Politechnika Śląska w Gliwicach Gliwice: 2001-05-08

Wydział: Mechaniczny-Technologiczny

Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn

Grupa: 3

Projekt ekologiczny

Temat: Alternatywne źródła energii

Spis treści:

Spis rysunków:

Spis tabel:

Wstęp

Trudno w dzisiejszych czasach wyobrazić sobie życie bez użytkowania energii elektrycznej. Energia elektryczna jest nam tak samo potrzebna jak woda i powietrze. Samo słowo energia pochodzi od greckiego słowa energeia i oznacza działalność.

Energia elektryczna zaś jest energią układu ładunków elektrycznych wzajemnie oddziałujących na siebie. Siły elektrostatyczne i elektrodynamiczne między naładowanymi cząstkami powodują ich przyciąganie lub odpychanie. Wykorzystanie energii elektrycznej polega na celowym uporządkowaniu tych elementarnych oddziaływań. Niezbędne do tego jest dysponowanie ciałami różniącymi się między sobą pod względem potencjału elektrycznego.

Globalne zapotrzebowanie na energię zależy od wielu czynników, spośród których do najważniejszych należy zaliczyć: tempo rozwoju gospodarczego poszczególnych krajów, wzrost liczby ludności, ewolucję struktur społecznych, postęp techniczny w zakresie stosowania urządzeń i tworzenia nowych rozwiązań technicznych. Przemysł energetyczny stanowi główną gałąź gospodarki każdego kraju, ponieważ z energii elektrycznej korzystają w coraz większym stopniu wszystkie inne działy gospodarki narodowej. Współczesny postęp techniczny odznacza się elektryfikacją stosowanych urządzeń napędowych, procesami automatyzacji, powszechnym zastosowaniem elektroniki, wzrostem potrzeb oświetleniowych itp. Zwiększone użycie energii elektrycznej jest wywołane także pełniejszą elektryfikacją rolnictwa i wzrostem wyposażenia gospodarstw domowych w odbiorniki elektryczne, substytucją gazu w nich, ogrzewaniem elektrycznym oraz zastępowaniem paliw ciekłych energią elektryczną w transporcie.

Zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną wynika także z zalet tego nośnika energii, do których przede wszystkim możemy zaliczyć:

• łatwość przemiany w inne formy energii, czyli w energię cieplną, świetlną i mechaniczną;

• znakomitą podzielność i możliwość płynnej regulacji parametrów w zakresie od mikro do makro;

• łatwość przesyłania (błyskawicznego) na duże odległości, co umożliwia wykorzystanie odległych od miejsc zapotrzebowania zasobów surowców energetycznych;

• ponoszenie małych strat w porównaniu z innymi postaciami energii w trakcie ich przesyłania.

Tak szerokie zastosowanie jakie znalazła energia elektryczna sprawiło, że powstało wiele metod jej pozyskiwania, począwszy od tradycyjnych, a skończywszy na niekonwencjonalnych.

Konwencjonalne źródła energii elektrycznej wykorzystują energię chemiczną i cieplną zawartą w paliwach kopalnych. Szacując najogólniej ten sposób wytwarzania energii elektrycznej obecnie zużywa się ponad jedną trzecią wydobywanych w świecie surowców energetycznych.

Rozdział I

Źródła energii które występują na świecie:

Konwencjonalne:

• węgiel kamienny

• węgiel brunatny

• gaz ziemny

• paliwa rozszczepialne

Niekonwencjonalne źródła energii można podzielić na:

odnawialne :

• energia słoneczna

• energia wiatru

• energia pływów morskich i fal morskich

• energia cieplna oceanów (maretermiczna)

• energia gorących skał

nieodnawialne:

• wodór

• energia magneto-hydro-dynamiczna

• ogniwa paliwowe.

Energię wewnętrzną ziemi (geotermiczną) można zaliczyć do obu rodzajów źródeł:

• gejzery są źródłem nieodnawialnym

• energia gorących skał zaś jest energią odnawialną.

Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu stanowi ą bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do konwencjonalnych źródeł. Zapytać zatem można dlaczego nie wykorzystujemy ich na szeroką skale. Otóż istnieją różne ograniczenia w ich stosowaniu, najważniejsze jednak to ograniczenia natury:

• technologicznej - ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania.

• ekonomicznej - związane z dużymi kosztami ich stosowania

Prognozy optymistyczne szacuj udział niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej na 25% w 2010 roku, pesymistyczne na 7%

Rozdział II

Wpływ tradycyjnych źródeł energii elektrycznej na środowisko naturalne

Spalanie paliw mineralnych powoduje narastające zanieczyszczenie środowiska. Degradacja środowiska występuje już w fazie pozyskiwania surowców przez niszczenie powierzchni Ziemi, tworzenie hałd kopalnianych oraz powstawania dużych ilości zasolonych wód odprowadzanych do rzek. W fazie wytwarzania energii elektrycznej za pomocą konwencjonalnych technologii polegających na spalaniu węgla i ropy powstają ogromne ilości zanieczyszczeń w postaci emitowanych do atmosfery pyłów i gazów. Zanieczyszczenia te często występują na obszarach gęsto zaludnionych.

W wyniku całkowitego spalenia paliwa mineralnego w komorze paleniskowej kotła energetycznego powstają spaliny zawierające: dwutlenek węgla (CO₂), parę wodną (H₂O), azot (N₂), dwutlenek siarki (SO₂), trójtlenek siarki (SO₃) oraz popiół. Ze składników tych toksycznymi są: SO₂, SO₃ oraz częściowo popiół (pył), ze względu na zawartość w nim takich pierwiastków jak kadm, ołów, arsen.

Tab. 1 Ilość substancji pyłowych i gazowych emitowanych przez krajowe elektrownie zawodowe

Elektrownie	Rok	Ilość spalonego węgla	Ilość popiołu i żużla		Emisja pyłu do atmosfery	wskaźnik uchwycenia popiołu	Emisja SO2
									całkowita	uchwycona
				x 10^3 t	x 10^3 t		x 10^3 t	%	x 10^3 t
	Opalane węglem brunatnym i kamiennym - łącznie	1988	128 488,2	24 546,6	23 708,9	777,7	96,83	2004,5^*
		1989	127 421,9	23 661,0	22 922,2	738,7	96,88	2005,6^*
		1990	115 696,5	19 097,4	18 523,6	573,8	97,00	1553,0^*
	Opalane węglem kamiennym	1988	57 986,8	15 444,1	14 865,5	578,6	96,25	1302,8
		1989	56 954,1	15 350,5	14 795,8	554,6	96,39	1257,7
		1990	49 278,2	11 829,5	11 432,2	397,3	96,64	920,2
	Opalane węglem brunatnym	1988	70 501,4	9 102,5	8 903,4	199,1	97,81	701,7
		1989	70 467,8	8 310,5	8 126,4	184,1	97,78	747,9
		1990	66 418,3	7 267,9	7 091,4	176,5	97,57	632,8
^* Poza podanymi ilościami wyemitowano z kotłów opalanych olejem opałowym odpowiednio w roku: 1988 - 18 500 t, 1989 - 12 700 t, 1990 - 11 200 t.

Przy wysokiej temperaturze w jądrze płomienia komory paleniskowej zachodzi częściowe utlenienie azotu z powietrza i azotu z paliwa, a w jego wyniku tworzenie się tlenków azotu (tlenek azotu NO i dwutlenek azotu NO₂). Tlenki azotu (NO_x) nawet w minimalnych stężeniach w powietrzu działają drażniąco na organy układu oddechowego, niszczą urządzenia i materiały, przyczyniają się do powstawania smogów, pogarszają widoczność i ograniczają nasłonecznienie powierzchni Ziemi. Są one szkodliwe dla organizmów żywych, co stawia je zaraz za dwutlenkiem siarki SO₂, jako najgroźniejsze zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego.

Na około połowie powierzchni kraju występują stężenia SO₂ wyższe od 20 mg/m³ co może już powodować pierwszy stopień uszkodzenia lasów iglastych.

Znaczne stężenia SO₂ w powietrzu atmosferycznym powodują, że na powierzchnię gleby dociera rocznie w Polsce ok. 8 ton związków siarki na 1 km², przy czym na ok. 10% powierzchni kraju wartości te przekraczają rocznie 50 t/km².

Duże przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń pyłowych i gazowych występują również na terenach chronionych i specjalnie chronionych.

Ponad połowa emisji SO₂ pochodzi z energetyki. Również z energetyki pochodzi ok. 40% emitowanych pyłów.

W przypadku niezupełnego spalania w komorze paleniskowej, powstaje: tlenek węgla CO, sadza oraz rakotwórczy benzo- -piren. Energetyka jądrowa, choć nie wprowadza takich zmian w powietrzu atmosferycznym, grozi jednak bardzo niebezpiecznym zatruciem środowiska w cyklu paliwowym, awarią w procesie eksploatacji i zmusza do wieczystego przechowywania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych.

Główne zagrożenia środowiska jakie niosą ze sobą tradycyjne metody wytwarzania energii elektrycznej to:

• emisja znacznych ilości tlenków azotu i siarki odpowiedzialnych za występowanie kwaśnych deszczów niszczących faunę i florę oraz budowle, także zabytkowe, korozję metali, zwiększenie zużycia maszyn i mechanizmów w promieniu wielu setek kilometrów, gdyż wysokie kominy powodują przemieszczanie się ich na wielkie odległości;

• emisja dwutlenku węgla, przyczyniającego się do powstania tzw. efektu cieplarnianego, co grozi zmianami klimatycznymi (podwyższaniem temperatury na Ziemi, topnienie lodowców, co może w konsekwencji spowodować zmianę zarysu lądów);

• emisja pyłów;

• promieniowanie jonizujące elektrowni jądrowych;

• zagrożenia radiacyjne przy przewożeniu materiałów rozszczepialnych i odpadów z elektrowni jądrowych;

• zrzuty podgrzanej wody do rzek i jezior;

• bezzwrotne straty wody w obiegach chłodzenia;

• zrzuty ścieków technologicznych;

• dewastacja terenu i pylenie wtórne na składowiskach odpadów paleniskowych (popiół, żużel);

• hałas.

Wśród barier energetyki konwencjonalnej, oprócz trudności z pozyskiwaniem węgla należy wymienić również deficyt wody, który utrudnia lokalizację dużych elektrowni ze względu na brak wody chłodzącej.

Dodatkowo należy zaznaczyć, że węglowy charakter energetyki odznacza się:

• stosunkowo małą sprawnością przemian energetycznych co powoduje duże zużycie energii w postaci pierwotnej;

• dużym kosztem urządzeń energetycznych spalających węgiel;

• znacznym obciążeniem środków transportu przewozem węgla;

• zagrożeniem dla środowiska naturalnego przez wydobywanie, transport i użytkowanie węgla;

• co 8 tona wydobytego węgla wraca do kopalni w postaci energii.

Konwencjonalne metody sprzyjają skoncentrowanemu sposobowi wytwarzania energii elektrycznej, co pociąga za sobą pewne negatywne skutki przy przesyłaniu energii:

• oddziaływanie pola elektrycznego pod liniami najwyższych napięć, ograniczające użytkowanie terenu;

• wycinanie lasów na terenach linii elektroenergetycznych;

• straty mocy na długich odcinkach przesyłania energii elektrycznej;

• wzrost kosztów inwestycyjnych.

Charakterystyka i zalety niekonwencjonalnych źródeł energii

Źródła odnawialne charakteryzują się:

• minimalnym bądź nawet żadnym wpływem na środowisko;

• oszczędność paliw (eliminacja zużycia węgla, ropy i gazu w produkcji energii elektrycznej)

• ogromnymi, stale odnawiającymi się zasobami energii;

• stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii elektrycznej;

• możliwością pracy na sieć wydzieloną;

• stanowią energetykę bardzo elastyczną, wykorzystującą różnorodne lokalne źródła energii;

• rozproszeniem na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu energii, gdyż może ona być pozyskiwana w dowolnym miejscu, co eliminuje również straty związane z dystrybucją i pozwala uniknąć budowy linii przesyłowych.

Jak widać obecnie lokalnie, a w niedalekiej przyszłości na szeroką skalę odnawialne źródła energii okazują się być niezastąpione. Ich ogólny potencjał techniczny, tzn. taki, który da się wykorzystać przy obecnym lub dającym się przewidzieć poziomie techniki, szacuje się na 17,245 TWa rocznie, co podwyższa przewidywane światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną w 2000 r. Mimo tych olbrzymich zasobów jakie niesie ze sobą energia odnawialna, nie możemy zapominać o racjonalizacji użytkowania energii w naszym codziennym życiu. Przemawia za tym m.in. fakt, że w krajach rozwijających się mieszka 75% ludności świata, a zużywa jedynie 20% paliw i energii.

Stosunkowo duży koszt budowy elektrowni zasilanych źródłami odnawialnymi jest spowodowany koniecznością stosowania trudnych technicznie, jeśli chodzi o budowę urządzeń, co spowodowane jest z kolei uwzględnieniem zmieniających się warunków atmosferycznych.

Roczna produkcja energii elektrycznej przez odnawialne źródło o mocy 160 kW zapobiega wyemitowaniu do atmosfery następujących zanieczyszczeń:

• dwutlenek siarki2.000kg

• dwutlenek azotu1.500kg

• dwutlenek węgla250.000kg

• pyły i żużle17.500kg

Tab. 2 Koszty wytwarzania energii - rzeczywiste i przewidywalne w centach USA za kWh
(w przeliczeniu na ceny stałe bez inflacji)

Źródło energii \ Lata	1980	1990	2000	2030
Elektrownie na paliwa konwencjonalne (ropa, węgiel)	8	8	8	8
Elektrownie wiatrowe	32	8	4	3
Ogniwa fotoelektryczne	339	30	10	4
Ogrzewanie słoneczne	60	12	7	5

Spośród odnawialnych źródeł energii w Polsce największe szanse rozwoju ma: energia słońca, wiatru, mała energetyka wodna.

Energia słoneczna

Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Można także bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną poprzez zastosowanie specjalnych systemów do pozyskiwania i akumulowania energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii emitowany przez Słońce równomiernie we wszystkich kierunkach. Miarą wielkości promieniowania słonecznego docierającego ze słońca do ziemi jest tzw. stała słoneczna. Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i obecnie wynosi 1,4 kW/m2. W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania : 

- bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej

- rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery

- odbite powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

Oczywiście wielkość promieniowania słonecznego wykorzystywana przez kolektor  jest znacznie mniejsza i wynosi 0,7 kW/m2. Przyczyną tego są straty przesyłanej energii powstałe w wyniku:

-rozproszenia 0,1 kW/m2

-pochłaniania 0,3 kW/m2

-strat na kolektorze 0,3 kW/m2

rys. 1 Schemat działania elektrowni słonecznej

Opis rysunku:

1. zwierciadło

2. pierwszy wymiennik ciepła

3. drugi wymiennik powietrza

4. generator prądotwórczy

5. stacja przesyłowa energii

6. akumulator ciepła

W najbardziej korzystnych warunkach maksymalna gęstość energii słonecznej na poziomie morza wynosi 1 kW/m³ gdy średnia gęstość energii słonecznej to 250 W/m³. Jest ona przy tym zróżnicowana w zależności od szerokości geograficznej.

Największa średnia gęstość mocy 270 W/m³ rocznie występuje w Arabii Saudyjskiej na pustyniach: Sahara i Kalahari. Średnia roczna intensywność promieniowania słonecznego w polskich warunkach klimatycznych to 105-125 W/m³, co odpowiada rocznemu strumieniowi energii rzędu 3,3-4,0 GJ/(m²a). Na całej powierzchni kraju ilość energii słonecznej w ciągu roku to 1030-1250 EJ, w przypadku gdy całkowita ilość energii pierwotnej wydobyta na terenie kraju w postaci paliw konwencjonalnych w 1983 r. wynosiła nieznacznie ponad 5 EJ.Względy techniczne oraz ograniczenia w zakresie przestrzennego zagospodarowania kraju nie pozwalają jak na razie wykorzystać w pełni tej energii.

Tab. 3 Nasłonecznienie w różnych szerokościach geograficznych przy bezchmurnym niebie

Położenie	Szerokość geograficzna	Nasłonecznienie (kW/m^2)
				maksymalne	minimalne	roczne
Równik	0	6,5 (7,5)	5,8 (6,8)	2200 (2300)
Zwrotnik Raka	23 1/2	7,1 (8,3)	3,4 (4,2)	1900 (2300)
Szerokość pośrednia	45	7,2 (8,5)	1,2 (1,7)	1500 (1900)
Polska centralna	52	7,0 (8,4)	0,5 (0,8)	1400 (1700)
Koło podbiegunowe	66 1/2	6,5 (7,9)	0 (0)	1200 (1400)

Największym problemem nie jest pozyskanie tej energii lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie.

Systemy solarne można więc podzielić na następujące grupy:

-aktywne ( z wymuszonym obiegiem grawitacyjnym - całoroczne instalacje)

-pasywne ( grawitacyjne - instalacje letniskowe)

Kompletne całoroczne instalacje słoneczne na potrzeby c.w.u. i c.o. składają się z trzech zasadniczych elementów bez których nie było by możliwe magazynowanie energii:

 

rys. 3 Uproszczony przekrój instalacji słonecznej

Opis rysunku:

1. kolektor słoneczny

2. sterownik akumulatora ciepła

3. akumulator ciepła

Kolektor słoneczny-podstawowy element instalacji słonecznej, jego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w energię cieplną poprzez specjalną płytę absorpcyjną. Najczęściej stosuje się tzw. kolektory płaskie cieczowe. 

Każdy kolektor tego typu składa się z:

-przezroczystej szyby 

-powłoki absorpcyjnej

-systemu rurek miedzianych w których przepływa ciecz solarna

-ocieplenia od spodu

-obudowy aluminiowej w której zamknięte są ww. elementy.

W zależności od użytych materiałów współczynnik pochłaniania energii słonecznej może osiągnąć wartość do 95-97%.

rys. 4 Przedstawia przekrój kolektora

Drugi typ kolektora to tzw. kolektor rurowo-próżniowy. Jest on inaczej zbudowany niż kolektor płaski cieczowy. Oparty jest na szklanej rurze w środku, której umieszczono cienki absorber z rurką metalową, wewnątrz której umieszczona jest jeszcze jedna  rurka. Ciecz płynie wewnętrzną rurką i wpływając od dołu do zewnętrznej rurki, nagrzewa się przejmując ciepło od absorbera. Ten typ kolektora charakteryzuje się większą sprawnością niż kolektor płaski w okresie o zwiększonym zachmurzeniu. 

rys. 5 Kolektor rurowy

rys. 6 Przedstawia widok ogólny kolektora rurowego

Zbiornik - inaczej akumulator ciepła. To tutaj właśnie poprzez specjalne wymienniki spiralne odbywa się wymiana ciepła z medium cieplnego (glikol) na korzyść wody.

Zasobnik musi być indywidualnie dobierany w zależności od wielkości instalacji i jej przeznaczenia. Bardzo ekonomicznym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. sprzęgła cieplnego umożliwiającego połączenie paru układów grzewczych ( np. kolektory słoneczne z kotłem olejowym i kominkiem) w jeden w pełni zautomatyzowany układ gwarantujący duże oszczędności tradycyjnych nośników energii.

Bardzo ważne jest, aby zasobnik-akumulator był  dobrze ocieplony co zapobiegnie stratom ciepła i podniesie wydajność całej instalacji.

rys. 7 Akumulator ciepła

Energia wiatru

Polska nie jest krajem o dobrych warunkach do wykorzystania energii wiatrowej. Tylko w niektórych regionach kraju średnia prędkość wiatru przekracza 4 m/s. Prędkość ta jest niezwykle ważna gdyż jest to minimalna prędkość startowa większości  elektrowni   elektrowni. Dlatego siłownie wiatrowe w Polsce nie mogą być jedynym źródłem energii. Konieczna jest współpraca z siecią elektryczną, bądź jakimś innym źródłem energii elektrycznej.

rys. 8 Regiony sprzyjające wykorzystaniu elektrowni wiatrowych w Polsce

Jak wiać tylko niektóre regiony posiadają sprzyjające warunki wykorzystania energii wiatrowej tj. prawie cała strefa przybrzeżna Bałtyku i część Mazowsza. Dla porównania można podać fakt iż na zachodnim wybrzeżu Dani średnia prędkość wiatru  wynosi 7 m/s, a w naszych najlepszych regionach wartość ta nie przekracza 4 m/s. W pełni zautomatyzowana elektrownia wiatrowa przeznaczona jest do przetwarzania energii wiatru na energię elektryczną składa się z następujących elementów :

1.Wirnik -3 łopatowy napędu głównego o dużej sprawności aerodynamicznej  2. Głowica - z zabudowanym zespołem napędowym i generatorem 3. Piasta 4. Wieża - wsporcza rurowa zabezpieczona antykorozyjnie 5. Układ sterowania - mikroprocesorowy system sterowania napędem i pracą elektrowni 6. Segment kotwiący - zatopiony w segmencie 7. Fundament - żelbetowa płyta kwadratowa

Energia biomasy

Biomasa to substancja organiczna pochodzenia roślinnego, powstająca poprzez fotosyntezę. Do biomasy zaliczamy również odpady z produkcji zwierzęcej oraz gospodarki komunalnej i niektórych procesów produkcyjnych. Biomasa może służyć jako niskokaloryczne paliwo w procesie spalania. Na poniższej tabeli przedstawiono rożne sposoby pozyskiwania energii z biomasy

Tab. 4 sposoby pozyskiwania energii z biomasy

Słoma żółta	14,3 MJ/kg
Słoma szara	15,2 MJ/kg
Drewno opałowe	13,0 MJ/kg
Trzcina	14,5 MJ/kg

Pod względem energetycznym 2 tony biomasy równoważne są 1 tonie węgla kamiennego. Także pod względem ekologicznym biomasa jest lepsza niż węgiel gdyż podczas spalania emituje mniej SO2 niż węgiel. Bilans emisji dwutlenku węgla jest zerowy, ponieważ podczas spalania do atmosfery oddawane jest tyle CO₂ ile wcześniej rośliny pobrały z otoczenia. Biomasa jest zatem o wiele bardziej wydajna niż węgiel, a w dodatku jest stale odnawialna w procesie fotosyntezy. 

Ostatnimi czasy duże nadzieje pokłada się w wykorzystaniu paliw ciekłych uzyskiwanych z biomasy. Alkohol metylowy i etylowy pochodzenia roślinnego jest w wielu krajach dodawany do paliw tradycyjnych. Idealnym surowcem do produkcji paliw roślinnych są rośliny uprawiane na terenach skażonych. Także wykorzystanie tzw. biogazu powstałego w wyniku fermentacji biomasy ma przed sobą przyszłość. To cenne paliwo gazowe zawiera 50-70% metanu, 30-50% dwutlenku węgla oraz niewielką ilość innych składników (azot, wodór, para wodna). Surowcem do produkcji biogazu są odchody zwierzęce, odpady roślinne, ścieki... . Wydajność procesu fermentacji zależy od temperatury i składu substancji poddanej fermentacji. Prawidłowa temperatura fermentacji wynosi 30-35 stopni Celsjusza dla bakterii mezofilnych i 50-60 stopni dla bakterii termofilnych. Utrzymanie takich temperatur w komorach fermentacyjnych zużywa się od 20-50% uzyskanego biogazu.

Tab. 5 Wydajność biogazu w zależności od materiału

MATERIAŁ	WYDAJNOŚĆ biogazu m3/kg SMO	Czas fermentacji dni
Słoma	0,367	78
liście buraków	0,501	14
łęty ziemniaczane	0,606	53
łodygi kukurydzy	0,514	52
Koniczyna	0,445	28
Trawa	0,557	25

Energia geotermalna

Energia geotermalna jest zawarta w wydobywanych na powierzchnię Ziemi wodach geotermalnych. Zaliczana jest na do kategorii energii odnawialnej, ponieważ pochodzi ona z praktycznie niewyczerpanego źródła, jakim jest gorące wnętrze kuli ziemskiej. Na podstawie analizy europejskich tendencji wykorzystania energii odnawialnej można w ostatnich latach zaobserwować  w Polsce wzrost zainteresowania systemami centralnego ogrzewania na bazie pompy ciepła, które umożliwiają odzysk ciepła z gruntu, wody, powietrza. Pompa ciepła jest inwestycją nie tylko ekologiczną ( nie wytwarza żadnych szkodliwych związków), ale również ekonomiczną ze względu na niespotykaną wydajność energetyczną tj. stosunek energii napędowej potrzebnej do wytworzonej energii cieplnej. W systemach z pompą ciepła wydajność wynosi od 4 do 8 co oznacza, że uzyskujemy średnio 500% darmowego ciepła! Żadne inne medium cieplne nie ma wydajności powyżej 100%. W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego tj. proces pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej i przekazywania go do źródła o temperaturze wyższej. A zatem pompa ciepła jest urządzeniem, które przekształca wykonaną na jego korzyść pracę w ciepło. Ponieważ stosunek ciepła przejętego z otoczenia do ciepłą powstającego z przekształcenia pracy napędowej  jest tym większy, im temperatura dolnego źródła bliższa jest temperaturze górnego źródła. Dlatego przy instalacjach z pompą ciepła należy stosować ogrzewanie niskotemperaturowe-podłogowe. W konstrukcjach pomp ciepła wykorzystuje się dwa zjawiska fizyczne: 

• temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia,

• podczas odparowywania cieczy ciepło jest pobierane, a podczas skraplania pary ta sama ilość jest oddawana.

rys. 9 Przedstawia sposób wykorzystania energii Ziemi

Jeżeli zatem doprowadzi się do parowania cieczy przy niskiej temperaturze, to pobiera ona poprzez specjalne wymienniki ciepło z otoczenia. Sprężając parę, powoduje się wzrost jej temperatury, następnie parę rozpręża się wywołując jej skraplanie i oddawanie ciepła do instalacji c.o. i c.w.u. .

 

Ciepło może być pobierane z:

  WODY

a)       powierzchniowej (rzeki, jeziora, sztuczne zbiorniki)

2. gruntowej: ma przeważnie przez cały rok temperaturę w granicach +8 do +10 C.

Koniecznym jest budowanie studni do pobierania i odprowadzania oziębionej wody po oddaniu ciepła w pompie.

c)       ścieków: mają ograniczone zastosowanie ze względu na stopień zanieczyszczenia powietrza z otoczenia.

      

  GRUNTU

 

Grunt jest dobrym akumulatorem ciepła, ponieważ na całej powierzchni pochłania energię słoneczną oraz przejmuje energię cieplną za pomocą konwekcji i deszczu. Dopływ ciepła następuje z górnej powierzchni gruntu i w bardzo znikomej części z jego głębi. Następuje więc samoregulacja cieplna gruntu. Pobór energii przez pompę ciepła następuje drogą pośrednią, przez zakopanie w ziemi kolektory gruntowe wykonane najczęściej z rur polietylenowych, wewnątrz przepływa roztwór o obniżonej temperaturze krzepnięcia, przekazujący ciepło z gruntu do wymiennika płytowego (parownika) gdzie jest ono przejmowane przez parujący czynnik chłodniczy. W niektórych przypadkach (szczególnie przy mniejszej wydajności pomp), stosuje się system bezpośredniego odbierania ciepła przez czynnik parujący wewnątrz rur parownika zakopanych bezpośrednio w gruncie.  Decydujące znaczenie odnośnie ilości zbieranego ciepła ma rodzaj gruntu, jako współczynnik przewodzenia ciepła i pojemność cieplna (ciepło właściwe). Grunt wilgotny gliniasty jest korzystniejszy niż kamienisty lub suchy piasek. Kolektory odbierające mogą być wykonane jako poziome (zakopane na głębokości 1-2 m.) lub pionowo rozmieszczone sondy na głębokości 20-150m.Temperatura gruntu na głębokości około 1,5m. Jest funkcją temperatury zewnętrznej na powierzchni oraz pory roku. W warunkach klimatu polskiego waha się od około + 14 C w sierpniu do około + 5 C w lutym. Dla gruntu z odbiorem ciepła (przez wymienniki), temperatura ta obniża się i wynosi odpowiednio od około +12 C do około - 4 C. Średni pobór energii cieplnej w zimie wynosi około 20-50 W z 1 m² powierzchni gruntu w zależności od przewodnictwa ciepła przez podłoże.

 

W dużym uproszczeniu każda pompa składa się z następujących elementów

1. Parownik, w którym w niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu ciepło za pomocą wymiennika cieplnego jest pobierane z otoczenia- przez odparowującą ciecz krążącą w wymienniku..

2. Sprężarka podnosi ciśnienie odparowanej cieczy,  przy czym równoczesnym  wzroście temperatury poprzez zamianę pracy w ciepło.

3. Skraplacz, w którym w wyniku różnicy temperatur pomiędzy parą, będącą nośnikiem ciepła, a otoczeniem ciepło jest oddawane poprzez skraplaną parę.

4. Urządzenie rozprężne (zawór dławiący)  znajduje się pomiędzy skraplaczem a parownikiem i odpowiedzialne jest za wtłaczanie do części niskociśnieniowej taka ilość chłodnej cieczy, jaka nadąży odparować.

Elektrownie wodne

Główna korzyść wynikająca ze stosowania elektrowni wodnych polega na zaoszczędzeniu określonej ilości paliwa kopalnego, wraz ze wszystkimi pozytywnymi skutkami tego faktu, a więc uniknięciem kosztownego i niebezpiecznego wydobycia kopalin oraz ich transportu, a także zużycia energii na te cele. Ten sposób wytwarzania energii elektrycznej jest czysty ekologicznie i technicznie łatwiejszy. W konsekwencji mniejsze są koszty obsługi, większa niezawodność pracy elektrowni i w rezultacie niższe koszty eksploatacji. Wiąże się to z mniejszą awaryjnością elektrowni wodnych, ponieważ proces technologiczny jest tu prostszy niż np. w elektrowniach cieplnych.

Proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach wodnych jest traktowany jako odnawialny, tzn. oparty na potencjale energetycznym, który samoczynnie ulega odtworzeniu. W przyszłości zapewne ilość opadów będzie można korzystnie regulować, gdyż już obecnie uzyskano pomyślne rezultaty w sztucznym wywoływaniu deszczu z chmur za pomocą środków chemicznych. Jest to istotne z tego względu, że w sposób naturalny ok. 90% wilgoci przemieszcza się tylko nad suchymi terenami w postaci chmur i wraca do oceanu, nie zasilając rzek.

Odnawialność zasobów wodnych jest jednak względna jeśli chodzi o elektrownie zbiornikowe. Określone skutki środowiskowe występują już w czasie wznoszenia budowli hydrotechnicznych, a mianowicie hałas i zanieczyszczenia w trakcie budowy. Spiętrzenie wody w zbiorniku może zatopić osiedla i tereny rolnicze, powodując konieczność przesiedleń ludności, może również podtopić tereny osiedlowe, czyniąc je niezdatnymi do użytku. Powstanie zbiornika wodnego przerywa ponadto dotychczasową sieć drogową, powodując konieczność jej modyfikacji. Budowa zapór prowadzi do zmiany stosunków wodnych i intensywności zasilania wodą obszarów przyzbiornikowych, a to z kolei wpływa na warunki przyrodnicze, a więc życia fauny i flory. Może ona mieć ujemny wpływ na żyzność gleb w obszarze nadrzecznym i na lokalne warunki klimatyczne, powodując powstawanie mgieł, zapór lodowych na stopniach wodnych itp. Przegrodzenie koryta rzeki często prowadzi do zamulenia zbiornika i erozji brzegów, pogorszenia warunków samooczyszczania się płynących wód i zmniejszenia zwartości w nich tlenu, utrudnienia swobodnego ruchu ryb oraz uszkodzenia ekosystemu przybrzeżnego w wyniku budowy urządzeń hydrotechnicznych prowadzącej do zatopienia wysp, likwidacji wielokorytowości i starorzeczy. Mogą wreszcie wystąpić skutki wtórne w postaci niebezpieczeństwa pękania stopni wodnych i katastrof wodnych, a w niektórych rejonach także zagrożenia sejsmicznego w rezultacie zmian naprężeń skorupy ziemskiej.

Zmiany klimatyczne przejawiają się w mikroklimacie: ogólnym spadkiem temperatur, ochłodzeniem w okresie wiosenno-letnim i ociepleniem w okresie jesienno-zimowym, zwiększonymi opadami i zachmurzeniem oraz prędkością wiatru (mniejsze tarcie między powietrzem przepływającym nad powierzchnią wody niż nad lądem) itp. Skala oddziaływania elektrowni wodnej na środowisko w konkretnym przypadku zależy oczywiście od wielkości obiektu. Skłania to więc do inwestowania w małe elektrownie wodne (MEW).

Elektrownie satelitarne

Innym rozwiązaniem umożliwiającym szersze spożytkowanie energii słonecznej jest rozwijanie elektrowni satelitarnych. Elektrownie słoneczne umieszczone na satelitach geostacjonarnych wykorzystują fakt, że promieniowanie słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej energii niż na Ziemi. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię, gdzie z dużą wydajnością bylaby zamieniana na energię elektryczną. W ten sposób można uniknąć: osłabiającego promieniowanie płaszcza atmosfery, wpływu zjawisk pogodowych, oraz występowania dnia i nocy przerywających produkcję energii.

Stan nieważkości na orbicie okołoziemskiej stwarza możliwość montowania w kosmosie konstrukcji gigantycznych rozmiarów, przy użyciu mniejszych niż na Ziemi ilości materiałów.

Wysyłanie wiązki fal ultrakrótkich wielkiej mocy w kierunku anteny odbiorczej umieszczonej na Ziemi odbywać się będzie za pomocą anteny nadawczej, która mieć będzie średnicę 1 km, antena odbiorcza zaś na Ziemi będzie elipsą (10-13 km). Uzyskiwana moc jednostkowa anteny naziemnej rzędu 23 MW/cm² jest czterokrotnie mniejsza od mocy promieniowania słonecznego. Chodzi o to, aby nie stwarzać zagrożenia dla organizmów znajdujących się w wiązce mikrofal.

Przed rozpoczęciem budowy elektrowni satelitarnych należy zbadać przechodzenie wiązki mikrofal przez jonosferę, ewentualne zakłócenia fal radiowych i wiele innych. Stosowane będą specjalne systemy zabezpieczeń sprawiające, że wiązka mikrofal z satelity ulegnie rozproszeniu w przypadku odchylenia od kierunku wyznaczonego przez wzorcowy strumień promieniowania wysyłany ze stacji odbiorczej na Ziemi. Kontrowersje budzi także fakt, że do wyniesienia na orbitę materiałów potrzebnych do budowy elektrowni słonecznej niezbędna jest duża ilość startów promów kosmicznych powodujących skażenie atmosfery.

Wszystko to są technologie przyszłego stulecia. Uruchomienie pierwszej takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r.

rys. 11 Schemat elektrowni satelitarnej

Niektórzy naukowcy uważają słoneczne elektrownie kosmiczne za jedyną możliwość w przyszłości, ponieważ pozwoli na uzupełnienie deficytu energii w ciągu najbliższych 20 lat.

Tak więc coraz bardziej urzeczywistnia się, uparcie powracająca idea wykorzystania wielkich ilości energii, tak hojnie i rozrzutnie oferowanych nam przez Słońce od miliarda lat.

Rozdział III

Podsumowanie

W podsumowaniu naszej pracy, chcemy jeszcze raz przytoczyć w kilku zdaniach korzyści wynikające z możliwości wykorzystywania niekonwencjonalnego źródła energii wiatrowej, którą wybraliśmy za nowoczesną w dzisiejszych czasach.

Pierwszym aspektem, który jest za energią wiatrową to jest ekologiczność:

Na aspekty ekologiczne trzeba patrzeć globalnie, gdyż zanieczyszczenia atmosfery nie uznają żadnych granic. Dla przykładu emisje uniknięte poprzez wykorzystanie energii wiatru do produkcji 1 TWh energii elektrycznej to około:
5 500     ton SO₂
4 222     ton NO_x
700 000 ton CO₂
49 000   ton pyłów i żużlu

Tak jak widać powyżej wszystko przemawia za pozyskiwaniem energii z wiejącego wiatru, ale to nie wszystko. Przy omawianiu zalet energii elektrycznej uzyskiwanej z wiatru należy pamiętać o najważniejszej zalecie, o nie wyczerpalności tego źródła. Przy obecnej eksploatacji złóż energii pierwotnej starczą one jeszcze na tyle lat co przedstawiono na rysunku poniżej:

Często zarzuca się elektrowniom wiatrowym, że  szpecą krajobraz, wytwarzają podczas pracy hałas i mogą spowodować nowe nieznane dotąd zagrożenia ekologiczne. Ale są to wady nie mające dużego znaczenia, gdyż można budować elektrownie wiatrowe na obszarach o dużym potencjale energetycznym i małym zaludnieniu. Energia wiatru jest niezależna, powszechnie dostępna i uniezależniona od wymian handlowych między krajami.

Bibliografia

J. Bogdanienko, Odnawialne źródła energii, PWN W-wa 1989.

J. Kucowski, D. Laudyn, M. Przekwas, Energetyka a ochrona środowiska, W-wa 1994.

Cz. Mejro, J. Troszkiewicz, B. Wierzbicka, Energetyka dziś i jutro, W-wa 1986.

G. Wiśniewski, Kolektory słoneczne, poradnik wykorzystania energii słonecznej.

A. Machalski, Elektrownie słoneczne wczoraj i dziś, "Młody Technik" 4/87.

K. Mikulski, Monitoring oświetlenia słonecznego, "Zielone Brygady" 8/96 Kraków.

Spis adresów witryn internetowych wykorzystanych w pracy

http://priv2.onet.pl/zie/premol/historia.htm
http://www.zaber.com.pl/
http://www.sunflowerfarm.com.pl
http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
http://www.free.polbox.pl/s/scalak/
http://www.solaris.polbox.pl
http://gemini.most.org.pl/zb/bzb/27/energia1.htm
http://www.vestas.dk
http://www.nordex.de
http://www.windpower.dk
http://www.ewea.org
http://www.awea.org
http://www.bwea.com
http://www.windmission.dk
http://www.sandia.gov

http://www.zb.eco.pl/bzb/27/energia1.htm

3

Projekt wykonali:

Paweł Gocyła

Jacek Karcz

---