Odnawialne źródła energii
Energia jest w życiu człowieka od początku jego istnienia. Zmieniają się jedynie formy oraz źródła pozyskiwania energii na kolejnych etapach rozwoju naszej cywilizacji. Samo słowo „energia” pochodzi od greckiego energia i oznacza „działalność”. Zapotrzebowanie na energię jest ogromne i jest skutkiem:
- Ciągle rosnącego przyrostu ludności,
- Rozwoju techniki – na rynek wprowadzane są coraz to nowsze urządzenia, które stale pobierają energię,
- Zmian gospodarczych w danym kraju.
Źródła energii dzielą się na:
1. Źródła nie odnawiające się – „źródła, które podczas niekonwencjonalnego wytwarzania energii elektrycznej wyczerpują się”:
a) materiały kopalne:
- stałe: węgiel kamienny i brunatny, torf,
- płynne: ropa naftowa,
- gazowe: gazy naturalne, gaz ziemny, metan kopalniany,
- łupki i piaski bitumiczne,
b) materiały rozszczepialne: uran, tor.
2. Źródła odnawiające się – źródła, których używanie nie powoduje długotrwałego ich braku. Powstała energia odnawialna to „energia czerpana z siły wiatru, płynącej wody, promieni słońca. Daje ona ze źródeł niewyczerpalnych prąd bez gazów i pyłów”:
a) źródła nieorganiczne:
- energia słoneczna,
- energia wiatru,
- energia wód lądowych,
- energia wód morskich,
- energia geotermiczna,
b) źródła organiczne:
- paliwa roślinne: drewno, odpady drzewne, kaczany kukurydzy, odpady ryżu, trzciny cukrowej i in.,
- siła mięśni ludzkich i zwierząt,
- paliwa zwierzęce: nawóz.
„Najważniejszą rolę we współczesnej gospodarce świata odgrywa energia elektryczna (…). Elektrownie, w zależności od zużywanego źródła energii, dzieli się na trzy podstawowe rodzaje: cieplne, wodne i jądrowe.
Elektrownie cieplne dostarczają ponad 60% światowej produkcji energii elektrycznej, przetwarzając przede wszystkim ropę naftową i, coraz częściej, gaz ziemny (…).
Elektrownie wodne wymagają odpowiedniego ukształtowania terenu i znacznego potencjału wód, a także poniesienia dużych kosztów na budowę zarówno samej elektrowni, jak i – na przykład – zapór wodnych. W eksploatacji jednak elektrownie wodne są znacznie tańsze niż cieplne (…). Znane są też tzw. elektrownie pływowe, wykorzystujące energię ruchu wód morskich (przypływów i odpływów, pracujące na przykład, na półwyspach Bretońskim czy Kolskim. Obecnie elektrownie wodne dostarczają ok. 24% ogółu energii elektrycznej na świecie. (…)
Do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się także, chociaż w niewielkim stopniu, gorące źródła i parę wydobywającą się na obszarach wulkanicznych. Jest to tzw. energetyka geotermalna. (…). Energia geotermalna jest przyjazna środowisku (…).
Elektrownie jądrowe, które obecnie produkują ok. 17% energii elektrycznej na świecie, mają ogromną wydajność energetyczną – z 1 kg uranu 235 pozyskują tyle energii, ile elektrownie cieplne z 2500 t węgla umownego lub 1800 t produktów naftowych. Koszty budowy elektrowni atomowej są jednak wysokie (…). Paliwami nuklearnymi są uran i tor. (…).
Coraz większe jest zainteresowanie wykorzystaniem energii wiatru oraz słońca. Obecnie te źródła energii są jeszcze bardzo słabo wykorzystywane, gdyż energia z tych źródeł jest znacznie droższa niż pochodząca z elektrowni konwencjonalnych”.
„Odnawialne źródło energii to źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych.
Energii odnawialnej nie należy mylić z energią przyjazną dla środowiska naturalnego, gdyż instalacje do jej produkcji mogą (choć nie muszą) powodować duże szkody ekologiczne”. Mimo to jest wiele czynników przemawiających za korzyściami wynikającymi z korzystania z odnawialnych źródeł energii:
- elektrownia wiatrowa nie wydziela zanieczyszczeń,
- energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, ponieważ wytwarzanie jej nie wymaga zużycia jakiegokolwiek paliwa,
- alternatywne źródła energii są niewyczerpalne, ponieważ ich zasoby uzupełniają się nieustannie w procesach naturalnych,
- ogniwa słoneczne nie wymagają konserwacji przez wiele lat,
- pojedyncze turbiny wiatrowe to doskonałe źródło energii w miejscu oddalonym od aglomeracji, a gdzie brak bezpośredniego połączenia z siecią energetyczną,
- produktem otrzymanym ze spalania jest jedynie woda – nieszkodliwa dla środowiska,
- energia wodna jest znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub energii jądrowej.
Energia wód
Energia wodna jest energią mechaniczną płynącej wody. Poza dostarczaniem czystej energii, reguluje stosunki wodne, zwiększa retencję wód powierzchniowych, co między innymi polepsza warunki uprawy roślin.
ENERGIA SPADKU WÓD – wykorzystuje się ją „do produkcji energii elektrycznej w położonych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu, zamieniana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej”.
W trakcie spływu wody energia potencjalna wód zmienia się na:
- energię kinetyczną wód płynących,
- energię cieplną powstałą przez tarcie wody o brzegi koryt.
Energia wytwarza się podczas spadania ciała z pewnej wysokości i o przyspieszeniu ziemskim:
E = mgh
E- energia potencjalna,
m – masa ciała,
h – wysokość,
g – przyspieszenie.
Podział elektrowni wodnych:
- elektrownie przepływowe,
- elektrownie derywacyjne,
- elektrownie regulacyjne tzw. zbiornikowe,
- elektrownie szczytowo – pompowe,
- elektrownie przepływowe z członem pompowym.
Najwięcej elektrowni wodnych jest w dorzeczu Wisły i Odry. Kolejna koncentracja jest na stronie zachodniej oraz biegnie wzdłuż granicy z Czechami i Słowacją.
Zalety energii wodnej:
- oszczędność paliw,
- produkcja energii ekologicznie czystej,
- regulacja poziomu wód,
- zahamowanie niekontrolowanego spływu wód,
- zabezpieczenie przed erozją gleb,
- zbiorniki retencyjne zapobiegają powodziom.
ENERGIA PŁYWÓW MORSKICH „wykorzystuje różnicę poziomu morza w czasie przypływu i odpływu. Przypływ morski w ciśnieniach, zatokach oraz w ujściach rzek podnosi lustro wody nawet o kilkanaście metrów. W ujściu rzek istnieje zapora, która zatrzymuje wodę w czasie przypływu. W czasie odpływu zgromadzona woda jest spuszczana i porusza turbiny elektrowni”.
Największą elektrownią wykorzystującą energię pływów morskich jest elektrownia we Francji przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche.
ENERGIA FAL MORSKICH
Podział elektrowni:
- nadbrzeżne,
- przybrzeżne,
- morskie.
Istnieją dwa sposoby wykorzystywania energii fal morskich napędzających turbinę powietrzną bądź wodną.
ENERGIA CIEPLNA MÓRZ – „przemiana energii cieplnej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych(…). Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300 – 500m. czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej”.
Energia geotermalna
Energia geotermalna to inaczej mówiąc naturalne ciepło Ziemi, które skumulowane jest w gruntach, skałach, wodach wypełniających szczeliny skalne. Najkrócej: energia geotermalna jest energią wnętrza ziemi. Ciepło we wnętrzu Ziemi powstało w wyniku tworzenia się planety oraz w skutek rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ma zastosowanie szczególnie na obszarach wulkanicznych.
Energię ciepła Ziemi pozyskuje się głównie poprzez wykorzystanie wód geotermalnych. „W celu wydobycia wód geotermalnych ma powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód. W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża”.
Złoża wód geotermalnych:
1. Ze względu na temperaturę:
- zimne,
- ciepłe,
- gorące,
- bardzo gorące,
- przegrzane,
2. Ze względu na ciśnienie, kształt zbiornika i morfologię powierzchni:
- artezyjskie,
- sub – artezyjskie,
- grawitacyjne.
Energię geotermiczną wykorzystuje się do:
- centralnego ogrzewania,
- produkcji energii elektrycznej,
- hodowli szklarniowej,
- w kąpieliskach
W Polsce temperatura wód termalnych waha się od 30 do 120 stopni Celsjusza.
Na terenie Polski znajduje się osiem najważniejszych zakładów ciepłowniczych. Mieszczą się one między innymi w Pyrzycach, Starogardzie Szczecińskim czy Uniejowie.
Wady i zagrożenia związane z produkcją energii geotermicznej:
- zanieczyszczenie wód głębinowych,
- wysokie początkowe nakłady inwestycyjne,
- problem korozji instalacji,
- uwalnianie się radonu, siarkowodoru i innych gazów.
Zalety wynikające z produkcji energii geotermicznej:
- jest niewyczerpalna,
- niski koszt produkcji energii cieplnej,
- niezależność od zmiennych warunków klimatycznych,
- wydobycie wód geotermalnych jest ekonomicznie opłacalne do głębokości 3km.
Energia słoneczna
„Ogromne są zasoby energii cieplnej i świetlnej docierające na Ziemię ze Słońca. (…). Pewne nadzieje wiąże się z roślinami wiążącymi energię słoneczną, które następnie można spalać lub w inny sposób odzyskiwać z nich energię. W wielu rejonach świata odpady po produkcji roślinnej służą celom energetycznym. Naturalnymi kolektorami ciepła słonecznego są oceany. W strefie międzyzwrotnikowej istnieje duża różnica między temperaturą wody na powierzchni i w głębi oceanów. Wykorzystując tę różnicę, w komorach podciśnieniowych można wytworzyć parę wodną napędzającą turbiny elektrowni. Dotychczas nie powstały jednak tego typu elektrownie. Korzysta się natomiast ze sztucznych kolektorów ciepła. Służą one zazwyczaj do ogrzewania domów. Wynaleziono także fotoogniwo przetwarzające energię świetlną Słońca bezpośrednio w energię elektryczną. Jak do tej pory są one jednak dość drogie i mało wydajne”.
Najbardziej naturalnym sposobem wykorzystywania energii słonecznej jest spalanie biomasy, która powstaje w procesie fotosyntezy. Fotosynteza to asymilacja dwutlenku węgla z powietrza przez rośliny przy pomocy światła słonecznego.
Energię słoneczna wykorzystuje się do:
- produkcji energii elektrycznej,
- produkcji ciepłej wody.
Istnieją dwie metody przetwarzania energii słonecznej:
- heliotermiczna,
- helioelektryczna.
Energia słoneczna jest bezpośrednim źródłem energii poprzez zastosowanie tzw. ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka składająca się z dwóch warstw:
- krzemu,
- stopu krzemu z bizmutem.
Na takie ogniwo solarne padają promienie słoneczne, dzięki czemu powstaje prąd elektryczny, który przesyłany jest do obwodów elektrycznych lub akumulatorów.
W poszczególnych regionach Polski natężenie promieniowania słonecznego jest bardzo różne. Waha się od 900 kWh/m2 do 1200 kWh/m2.
Energia wiatru
Energia wiatru jest kolejnym z odnawialnych źródeł energii.
Energia wiatru zależna jest od jego prędkości w trzeciej potędze:
PA = 1/2 pv3
q – gęstość powietrza,
v – prędkość powietrza.
Jak łatwo się domyśleć najważniejszym czynnikiem jest duża prędkość wiatru, jak również jego stałość występowania w danym miejscu. Elektrownia wiatrowa jest opłacalna, kiedy jest usytuowana na terenie o małej gęstości zaludnienia oraz braku sieci elektrycznej.
Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce jest obiecujący.
Regionami najkorzystniejszymi są okolice od Świnoujścia po Hel, Wyspa Wolin oraz część Suwalszczyzny. Dalej jak widać z mapki dobre warunki posiada Nizina Mazowiecka.
Energię wiatru wykorzystuje się w:
- gospodarstwach domowych,
- elektrowniach wiatrowych.
ELEKTROWNIE WIATROWE
Ogólnie to zespół urządzeń, które produkują energię elektryczną przez wykorzystanie do tego celu turbin wiatrowych. Turbina wiatrowa to urządzenie, które zmienia energię kinetyczną wiatru na prace mechaniczną. Podział turbin:
- bębnowe,
- karuzelowe,
- rotorowe Savoniusa,
- wielopłatowe,
- Darrieusa,
- śmigłowe,
- typu tornado.
Wady i zagrożenia jakie niesie za sobą energia wiatrowa:
- zapotrzebowanie na ogromne powierzchnie,
- hałas,
- ujemny wpływ na ptactwo,
- możliwość zakłócenia odbioru TV,
- zmiany krajobrazu.
Zalety związane z produkcją energii wiatrowej:
- teren w bezpośrednim sąsiedztwie może być w pełni wykorzystywany do celów rolniczych,
- tania energia,
- nieskomplikowana budowa urządzeń,
- prosta eksploatacja,
- energia ekologicznie czysta.
Biomasa
Biomasa to „ilość substancji organizmów żywych zamieszkujących w określonym momencie, określoną przestrzeń. Biomasę mierzy się zwykle w jednostkach wagowych i odnosi do jednostki powierzchni lub objętości środowiska. Wyznaczenie biomasy pozwala określić produktywność biologiczną.” Przyrost biomasy roślin zależy od:
- nasłonecznienia,
- gleby,
-wody.
Biomasa wyrażona jest w postaci:
- świeżej masy – organizmów żywych lub naturalnej masie organizmów,
- suchej masy – masy organizmów żywych po wysuszeniu bądź odparowaniu wody.
Poprzez fotosyntezę energia słoneczna kumuluje się w biomasie, najpierw organizmów roślinnych, następnie w łańcuchu pokarmowym zwierząt. Energię zawartą w biomasie w biomasie wykorzystuje się poprzez:
a) spalanie – w wyniku spalania otrzymuje się ciepło, które może być przetwarzane na energię elektryczną. Do celów energetycznych najczęściej wykorzystuje się:
- drewno, odpady drzewne,
- słomy, ziarna,
- osady ściekowe,
- makulaturę,
- odchody zwierząt.
b) gazyfikację – odgazowanie paliwa, w wyniku czego wytwarza się mieszanina gazów,
c) pirolizę – termiczne przekształcenie w warunkach braku dostępu tlenu. Wynikiem pirolizy jest produkt stały – węgiel drzewny, produkt ciekły – olej pizolityczny oraz mieszanina gazów palnych.
Biogaz
Biogaz to „produkt powstający w wyniku fermentacji substancji organicznych, odchodów zwierzęcych, odpadów roślinnych; słomy, łętów ziemniaczanych o wartości energetycznej zbliżonej do gazu naturalnego.”
Skład chemiczny biogazu:
- metan CH4,
- dwutlenek węgla CO2,
- siarkowodór H2S,
- tlenek węgla CO,
- azot N2,
- tlen O2.
Spalanie następuje zgodnie z reakcją:
CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2
Zastosowanie biogazu:
- paliwo dla generatorów prądu elektrycznego,
- energia do ogrzewania wody,
- paliwo do napędu silników po wcześniejszym oczyszczeniu.
„Wiele krajów prowadzi intensywne prace nad wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. W kilku krajach m.in. w Niemczech, istnieją elektrownie wykorzystujące energię słoneczną. (…). Od stuleci wykorzystuje się energię wiatru. (…). Są próby wykorzystania energii pływów morskich. Nadają się do tego celu szeroko otwarte ku oceanom eustuoria rzeczne. Znane są dwa tego typu zakłady energetyczne:
- w Normandii na rzece Rence
- w zatoce Kisłaja na Morzu Białym. (…).
Rozmieszczenie produkcji energii elektrycznej na świecie jest bardzo nierównomierne. Przodują w tej dziedzinie najsilniej uprzemysłowione i najludniejsze kraje świata:
- Stany Zjednoczone, Rosja, Japonia, Chiny, Niemcy.
Poziom rozwoju energetyki określa się wielkością produkcji energii elektrycznej na jednego mieszkańca. (…). Głównym konsumentem energii elektrycznej jest przemysł.
Najważniejsze korzyści jakie niesie za sobą rozwój alternatywnych źródeł energii:
- postęp technologiczny,
- rozwój lokalnych rynków pracy,
- ograniczenie emisji zanieczyszczeń,
- zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju.
Regulacje prawne:
- ustawa o prawie energetycznym z dnia 10 kwietnia 1997 r.,
- rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 grudnia 2000 r.
Zdjęcia w załączniku
