Alternatywne źródła energii

Energia Słoneczna

Słońce jest jedną z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokryłaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka. Paliwa naturalne, takie jak węgiel i ropa naftowa, eksploatowane nadal w takim samym tempie jak obecnie wyczerpią się w przyszłym stuleciu. Elektrownie jądrowe, które wydawały się być dobrą alternatywą są dość ryzykowne, jak pokazała katastrofa w Czarnobylu (Ukraina) w 1986r. Ze wszystkich źródeł energii, energia słoneczna jest najbezpieczniejsza. Promienie słoneczne, to największe źródło energii na Ziemi, około 10000 razy większe, niż obecne zużycie energii. Aktualnie bardzo mała ilość tego źródła jest wykorzystywana w sposób bezpośredni. Główną częścią energii wykorzystanej przez człowieka jest min, węgiel, olej, naturalny gaz, co nie jest niczym innym, jak formą skumulowanej energii słonecznej. W ciągu ostatnich 100 lat zużyliśmy więcej energii niż wszystkie generacje przed nami. Skutki tego już odczuwamy! Zmiany klimatu mogą być jeszcze bardziej dotkliwie dla naszych dzieci i wnuków. Można temu zaradzić! Wykorzystujmy promieniowanie słoneczne. Energia słoneczna jest czysta ekologiczna a przede wszystkim za darmo.

Promieniowanie słoneczne

W ciągu 2 tygodni na ziemię dociera tyle energii w postaci promieni słonecznych ile wykorzystują wszyscy ludzie na ziemi w ciągu roku. Niestety nie możliwe jest pokrycie całej ziemi kolektorami słonecznymi. Około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni ziemi. Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Pierwsze instalacje solarne były wykonywane już 6500 lat temu. Pierwsze rozwiązania były stosowane przez Majów do ogrzewania pól uprawnych. 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych. W nowoczesnych kuchenkach słonecznych skupiane promienie służą do podgrzewania żywności. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre kuchenki, zamiast zakrzywionego zwierciadła, wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. Podobna technika jest stosowana w piecach przemysłowych. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000C - właściwą do obróbki wielu metali. W ogniskowej lustra umieszczono piec hutniczy.

W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na północny wschód 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. Elektrownia helioelektryczna o mocy 300 kW pracuje także od 1983 r. na niemieckiej wyspie Pellworm leżącej na Morzu Północnym. Aktualnie w Europie największa elektrownia słoneczna pracuje we Włoszech, wytwarzając prąd o mocy 3,3 MW. Grecja ma zamiar wybudować do 2003 r. największą na świecie elektrownię słoneczną. Będzie ona wytwarzała prąd o mocy 50 MW, co zapewni energię elektryczną dla 100 tys. Mieszkańców. Elektrownie słoneczne odznaczają się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że większe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach, do produkcji ciepłej wody.

W związku z tym chciałbym przedstawić kilka przykładów bezpośredniego zastosowania energii słonecznej w energię elektryczną np. -Baterie słoneczne – połączone szeregowo ogniwa słoneczne Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny(przetwarzają światło na energię elektryczną). Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd. Ale duża liczba ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników. Zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ powala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

Pośród ogniw możemy wyróżnić min. się o ogniwa pojedyne(monokrystalicznych), wielokrystaliczne(polikrystaliczne) albo cienkowarstwowe (amorficzne). Różnica między ogniwem mono- i polikrystalicznym nie jest zbyt duża, właściwie chodzi o różny sposób produkcji materiału bazowego ogniwa. Dzięki jednolitemu materiałowi ogniwo monokrystaliczne ma nieco wyższą sprawność, tzn, że wytwarza nieco więcej energii na jednostkę powierzchni, niż ogniwo polikrystaliczne. Różnica jest jednak niewielka, 12-15% dla monokrystalicznego i 10-14 % dla polikrystalicznego. Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu o wymiarach ok. 10 x 10 cm ma nominalne napięcie ok. 0,5 V. Istnieją baterie z różną ilością ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw. Bateria słoneczna, która będzie używana do ładowania baterii ołowiowych na naszej długości i szerokości geograficznej, potrzebuje co najmniej 30 ogniw, jeśli chodzi o monokrystaliczne, i 32 ogniwa, jeżeli chodzi o ogniwa polikrystaliczne. Przy wzrastającej temperaturze napięcie ogniwa spada, co oznacza, że może być potrzebna bateria z jeszcze większą ilością ogniw ( o ile jest bardzo gorąco w miejscu, gdzie będzie ona zainstalowana). Zwykła bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W. Inne wielkości można otrzymać poprzez albo dołożenie większej ilości ogniw, albo poprzez podział ogniwa na mniejsze części. Jest to jednak dość drogie, ponieważ wymaga dodatkowych zabiegów w procesie produkcji.

Bateria cienkowarstowa produkowana jest w ten sposób, że nakłada się cienką warstwę aktywnego materiału na specjalnie przygotowaną szybę ze szkła. Baterie słoneczne powinny być montowane w ten sposób, aby były maksymalnie wyeksponowane do światła. Moc wyjściowa jest wprost proporcjonalna do ilości energii odbieranej z baterii. Kierunek ustawienia powinno się wybierać pomiędzy południowym wschodem i południowym zachodem, a miejsce powinno być nie ocienione. Panele krystaliczne są szczególnie wrażliwe na zaciemnienie i nawet jeżeli jedno ogniwo w baterii jest zacienione traci się dużą część energii. Półcień nie jest tak niebezpieczny, jak całkowite zacienienie. Kąt ustawienia w kierunku słońca ma również znaczenie; w czasie półrocza zimowego jest ważne, aby panel był ustawiony pod kątem prostym do promieni słonecznych, podczas gdy w letniej porze roku wystarczy kąt 30-45 stopni. Bateria słoneczna produkuje energię również wówczas, gdy słońce jest za chmurami, lecz oczywiście energia, która jest produkowana jest zależna od natężenia promieniowania świetlnego. W słoneczny, letni dzień napromieniowanie wynosi aż do 1000 W/m2 i w tym czasie można ładować akumulator maksymalnie prądem 3 A, o ile oczywiście jest on już w pełni naładowany. W pochmurny, letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2 i wówczas prąd nie będzie większy niż ok. 0,5 A.

Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach. W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challengerer przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczna. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Pojazd przypominający samochód, który był zasilany z baterii słonecznych osiągnął prędkość maksymalną 67 km/h w 1987 r podczas wyścigów tego typu pojazdów, na dystansie 3138 km. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

Ogrzewanie domów

Wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwia to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach duże okna projektuje się 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 zastosowanie energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę, która przepływa przez płaskie panele tworzące kolektory absorbujące ciepło. Kolektory słoneczne wykonane są z wysokiej jakości materiałów jak: miedź, aluminium, specjalne szkło solarne i izolacja cieplna,. Te panele umieszcza się zazwyczaj na dachu domu, pod kątem zapewniającym największy pobór ciepła słonecznego. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych. Umożliwiają one ogrzanie wody do 40C, co przy ogrzewaniu podłogowym wystarcza do ogrzania całego domu. Większe kolektory słoneczne, podgrzewające wodę do temperatury 65C. Wykorzystywane są w rolnictwie, do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych Ogólnie są znane dwa rodzaje kolektorów: płaskie oraz skupiające. Płaskie kolektory słoneczne są idealnym rozwiązaniem dla , warunków klimatu polskiego. Wynika to m.in. z faktu, iż promieniowanie słoneczne docierające na powierzchnię ziemi dzieli się na promieniowanie bezpośrednie i tzw. rozproszone. Udział promieniowania rozproszonego w całkowitym można szacować na poziomie 50% w skali roku. Nie wszystkie rodzaje kolektorów słonecznych mogą pracować przy promieniowaniu rozproszonym. Cechą płaskich kolektorów słonecznych jest fakt, iż pracują one nawet w warunkach promieniowania rozproszonego. W optymalnych warunkach pogodowych przy bezchmurnym niebie gęstość promieniowania wynosi około 1000 W/m2, w innych warunkach gęstość promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię ziemi kształtuje się następująco

Kolektory skupiające pracują tylko przy promieniowaniu bezpośrednim. W czasie, gdy występuje promieniowanie rozproszone, kolektory te nie pracują. Z uwagi na własności kolektorów, w których wydziela się energia cieplna wskutek pochłaniania energii promieniowania słonecznego, praktycznie nie można wyłączyć kolektorów (poza ich przykryciem np. materiałem). Jeżeli promieniowanie słoneczne padające na kolektor jest intensywne i nie ma odbioru energii cieplnej (np. wskutek zaniku energii elektrycznej), stosunkowo gwałtownie wzrasta temperatura i ciśnienie w układzie. Prowadzi to z reguły do otwarcia zaworu bezpieczeństwa. Istnieją również kolektory słoneczne z próżniowymi rurami szklanymi, w których znajduje się rura połączona z absorberem. Należy zaliczyć je do grupy kolektorów płaskich. Wewnątrz rury jest ciecz, która w cyklu parowanie-kondensacja przekazuje energię cieplną wytworzoną w absorberze do strefy skraplania, gdzie następuje odbiór ciepła do wody ogrzewanej. Rosnące ceny energii i świadomość konieczności działania na rzecz ochrony środowiska naturalnego, powodują coraz większe zainteresowanie wykorzystaniem energii słonecznej. Kolektory słoneczne mogą w ciągu roku zaoszczędzić średnio nawet do 75% energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz do 40% ciepła zużywanego na ogrzewanie. Zaoszczędzanie każdej kilowatogodziny energii cieplnej pozwala zmniejszyć emisję tlenków węgla od 0,56 do 1,1 kg a także w zależności od jakości paliwa również odpowiednie ilości tlenków siarki i azotu- można wykorzystać energie słoneczną do innych celów takich jak; Do ładowania akumulatorów, co umożliwia korzystanie z energii elektrycznej również w nocy. Raz zamontowane nic wymagają konserwacji przez wiele lat. W Wielkiej Brytanii niektóre niezamieszkane domy są zasilane energią słoneczną. Także stacje meteorologiczne korzystają z baterii słonecznych. Ilość energii pochodząca z baterii słonecznej nie zależy od temperatury otoczenia, a od nasłonecznienia. Dlatego też jest możliwe, aby latarnia o mocy 320 kW na lądowisku samolotów pracowała na zamarzniętej Alasce

Najnowsza technologia ogniw fotowoltanicznych ma być zastosowana w stacji kosmicznej Freedom konstruowanej w Stanach Zjednoczonych. Ma być ona wyposażona w osiem skrzydeł, fotowoltanicznych, które umożliwili wytworzenie energii elektrycznej o mocy 75 kW. Możliwe, że w następnym stuleciu, będziemy korzystać z energii dostarczanej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę około ziemską zestawu 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS - Solar Power Satelites) wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana mikrofal w prąd elektryczny. Zdaniem Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedna czwarta zapotrzebowania na energię elektryczna Zjednoczonej Europy do 2040 roku. Niestety mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłyby wszystkie napotkane na drodze niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty. Wielu naukowców uważa jednak, że w niedalekiej przyszłości będziemy korzystać z energii wytworzonej w przestrzeni okołoziemskiej. Może w następnym stuleciu satelitarne elektrownie słoneczne (SPS) rozwiążą problem pokrycia zapotrzebowania na energię.
.
W Szwajcarii opracowano również nowy sposób spożytkowania energii słonecznej. Na szosie w pobliżu Interlaken oddano do użytku instalację, która “zbiera” latem ciepło z rozgrzanej promieniowaniem słonecznym szosy, natomiast zimą oddaje je i podgrzewa jezdnię, przeciwdziałając jej oblodzeniu. Zasada działania instalacji jest następująca: pod jezdnią umieszczono wielkie wężownicę, przez które przepływa mieszanina wody i glikolu. Podgrzana ciecz kierowana jest do wnętrza góry, gdzie następuje oddawanie ciepła skałom za pośrednictwem 91 sond wykonanych z polietylenu. Latem, gdy temperatura asfaltu często przekracza 60C, skały wewnątrz góry podgrzewają się do ok. 20C. Cała góra może akumulować 200 tys. kWh energii cieplnej, którą zimą stopniowo się wykorzystuje. W Polsce nasłonecznienie trwa 1600 godzin w skali roku. Na budowę helioelektrowni i elektrociepłowni nie mamy wiec odpowiednich warunków. Powstały już pierwsze, należące do właścicieli prywatnych, obiekty, w których energia słoneczna wykorzystywana jest do podgrzewania wody w basenach kąpielowych i ogrzewania budynków w okresie przejściowym.

Budowa kolektora

Kolektor słoneczny jest urządzeniem wysokowydajnym stosowanym w celu przetworzenia energii słonecznej na niskopotencjalne ciepło, czyli na energię, która może być wprost wykorzystywana przez człowieka. Urządzenia te, najczęściej są stosowane do podgrzewania wody użytkowej. Wypromieniowana energia słoneczna przenika przez specjalne, dobrze przepuszczalne szkło i jest pochłaniana przez wysokowydajną warstwę rozdzielczą na podkładzie aluminiowym. Z powierzchni absorbcyjnej kolektora przechodzi ciepło do rury miedzianej lub aluminiowej zgiętej w kształcie litery "S", a z niej dalej, do cieczy przenoszącej ciepło. Ciecz jest transportowana rurami zbiorczymi do wyjścia z kolektora. Wszystkie części funkcyjne kolektora są umiejscowione między zabezpieczającym hartowanym szkłem przykrywającym i wanną aluminiową wypełnioną dobrze izolującym materiałem

Energia wody

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 technicznapowoduje 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 Wiatru

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

Innym źródłem taniej i ekologicznej energii może być tzw. biomasa. Biomasa są to suche rośliny. Na ogół jest to słoma bądź drewno z drzew szybko rosnących jak np. wierzba. Przy ich spalaniu emisja CC>2 jest równa ilości tego związku jaką pobrała roślina w czasie wzrostu, co w bilansie końcowym wychodzi na "O". Jako źródło energii biomasa jest również, przy racjonalnej gospodarce, odnawialna (w przeciwieństwie do pokładów ropy czy gazu). Nie ma również problemu z utylizacja popiołu gdyż Jest znakomitym nawozem. Jest to paliwo stosunkowo wydajne; dwie tony suchej biomasy w postaci słomy lub drewna, są równoważne energetycznie tonie węgla kamiennego. Również ze względów ekonomicznych warto się zastanowić nad zmianą dotychczasowego paliwa; wytwarzanie energii cieplnej przy pomocy biomasy jest tańsze o 200% - 300%. Zwrot kosztów inwestycji w odpowiedni piec waha się od 2 - 4 lat. Obecnie w Polsce mnóstwo biomasy marnuje się; produkujemy rocznie ok. 25 min. ton słomy z czego gnije bądź jest spalane na polach 8-12 min. ton. Dodajmy do tego drewno, które mogłoby wyrosnąć na polach stojących odłogiem to otrzymamy stosunkowo dużą ilość paliwa. Paliwo to może być stosowane systemach grzewczych»ale również po zamontowaniu turbiny i instalacji towarzyszącej można produkować prąd elektryczny.

Ogniwa paliwowe

Korzeni tej technologii należy się doszukiwać jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziś zaczyna ona przynosić owoce. Sir William Grove, brytyjski sędzia i uczony skonstruował już w 1839 roku pierwsze ogniwo paliwowe.

W pierwszym ogniwie paliwowym, jego wynalazca wykorzystywał reakcję łączenia wodoru z tlenem do bezpośredniego wytwarzania prądu elektrycznego. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda.

Wiele lat potem naukowcy z NASA wykorzystali tę genialnie prostą ideę i rozwinęli technologię do poziomu umożliwiającego wykorzystanie jej w pojazdach kosmicznych Apollo, Gemini, Skylab i innych, aby produkować energię elektryczną i wodę pitną.

Jeszcze pod koniec lat 80-tych ogniwa paliwowe lekceważono - z powodu ich wysokiej ceny. Koszt takich urządzeń był, niestety, astronomiczny i sięgał 100.000 dolarów za kilowat. Teraz sytuacja zmienia się w szybkim tempie, zwłaszcza dzięki istotnym zaletom ekologicznym. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% - 90%.

Coraz częściej spotyka się informacje o komercyjnych zastosowaniach ogniw paliwowych, nawet w celach energetycznych. Firma Southern California Gas Co. opracowała instalacje o mocy 200 kW dla jednego z hoteli, trzech szpitali i paru innych instytucji publicznych. Ambitne plany przewidują budowę elektrowni o mocy 2 MW.

Największe zainteresowanie przejawia jednak przemysł motoryzacyjny, a jest to spowodowane dwoma czynnikami: dążeniem do zwiększania sprawności napędu oraz wymuszanym przez ekologię ograniczaniem emisji zanieczyszczeń do środowiska naturalnego, w którym żyjemy.

Specjaliści renomowanego amerykańskiego Instytutu Energetyki EPRI (Electric Power Research Institute) twierdzą, że nie ma drugiej, równie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest to "czarna skrzynka", do której z jednej strony doprowadza się paliwo, a z drugiej uzyskuje prąd elektryczny - przy wysokim współczynniku sprawności wykorzystania paliwa i nikłej emisji zanieczyszczeń. Jako paliwo najprościej byłoby wykorzystywać wodór, ale lepiej używać gazu ziemnego, którego głównym składnikiem (około 90%) jest metan CH4, zaś najbezpieczniej - metanolu CH3OH.

Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem . Powstający przy tym dwutlenek węgla jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.

Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa , wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony , a dodatnio naładowane jony (protony) "rozpuszczają się" w elektrolicie . Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego . Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę. Powstający stały prąd elektryczny zostaje w przetwornicy przekształcony na prąd zmienny, z którego łatwiej można korzystać. Jak długo do właściwego ogniwa paliwowego dopływa wodór i tlen, tak długo wytwarza ono prąd elektryczny, ciepło i wodę. Siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi około 1 wolta, lub mniej, a natężenie prądu elektrycznego w obwodzie zależy od powierzchni elektrod. Napięcie można zwiększać łącząc ze sobą szeregowo wiele takich ogniw - jak plastry wafli przekładanych nieprzepuszczalnymi dla elektrolitu, lecz przewodzącymi prąd elektryczny, membranami - zwiększając w ten sposób ich wydajność. Stos kilku niewielkich ogniw może dostarczyć moc paru watów, zaś wiele ogniw o powierzchni metra kwadratowego jest w stanie generować setki kilowatów.

Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, różniących się między sobą konstrukcją, materiałem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wytwarzających energię elektryczną i wodę, przeznaczonych dla promów kosmicznych, NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urządzeniami, mającymi za sobą dorobek długotrwałych prac badawczo-rozwojowych, są ogniwa wykorzystujące kwas fosforowy oraz ogniwa z membranami polimerowymi.

Realnie patrząc możemy się spodziewać, że pierwsze modele pojazdów z tym nowoczesnym źródłem energii wejdą do produkcji w latach 2002 - 2005, ponieważ wiele zagadnień technicznych i technologicznych wymaga jeszcze dopracowania. Ale warto, ponieważ - poza oczywistymi zaletami jeśli chodzi o ochronę środowiska - ogniwa paliwowe umożliwią zmniejszenie zapotrzebowania na ropę naftową. Poza tym ogólna sprawność samochodów z ogniwami paliwowymi oscyluje wokół 30%, podczas gdy w przypadku pojazdów z silnikami spalinowymi sprawność ta nie przekracza kilkunastu procent (zwykle około 10%). Technologowie myślą też o miniaturyzacji ogniw PFM. Firma H-Power z New Jersey opracowuje 25-watowe baterie NoCad VidPack, mające zastąpić baterie niklowo-kadmowe używane w wideo-kamerach. Źródłem paliwa ma być mały patron ze sprężonym wodorem, wystarczający na 2 godziny pracy kamery. Firma pracuje również nad zasilaczem PEM dla laptopów, nie większym od konwencjonalnej baterii i umożliwiającym 16 godzin pracy oraz nad czujką dymu o żywotności 20 lat.

W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych źródeł energii elektrycznej naukowcy sięgają po mniej znane i mało opanowane rozwiązania ogniw paliwowych ze stopionymi węglanami i zestalonymi tlenkami. Oba rodzaje mają przetwarzać paliwo na prąd elektryczny ze sprawnością 50% - 60%. Ogniwa te charakteryzują się wysoką temperaturą pracy: ogniwa ze stopionymi węglanami pracują w temperaturze 650 stopni Celsjusza, a ogniwa tlenkowe w temperaturze zbliżonej do 1000 stopni Celsjusza. Oznacza to, że powstająca jako produkt uboczny woda ma postać pary przegrzanej, którą można wykorzystywać do napędzania konwencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym generatorem elektrycznym, albo do grzania wody. Wysoka temperatura pracy umożliwia też bezpośrednie wykorzystywanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast czystego wodoru). Firma Energy Research Corp. uruchomiła już zestaw o mocy 70 kW, składający się z 234 ogniw paliwowych ze stopionym węglanem, i miała zbudować elektrownię o mocy 2 MW dla miasta Santa Clara. Sukces tego przedsięwzięcia mógłby zaowocować zamówieniem na 50 podobnych bloków.

Ogromne zainteresowanie wzbudzają ogniwa paliwowe z zestalonym tlenkiem, których technologia jest najtrudniejsza, ale osiągi są niezwykle obiecujące. Przewiduje się, że tego rodzaju ogniwa znajdą zastosowanie w dużych, przemysłowych zakładach energetycznych, lub statkach transoceanicznych. (...) Inny, prostszy pomysł na tlenkowe ogniwa paliwowe ma mała, młoda firma ZTEC, z Massachussetts. Zamiast rur ZTEC zaprasowuje elektrody z elektrolitem w postaci płaskiego, sztywnego dysku. Stos 16-tu takich ogniw ma zaledwie jeden cal wysokości (2,54 cm). Setki takich ogniw upakowane razem w sztywnej obudowie, mającej postać litery U, tworzy podstawowy blok o mocy 25 kW. Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia szybkie uruchamianie i skuteczne odprowadzanie ciepła. Konstruktorzy przewidują, że elektrownia z ogniwami paliwowymi o mocy 2,5 MW zmieści się na 18-kołowej przyczepie, którą będzie można łatwo przewieźć w potrzebne miejsce. Do jej pracy wystarczy otaczające urządzenie powietrze i rurociąg doprowadzający gaz ziemny, a powstająca para będzie napędzać turbogenerator.

Pozostają jednak problemy związane ze starzeniem się ogniw paliwowych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową. Konstruktorzy starają się stworzyć zestawy o żywotności nie mniejszej niż 40.000 godzin (co będzie oznaczało konieczność wymiany całego bloku co 5 - 7 lat).

Ważnym czynnikiem ograniczającym rozwój tej nowoczesnej technologii jest nieubłagana ekonomia. Budowa konwencjonalnej elektrowni jest znacznie tańsza od obiektu z ogniwami paliwowymi. A bez zamówień na ogniwa paliwowe producenci nie mogą uruchomić ich masowej, a więc tańszej i zautomatyzowanej produkcji. Zainteresowane firmy szacują, że uruchomienie produkcji ogniw o łącznej mocy 200 MW rocznie pozwoliłoby obniżyć ich cenę detaliczną o połowę.

Warto sobie uświadomić, jak ogromnych środków wymaga usuwanie tlenków siarki i azotu ze spalin w elektrowniach konwencjonalnych. Ogniwa paliwowe takich zanieczyszczeń nie wytwarzają w ogóle, a emisja tlenku węgla jest niższa od jego zawartości w powietrzu atmosferycznym. Może więc inwestorom bardziej opłacałoby się inwestować w dopracowanie technologii i uruchomienie masowej produkcji ogniw paliwowych, aniżeli przeznaczać ogromne środki na dopracowywanie starych i opracowywanie wciąż nowych metod oczyszczania spalin w elektrowniach konwencjonalnych.

Ogniwa paliwowe mają jeszcze jedną cechę, którą trudno uwzględniać podczas chłodnych kalkulacji kosztów i korzyści: jest to praktyczne rozwiązanie pobudzające naszą wyobraźnię.
Wielu specjalistów widzi w nich jeszcze jedno ważne, ekologicznie czyste źródło energii w
XXI wieku.

Podsumowanie

Podsumowując należy stwierdzić że ludzkość znajduje się na dobrej drodze -drodze dalszego rozwoju metod pozyskiwania energii z niekonwencjonalnych źródeł. Przy czym należy dodać ,iż ze względu na stosunkowo niski poziom rozwój technologicznego - co powoduje podniesienie kosztów produkcji - obecnie alternatywne źródła energii opłaca się stosować jedynie lokalnie. Stosunkowo duży koszt budowy elektrowni zasilanych źródłami odnawialnymi jest spowodowany koniecznością stosowania trudnych technicznie, jeśli chodzi o budowę urządzeń, co spowodowane jest z kolei uwzględnieniem zmieniających się warunków atmosferycznych. Dopiero w niedalekiej przyszłości gdy nastąpi odpowiedni rozwój technologiczny będą one mogły być wykorzystywane na szerszą skalę. Mimo olbrzymich zasobów jakie niesie ze sobą energia odnawialna, nie możemy zapominać o racjonalizacji użytkowania energii w naszym codziennym życiu. Przemawia za tym m.in. fakt, że w krajach rozwijających się mieszka 75% ludności świata, a zużywa jedynie 20% paliw i energii. Kolejnym argumentem potwierdzającym konieczność stosowania alternatywnych źródeł energii jest fakt iż roczna produkcja energii elektrycznej przez odnawialne źródło o mocy 160 kw. zapobiega wyemitowaniu do atmosfery następujących zanieczyszczeń:
• dwutlenek siarki 2.000kg
• dwutlenek azotu l. 500kg
• dwutlenek węgla 250.000kg
• pyły i żużle 17.500kg
W świetle powyższych argumentów należy stwierdzić iż przy obecnych perspektywach rozwoju technologicznego i niewątpliwie pozytywnym aspekcie jakim jest ekologiczność niekonwencjonalnych źródeł energii przejście na ten system w niedalekiej przyszłości będzie nie tylko nieuniknione-ale i opłacalne.