Niekonwencjonalne metody wytwarzania energii elektrycznej

1. WSTĘP

Kryzys energetyczny w 1973 r., który spowodował wzrost najpierw cen ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw, względy ochrony środowiska oraz rozwój techniki kosmicznej zwiększyły zainteresowanie nowymi, niekonwencjonalnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii elektrycznej.
Te nowe, niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej można podzielić na źródła odnawialne i źródła nieodnawialne.
Do odnawialnych źródeł energii należą:
energia wód
energia słoneczna
energia wiatru
energia pływów i fal morskich
energia cieplna oceanów
energia biomasy
A do źródeł nieodnawialnych:
wodór
energia magnetohydrodynamiczna
ogniwa paliwowe
Energie wnętrza ziemi (geotermiczną) można zaliczyć do obu rodzajów źródeł: gejzery są źródłem nieodnawialnym, energia gorących skał jest zaś energią odnawialną.
Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu przyszłość należy do nich. Ograniczenia w ich stosowaniu są dwojakiego rodzaju:
- technologiczne, ze względu na postać występowania i możliwości praktycznego wykorzystania,
- ekonomiczne, związane z dużymi kosztami ich stosowania.
Rola ich w przyszłości będzie systematycznie zwiększała się ze względu na konieczność zmniejszenia obciążenia środowiska przez energetykę konwencjonalną.



2. WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ

Energię słoneczną można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej i do produkcji ciepłej wody. Są dwie metody wykorzystania energii słonecznej:
metoda heliotermiczna
metoda helioelektryczna

Metoda heliotermiczna
Metoda ta polega przemianie promieniowania słonecznego w ciepło, do doprowadzane następnie do turbiny napędzającej generator, wytwarzający energię elektryczną. Elementami w niej stosowanymi są: heliostaty – zwierciadła ogrzewane energia Słońca i kierujące odbite jego promienie na wysokiej wieży absorber, składających się z rurek ogniskujących na sobie odbite od heliostatów promieniowanie słoneczne. Wewnątrz rurek absorbera krąży czynnik roboczy (sód, lit, hel, azotan potasu), którego pary napędzają turbinę.
Odmianą tego typu elektrowni są liniowe kolektory słoneczne w postaci paraboloidów, w których ogniskowych są umieszczone rurowe absorbery a przepływającym medium roboczym. Uzyskiwana moc z takiego rozwiązania dochodzi do 1 MW.

Elektrownie heliotermiczne z wieżą centralna są oznaczane w literaturze anglosaskiej skrótem CRS (Central Receiver System), a elektrownie z liniowymi kolektorami słonecznymi w postaci paraboloidów – skrótem SEGS (Solar Electric Generating System).
Moc znamionową elektrowni słonecznych określa się w warunkach znormalizowanych, za które uznano napromieniowanie 1 kW/m2 przy temperaturze 20oC ( oznaczenie anglosaskie SOC – Standard Operating Conditions).
Pierwszą dużą elektrownią typu CRS była uruchomiona w Kalifornii w 1982 r. elektrownia Barstow o mocy 10 MW. 1818 zwierciadeł kieruje odbite promienie słoneczne na absorber, umieszczony na wieży o wysokości 91 m. Zwierciadła zajmują powierzchnią 40 ha. Elektrownia Barstow osiąga sprawność 19%. Koszty jaj budowy wynosiły 141 mln $ USA.
W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na północy wschód od Los Angeles, powstaje od 1980 r. kompleks elektrowni heliotermicznych typu SEGS, tj. z liniowymi kolektorami zwierciadeł paraboloidalnych. Na pustyni Mojave słońce świeci przez 4000h/a, a jego promieniowanie daje 2600 kW * h /m2 w ciągu roku. Pierwsza z tych elektrowni została uruchomiona w 1984 r. i miała moc 14 MW. Dziewiąta elektrownia o mocy 80 MW została uruchomiona w 1990 r. Dziewięć elektrowni tego słonecznego kompleksu energetycznego oddaje do sieci moc 345 MW. W latach 1991-1992 uruchomiono dalsze 4 elektrownie o mocy po 80 MW. Parametry pary na dolocie do turbiny w dziewięciu elektrowni wynoszą : 9,7 MPa, 371/371oC. Sprawność tej elektrowni przy pracy szczytowej wynosi 22,5%, a sprawność średnioroczna 14%. Powierzchnia zwierciadeł takiej elektrowni (80 MW) wynosi 48 ha.
Przewiduje się budowę instalacji mieszanych słoneczno – paliwowych, składających się ze słonecznej wytwornicy pary na wieży i kotła opalanego gazem, przy czym powierzchnia ogrzewalna słonecznej wytwornicy pary jest włączona w układ kotła. Instalacja taka może pracować niezależnie od nasłonecznienia, a oszczędność paliwa uzyskiwaną dzięki pracy słonecznej wytwornicy pary szacuje się na 35%.
Elektrownie słoneczne charakteryzują się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że większe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach do produkcji gorącej wody.


Kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne umieszczone na dachu domu umożliwiają ogrzanie wody do +40oC, co wystarcza przy ogrzewaniu podłogowym. Są stosowane układy wykorzystujące współpracę dachowych kolektorów słonecznych z pompa cieplną i z grzejnikiem elektrycznym na tanią nocną energię elektryczna. Kolektory słoneczne podgrzewające wodę do temperatury ok. 65oC są wykorzystywane zarówno w rolnictwie, jak i do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody użytkowej tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych.



Energia słoneczna jest wykorzystywana także za pomocą tzw. stawów cieplnych. Staw cieplny ma czarne dno asorbujące promienie słoneczne i dwie warstwy wody: dolną silnie zasoloną i górna ze zwykłej wody lub wody morskiej. Dolna warstwa pochłania promienie słoneczne, a duża jej gęstość utrudnia przewodzenie ciepła ku górze, wskutek czego nagrzewa się ona coraz bardziej. Ciepło jej zostaje oddane w wymienniku ciepła czynnikowi odparowującemu w stosunkowo niskiej temperaturze i jednocześnie napędzającemu turbinę. Duża pojemność cieplna wody daje w efekcie dużą zdolność kumulacyjną stawu, co pozwala pracować instalacji przy zmniejszeniu promieniowania słonecznego i usuwa podstawową wadę elektrowni słonecznych. Staw cieplny o powierzchni 25 ha daje moc 5 MW, przy koszcie w 1984 r. 3000 dolarów USA/kW (Izrael).

Metoda helioelektryczna
Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energie promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energie nie tylko bezpośrednie promieniowanie rozproszone (przy zachmurzeniu).


Ogniwa fotoelektryczne
Ogniwa fotoelektryczne są wykonane z krystalicznego krzemu, arsenku galu lub siarczku kadmu. Planuje się budowę elektrowni tego rodzaju o mocy 10 MW. Stosuje się w nich koncentrację promieniowania słonecznego przez zastosowanie zwierciadeł parabolicznych lub soczewek Fresnela. Ogniwa fotoelektryczne zajmują również wielką powierzchnię. Elektrownia o mocy 1000MW wymagałaby powierzchni 50 km2.Sprawność ogniw fotoelektrycznych jest mała i wynosi od 10% (ogniwa z krzemem polikrystalicznym) do 12-16 % (ogniwa z krzemem monokrystalicznym) i 23% (ogniwa z arsenku galu).Znalazły one szerokie zastosowanie w technice kosmicznej.
Ogniwa słoneczne przetwarzające energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną nazywane są fotowoltaicznymi (ang. photovoltaic).Moc elektrowni fotoelektrycznych wynosi 2-10000kW.Najwiekszą,uruchomioną w 1984 r., elektrownią tego typu jest elektrownia Carissa Plain w Kalifornii o mocy 6,5 MW.
Planuje się budowę słonecznych elektrowni kosmicznych na satelitach geostacjonarnych wykorzystując fakt, ze promieniowanie słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej energii niż na Ziemię. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię, gdzie za pomocą falowników byłaby zamieniana na prąd przemienny. Jest to jednak technika XXI wieku – uruchomienie takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r., choć brzmi to jak science fiction.


Biomasa



Inną metodą wykorzystania energii słonecznej jest fotosynteza, to jest asymetria przez rośliny dwutlenku węgla z powietrza

6CO2 + 6H2O + światło = C6H12O6 + 6O2

podczas której tworzy się energia biomasy. Biomasa może być spalana bezpośrednio (np. w postaci drewna) albo przetwarzana na metan lub metanol, z tym samym przeznaczeniem.

Przetworzona biomasa w postaci odpadów zwierzęcych i odpadów rolnych, po ich fermentacji, tworzy biogazy, który zawiera 55 - 70% metanu . Biogaz jest wykorzystywany do palenisk, parników i kotłów wodnych, dostarczając ciepło niezbędne w gospodarce rolnej. Przy dużej jego produkcji może on być wykorzystywany jako paliwo do napędu silników średnioprężnych pracujących według obiegu Otto, sprzęgniętych z generatorami energii elektrycznej. Ciepło z chłodzenia silnika i odbieranie z jego gazów może służyć do wytwarzania ciepłej wody wykorzystanej m.in. do przyspieszenia procesu fermentacji biomasy.
W Polsce wdraża się eksperymentalne instalacje tego rodzaju.



3. ENERGIA WIATRU



Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez człowieka energią odnawialną. Pierwsze wiatraki były wykorzystywane przez ludzi do mielenia ziarna, oraz pompowania wody. Pierwszy opis użycia wiatraków do pompowania wody powstał około 400 r. p.n.e. w Indiach. W VIII wieku w całej Europie pojawiły się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła. Specjalistami w budowie tego typu wiatraków byli Holendrzy. Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego.
Najstarszym typem wiatraka występującym na ziemiach polskich jest wiatrak kozłowy, czyli \"koźlak\". Występowały one już w pierwszej połowie XIV wieku na Kujawach i w Wielkopolsce, natomiast rozpowszechnienie ich stosowania przypada na wiek XV. Koźlaki dotrwały bez zmian konstrukcyjnych do XX wieku i stanowiły najliczniejszą grupę wiatraków.
W wieku XVII zostaje wprowadzony w Europie nowy typ wiatraka-wiatrak holenderski. Ojczyzną tego typu wiatraków, jak sama nazwa wskazuje, jest Holandia. Wiatraki holenderskie przyjęły się głównie na zachodnich i północnych rubieżach Polski począwszy od XVIII wieku, ale nigdy nie wyparły starszego typu wiatraków, czyli koźlaków.
W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firma Brush Electric, połączyła się w 1892 r. z Edison General Electric Company tworząc General Electric (GE), który dzisiaj jest jednym z największych koncernów na świecie. Jak na owe czasy turbina Brush\'a była imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa.

1955-1985 1985-1989 1989-1994 1994-2002
Średnica wirnika do 15 metrów, małe domowe siłownie, poszukiwanie rozwiązań problemów teoretycznych, brak międzynarodowych standardów. Średnica wirnika osiąga do 30 metrów. Pierwsze seryjne siłownie wiatrowe. Początki tworzenia standardów przemysłowych. Średnica wirnika od 30 do 50 metrów. Produkcja masowa siłowni o mocy 600 kW. Średnica wirnika ponad 50 metrów. Przyspieszenie rozwoju technologicznego. Powstają w krótkim okresie czasu kolejno siłownie o mocy 850kW, 1MW, 1.5MW, 2MW i więcej.
Tabela 1. Umowne etapy rozwoju współczesnych elektrowni wiatrowych (za kryterium rozwoju przyjęto wielkość wirnika i generatora).


Wykorzystanie energii wiatru
Ruch powietrza zwany wiatrem jest wywołany przez różnice w nagrzewaniu lądów i mórz, biegunów i równika oraz przez siłę Coriolisa, związaną z obrotowym ruchem Ziemi. Zasoby energii wiatru są niewyczerpalne. Szersze wykorzystywanie wiatru do celów energetycznych datuje się od kryzysu energetycznego w 1973 r. (choć w Danii pracowały elektrownie wiatrowe o łącznej mocy 100 MW przed 1939 r.). Od tego czasu powstało na świecie tysiące instalacji wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej.
Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku. Najbardziej istotną cechą energii wiatrowej jest jej duża zmienność, zarówno w przestrzeni (geograficzna), jak i w czasie. Zmienność w czasie dotyczy bardzo szerokiej skali czasu- od sekund do lat.
Gdybyśmy chcieli odzyskać całą energię, jaką niesie wiatr, powietrze nie mogłoby opuścić wirnika. Nie uzyskalibyśmy wtedy jednak żadnej energii, gdyż powietrze nie mogłoby również wpaść w obszar wirnika.
Idealna turbina wiatrowa spowolni wiatr do 2/3 jego pierwotnej wartości i odzyska 59 % energii w nim zawartej. Zgodnie z prawem Betz\'a maksymalna teoretyczna sprawność zamiany mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3%. Turbiny wiatrowe wykorzystują mniej niż 50% mocy wiatru.
Natura wiatru ma zasadniczy wpływ na wszystkie aspekty procesu konwersji energii wiatru na energię elektryczną, począwszy od wyboru lokalizacji i wyznaczania opłacalności inwestycji, poprzez rozwiązania techniczne turbin, przekładni mechanicznych i generatorów aż po problemy integracji z siecią elektroenergetyczną.
Moc znamionowa wiatrowego zespołu prądotwórczego jest określana przy pewnej prędkości wiatru. Jest nią zwykle prędkość 10-12 m/s. Zespoły te pracują w przedziale prędkości wiatru 5-25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej niż 5 m/s są osiągane zbyt małe moce, natomiast przy prędkości wiatru większej niż 25 m/s prądnica jest automatycznie wyłączana, a turbina wiatrowa ustawiana równolegle do kierunku wiatru w celu uniknięcia zniszczenia. Wysokie wieże i śmigła stanowią zagrożenie dla otoczenia w czasie burz i huraganów.
Z powyższego wynika, że najważniejszym czynnikiem jest duża prędkość wiatru, gdyż zwiększenie średnicy łopatek jest ograniczone względami konstrukcyjnymi do 100 m. Nie mniej ważna niż prędkość jest wiatru jest jego stałość występowania w danym miejscu, gdyż od niej zależy ilość wyprodukowanej przez silnik wiatrowy energii elektrycznej w ciągu roku- a to decyduje o opłacalności całej instalacji. Z tego względu instalacje są budowane w miejscach ciągłego występowania wiatrów o odpowiednio dużej prędkości, zwykle większej niż 6 m/s. Są to zazwyczaj rejony nadmorskie i podgórskie. Roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych wynosi 1000-2000 h/a i rzadko kiedy przekracza 2500 h/a.
Czynnikiem wpływającym na opłacalność elektrowni wiatrowych jest również możliwość sytuowania ich na terenach o małej gęstości zaludnienia i braku sieci elektrycznej. Elektrownie wiatrowe buduje się w górach ( do zasilania schronisk), na wyspach, do zasilania gospodarstw wiejskich leżących na odludziu.
Wady elektrowni wiatrowych:
· zapotrzebowanie na wielkie powierzchnie,
· hałas,
· zeszpecenie krajobrazu,
· ujemny wpływ na ptactwo.

Budowane są tzw. Farmy wiatrowe, tj. zespoły wiatrowych zespołów prądotwórczych, zajmujących zwarty obszar o dużej lokalnej prędkości wiatru. Farma wiatrowa ma pewne elementy wspólne, jak transformatory łączące ją z siecią, drogę dojazdową. Jest ona centralnie nadzorowana i sterowana. Moc zespołów zainstalowanych na farmach bywa różna. Aby uniknąć zakłócania sobie wzajemnie strumieni powietrznych wykorzystywanych przez każdy zespół, odległość pomiędzy wieżami jest zwykle większa niż 10 średnic wirników turbin powietrznych. Farmy wiatrowe zakłócają odbiór telewizyjny.
W budowie wiatrowych zespołów prądotwórczych przoduje Dania. Od roku 1989 pracuje w Esbjerg w Danii elektrownia wiatrowa o mocy 2 MW. Wirnik turbiny wiatrowej ma średnicę 60 m. Wysokość wieży wynosi 57 m. Motor turbiny wiatrowej waży 67 t. Koszt jej budowy wyniósł 60 mln koron duńskich. Koszt produkcji energii elektrycznej wynosi 0,9 korony duńskiej za 1 kW*h.
We wrześniu 1991 r. została uruchomiona w Vindeby w Danii (koło Kopenhagi) morska farma wiatrowa. Tworzy ją 11 wiatrowych zespołów prądotwórczych o mocy po 450 kW, a więc ma ona moc 4950 kW. Jest ona zbudowana na platformach na morzu. Koszt jej budowy wyniósł 12,5 mln dol. USA.
Koło Malmo w Szwecji pracuje elektrownia wiatrowa o mocy 3 MW. W Richborough, na południowo-wschodnim wybrzeżu Anglii, pracuje od 1989 r. największa w W. Brytanii elektrownia wiatrowa o mocy 1 MW. Sterowana jest komputerowo, pracuje bez obsługi. W Swarzewnie (koło Pucka) w 1991 r. uruchomiono elektrownię wiatrową z duńskim agregatem prądotwórczym o mocy 95 kW ( przy prędkości wiatru v=13 m/s i liczbie obrotów wirnika 44 obr/min). Od 1986 r. w Holandii jest realizowany gigantyczny plan budowy elektrowni wiatrowych o łącznej mocy 3000 MW. Elektrownie te będą zainstalowane na 6400 platformach, umieszczonych na morzu, na jeziorach i na wydartych morzu polderach.
Interesującym rozwiązaniem jest elektrownia w Przełęczy Altamont w górach Diablo Range w Kalifornii (70 km na wschód od San Francisco). Do końca 1985 r. wybudowano tam 5500 turbin wiatrowych na obszarze 6000 ha. Moc ich wyniosła 525 MW. Zastosowano 19 typów turbin wiatrowych. Przez Przełęcz Altamont w górach Diablo Range (szczyty o wysokości 1300 m) płynie zimne powietrze od Pacyfiku ku Kotlinie Kalifornijskiej, gdzie jest ono ogrzewane i tworzy prądy wznoszące. Od wschodu Kotlina Kalifornijska jest ograniczona górami Sierra Nevada (szczyty o wysokości 4000 m). Te zmienne wiatry spowodowały, że Przełęcz Altamont jest rzadko zaludniona i jest wykorzystywana do wypasu bydła, co nie koliduje z instalacjami turbin wiatrowych.
Elektrownie wiatrowe pracują także w Tehachapi(300 turbin), w Kalifornii (w 94r. pracowało tam 30000 elektrowni wiatrowych) a także na Hawajach.
Kalkulacje zagraniczne wykazały, że najekonomiczniejsze są wiatrowe zespoły prądotwórcze o mocy 200-350 kW. Żywotność turbin wiatrowych szacuje się na 20 lat, a amortyzacja całych elektrowni wiatrowych następuje w ciągu 10 lat. Koszty eksploatacji elektrowni wiatrowych są znikome. Remonty pochłaniają rocznie do 1% nakładów inwestycyjnych. Szacuje się, że elektrownie wiatrowe będą konkurencyjne w porównaniu z elektrowniami węglowymi, gdy ich roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej wzrośnie do 3000 h/a, a okres amortyzacji wzrośnie do 30 lat.

Polska nie jest krajem o dobrych warunkach do wykorzystania energii wiatrowej. Tylko w niektórych regionach kraju Średnia prędkość wiatru przekracza 4 m/s. Prędkość ta jest niezwykle ważna gdyż jest to minimalna prędkość startowa większości elektrowni. Energia wiatru może być jedynie lokalnym i ograniczonym źródłem energii elektrycznej. Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod względem wiatru są:
· środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina po Hel,
· rejon wyspy Wolin,
· Suwalszczyzna,
· Środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
· Beskid Śląski i Żywiecki,
· Bieszczady i Pogórze Dynowskie
· Podhale


Budowa siłowni wiatrowej
Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży. Najważniejszą częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.


Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej dla energetyki zawodowej.



4. WYKORZYSTANIE ENERGII MORZA

Do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystuje się również energię pływów morza, fal morskich oraz energię cieplną mórz.
W korzystnych warunkach możliwe jest wykorzystanie pływów morza, czyli jego odpływów i przypływów. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w doliną rzeki podczas przypływu oraz ich wypłynięcie podczas odpływu.
Elektrownie wykorzystujące moc pływów pracują we Francji (największa), w Kanadzie, Chinach i byłej ZSRR, a projektowane są w Wielkiej Brytanii, Korei Południowej, Indiach i Argentynie.
Ważną cechą elektrowni pływowych jest ich okres eksploatacji liczony na ok. 100 lat. Wadami tych elektrowni jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów wskutek wahań poziomu wody, a także utrudnienia wędrówek ryb w górę rzeki.
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających:
· turbinki wodne
· turbinki 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 turbinkę rurową Kaplana, sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinkę woda wraca do morza tego typu rozwiązanie znane jest w literaturze pod skrótem OWC tj. Ocean Wave Column.


W drugim rozwiązaniu tj. przy wykorzystaniu turbinek powietrznych zbiornik jest zbudowany na platformie na brzegu morza. Fale wylewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprzężone przez fale morskie powietrze wprawia w ruch turbinkę Wellsa napędzającą generator.


Rys. Schemat zastosowania turbinki powietrznej
1-komora żelbetowa, 2-przewód powietrzny, 3-turbina i generator, 4-przestrzeń

To rozwiązanie jest znane jako MOSC, czyli Multi-resonant Oscillating Column.
Innymi sposobami wykorzystania energii fal morskich są „tratwy” i „kaczki”.


Rys. „Tratwa” i „kaczka” wykorzystujące energię fal morskich
1 – turbina wodna, 2- generator

Tzw. „kaczka” składa się z trzech stalowych części połączonych ze sobą zawiasami i poruszających się na falach. Ruch fal porusza tłoki pomp znajdujących się w środkowej części „tratwy”. Pompowana woda napędza turbinkę, sprzężoną z generatorem wytwarzającym energię elektryczną. Praca „tratw” polega na wykorzystaniu pionowego ruchu fal, zaś „kaczki” wykorzystują poziome ruchy wody morskiej.
Innym sposobem wykorzystania energii wód są tzw. elektrownie maretermiczne, które wykorzystują przemianę energii cieplnej oceanu (OTEC).




Rys. Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal morskich
1-skraplacz, 2-kocioł propanowy, 3-kabel podmorski

Przemiana energii cieplnej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi mórz lub oceanu. Jest ona możliwa na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30oC, a na głębokości 300-5000m temperaturę ok. 7oC. 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 freon, amoniak lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na pływającej platformie, a energia elektryczna jest dostarczana kablem podmorskim. Wadą tego systemu jest korozja materiału w wodzie morskiej i osadzanie się na powierzchniach wymienników ciepła organizmów morskich rozwijających się w ciepłej wodzie.
Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2,5% przy różnicy temperatury 20oC, a 6% przy różnicy temperatury 40oC.
To źródło energii jest niewyczerpane i stale gotowe do wykorzystania, gdyż różnice temperatury wody w strefie równikowej są prawie stałe, niezależnie od pory roku.
Energia maretermiczna jest wykorzystywana na wyspie Bali w Indonezji, w Japonii, na Tahiti i na Hawajach.

Udział poszczególnych kontynentów w zasobach wodno-energetycznych Ziemi:
EUROPA 12%
AZJA 20,9%
AMERYKA PÓŁNOCNA 19%
AMERYKA POŁUDNIOWA 13%
AFRYKA 22%
AUSTRALIA 2,1%
Byłe państwa ZSRR 11%



5. ELEKTROWNIE GEOTERMICZNE

Energia geotermiczna to energia wnętrza Ziemi, która objawia się w postaci gejzerów i tzw. ciepłych skał.




Gejzery są erupcją pary wodnej lub gorącej wody z wnętrza Ziemi, zaś do wykorzystania gorących skał należy wywiercić otwory i wtłaczać do wnętrza Ziemi zimną wodę a wypompowywać gorącą. Zaletą tego rodzaju rozwiązania jest to, iż ciepło geotermiczne jest wszędzie osiągalne w całej skorupie ziemskiej, a jego uzyskanie jest w zasadzie możliwe wszędzie tam, gdzie na wielkiej głębokości znajdują się wodoprzepuszczalne skały osadowe. Wpompowana w ten sposób woda przy wydobywaniu osiąga temperaturę ok. 80-90o. Oczywiście sięgnięcie do wyższych temperatur jest możliwe jeżeli są wiercone dziury na większej głębokości - jednak ten problem czeka na opracowanie technologiczne.
Zjawiska takie zazwyczaj mają miejsce na obszarach anomalii geologicznych.
Energia geotermiczna o wyższym potencjale temperaturowym służy do produkcji energii elektrycznej, zaś energia elektryczna o niższym potencjale temperaturowym służy zwykle jako źródło ciepła do ogrzewania pomieszczeń.
Tego typu elektrownie geotermiczne pracują bez kotłów, których spaliny i odpady zanieczyszczają środowisko. Jednak wydobywająca się z nich para wodna zawiera siarkowodór i duże ilości dwutlenku węgla, woda zaś zawiera sód, potas i chlorki. Uwarunkowania te zmuszają do stosowania obiegu pośredniego, który jest droższy. Wydobywaniu się pary z wnętrza Ziemi towarzyszą głośne dźwięki.
Czasami w elektrowni geotermicznej stosowany jest cykl binarny z freonem, wrzący w temperaturze –33oC przy ciśnieniu atmosferycznym. Pary freonu służą do napędu turbin. Przy takim właśnie rozwiązaniu funkcjonuje elektrownia geotermiczna na Kamczatce.
Moc zainstalowana w elektrowniach geotermicznych na świecie osiągnęła w 1990 roku ok. 8000 MW.
Do największych tego typu elektrownii zaliczamy:
· Geyers w Kalifornii – 502 MW
· Lardarello we Włoszech – 390 MW
· Wairakei w Nowej Zelandii – 290 MW
· Cerro Prieto w Meksyku 75 MW

Najstarsze z nich to Lardarello, która pracuje od 1904r. i Wairakei od 1958 roku.
W Nowej Zelandii w odległości 22 km od elektrowni Waurakei wybudowano drugą – Onaaki o mocy 122 MW. Uzyskiwana z niej para wodna ma ciśnienie 1,2 MPa. Elektrownie geotermiczne pracują również na Filipinach, w Japonii, Islandii, Indonezji i Chinach.
Elektrownią, która wykorzystuje energię gorących skał jest elektrownia Los Alamos w Nowym Meksyku wytwarzająca energię o mocy 10 MW.
Woda o temperaturze 200oC jest tam pompowana z głębokości 4 kilometrów.
Wykorzystanie wód termalnych zależy od ich temperatury eksploatacyjnej tj. temperatury pomniejszonej o spadek podczas wydobywania jej na powierzchnię oraz wydajność źródeł. Niekorzystnym czynnikiem jest tu zasolenie wód ponieważ w ten sposób zmniejsza się wydajność źródeł oraz zwiększa się spadek temperatury podczas wydobywania. Do celów grzejnych nadają się wody o temperaturze eksploatacyjnej równej co najmniej65oC przy zasoleniu nie przekraczającym 30 g/l.
Ponieważ Polska położona jest poza strefami aktywności tektonicznej i wulkaniczno-magmowej, nie ma u nas złóż wód termalnych lub pary która mogłaby być wykorzystana do produkcji energii elektrycznej.
Najcieplejsze i najbardziej wydajne źródła wód termalnych w Polsce to:
· otwór w pobliżu Koła z którego następuje samowypływ 80m3/h wody z głębokości 1,8 km o temperaturze 600C i zasoleniu do 9 g/l
· w pobliżu Uniejowa wydobywa się wody wgłębne w ilości 60 m3/h o temperaturze 69oC i o zasoleniu do 9 g/l z głębokości 2 km
· z otworu w Bańsku w pobliżu Nowego Targu o głębokości 5,2 km wydobywa się 60 m3/h wody o temperaturze eksploatacyjnej 72o C i o zasoleniu 3 g/l.



6. ELEKTROWNIE Z GENERATORAMI MHD (magnetohydrodynamiczne)

Magnetohydrodynamiczna metoda bezpośredniego przetwarzania energii cieplnej w energię elektryczną polega na wzajemnym oddziaływaniu strumienia zjonizowanego gazu i stacjonarnego pola magnetycznego. Odbywa się to w temperaturze ok. 2700oC przy prędkości strumienia gazu ok. 1000 m/s i przy indukcji pola magnetycznego ok. 2-6 T.
W celu łatwiejszej jonizacji gazu stosuje się tzw. posiew, czyli wprowadzenie do gazu metali alkaicznych o niskich potencjałach jonizacji, jak cez, rubid, potas i sód, w ilości 0,1-1 %. Ze względu na to, że są to metale bardzo drogie po spełnieniu swojej roli są ponownie wprowadzane do obiegu.
Sprawność elektrowni z generatorem MHD wynosi 50-60%, a więc o 15-25 % więcej niż sprawność elektrowni konwencjonalnej. Paliwem jest gaz ziemny a w przyszłości ma nim być węgiel. Zawarta w spalinach siarka przez użycie węglanu potasu jest prawie całkowicie związana, tworząc łatwo usuwalny siarczan potasu. Z tego względu jest to metoda bardzo korzystna dla środowiska. Jednakże z uwagi na wysoką temperaturę tworzą się znaczne ilości tlenku azotu i dlatego bada się ich wykorzystanie jako nawozów azotowych.
Elektrownie z generatorami MHD potrzebują 1,5 raza mniej wody niż elektrownie konwencjonalne i 2,5 raza mniej zanieczyszczają środowisko zanieczyszczają środowisko.
Strumień gorących spalin po spełnieniu swego zadania w generatorze MHD może oddawać swe ciepło w kotle parowym, który zasila turbinę, tworząc drugie konwencjonalne ogniwo elektrowni. Generator MHD odgrywa role instalacji czołowej w stosunku do elektrowni konwencjonalnej.
Największe elektrownie z generatorami MHD znajdują się w:
· Stanach Zjednoczonych o mocy 50 MW
· Byłym ZSRR o mocy 25MW
Ciekawostką jest elektrownia w Estonii, która pracuje eksperymentalnie wykorzystując jako paliwo zmielone łupki bitumiczne (niemożliwe do spalenia w kotłach konwencjonalnych) i wytwarzając moc 2 MW.



7. OGNIWA PALIWOWE - napęd przyszłości

Ogniwa paliwowe uchodzą za przyjazny środowisku napęd przyszłości, produkują energię elektryczną z paliw węglowodorowych. Uzyskany z takiego paliwa gaz bogaty w wodór jest odprowadzony do anody ogniwa paliwowego, do katody zaś jest odprowadzony tlen z powietrza. Wodór i tlen reagują z elektrolitem w której płynie prąd. Ogniwo paliwowe pracuje bez przerwy, jeśli tylko wodór i tlen są doprowadzane do elektrod. Ogniwa paliwowe są kwalifikowane w zależności od rodzaju elektrolitu, który jest w nich używany. Z rodzajem elektrolitu wiążą się temperatury, w których zachodzą reakcje, niektóre ogniwa paliwowe połączone z różnymi elektrolitami; polimerowym, alkalicznym, w postaci kwasu fosforowego, ciekłych węglanów litu i potasu, stałego utleniacza pracują w temperaturze od 80 C do 1000 C.
Pierwsze ogniwa paliwowe rozpoczęły prace w 1960 r. Podstawowymi zaletami ogniw paliwowych jest duża sprawność wytwarzania energii elektrycznej oraz nieuciążliwość dla środowiska –ok. 2 ppm NO i ok. 6 ppm CO. Emisja NO , SO , CO, cząsteczek stałych i węglowodorów jest ekstremalnie mała w porównaniu z technologiami opartymi na spalaniu paliwa. Dalszymi zaletami są: dowolna i wymagająca mało miejsca lokalizacja, cicha praca – co pozwala umieszczać je w środku wielkich miast, zmniejszając nakłady na sieci przemysłowe i rozdzielcze, łatwość , a także szybkość i ekonomiczność budowy wynikająca z modułowego systemu, małe potrzeby wodne, wreszcie łatwość rozbudowy.
Ogniwa paliwowe wysoko temperaturowe mogą być również używane do wytwarzania ciepłej wody lub pary technologicznej we współpracy z turbinami parowymi i gazowymi. Sprawność takich elektrociepłowni będzie wynosiła 75-86%. Przewiduje się pracę elektrowni z ogniwami paliwowymi wspólnie z zakładami zgazowania węgla, które dostarczałoby potrzebne paliwo.

Największe światowe koncerny samochodowe rozpoczynają właśnie wyścig i w Ameryce, Europie i Japonii testują pierwsze większe partie samochodów napędzanych w ten nowatorski sposób.
Jeden z koncernów samochodowych Ford proponuje Focusa FCEV Hybryd napędzanego właśnie ogniwem paliwowym. Kierowca tego samochodu usłyszy przybierające na sile brzęczenie – znak, że pod maską pojazdu pracuje silnik elektryczny, zaopatrywany w prąd przy pomocy specjalnego modułu ogniwa paliwowego Mark 902 (produktu kanadyjskiej firmy Ballard Power Systems) i akumulatora. Auto nadaje się do codziennego użytku, a jedynie bak na wodór zajmujący połowę bagażnika przypomina o tym, że mamy do czynienia z prototypem.
Do końca 2005 r. do codziennej eksploatacji ma zostać oddanych 95 takich`pojazdów.
Dzięki spektakularnym akcjom Forda nabiera tempa rywalizacja pomiędzy największymi koncernami (GM, DaimlerChrysler, Toyota, Honda) o to, kto zostanie technologicznym liderem rynku przyszłości i kto lepiej wykorzysta możliwości, jakie daje proces, w którym poprzez reakcję wody i tlenu powstaje prąd jako napęd, a całe spaliny to tylko para wodna dowiemy się w przyszłości. Odwieczni japońscy rywale – Toyota i Honda – nie szczędzą kosztów, aby zyskać przewagę i wygrać walkę o klienta. Toyota dostarczyła już nawet japońskiemu ministerstwu odpowiedzialnemu za gospodarkę, handel i przemysł pierwszych siedem samochodów wyposażonych w ogniwa paliwowe - Toyota FCHV. Opinie o tym terenowym wozie są ze wszech miar przychylne. Jeździ się nim podobno równie dobrze jak innymi terenówkami, a dodatkowa różnica na korzyść FCHV polega na niewiarygodnie cichej pracy silnika. Działalność konkurentów z Japonii wymusiła większą efektywność na innych koncernach, takich jak Daimler Chrysler, który jako pierwszy na świecie wypróbował auto napędzane przy pomocy ogniwa paliwowego.
Od lat wielkie koncerny samochodowe inwestują grube miliony w technikę przyszłości, Europa dopiero rozpoczyna pościg za USA i Japonią. Unia Europejska ma przeznaczyć w ciągu trzech lat blisko 2 mld euro na rozwój ogniw paliwowych oraz na różnego rodzaju testy. Pomimo istotnego wsparcia ze strony państwa, koncerny samochodowe są jeszcze dalekie od osiągnięcia rentowności w produkcji „pojazdów przyszłości”. Trzeba przyznać, że postępy przy rozwijaniu technologii ogniw paliwowych są ogromne.
Pierwszy Mercedes wyposażony w ogniwo paliwowe (1994 r.) przypominał w zasadzie jeżdżące laboratorium. Necar (New Electric Car), bo tak go nazwano, aż po sam dach „naładowany” był techniką. Olbrzymi bak na paliwo wodorowe przewyższał kierowcę, a samochód był w stanie osiągnąć maksymalną prędkość 90 km/h. Dzisiaj całe potrzebne wyposażenie mieści się w zwykłych rozmiarach auta, a współczynnik sprawności napędu zwiększył się o ponad 70 proc. To, obok braku wydzielania szkodliwych substancji, najważniejszy argument przemawiający na rzecz stosowania ogniw paliwowych. Nawet oszczędny diesel przetwarza bezużytecznie ponad 80 proc. paliwa w ciepło i spaliny. W przypadku samochodu z ogniwem paliwowym spalaniu ulega już tylko 40 proc.

Mimo tych wszystkich niezaprzeczalnych sukcesów, inżynierów czeka jeszcze ciągle dużo pracy, żeby mogło dojść do produkcji masowej pojazdów zasilanych przez ogniwa paliwowe. Taki samochód musi być przede wszystkim lżejszy, tańszy i w znacznie większym stopniu niezawodny. Jak na razie z tą niezawodnością różnie bywa. Na pewno minie jeszcze sporo czasu, zanim w salonie samochodowym będziemy mieli do wyboru nie tylko diesla i samochód z silnikiem benzynowym, ale jeszcze taki sam pojazd napędzany ogniwem paliwowym. Warto jednak śledzić ten wyścig gigantów, bo proponowane przez nich rozwiązania mogą się okazać bardziej realne i nieodległe czasowo niż mogłoby się to dziś wydawać.



8. POMPY CIEPŁA

Pompy ciepła są urządzeniami pozwalającymi na transformację ciepła ze źródeł niskotemperaturowych, tzw. dolnych źródeł ciepła, na wyższy poziom energetyczny, określany pojęciem górnego źródła ciepła. Bezpośrednie wykorzystanie dolnych źródeł ciepła dla celów ogrzewczych czy klimatyzacyjnych pomieszczeń, ze względu na niski poziom energetyczny, jest w technice niemożliwe. Wykorzystać je można dopiero po odpowiedniej transformacji (pompowania) ciepła za pomocą pomp ciepła.
Ponieważ temperatura wody na wyjściu z pompy nie powinna przekraczać 50 C, dlatego najbardziej odpowiednim systemem ogrzewania jest system niskotemperaturowy do którego zalicza się np. ogrzewanie podłogowe. Tego typu ogrzewanie, pozwala dla uzyskania komfortu grzewczego zasilać układ grzewczy czynnikiem o temperaturze 30 - 40 C. Pompa cieplna jest tu więc idealnym urządzeniem. Im większa jest powierzchnia grzewcza oddająca ciepło, tym większy jest udział ciepła promieniującego i tym bardziej równomiernie jest ono oddawane. Ciepło promieniujące odczuwane jest jako ciepło przyjemne już przy temperaturze 20 C, a uczucie jest tak przyjemne jak przy innych źródłach ogrzewania w temperaturze 20 C. Obniżenie temperatury o 2 C pozwala zaoszczędzić 10% energii grzewczej. Połączenie ogrzewania podłogowego ze ściennym (rury grzewcze w ścianach) jest najlepszą formą ogrzewania nowoczesnego domu energooszczędnego. Stosowane w pompach cieplnych czynniki grzewcze są obojętne w stosunku do ozonu, są również niepalne, co znakomicie podnosi poziom bezpieczeństwa ogrzewanego domu.
W miejscu gdzie są zainstalowane pompy ciepła można suszyć nawet białe pranie ponieważ nie występuje tu wydzielanie sadzy ani trujących spalin.
Instalacja grzewcza z pompami ciepła składa się z dolnego źródła ciepła (WQA), pompy ciepła (WP) oraz górnego źródła ciepła (WNA).


Ziemia i Słońce to źródła taniej i nieograniczonej energii cieplnej, której wykorzystanie niesie ze sobą korzyści ekonomiczne i ekologiczne. POMPA CIEPŁA umożliwia wykorzystanie tego ciepła.
Zasada działania pompy ciepła polega na zamianie energii cieplnej pobieranej ze środowiska naturalnego (grunt, wody powierzchniowe i podziemne) na energię użyteczną służącą do ogrzewania.
Stosując pompę ciepła 75% energii otrzymujemy za darmo ze środowiska a jedynie płacimy za 25% energii zużytej do napędu sprężarki, czyli z 1 kWh energii elektrycznej otrzymujemy ok. 4 kWh energii cieplnej.
Podstawowymi elementami pompy ciepła są:
· sprężarka
· skraplacz
· parownik
· zawór rozprężny
· dolne źródło ciepła
· górne źródło ciepła

Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego – specjalnego płynu, którym wypełniona jest instalacja wewnętrzna pompy. Płyn przepływając przez parownik pobiera ciepło z gruntu lub wody (są to tzw. dolne źródła ciepła i paruje zamieniając się w gaz. Ogrzany gaz spręża znacznie podnosząc tym samym jego temperaturę sprężarka pompy napędzana silnikiem elektrycznym. Przegrzana para ochładza się, a następnie skrapla w skraplaczu. Właśnie wtedy następuje oddanie ciepła wodzie, która wypełnia grzejniki nazywane górnym źródłem ciepła (6). Następnie ochłodzony płyn przepływając przez zawór rozprężny (4) , gdzie następuje redukcja wysokiego ciśnienia, wraca do parownika i cały proces rozpoczyna się ponownie.
Pompa ciepła wykorzystuje niskotemperaturową energię słoneczną i geotermalną zakumulowane w gruncie i wodach podziemnych (dolne źródło ciepła), a następnie przekazuje energię cieplną o wyższej temperaturze, podniesionej nawet do 60C do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej (górne źródło ciepła).

Dolnym źródłem w przypadku instalacji przemysłowych może być również ciepło towarzyszące różnym procesom technologicznym:
· ciepło zakumulowane w ściekach w oczyszczalniach ścieków,
· ciepło zakumulowane w ściekach porafineryjnych w rafineriach naftowych ,
· ciepło zakumulowane w wodach kopalnianych w kopalniach węgla,
· ciepło z procesu schładzania mleka w mleczarniach.

Pompa ciepła może znaleźć bardzo różnorodne zastosowanie
Między innymi może:
· ogrzewać budynki jedno i wielorodzinne,
· ogrzewać budynki komunalne (szkoły, szpitale itp.),
· ogrzewać obiekty sakralne,
· służyć do przygotowania ciepłej wody użytkowej,
· może ponadto wykorzystywać ciepło odpadowe z procesów technologicznych,
· służyć w ogrodnictwie, warzywnictwie i rekreacji może wreszcie służyć jako klimatyzator

Ojczyzną pompy ciepła jest Szwajcaria, gdzie stosowano ja już przed II wojna światową. Po wojnie znalazła ona pewne rozpowszechnienie w USA, ale renesans nastąpił po roku 1973, tj. po kryzysie energetycznym, który wywołał skokową podwyżkę cen energii – głównie oleju opałowego, stosowanego do ogrzewania osiedli mieszkalnych. Oszczędność paliwa przy stosowaniu pomp cieplnych dochodzi bowiem do 30%.
Koszt inwestycyjny pompy ciepła jest wyższy niż przy stosowaniu konwencjonalnej instalacji opalanej węglem, olejem lub gazem, lecz koszty eksploatacyjne są niższe i (sięgają 30% kosztów eksploatacji konwencjonalnej). Instalacja pomp ciepła jest o 30-40% droższa niż instalacja kotłów olejowych tej samej mocy, lecz mniejsze wydatki na paliwo powodują zwrot różnicy w nakładach inwestycyjnych po 4-6 latach.
Główną zaletą pompy ciepła jest wykorzystanie ciepła odpadowego z różnych procesów technologicznych o temperaturze 20-30 , zwykle traconego bezużytecznie. Pompy ciepła, umożliwiając pokrywanie zapotrzebowanie na ciepło bez spalania paliw kopalnianych, są korzystne dla środowiska, którego nie zanieczyszczają produktami spalania. Same pompy ciepła pracują cicho i nie wydzielają żadnych zanieczyszczeń.

Dziś stosuje się do ogrzewania całych dzielnic miast. Na przykład całe sztokholmskie osiedle Ropsten, zamieszkałe przez 100 000 mieszkańców, jest ogrzewane pompami ciepła, wykorzystującymi ciepło wody morskiej. W zimie następuje dodatkowy podgrzew wody sieciowej przez elektrociepłownię Vatran. W Vaseras w Szwecji pracuje pompa ciepła o mocy 12 MJ/s, wykorzystując ciepło ścieków morskich, największa zaś pracująca tam ma moc 40 MJ/s. W Szwecji w roku 1989 pracowało 110 000 pomp ciepła dziś ich wielkość na pewno się zwiększyła.



9. WYKORZYSTANIE WODORU JAKO PALIWA PRZYSZŁOŚCI

Wodór stanowi idealne paliwo, gdyż spala się bez zanieczyszczania środowiska, dając w efekcie wodę. Można go łatwo magazynować z postaci gazowej, ciekłej lub stałej (wodorki metali) i przesyłać rurociągami, przy czym straty przy jego przesyle są mniejsze niż przy przesyle energii elektrycznej. Do uzyskania wodoru metodą klasycznej elektrolizy zużywa się jednak więcej energii niż otrzymuje z jego spalania. Stąd próby uzyskania wodoru poprzez elektrolizę nasyconej pary wodnej w temperaturze 900-100 C. Termoliza wody jest to proces jej rozpadu na wodór i tlen, lecz wymaga ona ogromnej temperatury 2500 C. Metodą termochemiczną uzyskuje się wodór z wody przy temperaturze ok. 800 C, a taką temperaturę pozwalają osiągnąć wysokotemperaturowe reaktory jądrowe. Sprawność cieplna uzyskiwania wodoru tą metoda wynosi 40-50%, a więc jest większa niż sprawność cieplna uzyskiwania energii elektrycznej za pomocą jądrowego reaktora wodnego. Uważa się, że można uzyskać sprawności cieplną ok. 85%. Większa wartość opałowa i większa lotność w porównaniu z gazem ziemnym pozwala na zwiększanie przepustowości rurociągów, w skutek możliwości stosowania większej prędkości wodoru niż gazu ziemnego, co w efekcie umożliwia przesył znacznie większej ilości ciepła w jednostce czasu. Większa lotność powoduje jednak nieco większe straty w zbiornikach i rurociągach. Przemysł chemiczny i metalurgiczny mogą łatwo przestawić swe technologie na wykorzystanie wodoru jako nośnika energii (zamiast gazu ziemnego). Wodór może również służyć do napędu wszelkiego rodzaju środków transportu. Spalanie wodoru może odbywać się bądź bezpośrednio w kotłach (jako paliwo gazowe), bądź w ogniwach paliwowych. Spalanie wodoru w ogniwach paliwowych jest bardziej efektywne. Tak więc elektrownia wodorowa przyszłości to elektrownia wykorzystująca ogniwa paliwowe.

Większość wytwarzanego wodoru jest zużywana na miejscu tj. w rafineriach do poprawy jakości produktów naftowych i nie trafia na rynek. Cena wodoru produkowanego w rafineriach bez kosztów transportu wynosi obecnie około 0,70 USD/kg, natomiast nakłady na skraplanie i transport podnoszą ją do poziomu 2-3 USD/kg. Wytwarzanie wodoru w elektrolizerniach jest zaś 3-10 razy droższe.
Największe ilości wodoru otrzymuje się od dawna z gazu ziemnego. Proces reformingu z udziałem metanu i pary wodnej przebiega w temperaturze 1100 st. C w obecności katalizatora, a jego produktami są wodór i dwutlenek węgla. Te same produkty gazowe uzyskuje się także w reakcji węgla (koksu) i pary wodnej. Do produkcji wodoru stosuje się także ciągle doskonalone technologie zgazowania węgla połączone z sekwestracją wydzielanego dwutlenku węgla.
Wytwarzanie wodoru z paliw organicznych wymaga znacznych nakładów kapitału i energii. Część paliwa musi zostać spalona dla uzyskania niezbędnej temperatury, nie wydzielając wodoru.
Wprawdzie stosuje się także częściowe utlenianie gazu ziemnego, które jest reakcją egzotermiczną, lecz ten kosztowny proces nie zapewnia czystości wodoru wymaganej dla wielu aplikacji. Poważne trudności wiążą się z wydzielaniem wodoru ze strumienia gazowych produktów procesu. Używane w tym celu membrany są kosztowne i mało wydajne.
Inną metodą wytwarzania wodoru na skalę przemysłową jest zgazowanie biomasy, głównie odpadów drzewnych i rolniczych. Przy podgrzewaniu w odpowiednich warunkach biomasa ulega zamianie na gaz syntezowy składający się przede wszystkim z CO, CO2 i H2. Jednak do chwili obecnej technologia ta ze względów ekonomicznych nie uzyskała szerszego zastosowania. W fazie testowania pozostaje metoda oparta na zjawisku fotoelektrolizy, w którym światło słoneczne służy do rozkładu wody na jej gazowe składniki. Proces zachodzi w układzie przypominającym ogniwo fotowoltaiczne zanurzone w wodzie, przy czym promienie świetlne pobudzają półprzewodnik do rozszczepiania cząsteczek otaczającej wody. Technologią przyszłości jest również wykorzystanie pewnych gatunków glonów i roślin w procesach przypominających fotosyntezę. Planowane wykorzystanie wodoru do wytwarzania czystej energii oraz rosnące zużycie w wielu gałęziach przemysłu, zwłaszcza chemicznego, zmuszają do poszukiwania tańszych i wydajniejszych technologii jego pozyskiwania. Znaczącym postępem na tej drodze może okazać się wynalazek naukowców amerykańskiego Argonne National Laboratory opatentowany w 2000 r. Jest to metoda wytwarzania wodoru przez katalityczny rozkład wody lub mieszaniny pary wodnej i niektórych gazów.
Rozwiązanie polega na użyciu kompozytowych (metalowo-ceramicznych) katalizatorów oraz membran o własnościach przewodzenia odpowiednio protonów i elektronów. Stanowią one proste i wydajne urządzenia wytwarzania i separacji wodoru. Opracowana technologia obejmuje jednoetapowy proces rozszczepiania cząsteczek wody na składniki gazowe z wydzielaniem wodoru, którego jony (protony) przenikają przez membranę ściany reaktora, co dodatkowo zwiększa wytwarzanie tego gazu. Rozkład wody odbywa się na powierzchni płyt wykonanych z takich metali jak np. żelazo, miedź, wanad, nikiel, srebro, złoto czy platyna.
Zaletą technologii jest łatwa dostępność taniego surowca czyli wody. Dalsze korzyści polegają na niższych nakładach inwestycyjnych i eksploatacyjnych, które zawdzięcza się w dużej mierze obniżeniu temperatury procesu do zakresu 600-900 st. C. Wreszcie opracowana technologia nie pozostawia ubocznych uciążliwych produktów wymagających dalszego zagospodarowania, natomiast umożliwia wytwarzanie – oprócz wodoru – również czystego tlenu.


„Zatankujemy” wodór?

dr inż. Janusz Jakubiec, mgr inż. Grzegorz Wysopal,
Instytut Technologii Nafty w Krakowie

Podstawowym współczesnym źródłem energii, służącym do napędu pojazdów samochodowych są paliwa na bazie ropy naftowej - benzyna i olej napędowy. Paliwa te w bliższej lub dalszej przyszłości będą zastąpione ich substytutami. Ich szkodliwość dla środowiska z jednej strony, a z drugiej ograniczone zasoby, spowodowały konieczność poszukiwania paliw alternatywnych.
Zakłada się, że do 2020 r. minimum 20 proc. paliw zużywanych na cele transportowe będą stanowiły paliwa alternatywne. Ważną rolę odgrywać będzie strategia polityczna, zakładająca celowość i konieczność chociażby częściowego uniezależnienia się od ropy naftowej. Wśród paliw alternatywnych dotychczas szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął gaz propan-butan, a ostatnio preferuje się gaz ziemny, natomiast wodór, pomimo trudności technicznych związanych z jego zastosowaniem, może stać się paliwem najbliższej przyszłości
Obecnie wodór jest powszechnie używany w przemyśle rafineryjnym w procesach chemicznych dotyczących pozyskiwania benzyn silnikowych i olejów napędowych. Prognozuje się, że po wyczerpaniu się zapasów ropy naftowej wodór stanie się jednym z podstawowych paliw silnikowych. Zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone, gdyż jest to paliwo odnawialne, a produktem spalania jest woda. Należy dodać, że wodór - podobnie jak prąd elektryczny - nie jest źródłem energii, lecz nośnikiem energii. Praktycznie nie występuje w stanie wolnym lecz w postaci związków chemicznych zawierających wodór.
Problemem jest jednak otrzymywanie wodoru, gdyż z racji bardzo wysokiej reaktywności wodór występuje w postaci związków chemicznych: wody, węglowodorów, wodorków itp. Otrzymanie wodoru wymaga dostarczenia energii; mogą być do tego stosowane niektóre rodzaje czystej energii, jak energia wodna, energia wiatru czy też energia słoneczna.
Przyszłość należy do wodoru pozyskiwanego z energii słońca w procesie dwustopniowym. Według specjalistów pierwszy stopień to przemiana światła słonecznego w energię elektryczną za pośrednictwem rozbudowanego systemu baterii ogniw słonecznych. Drugi, wykorzystujący tę energię, pozwalałby na wykorzystanie wodoru w procesie elektrolizy, powodującym rozpad wody. Wymaga to jednak zastosowania bardzo wysokiej temperatury. Bezpośredni rozpad wody na wodór i tlen następuje w temperaturze 2730 st. C. Taką temperaturę można uzyskać w reaktorze jądrowym lub w kolektorze słonecznym, w którym soczewki skupiają światło w ognisku. Koszty produkcji tymi metodami są obecnie stosunkowo wysokie w porównaniu do najtańszej metody wytwarzania wodoru z gazu ziemnego. Metody te jednak zapewniają długotrwałą perspektywę wykorzystania wodoru i są metodami przyjaznymi dla środowiska.
Spore nadzieje wiąże się także z wytworzeniem wodoru przy wykorzystaniu biomasy, przy czym biomasa stanowi produkt wyjściowy w procesach termochemicznych lub biologicznych. Jako biomasę traktuje się wszystkie produkty odpadowe w rolnictwie, jak również specjalnie hodowane rośliny dające duże przyrosty. Należy dodać, że energia otrzymana z biomasy musi być jednak większa niż energia potrzebna do jej wyprodukowania. Energetyczne wykorzystania biomasy i paliw odpadowych jest najszybciej rozwijającym się sektorem energii odnawialnej w Polsce.



10. PODSUMOWANIE

Wszystkie omówione nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej charakteryzują się następującymi wspólnymi cechami:
- są mało bądź nawet wcale nieuciążliwe dla środowiska;
- znajdują się w stanie rozwoju, co pozwala oczekiwać zwiększania sprawności wytwarzania energii elektrycznej;
- uzyskiwane moce są obecnie małe bądź bardzo małe, co na razie nie pozwala na odegranie przez nie poważniejszej roli w pokryciu zapotrzebowania na energię elektryczną;
- są droższe niż dotychczas stosowane technologie (niektóre nawet 10 raz ), co stanowi poważną barierę do ich powszechnego stosowania.


Tablica1.1 Porównanie sprawności i dyspozycyjności dotychczasowych oraz nowych źródeł i technologii wytwarzania energii elektrycznej oraz jednostkowych kosztów inwestycyjnych

Źródła energii Sprawność% Dyspozycyjność% Jednostkowe koszty inwestycyjne %
Paliwa konwencjonalnePaliwa jądroweWiatrGeotermiaSłońce – termikaMorze – termikaOgniwo fotoelektryczneBiomasaWodórGenerator MHD (wraz z częścią konwencjonalną)Ogniwo paliwoweFotosyntezaZgazowywanie paliwPompa cieplna 35433035407015251020121020405030455040600,41,040506572 85907585204070801520909515208590708060708595909580909095 1001802001101801302002004003501500400600200300300500300500200400200300120150

Szacuje się, że w 2005 r. energia elektryczna wytwarzana tymi metodami pokryje zaledwie 10% światowego zapotrzebowania, a w 2020 r. – 15% oraz że rozwój niektórych z nich (np. technologii wodorowej, MHD) nastąpi dopiero w XXI wieku.



SPIS TREŚCI:

1. Wstęp
2. Wykorzystanie energii słonecznej
3. Energia wiatru
4. Wykorzystanie energii morza
5. Elektrownie geotermiczne
6. Elektrownie z generatorami MHD
7. Ogniwa paliwowe
8. Pompy ciepła
9. Wykorzystanie wodoru jako paliwa przyszłości
10. Podsumowanie


BIBLIOGRAFIA:

1. T. Bartkowski „Kształtowanie i ochrona środowiska człowieka” PWN Warszawa 1991 (wyd.5)
2. J. Kucowski, D. Laudyn, M. Przekwan „Energetyka a ochrona środowiska” Wyd. Naukowo-Techniczne W-wa 1997 (wyd.4)