Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych. wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, jądrowe, wiatrowe, słoneczne, geotermalne.
Źródła energii dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
- Odnawialne
- Nieodnawialne
Do nieodnawialnych źródeł energii zalicza się surowce, które po wykorzystaniu ulegają rozkładowi należą do nich paliwa kopalne (tj. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa. Z kolei do odnawialnych źródeł energii należą: energia wiatrowa, wodna, słoneczna, geotermiczna (geotermalna) oraz biomasa.
ELEKTROWNIE WIATROWE
Sporą część energetycznych potrzeb świata mógłby zaspokoić wiatr. Trzeba go tylko „zaprząc” do pracy. Światowe zasoby energii wiatru, nadającej się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii to czterokrotnie więcej, niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.
Wiatr jako nośnik energii wykorzystywano już w starożytności. Około 1800 lat temu w krajach śródziemnomorskich i w Chinach pojawiły się pierwsze silniki wiatrowe. W Babilonii wykorzystywano je do osuszania mokradeł, a w innych krajach do nawadniania pól. W VIII wieku w Europie pojawiły się duże wiatraki 4-skrzydłowe, w których budowie wyspecjalizowali się Holendrzy. We wczesnym średniowieczu silnik wiatrowy znalazł zastosowanie w młynach prochowych. Jednocześnie w niektórych krajach na terenach polderowych stosowano wiatraki przepompowujące wodę w celu osuszenia terenu uprawy.
Największą rolę energia wiatru odgrywała w XVI wieku, ogólna moc młynów napędzanych wiatrem wynosiła 1 TW. W końcu XIX wieku siłownie wiatrowe przestały już być doskonalone, a jednocześnie w Danii funkcjonowało ponad 30 000 takich młynów i mniej więcej tyle samo wiatraków było w Holandii.
Do 1940 roku Dania miała ponad 1300 działających generatorów wiatrowych. Do 1940 roku w USA zbudowano około 6 milionów takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dla mieszkańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłem elektryczności. W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru nastąpił po kryzysie energetycznym w 1973 roku.
Od tego czasu powstało na świecie tysiące instalacji wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. O opłacalności tych instalacji decyduje duża prędkość wiatru i stałość jego występowania w danym miejscu. Dlatego elektrownie wiatrowe są zazwyczaj budowane na terenach nadmorskich i podgórskich. W Europie Dania, Niemcy, Szwecja i Wielka Brytania znajdują się w czołówce państw wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. Dania eksploatuje już ponad 5 tys. wiatraków, które w 1997 r. zaspokajały 6,5% zapotrzebowania na prąd. Koleje duńskie zamierzają wybudować w pobliżu torów 80 wielkich wiatraków, z których każdy będzie miał generator o mocy 1,5 MW. Energia czerpana z wiatraków pokryje zapotrzebowanie pociągów na prąd, co znacznie obniży emisję zanieczyszczeń powietrza przez dotychczas pracujące elektrownie. Na wybrzeżach Danii ma powstać dalsze pięć kompleksów elektrowni wiatrowych liczących 500 wiatraków. W Niemczech, w landzie Szlezwik-Holsztyn wiatraki są od dawna elementem krajobrazu. Do końca 1996 r. 1000 zespolonych elektrowni wiatrowych dostarczyło 6% zapotrzebowania energetycznego w tym rejonie. W Szwecji k. Malmo pracuje elektrownia wiatrowa o mocy 3 MW. Największą w Europie elektrownię wiatrową uruchomiono w 1996 r. w Walii, w pobliżu Carno. Elektrownia ta wyposażona jest w 56 turbin wytwarzających prąd o mocy ponad 30 MW.
Międzynarodowa Agencja Energii (IEA), która ma swą siedzibę w Paryżu, ocenia, że zużycie energii elektrycznej podwoi się do roku 2020. Jeżeli założy się, iż 10 proc. tej ilości ma pochodzić z wiatru, to z tej energii należy wytworzyć 2500 - 3000 TWh/rok. W skali światowej realistyczne jest założenie, że 20 proc. energii elektrycznej będzie wytwarzane z pomocą energii wiatru. Niemcy stały się pierwszym krajem, który przekroczył pułap 2000 MW. Roczny koszt inwestycji w celu osiągnięcia 10-procentowego udziału energii elektrycznej wytworzonej z energii wiatru w światowym bilansie energii elektrycznej wyniósł 3 mld dolarów w 1999 roku, zaś w 2020 roku należy spodziewać się wydatków rzędu 78 mld dolarów. Jeżeli chodzi o korzyści dla środowiska naturalnego, do atmosfery nie trafi 69 mln ton dwutlenku węgla w 2005 roku, 267 mln ton w 2010 roku i 1780 mln ton w 2020 roku. Łączna redukcja emisji dwutlenku węgla - gazu odpowiedzialnego za ocieplenie klimatu - w latach 1999 - 2020 wyniesie 10750 mln ton.
Wielkość nowo instalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych wzrastała przez ostatnich 8 lat przeciętnie o 40% rocznie, czyniąc energetykę wiatrową jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu. Taki rozwój rynku był napędzany głównie przez politykę rządów, ukierunkowaną na umożliwienie energii wiatrowej konkurowania z już istniejącymi technologiami, i uznającą korzyści płynące z energii wiatrowej, które przeważnie nie są zawarte w cenach elektryczności płaconych przez konsumentów
W ciągu ostatnich 10 lat skumulowana, zainstalowana moc wyjściowa elektrowni wiatrowych wzrastała z prędkością ponad 30% rocznie, do całkowitej wielkości prawie 13000 MW w całej Europie na koniec roku 2000 (wykres 1).
Prędkość, z jaką instalowane są nowe moce, w rzeczywistości wzrastała w tym samym okresie średnio o ponad 40% rocznie (wykres 2).
W roku 2000 Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej zwiększyło swój cel dotyczący mocy elektrowni wiatrowych zainstalowanych w UE z 40 GW do 60 GW do roku 2010. Odzwierciedla to trend kontynuacji silnego wzrostu nowo instalowanej mocy, i jednocześnie fakt, że aby osiągnąć wielkość 60 GW w roku 2010, ale jej nie przekroczyć, szybkość instalacji nowych turbin w Europie musiałaby spaść poniżej wartości z lat ubiegłych.
Różnice w rozwoju energetyki wiatrowej pomiędzy różnymi krajami są uderzające. W znaczącym stopniu ten rozwój w Unii Europejskiej odbywał się w 3 krajach: Niemczech, Danii i Hiszpanii. Rozwój, który miał miejsce, był wynikiem udanej polityki dotyczącej energetyki wiatrowej.
Polityka wspierania rozwoju energetyki wiatrowej przyjmuje różne formy - ustalanie wielkości docelowych, środki informacyjne, finansowanie badań i rozwoju, polityka rozwoju rynku - wszystkie skupione bezpośrednio na sektorze energetyki odnawialnej. Ale również inne obszary polityki mogą mieć znaczący pośredni wpływ na wykorzystanie energii wiatru, między innymi: polityka dotycząca zmian klimatycznych i inne przepisy ochrony środowiska, np. z zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza, polityka rozwoju gospodarczego i regionalnego, środki zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii.
Na poziomie europejskim polityka promowania energii odnawialnej przyjmowała wiele form. Od lat osiemdziesiątych projekty z zakresu energetyki odnawialnej były finansowane z programów ramowych Komisji Europejskiej na rzecz badań, rozwoju i demonstracji. To finansowanie odgrywało istotną rolę w rozwoju technologii turbin wiatrowych, która doprowadziła do istotnych redukcji kosztów wytwarzania energii wiatrowej.
Unia Europejska zapewniała również wsparcie dotyczące pozatechnicznych aspektów promocji odnawialnych źródeł energii, na przykład za pośrednictwem trwającego programu ALTENER, obejmującego istotne środki informacyjne.
W 1997 roku Komisja Europejska przyjęła Białą Księgę Energetyki Odnawialnej, w której przyjęto za cel podwojenie przez Unię Europejską wykorzystania energii odnawialnej do roku 2010 z 6% do 12%. Mimo wszystkich środków opisanych powyżej, postęp w dążeniu do tych celów w krajach członkowskich był różny. Nastąpiło zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych, zwłaszcza energii wiatrowej. Jednak te postępy są niewystarczające, a wzrost całkowitego zużycia energii powoduje, że osiągnięcie zakładanego udziału energii odnawialnej staje się trudniejsze.
NIEDOGODNOŚCI
Pracująca elektrownia wiatrowa wytwarza hałas. Pochodzi on głównie od obracających się łopat wirnika (opory aerodynamiczne) i w mniejszej części i generatora i przekładni. Przy planowaniu budowy należy uwzględnić poziom dźwięku i dotyczące tych poziomów normy. Poniższy schemat przedstawia rozkład natężenia dźwięku dla elektrowni wiatrowej.
WARUNKI W POLSCE
Pomiar prędkości kierunku wiatru jest podstawową informacją którą należy przeprowadzić w miejscu przyszłej lokalizacji elektrowni wiatrowej. Pomiar należy przeprowadzić na co najmniej dwóch wysokościach tak aby wyeliminować niekorzystne zawirowania wiatru spowodowane obecnością drzew i budynków. Pomiary należy przeprowadzać przez jeden rok. Po zebraniu danych, wyniki pomiarów należy poddać obróbce w programie który wskaże zasoby wiatru na badanym terenie. Pomiar prędkości rejestruje się co 10 min. Należy także rejestrować kierunek wiejącego wiatru . Najlepsze miejsca pod lokalizację elektrowni wiatrowych znajdują się na wybrzeżu oraz byłym woj. suwalskim. Mapa Polski przedstawia prędkości wiatru na wysokości 10 m.
Kolor Lokalizacja
Zielony Wybitnie korzystna
Żółty Korzystna
Pomarańczowy Dość korzystna
Czerwony Niekorzystna
Brązowy Wybitnie niekorzystna
Czarny Tereny wyłączone góry
Obecnie w Polsce powstaje największa jak do tej pory elektrownia wiatrowa w Cisach. Wysokość jednego Wiatraka to 80m oraz średnica śmigła wynosi 80m.
ELEKTROWNIE WODNE
Wykorzystanie energii pływów morskich
W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu.
Największa na świecie taka elektrownia znajduje się we Francji. Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10MW, a więc cała elektrownia ma moc 240MW. Pracuje od 1967 roku.
Takie elektrownie pracują również w Kanadzie, Chinach i byłym ZSRR, a są projektowane w Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Korei Południowej i Indiach. Dla ekonomii pracy elektrowni wykorzystujących pływy nie jest bez znaczenia, że ich okres eksploatacji jest liczony na 100 lat. Wadami tych elektrowni jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów wskutek wahań wody, a także utrudnianie wędrówek ryb w górę rzek.
Wykorzystanie energii fal morskich
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną.
W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową ‘Kaplana’, sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Rys. Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal morskich typu MOSC na wyspie Islay u wybrzeża Szkocji.
Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC.
W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę ‘Wellsa’, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC
Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy 2MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.
Innymi sposobami wykorzystania energii fal morskich są “tratwy” Każda “tratwa” składa się z trzech części połączonych ze sobą zawiasami i poruszających się na falach. Ruch fal porusza tłoki pomp znajdujących się w środkowej części “tratwy”. Pompowana woda napędza turbinę sprzężoną z generatorem. Eksperymentalna “tratwa” pracuje koło wyspy Wight (Wielka Brytania).
W przeciwieństwie do “tratw”, które wykorzystują pionowy ruch fal, “kaczki” wykorzystują poziome ruchy wody morskiej. Łańcuchy “kaczek” umieszczone na długim pręcie podskakując na falach niezależnie od siebie wprowadzają w ruch tłoki pomp. Pompowana woda napędza turbiny. “Kaczki” o małej mocy służą od lat do oświetlenia boi.
Wykorzystanie energii cieplnej oceanu
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 ºC, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 ºC. 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.
Dużym problemem w takiej instalacji jest korozja materiałów w wodzie morskiej i osadzanie się na powierzchniach wymienników ciepła organizmów morskich, rozwijających się bujnie w ciepłej wodzie. Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2,5% przy różnicy temperatury 20º, a 6% przy różnicy 40º. Instalacje takie są konkurencyjne na obszarach, które są zasilane elektrowniami dieslowskimi, pracującymi na drogim paliwie.
Energia taka jest wykorzystywana w Indonezji (5MW), Japonii (10MW), na TAHITI (5MW) i na Hawajach (40MW).
Wykorzystanie energii prądów morskich
W II połowie 1995 roku na morzu w pobliżu północnego wybrzeża Szkocji rozpoczęła pracę pierwsza na świecie elektrownia napędzana siła prądów morskich. Nowa elektrownia ma zastąpić siłownię atomową, gdyż nie odpowiada nowoczesnym normom bezpieczeństwa. O lokalizacji obiektu zadecydowały korzystne, niezwykle silne w tym rejonie morza prądy.
WYKORZYSTANIE ENERGII RZEK
ZASADY PRZETWARZANIA ENERGII WODY
Energię wód można ogólnie podzielić na energię wód śródlądowych oraz energię mórz. Powstanie energii wód śródlądowych jest związane z cyklem krążenia wody w przyrodzie. Źródłem tej energii jest w istocie energia słoneczna.
Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej (w elektrowni wodnej) w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych następuje zamiana energii potencjalnej na energię kinetyczną, a ta następnie w prądnicach elektrycznych jest zamieniana na energię elektryczną.
Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja w możliwie ograniczonym obszarze dużej różnicy poziomów oraz dużego przepływu masowego wody. Z uwagi na brak naturalnej koncentracje spadu (wysokogórskich jezior o dużych zasobach wody dla elektrowni wodnych stwarza się sztuczne spady poprzez:
– spiętrzenie górnego poziomu wody;
– obniżenie dolnego poziomu lub budowę elektrowni podziemnej;
– budowę kanału skracającego, dzięki czemu zmniejsza się straty przepływowe (znacznie krótsza droga przepływu).
W praktyce stosuje się niektóre z tych sposobów jednocześnie. Mimo iż energia wodna nie odegra decydującej roli w dalszym zwiększeniu produkcji energii elektrycznej z powodu ograniczonych zasobów wody nadających się do wykorzystania w celach energetycznych, niekiedy trudnego do nich dostępu, dużych kosztów budowli hydrotechnicznych i długich okresów realizacji inwestycji, to jednak obserwuje się rozwój budownictwa elektrowni wodnych, zwłaszcza tam, gdzie zasoby są duże oraz warunki hydrologiczne temu sprzyjają. Największe zespoły są instalowane na wielkich rzekach i osiągają moce jednostkowe 500–700 MW. Największe elektrownie wodne na świecie to: Itaipu (Brazylia /Paragwaj) 12600 MW (18x700 MW), Gran Coulee (USA) 9711 MW, Guri (Wenezuela) 9000 MW, Krasnojarska (byłe ZSRR) 6096 MW i Churchill Falls (Kanada) 5200 MW.
W ostatnich latach notuje się zwłaszcza znaczny postęp w budowie elektrowni pompowych. Moc największych zbudowanych pompoturbin przekracza 250 MW. W Polsce największe elektrownie szczytowo-pompowe, które odgrywają decydującą rolę wśród elektrowni wodnych, osiągają moce: Żydowo 152 MW, Porąbka-Żar 500 MW (4x125 MW), Żarnowiec 680 MW (4x170 MW) i w przyszłości Młoty 750 MW (3x250 MW).
Rodzaje elektrowni wodnych
Najważniejszymi parametrami elektrowni wodnej są: moc zainstalowana, przełyk elektrowni, spad użyteczny czas pracy w ciągu doby, tygodnia itp.
Przełyk elektrowni ma zasadniczy na wymiary turbin, budynku elektrowni oraz wielkość budynku, wielkość budowli hydrotechnicznych doprowadzających wodę do elektrowni. Dobór tej wielkości jest trudny, ponieważ ściśle zależy ona od wartości, zmieniających się w poszczególnych porach roku, przepływów w rzece oraz od charakteru pracy elektrowni. Spad użyteczny elektrowni zależy od warunków topograficznych cieku oraz od sposobu rozwiązania stopnia wodnego.
Elektrownie wodne cechuje wyjątkowa różnorodność rozwiązań, wynikająca z konieczności każdorazowego dostosowania się do istniejących warunków lokalnych. Elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych można podzielić na grupy według następujących kryteriów: wartości spadu, sposobu pokrywania obciążeń w układzie elektroenergetycznym i sposobu gospodarowania zasobami wodnymi. Podział według wartości spadu jest najbardziej istotny , ale dość dowolny. Rozróżnia się elektrownie niskospadowe, średniospadowe i wysokospadowe. W warunkach polskich najsłuszniejszy jest podział na elektrownie o niskim spadzie nie przekraczającym 15m. średnim spadzie 15-50m. oraz wysokim spadzie przekraczającym 50m.
MAŁA ENERGETYKA WODNA
Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii w warunkach naszego kraju największy udział w produkcji energii elektrycznej mają i będą miały elektrownie wodne, wśród których do tzw. Małej energetyki zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 500kW. Niestety zasoby wodo energetyczne naszych rzek są niewielkie, rzędu 13,5 TWh/rok. Po prostu Polska jest krajem nizinnym. W Polsce działa ok. 250 małych elektrowni wodnych. Są to elektrownie prywatne. Dla prowadzącego taki obiekt staje się opłacalny dopiero po uzyskaniu co najmniej 30kW mocy.
MEW (mała energetyka wodna) ma wiele zalet, m.in.:
zwiększa małą retencję wód,
zwiększa znacznie ilość miejsc pracy,
jest przyjazna dla środowiska, nie zmienia w znaczny sposób krajobrazu i środowiska naturalnego, jak wpływają duże elektrownie wodne.
NAJWIĘKSZE ELEKTROWNIE W POLSCE
Nazwa EW Rzeka Rok uruch. Pt (MW) Pp (MW) Hn/Hśr
1 Żarnowiec Piaśnica 1982 716,0 800,0 117,0
2 Porąbka-Żar Soła 1979 550,0 540,0 432,0
3 Włocławek Wisła 1970 162,0 - 11,3
4 Żydowo Radew 1971 152,0 120,8 77,4
5 Solina San 1968 137,2 41,4 43,0
6 Niedzica Dunajec 1997 90,0 89,0 45,6
7 Dychów Bóbr 1951 79,5 30,0 29,8
8 Rożnów Dunajec 1942 50,0 - 26,5
9 Koronowo Brda 1960 26,0 - 24,8
10 Tresna Soła 1967 21,0 - 20,4
11 Debe Narew 1962 20,0 - 5,7
12 Porąbka Soła 1953 12,6 - 21,0
13 Brzeg Dolny (wały) Odra 1958 9,7 - 6,5
14 Żur Wda 1929 9,0 - 12,2
15 Myczkowce San 1961 8,3 - 22,8
16 Czchów Dunajec 1954 8,0 - 8,0
17 Pilchowice Bóbr 1912 7,9 - 35,2
18 Bielkowo Radunia 1925 7,5 - 44,8
19 Otmuchów Nysa Kłodzka 1933 4,8 - 16,0
20 Bobrowice Bóbr 1925 2,5 - 14,5
Pt- moc turbinowa
Pp- moc pompowa
ENERGIA SŁONECZNA
Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych są bardzo zróżnicowane. Położenie geograficzne Polski powoduje, iż warunki klimatyczne są bardzo specyficzne. Ma tu bowiem miejsce ścieranie się wpływu dwóch frontów atmosferycznych: atlantyckiego i kontynentalnego. Na jesieni i na wiosnę często występuje duże zachmurzenie i opady deszczu. W zimie temperatury powietrza są niskie i wieją silne wiatry. Roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Analizując wieloletnie wyniki badań można stwierdzić, że największe wartości strumienia promieniowania słonecznego występują nad Bałtykiem. Warunki nasłonecznienia na polskim wybrzeżu odpowiadają warunkom w Europie Środkowej, np. w Austrii i na Węgrzech. Najbardziej niekorzystna sytuacja jest na Śląsku, gdzie występuje największe zanieczyszczenie powietrza. Średnie usłonecznienie dla Polski wynosi 1600 godzin, przy czym maksymalna liczba godzin słonecznych w roku występuje, jak poprzednio, nad morzem, a wartość minimalna na Dolnym Śląsku.
NA ŚWIECIE
W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na NE od Los Angeles, w latach 1984-1992 powstał kompleks 13 elektrowni heliotermicznych o różnej mocy. Również w Kalifornii w 1984 r. uruchomiono elektrownię Carissa Plain wytwarzającą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu.
Elektrownia helioelektryczna o mocy 300 kW pracuje także od 1983 r. na niemieckiej wyspie Pellworm leżącej na Morzu Północnym.
Aktualnie w Europie największa elektrownia słoneczna pracuje we Włoszech, wytwarzając prąd o mocy 3,3 MW. Grecja ma zamiar wybudować do 2003 r. największą na świecie elektrownię słoneczną. Będzie ona wytwarzała prąd o mocy 50 MW, co zapewni energię elektryczną dla 100 tys. mieszkańców.
Elektrownie słoneczne odznaczają się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że większe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach, do produkcji ciepłej wody. Kolektory słoneczne umieszczone na dachu domu umożliwiają ogrzanie wody do 40C, co przy ogrzewaniu podłogowym wystarcza do ogrzania całego domu. Pierwszy tego typu dom w Europie powstał niedawno w szwajcarskiej miejscowości Oberburen. Większe kolektory słoneczne, instalowane m.in. w Stanach Zjednoczonych, podgrzewające wodę do temperatury 65C. Wykorzystywane są w rolnictwie, do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych.
W Szwajcarii opracowano również nowy sposób spożytkowania energii słonecznej. Na szosie w pobliżu Interlaken oddano do użytku instalację, która “zbiera” latem ciepło z rozgrzanej promieniowaniem słonecznym szosy, natomiast zimą oddaje je i podgrzewa jezdnię, przeciwdziałając jej oblodzeniu. Zasada działania instalacji jest następująca: pod jezdnią umieszczono wielką wężownicę, przez którą przepływa mieszanina wody i glikolu. Podgrzana ciecz kierowana jest do wnętrza góry, gdzie następuje oddawanie ciepła skałom za pośrednictwem 91 sond wykonanych z polietylenu. Latem, gdy temperatura asfaltu często przekracza 60C, skały wewnątrz góry podgrzewają się do ok. 20C. Cała góra może akumulować 200 tys. kWh energii cieplnej, którą zimą stopniowo się wykorzystuje.
Biomasa
Biomasa to nic innego jak suche rośliny. Na ogół jest to słoma bądź drewno z drzew szybko rosnących jak np. wierzba. Przy ich spalaniu emisja CO2 jest równa ilości tego związku, jaką pobrała roślina w czasie wzrostu, co w bilansie końcowym wychodzi na zero. Jako źródło energii biomasa jest również, przy racjonalnej gospodarce, odnawialna gdyż rośliny mają to do siebie, że odrastają (w przeciwieństwie do np. pokładów ropy). Nie ma również problemu z utylizacją popiołu gdyż jest znakomitym nawozem. Wbrew pozorom jest to paliwo wydajne; dwie tony suchej biomasy, czy to słomy czy drewna, są równoważne energetycznie tonie węgla kamiennego. Również ze względów ekonomicznych warto się zastanowić nad zmianą dotychczasowego paliwa. Ogrzewanie biomasą jest tańsze o 200% - 300%. Zwrot kosztów inwestycji w odpowiedni piec waha się od 2 - 4 lat. Jeśli chodzi o samą biomasę to mnóstwo się jej marnuje, w naszym kraju produkuje się rocznie ok. 25 mln. ton słomy, z czego marnuje się (gnije bądź jest spalane na polach) 8-12 mln. ton. Dodajmy do tego drewno, które mogłoby wyrosnąć na polach stojących odłogiem to otrzymamy dosyć pokaźną ilość paliwa. Paliwo to może być stosowane zarówno w indywidualnych jak i zbiorczych systemach grzewczych (i nie tylko grzewczych - po zamontowaniu turbiny i instalacji towarzyszącej można również produkować prąd).
Drewno
Lasy stanowią 28,8% powierzchni kraju (około 8,9 mln hektarów) i są w przeważającej większości państwowe - 7,4 mln ha. Zakłada się dalszy wzrost lesistości do 32% w 2020 r. W 1997 r. z leśnictwa pozyskano 21,6 mln m3 drewna, w tym 2,5 mln m3 drewna opałowego w lasach państwowych. Dalsze 2-2,5 mln m3 odpadów drzewnych pozostaje w lasach ze względu na ograniczony popyt. Szacuje się, że roczny przyrost masy drewna w polskich lasach wynosi około 31,5 mln m3, a zasoby drewna na pniu ocenia się na 1.607 mln m3.
Do produkcji energii może być wykorzystane drewno odpadowe z sadów i zieleni miejskiej oraz odpady przemysłu drzewnego (ok 2 - 3 mln m3 rocznie). Zasoby drewna dla celów energetycznych można też powiększyć o 3 mln m3 odpadów z recyklingu, jednak ich wykorzystanie dla celów energetycznych może być utrudnione ze względu na ich rozproszenie, niejednorodność, zanieczyszczenie związkami chemicznymi i metalami ciężkimi. Zawartość metali ciężkich może też ograniczać wykorzystanie zasobów drewna odpadowego z zieleni miejskiej. Uwzględniając obecne zasoby drewna opałowego i odpadów drzewnych (z leśnictwa, sadownictwa, przemysłu drzewnego oraz parków i zieleńców), potencjał techniczny szacuje się na 270 PJ rocznie. Liczba ta może wzrosnąć zasadniczo, jeśliby tereny o gruntach skażonych i ubogich wykorzystać do uprawy lasów szybko rosnących.
Wykorzystanie
Wykorzystanie drewna jako opału ma w Polsce długą tradycję. Natomiast technologie jego spalania dopiero od niedawna zapewniają efektywne użytkowanie energii zawartej w drewnie i ograniczają emisje pyłów i gazów w procesie spalania. Liczbę takich nowoczesnych instalacji szacuje się na około 40. Część odpadów drzewnych wykorzystuje w miejscu ich powstawania przemysł drzewny, głównie do produkcji ciepła lub pary użytkowanej w procesach technologicznych. Ilość odpadów przekracza jednak wewnętrzne zapotrzebowanie przemysłu drzewnego i istnieje możliwość ich wykorzystania do ogrzewania osiedli mieszkaniowych, budynków użyteczności publicznej itp.
Słoma
Słoma jest istotnym źródłem energii odnawialnej. Polskie rolnictwo produkuje rocznie około 25 mln ton słomy. Słoma ta jest częściowo wykorzystywana jako ściółka i pokarm w hodowli zwierząt oraz do nawożenia pól. W ostatnim okresie rolnicze wykorzystanie słomy spada, głównie w wyniku obniżenia się pogłowia zwierząt hodowlanych. Od 1990 r. rosną nadwyżki słomy do poziomu 12 mln ton rocznie. Wstępują one przede wszystkim w gospodarstwach rolnych północnej i zachodniej Polski. Większość tych nadwyżek jest spalana na polach, co powoduje powa żne zagrożenia dla zdrowia mieszkańców i szkody ekologiczne. Takie nadwyżki słomy mogą być wykorzystane dla celów energetycznych przynosząc dodatkowe dochody rolnikom.
Wykorzystanie
Obecnie działa 7 kotłowni opalanych słomą o łącznej mocy 13 MW. Szacuje się też, że do początku 1999 r. zainstalowano około 100 małych kotłów na słomę gospodarstwach rolnych o łącznej mocy 20 MW.
Biogaz
Techniczny potencjał biogazu wynosi 37,5 PJ. Ponadto w 1997 r. w Polsce funkcjonowało 1.759 przemysłowych i 1.471 komunalnych oczyszczalni ścieków a ich liczba stale rośnie. Potencjał techniczny biogazu z osadów ściekowych wynosi zatem około 100 PJ. Podobny potencjał ma gaz wysypiskowy.
Elektrownie atomowe
W latach czterdziestych w związku z powstaniem pierwszych reaktorów powstał nowy typ elektrowni - elektrownie jądrowe. W elektrowni jądrowej energię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej.
Reaktor wodny wrzący
W reaktorze wodnym wrzącym zamieniamy wodę w parę za pomocą energii jądrowej. Następuje to w zbiorniku ciśnieniowym reaktora. Para pod ciśnieniem około 7MPa napędza turbinę, która dostarcza generatorowi energii potrzebną do wytworzenia prądu. We wspomnianym zbiorniku ciśnieniowym reaktora, który w omawianym przykładzie posiada ścianki o grubości 16 cm, znajduje się rdzeń reaktora, przez który przepływa woda doprowadzana do wrzenia. Rdzeń reaktora składa się z około 800 elementów paliwowych. Każdy element paliwowy znajduje się w blaszanym pojemniku, do którego woda dostaje się przez otwór w spodzie. Woda wypełnia pojemnik i styka się z 64 prętami paliwowymi, czyli prętami wykonanymi np. z rozszczepialnego uranu. Pręty składają się zazwyczaj ze wzbogaconego uranu w postaci dwutlenku uranu (UO2).
Podczas rozszczepiania jąder uranu wydziela się duża ilość energii, którą w formie ciepła odbiera woda chłodząca (chłodziwo). Woda służy też jednocześnie jako moderator (hamuje więc do tego stopnia szybkie neutrony, powstałe podczas każdego rozszczepienia jądra, że same mogą powodować dalsze rozszczepienia). Gdyby wszystkie powstałe w tej reakcji neutrony przyczyniały się do dalszego rozszczepiania, reaktor wyszedłby spod kontroli i wytwarzałby za dużo energii - stałby się wybuchającą bombą atomową. Aby temu zapobiec, każdy reaktor zawiera takie materiały, jak bor lub kadm, które absorbują (pochłaniają) neutrony, w takim stopniu, aby reakcja nie wymknęła się spod kontroli, ale też by nie "zgasła". Neutrony pochłaniane są przez wspomniane materiały, które tworzą pręty sterujące, wsuwane są do reaktora mniej lub bardziej głęboko - w zależności od potrzeb. Bardziej wysunięte to mniejsze pochłanianie i większa ilość rozszczepień. Mniej wysunięte to spowolniona reakcja. Wsuwaniem i wysuwaniem prętów łatwo można kontrolować reakcję, a w razie potrzeby zadusić. Pręty, ze względu na znaczną szybkość reakcji jądrowych i konieczność jeszcze szybszego reagowania, posiadają sterowanie automatyczne. Podczas pierwszego uruchomienia reaktora trzeba dostarczyć neutronów z zewnętrznego źródła. Po chwilowym zatrzymaniu reakcji nie jest to konieczne. Elementy paliwowe dostarczają wtedy dostatecznej ilości neutronów, aby uruchomić reakcję jądrową przez wysunięcie prętów sterujących.
Reaktor wodny ciśnieniowy
W reaktorze wodnym ciśnieniowym woda stykająca się z rdzeniem reaktora nie gotuje się. Uniemożliwia jej to ogromne ciśnienie - rzędu 15 MPa. Woda ta krąży w obiegu pierwotnym i w odpowiedniej wytwornicy pary ogrzewa wodę obiegu wtórnego, a zatem nie styka się z nią bezpośrednio. Woda obiegu pierwotnego schładza się przy tym z 330C do 290C. Podczas gdy woda obiegu wtórnego wrze i wytworzoną parą napędza turbinę i generator, to woda obiegu pierwotnego, ciągle w stanie ciekłym, jest pompowana do rdzenia, gdzie ponownie ogrzewa się do 330C. Odpowiedni regulator ciśnienia zapewni stałe ciśnienie tej wody.
Typowy reaktor wodny ciśnieniowy o mocy 1300 MW ma rdzeń zawierający około 200 elementów paliwowych po 300 prętów paliwowych każdy. Sterowanie reaktorem odbywa się z jednej strony przez zmianę stężenia roztworu boru (pochłaniającego neutrony) w wodzie obiegu pierwotnego, z drugiej strony zaś przez pręty regulacyjne, zawierające kadm, które, jak już poprzednio jest wspomniane, można wsuwać i wysuwać. Woda także jest tu spowalniaczem. Gdy reaktor nadmiernie się nagrzewa, to gęstość wody maleje. Tym samym szybkie neutrony są słabiej wyhamowywane, liczba rozszczepień dostarczających energii maleje i cały układ się ochładza. Reaktor taki, podobnie jak i wrzący, nosi nazwę lekkiego ponieważ stosuje się w nim "zwykłą" wodę, a nie "ciężką".
Reaktor jednorodny
W tym przypadku rdzeń reaktora jest wypełniony roztworem wodnym jakiegoś pierwiastka, będącego paliwem jądrowym, np siarczanu uranylu UO2SO4, lub inną cieczą, a nawet proszkiem. Zaletami takiego reaktora jest uniknięcie trudnej i kosztownej produkcji prętów paliwowych i kłopotów związanych z wymianą prętów. We wszystkich tych reaktorach występują dwa obiegi, co ma chronić obsługę reaktora przed promieniowaniem: pierwotny-przechodzący przez reaktor i wtórny z turbiną parową
Do elektrowni jądrowych trzeba dostarczyć paliwa, ale i także usuwać z nich jego wypalone pozostałości. Zawarte w tych pozostałościach rozszczepialne jądra należy odzyskać, a nieużyteczne i niebezpieczne odpady usunąć. Ten cykl procesów tworzy tzw. obieg paliwowy. Zaczyna się on od wydobywania rud uranu i toru w kopalniach lub w odkrywkach. Ruda jest następnie poddawana obróbce, przemianom i wzbogacaniu, zanim posłuży do wykonania prętów paliwowych, które w końcu trzeba dowieźć do reaktora. Równie ważny jak opisany tu proces zaopatrywania w paliwo jest proces usuwania odpadów z elektrowni jądrowych. Jego początkiem jest wyjęcie wysłużonych elementów paliwowych, które najpierw są składowane w chłodzonym wodą basenie, następnie w składzie pośrednim, a na koniec trafiają do zakładu odzysku. Tam oddziela się odpady od materiałów nadających się do ponownego zastosowania. Z odzyskanego paliwa jądrowego wykonuje się nowe elementy paliwowe, zaś promieniotwórcze odpady opakowuje się i składuje w bezpiecznych podziemnych składowiskach, zwanych mogilnikami.
Wydobywanie uranu
Uran jest metalem ciężkim, który otrzymujemy z rud uranowych. Najbardziej znaną z nich jest smółka uranowa, składająca się w 95% z tlenku uranu i występująca nieraz w postaci wielotonowych bloków. Większość pozostałych rud zawiera niestety znacznie mniej uranu. Wydobycie staje się opłacalne, gdy tona rudy zawiera co najmniej kilka kg uranu.
Ruda wydobyta w kopalniach lub odkrywkach musi najpierw zostać poddana obróbce. Polega ona na łamaniu, mieleniu i wyługowaniu. W rezultacie otrzymujemy ostatecznie ponad 70-procentowy koncentrat uranowy, tzw. "yellow cake", czyli "żółte ciasto". Jest to produkt wyjściowy do dalszej obróbki.
Zużyte elementy paliwowe
W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie jedną trzecią część elementów paliwowych na nowe. W dużej elektrowni jądrowej o mocy 1300 MW opuszcza reaktor rok w rok ok. 30 t uranu. Ten materiał jest wprawdzie skażony groźnymi dla życia produktami rozpadu promieniotwórczego, jednak z drugiej strony zawiera cenne, możliwe do odzyskania materiały rozszczepialne. Stąd usuwanie i obróbka wysłużonych elementów paliwowych jest niezmiernie istotnym czynnikiem zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego, jak i opłacalności przedsięwzięcia.
Bezpieczne składowanie odpadów promieniotwórczych
Najlepszym sposobem bezpiecznego składowania odpadów promieniotwórczych na całe tysiąclecia jest złożenie tych niebezpiecznych materiałów w podziemnych pokładach solnych. Beczki z odpadami słabo aktywnymi umieszcza się w komorach wydrążonych w soli kamiennej i przekłada warstwami soli. Po wypełnieniu komory następuje jej uszczelnienie. Przy odpadach średnio aktywnych, przechowywanych także w beczkach, wymagana jest już większa ostrożność.
Dla nich przeznaczona jest specjalna komora w pokładzie soli, niedostępna dla ludzi a kontrolowana kamerami telewizyjnymi. Wyrzuca się do niej beczki z zabetonowanymi odpadami. A oto jak składuje się odpady wysoko aktywne w pokładach solnych. Znajdujące się w beczkach ze stali nierdzewnej zeszkliwione odpady umieszcza się na głębokości 1000 m w otworach wiertniczych, które następnie są czopowane. Pokłady soli kamiennej nadają się szczególnie dobrze jako mogilniki. Sól w pokładach jest według obecnego stanu naszej wiedzy absolutnie szczelna, więc żadne zanieczyszczenie promieniotwórcze nie przedostanie się do środowiska, np. do wód gruntowych. Pokład solny w okolicach Gorleben (Niemcy) ma długość 15 km, szerokość 4 km i leży od 300 m do 3000 m pod powierzchnią ziemi. Przez 100 milionów lat pokład ten praktycznie są nie zmienił, można więc oczekiwać, że i w przyszłości pozostanie stabilny.