17. Energetyka niekonwencjonalna
17.1. Zakres energetyki niekonwencjonalnej
Poj ciem energetyka konwencjonalna okre la si zazwyczaj te rodzaje konwersji
energii i zwi zan z nimi technik , które odgrywaj znacz c ilo ciowo rol w
wiatowej konsumpcji energii. A
a cuchy konwersji (rys. 17.1) s do ć dobrze
poznane, zarówno teoria procesów, budowa urz dze , jak i ich zastosowanie i
eksploatacja. Inne rodzaje konwersji s spotykane rzadziej, ze wzgl du na to, e:
¾ tradycyjne ródÅ‚a energii s Å‚atwo dost pne i tanie,
¾ ródÅ‚a niekonwencjonalne s maÅ‚o znane, a efektywno ć procesu konwersji
energii jest niewielka,
¾ wiele surowców jest niskoenergetycznych,
¾ energia jest zÅ‚ej jako ci, tzn. wydajno ć ródÅ‚a jest nieci gÅ‚a i zmienna w czasie,
a jego lokalizacja odległa, ró ne jest zapotrzebowanie na energi oraz jej dost pno ć.
Wyczerpywanie si wiatowych zasobów ropy naftowej i gazu ziemnego, a tak e
coraz trudniejsze warunki wydobycia w gla kamiennego zmuszaj społecze stwa do
oszcz dno ci energii i poszukiwania nowych jej ródeł. Wi e si to te z
propozycjami realizacji nowych ła cuchów konwersji, które:
¾ zmniejszaj ekologiczn uci liwo ć procesu pozyskiwania ciepÅ‚a lub pracy,
¾ poprawiaj swoj efektywno ć,
¾ zmniejszaj liczb ogniw po rednich,
¾ prowadz do opracowania technologii akumulacji ró nych postaci energii.
Oprócz bada nad wykorzystaniem ródeł o niestabilnych charakterystykach i
małej wydajno ci, współczesn energetyk cechuj :
¾ dziaÅ‚ania zmierzaj ce do odzysku energii odpadowej oraz poprawy sprawno ci
zaopatrzenia i u ytkowania odbiorników energii,
¾ pozyskiwanie energii ze ródeÅ‚ odnawialnych,
¾ dziaÅ‚ania zmierzaj ce do wyeliminowania termicznych ogniw w procesie
produkcji energii elektrycznej,
¾ prace nad kontrolowan reakcj termoj drow .

308







































































































































































































































































































































































zów
cieków wodnych

309
Wszystkie te problemy wchodz w zakres energetyki niekonwencjonalnej.
Stosowane maszyny i urz dzenia s cz sto rozwi zaniami badawczymi lub
prototypami, choć nie brak jednak równie urz dze znanych i od lat doskonalonych.
17.2. Systemy odzysku energii odpadowej [20]
Je eli w procesach energetycznych, oprócz efektów zamierzonych, pojawiaj si
zb dne ilo ci energii, to mówi si o energii odpadowej.
Energi odpadow dzieli si na fizyczn i chemiczn . Z energi fizyczn mamy do
czynienia, gdy odpadowy no nik energii ma temperatur lub ci nienie ró ne od
temperatury lub ci nienia otoczenia. Energia odpadowa chemiczna wyst puje wówczas,
gdy skład chemiczny odpadowego no nika jest ró ny od powszechnie wyst puj cych
składników w otoczeniu. No nikami odpadowej energii fizycznej s np. spaliny o
temperaturze wy szej od temperatury punktu rosy, gor ca woda z chłodzenia stacji
spr arek, usuni te z pieca obrobione termicznie elementy, a tak e spaliny z silnika
Diesla o ci - nieniu wy szym ni ci nienie otoczenia. ródłem odpadowej energii
chemicznej s m.in. spaliny zawieraj ce tlenek w gla lub mieci o du ej zawarto ci
substancji palnych.
17.2.1. Urz dzenia do odzysku energii gor cych gazów (spalin)
Najlepiej  ze wzgl dów energetycznych  jest wykorzystać energi odpadow
w tym samym procesie, w którym
powstała, dzi ki temu zmniejsza si
energochłonno ć tego procesu.
Jednym ze sposobów takiego
odzysku jest podgrzewanie
substratów spalania (głównie
powietrza) wypływaj cymi z pieca
spalinami. Odbywa si to zazwyczaj
w wysokiej tempera-
turze (kilkaset stopni Celsjusza)
w urz dzeniach zwanych
rekuperatorami (rys. 17.2).




 

310



 
Niekiedy podgrzewanie substratów
nie jest potrzebne lub nie wystarcza do
pełnego wykorzystania ródła
odpadowego, a temperatura spalin
umo liwia uzyskanie pary wodnej o
wysokich parametrach. Para ta,
wytwarzana w kotłach odzyskowych
(rys. 17.3), mo e być u yta do nap du
turbiny lub maszyny parowej albo w
innych procesach technologicznych.
Jak widać ze schematu na rysunku
17.3, w kotle odzyskowym zasilanym

spalinami brak jest komory spalania.

Na rysunku 17.4 przedstawiono

 
konstrukcj kotła, w którym

 
wykorzystuje si spaliny wst pnie

 
ochłodzone w rekuperatorach pieców
grzejnych.

311

 

 
Gdy gaz b d cy no nikiem energii odpadowej zawiera składniki palne, to  oprócz
odzysku zawartego w nim ciepła, zwi zanego z wysok temperatur  mo na spalić
te składniki i uzyskać dodatkow ilo ć ciepła. Takim gazem mo e być np. gaz
konwertorowy, którego temperatura na wylocie z gardzieli konwertora wynosi około
1200 1600 °C, a zawiera on tlenek w gla CO, a tak e niewielkie ilo ci H . Gaz
konwertorowy zawiera du e ilo ci pyłu, dlatego cz sto jest chłodzony i odpylany, a
dopiero pó niej spalany. Na rysunku 17.5 przedstawiono instalacj do oczyszczania,
chłodzenia i magazynowania tego gazu.

312


     

  

     przewód

  

     

pró 
17.2.2. Odzysk energii z gor cych cieczy odpadowych i ciał stałych
No nikami odpadowych energii s nie tylko gazy, ale tak e ciecze i ciała stałe, dla
których buduje si układy odzysku ciepła. Na rysunku 17.6 przedstawiono układ do
wykorzystania entalpii cieków.

313






  


Odzysk ciepła z ciał stałych wi e
si cz sto z chłodzeniem po rednim.
Na rysunkach 17.7 i 17.8
przedstawiono takie układy, w których
ciała stałe s chłodzone gor c wod
lub wod
w układach wyparkowych (przez
odparowanie i wytworzenie pary).




 zbiornik wyrównawczy, 3 

 





 

 

 

 

 



314
17.2.3. Inne układy odzysku energii odpadowej
Gdy no nik energii, b d c w stanie lotnym, ma ci nienie wy sze od ci nienia
otoczenia, wówczas po rozpr eniu go otrzymuje si energi mechaniczn (rys. 17.9),
która mo e słu yć do nap du pr dnicy lub innych maszyn roboczych. Do nap du
pr dnicy mo na te zu yć energi odpadow uzyskiwan przy chłodzeniu pieców
gor c wod (rys. 17.10).


    





  zbiornik wyrównawczy,

 

 

315
Pary freonów mo na równie wytwarzać, wykorzystuj c energi z innych ródeł
ciepła odpadowego. Układ taki przedstawiono w rozdziale 9., przy okazji omawiania
maszyn parowych.
Du ilo ć odpadowych ródeł ciepła stanowi takie, których temperatura nie jest
zbyt wysoka. Mo na je u yć jako dolne ródła ciepła pomp ciepła. W razie potrzeby
podgrzewania ciał do niezbyt wysokiej temperatury (np. nawiewanego powietrza
wentylacyjnego) potrzebne s wymienniki ciepła o niewielkiej ró nicy temperatury
pomi dzy strumieniami gazu. Do takiej wymiany ciepła mo na u yć aparatów
zwanych rurami ciepła (rys. 17.11)
Ciecz niskowrz ca (np. eter) w jednym ko cu rury (zamkni tym) ma kontakt z
obszarem grzanym. Wytworzone w wyniku parowania cieczy pary przepływaj do
drugiego ko ca rury (równie zamkni tego), gdzie nast puje ich kondensacja i
przekazanie ciepła skraplania na zewn trz.
Kondensat powraca za do obszaru
parowania. Rury ciepła znajduj si ci gle w
fazie bada .

17.3. Magazynowanie energii
Racjonalne wykorzystanie energii jest uwarunkowane zapewnieniem jej odbioru
od dostawców, cz sto bowiem potencjalne zasoby energetyczne nie znajduj
odbiorców w tym samym czasie, gdy s dost pne lub nie tam, gdzie s potrzebne,
dlatego konieczne jest akumulowanie energii w ró nych jej postaciach.
Okres, w którym akumulator pobiera energi z zewn trz nazywa si ładowaniem,
a gdy przekazuje j na zewn trz  rozładowaniem.
17.3.1. Akumulowanie energii mechanicznej
Od lat energia jest akumulowana w spr ynach lub innych elementach
konstrukcyjnych poddanych odkształceniu spr ystemu (rys. 17.12). S to jednak
niewielkie ilo ci, zu ywane przede wszystkim w nap dach drobnych mechanizmów.
Magazynem energii potencjalnej jest te ciało o ci arze * wzniesione nad
poziom odniesienia na wysoko ć +. Energi kinetyczn ciała akumuluje natomiast

316
wiruj cy element w postaci walca lub tarczy, który magazynuje energi przez długi
czas, gdy straty w Å‚o yskach s nieznaczne (rys. 17.13).











É

Akumulatorem wykorzystuj cym grawitacj jest te układ dwóch zbiorników cieczy
(rys. 17.14). Wła ciwym magazynem energii potencjalnej jest zbiornik górny,
z którego woda jest doprowadzana do turbiny wówczas, gdy istnieje zapotrzebowanie na
energi zakumulowan . Poniewa w ci gu doby wyst puj okresy zmniejszonego
zapotrzebowania na energi elektryczn , mo liwe jest wi c pompowanie wody ze
zbiornika dolnego do górnego. Taki układ nosi nazw elektrowni szczytowo-pompowej.
W systemach hydraulicznych, zwłaszcza hydrauliki siłowej, stosowane s
akumulatory hydrauliczne (rys. 17.15). Elementem naciskaj cym na ciecz i
wywołuj cym
w niej ci nienie mo e być spr yna, gaz lub tłok obci ony odpowiedni sił .

317
1
3
2 +

ator w postaci dwóch zbiorników: 1  zbiornik górny, 2  


17.3.2. Akumulatory elektryczne
Energi elektryczn magazynuje si w odwracalnych ogniwach galwanicznych.
Doprowadzona z zewn trz energia elektryczna wywołuje reakcj chemiczn , podczas
której nast puje konwersja energii elektrycznej w energi chemiczn . Energi t
mo na odzyskać podczas rozładowywania akumulatora w miejscu i czasie dogodnym
dla u ytkownika. Proces ładowania i rozładowania akumulatorów elektrycznych mo e
zachodzić wielokrotnie. Najcz ciej stosuje si akumulatory ołowiowe (kwasowe)
i elazoniklowe (zasadowe). Poniewa napi cie znamionowe jednego ogniwa nie jest
zbyt wysokie (1,2 2 V), ł czy si je wi c szeregowo w baterie, które daj wy sze
napi cie niezb dne do nap du maszyn
elektrycznych. Akumulatory s stosowane w

318
układach zapłonowych silników spalinowych, do nap du np. wózków
akumulatorowych oraz do zasilania ró nych przeno nych urz dze elektrycznych (rys.
17.16).



 

 

  

szczególne ogniwa,

 

 
17.3.3. Akumulacja ciepła
Magazynowanie ciepła polega na podgrzaniu ciała, które pełni rol akumulatora
i zaizolowane cieplnie mo e zachować swój stan do ć długo.

a)




















b)










319

 

  











 



Akumulacja odbywa si w tym przypadku przez podniesienie energii wewn trznej
ciał. Ciałami roboczymi s zarówno ciała stałe (kamienie, skały, wir, mury
budynków itp.), jak i ciecze (woda, wodne roztwory soli i inne). Akumulatory ciepła
(rys. 17.17) maj du obj to ć, aby wi c zmniejszyć ich rozmiary, poszukuje si ciał
maj cych du e ciepło wła ciwe lub przechodz cych w temperaturze zbli onej do
temperatury akumulacji przemian fazow (np. topnienie ciała stałego). Dobre
wła ciwo ci akumulacyjne maj woski, które s przechłodzonymi cieczami.
17.4. Odnawialne ródła energii
17.4.1. Urz dzenia energetyki wiatrowej
Energia wiatru do nap du maszyn roboczych jest stosowana w Europie ju od
blisko tysi ca lat. W XVII wieku w Polsce było około 20 000 wiatraków. Rozwój
elektroenergetyki i silników spalinowych
przyhamował nieco rozwój silników
wiatrowych, pod koniec jednak lat
pi ćdziesi tych XX wieku w Danii
opracowano nowoczesn konstrukcj
wiatraka, która  wci udoskonalana 
uznawana jest dzi za rozwi zanie zbli one
do doskonałego.

320
Rys. 17.18. Przekrój elektrowni wiatrowej:


    





   
Wiatraki to silniki przepływowe, przetwarzaj ce energi kinetyczn poruszaj cych
si mas powietrza w prac mechaniczn . Silnik taki mo e być stosowany
bezpo rednio do nap du maszyn roboczych (pompy, młyny, tartaki, maszyny robocze
itp.) lub słu yć do nap du generatora pr du elektrycznego.
Nowoczesny, szybkobie ny wiatrak nap dzaj cy pr dnic przedstawiono na
rysunku 17.18.
Do podstawowych elementów wiatraka zalicza si :
¾ wirnik zÅ‚o ony z Å‚opat, osadzonych promieniowo w pia cie, umocowany na
poziomym wale,
¾ zespół wałów poÅ‚ czonych przekÅ‚adniami sÅ‚u cych do przenoszenia mocy do
pr dnicy,
¾ pr dnic z hamulcem mechanicznym,
¾ mechanizm obrotu turbiny wiatrowej w kierunku wiatru,
¾ urz dzenie do regulacji i sterowania,
¾ wie stalow umocowan na elbetowym fundamencie.
Współcze nie budowane wiatraki maj moc 5÷2000 kW, projektowane s
natomiast siłownie o mocy kilkunastu megawatów [21]. Ich podział wi e si z tzw.
współczynnikiem szybkobie no ci =, okre lonym wzorem
X
= = , (17.1)
Y
w którym:
X  pr dko ć obwodowa ko ca łopat,
Y  pr dko ć wiatru.
Silniki wiatrowe wolnobie ne maj = < 1,5 i charakteryzuje je du y moment
obrotowy podczas rozruchu, liczba Å‚opat wynosi 12÷40.
W przypadku, gdy 1,5 < = < 3,5, wiatrak jest redniobie ny i ma zazwyczaj
4÷7 Å‚opat.

321
Silniki szybkobie ne charakteryzuje znaczna warto ć współczynnika
szybkobie no ci = (dochodz ca dla wirnika migłowego do 12). Maj one te
najlepsz sprawno ć, choć ich moment obrotowy podczas rozruchu jest niewielki.
Przykłady konstrukcji silników wiatrowych przedstawiono na rysunku 17.19:
a) wolnoobrotowej turbiny wiatrowej słu cej do pompowania wody,
b) projekt du ej instalacji wiatrowej o osi pionowej,
c) typy turbiny Darrieusa,
d) turbiny o osi pionowej i przestawialnych skrzydłach,
e) turbiny z osi poziom i osi pionow .
a)
b)
c)

322
d)

323
e)


wiatraków [1, 18]




 wózki, 3   


   


 


 
17.4.2. Urz dzenia helioenergetyczne
Wykorzystanie promieniowania słonecznego na potrzeby energetyczne mo e mieć
kilka aspektów, mo na bowiem:
¾ przeksztaÅ‚cać je bezpo rednio w energi elektryczn w fotoogniwach,
¾ ogrzać dowolne ciaÅ‚o (nawet do bardzo wysokiej temperatury) i wykorzystywać
je na wiele mo liwych sposobów (w tym równie do produkcji energii elektrycznej),
¾ wykorzystać promieniowanie w procesie fotosyntezy do produkcji biomasy,
z przeznaczeniem jej do spalania lub do produkcji paliw.
Fotoogniwo ma kształt prostok tny, o optymalnych wymiarach kilka na kilka
centymetrów i grubo ci około 0,3 mm (rys. 17.20). Fotoogniwa nie mog mieć
wi kszych rozmiarów, gdy krzem lub inny materiał, z którego s one zbudowane, jest
kruchy. Do uzyskania pr du o odpowiednim napi ciu i nat eniu tworzy si baterie
fotoogniw ł czonych równolegle i szeregowo. Działaj ca elektrownia tego typu (w
USA) osi ga moc 6,5 MW [21]. Cech ujemn omawianych elektrowni jest du a
powierzchnia zajmowana przez fotoogniwa oraz maÅ‚a sprawno ć (10÷23%). Ten
rodzaj konwersji jest ch tnie stosowany w przestrzeni kosmicznej.

324


  


   
Energetyka heliotermiczna jest mi dzy innymi stosowana w dwóch dalej
omówionych grupach urz dze . Na rysunku 17.21 przedstawiono schemat elektrowni
słonecznej z centralnym odbiorem ciepła. Promieniowanie słoneczne odbija si od
du ej liczby heliostatów (zwierciadeł) i jest kierowane w jeden centralny  na
odpowiednio umieszczonej wie y  punkt, w którym znajduje si tzw. absorber.
Skoncentrowane na absorberze promieniowanie ogrzewa go, a tym samym ogrzewa
przepływaj c przeze ciecz (np. ciekły sód lub lit), która kr y w obiegu
zamkni tym, oddaj c ciepło
w tzw. magazynie ciepła. Przez magazyn ten przepływa równie woda lub inny
czynnik zamieniany na par . Para jest kierowana do turbiny, a po wykonaniu w niej
pracy ulega skropleniu. Pompa tłoczy kondensat ponownie do obiegu. Pracuj ca na tej
zasadzie działania elektrownia (Kalifornia) ma moc 10 MW [9]. Istniej projekty
elektrowni słonecznych o mocy 250 MW. Ich wad , podobnie jak w fotoogniwach,
jest du y obszar zajmowany przez heliostaty.

325





    


   


 
Du ym zainteresowaniem cieszy si ostatnio proces wykorzystania
promieniowania słonecznego do ogrzewania wody lub powietrza na cele grzewcze,
socjalno-byto- we, do suszenia i innych celów. Do konwersji energii promieniowania
w ciepło słu kolektory słoneczne. Najpopularniejsze z nich to kolektory płaskie. Na
rysunku 17.22a [17] przedstawiono budow takiego kolektora i sposób przepływu
przeze czynnika ogrzewanego. Najwa niejszym jego elementem jest płyta
absorpcyjna, która mo e być uformowana na kilka sposobów (rys. 17.22b). Pochłania
ona promieniowanie, w wyniku czego podgrzewa si do temperatury 60 150 °C.
Czynnik obiegowy (woda, powietrze) odbiera od niej ciepło i jest kierowany do
odbiorników.
Na rysunku 17.23 przedstawiono płaski kolektor rurkowy, a na rysunku 17.24
 sposoby wykorzystania podgrzanej wody i powietrza.
Helioenergetyka ci gle jest rozwijana, mo na si wi c spodziewać, e w
przyszło ci uda si usun ć wady tego sposobu konwersji (okresowo ć, wra liwo ć na
zachmurzenie i zanieczyszczenie rodowiska, mała efektywno ć) i b dzie to wa ny
składnik wielu systemów energetycznych.

326





 


 


 


  

327
Rys. 17.24. Zastosowanie kolektorów [17]:





   


 





  
17.4.3. Urz dzenia i systemy energetyki geotermalnej
i maretermalnej [16]
We wn trzu Ziemi temperatura osi ga okoÅ‚o 6000 °C. Na dÅ‚ugo ci promienia kuli
ziemskiej temperatura ta spada, by na jej powierzchni wahać si w rytm pór roku
i dnia (a tak e miejsca poÅ‚o enia) w przedziale od  50 °C do okoÅ‚o +50 °C. Badania
geologiczne górnych warstw skorupy ziemskiej (do gł boko ci kilku kilometrów),
a tak e do wiadczenia górników i obserwacja gor cych ródeł (np. na Islandii) daj
jednak podstawy do przypuszcze , e istniej zasoby energii geotermalnej, których
wykorzystanie mo e poprawić bilans energetyczny wielu regionów.
Energetyka wykorzystuj ca ciepło wn trza Ziemi rozwija si ostatnio bardzo
intensywnie. W wielu pa stwach, w tym równie i w Polsce powstały obiekty takiej
energetyki. Na rysunku 17.25 przedstawiono ide korzystania z ciepłych wód
gł binowych do celów grzewczych. Z warstwy wodono nej (WW) ciepła woda
wydostaje si przez otwór wydobywczy na zewn trz i po oddaniu ciepła do
ogrzewania budynku lub w pompie ciepła zostaje skierowana do powierzchniowych
zbiorników wodnych (technika jednootworowa) lub do otworu zatłaczaj cego
(technika dwuotworowa).

328
Systemy jednootworowe, w których woda gor ca wypływa ze zło a samoczynnie
albo na skutek pracy pomp gł binowych, cechuj si tym, e medium to, po oddaniu
ciepła, pozostaje na powierzchni ziemi. Przy dwuotworowym systemie natomiast
woda, po wykorzystaniu jej energii, jest wtłaczana z powrotem do zło a. Dzieje si tak
wówczas, gdy woda jest mocno zmineralizowana i pozostawienie jej na powierzchni
byłoby szkodliwe dla otoczenia (rys. 17.26 i 17.27).





 otwór wydobywczy, 2 


   








   


 

329
Na rysunku 17.28 przedstawiono przykład elektrowni geotermalnej, a na rysunku
17.29  schemat ideowy ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach, która ma dostarczyć
odbiorcom około 63 000 GJ ciepła, z czego około 35% pochodzi ze ródeł
geotermalnych.
CiepÅ‚ownia ta (rys. 17.29) wykorzystuje ciepÅ‚ wod , o temperaturze H"64 °C,
pobieran przez otwór wydobywczy (eksploatacyjny) z gł boko ci H"1650 m. Ciepła
woda w pierwszej kolejno ci trafia do wymiennika 2, w którym woda obiegowa jest
podgrzewana do H"60 °C. Do wy szej temperatury (np. 95 °C) wod podgrzewa si
w pomocniczym wymienniku 5, zasilanym przez gazowy kocioł szczytowy 6.
Niewykorzystane ciepło wody ze zło a geotermalnego (woda po opuszczeniu
wymiennika 2 ma temperatur H"45°C) przekazywane jest absorpcyjnej pompie ciepÅ‚a
3 (grzejnej)
w wymienniku 2 . Po wyj ciu z niego woda trafia do otworu zatłaczaj cego. Pompa
jest nap dzana ciepłem uzyskanym w kotle gazowym 4.





























  


 

330





  


 


 


 otwór eksploat