Stały wzrost zapotrzebowania na energię na świecie, perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz zabiegi mające na celu ochronę środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii i w konsekwencji doprowadziły do dużego wzrostu ich zastosowania.
Ziemia jest coraz bardziej gorąca. Wzrost jej temperatury ilustruje wykres: www.9om.org/pl/wiki/Grafika:Instrumental_Temperature_Record_blank.PNG.html. Przez ostatnie 100 lat średnia temperatura na powierzchni Ziemi podniosła się o 0,74 st. C. Według prognoz Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klimatu będzie jeszcze cieplej. W najlepszym przypadku do końca XXI w. temperatura wzrośnie o 1,1 st. W najgorszym - aż o 6,4 st.
Wśród naukowców istnieje prawie całkowita zgoda, że za ocieplenie odpowiada człowiek - emitując coraz większe ilości gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla. Otulają one naszą planetę niczym koc. Skutki tej działalności są już dzisiaj przerażające: http://pl.youtube.com/watch?v=ov6GPTB4Tio&feature=related .
Najbardziej uprzemysłowione kraje świata emitują coraz więcej gazów cieplarnianych. Od 1990 r. ich produkcja wzrosła prawie o 1%, choć miała spaść o 5 %.
Udział gazów cieplarnianych w powstawaniu efektu cieplarnianego
Źródłem gazów cieplarnianych jest głównie działalność człowieka: http://www.chemistry.yoyo.pl/zrodlagc.htm .
Aby ograniczyć zanieczyszczenie atmosfery i - chociaż częściowo - rozwiązać problemy energetyczne, należy produkcję energii elektrycznej i ciepła oprzeć w większym stopniu, niż to ma miejsce obecnie, na przyjaznych dla naturalnego środowiska i praktycznie niewyczerpalnych odnawialnych źródłach energii (OZE).
OZE - są to źródła wykorzystujące w procesie przetwarzania energię promieniowana słonecznego, wiatru, wody, a także biomasy i ciepła wnętrza Ziemi.
Udział odnawialnych źródeł energii w zużyciu energii pierwotnej w krajach Unii Europejskiej
Źródło: www.energies-renouvelables.org
Udział źródeł odnawialnych w pokryciu zapotrzebowania na energię pierwotną w Polsce wynosi obecnie niewiele ponad 4%, a w krajach rozwiniętych przeciętnie 6%, przy czym w niektórych z nich udział ten wynosi około 1/3 (np. w Szwecji - 28%, Austrii - 20%, Kanadzie - 29%). Urządzenia do konwersji energii promieniowania słonecznego mają szansę stać się dominującymi również w Polsce, jeśli tylko rozwojowi technologii niekonwencjonalnych źródeł energii towarzyszyć będzie spadek ich cen.
Energia Słóńca to odnawialne źródło energii. Słońce jest głównym źródłem energii docierającej do Ziemi po czasie 8 minut i wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną w czasie jednej sekundy 3,8.1026 W.s. Górna powierzchnia atmosfery Ziemskiej otrzymuje rocznie około 1,5.1021 W.h energii słonecznej. Z tej energii 0,4.1021 W.h zużywa się na procesy parowania, opady, przepływy powierzchniowe wód, przemieszczanie się mas powietrza w atmosferze itp., pozostała część jest pochłaniana przez atmosferę, hydrosferę i biosferę Ziemi.
Słońce to rozżarzona kula gazowa o masie 2.1030 kg, temperaturze powierzchni (efektywnej temperaturze fotosfery) około 5800 K i średniej odległości od Ziemi 149,6 mln km. Słońce składa się z 71% (wagowych) wodoru i 27 % helu. Potężna energia, emitowana przez Słońce, powstaje w jego jądrze. W temperaturze około 15 mlnoC odbywają się reakcje termojądrowe, w których jądra wodoru przekształcają się w hel z wydzieleniem energii w postaci promieniowania i ciepła. Obliczono, że w ciągu każdej sekundy 657 mln ton wodoru przekształca się w głębi Słońca w 653 mln ton helu. Różnica masy, 4 mln ton na sekundę, została po prostu zamieniona na energię.
Wykorzystanie energii Słońca:
a) nie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych,
b) nie powoduje żadnych zanieczyszczeń,
c) nie pociąga za sobą produkcji odpadów.
Praktyczne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego wymaga oszacowania potencjalnych i rzeczywistych zasobów energii słonecznej w danym rejonie i parametryzacji warunków meteorologicznych dostosowanych do potrzeb technologii przetwarzania energii promieniowania słonecznego w inne formy energii - w energię elektryczną lub cieplną.
Istotny wpływ na ilość energii promieniowania słonecznego, jaka dociera do Ziemi jest przejrzystość powietrza. Parametr przezroczystości powietrza w dni bezchmurne podczas chłodnej pory roku mieści się w przedziale od 0,5 do 0,75 i ulega wahaniom w ciągu dnia w zależności od warunków meteorologicznych. Zmniejszenie przezroczystości atmosfery ziemskiej może też być wywołane przez zawieszone w niej liczne cząsteczki pyłu, dymu itp. Cząstki suche o średnicy większej od długości fali świetlnej tworzą mlecznobiałe zmętnienie atmosfery. Chmury, stanowiące zbiór kropelek wody lub kryształów powstających w efekcie kondensacji (krystalizacji) zawartej w powietrzu pary wodnej ograniczają i rozpraszają promieniowanie słoneczne, dochodzące do ziemi w postaci rozproszonego, a nie bezpośredniego promieniowania.
Aby praktycznie wykorzystać energię słoneczną do celów grzewczych i dla otrzymania energii elektrycznej, trzeba również uwzględnić kąt padania promieni słonecznych. Kąt nachylenia powinien być optymalny. Największe nasłonecznienie otrzymuje płaszczyzna ustawiona w stosunku do pozornego ruchu Słońca tak, aby promienie padały na nią prostopadle. Dla obszaru Polski, położonej w północnych szerokościach geograficznych od 49o18’ (Zakopane) do 54o31’ (Gdynia) można przyjąć średnią szerokość 52o N.
Energia wiatru
Wykorzystanie siły wiatru jest jedną z istotnych możliwości zasilenia polskiego systemu elektroenergetycznego tanią i zarazem ekologiczną energią elektryczną. Eksperci Unii Europejskiej szacują, że moc zainstalowanych siłowni wiatrowych w Polsce może wynieść w roku 2050 aż 6000 MW. Według danych z raportu Banku Światowego jesteśmy w stanie zwiększać wykorzystanie energii wiatru o 4 – 5 PJ rocznie.
Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod względem zasobów wiatru są następujące:
a) środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina
po Hel,
b) rejon wyspy Wolin,
c) Suwalszczyzna,
d) środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
e) Beskid Śląski i Żywiecki,
f) Bieszczady i Pogórze Dynowskie.
Energia wody
Bardzo istotnym źródłem energii są zapasy energii zgromadzonej w wodzie. Wykorzystuje się energię:
a) spadku wód,
b) pływów morza,
c) fal morskich.
d) wody morskiej.
Energię tą ludzie już od dawna wykorzystywali dla własnych potrzeb. Historia kół wodnych sięga aż do I wieku n. e. Służyły one najpierw do napędzania żaren w młynach, 1000 lat później ludzie zaczęli wykorzystywać energie wody do innych celów - napędzania miechów i ciężkich młotów w kuźniach, pił w tartakach i wielu podobnych urządzeniach.
Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych są wykorzystywane do napędzania potężnych generatorów elektrowni wodnych. Ta gałąź przemysłu nosi nazwę hydroenergetyki.
Ad.1 Energia spadku wód. Nowoczesne hydroelektrownie wykorzystują olbrzymie zapory oraz zbiorniki wodne dzięki czemu powstaje duża różnica poziomów energii potencjalnej i masy wody, co gwarantuje ciągły spad wody. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy jazu lub zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu, zamieniana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej.
Ad.2 Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania fal morskich napędzających, a są to:
a) turbiny wodne; 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 sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza
b) turbiny powietrzne; zbiornik wodny jest zbudowany na platformie na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale morskie powietrze wprawia w ruch turbinę napędzająca generator.
Ad.3 W Polsce nie ma warunków na wykorzystanie energii pływów morskich. W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza lub oceanu. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu.
Ad.4 Wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu jest możliwe na obszarach równikowych. Woda morska ma tam na powierzchni temperaturę około 30°C, a na głębokości 300-500 m - około 7°C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego (amoniak, freon lub propan), który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500 m. Instalacja wraz z generatorem znajduje się na pływającej platformie, a energia elektryczna dostarczana jest na ląd kablem morskim.
Naukowcy są zdania, że przy całkowitym wykorzystaniu energii wód na całym świecie, można by uzyskać aż 2,25 mld kW energii elektrycznej. Niewykorzystywane zasoby energii wodnej znajdują się przede wszystkim w Afryce, Azji, oraz Ameryce Południowej.
Energia ziemi
Energia geotermalna to naturalne ciepło Ziemi skumulowane w gruntach, skałach, wodach i parach wypełniających pory i szczeliny skalne. Występuje pod przykryciem nieprzepuszczalnych skał o niskiej przewodności cieplnej. Przypuszcza się, że energia ta jest wynikiem rozpadu pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej, któremu towarzyszy wydzielanie ciepła. Na świecie wykorzystuje się różne źródła energii geotermalnej. Według obecnego stanu wiedzy można je podzielić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także temperaturę na następujące grupy:
a) grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem pomp ciepła pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła:
b) wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów grzejnych;
c) wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych (w przypadku mineralizacji wody, wtłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym);para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych) znajdująca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej;
d) wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu;
e) gorące skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wysokim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach goetermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzejnych.
Dość rzadkim zjawiskiem geotermalnym są gejzery, czyli wybuchająca z głębi ziemi para wodna. Proces powstawania gorących fontann opiera się na ogrzaniu wsiąkającej deszczówki i wód gruntowych przez skały magmowe, znajdujące się blisko powierzchni.
Sposób wykorzystania zasobów geotermalnych zależy od temperatury czynnika grzejnego. Przyjęto, że przy temperaturze powyżej 120-150° C opłaca się go wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Przy niższych temperaturach czynnika grzejnego istnieje możliwość wykorzystania energii do celów ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody użytkowej w systemach miejskich i przemysłowych, do ogrzewania pływalni, szklarni, hodowli ryb, do celów balneologicznych i rekreacyjnych.
Wady i trudności, związane z wykorzystaniem energii słońca, wiatru i wody
Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii nie zawsze jest całkowicie obojętne dla środowiska, nastręcza też różne trudności techniczne, związane ze zmiennością nasłonecznienia i prędkości wiatru w ciągu doby. Ze wszystkich OZE energia promieniowania słonecznego jest najbardziej przyjazna otoczeniu.
Trudności z wykorzystaniem energii Słońca są następujące:
a) zmienność dobowa i sezonowa promieniowania słonecznego,
b) mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania słonecznego, która nawet w rejonach równikowych wynosi zaledwie 300 W/m2, zaś w Polsce nie przekracza 100 W/m2, czyli 1000 kWh/m2 w skali roku,
c) ceny urządzeń; bardzo wysokie koszty pociąga za sobą na przykład produkcja wykorzystywanego w ogniwach fotowoltaicznych krzemu wysokiej czystości, wytwarzanych w próżni w temperaturze około 1500oC; z biegiem czasu technologie stają się jednak coraz efektywniejsze i coraz tańsze: koszt budowy instalacji fotowoltaicznej, który w 1959 roku wynosił 200 tys. dolarów za 1 W mocy użytecznej obniżył się do 4 dolarów, zaś sprawność produkowanych urządzeń wzrosła do 16-18% z 6-8% trzydzieści lat temu.
Problemy, związane z wykorzystaniem energii wiatru:
a) elektrownie wiatrowe, jako uzależnione od warunków pogodowych, wymuszają na tradycyjnej energetyce utrzymywanie rezerwy mocy, tak aby w każdej chwili można było zastąpić lub uzupełnić spadek mocy dostarczanej przez elektrownie wiatrowe.
b) rozwój energetyki wiatrowej jest, jak na razie, jednym z najdroższych sposobów i wcale nie najefektywniejszym rozwiązywania problemu obniżenia emisji dwutlenku węgla,
c) istnieje pogląd, że farmy wiatrowe poważnie zagrażają ptactwu, jednakże znane są przypadki, że ptaki niektórych gatunków zakładały gniazda na gondolach elektrowni wiatrowych, co stanowi silny dowód, że nie dochodziło do kolizji tego gatunku z łopatami wirnika turbiny wiatrowej,
d) farmy wiatrowe szpecą krajobraz i nie pozwalają na wykorzystanie terenów np. w zakresie agroturystyki, jednakże faktycznie tereny zajęte przez farmy wiatrowe mogą być używane jedynie rolniczo czy przemysłowo, a krajobraz będący elementem chronionym prawnie pozostaje przez nie zniszczony,
e) farmy wiatrowe emitują także pewien hałas; hałas obecnie uznawany jest za zanieczyszczenie, więc wiatraki uniemożliwiają zabudowę terenu w ich najbliższym otoczeniu; oprócz dźwięków w zakresie słyszalnym generowane są często, szczególnie w starszych konstrukcjach przez niektóre elementy konstrukcyjne turbiny wiatrowej, zwłaszcza łopaty, infradźwięki, czyli fale w zakresie częstotliwości mniejszych od słyszalnych; jednak zaostrzenia prawne i szybki rozwój w tej dziedzinie doprowadził do uzyskania konstrukcji prawie nie emitujących infradźwięków.
Trudności z wykorzystaniem energii wód:
a) budowa elektrowni znacząco zmienia ekosystem i krajobraz otoczenia: aby uzyskać wysoki poziom wody, często trzeba zalać ogromne obszary dolin rzek, co wiąże się z przesiedleniem ludzi mieszkających dotychczas w tym miejscu oraz prawdopodobną zagładą żyjących zwierząt i roślin;
b) powstały w miejsce szybkiej, wartkiej rzeki zbiornik zawiera wodę stojącą, co sprawia, że rozwijają się tam zupełnie inne organizmy niż przed powstaniem zapory; jednocześnie duży zbiornik charakteryzuje się znacznie większym parowaniem i zmienia wilgotność powietrza na stosunkowo dużym obszarze; wartka dotychczas rzeka po wyjściu z zapory zwykle płynie już bardzo wolno, przez co zmniejsza się napowietrzanie wody, a brak okresowych powodzi prowadzi do zamulenia dna; dlatego w niektórych elektrowniach wodnych stosuje się specjalne progi umożliwiające rybom (pstrągi) wpłynięcie w górę rzeki.
Biorąc pod uwagę powyższe aspekty wykorzystania energii odnawialnej można stwierdzić, że wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym wpływem na środowisko. Podstawowe ograniczenia w ich stosowaniu to problemy technologiczne, ze względu na formę występowania i możliwości praktycznego wykorzystania i ekonomiczne, związane z dużymi kosztami ich wykorzystania. Rozwój odnawialnych źródeł energii stwarza szansę szczególnie dla lokalnych społeczności na utrzymanie niezależności energetycznej, rozwoju regionalnego i nowych miejsc pracy, a także na proekologiczną modernizację, dywersyfikację i decentralizację krajowego sektora energetycznego.
Źródło: Fundacja Poszanowania Energii w Gdańsku