Odnawialne źródła energii. Zapotrzebowanie na energię w społeczeństwie xxi wieku

Zapotrzebowanie na energię w społeczeństwie przełomu XX i XXI wieku jest olbrzymie. Trudno w dzisiejszych czasach wyobrazić sobie życie bez użytkowania energii elektrycznej. Energia ta jest obecnie nam tak samo niezbędna do życia jak woda i powietrze. Samo słowo "energia" pochodzi od greckiego słowa "energeia" i oznacza działalność.

W dobie tak daleko posuniętego rozwoju techniki, gdzie wszystkie urządzenia napędzane są za pomocą energii elektrycznej, a sama energia elektryczna stanowi główną gałąź gospodarki każdego kraju, musimy poszukiwać nowych jej źródeł. Aby nie dopuścić do sytuacji, w której energia ta by nam się wyczerpała, co miałoby tragiczne skutki dla nas i naszego otoczenia.

Z powodu braku surowców umożliwiających wyprodukowanie energii w konwencjonalny sposób oraz ze względu na niedostateczny rozwój niekonwencjonalnych metod jej pozyskiwania, mogłoby dojść do załamania w dziedzinie produkcji, a co za tym idzie, w handlu. Taki kryzys gospodarczy miałby tragiczne skutki, szczególnie dla państw wysoko uprzemysłowionych. Proszę sobie wyobrazić brak możliwości dostarczenia pożywienia i innych środków niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania ludzi, na przykład w Nowym Jorku, zamieszkiwanym przez 7,3 miliona ludzi. Nowoczesne szpitale wyposażone w sprzęt najnowszej generacji przeznaczony do ratowania ludzkiego życia nie byłyby w stanie funkcjonować bez energii elektrycznej. Brak oznakowania świetlnego na skrzyżowaniach w dużych miastach z rozbudowaną infrastrukturą komunikacyjną, tak jak to miało miejsce w wydobyciu węgla w 1994 roku, skutkowałby opóźnieniami służb takich jak policja czy straż pożarna, co z kolei wywołałoby nasilenie fali kradzieży i rozbojów. Nastąpiłby całkowity paraliż, a to paraliż w skali globalnej.

Taka wizja przyszłości nie stanowi jedynie przypuszczeń i domysłów, ma ona swoje realne podstawy. W ciągu ostatnich 80 lat zużycie energii na świecie wzrosło dziesięciokrotnie, choć liczba ludzi zwiększyła się tylko 2,5-krotnie. Wzrost jednostkowego zużycia energii na jednego mieszkańca Ziemi rośnie nadal. Coraz większe są również potrzeby energetyczne związane z produkcją żywności.

Obecnie, aby sprostać wymaganiom rosnącej populacji świata, której liczba zwiększa się o około 90 milionów osób rocznie, większość energii pozyskuje się z paliw pochodzenia organicznego. Złoża te są ograniczone i w zastraszającym tempie maleją. Jednak nie jest to jedyne zagrożenie dla nas i naszego otoczenia. Użytkowanie konwencjonalnych źródeł energii wiąże się również ze skutkami ubocznymi.

Poniżej przedstawione są korzyści wynikające z korzystania z odnawialnych źródeł energii oraz niekorzyści wynikające ze stosowania źródeł konwencjonalnych.

Taka wizja przyszłości nie stanowi pozytywnej perspektywy dla rozwoju cywilizacji. Może ona stanowić jedynie nową wizję apokalipsy, do której doprowadzą sami ludzie poprzez brak wiedzy i pogoń za tańszymi, a nie zawsze lepszymi dla Ziemi rozwiązaniami. Dlatego też powinniśmy już teraz zacząć pracować nad odpowiednim uświadomieniem społeczeństwa oraz nad rozwojem alternatywnych sposobów pozyskiwania energii, co jest koniecznością w obliczu nieuchronnego wyczerpania zasobów naturalnych (szacuje się, że zasoby ropy naftowej wyczerpią się za około 40 lat).

Możemy temu zapobiec – istnieją już technologie umożliwiające produkcję energii w sposób ekologiczny, a zarazem ekonomiczny. Energii takiej możemy pozyskiwać dzięki:
- elektrowniom wodnym,
- elektrowniom wiatrowym,
- biomasie,
- elektrowniom słonecznym,
- ciepłu geotermalnemu,
- oraz wykorzystując energię atomową.

Energia Atomowa

Mimo niewątpliwie słusznych argumentów przeciwko korzystaniu z energii atomowej, istnieje również duża grupa czynników za, które warto poważnie rozważyć. Przede wszystkim jest to niesłychanie ekonomiczne rozwiązanie – z tony Uran-235 można uzyskać więcej energii niż z 12 milionów baryłek ropy naftowej. Należy zaznaczyć, iż złoża uranu są znaczne, a w przypadku dalszego pozytywnego rozwoju technologii pozyskiwania energii z Uran-238 jego zasoby wystarczyłyby na tysiące lat. Ponadto prawidłowo funkcjonująca elektrownia atomowa nie jest szkodliwa dla środowiska.

Obecnie staramy się odejść od tego sposobu pozyskiwania energii ze względu na opinię publiczną, która woli rozwiązanie przyszłego problemu energetycznego odnaleźć w bardziej bezpiecznych źródłach, takich jak energia wiatru.

Elektrownie Wiatrowe

Ludzie już stosunkowo dawno zauważyli możliwość pozyskiwania energii z wiatru. Historia mówi o tym, iż w VI wieku naszej ery Persowie mieli ziarno używając młynów wiatrowych. W VIII wieku n.e. powstały pierwsze wiatraki w Holandii. Jednak największe znaczenie miały one w XVI i XVII wieku. Po wynalezieniu maszyny parowej ich znaczenie zmalało, aby móc przeżyć ponowny renesans pod koniec XX wieku. Ich liczba ciągle wzrasta, a produkcja jest obecnie tak duża, że stanowią na przykład trzeci główny produkt eksportowy takich "wiatrakowych potęg" jak Dania, gdzie ich liczba wynosi około 4 000 sztuk. W chwili obecnej wiatraki używane są przeważnie do produkcji energii elektrycznej.

Energia elektryczna pozyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż w procesie jej wytwarzania nie dochodzi do spalania paliwa. Aby uzyskać 1 MW mocy, wirnik turbiny takiego wiatraka powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc nawet do 1000 MW, jej zastąpienie wymagałoby użycia wielu wiatraków.

W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych obok siebie turbin. Jednak opinia publiczna często bywa nieprzychylna takim inwestycjom ze względu na to, iż "szpecą krajobraz". Dlatego też przyszłość takich elektrowni nie jest pewna. Jednakże niewielkie, pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od cywilizacji, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią. W krajach takich jak Australia czy USA wiatraki są używane już od kilkudziesięciu lat przez rolników i w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju i bogactwa tych krajów.

Obecnie używanych na skalę przemysłową jest około miliona tego typu urządzeń w różnych zakątkach świata. O ich sukcesie decydują:
- Niskie koszty eksploatacji,
- Ekologiczna technologia,
- Niski koszt początkowy w porównaniu z innymi urządzeniami do wytwarzania energii.

Biomasa

Innym źródłem taniej i ekologicznej energii może być tzw. biomasa. Biomasa to suche rośliny, najczęściej słoma lub drewno z drzew szybko rosnących, takich jak wierzba. Przy ich spalaniu emisja CO₂ jest równa ilości tego związku, jaką roślina pobrała w czasie wzrostu, co w bilansie końcowym daje efekt neutralny (czyli zero emisji netto). Jako źródło energii biomasa jest również, przy racjonalnej gospodarce, odnawialna (w przeciwieństwie do pokładów ropy czy gazu). Nie ma również problemu z utylizacją popiołu, gdyż jest on doskonałym 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 do 4 lat.

Obecnie w Polsce mnóstwo biomasy marnuje się; produkujemy rocznie około 25 milionów ton słomy, z czego gnije lub jest spalane na polach w ilości 8–12 milionów ton. Dodajmy do tego drewno, które mogłoby wyrosnąć na polach odłogiem, co daje stosunkowo dużą ilość paliwa. Paliwo to może być stosowane w systemach grzewczych, a także po zamontowaniu turbiny i instalacji towarzyszącej można produkować prąd elektryczny.

Elektrownie Słoneczne

Biomasa i elektrownie wiatrowe stanowią bardzo dobrą alternatywę dla konwencjonalnych metod pozyskiwania energii, ale nie jedyną. Równie ekologiczne i ekonomiczne są elektrownie słoneczne. Ludzie, podobnie jak z energią wiatru, już dawno dostrzegli możliwość praktycznego wykorzystania energii, jaką niosą ze sobą promienie słoneczne – już w 400 roku p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą do rozniecania ognia.

Około 30% energii słonecznej docierającej do Ziemi jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% dociera do powierzchni Ziemi. Te "zaledwie" 50% to aż 27 bilionów MW, przy czym zapotrzebowanie ludzkości na energię (nie tylko elektryczną, również mechaniczną i cieplną) wynosi około 10 milionów MW.

Energia ta jest praktycznie niewyczerpywalna, a jej pozyskiwanie nie jest szkodliwe dla środowiska. Niestety, źródło to ma wadę. Aby zaopatrzyć całą Ziemię w energię pochodzenia słonecznego, należałoby pokryć 745 000 km² powierzchni panelami fotowoltaicznymi. Rozwiązaniem tego problemu jest rozmieszczenie paneli na dachach budynków, które mają być zasilane energią.

Elektrownie Wodne

Równie olbrzymie jak zapasy energii słonecznej są zapasy energii zgromadzonej w wodzie. Energia ta była wykorzystywana przez ludzi od dawna. Historia kół wodnych sięga aż do I wieku n.e., służyły one początkowo do napędzania żaren w młynach. Tysiąc lat później ludzie zaczęli wykorzystywać energię wody do innych celów – napędzania miechów i ciężkich młotów w kuźniach, pił w tartakach i wielu innych urządzeniach. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin są wykorzystywane do napędzania potężnych generatorów w elektrowniach wodnych. Ta gałąź przemysłu nosi nazwę hydroenergetyki. Nowoczesne hydroelektrownie wykorzystują olbrzymie zapory oraz zbiorniki wodne, dzięki czemu powstaje duża różnica poziomów, co gwarantuje stały spad wody z dużej wysokości.

Energię tę można pozyskiwać również dzięki falowaniu morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą olbrzymią ilość energii, lecz pojawia się tutaj problem natury technicznej – nie istnieją jeszcze urządzenia pozwalające na ich efektywne wykorzystanie. Niedawno wybudowana elektrownia w szkockim mieście Islay wykorzystująca energię fal morskich ma moc zaledwie 180 kW.

Naukowcy są zdania, że przy maksymalnym wykorzystaniu energii wód Ziemi można by uzyskać aż 2,25 biliona kW energii elektrycznej. Nie wykorzystywane zasoby energii wodnej znajdują się przede wszystkim w Afryce, Azji oraz Ameryce Południowej. Największe na świecie elektrownie wodne wybudowano na rzekach: Paraná na granicy pomiędzy Paragwajem a Brazylią (moc 12,6 GW), Kolumbia w USA oraz na Jeniseju w Rosji.

Ciepło Geotermalne

Kolejnym niekonwencjonalnym źródłem energii zasługującym na rozpatrzenie jest energia wnętrza Ziemi – energia geotermalna, czyli naturalne ciepło zgromadzone w skałach i wypełniających je wodach.

Jest to stosunkowo młoda metoda pozyskiwania energii, gdyż po raz pierwszy zastosowano ją do produkcji elektryczności dopiero w 1904 roku w Larderello we Włoszech. Eksploatację tzw. wodno-dominujących studni geotermalnych rozpoczęto uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większość obecnie pracujących studni geotermalnych pochodzi z lat 70. i 80. tego stulecia. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skalach o temperaturze 200°C, na głębokości 2000 m.

Obecnie coraz powszechniej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa występuje poniżej głębokości 1 do 1,5 km w skałach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zamianę niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10°C – 30°C) na temperatury przydatne w ciepłownictwie (45°C – 80°C). Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieje, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata.

Aktualnie w Polsce wody geotermalne wykorzystuje się do celów ciepłowniczych zaledwie w dwóch miejscach: w Banskiej Niżnej koło Zakopanego i w Pyrzycach koło Szczecina. Szacuje się, że Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych energią geotermalną.

Jednakże ten sposób pozyskiwania energii nie jest tak ekologiczny jak energia wiatru czy słońca. Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na emisji szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru (H₂S), który powinien być pochłaniany w odpowiednich instalacjach, co podnosi koszty produkcji energii elektrycznej. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia stanowi radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne stanowi otwarty, nierozwiązany do tej pory problem techniczny.

Podsumowanie

Podsumowując, należy stwierdzić, iż ludzkość znajduje się na dobrej drodze dalszego rozwoju metod pozyskiwania energii z niekonwencjonalnych źródeł. Jednakże ze względu na stosunkowo niski poziom rozwoju ekonomicznego, co powoduje podniesienie kosztów produkcji, obecnie alternatywne źródła energii opłaca się stosować jedynie lokalnie.

Stosunkowo duży koszt budowy elektrowni zasilanych odnawialnymi źródłami energii wynika z konieczności stosowania trudnych technicznie urządzeń, co jest związane z 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: 2 000 kg
- Dwutlenek azotu: 500 kg
- Dwutlenek węgla: 250 000 kg
- Pyły i żużle: 17 500 kg

W świetle powyższych argumentów należy stwierdzić, iż przy obecnych perspektywach rozwoju technologicznego oraz niewątpliwie pozytywnym aspekcie, jakim jest ekologiczność niekonwencjonalnych źródeł energii, przejście na ten system w niedalekiej przyszłości będzie nie tylko nieuniknione, ale i opłacalne. Z tego względu przyszłość należy do alternatywnych źródeł energii.