Dr inż. A. Sowiżdżał, p.120 D7, konsultacje: wtorek 9:30-10-30, [e-mail]

Wykład 1

4 podstawowe zasady, które warunkują harmonijny rozwój:

• I zasada: produkowanie energii nie szkodzącej, a sprzyjającej środowisku – bez emisji CO2 oraz innych gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń

• II zasada: oszczędzanie i racjonalne użytkowanie energii

• III zasada: użytkownik powinien płacić nie tylko za cenę energii, ale również za jej wpływ na środowisko

• IV zasada: ekonomiczne użytkowanie energii poprzez nie produkowanie produktów zużywających więcej energii niż to jest konieczne lub nadmierne zanieczyszczenie środowiska

Jak wiadomo z fizyki, energię charakteryzuje stan ciała pod względem jego zdolności do wykonywania pracy, zmiany energii na jej postać użytkową, czyli ciepło, energię mechaniczną, światło czy dźwięk – dokonuje się w tzw. odbiornikach energii, a więc w piecach, silnikach, lampach, itp.

Energia- wielkość fizyczna charakteryzująca zdolność układu do wykonania pracy. W praktyce energia jest pojęciem bardzo ogólnym.

Jednostką energii jest dżul [J]. W praktyce 1J to bardzo mała ilość energii.

Jednostki energii:

• DŻUL – odpowiada ilości energii jaką zużywa urządzenie o mocy jednego wata (1W) w czasie 1 sekundy (1J=1w*1s – energia cieplna)

• kWh – kilowatogodzina odpowiada ilości energii jaką zużywa przez godzinę urządzenie o mocy 1000 watów, czyli 1 kilowata [kW] (energia elektryczna)

wielkość fizyczna jednostka

praca → Dżul

energia → kWh

moc → Wat

Praca A w jednostkach czasu t jest nazywana mocą, czyli

P=A/t A=Pt

W układzie Si energię wyraża się w dżulach, a moc w watach.

1kWh=1000W*3600s=3,6MJ

1J=1W*s=0,239 cal

1J=1N*1m*s^-2=1W*s

W krajach opierających swoją gospodarkę energetyczną przede wszystkim na paliwach ciekłych jest w użyciu jednostka praktyczna pod nazwą tona ekwiwalentna ropy naftowej (1tep) o wartości opałowej:

1tep=44GJ=10,5Gcal

1tce – tona ekwiwalentna węgla

1kcal=4,1686kJ

1kcal=3,968Btu

1kJ=0,2389kcal

1kJ=0,948Btu

1Btu=1,055kJ

1Btu=0,252kcal

Do najważniejszych zalet istniejących energooszczędnych technologii zalicz się ich niezawodność oraz krótki okres zwrotu inwestycji. Umożliwiają one oszczędzanie energii oraz ograniczanie oddziaływania na środowisko bez szkody dla rozwoju gospodarczego.

Przewiduje się, że łączna wartość inwestycji z dostawy energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w latach 2007-2030 wyniesie 5,5 bln dolarów. W efekcie wielkość światowego wytwarzania energii z odnawialnych źródeł ma wzrosnąć dwukrotnie do 2030r.

Odnawialne źródła energii- definiowane są często jako źródła energii, których wykorzystywanie nie wiąże się z długofalowym zmniejszaniem zasobów. Poszczególne źródła energii odnawialnej bardzo różnią się od siebie z tego względu trudne jest podanie 1 precyzyjnej definicji.

Odnawialne źródła energii:

• energia słoneczna

• energia wiatru

• energia geotermalna

• biomasa

• energia wody:

- pływów i prądów morskich

- fal

- spadku wód

SŁOŃCE ZIEMIA KSIEŻYC

Energia słoneczna energia geotermalna energia pływów

Spadku wód biomasa energia wiatru energia fal

Rodzaje zasobów OŹE:

• zasoby teoretyczne

• zasoby techniczne

• zasoby ekonomiczne

• zasoby rynkowe

Energia pierwotna = suma energii zawartej w pierwotnych nośnikach energii

Energia końcowa = ilość energii użytecznej faktycznie wykorzystanej

energia strata strata strata energia

pierwotna pozyskania przetworzenia przesyłu końcowa

Wykład 2

Łączny efekt cieplarniany:

• para wodna 66±?%

• CO₂ 29±2,1%

• pozostałe gazy cieplarniane 5±8%

Skutki efektu cieplarnianego:

• Globalne ocieplenie klimatu

Może spowodować podwyższenie poziomu mórz w wyniku topnienia lodowców i lodów polarnych. Ocieplenie tylko o 5^oC wystarczy żeby roztopić lody Grenlandii i Antarktydy, co spowoduje podniesienie poziomu mórz o ok. 60cm od obecnego poziomu.

• Wędrówka stref klimatycznych

Przesuniecie stref klimatycznych w kierunku biegunów.

• Wzrost zawartości ozonu, który jest szkodliwy dla zdrowia

Kwaśne deszcze:

• To popularna nazwa efektu zanieczyszczenia powietrza gazami, które w wyniku reakcji z wodą atmosferyczną tworzą kwas

• Kwaśne zanieczyszczenia powietrza mogą powstawać nie tylko w deszczu, ale mogą występować jako kwaśna mgła, czy też śnieg

• Kwaśne zanieczyszczenia powietrza spowodowane są przede wszystkim przez związki siarki z tlenem (70%), tlenki azotu (30%), węglowodory, ozony

Dziura ozonowa – obniżona zawartość O₃ w warstwie ozonowej, powoduje wzrost przenikania szkodliwego promieniowania ultrafioletowego.

Do zmniejszenia zawartości ozonu w ochronnej warstwie atmosfery przyczyniają się freony (CF₃) oraz związki azotu.

Naturalnym źródłem związków, które rozkładają ozon w atmosferze są wulkany.

CF₃ ma szerokie zastosowanie w produkcji lodówek, zamrażarek, klimatyzatorów, dezodorantów.

Polska jako kraj członkowski UE jest sygnatariuszem wielu aktów normatywnych regulujących cele i obowiązki w dziedzinie gospodarki energetycznej z wykorzystaniem źródeł energii odnawialnej:

• Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy (2001, 2003, 2009)

• Biała Księga (1997)

• Zielona Księga (2001)

Ustalone w dyrektywach UE cele ogólne dotyczące udziału źródeł odnawialnych w ogólnym zużyciu brutto dla Polski wynoszą 7,2% w 2005r i 15% w 2020r, dla porównania Szwecja 39% w 2005 i 49% w 2020.

Założenia rozwoju energii uzyskiwanej ze źródeł odnawialnych dla Polski określone zostały w „Strategii rozwoju energii odnawialnej” (23.08.2001)

Energia odnawialna jest to energia uzyskiwana z naturalnych powtarzających się procesów przyrodniczych.

Występujące jej formy wywodzą się bezpośrednio z promieniowania słonecznego lub ciepła generowanego głęboko w Ziemi.

Cały sektor energetyczny:

• 57% ciepło – w tym 12% ze źródeł odnawialnych (95% z biomasy)

• 23% transport – w tym 4,3% ze źródeł odnawialnych (100% biopaliwa pierwszej generacji)

• 20% energia elektryczna – w tym 5,5% ze źródeł odnawialnych

Ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w poszczególnych technologiach OŹE:

2010r cel na 2020r

• Elektrownie wodne 27% 9%

• Biomasa (stała i biogaz) 17% 47%

• Elektrownie wiatrowe 56% 44%

Cele wskaźnikowe:

• Strategiczne cele określone w „Polityce energetycznej Polski do 2005r”, jakimi było osiągniecie w 2010r 7,5% udziału OŹE w bilansie energii pierwotnej oraz 7,5% udziału energii elektrycznej brutto zostały zrealizowane częściowo

• Zgodnie z danymi GUS udział energii ze źródeł odnawialnych w energii pierwotnej ogółem już w 2008r wyniósł 7,6%, a w 2010r 10,2%

• W latach 2008-2010 udział energii elektrycznej wytworzonej z OŹE w zużyciu energii elektrycznej brutto (4,23% do 6,98%) był niższy od celów wskazujących w Reformie

Bezpieczeństwo energetyczne – to jedna z najważniejszych idei Zjednoczonej Europy, kształtująca nie tylko decyzje w polityce wewnętrznej państwa, ale również decyzje podejmowane w ramach polityki zagranicznej.

Kluczowe czynniki trwałego rozwoju nowoczesnego państwa:

• Swobodny dostęp do surowców energetycznych (których znaczenie wobec zmian w gospodarce stale rośnie)

• Pewność ich dostaw

Gwarancje dostaw surowców są istotne nie tylko w wymiarze politycznym, czyli na poziomie porozumienia państw eksportujących surowce energetyczne z państwami importującymi niezbędne paliwa.

Bezpieczeństwo energetyczne

Dywersyfikacja liberalizacja rynku magazyny

źródeł kierunków dostawców

energii dostaw

Prowadzenie skoordynowanych działań w obszarze energetyki i środowiska jest nie tylko wskazane ale i konieczne.

Polska energetyka była, jest i będzie w przewidywanej przyszłości oparta na węglu. W dziedzinie środowiska zaszły ostatnio znaczące zmiany.

Wykład 3

ENERGIA WIATRU

Wiatr:

• W meteorologii wiatrem nazywamy poziomy ruch powietrza wywołany różnicą ciśnienia atmosferycznego

• Poza siłą związaną z różnicą ciśnienia (gradientem) istotny wpływ odgrywa siła Coriolisa i siła odśrodkowa a ponadto w warstwie granicznej siła tarcia dynamicznego o podłoże oraz tarcia wewnętrznego warstw atmosfery

Wpływ podłoża:

• Powyżej tzw. warstwy granicznej (1-1,5km) przepływ powietrza ma na ogół laminarny charakter

• Wyjątkiem są strefy gdzie występuje turbulencja (związana najczęściej z obecnością chmur)

• Przy ziemi przepływ powietrza jest silnie turbulentny co znacznie utrudnia pomiary wiatru jak wykorzystanie go jako źródło energii

• Średnia globalna prędkość wiatru na wysokości 10m: 6,4 m/s

• Przy czym 7,1 m/s na półkuli południowej

• 5,7 m/s na półkuli północnej

• Średnia prędkość wiatru nad lądem: 4,3 m/s

• Średnia prędkość wiatru nad morzem: 7,2 m/s

• Średnia prędkość wiatru w Polsce: 4,6-4,7 m/s

Czym jest wiatr?

Pod pojęciem wiatru rozumie się ruchy powietrza wynikające z rotacji kuli ziemskiej, nierównomiernego nagrzewania przez Słońce dużych obszarów powierzchni Ziemi oraz zróżnicowanej absorpcji promieniowania słonecznego przez ląd i morze.

Energia wiatru:

E=$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}$ρv³t [Wh/m²] ρ - gęstość powietrza [kg/m³]

v – prędkość wiatru [m/s]

t – czas trwania danej prędkości wiatru [h]

Wpływ gęstości powietrza na energię wiatru:

• Niemal wszystkie opracowania zasobów energetycznych wiatru pomijają zmienność gęstości powietrza

• Uwzględnienie tego efektu prowadzi do zmian energii wiatru nawet o 10%

• Gęstość powietrza zależy od temperatury powietrza oraz ciśnienia i tak rośnie ze wzrostem ciśnienia i spadkiem temperatury

• Dlatego moc wiatru ze względu na zmienności gęstości powietrza jest największa zimą zaś najmniejsza latem gdy temperatura jest najwyższa a ciśnienie najniższe

Prędkość wiatru a moc elektrowni wiatrowych:

Moc wiatru: P=$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}$ρv³ ρ - gęstość powietrza (1,25 kg/m³ – średnia wartość w Polsce)

v – prędkość wiatru

Energia wiatru: E=$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}$ρv³t , ρ=$\frac{p}{287T}$

Dane meteorologiczne:

• Standardowe pomiary na wysokości 10m prowadzone przy pomocy różnego rodzaju wiatromierzy

• Dopiero w latach 90-tych zaczęto zastępować wiatromierze typu Wilda anemometrami elektronicznymi

• Wartości uśrednione w przedziale 10 min

• Dostępne z maksymalną rozdzielnością co 1 godz.

• Na większości posterunków meteorologicznych pomiary wiatru wykonuje się 3 razy na dobę

• Jedynie na około 60 stacjach w Polsce obserwacje prowadzone są (były) w sposób ciągły

• Dane ze stacji meteorologicznych są własnością IMGW

• Za dane trzeba słono płacić

Pomiar energii wiatru:

• Okres rejestracji danych nie krótszy niż 12 miesięcy, nie licząc okresów z lukami pomiarowymi

• Właściwy dobór instrumentów i systemów pomiarowych

• Udostępnienie właściwie pomierzonych danych wiatrowych ekspertowi wiatrowemu w celu opracowania końcowej analizy potencjału energetycznego wiatru dla wybranego miejsca

• Konieczność udokumentowania przez inwestora poprawności przeprowadzonych pomiarów

Na podstawie pomiarów uzyskuje się:

• Energię wiatru na dowolnej wysokości dla miejsca lokalizacji siłowni w kWh/m²

• Znając krzywą mocy proponowanej siłowni i jej powierzchni łopat ilość energii w Mwh/rok

Na tej podstawie przyszły inwestor wykonuje dokładną analizę ekonomiczną opłacalności proponowanej siłowni wiatrowej.

Współczesne wiatromierze – anemometry:

• Wiatromierz

• Anemometry tachometryczne (czaszowe łopatkowe, śmigłowe)

• Anemometry wirowe – prętowe

• Anemometry punktowe

• Anemometry manometryczne (piętrzące Pitota Prandla, naporowe, przepływowe)

• Anemometry dopplerowskie

• Anemometry chronometryczne – ultradźwiękowe

• Anemometry kolometryczne (drutowe, cienkowarstwowe, cylindrowe)

• Anemometry profilujące

• Akustyczne (sodary)

• Elektromagnetyczne (radary)

• Lasery (lidary)

Sodary – naziemne urządzenia do pomiaru kierunku, prędkości oraz turbulencji wiatru. Umożliwia pomiary do wysokości kilkuset metrów. Jako źródło wykorzystuje głośnik o dużej mocy emitujący impulsy akustyczne…

Lidary – zbudowany jest z nadajnika – lasera, który generuje krótkotrwały impuls światła monochromatycznego, optycznego układu nadawczego oraz detektora rejestrującego odbity impuls i przekazującego informacje do układu gromadzenia i przetwarzania danych…

Radar – zasada działania jest podobna jak sodaru. Emituje krótkie wiązki fal elektromagnetycznych do atmosfery i wykrywa sygnały odbite od niejednorodności atmosferycznych związanych z różnicami temperatury lub wilgotności. Mierząc przesunięcie dopplerowskie wyznacza się ruch obszarów rozproszenia.

Czy potrzebujemy informacji o kierunku wiatru?

• Ze względu na ukształtowanie ternu, zabudowę czy wysoką roślinność szorstkość powierzchni ziemi w różnych kierunkach jest na ogół inna

• Prowadzi to zróżnicowanie prędkości wiatru w zależności od kierunku geograficznego

• Ponadto ogólna cyrkulacja powietrza w rejonie Europy Środkowej determinuje główny kierunek napływu mas powietrza i zróżnicowanie prędkości wiatru w zależności od kierunku cyrkulacji

Zmienność prędkości wiatru z wysokością

• Prędkość wiatru na ogół rośnie z wysokością do około 1km

• Tempo tego wzrostu zależy od wielu czynników: ukształtowania i pokrycia terenu (szorstkości) oraz stanu atmosfery

• Ruchy pionowe w atmosferze przenoszą pęd cząstek powietrza z górnych warstw w kierunku powierzchni Ziemi. Gdy ruchy te zanikają prędkość wiatru przy ziemi znacznie zmniejsza się (podczas nocy)

• Dlatego najwyższe prędkości wiatru rejestruje się w ciągu dnia gdy ruchy konwekcyjne osiągają maksimum

Jak wyznaczyć prędkość wiatru na wysokości 30 czy 50m gdy dysponujemy pomiarami z wysokości 10m?

Ze względu na liczne czynniki jakie wpływają na wzrost prędkości wiatru z wysokością zadanie to jest trudne.

Wzór logarytmiczny: v₂(h₂)=v₁(h₁)∗$\frac{\mathbf{ln}\mathbf{(}\frac{\mathbf{h}\mathbf{2}}{\mathbf{h}\mathbf{0}}\mathbf{)}}{\mathbf{ln}\mathbf{(}\frac{\mathbf{h}\mathbf{1}}{\mathbf{h}\mathbf{0}}\mathbf{)}}$

h₀ – parametr szorstkości podłoża zależny od własności fizycznych podłoża.

Poniżej wysokości h₀ prędkość wiatru jest zerowa.

Wzór potęgowy: v₂(h₂)=v₁(h₁)∗($\frac{\mathbf{h}\mathbf{2}}{\mathbf{h}\mathbf{1}}$)^α, α - parametr stały

Wykład 4

Zmiany prędkości wiatru:

• Cykl dobowy

• Cykl roczny

Największe prędkości wiatru w godzinach popołudniowych i w zimie, latem gdy jest duże nasłonecznienie prędkości wiatru są najmniejsze.

Analiza zasobów energii wiatru

• I etap – ocena zasobów wiatru w skali regionalnej

• Określenie średniej rocznej i sezonowych prędkości wiatru w m/s na dowolnej wysokości terenu otwartego(klasa szorstkości 0-1) na podstawie wieloletnich danych ze stacji meteorologicznych

• Obliczenie prędkości wiatru dla regionu wskazanego przez przyszłego inwestora

• Określenie średniej rocznej i sezonowych wielkości energii wiatru brutto w kWh z 1m² powierzchni nakreślonej skrzydłami siłowni wiatrowej na wymienionych wysokościach i terenu otwartego dla rejonu wskazanego przez przyszłego inwestora

• II etap – ocena zasobów wiatru w skali lokalnej uwzględniającej warunki topograficzne i szorstkość terenu

• Wizualna ocena terenu pod kątem doboru optymalnego miejsca lokalizacji siłowni wiatrowej

• Szczegółowa ocena zasobów energii wiatru dla wybranego miejsca lokalizacji siłowni

Rodzaje elektrowni wiatrowych:

• Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines)

• Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT – Vertical Axis Wind Turbines)

Najczęściej wykorzystywany model turbiny:

• Turbina o 3 aerodynamicznych łopatach wykonanych z włókien szklanych lub węglowych o długości 20-30m

• Wieże 40-70m wysokości wykonane najczęściej ze stali ale czasem także jako konstrukcja żelbetowa

• Łopaty montowane na wale napędowym, który zazwyczaj połączony jest ze skrzynią biegów i generatorem w czaszy gondoli obracającej się tak by jak najkorzystniej ustawić wirnik do kierunku wiatru

Główni producenci turbin wiatrowych:

• Vestas – Dania – 20% udział na rynku

• Enercon – Niemcy – 14%

• NEG Micon – Dania – 17%

Technologia energii wiatru

Ogólna budowa:

• Wirnik

• Gondola

• Wieża

• Fundament

Gondola:

• Generator

• Przekładnia

• System śledzenia kierunku wiatru

• Układ hamulcowy

• Układ regulacji

• Układ odgromowy

Schemat budowy siłowni wiatrowej:

• Łopaty wirnika

• Piasta

• Mechanizmy ustawiania łopaty

• Mechanizmy kierowania elektrowni

• Łożyska

• Wieża

• Gondola

• Wiatromierz i chorągiewka wiatrowa

• Wał szybkoobrotowy

• Przekładnia

• Wał wolnoobrotowy

• Hamulec

• Generator

Wirnik:

• Najważniejszy element elektrowni

• Zbudowany jest z piasty i przymocowanych do niej łopat

• Możemy wyróżnić 3 podstawowe rodzaje:

• Wirnik jednołopatowy

• Wirnik dwułopatowy

• Wirnik trójłopatowy

Wieża:

• Wykonuje się ją ze stali lub betonu

• Posiada stożkowy kształt

• Wykonana jest z segmentów

• Najbardziej popularne to wieże stalowe rurowe

Fundament:

• Stanowi podstawę dla elektrowni

• Wymiary dostosowywane są do warunków geologicznych

• Posiada instalację odgromową stanowiącą uziemienie całej konstrukcji

Przeciętne ceny turbin wiatrowych na rynkach światowych: 1kWh – 1100 Euro

Cena obejmuje turbinę, transport i montaż.

Wymagania producenta turbin wiatrowych:

• Pozwolenie od władz lokalnych

• Pozwolenie na podłączenie do sieci energetycznej

• Cena energii musi być odpowiednio wysoka aby inwestycja była dla inwestora opłacalna

Małe przydomowe elektrownie wiatrowe

• Zalety:

• Bardzo wysoka sprawność

• Prądnice z magnesami trwałymi zaczynają generować moc elektryczną już przy bardzo małych prędkościach obrotowych wirnika

• Wysoka bezawaryjność i praktycznie bezobsługowość prądnicy

• Moc uzyskiwana z prądnicy z magnesami o określonym gabarycie jest kilkanaście do kilkudziesięciu procent większa niż w przypadku klasycznych prądnic asynchronicznych

• Wady:

• Wpływ na otoczenie

• Wysokie ceny gotowych elektrowni wiatrowych

• Konieczność posiadania odpowiednich warunków wiatrowych

Budowa wiatraków sposobem gospodarczym:

• Zminimalizowanie kosztów przedsięwzięcia

• Konstrukcja bez fundamentów – nie ma konieczności uzyskiwania pozwolenia na budowę

• Wyeliminowanie przekładni…

Korzyści płynące z wykorzystania energii wiatru:

• Społeczne

• Tworzenie nowych miejsc pracy

• Środowiskowe

• Redukcja emisji zanieczyszczeń

• Obniżenie kosztów zewnętrznych

• Ekonomiczne

• Pobudzenie przedsiębiorczości

• Podatki

• Wpływ na bezpieczeństwo energetyczne

• Źródło rozproszone

• Niezależne od dostaw paliw kopalnych i ich cen

• Niezależne od uwarunkowań geopolitycznych

Bariery rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce:

• Prawne i finansowe

• Ekonomiczne

• Informacyjne

• Techniczne

• Edukacyjne

• Przyrodnicze

Wykład 5

ENERGIA GEOTERMALNA

Jest wewnętrznym ciepłem Ziemi zakumulowanym w systemach hydrotermalnych lub suchych skałach.

Są to ogromne, praktycznie niewyczerpalne ilości. Szacuje się, że gdybyśmy dysponowali odpowiednimi technologiami do wykorzystania tej energii na wielką skalę do produkcji energii elektrycznej, to byłby to równoważnik zasobowy 1,3 mln MWe.

Zasoby energii cieplnej pochodzenia geotermalnego teoretycznie możliwe do wykorzystania są natomiast szacowane na około 3*10²⁴J co przekracza tysiące razy wielkość rocznej konsumpcji energii na świecie.

Źródła ciepła w skorupie ziemskiej:

1. Promieniowanie słoneczne (ograniczony zasięg 5-25m, Polska około 18m)

2. Ciepło wnętrza Ziemi (konwekcja i kondukcja – Płaszcz i Jądro)

3. Rozpad pierwiastków promieniotwórczych (238U, 235U, 232Th, 40K) – podstawowe źródło energii cieplnej w skorupie ziemskiej 50-70%

Prądy konwekcyjne odprowadzają ciepło ku górze. Duża część ciepła uwalniana jest w strefach rozsuwania się płyt w strefach grzbietów śródoceanicznych. Proces ten nazywamy spredingiem. W strefach tych z astenosfery migruje magma zasadowa tworząca nową litosferę i powstanie grzbietów śródoceanicznych. Na przeciwległej krawędzi płyt w rowach oceanicznych skały wulkaniczne zanurzają się w głąb płaszcza, a proces ten nazywa się subdukcją.

Przemieszczanie się płyt litosfery od stref spredingu do stref subdukcji spowodowany jest:

• Ruchem konwekcyjnym materii w obrębie astenosfery, ciągnącym płytę od spągu

• Wpływem magmy w strefach spredingu, powodującym podniesienie w tych miejscach litosfery, której ciężar i nacisk wymusza oboczny ruch litosfery w kierunku na zewnątrz od grzbietu

• Pogrążenie się schłodzonych, względnie ciężkich płatów litosfery a astenosferze, ciągnących za sobą resztę płyt w kierunku stref subdukcji

Wiele plam gorąca znajduje się dokładnie w obrębie grzbietów śródoceanicznych lub w ich pobliżu. Występują w Hawajach, Parku Narodowym Yellowstone,…

Podział zasobów geotermalnych ze względu na temperaturę mediów będących nośnikiem ciepła:

Zasoby geotermalne Temperatura medium geotermalnego w ^oC

(a) (b) (c) (d) (e)

Niskotemperaturowe <90 <125 <100 <150 <190

Średniotemperaturowe 90-150 125-225 100-200 - -

Wysokotemperaturowe >150 >225 >200 >150 >190

Systemy geotermalne ze względu na występowanie złóż:

• Systemy związane z działalnością wulkaniczną

• Systemy konwekcyjne

• Systemy sedymentacyjno-strukturalne

• Systemy geociśnień

• Systemy suchych gorących skał – nowa nazwa: wspomagane systemy geotermalne

Złoża wysokotemperaturowe:

Złoża par geotermalnych (złoża o wysokiej entalpii) występują w obszarach współczesnej lub niedawnej aktywności wulkanicznej lub tektonicznej. Bezpośrednim źródłem ciepła jest magma znajdująca się płytko w skorupie ziemskiej lub wydobywająca się jako lawa podczas erupcji wulkanicznych. Temperatura par przekracza 150-200 ^oC. np. Gejzery w Islandii

Złoża niskotemperaturowe:

Złoża wód geotermalnych zawierają wody o temperaturach niższych niż 150^oC. Źródłem ciepła jest głównie naturalny strumień cieplny Ziemi. Systemy niskotemperaturowe ze złożami wód geotermalnych są powszechne i występują na znacznie większych obszarach w porównaniu z systemami wysokotemperaturowymi.

Pozytywne cechy zasobów geotermalnych:

• Praktycznie nieograniczoność i odnawialność

• Powszechność występowania wód geotermalnych w pobliżu użytkownika

• Niezależność od zmiennych warunków klimatycznych i pogodowych

• Możliwość użytkowania bez powodowania zakłóceń w środowisku naturalnym

• Możliwość wykorzystania zasobów wody i energii geotermalnej w rolnictwie, ogrodnictwie, balneoterapii i rekreacji

Do podstawowych parametrów określających zbiorniki wód geotermalnych należą:

• Głębokość zalegania warstw wodonośnych [w p.p.t]

• Miąższość warstw wodonośnych i miąższość całkowita [m]

• Porowatość i porowatość efektywna skał zbiornikowych [%]

• Wydajność otworu [m³/s]

• Temperatura wody w zbiorniku i temperatura na wypływie [^oC]

• Mineralizacja wód [g/dm³] [mg/dm³] [g/l] [mg/l]

• Skład chemiczny wód (w tym zawartość gazów, zawartość J, Br)

• Wysokość statycznego i dynamicznego poziomu wody w otworze

Podstawowe parametry geotermalne

Gradient geotermalny – przyrost temperatury na jednostkę przyrostu głębokości (wzrost temperatury zgodnie z gradientem do głębokości około 70-100km)

Gr = $\frac{Ts - Tp}{Z}100$ [^oC/100m]

Gr – gradient geotermalny

Ts – temperatura w stropie zbiornika wód termalnych

Tp – średnia roczna temperatura na powierzchni terenu

Z – głębokość zalegania stropu badanego poziomu hydrotermalnego

Włochy/Islandia 200^oC/km

Węgry 60^oC/km

Polska 32^oC/km

Parametrami, które wpływają w największym stopniu na temperatury podpowierzchniowe są:

• Gęstość strumienia cieplnego płynącego z wnętrza Ziemi ku jej powierzchni

• Zróżnicowanie własności termicznych skał tworzących profil litologiczny (zwłaszcza ich przewodności cieplnej)

Strumień cieplny określa szybkość przepływu energii w jednostce czasu od miejsc o wyższej temperaturze do miejsc o jej niższej wartości, temperatura jest natomiast ilościową miarą energii cieplnej występującej w ośrodku skalnym w punktach obserwacji.

Procesy fizyczne odpowiedzialne za przemieszczanie się energii cieplnej:

• Kondukcja – inaczej wymiana ciepła przez przewodzenie (dominuje znacznie do głębokości 20-40km)

• Konwekcja – jest to proces przenoszenia ciepła, powstający z ruchu materii w gazie lub cieczy

• Radiacja – promieniowanie

Zależność matematyczna opisująca związek między przewodnością kondukcyjną a strumieniem cieplnym:

Q=-kgradT

Q – strumień cieplny

k – przewodność cieplna

T – temperatura

Podstawowe sposoby eksploatacji złóż wód i energii geotermalnej

Eksploatacja głęboko zalegających złóż geotermalnych za pomocą otworów wiertniczych. Dotyczy ono złóż wód położonych na głębokościach rzędu 1-3km. Wody są wydobywane z odwiertów przy pomocy pomp, niekiedy wypływ ma charakter artezyjski.

Eksploatacja prowadzona jest w:

• Zamkniętym układzie otworów produkcyjnych i chłonnych

• Otwartym układzie otworów

Wykład 6

BIOMASA – to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej lub leśnej, odpadów, które ulegają biodegradacji (Dz. U. Nr 287, poz. 2656).

Jak powstaje biomasa?

Biomasa powstaje w procesie fotosyntezy przy udziale energii słonecznej i przebiega wg reakcji:

6CO₂ + 6H₂O C₆H₁₂O₆ +6O₂

Poprzez fotosyntezę energia słoneczna przekształcana jest w biochemiczna energię wiązań, a z CO₂ i H₂O w wyniku oddziaływania światła powstaje glukoza i tlen. W dalszym procesie z glukozy powstaje szereg związków organicznych stanowiących biomasę.

Biomasę stanowią 3 podstawowe składniki:

• Celuloza – tzw. węglowodory włókniste występujące powszechnie w roślinach i tworzące podstawowy składnik ściany komórkowej

• Hemiceluloza – która stanowi ok. 25% substancji roślinnej

• Lignina – (będąca polimerem) ma istotny wpływ na wzrost wytrzymałości mechanicznej i chemicznej ścian celulozowych. Skład chemiczny biomasy tworzą węgiel, wodór i tlen.

Obieg biomasy w przyrodzie

W procesie spalania biomasy energia chemiczna wiązań zamieniana jest na energię cieplną, któremu towarzyszy uwolnienie CO₂ i innych składników (SO₂, NO_x). Ilość CO₂ jaka dostaje się do atmosfery jest równa ilości Co₂ jaką pobierają rośliny w procesie wzrostu, tak więc bilans jego emisji w atmosferze jest zerowy i krąży on w przyrodzie w krótkookresowych obiegach nie przyczyniając się do powstawania efektu cieplarnianego.

W przeciwieństwie do innych paliw słoma i drewno emitują znacznie mniejsze ilości NO₂, SO₂ i pyłów.

W procesie spalania tych biopaliw 70% składników zamieniana jest na części lotne, dlatego też w celu optymalnego wykorzystania energii zawartej w biopaliwie stosuje się technikę ich zagazowania.

Najwięksi dostawcy biomasy:

• Rolnictwo 48% (odpady z produkcji roślin i warzyw, nawóz organiczny produkcji zwierzęcej)

• Sadownictwo (gałęzie z przecinek sadów)

• Leśnictwo 25% (gałęzie z przecinek i cieć sanitarnych lasów, drewno na cele energetyczne, odpady z przemysłu drzewnego)

• Gospodarka komunalna (osady ściekowe stałe i płynne)

• Specjalne uprawy energetyczne

• Przemysł spożywczy, mleczarski, celulozowo – papierniczy, itp.

3 postacie biomasy:

• Biopaliwa stałe – przetwarzane w procesach bezpośredniego spalania, zgazowania lub pirolizy, używane głównie do produkcji energii cieplnej

• Biopaliwa ciekłe – wykorzystywane w transporcie, ale mogą też stanowić nośniki energii do produkcji ciepła i energii elektrycznej

• Biopaliwa gazowe

Wykorzystanie biomasy:

Jest wykorzystywana dla celów energetycznych przez bezpośrednie spalanie produktów organicznych fotosyntezy, względnie po ich wstępnym przetworzeniu do postaci wygodniejszej w użyciu:

• Olej piroliz owy o własnościach zbliżonych do oleju opałowego

• Olej rzepakowy lub słonecznikowy

• Gaz drzewny

• Alkohol etylowy lub metylowy, a także Estery alkoholi, które mogą być dodatkami do paliw lub paliwami silnikowymi

Podstawowe technologie energetycznego wykorzystania biomasy:

• Spalanie dla celów grzewczych

• Współwytwarzanie ciepła i elektryczności

• Produkcja bioetanolu

• Produkcja biodiesla

• Fermentacja metanowa

Główne korzyści z energetycznego wykorzystania biomasy:

• Wykorzystanie lokalnych zasobów paliw i wzrost bezpieczeństwa energetycznego

• Tworzenie nowych miejsc pracy na terenach wiejskich w obszarach produkcji, pozyskania i dostaw Biopaliwa oraz ich przetworzenie

• Ograniczenie emisji CO₂ oraz innych gazów cieplarnianych

• Wkład w zrównoważony rozwój obszarów wiejskich

Biomasę można podzielić ze względu na

• Stan skupienia

• Stałe

• Ciekłe

• Gazowe

• Rodzaj surowca

• Pochodzenia rolniczego

• Pochodzenia drzewnego

Parametry fizyczne biomasy stałej:

• Wartość opałowa [MJ/kg] [MJ/m³]

• Wilgotność [%]

• Gęstość [kg/m³]

• Gęstość usypowa [kg/mp] (mp – metr przestrzenny)

Wilgotność opałowa – jest to ciepło spalania paliwa pomniejszone o ciepło parowania wody uwolnionej w czasie spalania i powstałej z wodoru zawartego w paliwie (wilgoci higroskopijnej).

Wilgotność bezwzględna – to wyrażony w % stosunek wody zawartej w drewnie do masy drewna w stanie całkowicie suchym.

Wilgotność względna – to stosunek masy wody zawartej w drewnie do masy drewna w stanie mokrym, wyrażony w %.

Elektrownia wodna - energia potencjalna wody spiętrzonej w zbiorniku wodnym zamieniana jest w kolektorze dolotowym lub kierownicy turbiny wodnej na energię kinetyczną, a ta z kolei zamieniana jest w wirniku na mechaniczną. Energia mechaniczna zamieniana jest w generatorze elektrycznym na elektryczną.