Energie

Energia alternatywna

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.