Podstawę rozwoju przemysłu stanowi energetyka, która wytwarza, gromadzi, przetwarza i wykorzystuje energię niezbędną do uruchomienia i wykonywania pracy urządzeń, maszyn, automatów w procesie produkcji oraz w gospodarstwach domowych. Można różnie definiować energię, ale zawsze należy pamiętać o tym, że jest ona czynnikiem warunkującym wszelkie działania, umożliwiającym przekształcenie zasobów naturalnych w dobra i przedmioty użytkowe, służące zarówno poszczególnym ludziom, jak i całemu społeczeństwu.
Źródła energii dzielą się na:
1 Odnawialne
2 Nieodnawialne
Do nieodnawialnych zalicza się: węgiel kamienny, węgiel brunatny, łupki bitumiczne, ropę naftową i gaz ziemny, uran i inne pierwiastki promieniotwórcze.
Do odnawialnych zalicza się: drewno, energia nuklearna, wodna, wietrzna i geotermiczna oraz paliwa syntetyczne - w małym jeszcze zakresie stosowane w motoryzacji.
Wyróżniamy także inne kryterium podziału źródeł energii:
1 Konwencjonalne
2 Alternatywne
Energia elektryczna wytwarzana jest z paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa, gaz bądź uran lub poprzez konwersję energii słońca, wiatru albo wody.
Elektryczność z kolei bardzo łatwo zmienić na inne formy energii, jak ciepło czy światło.
Obecnie elektryczność jest bardzo dużym nośnikiem energii. Dlatego stosuje się urządzenia elektryczne, takie jak prądnice, generatory czy różnego rodzaju silniki.
KONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII
Paliwa kopalne:
· Węgiel
Torf po długim czasie zmienia się w węgiel brunatny. Ten z kolei zmienia się w węgiel kamienny. Antracyt, najtwardsza i najczystsza kopalna odmiana węgla powstaje ze zwykłego węgla kamiennego po kilku milionach lat.
Przez wieki jego popularność jako paliwa w domowych piecach rosła szybko. Lecz miękkie , łatwo dostępne gatunki węgla miały tę niedogodność , że podczas spalania wydzielały wielkie ilości zanieczyszczeń w postaci dymu i sadzy. Zużycie węgla wzrosło gwałtownie w XVIII wieku w następstwie rewolucji przemysłowej. Powszechnie używano go jako paliwa do silników parowych. A także jako surowca do wytwarzania koksu , materiału użytecznego w metalurgii oraz wykorzystywanego jako paliwo.
Produkty z węgla:
Koks jest produkowany w procesie suchej destylacji, inaczej koksowania, węgla. Polega on m.in.. na prażeniu węgla bez dostępu tlenu celem usunięcia zawartego w nim gazu i smoły. Powstający w tym procesie gaz koksowniczy jest cennym, wysokokalorycznym paliwem. Cennym surowcem jest także smoła.
Węgiel kamienny- jest paliwem kopalnym, zalegającym na różnych głębokościach , ma zróżnicowaną strukturę i różną wartość kaloryczną, co rzutuje na koszty jego wydobycia i opłacalność eksploatacji. 60% światowego wydobycia węgla spalanych jest w elektrowniach, 255 przetwarzanych w koksowniach, a 15% zużywają pozostałe gałęzie przemysłu oraz ludność.
Największe zagłębia węgla kamiennego:
1. W Chinach: Szansi i Szensi, położone na południowy zachód od Pekinu
2. W Stanach Zjednoczonych: Apallachy- zagłębia Północne, Centralne i Południowe, Góry Skalskie,
3. W Indiach: na Nizinie Gangesu
4. W Rosji: Zagłębie Donieckie, Tungulskie, Leńskie, Kołymskie, Kuźnieckie, Peczorskie, Irkuckie.
5. W Australii: Newcastle, Moobie.
Węgiel brunatny- jest paliwem kopalnym. Jego wartość kaloryczna jest niższa od wartości węgla kamiennego, a eksploatacja odbywa się przeważnie metodą odkrywkową, która bardzo niszczy środowisko naturalne. Węgiel ten nie nadaje się do długiego ( odległego ) transportu ze względu na dużą zawartość wody i kruchość.
· Ropa naftowa
Jest surowcem kopalnym, węglowodorem. Zbierająca się w porowatych skałach pod powierzchnią ziemi ropa naftowa nazywana bywała dawniej olejem skalnym. W normalnych warunkach ponad złożem ropy tworzy się warstwa zawierająca gaz ziemny. W pewnych warunkach ropa naftowa przesiąka do powierzchni ziemi, gdzie jej bardziej lotne frakcje odparowują , pozostawiając oleiste , na wpół stałe substancje jak np. asfalt.
Do połowy XIX w. Ropa maiła bardzo nieliczne zastosowania. W 1853 roku Ignacy Łukasiewicz opracował metodę otrzymywania ropy nafty i skonstruował lampę naftową. W rok później uruchomił w Bórce pod Krosnem pierwszą na świecie kopalnię ropy naftowej. W latach dziewięćdzisiątych XIX wieku znaczenie ropy wzrosło, gdyż stała się ona surowcem do produkcji paliw silników spalinowych.
Wiele różnych substancji, włączając w to benzynę i naftę, otrzymuje się z ropy naftowej w trakcie procesu destylacji frakcjalnej, czyli retyfikacji.
Do najbogatszych złóż należą:
1. W Euroazji: Rosja - Zagłębie Wołżąńsko-Uralskie, Zagłębie Zachodniosyberyjskie, Kazachstan, Turkmenia, Azejbejdżan. Ponadto złoża w Wielkiej Brytanii, Norwegii, Indonezji, Chinach.
2. W Stanach Zjednoczonych: stany - Teksas, Oklahoma, Nowy Meksyk, Luizjana, Kansas; złoża podmorskie: Zatoka Meksykańska, Przylądek Barrow(Alaska)
3. W Ameryce Łacińskiej: Wenezuela, delta Orinoko, prowincja Chiopas
4. W Afryce: Libia, Tunezja, Algieria,Egipt, Nigeria.
· Gaz
Jest najbardziej ekologicznym paliwem, wygodnym w przesyłaniu i dystrybucji. Należy do paliw kopalnych, występuje w porowatych skałach osadowych, a pozyskuje się go technikami otworowego wydobycia.
Pierwszą wykorzystywaną instalacją gazowa na gaz węglowy był system oświetlenia gazowego kopalni węgla kamiennego w angielskim hrabstwie Cumberland, oddany do użytku w 1765. Gaz pochodził z płonącego pokładu węgla.
Gazownie
Człowiekiem , który najbardziej przyczynił się do stworzenia nowoczesnego systemu dystrybucji gazu był angielski biznesmen F.A.Winsor nie mający właściwie pojęcia o gazownictwie. Winsor uważał , że znacznie sensowniejsze jest sprzedawać gaz niż instalacje do jego produkcji. Pomysł ten leżał u podstaw powstawania gazowni oraz nowoczesnego systemu gazociągowego. Założona przez niego kompania gazownicza w 1813 roku oświetliła ulice Londynu. Sukces tego przedsięwzięcia spowodował budowę podobnych instalacji na całym świecie .Gdy sieć gazowa zapewniła gaz do oświetlenia, nie istniały przeszkody dla wykorzystania go w innych celach. Już w 1840 powstały pierwsze kuchenki gazowe. Trzy lata później ruszyła w USA pierwsza nowoczesna instalacja wydobywająca gaz ziemny.
Obecnie większość odbiorców jest zaopatrywana w gaz ziemny, choć w niektórych rejonach dalej używany jest gaz koksowniczy. Gaz bywa również wytwarzany z ropy naftowej.
Gaz koksowniczy- składa się w przybliżeniu w 50% objętościowo z wodoru i 30% z metanu, oraz azotu, tlenku węgla i mniejszych ilości cięższych węglowodorów, dwutlenku węgla i tlenu. Gaz ten jest zwykle produkowany w procesie ogrzewania węgla kamiennego w temperaturze 1350 stopni C bez dostępu powietrza. Grzanie powoduje wydostawanie się z węgla lotnych składników tworzących gaz. Surowy gaz koksowniczy zawiera gazy amonowe i siarkowodór. Wszystkie te niepożądane domieszki są usuwane w serii procesów oczyszczania. Oprócz gazu w procesie tym, zwanym suchą destylacją węgla, powstaje koks.
Gaz olejowy- pierwotnie gaz olejowy był wytwarzany z surowej ropy naftowej, lecz później stworzono metody pozyskiwania gazu z innych olejów. Gaz ten składa się z kilku węglowodorów, w tym metanu, acetylenu oraz benzenu. Jest dość czysty i bywa niekiedy mieszany z gazem koksowniczym.
Gaz ziemny- wiele państw posiada złoża gazu ziemnego, zwykle występujące wraz z pokładami ropy naftowej. Od lat 40 XX wieku są one głównym źródłem gazu w USA. Niedługo potem także Europa, dzięki złożom pod powierzchnią Morza Północnego oraz Rosji, przeszła głównie na ten rodzaj gazu.
Gaz ziemny składa się głównie z metanu wraz z etanem oraz niewielkich ilości propanu, butanu, azotu. Jego wartość opałowa jest znacznie wyższa niż gazu koksowniczego, co oznacza że spalenie danej masy gazu ziemnego da więcej energii niż spalenie tej samej masy gazu koksowniczego. Prowadzi to do komplikacji przy przestrajaniu sieci z gazu koksowniczego na ziemny .
Największe złoża gazu ziemnego:
1. W Rosji- Zachodnia Syberia niecka Wołżańsko-Uralska., dorzecze Leny
2. Środkowa Azja- Turkmenistan, Uzbekistan
3. Afryka Północna- Algieria
4. Europa- pod dnem Morza Północnego eksploatowano przez W. Brytanię, Norwegię, Danię, Holandię.
Paliwa kopalne a zatem konwencjonalne źródła energii
zaspakajają zapotrzebowanie energetyczne świata od 75% do 85%. Przewiduje
się , że w najbliższym ćwierćwieczu , a nawet później będą one nadal eksploatowane , gdyż uzależniony jest od nich transport - lądowy, morski i powietrzny - przemysł, przynajmniej w znacznej swojej części , oraz gospodarstwa domowe. Surowce te nadal też dominują w wytwarzaniu energii elektrycznej. Obecnie z paliw kopalnych pochodzi około 60% produkcji elektryczności.
ALTERNATYWNWE ŹRÓDŁA ENERGII
· Energia słoneczna
Słońce, jedna z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokrywałaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka.
Promieniowanie słoneczne: około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę. 20% jest przez nią pochłaniane , a tylko 5% energii dociera do powierzchni ziemi.
Ogrzewanie domów:
wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób , aby uzyskiwać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwi to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach projektuje się duże okna od strony najbardziej nasłonecznionej, a małe od przeciwnej. W niektórych rozwiązaniach stosuje się zasłony izolujące ciepło, które zamykane na noc nie pozwalają na ucieczkę ciepła nagromadzonego w dzień . Takie rozwiązanie jest tzw. Systemem pasywnym.Inne zastosowania energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę , która przepływała przez płaskie panele tworzące radiatory absorbujące światło. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych.
Baterie słoneczne:
Są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd , ale duża liczba ogniw , wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użyteczne mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników , zwykle z krzemu. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej , gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorkach i zegarkach.
W 1981 słoneczny samolot SOLAR CHALLENGER przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi , które zasilały silnik elektryczny.
· Energia wiatru
Elektrownie wiatrowe
Energia elektryczna uzyskiwana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wykorzystanie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę ok. 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata tj. 1000MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych , gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.
Pompy napędzane wiatrem:
W niektórych krajach młyny wiatrowe są jeszcze powszechnie używane do mielenia zboża na mąkę. Karierę w niektórych regionach robią napędzane wiatrem, pompy łopatowe, pompujące wodę ze studni, często bardzo głębokich . Tak dzieje się w Australii i RPA. Wydobytą wodę przechowuje się w zbudowanej obok specjalnej wieży. Urządzenia te również zwie się powszechnie wiatrakami , lecz są to naprawdę silniki wiatrowe lub pompy wiatrowe.
· Energia fal
Źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą naprawdę znaczne jej ilości , lecz problemem jest jej efektywne pozyskiwanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentu. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół , w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator.
Niedawno na wyspie ISLAY w Szkocji wybudowano elektrownię wykorzystującą energię fal morskich. Jej moc całkowita wynosi około 180kW. Działa na zasadzie oscylującego słupa wody. Wpółzanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.
· Energia pływów
W swym dolnym brzegu rzeki są zbyt leniwe , aby budować na nich elektrownie wodne. Alternatywne źródło energii mogą tam stanowić pływy morskie. Siła pływów , podobnie jak w zwykłej elektrowni wodnej, obraca turbiną , połączoną z generatorem . Jednak w niewielu tylko miejscach budowa takiej elektrowni jest opłacalna, gdyż elektrownie te cechują się znikomą rentownością. Jedna z istniejących, położona we Francji nad rzeką Rance, ma moc zaledwie 100MW, czyli 10 części tego, co duża elektrownia węglowa.
· Koła i turbiny wodne
Koło wodne , historia którego sięga wstecz do I w.n.e. , służyło wpierw do napędzania żaren w młynach. Dopiero około 1000 lat później ludzie zaczęli zaprzęgać wodę do innych zadań, a to przyczyniło się do rozwoju przemysłu właśnie w dolinach rzek, nadających się do energetycznego wykorzystania. Koła wodne napędzały miechy i ciężkie młoty w kuźniach, piły w tartakach i wiele innych urządzeń. Przemysły metalurgiczny, tekstylny i papierniczy we wczesnej fazie rozwoju były nierozerwalnie związane z wodą, aż do czasu wynalezienia maszyny parowej w końcu XVIII w. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych z powodzeniem napędzają potężne generatory wielkich elektrowni wodnych, produkujących znaczne ilości energii elektrycznej. W niektórych krajach , przykładem Norwegia , większość energii wytwarzana jest właśnie w ten sposób.
· Energia spadku masy wodnej (Hydroenergia)
Już od dawna jest wykorzystywana przez człowieka. Dawniej siła spadku wody poruszała młyny, warsztaty sukiennicze, garbarnie, z czasem również elektrownie wodne .Do jej pozyskiwania wykorzystywana jest energia wody również dzisiaj. Energia wodna , należąca do zasobów odnawialnych, umożliwia rozwój transportu wodnego, uprzemysłowienie krajów pozbawionych surowców energetycznych i nawadnianie terenów rolniczych. Jest ona opłacalna w krajach dysponujących odpowiednimi warunkami terenowymi, czyli wystarczająco dużymi różnicami wzniesień , w takich jak: Norwegia, Szwecja, Szwajcaria oraz niektóre kraje Ameryki: Meksyk, Brazylia, Argentyna.
· Energia nuklearna
W latach 50 wzbudziła wszelkie nadzieje na rozwiązanie problemów energetycznych. Sądzono , że jej produkcja będzie wkrótce nieograniczona, tania, czysta i niegroźna. Pierwsza elektrownia powstała w 1955 r. Na Ukrainie. W 1956 r. Angielska królowa Elżbieta II uruchomiła pierwszą brytyjska elektrownię atomową w Calder Hall, a w następnych latach w bogatszych krajach powstały setki reaktorów jadrowych, które jak np. we Francji- dostarczają 75% energii.
Poważnym potencjałem energii z własnych elektrowni nuklearnych dysponują: Francja, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Szwajcaria, Szwecja, Rosja, Ukraina, Litwa, Armenia.
Produkcja energii elektrycznej
Energię elektryczną produkuje się przy wykorzystaniu: węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej, gazu ziemnego, pierwiastków promieniotwórczych oraz jeszcze w niewielkim stopniu siły wiatru, spadku wód, energii słonecznej, hydrotermalnej i pływów morskich. Produkcja energii elektrycznej w 1995 roku na świecie wyniosła 13098 TWh, a w Polsce 139TWh. Największy udział w produkcji światowej miały: Stany Zjednoczone (25,5%), Chiny (7,7%), Japonia (7,6%).
Energia wiatru
Energia pod różnymi postaciami jest niezbędna do życia i rozwoju ludzkości. Miarą rozwoju cywilizacyjnego poszczególnych Państw jest ilość zużywanej energii w przeliczeniu na jednego mieszkańca. Globalne zużycie energii wciąż rośnie, zatem wobec stopniowego wyczerpywania się zasobów paliwowych tak zwanej energii konwencjonalnej. Rosnące, więc z tego tytułu koszty wytwarzania energii powodują wzrost jej ceny. Polska należy do krajów rozwijających się a stały wzrost kosztów ochrony środowiska związanych z pozyskiwaniem energii głównie ze spalania węgla kamiennego i brunatnego jest jednym z powodów wzrostu jej ceny.
Czy można, zatem zaoszczędzić na wydatkach w gospodarstwie domowym, fabryce czy szkole szukając innych możliwości pozyskania energii?
Czy istnieją jakieś źródła energii, z których można ją pozyskać za darmo albo prawie za darmo?
Oczywiście istnieją. Podstawowym źródłem energii dla naszej planety jest słońce. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Dzisiaj te paliwa określane są jako konwencjonalne. Ale słońce póki, co świeci nadal i dostarcza nam energii w różnych postaciach. Ta energia pochodząca bezpośrednio od promieniowania słonecznego nazywana jest energią odnawialną. Również słońcu zawdzięczamy energię, jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie.
Na następnych stronach znajdziecie opisy możliwości wykorzystania tej darmowej energii oraz urządzenia służące jej wykorzystaniu w naszym życiu codziennym.
Czym jest energia wiatru? Zapewne u wielu wywołam zdziwienie, ale jest ona pewną odmianą energii słonecznej.
Postaram się to wytłumaczyć. Wiatr powstaje pod wpływem nierównomiernego nagrzewania przez słońce różnych powierzchni na ziemi. Wynika to ze zmiennej topografii terenu oraz zabudowy powierzchni. Powietrze nad powierzchnią nagrzaną przez słońce unosi się do góry, co powoduje zasysanie chłodnego powietrza np. z nad dużej powierzchni zbiornika wody (ocean, morze, jezioro). Wytworzone różnice temperatur powodują przemieszczanie się całych mas powietrza zgodnie z naturalnymi warunkami ukształtowania powierzchni ziemi. Każdy, kto był kiedyś w górach wie dokładnie jak wiatr hula np. na przełęczy górskiej. Taka przełęcz to naturalnie ukształtowany tunel, przez który przepływają masy powietrza. Ale zapewne i typowy mieszczuch zaobserwował zjawisko silnego prądu powietrznego w tunelach ukształtowanych przez zabudowę mieszkalną, a już szczególnie, gdy są to wysokie i długie tzw. mrówkowce. W takich tunelach wiatr zwykle wieje nawet wtedy, gdy poza nimi jest bezwietrzna pogoda.
Przy powierzchni ziemi wiatr wyhamowywany jest przez nierówności terenu. Kto z nas nie kopał „grajdołka” na nadmorskiej plaży, albo nie stawiał tam parawaniku?
Tę energie wiatru człowiek postanowił wykorzystać celem ulżenia swoim mięśniom przy wykonywaniu pracy. Już starożytni Chińczycy czy Babilończycy dostrzegali możliwości zaprzęgnięcia wiatru do pracy. Tym pomysłem na przekształcenie siły wiatru w użyteczną pracę było skonstruowanie wiatraka. Pierwsze wiatraki w Holandii pojawiły się już w VIII wieku. Największy rozwój wiatraków następował w XVI i XVII wieku, a po wynalezieniu maszyny parowej nastąpił w ich rozwoju regres. Pod koniec XX wieku wobec kurczących się światowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz większej randze nadawanej problemom ochrony środowiska następuje renesans wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w dziedzinie produkcji i wykorzystania wiatraków jest obecnie Dania. W tym kraju zainstalowanych jest obecnie ok. 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% potrzeb energetycznych tego państwa. Obecna produkcja wiatraków w Danii stanowi, co do wartości trzeci produkt eksportowy tego kraju. W USA do sieci energetycznej przyłączone jest obecnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co zaspakaja ok. 1% ogólnej mocy całego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Przewiduje się w USA, że do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zapotrzebowania tego kraju na energie elektryczną.
Średnie zasoby wiatrów na całej kuli ziemskiej są ponad 1700 razy większe od energii wytwarzanej przez wszystkie istniejące elektrownie cieplne.
W Polsce największe zasoby wiatru znajdują się w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Ale nawet na obszarze Polski centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.
Im wyżej tym wiatr jest silniejszy (wzrasta jego prędkość).
Zrozumiała, zatem jest tendencja do umieszczania wiatraków jak najwyżej. Istnieje podobno nawet pomysł umieszczenia wiatraka na wieży o wysokości 1000 m. Pomysłów w tej materii jest zresztą coraz więcej.
Ktoś rzucił hasło, aby wykorzystać wiatr indukowany przez pędzące autostrada samochody poprzez zainstalowanie na jej obrzeżach niewielkich wiatraczków.
Kolejnym pomysłem jest sprowadzenie wiatraka do poziomu ziemi wykorzystując w tym celu wentylator osiowy i odwrócenie roli tego wentylatora poprzez zamianę go w turbinę wiatrową oddającą energię do jakiejś maszyny. Zasilanie tego wentylatora miałoby następować tunelem doprowadzającym powietrze z zewnątrz.
Przelatująca nad nami energia wiatru jest mało stabilna pod względem prędkości mas powietrza. Wiatr może być tak łagodny jak i huraganowy. Wraz z wiatrem niesione są opady atmosferyczne, pyły i inne zanieczyszczenia, co ma wpływ na trwałość konstrukcji wiatraków. Postęp w zakresie technologicznym pozwala jednak na pokonywanie tych przeciwności, stąd postępujący renesans wiatraków.
Dlaczego technologia i jakość materiałów jest tak ważna?
Otóż na konstrukcję wiatraka i śmigła działają olbrzymie siły
o nierównomiernym rozkładzie sił a konserwacja i dozór tych urządzeń ze względu na duże wysokości ich zainstalowania jest niezwykle pracochłonny i co za tym idzie kosztowny. Dlatego jakość stosowanych materiałów jest tak istotna.
Moc elektrowni wiatrowej jest proporcjonalna do powierzchni śmigła omiatanej przez wiatr oraz do sześcianu prędkości wiatru. Podwojenie prędkości wiatru to ośmiokrotny wzrost mocy wiatraka. Średniej wielkości wiatrak o wysokości ok.60m i rozpiętości skrzydeł ok. 44 m pozwala wygenerować moc rzędu 660 kW, co pozwala zaopatrzyć w energię elektryczną duży zakład przemysłowy lub od 300 do 400 gospodarstw domowych. Największy pracujący obecnie na świecie wiatrak ma moc rzędu 2 MW, co pozwala zaopatrzyć w energię sporych rozmiarów miasteczko.
Elektrownie wiatrowe wymagają stosunkowo dużej powierzchni, ze względu na wielkość konstrukcji i dlatego lokowane są z dala od większych miejscowości. Elektrownia o mocy 1MW potrzebuje ok. 1 ha powierzchni ziemi. Większość wiatraków produkuje prąd już przy prędkości wiatru od 10 km/h do 18 km/h a optymalna praca występuje przy prędkości od 54 km/h do 72 km/h. Po przekroczeniu wartości maksymalnej wydajność spada a wiatrak odwraca się od wiatru, co jest wymuszone jego bezpieczeństwem.
Oprócz dużych wiatraków składających się na profesjonalne elektrownie wiatrowe istnieje całe mnóstwo rozwiązań konstrukcyjnych nadających się do wykorzystania jako generatory przydomowe. Energia produkowana przez takie małe elektrownie może być magazynowana w akumulatorach lub zbiornikach ciepłej wody, ale znacznie korzystniej jest przyłączyć takie elektrownie do lokalnej sieci energetycznej. Obowiązujące obecnie w Polsce prawo nakazuje operatorowi sieci przyjąć tę energie do jego sieci.
Czy wiatraki służą jedynie do napędzania młynów i generatorów energii elektrycznej?
Otóż nie. Kolejnym ważnym zastosowaniem jest wykorzystanie wiatraka do napędu pompy wodnej. W historii ludzkości tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA stosowało takie rozwiązania bardzo często. Ci z Was, którzy oglądali westerny zapewne widzieli takie pompy w akcji. Pompa wodna charakteryzuje się niskim kosztem eksploatacji i stosunkowo niskim kosztem początkowym. Ponieważ pompy te stosowane są od wieków, więc również mają bardzo dojrzałe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Szczególnie atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tych pomp w rolnictwie gdzie można przy ich pomocy dostarczać taniej wody użytkowej z istniejących zbiorników otwartych i oszczędzać w ten sposób drogiej wody pitnej. Światowe zasoby wody pitnej są zresztą skromne i ich oszczędzanie ze wszech miar jest wskazane. Dlatego nawet kraje wysoko rozwinięte technologicznie używają tych pomp. Pompa wiatrowa doskonale nadaje się również do oczyszczalni ścieków, która to najczęściej oddalona jest od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co znakomicie zmniejsza koszty dalekiego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.
Czy zatem wykorzystywanie siły wiatru ma wyłącznie znaczenie dla ochrony naszego naturalnego środowiska? Myślę, że po przeczytaniu powyższego tekstu możemy śmiało powiedzieć, że istnieje również aspekt ekonomiczny skłaniający nas do korzystania z tego darmowego źródła energii.
Słońce jako źródło energii.
Najważniejszym źródłem energii dla Ziemi jest jego słońce. Bez niego nasz świat nie miał by prawa istnieć. Każda komórka rośliny zielonej istnieje dzięki procesowi asymilacji energii słonecznej zawartej w fotonach. Od samożywnych organizmów zaczyna się każdy łańcuch pokarmowy - a w zasadzie, z małymi wyjątkami, organizmy samożywne to właśnie rośliny fotosyntezujące. Gdyby nie słońce wody tej planety były by zawsze w uwięzione w postaci lodu. To dzięki słońcu istnieje ropa, gaz, węgiel i energia wiatrów. Słońce jest potężnym reaktorem dającym energię Ziemi - bez niego Ziemia by zgasła.
Potencjał energii Słońca.
Ludzie już dawno dostrzegli możliwość praktycznego wykorzystania energii, jaką niosą ze sobą promienie słoneczne. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą do rozniecania ognia. Około 30% energii słonecznej docierającej do Ziemi jest odbijana przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% dociera do powierzchni ziemi. Te "zaledwie" 50% to aż 27.000.000.000 MW, przy czym należy zaznaczyć że zapotrzebowanie ludzkości w energie ( nie tylko elektryczna, również mechaniczna i cieplna ) wynosi 0,01*1.000.000.000 MW. Energia ta jest praktycznie nie do wyczerpania, a jej pozyskiwanie jest nie szkodliwe dla środowiska. Niestety źródło to ma wadę. Aby zaopatrzyć całą Ziemie w energię pochodzenia słonecznego należałoby pokryć 745.000 km2 Jej powierzchni panelami fotowoltaicznymi. Jest to 0.5% całej powierzchni lądów.
Uśredniony w szerokościach geograficznych, porach roku itp. strumień energii słonecznej na powierzchni Ziemi wynosi około 164 W/m2. Jest to dobowa wartość średnia. Jeżeli uwzględnić tylko 8- godzinny “dzień pracy" Słońca, od 8 rano do 4 po południu, to dla miejscowości na szerokości geograficznej 40 o wspomniana wartość ta wyniesie około 600 W/m2. W ciągu “dnia pracy" Słońce dostarczy wtedy 4.8 kWh/m 2 , co odpowiada mniej wię cej energii 0.5 l benzyny na m 2 na dzień. Oczywiście, nieco większa jest ta wartość latem, a mniejsza zimą. No i, oczywiście, nocą nie otrzymujemy nic z owej darmowej energii.
Sposoby wykorzystania energii słonecznej.
Istnieją 2 podstawowe metody wykorzystania energii słonecznej. Przemiana w energię elektryczną, przemiana w energię cieplną.
Przemiana w energię elektryczną.
Energia słoneczna może być przekształcona w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych. Małe baterie słoneczne zasilają nasze 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.
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Produkcja modułów fotowoltaicznych, drugiego (16,8%) najszybciej rosnącego odnawialnego źródła energii w latach 1990 - 98 zwiększała się średnio o 25% rocznie. W 1998 wyniosła ona 152 MWp (przyrost o 30% względem 1997), a w 1999 spodziewane jest, że produkcja osiągnie poziom 200 MWp.
Nie jest opłacalne budowanie wielkich powierzchniowo zespołów ogniw fotowoltaicznych , ze względu na koszty transportu energii i dbałości o takie konstrukcje. Rozwiązaniem tego problemu jest rozmieszczenie paneli na dachach budynków które mają one zaopatrywać w energie.
Przemiana w energię cieplną
Energii promieniowania słonecznego nie musimy jednak przetwarzać tylko w energie elektryczną. Istnieje również możliwość wykorzystywania tej energii w sposób pasywny. Polega to na zastosowaniu takiej architektury domu (lub innego budynku ), aby wpuścić do pomieszczenia maksymalnej ilości światła bądź ciepła w takiej formie w jakiej występują. Dzięki temu zbędne są skomplikowane urządzenia i instalacje przetwarzające energie słoneczną w prąd elektryczny lub ciepło. Jest to pasywna metoda wykorzystania energii słonecznej, jest ona najprostsza i przez to niezawodna i względnie tania. Drugim sposobem uzyskania energii cieplnej ze słońca są tzw. kolektory słoneczne. Zasada ich działania jest prosta - wewnątrz przezroczystej konstrukcji przepływa wymiennik ciepła, promienie docierają do niego i są przekształcone w jego ciepło ( dzięki różnym mechanizmom tj. specjale membrany ) .
Energia słoneczna może być przetwarzana w kolektorach wodnych i powietrznych w ciepło służce 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, grzybów (kolektory powietrzne)
Wykorzystanie i plany na przyszłość.
Łączna produkcja energii ze słońca od 1980 r. wynosi obecnie 800 MW. Około 50% rynku światowego jest ulokowana w zastosowaniach nie podłączonych do sieci elektroenergetycznej, takich jak telefony awaryjne, stacje telekomunikacyjne, pompy wody, itp., gdzie jedyną alternatywą są kosztowne systemy z generatorami dieslowymi. Zastosowania w urządzeniach powszechnego użytku, takich jak zegarki, kalkulatory, itp. wykorzystują 20% zainstalowanej mocy. Jednakże obecny gwałtowny wzrost produkcji związany jest z zastosowaniami w budownictwie (pozostałe 30%). Systemy fotowoltaiczne mają ogromny potencjał do zasilania urządzeń na obszarach nie podłączonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi na świecie nie ma dostępu do prądu elektrycznego). Ocenia się, że ok. 500 tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie korzysta obecnie z systemów fotowoltaicznych do pokrycia większości lub całości swojego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Rząd japoński ma bardzo ambitne plany, które spowodowały silny rozwój PV w ostatnich dwóch latach. Dzięki nowemu prawu dotyczącemu zakupu energii i 50% dotacji rządowej zainstalowano 9,400 systemów w 1997 r. i ok. 14,000 w 1998 r. Japoński program spowodował, że produkcja modułów PV wzrosła 2,5-krotnie w ostatnich dwóch latach do prawie 50 MWp rocznie. Cele programu koordynowanego przez Ministerstwo Handlu i Przemysłu (MITI) jest instalacja ponad 70,000 dachowych systemów PV do roku 2000. Zakłada się, że te systemy słoneczne staną się całkowicie konkurencyjne do roku 2001, w którym to roku zamierza się znieść bezpośrednie dotacje do programu.
W ostatnich latach duży nacisk, szczególnie w krajach wysoko uprzemysłowionych, kładziony jest na rozwój systemów fotowoltaicznych podłączonych do sieci elektroenergetycznej, ponieważ zapewniają one najwyższy potencjał na długofalową redukcję zużycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. W Niemczech, po sukcesie programu 1000 słonecznych dachów realizowanego w latach 1991-1995 (do 1995 r. zainstalowano 2200 instalacji o łącznej mocy 5,3 MW). Rząd federalny ogłosił w końcu 1998 r. program 100.000 dachów. Szybki rozwój fotowoltaiki w Niemczech wynika z dotacji rządowych i wysokiej ceny zakupu energii elektrycznej przez zakłady energetyczne. Wykorzystując obecny boom budowlany w Berlinie zainstalowano systemy fotowoltaiczne w Parlamencie, Ministerstwie Gospodarki, stacji kolejowej i budynkach mieszkalnych. W Monachium na dachu hali targowej zainstalowano system o mocy 1 MW.
Gwałtowny wzrost rynku na systemy fotowoltaiczne oraz Protokoł z Kioto przyśpieszyły inwestowanie w technologie słoneczne w ostatnich dwóch latach. Kilka dużych koncernów energetycznych (Canon, British Petrolium, Shell) zwiększyło inwestycje w tej dziedzinie. Nowe linie produkcyjne są uruchomiane przez firmy Kyocera (największy producent światowy) w Japonii, Photowatt we Francji, Siemens i Solarex w USA, BP w Australii i Indiach. Shell Solar buduje największą (25 MW/rok) fabrykę modułów fotowoltaicznych w Niemczech.
W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na NE od Los Angeles, w latach 1984-1992 powstał kompleks 13 elektrowni heliotermicznych o różnej mocy. Również w Kalifornii w 1984 r. uruchomiono elektrownię Carissa Plain wytwarzającą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu. Technologia słonecznych kolektorów termicznych jest już prawie całkowicie dojrzała. Tym niemniej istnieją możliwości dalszej obniżki kosztów produkcji w przypadku wielkiej skali produkcji oraz poprawy zarówno procesu produkcji i marketingu. W chwili obecnej w krajach Unii Europejskiej istnieje ok. 300 małych przedsiębiorstw działających w tym sektorze, bezpośrednio zatrudniających ok. 10,000 osób. Ogrzewanie przy pomocy słonecznych kolektorów termicznych jest konkurencyjne do ogrzewania elektrycznego, szczególnie na południu Europy.
Idea zaspokojenia naszych potrzeb poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej “tu i teraz" nie daje spokoju marzycielom. Niedawno w Montrealu zebrali się entuzjaści kosmicznej elektrowni słonecznej. Byłoby to gigantyczne urządzenie zawieszone na orbicie geostacjonarnej, przez całą dobę przetwarzające energię słoneczną w mikrofale, których strumień skierowany byłby do odbiornika na Ziemi i następnie przetworzony w energię elektryczną. Delegacja NASA przedstawiła na konferencji aż 30 pomysłów. W tzw. realistycznym wariancie stacja kosmiczna miałaby “zaledwie" 50 km2, a stacja odbiorcza na ziemi 70 km2. Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się wspaniały. Ale jaka byłaby “maksymalna" sprawność takiego urządzenia? Okazuje się, że każdy z etapów przetwarzania energii w tym urządzeniu, z energii słonecznej w elektryczną, następnie w mikrofale i znowu, już na ziemi, w elektryczność, ma sprawność poniżej 30%. Tak więc zaledwie 3% energii słonecznej dotrze w ten sposób z orbity do odbiorcy na ziemi.
Polska
Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych są bardzo zróżnicowane. Położenie geograficzne Polski powoduje, iż warunki klimatyczne są bardzo specyficzne. Ma tu bowiem miejsce ścieranie się wpływu dwóch frontów atmosferycznych: atlantyckiego i kontynentalnego. Na jesieni i na wiosnę często występuje duże zachmurzenie i opady deszczu. W zimie temperatury powietrza są niskie i wieją silne wiatry. Roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Analizując wieloletnie wyniki badań można stwierdzić, że największe wartości strumienia promieniowania słonecznego występują nad Bałtykiem. Warunki nasłonecznienia na polskim wybrzeżu odpowiadają warunkom w Europie Środkowej, np. w Austrii i na Węgrzech. Najbardziej niekorzystna sytuacja jest na Śląsku, gdzie występuje największe zanieczyszczenie powietrza. Średnie usłonecznienie dla Polski wynosi 1600 godzin, przy czym maksymalna liczba godzin słonecznych w roku występuje, jak poprzednio, nad morzem, a wartość minimalna na Dolnym Śląsku.
Podsumowanie
Słońce jest najlepszym możliwym źródłem energii, ale metody adaptacji tej energi na potrzeby ludzi mogą być jeszcze dużo lepsze. Niska wydajność, wysoka cena urządzeń, zależność od pogody - wady te wciąż obniżają wartość energii słońca. Tępo rozwoju tej gałęzi energetyki i wielki potencjał energii słońca dają jednak nadzieję na szybkie przeważenie szali zalet i wad na korzyść zalet fotoenergetyki. Kwestią krótkiego czasu będzie obniżenie kosztów produkcji i zwiększenie wydajności urządzeń tego typu. Nowe technologie i proekologiczna polityka państw wysoko rozwiniętych sprzyjać będą w pokonywaniu wszelkich niedogodności. Możliwość budowania samowystarczalnych energetycznie domów jest zdawało by się wręcz utopią, ten raj jednak zbliża się do nas. Szklane domy przestaną być marzeniem.
Energia alternatywna jest to energia uzyskiwana ze źródeł odnawialnych . Najważniejszym źródłem energii alternatywnej jest płynąca woda, użytkowana jako energia hydroelektryczna, innymi źródłami są przypływy oraz odpływy mórz i fale morskie ( elektrownia pływowa oraz elektrownia falowa), wiatr ( napędzający silniki wiatrowe - wiatraki ), Słońce ( energia słoneczna) ,ciepło wnętrza ziemi ( energia geotermiczna ) oraz energia biomasy.
ENERGIA SŁOŃCA
Duże trudności sprawia wykorzystanie energii słonecznej, a powodem jest tego mała częstotliwość emitowanej przez słońce energii i brak ciągłości w jej dopływie. Jednak widać bardzo duży postęp. Energia ta jest wykorzystywana lokalnie do ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń, ogrzewania wody używanej w gospodarstwach domowych za pomocą kolektorów montowanych na dachach domów. Wykorzystuje się ją również do kalkulatorów kieszonkowych zasilanych bateriami słonecznymi.
Działanie ogniwa słonecznego jest oparte na zjawisku fotowoltaicznym, polegającym na powstaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu.
Główną zaletą instalacji fotowoltaicznych jest ich elastyczność za względu na dostarczaną moc, gdyż mają one modułowy charakter. Systemy fotowoltaiczne mogą być dokładnie dostosowane do zapotrzebowania na moc, dlatego można uniknąć znacznej części nakładów związanych z przesyłaniem energii i odpowiadających mu strat. Instalacje takie mogą pracować zależnie od potrzeb na użytek: domu jednorodzinnego, budynku publicznego, zakładu przemysłowego lub centralnego zakładu energetycznego. Podstawowe cechy instalacji fotowoltaicznych:
- żadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane z transportem i magazynowaniem
paliwa są wyeliminowane;
- nie wymagają one intensywnego chłodzenia, zatem mogą być lokalizowane z dala od rzek
na słonecznych suchych obszarach;
- ogniwa przekształcają także rozproszoną część promieniowania słonecznego padającego na Ziemię,
dlatego stanowią atrakcyjną metodę produkcji energii elektrycznej w krajach o przeważającej
pochmurnej pogodzie;
- w przeciwieństwie do innych źródeł ich wydajność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu.
Ich żywotność wynosi 20-30 lat. Na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu,
nie wymagają części zamiennych ani konserwacji;
Na świecie istnieje obecnie bardzo niewiele elektrowni słonecznych, a te istniejące maja bardziej charakter symboliczny gdyż wytwarzają bardzo niewielką w porównaniu do innych elektrowni energię. Energia słoneczna może stać się jednak dużo bardziej popularna w momencie kiedy zostaną opracowane wydajniejsze sposoby jej pozyskiwania. Również cena ogniw słonecznych jej obecnie dużą przeszkodą w ich rozpowszechnieniu.
W Europie powstał rynek producentów kolektorów słonecznych, na którym dominują: Grecja, Niemcy i Wielka Brytania, gdzie został zarejestrowany pierwszy patent na produkcję tych urządzeń.
ENERGIA WODNA
Energia spadku masy wody jest od dawna wykorzystywana przez człowieka. Dawniej siła spadku wody poruszała młyny, warsztaty sukiennicze i garbarnie, z czasem również elektrownie wodne. Jest opłacalna w krajach, dysponujących odpowiednimi warunkami terenowymi, czyli wystarczająco dużymi różnicami wzniesień, w tj. Norwegia, Szwecja, Szwajcaria oraz niektóre kraje Ameryki np. Meksyk, Brazylia, Argentyna.
Energia wodna, należąca do zasobów odnawialnych, umożliwia uprzemysłowienie państw pozbawionych kopalnych surowców energetycznych.
Elektrownie wodne można podzielić na dwie kategorie:
Elektrownie z naturalnym dopływem wody:
-elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn., że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny,
który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;
- elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy
od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.
Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu. Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę.
Elektrownie szczytowo - pompowe,
które znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi - tzn. górny i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.
Zasada działania: woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół; na końcu trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd; trwa to około 4,5-5 godzin. Najczęściej nocą, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny radykalnie spada - przeprowadza się cykl odwrotny.
Na świecie energia rzek zaspokaja ok. 3 % zapotrzebowania na energię pierwotną.
Rozwój elektrowni wodnych - czystych dla otoczenia, niezależnych od wydobycia i transportu paliw - ograniczony jest jedynie wymogami odpowiednich warunków zewnętrznych (terenowych i geologicznych) oraz zależy od wielkości kapitału posiadanego przez inwestora.
Pobieranie tej energii jest bardzo korzystne zarówno ze względu na ekologiczny, jak i ekonomiczny charakter, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii i reguluje stosunki wodne zwiększając retencję wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę. Energia elektryczna produkowana w elektrowniach wodnych zazwyczaj wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu energii. Duża elektrownia wodna może zasilać nawet całe kilkutysięczne miasto.
Małe elektrownie wodne przeważnie dostarczają energii tylko właścicielom elektrowni i ich sąsiadom, jednocześnie:
- nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych;
- mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu 1-2 lat, wyposażenie jest dostępne powszechnie,
a technologia dobrze opanowana;
- mogą być wykonywane przy użyciu miejscowych materiałów i siły roboczej, a ich prostota techniczna
powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność;
- wymagają nielicznego personelu i mogą być sterowanie zdalnie;
- rozproszenia w terenie skraca odległości przesyłu energii i zmniejsza związane z tym koszty;
- korzystny wpływ małej retencji na środowisko naturalne oraz możliwość znacznego obniżenia kosztu produkcji
energii elektrycznej w małych elektrowniach wodnych po podjęciu seryjnej produkcji stypizowanych turbin,
generatorów oraz innych elementów wyposażenia elektrowni.
Tak więc, w Polsce w małym stopniu wykorzystuje się energię rzek, bowiem w niektórych państwach, jak np. w Norwegii elektrownie wodne pokrywają zapotrzebowanie na energię elektryczną prawie w 100 %.
Energia pływów morza
Na świecie wykorzystuje się również inne sposoby wykorzystania wody jako źródła energii, które jednak są niemożliwe do zastosowania w Polsce. Chodzi mianowicie o energię pływów.
W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza, oceanu. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu.
Największa na świecie elektrownia pływowa pracuje we Francji, przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche (koło Cherbourga). Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10 MW każda, a więc moc 240 MW. Została ona uruchomiona w 1967 roku. Maksymalna amplituda pływów wynosi 13,5 m, a minimalna 5 m. 100% zainstalowanej mocy osiąga ona przy spadzie wynoszącym 6 m.
Elektrownie wykorzystujące pływy morskie pracują również w Kanadzie, Chinach i w Rosji. Dla ekonomii ich pracy nie jest bez znaczenia, że okres ich eksploatacji liczony jest na 100 lat.
Energia fal morskich
Energię fal morskich ludzkość próbuje wykorzystać już od 1799 roku, kiedy to po raz pierwszy zarejestrowano w Anglii patent z tej dziedziny. Sto lat później Amerykanin Wrigth zgłosił w urzędzie patentowym "motor poruszany falami", zaś w drugiej dekadzie naszego wieku uruchomiono pierwszą elektrownię tego typu w Bouchaux-Praceique we Francji. W sumie do dziś zarejestrowano ponad tysiąc patentów z Europy i Ameryki Pn. Przodują w tej dziedzinie kraje wyspiarskie-Japonia i Anglia.
Elektrownie wykorzystujące przetworzony ruch fal morskich, ze względu na lokalizację dzieli się na trzy grupy: nadbrzeżne, przybrzeżne - zazwyczaj osadzone na dnie w płytkich wodach (10-20 m głębokości) i morskie (ponad 40 m głębokości).
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania fal morskich napędzających, a są to:
• turbiny wodne,
• turbiny powietrzne.
W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Instalacja taka pracuje od 1986 roku na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen, dając moc 350 kW.
W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformie na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale morskie powietrze wprawia w ruch turbinę napędzająca generator. Instalacja taka pracuje również na norweskiej wyspie Toftestallen oraz na wybrzeżu szkockiej wyspy Islay, dając moc 75 kW. Instalacje tego typu mają nierzadko kilkadziesiąt km długości, dzięki czemu w pewnych sytuacjach spełniają drugi ważny cel, a mianowicie ochronę brzegu morskiego przed zniszczeniem (falochron).
Oprócz tych rozwiązań znane są jeszcze tzw. "kaczki" i "tratwy", które wykorzystują pionowy i poziomy ruch wody morskiej.
ENERGIA WIATROWA
Wiatr jako niewyczerpywalne źródło czystej ekologicznie energii znajduje coraz szersze zastosowanie i cieszy się coraz większym poparciem społecznym
Początki wykorzystania energii wiatru sięgają starożytnego Babilonu (osuszanie bagien), Egiptu (mielenie zboża), Chin i Mandżurii (pompowanie wody na pola ryżowe). W Europie technika ta pojawiła się w XII stuleciu, lecz nowoczesne technologie zaczęły być stosowane dopiero w wieku XX.
Siłownie wiatrowe mogą powstawać na obszarach o prędkości wiatru powyżej 4,5 m/s. Mogą one współpracować z siecią energetyki zawodowej lub być układami autonomicznymi. Powstają również tzw. farmy wiatrowe - zespoły elektrowni o szeregu urządzeń wspólnych dla całego układu.
Najwięcej energii z wiatru produkuje się obecnie w Stanach Zjednoczonych, a w Europie w Danii, Niemczech, Wielkiej Brytanii, Holandii. W Niemczech znajduje się elektrownia o mocy największej w świecie - 3 MW. Aeolus II pracuje w farmie wiatrowej Wilhelmshaven i produkuje rocznie 7 mln kWh energii, zaopatrując ok. 2000 gospodarstw domowych. Według danych Komisji Energetycznej EWG na koniec 1993r. w Europie zainstalowanych było w siłowniach wiatrowych 1400mw mocy. Rocznie na naszym kontynencie instaluje się ok. 200mw. Łącznie na całym świecie pracuje już ponad 20 tys. elektrowni wiatrowych1).
Mimo seryjnej produkcji koszt budowy nowoczesnej elektrowni wiatrowej jest duży. Należy jednak podkreślić, że znikomy jest koszt jej eksploatacji. Korzyści ekologiczne i ekonomiczne zależą od właściwej lokalizacji. Wymaga to szczegółowej i kompleksowej analizy zarówno aspektów technicznych, jak i ekologicznych i finansowych.
Energetyka wiatrowa spełnia wszystkie warunki konieczne do zakwalifikowania jej do ekologicznie czystych metod wytwarzania energii. Do jej głównych zalet należą:
1. Brak zanieczyszczeń środowiska - wytwarzanie energii z wiatru nie powoduje emisji żadnych szkodliwych związków do atmosfery ani powstawania odpadów.
2. Wykorzystanie odnawialnego, niewyczerpywalnego źródła energii, oszczędność paliw, procesu ich wydobywania i transportu.
3. Teren w bezpośrednim sąsiedztwie może być w pełni wykorzystywany do celów rolniczych.
4. Stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii oraz wzrastająca konkurencyjność ekonomiczna w stosunku do konwencjonalnych źródeł energii.
5. Minimalne straty przesyłu - siłownie wiatrowe mogą być budowane bezpośrednio u użytkownika lub w miejscach odległych, wymagających w przypadku energetyki konwencjonalnej specjalnych przyłączeń do sieci.
6. Prosta obsługa, krótki czas montażu, niskie koszty obsługi i eksploatacji.
ENERGIA GEOTERMALNA
Na świecie wykorzystuje się różne źródła energii geotermalnej. Według aktualnego stanu wiedzy źródła energii geotermicznej można podzielić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także wysokość temperatury na następujące grupy:
• grunty i skały do głębokości 2500m, z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem pomp ciepła pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła;
• wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów grzejnych;
• wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych (w przypadku mineralizacji wody, wtłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym);
• para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych) znajdująca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej;
• wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu;
• gorące skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wysokim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach goetermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzejnych.
Oprócz wyżej wymienionych źródeł istnieją jeszcze sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstające w suchych gorących skałach (hot dry rock). Tworzą się one w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy.
Energia geotermalna możliwa w najbliższej perspektywie do pozyskania dla celów praktycznych ( głównie w ciepłownictwie ) zgromadzona jest w gorących suchych skałach, parach wodnych i wodach wypełniających porowate skały. Technologia pozyskiwania energii geotermalnej z gorących skał została obecnie udoskonalona przez najbardziej rozwinięte kraje świata ( USA, Wielka Brytania, Francja, Niemcy, Japonia ). Przewiduje się, że będzie ona dostępna i opłacalna pod koniec pierwszego ćwierćwiecza XXI wieku.
ENERGIA BIOMASY
Biomasa to nic innego jak suche rośliny. Na ogół jest to słoma bądź drewno z drzew szybko rosnących jak np. wierzba. Przy ich spalaniu emisja CO2 jest równa ilości tego związku, jaką pobrała roślina w czasie wzrostu, co w bilansie końcowym wychodzi na zero. Jako źródło energii biomasa jest również, przy racjonalnej gospodarce, odnawialna gdyż rośliny mają to do siebie, że odrastają (w przeciwieństwie do np. pokładów ropy). Nie ma również problemu z utylizacją popiołu gdyż jest znakomitym nawozem. Wbrew pozorom jest to paliwo wydajne; dwie tony suchej biomasy, czy to słomy czy drewna, są równoważne energetycznie tonie węgla kamiennego. Również ze względów ekonomiczny c h warto się zastanowić nad zmianą dotychczasowego paliwa; ogrzewanie biomasą jest tańsze o 200% - 300%. Zwrot kosztów inwestycji w odpowiedni piec waha się od 2 - 4 lat. Jeśli chodzi o samą biomasę to mnóstwo się jej marnuje; w naszym kraju produkuje się r ocznie ok. 25 mln. ton słomy rocznie, z czego marnuje się (gnije bądź jest spalane na polach!!!) 8-12 mln. ton. Dodajmy do tego drewno, które mogłoby wyrosnąć na polach stojących odłogiem to otrzymamy dosyć pokaźną ilość paliwa. Paliwo to może być stosowa n e zarówno w indywidualnych jak i zbiorczych systemach grzewczych (i nie tylko grzewczych - po zamontowaniu turbiny i instalacji towarzyszącej można również produkować prąd).
Dobrym przykładem na wykorzystanie biomasy w ogrzewaniu pomieszczeń jest Piec MS. Od tradycyjnych pieców Piec MS różni się m.in. tym, że jest on zbudowany ze specjalnie dobranych i obrobionych kamieni. Wnętrze pieca jest wykonane w sposób gwarantujący maksymalne wykorzystanie ciepła zawartego w powietrzu i dymie, co powoduje oszczędności ciepła w wysokości do 80% w porównaniu z tradycyjnymi piecami. W wyniku podwójnego spalania, dym wychodzący z komina jest o wiele czystszy.