonania metra bieżącego kolektora
pionowego wynosi około 125 zł/mb, co daje łączny koszt wykonania pionowego kolektora gruntowego około 17 000 zł brutto
3) Cena montażu: koszt montażu około 2500 zł

• Koszty eksploatacji (obliczenia wykonane w programie VP DIM 2.2.2, NIBE):

Roczne zużycie energii elektrycznej potrzebnej na ogrzanie domu i przygotowanie ciepłej wody użytkowej wynosi 4913 kWh/a co przy cenie energii elektrycznej na poziomie 0,40 zł/kWh daje roczny koszt 1965 zł brutto (z czego 2025 kWh/a, czyli 810 zł brutto to roczny koszt przygotowania ciepłej wody użytkowej).
3. Charakterystyka produktu
FIGHTER 1240 to gruntowa pompa ciepła wyposażona w 160 litrowy dwupłaszczowy podgrzewacz wody, która stanowi kompletnie wyposażone urządzenie przeznaczone do ogrzewania domów jednorodzinnych i przygotowania ciepłej wody użytkowej. FIGHTER 1240 ma wbudowany moduł elektryczny 9 kW, który może być włączony przy zapotrzebowaniu mocy grzewczej wyższym, niż moc samej pompy ciepła. Urządzenie to może współpracować z każdym rodzajem niskotemperaturowej instalacji grzewczej, np. grzejnikami, konwektorami, ogrzewaniem podłogowym
lub ściennym. Dostępnych jest pięć typów tego modelu o mocy 5, 6, 8, 10, 12 kW. Rekordowo wysoki współczynnik COP o wartości nawet 5,0 (B0/W35) gwarantuje efektywną i ekonomiczną pracę urządzenia. Pompy ciepła NIBE mają 2-letnią gwarancję z możliwością przedłużenia do 5 lat.

BIOMASA

Biomasa to najstarsze i najszerzej współcześnie wykorzystywane odnawialne źródło energii. Należą do niej zarówno odpadki z gospodarstwa domowego, jak i pozostałości po przycinaniu zieleni miejskiej. Biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Biomasą są resztki z produkcji rolnej, pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne.

 

Biomasa stanowi trzecie, co do wielkości na świecie, naturalne źródło energii. Według definicji UE biomasa oznacza podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich (Dyrektywa 2001/77/WE).

 

Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2004 roku biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji (Dz. U. Nr 267, poz. 2656).

 

Biomasa to głównie pozostałości i odpady. Niektóre jej formy są jednak celem, a nie efektem ubocznym produkcji. Specjalnie po to, by pozyskiwać biomasę uprawia się pewne rośliny - przykładem wierzba wiciowa, rdest czy trzcina pospolita. Do tych upraw energetycznych nadają się zwłaszcza rośliny charakteryzujące się dużym przyrostem rocznym i niewielkimi wymaganiami glebowymi.

Stała, ciekła i gazowa

Różne rodzaje biomasy mają różne właściwości. Na cele energetyczne wykorzystuje się drewno i odpady z przerobu drewna, rośliny pochodzące z upraw energetycznych, produkty rolnicze oraz odpady organiczne z rolnictwa, niektóre odpady komunalne i przemysłowe. Im suchsza, im bardziej zagęszczona jest biomasa, tym większą ma wartość jako paliwo. Bardzo wartościowym paliwem jest na przykład produkowany z rozdrobnionych odpadów drzewnych brykiet. Paliwo uszlachetnione, takie jak brykiet czy pelety drzewne, uzyskuje się poprzez suszenie, mielenie i prasowanie biomasy. Koszty ogrzewania takim paliwem są obecnie niższe od kosztów ogrzewania olejem opałowym.

 

Biomasa występuje w różnych stanach skupienia. Dotychczas mówiliśmy o jej formach w stanie stałym, teraz zajmijmy się przez chwilę postaciami gazową i ciekłą. Przy oczyszczalniach ścieków i na składowiskach odpadów, tam gdzie rozkładają się odpady organiczne występuje biogaz będący mieszaniną głównie metanu i dwutlenku węgla. Zwany on jest czasami gazem błotnym, a powstaje podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych. Człowiek może go wykorzystywać na różne sposoby, m. in. do produkcji:

• energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach,

• energii cieplnej w przystosowanych kotłach,

• energii elektrycznej i cieplnej w układach skojarzonych.

Istotny jest fakt, że wykorzystując będący jednym z gazów cieplarnianych metan zapobiega się jego emisji do atmosfery. Im mniej zaś w atmosferze gazów cieplarnianych, tym mniejsze natężenie efektu cieplarnianego, tym mniej związanych z globalnym ociepleniem niekorzystnych zmian klimatu.

 

Jeśli chodzi o postać ciekłą, to największe znaczenie odgrywają alkohole produkowane z roślin o dużej zawartości cukru oraz biodiesel produkowany z roślin oleistych. W wyniku fermentacji, hydrolizy lub pirolizy na przykład kukurydzy czy też trzciny cukrowej otrzymuje się etanol i metanol - biopaliwa, które mogą być następnie dodawane do paliw tradycyjnych. Przykładowo, około 90% wyprodukowanego w Stanach Zjednoczonych etanolu wykorzystuje się do wytwarzania „E 10”, paliwa zwanego także „gazoholem”. Ta, zawierająca tylko 10% etanolu mieszanina może napędzać każdy silnik, pracujący normalnie na benzynie, jednak na „E 85”, paliwie zawierającym 85% etanolu i 15% benzyny mogą jeździć tylko specjalnie przystosowane samochody.

Zalety biomasy

Biomasę warto wykorzystywać z wielu powodów. Paliwo to jest nieszkodliwe dla środowiska: ilość dwutlenku węgla emitowana do atmosfery podczas jego spalania równoważona jest ilością CO2 pochłanianego przez rośliny, które odtwarzają biomasę w procesie fotosyntezy. Ogrzewanie biomasą staje się opłacalne - ceny biomasy są konkurencyjne na rynku paliw. Wykorzystanie biomasy pozwala wreszcie zagospodarować nieużytki i spożytkować odpady.

RODZAJE BIOMASY

Stałe, płynne i gazowe biopaliwa produkowane są z biomasy, która sama występuje w rozmaitych stanach skupienia. Istnieją jednak różne rodzaje biopaliw w określonym stanie skupienia, podobnie jak różne są rodzaje surowców, wykorzystywanych do ich produkcji. Wśród biopaliw stałych wyróżniamy np. brykiet, który może być wytwarzany z każdego rodzaju biomasy roślinnej, lecz najczęściej produkowany jest z trocin, wiórów, zrębków drzewnych czy słomy oraz pelety, do produkcji których nadaje się kora, zrębki, rośliny energetyczne i słoma, lecz najczęściej wykorzystywane są trociny i wióry. Podobnie biopaliwa płynne - bioolej, biodiesel czy bioalkohole - produkowane są z rozmaitych surowców, przy użyciu rozmaitych technologii. Jeśli chodzi o biopaliwa gazowe , to obok pozyskiwanego w procesie fermentacji metanowej biogazu do celów energetycznych wykorzystywany jest także holzgas, czyli gaz drzewny powstający w procesie pirolizy. Omówimy teraz pokrótce najważniejsze rodzaje biopaliw.

Drewno i odpady drzewne

Drewno było podstawowym surowcem energetycznym jeszcze w początkach XX wieku. Choć później jego miejsce zajęły paliwa kopalne, drewno nie przestało odgrywać istotnej roli w budownictwie, meblarstwie i innych sektorach gospodarki, takich, jak przemysł chemiczny czy górnictwo.

 

Pod względem składu chemicznego drewno jest substancją niejednorodną, zawierającą głównie celulozę, hemicelulozę, ligninę i wodę. Wraz z wiekiem drzewa nasila się proces lignifikacji: zawartość ligniny w drewnie wzrasta, a zawartość wody maleje.

 

Paliwa drewnopochodne charakteryzują się wysoką zawartością składników lotnych. Zaledwie 20% ich masy stanowią nielotne związki węgla, które nie odparowują w procesie suchej destylacji (ogrzewania) drewna, lecz zostają spalone na ruszcie. Tymczasem większość związków lotnych spala się nad rusztem.

Drewno kawałkowe to:

• pozostałość (ok. 2%) drewna konstrukcyjnego, przycinanego na wymiar, bądź też

• odpad z produkcji przycinanych na wymiar półwyrobów (np. fryzów), lub

• materiał nie spełniający norm półwyrobu (stanowi nawet do 50% przerabianego drewna)

• jego wartość opałowa wynosi 11-22 MJ/kg, wilgotność - 20-30%, a zawartość popiołu 0,6-1,5% suchej masy

• zawiera minimalne ilości kory.

Trociny stanowią około 10% drewna przerabianego w tartakach. Są także produktem ubocznym skrawania, frezowania itp. w zakładach bardziej zaawansowanej obróbki drewna. Oczyszczone z drewna kawałkowego stanowią cenne paliwo i mogą być wykorzystywane w kotłowniach. Poziom wilgotności trocin jest zróżnicowany i waha się od 6-10% do 45-65% dla trocin z niedawno ściętego drzewa. Przy wilgotności 5-15% zawartość popiołu wynosi mniej niż 0,5%. Wady trocin to trudności związane z magazynowaniem, skłonność do zaparzania (trociny bukowe) i podatność na zawilgocenia. Z uwagi na te słabe punkty trociny powinny być spalane w pierwszej kolejności.

 

Wióry są, podobnie jak trociny, produktem ubocznym przemysłu drzewnego, powstającym podczas skrawania i frezowania. Cechą charakterystyczną wiórów jest niska wilgotność (5-15%). Zawierają niewielką ilość zanieczyszczeń.

Zrębki drzewne to rozdrobnione drewno w postaci długich na 5-50 mm ścinków o nieregularnych kształtach. Są produkowane:

• podczas pierwszego trzebienia drzewostanów, wierzchołków i innych pozostałości po wyrębach,

• podczas obrabiania kłód w tartakach,

• na szyborosnących plantacjach wierzby,

• z odpadów drzewnych w dużych zakładach przetwarzających drewno.

Wartość opałowa zrębków wynosi 6-16 MJ/kg, wilgotność 20-60%, a zawartość popiołu, którą zwiększa ewentualne zanieczyszczenie kamieniami, glebą i piachem stanowi od 0,6 do 1,5% suchej masy. Zrębki są doskonałym paliwem dla kotłów, wykorzystuje się je również do produkcji płyt wiórowych i jako topnik w hutnictwie. Wadą tego paliwa jest wrażliwość na zmiany wilgotności powietrza i podatność na choroby grzybowe. Długo magazynowane zrębki powinny być co jakiś czas przewracane.

 

Kora to wartościowy pod względem energetycznym odpad przemysłu drzewnego, stanowiący od 10 do 15% masy pozyskiwanego drewna. Jej wartość opałowa wynosi 18,5-20 MJ/kg, wilgotność 55-65%, a zawartość popiołu, który ma tendencję do żużlowania stanowi 1-3% suchej masy. Część kory zostaje podczas obróbki drewna przetworzona na trociny. Korę przed podaniem do kotła z podajnikiem ślimakowym należy poddać zrębkowaniu w rębaku z górnym zasypem, zrębkowanie kory przebiega jednak szybko i pochłania niewielkie ilości energii.

 

Paliwo uszlachetnione, czyli brykiet i pelety cechuje się wysoką wartością opałową, za którą odpowiada niska wilgotność i małą objętością, związaną z dużym ciężarem właściwym. Zaletą brykietu i pelet to ich jednolita wielkość, ułatwiająca wykorzystanie.

 

Brykiet drzewny to walec lub kostka, utworzona z suchego rozdrobnionego drewna (trocin, wiórów czy zrębków), sprasowanego pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. W czasie zachodzącego pod ciśnieniem 200 atmosfer procesu brykietowania wydziela się lignina, która po obniżeniu temperatury zastyga, spajając surowiec w formie brykietu. Duże zagęszczenie materiału w stosunku do objętości sprawia, że proces spalania brykietu zachodzi stopniowo i powoli. Wartość energetyczna: 19-21 GJ/t; wilgotność: 6-8%; zawartość popiołu: 0,5-1% suchej masy.

 

Pelety (inaczej granulat) to produkowane z odpadów drzewnych - najczęściej z trocin i wiórów - długie na kilka cm granulki o średnicy 6-25 mm. Granulat wytłacza się w prasie rotacyjnej, bez dodatku substancji klejącej i pod dużym ciśnieniem, które umożliwia duże zagęszczenie surowca. Pelety są paliwem łatwym do transportowania, najpraktyczniejszym w magazynowaniu i najwygodniejszym w eksploatacji. Ich zaletą jest też bardzo niska zawartość popiołu (0,4-1% suchej masy). Wartość energetyczna pelet wynosi 16,5-17,5 MJ/kg, a wilgotność 7-12%.

Rośliny pochodzące z upraw energetycznych

Bogate w związki celulozowe i ligninowe rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej oraz do wytwarzania paliw: zarówno ciekłych jak i gazowych. Rośliny energetyczne można przy tym spalać albo w całości, albo w formie wyprodukowanego z nich brykietu czy pelet. Uprawy energetyczne umożliwiają zagospodarowanie nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma niemałe znaczenie w naszym kraju, gdzie na ponad 20% terenu stężenie metali ciężkich w glebie przekracza dopuszczalne normy.

Pożądane cechy roślin energetycznych to:

• duży przyrost roczny, 

• wysoka wartość opałowa, 

• znaczna odporność na choroby i szkodniki oraz

• stosunkowo niewielkie wymagania glebowe.

Wyróżniamy cztery podstawowe grupy roślin energetycznych:

• rośliny uprawne roczne: zboża, konopie, kukurydza, rzepak, słonecznik, sorgo sudańskie, trzcina;

• rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba, eukaliptus;

• szybkorosnące, rokrocznie plonujące trawy wieloletnie: miskanty, trzcina, mozga trzcinowata, trzcina laskowa;

• wolnorosnące gatunki drzewiaste.

W Polsce jedną z najczęściej uprawianych roślin energetycznych jest wierzba wiciowa (zwana też energetyczną). Jej uprawa w naszym kraju jest opłacalna ze względu na korzystne warunki klimatyczne, które są lepsze od warunków panujących na przykład w Szwecji. W związku z dużym zainteresowaniem uprawami energetycznymi należy się jednak spodziewać wprowadzania coraz to nowych gatunków i odmian roślin.
Więcej informacji na temat plantacji energetycznych i gatunków najpopularniejszych roślin energetycznych znajduje się w dziale pt. „Uprawy energetyczne”.

Produkty i odpady rolnicze

Tak, jak uprawa roślin energetycznych umożliwia zagospodarowanie nieużytków rolnych, tak wykorzystanie na cele energetyczne nadwyżek i odpadów produkcji rolnej zapobiega marnotrawstwu żywności i rozwiązuje problem utylizacji odpadów. Słoma, siano, buraki cukrowe, trzcina cukrowa, ziemniaki, rzepak czy pozostałości przerobu owoców bądź zwierzęce odchody to cenne z energetycznego punktu widzenia surowce, które warto wykorzystywać. Najbardziej rozpowszechnione jest wykorzystywanie do celów energetycznych słomy.

 

Słoma to - jak podaje „Mała Encyklopedia Rolnicza” - „dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin zbożowych”, a także wysuszone rośliny strączkowe, len czy rzepak. W energetyce znajduje zastosowanie słoma wszystkich rodzajów zbóż oraz rzepaku i gryki, przy czym za szczególnie cenną uchodzi słoma żytnia, pszenna, rzepakowa i gryczana oraz osadki kukurydzy. Słoma jest zasadniczo wykorzystywana jako pasza i jako podściółka w hodowli zwierząt gospodarskich, do celów energetycznych wykorzystuje się zaś jej nadwyżki. Z drugiej strony dużą wartość energetyczną ma zupełnie nieprzydatna w rolnictwie słoma rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa.

 

Wykorzystanie nadwyżek słomy do celów energetycznych pozwala uniknąć ich spalania na polach. Ta częsta praktyka wyrządza wielkie szkody środowisku naturalnemu, stąd kraje posiadające mało inwentarza, lecz produkujące dużo zbóż i dużo rzepaku starają się znaleźć alternatywne formy wykorzystywania słomy - na przykład Kanadyjczycy używają jej do produkcji płyt, zaś Duńczycy już w 1992 roku wykorzystywali aż 55% produkowanej słomy na cele energetyczne.

 

Wilgotność słomy wynosi 10-20%, zaś wartość opałowa i zawartość popiołu odpowiednio 14,3 MJ/kg i 4% suchej masy dla słomy żółtej oraz 15,2 MJ/kg i 3% s. m. dla słomy szarej.

Ziarno energetyczne

W celach energetycznych uprawia się wiele słabo rozpowszechnionych gatunków roślin, uprawia się jednak także rośliny znane już od dawna, lecz hodowane najczęściej z innym przeznaczeniem. Taką rośliną jest wykorzystywany zazwyczaj jako pasza dla zwierząt i pożywienie dla człowieka owies, którego uprawa znana jest w naszym kraju co najmniej od VIII wieku.

TECHNOLOGIE BIOMASY- WYKORZYSTANIA

SPALANIE

Wykorzystywane zarówno do produkcji energii cieplnej, jak i do wytwarzania energii elektrycznej spalanie jest najbardziej rozpowszechnioną i zarazem najprostszą formą pozyskiwania energii z biomasy. W procesie spalania generuje się aż 90% energii, otrzymywanej na świecie z biomasy, przy czym spalana może być biomasa we wszystkich stanach skupienia.

Efektywne i spełniające normy ochrony środowiska spalanie drewna powinno przebiegać w trzech fazach:

• suszenia i odgazowania materiału drzewnego, w wyniku czego powstaje gaz drzewny,

• spalania gazu drzewnego w temperaturze 1200 st. C oraz

• dopalania gazu i oddawania ciepła w wymienniku.

Wysoka temperatura, dostęp tlenu i odpowiednio długi czas spalania pozwalają utrzymać niski poziom emisji tlenku węgla (CO), węglowodorów i węglowodorów poliaromatycznych (PAH), poza tym dzięki tym czynnikom w popiele pozostaje niewielka ilość niedopalonego węgla. Do ekologicznego, efektywnego spalania biomasy w celu pozyskiwania energii służą specjalnie skonstruowane kotły, wyposażone w komory spalania ze stałymi bądź ruchomymi rusztami i charakteryzujące się zwiększoną powierzchnią wymiany ciepła.

 

Efektywność przebiegu procesu spalania zależy od ilości dostarczanego powietrza. W nowoczesnych kotłach powietrze do spalania dostarczane jest w postaci tzw. powietrza pierwotnego i wtórnego. Powietrze pierwotne miesza się z paliwem i wykorzystywane jest w procesie gazyfikacji i spalania węgla drzewnego. Powietrze wtórne jest wykorzystywane podczas spalania substancji lotnych i nie miesza się z powietrzem pierwotnym.

 

Instalacje do spalania mogą być wykorzystywane do utylizacji różnych rodzajów biomasy, w tym drewna kawałkowego, zrębek, trocin, słomy i innych. Spalanie biomasy efektywne energetycznie, ekonomicznie oraz ekologicznie wymaga zastosowania odpowiednich technologii.

 

Specyficzne właściwości fizyko-chemiczne biomasy wymagają stosowania odpowiednich rozwiązań technologicznych, dostosowanych do paliwa. Tylko 20% masy drewna stanowią nielotne związki węgla, które w tradycyjnym kotle spalają się na ruszcie (w węglu brunatnym stanowią one 45-60%, w węglu kamiennym 60-80%, w koksie - ponad 95%). Reszta, około 80%, to związki lotne, które spalają się nad rusztem, wydzielając się intensywnie w stosunkowo wąskim zakresie temperatur. Efektywne spalanie tego typu paliw wymaga specjalnych technik i kotłów, zapewniających warunki dynamiczno-termiczne niezbędne dla zupełnego spalania lotnych produktów rozkładu termicznego biomasy. Nieodpowiednie rozwiązania aparaturowe i technologiczne skutkują zwiększoną, często poważnie, emisją szkodliwych substancji do atmosfery, która może zniweczyć korzystny efekt ekologiczny wynikający z charakteru biomasy drzewnej. Niezupełne spalanie to także niekorzystne ekonomicznie obniżenie sprawności procesu.

 

Kotły do spalania biomasy dostępne są w szerokim zakresie mocy od kilkunastu kW do kilkuset MW. Na typowe palenisko składa się komora spalania wyłożona zwykle odpornym na wysoką temperaturę materiałem ceramicznym oraz ruszt. Rozwiązania konstrukcyjne rusztów obejmują ruszty stałe, ruszty mechaniczne płaskie oraz schodkowe. Do spalania paliw podsuszonych (20-25%) stosowane są kotły z rusztami stałymi lub mechanicznymi poziomymi. W przypadku paliw wilgotnych (40-60%) kotły wyposażone są w ruchome ruszty schodkowe. Układ taki zapewnia w pierwszej fazie odparowanie wody z paliwa, a następnie w miarę przesuwania w głąb paleniska jego całkowite spalenie. Stosowane są także kotły wyposażone w paleniska fluidalne. Kotły fluidalne pozwalają ma efektywne spalanie biopaliw niskiej jakości (wilgotnych) przy zachowaniu emisji zanieczyszczeń na niskim poziomie. Kotły do spalania biomasy mogą być wyposażone w automatykę oraz wymuszony nawiew powietrza. Systemy podające to zwykle przenośniki ślimakowe i pneumatyczne współpracujące z ruchomymi zgarniakami podłogowymi.

Słoma charakteryzuje się dużą objętością paliwa w stosunku do jednostki energetycznej, niejednorodnością i zawartością części lotnych. Dlatego powstało wiele typów kotłów przeznaczonych do spalania słomy. Trzy podstawowe to:

• używane do okresowego spalania całych bel słomy kotły wsadowe, najczęściej zaopatrujące w energię cieplną gospodarstwa rolne, szklarnie, małe i średnie przedsiębiorstwa oraz niewielką zabudowę mieszkaniową na wsiach,

• kotły do spalania słomy rozdrobnionej, najczęściej obok kotłów wsadowych wykorzystywane w Polsce,

• kotły do „cygarowego” spalania całych bel słomy, nie tak rozpowszechnione, jak kotły dwóch poprzednich rodzajów, między innymi ze względu na małą odporność na zawilgocenia.

GAZYFIKACJA

Podobnie jak spalanie, gazyfikacja jest zachodzącym w wysokiej temperaturze procesem konwersji termochemicznej, z tą jednak różnicą, że jej produktem nie jest ciepło, lecz gaz, który dopiero po spaleniu dostarcza energii cieplnej. Poza wytwarzaniem ciepła, gaz ten może być wykorzystywany także w kuchenkach gazowych oraz w turbinach, służących do produkcji elektryczności i maszynach, wykonujących pracę mechaniczną.

Proces gazyfikacji paliw stałych przebiega dwustopniowo:

• w pierwszej komorze w warunkach niedoboru powietrza oraz stosunkowo niskiej temperaturze (450-800^o C) paliwo zostaje odgazowane, w wyniku czego powstaje gaz palny oraz mineralna pozostałość (węgiel drzewny),

• w drugim etapie w komorze dopalania w temperaturze około 1000-1200^o C i w obecności nadmiaru tlenu następuje spalenie powstałego gazu.

Jedną z zalet tej technologii jest jej wysoka efektywność: podczas gdy małe i średnie urządzenia wykorzystywane do spalania osiągają efektywność rzędu 15-20%, efektywność urządzeń służących do gazyfikacji już teraz wynosi około 35%, a w niedalekiej przyszłości sięgnie 45-50%.

PIROLIZA

Będąca wstępem do procesów spalania i gazyfikacji piroliza to technologia, która w porównaniu ze spalaniem i gazyfikacją znajduje się dopiero we wczesnym stadium rozwoju. Jej produktem jest ciekłe biopaliwo zwane bioolejem lub olejem pirolitycznym, będące złożoną miksturą utlenionych węglowodorów. Zaletą pirolizy jest większa niż w przypadku spalania i gazyfikacji łatwość transportowania produktu wyjściowego, pozwalająca znacznie ograniczyć koszty transportu. Piroliza jest złożonym procesem, a właściwości jej produktu zależą od wysokości temperatury, od tego jak długo poddawano materiał jej działaniu, od obecności wody, tlenu i gazów, a także od cech poddanego pirolizie surowca.

 

Podczas procesu pyrolizy biomasa ulega termicznemu przekształceniu przy braku dostępu tlenu. W zależności od warunków przebiegu tego procesu można wyróżnić pyrolizę konwencjonalną, szybką i błyskawiczną.

Przebieg procesu pyrolizy:

• suszenie paliwa do wilgotności poniżej 10%

• mielenie biomasy na bardzo małe cząsteczki, aby zapewnić szybki przebieg reakcji

• reakcja pyrolizy

• wydzielenie produktów stałych

• schładzanie i gromadzenie bio-oleju.

W procesie szybkiej pyrolizy drobne cząsteczki biomasy, o niskiej wilgotności podgrzewane są bardzo szybko do temperatury 450-550°C. W rezultacie tego procesu powstaje produkt ciekły - olej pyrolityczny o wartości kalorycznej około 16-19 MJ/kg. W niewielkich ilościach powstają również gaz i węgiel drzewny, które są bezpośrednio spalane i dostarczają ciepło na potrzeby procesu pyrolizy. Olej powstający w procesie szybkiej pyrolizy stanowi od 60 do 75% masy paliwa. Może on być używany bezpośrednio jako paliwo lub też wykorzystywany do wytwarzania innych substancji.

Produkty powstające w procesie szybkiej pyrolizy:

• produkt ciekły - olej pyrolityczny (75%)

• produkt stały - węgiel drzewny (12%)

• mieszanina gazów palnych (13%).

Prawie każdy rodzaj biomasy może być poddawany procesowi szybkiej pyrolizy. Chociaż większość dotychczas przeprowadzonych badań została wykonana z wykorzystaniem drewna, to prowadzono również testy z wykorzystaniem odpadów rolniczych, roślin pochodzących z upraw energetycznych oraz osadów ściekowych.

Szybka pyroliza jest procesem bardzo zaawansowanym i wydajnym. Wymaga dokładnej kontroli parametrów, w szczególności temperatury i czasu trwania poszczególnych faz. Technologie szybkiej pyrolizy biomasy do produkcji paliw płynnych zostały z sukcesem wdrożone w kilku dużych instalacjach demonstracyjnych. Jednak nigdzie na świecie nie są obecnie stosowane na skalę komercyjną, ale uważane są za bardzo obiecujące. Główną zaletą oleju pyrolitycznego jest łatwość przechowywania i transportowania. Może on być również wykorzystywany jako półprodukt do wytwarzania cennych substancji. Ze względu na powyższe pyroliza powinna być traktowana jako technologia dopełniająca w stosunku do pozostałych procesów termochemicznych.

KOGENERACJA

Kogeneracja, czyli skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej, powoduje mniejsze zużycie paliwa i mniejszą emisję substancji szkodliwych niż proces oddzielnej produkcji elektryczności i ciepła. W układach skojarzonych wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa wynosi aż 80-90%, co jest możliwe dzięki odzyskiwaniu wysokiej jakości ciepła ze spalin. Kogeneracja jest więc korzystna zarówno ze względów termodynamicznych, jak i z ekonomicznego czy ekologicznego punktu widzenia.

Produkcję energii w skojarzeniu można stosować wszędzie tam, gdzie równocześnie występuje zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną. Rodzaj zastosowanej technologii zależy przy tym od rodzaju wybranego paliwa: na przykład dla systemów, które w charakterze paliwa wykorzystują słomę, najodpowiedniejsza jest elektrociepłownia z turbiną parową, bądź też - przy mniejszych wartościach mocy elektrycznej - z silnikiem parowym. Podstawowe elementy układu, opartego na słomie to kocioł parowy z podgrzewaczem pary, turbina parowa i generator energii elektrycznej. Rozdrobnione w systemie obróbki wstępnej paliwo podawane jest najpierw do śluzy ogniowej, a następnie podajnikiem ślimakowym na ruszt schodkowy, gdzie następuje spalanie. Para, która podczas spalania powstaje w kotle, jest dostarczana do turbiny parowej. Ostatni element systemu skojarzonego to podłączony do sieci przemysłowej generator.

Zalety stosowania układów kogeneracyjnych:

• zmniejszenie zużycia paliwa na wytworzenie jednostki energii

• redukcja emisji zanieczyszczeń

• obniżenie kosztów energii dla użytkowników

• zmniejszenie strat energii w sieciach przesyłowych (ze względu na mniejsze odległości pomiędzy

• ródłem a odbiorcami energii)

• możliwość utylizacji biogazu

• rozproszenie źródeł.

W roku 2003 w krajach OECD prawie 60% energii elektrycznej wytwarzanej z biomasy produkowano właśnie w procesie kogeneracji. W krajach Unii Europejskiej systemy skojarzone oparte na biomasie nie są zbyt rozpowszechnione. Do wyjątków należą w tym względzie dwa państwa skandynawskie: Finlandia i Dania, gdzie w 1989 roku w miejscowości Haslev powstała pierwsza na świecie elektrociepłownia zasilana słomą. Zakład ten, dysponujący 13 MW mocy cieplnej i 5 MW mocy elektrycznej, spala w ciągu roku około 26 tys. ton słomy. W sezonie zimowym każdego dnia wykorzystuje od 150 do 200 t słomy. Całkowita sprawność systemu wynosi 86%, zaś powstające w procesie spalania gazy są przed uwolnieniem do atmosfery przepuszczane przez filtr, który zatrzymuje aż 99% lotnego popiołu.

PROCESY BIOCHEMICZNE

Niektóre formy biomasy zawierają zbyt dużo wody, by można było skutecznie poddawać je spalaniu. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest jednak możliwe dzięki procesom biochemicznym, na przykład fermentacji.

Fermentacja alkoholowa

To proces rozkładu węglowodanów, zachodzący po dodaniu drożdży do takich surowców, jak zboże, pszenica, winogrona czy buraki cukrowe i zapewnieniu temu materiałowi warunków beztlenowych. Produktem tego rodzaju fermentacji jest alkohol. W procesie fermentacji alkoholowej powstaje najpopularniejsze biopaliwo płynne - bioetanol, stanowiący 90% wszystkich stosowanych biopaliw ciekłych. Bioetanol wykorzystuje się najczęściej w charakterze domieszki do benzyny, stanowiącej od 5 do 10% paliwa, jest on jednak stosowany również jako samodzielne paliwo.

Innym procesem biochemicznym wykorzystywanym do produkcji biopaliw płynnych jest estryfikacja oleju. Polega ona na przemianie oleju zawierającego metanol (rzepakowego, sojowego, gorczycowego itp.) w estry metylowe. Tak powstaje biodiesel, biopaliwo płynne, które podobnie jak etanol może być wykorzystywane bądź samodzielnie, bądź też w charakterze dodatku do paliw tradycyjnych (stanowi wtedy 5-25% mieszanki). Biodiesel to biopaliwo płynne, którego sprzedaż wzrasta obecnie najszybciej.

Fermentacja metanowa

To następujący przy ograniczonym dostępie tlenu proces rozkładu wielkocząsteczkowych substancji organicznych (głównie węglowodanów, białka, tłuszczów i ich pochodnych) do alkoholi lub niższych kwasów organicznych, a także metanu, dwutlenku węgla i wody.

Wyróżniamy następujące fazy fermentacji metanowej:

1. hydroliza enzymatyczna, w wyniku której z białek powstają aminokwasy, z tłuszczów - kwasy tłuszczowe i glicerol, a z polisacharydów - monosacharydy,

2. acidogeneza, czyli fermentacja kwaśna, polegająca na metabolizowaniu produktów hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych, etanolu i produktów gazowych,

3. octanogeneza, w czasie której lotne kwasy tłuszczowe są rozkładane do kwasu octowego, dwutlenku wegla i wodoru oraz końcowa

4. metanogeneza, w wyniku której z kwasu octowego otrzymujemy metan i dwutlenek węgla.

Produktem finalnym fermentacji metanowej jest biogaz - mieszanina gazów, składająca się głównie z metanu i dwutlenku węgla, a także z niewielkich ilości (ok. 1%) siarkowodoru, amoniaku, azotu, tlenku węgla, tlenu, wodoru i tioli. Produkty w stanie stałym to trudnorozkładalne bądź nierozkładalne osady oraz biomasa bakteryjna. Do celów energetycznych wykorzystywana jest fermentacja takich substancji organicznych, jak odchody zwierzęce, odpady przetwórstwa spożywczego, odpady komunalne na wysypiskach i osady, wytrącone w oczyszczalniach ścieków.

UPRAWY ENERGETYCZNE

Według założeń „Strategii rozwoju energetyki odnawialnej” udział energii odnawialnej w bilansie energii pierwotnej w skali kraju powinien zwiększyć się z około 2,5% obecnie do 7,5% w roku 2010. W tym czasie udział biomasy w całości energii pierwotnej pozyskiwanej z odnawialnych źródeł energii powinien wynosić ponad 90 procent. Ze względu na ograniczone możliwości wykorzystania drewna opałowego z lasów, drewna odpadowego z przemysłu drzewnego czy też słomy z rolnictwa, dla osiągnięcia tego celu konieczne będzie zakładanie plantacji roślin energetycznych.
Prace badawcze i wdrożeniowe nad produkcją drewna opałowego na specjalnych plantacjach prowadzone są w wielu krajach. W Szwecji realizowany jest program rządowy pod nazwą Energy Forestry. Plantacje wierzby krzewiastej w Szwecji powiększają się rocznie o kolejne 16 tys. ha, a plany zakładają prowadzenie uprawy na 800 tys. ha. W Walii prowadzony jest program Salix Project, który ma doprowadzić do zmiany użytkowania gleb z pastwiskowego na energetyczne. W Danii, Niemczech, Austrii i Stanach Zjednoczonych prowadzone są prace nad produkcją alkoholu metylowego z biomasy wierzbowej, który byłby dodatkiem do paliw płynnych zmniejszającym zanieczyszczenie środowiska, a w najbliższej przyszłości alternatywnym paliwem dla silników.

Zwiększenie wykorzystania biomasy pochodzącej z upraw energetycznych wymaga utworzenia całego systemu obejmującego produkcję, dystrybucję i wykorzystanie biomasy. Tak więc działania powinny być ukierunkowane nie tylko na zakładanie plantacji, ale również na zorganizowanie systemu magazynowania i dystrybucji paliwa oraz zapewnienie efektywnego wykorzystania biomasy. Biomasa pochodząca z plantacji roślin energetycznych może być przeznaczona do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej, a także do wytwarzania paliwa ciekłego lub gazowego. Tylko równoległe rozwijanie wszystkich elementów systemu opartego na biomasie może zapewnić sukces. Uprawa roślin energetycznych może przyczynić się do powstawania nowych miejsc pracy w gminie oraz tworzenia lokalnych niezależnych rynków energii.

Cechy roślin energetycznych

Rośliny energetyczne powinny charakteryzować się dużym przyrostem rocznym, wysoką wartością opałową, znaczną odpornością na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewielkimi wymaganiami glebowymi. Niezwykle istotną sprawą jest również możliwość mechanizacji prac agrotechnicznych związanych z zakładaniem plantacji oraz zbieraniem plonu. Uprawa roślin energetycznych może być średnio użytkowana przez okres 15-20 lat.

Rośliny energetyczne uprawiane w Polsce:

• wierzba wiciowa (Salix viminalis)

• ślazowiec pensylwański , zwany również malwą pensylwańską (Sida hermaphrodita)

• słonecznik bulwiasty , zwany powszechnie topinamburem (Helianthus tuberosus)

• róża wielokwiatowa (Rosa multiflora)

• rdest sachaliński (Polygonum sachalinense)

• trawy wieloletnie , m. in. miskant olbrzymi (Miscanthus sinensis gigantea), miskant cukrowy (Miscanthus sacchariflorus), spartina preriowa (Spartina pectinata), palczatka Gerarda (Andropogon gerardi )

Wierzba wiciowa

Jedną z roślin najczęściej stosowanych na plantacjach energetycznych jest wierzba wiciowa, a dokładnie rzecz ujmując jej szybkorosnące odmiany. Wierzba wiciowa jest rośliną krzewiastą. Materiałem sadzeniowym do zakładania plantacji energetycznych są zrzezy długości 25 cm i średnicy powyżej 7 mm. Plantację prowadzi się w cyklu jedno, dwu lub trzyletnim. Zbioru dokonuje się od połowy listopada do końca marca. Wierzba może być uprawiana na różnych typach gleb, najistotniejsze jest dobre nawodnienie.

Ślazowiec pensylwański

Rodzaj Sida wywodzi się z subtropikalnych stref kuli ziemskiej. Rośnie w postaci kęp o silnym systemie korzeniowym i wykształca od kilku do kilkunastu łodyg o średnicy od 5-35 mm i wysokości ponad 3,5 metra. Plantacje ślazowca mogą być eksploatowane przez okres 15-20 lat. Ślazowiec rozmnaża się z sadzonek korzeniowych, rzadziej z nasion. Roślina ta może być uprawiana na glebach wszystkich klas z wyjątkiem VI i słabych klas V, o odczynie obojętnym, dopuszczalnie lekko kwaśnym. Pole przeznaczone pod uprawę musi być wolne od chwastów. Plonem użytkowym pozyskiwanym corocznie są zdrewniałe i zaschnięte łodygi. Zbioru biomasy dokonuje się w zależności od regionu od lutego do kwietnia.

Słonecznik bulwiasty

Topinambur pochodzi z Ameryki Północnej i jest blisko spokrewniony ze słonecznikiem zwyczajnym. Jego uprawa może być prowadzona na jednym stanowisku przez 15-20 lat. Rozmnażanie odbywa się przez sadzenie bulw. Słonecznik bulwiasty rośnie w postaci pojedynczych łodyg i osiąga wysokość do 4 metrów. Zbiór dokonywany jest pod koniec zimy. Bulwy można przeznaczyć do produkcji etanolu lub biogazu. Natomiast zeschnięte na pniu części nadziemne, mogą służyć do bezpośredniego spalania, produkcji brykietów lub peletów. Bulwy topinamburu są przysmakiem dzików i w wyniku ich intensywnego żerowania może dojść do znacznego zniszczenia łodyg.

Rdest sachaliński

Rdest sachaliński pochodzi z Azji wschodniej. Jest to roślina bardzo szybko rosnąca. Plantację tego gatunku można użytkować przez okres około 15 lat. Wysokie plony uzyskuje się na glebach rolniczych, dobrze uwodnionych. Zasychanie łodyg następuje w miesiącach zimowych, a zbioru dokonuje się w miesiącach luty-kwiecień.

Miskant olbrzymi

Jest to gatunek trawy pochodzący z Azji centralnej i południowo-wschodniej. Jest to roślina wieloletnia o stosunkowo małych wymaganiach glebowych i wyróżniająca się dużą produkcją suchej masy. Miskant rozrasta się w formie dużych kęp, z których wyrasta po kilkadziesiąt łodyg trzcinowych o wysokości 2,5 do 3,5 metra. Wyniki doświadczeń prowadzonych w Austrii, Niemczech i Danii wskazują, że plony miskanta olbrzymiego nawet na lżejszych glebach, w warunkach okresowego deficytu wody, wynosiły od 8 do 25 t/ha suchej masy. Gatunek ten jest wrażliwy na ujemne temperatury, szczególnie w pierwszym roku po posadzeniu. Biomasa miskanta ma szerokie zastosowanie, może służyć jako źródło energii, surowiec do produkcji materiałów budowlanych, papieru i materiałów rolniczych. Uprawiany na terenach skażonych zanieczyszczeniami przemysłowymi rekultywuje glebę, chroni ją przed wymywaniem składników pokarmowych i wypłukiwaniem związków próchnicznych.

ZIARNO ENERGETYCZNE

W celach energetycznych uprawia się wiele słabo rozpowszechnionych gatunków roślin, uprawia się jednak także rośliny znane już od dawna, lecz hodowane najczęściej z innym przeznaczeniem. Taką rośliną jest wykorzystywany zazwyczaj jako pasza dla zwierząt i pożywienie dla człowieka owies, którego uprawa znana jest w naszym kraju co najmniej od VIII wieku.

Znaczenie gospodarcze owsa

Na świecie uprawy owsa zajmują około 17,9 mln ha, w Polsce zaś 570 tys. ha (przed II wojną światową było to ok. 1 mln ha, później jednak, wraz ze spadkiem liczby hodowanych koni zmniejszył się też areał zajmowany przez uprawy owsa). Plony, wydawane przez owies są stosunkowo niewielkie: choć na świecie uprawy owsa zajmują 3% powierzchni wykorzystywanej pod uprawę zboża, jego zbiory stanowią zaledwie 1,7% wszystkich plonów zboża. W Polsce zbiory owsa stanowią 6,2% wszystkich plonów zboża i wynoszą 2,53 t/ha, czyli tylko 43% potencjału. Najwyższe plony owsa są osiągane w Irlandii (6 t/ha), w Holandii (5,8 t/ha) i w Anglii (5,5 t/ha).

Owies znajduje zastosowanie przede wszystkim jako pasza (w Polsce w ten sposób wykorzystywane jest 80% ziarna), poza tym służy też jako surowiec dla przemysłu spożywczego, gdzie wykorzystuje się go do produkcji płatków, kasz i otrębów. Owies jest również wykorzystywany w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i chemicznym, a także do celów dietetycznych i leczniczych. Do tych licznych zastosowań dołączyło niedawno kolejne: wykorzystanie owsa do celów energetycznych.

Ziarno owsa i innych zbóż jest już od lat wykorzystywane do celów grzewczych w Skandynawii. Na przykład w Szwecji, skąd nowa technologia przywędrowała do Polski działają setki instalacji służących do spalania ziarna. Takie zastosowanie ziarna rozpowszechnione jest też w Kanadzie i w Stanach Zjednoczonych, gdzie badania przeprowadzone na uniwersytecie w Minnesocie wykazały, że ogrzewanie ziarnem kukurydzy jest ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do ogrzewania olejem, gazem bądź energią elektryczną.

Technologia

Na czym więc polega ta nowa technologia? Wykorzystanie owsa do celów grzewczych wymaga wyposażenia kotła w specjalny palnik (przystawkę) do spalania ziarna, który można zainstalować w każdym kotle na paliwa stałe. Ziarno podawane jest do palnika za pomocą podajnika, a stamtąd trafia do komory spalania, gdzie zostaje napowietrzone (przy pomocy wentylatora) i spalone. Następnie płomień wypychany jest z komory spalania do komory grzewczej. Palniki do spalania owsa cechuje wysoka sprawność i niezawodność, na wypadek ewentualnej awarii posiadają one jednak system zabezpieczeń, dzięki któremu mogą zostać automatycznie wyłączone. Palniki te mogą służyć do ogrzewania budynków użyteczności publicznej czy pomieszczeń produkcyjnych, najczęściej jednak wykorzystuje się je do ogrzewania gospodarstw rolnych.

Owies można spalać w kotłach wyposażonych w specjalne palniki, istnieją jednak również specjalne kotły centralnego ogrzewania, przeznaczone do spalania ziarna. Kotły te posiadają - podobnie jak palniki - systemy zabezpieczeń awaryjnych i regulowane systemy napowietrzania komory spalania, a podawanie ziarna do pieca odbywa się w pełni automatycznie (tak jak w kotłach, wyposażonych w palniki).

Do wyprodukowania 10 tys. kW energii cieplnej potrzebne są ok. 3 tony owsa, co odpowiada 1 m3 (1000 l) oleju opałowego. W sezonie grzewczym zużywa się przeciętnie 6-7 ton ziarna. Do ogrzania jednego gospodarstwa wystarczają zbiory z  pola o powierzchni 2 ha.

Pierwsza instalacja w Polsce

Pierwszym budynkiem w Polsce, opalanym ziarnem energetycznym jest gospodarstwo we wsi Brzuchania pod Miechowem (woj. małopolskie), w którym na początku roku 2004 zamontowano instalację do spalania owsa. Zdaniem właściciela nowa technologia ma wiele zalet: jest opłacalna (150 kg ziarna wystarcza do ogrzewania mieszkania o powierzchni 200 m2 przez ponad trzy doby), prawie całkiem zautomatyzowana (trzeba tylko uzupełniać ziarno w zasobniku) i nieszkodliwa dla środowiska, a powstający w czasie spalania popiół można później wykorzystywać jako nawóz. Zadowolony ze zmiany sposobu ogrzewania rolnik zupełnie zrezygnował z wykorzystania węgla, zaś urząd miasta Miechowa zamierza sfinansować jeszcze przynajmniej 100 podobnych inwestycji.

Zalety

• Owies nadaje się do uprawy w całym kraju. Ponieważ jego wymagania glebowe są niewielkie, pod uprawę można wykorzystywać także ubogie gleby niskiej jakości (pod warunkiem, że zostaną odpowiednio nawodnione) i odłogi, które są w ten sposób zagospodarowywane. Owies uprawiany na terenach skażonych oczyszcza glebę z metali ciężkich, a ponieważ nie nadaje się do spożycia przez ludzi czy zwierzęta, może zostać wykorzystany na cele energetyczne.

• Owies posiada właściwości fitosanitarne, czyli jest dobrym przedplonem dla innych roślin. Wprowadzenie owsa do płodozmianu zbożowego zmniejsza konieczność stosowania nawozów mineralnych.

• Owies jest łatwy w spalaniu. Cechuje się stabilną wartością energetyczną (18,5 MJ/kg) i wilgotnością (10 - 13%).

• Podczas spalania owsa powstają minimalne ilości popiołu (ok.0,6%), który jest doskonałym nawozem, nadającym się do wykorzystania na polach czy w ogródkach przydomowych. Wykorzystywanie popiołu w charakterze nawozu ogranicza konieczność stosowania nawozów sztucznych.

• Spaliny, powstające podczas spalania owsa charakteryzuje mniejsza toksyczność w porównaniu ze spalinami, powstającymi podczas spalania innych surowców.

• Dozowanie owsa do kotła można łatwo zautomatyzować.

• W kotle do spalania owsa można spalać także pelety.

• Transport i magazynowanie owsa są łatwiejsze, niż transport i magazynowanie innych rodzajów biomasy, np. drewna czy słomy. Przechowując owies można efektywniej wykorzystywać powierzchnię składowania. 

• W Polsce istnieje długa tradycja uprawy owsa, nie występują więc trudności pojawiające się nieraz w związku z hodowlą nowych gatunków roślin energetycznych. Rolnicy posiadają odpowiednie wyposażenie i odpowiednie magazyny, nie brakuje im także doświadczenia.

• Wykorzystując na cele energetyczne nadwyżki produkcyjne owsa, a także ziarno niskiej jakości bądź niezdatne do spożycia zapobiegamy marnotrawstwu. 

• Produktem ubocznym uprawy zbóż jest słoma, która także może być wykorzystana jako odnawialne źródło energii.

• Wykorzystanie owsa do celów grzewczych przynosi korzyści ekonomiczne: ograniczany jest odpływ środków finansowych z gminy, a cena zboża jest stabilna (nie zmienia się wraz z cenami paliw na światowych rynkach) i w Polsce raczej nie należy się spodziewać jej szybkiego wzrostu. 

• Wykorzystujące do celów grzewczych owies gospodarstwo domowe uniezależnia się od zewnętrznych dostawców surowców energetycznych.

Wady

Wysoka cena palnika (ponad 10 tys. zł.), bez którego efektywne spalanie owsa nie jest możliwe (owies wymaga odpowiedniej ilości powietrza i innej temperatury, niż powszechnie stosowane rodzaje biomasy).
Ryzyko inwazji szkodników (gryzonie, insekty).

BRYKIET DRZEWNY

Brykiet drzewny produkowany jest z rozdrobnionych odpadów drzewnych takich jak trociny, wióry czy zrębki, które są sprasowywane pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. Niska zawartość wilgoci sprawia, że wartość opałowa brykietów jest wyższa niż drewna.

Dzięki dużemu zagęszczeniu materiału w stosunku do objętości, proces spalania jest stopniowy i powolny. Brykiet drzewny ma najczęściej kształt walca lub kostki. Technologia produkcji brykietów drzewnych była już stosowana przed II wojną światową w Szwajcarii, jednak produkcja na skalę przemysłową rozwinęła się dopiero w latach osiemdziesiątych XX wieku.

Z czego można produkować brykiet?   

Surowcem do produkcji brykietu z biomasy może być każdy rodzaj rośliny lub odpadów pochodzenia roślinnego. Największe znaczenie gospodarcze i największą wartość handlową mają brykiety produkowane z drewna . Do przerobu nadają się praktycznie wszystkie rodzaje drewna i odpadów drzewnych, w tym zrębki i trociny. Brykietowanie następuje w prasach mechanicznych lub hydraulicznych bez stosowania żadnych substancji wiążących. O kształcie otrzymywanego brykietu decyduje rodzaj zastosowanej prasy brykietującej. Linie do produkcji brykietu zarówno mechaniczne, jak i hydrauliczne, oferowane są przez producentów krajowych i zagranicznych.

Rodzaje brykietu

1. Brykiet w kształcie walca o średnicy 50 lub 53 mm (produkowany w maszynach starszych typów). Ten rodzaj brykietu produkowany jest w brykieciarkach mechanicznych. Długość brykietu jest niejednolita i wynosi od kilku do kilkunastu centymetrów, a podstawa walca jest nieregularna.

2. Brykiet w kształcie walca o średnicy 30 do 80 mm, o regularnej bryle i długości zwykle kilka do kilkunastu centymetrów. Brykiet taki powstaje poprzez sprasowanie określonej porcji surowca w brykieciarce hydraulicznej.

3. Brykiet kominkowy - zwykle ośmiokątny z otworem w środku, produkowany jest w brykieciarkach ślimakowych. 

4. Brykiet typu kostka - stosowany najczęściej w kominkach. Ceny rynkowe brykietu tego typu oraz brykietu kominkowego są zwykle wyższe od przeciętnych cen brykietu typu walec.

Produkcja brykietu

Powstały w urządzeniu brykietującym brykiet drzewny w skutek wysokiego ciśnienia wywieranego na trociny posiada wysoką temperaturę, jest kruchy, a równocześnie łatwo się skleja. Konieczne jest zatem kondycjonowanie produktu, czyli jego stabilizacja termiczna i wytrzymałościowa.

W procesie produkcji brykietu można wyodrębnić następujące fazy:

• przygotowanie surowca

• suszenie

• ostateczne rozdrobnienie i przygotowanie jednorodnej frakcji odpadu

• brykietowanie

• kondycjonowanie

• pakowanie i składowanie.

Normy jakości

W wielu krajach europejskich obowiązują normy określające właściwości paliwa produkowanego z biomasy. Najpowszechniejszy w Polsce rodzaj brykietu wg. niemieckich standardów DIN odpowiada klasie HP 5 (przekrój 0,4-1 cm, długość <5cm). Według tej normy przekrój brykietu powinien posiadać geometryczną formę taką jak koło, kwadrat, wielokąt lub owal. Norma określa również gęstość (1-1,4 g/cm³), wilgotność (poniżej 12%), zawartość popiołu (poniżej 1,5%), wartość kaloryczną (17,5-19,5 MJ/kg) oraz skład chemiczny brykietu. Norma DIN nie dopuszcza stosowania jakichkolwiek substancji spajających. W Polsce jak dotąd nie wprowadzono jednolitych norm jakości, jednak atesty brykietu drzewnego przeprowadzane są m. in. przez Główny Instytut Górnictwa oraz Zakład Pomiarowo-Badawczy Energetyki Energopomiar.

Rozwój rynku

Produkcja brykietu jest prostsza i tańsza od produkcji pelet. Doświadczenia krajów takich jak Dania, Czechy czy Indie pokazują, że produkcja brykietu może być powszechnie stosowana przez społeczności lokalne. W dłuższej perspektywie brykietowanie odpadów drzewnych może stanowić doskonałe uzupełnienie do produkcji peletów - paliwa o dużo wyższych wymaganiach surowcowych i technologicznych. Odpadowa część z produkcji peletów może być poddana brykietowaniu. Brykietowaniu może również być poddana biomasa pochodząca z plantacji roślin energetycznych, takich jak wierzba wiciowa lub ślazowiec pensylwański , a także wiele materiałów lignocelulozowych pochodzących z selektywnej zbiórki odpadów oraz słoma.

Znaczenie brykietu w Polsce jako paliwa na lokalnych rynkach wzrasta. Stosunkowo niewielki próg finansowy inwestycji, w porównaniu z produkcją peletów, wzrostowy rynek i zgodność z trendami ochrony środowiska skłania wielu producentów do rozpoczęcia produkcji tego typu paliwa. Jednym z poważnych ograniczeń stało się zapewnienie odpowiednich ilości surowca do produkcji i możliwość jego pozyskania w odległości do 100 km od lokalizacji zakładu produkcyjnego. Zakłady produkujące brykiet powstają głównie w rejonach o silnej koncentracji przemysłu drzewnego i meblarskiego oraz w sąsiedztwie dużych obszarów leśnych.

Zalety brykietu

• duża gęstość - łatwość przechowywania i dystrybucji

• możliwość stosowania w kotłowniach z automatycznym podawaniem paliwa

• wysoka wartość opałowa - porównywalna z gorszej jakości węglem kamiennym

• nie zawiera szkodliwych substancji

• niska emisja dwutlenku siarki i innych substancji szkodliwych podczas spalania

• niska zawartość popiołu

• możliwość wykorzystania popiołu jako nawozu

• możliwość długiego przechowywanie w suchych pomieszczeniach

• szerokie spektrum zastosowania: w kotłowniach indywidualnych, kotłowniach zasilających sieci

• rzewcze, kominkach.

Brykiet drzewny stanowi atrakcyjną alternatywę paliwową dla szerokiego grona odbiorców. Analizując sprzedaż brykietu w ciągu trzech ostatnich sezonów grzewczych można zauważyć zwiększenie udziału tego paliwa w lokalnych rynkach. O ile w 2002 roku producenci przeznaczali swoją produkcję głównie na eksport, do Danii i innych krajów skandynawskich, o tyle już w 2003 roku paliwo to w zdecydowanej większości sprzedawane było w kraju. Doświadczenia producentów brykietu wskazują na ogromny potencjał lokalnych rynków i wzrastające zainteresowanie dotychczasowych użytkowników kotłów węglowych. Brykiet drzewny sprzedawany jest najczęściej w workach 20kg lub 50kg lub opakowaniach typu „big bag”.

Gdzie można stosować brykiet?

Brykiet drzewny może być efektywnie spalany w kotłach małej mocy z zasypem ręcznym lub automatycznym podawaniem paliwa oraz w kotłowniach kontenerowych średniej mocy z automatycznym systemem podawania paliwa i komputerowo sterowanym procesem spalania. Brykiet drzewny może być również wykorzystywany w kotłach zgazowujących. Może również stanowić paliwo zastępcze w stosunku do węgla i miału lub być z nimi współspalany. W takim przypadku konieczne jest uwzględnienie zaleceń producentów urządzeń grzewczych w zakresie stosowania paliw zamiennych. Ekologiczne, o wysokiej sprawności spalanie brykietu w celach energetycznych odbywa się w kotłach o specjalnej konstrukcji, które charakteryzują zwiększone powierzchnie wymiany ciepła i lepsze mieszanie spalin przy dużych współczynnikach nadmiaru powietrza. Kotły takie posiadają specjalne komory spalania wyposażone w ruszty stałe lub ruchome, projektowane do spalania różnych odpadów drzewnych.

PELETY DRZEWNE

Pelety (granulat) to wysoko wydajne, odnawialne paliwo, produkowane z biomasy.

W krajach Unii Europejskiej produkcja i zastosowanie energetyczne granulatu z odpadów drzewnych wzrosły kilkukrotnie w ostatnich latach. Również w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych rynek produkcji pelet rozwija się bardzo dynamicznie. Pelety są używane do ogrzewania budynków użytkowych i gospodarstw domowych od kilkunastu lat. Również w Polsce pelety zdobywają coraz większą rzeszę zwolenników.

Surowcem do produkcji granulatu są odpady drzewne z tartaków, zakładów przeróbki drewna i leśne odpady drzewne. Najpopularniejszymi odpadami do produkcji granulatu są trociny i wióry. Technicznie możliwe jest także produkowanie granulatu z kory, zrębków, upraw energetycznych i słomy.

Proces produkcji

Produkcja peletu polega na poddaniu biomasy trzem kolejnym procesom: suszenia, mielenia i prasowania. Pelety wytłacza się z rozdrobnionej suchej biomasy pod dużym ciśnieniem w prasie rotacyjnej, bez substancji klejącej. Produktem końcowym są małe granulki o kształcie cylindrycznym o średnicy 6-25mm i długości do kilku centymetrów. Bardzo duże siły działające podczas wyciskania powodują, że w małej objętości zostaje zmieszczona duża ilość produktu.

Paliwo to charakteryzuje się niską zawartością wilgoci (8-12%), popiołów (0,5%) i substancji szkodliwych dla środowiska oraz wysoką wartością energetyczną. Cechy te powodują, że jest to paliwo przyjazne środowisku naturalnemu, a jednocześnie łatwe w transporcie, magazynowaniu i dystrybucji.

Granulat z odpadów drzewnych jest konkurencyjny dla oleju i węgla pod względami ekonomicznymi i ze względu na mniejsze emisje gazów i pyłów. Wykorzystanie granulatu do ogrzewania budynków użyteczności publicznej i w budownictwie jednorodzinnym jest korzystne tam gdzie obecnie stosuje się olej opałowy.

Ważną zaletą pelet jest to, że mogą być produkowane z lokalnie dostępnych surowców. Daje to możliwość stworzenia nowych miejsc pracy. Granulat produkowany jest z odpadów drzewnych, zatem jego produkcja przyczynia się do zmniejszania problemu zagospodarowania odpadów i zużycia paliw kopalnych. Spalanie drewna nie powoduje emisji CO₂ , ponieważ emisje równoważone są przez pochłanianie dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy.

Pelety spalane są w pełni automatycznych kotłach c.o. Na rynku polskim jest już wielu producentów i dystrybutorów kotłów, przystosowanych do spalania pelet. Istnieje również możliwość zastosowania przystawki do kotła starego typu. Do posiadanego kotła grzewczego możemy wmontować odpowiednio przystosowany palnik do spalania granulatu. Granulat jako paliwo nadaje się do wykorzystania zarówno w instalacjach indywidualnych, jak i systemach ciepłowniczych.

Zalety pelet

• wysoka wartość opałowa (2,1 kg granulatu zastępuje 1l oleju opałowego/dobry granulat ma wartość kaloryczną przekraczającą 70% wartości kalorycznej najlepszych gatunków węgla)

• zerowa emisja CO₂ (emitowana jest tylko taka ilość CO₂ jaka została uprzednio pochłonięta w procesie fotosyntezy) oraz niska emisja SO₂

• stanowią odnawialne źródło energii, najczęściej pozyskiwane lokalnie

• nie zawierają żadnych dodatkowych, szkodliwych substancji chemicznych takich jak kleje czy lakiery
  łatwe i dogodne w użytkowaniu

• niskie koszty składowania i transportu

• odporne na samozapłon

• odporne na naturalne procesy gnilne, a gładka powierzchnia skutecznie chroni przed absorbowaniem wilgoci z otoczenia

• spalanie odbywa się w automatycznych, bezobsługowych kotłach

• w procesie spalania powstaje niewielka ilość popiołu, który stanowi nawóz ogrodniczy.

BIOGAZ

Biogaz, gaz wysypiskowy - gaz palny, produkt fermentacji anaerobowej związków pochodzenia organicznego (np. ścieki, m.in. ścieki cukrownicze, odpady komunalne, odchody zwierzęce, gnojowica, odpady przemysłu rolno-spożywczego, biomasa) a częściowo także ich gnicia powstający w biogazowni. W wyniku spalania biogazu powstaje mniej szkodliwych tlenków azotu niż w przypadku spalania paliw kopalnych.

 

Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. W procesie fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienianej jest w biogaz. Zgodnie z przepisami obowiązującymi w Unii Europejskiej składowanie odpadów organicznych może odbywać się jedynie w sposób zabezpieczający przed niekontrolowanymi emisjami metanu. Gaz wysypiskowy musi być spalany w pochodni lub w instalacjach energetycznych, a odchody zwierzęce fermentowane.

Skład biogazu

Składnik	%
metan (CH4)	40 - 75
dwutlenek węgla (CO2)	25 - 50
azot (N2)	0 - 0,3
wodór (H2)	1 - 5
siarkowodór (H2S)	0 - 3
tlen (O2)	0,1 - 0,5

Nieoczyszczony biogaz składa się w ok. 65% (w granicach 50-75%) z metanu i w 35% z dwutlenku węgla oraz domieszki innych gazów (np. siarkowodoru, tlenku węgla), jego wartość opałowa waha się w granicach 17-27 MJ/m³ (Megadżuli na metr sześcienny biogazu, w warunkach normalnych, czyli 0°C i 10⁵ Pa) i zależy głównie od zawartości metanu.

Wytwarzanie biogazu

Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych powstaje w wyniku fermentacji:

• odpadów organicznych na składowiskach odpadów,

• odpadów zwierzęcych w gospodarstwach rolnych,

• osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków.

Biogaz powstający w wyniku fermentacji beztlenowej składa się w głównej mierze z metanu (od 40% do 70%) i dwutlenku węgla (około 40-50%), ale zawiera także inne gazy, m. in. azot, siarkowodór, tlenek węgla, amoniak i tlen. Do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający powyżej 40% metanu.

Szybkość rozkładu materii organicznej zależy od szeregu czynników. Na przebieg procesu fermentacji korzystnie wpływa utrzymanie stałej wysokiej temperatury, wysokiej wilgotności (powyżej 50%), korzystnego pH (powyżej 6,8) oraz ograniczenie dostępu powietrza. W zależności od temperatury, w której przebiega rozkład, wyróżnia się dwa rodzaje fermentacji beztlenowej:

• mezofilną, która przebiega w temperaturze około 32-35°C,

• termofilną, która zachodzi w temperaturze 55-57°C.

Na składowiskach odpadów biogaz wytwarza się samoczynnie, stąd nazwa gaz wysypiskowy. Obecnie na wysypiskach instaluje się systemy odgazowujące. Nowoczesne składowiska posiadają specjalne komory fermentacyjne lub bioreaktory, w których fermentacja metanowa odpadów odbywa się w stałych temperaturach 33-37°C dla bakterii metanogennych mezofilnych, rzadziej 50-70°C dla bakterii termofilnych oraz przy pH 6,5-8,5 i odpowiedniej wilgotności. Ze składowiska o powierzchni około 15 ha można uzyskać 20 do 60 GWh energii w ciągu roku, jeżeli roczna masa składowanych odpadów to około 180 tys. ton.Biogaz powstaje również w sposób naturalny np. na torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy gazem błotnym lub gazem gnilnym.

 

Czasami biogaz określa się jako agrogaz, zwłaszcza jeżeli uzyskujemy go z gnojowicy lub obornika. Z 1m³ gnojowicy można uzyskać w przybliżeniu 20m³ biogazu, natomiast z 1m³ obornika nawet 30m³. Pozostałość po fermentacji stanowi cenny nawóz.

Zastosowanie biogazu

Biogaz może być wykorzystywany na wiele różnych sposobów. Gaz wysypiskowy może być dostarczany do sieci gazowej, wykorzystywany jako paliwo do pojazdów lub w procesach technologicznych. Biogaz może być spalany w specjalnie przystosowanych kotłach, zastępując gaz ziemny. Uzyskane ciepło może być przekazywane do instalacji centralnego ogrzewania. Energia elektryczna wyprodukowana w silnikach iskrowych lub turbinach może być sprzedawana do sieci energetycznych. Biogaz jest również wykorzystywany w układach skojarzonych do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

 

Biogaz ma szerokie zastosowanie: wykorzystuje się go głównie w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech i USA jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego (ze 100m³ biogazu można wyprodukować około 540-600 kWh energii elektrycznej), jako źródło energii do ogrzewania wody, a po oczyszczeniu i sprężeniu jako paliwo do napędu silników (instalacje CNG).

Zalety stosowania biogazu

Zalety wynikające ze stosowania instalacji biogazowych:

• produkowanie „zielonej energii”

• ograniczanie emisji gazów cieplarnianych poprzez wykorzystanie metanu

• obniżanie kosztów składowania odpadów

• zapobieganie zanieczyszczeniu gleb oraz wód gruntowych, zbiorników powierzchniowych i rzek

• uzyskiwanie wydajnego i łatwo przyswajalnego przez rośliny nawozu naturalnego

• eliminacja odoru.

Gaz wysypiskowy

Odpady organiczne stanowią jeden z głównych składników odpadów komunalnych. Ulegają one naturalnemu procesowi biodegradacji, czyli rozkładowi na proste związki organiczne. W warunkach optymalnych z jednej tony odpadów komunalnych może powstać około 400-500 m³ gazu wysypiskowego. Jednak w rzeczywistości nie wszystkie odpady organiczne ulegają pełnemu rozkładowi, a przebieg fermentacji zależy od szeregu czynników. Dlatego też przyjmuje się, że z jednej tony odpadów można pozyskać maksymalnie do 200 m³ gazu wysypiskowego.

 

W chwili obecnej na świecie działa ponad 800 instalacji energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym względem Wielka Brytania, gdzie w 2000 roku moc zainstalowana wynosiła 292 MW elektrycznych. W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ok. 700 czynnych składowisk odpadów. Oszacowano, że produkują one rocznie ponad 600 mln m³ metanu. W praktyce zasoby gazu wysypiskowego możliwe do pozyskania nie przekraczają 30-45% całkowitego potencjału powstającego na wysypisku gazu. W takich warunkach zasoby metanu realnie możliwe do pozyskania z wysypisk odpadów komunalnych są szacowane na 135-145 mln m³ metanu rocznie, co jest równoważnikiem 5235 TJ. Potencjał ten jest obecnie wykorzystywany tylko w nieznacznym stopniu. W 2002 roku w Polsce działało zaledwie 18 instalacji do wykorzystania gazu wysypiskowego.

Biogazownie rolnicze

W gospodarstwach hodowlanych powstają znaczne ilości odpadów, które mogą być wykorzystane do produkcji biogazu. Z 1 m³ płynnych odchodów można uzyskać średnio 20 m³ biogazu, a z 1 m³ obornika - 30 m³ biogazu, o wartości energetycznej ok. 23 MJ/m³ . Potencjał biogazu z odchodów zwierzęcych w Polsce wynosi 3310 mln m³, jednak w praktyce instalacje do pozyskania biogazu mają szanse powstać tylko w dużych gospodarstwach hodowlanych.

Biogaz z oczyszczalni ścieków

Potencjał techniczny dla wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków do celów energetycznych jest bardzo wysoki. W Polsce jest 1759 przemysłowych i 1471 komunalnych oczyszczalni ścieków i liczba ta wzrasta. Standardowo z 1m³ osadu (4-5% suchej masy) można uzyskać 10-20 m³ biogazu o zawartości ok. 60% metanu. Do bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, które mają zastosowanie we wszystkich oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni przemysłowych. Ponieważ oczyszczalnie ścieków mają stosunkowo wysokie zapotrzebowanie własne zarówno na energię cieplną i elektryczną, energetyczne wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów ściekowych może w istotny sposób poprawić rentowność tych usług komunalnych. Ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest uzasadnione na tylko większych oczyszczalniach ścieków przyjmujących średnio ponad 8 000-10 000 m³/dobę.

BUDOWA BIOGAZOWNI ROLNICZEJ

Przedmiot i cel przedmiotem

Przedsięwzięcia jest wybudowanie i eksploatacja przez rodzinę Pojdów zajmującą się hodowlą i rolnictwem biogazowni rolniczej, wykorzystującej odchody zwierzęce, kiszonki i odpady produkcji rolnej do wytwarzania biogazu i dalej energii elektrycznej i cieplnej. Pozostałość poprodukcyjna w postaci przefermentowanej gnojowicy zostanie zagospodarowana jako "ulepszony" nawóz naturalny na uprawy.

Dotychczasowy sposób korzystania ze środowiska

Hodowla zwierząt jest nierozerwalnie związana z powstawaniem gnojowicy, obornika a w kurniku odchodów kurzych. Dotychczas odchody te gromadzone są na gnojowisku, w zbiorniku gnojowicy na terenie podwórza za budynkami inwentarskimi, a znaczna część odchodów kurzych jest wywożona i gromadzona (do czasu właściwego dla nawożenia) na pryzmach w polu. Ten sposób postępowania nie tylko wiąże się z emisją odorów, ale również jednego z bardziej uciążliwych gazów cieplarnianych jakim jest metan, mający co najmniej 21(niektóre źródła podają wartość 27) krotnie większe negatywne oddziaływanie niż dwutlenek węgla. Eksploatacja biogazowni pozwoli na zasadnicze zmiany korzystania w tym zakresie ze środowiska.

Wprowadzenie do opisu biogazowni

Ponieważ w prawie polskim brak jest określenia (definicji) "biogazownia rolnicza" przyjmujemy że, jest to: zestaw urządzeń do wytwarzania i magazynowania biogazu (patrz Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej z dnia 7. października 1997 r. Dz. U. 132 poz. 877)
Do zestawu tego należą:
- komora fermentacyjna wraz z wyposażeniem,
- zbiornik biogazu.
Dalsze części składowe to budowle, urządzenia i osprzęt który w zależności od potrzeb, sposobu i wielkości wykorzystania produktów z fermentacji może być bardziej lub mniej rozbudowany. Otrzymany biogaz może być, spalany bezpośrednio w piecu lub jako paliwo gazowe zasilać silnik spalinowy, a masa pofermentacyjna (gnojowica pofermentacyjna), jako przetworzony nawóz naturalny wylewana pod uprawy.
W budowanym obiekcie substratami do produkcji biogazu będą odchody z kurnika, obornik, gnojowica z chlewni, pozostałości z produkcji rolnej itp. Wytworzony biogaz, zasilał będzie kogenerator którego produkt to energia elektryczna i energia cieplna. Przefermentowana w komorze gnojowica, będzie przetrzymana w nowym, zamkniętym zbiorniku betonowym (gnojowicy pofermentacyjnej) oraz już istniejącym w gospodarstwie zbiorniku gnojowicy i w odpowiednim czasie wylana pod uprawy.

Usytuowanie przedsięwzięcia

Przedmiotowa inwestycja usytuowana jest na części działki o numerze 99 i 100 w Studzionce przy ul. Powstańców Śląskich 51 przeznaczonej do obsługi produkcji w gospodarstwach rolnych.
W najbliższym otoczeniu projektowanego przedsięwzięcia znajdują się:

• na kierunku południowym - zabudowania gospodarcze, podwórze, dom i ulica

• na kierunku północnym - łąki

• na kierunku wschodnim - działka 1073/97

• na kierunku zachodnim - łąka dalej ulica i za ulicą zabudowa

W strefie oddziaływania nie występują obszary:

• parków narodowych

• ochrony uzdrowiskowej

Teren na którym realizowana jest inwestycja przeznaczony jest jako teren produkcji i obsługi rolniczej. Na części działki 99 i100 planuje się lokalizację kompletnej instalacji służącej do fermentacji (utylizacji) odchodów zwierzęcych i odpadów z działalności rolniczej innych niż niebezpieczne to jest wybudowanie, ustawienie lub adaptację: zbiornika wstępnego (końcówka istniejącego kolektora ściekowego), komory fermentacyjnej, zbiornika gnojowicy pofermentacyjnej oraz adaptację pomieszczenia technicznego (maszynowni) w części garażu maszyn rolniczych.
Podstawowe obiekty jak komora fermentacyjna i zbiornik biogazu usytuowano na terenie podwórza za budynkami gospodarczymi a zbiornik gnojowicy pofermentacyjnej na miejscu dotychczasowego gnojowiska to jest pomiędzy budynkami gospodarczymi i granicą działki od strony łąk. Studzienka pompy, przy istniejącym zbiorniku zrzutowym przy ścianie kurnika a pomieszczenie techniczne (maszynownia) w adaptowanym pomieszczeniu w budynku gospodarczym.

Skala przedsięwzięcia

Podstawową jednostką instalacji jest komora fermentacyjna, w naszym przypadku to cysterna stalowa o średnicy ~2,8 m i długości 10,3 m (objętości 61,0 m3), izolowana cieplnie, zajmowana powierzchnia (rzut) około 40 m2, zbiornik gnojowicy pofermentacyjnej to zbiornik betonowy zbrojony, okrągły o średnicy wewnętrznej 10.0 m i wysokości 5.0m, zagłębiony w ziemi około 1,5 m, zajmowana powierzchnia z opaską około 95,0 m2.
Zbiornik biogazu to worek z tworzywa sztucznego (kauczuku butylowego, mieszaniny plietylenowo-propylenowej) o pojemności około 85,0 - 90,0 m3 umieszczony (zawieszony) w typowym silosie blaszanym (zbożowym) o średnicy około 5,0 m i wysokości około 6,0 m jako osłonie przed uszkodzeniami mechanicznymi i działaniem otwartego ognia, zajmowana powierzchnia (rzut) z opaską około 35,0 m2. Drogi i place 150,0 m2. Razem z wolnymi powierzchniami pomiędzy drogą i obiektami około 440,0 m2 , obiekty budowlane (rzut) 170,0 m2. Dotychczas, powierzchnia ta była wykorzystana jako gnojowisko i zbiornik gnojowicy a w drugiej części, przejściowy plac składowania różnych przedmiotów związanych z prowadzeniem gospodarstwa.

Przewidywane ilości wykorzystywanych surowców, materiałów, paliw, wody oraz energii

Wielkość hodowli to średnio 19.000 sztuk niosek, 12 sztuk macior oraz 250 sztuk świń od prosięta do dojrzałego tucznika (około 85 prosiaków, 85warchlaków i 80 tuczników).
Do fermentacji przewiduje się wykorzystanie średnio na dzień następujących ilości surowców:

• odchody kurze - 1900,0 kg

• gnojowicy świńskiej - 900,0 kg

• kiszonki/zielonki - dorywczo (1 t/dzień)

• odpady zbożowe - dorywczo

• odpady okopowe - okresowo

• woda - 400 litrów (w pierwszych 6 -ciu tygodniach, później 200 litrów, po wdrożeniu procesu, uzupełnienie płynów będzie uzupełniane ze zbiornika gnojowicy przefermentowanej)

• energii elektrycznej 7,0 do 12 kWh - zasilanie pompy, mieszadeł, podajników ślimakowych, startu kogeneratora i wentylatora awaryjnego

• olej do smarowania silnika gazowego 2 razy po 7 litrów w roku

• innych materiałów nie przewiduje się.

Zielonki do zakiszania, składowane są na nie odległym od instalacji polu i w razie potrzeby przywożone bezpośrednio przed użyciem w procesie technologicznym. Odpady zbożowe wykorzystywane w biogazowni, mogą występować pod wieloma postaciami; pozostałości po omłotach rzepaku, omłotach zbóż, pogryzione przez gryzonie ziarno, zamoknięte i zapleśniałe ziarno, jak i zbędne nadwyżki pasz. Odpady okopowe to liście buraków, uszkodzone ziemniaki pozostałości warzyw itp.

Sposób gromadzenia, transportowania i magazynowania surowców przeznaczonych do produkcji biogazu

Gnojowica świńska spływa bezpośrednio z chlewni do nakrytego kanału zrzutowego, który w końcówce jest zakryty pokrywą i pełni rolę zbiornika wstępnego dla instalacji biogazowni i tam jest chwilowo (od kilku minut do kilku godzin) gromadzona. Odchody z kurnika, przy każdorazowym uruchomieniu taśm usuwających odchody z pod kur, będą zabierane i bezpośrednio przewożone na przyczepie i wrzucane do zbiornika wstępnego. A stamtąd jak wyżej opisano, po wymieszaniu, w krótkich odstępach czasowych nastąpi pompowanie do komory fermentacyjnej. Kiszonki i odpady z roślin okopowych (liście z buraków itp.) będą składowane na pryzmie polowej po przeciwnej stronie ulicy Powstańców Śląskich (w stosunku do posesji) w odległości około 200 m od drogi i najbliższych zabudowań. Kiszonka z pryzmy, przywożona będzie w razie potrzeby (szczególnie w czasie nasadzania kur lub innych przerw w zasilaniu z kurnika), codziennie i na jeden dzień zapasu. Rozładowana na płytę doraźnego składowania substratów stałych bezpośrednio w sąsiedztwie komory fermentacyjnej, a z płyty zrzucana według potrzeby do zagłębionej niszy w której znajduje się czerpak podajnika ślimakowego lub zgrzebłowego, transportującego substraty stałe do komory fermentacyjnej. Obornik po usunięciu z obory, zamiast na pryzmę, będzie bezpośrednio dostarczany pod transporter, od razu wrzucany do niszy czerpaka transportera i przemieszczony transporterem do komory fermentacyjnej.
Odpady zbożowe, również spożywcze czy pozostałości z karmy, będą bezpośrednio (w zależności od konsystencji) wrzucane do niszy zrzutowej lub zbiornika wstępnego.
Na terenie podwórza na płycie przy komorze fermentacyjnej gromadzone będą; zapasy substratów stałych (kiszonek), najwyżej na jeden, dwa lub trzy dni (okres świąteczny). Podobnie będzie z gromadzeniem odchodów zwierzęcych gromadzonych w kanale zrzutowym. A więc nie będzie długotrwałego składowania obornika jak to jest do tej pory.

Dane techniczne planowanego układu kogeneracyjnego

(wg firmy T&S Ruhland)

Motor typu Otto na gaz

Moc stała: 40 kWel
Zaadaptowany motor wysokoprężny typu D243 Bielarus (nowo wyprofilowane tłoki, podniesiona głowica, świece zapłonowe zamiast wtrysku)
Pojemność: 4.7 l
Prędkość obrotowa: 1500 obr/min
Generator
Silnik asynchroniczny firmy CELMA
Moc: 40 kW
Napięcie: 3x230 V
Prąd znamionowy: 66 A
Prędkość obrotowa: 1500 obr/min
Współczynnik mocy: cosφ = 0,88
Klasa bezpieczeństwa: IP55

Koszt całego układu łącznie z szafą sterowniczą i przyłączami wynosi ok. 25000€ netto lub ok. 16000€ z motorem na gaz po generalnym remoncie.

BIOPALIWA

Następujący współcześnie szybki rozwój transportu ma swoje dobre i złe strony. Do tych ostatnich należą niewątpliwie powodowane przez transport zanieczyszczenia. To transport odpowiada za około jedną czwartą emisji dwutlenku węgla (CO₂), przy czym aż 80% tej sumy przypada na transport drogowy. Nic więc dziwnego, że w trosce o środowisko naturalne ludzie coraz częściej zwracają się ku alternatywom dla tradycyjnych paliw. Jedną z takich alternatyw są biopaliwa płynne.

 

Źródła biopaliw płynnych i możliwości ich zastosowania (za EC BREC)

 

Biopaliwo	Roślina	Proces konwersji	Zastosowanie
Bioetanol	Zboża, ziemniaki, topinambur itp.	Hydroliza i fermentacja	Substytut i/lub dodatek do benzyny
Bioetanol	Buraki cukrowe itp.	Fermentacja	Substytut i/lub dodatek do benzyny
Bioetanol	Uprawy energetyczne, słoma, rośliny trawiaste	Obróbka wstępna, hydroliza i fermentacja	Substytut i/lub dodatek do benzyny
Biometanol	Uprawy energetyczne	Gazyfikacja lub synteza metanolu	Ogniwa paliwowe
Olej roślinny	Rzepak, słonecznik itp.		Substytut i/lub dodatek do oleju napędowego
Biodiesel	Rzepak, słonecznik itp.	Estryfikacja	Substytut i/lub dodatek do oleju napędowego
Bioolej	Uprawy energetyczne	Piroliza	Substytut oleju napędowego lub benzyny

 

Oleje roślinne

Różniące się od olejów napędowych brakiem lotności, większą lepkością i mniejszą podatnością na samozapłon nie mogą być bez wcześniejszego przetworzenia stosowane jako paliwo napędowe. Wyjątek stanowi wykorzystanie olejów roślinnych w specjalnie zaprojektowanych silnikach, takich jak na przykład przystosowane do napędzania olejem rzepakowym silniki niemieckiej firmy Elsbett. To rozwiązanie nie jest jednak zbyt rozpowszechnione z uwagi na wysokie koszty produkcji.

Bioolej

Zamiast przystosowywać silnik do paliwa można przystosować paliwo do silnika. Poddając biomasę szybkiej pyrolizie - to znaczy krótkotrwałemu oddziaływaniu temperatury 400-600 st. C - otrzymuje się bioolej. Ta ciemnobrązowa, gęsta ciecz o wartości opałowej stanowiącej 45-50% wartości energetycznej oleju napędowego może być wykorzystywana w kotłach, palnikach, turbinach czy generatorach prądu. Spalanie biooleju nie przyczynia się do emisji dwutlenku siarki (SO₂), jest neutralne z punktu widzenia bilansu tlenku węgla (CO), zaś spowodowane nim emisje dwutlenku azotu (NO₂) należą do śladowych.

Biodiesel

czyli biopaliwo z rzepaku pozyskiwany jest w znanym już na przełomie XIX i XX wieku procesie chemicznym, polegającym na przetworzeniu oleju rzepakowego w estry metylowe (RME). Stosuje się przy tym jedną z dwóch technologii:

• odpowiednią dla małych, produkujących na przykład 500 ton biopaliwa rocznie zakładów przetwórczych technologię zimną, w której biopaliwo pozyskiwane jest w temperaturze 20-70 st. C lub

• wymagającą dostaw energii cieplnej technologię gorącą, w której do produkcji biopaliwa potrzebna jest temperatura 240 st. C i ciśnienie około 10 MPa.

W tej ostatniej technologii surowcem do produkcji biopaliwa może być olej tłoczony na zimno

Estryfikowany olej rzepakowy (RME) jest wykorzystywany bądź w charakterze:

• substytutu oleju napędowego, bądź też jako

• dodatek do oleju napędowego, mieszany z nim w różnych proporcjach.

Z punktu widzenia ochrony środowiska korzystniejsze jest pierwsze rozwiązanie.

Produkcja biodiesla najdynamiczniej rozwija się w Austrii, która już w 1982 roku rozpoczęła prace nad wdrożeniem tego paliwa, w Niemczech, gdzie według przewidywań w roku 2006 uprawy rzepaku zajmą rekordową powierzchnię 1,4 mln ha gruntu, a także we Francji i we Włoszech. W Polsce pierwszym zakładem wytwarzającym biopaliwo z rzepaku była agrorafineria w Mochełku koło Bydgoszczy, przetwarzająca od 100 do 500 kg nasion na godzinę.

Bioakohole

Etanol

 (spirytus odwodniony) ma największe znaczenie wśród bioalkoholi wykorzystywanych do celów paliwowych. Otrzymuje się go przez odwodnienie alkoholu gorzelnianego, zawierającego 97,2% objętości etanolu. Podobnie jak biodiesel, etanol może być stosowany bądź jako:

• paliwo napędowe - silniki, przystosowane do zasilania etanolem wyprodukowały między innymi takie firmy, jak Ford, Fiat czy Volkswagen, bądź też można go wykorzystywać jako

• ulepszający proces spalania dodatek do benzyny, który pozwala zredukować emisje tlenków węgla, tlenków azotu, związków ołowiu i węglowodorów aromatycznych.

Popularniejsze jest to drugie rozwiązanie, przy czym etanol może być dodawany do paliwa napędowego albo bezpośrednio albo po przetworzeniu na eter etylo-tetr-butylowy (ETBE).

Polska jest jednym z ważniejszych europejskich producentów etanolu. Konieczność wykorzystania nadprodukcji spirytusu, wytwarzanego z nadwyżek produkcyjnych zboża, ziemniaków i melasy buraczanej sprawiła, że już we wczesnych latach 90. nasz kraj zaczął produkować paliwo z dodatkiem etanolu.

Metanol

(CH₃OH) czyli alkohol metylowy zwany także alkoholem drzewnym (dawniej pozyskiwano go w procesie suchej destylacji drewna) to jasna, prawie bezbarwna ciecz o wartości opałowej wynoszącej około 22-23 MJ/kg. Metanol syntetyczny wytwarzany jest w procesie uwodornienia tlenku węgla, zachodzącym w temperaturze 300-400 st. C, pod podwyższonym ciśnieniem i w obecności katalizatora. Tak jak biodiesel i etanol, metanol może być wykorzystywany jako:

• paliwo napędowe lub jako

• dodatek do benzyny (w postaci MTBE czyli eteru metylo-tetr-butylowego).

Wykorzystanie metanolu ma mniejsze znaczenie niż wykorzystanie charakteryzującego się wyższą wartością energetyczną etanolu; poza tym metanol, który podczas spalania powoduje emisję toksycznego aldehydu mrówkowego jest coraz rzadziej wykorzystywany ze względu na swoje rakotwórcze działanie. Niemniej jednak metanol, przekształcany w ogniwach paliwowych nowego typu w wodór jest często uznawany za paliwo przyszłości.

BIODISEL

Biodiesel jest mieszaniną estru metylowego oleju rzepakowego z olejem napędowym w różnym składzie np.: B20 zawierz 20% estru, itp. Jednak coraz częściej spotykany jest biodiesel w postaci 100% oleju rzepakowego.W 2003 roku w UE produkcja biodiesla w porównaniu z latami poprzednimi zwiększyła się o 35% i osiągnęła wartość 1,4 ∙ 106 Mg, co wraz z 0,3 ∙ 106 Mg bioetanolu dało łącznie 1,7 ∙ 106 Mg biopaliw. Eksperci ocenili zapotrzebowanie na biopaliwa na 7 ∙ 106 Mg czyli znacznie więcejBiodiesel produkowany z rzepaku jest optymalną sprawą dla tego rodzaju pali. Tłoczone z roślin oleistych alternatywne paliwa z biomasy są w 100% ekologiczne. Paliwa odnawialne na bazie rzepaku w niedalekiej przyszłości znajdą szerokie zastosowanie, gdyż rzepak jest najważniejszą uprawianą w Polsce rośliną oleistą. Przeznaczany jest do celów konsumpcyjnych i przemysłowych. Odgrywa istotna rolę w żywieniu przetworzony na olej roślinny, margarynę, masło roślinne i inne, zastępując tłuszcze zwierzęce. Roślina ta jest również szeroko wykorzystywana w przemyśle jako dodatek do kosmetyków, smarów i olei technicznych.

W ostatnim okresie rzepak stał się jednym z najważniejszych surowców do produkcji paliw płynnych i stałych. Jako paliwo stałe wykorzystywana jest słoma rzepakowa, spalana w piecach do paliw. Natomiast podczas tłoczeniu oleju pozostają wytłoki które ze względu na wysoką zawartość białka stosowane są jako pasza dla zwierząt.
Do produkcji biopaliw płynnych stosowany jest olej rzepakowy, który uzyskuje się z tłoczenia nasion rzepaku, następnie poddawany jest on procesowi estryfikacji. W procesie tym powstają metylowe estry rzepakowe. Pod względem chemicznym tworzą mieszaninę metylowych estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

Ocena parametrów eksploatacyjnych silników diesla zasilanych biopaliwem w porównaniu do oleju napędowego.

• moc oraz moment obrotowy pozostają bez zmian

• wyższa sprawność silnika diesla zasilana biopaliwem

• praca silnika jest cichsza

• temperatura spalin jest niższa nawet do 10 %

• dobre właściwości smarne

• ujemną cechą natomiast jest mniejsza wytrzymałość gumowych uszczelniaczy

Wpływ zasilania silnika diesla biopaliwem na emisję zanieczyszczeń do atmosfery.
Paliwo wytwarzane z rzepaku jest przyjazne środowisku i spala się znaczniej czyściej niż paliwa produkowane z ropy, nawet przy wysokich jakości paliwa. Spaliny emitowane z biodiesla w porównaniu z olejem napędowym charakteryzują się:

• znacznie niższym zadymieniem mniej sadzy

• niższą zawartością tlenków węgla do 40 %

• niższa zawartość cząstek stałych o 10 - 60%

• znacznie mniej CO2 nawet o 85 % od oleju napędowego

• znikoma zawartość SO2

• zwiększona emisja azotu o ok.17% co zmniejsza zadymienie spalin i poprawia warunki spalania.

Trzeba dodać, że biopaliwa charakteryzują się dużą biodegradowalnąścią ok. 95 % w ciągu 21 dni a olej napędowy w 70 %. Ponadto gdy dostanie się do gruntu nie powoduje jego skażenia tak jak w przypadku wody.
Ponadto waży aspektem jest wykorzystanie osadów ścielowych do nawożenia gleb na których uprawiane są rośliny przemysłowe, z których produkuję się ekologiczne paliwa. ( np. rzepak)
Unia Europejska nakazuję, że do 2008 roku osady ściekowe nie mogą być składowane na składowiskach. Więc część osadów może być spalana a część używana jako nawóz organiczny. Osady ściekowe mogą być wykorzystywane w celu zastąpienia obornika. " Wielkość dawki osadu na jednostkę powierzchni ustala się biorąc pod uwagę zapotrzebowanie roślin na azot oraz zawartość azotu w osadzie". Rośliny potrzebują azotu do wydania odpowiedniego wydajnego plonu. Jednak jego nadmiar jest niekorzystny zarówno dla środowiska jak i dla jakości plonu. Ustawa o nawozach określa roczną dawkę azotu, która nie może przekraczać 170 kg/ha. Odwodnione osady są nawozem organicznym i podobnie jak obornik można go stosować jednorazowo oraz wielokrotnie co 3-4 lata. Jeżeli osad zawiera ok. 3 % azotu to dawka na 1 ha Mozę wynieść ok. 17 ton. Trzeba tu zwrócić uwagę na zawartość metali ciężkich np. ołów, kadm itp. Wysoka zawartość ołowiu jak korzystna pod uprawę rzepaku który będzie przetłoczony na biopaliwo. Stwarza to dobre warunki pracy biodiesla w silniku, natomiast pozostałości takie jak słoma może być sprasowana w brykieciarkach i spalona w kotle. Pozostają jeszcze wytłoczyny z ziarna, które również mogą być spalone w kotle lub przerobione na paszę.
Jednak sprawa biopaliw nie jest taka prosta, polityka naszego kraju nie ułatwia powstawania nowych baz tłoczących olej. Nałożenie podatku akcyzowego w wysokości ok 2,0 zł na każdy litra ekologicznego paliwa nie zachęci potencjalnych producentów. Stawka w tej wysokości sprawia, że na razie jest to nie opłacalne. Ministerstwo środowiska wprowadziło ustawę w której mowa jest, ze każdy rolnik może wyprodukować 100 litrów na każdy hektar uprawny ziemi. Ponadto istnieje jeszcze wielka biurokratyczna góra dla rolników co będzie musiał zrobić żeby zacząć produkcję paliwa, będzie musiał się wywiązać z dziesiątków sprawozdań i szczegółowej wiedzy z zakresów limitów. Rolnik żeby nie dostać kary musi mieć pozwolenie na prowadzenie składu podatkowego oraz numer w rejestrze paliwowym, liczne pozwolenie i oświadczenia. Ponadto częste kontrole i niekiedy grzywny. Nawet wiezienie za złej jakości paliwo.

JAK ZOSTAĆ PRODUCENTEM BIOPALIWA

Rolnicy i przedsiębiorcy zabierający się za produkcję biopaliw mają nie tylko zebrać i złożyć pliki dokumentów, ale też mieć odpowiednie urządzenia i obiekty. Muszą one spełniać wiele wymagań, m.in. przeciwpożarowych, sanitarnych, związanych z ochroną środowiska czy wymaganych przepisami podatkowymi. Z kolei wytwarzane przez nich paliwa (nawet te produkowane wyłącznie na własny użytek) muszą spełniać odpowiednie normy, określone ustawą o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw.

Producenci muszą też prowadzić skomplikowaną sprawozdawczość. Sześć kroków do własnego paliwa.

Przedstawiamy, jakie czynności trzeba wykonać, żeby móc produkować biopaliwa.

KROK 1:

Załóż skład podatkowy

Biopaliwa są objęte akcyzą, dlatego ich produkcja i magazynowanie muszą się odbywać w składzie podatkowym. Zanim przedsiębiorca czy rolnik wystąpi o zezwolenie na prowadzenie takiego składu, w praktyce musi go już utworzyć - dysponować odpowiednimi maszynami, zbiornikami na paliwo, ogrodzonym terenem. Obiekt musi spełnić wymagania określone w rozporządzeniu ministra finansów z 1 marca 2004 r. w sprawie szczegółowych warunków prowadzenia składów podatkowych (DzU z 2004 r. nr 35, poz. 311, ze zm.), w tym także wymagania przeciwpożarowe, sanitarne i ochrony środowiska. Część urzędów celnych żąda, żeby spełnienie tych wymagań potwierdziły osoby upoważnione (odpowiedni inspektorzy). Niektórym wystarcza oświadczenie zakładającego skład, że spełnia wszystkie te wymagania. Rolnik wytwarzający na własny użytek estry metylowe lub czysty olej roślinny ma wprawdzie utworzyć skład, ale nie musi być przy tym podatnikiem podatku od towarów i usług. Łatwiej będzie mu też uzyskać od właściwego naczelnika urzędu celnego zwolnienie z obowiązku złożenia zabezpieczenia akcyzowego. Zgodnie bowiem z ustawą o biopaliwach rolnik może uzyskać takie zwolnienie, nie spełniając warunków określonych wart. 44 ust. 2 pkt 2 -4 ustawy o podatku akcyzowym. Wystarczy, że ma swoją siedzibę lub miejsce zamieszkania w Polsce oraz zobowiąże się do zapłaty, na pierwsze pisemne żądanie naczelnika urzędu celnego, kwoty należnej z tytułu akcyzy. Żeby jednak uzyskać zwolnienie, musi o nie wystąpić.

Co to jest skład podatkowy

Skład podatkowy to zabezpieczone miejsce zatwierdzone przez naczelnika urzędu celnego, gdzie odbywa się wyłącznie produkcja, przetwarzanie lub magazynowanie oraz przyjmowanie i wysyłanie wyrobów akcyzowych, od których nie został zapłacony podatek. Pracownicy urzędu celnego sprawują w składzie podatkowym szczególny nadzór podatkowy.

Co składa rolnik ubiegający się o zezwolenie na skład podatkowy

Do wniosku o zezwolenie na prowadzenie składu podatkowego rolnik dołącza:

- zaświadczenie z ZUS lub KRUS właściwego dla miejsca zamieszkania bądź siedziby o niezaleganiu ze składkami na ubezpieczenie społeczne i zdrowotne;

- szacunkowe dane dotyczące ilości estru bądź oleju, które mają być produkowane i magazynowane w składzie w ciągu miesiąca;

- dokument potwierdzający tytuł prawny do miejsca, w którym ma być prowadzony skład podatkowy, zawierający nie tylko adres, ale i numer ewidencyjny działki, na której znajduje się skład;

- zaświadczenie o nadaniu REGON i NIP;

- potwierdzenie zgłoszenia rejestracyjnego podatnika podatku akcyzowego;

- zaświadczenia naczelnika urzędu skarbowego i naczelnika urzędu celnego o niezaleganiu przez wnioskodawcę z podatkami stanowiącymi dochód budżetu państwa oraz z cłem;

- informację z Krajowego Rejestru Karnego o niekaralności za przestępstwa przeciw wiarygodności dokumentów, mieniu, obrotowi pieniędzmi i papierami wartościowymi, przestępstwo przeciw obrotowi gospodarczemu lub przestępstwo skarbowe;

- oświadczenie wnioskodawcy, że w stosunku do niego nie jest prowadzone postępowanie egzekucyjne, upadłościowe, z wyłączeniem postępowania upadłościowego z możliwością zawarcia układu, ani likwidacyjne;

- szacunkowe dane dotyczące ilości i rodzajów surowców zużywanych do produkcji i przetwarzania estrów i oleju;

- szczegółowy plan składu podatkowego wraz z określeniem powierzchni oraz opisem sposobu ogrodzenia i zabezpieczenia miejsca magazynowania wyrobów akcyzowych w składzie;

- projekt regulaminu funkcjonowania składu podatkowego; Jeżeli z wnioskiem występuje grupa producentów rolnych, to dołącza też decyzję marszałka województwa, na podstawie której została wpisana do rejestru grup producentów rolnych.

- oświadczenie, że miejsce, w którym ma być skład podatkowy, spełnia warunki przeciwpożarowe, ochrony środowiska, sanitarne i bhp.

KROK 2:

Wystąp o zezwolenie na prowadzenie składu podatkowego

Zarówno przedsiębiorcy, jak i rolnicy składają wniosek o wydanie zezwolenia na prowadzenie składu podatkowego w urzędzie celnym, na terenie którego skład będzie prowadzony. Co ma się znaleźć we wniosku o zezwolenie, określa zmienione niedawno rozporządzenie ministra finansów w sprawie zezwoleń na prowadzenie składu podatkowego, działalności jako zarejestrowany handlowiec oraz niezarejestrowany handlowiec, a także na wykonywanie czynności w charakterze przedstawiciela podatkowego (DzU z 2004 r. nr 35, poz. 312 ze zm.). Ostatnia zmiana tego rozporządzenia z 22 grudnia 2006 r. (DzU z 2006 r. nr 245, poz. 1783) określa, co ma się znaleźć we wniosku o zezwolenie na prowadzenie takiegoskładu przez rolnika produkującego na własny użytek biopaliwa - estry bądź czysty olej roślinny. Lista dokumentów dla rolnika jest długa i różni się nieco od tej wymaganej od przedsiębiorców (w ramce podajemy listę dokumentów). Zanim urząd wyda zezwolenie na prowadzenie składu, celnik sprawdzi na miejscu, czy wszystko jest w porządku.

KROK 3:

Wystąp o numer w ARR

Ustawa o biopaliwach zobowiązuje zarówno rolników, jak i przedsiębiorców do wpisania się do rejestrów prowadzonych przez prezesa Agencji Rynku Rolnego. Zanim jednak to zrobią, będą musieli zarejestrować się wARR. Agencja prowadzi bowiem centralny rejestr przedsiębiorców, którzy uczestniczą w działaniach prowadzonych bądź nadzorowanych przez ARR. Choć nazwa wskazywałaby na to, że do rejestru mają się wpisywać tylko przedsiębiorcy, to w rzeczywistości muszą to zrobić także rolnicy niebędący przedsiębiorcami. Na stronie internetowej ARR (www.arr.gov.pl) są informacje, w jaki sposób to zrobić, oraz wzory odpowiednich formularzy. Przedsiębiorcy muszą potwierdzić dokumentami podane do rejestracji dane. Nie mają takiego obowiązku rolnicy prowadzący tylko działalność wytwórczą w rolnictwie (uprawy rolne, chów lub hodowlę zwierząt) niezarejestrowaną w ewidencji działalności gospodarczej.

KROK 4:

Wpisz się do paliwowego rejestru

Są dwa biopaliwowe rejestry prowadzone przez ARR. Rolnicy zamierzający produkować własne paliwo wpisują się do rejestru rolników, a przedsiębiorcy do rejestru wytwórców. Agencja udostępnia na swoich stronach internetowych wzory wniosków o wpis. We wniosku trzeba podać bardzo dużo informacji dotyczących m.in. urządzeń, obiektów i posiadanych zezwoleń (wypełniony wzór wniosku pokazujemy obok) prawdopodobnie niezbędna będzie kancelaria prawna, która nam pomoże przygotować takie wnioski.

KROK 5:

Złóż oświadczenie

Do wniosku trzeba koniecznie dołączyć oświadczenie. Jego treść podaje art. 14 ust. 4 i 5 ustawy o biopaliwach. Wzór oświadczenia można też pobrać ze strony ARR. ARR ma na wydanie zezwolenia dla rolnika bądź jego odmowę 14 dni, a dla wytwórcy 7 dni od otrzymania kompletnego wniosku wraz z oświadczeniem. Potencjalny producent biopaliw spotka się z odmową, jeżeli nie spełni ustawowych wymagań.

KROK 6:

Zacznij produkcję z zezwoleniem

Dopiero po przebrnięciu przez te formalności rolnicy i wytwórcy mogą rozpoczynać produkcję. Zarówno jedni, jak i drudzy muszą informować agencję o wszystkich zmianach danych zawartych w rejestrze. Mają na to dwa tygodnie od czasu, kiedy nastąpiła zmiana.

Trzeba też informować o zawieszeniu bądź zakończeniu działalności. Jeżeli rolnik bądź przedsiębiorca nie poinformuje w terminie o zmianach, może zostać wykreślony z rejestru. A to oznacza zaprzestanie produkcji biopaliw. Wykreślony z rejestru rolnik może liczyć na nowy wpis do rejestru dopiero po trzech latach.

---