ROLA OD N A WIALNYCH ZRODEL ENERGII

W ZROWNOW AZONYM ROZWOJU KRAJU

1. Wprowadzenie

Jednym z podstawowych celów nowej polityki ekologicznej NPE -zakładającej zasadę zrównoważonego rozwoju kraju -jest zmniejszenie energochłonności gospodarki. W chwili obecnej nasza gospodarka jest, bowiem ponad dwukrotnie bardziej energochłonna niż gospodarki krajów Unii Europejskiej. W przyjętym przez Radę Ministrów w dniu 22.02.2000 r. dokumencie „Założenia polityki energetycznej Polski do roku 2020” przewiduje się, że do 2010 r. w skali krajowej powinno nastąpić zmniejszenie zużycia energii o około 25%. Jest rzeczą oczywistą, że zmniejszenie energochłonności gospodarki wpłynie na znaczną poprawę ochrony środowiska przez zmniejszenie zanieczyszczenia atmosfery gazowymi produktami spalania oraz zmniejszenie ilości wytwarzanych odpadów. Zmniejszenie energochłonności musi być powiązane ze zmianą struktury wykorzystania nośników energii. Należy dążyć do zmniejszania spalania węgla celem pozyskiwania energii na korzyść energii elektrycznej uzyskiwanej w wyniku spalania gazu lub ropy naftowej oraz wzrostu udziału energii odnawialnych w ogólnym bilansie energetycznym kraju. Duże nadzieje w strategii energetycznej Polski wiąże się z rozwojem następujących odnawialnych źródeł energii:

1. Energia z biomasy;

2. Energia wiatrowa;

3. Energia geotermalna;

4. Mała energetyka wodna;

5. Energia słoneczna.

Jest rzeczą oczywistą, że odnawialne źródła energii należące do grupy "czystych" energii umożliwiają szybką poprawę ochrony środowiska. Wspomagają, więc one realizację nowej polityki ekologicznej państwa stając się istotnym elementem zrównoważonego rozwoju kraju. Znaczne zwiększenie zainteresowania odnawialnymi źródłami energii nastąpiło w Polsce -a również w wielu innych krajach -na początku lat dziewięćdziesiątych. Szacuje się, że udział odnawialnych źródeł energii w ogólnej podaży energii w krajach Unii Europejskiej w 1991 r. wynosił około 6%, a do roku 2005 ma wzrosnąć do około 9% zaś perspektywicznie w 2010 r. do 12%. W Polsce szacuje się, że obecnie udział energii odnawialnych w bilansie energetycznym kraju wynosi około 2%. Planuje się, że w 2010 r. udział ten powinien wynosić około 5,5%, a więc mimo dużego wzrostu osiągnie poziom, który będzie dwukrotnie mniejszy niż w krajach Unii Europejskiej [1,2].

Zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii wynika z wielu powodów. Do najważniejszych należą:

1. Wyczerpywanie się klasycznych źródeł energii.

2. Powszechność dostępu do energii niekonwencjonalnych.

3. Poprawa ochrony środowiska naturalnego (zmniejszenie emisji tlenków

węgla, siarki, azotu i odpadów).

4. Zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego poszczególnych regionów.

5. Stworzenie nowych miejsc pracy.

Wymienione wyżej aspekty sprawiły, że w ostatnim dziesięcioleciu światowe wykorzystanie energii słonecznej wzrosło dwukrotnie a wiatrowej około czterokrotnie. Wzrostowy trend udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym zapewne utrzyma się a wręcz zdynamizuje w najbliższych latach. W programach ekspertów Światowej Komisji Rady Energetycznej przewiduje się wręcz, że w roku 2070 udział energii odnawialnych w ogólnym bilansie energetycznym Świata wyniesie około 60%.

W warunkach krajowych największe oczekiwania na zwiększenie udziału energii odnawialnych wiąże się ze spalaniem biomasy, energetyką wiatrową i geotermalną, małą energetyką wodną, a perspektywicznie energetyką słoneczną.

Pod ogólnym pojęciem spalanie biomasy rozumiemy wiele możliwych technologii. Można do nich zaliczyć: spalanie słomy i odpadów drewna, spalanie biogazu wytwarzanego w procesach fermentacyjnych, wytwarzanie paliw z olejów spożywczych głównie z oleju rzepakowego, produkcja alkoholu stosowanego jako dodatek do benzyn.

W najbliższych latach nastąpi zapewne znaczący wzrost liczby instalacji stosujących jako paliwo słomę i drewno. Szacuje się, że w Polsce produkuje się rocznie około 25 mln ton słomy, z czego około 10 mln ton stanowią nadwyżki [2,3]. Ich spalanie może umożliwić uzyskanie, około 170 PJ ciepła. Obecnie w Polsce słoma jest spalana w 10 ciepłowniach osiedlowych i około 100 instalacjach o małej mocy. Łączna moc instalacji spalających słomę wynosi około 10 MW. W zakresie pozyskiwania energii ze spalania słomy istnieją ogromne możliwości szybkiego rozwoju. Podstawową barierą jest wysoki koszt kotłów opalanych słomą.

Szacuje się, że w warunkach krajowych istnieje możliwość spalania około 4 - 5 mln m3 odpadów drewna [2,3]. Znaczna część tego drewna nie jest wykorzystywana. Jedynie w zakładach przemysłu drzewnego i celulozowo- papierniczego pracuje kilkadziesiąt dużych instalacji kotłowych opalanych drewnem. Całkowita energia cieplna pozyskiwana w kraju ze spalania drewna wynosi obecnie około 600 MW.

Niezmiernie duży potencjał tkwi w możliwościach wykorzystywania gazu wysypiskowego i produkcji biogazu uzyskiwanego w procesach fermentacji osadów ściekowych czy odpadów w zakładach przetwórstwa spożywczego. Aktualnie te źródła odnawialnej energii są wykorzystywane w bardzo małym stopniu. Jedynie kilka nowoczesnych krajowych wysypisk wykorzystuje gaz wysypiskowy. W wyniku jego spalania produkuje się 5,4 MW energii elektrycznej i około 3,5 M W energii cieplnej [2,4].

Natomiast pozyskanie energii ze spalania biogazu realizuje się w 30 instalacjach działających w dużych oczyszczalniach ścieków. W wyniku spalania uzyskanego biogazu w 1999 r. uzyskano l4,5 M W energii elektrycznej i około 24 M W energii cieplnej.

Energia wiatrowa ma szanse rozwoju jedynie w pewnych wybranych regionach Polski. Należą do nich wybrzeże morskie, regiony górskie, okolice Suwałk i równina mazowiecka. Jak wiadomo optymalne warunki do budowy elektrowni wiatrowej występują w regionach, w których wieją wiary ze średnią prędkością 8-12 m/s [l]. Obecnie w kraju wytwarzane jest w elektrowniach wiatrowych 7 M W energii. Dla porównania Niemcy, które mają zbliżone do Polski warunki geograficzne produkują 4443 M W energii wokoło 8000 elektrowniach wiatrowych. Świadczy to o dużych możliwościach rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce w najbliższych latach.

Energetyka słoneczna reprezentująca największy potencjał pozyskiwania energii odnawialnej znajduje się w początkowym etapie rozwoju. Położenie geograficzne Polski sprawia, że możliwości wykorzystania tej energii są bardzo zróżnicowane w różnych regionach kraju i porach roku. Około 80% nasłonecznienia powierzchni kraju przypada na okres wiosenno-letni. Szacuje się, że średnie nasłonecznienie powierzchni Polski w lipcu wynosi 5,2-5,8 kWh/m2 dzień, zaś w styczniu tylko około 0,6 kWh/m2 dzień. Tym niemniej obecnie na terenie kraju pracują kolektory cieczowe o powierzchni około 10000 m² i kolektory gazowe (powietrzne) o powierzchni około 6000 m². Te ostatnie stosowane są głównie do suszenia płodów rolnych. Wykorzystywane są zaledwie przez kilkaset godzin rocznie. Kolektory cieczowe wykorzystywane są do podgrzewania wody w ośrodkach rekreacyjnych oraz pozyskiwania ciepłej wody w budownictwie. Barierą rozwoju energetyki słonecznej w kraju jest nierównomierny rozkład nasłonecznienia w cyklu rocznym oraz wysokie koszty kolektorów.

Innym sposobem pozyskiwania energii jest bezpośrednia konwersja energii słonecznej na energię elektryczną. Uzyskuje się ją w fotoogniwach, które zostały odkryte w 1954 r. przez amerykańskich naukowców z firmy Bell Telephone. Są one coraz szerzej stosowane w wielu krajach świata a także w technice kosmicznej. Sprawność najnowszych multiogniw osiąga wartość około 40% [5]. W Polsce wytwarzanie energii elektrycznej z energii słonecznej praktycznie nie jest realizowane.

Poniżej przedstawiona zostanie szczegółowa rola energii geotermalnej w strategii zrównoważonego rozwoju kraju. Ten rodzaj energii odnawialnej będzie miał zapewne w niedalekiej przyszłości duże znaczenie w naszym kraju

- w tym również w województwie łódzkim -ze względu na obecność bogatych złóż wód geotermalnych.

2. Rola energii geotermalnej w strategii zrównoważonego

rozwoju

Energią geotermalną nazywamy energię cieplną wnętrza Ziemi zawartą w wodach lub parze wodnej wypełniających pory i szczeliny skalne na głębokościach dostępnych dla wierceń otworowych. Do energii tej zalicza się również energię gorących skał [6]. Zasoby energii cieplnej wnętrz Ziemi są praktycznie niewyczerpalne i mogłyby pokryć całkowite zapotrzebowanie świata na energię. Problem polega na jakości tej energii. Aby mogła ona być użyteczna media przenoszące tę energię (woda, para wodna) muszą mieć odpowiednią temperaturę. W większości krajów w tym także w Polsce przyjmuje się, że minimalną użyteczną temperaturą wody geotermalnej jest temperatura 20°C. Im Wyższa jest ta temperatura tym jakość energii geotermalnej jest wyższa.

Jak wiadomo temperatura wnętrza Ziemi wynosi ponad 4000°C. Idąc w kierunku powierzchni Ziemi temperatura spada do kilku stopni, a w niektórych regionach do O°C lub nieznacznie poniżej zera. Zagłębiając się w głąb litosfery temperatura wzrasta średnio o 33°C na 1 km, czyli na głębokości 3 km temperatura wynosi około 100°C. Parametry cieplne litosfery są w rzeczywistości bardziej zróżnicowane, istnieją bowiem obszary o cieńszej litosferze, gdzie temperatura wzrasta znacznie szybciej i obszary o grubszej litosferze, w których temperatura wzrasta znacznie wolniej. Z przedstawionej bardzo uproszczonej analizy rozkładu temperatur w litosferze wynika, że uzyskanie wartościowej energii geotermalnej -o temperaturze nośnika, jakim

jest woda geotermalna rzędu 100°C -związane jest z koniecznością prowadzenia bardzo kosztownych prac wiertniczych. W ostatnich latach rozwój konstrukcji pomp ciepła umożliwia stosowanie tzw. płytkiej geotermii bez konieczności wiercenia głębokich otworów geotermalnych. Obecnie wykorzystuje się już wody o temperaturze około 5°C, które są dolnym źródłem ciepła odzyskiwanego przez pompy ciepła.

Mimo niewątpliwej wady, jaką jest konieczność wykonania kosztownych głębokich wierceń energia, geotermalna ma jednak bardzo wiele zalet (Obniżenie kosztów pozyskiwania energii geotermalnej można uzyskać poprzez wykorzystanie istniejących odwiertów pozostałych po poszukiwaniach ropy naftowej i badaniach rozpoznania geofizycznego kraju).

Należą do nich:

1. "Czysta" energia nie powodująca zanieczyszczenia środowiska

2. Energia dostępna na terenie większości państw.

3. Małe koszty eksploatacyjne, ponieważ wody geotermalne w większości

samoczynnie wypływają na powierzchnię.

4. Wody geotermalne po oddaniu ciepła w wymienniku samoczynnie

zatłaczane są do złoża. Nie ma ubytku wody a jedynie odzysk energii. W

przypadku węgla, ropy czy gazu następuje całkowite zniszczenie

wydobytych zasobów energii.

Energia geotermalna znana jest człowiekowi od tysiącleci. W starożytności

wody geotermalne wykorzystywane były głównie do celów balneologicznych

i rekreacyjnych. Do ogrzewania małych mieszkań wody geotermalne wykorzystywane były od wielu wieków w Nowej Zelandii, Japonii od 1890 r.

oraz w niektórych stanach Ameryki Północnej. Przemysłowe wykorzystanie energii geotermalnej rozpoczęto na początku XX wieku. W 1904 r. w północnych Włoszech (Lardarello) została uruchomiona pierwsza elektrownia wykorzystująca energię geotermalną. W latach 1933-43 zbudowano w Reykiawiku (Islandia) pierwszy system geotermalny do ogrzewania dużych powierzchni mieszkalnych. Obecnie w Reykiawiku ponad 90% zapotrzebowania na energię grzewczą pokrywa energia geotermalna.

Dynamiczny rozwój technik geologicznych oraz urządzeń do pozyskiwania niekonwencjonalnych energii spowodował, że obecnie w 46 krajach świata wykorzystuje się w praktyce energię geotermalną. Stosuje się ją do produkcji energii elektrycznej lub do tzw. zastosowań bezpośrednich (ogrzewanie, suszenie, gospodarka rybna, rekreacja). W 1999 r. w skali światowej wyprodukowano 49262 GWh/rok energii elektrycznej z energii geotermalnej natomiast zastosowania bezpośrednie to 51429 GWh/rok [7]. Strukturę tak produkowanej energii przedstawia Tabela l. W Tabeli 2 natomiast przedstawiono światową czołówkę wykorzystującą energię geotermalną

do zastosowań bezpośrednich.

Tabela1.Światowa produkcja energii elektrycznej z energii geotermalnej oraz zastosowania bezpośrednie energii geotermalnej.

Kontynent	Energia elektryczna			Zastosowanie bezpośrednie
		Zainstalowana Moz w [MW]	Produkcja [GWh/rok]	Udział %	Zainstalowana Moz w [MW]	Produkcja [GWh/rok]	Udział %
Afryka Ameryka Azja Europa Oceania	54 3390 3095 999 437	397 23342 1750 5745 2269	1 47 35 12 5	121 5954 5151 5630 318	492 7266 22532 19090 2049	1 14 44 37 4
Świat łącznie	7974	49262	100	17174	51429	100

Tabela2. Czołówka państw przodująca w zastosowaniach bezpośrednich energii geotermalnych

Nazwa kraju	Produkcja [GWh/rok]	Nazwa kraju	Produkcja [GWh/rok]
Chiny Japonia USA Islandia Turcja Nowa Zelandia Gruzja Rosja	8724 7500 5640 5603 4377 1967 1752 1703	Francja Węgry Szwecja Meksyk Włochy Rumunia Szwajcaria Polska	1360 1328 1147 1089 1048 797 663 272

Bardzo interesująca jest struktura bezpośredniego wykorzystania energii

geotermalnej w różnych krajach. Przedstawia ją Tabela 3.

Tabela3. Struktura bezpośrednich zastosowań energii geotermalnej w wybranych krajach w %

Przeznaczenie	Chiny	Japonia	USA	Islandia	Świat
Ogrzewanie dużych powierzchni Pompy ciepła (ogrzewanie, chłodzenie) Kąpieliska, balneologia Szklarnie Hodowla ryb Przemysł Odtapianie śniegu	17 0 21 7 46 9 0	2 0 73 2 2 0 2	10 59 11 5 10 4 1	77 0 4 4 3 10 2	33 12 19 14 11 10 1

Jak wynika z analizy Tabeli 3 poszczególne kraje specjalizują się w określonych bezpośrednich wykorzystaniach energii geotermalnej. I tak Chiny wykorzystują ją głównie do hodowli ryb, Japonia w kąpieliskach i balneologii, Stany Zjednoczone wiążą tą energię z pracą pomp ciepła a Islandia jest światowym liderem w wykorzystaniu energii geotermalnej do celów grzewczych.

Wykorzystanie energii geotermalnej w decydującym stopniu zależy

od temperatury pozyskiwanej wody. Ilustruje to diagram Lindala przedstawiony na rysunku l.

2.1. Ocena możliwości "y korzystania energii geotermalnej w Polsce

ze szczególnym uwzględnieniem województwa łódzkiego

Zainteresowanie energią geotermalną w Polsce zaowocowało intensyfikacją prac związanych z poznawaniem geologiczno-złożowym warunków występowania wód geotermalnych, oceną ich potencjału cieplnego, określeniu warunków ich ekonomicznej eksploatacji oraz przygotowaniu projektów wykorzystania tych wód jako czynnika grzejnego. W Tabeli 4 przedstawiono szacunkowe zasoby energii geotermalnej w Polsce [8 -11] .

Tabela 4. Zasoby energii geotermalnej w Polsce.

Nazwa prowincji/okręgu	T[°C]	Mineralizacja [g/m^3]	Objętość Wód [km^3]	Energia cieplna [mld tpu]
Niżu polskiego -okręg szczecińsko-łódzki -okręg warszawsko-grudziądzki Przedkarpacka Karpacka	40 - 130 35 - 80 35 - 95 25 - 100 60 - 130	1 - 300 1 - 130 0,1 - 100 1 - 100 0,1 - 80	6225 2580 2766 361 100	32,45 16,6 9,8 1,55 0,72

Zgodnie z obecnym stanem rozpoznania, najkorzystniejsze warunki

eksploatacji złóż istnieją w należącym do Karpat obszarze niecki podhalańskiej. Występują tam wody geotermalne o temperaturze od 35"C do ponad 120°C charakteryzujące się niską mineralizacją i bardzo wysokim ciśnieniem artezyjskim (około 25 atm. na głowicy otworu) powodującym samowypływ wody na powierzchnię. Bardzo sprzyjające warunki stwierdzono również w utworach kredowych i jurajskich, a szczególnie -łódzkim i grudziądzko-warszawskim na Niżu Polskim.

W obrębie jednego z tych subbasenów znajduje się Łódź. Wody temperaturach najwyższych temperaturach w subbasenie grudziądzko-warszawskim występują w centralnej jego części. Ich objętość ocenia się na około 600 km3, a zasoby energii na około 2600 mln t.p.u [10].

---