1

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

1. Podział odnawialnych źródeł energii

Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energie związane z aktywnością Słońca, geoter-

mią Ziemi i z grawitacyjnym oddziaływaniem Księżyca. Źródła te, w ścisłym tego słowa znacze-
niu, nie są wprawdzie odnawialne, ale w interesującej nas skali czasowej można je uznać za nie-
wyczerpalne. Określa się je również jako pierwotne źródła energii. One to bowiem, w wyniku
naturalnych przemian, zachodzących w przyrodzie, powodują powstawanie innych form energii -
np. wiatru, biomasy, wody itp. Podział odnawialnych źródeł energii, naturalne i techniczne pro-
cesy przemiany energii, oraz formy użytkowej jej postaci przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Podział odnawialnych źródeł energii

Pierwotne źródła energii

Naturalne procesy
przemiany energii

Techniczne procesy

przemiany energii

Użytkowa postać

energii

Woda

Parowanie, topnienie

lodu i śniegu, opady

Elektrownie wodne

Energia elektryczna

S

Ruch atmosfery

Elektrownie wiatrowe

Energia cieplna

ł

Wiatr

Energia fal

Elektrownie falowe

i elektryczna

o
ń

Prądy oceaniczne

Elektrownie wykorzy-

stujące prądy oceaniczne

Energia elektryczna

c
e

Elektrownie wykorzy-

stujące ciepło oceanów

Energia elektryczna

Nagrzewanie powierz-

chni ziemi i atmosfery

Pompy ciepła

Energia cieplna

Promieniowanie sło-

neczne

Kolektory cieplne, elek-

trownie słoneczne

Energia cieplna

Promieniowanie sło-

neczne

Fotoogniwa i elek-

trownie słoneczne

Energia elektryczna

Fotoliza

Paliwa

Biomasa

Produkcja biomasy

Kotłownie i elektrow-

nie

Energia cieplna i

elektryczna

Instalacje przetwórcze

Paliwa

Zie-

mia

Rozpad izotopów

Źródła geotermalne

Ogrzewanie i elektrow-

nie geotermalne

Energia cieplna i

elektryczna

Księ

życ

Grawitacja

Pływy wód

Elektrownie pływowe Energia elektryczna

Docierający do Ziemi strumień energii słonecznej ma moc wielokrotnie (30.000 razy) więk-

szą od mocy wszystkich urządzeń zainstalowanych na Ziemi przez człowieka. Z tego strumienia
30% odbijane jest od powierzchni Ziemi w postaci promieniowania widzialnego i ultrafioleto-
wego, 47% jest pochłaniane, a następnie reemitowane przez Ziemię do kosmosu w postaci pro-
mieniowania podczerwonego, zaś 23% to energia dzięki której parują oceany, wieją wiatry, za-
chodzi fotosynteza, rozwija się i trwa życie na Ziemi. Jak to przedstawiono w tabeli, energię sło-
neczną wykorzystuje się bezpośrednio (kolektory, helioelektrownie) lub pośrednio (turbiny wia-
trowe i wodne, spalanie biomasy i biopaliw).

Teoretycznie, wg szacunków przeprowadzonych w 2000 roku, już dziś istnieją techniczne

możliwości pokrycia energetycznego zapotrzebowania świata ze źródeł energii odnawialnej. Ze

wykład nr
odnawia.doc

2

względu jednak na koszty tego rodzaju rozwiązania znajduje ono, jak dotąd, ograniczone zasto-
sowanie, o czym mogą świadczyć liczby zawarte w tabeli 2, przedstawiające tę kwestię w skali
krajów Unii Europejskiej.

Tabela 2. Wzrost udziału energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w całkowitym bilansie

energetycznym Unii Europejskiej w latach 1991-2005

Rok

1991

2005

Źródło

Moc

GW

Energia

TWh

Moc

GW

Przyrost

%

Energia

TWh

Przyrost

%

Małe elektrownie wodne do 10 MW

5

15

10

100

30

100

Elektrownie wodne pow. 10 MW

74,8

154,5

88,6

18

198,5

28

Geotermika

0,5

3

1,5

200

9

200

Biomasa i spalanie odpadów

2

6,3

7

250

20

217

Turbiny wiatrowe

0,5

0,9

8

1500

20

2122

Ogniwa fotowoltaiczne

0

0

0,5

-

1

-

Razem

82,2

179,7

115,6

278,5

Udział w całkowitym bilansie

3%

8%

266

Przy obecnym poziomie konsumpcji energii w Polsce udział energii ze źródeł odnawialnych

wynoszący 5%, mógłby teoretycznie wzrosnąć czterokrotnie. Mają to zapewnić określone inicja-
tywy legislacyjne, a zwłaszcza „Rezolucja w sprawie wzrostu wykorzystania energii ze źródeł
odnawialnych” (Monitor Polski, nr 25 z dnia 8 lipca 1999)

2. Energia wody

Szacuje się, że potencjał hydroenergetyczny świata wykorzystywany jest zaledwie w 5,5%.

W bilansie przetwarzania go na energię elektryczną udział ten jest już większy, bo wynosi około
20%. We wszystkich przypadkach wykorzystywania energii wód procesy jej transformacji pole-
gają najczęściej na wykorzystaniu energii kinetycznej wody będącej w ruchu, lub jej energii po-
tencjalnej, do napędu generatorów prądotwórczych. W aspekcie kryteriów ekologicznych jest to,
po energetyce wiatrowej, najbardziej czysta technologia produkcji energii elektrycznej.

W rzecznych elektrowniach wykorzystuje się trzy rodzaje turbin wodnych, dobieranych w

zależności od lokalnych uwarunkowań:
- turbinę Peltona (1880), której schemat przedstawia rys.1, jest ona wysokoobrotową turbiną,

wymagającą strugi wody o stosunkowo niewielkim natężeniu ale o dużym ciśnieniu i znacznej
energii kinetycznej, którą uzyskuje się w wyniku połączenia odpowiednim systemem rur wyso-
ko położonych zbiorników wodnych z niżej położoną, o 200-400m, turbiną. Elektrownie wodne
z takimi turbinami instaluje się zwykle w terenach górzystych (np. Szwajcaria).

- turbinę Francisa, (1849, p rys 2a ) wykorzystującą zarówno energię kinetyczną, jak i poten-

cjalną wody, zadawalają się kilku- kilkunastometrową różnicą poziomu między wlotem, a wy-
lotem wody z turbiny. Rozwijane przez nią prędkości obrotowe są zdecydowanie mniejsze niż
w przypadku turbin Peltona, a zapotrzebowanie na wodę większe.

- turbinę Kaplana (1912, p. rys. 2b) budowaną zwykle o osi pionowej, wolnoobrotową, przewi-

dzianą do instalowania na rzekach o małych spadach, ale zapewniających przepływ dużej masy
wody przez turbinę.

Charakterystyka techniczna turbiny Peltona:
-wysokoobrotowa (n>1000 obr/min)
-wymaga dużych spadków (różnicy poziomu pomiędzy ujęciem wody a miejscem turbiny),
- stosunkowo niewielkie natężenie przepływu wody

3

Rys.1. Schemat akcyjnej turbiny

Peltona (wynaleziona w 1880
roku)

Rys.2a. Reakcyjna turbina Fran-

cisa (wynaleziona w 1849
roku)

Charakterystyka techniczna:

-prędkość obrotowa (400

obr/min < n< 1000 obr/min)

-wymaga średnich spadków (róż-

nicy poziomu wody w komorze
wlotowej i ujścia kanału ssące-
go)

-budowana na rzekach o średnim

natężeniu przepływu wody

Charakterystyka techniczna:
-turbina wolnoobrotowa (n<100 obr/

min) o pionowej osi obrotu,

-instalowana w przypadku małej róż-

nicy poziomu wody na wejściu i
wyjściu z turbiny (mały spadek),

-wymaga przepływu wody o znacz-

nym natężeniu.

Rys.2b. Turbina Kaplana (skonstru-

owana w 1912 roku)

4

Sprawność przetwarzania energii w elektrowniach wodnych przewyższa dwukrotnie spraw-

ność elektrowni węglowych, a otrzymywana w nich energia elektryczna jest najtańsza i najmniej
obciążająca środowisko. Niezwykle ważne jest również to, że są one o wiele bardziej dyspozy-
cyjne i łatwe w eksploatacji, zasilając zwykle sieci energetyczne w okresie szczytowego zapo-
trzebowania na energię elektryczną. W przypadku szczytowo-pompowych elektrowni wodnych
można wręcz mówić o tym, że spełniają one rolę regulatorów podaży i popytu, poprzez wykorzy-
stywanie nadwyżek energetycznych w porze nocnej do napędu pomp przepompowujących wodę
z dolnych do górnych zbiorników, z których pobiera się ją do zasilania turbin napędzających ge-
neratory prądotwórcze w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Największe, gigantyczne wręcz, elektrownie wodne zbudowano dotąd w USA (na rzecze

Kolumbia - 10 GW), oraz na rzecze Parana - 12,6 GW. Dla porównania, moc elektrowni Turo-
szowskiej wynosi około 2 GW, a największa polska elektrownia Bełchatów dysponuje mocą 4,38
GW. W Polsce zasoby hydroenergetyczne są niewielkie i w dodatku wykorzystywane tylko w
12%. Moc wszystkich polskich elektrowni wodnych wynosi około 2 GW, z czego połowa przy-
pada na elektrownie szczytowo-pompowe. Sama elektrownia szczytowo-pompowa w śarnowcu
ma moc 0,716 GW.

3. Energia pływów i fal

Eliptyczna trajektoria ruchu Księżyca wokół Ziemi powoduje zmienne grawitacyjne oddzia-

ływanie tych ciał na siebie, powodujące cykliczne (12h 25 min) ruchy wód oceanicznych. Prak-
tyczne znaczenie mają te miejsca nabrzeży na kuli ziemskiej, gdzie ukształtowanie brzegów, za-
tok i cieśnin zapewnia różnicę poziomów większą niż 5 m. Wykorzystanie energii pływów znane
jest od dawna (1086 rok, do napędu młyna). W Europie znane są elektrownie pływowe we Fran-
cji (Saint Malo w Bretanii - 0,55 GW,

∆

H = 8,4 m), największa w Anglii (Severen, 4 GW) i w

Rosji (na Morzu Białym, Kistoj Guba - o mocy zaledwie 0,04 GW).

Z uwagi na problemy techniczne i potęgę morskiego żywiołu, zwłaszcza w okresie sztor-

mów i huraganów, żadna z elektrowni pływowych nie pracuje na skalę przemysłową, wspomaga-
jąc jedynie, przy korzystnych warunkach atmosferycznych, lokalne sieci energetyczne.

Podobne problemy występują w przypadku konwersji energii fal na energię elektryczną (p

rys.3). Wykorzystuje się przy tym układy: pneumatyczne, mechaniczne, indukcyjne i hydraulicz-
ne. Przedstawione na rys. 3 rozwiązania służą głównie do zasilania boi nawigacyjnych, latarni
morskich oraz platform wiertniczych. Największa z dotychczas wybudowanych elektrowni, wy-
korzystująca energię fal, pracuje w Norwegii (0,05 GW). W przypadku urządzeń pneumatycz-
nych cykliczna zmiana poziomu wody powoduje naprzemienne przetłaczanie powietrza z jednej
komory do drugiej – bezpośrednio lub w wyniku odkształcania elastycznych membran.

a) pneumatyczne

Rys.3. Przykłady urządzeń do konwersji energii falowania na energię elektryczną.

5

Urządzenia mechaniczne (b) wykorzystują

cykliczną zmianę nachylenia powierzchni swo-
bodnej (w urządzeniach wahliwych) lub siłę
wyporu do przemieszczania się pływaka, w kie-
runku prostopadłym do powierzchni dna (w
urządzeniach przemieszczających się). W pierw-
szym przypadku wahliwy ruch pływaków za
pomocą mimośrodu lub wału wykorbionego jest
zamieniany na ruch obrotowy i poprzez prze-
kładnię napędza generator. Urządzenia induk-
cyjne (c) wykorzystują posuwisto-zwrotny lub
wahliwy ruch pływaków i wymuszają podobny ruch cewki w polu magnetycznym, czego efek-
tem jest wytwarzanie energii elektrycznej. Wreszcie urządzenia hydrauliczne (d) wykorzystują
szczyty fal, które przelewają się jednokierunkowo przez ścianki zbiornika, zamocowanego na
stałym poziomie, a woda wypływająca ze zbiornika napędza turbinę.

Jak dotąd wykorzystywanie energii prądów morskich do wytwarzania energii elektrycznej

jest raczej na etapie teoretycznych rozważań i opracowywania realizacyjnych koncepcji. Przykła-

b) mechaniczne

c) indukcyjne

Rys.4. Koncepcja elektrowni Stilmana napędzanej energią prądów oceanicznych

Rys.3d. Urządzenie hydrauliczne

6

dem jednej z nich może być schemat elektrowni Stilmana, pokazany na rys. 4. Stanowi ją zako-
twiczona platforma z rozpiętymi łańcuchami o długości 18 km i z przypiętymi spadochronami o
średnicy czasz 100 m. Inny projekt, opracowany dla wykorzystania w rejonie Florydy energii
Golfsztromu, przewiduje budowę elektrowni o mocy 1 GW napędzanej wolnoobrotowymi turbi-
nami (2-3 obr/min) o średnicy 30 m. Oczekiwać należy, że w najbliższej przyszłości elektrownie
takie się pojawią i to w wielu rejonach świata.

4. Energia wiatru i jej wykorzystanie

Obok spalania drewna, energia wiatru była przez człowieka najwcześniej wykorzystywaną

energią odnawialną. Począwszy od żagli stosowanych w transporcie wodnym, stosunkowo wcze-
śnie zaczęto budować naziemne silniki napędzane wiatrem. Wzmiankę o urządzeniach wiatro-
wych znajdujemy bowiem już w kodeksie Hammurabiego. W starożytnej Persji, na wiele stuleci
przed nową erą, wiatraki o poziomej osi obrotu wykorzystywane były do mielenia zboża, a w In-
diach do pompowania wody. Dzięki wyprawom krzyżowym koncepcja silnika wiatrowego zosta-
ła przeniesiona do Europy, gdzie na przełomie pierwszego i drugiego tysiąclecia n.e. pojawiły się
udoskonalone wiatraki o poziomej osi obrotu, które niemal całkowicie wyparły model perski.

Wiatr jest wywołany przez różnicę

w nagrzewaniu lądów, mórz, biegunów
i równika (różnica ciśnień pomiędzy
poszczególnymi strefami cieplnymi)
oraz przez siłę Coriolisa, związaną z
obrotowym ruchem Ziemi. Zasoby
energii wiatru są niewyczerpane, po-
nieważ są ciągle podtrzymywane przez
Słońce. Granica opłacalności budowa-
nia siłowni wiatrowych to prędkość
wiatru przekraczająca 4 m/sek. Jak
wynika z rozkładu izowent na terenie
Polski, pokazanego na rys.5, również
na znacznym obszarze Polski istnieją
warunki do eksploatacji turbin wiatro-
wych. Na Pomorzu i Suwalszczyźnie
istnieją tereny kwalifikujące się nawet
do I klasy, nie ustępujące najlepszym
lokalizacjom niemieckim czy duńskim.

Przegląd dawnych i współczesnych silników wiatrowych pokazano na rys. 6 i 7. Średnica

standardowych turbin wiatrowych o mocy 600 kW leży w granicach 40-48 m, a przeciętna wyso-
kość wież, na których się je instaluje 40-60 m. Im one są wyższe, tym większa jest efektywność
wykorzystania energii wiejącego wiatru. Obroty wirnika turbiny wiatrowej są przenoszone na oś

Rys.5. Rozkład prędkości wiatru na terenie Polski

a) wolnoobro-
towy młynarski

Rys.6a, b, c.

Wiatraki

b) holenderski,
odwadniający,
średnioobrotowy

7

Rys.6c) elek-

trownia wia-
trowa szyb-
koobrotowa

asynchronicznego lub synchronicznego generatora prądotwórczego poprzez wielostopniową
przekładnię zwielokratniającą (40:1). Całość konstrukcji takiej siłowni waży, w zależności od
typowielkości i użytych materiałów konstrukcyjnych, od 15 - 20 ton. Współczesne elektrownie
wiatrowe sterowane są mikroprocesorem sprzężonym z odpowiednią aparaturą kontrolno-
pomiarową, umożliwiającą ustawianie kąta łopatek i obrót „na wiatr”.
4.1. Przegląd konstrukcji turbin wiatrowych

Pomimo znacznego zmniejszenia się ceny turbin

wiatrowych z 4000 USD na 1kW zainstalowanej mocy
w 1983 do 900 USD w roku 2000, to i tak, przy obec-
nym poziomie cen elektroenergetyki konwencjonalnej,
energetyka wiatrowa nie jest rewelacyjnym pod wzglę-
dem dochodowość obiektem inwestycyjnym. Pomimo
tego w ostatnim dziesięcioleciu minionego wieku odno-
towano zaskakująco wysoką dynamikę rozwoju energe-
tyki wiatrowej, o czym mogą świadczyć dane zawarte w
tabeli 3. W ujęciu względnym
dynamika ta jest również w
przypadku Polski imponują-
ca. Po pierwszych, wybudo-
wanych w 1991 roku, elek-
trowniach wiatrowych w Li-
sewie k. śarnowca i w Swa-
rzewie k.Pucka o mocach 150
i 95 kW, powstały dalsze
obiekty tego typu i to
nie tylko na Pomorzu,
ale również na terenie
całej Polski (k.Pozna-
nia, Wrocławia i Biel-
ska). Największe z do-
tychczas zainstalowa-
nych jednostek tego
typu, o mocy 600 kW
każda, zbudowano w
1997 roku na Kępie
Swarzewskiej (k. Puc-
ka). Duży zespół 5 si-
łowni wiatrowych, o

Rok (moc w MW)

Kraj

1990

1993

1996

1997

2000

2001

2002

2003

Niemcy

60

326

1545

2080

6113

8734

11968

14612

Dania

343

487

857

1116

2364

2456

2888

3076

Hiszpania

10

57

249

512

2538

3550

5043

6420

Holandia

40

132

299

325

449

523

727

938

Polska

0

1

1

3

5

5

10

—

Europa

470

1238

3507

4766

—

—

—

—

Świat

2170

3026

6098

7592

18500

24927

32037

40302

Tabela 3. Dynamika rozwoju energetyki wiatrowej w MW (1000 MW = 1 GW)

Rys.7a, b, c, d, e, f. Współczesne silniki wiatrowe
a) bębnowy b) karuzelowy c) rotorowy Siemensa

d) wielopłatowy

e) Darieusa

f)Boeinga

MOD-2

8

mocy 132 kW każda, powstał niedaleko Darłowa. Planuje się jego rozbudowę o dalsze 12 jedno-
stek, o mocy 750 kW każda, co ma zapewnić łączną moc darłowskich elektrowni wiatrowych
rzędu 9,7 MW. W roku 1998 europejska energetyka wiatrowa wytwarzała rocznie około 9 TWh
energii elektrycznej, zaspokajając potrzeby około 7 milionów ludzi naszego kontynentu. Jednak
w okresie pięcioletnim ilość energii uzyskiwanej z wiatru zwiększa się o ponad 200%.

Zrealizowane w Polsce instalacje pochodzą głównie z

firm zagranicznych, produkcję silników wiatrowych oraz
całych elektrowni wiatrowych uruchomiła np. Nowosą-
decka Fabryka Urządzeń Górniczych Nowomag S.A. Ofe-
ruje ona dwa typy elektrowni wiatrowych EW 160-22-30 i
EW 100-20-20 i wiatrakowy agregat pompowy WAP-3.3.
Schemat ideowy turbiny wiatrowej o osi poziomej przed-
stawiono na rys.7g. Procesor sterujący takiej turbiny za-
pewnia jej wyłączanie przy zbyt małej i przy zbyt dużej
prędkości wiatru. Umożliwia również pracę turbiny ze
zmienną lub ze stałą prędkością obrotową i pozwala usta-
wiać gondolę „na wiatr”, możliwa jest również zmiana ką-
ta β nastawienia łopatek turbiny.

Nie ulega wątpliwości, że skutki ekologiczne wypro-

dukowania 1 TWh energii elektrycznej w elektrowni wia-
trowej, w stosunku do tradycyjnie wyprodukowanej w
elektrowni węglowej, sprowadzają się do uwolnienia śro-
dowiska z:

- 5.500 ton SO

2

- 4.222 ton NO

x

-700.000 ton CO

2

- 49.000 ton pyłów i żużli.

Opracowane przez specjalistów UE prognozy wzrostu

udziału aeroenergetyki w bilansie energetycznym Polski
wraz z oszacowaniem proekologicznego efektu tego wzro-
stu przedstawiono w tabeli 4. U dołu tabeli podano ocze-
kiwane wartości redukcji zanieczyszczeń jakie by powsta-
ły, gdyby taką ilość energii uzyskać z elektrowni węglo-
wych. Warunkiem spełnienia tych optymistycznych pro-
gnoz jest jednak ustanowienie administracyjno-prawnych
przepisów wykonawczych, które by wspierały rozwój energetyki ze źródeł odnawialnych. Z in-
nych barier należy wymienić niechęć w odejściu od obecnej struktury energetyki konwencjonal-
nej, barierę ekonomiczno-finansową w podjęciu inwestycji, barierę społeczną wynikającą z za-
grożenia bezrobociem w sektorze wydobywczym, barierę prawną – nie ma bowiem obowiązku
zakupu energii odnawialnych, a obowiązkowi takiemu sprzeciwia się lobby energetyki konwen-
cjonalnej. Brak również urzędowego cennika energii wiatrowej.

W kontekście energetyki wiatrowej zrodziła się koncepcja jej wykorzystania w dotlenieniu,

martwych z powodu zanieczyszczeń nanoszonych przez rzeki, wód głębinowych Bałtyku. Choć
pomysł to nie nowy, nie został dotąd zrealizowany tak z finansowych, jak i technicznych wzglę-
dów. Najnowsza w tym zakresie koncepcja, pokazana schematycznie na rys.8, eliminuje wady
dotychczas proponowanych rozwiązań. Zamiast wielkogabarytowych, niestabilnych na wodzie
turbin wiatrowych, proponuje się, nisko spoczywające na pływakach, wirniki z dyfuzorem, napę-
dzające generatory prądu stałego, z pomocą którego przeprowadzać można elektrolizę wody
morskiej. W jej wyniku czysty tlen przekazywany zostanie wodzie na dużej powierzchni, zależ-
nej od długości ułożonych na dnie morza elektrod, bez konieczności stosowania dodatkowych

3

8

9

6

2

4

5

7

1

Rys.7g. Turbina wiatrowa o osi pozio-

mej: 1-łopatka, 2-piasta, 3-urządzenie
do zmiany kąta β łopatek, 4-mechani-
czne przeniesienie napędu, 5-prądni-
ca, 6-urządzenie sterująco-pomiarowe,
7-ustawianie turbiny „na wiatr”, 8-
wieża, 9-procesor sterujący

9

środków dyspergujących, a drugi produkt elektrolizy - wodór, określany często jako paliwo XXI
wieku, może być przechwytywany do specjalnych zbiorników, okresowo opróżnianych.

Reasumując, do zalet siłowni wiatrowych można zaliczyć to, że:
- nie zanieczyszczają środowiska,
- pozwalają czerpać energię z bezpłatnego jej źródła,
- mogą być lokowane na terenach nieużytków (pustynie, skały wybrzeża).
Jeżeli pominie się zagrożenia dla ptaków i jednoznaczne uzależnienie funkcjonowania elek-

trowni wiatrowych od warunków atmosferycznych, to jedyną w zasadzie poważną ich wadą są
wysokie koszty inwestycyjne.

Rys.8. Koncepcja wykorzystania turbiny wiatrowej z dyfuzorem do produkcji wodoru i dotlenia-

nia morskich wód głębinowych: 1-statecznik, 2-dyfuzor, 3-turbina, 4-pływak, 5-zbiornik
na H

2

, 6- katoda, 7-anoda

5. Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne zalicza się do aktywnych systemów wykorzystania energii słonecznej.

Typowy kolektor składa się z absorbera (płyta pochłaniająca), osłony, izolacji i konstrukcji, obej-
mującej instalację, zawory, zbiorniki, automatykę. Zasadniczą częścią kolektora jest absorber,
wykonywany zazwyczaj z blachy miedzianej lub aluminiowej pokryty czarną, matową farbą.
Temperatura równowagi (t

r

=70°C), to taka temperatura, przy której ilość emitowanego promie-

Tablica 4. Prognozy wzrostu aeroenergetyki w bilansie energetycznym Polski wraz z oszacowa-

niem proekologicznego efektu tego wzrostu

Nazwa

Jednostka

Rok

2000

2005

2010

2020

2030

Całkowita moc zainstalowana

MW

34.700

37.750

42.570

52.800 60.000

Moc elektrowni wiatrowych

MW

30

450

1.100

3.000

5.000

Udział aeroenergetyki w ogólnym
bilansie mocy

%

0,1

1,2

2,6

5,7

8,3

Energia z elektrowni wiatrowych

TWh

0,07

0,99

2,41

6,57

10,95

Redukcja SO

2

tys. ton

0,361

5,499

13,388

36,496 60,827

Redukcja NO

x

tys. ton

0,271

4,180

10,18

27,74

46,231

Redukcja CO

2

tys. ton

45

693

1.687

4.599

7.665

Redukcja pyłów i żużli

tys. ton

3,186

48,51

118,09

321,93 526,55

10

niowania jest równoważona dopływem energii promieniowania Słońca. W celu jej podwyższe-
nia, a tym samym zwiększenia ilości zaadsorbowanej energii można:

- pokryć adsorber selektywnymi powłokami (Cu pasywowane NaOH i NaClO

3,

t

r

=150-160°C)

- ograniczyć straty ciepła pokrywając adsorber dodatkową przezroczystą osłoną, t

r

=110-190°C,

- skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich, parabolicznych lub socze-

wek.

Rys.9. Kolektorowe instalacje ogrzewania wody: a) z pompą i dwoma obiegami, b) grawitacyjny

z

dwoma obiegami, c) grawitacyjny z obiegiem otwartym

Na całkowite promieniowanie absorbowane przez kolektor składa się:

- promieniowanie bezpośrednie – krótkofalowe promieniowanie o kierunku rozchodzenia się

promieni w linii prostej – od Słońca do czynnej powierzchni kolektora.

- promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne), powstające w wyniku załamania, odbicia i częścio-

wego pochłaniania promieniowania bezpośrednio w atmosferze ziemskiej,

- promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliżu absorbera.

Sumaryczny wpływ wymienionych składowych na ilość energii docierającej do powierzchni

kolektora zależy od jego ustawienia w stosunku do Słońca (kąt ustawienia i kąt azymutu). Kolek-
tory słoneczne płaskie znalazły szerokie zastosowanie w budowie instalacji ogrzewania wody i
pomieszczeń. Przykłady tego typu instalacji przedstawiono na rys. 9. W celu zwiększenia efek-
tywności kolektorów wykorzystuje się do transportu ciepła niskowrzący czynnik dwufazowy (np.
freon, amoniak, propan, butan). Te-
go typu instalacje służą niemal wy-
łącznie do pokrywania zapotrzebo-
wania indywidualnych gospodarstw,
bowiem by pokryć potrzeby energe-
tyczne świata trzeba by pokryć ko-
lektorami słonecznymi 1/10 po-
wierzchni Ziemi. Jednak w końcu
ubiegłego wieku wzrost zaintereso-
wania takimi kolektorami był impo-
nujący, o czym może świadczyć
rys.10, na którym przedstawiono
wykres

obrazujący

wzrost

po-

wierzchni kolektorów słonecznych,
instalowanych w Niemczech w la-
tach 1987-1998. Powierzchnia ko-
lektorów wzrosła tam na przestrzeni 12 lat ponad 20-krotnie. Jednak tego typu systemy, przy ko-
rzystnych warunkach atmosferycznych, będą raczej tylko wspomagać inne sposoby zaopatrywa-
nia gospodarstw w energię.

W przypadku helioenergetyki (produkcji energii elektrycznej) stosuje się wysokotemperatu-

rowe systemy kolektorów słonecznych, służących do produkcji pary napędzającej turbinę genera-

P

o

w

ie

rz

ch

n

ia

k

o

le

k

to

ro

w

[

m

]

0

1988

1987

1989

300

100

200

500

400

600

1990 1991 1992

Lata

1993 1994 1995

2

700

800

1996 1997 1998

Rys. 10. Wzrost powierzchni kolektorów słonecznych monto-

wanych w Niemczech

11

tora. Rozróżnia się przy tym systemy scentralizowane i zdecentralizowane. Zasadniczym elemen-
tem tych systemów są koncentratory promieniowania słonecznego (p. rys.11a). W zdecentralizo-
wanych systemach koncentratorów, zajmują one znaczną przestrzeń. W oddanej w 1984 roku do
użytku helioelektrowni w Daggett w Kaliforni, o mocy 13,8 MW, pole koncentratorów zajmuje
np. obszar 8,26 hektarów. Zbudowane w latach 90-tych kolejne dwie helioelektrownie w Kali-
forni, o mocy 30 i 80 MW, zasilane są energią słoneczną absorbowaną z pól koncentratorów,
które zajmują powierzchnię wynoszącą odpowiednio 25 i 54,5 ha. Schemat takiej elektrowni po-
kazano na rys 11b.

Rys.11a. Schemat zdecentralizowanej elektrowni słonecznej Kramer Junction w Kalifornii: 1-

pole koncentratorów, 2- kocioł gazowy, 3-turbina, 4-generator, 5-przegrzewacz, 6-
wytwornica pary, 7-
skraplacz,

8-

chłodnica kominowa,
9-pompy

W systemach scentralizowa-
nych pole heliostatów, w po-
staci luster koncentrujących
promieniowanie słoneczne,
znajduje się na jednym cen-
tralnym kolektorze umiesz-
czonym na wieży. Schemat
takiej elektrowni, z ciekłym
sodem w roli nośnika ciepła,
przedstawia rys. 11c.

Koszty budowy helioelek-

trowni, jak i koszt jej eksplo-
atacji są bardzo wysokie. Zmniejszają się one jednak systematycznie i to znacząco. W ostatnim
dziesięcioleciu np. koszty inwestycyjne zmniejszyły się dwukrotnie, a koszty eksploatacyjne
czterokrotnie. W porównaniu z elektrowniami wiatrowymi, koszt jednostkowy 1 kW zainstalo-
wanej mocy helioelektrowni ma się jednak nadal jak 1:10.
6. Pompy ciepła

Zadaniem pomp ciepła jest przenoszenie ciepła z niskotemperaturowego źródła ciepła, zwa-

nego też dolnym, do górnego źródła ciepła, o temperaturze wyższej. Cel ten realizuje się wymu-
szeniem obiegu termodynamicznego. Najczęściej stosuje się sprężarkowe pompy ciepła. Działa-
nie takiej pompy jest analogiczne do działania lodówki, a różnica polega jedynie na przeciwnym
kierunku transportu strumienia ciepła. W sprężarkowej pompie ciepła, pokazanej w uproszczeniu
na rys.12, wychładza się np. dolne źródło ciepła, którym może być grunt, woda, powietrze,
ogrzewa się natomiast wnętrza budynków lub pomieszczeń (górne źródło ciepła).

9

9

4

1

3

6

7

8

GS

3~

9

2

5

9

Rys.11b. Schemat zdecentralizowanej elektrowni słonecznej w Haper
Lake w Kaliforni:1-pole koncentratorów, 2-podgrzewacz pary, 3-
turbogenerator, 4-podgrzewacz, 5-wytwornica pary, 6-podgrzewacz
międzystopniowy, 7-skraplacz, 8-chłodnia kominowa, 9-pompy

12

Czynnikami roboczymi za pomocą których są realizowane obiegi termodynamiczne są naj-

częściej freony, noszące zgodnie z normą ISO oznaczenia: CFC (chlorofluorowęglowodory),
HCFC (wodorochlorofluorowęglowodory) oraz HFC (hydrofluorowęglowodory). Emisja fre-
onów ma, jak wiadomo, duży negatywny wpływ na środowisko, intensyfikując efekt cieplarniany
i przyczyniając się do niszczenia warstwy ozonowej. Z tego też powodu również Polska, która od
1990 roku jest sygnatariuszem Protokołu Montrealskiego, zobowiązała się docelowo całkowicie
wyeliminować freony, a dopóki to nie nastąpi wprowadzić szereg dodatkowych zabezpieczeń,
hermetyzację pomp ciepła i prowadzić ciągłe monitorowanie ewentualnych wycieków.

Pomimo zastrzeżeń ekologicznych, wynikających ze stosowania w obiegu termodynami-

cznym szkodliwych dla środowiska substancji, pompy ciepła mają istotny wpływ stymulujący
wykorzystywanie niekonwencjonalnych źródeł energii odnawialnej oraz odpadowej energii
cieplnej zawartej w spalinach, ściekach, generowanej na wysypiskach śmieci i w procesach
fermentacyjnych. Obecnie na świecie produkuje się kilka milionów pomp ciepła rocznie. W
samej tylko Japonii sprzedano ich w 1984 roku 2 mln.

7. Ogniwa fotowoltaiczne

Praktyczne wykorzystanie ogniw słonecznych datuje się od 1970 roku, gdy opanowano

stosunkowo tanie technologie wytwarzania kryształów krzemu i półprzewodników. Choć 100-

Rys.12. Schemat sprężarkowej

pompy ciepła: 1-skra-
placz, 2-zawór, 3-sprę-
żarka, 4- parownik

Rys.11c. Schemat scentralizowanej elektrowni słonecznej: 1 absor-

ber wieżowy, 2-pole heliostatów, 3-wytwornica pary, 4-
turbogenerator, 5- wymiennik, 6-chłodnica kominowa

obieg cie-
kłego sodu

obieg
wody

13

krotnie, od tego czasu, zmniejszyła się cena ogniw słonecznych, która wynosi obecnie około 5
USD/W, to jednak koszt energii elektrycznej z takich ogniw nadal 20-krotnie przekracza koszt
energii uzyskiwanej w konwencjonalny sposób. Powszechnie znane jest wykorzystywanie ogniw
fotowoltaicznych do zasilania kalkulatorów, zegarków, parkomatów; mniej natomiast znany jest
fakt istnienia na świecie wielu elektrowni fotowoltaicznych. Z uwagi na niewielką sprawność
ogniw, moc tych elektrowni ograniczona jest jednak do kilkuset kW. Elektrownia o mocy 1 GW
wymaga powierzchni ogniwa 50 km

2

. Samo ogniwo ma dość skomplikowaną budowę i składa

się z kilku warstw: metalicznego podłoża (folia Al), dwutlenku krzemu, arsenku galu lub
siarczku kadmu, warstwy półprzewodnika typu P spolaryzowanej dodatnio, półprzewodnika typu
P, półprzewodnika typu N, metalowych elektrod zbiorczych, drugiej warstwy dwutlenku krzemu
i warstwy odblaskowej. Powierzchnie ogniwa są grawerowane laserowo by zapewnić
odpowiednią ich fakturę. Poszczególne warstwy są napylane dyfuzyjnie i trawione na przemian.
Również domieszki są wprowadzane przez dyfuzję na odpowiednią głębokość kryształu krzemu.

Rozwój w dziedzinie ogniw fotowoltaicznych jest ściśle związany z rozwojem techniki

satelitarnej. Skylab, Mir, Salut 6 - to stacje kosmiczne wyposażone w zasilanie energią z ogniw
fotowoltaicznych o powierzchni kilkudziesięciu m

2

i mocy kilku kW. Znany jest również projekt

orbitalnej elektrowni z baterią fotoogniw o łączej powierzchni 30 km

2

, z przesyłaniem na ziemię

energii w postaci wiązki fal ultrakrótkich o wielkiej mocy. Zasadnicza zaleta ogniw fotowol-
taicznych polega na bezpośredniej konwersji promieniowania na energię elektryczną, co ma
swoje niewątpliwie pozytywne ekologiczne skutki. Mała sprawność (20 %) i wysoki koszt, to
obszary na których aktualnie koncentrują się badania. Moc ogniw fotowoltaicznych wyraża się w
Wp (watt peak). Jest to moc w standardowych warunkach przy temperaturze 25

0

C i

promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1kW/m

2

. W roku 2001 światowa produkcja tych

ogniw to 400 MWp i w stosunku do roku 2000 wzrosła ona o 38%. W dalszych dziesięcioleciach
średni przyrost produkcji wynosi ponad 25%. W Niemczech stwierdza się, że system
fotowoltaiczny o mocy 2,5 kWp jest w stanie pokryć połowę zapotrzebowania na energię
przeciętnej niemieckiej rodziny (około 4500 kWh). Na niemieckiej wyspie Pellworm na Morzu
Północnym pracuje od 1983 roku elektrownia fotowoltaiczna o mocy 300 kW. Zjmuje ona
powierzchnię 1,6 ha.

8. Biomasa

Energia zawarta w biomasie jest najmniej kapitałochłonnym źródłem energii odnawialnej.

Jej produkcja może praktycznie przebiegać samoistnie, zarówno na lądzie, jak i w środowisku
wodnym. Człowiek może tę produkcję intensyfikować poprzez stosowanie różnego typu
zabiegów, jak: nawożenie, nawadnianie, walka ze szkodnikami. Aktualnie energia uzyskiwana z
biomasy stanowi 15% światowego zużycia energii, przy czym w krajach rozwijających się udział
ten jest znacznie większy, bo wynosi 38%.

Energetyczny potencjał zawarty w biomasie wykorzystywany jest jak dotąd w niewielkim

stopniu (około 7%). O tym jak wielką wagę się przywiązuje do poprawy sytuacji w tej dziedzinie
może świadczyć fakt, że w USA planuje się do 2010 roku zwiększyć ogólną moc uzyskiwaną z
elektrowni na biomasę z 7 GW do 14 GW.

Do celów energetycznych można wykorzystywać następujące postacie biomasy:

•

drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, opakowania,

•

słomę - zarówno zbożową, jak i z roślin oleistych, strączkowych, siana,

•

odpady organiczne - gnojowicę, osady ściekowe, makulaturę, odpady organiczne z cukrow-
ni, roszarni lnu, gorzelni, browarów,

•

biopaliwa płynne - oleje roślinne, biodiesel, bioetanol, z gorzelni i agrorafinerii,

•

biogaz z gnojowicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych.

Polskie zasoby biomasy w postaci drewna, słomy i osadów ściekowych szacuje się na 30

mln ton rocznie, co energetycznie jest równoważne 15-20 mln ton węgla. Zaostrzone po roku

14

1997 normy dotyczące emisji pyłów i dwutlenku siarki w spalinach, dopuszczają do stosowania w elek-
trowniach węgla o parametrach A/B/C = 21/15/0,64 (wartość opałowa wyrażona w (MJ/kg) / procen-
towa zawartość popiołu / procentowa zawartość siarki). Biomasa ma parametry 14/1/0,01,
Współspalanie biomasy z węglem jest coraz powszechniejsze, umożliwiając spełnienie coraz
ostrzejszych norm dla emisji gazów odlotowych, dotyczących zwłaszcza związków siarki.

Najważniejszymi argumentami za energetycznym wykorzystaniem biomasy są:

•

stałe i pewne dostawy krajowego nośnika energii w miejsce importowanej ropy i gazu;

•

wykorzystanie nadprodukcji żywności (rzepak);

•

tworzenie nowych miejsc pracy, szczególnie na wsi;

•

ograniczenie emisji CO

2

z paliw nieodnawialnych, który w przeciwieństwie do CO

2

z biopa-

liw nie jest neutralny dla środowiska, powodując zwiększenie efektu cieplarnianego;

•

uniknięcie wysokich kosztów odsiarczania spalin z paliw kopalnych;

•

aktywizacja ekonomiczna, przemysłowa i handlowa lokalnych społeczności wiejskich;

•

decentralizacja produkcji energii, a tym samym większe bezpieczeństwo energetyczne.

Potencjalne wady energetycznego zagospodarowania biomasy dotyczą:

•

ryzyka zmniejszenia bioróżnorodności (monokultury roślin energetycznych),

•

trudności z usuwaniem ze spalin tlenków azotu;

•

niebezpieczeństwa powstawania dioksyn i furanów w wyniku spalania biomasy zanieczysz-
czonej pestycydami lub odpadami z tworzyw sztucznych.
Wysokowydajne plantacje drewna przeznaczonego na cele przemysłowe i energetyczne to

plantacje drzew eukaliptusowych (113 m

3

/r.ha) i topoli (35 m

3

/r.ha), które zasilają elektrownie

zasilane tym paliwem w wielu krajach (Brazylia, USA). Koszt produkcji w tych elektrowniach
jest porównywalny z kosztem wytwarzania energii elektrycznej ze spalania węgla. W Polsce
drewno opałowe spala się w niewielkich instalacjach kotłowych (kotły śUBR, Ingis, Fuwi) do
c.o., w piecach i kuchniach przydomowych. W budowie znajduje się kilka kotłowni o większej
mocy opalanych drewnem, które to inwestycje w 50% są dofinansowywane z Funduszu PHARE.
Ich łączna moc wyniesie 23 MW.

Niewykorzystanym dotychczas w dostatecznym stopniu proekologicznym surowcem energe-

tycznym jest również słoma, o wartości opałowej porównywalnej z drewnem (17MJ/kg). W
ostatnim dziesięcioleciu uruchomiono w Polsce szereg kotłowni co., opalanych słomą. Przykład
takiej ciepłowni przedstawiono schematycznie na rys. 13. W przypadku kotłowni firmy STEEN
TECH koszt inwestycji wynosi 2 mln PLN, roczny koszt spalanej słomy 57.000 PLN (koszt wę-
gla wynosił by 169.000 PLN). Koszty eksploatacji kotłowni wynosiły w sezonie grzewczym
1997/98 i 1998/99 odpowiednio 80.000 PLN, w przypadku gdyby kotłownię opalano węglem
koszty eksploatacji byłyby równe 220.000 PLN oraz 212.000 PLN.

9. Biopaliwa

Do biopaliw zaliczamy etanol, estry metylowe oleju rzepakowego, palmowego lub sojowego.

W porównaniu do oleju napędowego uzyskiwanego z ropy naftowej podczas ich spalania w sil-
niku emitują one do atmosfery o 40% mniej węglowodorów, o 50% mniej sadzy i o 40% mniej

Rys.13. Schemat ciepłowni

opalanej słomą.

1-osiedlowa sieć ciepłow-
nicza, 2-spaliny do komi-
na, 3-cyklon, 4-rozdra-
bniacz słomy, 5-przenośnik
słomy, 6-transporter balo-
tów, 7-wentylator, 8-prze-
nośnik popiołu, 9-trans-
porter

15

pyłów, przy takim samym poziomie emisji CO i CO

2

. W warunkach polskich z 1 ha uprawy rze-

paku można uzyskać 3.000 kg nasion, z których można wycisnąć na zimno 1132 kg oleju. W
procesie transestryfikacji, po dodaniu 133 kg metanolu uzyskuje się 1143 kg biopaliwa i 122 kg
gliceryny. Tak więc paliwo uzyskane z jednego hektara umożliwia pracę traktora w polu przez
260 h (ok. 2 miesięcy) .

Szczegółowe analizy bilansu energetycznego przy produkcji biopaliwa z oleju rzepakowego

wykazały, że suma energii dostarczonej (nie licząc energii słonecznej) stanowi niecałe 30% ener-
gii pozyskanej. Bilans ekonomiczny pozyskiwania biopaliwa przeprowadzony dla przełomu lat
1998/99 dla przerobu wynoszącego 5.000 ton rzepaku na rok zamknął się zyskiem 941.900 zł,
nie licząc korzyści odniesionych przez środowisko dzięki zmniejszonej emisji szkodliwych pro-
duktów procesu spalania.

10. Biogaz

Źródłem energii odnawialnej może być też biogaz. Biogaz, wydzielający się w sposób nie-

kontrolowany, powstaje samoczynnie, i to w dużych ilościach, na wysypiskach śmieci, stanowiąc
poważne, zagrożenie dla środowiska, nie tylko lokalne (np. metan - b. silnie wzmacnia efekt cie-
plarniany), ale również dla mieszkańców okolic sąsiadujących z takimi wysypiskami. Znane są
przypadki samozapalenia się wysypisk i trwające tygodniami akcje gaszenia takich pożarów, w
czasie których przedostaje się do atmosfery znaczna ilość CO, CO

2

, dioksyn, furanów i sadzy.

Szacuje się, że roczna wartość energii traconej z gazem wysypiskowym jest równoważna 439
mln m

3

gazu ziemnego.

Biogaz można uzyskać z trzech głównych źródeł:

- fermentacji osadu czynnego w komorach fermentacyjnych oczyszczalni ścieków;
- fermentacji organicznych odpadów przemysłowych i komunalnych;
- fermentacji obornika i gnojowicy w indywidualnych gospodarstwach rolnych.

Typowy gaz wysypiskowy składa się w swej objętości z 45-65 % metanu, 34-45 % CO

2

, nie-

wielkich ilości wodoru, azotu, tlenu i śladowych ilości organicznych związków nadających mu
specyficzny, „wysypiskowy” zapach. Fermentacja odpadów gromadzonych na wysypiskach może
trwać do 25 lat, a sam zapach utrzymuje się jeszcze dłużej. Istnieje wiele przykładów funkcjonu-
jących elektrowni, i to niemałej mocy (w Anglii - 10 MW), zasilanych biogazem czerpanym z
wysypisk śmieci. Znanych jest też szereg sprawdzonych technologii rentownego jego pozyski-
wania. W Polsce, na 600 zarejestrowanych wysypisk, działa zaledwie 20 instalacji utylizacji
(spalania w pochodniach) lub zagospodarowania gazu wysypiskowego. Niedawno w pobliżu Le-
gnicy (rok 2006) uruchomiono elektrownię zasilaną właśnie gazem wysypiskowym.

Zalety produkcji energii z biogazu są analogiczne jak w przypadku czerpania jej w procesach

spalania drewna i słomy. Produkcja biogazu umożliwia dodatkowo poprawienie stanu higienicz-
no-sanitarnego dzięki zaprzestaniu wylewania fekalii bezpośrednio na pola (Chiny, Indie), gdzie
nierzadko są one przyczyną wybuchu epidemii. W biednych krajach trzeciego świata lokalne ma-
łe elektrownie zasilane biogazem umożliwiają podniesienie poziomu cywilizacyjnego poprzez
dostarczanie światła, elektryczności i wody. W przypadku oprocentowania kredytów inwestycyj-
nych powyżej 7%, koszt jednostkowy energii elektrycznej uzyskiwanej z biogazu jest mniejszy
od kosztu tej energii czerpanej z sieci elektroenergetycznych.
11. Źródła geotermalne

Polska ma korzystne warunki do rozbudowy energetyki geotermalnej. Na głębokości kilkuset

metrów do kilku kilometrów temperatura wody wynosi od kilkunastu stopni Celsjusza do nawet
ponad 100

0

C (para wodna). Taką wodę można wykorzystać do ogrzewania mieszkań, do celów

gospodarczych a parę wodną do napędzania agregatów prądotwórczych (sprawność do około
70%). Najlepsze warunki geotermalne panują w Polsce na Podkarpaciu i w Sudetach. Działające
instalacje geotermalne to w zachodniopomorskim Stargard Szczeciński i Pyrzyce (64

0

C), w

łódzkim Uniejów (67

0

C), w mazowieckim Mszczonów (40

0

C), Bańska Niżna koło Zakopanego

(86

0

C). Planowane są następne instalacje. Ze źródeł geotermalnych korzystają także uzdrowiska

16

w Ciechocinku, Konstancinie, Cieplicach, Lądku-Zdroju, Ustroniu, Zakopanym i w Iwoniczu-
Zdroju na Podkarpaciu. W celu wykorzystania źródła geotermalnego należy dokonać kilku od-
wiertów z których albo wypływa sama albo wypompowuje się ciepłą wodę, która na powierzchni
oddaje ciepło w wymiennikach ciepła. Ochłodzona woda jest z powrotem wtłaczana innym od-
wiertem do złoża. W instalacji muszą być zamontowane filtry oczyszczające wodę z nadmiaru
minerałów, które by mogły zniszczyć lub zatkać instalację. Koszty instalacji są niestety wysokie,
ale za to do dyspozycji jest stabilne źródło czystej energii.
12. Wodór jako paliwo XXI wieku

Konsumpcja wodoru jako paliwa systematycznie rośnie. W skali światowej przekroczyła już

40 mln ton rocznie. W opinii ekspertów wodór będzie w przyszłości jedynym dopuszczalnym, ze
względów ekologicznych, paliwem. Jak dotąd głównym źródłem produkcji wodoru jest ropa naf-
towa (50%), gaz ziemny (30%) i węgiel (15%). Z elektrolizy wody, który to proces w przyszłości
ma stanowić główne źródło produkcji wodoru, otrzymuje się obecnie zaledwie 0,5%.

Wodór jako paliwo ma wiele zalet:

•

jest wyjątkowo proekologiczny - produktem spalania jest woda;

•

ma małą energię inicjacji zapłonu, przez co jego spalanie jest sprawniejsze;

•

jest łatwiejszy i tańszy w magazynowaniu i przechowywaniu niż energia elektryczna

•

jego zapasy są praktycznie niewyczerpalne, gdyż jako składnik wody krąży wraz z nią w przy-
rodzie w zamkniętym obiegu.
Jeżeli weźmie się pod uwagę, że konwersja energii wodoru w energię elektryczną odbywała

się będzie w przyszłości w ogniwach paliwowych (rys.14a), a nie poprzez konwencjonalne spa-
lanie, to pozostaje w zasadzie jedna tylko
wada wodoru, polegająca na łatwości jego
dyfundowania przez metale. Zjawisko to
powoduje znaczne zmiany własności me-
chanicznych metali (kruchość wodorowa)
zagrażające trwałości konstrukcji. Wydzie-
lanie się NO

x

w przypadku ogniw paliwo-

wych nie istnieje, ponieważ proces kon-
wersji energii odbywa się bez płomienia i
w niskich temperaturach. Podstawowym
rodzajem ogniw to wodorowo-tlenowe z
membraną (płytą separacyjną) do wymiany
protonów (elektrolit polimerowy). Cienka
warstwa polimeru przewodzącego protony
(płyta separacyjna - membrana) rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawę-
glonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Na anodzie ogniwa nastę-
puje utlenianie paliwa (wodoru, węgla, metanolu, hydrazyny itp.) a na katodzie – redukcja utle-
niacza (tlenu, wyjątkowo chloru). Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody,
gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja a w jej wyniku
powstają jony protonowe H

+

oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w

niej, a jony wodorowe dyfundują.

2H

2

4H

+

+ 4e

Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych

jonów, szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez
obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O

-2

,

O

2

+ 4e

2O

-2

zaś jony wodorowe H

+

są zobojętniane zjonizowanym tlenem:

2O

-2

+ 4H

+

2H

2

O

Końcowy produktu to H

2

O czyli woda w postaci pary lub ciekłej.

Rys.14a. Schemat modułu ogniwa paliwowego

17

Reakcja jest identyczna z reakcją spalania, ale bez wydzielania ciepła. Sprawność jest wyższa

niż w obiegu Carnota i dochodzi do 75%. W pierwszym ogniwie tego typu (rys.14a) wodór był
doprowadzony do anody, a tlen do katody. Wodór i tlen reagowały z elektrolitem, dzięki zaś
przewodności jonowej elektrolitu w ogniwie płynie prąd o napięciu 0,8V i gęstości 250 mA/cm

2

.

Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody uzyskiwania sto-

sowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło ener-
gii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie wodoru
w procesie elektrolizy wody ma dość dużą sprawność, to w połączeniu z tym, że przy stosowaniu
w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami to całkowita
sprawność ogniw obecnie jest znacznie niższa i w przyszłości może nie przekroczyć poziomu
najwydajniejszych z silników spalinowych.

Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu paro-

wego, który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek węgla,
jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do silników spali-
nowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd, lecz powstaje w
miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go wykorzystać.

W zależności od rodzaju elektrolitu rozróżnia się następujące ogniwa paliwowe:

•

polimerowe (PEFC - Polymer Electrolyte Fuel Cell), uruchomione w roku 1960, t=80°C, moc
1kW, zbudowane w ramach programu kosmicznego Gemini;

•

alkaliczne (AFC - Alcalyne Fuel Cell), t=100°C, elektrolit KOH, 1,5 kW, opracowane w ramach
programu Apollo;

•

kwasowe (PAFC -Phosphoric Acid Fuel Cell) - rok budowy 1977, t=200 °C, elektrolit kwas fosfo-
rowy H

3

PO

4

, zasila elektrownie na Manhatanie (o mocy 1 MW i 4,5 MW) i w Japonii w – rok bu-

dowy 1992 o mocy 11 MW oraz 1,3 MW i sprawności 60%,

•

węglanowe (MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell), t=650 °C, elektrolitem są ciekłe węglowodany
Li

2

CO

3

i K

2

CO

3

, szereg elektrowni o mocy 1-2 MW w Niemczech, USA i od 1998 w Japonii;

•

tlenkowe (SOFC - Solid Oxid Fuel Cell), utleniaczem jest ZrO

2

, t=1000 °C, są na etapie laborato-

ryjnych prób, wdrożenie przewiduje się w latach 2005-2010.

wykłady\odnawia.doc

Rys.14b. Reakcje

elektroche-
miczne zacho-
dzące w róż-
nych typach
ogniw pali-
wowych.

Anoda

Katoda

Pobór mocy

H O

2

H O

2

, CO

2

H O

2

OH

-

H

2

H

2

H

2

H O

2

H O

2

H

2

CO

O

2

O

2

O

2

O

2

H O

2

CO

2

Utleniacz O

2

Paliwo H

2

Elektrolit

H

+

O

-2

Typ ogniwa

alkaliczne

AFC, 100 C

o

ZrO

2

SOFC, 1000 C

o

tlenkowe

PEFC, PAFC

polimerowe 80 C

kwasowe 200 C

o

o

wêglanowe 650 C

o

MCFC

Li CO

2

3

K CO

2

3

CO

3

-2

węglanowe 650

0

C