2. POMPY CIEPŁA I ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

2.1 OZE - zagadnienia ogólne

Analiza globalna zasobów energetycznych na kuli ziemskiej zmusza nas do spojrzenia na Ziemię jak na kosmiczny obiekt energetyczny. Dla obiektu tego bilans energii jest równy zeru, tzn. Ziemia tyle samo energii pochłania, co wypromieniowuje w kosmos. Ta równowaga termodynamiczna Ziemi zachodzi przy takiej średniorocznej temperaturze na powierzchni planety, że możliwe jest na niej życie w całym bogactwie swej różnorodności. Wartość średniorocznej temperatury jest z kolei silnie uzależniona od obiegu węgla pierwiastkowego w Przyrodzie. Intensywność i sposób tego obiegu wyznacza stosunek ilości węgla obecnego w atmosferze ziemskiej, w skorupie ziemskiej i na powierzchni Ziemi pod postacią biomasy.

W skorupie ziemskiej, w warstwie o grubości 17 km, zawartość węgla wynosi 0,09% masy Ziemi. Skoncentrowane globalne zasoby węgla w postaci złóż są następujące:

• światowe zasoby gazu ziemnego ~ 400 mld ton

• światowe zasoby ropy naftowej ~ 100 mld ton

• światowe zasoby ciekłych węglowodorów
  w łupkach bitumicznych i piaskach ~ 870 mld ton

• światowe zasoby węgla kamiennego ~ 650 mld ton

• światowe zasoby węgla brunatnego ~ 250 mld ton

• ŚWIATOWE ZASOBY PALIW KOPALNYCH RAZEM ~ 2 270 mld ton

Poza tym woda morska zawiera ok. 100 razy więcej węgla, niż jest go we wszystkich organizmach żywych na Ziemi. Rośliny przyswajają rocznie dzięki fotosyntezie około 2*10¹¹ ton węgla. W atmosferze ziemskiej w obecnej epoce geologicznej, tylko 0,03% objętościowo to dwutlenek węgla CO₂.

Ale i tak oznacza to, że węgla w powietrzu jest dwukrotnie więcej niż w organizmach żywych. Naruszenie tych stosunków bądź przez siły Natury (oddziaływanie Kosmosu, energia wulkanów) bądź w wyniku gospodarczej działalności człowieka, prowadzi do zmian klimatycznych i zmiany warunków przyrodniczych życia człowieka.

Przyroda w odwiecznym procesie obiegu węgla pierwiastkowego złożyła w skorupie ziemskiej depozyt węglowodorów, będących dla nas kopalnymi (konwencjonalnymi) surowcami energetycznymi, w ilości łącznej 2270 mld ton. To bardzo mało biorąc

uwagę fakt, że powstawał on przez 50 milionów lat. Gdyby przykładowo depozyt ten był dwukrotnie większy, nie istniałoby życie na Ziemi w obecnej formie. Tak więc, jak widać, Przyroda bardzo ostrożnie postępuje z węglem, w przeciwieństwie do Człowieka.
W przeciągu 100 lat eksploatacji złóż kopalnych nośników energii zmniejszyły się one o połowę. Szacuje się, że starczy ich na następne 100 lat.

Dużymi zasobami węgla w Przyrodzie dysponują również wysypiska odpadów komunalnych i niektórych przemysłowych deponujących materię odpadową. Np. odpady komunalne z chemicznego punktu widzenia w około 70% wagowo zbudowane są z węglowodorów zbudowanych na bazie węgla.

Bardzo istotną rolę w procesie obiegu węgla spełnia biomasa. Biomasa wypełnia swoją rolę w Przyrodzie wykonując działania energetyczne w różny sposób :

• temperatura liści jest średnio o 2*C wyższa niż temperatura dolnej części łodygi. Biomasa to wielki generator ciepła na Ziemi.

• biomasa przyswaja węgiel pod postacią CO₂ z atmosfery ziemskiej,

obumarła biomasa przykrywa powierzchnię Ziemi ustalając jej warunki równowagi termodynamicznej,

PROMIENIOWANIE

KOSMICZNE

E N E R G I A I J E J P O S T A C I E

PROMIENIOWANIE SŁONECZNE

praźródło ziemskich naturalnych surowców energetycznych

Promieniowanie χ elektromagn.

Promieniowanie korpuskularne

PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE:

CIEPLNE I WIDZIALNE (fotosynteza)

ZASOBY ENERGETYCZNE KULI ZIEMSKIEJ

NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII

ALTERNATYWNE SUROWCE ENERGETYCZNE

NATURALNE (KOPALNE) SUROWCE ENERGETYCZNE

Pochodzące z oddziaływania słońca (Kosmosu) KSE
Konwencjonalne Surowce Energetyczne

pochodzące z działalności gospodarczej człowieka OSE
Odpadowe Surowce Energetyczne

Pochodzące z działania sił natury OZE
Odnawialne Źródła Energii

PIERWOTNE NIEWYCZERPALNE ŹRÓDŁO ENERGII: KOSMOS

ENERGIA ŚRODOWISKOWA

siła wiatru

Chemiczne surowce energetyczne ChSE - CO, H₂

węgiel kamienny

przepływająca lub falująca woda

różnice temperatur magazynów ciepła (geotermia)

odpady komunalne

węgiel brunatny

cieplne działanie słońca

fotowoltaiczne działanie słońca

niektóre odpady przemysłowe

niektóre odpady specjalne

gorące popioły

gorące spaliny

ropa naftowa

gaz ziemny

części roślin drewno odpadowe torf
pochodzące BIOMASA osady ściekowe drewno
z działalności uprawy celowe - rzepak
rolniczej

• obumarła biomasa podlega w warstwach powierzchniowych ziemi fermentacji tlenowej i beztlenowej zwracając tym samym atmosferze węgiel pod postacią CO₂ i CH₄,

• obumarła biomasa fermentując w warstwach powierzchniowych ziemi podwyższa ich temperaturę,

• obumarła biomasa deponuje w ziemi określoną ilość węgla.

Biorąc pod uwagę fakt rozmaitych funkcji, jakie wypełnia biomasa, nie wydaje się właściwe pozbywanie się całej ilości obumarłej biomasy poprzez spalanie.

Oprócz biomasy odpadowej powstałej w sposób naturalny w Przyrodzie deponowana jest biomasa będąca wynikiem konsumpcji i działalności gospodarczej człowieka. Np. na wysypiskach odpadów komunalnych około 37% wagowo to odpady biologiczne stanowiące biomasę. Dużymi zasobami biomasy dysponują także oczyszczalnie ścieków komunalnych i niektórych przemysłowych.

Energia promieniowania słonecznego, szczególnie promieniowania w zakresie widzialnym i promieniowania cieplnego, jest źródłem naturalnych, kopalnych surowców energetycznych powstałych na Ziemi w procesie fotosyntezy przed milionami lat oraz biomasy powstającej w rocznym cyklu wegetacji roślin. Wartość energetyczna biomasy jest 7,5 - krotnie większa niż wynosi zapotrzebowanie świata na energię.

Najbardziej aktualnym problemem ekologicznym współczesnego świata jest globalna sprzeczność między prognozą zapotrzebowania na wzrost zużycia energii w skali świata o 100% w latach 1995-2045, a koniecznością ograniczenia w tym czasie o połowę emisji gazów zatruwających środowisko. Przyrost ludności na świecie oraz dążenie wszystkich społeczności do wzrostu dobrobytu będą utrwalały tendencję do wzrostu zużycia energii. Z drugiej strony, zagrożenia ekologiczne Ziemi wymuszać będą działania na rzecz ograniczenia emisji gazów. Bez ograniczenia o połowę emisji gazów toksycznych i powodujących zmianę klimatu, poprawa równowagi ekologicznej w skali świata nie może nastąpić. Jeśli ta teza jest prawdziwa - a nikt nie jest w stanie tego sprawdzić poprzez laboratoryjną symulację - to ludzkość może się ocalić, albo przez niedopuszczenie do eksplozji konsumpcji energii, albo przez niewyobrażalnie szybki rozwój nowych technik i technologii produkcji. Jak dotychczas, tendencja do wzrostu konsumpcji energii i potrzeba ograniczenia emisji gazów są traktowane jako sprzeczność.

Niszczenie środowiska i zasobów naturalnych jest jednym z najpoważniejszych problemów współczesnego świata. Obserwuje się je w każdej skali - poczynając od naszego bezpośredniego otoczenia, a kończąc na kuli ziemskiej. Działalność człowieka wpływa ujemnie na środowisko poprzez :

• wyczerpywanie zasobów nieodnawialnych, takich jak surowce mineralne,

• nadmierne eksploatowanie zasobów odnawialnych, takich jak lasy, łowiska itp.,

• zanieczyszczenie naturalnych ekosystemów,

• degradowanie podstawowych dóbr, takich jak czyste powietrze, woda i gleba, między innymi poprzez zaniedbania w dziedzinie zagospodarowania odpadów.

Degradacja środowiska jest efektem niezależnych działań miliardów użytkowników zasobów środowiska. Przyczyny leżące u podłoża degradacji tkwią w przyczynach indywidualnych decyzji bazujących na :

• dostępnej informacji o środowiskowych skutkach korzystania z zasobów,

• preferencjach konsumentów,

• technologiach dostępnych producentom,

• stopie procentowej, za pomocą której dyskontuje się przyszłe efekty podejmowanych działań,

• prawach własności decydujących o rozkładzie zasobów,

• relacjach cenowych decydujących o rynkowej wartości posiadanych zasobów,

• kulturowych i prawnych ograniczeniach indywidualnych zachowań wyznaczających zakres możliwych działań.

Decyzje użytkowników środowiska mogą być racjonalne z prywatnego punktu widzenia, niemniej okazują się destruktywne z punktu widzenia społecznego - naruszają bowiem interesy zarówno obecnego, jak i przyszłych pokoleń. Przemiany w zakresie świadomości stworzyły ideę rozwoju zrównoważonego, który musi spełniać trzy zasady :

• ekonomiczna zasadność,

• przyjazność dla środowiska,

• akceptowalność społeczna.

W dziedzinie ekologii racjonalna gospodarka odpadami, racjonalizacja zużycia energii oraz wprowadzanie odnawialnych źródeł energii - pozwalają spełniać powyższe zasady rozwoju zrównoważonego.

Najpoważniejszym źródłem energii odnawialnej jest biomasa.

Z energii biomasy korzystamy w niewielkim stopniu. Z biegiem czasu podlega ona procesom mineralizacji tracąc swoje właściwości paliwowe na rzecz właściwości nawozowych.

Biomasa, podlegając corocznej odnowie, zaliczana jest do odnawialnych źródeł energii (OZE). Do odnawialnych źródeł energii należą również źródła wytworzone przez Przyrodę w inny sposób: siłą wiatru, cieplne i fotowoltaiczne działanie Słońca, energia wodna, geotermalna, itd.

Na Ziemi deponowane są również surowce energetyczne pochodzące z gospodarczej działalności człowieka - odpadowe surowce energetyczne (OSE). Odpadowe surowce energetyczne łącznie z odnawialnymi surowcami energetycznymi stanowią niekonwencjonalne (alternatywne) źródła energii. Wykorzystanie alternatywnych surowców energetycznych prowadzi do wytworzenia „energii środowiskowej”. Odpadowe surowce energetyczne to przede wszystkim gazy odpadowe poreakcyjne bogate w tlenek węgla lub/i wodór, odpady komunalne, niektóre odpady przemysłowe i specjalne, w tym niebezpieczne oraz biomasa pochodząca z produkcji wyrobów drewnianych, z oczyszczalni ścieków, a także z upraw celowych, np. rzepaku. W szczególnych przypadkach odpadowymi surowcami energetycznymi mogą być także gorące popioły i gorące gazy spalinowe. Osobną grupą w klasie odpadowych surowców energetycznych są odpady komunalne. Odpady komunalne tworzą tzw. antropogeniczne złoża surowców energetycznych.

Antropogeniczne organiczne złoża surowców energetycznych nie różnią się zbytnio chemicznie od konwencjonalnych (kopalnych) surowców energetycznych.

Podstawowe definicje i podstawy prawne dotyczące OZE

Odnawialne źródło energii :

Odnawialne źródło energii jest to takie

źródło energii, które w procesie przetwarzania nie wykorzystuje spalania organicznych paliw kopalnych (Prawo energetyczne 1997)

Podstawowe dokumenty regulujące politykę energetyczną w zakresie OZE

• Prawo ochrony środowiska - 27 kwietnia 2001

• Narodowa Strategia Ochrony Środowiska

• II Polityka Ekologiczna Państwa

• Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej

• Program Rozwoju Energetyki Wiatrowej na lata 2002-2005

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15.12.2000 o obowiązku zakupu energii elektrycznej ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, a także ciepła ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz zakres tego obowiązku (Dz.U. Nr 122, poz. 1336)

Art. 1.

Przedsiębiorstwo energetyczne jest obowiązane do zakupu energii elektrycznej albo ciepła ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych przyłączonych do wspólnej sieci pochodzących z :

• elektrowni wodnych

• elektrowni wiatrowych

• biogazu...

• biomasy

• biopaliw

• słonecznych ogniw fotowoltaicznych

• słonecznych kolektorów do produkcji ciepła

• ciepła geotermalnego

Obowiązek zakupu energii ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych uznaje się za spełniony, jeżeli udział ilości energii elektrycznej wytworzonej w źródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych w wykonanej całkowitej rocznej, sprzedaży energii elektrycznej przez dane przedsiębiorstwo energetyczne wynosi nie mniej niż :

• 2,4% w 2001 r

• 2,5% w 2002 r

• 2,65% w 2003 r

• 2,85% w 2004 r

• 3,1% w 2005 r

• 7,5% w 2010 r

Wykorzystanie energii odnawialnej w Polsce w 1999 r

Potencjał techniczny odnawialnych źródeł energii

Planowany udział wybranych technologii OZE w roku 2010

* * * * *

6

fotochemiczne działanie słońca

---