1. Zasoby energetyczne Polski i ich struktura

Ze względu na wyczerpywalność nośniki energii dzielimy na:

• nieodnawialne - czyli takie, których zasoby są ograniczone i które wyczerpują się w miarę eksploatacji. Do tej kategorii zaliczamy wszystkie paliwa kopalne: węgiel brunatny, węgiel kamienny, torf, ropę naftową, gaz ziemny oraz uranowe paliwo jądrowe.

• odnawialne - czyli takie, które regenerują się wystarczająco szybko i których zasoby praktycznie nie wyczerpują się, bowiem nieustannie ich zasoby zostają uzupełnione energią padającego słońca. Do tej grupy nośników zaliczamy energię słoneczną, energię wiatru, energię rzek, energię geotermalną.

Nośniki energii w Polsce:

- węgiel kamienny - 91,2% (Zagłębie Górnośląskie, Dolnośląskie, Lubelskie)

- węgiel brunatny - 6,4% (Zagłębie Bełchatowskie, Turoszowskie, Konińskie)

- torf - 1,8%

- drewno - 0,1%

- gaz - 0,3%

- woda - 0,2%

- ropa - śladowe ilości

Odnawialne zasoby energetyczne Polski:

- biomasa - 98,05%

- energia wodna - 1,83%

- energia geotermalna - 0,1%

- energia wiatru - 0,01%

- energia słoneczna - 0,01%

1. Krajowy system energetyczny i funkcjonujące w nim podsystemy

Krajowy System Energetyczny (KSE) - zbiór obiektów do pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii wraz z ich funkcjonalnymi powiązaniami. Celem działania KSE jest ilościowe i jakościowe zaspokajanie potrzeb odbiorców energii, zarówno indywidualnych jak
i zespołowych. Podstawowe podsystemy KSE:

- podsystem paliw stałych;

- podsystem paliw ciekłych;

- podsystem gazoenergetyczny;

- podsystem elektroenergetyczny (zbiór urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, połączonych ze sobą funkcjonalnie dla realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom) Główne elementy systemu: Elektrownie, ciepłownie i sieci elektroenergetyczne

- podsystem cieplnoenergetyczny.

Problemy w planowaniu i optymalizacji systemu:

• zasięg poszczególnych podsystemów i ich wzajemne powiązania (energetyka przemysłowa i zawodowa, gospodarka skojarzona);

• zewnętrzne powiązania;

• dynamiczny rozwój zapotrzebowania na energię (elastyczność systemu);

• wrażliwość na zakłócenia (elementy rezerwowe)

1. Aktywne i pasywne systemy ogrzewania słonecznego

Systemy grzewcze wykorzystujące energię słoneczną dzielimy na aktywne i pasywne. Te pierwsze wymagają do działania dodatkowych urządzeń elektrycznych, takich jak pompy czy wentylatory.

Dom pasywny według niemieckiego standardu Passivhaus korzysta z ogrzewania słonecznego pasywnego. Ciepło wpada do budynku przez olbrzymie okna, świetliki w dachu, jego ilość jest regulowana przy użyciu żaluzji. Do niedawna nie było to możliwe, bo na rynku nie były dostępne okna o współczynnikach wymiany ciepła zbliżonych do ścian. Z tego względu przez okna zimą uciekało więcej ciepła, niż mogło się dostać do środka.

Ogrzewanie słoneczne aktywne to przede wszystkim wspomniane kolektory słoneczne. Kolektor słoneczny umieszczony na dachu, tarasie, elewacji a nawet na ziemi podgrzewa wodę do temperatury kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Następnie woda ta jest przekazywana do zasobnika ciepła, z którego odbierana jest ciepła woda użytkowa lub czynnik grzewczy do grzejników / ogrzewania podłogowego. Do zbiornika tego najczęściej możliwe jest dostarczanie ciepła z innego źródła, na przykład z kotła gazowego czy wręcz elektryczna grzałka.

Istnieje wiele różnych odmian kolektorów słonecznych różniących się między sobą budową i przeznaczeniem. Ze względu na konstrukcję rozróżnia się dwa podstawowe typy kolektorów:

• skupiające

• płaskie

Z kolei podział ze względu na zastosowany czynnik roboczy obejmuje kolektory:

• cieczowe

• powietrzne

Pośród kolektorów cieczowych największe znaczenie mają:

• kolektory płaskie (płaskopłytowe)

• próżniowe

• magazynujące

• elastyczne (wykonane z tworzyw sztucznych)

Do posiadających największe znaczenie pośród kolektorów powietrznych zaliczyć należy:

• kolektory z absorberami płaskimi (w tym z absorberami żebrowanymi)

• z absorberami o powierzchni rozwiniętej

• z absorberami o powierzchni porowatej

• nadciśnieniowe (foliowe)

1. Wykorzystanie energii słonecznej w procesie produkcji żywności

Kolektory słoneczne w polskich warunkach klimatycznych są stosowane w procesie produkcji żywności w następujących dziedzinach:

Produkcja zwierzęca:

- podgrzewanie wody użytkowej do celów sanitarnych;

- przygotowania pasz;

- pojenia zwierząt;

- ogrzewanie budynków inwentarskich.

Hodowla ryb:

- podgrzewanie wody w stawach rybnych.

Suszarnictwo:

- podgrzewanie magazynów, szklarń, hal;

- dosuszanie ziarna zbóż i roślin niezbożowych;

- suszenie owoców i warzyw;

- suszenie ziół;

- dosuszanie siana.

1. Energetyka wodna – zasoby energii wodnej w Polsce, systemy jej wykorzystywania

Energię spadku wód wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w położonych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy jazu lub zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu, zamieniana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej.

Największe tradycje ma w Polsce energetyka wodna. Energetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie ze względu na niezbyt obfite i niekorzystnie rozłożone opady, dużą przepuszczalność gruntów i niewielkie spadki terenów. Moc aktualnie istniejących elektrowni wodnych może być zwiększona o 20-30% poprzez modernizację agregatów prądotwórczych. Energetyka wodna w Polsce, wobec obecnie niewielkiego stopnia wykorzystania istniejącego potencjału technicznego ma szansę w przyszłości na dalszy rozwój. Najbardziej przyszłościowe rejony dla rozwoju hydroenergetyki to Mazury, Pomorze, Sudety i Karpaty.

Zasoby energii wodnej w Polsce przedstawiają się następująco:

- Wisła - 45,3 %

- dorzecza Wisły i Odry - 43,6 %

- Odra - 9,8 %

- rzeki Pomorza - 1,8%

Zasoby te wykorzystywane są zaledwie w 12 %. Zawodowe elektrownie wodne w Polsce mają moc 2042 MW. Na elektrownie szczytowo-pompowe przypada 1366 MW. Według krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE) stanowi to 7,3 % mocy w nim zainstalowanej.

Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu. Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę.
Energia elektryczna produkowana w elektrowniach wodnych zazwyczaj wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu energii. Duża elektrownia wodna może zasilać nawet całe kilkutysięczne miasto.
Elektrownie wodne można podzielić na dwie kategorie:
1. Elektrownie z naturalnym dopływem wody:
• elektrownie regulacyjne – inaczej zbiornikowe, tzn. , że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody.
• elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.
1. Elektrownie szczytowo – pompowe, które znajdują się pomiędzy dwoma
Zbiornikami wodnymi – tzn. górny i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.
W gruncie rzeczy, jedynie pierwsza grupa elektrowni wodnych może być
zakwalifikowana do kategorii energii odnawialnych, gdyż elektrownie szczytowo – pompowe wymagają więcej energii na pompowanie wody niż zwracają jej do systemu energetycznego.
Inny podział elektrowni, tym razem ze względu na wielkość to:
• elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej
• elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW – 10 MW
• mikroelektrownie wodne poniżej 200 kW mocy
W Polsce większe elektrownie wodne znajdują się min. Dębiu, Wocławku, Żarnowcu, Otmuchowie, Żarach, Solinie, Niedzicy.

1. Energia geotermalna – zasoby, zasada funkcjonowania instalacji, przykłady rozwiązań technicznych

Energia geotermalna jest częścią energii geotermicznej, zawartą w gruntach, skałach oraz płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Ciepło wydzielane we wnętrzu Ziemi jest wynikiem reakcji rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak: uran, tor oraz potas. Wody geotermalne występują w przestrzeni porowej lub szczelinowej skał. Zwykle skały te, to piaskowce, mułowce, wapienie i dolomity. Kompleksy takich skał określane są jako naturalne zbiorniki geotermalne.

Złożem energii geotermalnej nazywa się naturalne nagromadzenie ciepła (w skałach, wodach podziemnych, w postaci pary) na głębokościach umożliwiających opłacalną ekonomicznie eksploatację energii cieplnej. Zatem nie każdy zbiornik geotermalny może być uznany jako złoże geotermalne. W zależności od temperatury złoża wód geotermalnych dzieli się na:

-  zimne – do 20 °C

-  ciepłe lub niskotemperaturowe – 20°C - 35°C

- gorące lub średniotemperaturowe – 35°C - 80°C

-  bardzo gorące lub wysokotemperaturowe – 80°C - 100°C

-  przegrzane lub bardzo wysokotemperaturowe – 100°C - 130°C

Stan rozpoznania warunków występowania wód geotermalnych w Polsce można uznać za dobry. Oceny możliwości wykorzystania energii geotermalnej w kraju są jednak bardzo zróżnicowane - od bardzo pozytywnych, do całkowicie negujących zasadność prowadzenia dalszych prac badawczych w tym kierunku. Za potencjalne obszary występowania wód geotermalnych przyjmuje się 80 % obszaru Polski, a ich zasoby szacuje się na ok. 6,7 tys. km³, co odpowiada w przybliżeniu energii 33 miliardów ton ropy naftowej.

Według badań przeprowadzonych przez PAN i zgodnie z zastosowaną do oceny zasobów metodyką (odniesienie zasobów do tony paliwa umownego tzw. tpu) oraz podziału geostrukturalnego Polski poszczególne zasoby energii cieplnej możliwej do pozyskania przedstawiają się następująco:

- okręg grudziądzko – warszawski;

- okręg szczecińsko – łódzki;

- okręg przedsudecko – północnoświętokrzyskim;

- okręg pomorski;

- okręg lubelski;

- okręg przybałtycki;

- okręg podlaski;

- okręg przedkarpacki;

- okręg karpacki;

- okręg sudecko – świętokrzyski;

Uzyskiwane ciepło z głębi Ziemi wykorzystuje się zasadniczo tylko na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania budynku. W tym systemie odbiór energii realizowany jest przez wymiennik ciepła, który jest umieszczony na niewielkiej głębokości (do 200 m). Wymiennik taki może być umieszczony również poziomo na głębokości 2 m. Czynnikiem obiegowym jest tutaj woda z dodatkiem środka przeciwzamarzającego (25-30%) lub solanka. Układ taki jest stosowany w gospodarstwach indywidualnych. W przypadku znacznych głębokości (powyżej 2500) temperatura czynnika grzewczego może osiągnąć na tyle wysoką wartość, że ciepło odzyskuje się w tradycyjnych wymiennikach bez wspomagania pompą ciepła. W tym przypadku instalacja jest zdolna do ogrzania kilkudziesięciu, a nawet kilkuset budynków jednorodzinnych.

Drugim powszechnym zastosowaniem ciepła Ziemi jest budowa elektrowni geotermalnej do produkcji prądu elektrycznego. Woda geotermalna z odwiertu oddaje ciepło czynnikowi termodynamicznemu właściwego obiegu, a następnie jest zatłaczana z powrotem do złoża. Czynnik w postaci pary jest skierowany do turbiny wytwarzającej prąd elektryczny. Skroplony czynnik termodynamiczny w skraplaczu zawracany jest do wymiennika, gdzie ulega ponownemu odparowaniu.

1. Energia wiatrowa – możliwości wykorzystania energii wiatru w Polsce

Energetyka wiatrowa w naszym kraju zaczęła rozwijać się dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych, głównie na wybrzeżu. Do końca 1999 r. uruchomiono14 sieciowych ferm wiatrowych o łącznej mocy zainstalowanej ponad 3,5 MW. Ponadto funkcjonuje około 50 małych autonomicznych siłowni wiatrowych. Obserwuje się duże zainteresowanie inwestorów instalacjami wiatrowymi, szczególnie w północno-zachodniej Polsce, gdzie na różnych etapach przygotowania realizowanych jest około 30 inwestycji. Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce są bardzo obiecujące, na co wskazują uzyskane wyniki badań prowadzonych w IMGW, na podstawie wieloletnich obserwacji kierunków i prędkości wiatru prowadzonych na profesjonalnej sieci meteorologicznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod względem zasobów wiatru w mezoskali są następujące:

• środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina po Hel,

• rejon wyspy Wolin,

• Suwalszczyzna,

• środkowa Wielkopolska i Mazowsze,

• Beskid Śląski i Żywiecki,

• Bieszczady i Pogórze Dynowskie.

1. Biomasa i biogaz – zasoby i możliwości wykorzystywania w Polsce

Największe nadzieje na wykorzystanie, jako odnawialne źródło energii, są wiązane z biomasą. Jej udział w bilansie paliwowym energetyki odnawialnej w Polsce rośnie z roku na rok. Biomasa może być używana na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania biopaliw stałych (drewna, słomy), gazowych w postaci biogazu lub przetwarzana na paliwa ciekłe (olej, alkohol). Energetyczne wykorzystanie biopaliw stałych (odpady drzewne, plantacje energetyczne, słoma) jest najszybciej rozwijającym się rodzajem energetyki odnawialnej w Polsce. W dalszej perspektywie poza bezpośrednim spalaniem w kotłach energetycznych, dodatkowo nabierać będzie znaczenia termiczna konwersja poprzez gazyfikację lub pyrolizę (procesy termicznego zgazowywania paliw w warunkach niedoboru tlenu) z wytworzeniem gazów, spalanych następnie w silnikach spalinowych lub turbinach gazowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

Potencjał techniczny wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków do celów energetycznych jest bardzo wysoki. Do bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, stosowane we wszystkich oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni przemysłowych.

Wykorzystanie biogazu z gnojowicy: Gospodarstwa hodowlane produkują duże ilości odchodów zwierzęcych. Tradycyjnie są one używane jako nawóz lub niekiedy składowane na wysypiskach. Obydwie metody mogą powodować problemy ekologiczne związane z zanieczyszczeniem rzek i wód podziemnych, emisje odorów oraz inne zagrożenia zdrowia. Jedną z ekologiczne dopuszczalnych form utylizacji tych odpadów jest fermentacja beztlenowa. W zależności od surowca biogaz jest otrzymywany z:

- osadów ściekowych

- ścieków lub odpadów przemysłowych

- odpadów płynnych z przetwórstwa rolniczego – spożywczego

- odchodów zwierzęcych – gnojówka, gnojowica, obornik, wody gnojowe,

- odpadów organicznych - traw, słomy, liści buraków,

- roślin energetycznych – poplony, zboża, trawy.