Alternatywne źródła energii

Energia rządząca światem

Wiemy, że energia daje nam ciepło i światło. Przenosi nas w przestrzeni. Zapewnia działanie maszyn. W istocie utrzymuje cały system gospodarczy. To wszystko wydaje się oczywiste. Jednak energia determinuje nasze życie także w mniej widoczny sposób. Nie tylko gotuje nasz pokarm, ona go uprawia. Bez ogromnego nakładu energii w formie nawozów i pestycydów rolnictwo byłoby znacznie mniej wydaje. Gdy siadamy koło stołu, zjadamy faktycznie ropę i węgiel.

Dzięki eksploracji na naszej planecie paliw kopalnych, stanowiących związana biologicznie w ciągu tysiącleci energię słoneczną, bylibyśmy w stanie zbudować i napędzać cywilizację przemysłową, która radykalnie różni się, zarówno formą, jak i skalą , od wcześniejszych cywilizacji. Jedna tona ropy wytwarza ilość energii równoważącą pracy 660 koni w ciągu 24 godzin.

To nowe bogactwo energetyczne nie jest podzielone równo: Amerykanin zużywa 280 razy więcej energii niż przeciętny obywatel Etiopii. Nie mając dostępu do dostatecznych ilości energii, narody rozwijające się stwierdzą, że podstawowe programy rozwoju już w momencie powstania nie maiły sensu. Z powodu ograniczeń dotyczących paliw kopalnych i problemów związanych z energia jądrową stale rośnie zainteresowanie opanowaniem energii z największego reaktora jądrowego w systemie słonecznym – Słońca.

Słońce emituje w przestrzeń więcej energii niż byłyby w stanie wytworzyć 2 x 1017 naszych największych komercyjnych reaktorów jądrowych, a Ziemia otrzymuje tylko jedna miliardową część tej energii. Mimo to w rocznym budżecie energetycznym Ziemi energia słoneczna stanowi w przybliżeniu 500 bilionów baryłek ropy albo inaczej, tysiąc razy przewyższa udokumentowane światowe zasoby ropy naftowej pod koniec lat osiemdziesiątych. Ilość energii docierającej do atmosfery można sobie wyobrazić jako energię 40 tysięcy jednoprętowych kominków elektrycznych palących się bez przerwy dla całej populacji ludzi.

Jednak pod koniec lat osiemdziesiątych wszystkie kolektory słoneczne na Ziemi dawały ilość energii równoważącą zaledwie 0,014% całej ilości zużywanej ropy. Wykorzystanie energii wchłoniętej przez rośliny (energia biomasy) było znacznie istotniejsze i pokrywało przynajmniej 15% światowego budżetu energetycznego. Na razie tylko w małym stopniu wykorzystuje się potencjał zawarty w biomasie, chociaż istnieje wiele możliwości eksploatacji tego źródła energetycznego w przyszłości.
Nikt nie wątpi, że nieodnawialne źródła energii, głównie paliwa kopalne i energia jądrowa, będą w dalszym ciągu miały znaczny udział w zaspokajaniu naszych potrzeb energetycznych. Jednak będziemy musieli rozwinąć wiele z bardziej obiecujących opcji z zakresie odnawialnych źródeł energii.

Globalna elektrownia

Energia słoneczna jest sprężyną napędową całego życia na Ziemi. Bez niej zamarzłyby oceany. Temperatura na powierzchni planety spadłaby prawie do absolutnego zera (-273ºC). Energia słoneczna napędza wielkie cykle geofizyczne i geochemiczne podtrzymując Zycie, w tym cykle obiegi wody, tlenu, węgla i cykle klimatyczne. Słońce poprzez fotosyntezę zapewnia nam pożywienie i większość paliwa. Paliwa kopalne to po prostu zmagazynowana energia słońca – produkty przebiegającej miliony lat temu fotosyntezy. Ponad 99% strumienia energii dopływającej do powierzchni Ziemi i emitowanej przez te powierzchnię pochodzi z promieniowania słonecznego. Resztę stanowi ciepło dochodzące z jądra Ziemi i oddziaływania grawitacyjne Słońca i Księżyca. Promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi odpowiada energii produkowanej przez 173 mln dużych elektrowni pracujących pełna mocą przez okrągłą dobę, codziennie. Jednak 30% tej energii jest odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Większość pozostałej energii ogrzewa powietrze, morza i lady (47%) albo powoduje parowanie wody, napędzając tym samym cykl obiegu wody (23%)

Energia solarna

Energia promieniowania słonecznego stanowi największe źródło energii, którym dysponuje człowiek. Dużym problemem nie jest pozyskanie tej energii lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie. Cały czas trwają pracę nad lepszym wykorzystaniem energii słońca. Potencjał teoretyczny promieniowania słonecznego w Polsce szacuje się na 3,3 do 4 GJ/m2 rocznie. Oznacza to 1,1 x 106 PJ rocznie w przeliczeniu na powierzchnię kraju, głównie od kwietnia do września - około 80% W Polsce występują średnie warunki nasłonecznienia. W porównaniu z Włochami mamy ponad 60% mniej słońca rocznie. Jednak z opracowanej dla Polski mapy zasobów energii słonecznej wynika, że najlepsze warunki występują we wschodniej części Polski.

Średnioroczne sumy usłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych rejonów Polski.

Energia słoneczna może być przetwarzana na prąd i ciepło przez instalacje zamontowane na dachach budynków i w miejscach zabudowanych. Takie warunki występują na około 0,5% powierzchni Polski. Promieniowanie słoneczne jest wykorzystywane głównie w rolnictwie, ciepłownictwie (cieplne kolektory słoneczne) oraz elektroenergetyce (ogniwa fotowoltaiczne). Jednakże największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych.

Do przetwarzania promieniowania słonecznego w użytkową energię cieplną służą między innymi kolektory słoneczne wytwarzane i użytkowane już dziś na całym świecie w dość dużych ilościach.

Są to urządzenia wychwytujące energię słoneczną i zamieniające na energię cieplną. Zazwyczaj instalowane są w dachach. Istnieje możliwość montażu na ścianie południowej budynku na specjalnie przygotowanym stelażu lub na ziemi. Przy wyborze miejsca należy pamiętać, że musi ono zapewniać jak najdłuższe operowanie słońca na płytę kolektora. Płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym. Optymalny kont nachylenia kolektora do poziomu wynosi 45. Kolektory są najczęściej stosowane do podgrzewania wody użytkowej, w basenach, rzadziej zaś jako ogrzewanie domów. Różne przeprowadzane w Polsce analizy wykazały, że można zaoszczędzić około 70% energii konwencjonalnej w procesach przygotowywania ciepłej wody użytkowej i około 20% w procesach ogrzewania pomieszczeń.

Energia wiatru

Energetyka wiatrowa jest jedną z najszybciej rozwijających się sektorów energetyki niekonwencjonalnej na świecie. Polska jest przeciętnym krajem jeśli brać pod uwagę zasoby energetyczne wiatru. Tylko w niektórych regionach kraju średnia prędkość wiatru przekracza 4 m/s, co stanowi minimalną prędkość startową większości elektrowni. Są one jednak na tyle duże, żeby w przypadku właściwej polityki Państwa stać się bardzo wydajnym źródłem energii elektrycznej. Energia wiatru jest dziś powszechnie wykorzystywana także w gospodarstwach domowych, jak i na szerszą skalę w elektrowniach wiatrowych. Stosowanie tego typu rozwiązań nie jest bardzo kosztowne, ze względu na niezbyt skomplikowaną budowę urządzeń jak i nieskomplikowaną eksploatację.

Energię wiatru możemy wykorzystywać do budowy:
- małych instalacji o mocy od jednego do kilkuset kW, które mogą współpracować z bateriami akumulatorów i pompami ciepła,
- duże instalacje o mocy od 1-5 MW, które mogą współpracować z małymi elektrowniami wodnymi.

W celu zwiększenia uzyskiwanej mocy budowane są tzw. farmy wiatrowe - zespoły wielu ustawionych obok siebie elektrowni wiatrowych- które cieszą się dużym zainteresowaniem inwestorów.

Zalety elektrowni wiatrowych to:
- zaspokojenie rosnących potrzeb energetycznych ludności poprzez rozwój ekologicznie czystej energii,
- możliwość zasilania miejsc trudno dostępnych,
- wzrost udziału energii uzyskiwanej ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym,
- możliwość aktywizacji terenów słabo zaludnionych lub o ubogich glebach.
Wady elektrowni wiatrowych to:
- wysokie koszty instalacji,
- hałas,
- zmiany w krajobrazie,
- negatywny wpływ na populacje ptaków na danym terenie.

Jednakże obowiązujące obecnie zasady handlu energią elektryczną oraz przepisy prawne regulujące współpracę elektrowni ekologicznych z energetyką zawodową nie sprzyjają rozwojowi tej dziedziny gospodarki. Na układ współpracy między wytwórcami energii ekologicznej i energetyką zawodową niewątpliwie mają wpływ ceny energii elektrycznej.

Energia geotermalna

Ogólnie jest to energia zgromadzona w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. O energii geotermalnej mówi się przede wszystkim, gdy nośnikiem tej energii jest woda i para wodna. Energia ta biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna w wyniku jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m.

O atrakcyjności tych źródeł świadczą:
- dostępność, źródła ich nie podlegają wahaniom warunków pogodowych i klimatycznych,
- są to źródła nie ulegające wyczerpaniu,
- obojętność dla środowiska - geotermia nie powoduje wydzielania jakichkolwiek szkodliwych substancji,
- urządzenia techniki geotermalnej nie zajmują wiele miejsca i nie wpływają prawie wcale na wygląd krajobrazu.

Wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią prawie 80% terytorium Polski. Pomimo tak licznego występowania wód ich eksploatacja nie jest łatwa. Główną przeszkodą są zarówno warunki wydobycia jak i ekonomiczna strona tego typu przedsięwzięcia.

Jak dotąd na terenie Polski funkcjonują cztery geotermalne zakłady ciepłownicze:
- Bańska Niżna (4,5 MJ/s, docelowo 70 MJ/s),
- Pyrzyce (15 MJ/s, docelowo 50 MJ/s),
- Mszczonów (7,3 MJ/s),
- Uniejów (2,6 MJ/s).

Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej oprócz produkcji energii elektrycznej jest budowa ciepłowni geotermalnych. Ponadto wykorzystuje się ją także w balneologii, ogrzewaniu budynków przy pomocy pomp ciepła, uprawach, przemyśle chemicznym, suszarnictwie, przetwórstwie, hodowli ryb, basenach kąpielowych, itp. Na świecie ok. 40 krajów zużywa energii geotermalnej na potrzeby inne niż produkcja energii elektrycznej co daje sumaryczną wartość 11 400 MW. Największymi odbiorcami ciepła z energii geotermalnej są Japonia, Chiny, Węgry, b r. ZSRR, Islandia i USA. W Europie warto zwrócić uwagę na Islandię, aż 85% zapotrzebowania na ciepło pochodzi z energii geotermalnej i pokrywa aż 46% energii pierwotnej kraju.

Coraz popularniejsze stają się systemy ogrzewania domów w oparciu o energię geotermalną: pompy ciepła.

Pompy ciepła są to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zasada ich działania jest prosta i analogiczna do zasady działania lodówki. Pompa ciepła pobiera energię (ciepło) z powietrza lub ziemi z zewnątrz budynku, kumuluje je do odpowiedniej wysokości i przekazuje do wymiennika ciepła. Pozyskana energia może być przeznaczona na ogrzanie wody użytkowej lub budynku. Podstawową zaletą wyróżniającą pompy ciepła od innych systemów grzewczych jest to, że 75% energii potrzebnej do celów grzewczych czerpanych jest bezpłatnie z otoczenia, a pozostałe 25% stanowi prąd elektryczny. Powoduje to, że pompy ciepła, w obecnej chwili są najtańszymi w eksploatacji urządzeniami w porównaniu z innymi urządzenia i grzewczymi.

Pompy ciepła - zasada działania

Pochodząca od słońca energia cieplna zmagazynowana w ziemi w wodzie lub w powietrzu ma zbyt niską temperaturę aby mogła być bezpośrednio używana do ogrzewania. Dlatego do korzystania z nieprzebranych zasobów energii odnawialnej potrzebne jest odpowiednie nowoczesne wyposażenie techniczne. Takie urządzenia, które są w stanie energię odnawialną pobrać i przekazać do budynku jednocześnie podnosząc jej temperaturę, nazywamy pompami ciepła. Pompy ciepła w przeciwieństwie do innych urządzeń grzewczych takich jak piec olejowy, elektryczny, czy gazowy nic nie wytwarzają.

One pobierają energię z otoczenia, czyli jedynie oddają to co pobrały. Nie bez powodu nazwane są one pompami, a nie generatorami ciepła. System taki nie wymaga konserwacji, nie grozi wybuchem jak piec gazowy i nie wydziela zapachu jak piec olejowy. Pracuje cicho i może być instalowany także w pomieszczeniach użytkowych.
Zadaniem pompy ciepła jest pobranie z otoczenia niskotemperaturowej energii i podwyższeniu jej temperatury do poziomu umożliwiającego ogrzewanie budynków. Korzystają one przy tym z energii elektrycznej, lecz stanowi ona tylko pewien procent w ogólnym bilansie energii.

Zasada pracy wygląda następująco: w wewnętrznym obwodzie pompy ciepła znajduje się czynnik chłodniczy, którym jest specjalna ciecz wrząca w temperaturach poniżej -10C. W wymienniku do którego dostarczana jest energia cieplna niskotemperaturowa na przykład woda o temperaturze +10C odbywa się parowanie czynnika chłodniczego. Jak zawsze parowanie jest pobieraniem ciepła z otoczenia. W tym przypadku ciecz parująca ma na przykład -10C i w związku z tym pobiera ciepło od wody i tak "ogrzana" para cieczy mając już temperaturę +3C jest zasysana przez elektrycznie napędzana sprężarkę. W sprężarce tej odbywa się wzrost ciśnienia. Po opuszczeniu sprężarki para ta ma ciśnienie około 20 bar co jest równoznaczne z podniesieniem jej temperatury do około +70C. Para o tej temperaturze oddaje ciepło w drugim wymienniku do wody obiegu grzewczego. Oddanie ciepła oznacza jednocześnie zamianę pary w ciecz, czyli jej skroplenie. Dlatego pierwszy z omawianych wymienników jest parownikiem a drugi skraplaczem. Po skropleniu ciecz przechodzi przez zawór rozprężny gdzie następuje gwałtowny spadek ciśnienia i rozpylenie czynnika, który znów zaczyna parować i cykl w ten sposób się zamyka. Pompa ciepła transportuje energię z otoczenia. Jednocześnie zużywana jest energia elektryczna służąca do napędu sprężarki i pomp obiegowych. Ta energia elektryczna jest też zamieniona na ciepło.

Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej. Im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej. Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania. Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba chcąc nie chcąc, zapłacić. Przypuśćmy, ze mamy budynek prawidłowo izolowany o powierzchni użytkowej 200 m2, dla którego wyliczono roczne zużycie energii na poziomie 18.000 kWh. Jeśli współczynnik efektywności wynosi na przykład 4,5 to w tym przypadku należałoby zapłacić tylko za 4.000 kWh. Najważniejszym zadaniem jest właściwy wybór sposobu pozyskiwania ciepła. To źródło ciepła decyduje kosztach eksploatacyjnych. Nawet najlepsza pompa ciepła nie zniweluje jego niedoskonałości. Najłatwiej jest korzystać z ciepła wody jeziora lub stawu. Gdy takich możliwości brak, projektowany jest odpowiedni kolektor gruntowy lub stosuje się urządzenia pobierające ciepło z powietrza. Do oddawania ciepła w pomieszczeniu najlepsze jest ogrzewanie podłogowe, które pozwala na ekonomiczną pracę pompy ciepła i daje najwyższy możliwy komfort. Ogrzewanie podłogowe jest obok kolektora ziemnego najważniejszym składnikiem instalacji grzewczej.

Hydroenergia

Elektryczność powstaje dzięki poruszaniu przez wodę urządzenia zwanego turbiną, połączonego bezpośrednio z prądnicą. Turbina to wydajniejsza wersja dawnego koła wodnego. Jest ona tak zaprojektowana, aby odbierać poruszającej się wodzie możliwie jak najwięcej energii. Hydroelektrownie buduje się często w terenach górzystych, gdzie występuje dużo opadów. Jezioro lub zbiornik wodny gromadzi wodę wysoko ponad elektrownią. Ilość potencjalnej energii zależy od wysokości spadku wody.
Energetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie (wykorzystanie potencjału zaledwie w 11%) ze względu na niezbyt obfite i niekorzystnie rozłożone opady, dużą przepuszczalność gruntów i niewielkie spadki terenów. Największa koncentracja zasobów wody ma miejsce w dorzeczu Wisły - ok. 68% (połowa w dolnym odcinku) i Odry i rzek przymorza, około 30%. Najczęściej są umiejscowione one na wybrzeżu (województwa: zachodniopomorskie, pomorskie, warmińsko-mazurskie). Jest ich także sporo w północnej części województwa kujawsko-pomorskiego. Ogólnie najsłabsze zagęszczenie elektrowni jest w Polsce wschodniej i centralnej. Sporo jest ich natomiast na ścianie zachodniej i wzdłuż granicy z Czechami i Słowacją.

W ostatnich latach ze względu na wysokie koszty inwestycyjne, długi okres budowy i niekorzystny wpływ na środowisko atrakcyjność wielkich systemów obniżyła się. Natomiast rozwija się dział energetyki wodnej o małych mocach jednostkowych, tzw. małe elektrownie wodne budowane przeważnie na istniejących stopniach wodnych.

Zalety małych elektrowni wodnych to m. in.:
- wytwarzanie "czystej" energii elektrycznej,
- zużywanie niewielkich ilości energii na potrzeby własne, ok. 0,5-1%, przy ok.10% w przypadku elektrowni tradycyjnych,
- niewielki nadzór technicznych do ich obsługi, mogą być sterowanie zdalnie - nie wymagają licznego personelu,
- możliwość wykorzystywania energii z tych źródeł przez lokalnych odbiorców tak, że można mówić o minimalnych stratach przesyłu,
- awaryjne źródło energii w przypadku uszkodzenia sieci przesyłowej,
- regulują stosunki wodne w najbliższej okolicy, co może mieć wpływ na obszary rolnicze,
- budowa budowli piętrzącej powoduje powstanie zbiornika wodnego, który stając się cennym elementem krajobrazu może decydować o rozwoju turystyki i rekreacji w danym regionie,
- stworzenie nowych miejsc pracy - wykonywane przy użyciu miejscowych materiałów i siły roboczej, a ich prostota techniczna powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność,
- budowla piętrząca może również w pewnym stopniu osłabić wielkość zatapiania okolic w przypadku występowania powodzi,
- nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych,
- krótki okres od projektu do realizacji - mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu 1-2 lat, wyposażenie jest dostępne powszechnie, a technologia dobrze opanowana,
- rozproszenia w terenie skraca odległości przesyłu energii i zmniejsza związane z tym koszty.

Energia z morza

Stosunkowo mało znanym źródłem energii są fale morskie. Istnieje niewiele technologii stosujących tego typu potencjał i są one często w fazie eksperymentalnej.
Jednym z rozwiązań technicznych znanych z Norwegii jest gromadzenie wody z fal morskich w specjalnym zbiorniku, która po jego przepełnieniu, przelewa się powracając do morza i napędzając energią spadku turbinę sprzężoną z generatorem. W Wielkiej Brytanii istnieją „tratwy” zaopatrzone w pompy poruszane pionowym ruchem fal. Pompowana woda napędza turbinę. „Kaczki” to niewielkie urządzenia wykorzystujące poziomy ruch fal. Mogą one wytwarzać energię potrzebną do punktowego oświetlania boi.

a – tratwa, b- kaczka

Rząd "kiwających się kaczek" - urządzeń, które absorbują energię fal morskich i umożliwiają przetworzenie jej na elektryczność.

Energię morza uzyskuje się też przez wykorzystanie różnicy temperatury na powierzchni i w głębi oceanu. Jest to energia maretermiczna.
Najlepsze warunki do tego celu znajdują się strefie równikowej, gdzie przy różnicy głębokości ok. 300-500m różnica temperatur przekracza 20 C. Odbywa się to na pływającej platformie z użyciem środka amoniak, freon), który paruje w powierzchniowej temperaturze wody i jest skraplany dzięki zimnej wodzie pompowanej z głębi. Uzyskaną energię na ląd przesyła się kablem podmorskim .

Elektrownie maretermiczne znajdują się w Indonezji, Japonii, Tahiti i na Hawajach.

Energię przypływu i odpływu morza można wykorzystać tylko przy sprzyjających warunkach ukształtowania terenu. We Francji zbudowano największą elektrownie pływów u ujścia rzeki La Manche. Prąd jest generowany za pomocą turbin napędzanych energią wód morza wpływających i wypływających z ujścia rzeki o stromych brzegach. Podobne instalacje znalazły również zastosowanie w Rosji, Kanadzie i Chinach.

Energia biomasy

Biomasę określa się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) oraz suchej masy (masa bezwodna).

Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych, obejmujących:
- spalanie biomasy roślinnej (np. drewno opałowe z lasów, odpady drzewne z tartaków, zakładów meblarskich i in., słoma, specjalne uprawy energetyczne; spalanie biomasy może tu odbywać się:
- w sposób bezpośredni - w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły)
- przy wstępnej gazyfikacji w odrębnych gazyfikatorach, a następnie poprzez spalanie otrzymanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych
- spalanie śmieci komunalnych (wstępna gazyfikacja lub metoda bezpośrednia)
- wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. rzepak) specjalnie uprawianych dla celów energetycznych)
- fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków lub dowolnego materiału organicznego poddającego się takiej fermentacji, celem wytworzenia alkoholu etylowego do paliw silnikowych
- beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej (np. odpady z produkcji rolnej lub przemysłu spożywczego) w celu wytworzenia biogazu, a następnie spalanie biogazu w paleniskach kotłowych lub zasilanie nim silników spalinowych, napędzających np. generatory prądu elektrycznego
- energetyczne wykorzystanie gazu wysypiskowego (stosowana jest technologia odmienna niż w poprzedniej kategorii).

W Polsce z 1ha użytków rolnych zbiera się rocznie około 10 ton biomasy(co stanowi równowartość około 5 ton węgla kamiennego).

W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała biomasą 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wynosił 12%.Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10 - 20 t biomasy, czyli równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Wartości opałowe produktów biomasy na tle paliw konwencjonalnych wynoszą: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny średnio około 25 MJ/kg, a gaz ziemny 48 MJ/kg. Szczególnie cenne energetycznie są słomy rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, zupełnie nieprzydatne w rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% daje potencjał 80 PJ energii. W Danii na przykład istnieje 12 000 małych (o mocach 110 MW) i 40 dużych kotłowni opalanych słomą. W Polsce nie ma ani jednego takiego obiektu, pilotowe kotłownie do spalania biomasy będą budowane w najbliższym czasie. Jeśli zaś chodzi o całkowitą biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż produkcja drewna użytkowego. Można zatem stwierdzić, że najpoważniejszym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w Polsce są słoma i odpady drzewne.

W najbliższym dziesięcioleciu przewiduje się wykorzystanie dla celów energetycznych, tj. przetworzenie na energię cieplną, następujących produktów rolniczych i leśnych:
a) Produkty rolnicze:
- słoma roślin zbożowych
- gałęzie z przecinek sadów oraz inne odpady produkcji roślin i warzyw
- alkohole (surowce: ziemniak, burak cukrowy, zboże) jako dodatki do benzyn silników gaźnikowych
- olej rzepakowy (surowce: rzepak uprawiany na gruntach częściowo skażonych) jako paliwo dla silników wysokoprężnych
- biogaz z nawozu organicznego produkcji zwierzęcej
- biogaz z osadów ściekowych, odpadów komunalnych płynnych i stałych
b) Produkty leśne: - drzewa i gałęzie z przecinek i cięć sanitarnych lasów
- gałęzie z cięć produkcyjnych
- odpady z przemysłu drzewnego, trociny itp.
- plantacje lasów energetycznych liściastych (grubizna do budowy domów jednorodzinnych), czuby i gałęzie pocięte na łupki do spalania w piecach grzewczych o mocy cieplnej około 200kW

Słoma

Produkcja słomy z roślin zbożowych i innych wynosi w Polsce około 25 mln ton. Przeznaczając docelowo na cele energetyczne tylko 50% produkcji, to jest około 12,5 mln ton, można zaoszczędzić około 5 mln ton węgla rocznie. Wartość opałowa słomy wynosi około 16 MJ/kg, temperatura spalania 850 1100OC. Podczas spalania słomy w celu uzyskania energii cieplnej wydziela się o
Dzięki zjawisku fotosyntezy rośliny rolnicze mogą wchłonąć przerobią około 400kg CO2 w ciągu doby na obszarze 1ha. Zespoły leśne, szczególnie liściaste, szybkorosnące, wchłaniają go znacznie więcej.

Drewno

Przyrosty roczne w lasach wynoszą około 4m3 drewna z 1ha. Powierzchnia lasów w Polsce oceniana jest na około 5 mln ha, daje to około 40 mln m3 całkowitej masy drewna, w tym około 20 mln m3 drewna przemysłowego (tarcicy). Zalesiając nieużytki i grunty 5 i 6 klasy można by podwoić w ciągu przyszłego dwudziestolecia powierzchnię lasów, uzyskując około 40 mln m3 drewna przemysłowego i 40 mln m3 odpadów drewna do celów energetycznych, co odpowiada około 16 mln ton węgla kamiennego. Od kilku lat Hajnowskie Zakłady Przemysłu Maszynowego Leśnictwa produkują piece do spalania odpadów drzewnych o mocy cieplnej 23, 46 i 92 kW, natomiast Elbląska Fabryka Urządzeń Okrętowych "ELFA" produkuje kotły do spalania zrąbków drewna o mocy cieplnej 44, 66, 88 i 110 kW. Rozważa się założenie w Polsce plantacji topoli, a na podmokłych gruntach wikliny, z których będzie można uzyskać przyrosty biomasy około 16 mln ton rocznie w rotacji trzyletniej.

Olej rzepakowy

Produkcja oleju rzepakowego wynosiła w Polsce w ostatnich latach około 0,4 mln ton/rok. Przewiduje się do 2030 roku przeznaczyć 1 mln ha na plantacje rzepaku, z którego będzie można pozyskać 1,2 mln ton oleju napędowego rocznie. Będzie to wymagało budowy 200 olejarni wraz z rafineriami, przerabiających rocznie po 18 000 ton nasion rzepaku. Docelowo przewiduje się pokrycie około 50% zapotrzebowania na olej napędowy w rolnictwie olejem rzepakowym. Koszt produkcji oleju napędowego z rzepaku w produkcji przemysłowej wynosi według danych USA około 40 USD/tonę. Wartość opałowa diestru (oleju napędowego z oleju rzepakowego) wynosi 37,1 MJ/kg.

Spirytus - etanol

W Polsce w 1000 gorzelni produkuje się około 250 mln litrów spirytusu, głównie z ziemniaków. Obecnie do około 2% zużywanej w kraju benzyny dodaje się około 5% etanolu, co powoduje zmniejszenie emisji ołowiu o około 50%. Przewiduje się zwiększenie ilości alkoholu dodawanego do benzyny do l0% oraz wzrost sprzedaży tej benzyny. Przewiduje się, że do 2000 roku trzeba będzie przeznaczą 0,5 mln ha powierzchni upraw dla uzyskania 750 tys. m 3 etanolu, co stanowi odpowiednik 600 tys. m3 benzyny. Realizacja tego programu będzie wymagała wybudowania dodatkowo około 1500 małych gorzelni i 75 dużych gorzelni przemysłowych. Koszt produkcji etanolu według danych USA wynosi około 49 USD/tonę, wartość opałowa etanolu 25 MJ/kg.

Biogaz

Surowcem do produkcji biogazu mogą być prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne ze względu na skład są odchody zwierzęce w postaci gnojowicy lub obornika.

Skład chemiczny biogazu jest następujący (w %):

Metan jest gazem łatwopalnym, nietrującym, bezwonnym i znacznie lżejszym od powietrza. Spalanie następuje według następującego wzoru:
CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2
W czasie spalania 1m3 metanu powstaje około 1,6kg wody w postaci pary; do spalenia 1m3 metanu potrzeba około 10m3 powietrza.

Energia jądrowa

Odkrycie w 1896 roku przez Henryka Becquerela promieniotwórczości było pierwszym krokiem w rozwoju energetyki jądrowej. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, które ciepło wytworzone podczas spalania paliw kopalnych zamieniają na energię prądu; mogą być wiatrowe, słoneczne, geotermalne itd. W latach czterdziestych w związku z powstaniem pierwszych reaktorów powstał nowy typ elektrowni - elektrownie jądrowe. W elektrowni jądrowej energię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej.

Energia jądrowa odgrywa duże znaczenie na świecie. W elektrowni jądrowej energię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej. Obecnie elektrownie jądrowe produkują ponad 20% całkowitej światowej energii elektrycznej.

W elektrowni jądrowej następuje w procesie rozszczepiania jąder atomów uranu, plutonu lub toru wyzwolenie energii cieplnej, którą wykorzystuje się do wytworzenia pary wodnej. Energia cieplna tej pary zostaje przemieniona w energię mechaniczną w procesie rozprężania pary zachodzącego w turbinie, a dalej następuje przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną w napędzanym przez łopatki turbiny generatorze prądu. Reakcja rozszczepienia jądra uranu, plutonu lub toru następuje wówczas gdy po zderzeniu neutronu z jądrem pierwiastka następuje pochłonięcie neutronu. W wyniku rozszczepienia jądra pierwiastka ciężkiego (jakim jest uran, pluton i tor) powstają dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wykorzystanie tej energii cieplnej jest celem eksploatacji reaktorów energetycznych,. Część pozostałej energii wydziela się w postaci promieniowania gama, dalsza jej część wydziela się z opóźnieniem jako promieniowanie beta i gama produktów rozszczepienia.

Obieg technologiczny elektrowni jądrowej dzieli się na:
- obieg pierwotny, który obejmuje rozszczepianie atomów, wytwarzanie energii cieplnej w reaktorze jądrowym i przekazanie jej w wymienniku do obiegu wtórnego
- obieg wtórny obejmuje wszystkie dalsze ogniwa procesu technologicznego wytwarzania energii elektrycznej

Podstawowym elementem obiegu pierwotnego jest reaktor. Najbardziej rozpowszechnione reaktory energetyczne to reaktory wodne i ciśnieniowe.
Opis schematu budowy elektrowni jądrowej:

1. Obudowa bezpieczeństwa
2. Budynek maszynowni wody zasilającej
3. Chłodnia kominowa wody chłodzącej
4. Basen wypalonego paliwa
5. Reaktor
6. Turbina
7. Zbiornik
8. Rurociągi
9. Generator

Normalnie pracująca elektrownia jądrowa nie produkuje popiołów ani pyłów i nie wydala gazów spalinowych. Wprowadza do środowiska mniejsze ilości substancji radioaktywnych niż elektrownia węglowa i to głównie w postaci nie reagujących chemicznie gazów szlachetnych: 85 Kryponu i 133 Xenonu. Oprócz energii elektrycznej produkuje, jak każda elektrownia, ciepło odpadowe. Jest to czysta energetyka, prawie zupełnie nieszkodliwa dla środowiska. Elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW(e) zużywa około 80 kg uranu dziennie, a rocznie produkuje około 30 t wysoko radioaktywnych odpadów w postaci zużytego paliwa. Sprawność przetwarzania energii cieplnej w elektryczną w elektrowniach węglowych dochodzi do 39%, podczas gdy w elektrowniach jądrowych jest niższa i wynosi około 30%. Zależy to przede wszystkim od temperatury i ci śnienia pary poruszającej turbiny. Różnica nie jest duża i w obu przypadkach, jeżeli siłownia wytwarza tylko energię elektryczną, około 2/3 przetwarzanej energii pierwotnej to ciepło odpadowe. Najlepiej zużyć je w innych procesach technologicznych lub do ogrzewania pomieszczeń. Dlatego budowane są elektrociepłownie, które są dużo bardziej ekonomiczne.

Energetyka jądrowa wytwarza więcej ciepła odpadowego niż energetyka konwencjonalna. By je odprowadzić, elektrownia jądrowa zużywa więcej wody chłodzącej niż konwencjonalna, ale różnica nie przekracza 50%.

W reaktorach energetycznych typu PWR (z wodą pod ciśnieniem), takich które pracują w większości elektrowni jądrowych na świecie i które miały być zainstalowane w Polsce, istnieją 4 bariery zabezpieczające przed uwalnianiem się substancji radioaktywnych. Normalnie pracująca elektrownia jądrowa wprowadza do otoczenia gazy szlachetne (85 Kryptonu i 133 Xenonu) oraz Jodu. Przy czym uwzględniając maksymalne dopuszczalne stężenie tych radionuklidów w powietrzu, objętość powietrza potrzebna do rozcieńczenia ilości rocznie produkowanych przez jedną elektrownie do poziomu dopuszczalnego wynosi około 5.5 x 10 10m 3, natomiast objętość powietrza potrzebna, by rozcieńczyć do dopuszczalnego poziomu stężenie dwutlenku siarki wydzielanego rocznie w gazach odlotowych elektrowni węglowej takiej samej mocy wynosi około 4.3 x 10 15 m 3 czyli jest to prawie 100 000 razy więcej. Na przykładzie Francji widać najwyraźniej, że rozwój energetyki jądrowej sprzyja środowisku.

Głównym problemem związanym z eksploatacją elektrowni jądrowych i ochroną środowiska, jest unieszkodliwianie i składowanie odpadów promieniotwórczych.
Odpady towarzyszące produkcji przemysłowej stają się zmorą ludzkości. W Polsce stałych odpadów przemysłowych, uciążliwych dla środowiska, w 1995 roku było 123 mln ton, a nagromadzonych odpadów ponad 1.9 mld ton. Zawierają one wiele toksycznych (m. in. rakotwórczych) związków chemicznych i ciężkich metali. Szkodliwe substancje wymywane przez deszcze przedostają się do wód powierzchniowych i gruntowych, dewastują środowisko oraz zagrażają zdrowiu i życiu ludzi. Objętość nieczyszczonych ścieków przemysłowych i komunalnych odprowadzonych w 1995 roku do wód powierzchniowych przekroczyła 1 mld m 3. Większość tych odpadów jest traktowana beztrosko, bez żadnych zabezpieczeń. Na tym tle zestalone w betonie lub asfalcie i zamknięte w metalowych beczkach nisko i średnio aktywne odpady promieniotwórcze stanowią nieistotne zagrożenie.

Rozpiętość dawek promieniowania jonizującego, jakie ludzie otrzymują od naturalnych źródeł radioaktywnych, jest bardzo duża. Na terenach o podłożu granitowym, a więc na przykład w Skandynawii, roczne dawki są kilkakrotnie wyższe niż w innych częściach Europy. W stanach Kerala i Madras, w Indiach, wskutek obecności skał monacytowych moce dawek są kilkadziesiąt razy większe niż gdzie indziej. Ludzie są zaskoczeni, jeżeli im uświadomić, że w skorupie ziemskiej występuje 61 naturalnych nuklidów promieniotwórczych, a ponad 20 dalszych jest wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne. W ciele każdego człowieka znajduje się promieniotwórczy 40 K o aktywności około 3500 Bq, co znaczy, że w ciągu każdej sekundy w ciele ludzkim następuje 3500 rozpadów 40 K. Coraz więcej jest doniesień naukowych skłaniających do przekonania, że małe dawki promieniowania jonizującego nie tylko nie są szkodliwe, ale wręcz korzystne dla organizmu. Jest to zjawisko zwane hormezą radiacyjną.

Awarie reaktorowe

W reaktorze energetycznym nie może nastąpić wybuch jądrowy. Nie może rozwinąć się tak szybko przebiegająca łańcuchowa reakcja rozszczepienia, jak to ma miejsce w bombie atomowej. Przyczyną jest małe wzbogacenie paliwa jądrowego w rozszczepialny 235 U. W naturalnym uranie jest go 0.7%, w paliwie reaktorowym rzadko więcej niż 4%, natomiast w bombie atomowej znacznie powyżej 90%. Żadne zmiany konfiguracji elementów paliwowych w reaktorze, żadna akcja terrorystyczna, żadna katastrofa niszcząca budynek reaktora nie może spowodować wybuchu jądrowego. Zdarzają się jednak awarie reaktorów energetycznych, z których najgroźniejsze polegają na uszkodzeniu rdzenia reaktora, co może doprowadzić do wydostania się substancji promieniotwórczych do otoczenia.

Podsumowując przegląd możliwości jakie niosą energie alternatywne, należy zaznaczyć, iż ich wykorzystanie jest niezbędne w państwie, które prowadzi politykę zrównoważonego rozwoju. Zgodnie z jej założeniami należy sobie zdać sprawę, że skończył się czas mierzenia rozwoju kraju ilością zużytej energii. Nim pojawi się problem, ile nowych elektrowni wybudować i czy rozwijać energetykę jądrową, należy odpowiedzieć na alternatywne pytanie – jakie rezerwy tkwią w racjonalizacji i ile energii mogą dostarczyć odnawialne, przyjazne środowisku źródła. Biorąc pod uwagę tempo doskonalenia technologii możemy uznać, że wykorzystanie odnawialnych źródeł energii stanie się bardziej opłacalne.

UWAGA
Schematy w załączniku poniżej