Wykorzystanie energii odnawialnych za szczególnym uwzględnieniem energii słonecznej
Źródła energii są substancjami i zjawiskami wykorzystywanymi do potrzeb energetycznych. Dzielą się na nieodnawialne — węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, uran - oraz odnawialne, czyli takie, które praktycznie się nie wyczerpują (energia wód, energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich, energia cieplna oceanów, energia biomasy). Jest jeszcze energia geotermiczna - energia gejzerów, gorących skał, którą można zaliczyć do obydwu grup, tj. do energii odnawialnej i nieodnawialnej. Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko.
Energia odnawialna jest energią tanią, przyjazną człowiekowi i środowisku. Odnawialne źródła są dostępne za darmo (energia słońca, wiatru, biogazu)
lub po niewielkich kosztach (słoma, drewno).
Mówiąc o rodzajach odnawialnych źródeł energii, trzeba koniecznie wymienić energię wiatru, wody, Słońca oraz geotermiczną.
Wiatr jest źródłem energii, ale sam powstał na wskutek nierównomiernego ogrzania powierzchni Ziemi przez promienie słoneczne. Turbiny wiatrowe używane są do produkcji energii elektrycznej z energii wiatru. Siła wiatru może być przetwarzana na energię elektryczną w siłowniach przekazujących prąd do sieci elektroenergetycznej lub pracujących indywidualnie - na potrzeby użytkownika (zakładu przemysłowego, gospodarstwa rolnego czy jednorodzinnego domku). Energię wiatru można wykorzystać do oświetlenia pomieszczeń, pompowania wody konsumpcyjnej, nawadniania pól (zraszacze upraw) jak również rekultywacji
i natleniania zbiorników wodnych. Minusem stosowania energetyki wiatrowej są zmiany krajobrazu, hałas oraz zagrożenia dla wędrownego ptactwa. Polska posiada dobre warunki do rozwoju energetyki wiatrowej. Najlepsze warunki występują
na Wybrzeżu i Suwalszczyźnie - średnia roczna prędkość wiatru na wysokości 30 m - wynosi 5-6 m/s.
Siłownie wodne na świecie dostarczają ok. 5% używanej energii. Wiele rzek
w krajach rozwijających się nadaje się do budowy zapór. Minusem stosowania energetyki wodnej jest fakt, iż budowa ogromnych obiektów zmusza ludzi
do przesiedlania się, odbiera im się ziemię i ma negatywny wpływ na środowisko. Polska jako kraj nizinny ma niewielkie zasoby energii wodnej. Obecnie działa
w Polsce ok. 127 dużych elektrowni wodnych i 300 małych.
Energia geotermiczna to energia gejzerów. Urządzenia pobierające gorące wody podziemne są wykonywane przez przedsiębiorstwa górnicze. Wiele
z odwiertów, dziś wykorzystywanych lub przeznaczonych do pozyskania ciepła
z wnętrza ziemi, służyło badaniom geologicznym, np. poszukiwaniom ropy naftowej, gazu ziemnego i innych kopalin.
Jednak największy nacisk zwykle kładzie się na energię słoneczną. Otóż Słońce stanowi główne źródło energii docierającej do Ziemi. Energia słoneczna
to energia wytwarzana przez Słońce. Jej głównym źródłem są reakcje termojądrowe zachodzące w jądrze Słońca, polegające na przemianie jąder wodoru w jądra helu.
Energia ze Słońca umożliwia nieustanny przebieg wszystkich procesów na Ziemi.
Z wyjątkiem energii przepływu i odpływu, energii cieplnej wnętrza Ziemi i energii ziemskich reakcji jądrowych, wszystkie rodzaje energii na Ziemi biorą swój początek w promieniowaniu słonecznym. Jemu zawdzięczamy ciepło, światło i energię wody (pod wpływem ciepła woda paruje, unosi się w górę i w ten sposób zyskuje energię potencjalną), skutkiem jego działania jest energia kinetyczna wiatru (przyczyną ruchu powietrza jest niejednakowe ogrzanie różnych części powierzchni Ziemi).
Promieniowanie słoneczne jest źródłem energii chemicznej. Węgiel i ropa naftowa dostarczają energii, która przed wielu milionami lat została pobrana
w postaci energii promieniowania słonecznego. Słońce jest również źródłem energii pokarmów. Zielone rośliny wytwarzają przy udziale chlorofilu skrobię, cukier
i celulozę z wody i zawartego w powietrzu dwutlenku węgla. Proces ten, zwany fotosyntezą, zachodzi, jeśli roślina pobiera niezbędną do tego energię promieniowania. Energia ta, zmagazynowana w pokarmie, podtrzymuje następnie procesy życiowe w organizmach ludzi i zwierząt, jest więc nieodzownym warunkiem życia.
Energia słoneczna może być przetwarzana w kolektorach wodnych
i powietrznych w ciepło służące do:
- ogrzewania mieszkań - pomieszczeń produkcyjnych, obiektów sportowych, szkół, ośrodków kultury,
- podgrzewania wody w gospodarstwach domowych, rolnych, basenach, zakładach przemysłowych,
- suszenia: ziarna zbóż, tytoniu, nasion, owoców, ziół (kolektory powietrzne).
Energia słoneczna może być przekształcona w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych. Małe baterie słoneczne zasilają kalkulatory, zegarki, zabawki, radia czy nawet przenośne telewizory. Dużą uwagę przywiązuje się obecnie
do wykorzystania ogniw fotowoltaicznych w systemach wolnostojących, montowanych na obszarach oddalonych od sieci elektrycznej. Takie rozwiązania stosuje się do zasilania urządzeń automatycznych takich jak: telefony awaryjne
na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, stacje meteorologiczne
i telekomunikacyjne. Bateriami słonecznymi zasilane są urządzenia pokładowe
w satelitach telekomunikacyjnych, badawczych, wojskowych. W krajach o dużym nasłonecznieniu, które leżą na trudnym terenie, bez możliwości dostarczania
do elektrowni węgla, światło słoneczne jest często jedynym źródłem energii.
W Polsce energia może być przetwarzana na prąd i ciepło przez instalacje zamontowane na dachach budynków lub w miejscach zabudowanych. Takie warunki istnieją na ok. 0,5% powierzchni Polski. Natomiast ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są głównie w urządzeniach nawigacyjnych na Morzu Bałtyckim.
Promieniowanie słoneczne jest bardzo ważnym czynnikiem, jednak nie całe promieniowanie dochodzi do powierzchni Ziemi, gdyż chroni nas przed tym jej atmosfera. Pochłania ona szkodliwe dla żywych organizmów promieniowanie krótkofalowe, przepuszczając jedynie część promieniowania radiowego
i promieniowanie widzialne. To ostatnie oko ludzkie dostrzega jako przejście
do głębokiego fioletu, poprzez barwę niebieską, zieloną, żółtą i pomarańczową
do głębokiej czerwieni. Każdy centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety - jak to wykazały dokładne pomiary - otrzymuje w ciągu minuty prawie dwie kalorie energii cieplnej. Jest to wartość stałej słonecznej, określającej całkowitą ilość promieniowania Słońca, które dociera do Ziemi. Już jednak na początku XIX wieku astronom amerykański Charles G. Abbot (1872-1973) stwierdził, że natężenie tego promieniowania waha się w okresie jedenastoletnim o około 1% stałej słonecznej. Wynika z tego, że wszystko, co dzieje się na Słońcu, musi w jakiś sposób odbijać się na zjawiskach zachodzących na Ziemi. Niektóre związki między tymi zjawiskami zostały przez naukę definitywnie potwierdzone, lecz w innych przypadkach są to na razie tylko śmiałe domysły, wymagające jeszcze wnikliwych badań. Na przykład wiadomo już na pewno, że aktywność Słońca ma duży wpływ na zjawiska biologiczne i geofizyczne. Do pierwszej grupy należą wahania przyrostu rocznego drzew, do drugiej zaś zmiany natężenia magnetyzmu ziemskiego, zmiany nasilenia zórz polarnych, zmiany poziomu wody w niektórych rzekach i jeziorach. Przypuszcza się, że istnieje związek między plamami słonecznymi a pogodą na Ziemi. W miarę jednak upływu czasu we wnętrzu Słońca maleją zapasy wodoru, a przybywa helu. Nadejdzie wreszcie i taka chwila, że wodoru w ogóle zabraknie i wtedy jego rolę przejmie hel. Jądra helu zaczną się łączyć w jądra cięższych pierwiastków, jak Beryl
i Bor. Wówczas znacznie wzrośnie jasność Słońca, ale zmniejszy się jego średnica. Jednak najwspanialszy okres w historii Słońca nastąpi wówczas, gdy wyczerpie ono około 10% swych początkowych zapasów wodoru. Wtedy gwałtownie zmieni się jego wewnętrzna budowa, znacznie zwiększą się rozmiary, ale temperatura powierzchni spadnie do około 3000°C. Mimo to jasność Słońca będzie stokrotnie większa niż dziś, gdyż jego powierzchnia będzie dużo większa. W tym stadium będzie produkować sto razy więcej energii, aniżeli jej obecnie produkuje. Oczywiście w tym okresie historii Słońca życie na Ziemi nie będzie już możliwe. Średnia temperatura jej powierzchni wzrośnie do około 120°C, a w rejonach tropikalnych może nawet dochodzić do 550°C. Na skutek tego wody z oceanów wyparują, białko ulegnie zwęgleniu, powierzchnia zamieni się w jałową pustynię. Takie warunki panują obecnie na Merkurym i Wenus, gdzie niemożliwa jest wegetacja zwierząt i roślin,
ale najprymitywniejszych organizmów - bakterii. Jednak tak rozrzutne szafowanie energią nie może trwać zbyt długo. Słońce po całkowitym wyczerpaniu zapasów wodoru przestawi się na produkcję energii z przemian helu w cięższe pierwiastki,
o czym już była mowa. Ale przedtem jego jądro gwałtownie się skurczy i może nawet nastąpi odrzucenie części materii z warstw zewnętrznych. Wtedy rozmiary Słońca zmaleją i zmniejszy się jasność, chociaż temperatura powierzchni wzrośnie do około 10000°C. Po wyczerpaniu zapasów helu nastąpi synteza innych, jeszcze cięższych pierwiastków. W końcu Słońce zacznie powoli gasnąć i przekształcać się w małą gwiazdę, jako końcowy produkt swej ewolucji. Gwiazdy takie mają rozmiary niewiele większe od Ziemi i produkują coraz mniej energii. Niestety, dziś nie można stwierdzić, czy tak istotnie będzie i jak długo ten stan może trwać. Jest bowiem też możliwe, że w pewnym etapie swej ewolucji Słońce stanie się gwiazdą zmienną,
a następnie wybuchnie jako gwiazda nowa i zakończy swój żywot na białym karle.
W każdym razie kiedyś zgaśnie i wtedy mróz ogarnie cały system planetarny. Temperatura na Ziemi spadłaby do minus 200°C, a może jeszcze niżej. Na skutek tego para wodna w atmosferze uległaby zestaleniu i opadła na powierzchnię naszej planety w postaci śniegu lub szronu. To samo stałoby się z innymi gazami atmosferycznymi, które w niskiej temperaturze nie mogłyby zostać w stanie gazowym. Powierzchnia planety zostałaby skuta wiecznym lodem, zamarzłyby rzeki, jeziora i oceany, wyginęłyby zwierzęta i rośliny. Możemy być spokojni, moc promieniowania Słońca będzie się utrzymywać na obecnym poziomie jeszcze przez bardzo długi okres czasu. Zagłada ludzkości raczej nie grozi, gdyż człowiek prędzej opuści Ziemię i osiedli się na planetach krążących we wszechświecie, niż Słońce straci swoją moc.
Słońce, wiatr, wody geotermalne i energia pływów morskich są odnawialnymi źródłami energii. Widoczny jest stały postęp, coraz więcej jest gospodarstw rolnych instalujących urządzenia do wykorzystywania siły wiatru, Słońca i cieków wodnych. Obecnie jak się oblicza, energia pochodząca ze źródeł odnawialnych stanowi 18% ogólnie zużywanej energii na świecie. Istnieje wiele korzyści wynikających
z zastosowania odnawialnych źródeł energii:
a) ekonomiczno - społecznych
-wprowadzenie niewyczerpalnych i tanich źródeł energii - w miejsce trudniej dostępnych i coraz droższych paliw kopalnych,
-zmniejszenie uzależnienia od obcych źródeł energii,
-stworzenie warunków konkurencji między producentami energii (ceny energii wynikają z kosztów jej pozyskania),
-stworzenie nowych stanowisk pracy (redukcja bezrobocia w regionach rolniczych),
-zagospodarowanie nieużytków na produkcję rolną dla sektora paliwowo - energetycznego),
-wykorzystanie nadwyżek produkcji rolnej (zbóż, ziemniaków, roślin oleistych oraz odpadów np. słomy),
b) ekologicznych
-zredukowanie emisji zanieczyszczeń powietrza związanych z przetwarzaniem paliw kopalnych,
-redukcja efektu cieplarnianego,
-zmniejszanie ilości odpadów,
-uregulowanie stosunków wodnych,
c) zdrowotnych
-ograniczenie zachorowań wynikających z zanieczyszczeń środowiska.
Głównym argumentem potwierdzającym konieczność stosowania alternatywnych źródeł energii jest fakt, iż roczna produkcja energii elektrycznej
przez odnawialne źródło zapobiega wyemitowaniu do atmosfery wielu zanieczyszczeń.