Praca dyplomowa - Zakład Wibroakustyki i Bio

Transkrypt

POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania
Instytut Mechaniki Stosowanej
PRACA DYPLOMOWA – MAGISTERSKA
KOGENERACJA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII
W WARUNKACH WIEJSKICH
Student:
Daniel MATUSZEWSKI
Kierunek:
Mechanika i Budowa Maszyn
Specjalność:
Mechatronika
Kierujący pracą: prof. Czesław CEMPEL
Koreferent:
dr inż. Maciej TABASZEWSKI
Poznań –Wrzesień 04
Matuszewski D. Kogeneracja odnawialnych źródeł energii... Praca mgr. WBMiZ PP 2004
Spis Treści
Streszczenie/Introduction.
1.Wstęp.
2.Przegląd źródeł i zastosowań energii odnawialnej.
2.1Energia wody.
2.2 Zasada krążenia wody w atmosferze.
2.3 Rys historyczny wykorzystania sił wodnych na świecie i w Polsce.
2.4 Zasada działania lądowych elektrowni wodnych.
2.5 Wykorzystanie energii morza.
2.6 Wykorzystanie energii pływów morskich.
2.7 Wykorzystanie energii fal morskich.
2.8 Wykorzystanie energii cieplnej oceanu.
2.9 Wykorzystanie energii prądów morskich.
2.10 Podsumowanie.
3.Energia wiatru.
3.1 Rys historyczny.
3.2 Charakterystyka energii wiatru.
3.3 Budowa turbin wiatrowych.
3.4 Inne zastosowania silników wiatrowych.
3.5 Podsumowanie.
4.Energia słońca.
4.1 Ogniwa fotowoltaniczne.
4.3 Budowa ogniwa.
4.4 Zalety stosowania ogniw fotowoltanicznych.
4.5 Kolektory słoneczne – cieczowe.
4.7 Budowa i zastosowanie kolektorów słonecznych.
Spis Treści
2
4.8 Podsumowanie.
5.Biomasa.
5.1 Charakterystyka i podział źródeł
5.2 Technologia przetwarzania biomasy w energie.
5.3 Podsumowanie.
6.Biogaz.
6.1 Charakterystyka i podział źródeł.
6.2 Technologie pozyskania i przerobu biogazu.
6.3 Podsumowanie.
7.Energia Geotermalna.
7.1 Charakterystyka źródła-Ziemi.
7.2 Technologie pozyskiwania.
7.3 Podsumowanie.
8.Projekt koncepcyjny użytkowania odnawialnych źródeł energii
w istniejącym gospodarstwie rolnym .
8.1 Opis i lokalizacja obiektu.
8.2 Założenia wstępne projektu.
8.3 Etapy działania .
8.4 Realizacja inwestycji.
8.5 Podsumowanie.
9.Kolektor słoneczny podgrzewający wodę.
9.1 Założenia wstępne.
9.2 Projekt wdrożeniowy nowej instalacji podgrzewania wody.
9.3 Podsumowanie.
10.Centralne ogrzewanie zasilanego słomą własną .
10.1 Modernizacja kotłowni C.O.
10.2 Podsumowanie.
Spis Treści
3
11.Podsumowanie.
12.Wnioski.
13.Literatura/Źródła.
Spis Rysunków.
Spis Tabel.
Dodatki.
R.1 Wstęp
4
Wprowadzenie.
Tematem mojej pracy magisterskiej jest: Kogeneracja odnawialnych źródeł energii
w warunkach wiejskich. W pracy tej przedstawiłem szeroki przegląd tz:”Alternatywnej
energii”, która powinna być coraz szerzej wykorzystywana i wdrażana w życie. Pierwsza
część pozwala zapoznać się z już istniejącymi rozwiązaniami pozyskania energii z wiatru
,wody ,słońca czy też idąc dalej z wnętrza Ziemi .Pokazuje też wykorzystanie biomasy i
biogazu jako doskonałych i tanich surowców energetycznych .
Końcowa część pracy to projekt koncepcyjny wdrożenia najbardziej rozpowszechnionych
systemów energii odnawialnych w funkcjonowanie gospodarstwa rolnego. Pierwszym
etapem tej modernizacji jest budowa areogeneratora dla potrzeb własnych , z możliwością
sprzedaży nadwyżek. Kolejnym krokiem jest instalacja paneli solarnych i wymiana kotła
węglowego na kocioł opalany biomasą.
Informacje zawarte w tej pracy powinny dać zainteresowanym szeroki pogląd na konkretne
źródła energii , oraz szacunkowo na opłacalność wdrożenia takich wariantów.
Introduction.
The subject of my MA paper is: Cogeneration of renewable energy sources in rural
surrounding. In this paper I have presented a wide range of so called “alternative energy”,
which should be used and initiated into our lives more and more.
The first part of the paper allows us to get acquainted with the already existing solutions of
receiving energy from wind , water, sun, or even from the inside of the Earth. It also shows
the usage of biomass and biogas as excellent and cheap energy sources.
The last part of this paper is a project which initiates the most widespread systems of
renewable energy sources into a farm. The first stage of this modernisation is building an
aerogenerator which would supply the farm with energy, and which would allow to sell the
energy surplus. The next stage is installation of solar panels and the exchange of coal
boiler into the one using biomass.The information included in this paper should give the
interested a wide view of specific energy sources and their estimated profitability of
installation.
R.1 Wstęp
5
1.Wstęp
Patrząc z perspektywy lat można stwierdzić , iż historia ewolucyjna myślącego człowieka
doprowadziła świat w bardzo krótkim czasie do powstania społeczeństw uprzemysłowionych.
Ekspansja ta była możliwa nie tylko dzięki postępowi naukowemu i technicznemu , ale także
dzięki powszechnej zgodzie i zapotrzebowaniu na istnienie rozmaitych dóbr i usług. Dążenie do
takiego stanu rzeczy na początku było sprawą zrozumiała i oczywistą . Świat , który w
zamierzeniach miał być stworzony, opierał się na ogromnej polaryzacji dobrobytu i władzy. W
szaleńczym pędzie do takich założeń zapomniano o wielu biologicznych aspektach życia , a także
pominięto przynależności kulturowe współczesnego człowieka. Myślenie i działania prowadzone
w tych kierunkach zrodziły jeden z poważniejszych problemów dzisiejszego społeczeństwa –
Ekologia[1].
Rabunkowe
sposoby prowadzenia gospodarki osiągnęły rozmiary zagrażające
naszemu istnieniu jako gatunkowi biologicznemu . Dziś nasze społeczeństwo staje wobec
wielu
poważnych problemów, jaki : ograniczenie rynku , problemy surowców –
szczególnie energetycznych , ogromne uzależnienie od energii , co jest realnym
zagrożeniem , i w końcu niebezpieczeństwo nowe jakim jest globalne zanieczyszczenie
środowiska .
Nigdy przedtem w historii gospodarczego rozwoju świata , „rzeki” odpadów
spowodowanych działalnością człowieka nie osiągnęły takich rozmiarów , które mogły by
zagrozić rodzaju ludzkiemu na Ziemi [2]. Nikt ze zwolenników burzliwej rewolucji
technicznej i socjalnej nie mógł by przypuszczać , że produkcja przemysłowa i
domniemany dobrobyt przybiorą tak gigantyczne rozmiary , jak w kilku ostatnich
dekadach. Wnioskować można , iż zagadnienia takie , jak możliwość wyeksploatowania
zasobów ziemi lub zniszczenia środowiska była w początkach uprzemysłowienia w
znacznej mierze ignorowane. Obecnie , chociaż tylko jedna piąta ludności Ziemi cieszy się
zdobyczami uprzemysłowienia , jest już widoczne , że zarówno ograniczenie jego wzrostu ,
jak i to , że niektóre podstawowe paradygmaty , które z takim powodzeniem i publicznym
przyzwoleniem przyczyniły się do rewolucji przemysłowej , muszą być bardzo szybko
zakwestionowane[3] .Podstawowym i radykalnym osiągnięciem nadchodzącego czasu ,
będzie najprawdopodobniej fundamentalna zmiana przemysłowców i rządów w kierunku
bardziej spójnej i jasnej polityki ochrony środowiska i zagospodarowania odpadów.
R.1 Wstęp
6
Problem
wyeksploatowania zasobów Ziemi nie dotyczy jedynie poszczególnych
społeczeństw ,ale ma charakter bardziej globalny .
Można tutaj stwierdzić ,że obecna technika radzenia sobie z środowiskiem naturalnym i
odpadami jest zbyt mało „wyrafinowana”. Mimo dość zaawansowanych technik przemysłu
,rozwój techniki nastawionej na przyjazne środowisko dopiero raczkuje. Miejmy nadzieje
,iż w następnych latach sprawy środowiska będą jedną z głównych sił napędowych rozwoju
nowej technologii .Szeroko rozumiane optymalne gospodarowanie zasobami jest także
centralnym
problemem
przyszłości
rodzaju
ludzkiego.
Kryzys
naftowy
lat
siedemdziesiątych zasygnalizował główne zagrożenia uprzemysłowionego świata .Nie
tylko zanieczyszczenie środowiska spowodowane przez operacje przemysłowe okazało się
zagrożeniem dla cywilizowanego życia na ziemi , lecz także uświadomiono ludziom nagle
, z użyciem dość dramatycznych pojęć , że kończy się energia – absolutna podstawa
ekspansji przemysłowej i cywilizacyjnej. Przy bliższej analizie problemu okazuje się ,iż
paliwa kopalniane takie jak ropa naftowa itp.
nie jest jedynym artykułem pierwszej
potrzeby , którego źródło przy obecnym tempie konsumpcji raptownie i nieodwołalnie
wysycha . Zasoby wielu innych życiowo ważnych , istotnych surowców okazały się w
odniesienia do tempa ich wykorzystania zaskakująco małe i nierównomiernie
rozprzestrzenione geograficznie .Nie pozostaje to bez znaczenia politycznego i
gospodarczego. Są jednak pozytywne aspekty kryzysu zagospodarowania zasobów Ziemi.
Człowiek dostrzegł wreszcie istotę problemu . Uświadomił sobie również jak
znaczną poprawę można by osiągnąć w sektorze energetycznym dzięki rozwojowi
energetyki niekonwencjonalnej , mam na myśli odnawialne źródła energii. Wszyscy
jesteśmy świadomi podstawowego znaczenia energii dla produkcji przemysłowej , ale także
dla komfortu życia każdego z nas. Zazwyczaj uważa się , że istnieje bezpośrednia zależność
między zużyciem energii a dochodem narodowym kraju w odniesieniu do jednego
mieszkańca . Zatem rozsądne i bardzo na miejscu jest kierowanie gospodarki w kierunkach
proekologicznych i stopniowe zaniechanie rabunkowej eksploatacji zasobów ziemskich , ze
szczególnym naciskiem na źródła energii odnawialnych.
Jak dowodzą badania,
zasoby Ziemi diametralnie się kurczą a wydobycie surowców
energetycznych jeszcze do późnych lat osiemdziesiątych stale się powiększały. (tabela 1.) [4]
R.1 Wstęp
7
Tabela 1. Światowe zużycie surowców energetycznych (w milionach ton) [6].
Surowce
1970r.
1980r.
1986r.
Węgiel kamienny
2134
2728
3196
Węgiel brunatny
791
1004
1225
Ropa naftowa
2275
2982
2787
Gaz
581
808
924
Razem
5781
7522
8132
Według: United Nations Industral Statistics Yearbook 1989r.
I nic w tym by nie było niepokojącego gdyby nie fakt , iż utworzone miliony lat temu przez
przypadek z biomasy uwięzionej w strefie beztlenowej paliwa mogą być użyte tylko raz ,
po czym są tracone na zawsze.
Niemniej jednak energia wytwarzana z kopalin czy energia w ogóle nie są jedynymi
zasobami, których na Ziemi nie ma w nadmiarze. Poza paliwami kopalnianymi kurczą się
także rudy pierwiastków niezbędnych dla funkcjonowania gospodarki. (tabela 2).[5]
Tabela 2. Światowe zużycie rud (w milionach ton)[7].
Ruda
1970r.
1980r.
1986r.
Żelazo
731
973
915
Miedź
21
27
29
Nikiel
70
70
70
Boksyt
58
94
89
Ołów
62
59
73
Cynk
124
169
139
Mangan
27
37
32
Chrom
2,7
3,1
4,1
Wapniak
649
870
735
Razem
1745
2302
2085
Według: United Nations Industral Statistics Yearbook 1989r.
Zatem , dzisiejszy człowiek musi pogodzić się z faktem , że przez całe lata budowania
cywilizacji przyczynił się do degradacji środowiska naturalnego. Ważne jest teraz
znalezienie nowych bardziej czystych środków pozyskiwania energii , a co za tym idzie
wyeliminowanie gospodarki rabunkowej i dewastacyjnej z postępu technicznego .
R.1 Wstęp
8
Zadowalające jest dziś dążenie do promowania i wykorzystania tzw. „czystej energii”.
Ludzkość wreszcie zaczyna wykorzystywać siły natury ukryte w oceanach ,słońcu, prądach
powietrznych czy też w samym sercu Ziemi. Państwo uprzemysłowione to takie ,które swą
polityką gospodarczą promuje i zachęca do ich wykorzystania .
Można tutaj przytoczyć nazwy takich państw jak USA Niemcy Australia oraz wiele innych.
Optymistyczne jest też to , że coraz więcej urządzeń do produkcji czystej energii budowane
jest w Polsce. Najpopularniejsze , przede wszystkim z najniższych kosztów budowy i taniej
eksploatacji są kolektory słoneczne , następnie małe elektrownie wiatrowe , pompy ciepła
itp. Na terenie kraju można też znaleźć średnie i małe elektrownie wodne miedzy innymi :
Jastrowie ,Podgaje , Żagań , Szprotawa i inne[8].
Poniższa praca dyplomowa ma na celu przybliżyć zagadnienia odnoszące się do energii
odnawialnej ze względu na technologie ,ekonomie ,ekologie i oddziaływania na
gospodarkę.
R.1 Wstęp
9
2. Energia wody
Energia wody
Rzecznych
Oceanicznych
-Przepływu
-Pływów
-Różnic poziomy
-Fal
-Prądów
Rys.1 Podział mechanicznej wodnej energii odnawialnej[9].
Źródłem energii wodnej jest energia słoneczna[10] . Pod wpływem ciepła
słonecznego woda na kuli ziemskiej znajduje się w ciągłym ruchu ;woda wyparowana z
powierzchni wód ,z powierzchni ziemi i roślin dostaje się do atmosfery . Ruch powietrza w
kierunku poziomym i pionowym powodują przenoszenie zawartej w nim pary ;w
zmienionych warunkach –pod wpływem niższej temperatury –następuje skraplanie pary
.Drobne krople wody łączą się ze sobą ,a gdy nie mogą się już utrzymać we występujących
prądach powietrznych , spadają w postaci opadów atmosferycznych. Część opadów trafia z
powrotem na powierzchnie mórz i wraz z wodą parującą z nich bierze udział w tzw. cyklu
małego krążenia wody. W cyklu dużego krążenia wody , woda opada częściowo na
powierzchnie mórz oraz na powierzchnie lądów . Część jej spływa do mórz po powierzchni
lądu , druga część wsiąka w ziemię i płynie w kierunku morza pod ziemią , część trzecia
paruje z powierzchni gruntu roślin śniegu ,itp.
2.3 Rys historyczny wykorzystania sił wodnych na świecie i w Polsce.
Pierwszą maszyną napędową , która zastąpiła siłę mięśni ludzkich a następnie
zwierząt było koło wodne , służyło do czerpania wody oraz do mielenia zbóż Wiadomym
jest, że pierwsze koła wodne o wale poziomym istniały już w I wieku p.n.e. na terenach
państwa rzymskiego,[11] a opisał je nadworny architekt cesarza Oktawiana Augusta Marcus Witruwiusz (Vitruvius) Pollio w swym dziele Architektura z lat 25-23 p.n.e.
Opisany przez niego młyn z kołem wodnym o osi poziomej jest już wyposażony w
przekładnię zębatą, poprzez którą napędzano młyński kamień bieżnikowy osadzony na
R.2 Energia Wody
10
drugim wale pionowym. Ten typ młynów nazywa się w literaturze światowej młynem
rzymskim lub młynem Witruwusza. Najprawdopodobniej jeszcze wcześniej istniały młyny
z kołami wodnymi osadzonymi na wale pionowym razem z kamieniem bieżnikowym. Te
bardzo proste rozwiązania miały wirnik obracający się w płaszczyźnie poziomej, do
którego doprowadzano wodę rurą o znacznym nachyleniu. Wirniki te były kołami wodnymi
typu natryskowego. Woda uderzała w zamocowane na ich obwodzie liczne półczarki lub
ukośne deseczki (rys.2).
Ten typ młynów jest nazywany w literaturze zajmującej się historią młynarstwa i
wykorzystania sił wodnych młynami tureckimi (lub greckimi) albo młynami turbinowymi.
Najprawdopodobniej powstały one na terenach Małej Azji, a w Anatolii są jeszcze do
dzisiaj bardzo powszechne. W Polsce natomiast nie napotkano na tego typu silniki wodne.
Rys.2 Natryskowe koło wodne (młyn turecki ) 1-rura doprowadzająca wodę 2-łopatki[12].
Wracając do kół wodnych o osi poziomej, należy stwierdzić, że ich
rozpowszechnianie się na cały świat oraz stałe ulepszanie dało początek (razem z
siłowniami wiatrowymi, czyli wiatrakami) tzw. pierwszej rewolucji przemysłowej.
Rozróżnia się na ogół 3 typy kół wodnych, mianowicie: nasiębierne, śródsiębieme i
podsiębierne (rys. 3). Na Podhalu można jeszcze spotkać inny typ koła wodnego, zwanego
Wołoską. (rys. 4).
R.2 Energia Wody
11
Rys.3 Koła wodne o wale poziomym : a) nasiębierne b) śródsiębierne c) podsiębierne[12].
Rys.4 Koło wodne „Wałaska” 1-rynny doprowadzające wodę , 2-odprowadzenie wody [13].
Specjalną odmianą koła wodnego podsiębiernego były młyny wodne; koło wodne było
zainstalowane między dwiema połączonymi ze sobą i zakotwiczonymi łodziami a w ruch
wprawiał je prąd wodny w rzece.Koła wodne napędzały najróżniejsze urządzenia w
zakładach przetwórczych (np. młyny zbożowe i prochowe, folusze) oraz w tartakach i
kuźniach zwanych też miotowniami.[14] Pod koniec średniowiecza koła wodne stały się
najważniejszym źródłem mocy mechanicznej, osiągając moce rzędu kilkudziesięciu
kilowatów. Przyczyniły się w znacznej mierze do uprzemysłowienia Europy Zachodniej,
tym samym do wzrostu jej znaczenia gospodarczego rys(3).
Dalszy rozwój silników wodnych jest już ściśle związany z turbinami wodnymi. Podstawą
ich rozwoju były prace teoretyczne D. Bemoulliego (1730 r.) i L. Eulera, który po raz
pierwszy zastosował aparat kierowniczy, oraz doświadczenia J. Segnera (młynek Segnera z
1750 r.) jak i prof. Bourdina (1824 r.), który tym silnikom nadał nazwę turbina. Pierwszym
R.2 Energia Wody
12
rozwiązaniem turbiny wodnej, które znalazło praktyczne zastosowanie w przemyśle była
turbina B. Fourneyrona (1827 r.) z promieniowym przepływem wody. Problemem spornym
jest powstanie turbiny Girarda, która jest typową turbiną o przepływie osiowym. Według
krajowych badań rys. [4] jej wynalazcą jest Filip Girard (założyciel zakładów Iniarskich w
Żyrardowie), który w latach 1826-1844 przebywał w Polsce a w 1828 r. opracował i
zainstalował dwie turbiny wodne wg swego pomysłu w dobrach gen. Ludwika Paca w
Dawspudzie. Turbiny te stanowiły napęd wielkich młocami. Historycy francuscy twierdzą
natomiast, że ten typ turbiny wynalazł Louiz-Dominique Girard w 1853 r.[15]
Kolejne rozwiązanie osiowej turbiny wodnej opracował Hens-chel w 1841 r. Często
nazywa sieją turbiną Jonuala. Henschel w swej konstrukcji zastosował po raz pierwszy
stożkową rurę ssawną, zwaną początkowo osiowym dyfusorem. Wymienione typy
pierwszych turbin wodnych przedstawiono na rys.5. Wielki przełom w rozwoju
reakcyjnych turbin wodnych datuje się od 1849 r., w którym Amerykanin James Bicseno
Francis wynalazł nowy typ turbiny o przepływie osiowo-promieniowym. Pierwsze turbiny
Francisa miały nieruchome łopatki kierownicze, a dopiero w 1859 r. Fink opracował aparat
kierowniczy, z przestawialnymi łopatkami kierowniczymi, umożliwiającymi uzyskanie
regulacji oddawanej mocy oraz wysokich sprawności przy szerokim zakresie obciążeń .
Ten typ turbiny jest do dnia dzisiejszego powszechnie stosowany dla średnich spadów.
Rys.5 Rozwiązania pierwszych turbin wodnych a)turbina Foumeyrona 1828r.b)turbina Girarda 1828r.
c)turbina Henschela-Jonval 1841-843r. 1-wirnik,2-kierownica,3-dyfazor [16].
W roku 1884 Amerykanin tester Allen Pelton wynalazł turbinę akcyjną stosowaną dla
wysokich spadów wody, na ogól powyżej 300 m i dlatego u nas jest bardzo rzadko
stosowana. Olbrzymim postępem w budownictwie turbin wodnych był wynalazek (1918 r.)
prof. Wiktora Kaplana, który opracował wirnik typu śmigłowego z przestawialnymi
łopatkami wirnika, współpracujący z regulowanym aparatem kierowniczym. Rozwiązanie
R.2 Energia Wody
13
to, dzięki podwójnej regulacji, charakteryzuje się bardzo wysokimi sprawnościami w
zakresie obciążenia 20 do 100% oraz odpowiednio dużymi przełykami szczególnie przy
niezbyt wysokich spadach. Ten typ wirników - które są stosowane w najróżniejszych
układach doprowadzenia wody do wirnika jak i położenia wału - są obecnie najbardziej
rozpowszechnionym typem turbin dla niskich spadów i to zarówno dla małych, jak i
wielkich turbozespołów. Pewną modyfikacją tych turbin jest turbina typu Deriaza z
wirnikiem o rozwiązaniu diagonalnym (łopatki wirnika są ustawione ukośnie w stosunku
do osi wału turbiny).Do olbrzymiego rozwoju turbin wodnych na całym świecie
przyczyniło się w końcu ubiegłego stulecia ich sprzężenie z generatorami elektrycznymi, a
następnie - dzięki transformacji na wysokie i bardzo wysokie napięcie - powstała
możliwość przesyłania energii elektrycznej na znaczne odległości. Obecnie największą na
świecie jest elektrownia ITAIPU na granicznej rzece Parana między Brazylią i Paragwajem
o całkowitej mocy 12 800 MW.W okresie międzywojennym na terenie Polski w jej
ówczesnych granicach znajdowało się około 6500 zakładów mających napęd za pomocą
silników wodnych. Największą elektrownią wodną w Polsce w 1939 r. była elektrownia
Żur na rzece Wdzie, uruchomiona w grudniu 1929 r. po 16 miesięcznym okresie budowy, z
dwiema turbinami Kapłana - każdą o mocy 4,5 MW. W końcowym etapie budowy
znajdowała się elektrownia wodna przy wielozadaniowym zbiorniku w Rożnowie na
Dunajcu o mocy 50,0 MW, którą oddano do ruchu w 1942 r. W okresie po n wojnie
światowej energetyka zawodowa przejęła liczne elektrownie wodne znajdujące się na
terenach odzyskanych, wśród których największą była elektrownia szczytowa z członem
pompowym w Dychowie na rzece Bóbr. Elektrownia ta miała trzy turbozespoły pionowe z
turbinami Kapłana - każdy o mocy 27 MW oraz dwie pompy akumulacyjne - każda o mocy
5,2 MW. Urządzenia powyższe zostały zdemontowane w 1945 r. przez armię ZSRR jako
reparacje wojenne. Ponowne uruchomienie - w oparciu o turbozespoły zakupione w ZSRR
- nastąpiło w 1951 r. Kolejną elektrownią wodną uruchomioną po 11 wojnie światowej była
elektrownia Porąbka na Sole, którą dobudowano do zapory betonowej zbiornika
wielozadaniowego oddanego do eksploatacji w 1936 r. Moc tej elektrowni wynosi
2x6,0+0,5 MW. W roku 1955 nastąpiło uruchomienie elektrowni w Czchowie o mocy
4,0+4,4 MW z turbinami Kapłana. Zbiornik w Czchowie wyrównuje przepływy szczytowej
elektrowni Rożnów. Elektrownia Myczkowce na Sanie - której budowa rozpoczęta była w
okresie międzywojennym - została przekazana do eksploatacji w 1961 r. Z większych
elektrowni wodnych obudowanych w okresie powojennym należy wymienić Koronowe na
Brdzie 26 MW (1960/61 r.), Dębe na Narwi 20 MW (1963 r.), Tresna na Sole 21 MW
R.2 Energia Wody
14
(1967 r.). Wielkim osiągnięciem polskiej hydroenergetyki było zbudowanie największej w
kraju zapory betonowej na Sanie w Solinie (objętość betonów 760000 m3), która utworzyła
wielki zbiornik retencyjny o pojemności 474 min m3, a przy nim elektrownię szczytową z
członem pompowym. Zainstalowano w tej elektrowni 2 turbozespoły pionowe z turbinami
Francisa , każdy o mocy 48 MW i 2 turbozespoły z turbozespołami odwracalnymi Francisa
- każdy o mocy 22,5 MW. Były to pierwsze w Polsce (a zarazem w całej Europie
Wschodniej) turbozespoły odwracalne. W 1970 r. uruchomiono pierwszą klasyczną
elektrownię pompową w Żydowie wyposażoną w 2 turbozespoły odwracalne o mocy po 50
MW i jeden turbozespół klasyczny o mocy 52 MW. W dniu Święta Energetyka w 1973 r.
nadano tej elektrowni imię wybitnego polskiego energetyka prof. Alfonsa Hofftnanna.
Także w 1970 r. przekazano do eksploatacji pierwszą dużą elektrownie wodną na dolnej
Wiśle we Włocławku z 6 turbozespołami wyposażonymi w turbiny Kapłana o sumarycznej
mocy 162 MW. Kolejnym osiągnięciem było uruchomienie elektrowni pompowej w
Porąbce-Żar z czterema turbozespołami odwracalnymi, każdy o mocy 125 MW w pracy
turbinowej. Jest to pierwsza w kraju elektrownia wykonana w całości w rozwiązaniu
podziemnym. Jej przekazanie do eksploatacji nastąpiło w 1979 r. Ostatnią wielką
elektrownią wodną jaką zbudowano w Polsce po wojnie, jest elektrownia pompowa
Żarnowiec - ma cztery turbozespoły odwracalne o łącznej mocy 680 MW i jest największą
elektrownią pompową w Polsce. Niestety, rozpoczęta budowa kolejnej elektrowni
pompowej w Młotach (3 x 250 MW) została wstrzymana .
2.4 Zasada działania lądowych elektrowni wodnych.
Rys.6 Schemat funkcjonowania elektrowni wodnej[17].
R.2 Energia Wody
15
2.5 Wykorzystanie energii morza.
Wykorzystuje się energię pływów morza, fal morskich, energię cieplną mórz oraz energię
prądów oceanicznych.
2.6 Wykorzystanie energii pływów morskich.
Rys. 7 Schemat ideowy elektrowni wykorzystującej pływy morskie.
1.woda od strony morza, 2.zapora, 3.turbina,4.woda w basenie
a). przypływ, b).odpływ [18].
W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza
[19]. 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, pokazana na rysunku nr.13
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 elektrowni tych jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich
brzegów wskutek wahań wody, a także utrudnianie wędrówek ryb w górę rzek.
R.2 Energia Wody
16
Rys.8 Elektrownia wykorzystująca pływy morskie,
zbudowana w ujściu rzeki Rance we Francji. Na
zaporze zamontowano turbiny pracujące w czasie
przypływu i odpływu. Moc ok. 240MW[20].
2.7 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, sprzężona 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
Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC.
Rys.9 Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal morskich typu MOSC na wyspie Islay u wybrzeża
Szkocji.1 – komora żelbetonowa, 2 – przewód powietrzny, 3 – turnina i generator, 4 – przestrzeń powietrzna,
5 – oscylujące kolumna wody, 6 – wlot, 7 – piasek, 8 – skała, 9 – wylot, 10 – platforma[21].
R.2 Energia Wody
17
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. Na rysunku pokazano schemat takiej
elektrowni, zbudowanej na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji. Norwegia buduje elektrownie
wykorzystujące fale morskie o mocy 2MW na wyspie Tongatapu na południowym
Pacyfiku. 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” (rys. 15a) i “kaczki” (rys. 15b). 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).
Rys.10 b.) Schemat “kaczki” a.) Widok “tratwy”- wykorzystującej energię fal morskich [22].
W przeciwieństwie do “tratw”, które wykorzystują pionowy ruch fal, “kaczki”
wykorzystują poziome ruchy wody morskiej. Łańcuchy “kaczek” umieszczone na długim
R.2 Energia Wody
18
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.
2.8 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[23]. 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.
Rys. 11 Schemat ideowy elektrowni maretermicznej[24]. 1 – skraplacz, 2- kocioł propanowy, 3 – kabel podmorski.
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.
R.2 Energia Wody
19
Energia taka jest wykorzystywana w Indonezji (5MW), Japonii (10MW), na TAHITI
(5MW) i na Hawajach (40MW).
2.9 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.
Inni eksperci oceniają ,że w rejonie Florydy prąd o nazwie Golfstrom mógłby napędzać
dwie elektrownie o mocy do 1000 MW. Średnice turbin tych elektrowni powinny wynosić
ok.30m a liczba obrotów ok.2-3 na minutę.
Rysunek 12 przedstawia ciekawą koncepcje elektrowni inż. Stilmana . Na zakotwiczonej
barce lub platformie rozpięty jest łańcuch o długości 18 km. z przypiętymi spadochronami
o średnicy czasz 100m.[25]
Rys.12 Elektrownia Stilmana, wykorzystująca energię prądów oceanicznych[26].
2.10 Podsumowanie
Woda stale wykonuje pracę. Kształtuje brzegi, wypłukuje skały, rzeźbi teren. To woda
na kuli ziemskiej stanowi większość. Dlatego siła wodna znalazła dość duże zastosowanie
w procesie otrzymywania energii. Poprzez ciągły ruch mórz, oceanów czy rzek pozostanie
na długo całkowicie odnawialnym źródłem czystej energii .Wykorzystanie wody daje dość
duże korzyści, ale nie pozostaje bez wad. W przypadku MEW są to miedzy innymi:
R.2 Energia Wody
20
Korzyści z energetycznego wykorzystania wody :
• wytwarzanie "czystej" energii elektrycznej - brak emisji jakichkolwiek gazów lub
wytwarzania ścieków;
• zużywanie niewielkich ilości energii na potrzeby własne, ok. 0,5-1%, przy ok.10% w
przypadku elektrowni tradycyjnych;
• charakteryzują się niewielką pracochłonnością - do ich obsługi wystarcza sporadyczny
nadzór techniczny;
• energia z MEW może być wykorzystywana przez lokalnych odbiorców tak, że można
mówić o minimalnych stratach przesyłu;
• mogą stanowić awaryjne źródło energii w przypadku uszkodzenia sieci przesyłowej;
• regulują stosunki wodne w najbliższej okolicy, co może mieć wpływ na obszary rolnicze;
• budowa budowli piętrzącej powoduje powstanie zbiornika wodnego, który stając się
cennym elementem krajobrazu może decydować o rozwoju turystyki i rekreacji w danym
regionie;
• pobudzają aktywność w środowisku wiejskim (nowe miejsca pracy, obiekty
towarzyszące);
• budowla piętrząca może również w pewnym stopniu osłabić wielkość zatapiania okolic w
przypadku występowania powodzi.
Negatywne oddziaływanie elektrowni wodnych:
• zmniejszenie naturalnego przepływu wody może wpłynąć niekorzystnie na istniejącą
biocenozę rzeki (kumulacja glonów pobierających tlen może prowadzić do masowego
śnięcia ryb, gromadzenia się osadów dennych itd.);
• w przypadku podniesienia poziomu wody może wystąpić erozja brzegów a także
zatapianie nadbrzeżnych siedlisk lęgowych ptaków.
R.2 Energia Wody
21
3.Energia wiatru
3.1 Rys historyczny
Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez
człowieka energią odnawialną.[27] Pierwsze wiatraki były wykorzystywane przez ludzi do
mielenia ziarna, oraz pompowania wody. Pierwszy opis użycia wiatraków do pompowania
wody powstał około 400 r. p.n.e. w Indiach. W Chinach oraz krajach basenu Morza
Śródziemnego wiatraki pojawiły się na początku naszej ery. Stosowano je głównie do
przepompowywania wody (nawadnianie i osuszanie pół) oraz mielenia zboża. W VIII
wieku w całej Europie pojawiły się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła.
Specjalistami w budowie tego typu wiatraków byli Holendrzy. Pod koniec XIX wieku
rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia
gospodarczego.Najstarszym typem wiatraka występującym na ziemiach polskich jest
wiatrak kozłowy, czyli "koźlak". Występowały one już w pierwszej połowie XIV wieku na
Kujawach i w Wielkopolsce, natomiast rozpowszechnienie ich stosowania przypada na
wiek XV. Koźlaki dotrwały bez zmian konstrukcyjnych do XX wieku i stanowiły
najliczniejszą grupę wiatraków. Ich cechą charakterystyczną jest to, że cały budynek
wiatraka wraz ze skrzydłami jest obracalny wokół pionowego, drewnianego słupa tzw.
sztembra. Z tylnej (przeciwnej skrzydłom) ściany wiatraka wystawał specjalny dyszel
współpracujący z kołowrotem, za pomocą którego następowało nastawianie budynku
skrzydłami do kierunku wiatru.W wieku XVII zostaje wprowadzony w Europie nowy typ
wiatraka o bryle zasadniczo nieruchomej, z obracalną tylko bryłą dachu o podstawie
kołowej obracającą się na łożysku posadowionym na czapie wieńczącym ściany u góry.
Zdolność obrotu "czapy" dachu o 360 stopni pozwalała na ustawianie powierzchni skrzydeł
prostopadle do kierunku wiatru. Pozostała część budynku, założona na rzucie ośmioboku
(holendry drewniane) lub koła (holendry murowane), nie zmieniała nigdy swego położenia.
Ojczyzną wiatraków holenderskich, jak sama nazwa wskazuje, jest Holandia. Wiatraki
holenderskie przyjęły się głównie na zachodnich i północnych rubieżach Polski począwszy
od XVIII wieku, ale nigdy nie wyparły starszego typu wiatraków, czyli koźlaków.
R.4 Energia Wiatru
22
Rys.13 Zabytkowe wiatraki. Z lewej wiatrak typu "Koźlak" (Brodnia, gm. Pęczniew, powiat Poddębice, stan
na rok 2000), z prawej wiatrak typu "holender"[28] .
W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą
siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów
amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firma Brush Electric, połączyła się w
1892 r. z Edison General Electric Company tworząc General Electric (GE), który dzisiaj
jest jednym z największych koncernów na świecie. Jak na owe czasy turbina Brush'a była
imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa
cedrowego. Pracowała ona przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w piwnicy jego
posiadłości. Moc jak na rozmiary urządzenia nie była imponująca - 12 kW, głównie za
sprawą wolnoobrotowego, wielołopatowego wirnika. Dopiero kilka lat później Poul la Cour
(1846-1908) odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o
kilku łopatach. Energię elektryczną uzyskaną z siłowni wiatrowych wykorzystywał on do
procesu elektrolizy, z którego otrzymywał wodór, który służył mu do oświetlania jego
szkoły[29].
R.4 Energia Wiatru
23
Rys.14 Pierwsze elektrownie wiatrowe: a) pierwsza siłownia wiatrowa produkująca energię elektryczną
zbudowana przez Charles'a F. Brush'a b) elektrownie wiatrowe la Cour'a. Prąd przez nie wytwarzany służył
do produkcji wodoru[30].
Inżynier Johannes Juul, jeden z pierwszych studentów la Cour'a, został w 1950 roku
pierwszym konstruktorem siłowni wiatrowej z generatorem prądu przemiennego. W 1957
roku zbudował na wybrzeżu Gedser w Danii elektrownię wiatrową, której założenia
techniczne do dziś są uważane za nowoczesne - siłownia o mocy 200 kW posiadała
trójpłatowy wirnik zwrócony przodem do wiatru (up-wind), generator asynchroniczny,
mechanizm ustawiania kierunku, hamulce aerodynamiczne oraz regulację mocy poprzez
zmianę kąta natarcia łopat[31].
Rys.15 Pierwsza elektrownia wiatrowa zbudowana według współczesnych założeń konstrukcyjnych. [32].
R.4 Energia Wiatru
24
Tabela 3. Umowne etapy rozwoju współczesnych elektrowni wiatrowych (za kryterium rozwoju przyjęto
wielkość wirnika i generatora).[33]
1955-1985
1985-1989
1989-1994
1994-2002
Średnica
ponad
Średnica wirnika do 15
metrów,
małe
siłownie,
domowe
poszukiwanie
rozwiązań
problemów
teoretycznych,
międzynarodowych
standardów.
brak
do 30 metrów.Pierwsze Średnica wirnika od 30
seryjnesiłownie wiatrowe. do 50 metrów. Produkcja
tworzenia masowa siłowni o mocy
standardów
przemysłowych.
metrów.
Przyspieszenie
Średnica wirnika osiąga
Początki
wirnika
50
600 kW.
rozwoju
technologicznego.
Powstają w krótkim
okresie czasu kolejno
siłownie
850kW,
1.5MW,
o
mocy
1MW,
2MW
i
więcej.
3.2 Charakterystyka energii wiatru
Wiatr jest odnawialnym źródłem energii.[34] Jest to ruch powietrza spowodowany
różnicą gęstości ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to
różnicę ciśnień, a naturalna tendencja do ich wyrównywania powoduje powstawanie
wiatru.
Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu
widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne
zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.
Poniższa mapa przedstawia linie izowent rozkładających się na terenie Polski:
R.4 Energia Wiatru
25
Rys.16 Przebieg izowent na terenie Polski w miesiącach letnich[35].
[Na podstawie : Ośrodka Meteorologi IMGW]
I-
Wybinie korzystna 6-7m/s
II-
Bardzo korzystna 5-6 m/s
III-
Korzystna 4-5 m/s
IV-
Mało korzystna 3-4 m/s
V-
Niekorzystna 2-3 m/s
3.3 Budowa turbin wiatrowych
Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży[36].
Najważniejszą częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana
energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany
jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy
generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500
R.4 Energia Wiatru
26
obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której
dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe,
zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony
jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola
musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr.
W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię
zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo
mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą
mechanizmu
ustawienia
łopat,
i
kierunkowania
elektrowni
zarządza
układ
mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru).
Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec
zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.
Rys.17 Schemat budowy współczesnej turbiny wiatrowej[37].
R.4 Energia Wiatru
27
3.4 Inne zastosowania silników wiatrowych.
Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu[38]. Ze względu na oś obrotu
wirnika elektrownie wiatrowe możemy podzielić na siłownie o poziomej osi obrotu
(Horizontal Axis Wind Turbines, HAWT), i pionowej osi obrotu (Vertical Axis Wind
Turbines, VAWT). Oczywiście najczęściej spotykane jest to pierwsze rozwiązanie, które
jest uznawane za klasyczne. Konstrukcje typu VAWT nie odniosły nigdy sukcesu
komercyjnego. Na szerszą skalę były wytwarzane z wirnikiem Darrieus'a, (od francuskiego
inżyniera Georges Darrieus, który opatentował to rozwiązanie w 1931r), ale amerykańska
firma FloWind, która produkowała tego typu elektrownie zbankrutowała w 1997r. Wirniki
Darrieus'a mają zazwyczaj dwie lub trzy łopaty, wygięte w kształt litery C.
Posiadają one kilka niepodważalnych zalet:
•
generator i skrzynie biegów można umieścić na ziemi, co znacznie upraszcza
obsługę,
•
nie potrzeba wieży,
•
odpada mechanizm odchylenia wirnika,
Jednak górę biorą wady:
•
Wiatr tuż nad ziemią jest zdecydowanie słabszy, co obniża efektywność konstrukcji,
•
Wirnik Darrieus'a wymaga wstępnego rozpędzenia, gdyż nie posiada użytecznego
momentu rozruchowego
•
Wymiana głównego łożyska wymaga rozebrania całej elektrowni.
Rys.18 Elektrownie wiatrowe z wirnikiem Darrieus'a. Z lewej elektrownia w Cap Chat w Kanadzie z
wirnikiem o średnicy 100 m, która obecnie już nie pracuje ze względu na awarię łożyska głównego[39].
R.4 Energia Wiatru
28
Turbiny o osi poziomej wyposażone w dyfuzor[40]. Zgodnie z prawem Bernouliego
dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze, w której występują zmiany
średnicy zmienia się również prędkość przepływu gazu.
W związku z tym, jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego
przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym
tunelem. Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania.
Rys.19 Projekty turbin wyposażonych w dyfuzor[41].
Elektrownie jedno i dwułopatowe[42]. Na całym świecie największą popularność zyskała
koncepcja trójpłatowego wirnika, ale dosyć często można także spotkać siłownie z dwoma
łopatami. Rozwiązanie to daje redukcje kosztów przedsięwzięcia oraz spadek masy
wirnika. Wymaga jednak większej prędkości obrotowej, aby uzyskać moc wyjściową
porównywalną z maszyną trójpłatową, co w połączeniu z większym hałasem i mniej
harmonijnym wyglądem zdecydowało o słabnącej popularności tego rozwiązania. Poza tym
piasta takiego wirnika musi mieć możliwość odchylania się, aby wytłumić przeciążenia
związane z przechodzeniem łopat przez obszar za wieżą.
Rys.20 Przykłady elektrowni wiatrowych z wirnikami jedno i dwupłatowymi[41].
R.4 Energia Wiatru
29
Istnieją także wirniki jednopłatowe, jednak są bardzo rzadko spotykane. Odnoszą się do
nich te same wątpliwości co do konstrukcji dwupłatowych, z tym, że wymagają jeszcze
większych prędkości obrotowych i są głośniejsze. Jedyną zaletą są niższe koszty.
3.5 Podsumowanie
Energia wiatrowa jest jednym z najbardziej opłacalnych ekologicznych źródeł energii.
Na dzień dzisiejszy zasoby energii wiatrowej znacznie przewyższają zapotrzebowanie
energetyczne całego świata. Lawinowy rozwój tej technologii pozwolił na rozwój elektrowni
nie tylko nad wybrzeżami morskimi, ale również w głębi lądu. Pomijając względy ekologiczne
wytwarzanie energii wiatrowej ma również silne wsparcie w dziedzinie ekonomii. Ten sposób
wytwarzania energii jest obecnie najbardziej opłacalnym. Stosunkowo przystępny koszt siłowni
wiatrowych oraz odnawialność źródeł powoduje tak ogromny wzrost zainteresowaniem tą
technologią.
Polska jak pokazują mapy izowent leży w dość korzystnym regionie ,jeśli chodzi o
wykorzystanie wiatru do produkcji energii .Część linii nadmorskiej ma podobne parametry
wietrzności co inne kraje np. Dania, która jest w czołówce pod względem instalowanych
siłowni .
Dlatego też w dobie szybkiego rozwoju technologicznego budowy siłowni i coraz
droższej energetyki konwencjonalnej, pojawia się realna szansa kogeneracji wiatru na energię
elektryczną na terenach Polski ,a co za tym idzie dołączenie do światowej czołówki
producentów „ czystej energii” .
R.4 Energia Wiatru
30
4. Energia słońca
Promieniowanie słoneczne dociera do wszystkich zakątków globu.
Słońce jest
najbliższą gwiazdą Ziemi, której wiek ocenia się na 4,5 miliarda lat ,zaś całkowita masa
wynosi 1,989x1030 kg, a średnica to 1391960 km. Energia słoneczna powstaje poprzez
przemianę wodoru w hel. Podczas reakcji chemicznej ,w ciągu jednej sekundy takiej
przemianie ulega 4 miliony ton wodoru .Z jednego grama wodoru , oprócz helu ,dodatkowo
powstaje 1012 Juli energii. Zdaniem naukowców ,tego pierwiastka chemicznego starczy na
kolejne 5 miliardów lat.
4.1 Ogniwa fotowoltaniczne
4.2 Rys historyczny
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie ze względu
na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną,
bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących
niekorzystne zmiany środowiska. Efekt fotowoltaiczny został zaobserwowany przez
francuskiego fizyka Antoine Henri Becquerela w 1839 r. Pierwszym poważnym
zastosowaniem
ogniw
fotowoltaicznych
było
zasilanie
satelitów
w
końcu
lat
pięćdziesiątych. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla
zastosowań kosmicznych było siłą napędową rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej
początkowym okresie, a postęp techniczny w latach sześćdziesiątych pozwolił na
wykorzystanie systemów fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Pomimo
postępu, systemy fotowoltaiczne były zbyt drogie, by mogły być powszechnie
zastosowane. Jednakże, wzrost cen energii wywołany kryzysem naftowym w połowie lat
siedemdziesiątych, spowodował zwiększenie ich opłacalności. Od tego czasu koszt
systemów fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów
stale rośnie. Całkowita światowa produkcja modułów fotowoltaicznych osiągnęła 152
MWp w 1998 roku, zwiększając się 25% w porównaniu z rokiem poprzednim. Średni
roczny wzrost w ostatniej dekadzie również wynosi 25% i jest to obok energii wiatrowej
najdynamiczniej rozwijająca się technologia odnawialnych źródeł energii.
W Polsce 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,
R.4 Energia Słońca
31
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.
4.3 Budowa ogniwa
Podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na
elektryczną za pomocą efektu fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym
lub słonecznym[43]. Uformowany jest on w materiale półprzewodnikowym, w którym pod
wpływem absorpcji promieniowania powstaje napięcie na zaciskach przyrządu. Po
dołączeniu
obciążenia
do
tych
zacisków
płynie
przez
nie
prąd
elektryczny.
Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw jest krzem. Największe
sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %) uzyskuje się z ogniw
wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te są najdroższe i dlatego stosowane
przede wszystkim w zastosowaniach w kosmosie.Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to
płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której została
uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w
granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki naniesione są
metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo
fotowoltaiczne. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są płytek o kształcie
okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni
modułu. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności
konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. W
badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa
produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%. Polikrystaliczne ogniwa
krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w
specjalnych piecach, które powoli oziębiają roztopiony krzem, aby zainicjować wzrost
polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których również
formowana jest bariera potencjału.Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej wydajne niż
monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też troche niższy.
32
Rys.21 Poglądowy rysunek ogniwa fotowoltanicznego[44].
4.4 Zalety stosowania ogniw fotowoltanicznych
Energia elektryczna wytwarzana jest bezpośrednio. Sprawność przetwarzania energii
jest taka sama, niezależnie od skali produkcji. Moc jest wytwarzana nawet w pochmurne
dni przy wykorzystaniu światła rozproszonego. Obsługa i konserwacja wymagają
minimalnych nakładów. W czasie produkcji energii elektrycznej nie powstają szkodliwe
gazy.
4.5 Kolektory słoneczne – cieczowe
4.6 Rys historyczny
W latach 1973 i 1976 - w czasie dwóch kryzysów paliwowych zaczęto się
interesować kolektorami słonecznymi jako urządzeniami powszechnego użytku. W tych
latach powstało na świecie wiele nowych rozwiązań. Polska w tym czasie posiadała
gospodarkę sterowaną centralnie gdzie koszt produkcji ciepła i ciepłej wody był dotowany
przez Państwo [45]. To było powodem małego zainteresowania rozwiązaniami solarnymi
.W roku 1998 nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania kolektorami słonecznymi
(zostało zainstalowanych ponad 800 m2 kolektorów cieczowych). Przewiduje się, że w
niedalekiej perspektywie zostanie zainstalowanych ponad 10 000m2 grzewczych instalacji
słonecznych. Udział energii słonecznej w bilansie energetycznym Polski praktycznie
można by uznać za pomijalny. Jednak prognozy jej wzrostu wskazują, że w najbliższym
dziesięcioleciu zostanie zainstalowane około 2,5 mln m2 kolektorów, co stanowi około 250
33
000 do 350 000 instalacji przydomowych, przyjmując wariant rozwoju wg Strategii
redukcji gazów cieplarnianych z 1996 roku. Wzrost udziału energii słonecznej w całym
bilansie energii odnawialnej wyniesie 550 razy.
4.7 Budowa i zastosowanie kolektorów słonecznych.
Kolektor słoneczny jest urządzeniem wychwytującym energię słoneczną i
zamieniającym na energię cieplną [46]. Zazwyczaj uzyskana w ten sposób energia cieplna
gromadzona jest w zasobnikach, z których następnie może być wykorzystywana do
ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody. Kolektory zazwyczaj są instalowane w
dachach. Istnieje możliwość montażu na ścianie południowej budynku na specjalnie
przygotowanym stelażu lub na ziemi. Przy wyborze miejsca należy pamiętać, że musi
umożliwiać jak najdłuższe operowanie słońca na płytę kolektora.
Kolektor powinien być ustawiony na południe. Optymalny kont nachylenia kolektora do
poziomu wynosi 45°.
Ze względu na przystępną cenę w Polsce stosowane są najczęściej kolektory płaskie.
Kolektory słoneczne najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania ciepłej wody.
Istnieje również możliwość wykorzystania kolektorów słonecznych do ogrzewania
mieszkań i budynku. Wykorzystanie całoroczne energii słonecznej do centralnego
ogrzewania jest przedsięwzięciem bardzo kosztownym. Dzięki kolektorowi można w
polskich warunkach średnio w ciągu roku uzyskać od 450 do 600 kWh/m2 , co na ogrzanie
1,5 m2 zaizolowanego domku jednorodzinnego, lub 4 do 6 m2 bardzo dobrze
zaizolowanego budynku. Istnieje jednak problem ze zmagazynowaniem pozyskanej ze
słońca energii cieplnej na wystarczająco długi czas. Konieczne były by ogromne zbiorniki
np. z wodą, do zmagazynowania ciepła. W niektórych krajach spotkać można groty skalne
wypełnione wodą, w których jest gromadzona energia słoneczna w postaci ciepłej wody i
wykorzystywana
do
celów
grzewczych
dla
osiedla
kilkudziesięciu
domów
jednorodzinnych. Koszt takiego przedsięwzięcia przewyższa znacznie zyski powstałe w
czasie eksploatacji urządzeń produkujących ciepło z promieni słonecznych.
Istnieje również możliwość zastosowania wysokosprawnych kolektorów słonecznych
umożliwiających również zimą "produkcję energii cieplnej" z energii słonecznej.
Możliwość ta jest jednak ograniczona do dni słonecznych, a takich zimną w naszych
warunkach jest raczej nie wiele. Znacznie korzystniejsza sytuacja jest przy produkcji
ciepłej wody. Dzięki całorocznemu stałemu zapotrzebowaniu istnieje możliwość
34
wykorzystania energii słonecznej do podgrzewania ciepłej wody. Koszty inwestycji dla
czteroosobowej rodziny wynoszą w zależności od typu kolektorów słonecznych od 7000 zł
do 15000 zł. Do produkcji ciepłej wody można zastosować z dużym powodzeniem
kolektory płaskie. Dla czteroosobowej rodziny wystarczy 3 - 5 m2 powierzchni kolektora.
Wymagana minimalna pojemność wodna zbiornika ciepłej wody dla czteroosobowej
rodziny powinna wynosić 300 l. Zazwyczaj zbiorniki na ciepłą wodę-zasobniki ciepłej
wody wyposażone są w grzałkę elektryczną lub podwójną wężownicę umożliwiającą zimą
ogrzewanie wody za pomocą kotła centralnego ogrzewania. Opłacalność wykorzystania
kolektorów słonecznych do produkcji ciepłej wody zależy od wielkości zapotrzebowania na
ciepłą wodę oraz od ceny energii[47]. Przy dużym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę albo
przy wysokiej cenie energii za czas zwrotu kosztów poniesionych na wykonanie instalacji
kolektorów słonecznych jest bardzo krótki, inwestycja jest bardzo opłacalne i powinno być
szeroko stosowane. Na pewno warto stosować kolektory w:
•
Hotelach i pensjonatach, ośrodkach wypoczynkowych, polach namiotowych .
•
W basenach i obiektach sportowych wykorzystywanych w lecie .
•
W zakładach przemysłowych zużywających duże ilości ciepłej wody .
•
Zakładach kąpielowych, łaźniach .W domach jednorodzinnych wykorzystujących energie
elektryczna do produkcji ciepłej wody.
Rys.22 Przekrój kolektora słonecznego PE 200 S1) promieniowanie słoneczne, 2) izolacja termiczna z wełny
mineralnej, 3) absorber miedziany pokryty warstwą selektywną[48] .
Systemy słoneczne PE Solar dzięki odpowiedniemu doborowi urządzeń, wykorzystywaniu
materiałów najwyższej jakości, stosowaniu płynów niezamarzających pracują bardzo sprawnie
35
zarówno latem jak i w okresie zimy. Systemy PE Solar przystosowane są do współpracy z każdym
kotłem c.o. czy pompą ciepła zapewniając wymierne oszczędności i komfort użytkownikom.
Rys.23 Schemat połączenia paneli solarnych z tradycyjnym kotłem C.O.[49].
4.8 Podsumowanie
Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat
energia słońca docierając do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie
ziemnym itp. Dzisiaj te paliwa są określane jako konwencjonalne. Również słońcu
zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Rozkład promieniowania
słonecznego, wykorzystywanego przez kolektory słoneczne jest zmienny dla różnych
obszarów świata, ale w Europie wielkość promieniowania słonecznego dla Paryża, Berlina i
Warszawy jest prawie taka sama, podobnie jak liczba godzin nasłonecznienia. Jak wiadomo
w Europie Zachodniej kolektory słoneczne są powszechnie stosowane. Polska pod
względem nasłonecznienia nie ustępuje takim krajom jak Niemcy czy Francja. Podstawową
zaleta systemów solarnym jest możliwość całorocznej eksploatacji. Nie ma żadnych
przeszkód
w
powszechnym
stosowaniu
kolektorów
słonecznych,
gdyż
udział
promieniowania rozproszonego w okresie zimy w Polsce jest stosunkowo duży.
Udział energii słonecznej w bilansie energetycznym Polski praktycznie można by
uznać za pomijalny. Jednak prognozy jej wzrostu wskazują, że w najbliższym
dziesięcioleciu zostanie zainstalowane około 2,5 mln m2 kolektorów, co stanowi około 250
000 do 350 000 instalacji przydomowych, przyjmując wariant rozwoju wg Strategii
redukcji gazów cieplarnianych z 1996 roku. Wzrost udziału energii słonecznej w całym
bilansie energii odnawialnej wyniesie 550 razy.
36
5. Biopaliwa
Biopaliwa, ze względu na stan skupienia podzielić można na stałe, płynne oraz biogaz
występujący w postaci gazowej. Biopaliwa stałe używane mogą być na cele energetyczne
w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pyrolizy w postaci:
¾ drewna i odpadów drzewnych (w tym zrębków z szybko-rosnących gatunków
drzewiastych tj.: wierzba, topola)
¾ słomy jak i ziarna (zbóż, rzepaku)
¾ słomy upraw specjalnych roślin energetycznych z rodziny Miscanthus, Topinambur
itp.
¾ osadów ściekowych,
¾ makulatury,
¾ szeregu innych odpadów roślinnych powstających na etapach uprawy i pozyskania
jak też przetwarzania przemysłowego produktów (siana, ostatek kukurydzy, trzciny
cukrowej i bagiennej, łusek oliwek, korzeni, pozostałości przerobu owoców itp.)
Różnorodność materiału wyjściowego i konieczność dostosowania technologii oraz mocy
powoduje, iż biopaliwa wykorzystywane są w rożnej postaci. Drewno w postaci
kawałkowej, rozdrobnionej (zrębków, ścinków, wiórów, trocin, pyłu drzewnego) oraz
skompaktowanej (brykietów, peletów). Słoma i pozostałe biopaliwa z roślin niezdrewniałych są wykorzystywane w postaci sprasowanych kostek i balotów, sieczki jak też
brykietów i peletów[51].
Podstawowe zalety produkcji energii z biomasy:
¾ wytworzenie energii tanim kosztem,
¾ redukcja opłat za korzystanie ze środowiska,
¾ efektywne zagospodarowanie bioodpadów (bez konieczności ich utylizacji),
¾ możliwość uzyskania pomocy finansowej z funduszy ekologicznych.
5.2 Technologia przetwarzania biomasy w energie.
Biopaliwa stałe wykorzystywane mogą być na cele energetyczne w procesach
bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pyrolizy. Biopaliwa mogą być również współspalane w mieszaninie lub z innymi paliwami stałymi: węglem, torfem. Różnorodność ich
właściwości
R.5 Biopaliwa
fizyko-chemicznych
jak
też
oczekiwanego
końcowego
rezultatu
37
energetycznego
(energia
cieplna,
elektryczna,
para
technologiczna)
determinuje
konieczność zastosowania różnego typu technologii.
5.2.1 Spalanie
Proces polega na płomieniowym spalaniu materiału w obecności nadmiaru powietrza
w komorze
spalania.
Produktami
końcowymi
spalania
są
CO2
i
H2O.
Kotły
charakteryzujące się tym sposobem spalania biopaliw dostępne są obecnie w szerokim
zakresie mocy 20 kW do kilkuset MW. Na typowe palenisko składa się komora spalania
wyłożona zwykle odpornym na wysoką temperaturę materiałem ceramicznym oraz ruszt.
Rozwiązania konstrukcyjne rusztów obejmują ruszty stałe, ruszty mechaniczne płaskie oraz
schodkowe. Doskonalone są i funkcjonują także kotły wyposażone w paleniska fluidalne.
Najprostszymi urządzeniami są kotły grzewcze małych mocy opalane drewnem
kawałkowym lub balotami słomy. Standardem urządzeń tych jest automatyzacja sterowania
procesem spalania oraz wymuszony nawiew powietrza z rozdziałem na pierwotne i wtórne.
W miarę rozwoju technologii w kierunku automatyzacji pracy kotły te wypierane są przez
kotły przystosowane do spalania paliw rozdrobnionych. Systemy podające to zwykle
przenośniki ślimakowe i pneumatyczne współpracujące z ruchomymi zgarniakami
podłogowymi. Do spalania paliw podsuszonych (20 - 25%) stosowane są kotły z rusztami
stałymi lub mechanicznymi poziomymi. W przypadku paliw wilgotnych (40 - 60%) kotły
wyposażone są w ruchome ruszty schodkowe. Paleniska fluidalne stosowane szeroko w
krajach Skandynawskich w kotłach o mocach w zakresie kilku do kilkudziesięciu MW
pozwalają na efektywne spalanie biopaliw niskiej jakości (wilgotnych, mieszanin
odpadowych itp.) przy zachowaniu emisji zanieczyszczeń na niskim poziomie.
5.2.2 Gazyfikacja
Proces gazyfikacji biopaliw stałych podzielić można na trzy fazy: suszenia i
odgazowania paliwa, wynikiem czego jest wytworzenie mieszaniny gazów w warunkach
niedoboru powietrza, spalania gazów w komorze spalania w obecności nadmiaru tlenu oraz
oddawania
ciepła
w wymienniku.
Właściwości
fizykochemiczne
mieszaniny
wytworzonych gazów zależą od rodzaju i właściwości paliwa. Zwykle jest to mieszanina
CO, H2, N2, CO2, H2O, CxHy w tym CH4 oraz innych substancji gazowych. Wytworzone
gazy palne spalane mogą być w kotłach wyposażonych w palniki gazowe oraz wymienniki
ciepła (spaliny - woda / spaliny - para) lub silnikach spalinowych sprzężonych z
generatorami prądu elektrycznego.
R.5 Biopaliwa
38
5.2.3 Pyroliza
Pyroliza biopaliw stałych polega na ich termicznym przekształceniu w warunkach
braku dostępu tlenu, w wyniku czego otrzymuje się produkt stały (węgiel drzewny),
produkt ciekły (olej pyrolityczny) oraz mieszaninę gazów palnych. W zależności od
warunków procesu może zostać podzielona na pyrolizę konwencjonalną (conventional
pyrolysis) , szybką (fast pyrolysis) i błyskawiczną (flash pyrolysis). W szczególności w
wyniku pyrolizy szybkiej otrzymuje się produkt nazywany bio-olejem lub olejem
pyrolitycznym. Olej pyrolityczny jest płynnym paliwem o średniej wartości opałowej.
5.2.4 Współspalanie biopaliw
Biopaliwa, w szczególności odpady drzewne, zrębki, brykiety i pelety różnego
pochodzenia mogą być spalane w mieszaninie jak też współ-spalane z innymi paliwami
stałymi: miałem węglowym, torfem zarówno w konwencjonalnych kotłach rusztowych,
paleniskach fluidalnych oraz mogą być poddawane gazyfikacji w mieszaninie. W
przypadku bezpośredniego spalania mieszanie paliw odbywa się zwykle przed podaniem do
paleniska. Natomiast w niektórych systemach gazyfikacji paliwa podawane są oddzielnymi
systemami. Szacuje się, że w Europie funkcjonuje obecnie ok. 150 instalacji współ-spalania
biopaliw w zakresie mocy od kilkuset kilowatów do 300 MW.
A)Schemat technologiczny spalania zrębków drzewnych z płaskim magazynem w postaci
wiaty dosuszającej.
R.5 Biopaliwa
39
•
B) Schemat technologiczny spalania zrębków drzewnych z silosem magazynującym
wyposażonym w układ dosuszający.
Rys.24 Przykładowe schematy technoligczne instalacji energetycznego wykorzystania biomasy[52].
5.3 Podsumowanie
W rozdziale piątym opisane są podstawowe czynniki związane z biopaliwami.
Opisuje on podział biopaliw ze względu na ich stan skupienia , raz na sposób przerobu i
wytworzenia energii. Rozdział ten kładzie przede wszystkim opisuje trzy podstawowe
procesy zagospodarowania naturalnych odpadów drewnianych ,słomy ,oraz innych
odpadów roślinnych itp. Tymi procesami są : bezpośrednie spalanie ,gazyfikacja , pyroliza.
Jednakże dziś większość energii pozyskiwana jest ze spalania różnych mineralnych
surowców energetycznych. Produkcja roślin w celach energetycznych nie jest jeszcze
zakrojona na dużą skalę i nie jest traktowana jako absolutna konieczność, chociaż coraz
częściej jest ekonomicznie opłacalna oraz społecznie i gospodarczo uzasadniona. Za
rozwojem energii odnawialnej w oparciu o biopaliwa nie przemawiają wyłącznie czynniki
ekologiczne lecz także atrakcyjność cen produktów energetycznych z biomasy, dostępność
odpowiedniej technologii, możliwość rozwoju rolnictwa.
R.5 Biopaliwa
40
6.Biomasa
Biomasa jest to substancja organiczna powstająca w wyniku procesu fotosyntezy.
Przyrost biomasy roślin zależy od intensywności nasłonecznienia, biologicznie zdrowej
gleby i wody.[50] W Polsce z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie około 10 ton
biomasy, co stanowi równowartość około 5 ton węgla kamiennego.
Także wykorzystanie tzw. biogazu powstałego w wyniku fermentacji biomasy ma
przed sobą przyszłość. To cenne paliwo gazowe zawiera 50-70% metanu, 30-50%
dwutlenku węgla oraz niewielką ilość innych składników (azot, wodór, para wodna).
Surowcem do produkcji biogazu są odchody zwierzęce, odpady roślinne, ścieki... .
Wydajność procesu fermentacji zależy od temperatury i składu substancji poddanej
fermentacji. Prawidłowa temperatura fermentacji wynosi 30-35oC dla bakterii mezofilnych
i 50-60oC dla bakterii termofilnych. Utrzymanie takich temperatur w komorach
fermentacyjnych zużywa się od 20-50% uzyskanego biogazu.
Biogaz nadający się do celów energetycznych może powstawać w procesie
fermentacji beztlenowej [53].
•
odpadów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych,
•
osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków,
•
odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci.
Fermentacja beztlenowa jest złożonym procesem biochemicznym zachodzącym w
warunkach beztlenowych. Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki
proste - głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie procesu fermentacji beztlenowej do
60% substancji organicznej jest zamienione w biogaz. Biogaz składa się głównie z metanu
(CH4) - 55-70%, 32-37% CO2, 0,2-0,4% N2 oraz 6g/100m3 H2S przed odsiarczaniem i
poniżej 0,01g/100m3 H2S po wykonaniu tego zabiegu. Tempo rozkładu zależy w głównej
mierze od charakterystyki i masy surowca, temperatury oraz optymalnie dobranego czasu
trwania procesu. Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%) może być
wykorzystany do celów użytkowych, głownie do celów energetycznych lub w innych
procesach technologicznych. Typowe przykłady wykorzystania obejmują:
•
produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach,
•
produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych,
•
produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych,
•
dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej,
R.6 Biomasa
41
•
wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych/pojazdów,
•
wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.
Rys. 25 Możliwości pozyskiwania i wykorzystywania biogazu[54].
6.2 Technologie pozyskania i przerobu biogazu.
6.2.1 Biogaz z odpadów zwierzęcych
Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%) może być użyty jako paliwo w
turbinach gazowych do produkcji energii elektrycznej oraz w jednostkach (agregatach) do
produkcji energii w cyklu skojarzonym, bądź tylko do wytwarzania energii cieplnej
zastępując gaz ziemny lub propan-butan. Ciepło uzyskiwane z biogazowni może być
przekazywane do instalacji centralnego ogrzewania, ogrzewania pomieszczeń lub do komór
fermentacyjnych dla przyspieszenia procesu fermentacji. Elektryczność może być
wykorzystywana na potrzeby własne (np. do napędzania pomp w oczyszczalni obniżając
zużycie elektryczności z sieci) lub sprzedawana do sieci.
Przykładowy system fermentacji beztlenowej z odzyskiem ciepła na potrzeby własne,
składa się z instalacji biogazowej do fermentacji, komory gazowej, płyty kompostowej,
R.6 Biomasa
42
mieszarki, oddzielacza zanieczyszczeń, rozdrabniacza i pakowarki kompostu. Ważnym
elementem systemu są wymienniki ciepła. Ciepło odpadowe z silników biogazowych
wykorzystywane jest tu m.in. do podgrzewania jeszcze nie przefermentowanej gnojowicy,
dzięki czemu można lepiej kontrolować temperaturę fermentacji i sam proces powstawania
biogazu.
Rys. 26 Przykładowy system fermentacji beztlenowej z odzyskiem ciepła na potrzeby własne[55].
Opis Rys.26.: 1 - generator; 2 - zbiornik biogazu; 3 - gazomierz; 4 - odsiarczalnik; 5 - odwadnianie; 6 przelew; 7 - mieszalnik; 8 - rurki wodne; 9 - wymienni ciepła (woda/gnojowica); 10 - chlewnia; 11 kanalizacja; 12 - osadnik wstępny; 13 - zbiornik magazynujący; 14 - rury podające; 15 - wymiennik ciepła
(gnojowica przefermentowana/gnojowica surowa); 16 - rura mieszająca; 17 - komora fermentacyjna; 18 drenaż; 19 - zbiornik odcieków; 20 - ciągnik z urządzeniem do rozrzucania nawozu; 21 - kompostownik; 22 system napowietrzania.
6.2.3 Biogaz z osadów ściekowych
Znacznie trudniej jest oszacować koszty inwestycji odzysku biogazu z osadu
ściekowego na oczyszczalniach ścieków, gdyż zależą one w bardzo dużym stopniu od
specyfiki danego miejsca, typu surowca i jego ilości. Najczęściej jednak dokładne
wyliczenie kosztów budowy instalacji biogazowej na oczyszczalni ścieków nie jest
możliwe ponieważ niektóre z elementów technologii biogazowej (np. osadniki, komory
R.6 Biomasa
43
fermentacyjne) są jednocześnie częścią składową linii technologicznej samego procesu
oczyszczania ścieków. Przykładowa instalacja w oczyszczalni ścieków w Olsztynie
kosztowała w 1995 roku 390.000 PLZ przy średniej ilości ścieków 56.000 m3/dziennie i
produkcji biogazu 360.000 m3/rocznie. Ocenia się, że granica opłacalności tego typu
inwestycji generalnie kształtuje się powyżej 10.000 m3 ścieków na dobę. W jednej z
pierwszych biogazowni na oczyszczalni ścieków w Bielsko-Białej klasyczne, produkcyjne
silniki agregatów prądotwórczych na gaz ziemny zostały przystosowane do zasilania
biogazem przez obniżenie stopnia sprężania i wprowadzenie nowego układu zapłonowego.
Po wykonaniu nowego kolektora dolotowego wprowadzono mieszalnikowy układ zasilania
biogazem konstrukcji polskiej firmy NGV AUTOGAZ. Standardowo z 1m3 osadu (4-5%
suchej masy) można uzyskać 10-20 m3 biogazu o zawartości ok. 60% CH4.Przy spalaniu
biogazu w silnikach iskrowych (po wcześniejszym odsiarczeniu) można uzyskać 1,7 - 1,9
kWh energii elektrycznej.W biogazowni na oczyszczalni ścieków w Sitkówce k. Kielc
firma Kruger zainstalowała generatory Caterpillar przystosowane do zasilania biogazem
oraz w pełni automatyczny układ sterowania umożliwiający współpracę i synchronizację
urządzeń z siecią energetyczną. Generatory wyposażono również w układ odzysku energii
cieplnej z obiegu chłodzącego i wydechowego.Biogaz również jest odprowadzany do
kotłowni, gdzie są używane kotły z palnikami na biogaz (często przy możliwości wymiany
na palniki olejowe).
6.2.4 Gaz wysypiskowy
Najprostszy
sposób
rozwiązania
problemów
związanych
z
emisją
gazu
wysypiskowego polega na założeniu studni odgazujących na wysypisku i spalaniu
zbierającego się gazu w pionowej pochodni. Taki system jest niezbędny zwłaszcza na
składowiskach,
które
w
wyniku
rekultywacji
zostały
przykryte
materiałem
nieprzepuszczalnym (np. warstwą gliny lub geomembraną). Bierne odgazowanie bądź
aktywne wypompowywanie gazu wysypiskowego jest wtedy elementem systemu
bezpieczeństwa
na
wysypisku.
Należy
tu
wspomnieć,
że
wypuszczanie
gazu
wysypiskowego bezpośrednio do atmosfery bez spalenia w pochodni lub innego sposobu
utylizacji jest dziś w świetle obowiązujących umów międzynarodowych i przepisów
obowiązujących w Unii Europejskiej niedopuszczalne. Jeśli jest odpowiednia ilość gazu
warto zastanowić się nad wykorzystaniem zbieranego gazu wysypiskowego do celów
użytkowych, głownie do celów energetycznych lub w innych procesach technologicznych.
Obecnie technologie energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego (gł. do produkcji
R.6 Biomasa
44
energii elektrycznej i cieplnej) należą do najszybciej rozwijających się gałęzi energetyki
niekonwencjonalnej.
Typowe przykłady wykorzystania obejmują:
•
produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych, dwupaliwowych (dual fuel)
lub turbinach,
•
produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych,
•
produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych,
•
dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej,
•
wykorzystanie gazu jako paliwo do pojazdów,
•
wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.
Pierwsze systemy wykorzystania gazu wysypiskowego na świecie zastosowano przy
produkcji cegieł i materiałów ceramicznych oraz jako substytut gazu ziemnego dla
położonych
nieopodal
dużych
zakładów
przemysłowych.
Obecnie
technologie
energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego (gł. do produkcji energii elektrycznej i
cieplnej) należą do najszybciej rozwijających się gałęzi energetyki niekonwencjonalnej.
6.2.5 Pozyskanie gazu wysypiskowego
W większości przypadków gaz jest pozyskiwany poprzez perforowane rury pionowe.
Być może jest tak dlatego, że jest to najprostszy sposób zamontowania układu już po
założeniu wysypiska.
Na szeregu wysypisk jednakowoż wykonano układ rurociągów poziomych w trakcie
składowania odpadów. Sposób ten pozwala na łatwiejsze pozyskiwanie gazu od samego
początku jego powstawania; można go pobierać przez zamknięciem (przykryciem)
wysypiska. Czasem wysypisko przykrywa się nieprzepuszczalną powłoką - wówczas
można zebrać i pozyskać niemal wszystek gaz. Jest to jednak bardzo kosztowne
rozwiązanie. Stosowane jest w krajach, w których obowiązują ostre wymogi dotyczące
przykrywania wysypisk. Ponieważ jednak rozwiązanie takie nie pozwala na penetrację
wody w głąb wysypiska, wytwarzanie gazu wkrótce ustaje. Niezbędne będzie zatem
wstrzykiwanie wody lub odcieków pod powłokę w celu podtrzymania wytwarzania gazu.
Gaz jest wysysany z wysypiska przy pomocy pompy lub sprężarki, które przesyłają go
dalej do systemu energetycznego wykorzystania. Podłączenie pojedynczych studni do
pompy oraz systemu energetycznego wykorzystania gazu można wykonać na różne
sposoby. Najstarszym i prawdopodobnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest
podłączenie studni do głównego kolektora, który biegnie wokół wysypiska.
R.6 Biomasa
45
Podstawowym problemem w takim układzie jest regulowanie zarówno jakości, jak i ilości
gazu. Innym problemem jest lokalizowanie nieszczelności, gdyż wszystkie studnie są
włączone w jeden układ. Najlepsze rozwiązanie, zapewniające zmniejszenie kosztów
eksploatacji oraz dobre warunki pracownikom, polega na ułożeniu pojedynczych rur od
każdej studni do pompy oraz wybudowanie stacji regulacyjnej.
6.3 Podsumowanie
Rozdział ten jest bardzo analogiczny do poprzedniego , tylko położony jest w nim
nacisk przede wszystkim na procesy produkcji biogazu z biomasy ,a dokładnie z odpadów
zwierzęcych w biogazowniach rolniczych , osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków,
czy też odpadów organicznych na wysypiskach komunalnych.
Technologie energetycznego wykorzystania biomasy są opracowywane od
dziesiątków lat w krajach wysoko rozwiniętych. Kraje europejskie, jak Dania, Austria, czy
Szwecja, energetyką odnawialną zajmują się od 20 lat. W Niemczech udział biomas w
produkcji zielonego prądu wynosi 5 proc.
W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ponad 700 składowisk odpadów. Na
większości z nich nie ma kontroli emisji gazów wysypiskowych. Około 100 dużych
składowisk odpadów komunalnych nadaje się bardzo dobrze do zorganizowanego odzysku
gazów wysypiskowych. Już dzisiaj łączna moc instalacji wytwarzających energię z
wykorzystaniem gazu wysypiskowego daje 5,44 MW energii elektrycznej oraz 3,5 MW
energii cieplnej. Dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie biogazu pochodzącego
z oczyszczalni ścieków. W naszym kraju od 1994 roku zainstalowano 30 biogazowni, a ich
całkowita moc wynosi 14,5 MW energii elektrycznej oraz 24,4 MW energii cieplnej.
Warto tutaj wspomnieć o niewykorzystanym potencjale gospodarstw rolnych , które
produkują odpady zwierzęce w postaci gnojowicy .Daje to duża szanse, na wykorzystanie
instalacji fermentacyjnych- produkcji biogazu, które mogły by posłużyć jako niemal
niewyczerpane źródło paliw dla domowych kotłowni . Przykry jest jednak fakt ,iż w tej
dziedzinie pozostaje dużo do życzenia , a takie instalacje jeszcze przez pewien okres czasu
będą rzadkością.
R.6 Biomasa
46
7.Energia Geotermalna
7.1 Charakterystyka źródła-Ziemi
Wnętrze Ziemi jest gorące z dwóch powodów: pozostałość po procesie formowania się planety oraz
naturalny rozkład pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi [56] .Wody geotermalne powstają
w wyniku ogrzewania wód podziemnych przez magmę lub gorące skały. Temperatura zmienia się wraz z
głębokością i bezpośrednio przy powierzchni rośnie o ok. 30 0C na każdym kilometrze. Ten przyrost
temperatury, nazywany stopniem geotermicznym nie jest taki sam dla różnych rejonów geograficznych i
może osiągać wartość znacznie mniejszą lub większą nawet do ok. 60 0C/km.
Rys.27 Budowa wnętrza Ziemi[57].
Rysunek "Budowa Ziemi" pokazuje, że już 100 km pod powierzchnią Ziemi temperatura
osiąga ok. 930 0C. Wody geotermalne występują na głębokości do kilku do kilkunastu
kilometrów pod powierzchnią, jednak ich wydobycie jest ograniczone- dotychczas
najgłębszy otwór sięga ok. 8 km wgłęb Ziemi, a wydobycie wód jest ekonomicznie
opłacalne do 3 km wgłęb ziemi- tu temperatury osiągają do nawet 2000 stopni Celsjusza,
gdzie woda występuje pod postacią gorącej pary. Energia geotermalna jest obecna
praktycznie w każdym zakątku Ziemi.
R.7 Energia Geotermalna
47
Jednak jej wykorzystanie nie zawsze jest możliwe ze względu na skład chemiczny wody,
problemy techniczne lub finansowe, pomimo iż potencjał geotermalny jest 380.000 razy
większy niż całkowite roczne zużycie energii pierwotnej na świecie. Od temperatury zależy
możliwość wykorzystania wód termicznych do różnych celów. Wody o bardzo wysokiej
temperaturze, w postaci pary wykorzystywane są do produkcji elektryczności. Wody o
niższej temperaturze stosuje się głównie do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń,
hodowli szklarniowej, oraz w kąpieliskach i balneologii. W przemyśle używa się wód
geotermalnych do: produkcji papieru, pasteryzacji mleka, hodowli grzybów i ryb. W wielu
krajach, gdzie wody geotermalne występują obficie są one wykorzystywane bardzo
intensywnie. Przykładowo w Islandii energia geotermalna pokrywa 46% całkowitego
zapotrzebowania na energię i aż 85% zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń. Wody
goetermalne uważane są powszechnie za odnawialne źródło energii. Jednak aby można
było użyć takiego sformułowania musza być spełnione odpowiednie warunki użytkowania
wód, tzn. woda po oddaniu ciepła musi być zatłaczana z powrotem, a tempo wydobycia i
obniżania temperatury zbiornika nie powinno przekraczać szybkości ponownego ogrzania
się wody we wnętrzu ziemi. Taki warunek spełniony jest wyłącznie w przypadku wód o
bardzo wysokiej temperaturze.
7.2 Technologie pozyskiwania
W zależności od rodzaju wykorzystania wód geotermalnych stosowane są różne
elementy instalacji [62]. Ciąg technologiczny składa się zazwyczaj z:
•
otworu geotermalnego,
•
stacji pomp,
•
wymienników ciepła,
•
układu ciepłowniczego,
•
dodatkowego układu grzewczego.
•
Filtry
•
Układy pomiaru szczelności układu.
Istnieją dwa obiegi cieczy w układzie, jeden zawiera wody geotermalne, drugi wodę
ciepłowniczą, odzysk ciepła następuje w wymiennikach ciepła lub pompach absorpycjncyh.
Zastosowanie takiego rozwiązania technologicznego jest konieczne ze względu na to, że
wody termalne są zazwyczaj wysoce zmineralizowane a przez to korozyjne.
48
Po oddaniu ciepła do drugiego układu woda geotermlana jest zawracana z powrotem do
złoża lub kierowana do kanalizacji. Wykorzystanie wód zależy od jej składu chemicznego,
w przypadku kiedy skład chemiczny zbliżony jest do parametrów wody pitnej, wody
geotermalne mogą być wykorzystywane bezpośrednio na potrzeby ciepłej wody użytkowej.
Czym korzystniejsze parametry ciepłownicze (temperatura) tym większa jest zazwyczaj
mineralizacja. Wysoką mineralizację wód można wyeliminować w dwojaki sposób:
oczyszczając je na drodze chemicznej lub biologicznej lub zawracając z powrotem do
złoża, w obu przypadkach wiąże się to ze zwiększonymi kosztami. Również ciśnienie
wypływających wód ma duże znaczenie przy eksploatacji instalacji geotermalnej
samoczynny wypływ pozwala na zredukowanie kosztów pompowania wody.Na schemacie
poniżej przedstawiono instalację geotermalną w Pyrzycach/k. Szczecina
Rys.28 Ciepłownia geotermalna[59].
Ciepłownia geotermalna składa się z trzech głównych instalacji:
obiegu wody geotermalnej
obiegu wody sieciowej
obiegu wody wysokotemperaturowej
49
7.3 Podsumowanie
Wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią prawie 80% terytorium Polski.
Pomimo tak licznego występowania ich eksploatacja , nie jest łatwa, przeszkodą są
zarówno warunki wydobycia jak i ekonomiczna strona tego typu przedsięwzięcia . Wody te
posiadają stosunkowo niską temperaturę do 80o C. Krajowe wykorzystanie tej energii jest
bardzo znikome. Istniejące zakłady geotermalne mieszczą się w Pyrzycach k Szczecina i
Bańskiej Niżnej k Zakopanego.
W najbliższym czasie planuje się dokończenie instalacji ogrzewania dla Zakopanego i
Mszczonowa k Warszawy . Istnieją też plany wykorzystania wód termalnych w Uniejewie ,
Czarnkowie, Kole, Poddębicach.
Warto też wspomnieć o leczniczych właściwościach tych wód i funkcjonujących
uzdrowiskach w Cieplicach ,Dusznik Zdrój , Lądek Zdrój itd.
50
8. Projekt koncepcyjny użytkowania odnawialnych źródeł energii w
istniejącym gospodarstwie rolnym .
8.1 Opis i lokalizacja obiektu.
Gospodarstwo rolne przeznaczone do modernizacji posiada 50h areał gruntów ornych,
oraz przydomową hodowlę trzody chlewnej w wysokości 150 sztuk jednorazowo.
Miejsce lokalizacji gospodarstwa – wieś Poladowo, mieści się 60km na południe od
Poznania w gminie Śmigiel. Z analizy map udostępnionych przez IMGW- średniego
nasłonecznienia (rys.38 dodatki) ,oraz średnich rocznych nasileń wiatrów(rys.16 w/w)
wynika ,że na tych terenach panują dość korzystne warunki atmosferyczne. Potencjalne
gospodarstwo znajduje się w odległości 600m od głównej linii zabudowy wsi. Wieś
posiada dobrze rozbudowaną infrastrukturę elektroenergetyczną , obiekt docelowy zasilany
jest osobnym obwodem (napowietrznym) energetycznym ze stacji transformatorowej
15kV/0,4kV. (z racji odległości od pozostałych zabudowań ).Oddzielna linia zasilająca jest
dodatkowym atutem w przypadku sprzedaży ewentualnej nadwyżki energetycznej
wyprodukowanej przez zainstalowane systemy –wykorzystanie trasy stojących słupów dla
linii zwrotnej prowadzącej do sąsiadów lub Zakładu Energetycznego. Inwestor jako osoba
fizyczna planuje jak najszybsze rozpoczęcie budowy po wcześniejszych uzgodnieniach
techniczno-prawnych oraz ekonomicznych.
Rys.29 Lokalizacja gospodarstwa zaznaczona czerwoną strzałką [60].
R.8 Projekt koncepcyjny użytkowania odnawialnych źródeł energii..
51
8.2 Założenia wstępne projektu
Głównym zadaniem projektu jest modernizacja układu zasilania energetycznego,
poprzez budowę areogeneratora ,oraz układu paneli grzewczych wspomagających
tradycyjny kocioł C.O. Następnym etapem będzie wymiana kotła C.O(węglowego)na
kocioł przystosowany do spalania słomy wyprodukowanej w gospodarstwie. Inne systemy
„czystej energii” zostaną
wprowadzone dopiero po korzystnych wynikach pracy
pierwszego etapu projektu.
8.3 Etapy działania
Etap I-decyduje o dalszej kontynuacji projektu.
wstępne oszacowanie inwestycji-formy prawne ,wytyczenie najbardziej odpowiedniego
miejsca pod budowę . Konsultacje z Urzędem Gminy w sprawie planu zagospodarowania
przestrzennego.
wykonanie pomiarów lub analizy średniego rocznego nasłonecznienia i siły wiatru.
wstępne uzgodnienia co do sprzedaży nadwyżki energetycznej wyprodukowanej w
gospodarstwie (Zakład Energetyczny ,Sąsiedzi).
Etap II- dane dotyczące rozpoczęcia budowy.
opracowanie warunków budowlanych dla naszej inwestycji .
uzgodnienia finansowo-prawne związane z rozpoczęciem budowy .
uzgodnienia przestrzenne dla wysokich konstrukcji – lotnictwo.
wstępny projekt linii energetycznej do sprzedaży nadwyżek energii.
Etap III- ustalenia ekonomiczne.
wstępny kosztorys budowy.
koszty serwisu i przeszkolenia użytkowników.
koszt ubezpieczeń.
koszty uzgodnień i zatwierdzeń technicznych.
biznes plan
ustalenie za i przeciw a następnie zaniechanie lub kontynuacja budowy.
Etap IV- realizacja inwestycji.
harmonogram działań.
zebranie cenowe-negocjacje –terminy i warunki dostawy elementów.
finalizacja umów kredytowych.
zamówienia i dostawy zgodne z harmonogramem.
przygotowanie placu budowy zgodne z obowiązującymi przepisami.
52
prace montersko-budowlane, odbiory techniczne budowy.
8.4 Realizacja inwestycji.
8.4.1 Elektrownia wiatrowa
Podstawą rozważań nad opłacalnością budowy elektrowni wiatrowej jest analiza map
nasilenia wiatru dla danego terenu. Można też przeprowadzić dokładne badania wiatru za
pomocą masztu pomiarowego (wys.30m) wyposażonego w anemometry ,oraz komputer do
analizy pomiarów. Pomiar ten byłby wiarygodny dla obszaru o promieniu 10 km od
miejsca zamontowania masztu ,co zaoszczędziło by kosztów ewentualnej budowy innej
elektrowni np. sąsiedzi.
8.4.2 Pozwolenia
Przed rozpoczęciem każdej budowy ,a szczególności elektrowni wiatrowej w Polsce,
konieczne jest uzyskanie szeregu pozwoleń .
Decyzje o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu wydaną przez wójta
,burmistrza lub prezydenta miasta.(Dz.U.1999 Nr15 poz.138).
Praca elektrowni może emitować hałas, którego źródłem jest układ przeniesienia mocy
(wirnik- przekładnia- generator),oraz sam obrót wirnika .Dopuszczalny poziom hałasu dla
poszczególnych budowli definiuje Dz.U.1998 Nr66 poz.436.
Przekształcenie gruntów rolnych w grunty pod zabudowę odbywa się na podstawie
Miejscowego Planu Zagospodarowania przestrzennego ,opracowanego na koszt gminy
(Dz.U.1994 Nr89,poz.415).
Elektrownia wiatrowa pod względem budowlanym jest traktowana jak każda budowla –
konieczne jest uzyskanie pozwoleń na budowę przez urząd gminy (Dz.U.1994 Nr89
poz414).
Transport podzespołów elektrowni ze względu na swoje gabaryty wymaga stosownych
pozwoleń związanych z przewozem elementów ponad normatywnych. ( Dz. U. 1998 Nr45
poz.283, Dz. U. 1997 Nr98 poz.602 , Dz. U. 1999 Nr 4 poz. 432).
8.4.3 Procedura uzyskania pozwoleń na budowę i użytkowanie EW.
Prawo obowiązujące w Polsce , choć stabilne, jest w wielu punktach
niesprecyzowane i niejasne pozostawiające duże pole do interpretacji przez władze na
szczeblu lokalnym. Taka sytuacja powoduje ,iż przy realizacji projektu inwestycji budowy
siłowni wiatrowej możemy mówić jedynie o ogólnym schemacie działania (Rys.29).
Jednak interpretacja i decyzje dotyczące wielu zagadnień mogą być bardzo różne, ze
53
względy na różnice w interpretacji obowiązujących przepisów. Dodatkowo , duże
przedsięwzięcie jakim jest budowa siłowni wiatrowej powoduje konfrontowanie ze sobą
wielu przepisów , które mogą być niespójne bądź sprzeczne.
Warunki przyłączenia do sieci energetycznej
Zmiana w miejscowym planie zagospodarowania
przestrzennego
Warunki zabudowy i zagospodarowania terenu
•
•
•
•
•
•
•
Wykonanie projektu budowlanego:
Projekt zagospodarowania działki sporządzony na aktualnej
mapie terenu
Uzgodnienia lokalizacji siłowni wiatrowej
Wyniki badań geologiczno-inżynierskich .
Uzgodnienia dokumentacji technicznej.
Stwierdzenie prawa dysponowania nieruchomością na cele
budowlane.
Umowa o przyłączeniu do sieci energetycznej.
Ocena oddziaływań na środowisko.
Pozwolenia na budowę
Transport oraz montaż siłowni wiatrowej
Pozwolenia na użytkowanie
Rys.30 Procedura uzyskania pozwoleń [61].
54
8.4.4 Przyłączenie do sieci elektroenergetycznej i sprzedaż energii.
Szczegółowe warunki przyłączenia do sieci, obrotu energią elektryczną, świadczenia
usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardy jakościowe
obsługi odbiorców określone zostały w rozporządzeniu (Dz.U. 85 2000r.) wydanym przez
Ministra Gospodarki. Procedura przebiega zgodnie ze schematem przedstawionym na
rysunku .
Złożenie wniosku o warunki przyłączenia do sieci
elektroenergetycznej
Wydanie przez zakład energetyczny warunków przyłączenia
do sieci elektroenergetycznej
Wykonanie wymaganych prac projektowych
Podpisanie umowy o przyłączenie do sieci
elektroenergetycznej
Podpisanie umowy o sprzedaż energii elektrycznej
Rys.31 Procedura przyłączenia do sieci elektroenergetycznej[62].
8.4.5 Schemat przyłączenia elektrowni do sieci energetycznej.
Układ z maszyną asynchroniczną o przełączanej liczbie biegunów (rys.32 ) ,jest
rozwiązaniem bardzo popularnym i szeroko stosowanym.Pomimo swoich niedoskonałości
jest stosowany ze względu na swoja prostotę i cenę. Generator na poniższym rysunku
pracuje nadsynchronicznie. Oddaje do sieci moc czynną, ale pobiera moc bierną,
konieczna do magnesowania maszyny. Do skompensowania poboru mocy biernej
indukcyjnej, na wyjściu generatora włącza się kondensatory. Prędkość wirnika maszyny
jest utrzymywana przez sieć. Przy zmianie obciążenia prędkość zmienia się jedynie w
zakresie poślizgu maszyny. Układ nie wymaga synchronizacji z siecią. Rozruch elektrowni
dokonywany jest za pomocą włącznika tyrystorowego, który później jest zwierany przez
55
stycznik główny. Włącznik tyrystorowy działa tylko przez chwilę i zmniejsza on prąd
rozruchowy. Jest to tak zwany „soft start” .
Rys.32 Przyłączenie elektrowni wiatrowej do sieci energetycznej [63].
8.4.6 Dane techniczne oraz schemat wybranej elektrowni wiatrowej LAGREWEY 18/80
Podstawowym argumentem wyboru siłowni są jej parametry techniczne , oraz
nasilenie wiatru na terenie potencjalnej budowy siłowni. W moich założeniach brałem pod
uwagę przede wszystkim możliwość sprzedaży wyprodukowanej energii zakładą
energetycznym, toteż wybrana elektrownia należy do tzw siłowni średnich. Moc
znamionowa to 80 kW przy wietrze ok. 12m/s. Przy wietrze ok. 6-7 m/s (średnia wiatru dla
Wielkopolski) siłownia jest zdolna wyprodukować ok. 50-60% mocy znamionowej to jest
ok. 40kW.Bardzo dorym atutem tej elektrowni jest praca przy bardzo małym wietrze ok.
3m/s –moc elektrowni przy minimalnym wietrze to ok. 12kW(Rys35 dodatki).Siłownia
posiada pasywny układ zmiany kąta natarcia łopat, oraz dwustopniową przekładnie , co
daje dużą elastyczność podczas pracy w różnych nasileniach wiatru .
Generalny dystrybutor siłowni to firma Polska , co znacznie ułatwia dotarcie do części
zamiennych oraz przyspiesza ewentualne interwencje serwisowe.
56
Rys.33 Schemat budowy elektrowni wiatrowej LAGREWEY 18/80[64].
57
8.4.7 Szacunkowy kosztorys budowy elektrowni wiatrowej.
Tab.4. Kosztorys wykonany dla nowej elektrowni wiatrowej LAGREWEY 18/80. [65]
lp.
opis
Kwota
1.
Zakup elektrowni wraz z koniecznym osprzętem
250 000 PLN
2.
Transport
2000 PLN
Wykonanie pomiarów(opłata za korzystanie z komina
3.
znajdującego się w sąsiedztwie, czujniki, możliwość 3000 PLN.
postawienia komputera do archiwizacji danych )
4.
8000 PLN
Montaż i uruchomienie zestawu
Konieczne ekspertyzy i pozwolenia(ekspertyzy geologiczne,
wpływu
5.
na
środowisko
itp.
,
projekt-mapka
zagospodarowania terenu; przyjmuje że gmina nie będzie
miała na to środków i będzie trzeba wykonać te działania we
10000 PLN
własnym zakresie):
Ekspertyza wpływu elektrowni wiatrowej na system
6.
elektroenergetyczny:
1500 PLN
Analiza opłacalności przedsięwzięcia( wykonana przez
7.
niezależna firmę audytorską-wymagana przy staraniu się o 1000PLN
kredyt lub dotację)
Projekt budowlany posadowienia siłowni powinien zostać
8.
dostarczony przez producenta. Wykonanie fundamentów ( 15000 PLN
roboty ziemne, zbrojeniowe, konieczne materiały).
9.
10.
11.
Nadzór budowlany
Koszt przyłącza energetycznego (wymaga indywidualnego
rozpatrzenia, po ustawieniu konstrukcji)
Trudne do przewidzenia wydatki( np. konieczna dodatkowa
analiza, czy wykonana przez inną firmę)
12. Suma kosztów przedsięwzięcia
2000 PLN
min 4000 PLN
3500 PLN
300 000 PLN
58
Zakładam, że inwestycja nie zostałaby wykonana przy stwierdzeniu niższych średnich
wiatrów od 6 m/s (na wysokości 30 m nad poziomem gruntu). Czynnik wiatru byłby też
bardzo istotny jeżeli chodzi o wybór turbiny. Turbina LAGREWEY 18/80 przy 6m/s
produkuje już 40% swojej znamionowej energii.
Jednak już przy stwierdzonym średnim wietrze na poziomie 7 m/s produkcja energii
turbiny kształtowałaby się na poziomie 50% mocy znamionowej, to jest 40kW .Przy
zakładanym czasie pracy turbiny 360 dni w roku, przez 24 h n dobę uzyskamy 8640 h.
Zakład energetyczny ENEA, który byłby odbiorcą energii poinformował mnie, że cena
skupu jest indywidualnie negocjowana, ale można przyjąć ją na realnym poziomie 260
PLN/MWh. Koszty przyłączenia do linii pokrył by zakład energetyczny . Jeżeli wykona
się analizę dla wiatru 6m/s i 7.5m/s to otrzymamy :
Tab.5. Przewidywane zyski sprzedaży całkowitej wyprodukowanej energii.[66]
Średni wiatr.
Ilość wyprodukowanej energii
Zapłata od ENEA
6 m/s
130 MWh
33 696PLN
7.5 m/s
345.6 MWh
89 856PLN
Tak więc analizując wszystkie koszty inwestycji oraz przyjmując zużycie własne energii na
poziomie 24MWh/rok otrzymujemy:
Roczna produkcja energi przez siłownie : 345,6MWh
Roczne zapotrzebowanie gospodarstwa: 24 MWh
Zatem 345,6-24=321,6 [MWh], zysk ze sprzedaży 321,6*260=83616PLN
Koszt budowy siłowni 300000 PLN ; Koszty rocznego serwisu 5000 PLN
Zatem koszt budowy siłowni / zyski sprzedaży energii daje szacunkowy okres spłaty
inwestycji ;
300000/83616= 3,5[roku]
8.5 Podsumowanie
Siłownia wiatrowa po uwzględnieniu kosztów budowy ,wynegocjowaniu kosztów
sprzedaży nadwyżek energii dla Grupy ENEA,oraz uwzględnieniu zapotrzebowania
własnego potrzebuje około 3,5lat na całkowity zwrot kosztów inwestycji. Po tym okresie
elektrownia zacznie przynosić stały dochód zależny od natężenia wiatru,pomniejszony o
kosztyty serwisu i modernizacji.
59
9. Kolektor słoneczny podgrzewający wodę.
9.1 Założenia wstępne.
W gospodarstwie zamontowany jest 300 litrowy zbiornik ,którego podgrzewa grzałka
o mocy 6 kW. Średni czas pracy grzałki to 2 godziny dziennie co daje ok.12 kWh na dobę.
Podsumowując roczne zużycie energii elektrycznej przy eksploatacji podgrzewacza( 6
kW) wynosi:
12 kWh x 365 dni=4380 kWh
Zatem roczny koszt eksploatacji wynosi:
4380kWh x 0,5zł/kWh = 2190 zł
9.2 Projekt wdrożeniowy nowej instalacji podgrzewania wody
Dane wejściowe: Projekt przewiduje zastosowanie trzech kolektorów słonecznych ,o
powierzchni 1,733m2 każdy i sprawności 80%
Kolektory zamontowane zostaną na dachu budynku pod kątem 45° od strony południowej.
Rys 34. Kolektory słoneczne zamontowane na dachu budynku[67].
R.9 Kolektor słoneczny podgrzewający wodę
60
Porównanie kosztów montażu i eksploatacji systemu tradycyjnego z solarnym.
Koszt trzech kolektorów słonecznych , kompletnego osprzętu solarnego , zbiornika o
pojemności 30 litrów (jedna wężownica o mocy 2kW) oraz montażu instalacji wynosi:
9000 zł
Koszt 300 litrowego ogrzewacza wody o mocy 6kW , oraz montażu instalacji elektrycznej
i hydraulicznej wynosi:
4000zł
Podstawowa informacja dla dalszych rozważań, to koszt uzyskania 1 kWh ciepła za
pomocą kolektorów słonecznych.
Zakładając , że ciepło uzyskujemy z baterii trzech kolektorów . Powierzchnia czynna
absorbera jednego kolektora to 1,733m2 . Sprawność urządzeń skierowanych na południe i
zamontowanych na dachu o pochyleniu 45°,wynosi 80%.
Przyjmując również ,że napromieniowanie roczne na powierzchnie płaską ,ustawioną pod
kątem 45°i skierowaną na południe w miejscu posadowienia kolektorów wynosi około
1000kWh/m2 /rok, natomiast nasłonecznienie w tymże miejscu wynosi 1800 godzin w
ciągu roku.[66] Do pompowania medium roboczego
przez kolektor , użyto pompy
obiegowej 25Por40C.Pobór mocy pompy pracującej ,oraz regulatora solarnego wynosi
50W. Zakładając ,że pompa i regulator pracują rocznie przez 1600 godz.
Ponieważ 1kWh energii elektrycznej kosztuje 0,5 zł, można obliczyć roczny koszt opisanej
instalacji solarnej.
0,05kW x 1600h x 0,5 zł/kWh = 40 zł
W ciągu roku kolektory wytwarzają zaś następujące ilości ciepła:
1000kWh/m2 x (3 x 1,733)m2 x 80% = 4159,2 kWh
Zatem średni roczny koszt uzyskania 1 kWh ciepła za pomocą trzech kolektorów wynosi:
40 zl
= 0,0096 zl / kWh
4159,2kWh
61
Rocznie potrzebujemy 5080,8kWh energii (patrz wyżej).
Kolektory wytwarzają 4159 kWh .Uwzględniając straty przy przesyłaniu medium,
grzewczego pomiędzy kolektorami ,a zasobnikiem cwu na poziomie 20%, efektywnie
uzyskamy 3327 kWh.
Roczny koszt eksploatacji zestawu solarnego:
4380 kWh x 0,008 zł/kWh = 35,04 zł
Roczna oszczędność z tytułu zastosowania instalacji solarnej:
(4380 kWh x 0,5zł/kWh )- 40 zł = 2150zł
Zestawy solarne zapewniają ciepłą wodę przez cały rok, ponieważ zbiorniki wyposażono w
grzałkę. Niema zatem potrzeby instalowania dodatkowych urządzeń .
Solarna instalacja grzewcza jest droższa od tradycyjnej instalacji elektrycznej o 5000zl.
Suma ta zwraca się jednak już po niespełna 3 latach.
5000 zl
= 2,4roku
2150 zl / rok
Ilość ciepła, które można uzyskać z baterii kolektorów w ciągu roku, zależy od mocy
pojedynczego kolektora, ta zaś jest pochodną powierzchni czynnej absorbera, sprawności
urządzenia oraz natężenia promieniowania słonecznego. Maksymalna moc cieplna
pojedynczego
kolektora
o
powierzchni
czynnej
1,733 m2
i
sprawności
80%,
eksploatowanego przy natężeniu promieniowania 1000 W/m2, wynosi:
Pkol =1,733m2 x1000W/m2 x 80%=1386W
Moc cieplna baterii słonecznej powinna być tak dobrana, aby w okresie letnim zapewnia
pokrycie do 95% dziennego zapotrzebowania na ciepło danego obiektu. Tę samą ilość
ciepła można jednak wytworzyć w różnym przedziale czasu.
Wydajność kolektora w ciągu 8h pracy w porze letniej:
Qkol=1386 W x 8h =11,12 kWh
62
9.3 Podsumowanie
Koszt budowy instalacji solarnej to 9000zł. Jest to kwota ,która nie wymaga wysokich
kredytów, a co za tym idzie zwraca się już po trzech latach eksploatacji. Dalsze
użytkowanie paneli solarnych przynosi jedynie zyski w postaci oszczędności energii
elektrycznej kupowanej od zakładów energetycznych. Dublowana instalacja (elektryczna i
solarna) daje większą niezależność od dostawcy energii elektrycznej, który to na terenach
wiejskich bardzo odległych nie zawsze jest wstanie zapewnić ciągłość dostawy.
63
10. Centralne ogrzewanie zasilane słomą własną.
Gospodarstwo posiada system zasilania C.O wyposażony w tradycyjny kocioł
węglowy,którego eksploatacja jest dość droga ( wzrastająca cena węgla) i uciążliwa.
Na ogrzanie w okresie
jesienno zimowym (średnio 6 miesięcy w roku) domu i
pomieszczeń gospodarczych ,zużywa się 2,5 tony miesięcznie węgla kamiennego I-klasy.
Co daje :
6 x 2,5=15 ton/sezon
Średni koszt 1 tony węgla to 400PLN ,zatem:
15 x 400zł = 6000 zł/sezon
10.1 Modernizacja kotłowni C.O
Przewiduje się wymianę kotła tradycyjnego(węglowego) na kocioł zasilany słomą (Rys 34.)
wyprodukowaną we własnym gospodarstwie.
Rys. 35.Budowa pieca opalanego słomą [68].
Biomasa jest bardzo wydajnym paliwem. Podczas spalania emitacja Co2 jest znikoma,
bowiem wytwatrzana jest taka ilość, jaka została wcześniej pobrana z otoczenia. 2 tony
ekologicznego paliwa równoważą się z 1 toną węgla kamiennego. Tylko, że pierwsze
paliwo jest odnawialne, a złoża węgla ograniczone. Wartość opałowa słomy jako paliwa
R 10 Centralne ogrzewanie zasilane słomą własną
64
energetycznego uzależniona jest od jej gatunku, wilgotności oraz techniki przechowywania.
Bardziej wskazane jest użycie tzw. słomy szarej, czyli pozostawionej przez pewien czas po
ścięciu na działanie warunków atmosferycznych, a następnie wysuszonej. Taki produkt
charakteryzuje się nieco lepszymi właściwościami energetycznymi oraz mniejszą emisją
związków siarki i chloru od słomy żółtej, czyli świeżo ściętej. Koszt 1 tony słomy ,to jest
koszty robocizny i transportu z uwzględnieniem własnego sprzętu do zbiorów wynosi: 1ton
słomy = 100 zł.
Biorąc pod uwagę zużycie węgla kamiennego (15 ton/sezon) i przelicznik zamiany węgla
na słomę(1tona węgla = 2tony słomy) możemy wyliczyć:
15 x 2 =30 ton słomy /sezon
30 x 100 = 3000zł/sezon
Producenci krajowych pieców na słomę nie podają dokładnych danych na temat kosztów
budowy w/w kotłowni. Kosztorys budowy wykonywany jest po wstępnych oględzinach
bezpośrednio u klienta . Jednak analizując dane wejściowe gospodarstwa ,najbardziej
optymalnym kotłem byłby piec oznaczony KNS-60 o mocy 60kW [68]. Koszt takiego
pieca to ok. 15 tys zł.
Zatem :
Kszoszt kotła ok. 15 000 PLN
Roczna oszczędność z tytułu paliwa ok.3000 PLN (w porównaniu z węglem kam.)
10.2 Podsumowanie
Koszt ogrzewania gospodarstwa słomą wyprodukowaną ze środków własnych daje
50% oszczędność w porównaniu z węglem kamiennym.
Pomijając koszty eksploatacji
i serwisu można przypuszczać iż kotłownia opalana
ekologicznym paliwem wróci się po ok. 5 latach. W tych rozważaniach pominąłem
również różnicę między kosztem budowy tradycyjnej kotłowni a kotłownią na słomę, co
dało by przypuszczalnie krótszy czas zwrotu inwestycji niż 5 lat.
Nie bez znaczenia jest też niższa emisyjność szkodliwych pierwiastków do atmosfery.
R 10 Centralne ogrzewanie zasilane słomą własną
65
Podsumowanie
Podstawowym celem napisanej pracy było zaproponowanie rozwiązań kogeneracji
odnawialnych źródeł energii w ściśle określonym środowisku i wcześniej przyjętych
danych wyjściowych. Po części teoretycznej przybliżającej stan zaawansowania
technologicznego na świecie inwestycje podzielono na trzy etapy:
I-Budowa elektrowni wiatrowej.
II-Instalacja kolektorów słonecznych podgrzewających wodę.
III-Modernizacja kotłowni węglowej na kotłownie opalaną słomą.
Pierwszy etap najbardziej kosztowna inwestycja , ale z góry nastawiona na sprzedaż i
szybką spłatę a w dalszym czasie na zysk. Drugi etap to dziś najbardziej rozpowszechniony
system wśród tzw. „alternatywnej energii” mianowicie montaż kolektorów słonecznych
ogrzewających wodę. Przyjęte rozwiązanie dla potrzeb własnych gospodarstwa, przewiduje
zastąpienie elektrycznego podgrzewacz wody poprzez instalacje trzech paneli grzewczych .
Trzeci etap to modernizacja kotłowni C.O i wymiana kotła węglowego dość drogiego w
eksploatacji i mało ekologicznego na kocioł opalany biomasą , a dokładniej balotami słomy
wyprodukowanej w gospodarstwie.
Zaproponowane rozwiązania są najbardziej znanymi i najbardziej optymalnymi
systemami dla danego gospodarstwa .Wśród argumentacji wzięto pod uwagę średnie
wartości
nasłonecznienia
i
siły
wiatru
dla
lokalizacji
gospodarstwa
,oraz
samowystarczalność pod względem produkcji słomy.
Takie rozwiązania kogeneracji –zamiany ekologicznej energii w energie wykorzystywaną
w codziennym życiu daje olbrzymie korzyści nie tylko finansowe . Podstawowym
elementem takich rozwiązań to niezależność często od monopolu energetycznego, idąc
dalej to poważny wkład w czyste środowisko naturalne,
i co najważniejsze
wyprodukowana w taki sposób energia jest w całości odnawialna, czego nie można
powiedzieć o ropie naftowej czy węglu kamiennym.
Wraz ze rozwojem technologicznym owe rozwiązania stają się coraz tańsze i
bardziej wydajne, co czyni je bardziej dostępne. Jest to coraz bardziej widoczne na naszych
ulicach , gdzie coraz częściej można zaobserwować panele solarne czy też przydomowe
elektrownie wiatrowe. Coraz więcej szkół i czy placówek publicznych opalanych jest
kotłami na biomasę. Optymistyczne jest też to, iż znalazły się miasta , które z własnych
wyprodukowanych śmieci postanowiły pozyskać biogaz minimalizując
tym sposobem
degradacyjny wpływ śmietnisk na środowisko.
Podsumowanie i Wnioski
66
Jednak poważną barierą wdrożenia rozwiązań tz. ”alternatywnej energii” pozostaje
nadal ich wyższa od tradycyjnych cena. Brak przejrzystych i przyjaznych zasad
kredytowania , oraz trudności w pozyskaniu dofinansowania z funduszy gminnych czy
unijnych. Dostęp do tych informacji przynajmniej na terenach wiejskich nadal pozostaje
dużym kłopotem. Nie ma też jasnych przepisów dotyczących ulg podatkowych dla osób
,które pragną „czystą energię” produkować .
To wszystko na terenach wiejskich sprawia , iż rozwiązania te będą wprowadzane w życie
bardzo powoli i opieszale. Jednak trzeba mieć nadzieję , że znajdą się ludzie , dla których
rabunkowa gospodarka państwa nie będzie bez znaczenia , a wyżej opisane technologię
staną się jedyną i doskonałą alternatywą.
Wnioski
W dzisiejszym świecie zapotrzebowanie na energię stale rośnie ,a konwencjonalna
produkcja energii staje się coraz droższa. Złoża naturalne surowców energetycznych
topnieją z roku na rok , powodując coraz to większy niepokój światowej gospodarki.
Tak więc bardzo uzasadnione jest poszukiwanie nowych rozwiązań produkcji energii ze
źródeł odnawialnych . Przedstawione w pracy rozwiązania mogą dać alternatywę dla
takiego stanu rzeczy. Polska jako kraj szybko rozwijający się a zarazem kraj nie
posiadający znacznych zasobów surowców naturalnych , powinna się skłaniać właśnie do
takich rozwiązań. Dobre położenie klimatyczne dla rozwoju energetyki niekonwencjonalnej
powinno dać wymierne korzyści ekonomiczne i ekologiczne.
W technice pojawiają się coraz to nowocześniejsze rozwiązania, które można
wykorzystać w dużym przemyśle na dużą skalę , ale także rozwiązania dla indywidualnych
odbiorców. Coraz więcej rodzimych firm zaczyna produkować i wdrażać autorskie
rozwiązania ,które będą godnie konkurować z importowanymi produktami tej branży.
Reasumując
energetyka
niekonwencjonalna
,zaczynając
od
sił
wody
,wiatru
,promieniowania słonecznego czy biomasy i energii wnętrza ziemi będzie rozwijać się wraz
z postępem technicznym i wzrostem gospodarczym państw. Jak na razie jest ona jedynym
lekarstwem na rosnące zapotrzebowanie i zanieczyszczone środowisko.
Podsumowanie i Wnioski
67
Literatura/Źródła
[1],[2],[3] Johansson A., Czysta technologia, środowisko, technika, przyszłość, WNT,
Warszawa 1997, s10-20.
[4],[5] Johansson A., Czysta technologia, środowisko, technika, przyszłość, WNT,
Warszawa 1997, s22-23.
[6][7] Johansson A., Czysta technologia, środowisko, technika, przyszłość, WNT,
Warszawa 1997, s10-20. Światowe zużycie surowców energetycznych
[8] Lewandowski M.W., Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002,s51.
[10] Michałowski S.Plutecki J. Energetyka wodna, WNT Warszawa 1975,s11
[11] JOST H. Ludowe urządzenia energetyczne i mechaniczne o napędzie wodnym na
Podhalu” WPAN 1978.
Podhalu WPAN 1978.
Podhalu WPAN 1978.
Podhalu”,WPAN1978.
[15][16] Kopecki K. Człowiek w świecie energii,W-wa,Ksiażlka i Wiedza.
[17] Schemat funkcjonowania elektrowni wodnej. Udostępnione na stronach
http:// www.adimanwit.republika.pl .
[18] Schemat ideowy elektrowni wykorzystującej pływy morskie. Udostępnione na
stronach http://www.republika.pl.
[19] Opracowanie w oparciu o publikacje udostępnione na stronach
http://www.ekoenergia.pl.
[20] Elektrownia na rzece Rence Udostępnione na stronach
http:// www.elektrowniewodne.pl.
[21] [22] Schematy elektrowni. Udostępnione na stronach
http:// www.elektrowniewodne.pl.
[23] Opracowanie w oparciu o strony http://www.elektrowniewodne.pl
[24] Schemat ideowy elektrowni maretermicznej.
Udostępnione na stronach http:// www.elektrowniewodne.pl.
68
[28] Zabytkowe wiatraki. [Muzeum Kultury Ludowej w Osieku nad Notecią].
[29] Polski serwis zajmujący się elektrowni wiatrowych
http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl .
[30,31,32,33] Polski serwis zajmujący się elektrowni wiatrowych
[35]
Witryna Ośrodka Meteorologi IMGW http://www.imgw.pl.
[36] [37] Europejskie Centrum Energii Odnawialnej http://www.ibmer.waw.pl .
[38] [39] [40] Polski serwis zajmujący się elektrowni wiatrowych
[41] [42] Polski serwis zajmujący się problematyką elektrowni wiatrowych
[43] Smolec W. Fototermiczna konwersja energii słonecznej , PWN,W-wa,2000,s48-100.
[44][45] ENEA-Miesiecznik grupy energetycznej ENEA S.A 08-2003.
[46] Serwis zajmujący się problematyką OZE http://www.kolektory.z.pl.
[48][49] Strony licencjonowanego biura handlowego zajmującego się OZE
http:// www.anton.pl.
[50][51] Serwis zajmujący się tematyką OZE http://www.bio.energia.priv.pl.
[52] Europejskie Centrum Energii odnawialnej http://www.ibmer.waw.pl .
[53] Serwis zajmujący się tematyką OZE http://www.bio.energia.priv.pl.
[54] Serwis zajmujący się tematyką OZE http://www.bio.energia.priv.pl.
[55] Serwis internetowy zajmujący się tematyką OZE http://www.bio.energia.priv.pl.
[56][57][58] Serwis zajmujący się tematyką OZE http://www.bio.energia.priv.pl.
[59]
Ciepłownia geotermalna.http://www.inet.pl/geotermia.
[60] Cartall Multimedialna Mapa Polski 2001 .
[61,62] Polski serwis zajmujący się problematyką elektrowni wiatrowych
69
[63] Opracowaniw w oparciu o strony http://www.energetykawiatrowa.pl.
[64] Dystrybutor aerogeneratorów firmy LAGREWEY w Polsce,
http://www.energetykawiatrowa.pl .
[65] [66] Dystrybutor aerogeneratorów firmy LAGREWEY w Polsce,
http://www.energetykawiatrowa.pl .
[67] Opracowanie własne w oparciu o witryne http://www.gastrometal.pl-mapy i
tabele dostępne w dadatkach.
[68] Strony internetowe licencjonowanego biura handlowego zajmującego się OZE
http:// www.anton.pl.
[69] Budowa pieca opalanego słomą http://www.graso.com.pl.
[70] Opracowanie własne w oparciu o witrynę http://www.graso.pl.
70
Spis Rysunków
Rozdział 2
1. Podział mechanicznej wodnej energii odnawialnej.[9]..............................................8
2. Natryskowe koło wodne (młyn turecki )[12].............................................................9
3. Koła wodne o wale poziomym [12]..........................................................................10
4. Koło wodne „Wałaska”[13]......................................................................................10
5. Rozwiązania pierwszych turbin wodnych[16]..........................................................11
6. Schemat funkcjonowania elektrowni wodnej.[17] ...................................................13
7. Schemat ideowy elektrowni wykorzystującej pływy morskie.[18]..........................14
8. Elektrownia wykorzystująca pływy morskie[20].....................................................15
9. Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal morskich typu MOSC[21]..........15
10. b.) Schemat “kaczki” a.) Widok “tratwy”- wykorzystującej energię fal morskich. [22].........16
11. Schemat ideowy elektrowni maretermicznej[24]...................................................................................17
12. Elektrownia Stilmana, wykorzystująca energię prądów oceanicznych.[26]............18
Rozdział 3
13. Zabytkowe wiatraki.[28]..........................................................................................21
14. Pierwsze elektrownie wiatrowe[30].........................................................................22
15. Elektrownia wiatrowa zbudowana według współczesnych założeń konstrukcyjnych. [32]........22
16. Przebieg izowent na terenie Polski w miesiącach letnich.[35].................................24
17. Schemat budowy współczesnej turbiny wiatrowej.[37]...........................................25
18. Elektrownie wiatrowe z wirnikiem Darrieus'a.[39]..................................................26
19.Projekty turbin wyposażonych w dyfuzor.[41]..........................................................27
20.Przykłady elektrowni wiatrowych z wirnikami jedno i dwupłatowymi.[42].............27
Rozdział 4
21. Poglądowy rysunek ogniwa fotowoltanicznego.[44]................................................31
22. Przekrój kolektora słonecznego PE 200 S1[48]...................................................................33
23. Schemat połączenia paneli solarnych z tradycyjnym kotłem C.O.[49]....................34
Rozdział 5
24. Schematy technoligczne instalacji energetycznego wykorzystania biomasy.[52]....38
Rozdział 6
25. Możliwości pozyskiwania i wykorzystywania biogazu.[54]....................................40
26. Przykładowy system fermentacji beztlenowej z odzyskiem ciepła na potrzeby
własne.[55]................................................................................................................41
Spis Rysunków i Tabel
71
Rozdział 7
27. Budowa Ziemi.[57]..................................................................................................45
28. Ciepłownia geotermalna[59].....................................................................................47
29 Kolektory słoneczne zamontowane na dachu budynku.[67].......................................49
Rozdział 8
30. Procedura uzyskania pozwoleń [60]..........................................................................52
31. Procedura przyłączenia do sieci elektroenergetycznej.[61].......................................53
32. Przyłączenie elektrowni do sieci energetycznej [62].................................................54
33. Schemat budowy elektrowni wiatrowej .[63]............................................................55
Rozdział 9
34. Kolektory słoneczne zamontowane na dachu budynku.............................................58
Rozdział 10
35. Budowa pieca opalanego słomą [66].........................................................................62
Dodatki
36. Parametry siłowni.(dodatki)........................................................................................................71-72
37. Widok siłowni(dodatki).[63]......................................................................................73
38. Budowa głowicy.(dodatki)[63]..................................................................................74
39. Mapa średniego nasłonecznienia Polski.(dodatki)[66]..............................................75
40. Koszt uzyskania ciepła z różnych nośników.(dodatki)[66].......................................75
41. Sposoby połączeń kolektorów.(dodatki)[66].............................................................77
Spis Tabel
1. Światowe zużycie surowców energetycznych (w milionach ton) [6]........................6
2. Światowe zużycie rud (w milionach ton)[7]..............................................................6
3. Umowne etapy rozwoju współczesnych elektrowni wiatrowych[33]......................23
4. Kosztorys wykonany dla nowej elektrowni LAGREWEY 18/80. [64].......................................56
5. Przewidywane zyski sprzedaży całkowitej wyprodukowanej energii.[65]...............57
6. Dane techniczne elektrowni wiatrowej LAGREWEY 18/80.(dodatki)[63]................71
7. Dane techniczne kolektorów produkowanych przez firmę Gastrometal.(dodatki)...76
8.Charakterystyka techniczna kotłów produkowanych przez firmę GRASO(dodatki) [68]...77
9. Harmonogram-Kogeneracja odnawialnych źródeł energii w warunkach wiejskich....78
Spis Rysunków i Tabel
72
Dodatki:
1.Budowa i parametry elektrowni wiatrowej.
Tabela 6. Dane techniczne elektrowni wiatrowej LAGREWEY 18/80[63].
Zał. A: Dane techniczne turbiny wiatrowej LAGERWEY 18/80
Dane ogólne:
wykonano zgodnie z normą
certyfikat
prędkość wiatru
znamionowa prędkość wiatru
maksymalna prędkość wiatru
urządzenie wytrzymuje prędkość wiatru
moc znamionowa
moc jednostkowa
przewidywany czas pracy
NEN 6096
CIWI
3 m/sek
12 m/sek
25 m/sek
60 m/sek
80kW
315 W/m2
min. 20 lat
Śmigło:
liczba łopat
ustawienie
pochylenie osi śmigła
średnica śmigła
Obszar zataczany
prędkość obrotowa
regulacja mocy
minimalny kąt natarcia
stożkowatość śmigła
kierunek obrotów
położenie łożyska głównego
2
pod wiatr
70 od poziomu
18 m.
254 m2
zmienna 60 – 120 obr/min
pasywny układ zmiany kąta natarcia łopat
6,30
180 – 1640
zgodnie z ruchem wskazówek zegara
w przekładni
Łopaty:
długość
Wymiar cięciwy
skręcenie
materiał
zamocowanie
profil aerodynamiczny
producent
7,8 m.
500 – 625 mm
50
żywica epoksydowa wzmacniana
włóknem węglowym
przegubowe (gietkie)
N.L.F. 416
A.T.V. Marsylia, Francja
Przekładnia:
ilość stopni
przełożenie
moment znamionowy
producent
2
1:20
8050 Nm
Flender, Holandia
Dodatki
73
Rys. 35 Parametry elektrowni wiatrowej[63].
Dodatki
74
Rys.36 Widok elektrowni wiatrowej[63].
Dodatki
75
Rys.37 Budowa głowicy elektrowni wiatrowej[63].
Dodatki
76
2.Mapa promieniowania słonecznego[66].
Rys.38 Mapa średniego nasłonecznienia Polski.
3.Zestawienie kosztów energii, oraz dane techniczne kolektorów[66].
Rys.39 Koszt uzyskania ciepła z różnych nośników[66].
Dodatki
77
Tabela 7. Dane techniczne kolektorów produkowanych przez firmę Gastrometal
Producent
GASTROMETAL
Typ kolektora
Kolektor płaski
Wymiary kolektora [mm]
2042 * 949 * 103
Powierzchnia brutto [m2]
1,92
Powierzchnia czynna kolektora [m2] 1,7
Masa [kg]
45
Obudowa
Standardowo rama aluminiowa i kolor naturalny, na
życzenie kolor dowolny - za dopłatą
Ilość szyb
1 szyba grubość 4 mm - szkło hartowane
Pojemność cieczy w kolektorze [dm
3]
1,35
Pozyskanie energii przez kolektor
[kWh/m2] w ciągu roku w WLKP.
Do 1000kWh/m2
Sprawność optyczna kolektora [%]
Około 82
Udział wykorzystania energii
słonecznej do przygotowania ciepłej
wody użytkowej [%]
Ok. 60-70 w skali roku
Płyn obiegu kolektora
Wodny roztwór glikolu
Temperatura zamarznięcia płynu w
instalacji [ o C]
- 35
Ciśnienie robocze w instalacji [bar]
1,5 + 0,1* wysokość statyczna budynku
Pokrycie absorbera
Powłoka tytanowa z tlenkiem krzemu
Montaż
Dachy pochyłe, płaskie, połacie dachowe, fasady
budynków lub montaż wolnostojący
Kąt nachylenia powierzchni
absorbera w stosunku do poziomu [ o dowolny
]
Możliwe dodatkowe wyposażenie
Kompletny osprzęt instalacji solarnych
Zastosowanie
Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej i wody w
basenach, wspomaganie ogrzewania budynków
Gwarancja
5 lat
Dodatki
78
a) szeregoworówoległy
b) układ
Tichelmana
c) układ
szeregowy
Rys.40 Sposoby połączeń kolektorów.
4. Zestawienia techniczne kotłów na biomasę.
Tabela 8. Charakterystyka techniczna niektórych kotłów produkowanych przez firmę
GRASO: [68].
Wyszczególnienie
KNS-500
KNS-400
KNS-250
KNS-60
KU-150
KU-25
500
400
250
60
150
20
wysokość w mm
3100
2100
2100
1950
1750
1300
długość w mm
3300
3300
1800
1050
1600
750
szerokość w mm
2300
1800
1800
1000
1050
600
pojemność wodna kotła
w litrach
4500
3400
2150
310
530
740
75
75
75
75
82-84
82-84
2000÷5000 1800÷4500 1500÷3700
400÷1250
moc grzewcza kotła
w kW
sprawność kotła w %
powierzchnia
pomieszczeń (h=3m)
w m2 *
rodzaj paliwa
słoma
ø 180x150
waga kotła
miał, węgiel
drewno,
słoma i inne
słoma
ø 120x150
słoma
ø 120x150
słoma kostki
40x50x80
2 baloty
1 balot
4 kostkiokoło
250
około 500
około 300
około 150
około 48
około 250
około 40
5800
4900
3100
650
1350
260
ilość paliwa
w jednorazowym
załadunku w kg2 baloty
ciężar paliwa jednego
zał. w kg
800÷2500 120÷375
miał
około 40
5.Harmonogram wykonania pracy.
Tabela 9. Harmonogram-Kogeneracja odnawialnych źródeł energii w warunkach wiejskich.
Dodatki
79
Kiedy
Co
1. Zapoznanie się z tematem
2003
XI
XII
X
I
II
2004
III IV
X
X
X
X
3. Sformułowanie tez i
zakresu pracy
X
X
X
X
X
X
5. Idea kogeneracji
X
X
7.Redakcja pracy
X
X
10. Obrona pracy
X
X
X
X
X
9. Poszukiwanie pracy
zawodowej
X
X
6.Projekt koncepcyjny i
wdrożeniowy
8.Przygotowanie się do
egzaminu
VI
X
2. Analiza literatury
4. Źródła i zastosowania
energii
V
X
X
6.Mapa myślowa
Dodatki
80
Przemysł
rafineryjny
BIOMASA
Przemysł
energetyczny
SŁOCE
KOLEKTORY
SŁONECZNE
TURBINY
ELEKTRYCZNE
WIA
TR
OGNIWA
FOTOWOLTANICZNE
ENERGIA ODNAWIALNA
KOGENERACJA
WODA
POLITYKA
EDUKACJA
ŚRODOWISKO
EKONOMIA
KOMFORT ŻYCIA
POSTĘP TECHNICZNY
Dodatki
KA
R
DA
O
SP
O
G
ELEKTROWNIE WODNE
ENERGIA MÓRZ I OCEANÓW
EN.PŁYWÓW
EN. PRĄDÓW MORSKICH
EN. FAL
FERMENTACJA
ŚCIEKÓW I ODPADÓW
ROLNICZYCH
ENERGIA
GEOTERMALNA
POMPY CIEPŁA
ELEKTROWNIE
81

Praca dyplomowa - Zakład Wibroakustyki i Bio

Transkrypt

Podobne dokumenty

WIÓRY Z KULTURY – nr 7 – 2014/03

DPD Dodatkowe zalecenia - elektronika i sprzęt RTV AGD

Rysunek architektoniczno