Wykład 1 - Nowe źródła pozyskiwania energii Energia zawsze była i

Wykład 1 - Nowe źródła pozyskiwania energii
Energia zawsze była i będzie potrzebna ludziom. Jest potrzebna przy produkcji przemysłowej,
transporcie, ciepłownictwie, w gospodarstwach domowych, itd. Energię można otrzymywać z wielu źródeł,
np. z tradycyjnych, takich jak: drewno, ropa, węgiel, czy gaz ziemny. Otrzymuje się z nich energię podczas
procesu spalania co powoduje np. wydzielanie do atmosfery substancji szkodliwych będących
pozostałościami po procesie spalania. Oprócz źródeł konwencjonalnych, energię można otrzymać także ze
źródeł niekonwencjonalnych, które można podzielić na:
−
odnawialne – energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich i energia cieplna
oceanów (meratermizna),
−
nieodnawialne
–
wodór,
energia
magneto-hydro-dynamiczna,
ogniwa
paliwowe,
energia
pozyskiwana z biogazów,
−
energia wewnętrzna (geotermiczna) - można zaliczyć do jednej jak i drugiej grupy, np. gejzery są
źródłem nieodnawialnym, natomiast energia gorących skał jest energią odnawialną.
Odnawialne źródła energii
Odnawialne źródła energii to, zgodnie z ustawą Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 roku,
źródła wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, energię
geotermalną, prądów i pływów morskich, spadku wód oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu
wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach fermentacji odpadów poubojowych, gnojowicy
i masy zielonej.
W ostatnich 20 latach obserwuje się dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii nie tylko
w krajach Unii Europejskiej, ale i na całym świecie. Na tak wielką ich popularność złożyło się wiele
czynników m. in.:
−
szkodliwe oddziaływanie na środowisko naturalne paliw kopalnych (ropa naftowa, gaz ziemny,
węgiel) zarówno w procesie pozyskiwania, transportu jaki i przetwarzania na energię,
−
realne zagrożenie wyczerpania kopalin,
−
niestabilna sytuacja polityczna w krajach arabskich, gdzie znajduje się znakomita większość
światowych złóż ropy naftowej, czy w Rosji powodująca konieczność uniezależnienia się od tych
źródeł
−
powszechnie znana niska szkodliwość oddziaływania odnawialnych źródeł energii na środowisko
naturalne.
Pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych związane jest z wysokim zaawansowaniem
technologicznym instalacji. Te nowoczesne rozwiązania techniczne eliminują emisje szkodliwych gazów,
pyłów, zanieczyszczenie gleb i wód. Spalaniu biomasy towarzyszy co prawda emisja dwutlenku węgla, lecz
ilość CO2 jaka emitowana jest do atmosfery jest równa ilości CO2 pobranej przez rośliny w procesie wzrostu.
Mimo wysokiego zaawansowania technologicznego urządzeń, konieczne są dalsze badania i wdrożenia
nowoczesnych rozwiązań, a także rozwiązania legislacyjne i systemy fiskalne zachęcające społeczeństwo
do inwestycji w rozwiązania odnawialnych źródeł energii.
1
Zalety źródeł odnawialnych:
−
minimalny wpływ na środowisko,
−
oszczędność paliw (eliminacja zużycia węgla, ropy i gazu w produkcji energii elektrycznej),
−
duże stale odnawiające się zasoby energii,
−
stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii elektrycznej,
−
rozproszone na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu energii, gdyż mogą być
pozyskiwane w dowolnym miejscu oraz eliminuje straty związane z dystrybucją i pozwoli uniknąć
budowy linii przesyłowych.
Rodzaje energii odnawialnej:
−
energia wiatru,
−
energia słońca,
−
energia geotermalna,
−
energia wody.
Rodzaje ograniczeń w stosowaniu niekonwencjonalnych źródeł energii:
−
technologiczne – ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania,
−
ekonomiczne – związane z dużymi kosztami ich stosowania,
−
polityczne lub prawne – związane z możliwościami dywersji w przypadku elektrowni jądrowych,
−
społeczne – społeczna akceptacja to najważniejszy problem energetyki jądrowej. Wiążą się z nim
dodatkowe koszty i przedłużająca się budowa elektrowni, co tym samym jeszcze bardziej je
zwiększa.
Energia geotermalna
Ogólnie jest to energia zgromadzona w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny
skalne. O energii geotermalnej mówi się przede wszystkim, gdy nośnikiem tej energii jest woda i para
wodna. Energia ta biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna
w wyniku jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. Energetyka geotermalna bazuje
na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m.
O atrakcyjności tych źródeł świadczą:
1. dostępność -
źródła ich nie podlegają wahaniom warunków pogodowych i klimatycznych, nie
ulegają wyczerpaniu,
2. obojętność dla środowiska - geotermia nie powoduje wydzielania jakichkolwiek szkodliwych
substancji, urządzenia techniki geotermalnej nie zajmują wiele miejsca i nie wpływają prawie wcale
na wygląd krajobrazu.
Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej oprócz produkcji energii
elektrycznej jest budowa ciepłowni geotermalnych. Ponadto wykorzystuje się ją także do ogrzewania
budynków przy pomocy pomp ciepła, uprawach, przemyśle chemicznym, suszarnictwie, przetwórstwie,
hodowli ryb, basenach kąpielowych, itp.
2
Na świecie ok. 40 krajów zużywa energii geotermalnej na potrzeby inne niż produkcja energii
elektrycznej co daje sumaryczną wartość 11 400 MW. Największymi odbiorcami ciepła z energii
geotermalnej są Japonia, Chiny, Węgry, Islandia i USA. W Islandii aż 85% zapotrzebowania na ciepło
pochodzi z energii geotermalnej i pokrywa aż 46% energii pierwotnej kraju. Coraz popularniejsze stają się
też systemy ogrzewania domów w oparciu o energię geotermalną: pompy ciepła.
Energia słoneczna
Prace nad wykorzystaniem bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną metodą
fotowoltaiczną prowadzone są w Polsce od 1973 roku. Polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej
w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu wykorzystania tego
zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych
połączonych szeregowo, aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle aby uzyskać niezbędną moc.
Oprócz kolektorów instalacje fotowoltaiczne zawierają konstrukcję wspierającą wraz z układem sterującym
ruchem kolektorów, system regulacji i kontroli, urządzenie przekształcające prąd stały uzyskiwany
z kolektorów w prąd zmienny i system magazynowania energii lub rezerwowe źródło energii.
Energia wodna
Pobieranie tej energii jest bardzo korzystne zarówno ze względu na ekologiczny, jak i ekonomiczny
charakter, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii i reguluje stosunki wodne zwiększając retencję
wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu
w wodę. Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów
takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach.
Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu.
Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie
w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę. Energia elektryczna
produkowana w elektrowniach wodnych zazwyczaj wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu
energii.
Energia morza
Aktualnie wykorzystuje się energię pływów morskich, fal morskich oraz energię cieplną mórz.
Przewiduje się wykorzystanie energii prądów morskich. Największa na świecie elektrownia pływowa,
uruchomiona w 1967 r., pracuje we Francji przy ujściu rzeki La Rance do Kanału La Manche. Ma ona 24
turbiny wodne o mocy po 10 MW, a więc jej moc wynosi 240 MW. Elektrownie wykorzystujące pływy morskie
pracują także w Kanadzie, Chinach i Rosji. Projektowane są w Wielkiej Brytanii, Korei Południowej
i w Indiach. Energię uzyskuje się też przez wykorzystanie różnicy temperatury wody oceanicznej na
powierzchni i w głębi oceanu. Najlepsze warunki do tego celu istnieją na oceanicznych obszarach
równikowych, gdzie temperatura wody na powierzchni wynosi ok. 30°C, a na głębokości 300-500 m - ok.
7°C. Wykorzystanie tej różnicy temperatury odbywa się przy zastosowaniu amoniaku, freonu lub propanu,
który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości
300-500 m. Cała instalacja, wraz z generatorem, znajduje się na pływającej platformie i nosi nazwę
3
elektrowni maretermicznej. Energia elektryczna jest przesyłana na ląd kablem podmorskim.
Energia wiatru
Energia wiatru jest dziś powszechnie wykorzystywana - w gospodarstwach domowych, jak i na
szerszą skalę w elektrowniach wiatrowych. Stosowanie tego typu rozwiązań nie jest bardzo kosztowne, ze
względu na niezbyt skomplikowaną budowę urządzeń jak i tanią eksploatację. Najważniejszym czynnikiem
jest duża prędkość wiatru, gdyż zwiększenie średnicy łopatek jest ograniczone względami konstrukcyjnymi
do 100 m. Nie mniej ważna niż prędkość 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 inwestycji. Z tego względu elektrownie wiatrowe są budowane w miejscach ciągłego
występowania wiatrów o odpowiednio dużej prędkości, zwykle większej niż 6 m/s. Są to zazwyczaj rejony
nadmorskie i podgórskie. Wady elektrowni wiatrowych, to zapotrzebowanie na wielkie powierzchnie, hałas,
zeszpecenie krajobrazu i ujemny wpływ na ptactwo. W Europie - Dania, Niemcy, Szwecja i Wielka Brytania znajdują się w czołówce państw wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej.
Polityka UE w sprawie energii odnawialnej
Polityka energetyczna UE ma na celu budowę wspólnego wewnętrznego rynku energii, zapewnienie
bezpieczeństwa dostaw energii oraz ochronę środowiska, a zwłaszcza przeciwdziałanie zmianom
klimatycznym. Polityka energetyczna UE dotyczy nie tylko sektora energii, ale również: ochrony środowiska,
podatków, handlu i konkurencji. Budowa wewnętrznego rynku energetycznego realizowana jest pośrednio
poprzez harmonizację prawa państw członkowskich i bezpośrednio przez liberalizację narodowych rynków
energetycznych. Trzy cele polityki energetycznej to: zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego,
zapewnienie konkurencyjności i ochrona środowiska. Priorytetem UE jest utworzenie wspólnego rynku
energii, najefektywniejszego, najbezpieczniejszego i najbardziej konkurencyjnego. Ustalono przejrzyste ceny
energii, udostępniono duże sieci do tranzytu gazu ziemnego i energii elektrycznej.
Rozwój energetyki odnawialnej ma istotne znaczenie dla realizacji podstawowych celów polityki
energetycznej Polski oraz całej Unii Europejskiej. Produkcja energii ze źródeł odnawialnych zapewnia
bowiem pozytywne efekty ekologiczne oraz przyczynia się do rozwoju słabiej rozwiniętych regionów.
Szczególną uwagę temu zagadnieniu poświęca Unia Europejska, zachęcając wszystkie Państwa
Członkowskie do prowadzenia przemyślanej i zgodnej z polityką zrównoważonego rozwoju polityki
energetycznej. Pod koniec 2008 r. Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej przyjęli dyrektywę
w sprawie energii odnawialnej, która zobowiązuje państwa członkowskie UE do osiągnięcia ambitnego celu,
aby do roku 2020 energia odnawialna stanowiła źródło 20% łącznej energii zużywanej w Europie. Komisja
Europejska zaproponowała także cele obligatoryjne na 2020 rok w zakresie udziału energii odnawialnej
w produkcji energii poszczególnych krajów członkowskich. Proponowany cel dla Polski, to 15%. Pozostałym
państwom członkowskim wyznaczone zostały w większości przypadków wyższe cele.
Pamiętać należy, że Europa jest światowym liderem w dziedzinie energetyki odnawialnej.
W szczególności w dziedzinie energetyki wiatrowej nasz kontynent posiada znaczną przewagę
konkurencyjną i komparatywną. Zdaniem wielu analityków elektrownie wiatrowe są obecnie najbardziej
4
dojrzałą i konkurencyjną technologią odnawialną. Generacja wiatrowa pozwoliła na uniknięcie emisji 90 mln
ton dwutlenku węgla. Racjonalne wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych tj. energii rzek, wiatru
promieniowania słonecznego, geotermalnej lub biomasy, jest jednym z istotnych komponentów
zrównoważonego rozwoju przynoszącym wymierne efekty ekologiczno - energetyczne. Wzrost udziału
odnawialnych źródeł energii w bilansie paliwowo-energetycznym świata przyczynia się do poprawy
efektywności wykorzystania i oszczędzania zasobów surowców energetycznych, poprawy stanu środowiska
poprzez redukcję zanieczyszczeń do atmosfery i wód oraz redukcję ilości wywarzanych odpadów.
W związku z tym wspieranie rozwoju tych źródeł staje się coraz poważniejszym wyzwaniem dla niemalże
wszystkich państw świata w tym polski.
Znaczny
wzrost
zainteresowania
odnawialnymi
źródłami
energii
nastąpił
w
latach
dziewięćdziesiątych, szacuje się, że od roku 1990 światowe wykorzystanie energii promieniowania
słonecznego wzrosło około dwukrotnie, a energii wiatru około czterokrotnie. W najbliższych latach można się
spodziewać dalszego rozwoju odnawialnych źródeł energii. Produkcja energii z odnawialnych źródeł z całą
pewnością powinna zostać upowszechniona w strategicznych planach dalszego rozwoju gospodarki. Polska
promując rozwój energetyki odnawialnej może w znacznym stopniu uniezależnić się od zewnętrznych
dostaw energii. Jedyną obecnie przeszkodą jaka utrudnia wprowadzenie w życie masowej produkcji
ekologicznej energii jest nadal niska świadomość korzyści jakie uzyskałaby gospodarka opierając swoją
produkcję na energetyce ze źródeł odnawialnych. Zdrowy prąd to nie tylko oszczędności na surowcach, lecz
również oszczędność na najważniejszym zasobie jakim jest życie ludzkie. Postępujące skażenie
i dewastacja środowiska mogą w konsekwencji przynieść gospodarce trudne w chwili obecnej do
przewidzenie straty.
5