O-2

Transkrypt

O-2
Odnawialne źródła energii
i ich zastosowanie w praktyce na
przykładzie miasta Bielska-Białej
Prelegent: Piotr Sołtysek
Opracował: Michał Skrzypczak, Piotr Sołtysek
Bielsko-Biała, 7 kwietnia 2011 r.
Zawartość prezentacji
1. Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
2. Uwarunkowania UE w zakresie OZE
3. Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
4. Potencjał energii odnawialnej w
Polsce
5. Sposoby zastosowania OZE oraz
przykłady praktycznych rozwiązań
2
Dlaczego wykorzystywać
energię odnawialną?
Powrót do spisu treści
3
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Efekt cieplarniany – naturalne zjawisko
panujące w atmosferze i utrzymujące
temperaturę umożliwiającą rozwój
życia na Ziemi.
Bez efektu cieplarnianego przeciętna
temperatura na Ziemi byłaby niższa o
33 OC i wynosiłaby… -18 OC!
4
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Źródło – KAPE SA
5
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Podstawowe gazy cieplarniane to:
dwutlenek węgla CO2
metan CH4
tlenek azotu N2O
freony CHC
Zawartość tych gazów w atmosferze
wynosi ok. 0,035 % (350 ppm).
6
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Zawartość CO2 w atmosferze w ciągu ostatnich 50 lat
7
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Zawartość CO2 w atmosferze w ciągu ostatnich 400.000 lat
8
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Na wykresie widać okresowe wahania ilości CO2 w granicach
200 – 300 ppm. Zmiany te następowały zgodnie z
cyklami zlodowaceń, przy czym nigdy zawartość CO2 w
powietrzu nie sięgnęła obserwowanych obecnie wielkości
– blisko 400 ppm.
Dramatyczny wzrost stężenia CO2 odpowiada nastaniu epoki
przemysłowej, a tempo tego wzrostu jest
bezprecedensowe.
9
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Odchylenie temperatury od średniej w ciągu ostatnich 150 lat
10
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Odchylenie temperatury od średniej w ciągu ostatnich 2000 lat
11
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Coraz bardziej widoczne skutki ocieplania się klimatu przyczyniły się do skupieniu uwagi środowiska naukowego na
kwestii zmian klimatu. Zaczęto zadawać pytania:
Czy klimat Ziemi naprawdę się ociepla?
Jeśli tak, to czy jest to zdarzenie typowe w dziejach
Ziemi, czy też dzieje się coś nienormalnego?
Jeśli klimat się ociepla, to czy jest to związane z
działalnością człowieka?
Jaki wpływ na naszą przyszłość będzie miało ocieplanie
się klimatu?
Czy powinniśmy przeciwdziałać temu zjawisku?
Jakie działania możemy podjąć?
Ile mogą kosztować działania zmierzające do redukcji
emisji gazów cieplarnianych?
Jaki byłby koszt zaniechania działań?
12
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
W 1988 dwie organizacje Narodów Zjednoczonych –
Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) oraz
United Nations Environment Programme (UNEP)
utworzyły Intergovernmental Panel on Climate
Change, czyli Międzyrządowy Zespół do spraw
Zmian Klimatu (w skrócie IPCC). Cel powstania
IPCC to ocena ryzyka związanego z działalnością
ludzi na zmianę klimatu oraz określenia światowych
uregulowań mających ograniczyć emisję spalin do
atmosfery.
Pierwszy raport IPCC został opublikowany w 1990
roku, kolejne w 1995 i 2001, a ostatni w 2007
roku.
13
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Sposób podejmowania decyzji o wnioskach do
publikacji powoduje, że raporty IPCC są
konserwatywne i zachowawcze. Struktura IPCC
powstawała pod wpływem polityków, którzy
obawiali się nazbyt „alarmistycznych” raportów, w
przypadku, gdyby ich brzmienie było ustalane
jedynie przez naukowców.
„Porozumienie w sprawie raportu osiągnięto po
całonocnym posiedzeniu, podczas którego z
dokumentu wykreślano całe fragmenty, a naukowcy
spierali się z rządowymi negocjatorami, którzy
rozwadniali sens naukowych ustaleń” – opinia w
temacie raportu IPCC 2007
14
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Kluczowe konkluzje zawarte w 4-tym raporcie IPCC to:
Ocieplenie z prawdopodobieństwem ponad 90 %
jest spowodowane przez działania człowieka
Średni wzrost temperatury w XXI wieku wyniesie
2-4 °C, a może sięgnąć nawet 6,4 °C
W 2080 roku bez wody pozostanie od 1,1 do 3,2
miliarda ludzi. W tym samym czasie ponad 600
milionów ludzi będzie cierpiało głód
Aby nie dopuścić do przekroczenia wzrostu średniej
temperatury na Ziemi o 2,0-2,4 stopnia, należy
najwyżej do 2050 roku ograniczyć roczną emisję
dwutlenku węgla do atmosfery o 50-85%.
15
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
16
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
109 Mg CO2/rok
Wzrost od 1990 Mg CO2/os.
USA
5,84
17 %
20,00
Chiny
4,15
73 %
3,19
Rosja
1,51
-36 %
10,40
Indie
1,26
88 %
1,19
Japonia
1,25
12 %
9,90
UE
6,2 – 11
Polska
8,3
Świat
4,3
POZIOM BEZPIECZEŃSTWA
1,5
17
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Projekcja zmian temperatury wg różnych modeli
18
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 1 °C:
zwiększone ryzyko wyginięcia 20-30
% znanych gatunków
blaknięcie koralowców
zwiększona śmiertelność w wyniku fal
upałów, powodzi i susz
19
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Zdjęcie satelitarne huraganu Katrina, który
29.08.2005 zdewastował wybrzeże USA.
Maksymalna odnotowana prędkość wiatru
wyniosła 280 km/h.
20
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 2 °C:
znaczne zmiany w środowiskach
naturalnych powodują negatywne
konsekwencje dla bioróżnorodności,
dostępności wody i jedzenia
masowe wymieranie koralowców
miliony, dotychczas bezpiecznych,
ludzi zagrożonych powodziami
21
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 3 °C:
pustynnienie terenów zwrotnikowych,
pastwiska w Teksasie zamienią się w
pustynie
topnienie lodowców Andów, 10 milionów
Peruwiańczyków okresowo pozostanie bez
wody pitnej
presja na system opieki zdrowotnej
globalne zmniejszenie produkcji żywności
poważne zatopienia terenów
przybrzeżnych, w tym delty Nilu, części
Holandii i wysp koralowych
22
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 4 °C:
wymarcie ponad 40 % znanych gatunków
straty w wysokości 5 % produktu
światowego brutto
Arktyka wolna od lodu
intensyfikacja pożarów, skutkująca
pustynnieniem Brazylii, zanikiem setek
gatunków i emisją powstałego podczas
spalania dwutlenku węgla do atmosfery
intensywne topnienie Grenlandii i
Antarktydy, docelowo wzrost poziomu wody
o 4-7 metrów
23
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 5 °C:
wieczna zmarzlina Syberii i Kanady
zmienia się w błoto, do atmosfery
trafiają ogromne ilości metanu
potęgujące efekt cieplarniany
podniesienie się poziomu oceanów
zmusza do przeniesienia się 100
milionów mieszkańców Chin i
Bangladeszu
24
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 6 °C:
w związku z zanikiem lodowców Himalajów
okresowo wysychają wypływające z
Himalajów największe rzeki Azji
stopienie całego lodu na powierzchni
planety, poziom oceanów stopniowo
wzrasta o 70 metrów
potężne monsuny powodują olbrzymie
powodzie we wschodnich Indiach
ludzie masowo migrują w kierunku
biegunów, gdzie jest znacznie chłodniej
25
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Wzrost temperatury o 7 °C:
ocieplenie oceanów doprowadza do uwolnienia
olbrzymich ilości metanu uwięzionego w morskich
osadach, dodatkowo przyspieszając proces
ocieplenia się klimatu
z oceanów znika tlen, tworząc sprzyjające warunki
do rozwoju bakterii siarkowych, produkujących
siarkowodór
siarkowodór niszczy warstwę ozonową
hiperkany – huragany o mocy zdolnej do
wywiewania gleby, pustoszą wybrzeża
znikają praktycznie wszystkie gatunki zwierząt i
roślin
26
Dlaczego wykorzystywać energię
odnawialną?
Głównym źródłem emisji CO2 do
atmosfery jest energetyka (30 %
+ 8 % wydobycie), zatem jednym z
podstawowych sposobów redukcji
emisji CO2 jest zamiana paliw
kopalnych na wykorzystanie
zasobów energii odnawialnej.
27
Uwarunkowania
Unii Europejskiej
w zakresie
Odnawialnych Źródeł Energii
Powrót do spisu treści
28
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
Wzrost udziału energii odnawialnej w
całkowitej ilości wytwarzanej energii
jest jednym z podstawowych
kierunków działań UE.
Pozostałe kierunki związane z energią to
m.in.: zwiększenie efektywności
energetycznej budynków i urządzeń,
promocja efektywniejszych metod
wytwarzania energii – kogeneracji.
29
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
„Renewable Energy Road Map” to
ogłoszona w styczniu 2007 r.
długoterminowa strategia UE w
zakresie energii odnawialnej.
Celami strategii są:
zwiększenie bezpieczeństwa
energetycznego UE
redukcja emisji gazów cieplarnianych
30
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
Podstawowym celem UE na najbliższe lata
jest plan „3 x 20”.
Oznacza on, aby do roku 2020 osiągnąć:
20 % zwiększenia efektywności
energetycznej
20 % udziału energii odnawialnej w
całkowitym bilansie energii (PL 15%)
20 % redukcji emisji CO2 w stosunku do
roku 1990
31
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
Dyrektywa 2001/77/WE (w sprawie wspierania
produkcji na rynku wewnętrznym energii
elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych) narzuca na państwa członkowskie
wymóg udziału źródeł odnawialnych w
produkcji energii elektrycznej.
Jest ona konsekwencją Białej Księgi (1997), w
której ustanowiono wymóg udziału 12 %
energii odnawialnej w całkowitej ilości
zużywanej energii do roku 2010 w
państwach UE-15.
32
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
Równocześnie dyrektywą 2002/358/WE
UE ratyfikowała „Protokół z Kyoto”.
Jego celem jest międzynarodowe
porozumienie w sprawie ograniczenia
emisji podstawowych gazów
cieplarnianych (CO2, CH4, N2O, HFCs,
PFCs, SF6). UE zobowiązała się do
ograniczenia emisji tych gazów o 8 %
w okresie 2008-2012.
33
Uwarunkowania UE w zakresie OZE
Dyrektywa 2003/30/WE (w sprawie
wspierania użycia w transporcie
biopaliw i innych paliw odnawialnych)
narzuca wymóg osiągnięcia do roku
2010 udziału biopaliw w rynku paliw
płynnych wynoszącego 5,75 %.
34
Krajowe uwarunkowania
prawne dotyczące
zastosowania
Odnawialnych Źródeł Energii
Powrót do spisu treści
35
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Aktem prawnym implementującym
zapisy dyrektywy 2001/77/WE do
prawodawstwa polskiego jest Ustawa
z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo
energetyczne, w szczególności zapisy
art. 9a i 9e.
36
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Przedsiębiorstwa energetyczne, sprzedające
energię elektryczną klientom końcowym
zobowiązane są do uzyskania, a następnie
umorzenia świadectw pochodzenia energii
ze źródeł odnawialnych.
Ilość tych świadectw określa Rozporządzenie
Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005
r. w sprawie szczegółowego zakresu
obowiązków uzyskania i przedstawienia do
umorzenia świadectw pochodzenia,
uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu
energii elektrycznej i ciepła wytworzonych
w odnawialnych źródłach energii.
37
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Harmonogram udziału energii z OZE:
2005: 3,1 %
2006: 3,6 %
2007: 4,8 %
2008: 6,0 %
2009: 7,5 %
2010 – 2014: 9,0 %
38
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Do energii wytwarzanej w OZE zalicza się
energię elektryczną lub ciepło pochodzące
w szczególności:
z elektrowni wodnych oraz wiatrowych,
ze źródeł wytwarzających energię z
biomasy oraz biogazu,
ze słonecznych ogniw fotowoltaicznych oraz
kolektorów do produkcji ciepła,
ze źródeł geotermalnych.
39
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Reasumując: sprzedawca energii musi
zapewnić udział energii odnawialnej w
całym obrocie energią na wymaganym poziomie. Obowiązek ten
realizuje poprzez zakup, a następnie
umorzenie świadectw pochodzenia.
Świadectwa pochodzenia podlegają
obrocie na Towarowej Giełdzie Energii
i pochodzą od producentów energii ze
źródeł odnawialnych.
40
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
W przypadku, gdy przedsiębiorstwo
energetyczne nie wywiąże się z
ustawowego obowiązku, płaci opłatę
zastępczą („karę”) w ilości równej
iloczynowi brakującej ilości świadectw
pochodzenia oraz jednostkowej
wartości opłaty, wynoszącej w 2008
roku 274,92 zł/MWh.
41
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Jak zatem obowiązujące regulacje
przekładają się na ekonomikę
wytwarzania energii z OZE?
Producent energii odnawialnej uzyskuje
przychody z dwóch źródeł:
fizyczna produkcja energii
elektrycznej, która może zostać
wykorzystana na własne potrzeby lub
odsprzedana,
sprzedaż świadectw pochodzenia.
42
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Wytworzoną energię elektryczną:
można sprzedać lokalnemu Operatorowi
Systemu Dystrybucyjnego, który zobowiązany
jest zakupić ją w cenie równej średniej
ubiegłorocznej cenie energii na rynku
konkurencyjnym (na rok 2010 wynosi ona
195,32 zł/MWh),
wykorzystać na potrzeby własne, uzyskując
tym samym przychód równy kosztowi
unikniętemu zakupu energii (ok.290 zł/MWh 2011).
43
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
PROCEDURA
wniosek do URE wytwórcy „zielonej energii” o wystawienie świadectwa pochodzenia (ŚP);
• Operator Systemu Przesyłowego potwierdza czy energia z OZE została dostarczona do
systemu (do 14 dni);
• Potwierdzony wniosek trafia do URE i przechodzi weryfikację (do 14 dni);
• URE informuje Towarową Giełdę Energii (TGE) o wniosku;
• TGE wpisuje w Rejestrze Świadectw Pochodzenia (RŚP) wytwórcy prawa majątkowe do ŚP
(Rynek Praw Majątkowych RPM);
• 1 kWh „zielonej energii” = 1 świadectwo pochodzenia
• Obrót PM na TGE odbywa się za pośrednictwem maklerów wytwórcy lub domów maklerskich
TGE;
• Podmioty zobowiązane do nabywania ŚP mogą to zrobić przez:
- umorzenie świadectw pochodzenia, które wcześniej nabyli
- wniesienie opłaty zastępczej OZ (jej wysokość ustalona na dany rok);
• Umorzenie ŚP następuje w URE na wniosek podmiotu zobowiązanego;
• Rozliczenie obowiązku musi się odbyć do 31 marca za miniony rok.
44
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Cena rynkowa świadectw pochodzenia
energii ze źródeł odnawialnych
kształtuje się przeciętnie o kilka
procent poniżej ustalonej wartości
opłaty zastępczej.
Przykładowo, cena transakcyjna z dnia
17 lutego 2011 r. wyniosła 281,11
zł/MWh.
45
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
46
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Kolorowe barwy energii – typowe
nazewnictwo:
Energia zielona: energia pochodząca ze
źródeł odnawialnych,
Energia żółta: energia wytwarzana w
wysokosprawnej kogeneracji w źródłach
gazowych oraz do 1 MW,
Energia czerwona: energia wytwarzana w
wysokosprawnej kogeneracji w pozostałych
źródłach,
47
Krajowe uwarunkowania prawne
dotyczące zastosowania OZE
Kolorowe barwy energii (c.d.):
Energia czarna: energia wytwarzana
ze spalania paliw kopalnych,
Energia szara: energia zawarta w
cieple odpadowym (np. ścieki)
Energia biała: energia zaoszczędzona
– nie zużyta – NAJCENNIEJSZA!
48
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce
Powrót do spisu treści
49
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia słoneczna
Zasoby energii słonecznej
Stała słoneczna: 1,4 kW/m2
1,0 kW/m2
Ziemia
Atmosfera
50
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia słoneczna
Roczna gęstość promieniowania
słonecznego w Polsce na płaszczyznę
poziomą wynosi 950-1.250 kWh/m2.
Średnie usłonecznienie wynosi 1.600
h/rok.
Ok. 80 % rocznej sumy nasłonecznienia
przypada na 6 miesięcy półrocza
letniego.
51
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia słoneczna
Zasoby energii słonecznej
52
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia słoneczna
Zasoby energii słonecznej na obszarze
Bielska-Białej:
suma promieniowania całkowitego
975 kWh/m2/rok
ilość ciepła otrzymana z kolektora
słonecznego 1,75 GJ/m2/rok
ilość energii otrzymanej z ogniwa
fotowoltaicznego 175 kWh/m2/rok
53
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia słoneczna
156.000 [GWh/rok] / 175 [kWh/m2/rok]
= 891 km2 – taki obszar należałoby
pokryć ogniwami fotowoltaicznymi w
celu wytworzenia energii równej
produkcji krajowej (za rok 2005).
Istotnym problem (poza kosztami)
pozostaje magazynowanie energii,
gdyż okresy produkcji przez ogniwa
nie pokrywają się z okresami zużycia.
54
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Zasoby
energii
wiatru
55
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Średnioroczna prędkość wiatru w Polsce
to 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w
zimie.
Przyjmuje się, że dolną granicą
opłacalności budowy siłowni
wiatrowych jest średnioroczna
prędkość wiatru 5 m/s. Powierzchnia
kraju spełniająca ten warunek to ok.
60 tys. km2 (ok. 19 %).
56
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Zakładając dalej, że tylko 5 % tego obszaru
może być wykorzystane dla lokalizacji
siłowni (ze względów przyrodniczych i
społecznych), otrzymujemy ok. 3.000 km2,
na których mogą być budowane farmy.
Przyjmując farmę o mocy 2-3MW/km2 oraz
średni czas pracy z mocą nominalną 1.500
h/rok, możliwa jest produkcja energii na
poziomie 10.000 GWh/rok. Stanowi to
zaledwie ok. 6,5 % produkcji krajowej.
57
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
POLSKA – moc zainstalowana 1096 MW (wrzesień 2010)
Największe polskie farmy wiatrowe:
Margonin: 240 MW
Cisowo (p. sławieński): 9 x 2 MW (2001)
Zagórze (p. kamieński): 15 x 2 MW (2003)
Tymień (p. koszaliński): 25 x 2 MW (2006)
Góra Kamieńsk (p. radomszczański): 15 x 2 MW (2007)
58
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Farma wiatrowa „Zagórze”
59
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Potencjał techniczny energii wiatru na
wysokościach 40-60 m n.p.t. na
obszarze Bielska-Białej wynosi 400500 kWh/m2/rok.
Typowa siłownia 2 MW posiada pole
powierzchni wirnika ok. 5.000 m2,
zatem wytworzyłaby ok. 2.250 MWh,
co stanowi ok. 13 % wykorzystania
mocy (nad morzem > 20 %).
60
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wiatru
Ze względu na bardzo wysoki stopień
urbanizacji Bielska-Białej i okolic oraz
walory przyrodniczo-krajobrazowe,
jak również relatywnie niewielkie
średnioroczne prędkości wiatru, rejon
ten nie jest atrakcyjnym obszarem
dla lokalizacji farm wiatrowych.
61
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
W Polsce wody geotermalne posiadają
temperatury nieprzekraczające 100
OC. Wynika to z tzw. stopnia
geotermicznego, który w Polsce waha
się od 10 do 100 m (przeważnie 3570 m).
Całkowitą objętość wód geotermalnych
szacuje się na 6.700 km3.
62
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
Najbardziej zasobnymi obszarami są regiony
Grudziądzko-Warszawski oraz SzczecińskoŁódzki, które zajmują ok. 44 % obszaru
Polski i posiadają blisko 90 % zasobów wód
geotermalnych.
Ze względu na wysokie koszty inwestycyjne
(odwierty), tylko niewiele zasobów nadaje
się do praktycznego wykorzystania. W
warunkach polskich mogą one służyć
wyłącznie na cele ciepłownicze (nie elektr.).
63
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
Prowincje
geotermalne
w Polsce
64
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
Główne zakłady geotermalne w Polsce:
Bańska – Biały Dunajec: 125 MW
Pyrzyce: 50 MW (w tym 13 MW z
wody geotermalnej oraz 37 MW z
pomp ciepła i kotłów gazowych)
Mszczonów: 12 MW
Uniejów: 4,6 MW
Słomniki: 3,5 MW
65
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
W marcu 2000 r. na zlecenie UM
Bielsko-Biała opracowano „Koncepcję
wykorzystania zasobów oraz
praktycznego zagospodarowania
energii geotermalnej na terenie
gminy Bielsko-Biała wraz z analizą
finansowania wybranego projektu”.
66
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
W opracowaniu rozważono wykorzystanie odwiertu w Komorowicach
(głębokość 1.600 m, temperatura
wód 45-50 OC), który umożliwia
osiągnięcie mocy cieplnej 2,3 – 3,7
MW.
Przy uzyskaniu dotacji na poziomie 80
%, czas zwrotu nakładów wyniósłby
11-12 lat.
67
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia geotermalna
Temperatury wód geotermalnych w
rejonie Bielska-Białej, brak
perspektywicznych utworów
wodonośnych oraz duża mineralizacja
wód nie pozwalają na ich szersze
wykorzystanie w ciepłownictwie (np.
do okresowego wspomagania pracy
sieci ciepłowniczych).
68
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Zasoby wodno-energetyczne Polski są
relatywnie niewielkie w stosunku do
powierzchni. Zgodnie z zaleceniami
Światowej Konferencji Energetycznej, do
katastru sił wodnych przyjmuje się te
odcinki rzek, dla których potencjał
przekracza 100 kW/km.
Dla Polski teoretycznie wynosi on 23.000
GWh/rok, w praktyce do wykorzystania
nadaje się 12.100 GWh/rok (ok. 7,7 %
rocznej krajowej produkcji energii).
69
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Podział
potencjału
rzek polskich
70
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
W Polsce istnieje 24 elektrowni wodnych
o mocy ≥ 4 MW (w tym elektrownie
szczytowo-pompowe) oraz około 500
małych i mikro- elektrowni wodnych.
Ich łączna moc wynosi 2.112 MW.
Dla porównania, moc 3-ciej co do
wielkości elektrowni konwencjonalnej
w Polsce (Turów) wynosi 2.106 MW.
71
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Największą elektrownią szczytowopompową jest elektrownia w
Żarnowcu o mocy 716 MW.
Największą elektrownią przepływową
jest Elektrownia Wodna we
Włocławku (rzeka Wisła) o mocy 160
MW. Parametry nominalne:
spad 8,8 m
przełyk 2.190 m3/s
72
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Przez obszar miasta Bielska-Białej
przepływa rzeka Biała – prawy dopływ
Wisły.
Teoretyczny potencjał energii zawartej
w tej rzece wynika z lokalnych kaskad
oraz niewielkiego przepływu, rzędu
0,2 – 0,5 m3/s.
73
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Przykład – kaskada poniżej ul. Bora-Komorowskiego
74
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia wodna
Zagospodarowując w/w kaskadę można
uzyskać teoretyczną moc: 25 kW
Uwzględniając sprawność turbiny i generatora,
moc użyteczna wyniosłaby < 20 kW. Biorąc
dodatkowo pod uwagę znacznie mniejsze
przepływy w okresach suchego lata i
mroźnej zimy, budowa MEW w tej
lokalizacji byłaby niskoopłacalna.
75
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia biomasy
Biomasa to materia organiczna zawarta w organizmach roślinnych i
zwierzęcych. W procesie fotosyntezy żywe komórki przekształcają
znajdujący się w powietrzu CO2 głównie w węglowodory. Dlatego
biomasę traktuje się jako źródło energii odnawialnej.
Nośniki energii otrzymane z biomasy mogą występować w stanie stałym,
ciekłym i gazowym.
UWAGA:
Spalanie biomasy powoduje emisję CO2, z tym że jest ona równoważna
pochłanianiu CO2 w cyklu życia danej rośliny.
Spalanie biomasy powoduje również emisję innych substancji,
podobnie szkodliwych jak przy spalaniu węgla, dlatego powinno
odbywać się w przystosowanych do tego urządzeniach.
Spalanie biomasy musi być traktowane rozsądnie! (np. nie spalać
dobrej jakości żywności lub drewna)
76
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia biomasy
W warunkach polskich istotne znaczenie z
punktu widzenia zasobów energii mają
następujące rodzaje biomasy:
drewno, słoma paliwa stałe
rośliny oleiste, rośliny przeznaczone na
fermentację alkoholową paliwa ciekłe
(bioetanol, estry oleju rzepakowego)
obornik, gnojowica, odpady organiczne na
wysypiskach, osady ze ścieków
komunalnych paliwa gazowe (biogaz,
powstały w wyniku fermentacji metanowej)
77
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia biomasy
Potencjał energii z biomasy [PJ]
biogaz; 16,0
alkohole; 21,6
słoma; 49,5
rośliny oleiste; 23,7
plantacje energet.;
26,4
drewno; 68,3
78
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce – energia biomasy
Na terenie Bielska-Białej istnieją następujące
źródła biomasy, które są już
zagospodarowane:
drewno odpadowe z pielęgnacji zieleni
miejskiej i lasów miejskich,
biogaz z fermentacji odpadów na wysypisku
komunalnym,
biogaz z fermentacji osadów ściekowych.
79
Potencjał energii odnawialnej
w Polsce
Odnawialne źródła energii mają przede wszystkim znaczenie lokalne. Rozwój produkcji
energii z tych źródeł powinien być głównie
warunkowany lokalnymi zasobami OZE, jak
również możliwością lokalnego wykorzystania
ciepła i energii na danym obszarze.
W ten sposób unika się istotnych strat i
zanieczyszczeń generowanych przez transport i
magazynowanie, jak również zwiększa się
bezpieczeństwo energetyczne tych lokalnych
systemów.
80
Sposoby zastosowania OZE
oraz przykłady praktycznych
rozwiązań
Powrót do spisu treści
81
Sposoby zastosowania OZE
Do najpopularniejszych sposobów
wykorzystania energii słonecznej
należą:
zastosowanie kolektorów cieczowych do
wytwarzania ciepła,
zastosowanie kolektorów powietrznych
do wytwarzania ciepła,
zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do
wytwarzania energii elektrycznej.
82
Sposoby zastosowania OZE
Najpopularniejsze trzy rodzaje
kolektorów cieczowych to:
kolektory płaskie,
kolektory próżniowe,
kolektory z rurką cieplną (heat pipe),
Kolektory hybrydowe.
83
Sposoby zastosowania OZE
Budowa kolektora płaskiego
84
Sposoby zastosowania OZE
Budowa kolektora próżniowego
85
Sposoby zastosowania OZE
Budowa kolektora próżniowego typu Heatpipe
86
Sposoby zastosowania OZE
Kolektory słoneczne próżniowe i typu Heat-Pipe stosuje się przede
wszystkim w instalacjach całorocznych ponieważ zastosowana
izolacja termiczna w postaci próżni jest najdoskonalsza z możliwych.
Instalacje solarne oparte na technologii kolektorów próżniowych są
zalecane dla naszego klimatu ponieważ ich wydajność w stosunku
rocznym jest wyższa w porównaniu do kolektorów płaskich nie
izolowanych próżnią od otoczenia. Oczywiście ostatecznie powinna
decydować analiza ekonomiczna.
Kolektory hybrydowe są połączeniem panelu fotowoltaicznego z
kolektorem słonecznym wodnym lub powietrznym, który odbiera
ciepło od panelu chłodząc go i podnosząc jego sprawność.
87
Sposoby zastosowania OZE
Sprawność optyczna kolektorów wynosi
przeciętnie 70 – 80 %. Ponadto kolektory
słoneczne generują straty ciepła do
otoczenia. Całość tych strat składa się na
całkowitą sprawność danego typu
kolektora, zależną od różnicy temperatur
pomiędzy kolektorem a powietrzem
zewnętrznym. Średnioroczna sprawność
ogólna nie przekracza jednak zwykle 40%.
88
Sposoby zastosowania OZE
Przykładowe sprawności różnych typów kolektorów
90%
80%
Sprawność [%]
70%
60%
k. płaski
50%
k. Heatpipe
40%
k. próżniowy
30%
20%
10%
0%
0
20
40
60
80
100
Różnica temperatur [K]
89
Sposoby zastosowania OZE
Typowy
schemat
instalacji
solarnej
90
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania kolektorów
słonecznych płaskich: instalacja
szkoleniowo-demonstracyjna w
Bielskim Centrum Kształcenia
Ustawicznego i Praktycznego, Zespół
Pracowni Nr 1 przy ul. Krasińskiego
37.
91
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja składa się z:
3 kolektorów słonecznych typu KS
2000S prod. Hewalex (Bestwina) o
łącznej powierzchni czynnej 5,5 m2,
zespołu pompowo-sterowniczego,
podgrzewacza c.w.u. o pojemności
300 dm3 z wbudowaną grzałką
elektryczną,
komputera PC z wizualizacją procesu.
92
Sposoby zastosowania OZE
93
Sposoby zastosowania OZE
94
95
96
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania kolektorów
słonecznych typu Heatpipe: instalacja
przygotowania c.w.u. w Domu
Pomocy Społecznej przy ul.
Żywieckiej 15.
97
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja składa się z:
8 kolektorów słonecznych typu AKT20-58-1800 o łącznej powierzchni
czynnej 23 m2,
zespołu pompowo-sterowniczego,
dodatkowego podgrzewacza c.w.u. IO
o pojemności ok. 2 m3 ,
szafy telemetrycznej.
98
Sposoby zastosowania OZE
99
Sposoby zastosowania OZE
100
Sposoby zastosowania OZE
101
Sposoby zastosowania OZE
102
Sposoby zastosowania OZE
103
Sposoby zastosowania OZE
104
Sposoby zastosowania OZE
Ogniwa fotowoltaiczne służą do
wytwarzania energii elektrycznej na
drodze konwersji energii
promieniowania słonecznego.
Ogniwa budowane są z materiałów
półprzewodnikowych
(w przeważającej ilości z krzemu).
105
Sposoby zastosowania OZE
Zasada działania:
Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy
złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze
fotony o energii większej od szerokości przerwy
energetycznej półprzewodnika powodują powstanie
par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz
półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n,
przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony.
Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p.
Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje
powstanie na nim zewnętrznego napięcia
elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są
nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas
życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone
złącze działa jako ogniwo elektryczne.
106
Sposoby zastosowania OZE
Rodzaje ogniw słonecznych:
monokrystaliczne: budowane z jednorodnych
kryształów krzemu, ciętych na warstwy o grubości ok.
0,3 mm. Mają najwyższy poziom sprawności (ponad
15 %) oraz żywotności,
polikrystaliczne: ogniwa złożone są z wielu mniejszych
kryształów, przez co są mniej wydajne, lecz znacznie
prostsze w produkcji i tańsze, przez co są najbardziej
popularne,
amorficzne: warstwa krzemu o grubości zaledwie 2
mikronów osadzana jest na powierzchni np. szkła.
Służą najczęściej do zasilania małych urządzeń
elektrycznych, posiadają sprawność rzędu 8,5 %.
107
Sposoby zastosowania OZE
Schemat
solarnego
systemu
zasilania
108
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania ogniw
fotowoltaicznych:
- Gimnazjum KTK (1,37kWp)
- instalacja szkoleniowodemonstracyjna w Bielskim Centrum
Kształcenia Ustawicznego i
Praktycznego, Zespół Pracowni Nr 1
przy ul. Krasińskiego 37.
109
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja składa się z 2 ogniw
fotowoltaicznych o parametrach:
moc nominalna 120 W,
napięcie jałowe 40 V,
napięcie pracy 24 V.
Instalacja nie posiada pozostałych elementów.
Do sali lekcyjnej wyprowadzone są zaciski
ogniw, które umożliwiają przeprowadzanie
pomiarów i doświadczeń.
110
Sposoby zastosowania OZE
111
Sposoby zastosowania OZE
Przykładem wykorzystania ogniw
słonecznych są ogniwa paliwowe.
Są to ogniwa generujące energię
elektryczną z reakcji utleniania stale
dostarczanego z zewnątrz paliwa.
Większość ogniw to ogniwa wykorzystujące wodór i tlen (ogniwa
wodorowe), przez co produktem
spalania jest para wodna.
112
Sposoby zastosowania OZE
Zasada działania ogniw wodorowych:
Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela
anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego
papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora
reakcji. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar
porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z
materiałem katody zachodzi dysocjacja, w wyniku czego
powstają jony protonowe H+ oraz elektrony e. Elektrony
przyciągane przez anodę pozostają w niej, a jony wodorowe
dyfundują. Półprzepuszczalna membrana jest
przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych
jonów, szczególnie jonów tlenu od katody do anody.
Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód
elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie
urządzeń. Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc
jony O-2, a jony wodorowe H+ są zobojętniane
zjonizowanym tlenem. Końcowy produktu to H2O czyli woda
w postaci pary lub ciekłej.
113
Sposoby zastosowania OZE
W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania
paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są
jednak urządzenia, w których łączy się baterie
słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z
ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest
produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w
nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego
procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu 30–40 %.
Podobne rozwiązanie może zostać zastosowane w
elektrowni wiatrowej. Kiedy wieje wiatr nadmiar
energii magazynowany jest w postaci wodoru. Kiedy
wiatr cichnie niedobór prądu pokrywa produkcja
energii w ogniwie paliwowym.
114
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania ogniwa
paliwowego:
instalacja szkoleniowodemonstracyjna w Bielskim Centrum
Kształcenia Ustawicznego i
Praktycznego, Zespół Pracowni Nr 1
przy ul. Krasińskiego 37.
115
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja składa się z modelu
laboratoryjnego firmy h-tec „Junior
Basic J101” złożonego z:
elektrolizera 1 W,
ogniwa paliwowego 500 mW,
zbiorników tlenu i wodoru o
pojemności 30 cm3 każdy,
ogniwa fotowoltaicznego 2 V 350 mA,
wiatraczka z napędem 10 mW.
116
Sposoby zastosowania OZE
117
Sposoby zastosowania OZE
W modelu demonstracyjnym zachodzi
następujący ciąg reakcji:
promieniowanie słoneczne produkcja
energii elektrycznej przez baterię
słoneczną elektroliza wody magazynowanie tlenu i wodoru wytwarzanie energii elektrycznej
przez wodorowe ogniwo paliwowe napędzanie wentylatorka energią
elektryczną
118
Sposoby zastosowania OZE
Praktyczne wykorzystanie energii
wiatrowej odbywa się za pomocą
siłowni (turbin, elektrowni) wiatrowych,
pojedynczych lub zgrupowanych w tzw.
farmach wiatrowych.
Turbina wiatrowa jest urządzeniem
zamieniającym energię kinetyczną
wiatru na pracę mechaniczną w postaci
ruchu obrotowego wirnika.
119
Sposoby zastosowania OZE
Zasada działania turbin o poziomej osi obrotu:
Turbina wiatrowa zaopatrzona jest w wirnik,
składający się z łopat i piasty umieszczonej
na przedniej części gondoli ustawionej na
wiatr. Wirnik przymocowany jest do
głównego wału, wspierającego się na dwóch
łożyskach. Wał przenosi energię obrotów
przez przekładnię do generatora, który
przekształca ją w energię elektryczną.
120
Sposoby zastosowania OZE
121
Sposoby zastosowania OZE
Istnieją także siłownie o osi pionowej:
rotorowa Savoniusa
Darrieusa
122
Sposoby zastosowania OZE
Aktualnie najczęściej stosowane konstrukcje
to siłownie o mocy rzędu 2 MW. Typowe
parametry takich jednostek to wysokość
100 m i średnica wirnika 80 m.
Nominalna sprawność siłowni jest rzędu 50 %,
jednak dla słabszych wiatrów może wynosić
nawet poniżej 40 %. W praktyce korzysta
się z wykresów krzywych mocy (zależność
oddawanej mocy elektrycznej od prędkości
wiatru).
123
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania elektrowni
wiatrowej:
- instalacja szkoleniowodemonstracyjna w Bielskim Centrum
Kształcenia Ustawicznego i
Praktycznego, Zespół Pracowni Nr 1
przy ul. Krasińskiego 37.
124
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja składa się z generatora wiatrowego AIR-X 400
prod. Southwest Windpower o parametrach:
moc nominalna 400 W @ 12,5 m/s,
moc szczytowa 550 W,
wewnętrzny regulator ładowania z prostownikiem,
napięcie pracy 24 V (także wersje 12 i 48 V),
średnica wirnika 1,15 m, masa 6 kg,
prędkość startowa 3 m/s.
Instalacja nie posiada pozostałych elementów. Do sali
lekcyjnej wyprowadzone są zaciski prostownika, które
umożliwiają przeprowadzanie pomiarów i
doświadczeń.
125
Sposoby zastosowania OZE
126
Sposoby zastosowania OZE
Wykres
krzywej
mocy
1 mph ≈0,45 m/s
127
Sposoby zastosowania OZE
Analogicznie, praktyczne wykorzystanie
energii wodnej odbywa się za pomocą
siłowni (turbin, elektrowni) wodnych,
zlokalizowanych na ciekach wodnych.
Turbina wodna jest urządzeniem
zamieniającym energię mechaniczną
wody na pracę mechaniczną w postaci
ruchu obrotowego wirnika z łopatkami.
128
Sposoby zastosowania OZE
Turbiny wodne dzieli się na:
akcyjne (natryskowe)
turbina Peltona (spad 300 – 2.000 m)
reakcyjne (naporowe)
turbina Francisa (20 – 600 m)
turbina Kaplana (3 – 80 m)
turbina Banki-Michella (1 – 60 m)
Występują także klasyczne koła młyńskie, nie
będące turbinami w klasycznym rozumieniu
tego słowa. W zależności od miejsca
dopływu wody, koła dzieli się na nasiębierne, śródsiębierne oraz podsiębierne.
129
Sposoby zastosowania OZE
Turbina Peltona jest turbiną natryskową. Wykorzystuje
się energię kinetyczną strumienia wody, która za
pomocą dyszy kierowana jest bezpośrednio na łopatki
wirnika, wprawiając ją w ruch obrotowy.
W turbinie Francisa przewód dostarczający ciecz roboczą
ma kształt spirali. Poruszający się płyn przemieszcza
się po coraz mniejszym promieniu, co zgodnie z
zasadą zachowania momentu pędu prowadzi do
wzrostu prędkości obrotowej. Łopatki kierujące
prowadzą płyn stycznie do kierunku rotacji wprost na
łopatki wirnika. Odpowiednio ustawiony kąt łopatek
pozwala na zapewnienie optymalnej pracy w szerokim
zakresie różnicy ciśnień.
130
Sposoby zastosowania OZE
Turbina Kaplana to odmiana turbiny śmigłowej,
czyli takiej której łopatki mają kształt podobny
do śrub okrętowych. Woda kierowana jest
bezpośrednio na łopatki. Istnieje możliwość
zmiany kąta łopatek w czasie pracy, co w
efekcie wpływa na regulację otrzymywanej
mocy i zwiększenie zakresu wysokich
sprawności.
W turbinie Banki-Michella woda przepływa
dwukrotnie przez palisadę łopatkową wirnika,
zbudowanego w kształcie walca. Wirnik
zasilany jest przez odpowiednio wyprofilowaną
kierownicę.
131
Sposoby zastosowania OZE
Turbina
Peltona
Turbina Francisa
z generatorem
132
Sposoby zastosowania OZE
Turbina
Kaplana
zasada działania
turbiny Banki-Michella
133
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania elektrowni
wodnej:
- mała elektrownia wodna na rzece
Młynówka w Czańcu (p. bielski),
zlokalizowana w dawnych Zakładach
Produkcji Tektury.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest firma Górecki sp. j.
134
Sposoby zastosowania OZE
Młyn wodny pracował tu już na początku XIX
w. Pierwotnie mielono tu zboże, jednak w
połowie XIX w. przerobiony został na
papiernię, gdzie zainstalowano dwie turbiny
Girarda o mocy 90 KM każda, napędzające
poprzez zespół przekładni maszyny
papierni. W połowie lat 60’ jedną z turbin
przystosowano do produkcji energii.
W 1987 r. turbiny Girarda wraz z budynkiem
siłowni zostały wpisane do rejestru
zabytków.
135
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry obiektu:
turbina Kaplana 160 kW
średnica wirnika 750 mm
przepływ regulowany w zakresie 0,6 – 3,0
m3/s
różnica poziomów wody dolnej i górnej 6,5
m
rok oddania do eksploatacji 2006
średni przepływ 1,0 – 1,2 m3/s
średnia moc 55 – 60 kW
136
Sposoby zastosowania OZE
Budynek
siłowni –
widok
od strony
wody górnej
137
Sposoby zastosowania OZE
Budynek
siłowni –
widok
od strony
wody dolnej
138
Sposoby zastosowania OZE
Ekspozycja
zabytkowych
maszyn
139
Sposoby zastosowania OZE
Turbina
Kaplana
160 kW
– widok
na generator
i przekładnię
140
Sposoby zastosowania OZE
Sterowanie
hydrauliczne
kątem
natarcia
łopatek
turbiny
141
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania elektrowni
szczytowo-pompowej: Elektrownia
Porąbka-Żar w Porąbce (p. bielski).
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest spółka Elektrownie SzczytowoPompowe S.A.
142
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry obiektu:
moc dla pracy generatorowej 500 MW
(druga co do wielkości ES-P w Polsce)
moc dla pracy pompowej 540 MW
turbiny Francisa (odwracalne) 4 x 125 MW
zbiornik górny: zbiornik sztuczny na górze
Żar (ok. 750 m n.p.m.), maksymalne
wymiary 650x250x28 m, obj. 2,3 mln m3
zbiornik dolny: Jezioro Międzybrodzkie (ok.
320 m n.p.m.) – spiętrzone najstarszą w
Polsce zaporą w Porąbce (1937)
rok oddania do eksploatacji 1979
143
Sposoby zastosowania OZE
Zbiornik górny na górze Żar
144
Sposoby zastosowania OZE
Przekrój zbiornika –
tablica informacyjna
na górze Żar
145
Sposoby zastosowania OZE
Przekrój turbozespołu
125 MW:
Silnik rozruchowy
Generator
Turbina Francisa
146
Sposoby zastosowania OZE
Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce odbywa
się wyłącznie do celów ciepłowniczych. Stosowane są
dwie podstawowe metody:
bezpośrednio: woda geotermalna jest na tyle ciepła,
że podgrzewa strumień wody sieciowej za pomocą
wymiennika ciepła,
pośrednio, z wykorzystaniem pomp ciepła: ponieważ
temperatura wody geotermalnej jest niższa od
temperatury wody sieciowej, pompa ciepła odbiera
ciepło z wody geotermalnej, podnosi je na wyższy
poziom temperaturowy i przekazuje do obiegu
czynnika grzewczego.
147
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania ciepłowni
geotermalnej: ciepłownia
geotermalna w Bańskiej Niżnej (p.
nowotarski).
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest Przedsiębiorstwo Energetyki
Cieplnej Geotermia Podhalańska S.A.
148
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry geotermalnej instalacji
ciepłowniczej:
zatwierdzone zasoby eksploatacyjne 550 m3/h
bardzo niska mineralizacja < 3 g/dm3
temperatura wody na głowicy 86 OC
moc geotermalnych wymienników ciepła 40 MW
kotłownia szczytowa (Zakopane) o mocy 40 MW, w
tym trzy gazowe agregaty kogeneracyjne o mocy 1,5
MWe i 2,1 MWt
roczna sprzedaż ciepła > 300.000 GJ
ponad 1.000 podłączonych odbiorców
149
Sposoby zastosowania OZE
Schemat systemu
geoteralnego
Bańska – Biały Dunajec
150
Sposoby zastosowania OZE
Otwór wydobywczy Bańska PGP-1 w Bańskiej Niżnej
151
Sposoby zastosowania OZE
Problemem ekonomicznym w tego typu
zakładach geotermalnych są
relatywnie wysokie temperatury wody
powracającej do złoża (tu ok. 55 OC).
Stąd rozważa się dalsze wykorzystanie
ciepła wód geotermalnych, np.
poprzez kaskadowe systemy ich
schładzania.
152
Sposoby zastosowania OZE
Przykładowo, w laboratorium geotermalnym IGSMiE PAN w Bańskiej,
realizowana jest następująca kaskada:
obiekty mieszkalne suszarnia drewna
szklarnia hodowla ryb
ciepłolubnych podgrzew gleby w
tunelach foliowych
153
Sposoby zastosowania OZE
Jeśli woda geotermalna posiada zbyt niską
temperaturę, można wykorzystać jej ciepło stosując
pompy ciepła.
Pompy ciepła można również zastosować do
wykorzystania niskotemperaturowego ciepła
zawartego w otoczeniu (w powietrzu, glebie,
ciekach powierzchniowych i wodach gruntowych),
którego źródłem jest energia promieniowania
słonecznego.
Podstawą działania pompy ciepła jest wzrost
temperatury gazu przy jego sprężaniu i spadek
temperatury przy rozprężaniu oraz zjawiska
parowania i skraplania.
154
Sposoby zastosowania OZE
Schemat obiegu
sprężarkowej
pompy ciepła
155
Sposoby zastosowania OZE
Zasada działania:
1.
Czynnik pośredniczący (płyn niezamarzający np. glikol) krąży w
przewodzie zbiorczym (wężownicy). Mając niską temperaturę (poniżej
zera) absorbuje ciepło z podłoża skalnego, gruntu, powietrza lub wody
(tzw. dolnego źródła ciepła) i się ogrzewa.
2.
W wymienniku ciepła – tzw. parowniku podgrzany w dolnym źródle
ciepła czynnik pośredniczący styka się z zimnym czynnikiem
chłodniczym obiegu wewnętrznego pompy ciepła. Czynnik chłodniczy
podgrzewa się i odparowuje, stając się gazem.
3.
Gaz ten zostaje sprężony przez kompresor jeszcze bardziej się
podgrzewając. Wytworzone w tych procesach ciepło jest
przekazywane przez drugi wymiennik – tzw. skraplacz - do systemu
ogrzewania budynku. Ciepło jest przekazywane z racji przewodzenia
oraz zmiany stanu skupienia, gdyż w wymienniku tym następuje
schłodzenie gorącego gazu i jego zamiana w ciecz.
4.
Ciecz ta po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie, a
tym samym jeszcze bardziej obniża swoją temperaturę oraz
przepływa do parownika, gdzie w kontakcie z czynnikiem
pośredniczącym znów odparowuje, podgrzewa się i proces zaczyna się
ponownie.
156
Sposoby zastosowania OZE
Przykłady instalacji odbierających
darmowe ciepło z otoczenia:
Podłoże skalne
Grunt
157
Sposoby zastosowania OZE
Przykłady instalacji odbierających
darmowe ciepło z otoczenia:
Wody powierzchniowe
Wody gruntowe
158
Sposoby zastosowania OZE
Przykłady instalacji odbierających
darmowe ciepło z otoczenia:
Powietrze
159
Sposoby zastosowania OZE
Rozwinięciem instalacji pomp ciepła jest
możliwość ich wykorzystania na potrzeby
klimatyzacji pomieszczeń.
Proces chłodzenia można realizować aktywnie
(pompa ciepła pracuje w układzie
odwróconym) lub pasywnie, po prostu
korzystając z niższej temperatury gruntu
lub wody w stosunku do powietrza
atmosferycznego.
Dlatego dziś pompa ciepła służy zarówno do
ogrzewania, jak i klimatyzacji pomieszczeń.
160
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania pomp ciepła:
basen kryty przy ul. Langiewicza 26.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest spółka AQUA S.A.
161
Sposoby zastosowania OZE
W obiekcie zainstalowano następujące
rozwiązania oparte o pompy ciepła:
odbiór ciepła z kolektora wody miejskiej
Ø1200 (w zależności od pory roku 5-15 OC)
do ogrzewania obiektów i podgrzewu wody
basenowej (schłodzona woda w lecie służy
do wspomagania klimatyzacji),
odbiór ciepła z wywiewanego powietrza
wentylacyjnego do celów j.w.,
odbiór ciepła z wywiewanego powietrza
wentylacyjnego do podgrzewu powietrza
nawiewanego.
162
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry źródeł ciepła:
pompy ciepła Hoval 30RW 2 x 175 kW
pompa ciepła Hoval Genius 16B 16 kW
zasobniki ciepła 3 x 0,75 m3 z układem
grzałek rezerwowych 10 x 9 kW
pojemnościowy podgrzewacz c.w.u. 1,2 m3
z grzałką rezerwową 16 kW
rezerwowy kocioł gazowy Hoval UltraGas
AM-C 100 kW
maksymalne zapotrzebowanie na moc
cieplną odbiorników 376 kW
163
Sposoby zastosowania OZE
Pompa ciepła
175 kW
164
Sposoby zastosowania OZE
Centrala termowentylacyjna
z odzyskiem ciepła
165
Sposoby zastosowania OZE
Zasobniki
ciepła
3 x 0,75 m3
166
Sposoby zastosowania OZE
Podgrzewacz c.w.u.
1,2 m3
167
Sposoby zastosowania OZE
Rozdzielacz
z indywidualnie
sterowanymi
obiegami grzewczymi
168
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania pomp ciepła:
Oczyszczalnia Ścieków Komorowice
przy ul. Bestwińskiej.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest spółka AQUA S.A.
169
Sposoby zastosowania OZE
W obiekcie zainstalowano następujące
rozwiązanie oparte o pompy ciepła:
Odbiór ciepła odbywa się ze ścieku surowego
(w piaskownikach) za pomocą ułożonych
wewnątrz kolektorów z rur PE Ø40 o
długości 4 x 600 mb. Temperatura ścieków
na dopływie wynosi przeciętnie 10-15 OC (w
zależności od pory roku). W rurach krąży
niezamarzający wodny roztwór glikolu.
170
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry źródeł ciepła:
pompy ciepła Thermia Robust 35 U/M
3 x 35 kW
szczytowy kocioł elektryczny
zasobnik c.w.u. o pojemności 0,7 m3
wytworzone ciepło służy do ogrzewania
pomieszczeń biurowych, socjalnych,
warsztatowych oraz przygotowania c.w.u.
(maksymalne zapotrzebowanie na moc
cieplną odbiorników wynosi 133 kW)
171
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja glikolu
w piaskownikach
172
Sposoby zastosowania OZE
Piaskowniki
173
Sposoby zastosowania OZE
Pompy ciepła
3 x 35 kW
174
Sposoby zastosowania OZE
Energetyczne wykorzystanie biomasy
(drewno, słoma) odbywa się poprzez
jej spalanie.
Podczas spalania wydziela się CO2 do
atmosfery, jednak jest to ilość
porównywalna do tej ilości CO2, która
została zasymilowana przez rośliny w
procesie wzrostu, stąd biomasę
klasyfikuje się jako odnawialne źródło
energii.
175
Sposoby zastosowania OZE
Biomasę spala się w specjalnie
zaprojektowanych do tego celu kotłach,
wytwarzając ciepło.
W dużych instalacjach możliwe jest także
wytwarzanie energii elektrycznej, podobnie
jak w klasycznych elektrociepłowniach.
Istnieją również prototypowe instalacje
wykorzystujące np. zjawisko pirolizy
(destylacji rozkładowej) do produkcji
energii elektrycznej i ciepła z biomasy.
176
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania kotłów na
biomasę: ogrzewanie szklarni przy Al.
Armii Krajowej 132.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest spółka Zieleń Miejska Sp. z o.o.
Biomasa drzewna pozyskiwana jest z
pielęgnacji zieleni miejskiej oraz lasu
miejskiego.
177
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry instalacji:
kotły Vigas 3 x 80 kW
kotły zgazowujące drewno, z ręcznym
załadunkiem drewna kawałkowego
sprawność nominalna 85 %
zalecana wilgotność drewna 15-25 %
dopuszczalna wilgotność drewna 1035 %
rok oddania do eksploatacji 1997
178
Sposoby zastosowania OZE
Jednym z kluczowych aspektów przy spalaniu
biomasy jest jej wilgotność. Zbyt wysoka
wilgotność powoduje stratę energii na
podgrzanie i odparowanie wody.
Drewno po ścięciu posiada wilgotność rzędu
85 % i w trakcie suszenia na świeżym
powietrzu wysycha do poziomu:
40-45 % po 3 miesiącach
~30 % po 6 miesiącach
20-25 % po 1 roku
15-20 % po 1,5 roku (tzw. stan
powietrznosuchy)
179
Sposoby zastosowania OZE
Instalacja
kotłowa
3 x 80 kW
180
Sposoby zastosowania OZE
Ogrzewane obiekty –
szklarnie
181
Sposoby zastosowania OZE
Magazyn drewna opałowego
182
Sposoby zastosowania OZE
Materię organiczną można również poddać
procesowi fermentacji beztlenowej, podczas
której następuje szereg przemian
biochemicznych, z których ostatnią jest
metanogeneza – produkcja metanu przez
bakterie metanowe.
Zaletą tego procesu jest możliwość uzyskania
biogazu (gazu palnego, mieszaniny CH4 i
CO2) z materii, której spalenie byłoby
niemożliwe lub nieopłacalne.
183
Sposoby zastosowania OZE
Najczęściej spotykanym rodzajem
fermentacji metanowej jest
fermentacja mezofilna, która zachodzi
w temperaturze 30-37 OC. Proces ten
realizowany jest w sposób
kontrolowany w zamkniętych
komorach fermentacyjnych (tzw.
WKF-ach) w oczyszczalniach ścieków i
w biogazowniach rolniczych.
184
Sposoby zastosowania OZE
Powstały w wyniku fermentacji biogaz,
posiadając wysoką zawartość metanu
(najczęściej 30-70 %) może być spalany
tak jak gaz ziemny w celu wytworzenia:
ciepła (spalanie w kotle)
energii elektrycznej (spalanie w agregacie
prądotwórczym)
ciepła i energii elektrycznej równocześnie
(spalanie w agregacie kogeneracyjnym)
185
Sposoby zastosowania OZE
Kogeneracja, inaczej współwytwarzanie, jest
techniką energetyczną, w ramach której
jednocześnie wytwarzana jest energia
elektryczna i ciepło.
W wyniku tego procesu do otrzymania tych
samych ilości ciepła i energii elektrycznej
zużywa się mniej paliwa, aniżeli w
przypadku rozdzielnego wytwarzania tych
czynników energetycznych.
186
Sposoby zastosowania OZE
Rozdzielone wytwarzanie ciepła i energii
elektrycznej:
Paliwo
1 MWh
Ciepłownia
η ~ 85 %
ciepło
Odbiorca:
0,85 MWhth
+
Paliwo
1 MWh
Elektrownia
η ~ 38 %
energia el.
0,38 MWhel
= 1,23 MWh
187
Sposoby zastosowania OZE
Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii
elektrycznej:
ciepło
Paliwo
2 MWh
Elektrociepłownia
(agregat kogener.)
ηel ~ 35 %
energia el.
ηth ~ 50 %
Odbiorca:
1,00 MWhth
+
0,70 MWhel
= 1,70 MWh
188
Sposoby zastosowania OZE
Typowe instalacje kogeneracyjne:
energetyka zawodowa: kocioł parowy +
turbina parowa (paliwo: węgiel)
energetyka przemysłowa: turbina gazowa
+ kocioł odzysknicowy (paliwa płynne: gaz
ziemny, LPG, olej opałowy)
energetyka rozproszona: agregat
kogeneracyjny (paliwa płynne i odnawialne:
gaz ziemny, LPG, olej opałowy, biogaz,
gazy niskokaloryczne, gaz kopalniany)
189
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania agregatu
kogeneracyjnego zasilanego
biogazem z oczyszczalni ścieków:
Oczyszczalnia Ścieków Komorowice
przy ul. Bestwińskiej.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest spółka Aqua S.A.
190
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry instalacji:
agregat kogeneracyjny Petra 230 CDF firmy Elteco o
nominalnej mocy 190 kWel i 231 kWth
sprawność elektryczna ~ 37 %
sprawność cieplna ~ 45 %
średnia bieżąca produkcja biogazu 2300 m3/d, po
zakończeniu modernizacji planowany wzrost do 4200
m3/d
agregat zużywa ok. 95 % wytworzonego biogazu
w bilansie rocznym agregat pokrywa ok. 20 %
zapotrzebowania na energię elektryczną oraz ok. 55
% zapotrzebowania na ciepło oczyszczalni ścieków
instalacja oddana do eksploatacji w roku 2006
191
Sposoby zastosowania OZE
Zbiornik biogazu 2000 m3, w tle WKF
192
Sposoby zastosowania OZE
Budynek agregatów prądotwórczych
193
Sposoby zastosowania OZE
Agregat kogeneracyjny Petra 230 CDF
194
Sposoby zastosowania OZE
Szafy elektryczne sterowania i wyprowadzenia mocy
195
Sposoby zastosowania OZE
Agregat prądotwórczy Wola z lat 70’ 100 kW –
wymieniony w 2010 roku na nowoczesną
jednostkę kogeneracyjną 250 kW
196
Sposoby zastosowania OZE
Przykład zastosowania agregatu
prądotwórczego zasilanego biogazem
ze składowiska odpadów: składowisko
odpadów przy ul. Krakowskiej 315d.
Właścicielem i użytkownikiem obiektu
jest Zakład Gospodarki Odpadami
S.A. Agregaty są w posiadaniu i w
eksploatacji firmy EKOBUD Sp. z o.o.
197
Sposoby zastosowania OZE
Podstawowe parametry instalacji:
agregaty prądotwórcze o mocy 3 x 250 kW firmy Man
zużycie biogazu przez jeden agregat 170 m3/h
sieć odgazowująca złożona z 40 studni (stare
składowisko) oraz 12 studni (nowe składowisko)
głębokość odwiertów do 25 m
instalacja oddana do eksploatacji w roku 2002
ciepło z chłodzenia silników rozpraszane jest do
otoczenia poprzez zestaw chłodnic wentylatorowych
198
Sposoby zastosowania OZE
Studnia odgazowująca
199
Sposoby zastosowania OZE
Silniki
gazowe
w budynku
elektrowni
200
Serdecznie dziękuję za uwagę!
Piotr Sołtysek
Pełnomocnik prezydenta miasta ds.
zarządzania energią
Biuro Zarządzania Energią
Tel. 33 4971 518
[email protected]
W niniejszej prezentacji wykorzystano
informacje z następujących źródeł:
publikacje:
J. Tymiński „Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce
do 2030 roku”
W. Bujakowski i in. „Odnawialne źródła energii i możliwości ich
wykorzystania na obszarach nieprzemysłowych województwa
śląskiego”
W. Bujakowski i in. „Energia geotermalna. Świat – Polska –
Środowisko”
Z. Michniowski i in. „Koncepcja wykorzystania zasobów oraz
praktycznego zagospodarowania energii geotermalnej na
terenie gminy Bielsko-Biała wraz z analizą finansowania
wybranego projektu”
D. Laudyn i in. „Elektrownie”
akty prawne:
Ustawa Prawo energetyczne z rozporządzeniami wykonawczymi
202
W niniejszej prezentacji wykorzystano
informacje z następujących źródeł (c.d.):
strony internetowe:
www.pl.wikipedia.org
www.klimatdlaziemi.pl
www.nasa.gov
www.europa.eu
www.ure.gov.pl
www.tge.pl
www.imgw.pl
www.fotowoltaika.com.pl
www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
www.uwm.edu.pl
materiały informacyjne oraz techniczno-handlowe firm:
Viessmann, EPA, Hewalex, P.K. Therma, h-tec, Southwest
Windpower, Górecki s.j., PEC Geotermia Podhalańska, Danfoss,
Aqua, Zieleń Miejska, Zakład Gospodarki Odpadami
203

Podobne dokumenty