Alternatywne metody pozyskiwania energii elektrycznej

Spis treści:

1. Wprowadzenie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1

2. Energia pochodząca od wiatru - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -2

3. Energia pochodząca od Słońca - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6

4. Energia morza - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9

5. Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi (geotermicznej) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 12

6. Generatory MHD (magnetohydrodynamiczne) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -13

7. Pompy ciepła

8. Ogniwa paliwowe

9. Wodór jako paliwo przyszłości

10. Zakończenie

R E K L A M A	czytaj dalej ↓

1. Wprowadzenie:

W roku 1973 doszło do kryzysu energetycznego, który doprowadził do skokowego wręcz wzrostu ceny ropy naftowej, następnie zaś pozostałych paliw. Coraz częściej podejmując jakiekolwiek działanie bierze się również pod uwagę aspekty ochrony środowiska. Nastąpił silny rozwój kosmicznej techniki. Wszystkie wymienione czynniki przyczyniły się do wzrostu zainteresowania alternatywnymi, niekonwencjonalnymi źródłami oraz technologiami pozyskiwania elektrycznej energii.

Te nowe źródła elektrycznej energii podzielić można na dwa typy - odnawialne oraz nieodnawialne.

Odnawialnymi źródłami energii są:

• wiatr;

• Słońce;

• woda;

• pływy morskie;

• fale morskie;

• cieplna energia oceanów (maretermiczna);

• biomasa.

Do nieodnawialnych źródeł zaś zalicza się:

• wodór;

• energię magneto- hydro- dynamiczną;

• ogniwa paliwowe.

Geotermiczną energię (pochodzącą z wnętrza Ziemi) zaliczyć można do obu typów źródeł, ponieważ energia skał (gorących) to odnawialna energia, natomiast gejzery to nieodnawialne źródło energetyczne.

To do alternatywnych źródeł elektrycznej energii należeć będzie przyszłość, z uwagi na minimalny, bądź nawet zerowy, wpływ prawie wszystkich metod niekonwencjonalnego pozyskiwania energii na środowisko naturalne. Istnieją jednak pewne ograniczenia w stosowaniu ich, a mianowicie:

• technologia - biorąc pod uwagę postać występowania oraz możliwości wykorzystania w praktyce;

• ekonomia - koszty zastosowania ich nadal są wysokie.

Mimo to rola alternatywnych źródeł energii systematycznie będzie nabierać na znaczeniu, ponieważ konieczne jest zmniejszenie obecnego obciążenia naszego środowiska wskutek stosowania konwencjonalnej energetyki.

2. Energia pochodząca od wiatru:

Energia pochodząca od wiatru była, poza energią ze spalania węgla, najwcześniej eksploatowanym przez ludzi rodzajem odnawialnej energii. W celu zmielenia ziarna lub pompowania wody ludzie zaczęli wykorzystywać wiatraki- bardzo wcześnie, bo pierwszy zapis mówiący o stosowaniu wiatraków w celu pompowania wody pochodzi już z roku 400 p.n.e. z Indii. W Europie czteroskrzydłowe wiatraki rozpowszechniły się w wieku VIII, szczególnie dobrze w budowaniu ich wyspecjalizowali się Holendrzy. Jednak z końcem XIX wieku napęd wiatrowy został wyparty z mnóstwa dziedzin gospodarczego życia przez powstanie oraz rozwój parowej maszyny.

W Polsce najstarszym występującym typem wiatraków były wiatraki kozłowe, czyli tak zwane koźlaki. Pojawiły się one stosunkowo wcześnie, bo już w wieku XIV (pierwszej połowie) w Wielkopolsce oraz na Kujawach, bardzo rozpowszechniły się one w wieku XV. Aż do wieku XX takie koźlaki dotrwały bez wprowadzania żadnych zmian konstrukcyjnych, stanowiąc najliczniejszą grupę wśród wiatraków.

Wiatrak nowego typu - holenderski - wprowadzono do Europy w XVII wieku. Wiatraki takie, jak nazwa podpowiada, pochodziły z Holandii. Dobrze przyjęły się na terenach zachodniej i północnej Polski w wieku XVIII, aczkolwiek nie udało im się nigdy wyprzeć wiatraków starszego typu- koźlaków.

W trakcie trwania zimy z roku 1887 na 1888 niejaki Charles Brush wybudował pierwszą działającą samoczynnie wiatrową siłownię, która produkowała elektryczną energię. Człowiek ten był pionierem elektrotechnicznego przemysłu w Ameryce, a stworzona przez niego firma o nazwie Brush Electric w roku 1892 dokonała fuzji z inną kompanią elektryczną (Edison General), stwarzając GE (General Electric), jeden z największych obecnie na świecie koncernów. Biorąc pod uwagę ówczesne czasy, stworzona przez Brush'a turbina była imponująca: 17- metrowy wirnik oraz 144 drewniane łopaty.

Umowny podział na etapy rozwoju współcześnie działających elektrowni wiatrowych, biorąc pod uwagę wielkość wirnika oraz generatora, jest następujący:

• od 1955 do 1985 - wirnik o średnicy nie większej niż 15 metrów, istnieją małe siłownie domowe, w toku są poszukiwania rozwiązania teoretycznych problemów, nie istnieją żadne standardy międzynarodowe;

• od 1985 do 1989 - wirnik ma średnicę nawet 30 metrów, powstają pierwsze siłownie wiatrowe seryjne, zaczynają powstawać pewne przemysłowe standardy;

• od 1989 do 1994 - wirniki mają średnicę 30- 50 metrów, masowa produkcja siłowni cechujących się mocą 600kW;

• od 1994 do 2002 - wirniki osiągają średnicę powyżej 50 metrów, rozwój technologiczny zdecydowanie przyspiesza, w krótkim odstępie czasu powstają siłownie z mocą 850kW, a następnie 1, 1.5, 2 lub nawet więcej MW.

Wykorzystanie energii pochodzącej od wiatru:

Wiatr jest, wywoływanym różnicą w stopniu nagrzania mórz i lądów, równika i biegunów oraz przez istnienie siły Coriolisa (związana jest ona z ruchem obrotowym Ziemi), ruchem powietrza. Niewyczerpalne są zasoby wiatrowej energii. W zasadzie od roku 1973 (czyli roku energetycznego kryzysu) zaczęto szerzej wykorzystywać wiatr do energetycznych celów, choć na przykład w Danii wiatrowe elektrownie (z łączną mocą 100 MW) pracowały już przed rokiem 1939. Na świecie od lat 70. powstało całe tysiące wykorzystujących wiatr instalacji, produkujących elektryczną energię.

Wielkość światowych zasobów energii wiatru, jakie mogą nadawać się (z punktu widzenia technicznego) do wykorzystania wynosi 53 000TWh/rok. Jest to cztery razy większa ilość energii niż w roku 1998 wyniosło zużycie elektrycznej energii (globalne). Ważną cechą wiatrowej energii jest duża jej zmienność w czasie (bardzo szeroka skala czasu, bo mająca zakres od sekund ledwie aż do lat) i przestrzeni (geograficznie).

Chcąc odzyskać całą niesioną przez wiatr energię, powietrze w ogóle nie mogłoby wypaść z wirnika. Niestety, w takiej sytuacji nie powstałaby żadna użyteczna dla nas energia, ponieważ powietrze nie mogłoby również wpaść do wirnika. W idealnej turbinie wiatrowej wiatr jest spowalniany do 2/3 wartości jego pierwotnej prędkości, odzyskiwane jest 59% zawartej w nim energii. Prawo Betz'a głosi, iż teoretycznie maksymalną sprawnością zamiany mocy pochodzącej od wiatru na mechaniczną jest 59,3%. Wiatrowe turbiny wykorzystują więc mniej od 50% wiatrowej mocy.

Na konwersję energii z wiatru na elektryczną energię (oraz wszystkie jej aspekty, takie jak: wybór lokalizacji, wyznaczenie opłacalności inwestycji, techniczne rozwiązania turbin, mechanicznych generatorów i ich przekładni, problemy zintegrowania z elektroenergetyczną siecią) zasadniczy wpływ ma natura wiatru.

Znamionowa moc zespołu prądotwórczego wiatrowego może być określana przy określonej prędkości wiatru, przeważnie jest to prędkość od 10 do 12 m/s. Zespół taki może pracować przy prędkości wiatru mieszczącej się w przedziale od 5 do 25 m/s. Jeśli prędkość ta jest mniejsza (< 5 m/s), uzyskiwana jest zbyt mała moc, jeśli natomiast jest większa (> 25 m/s) - prądnica automatycznie się wyłącza, a wiatrowa turbina ustawia się w sposób równoległy do kierunku przemieszczania się wiatru, aby zapobiec zniszczeniu jej. W trakcie burz, czy huraganów wysokie wieże oraz śmigła mogą być zagrożeniem dla otoczenia.

Duża prędkość wiatru jest więc najważniejszym czynnikiem, ponieważ np. powiększanie średnicy łopatek ograniczone jest do wielkości 100 metrów konstrukcyjnymi względami. Oprócz prędkości wiatru, istotna jest również stałość jego występowania w jakimś miejscu. Od tego zależy ilość produkowanej dzięki wiatrowemu silnikowi elektrycznej energii w przeciągu roku, a to znowuż decyduje o opłacalności danej instalacji. Dlatego też takie instalacje buduje się w miejscach, gdzie ciągle występują wiatry o wystarczającej prędkości, przekraczającej przeważnie 6 m/s. Rejony te to zwykle tereny podgórskie oraz nadmorskie. W ciągu jednego roku w elektrowniach wiatrowych wykorzystuje się zainstalowaną moc na poziomie od 1000 do 2000 h/a, rzadko jest przekroczona wartość 2500 h/a.

Na opłacalność instalowania wiatrowych elektrowni ma również wpływ sytuowanie ich na obszarach o niskiej gęstości zaludnienia oraz bez sieci elektrycznej. Wiatrowe elektrownie budowane są np. na wyspach, w górach (zasilają schroniska), w celu zasilania położonych na odludziu wiejskich gospodarstw.

Istnieją jednak pewne wady wiatrowych elektrowni, a są to:

• hałas;

• oszpecenie krajobrazu;

• wpływ negatywny na ptactwo;

• zajmowanie wielkich powierzchni.

W chwili obecnej tworzy się całe "farmy wiatrowe", czyli zespoły prądotwórczych zespołów wiatrowych, które zajmują zwarty obszar cechujący się dużą lokalną prędkością wiatru. Wiatrowa farma ma część wspólnych elementów, takich jak transformatory (zapewniają jej łączność z siecią), czy droga dojazdowa. Taka farma wiatrowa jest sterowana i nadzorowana centralnie. Zainstalowane zespoły mogą mieć różną moc. Odległość pomiędzy poszczególnymi wieżami zazwyczaj jest większa od dziesięciokrotnej średnicy wirnika powietrznych turbin. Ma to na celu uniknięcie wzajemnego zakłócania powietrznych strumieni, które wykorzystują zespoły. Wiatrowe farmy powodują zakłócanie odbioru telewizyjnego.

Dania jest krajem przodującym w budowaniu zespołów prądotwórczych wiatrowych. W 1989 roku w Esbjerg (Dania) rozpoczęła swą pracę wiatrowa elektrownia z mocą 2 MW. 60 metrów średnicy ma wirnik, a 67 ton waży motor jej turbiny wiatrowej. Wieża ma wysokość 57 metrów. Wybudowanie jej kosztowało 60 milionów duńskich koron. Tymczasem koszt produkcji elektrycznej energii to: za 1kWh - 0,9 duńskiej korony.

W Vindeby (Dania, niedaleko Kopenhagi) uruchomiono we wrześniu roku 1991 morską farmę wiatrową, utworzoną z 11 zespołów prądotwórczych wiatrowych o łącznej mocy 4 950kW (moc pojedynczej - 450kW). Została ona zbudowana na umieszczonych na morzu platformach, a koszt całego przedsięwzięcia to było 12,5 miliona USD.

W Szwecji, niedaleko Malmö, istnieje wiatrowa elektrownia z mocą 3MW.

Największą w Wielkiej Brytanii wiatrową elektrownią (z mocą 1MW) jest pracująca od roku 1989, sterowana przez komputer, pracująca bez obsługi elektrownia na pd.- wsch. wybrzeżu Anglii, w Richborough.

W roku 1991 niedaleko Pucka (w Swarzewnie) powstała wiatrowa elektrownia posiadająca duński agregat prądotwórczy z mocą 95kW, jeśli prędkość wiatru wynosi 13 m/s, a wirnik obraca się 44 razy na minutę.

Od roku 1986 w Holandii realizuje się gigantyczny wręcz plan budowy wiatrowych elektrowni z łączną mocą 3 000MW. Będą one zainstalowane na platformach w liczbie 6 400, które to zostaną umieszczone na morzu, jeziorach oraz polderach wydartych morzu.

Ciekawym rozwiązaniem jest wiatrowa elektrownia umieszczona na Przełęczy Altamont (góry Diablo Range, Kalifornia, 70 km w kierunku wschodnim jadąc z San Francisco), gdzie do końca roku 1985 postawiono 5 500 wiatrowych turbin, o mocy 525MW, zajmujących obszar 6 000 hektarów. Zastosowane zostało 19 wiatrowych turbin różnego typu. Góry Diablo Range mają szczyty wznoszące się na wysokość 1300 metrów, dlatego przez obszar Przełęczy Altamont przepływa zimne powietrze od Oceanu Spokojnego zmierzające do Kotliny Kalifornijskiej. Tutaj jest ono ogrzewane i tworzą się prądy wznoszące. Kotlinę Kalifornijską od wschodu ograniczają góry Sierra Nevada, ze szczytami wznoszącymi się na wysokość 4 000 metrów. Pojawiające się zmienne wiatry były przyczyną niewielkiego zaludnienia Przełęczy Altamont, którą jedynie wykorzystuje się do wypasania bydła. A to nie koliduje zupełnie z instalacją wiatrowych turbin.

Wiatrowe elektrownie pracują również między innymi w: Tehachapi (kierując się od Los Angeles120 km w stronę północną), gdzie jest 300 wiatrowych turbin, Kalifornii, gdzie w roku 1994 było już 30 000 pracujących wiatrowych elektrowni, na Hawajach.

Przeprowadzone zagraniczne kalkulacje pokazały, iż najbardziej ekonomiczne są zespoły prądotwórcze wiatrowe, jeśli mają moc od 200 do 350kW. Żywotność wiatrowych turbin jest szacowana na około 20 lat. Amortyzacja całej wiatrowej elektrowni powinna następować w przeciągu 10 lat. Same koszty eksploatacji wiatrowych elektrowni są praktycznie znikome, a przeprowadzane remonty rocznie pochłaniają nie więcej niż 1% inwestycyjnych nakładów.

Oszacowano, iż wiatrowe elektrownie staną się konkurencyjne do elektrowni węglowych w momencie wzrostu rocznego czasu wykorzystania zainstalowanej mocy do poziomu 3000 h/a, natomiast okres ich amortyzacji wynosił będzie 30 lat.

Niestety, Polska nie należy do grona krajów o odpowiednich warunkach do pozyskiwania wiatrowej energii. Występujące u nas wiatry nie osiągają zbyt dużych prędkości, także wieją tylko okresowo. Tylko niektóre rejony naszego kraju mogą pochwalić się średnią prędkością wiatru przekraczającą 4 m/s, która to wartość jest bardzo istotna, będąc minimalną prędkością startową dla większości elektrowni. W Polsce takimi uprzywilejowanymi ze względu na wiejący wiatr obszarami są:

• północna część wybrzeża, od Helu po Koszalin;

• wyspa Wolin;

• okolice Suwałk;

• Mazowsze;

• Środkowa Wielkopolska;

• Beskid Żywiecki oraz Śląski;

• Podhale;

• Bieszczady.

Dlatego też energia wiatru w Polsce może być wykorzystywana jedynie lokalnie.

Budowa wiatrowej siłowni:

Wiatrowa elektrownia złożona jest z gondoli oraz wirnika, które są umieszczone na wieży. Wirnik jest najważniejszym elementem elektrowni, dokonuje on zamiany energii pochodzącej od wiatru na mechaniczną energię. Jest on osadzony na wale, generator jest napędzany poprzez niego. Wirnik przeważnie obraca się z prędkością od 15 do 20 obrotów na minutę. Tymczasem typowy asynchroniczny generator produkuje elektryczną energię z prędkością nawet wyższą od 1500 obrotów na minutę. Dlatego też niezbędnym jest zastosowanie skrzyni przekładniowej, gdzie dochodzi do zwiększenia prędkości obrotowej. Wirniki o trzech płatach są najczęściej spotykanym rodzajem, wykonane ze szklanego włókna wzmocnionego poliestrem. Piasta wirnika zawiera serwomechanizm, który pozwala ustawiać odpowiedni kąt nachylenia łopat, czyli skok. Gondola posiada możliwość 360 stopniowego obracania się, ponieważ zawsze trzeba mieć możliwość ustawienia jej pod wiatr. Z uwagi na to szczyt wieży zaopatrzony jest w silnik obracający nią przy użyciu zębatej przekładni. Natomiast w elektrowniach o małej mocy stosunkowo mała jest masa gondoli, dlatego odpowiednie ustawienie jej w stosunku do wiatru zapewnia zintegrowany z nią ster kierunkowy. Układ mikroprocesorowy zarządza mechanizmem ustawienia łopat oraz kierunkowania elektrowni w zależności od wejściowych danych, czyli m.in. prędkości oraz kierunku wiatru. Dodatkowo gondola zaopatrzona jest w: łożyska, transformator, układy smarowania, hamulec (zapewnia on zatrzymanie wirnika podczas awaryjnej sytuacji).

Poniższy schemat przedstawia uproszczoną budowę typowej wiatrowej siłowni dla zawodowej energetyki:

1 - wał obrotowy;

2 - skrzynia przekładniowa;

3 - wał szybkoobrotowy;

4 - wiatromierz oraz chorągiewka kierunkowa;

5 - hamulec;

6 - generator;

7 - gondola;

8 - wieża;

9 - serwomechanizm kierunkowania elektrowni;

10 - łożyska;

11 - serwomechanizm ustawienia łopat;

12 - piasta;

13 - łopaty wirnika.

3. Energia pochodząca od Słońca:

Energię słoneczną wykorzystać można do wyprodukowania energii elektrycznej, jak również do wyprodukowania ciepłej wody. Stosuje się dwie metody wykorzystujące energię słoneczną:

• heliotermiczną;

• helioelektryczną.

Metoda heliotermiczna:

W metodzie tej przemienia się promieniowanie słoneczne w ciepło, które następnie doprowadzane jest do napędzającej generator turbiny, a generator znowuż wytwarza elektryczną energię. W metodzie heliometrycznej stosuje się dwa główne elementy:

• heliostaty, czyli zwierciadła, które są ogrzewane słoneczną energią, odbijają one promienie słoneczne na położony centralnie, wysoko na wieży drugi ważny element, a mianowicie:

• absorber, złożony z rurek, które ogniskują na sobie skierowane z heliostatów słoneczne promieniowanie. Wewnątrz tych rurek znajduje się krążący czynnik roboczy (np. azotan potasu, lit, sód), pary którego napędzają turbinę.

Jedną z odmian elektrowni tego typu są liniowe słoneczne kolektory pod postacią paraboloidów. W ich ogniskowych umieszczone są rurowe absorbery, w których przepływa medium robocze. Moc, jaką można uzyskać w takim rozwiązaniu, to nawet 1MW.

Znamionowa moc słonecznych elektrowni określana jest w znormalizowanych warunkach, czyli napromieniowaniu 1kW/m² i temperaturze 20^oC.

W roku 1982 w Kalifornii uruchomiono pierwszą dużą elektrownię typu CRS (Central Receiver System, czyli elektrownia heliotemiczna zaopatrzona w centralną wieżę) - elektrownię Barstow (moc 10MW). Posiada ona 1 818 zwierciadeł o powierzchni 40 hektarów, które kierują odbite słoneczne promienie na absorber zainstalowany na 91 metrowej wieży. Elektrownia ta osiąga sprawność na poziomie 19%, a wybudowanie jej pochłonęło 141 milionów USD.

Również w Kalifornii, w odległości 200 km w kierunku pn.- wsch. od Los Angeles, na terenie pustyni Mojave już od roku 1980 powstaje kompleks heliotermicznych elektrowni typu SEGS (Solar Electric Generating System, czyli elektrownie posiadające liniowe kolektory słoneczne z paraboloidalnymi zwierciadłami). W rejonie tym przez 4000 h/a świeci słońce, dając 2 600kWh/m² na rok. Pierwsza z powstałych tam elektrowni uruchomiona została w roku 1984 i posiadała moc 14MW. Z kolei dziewiąta już elektrownia uruchomiona w roku 1990 posiadała moc 80MW i 48 hektarową powierzchnię zwierciadeł. Sprawność tej elektrowni w trakcie szczytowej pracy to 22,5%, natomiast średniorocznie jest to 14%. Z dziewięciu elektrowni tego słonecznego kompleksu energetycznego oddawana jest do sieci łączna moc 345MW. Lata 1991 - 1992 przyniosły uruchomienie następnych czterech elektrowni, każda o mocy 80MW.

Przewidywana jest budowa mieszanych instalacji, czyli słoneczno-paliwowych, które to zbudowane by były z wytwornicy pary umieszczonej na wieży (słonecznej) oraz opalanego gazem kotła. Dodać należy, że ogrzewalna powierzchnia wytwornicy pary była by włączona do układu kotła. Taka instalacja mogłaby pracować w sposób niezależny od stopnia nasłonecznienia. Oszacowano, że w ten sposób, czyli pracą wytwornicy pary (słonecznej), można by zaoszczędzić około 35% paliwa.

Słoneczne elektrownie niestety charakteryzują się stosunkowo wysokimi eksploatacyjnymi kosztami, dlatego większe nadzieje związane są tylko z wykorzystaniem słonecznej energii do produkowania gorącej wody w mniejszych instalacjach.

Kolektory słoneczne:

Umieszczone na dachach domów słoneczne kolektory pozwalają ogrzać wodę aż do +40^oC. Jest to wystarczająca temperatura, jeśli zastosowane jest ogrzewanie podłogowe. Stosowane są układy, które wykorzystują współpracę słonecznych kolektorów dachowych z cieplną pompą oraz elektrycznym grzejnikiem korzystającym z taniej nocnej energii elektrycznej. Kolektory słoneczne, które podgrzewają wodę do około 65^oC wykorzystywane są w rolnictwie, do nagrzewania basenów kąpielowych, wytwarzania użytkowej ciepłej wody w miejscach bez ciepłowniczych systemów.

Stawy cieplne:

Energię słoneczną można również wykorzystać przy użyciu tak zwanych stawów cieplnych. Taki staw cieplny posiada czarne dno, które absorbuje promienie słoneczne oraz warstwy wody: silnie zasoloną dolną i górną, którą stanowi zwykła woda, bądź woda morska. Dzięki dolnej warstwie pochłaniane są słoneczne promienie, dzięki jej dużej gęstości utrudnione jest przewodzenie ku górze ciepła, dlatego coraz bardziej się ona nagrzewa. Ciepło oddawane jest w wymiennikach ciepła czynnikowi odparowującemu przy dość niskiej temperaturze, napędzającemu turbinę. Woda ma dużą pojemność cieplną, co w efekcie powoduje dużą kumulacyjną zdolność stawu, a to z kolei pozwala instalacji pracować przy zmniejszonym promieniowaniu słonecznym (likwidując tym samym główną wadę słonecznych elektrowni). Staw cieplny, który ma powierzchnię 25 hektarów może dać moc 5MW, podczas gdy w 1984 roku w Izraelu koszt kW wynosił 3000 USD.

Metoda helioelektryczna:

Ta metoda polega na przemianie energii słonecznego promieniowania w sposób bezpośredni do elektrycznej energii przy użyciu ogniw fotoelektrycznych. Takie ogniwa potrafić przemieniać w energię nie tylko promieniowanie bezpośrednie, ale również i promieniowanie występujące przy zachmurzeniu, czyli rozproszone.

Ogniwa fotoelektryczne:

Wykonuje się je z krzemu krystalicznego, siarczku kadmu lub arsenku galu. Planowana jest budowa elektrowni tego typu z mocą 10MW. Zastosowana jest w nich koncentracja słonecznego promieniowania dzięki użyciu soczewek Fresnela lub parabolicznych zwierciadeł. Ogniwa takie zajmują wielką powierzchnię. Chcąc uzyskać elektrownię z mocą 1000MW, potrzebna by była powierzchnia 50 km². Również ich sprawność jest niska, ponieważ wynosi 10% dla ogniw zawierających krzem polikrystaliczny, od 12 do 16% dla ogniw zawierających krzem monokrystaliczny, bądź 23% dla ogniw zawierających arsenek galu. Mimo to w kosmicznej technice fotoelektryczne ogniwa znalazły szerokie zastosowanie.

Ogniwa słoneczne, które przetwarzają słoneczną energię bezpośrednio do elektrycznej energii są nazywane fotowoltaicznymi (po angielsku- photovoltaic). Moc fotoelektrycznych elektrowni to od 2 do 10 000kW. Największa z nich to uruchomiona w roku 1984 Carissa Plain umiejscowiona w Kalifornii, która ma moc 6,5MW.

W planach jest również budowa kosmicznych elektrowni słonecznych, umieszczonych na geostacjarnych satelitach. Wykorzystano by fakt, iż słoneczne promieniowanie na orbicie satelity tego typu pozwala uzyskać przynajmniej 10 razy tyle energii, co na Ziemi. Ta energia, pod postacią ultrakrótkich fal, została by przesłana na Ziemię i tu przy użyciu falowników zamieniana do postaci prądu przemiennego. Brzmi to może chwilowo nierealnie, ale jest to przyszłościowa technika XXI w., a uruchomienie takich instalacji jest planowane na rok 2030.

Energia biomasy:

Kolejną metodą wykorzystania słonecznej energii jest fotosynteza, czyli asymilacja dwutlenku węgla pochodzącego z powietrza przez organizmy roślinne, wskutek czego zostaje wytwarzana energia biomasy.

CO₂ + H₂O = CH₂O + O₂

Powstająca biomasa może zostać bezpośrednio spalona, np. pod postacią drewna, bądź przetworzona na metan, czy metanol, lecz z takim samym przeznaczeniem.

Biomasa przetworzona do postaci odpadów zwierzęcych oraz rolniczych po sfermentowaniu ich przekształca się w biogaz, zawierający od 55 do 70% metanu. Jest on wykorzystywany w paleniskach, parnikach oraz kotłach wodnych, dzięki czemu dostarcza niezbędnego w rolnej gospodarce ciepła. Jeśli jest go dużo produkowane, może być wykorzystany jako paliwo napędzające średnioprężne silniki pracujące wg obiegu Otto, które są sprzęgnięte z generatorami elektrycznej energii. Ciepło z procesu chłodzenia silnika oraz odbierane ze spalinowych gazów może posłużyć do wytworzenia ciepłej wody, którą następnie można wykorzystać np. do przyspieszenia fermentacji biomasy. Eksperymentalne instalacje takiego typu wdrażane są w Polsce.

4. Energia morza:

Udział kontynentów w wodno-energetycznych zasobach Ziemi jest następujący:

• 22% - Afryka;

• 13% - Ameryka Południowa;

• 19% - Ameryka Północna;

• 2,1% - Australia;

• 20,9% - Azja;

• 12% - Europa;

• oraz 11% - obszar byłego ZSRR.

Do wytworzenia energii można również wykorzystać pływy morza, fale morskie i cieplną energię mórz. Przewiduje się także wykorzystanie energii pochodzącej z prądów oceanicznych.

Pływy morskie:

Przy odpowiednich warunkach topograficznych możliwym jest użycie pływów morza, to znaczy jego odpływów oraz przypływów. Wpływająca do morza rzeka (ujście rzeki) oraz jej wysokie brzegi umożliwiają zbudowanie zapory, która pozwala wpływać wodom morskim w dolinę rzeki w trakcie przypływu oraz wypłynięcie ich przez wodną turbinę w trakcie odpływu.

Korzystające z mocy pływów morskich elektrownie znajdują się we Francji (tu mieści się największa elektrownia tego typu), w Chinach, Kanadzie, Rosji, natomiast planowane jest zbudowanie kolejnych w Korei Południowej, Wielkiej Brytanii, Argentynie, Indiach.

Istotną zaletą jest szacowany na około 100 lat okres eksploatacji pływowych elektrowni. Mają jednak one również wady, jakimi są zasalanie ujścia rzeki, erozja brzegów w wyniku wahania się poziomu wody, utrudnienia wędrówki wielu ryb, szczególnie łososi.

Fale morskie:

Powstały dwa techniczne rozwiązania pozwalające na wykorzystanie energii morskich fal, które napędzają turbinki:

• wodne;

• powietrzne.

Pierwsze rozwiązanie, zwane Ocean Wave Column (OWC), polega na tym, że morska woda jest pchana przez kolejne fale i w ten sposób wpływa przez zwężającą się sztolnię do zbiornika umieszczonego na górze. Jeśli znajduje się w nim odpowiednia ilość wody, wtedy, przelewając się przez upust, napędza ona rurową turbinkę Kaplana, która to sprzężona jest z generatorem. Następnie, już po przepłynięciu poprzez turbinkę, woda powraca do morza.

Rozwiązanie drugie, zwane Multi-resonant OScillating Column (MOSC), wykorzystuje zbiornik, zbudowany na umieszczonej na morskim brzegu platformie. Fale, wylewając się na platformę (jej podstawę), powodują wypychanie powietrza do zbiornika (jego górnej części). Powietrze, które zostało przez morskie fale sprzężone, wprowadza w ruch napędzającą generator turbinkę Wellsa. Poniższy schemat przedstawia przykład zastosowania powietrznej turbinki w wykorzystującej energię morskich fal elektrowni (wyspa Islay, Szkocja):

1 - żelbetowa komora;

2 - przewód powietrzny;

3 - generator oraz turbina;

4 - przestrzeń powietrzna;

5 - kolumna wody (oscylująca);

6 - wlot;

7 - stalowe pale;

8 - piasek;

9 - skała;

10 - wylot;

11 - platforma.

Innymi sposobami na wykorzystanie energii z morskich fal mogą być tak zwane "tratwa" oraz "kaczka", przedstawione na poniższym schemacie:

a - "tratwa"

b - "kaczka"

1 - wodna turbina

2 - generator

"Kaczka" złożona jest ze stalowych części, które są połączone ze sobą przy użyciu zawiasów, które na falach mogą się poruszać. Ruch fal powoduje poruszanie tłoków pomp, które znajdują się w części środkowej "tratwy". Woda przez nie pompowana napędza turbinkę, która jest sprzężona z wytwarzającym elektryczną energię generatorem. Praca "tratwy" polega na korzystaniu z ruchu pionowego fal, natomiast "kaczki"- na korzystaniu z ruchu poziomego morskiej wody.

Energia cieplna oceanu:

Jeszcze innym sposobem pozyskania energii w morskiej wody jest tak zwana elektrownia maretermiczna, która wykorzystuje przemianę cieplnej energii oceanu (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC). Została ona przedstawiona na poniższym schemacie:

Elektrownia meretermiczna:

1 - skraplacz;

2 - propanowy kocioł;

3 - podmorski kabel.

Przemiana cieplnej energii oceanu polega na wykorzystaniu różnicy temperatury powierzchniowej oraz głębinowej wody morza lub oceanu. Możliwe to jest na obszarze równikowym, ponieważ morska woda na powierzchni ma temperaturę około 30^oC, natomiast na głębokości od 300 do 5000 metrów około 7^oC. Wykorzystanie tak dużej różnicy wiąże się z zastosowaniem roboczego czynnika (jest to amoniak, propan lub freon), parującego przy temperaturze występującej w wodzie powierzchniowej, a skraplającego się przy pomocy czerpanej z głębokości od 300 do 5000 metrów wody. Całość instalacji, łącznie z generatorem, umieszczona jest na platformie (pływającej), natomiast elektryczna energia dostarczana jest przy użyciu podmorskiego kabla. Wadą całego systemu jest proces korozji materiału w morskiej wodzie oraz osadzanie się morskich organizmów, które rozwijają się w wodzie ciepłej, na powierzchni wymienników ciepła. Elektrownia maretermiczna cechuje się sprawnością na poziomie 2,5%, jeśli występuje różnica w temperaturze rzędu 20^oC, bądź 6% przy 40^oC różnicy w temperaturze.

Ten typ źródła energii jest w zasadzie niewyczerpany, stale gotowy do wykorzystania, ponieważ w strefie równika różnice temperaturowe wody są praktycznie stałe, nawet pozostają niezależne od pory roku, czy doby.

Energię maretermiczną wykorzystuje się m.in. w Indonezji, Japonii, na Hawajach, Tahiti, wyspie Bali.

5. Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi (geotermicznej):

Energia pochodząca z wnętrza Ziemi, czyli energia geotermiczna, objawia się pod postacią gejzerów oraz tak zwanych gorących skał. Strukturę jej wykorzystania na świecie przedstawia poniższy wykres:

Gejzer jest erupcją gorącej wody lub pary wodnej z samego wnętrza Ziemi. Natomiast w celu wykorzystania gorącej skały, trzeba wywiercić w niej odpowiednie otwory, przez które następnie wtłacza się do środka Ziemi wodę zimną, by w zamian za to wypompowywać gorącą. Rozwiązanie tego typu ma tę zaletę, że geotermiczne ciepło jest osiągalne w zasadzie wszędzie, na całej rozciągłości skorupy ziemskiej, pod warunkiem występowania na dużej głębokości przepuszczalnych dla wody gorących skał osadowych. Wykorzystuje się ich ciepło, wywiercając dwa otwory. Przez pierwszy wtłacza się zimną wodę, na głębokość od 3 do 4 kilometrów, tymczasem z drugiego można wtedy czerpać wodę podgrzaną do 80 - 90^oC. Można by zapewne uzyskać nawet wyższą temperaturę wypompowywanej wody, wwiercając się otworami na większą głębokość, lecz problem ten wciąż czeka na technologiczne opracowanie. Dodać warto, że zjawisko takie przeważnie ma miejsce na obszarze jakiejś anomalii geologicznej.

Do produkcji elektrycznej energii wykorzystuje się energię geotermiczną cechującą się wyższym potencjałem temperaturowym, natomiast tę o niższym zwykle zużywa się w formie źródła ciepła służącego do ogrzania pomieszczeń.

Elektrownie geotermiczne mogą pracować bez kotłów (odpady i spaliny z kotłów powodują zanieczyszczenia środowiska), co jest ich zaletą. Z gejzerów wydobywa się zawierająca siarkowodór, dwutlenek węgla (w dużych ilościach) para wodna, bądź gorąca woda zawierająca chlorki, sód i potas, co wymusza stosowanie droższego obiegu pośredniego. Dodatkowo procesowi wydobywania się ze środka Ziemi pary towarzyszą dość głośne dźwięki.

Czasem w geotermicznej elektrowni stosuje się cykl binarny z zastosowaniem freonu, który wrze przy temperaturze -33^oC przy atmosferycznym ciśnieniu. Pary freonu napędzają turbiny. Tego typu rozwiązanie zastosowane jest w elektrowni geotermicznej na Kamczatce o mocy 11MW.

Zainstalowana w geotermicznych elektrowniach świata moc osiągnęła w roku 1990 poziom 8000MW. Największymi elektrowniami tego właśnie typu są:

• Geyers, Kalifornia (502MW mocy);

• Lardarello, Włochy (390MW mocy);

• Wairakei, Nowa Zelandia (290MW mocy);

• Cerro Prieto, Meksyk (75MW mocy).

Najstarsze elektrownie to Lardarello, pracująca od roku 1904 oraz Wairakei- od roku 1958.

Ostatnio, w odległości zaledwie 22 kilometrów od Wairakei, powstała elektrownia z mocą 122MW o nazwie Onaaki. Geotermiczne elektrownie znajdują się również w Japonii, Indonezji, Chinach, Islandii, na Filipinach.

Elektrownią, w której wykorzystywana jest energia z gorących skał jest Los Alamos (Nowy Meksyk). Wytwarza ona energię mocy 10MW, pompując wodę o temp. 200^oC z poziomu 4 kilometrów głębokości.

Wykorzystanie termalnych wód jest zależne od eksploatacyjnej temperatury (jest to temperatura złożowa, która jest pomniejszona o spadek temperatury zachodzący podczas procesu wydobywania na powierzchnię) oraz wydajności źródeł. Czynnikiem niekorzystnym jest zasolenie wód, gdyż w ten sposób zmniejszona zostaje wydajność źródła, a także zwiększony zostaje spadek temperatury w trakcie wydobywania. Do ogrzewniczych celów odpowiednie są wody o eksploatacyjnej temperaturze wynoszącej nie mniej niż 65^oC oraz zasoleniu nie większym niż 30 g/l.

Polska jest położona poza strefą aktywności tektonicznej oraz wulkaniczno-magmowej. Brak więc w naszym kraju złóż pary lub wody termalnej, które można by wykorzystać do wyprodukowania elektrycznej energii. Najcieplejszymi i zarazem najbardziej wydajnymi źródłami termalnych wód są w Polsce:

• otwór w Bańsku (okolice Nowego Targu), głębokość: 5,2 kilometra, ilość wydobywanej wody: 60 m³/h, temperatura eksploatacyjna: 72^oC, zasolenie: 3 g/l;

• otwór w okolicy Uniejowa, głębokość: 2 kilometry, ilość wydobywanej wody: 60 m³/h, temperatura eksploatacyjna: 69^oC, zasolenie: do 9 g/l;

• otwór w okolicy Koła, głębokość: 1,8 kilometra, ilość samo wypływającej wody: 80m³/h, temperatura eksploatacyjna: 60⁰C, zasolenie: do 9 g/l.

6. Generatory MHD (magnetohydrodynamiczne):

Metoda magnetohydrodynamiczna (MHD) bezpośredniego przetwarzania cieplnej energii w elektryczną energię polega na oddziaływaniu wzajemnym strumienia gazu, który jest zjonizowany oraz pola magnetycznego (stacjonarnego). Zachodzi to w temp. około 2700^oC, około 1000 m/s prędkości gazowego strumienia oraz indukcji magnetycznego pola wynoszącej od 2 do 6 T.

Aby jonizacja gazu była łatwiejsza, stosowany jest tak zwany posiew, to znaczy do gazu wprowadza się alkaliczne metale, które mają niski potencjał jonizacji (np. rubid, cez, sód, potas), w ilości od 0,1 do 1%. Z uwagi na fakt, że metale te są bardzo drogie, w momencie wypełnienia już przez nie ich zadania, zostają wprowadzane ponownie do obiegu.

Elektrownie z generatorami MHD mają sprawność od 50 do 60%, czyli wyższą o jakieś 15 - 25% od sprawności konwencjonalnych elektrowni. Stosuje się w nich paliwo pod postacią gazu ziemnego, ale w przyszłości stosowany ma być również węgiel. Stosuje się tutaj węglan potasu, by siarka ze spalin mogła zostać związana do łatwo usuwalnego siarczanu potasu. Ze względu na to metoda ta jest dla środowiska bardzo korzystna. Jednak ze względu na wysokie temperatury, powstają spore ilości tlenków azotu, obecnie przeprowadza się badania wykorzystania ich jako azotowych nawozów.

Elektrownie posiadające generatory MHD zużywają 1,5 razy mniej wody oraz 2,5 razy mniej przyczyniają się do zanieczyszczenia środowiska w porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami.

Po spełnieniu swej roli w generatorze typu MHD, strumień spalin (gorących) może swoje ciepło oddawać w parowym kotle, który to zasila turbinę, dzięki czemu tworzy się drugie ogniwo elektrowni (konwencjonalne). Generator MHD jest w tym przypadku instalacją czołową.

Największe elektrownie posiadające generatory MHD istnieją na terenie:

• Stanów Zjednoczonych (moc 50MW);

• byłego ZSRR (moc 25MW).

Interesującą ciekawostką jest estońska elektrownia, która eksperymentalnie pracuje na paliwie pod postacią zmielonych łupków bitumicznych (niemożliwych do spalenia przy zastosowaniu konwencjonalnych kotłów), wytwarzająca 2MW mocy.

7. Pompy ciepła:

Są to urządzenia pozwalające transformować ciepło z niskotemperaturowego źródła (tzw. dolne źródło ciepła) na energetycznie wyższy poziom (tzw. górne źródło ciepła). Technicznie nie jest możliwe wykorzystanie bezpośrednie dolnego źródła ciepła do celów grzewczych lub klimatyzacyjnych z uwagi na niski energetyczny poziom. Dopiero odpowiednia transformacja (pompowanie) ciepła przy użyciu pomp ciepła pozwala je wykorzystać.

Temperatura wody przy opuszczaniu pompy nie powinna być większa od 50^oC, dlatego system niskotemperaturowy (m.in. ogrzewanie podłogowe) wydaje się być najbardziej odpowiednim typem systemu ogrzewania. Takie ogrzewanie zapewnia uzyskanie komfortu grzewczego przy zasilaniu układu grzewczego czynnikiem o temp. od 30 do 40^oC. Dlatego też idealnym urządzeniem jest tutaj pompa cieplna. Wraz ze zwiększeniem oddającej ciepło powierzchni grzewczej, wzrasta udział promieniującego ciepła oraz jest oddawane ono w sposób tym bardziej równomierny. Promieniujące ciepło jest odczuwane jako przyjemne ciepło już przy 20^oC temperatury (uczucie podobne do tego przy innych rodzajach źródeł ogrzewania przy tej samej temperaturze 20^oC). Przy obniżeniu temperatury zaledwie o 2^oC można zaoszczędzić 10% grzewczej energii. Najlepszym sposobem na ogrzanie nowoczesnego, energooszczędnego domu jest więc połączenie podłogowego ogrzewania ze ściennym (umieszczone w ścianach grzewcze rury). Poziom bezpieczeństwa w ogrzewanym domu podnosi fakt, iż czynniki grzewcze używane w cieplnych pompach są w odniesieniu do ozonu obojętne, jak również są niepalne. W miejscach zainstalowania pomp ciepła może być suszone nawet pranie koloru białego, gdyż nie wydziela się ani sadza, ani trujące spaliny.

Używając pomp ciepła otrzymujemy ze środowiska zupełnie za darmo aż 75% energii, gdyż ponosimy jedynie koszt energii używanej do napędzania sprężarki (25% energii), co oznacza, że zużywając 1kW elektrycznej energii otrzymamy około 4kW cieplnej energii.

Grzewcza instalacja wykorzystująca pompy ciepła jest złożona z źródła ciepła dolnego (czyli WQA), górnego (czyli WNA) oraz pompy ciepła (czyli WP).

Działanie pompy ciepła sprężarkowej oparte jest na skorzystaniu z właściwości roboczego czynnika, czyli specjalnego płynu wypełniającego wewnętrzną instalację pompy. Płyn ten przepływa przez parownik, pobierając ciepło z wody lub gruntu (tzw. dolnych źródeł ciepła), przybiera postać gazu (paruje). Napędzana elektrycznym silnikiem sprężarka pompy spręża ogrzany gaz, równocześnie znacznie podnosząc jego temperaturę. Dochodzi do ochłodzenia przegrzanej pary i skroplenia w skraplaczu. Wtedy właśnie następuje proces oddania ciepła wodzie, a ta wypełnia grzejniki (tzw. górne źródła ciepła). W następnej kolejności ochłodzony płyn przepływa przez rozprężny zawór, w którym redukowane jest wysokie ciśnienie, wraca do parownika, a cały proces może ponownie się rozpocząć. Pompy ciepła wykorzystują niskotemperaturową energię geotermiczną i słoneczną, zakumulowane w wodach podziemnych i gruntach (dolne źródła ciepła), by następnie przekazać cieplną energię już o wyższej temperaturze (nawet wynoszącej 60^oC) instalacjom centralnego ogrzewania oraz ciepłej wodzie użytkowej (górne źródła ciepła).

W przypadku przemysłowych instalacji dolnym źródłem ciepła może również być towarzyszące przeróżnym technologicznym procesom ciepło:

• zgromadzone w ściekach (oczyszczalnie ścieków);

• zakumulowane w porafineryjnych ściekach (rafinerie naftowe);

• nagromadzone w kopalnianych wodach (kopalnie węgla);

• pochodzące ze schładzania mleka (mleczarnie).

Pompy ciepła mogą mieć różne zastosowania, m.in. do:

• ogrzewania budynków jedno- i wielorodzinnych;

• ogrzewania budynków komunalnych (np. szkoły, szpitale);

• ogrzewanie obiektów sakralnych;

• przygotowywania użytkowej wody ciepłej;

• do różnych celów w warzywnictwie, ogrodnictwie oraz rekreacji;

• do służenia jako klimatyzator;

• może wykorzystywać odpadowe ciepło z technologicznych procesów.

Ojczyzną pomp ciepła jest Szwajcaria, gdzie jeszcze przed II wojną światową były one stosowane. Po wojnie rozpowszechniły się one w Stanach Zjednoczonych, lecz prawdziwy renesans pomp ciepła nastąpił po 1973 roku, czyli po energetycznym kryzysie, ze względu na wysoką, dochodzącą do 30%, oszczędność paliwa uzyskiwaną dzięki stosowaniu tych urządzeń.

Inwestycyjny koszt pomp ciepła jest wyższy od tego przy konwencjonalnej, opalanej węglem, gazem lub olejem instalacji, jednak eksploatacyjne koszty są sporo niższe (stanowią nawet tylko 30% eksploatacyjnych kosztów występujących przy konwencjonalnych instalacjach). Zainstalowanie pompy ciepła jest droższe o 30 do 40% od zainstalowania olejowego o takiej samej mocy, lecz zmniejszone wydatki na kupno paliwa powodują wyrównanie różnicy nakładu inwestycyjnego już po 4 do 6 latach.

Najważniejszą zaletą pomp ciepła jest wykorzystywanie odpadowego ciepła o temp. 20 - 30^oC, pochodzącego z przeróżnych technologicznych procesów, przeważnie bezużytecznie traconego. Dla środowiska pompy ciepła są korzystne, ponieważ nie potrzebując spalania kopalnianych paliw, nie powodują jego zanieczyszczenia żadnymi produktami spalania ich. Same pompy pracują cicho oraz nie wydzielają przy tym żadnych zanieczyszczeń.

Obecnie pompy ciepła są stosowane przy ogrzewaniu całych dzielnic w miastach. Przykładowo osiedle Ropsten w Sztokholmie, zamieszkane przez 100 tysięcy osób, ogrzewane jest przy użyciu pomp ciepła, które wykorzystują ciepło morskiej wody. W czasie zimy wodę sieciową dodatkowo podgrzewa elektrociepłownia Vätran. W mieście Väseras znajdującym się w Szwecji pracuje, wykorzystując pochodzące ze ścieków morskich ciepło, pompa ciepła z mocą 12MJ/s. W 1989 roku na terenie Szwecji pracowało aż 110 tysięcy pomp ciepła, do dnia dzisiejszego ich liczba na pewno znacząco się powiększyła.

8. Ogniwa paliwowe:

Ogniwa paliwowe zdają się być przyjaznym środowisku, produkującym energię elektryczną z węglowodorowych paliw napędem przyszłości. Uzyskiwany z paliwa tego typu gaz, zawierający dużo wodoru, odprowadzony jest do anody w ogniwie paliwowym, zaś do katody podąża tlen pochodzący z powietrza. Dochodzi do reakcji tlenu i wodoru z elektrolitem, w którym dzięki jonowej przewodności płynie prąd, którego zewnętrzny obwód zamyka odbiornik.

O₂ + H₂O = 4OH^- - 4e^-

2H₂ + 4OH^- = 4H₂O + 4e^-

Ogniwo paliwowe bezustannie pracuje, pod warunkiem stałego doprowadzania tlenu i wodoru do elektrod.

Paliwowe ogniwa kwalifikowane są zależnie od typu używanego w nich elektrolitu. Temperatury, w jakich zachodzą reakcje, zależą od rodzaju elektrolitu. Ogniwa paliwowe mogą być połączone z elektrolitami: polimerowymi, alkalicznymi, pod postacią fosforowego kwasu, ciekłych węglanów potasu i litu, stałego utleniacza, dzięki czemu mogą pracować w zakresie temperatur od 80 do nawet 1000^oC.

Już w roku 1960 rozpoczęły pracę pierwsze paliwowe ogniwa. Podstawową zaletą paliwowych ogniw jest wysoka sprawność w wytwarzaniu elektrycznej energii oraz znikoma uciążliwość dla środowiska. Porównując ogniwa paliwowe z opierającymi się o spalanie paliwa technologiami ich emisja SO₂, NO_x, CO oraz węglowodorów i cząstek stałych jest wręcz ekstremalnie niska. Pozostałymi zaletami są: w zasadzie dowolna oraz nie wymagająca zbyt wiele miejsca lokalizacja, bardzo cicha praca, dzięki czemu można umieszczać je nawet w centrum miast, powodując zmniejszenie nakładów na rozdzielcze i przemysłowe sieci, łatwa, szybka oraz ekonomiczna budowa, która wynika z systemu modułowego, niskie potrzeby wodne oraz duża łatwość w rozbudowie.

Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe można, przy współpracy z gazowymi i parowymi turbinami, stosować do wytwarzania pary technologicznej lub ciepłej wody. Sprawność elektrociepłowni tego typu wynosiła będzie od 75 do 86%. Przewidywana jest wspólna praca elektrowni z paliwowymi ogniwami oraz zakładów zgazowania węgla, dostarczających niezbędne paliwo.

W Europie, Japonii i Ameryce rozpoczyna się właśnie wielki wyścig największych światowych koncernów samochodowych w testowaniu samochodów napędzanych właśnie przy użyciu tak nowatorskiego sposobu, jakim są ogniwa paliwowe.

Jeden z takich koncernów, Ford, już może zaoferować Forda Focus oznaczonego FCEV Hybryd, który to właśnie jest napędzany paliwowym ogniwem. Kierujący pojazdem może usłyszeć w trakcie jazdy charakterystyczne brzęczenie, oznaczające pracę elektrycznego silnika, zaopatrywanego w prąd dzięki zastosowaniu specjalnego modułu paliwowego ogniwa oznaczonego Mark 902 oraz akumulatora. Samochód ten do użytku codziennego nadaje się, choć zajmujący aż połowę bagażnika bak gromadzący wodór, który dość brutalnie przypomina, iż jest to wciąż tylko prototyp.

Coraz większego tempa nabiera rywalizacja między największymi koncernami w walce o pozycję technologicznego lidera na rynku przyszłości. Japońskie koncerny, rywalizujące już ze sobą od lat, czyli Toyota i Honda, nie zważając na koszty próbują zyskać przewagę, by ostatecznie wygrać walkę o klientów. Zostało nawet już przedstawione przez Toyotę japońskiemu ministerstwu gospodarki, handlu i przemysłu pierwsze siedem, wyposażonych w paliwowe ogniwa, terenowych samochodów, oznaczonych symbolem FCHV. Zebrane do tej pory opinie na temat tego samochodu są przychylne. Podobno prowadzi się go równie dobrze, co inne terenówki, dodatkową zaś jego zaletą jest niewiarygodnie cicha praca silnika.

Działalność Japończyków wymusza większą efektywność innych koncernów, jak Daimler Chrysler, w samochodzie którego po raz pierwszy w ogóle (na świecie) wypróbowano napędzanie ogniwem paliwowym. W Europie pościg za Stanami Zjednoczonymi i Japonią dopiero się rozpoczyna. Kilka miliardów euro ma zostać przeznaczone przez Unię Europejską na rozwój tej techniki przyszłości oraz testy różnego rodzaju. Mimo usilnych starań samochodowe koncerny nadal pozostają daleko od uzyskania rentowności przy produkcji "samochodów przyszłości", choć poczynione postępy w rozwijaniu technologii paliwowych ogniw są imponujące.

Pierwszy wyposażony w paliwowe ogniwo Mercedes, z roku 1994, nazwany Necar, był doskonałą ilustracją zasady "jeżdżące laboratorium". Był on praktycznie cały naszpikowany techniką, a ogromny bak na wodorowe paliwo przewyższał swym rozmiarem kierowcę. Sam samochód potrafił rozwinąć prędkość maksymalną 90 km/h. Dziś niezbędne wyposażenie można zmieścić w normalnych rozmiarach pojazdu. Współczynniki sprawności napędu zostały zwiększone o więcej niż 70%. Jest to, zaraz obok niewielkiego wydzielania substancji szkodliwych, najważniejszy chyba argument opowiadający się za stosowaniem paliwowych ogniw. Dla porównania, oszczędny diesel bezużytecznie przetwarza w ciepło oraz spaliny więcej niż 80% swojego paliwa, natomiast samochód napędzany ogniwem paliwowym spala w ten sposób już jedynie 40% paliwa.

Pomimo niezaprzeczalnych sukcesów przed inżynierami jest jeszcze długa droga pełna ciężkiej pracy zanim zdołają opracować zasilane paliwowymi ogniwami, nadające się do masowej produkcji, pojazdy. Samochody takie muszą stać się przede wszystkim lżejsze, tańsze oraz w dużo większym stopniu niezawodne. Zdecydowanie jeszcze jakiś czas będzie trzeba poczekać na możliwość wyboru w samochodowym salonie pomiędzy samochodem z benzynowym silnikiem, bądź typu diesel a tym napędzanym paliwowym ogniwem. Jednak obiecujące rozwiązania w tej dziedzinie mogą być bardziej realne, nieodległe czasowo i osiągalne niż może się nam to na pierwszy rzut oka wydawać.

9. Wodór jako paliwo przyszłości:

Wodór jest idealnym paliwem, ponieważ podlega on procesowi spalania nie prowadząc do zanieczyszczenia środowiska, a dając wodę w efekcie. Może być łatwo magazynowany pod postacią gazową, ciekłą, bądź stałą (jako wodorek metalu) oraz przesyłany rurociągami, podczas czego straty w przesyle są dużo mniejsze niż w przypadku przesyłania elektrycznej energii. Niestety, przy uzyskiwaniu wodoru klasyczną metodą elektrolizy energii zużywane jest więcej niż jest otrzymywane ze spalania go. Dlatego podejmowane są próby uzyskania wodoru dzięki zastosowaniu elektrolizy pary wodnej nasyconej w temperaturach od 900 do 1000^oC (stosowany jest wtedy stały elektrolit zamiast ciekłego).

Termoliza wody to proces rozpadu jej do wodoru i tlenu, zachodząca przy ogromnie wysokiej temperaturze 2500^oC. Termochemiczną metodą można pozyskać z wody wodór już przy 800^oC. Taką temperaturę osiąga się w wysokotemperaturowym reaktorze jądrowym. Cieplna sprawność z uzyskiwania wodoru przy użyciu tej metody to 40 - 50%. Jest więc ona większa od cieplnej sprawności pozyskiwania elektrycznej energii przy pomocy reaktora wodnego jądrowego. Uważa się, iż możliwe jest uzyskanie sprawności cieplnej wynoszącej około 85%.

Porównując do gazu ziemnego wodór charakteryzuje się większą wartością opałową, jak i większą lotnością, co pozwala na zwiększenie przepustowości rurociągu dzięki możliwości zastosowania wyższej (od prędkości gazu) prędkości wodoru, a co za tym idzie zwiększa się znacznie ilość ciepła przesyłanego podczas trwania jednej jednostki czasu. Jednak większa lotność oznacza również nieco wyższe straty ponoszone zarówno w rurociągach, jak i zbiornikach.

W przemyśle chemicznym oraz metalurgicznym łatwo można przestawić technologie w kierunku wykorzystania w roli nośnika energii wodoru, zastępując nim gaz ziemny. Również napędzanie różnego rodzaju pojazdów, środków transportu może zostać oparte na wodorze. Proces spalania wodoru przeprowadzany może być bezpośrednio, w kotle (paliwo gazowe) lub przy użyciu ogniwa paliwowego. Ten drugi sposób spalania wodoru jest znacznie bardziej efektywny. Wodorowe elektrownie przyszłości będą więc korzystały z ogniw paliwowych.

Większa część wytwarzanego wodoru zużywana jest już na miejscu, czyli w rafineriach, w celu poprawienia jakości naftowych produktów, dlatego też nie pojawia się na rynku. Cena wyprodukowania w rafinerii wodoru, pomijając koszt transportu, obecnie wynosi 0,70 USD za kilogram, natomiast osiąga ona poziom 2 -3 USD za kilogram w momencie dodania do tego nakładów na skroplenie oraz przetransportowanie. Tymczasem cena wytworzenia wodoru w elektrowni jest od 3 do 10 razy droższa.

Największą ilość wodoru uzyskuje się z ziemnego gazu. Reforming z udziałem pary wodnej i metanu zachodzi w temp. 1100^oC i przy obecności katalizatora, natomiast powstają w jego wyniku wodór oraz dwutlenek węgla. Identyczne gazowe produkty otrzymać można przeprowadzając reakcję koksu (węgla) z parą wodną. Również w celu uzyskania wodoru stosowana jest wciąż udoskonalana technologia zgazowania węgla, która łączona jest z sekwestracją wydzielającego się dwutlenku węgla. Do pozyskiwania wodoru z organicznych paliw wymagany jest znaczny nakład kapitału oraz energii. Pewną część paliwa trzeba spalić bez wydzielania wodoru, by uzyskać niezbędną temperaturę. Co prawda stosowane jest także utlenianie częściowe ziemnego gazu, czyli egzotermiczna reakcja, jednak proces ten jest kosztowny oraz nie jest w stanie zapewnić odpowiedniej czystości powstającego wodoru. Dość poważne trudności związane są w tym procesie z wydzieleniem ze strumieni produktów gazowych wodoru. Do tego celu stosowane są różne kosztowne membrany, ale są one mało wydajne. Kolejną metodą, którą stosuje się do otrzymywania wodoru na przemysłową skalę, jest zgazowanie odpadów rolniczych i drzewnych, czyli ogólnie mówiąc biomasy. Podgrzewając we właściwych warunkach biomasę, ta ulega przemianie do gazu syntezowego, który złożony jest głównie z tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO₂ oraz wodoru H₂. Jednakże z uwagi na aspekty ekonomiczne tej technologii, póki co nie jest ona szeroko stosowana. Testowana jest obecnie metoda fotoelektrolityczna, w której słoneczne światło jest wykorzystywane do rozkładania wody na składniki gazowe. Odbywa się to w przypominającym umieszczone w wodzie fotowoltaiczne ogniwo układzie. Proces rozszczepiania cząsteczek wody jest prowadzony przez półprzewodnik, pobudzany przez promienie świetlne. Dobrze rokującą na przyszłość jest próba wykorzystania niektórych gatunków roślin i glonów w przypominających fotosyntezę procesach.

Z uwagi na duże chęci stosowania wodoru jako źródła czystej energii, jak i na wzrastający poziom jego zużycia w wielu dziedzinach przemysłowych (np. w przemyśle chemicznym) należy intensywnie poszukiwać bardziej tanich oraz jeszcze wydajniejszych technologii i sposobów na pozyskiwanie go. Dużym postępem wydaje się być opatentowana w 2000 roku metoda katalitycznego rozkładu wody, bądź mieszaniny wodnej pary z gazami. Używa się w tym celu kompozytowych katalizatorów (metalowo-ceramiczne) i membran przewodzących zarówno protony, jak i elektrony, które są prostym i zarazem wydajnym urządzeniem wytwarzającym oraz separującym wodór. W rozwiązaniu tym woda rozszczepiana jest jednoetapowo do składników gazowych, wydzielany jest wodór. Jego protony mogą przenikać przez membranę w ścianie reaktora, dzięki czemu jeszcze bardziej zwiększone jest powstawanie tego gazu. Do rozkładu wody dochodzi na powierzchni metalowych płyt (wykonane np. z miedzi, nikielu, platyny, srebra, wanadu, złota, żelaza). Ważną zaletą tej technologii jest duża dostępność, w dodatku taniego, surowca - wody. Kolejne korzyści to niższe nakłady inwestycyjne, czy eksploatacyjne (dzięki obniżeniu temperatury całego procesu do poziomu od 600 do 900^oC). Dodatkowo wskutek stosowania tego rozwiązania technologicznego nie powstają uciążliwe produkty uboczne, tymczasem poza wodorem możliwe jest dzięki niej wytworzenie także tlenu w czystej postaci.

Nad pytaniem czy "zatankujemy" wodór zastanawiali się dr inż. Jakubiec oraz mgr inż. Wysopal z Instytutu Technologii Nafty mieszczącego się w Krakowie. Powszechnie jest wiadome, że współcześnie podstawowe źródło energii napędzające pojazdy stanowią paliwa bazujące na ropie naftowej, czyli benzyna oraz olej napędowy. W niedalekiej przyszłości zostaną one zastąpione substytutami, to nie ulega wątpliwości. Szkodzą środowisku, ich zasoby są ograniczone, chcąc nie chcąc należy poszukać paliw alternatywnych. Szacuje się, iż do 2020 roku minimum 20% zużywanych do celów transportowych paliw będą stanowiły alternatywne paliwa. Duże znaczenie ma tu polityczna strategia, która zakłada konieczność, jeśli niecałkowitego, to przynajmniej częściowego uniezależnienia od ropy. Do chwili obecnej szerokie zastosowanie praktyczne osiągnął propan-butan, ostatnio preferowany jest gaz ziemny, tymczasem wodór, mimo że nadal istnieją pewne techniczne trudności w zastosowaniu go, mógłby stać się paliwem już najbliższej przyszłości.

Na chwilę obecną wodór stosuje się szeroko w rafineriach, w chemicznych procesach (pozyskiwanie silnikowych benzyn oraz olejów napędowych). Prognozowane jest, że w momencie wyczerpania się zasobów ropy naftowej, to właśnie wodór będzie podstawowym paliwem silnikowym. Wodór jest paliwem odnawialnym, jego zasoby są w zasadzie nieograniczone. Podobnie do prądu elektrycznego jest to nośnik, a nie źródło energii. Nie występuje on w wolnym stanie prawie w ogóle, tylko pod postacią zawierających wodór chemicznych związków.

Jednak otrzymywanie wodoru stanowi problem, ponieważ jest on bardzo reaktywny i występuje pod wieloma postaciami: wody, wodorków, węglowodorów itd. Także potrzebne jest dostarczenie energii, choć może to być np. energia wiatru, wody, czy Słońca. Przyszłościowe jest pozyskiwanie wodoru ze słonecznej energii w dwustopniowym procesie. Pierwszym jest przemiana słonecznego światła do elektrycznej energii dzięki rozbudowanemu systemowi baterii słonecznych ogniw. Drugi wykorzystuje pozyskaną energię do wytworzenia wodoru podczas powodującej rozpad wody elektrolizy. Jednak niezbędna jest tu bardzo wysoka temperatura, ponieważ do bezpośredniego rozpadu wody do wodoru i tlenu potrzebne jest uzyskanie 2730^oC. Możliwe jest to w jądrowym reaktorze lub słonecznym kolektorze, posiadającym soczewki skupiające w ognisku światło. Na dzień dzisiejszy metody te są zbyt kosztowne, porównując z najtańszą metodą pozyskiwania wodoru z ziemnego gazu. Są one jednak przyjazne środowisku oraz zapewniają dobrą perspektywę dla wykorzystania wodoru.

Duże nadzieje wiązane są z wytwarzaniem wodoru dzięki wykorzystaniu biomasy. Jest ona produktem wyjściowym dla termo-chemicznych, bądź biologicznych procesów. Biomasą są wszystkie odpadowe produkty rolnictwa, ale także hodowane specjalnie rośliny o dużych przyrostach. Oczywiście, uzyskana z biomasy energia musi być większa od tej potrzebnej do jej produkcji. Wykorzystanie energetyczne biomasy oraz paliw odpadowych to w chwili obecnej najprężniej rozwijający się w Polsce sektor odnawialnej energii.

Tak, czy inaczej, już dziś wiek XXI nazywa się wiekiem wodoru.

10. Zakończenie:

Wszystkim przedstawionym powyżej nowym, alternatywnym technologiom pozyskiwania elektrycznej energii można przypisać następujące wspólne cechy:

• mają znikomy lub wręcz brak ich wpływu na środowisko, są dla niego nieuciążliwe;

• obecnie są na etapie intensywnego rozwoju, dlatego można śmiało oczekiwać coraz większej sprawności w wytwarzaniu elektrycznej energii;

• uzyskiwana przy ich zastosowaniu moc jest na razie niewystarczająca do odegrania kluczowej roli w zaspokajaniu potrzeb energetycznych;

• poważną barierą ich powszechnego zastosowania jest koszt, niektóre są nawet 10 razy droższe od tradycyjnie stosowanych technologii.

W tabeli poniżej zostało przedstawione porównanie sprawności oraz dyspozycyjności stosowanych dotychczas oraz nowych technologii, rozwiązań i źródeł pozyskiwania elektrycznej energii oraz kosztów inwestycyjnych (jednostkowych):

Szacowane jest, iż w roku 2020 elektryczna energia pozyskiwana przy zastosowaniu tych metod będzie pokrywać zaledwie 15% zapotrzebowania światowego. Należy jeszcze trochę poczekać, by XXI wiek stał się epoką alternatywnych metod pozyskiwania energii elektrycznej, ale prędzej czy później fakt ten się dokona.

Literatura:

1. Tadeusz Bartkowski - "Kształtowanie i ochrona środowiska człowieka", PWN, Warszawa 1991 r. (wyd. piąte zmienione);

2. Jerzy Kucowski, Damazy Laudyn, Mieczysław Przekwas - "Energetyka a ochrona środowiska", Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 1997 r. (wyd. czwarte);

3. Strony internetowe:

   • http://www.elektrownie.tanio.net/

   • http://www.energiazwiatru.w.interia.pl/

   • http://scholaris.pl/

   • http://www.gigawat.net.pl/