Agnieszka Kaczmarek
POLITECHNIKA GDAC
SKA
WYDZIAA
ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ELEKTROENERGETYKI
ZESPÓA
ELEKTROWNI I GOSPODARKI ENERGETYCZNEJ
TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
SKRYPT DO LABORATORIUM
y
RÓDA
A ENERGII
GDAC
SK 2008
2.y
RÓDA
A ENERGII
2.1 Wprowadzenie
Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła to główne cele polskie sektora energetycznego.
Proces pozyskiwania energii polega na łańcuchu przemian energii począwszy od pierwszego
ogniwa którym są z
ródła energii.
2.2. Podział z
ródeł energii
y
ródła energii dzielimy na odnawialne i nieodnawialne, co przedstawiono na rysunku poni\
ej.
Organiczne paliwa pierwotne nale\
ą do grupy najintensywniej eksploatowanych surowców
energetycznych zwłaszcza węgiel kamienny, brunatny czy ropa naftowa oraz gaz ziemny.
Wraz ze wzrostem proekologicznej świadomości społeczeństwa jak równie\
dzięki
mechanizmom określonym przez Unię Europejską coraz większym zainteresowaniem cieszą
się paliwa odnawialne, zwłaszcza wykorzystujące energii wiatru, słońca czy cieków wód.
Energetyczne zastosowanie odnawialnych z
ródeł energii umo\
liwia ograniczenie
negatywnego wpływu energetyki na środowisko naturalne poprzez obni\
enie poziomu emisji
substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego tj. emisje CO2 czy pyły, jak równie\

oszczędność paliwa pierwotnego krajowych zasobów naturalnych
Rys1.Podzał z
ródeł energii pierwotnej.
2.3. Charakterystyka z
ródeł energii
2.3.1. Odnawialne z
ródła energii (OZE)
Energetyczne wykorzystanie z
ródeł odnawialnych znane jest od zarania wieków. Człowiek od
czasu opanowania ognia wykorzystywał go od ogrzewania poprzez spalanie opału (biomasy).
PrzyglÄ…dajÄ…c siÄ™ konstrukcjom wodnym i wiatrakom wykorzystywanym ju\
w średniowieczu
czy wcześniej za czasów staro\
ytnego Rzymu mo\
na dostrzec jak energia wiatru i wody
napędzała urządzenia pomoce w codziennej pracy. Zielona energia wytwarzana
z odnawialnych z
ródeł energii nie dewastuje środowiska naturalnego, a umo\
liwia
zaspokojenie zapotrzebowania na energiÄ™ wprawdzie na razie w skali lokalnej, lecz mo\
e
w przyszłości dzięki wsparciu kompleksowego systemu wdra\
ania OZE procentowy udziału
w wytwarzaniu krajowej energii wzrośnie.
Biomasa
Biomasa to substancje organiczne pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, jak równie\

odpady ulegające biodegradacji. Wśród rodzajów wykorzystywanej energetycznie biomasy
mo\
na wyró\
nić:
1. drewno i odpady z przerobu drewna (drewno kawałkowe, trociny, zrębki, kora)
2. rośliny pochodzące z upraw energetycznych (rośliny drzewiaste szybko rosnące np.
wierzby, topole, eukaliptusy; wieloletnie byliny dwuliścienne np. rdesty, topinambur;
trawy wieloletnie np. trzcina pospolita czy miskanty)
3. produkty rolnicze oraz odpady organiczne z rolnictwa (słoma, siano, buraki cukrowe,
trzcina cukrowa, ziemniaki, rzepak, pozostałości z przerobu owoców)
4. frakcje organiczne odpadów komunalnych oraz komunalnych osadów ściekowych
5. niektóre odpady przemysłowe np. z przemysłu papierniczego.
Wśród roślin uprawianych na cele energetyczne w Polsce znajduje się m.in. wierzba wiciowa,
ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty, ró\
a wielokwiatowa, rdest sachaliński,
miskanty. Lista gatunków ulega wydłu\
aniu wraz z rosnÄ…cym zainteresowaniem biomasÄ… .
Rośliny wykorzystywane energetycznie są bogate w związki ligninowe i celulozowe. Ponadto
cechujÄ… siÄ™ du\
ym przyrostem rocznym, względnie du\
ą wartością opałową, znaczną
odpornością na choroby i szkodniki jak równie\
stosunkowo niewielkimi wymaganiami
glebowymi.
Biogaz, gaz wysypiskowy będący mieszaniną gazów powstających w wyniku fermentacji
metanowej równie\
zaliczany jest do biomasy. Biogaz składa się głównie z metanu,
dwutlenku węgla oraz nieznacznych ilości innych gazów tj. siarkowodór, amoniak, azot,
tlenek węgla, tlen, wodór i tiola.
Mimo ekologicznego uzasadnienia biomasa nie stanowi głównego surowca
wykorzystywanego w naszym kraju. Trudności w bezpośrednim zastosowaniu jako paliwa
wynikają m.in. z niewłaściwego stanu skupienia, niewygodnych rozmiarów, du\
ej
niejednorodności składu, małej gęstością nasypowej i stosunkowo niskiej wartości opałowej,
a przede wszystkim ze względu na du\
ą wilgotność od której zale\
y kaloryczność paliwa.
Dlatego te\
dokonuje się przetworzenia odpadów roślinnych na biopaliwa poprzez suszenie,
rozdrobnienie, granulowanie oraz brykietowanie. Po wysuszeniu wartość opałowa biomasy
jest zbli\
ona do przeciętnego węgla kamiennego co pokazuje tabela nr 2.
Tabela nr 2. właściwości biomasy [wg IICIOP PK]
paliwo Wartość energetyczna [MJ/kg] Zawartość wilgoci [%]
Drewno kawałkowe 11.00-12.0 20- 30
Zrębki 6.0-16.0 20-60
Rośliny energetyczne 13.0-21.5 -
SÅ‚oma 14.4-15.8 10-20
Osad ściekowy 11.0 -
Węgiel 29.8-32.7 5-20
Biomasa stała najczęściej jest spalana w postaci brykietu lub pellet. Brykiet jest
paliwem opałowym wykonanym z mieszanki palnych składników tj. : trociny, torf, miał,
węgiel drzewny, słomy itp. Proces wytwarzania brykietu polega na sprasowaniu pod wysokim
ciśnieniem, bez dodatku substancji klejących rozdrobnionych odpadów drzewnych i składa
się z następujących faz : przygotowanie surowca, suszenie, rozdrobnienie i przygotowanie
jednorodnej frakcji odpadu, brykietowanie bez dodatków substancji klejących,
kondycjonowanie (czyli stabilizacja termiczna i wytrzymałościowa kruchego produktu),
pakowanie i składowanie.
O kształcie brykietu decyduje rodzaj prasy brykietującej, zastosowanej do jego produkcji.
Wyró\
nia się następujące rodzaje brykietu:
" brykiet w kształcie długiego na kilka-kilkanaście cm walca o średnicy 50 lub 53 mm
i nieregularnej podstawie, produkowany w brykieciarkach mechanicznych,
" brykiet w kształcie długiego na kilka-kilkanaście cm walca o średnicy 30-80 mm
i regularnej bryle, wytwarzany w brykieciarkach hydraulicznych,
" brykiet kominkowy w kształcie ośmiokątnego walca z otworem w środku,
" brykiet w kształcie kostki  najczęściej stosowany w kominkach
Do produkcji brykietu potrzebne są znaczne ilości wykorzystywanego surowca ze
stosunkowo niewielkiego obszaru. Powy\
ej odległości 100 km, produkcja przestaje być
opłacalna, dlatego wytwarzanie brykietu najczęściej ma miejsce blisko ośrodków przemysłu
drzewnego oraz meblarskiego jak równie\
du\
ych kompleksów leśnych.
Do największych zalet brykietu nale\
y wysoka wartość opałowa, du\
a gęstość, mała
wilgotność, niska zawartość popiołu, niska emisja substancji szkodliwych w procesie spalania
oraz szerokie spektrum zastosowań.
Pellet natomiast jest paliwem opałowym o 100 % składzie drzewa w kształcie cylindrycznych
granulek wykonanych z odpadów drzewnych pochodzących z tartaków, lasów i zakładów
obróbki drewna. Pellety majÄ… kilka centymetrów dÅ‚ugoÅ›ci i (6 ÷ 25) mm Å›rednicy. Produkcja
pellet składa się z trzech faz: suszenia, mielenia i prasowania. Prasowanie następuje przy
u\
yciu du\
ych sił dzięki czemu w niewielkich rozmiarów granulacie zostają zawarte du\
e
ilości surowca. Produkcja pellet jest dro\
sza i znacznie bardziej skomplikowana ni\
brykietu.
Pellety charakteryzują się wysoką wartością opałową (2,1 kg pellet zastępuje 1litr oleju
opałowego, zaś wartość energetyczna dobrej jakości granulatu stanowi ponad 70 % wartości
energetycznej najlepszych gatunków węgla), łatwością i niskimi kosztami magazynowania
i transportu, odpornością na samozapłon, zawilgocenie i gnicie, niską zawartością popiołu,
zerowym bilansem emisji dwutlenku węgla i niską emisją dwutlenku siarki podczas spalania..
Woda
Energię wód wykorzystuje się do celów
energetycznych korzystajÄ…c z energii
kinetycznej zawartej w spadach rzek
i ciekach wodnych, jak równie\
energii wód
spiętrzonych w zbiornikach ograniczonych
np. zaporami. Hydroenergia jest przyjazna
środowisku, jednak przydatna energetycznie
tylko na obszarach o znacznych opadach
atmosferycznych i odpowiednim ukształto -
waniu terenu. Polska ze względu na nizinne
ukształtowanie, du\
ą przepuszczalność
gruntów jak równie\
nieznaczne opady nie
nale\
y do czołówki krajów wytwarzających fot. Zbiornik górny w Elektrowni śar-Porąbka
energiÄ™ ze z
ródeł wodnych.
Większość krajowych zasobów zlokalizowana jest w dorzeczu rzeki Wisły, jak podaje Polska
Izba Gospodarcza Energii Odnawialnej ok. 68%. Du\
Ä… wagÄ™ w krajowej energetyce wodnej
ma równie\
rzeka Odra. W Polsce szeroko rozpowszechniona jest mała i mikro energetyka
wodna (MEW) o znaczeniu lokalnym nie dewastujÄ…ca naturalnych dolin rzecznych i nie
zakłócająca krajobrazu terenu.
Energia wód to nie tylko hydroenergia ale równie\
energia meremotoryczna, czyli energia
pływów, fal i prądów morskich, będąca wynikiem działania grawitacyjnego Księ\
yca
i Słońca. W porównaniu z rzekami pozyskiwanie energii mórz i oceanów jest znacznie
bardziej skomplikowane technologicznie.
Wiatr
Wiatr jest ruchem powietrza wywołanym najczęściej ró\
nicą ciśnienia atmosferycznego. Jest
to ruch bardzo nieregularny mogący przybierać postać delikatnego zefirku a innym razem
groz
nego \
ywiołu niszczącego wszystko na swojej drodze. Wiatr wykorzystywany
energetycznie cechuje się prędkością w zakresie (5 - 25)m/s. Powy\
ej tych prędkości wyłącza
się turbiny wiatraków ze względu na mo\
liwość wystąpienia uszkodzeń mechanicznych,
poni\
ej podanego poziomu wytwarzanie jest nieopłacalne z ekonomicznego punktu widzenia.
Tereny o znacznym krajowym potencjale wiatrowym to zwłaszcza obszary o znacznej
wysokości nad poziomem morza, gdzie nie ma przeszkód w postaci specyficznego
ukształtowania terenu oraz niezalesione wzgórza i wzniesienia Polski południowej
Zgodne z powy\
szym opisem okolice takie znajdujÄ… siÄ™ w Sudetach, Beskidzie ÅšlÄ…skimi
śywieckim, w Bieszczadach, na Pogórzu Dynowskim, Garbie Lubawskim, w okolicach
Kielc.
Słońce
Energia Słońca od początku istnienia naszej planetu jest wykorzystywana przez człowieka.
Pod względem energetycznym stanowi czyste i w pełni naturalne z
ródło energii pierwotnej.
W krajowych realiach energia słoneczna wykorzystywana jest raczej lokalnie do zaspokajanie
potrzeb na ciepło i ciepłą wodę. Przy pomocy samego Słońca mo\
na by zaspokoić światowe
zapotrzebowanie na energię  ok. 10 000 GW[wg Laudyn]. Aby wyprodukować energię
załó\
my dla przykładu na poziomie mocy 400 MW nale\
ałoby zbudować ogniwa słoneczne
o powierzchni 400 km2 w najbardziej nasłonecznionym terenie  Kalifornii.
Znaczne gabaryty ogniw, nowe i drogie jeszcze technologie sÄ… przyczynÄ… braku instalacji
słonecznych wielkich mocy.
Polską Kalifornią pod względem nasłonecznienie jest południe Lubelszczyzny. Mniejsze
natÄ™\
enie promieniowania w skali roku obserwuje siÄ™ na terenie Polski Centralnej, gdzie
wynosi on (1022  1048) kWh/m2 . Krajowe zasoby energii słonecznej są nierównomierne
pod względem czasu występowania i skupiają się głównie na okres wiosenno  letni (od
kwietnia do września).
Geotermia
Jest energią pozyskiwaną z wnętrza Ziemi: skał, gruntów, jak równie\
por i szczelin skalnych.
Szacowany przez Polska Izbę Gospodarczą Energii Odnawialnej krajowy potencjał
geotermalny to prawie 80 % terytorium Polski, które pokrywają z
ródła geotermalne. Niestety
sÄ… to z
ródła niskotemepraturowe o temperaturach od (25 do 150)0 C rozmieszczone
równomiernie na terenie naszego kraju. Wydobycie energii geotermalnej jest dość trudne
i kosztowne. Aktualnie w Polsce pracują 4 ciepłownie wykorzystujące geotermię: Bańska
Ni\
na, Pyrzyce, Mszczonów oraz Starogard Szczeciński. W wykorzystaniu energii
geotermalnej na szerokÄ… skalÄ™ przoduje Islandia.
 2.3.2. Nieodnawialne z
ródła energii
Nieodnawialne z
ródła energii to z
ródła których zło\
a powstają w bardzo długim okresie
dziejów, są to przede wszystkim paliwa kopalne tj.: uran, węgiel kamienny, węgiel brunatny,
torf, ropa naftowa czy gaz ziemny. PodsumowujÄ…c, sÄ… to organiczne paliwa pierwotne oraz
jÄ…drowe i termojÄ…drowe.
Nieodnawialne z
ródła energii stanowiły do niedawna podstawowe z
ródła energii
wykorzystywane przez sektor energetyczny, przemysłowy, transport czy sektor komunalny.
Ze względu na szybkie wyczerpywanie się złó\
nieodnawialnych alternatywÄ… stajÄ… siÄ™
odnawialne z
ródła energii, uwa\
ane za mniej inwazyjne dla środowiska naturalnego.
Paliwo jÄ…drowe
Wykorzystywanie paliwa jÄ…drowego nadal wzbudza wiele emocji mimo, \
e w wielu krajach
jest to paliwo znacznie rozpowszechnione (np. Niemcy). EnergiÄ™ jÄ…drowÄ… wykorzystywanÄ…
energetycznie uzyskuje się w wyniku przemian jądrowych, głównie w wyniku rozszczepiania
jąder atomowych pierwiastków cię\
kich takich jak uran - 235, jak równie\
, choć w znacznie
mniejszym stopniu w wyniku reakcji rozpadów promieniotwórczych.
Uran jest pierwiastkiem spotkanym w postaci związków chemicznych występujących m.in.
w skałach, glebie, wodzie, roślina, zwierzętach a nawet ciele ludzkim, jak równie\
w postaci
minerałów tj.: blenda uranowa, uranit czy karnotyt. Największe na świecie zło\
a rud uranu
występują w Kongo, Kanadzie, Czechach i Turkiestanie. Krajowe zło\
a uranu znajdujÄ… siÄ™
w Sudetach i Górach Świętokrzyskich. Aktualnie są to zło\
a ju\
nieeksploatowane.
Innym pierwiastkiem wykorzystywanym do pozyskiwanie energii jÄ…drowej jest tor,
występujący na ziemi w postaci naturalniej jako minerał o nazwie monacyt.
Węgiel kamienny
Jest skałą osadowa powstałą w okresie karbonu (paleozoik) ze szczątków roślinnych .
Stanowi podstawowe paliwo wykorzystywane w gospodarce. Największe światowe zło\
a
węgla kamiennego występują powy\
ej 300
północnej szerokości geograficznej, co oznacza,
\
e wśród krajów o znacznych zasobach węgla
kamiennego są Stany Zjednoczone, kraje byłego
ZwiÄ…zku Radzieckiego oraz Chiny. W Polsce
wydobywany jest głównie na Małopolsce, Śląsku
czy Lubelszczyz
nie. Wartość opałowa jest cechą
charakteryzująca węgiel i stanowi
o jego jakości. Wielkość ta zale\
y od zawartości
popiołu, siarki oraz wilgotności i waha się
w przedziale (16,7 ÷ 29,3)MJ/kg.
fot. Zapas węgla kamiennego w jednej z polskich Elektrowni
Węgiel brunatny
Podobnie jak węgiel kamienny jest skałą osadową powstałą z organicznych szczątków
roślinnych z tym \
e, uformowanÄ… w erze kenozoicznej. Wykorzystywany jest w pobli\
u
miejsca wydobycia ze względu na brak mo\
liwości transportu surowca spowodowany
znaczną zawartością wody i części palnych. Węgiel kamienny mimo niskiej wartości
opaÅ‚owej - ( 7 ÷ 21)MJ/kg jest czÄ™sto wykorzystywany w energetyce, a to za sprawÄ… niskich
kosztów wydobycia w porównaniu z węglem kamiennym. Największe zasoby światowe
skoncentrowane są w Europie Środkowej oraz na terenie byłego ZSRR. Krajowe zło\
a
skoncentrowane są w Zagłębiu Konińskim, Turoszowkskim, Bełchatowskim oraz Sieniawie
Lubuskiej.
Gaz ziemny
Jest paliwem kopalnym, zbierającym się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających
przestrzenie. ZÅ‚o\
a gazu mogą występować samodzielnie bądz
w pobli\
u ropy naftowej czy
węgla kamiennego. W zale\
ności od miejsca wydobycia, gaz ziemny ma ró\
ny skład, jednak
przewa\
ającą ilość stanowi metan, zaś oprócz niego spotykane są nieznaczne ilości etanu,
propanu, butanu oraz innych związków mineralnych. Największe zło\
a gazu ziemnego
występują na terenach byłego ZSRR i na Bliskim Wschód.
Gaz ziemny ma szerokie zastosowanie jako paliwo wykorzystywane do wytwarzania energii
elektrycznej zarówno do celów komunalnych jak i technologicznych. Coraz częściej
wykorzystywany jest do produkcji energii i ciepła w skojarzeniu jak równie\
układów
trigeneracyjnych tj. produkujących energię elektryczną i cieplną oraz chłód do klimatyzacji.
Ropa naftowa
To organiczne paliwo pierwotne występujące w postaci ciekłej. Zło\
a ropy naftowej
występują w głębi ziemi w porowatych skałach. Hipoteza głosi, \
e ropa powstawała
z mieszaniny resztek roślinnych i osadów mineralnych na znacznej głębokości pod
powierzchnią wód. Kształtowała się w temperaturze (60  150)0 C z łupków butomicznych,
zajmując wolne przestrzenie w strukturze geologicznej stąd jej obecność w porowatych
skałach. Największe odkryte zło\
a występują na Bliskim Wschodzie. Światowa czołówka
krajów o największym wydobyciu ropy to: Arabia Saudyjska, Rosja i USA. W Polsce ropę
wydobywa się na Bałtyku w okolicach przylądku Rozewie, w Barnówku, jak równie\

w Zagłębiu Karpackim i Pomorskim.
2.4. Zagadnienia do samodzielnego opracowania w ramach tematyki z
ródła
energii pierwotnej.
1. Jaki i dlaczego surowiec energetyczny jest najintensywniej eksploatowany w krajowej
energetyce?
2. Dlaczego Odnawialne y
ródła Energii cieszą się coraz większym zainteresowaniem?
3. Wymień gatunki roślin zaliczane do biomasy?
4. Czy istnieje w Polsce elektrownia systemowa opalana wyłącznie biomasą?
5. Jaka rzeka i dlaczego ma strategiczne znaczenie dla polskiej energetyki wodnej?
6. Czy krajowy potencjał energii słonecznej stwarza szansę zaspokajanie lokalnego
zapotrzebowania na energiÄ™ elektrycznÄ…?
7. W jaki sposób najczęściej wykorzystuje się energię geotermalną?
8. Jaka jest ró\
nica między węglem kamiennym i brunatnym z energetycznego punktu
widzenia?