ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

1. Podział odnawialnych źródeł energii

Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energie związane z aktywnością Słońca, geotermią Ziemi i z grawitacyjnym oddziaływaniem Księżyca. Źródła te, w ścisłym tego słowa znaczeniu, nie są wprawdzie odnawialne, ale w interesującej nas skali czasowej można je uznać za niewyczerpalne. 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 procesy przemiany energii, oraz formy użytkowej jej postaci przedstawiono w tabeli

2. Energia wody

W aspekcie kryteriów ekologicznych jest to, po energetyce wiatrowej, najbardziej czysta technologia produkcji energii elektrycznej. Sprawność przetwarzania energii w elektrowniach wodnych przewyższa dwukrotnie sprawność elektrowni węglowych, a otrzymywana w nich energia elektryczna jest najtańsza i najmniej obciążająca środowisko.

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

zależności od lokalnych uwarunkowań:

- turbinę Peltona 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 wysoko położonych zbiorników wodnych z niżej położoną, o 200-400m, turbiną. Elektrownie wodne z takimi turbinami instaluje się zwykle w terenach górzystych

- turbinę Francisa, wykorzystującą zarówno energię kinetyczną, jak i potencjalną

wody, zadawalają się kilku- kilkunastometrową różnicą poziomu między wlotem, a wylotem

wody z turbiny. Rozwijane przez nią prędkości obrotowe są zdecydowanie mniejsze niż

w przypadku turbin Peltona, a zapotrzebowanie na wodę większe.

- turbinę Kaplana budowaną zwykle o osi pionowej, wolnoobrotową, przewidzianą

do instalowania na rzekach o małych spadach, ale zapewniających przepływ dużej masy

wody przez turbinę.

3. Energia pływów i fal

Znaczenie mają te miejsca nabrzeży na kuli ziemskiej, gdzie ukształtowanie brzegów, zatok

i cieśnin zapewnia różnicę poziomów większą niż 5 m. Z uwagi na problemy techniczne i potęgę morskiego żywiołu, zwłaszcza w okresie sztormów i huraganów, żadna z elektrowni pływowych nie pracuje na skalę przemysłową, wspomagając jedynie, przy korzystnych warunkach atmosferycznych, lokalne sieci energetyczne.

Podobne problemy występują w przypadku konwersji energii fal na energię elektryczną. Wykorzystuje się przy tym układy: pneumatyczne, mechaniczne, indukcyjne i hydrauliczne. Rozwiązania te służą głównie do zasilania boi nawigacyjnych, latarni morskich oraz platform wiertniczych.

Jak dotąd wykorzystywanie energii prądów morskich do wytwarzania energii elektrycznej

jest raczej na etapie teoretycznych rozważań

4. Energia wiatru i jej wykorzystanie

Zasoby energii wiatru są niewyczerpane, ponieważ są ciągle podtrzymywane przez Słońce. Granica opłacalności budowania siłowni wiatrowych to prędkość wiatru przekraczająca 4 m/sek. Również na znacznym obszarze Polski istnieją warunki do eksploatacji turbin wiatrowych. Na Pomorzu i Suwalszczyźnie istnieją tereny kwalifikujące się nawet do I klasy.

Przegląd konstrukcji turbin wiatrowych

Procesor sterujący takiej turbiny zapewnia jej wyłączanie przy zbyt małej i przy zbyt dużej

prędkości wiatru. Umożliwia również pracę turbiny ze zmienną lub ze stałą prędkością obrotową i pozwala ustawiać gondolę „na wiatr”, możliwa jest również zmiana kąta β nastawienia łopatek turbiny. Skutki ekologiczne wyprodukowania 1 TWh energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej, w stosunku do tradycyjnie wyprodukowanej w elektrowni węglowej, sprowadzają się do uwolnienia środowiska z: ton SO2, NOx, CO2 oraz pyłów i żużli.

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

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, obejmującej instalację, zawory, zbiorniki, automatykę. Zasadniczą częścią kolektora jest absorber, wykonywany zazwyczaj z blachy miedzianej lub aluminiowej pokryty czarną, matową farbą

Na całkowite promieniowanie absorbowane przez kolektor składa się:

- promieniowanie bezpośrednie - krótkofalowe promieniowanie od Słońca do czynnej powierzchni kolektora.

- promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne), powstające w wyniku załamania, odbicia i częściowego 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). Kolektory słoneczne płaskie znalazły szerokie zastosowanie w budowie instalacji ogrzewania wody i pomieszczeń. Tego typu instalacje służą niemal wyłącznie do pokrywania zapotrzebowania indywidualnych gospodarstw, tego typu systemy, przy korzystnych

warunkach atmosferycznych, będą raczej tylko wspomagać inne sposoby zaopatrywania

gospodarstw w energię.

6. Pompy ciepła

Zadaniem pomp ciepła jest przenoszenie ciepła z niskotemperaturowego źródła ciepła, zwanego też dolnym, do górnego źródła ciepła, o temperaturze wyższej. Cel ten realizuje się wymuszeniem obiegu termodynamicznego. Najczęściej stosuje się sprężarkowe pompy ciepła. Działanie takiej pompy jest analogiczne do działania lodówki, a różnica polega jedynie na przeciwnym kierunku transportu strumienia ciepła. W sprężarkowej pompie ciepła, wychładza się np. dolne źródło ciepła, którym może być grunt, woda, powietrze,

ogrzewa się natomiast wnętrza budynków lub pomieszczeń (górne źródło ciepła).

Czynnikami roboczymi za pomocą których są realizowane obiegi termodynamiczne są najczęściej freony, których emisja ma duży negatywny wpływ na środowisko, intensyfikując efekt cieplarniany i przyczyniając się do niszczenia warstwy ozonowej. Pomimo zastrzeżeń ekologicznych, wynikających ze stosowania w obiegu termodynamicznym 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.

7. Ogniwa fotowoltaiczne

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.

Zasadnicza zaleta ogniw fotowoltaicznych 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.

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.

Do celów energetycznych można wykorzystywać następujące postacie biomasy:

 drewno odpadowe

 słomę

 odpady organiczne

 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

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 CO2 z paliw nieodnawialnych, który w przeciwieństwie do CO2 z biopaliw 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 zanieczyszczonej pestycydami lub odpadami z tworzyw sztucznych.

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 silniku emitują one do atmosfery o 40% mniej węglowodorów, o 50% mniej sadzy i o 40% mniej pyłów, przy takim samym poziomie emisji CO i CO2.

10. Biogaz

Biogaz, wydzielający się w sposób niekontrolowany, powstaje samoczynnie, i to w dużych ilościach, na wysypiskach śmieci, stanowiąc poważne, zagrożenie dla środowiska, nie tylko lokalne (np. metan - b. silnie wzmacnia efekt cieplarniany), 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, CO2, dioksyn, furanów i sadzy.

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.

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

spalania drewna i słomy. Produkcja biogazu umożliwia dodatkowo poprawienie stanu higieniczno- sanitarnego dzięki zaprzestaniu wylewania fekalii bezpośrednio na pola.

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 1000C (para wodna). Taką wodę można wykorzystać do ogrzewania mieszkań, do celów gospodarczych a parę wodną do napędzania agregatów prądotwórczych.

W celu wykorzystania źródła geotermalnego należy dokonać kilku odwiertów

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 odwiertem 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

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 przyrodzie w zamkniętym obiegu.

---