Odnawialna źródła energii

Kryzys energetyczny w 1973 r., który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny 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 elektrycznej należą: energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich i energia cieplna oceanów (maretermiczna), a do źródeł nieodnawialnych: wodór, energia magnetohydrodynamiczna i ogniwa paliwowe. Energię wnętrza ziemi (geotermiczną) można zaliczyć do obu rodzajów źródeł: gejzery są źródłem nieodnawialnym, zaś energia gorących skał jest 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 formę występowania i możliwości praktycznego wykorzystania;
• Ekonomiczne, związane z dużymi kosztami ich wykorzystania.
Pierwotne źródła energii Naturalne procesy przemiany energii Techniczne procesy przemiany energii Forma uzyskanej energii
Słońce Woda Parowanie, topnienie lodu i śniegu, opady Elektrownie wodne Energia elektryczna
Wiatr Ruch atmosfery Elektrownie wiatrowe Energia cieplna i elektryczna
Energia fal Elektrownie falowe
Promieniowanie słoneczne Prądy oceaniczne Elektrownie wykorzystujące prądy oceaniczne Energia elektryczna
Nagrzewanie powierzchni ziemi i atmosfery Elektrownie wykorzystujące ciepło oceanów Energia elektryczna
Pompy ciepła Energia cieplna
Promieniowanie słoneczne Kolektory i cieplne elektrownie słoneczne Energia cieplna
Fotoogniwa i elektrownie słoneczne Energia elektryczna
Fotoliza Paliwa
Biomasa Produkcja biomasy Ogrzewanie i elektrownie cieplne Energia cieplna i elektryczna
Urządzenia przetwarzające Paliwa
Ziemia Rozpad izotopów Źródła geotermalne Ogrzewanie i elektrownie geotermalne Energia cieplna i elektryczna
Księżyc Grawitacja Pływy wód Elektrownie pływowe Energia elektryczna
Podział odnawialnych źródeł energii.
Na przestrzeni ostatnich lat największy rozwój spośród źródeł odnawialnych zanotowała energetyka wiatrowa. Do 2000 roku przeciętny roczny wzrost mocy zainstalowanej sięgał 40 %, osiągając wówczas poziom 18,5 GW. Jest to wartość wystarczająca do pokrycia zapotrzebowania na energię 8-9 milionów czteroosobowych gospodarstw domowych.

Energia wiatru
Wiatr jest odnawialnym źródłem energii. Jest to ruch powietrza spowodowany różnicą gęstości ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to różnicę ciśnień, a naturalna tendencja do ich wyrównywania powoduje powstawanie wiatru.
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 wiatru w czasie dotyczy bardzo szerokiej skali czasu - od sekund do lat. Wyróżnia się następujące rodzaje zmienności w czasie:
Wieloletnią. Na niektórych obszarach obserwuje się wyraźne trendy zmian (prawdopodobnie związane z postępującymi zmianami klimatycznymi). Na ogół występują wyraźne różnice o charakterze przypadkowym między kolejnymi latami, także wtedy, gdy badamy uśrednione warunki wiatrowe na dużych obszarach. Przypadkowa zmienność wiatru w tej skali czasu przekłada się na problemy w prognozowaniu i planowaniu pracy systemu elektroenergetycznego w odpowiednim horyzoncie czasowym.
Roczną. W warunkach Polski średnia siła wiatru jest bardzo mocno zróżnicowana w zależności od pory roku. Rysunek poniżej pokazuje jak w warunkach duńskich wygląda typowy rozkład energii wiatru dla poszczególnych miesięcy roku (polskie wybrzeże ma prawdopodobnie zbliżony rozkład). Istotne jest, że zmienność energii wiatru w tej skali czasu jest dość dobrze przewidywalna. To pozwala wystarczająco dokładnie prognozować wielkość energii, która zostanie wyprodukowana w ciągu roku. Innym ważnym wnioskiem jest to, że energia wiatru jest największa w miesiącach od listopada do marca, czyli wtedy, gdy w warunkach polskich jest ona najbardziej potrzebna.

Energia wiatru w poszczególnych miesiącach roku (wykres powstał na podstawie pomiarów na terenie Danii, ale jest wspólny dla klimatu umiarkowanego).
Synoptyczną. Zmienność kilkudniowa związana ze zjawiskami atmosferycznymi dużej skali (przesuwanie się ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta ma charakter przypadkowy i jest trudno przewidywalna.
Dobową. W wielu miejscach pomiary prędkości wiatru wykazują cykliczność o okresie jednej doby. Jest ona związana z lokalnymi powtarzającymi się zjawiskami termicznymi (np. nagrzewaniem się ziemi w ciągu dnia, oziębianiem w nocy i wywołany tym ruch powietrza). W warunkach Polski należy oczekiwać dość dobrego dopasowania się zmian dobowych energii wiatru do zmian zapotrzebowania w sieci. Najmniejsza energia wiatru występuje w nocy, maksimum w środku dnia. Zmienność wiatru w skali czasu synoptycznej, dobowej i minutowej ma wpływ na prowadzenie ruchu systemu.
Minutowa, sekundową. Za te zmiany odpowiadają turbulencje i podmuchy wiatru, przechodzący front burzowy itp. Tego typu zmiany mają charakter przypadkowy, są nieprzewidywalne i należy je traktować jako zakłócenia. Minimalizacje niekorzystnego wpływu zakłóceń wiatru na prace elektrowni wiatrowej mogą zapewnić odpowiednie układy regulacji. Zjawiska powodujące zmienność sekundową są słabo skorelowane nawet w obrębie jednej farmy. Dlatego moc całej farmy wiatrowej wykazuje mniejsze względne zmiany mocy niż pojedyncza siłownia wiatrowa. Zmienność sekundowa ma wpływ na jakość energii.
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. Okazuje się, że najbardziej efektywna jest turbina, która spowalnia wiatr do 2/3 jego początkowej prędkości. Aby to zrozumieć musimy sięgnąć do podstawowego prawa aerodynamiki turbin wiatrowych - prawa Betz'a.
Prawo Betz'a
Załóżmy, że średnia prędkość wiatru przechodzącego przez obszar wirnika jest średnią prędkości niezakłóconego wiatru przed wirnikiem v1 i prędkości wiatru po przejściu przez wirnik v2, czyli (v1+v2)/2. Masa powietrza płynącego przez wirnik w czasie jednej sekundy wynosi:
m = rF(v1+v2)/2
gdzie: m - masa na sekundę; r - gęstość powietrza; F - powierzchnia zakreślana przez wirnik; (v1+v2)/2 - średnia prędkość wiatru przechodzącego przez wirnik. Moc odbierana od wiatru przez wirnik, zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona:
P = (1/2) m (v12 - v22)
Podstawiając za masę wyrażenie z poprzedniego równania otrzymamy:
P = (r/4) (v12 - v22) (v1+v2) F
Teraz porównajmy ten rezultat z całkowitą mocą niezakłóconego przepływu powietrza przez taką samą powierzchnię F; nazwijmy ją Po
Po = (r/2) v13 F
Rozpatrzmy teraz takie równanie:
(P/Po) = (1/2) (1 - (v2 / v1)2) (1 + (v2 / v1))
Okazuje się, że wykres funkcji (P/Po) = f(v2 / v1) osiąga maksimum równe 0,59 dla (v2 / v1) = 1/3. Oznacza to, że idealna turbina wiatrowa spowolni wiatr do 1/3 jego pierwotnej wartości i odzyska 59 % energii w nim zawartej.
Moc wiatru zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości. 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. Jeżeli przyjmiemy, że gęstość prawdopodobieństwa prędkości wiatru jest opisana rozkładem Weibulla (założenie słuszne dla typowej lokalizacji elektrowni wiatrowej) i uwzględnimy proporcjonalność mocy wiatru do sześcianu jego prędkości to uzyskamy funkcje rozkładu gęstości mocy.

Rozkład gęstości mocy w funkcji wiatru.
W związku z zależnością od sześcianu prędkości, 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.

Roczna produkcja energii w elektrowni wiatrowej w zależności od średniorocznej prędkości wiatru (elektrownia GE Wind Energy 1.5s, 1500 kW).
Energia słoneczna



Słońce, jedna 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.

Najbezpieczniejsza ze wszystkich istniejących źródeł energii. Energia słoneczna wytwarza promieniowanie słoneczne, którego tylko 50% dociera do powierzchni Ziemi. . Zaś druga połowa, z której 30% promieniowania dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę oraz 20% jest przez nią pochłaniane. Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Już 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.

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 za dnia. 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 radiatory absorbujące ciepło. 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.

Baterie słoneczne
Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. 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 pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach.

W 1981 r. słoneczny samolot Solar Chalenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

Samochód na baterie słoneczne jeszcze nie porusza się po drogach świata. Wciąż te energooszczędne pojazdy są prototypami, na tyle drogimi i nieużytecznymi w miejscach, gdzie nie docierają promienie słoneczne, że wielkie koncerny samochodowe nie wprowadzają takowych w obieg. Można jedynie zadać sobie pytanie czy jest to spowodowane stosunkowo krótką trwałością, czy też koncerny paliwowe wywierają tak duży nacisk, iż środowisko nie może być chronione w lepszy sposób? I my jako ludzie nie możemy być zdrowsi, nie ulegać np. alergii, która jest coraz bardziej dotkliwa dla człowieka? Dzięki zmniejszeniom ilości spalin wydzielanych przez samochody poruszające się w naszym otoczeniu, możemy obronić się przed tak groźnym zjawiskiem.

Energia w odległych regionach W odległych regionach baterie słoneczne są używane, na co dzień w domu. Energia słoneczna służy do ładowanie akumulatorów, co umożliwia korzystanie z energii elektrycznej również w nocy. Ogniwa słoneczne są niezawodne. Raz zamontowane nie 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 360 kW na lądowisku samolotów pracowała na zamarzniętej Alasce.

Ogniwa słoneczne były wykorzystywane w komunikacji satelitarnej od lat 60. Najnowsza technologia ogniw fotowoltaicznych ma być zastosowana w stacji kosmicznej Freedom, konstruowanej w Stanach Zjednoczonych. Ma być ona wyposażona w osiem skrzydeł fotowoltaicznych, które umożliwią wytworzenie energii elektrycznej o mocy 75 kW. Możliwe, że w następnym stuleciu, dzięki projektowi amerykańskiego inżyniera dr Petera Glasera będziemy korzystać z energii dostarczanej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 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 zmiana mikrofal w prąd elektryczny. Zdaniem Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedną czwartą zapotrzebowania na energię elektryczną 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.

Energia geotermalna Jest to energia zmagazynowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Stale uzupełnia ją strumień ciepła przenoszonego z gorącego wnętrza Ziemi ku powierzchni, dlatego jest niewyczerpalna. Ciepło we wnętrzu Ziemi jest częściowo ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie formowania się naszej planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak uran, tor czy potas. Temperatura zwiększa się z głębokością, w jądrze Ziemi osiągając nawet 6000 stopni. Pierwszy zakład geotermalny produkujący prąd elektryczny powstał w 1904 r. w Larderello we Włoszech. Obecnie elektrownie takie działają w wielu krajach między innymi na Islandii, Nowej Zelandii, Filipinach, USA, Japonii, Rosji. Energię geotermalną wykorzystywano już od zarania dziejów (Chiny, Japonia, Rzym). Pierwsze grzewcze instalacje geotermalne powstały w USA (Klamath Falls) i na Węgrzech już w 1890 roku. Na szerszą skalę zaczęto energię geotermalną wykorzystywać od lat 70-tych, od czasów "kryzysu paliwowego". Obecnie wykorzystuje się ją głównie do ogrzewania mieszkań. Największym obszarem ogrzewanym od 1930 roku energią geotermalną jest Reykiawik liczący 145 000 mieszkańców. Na dużą skalę energię geotermalną do celów grzewczych wykorzystuje się również we Francji, USA, Niemczech, Węgrzech i Włoszech.

Największymi elektrowniami geotermalnymi są:
• Geyers w Kalifornii - 502 MW
•
• Lardarello we Włoszech - 390 MW
•
• Wairakei w Nowej Zelandii - 290 MW
•
• Cerro Prieto w Meksyku - 75 MW

Polska posiada bogate zasoby wód geotermalnych o temperaturze 30-120 stopni.
Przykładem wykorzystania są ciepłownie w Pyrzycach i Bańskiej Niżnej na Podhalu, gdzie został wybudowany Doświadczalny Zakład Geotermiczny.
Woda o temperaturze 86 stopni służy do ogrzewania około 200 budynków, szklarni, dwóch basenów, suszarni drewna. Obecnie trwa rozbudowa sieci i planuje się doprowadzenie jej do Szaflar, Zakopanego i Nowego Targu.