Materiały edukacyjne

Transkrypt

1 WIELKOPOLSKA AGENCJA ZARZĄDZANIA ENERGIĄ SP. Z O.O. Materiały edukacyjne dla uczniów szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych Bartosz Królczyk, Justyna Turek-Plewa wrzesień 2011 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską (w ramach Programu Inteligentna Energia Europa)

2 Wstęp W wyniku procesów technologicznych produkcji energii i ciepła, głównie ze spalania kopalin, do atmosfery uwalniane są znaczne ilości dwutlenku węgla. Emisja gazów cieplarnianych stanowi zasadniczą przyczynę wzrostu średniej temperatury na Ziemi. Jednocześnie stale rośnie zapotrzebowanie na energię. Przewiduje się, że do 2030 roku osiągnie ono o 60% wyższą wartość, w porównaniu do roku 1998, a energia stanie się dobrem deficytowym. Stwarza to także zagrożenie dla bezpieczeństwa dostaw energii. Czynniki te, wraz ze stale rosnącymi cenami energii, zmuszają do podejmowania określonych działań związanych z wdrażaniem zrównoważonego systemu energetycznego. System ten ma na celu zaspokojenie potrzeb energetycznych społeczeństwa, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego, konkurencyjności gospodarki oraz trosce o przeciwdziałanie zmianom klimatycznym. Bezpieczeństwo energetyczne Pojęcie bezpieczeństwa energetycznego oznacza zapewnienie stabilnych (niezawodnych) dostaw energii, ciepła i paliw wymaganej jakości, na poziomie gwarantującym zaspokojenie potrzeb oraz po cenach akceptowanych przez gospodarkę i społeczeństwo. Wyznacznikiem bezpieczeństwa energetycznego jest samowystarczalność energetyczna państwa, który można określić jako stosunek ilości energii wytworzonej tym państwie, do ilości jej zapotrzebowania. Podczas zapewniania bezpieczeństwa energetycznego, należy również uwzględnić działania ograniczające negatywny wpływ energetyki na środowisko. W przeciwieństwie do konwencjonalnego systemu energetycznego, system zrównoważony oparty jest w dużym stopniu na odnawialnych źródłach energii (OZE). Wzrost wykorzystania OZE i stopniowe ograniczanie źródeł kopalnych (ropa, węgiel, gaz) ma doprowadzić do redukcji emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Pakiet energetyczno-klimatyczny 3 20 Osiągnięcie powyższych celów, przy jednoczesnym stałym wzroście produkcji energii, jest zadaniem niełatwym. Dlatego też Unia Europejska przyjęła szczegółowy plan działań dla integracji polityki energetycznej i klimatycznej. Jego realizacja ma doprowadzić do ograniczenia wzrostu średniej temperatury na Ziemi oraz do zmniejszenia zagrożenia wzrostu cen i stabilizacji dostaw paliw.

3 Gaz cieplarniany Symbol Wzrost stężenia w atmosferze w latach Dwutlenek węgla CO 2 31 % Metan CH 4 151% Podtlenek azotu N 2 O 17% Ozon O 3 35% Pakiet energetyczno-klimatyczny 3 20 stawia przed Unią Europejską następujące cele do osiągnięcia do roku 2020: Redukcja emisji CO 2 o 20% ( stosunku do 1990 roku) Zwiększenie efektywności energetycznej o 20% (racjonalizacja zużycia energii) Zwiększenie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych do 20% (w tym osiągnięcie 10% udziału biopaliw w transporcie). Struktura zużycia energii pierwotnej w Polsce Głównym surowcem energetycznym Polski jest węgiel. Kolejnymi znaczącymi nośnikami energii są ropa naftowa i gaz ziemny. Spalanie tych paliw kopalnych powoduje emisję znacznych ilości gazów cieplarnianych do atmosfery. Gaz ziemny ma jednak tę przewagę nad węglem i ropą, że przy jego spalaniu powstaje niemal o połowę mniej dwutlenku węgla. Pod względem ekologicznym, w porównaniu do pozostałych kopalin, uznawany jest jako paliwo czystsze, a także bardziej przyjazne w użytkowaniu czy transporcie. węgiel ropa gaz OZE inne Rys.1. Struktura zużycia energii pierwotnej w Polsce. [A. Osiadacz, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska] Oparcie energetyki na źródłach kopalnych, oprócz negatywnego wpływu na środowisko, niesie za sobą ryzyko wyczerpania się istniejących zasobów. W celu sprostania wyzwaniom stojącym przed polską energetyką, niezbędne jest więc podjęcie działań zmierzających do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, przy jednoczesnym minimalizowaniu zjawiska efektu cieplarnianego, poprzez m.in. zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym, czy wprowadzanie układów skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła (kogeneracji).

4 Polityka energetyczna Polski do 2030 roku Prace nad polityką energetyczną Polski do roku 2030 rozpoczęły się w połowie 2007 roku. Polska jako członek Unii Europejskiej uczestniczy w tworzeniu polityki energetycznej Wspólnoty. Do podstawowych kierunków polskiej polityki energetycznej można zaliczyć: poprawę efektywności energetycznej, wzrost bezpieczeństwa dostaw paliw oraz energii, dywersyfikację struktury wytwarzania energii elektrycznej poprzez wprowadzenie energetyki jądrowej, zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii, rozwój konkurencyjnych rynków paliw oraz energii, ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko. Odnawialne Źródła Energii i ich rodzaje:

5 Odnawialne źródła energii (OZE) to takie, których zasoby są niewyczerpalne lub odnawiają się w krótkim czasie. OZE wykorzystują energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię biomasy i biogazu. Spośród nich, największe znaczenie w Polsce i na świecie ma energia wody. Obecnie jednak coraz powszechniejsza staje się energia pochodząca z odpadów przemysłowych i komunalnych, energia słoneczna czy geotermalna. Energia słoneczna Słońce jest źródłem olbrzymiej i niewyczerpywalnej ilości energii. Energia słoneczna dociera do Ziemi w postaci promieniowania słonecznego, które zapewnia Ziemi ciepło i światło. Głównym urządzeniem w instalacjach pozyskiwania energii słonecznej (solarnej) jest kolektor. Zdolność przepuszczania promieni słonecznych przez przezroczyste pokrywy kolektorów zależy od kąta padania promieniowania. W celu zwiększenia ilości energii słonecznej docierającej do urządzeń, które ją wykorzystują, ustawia się je w kierunku południowym. Z uwagi na zmieniające się pory roku, cyklicznie zmienia się optymalny kąt ustawienia kolektora. Kolektor odbiera ciepło z promieniowania słonecznego i przenosi go w ciecz roboczą, która z kolei ogrzewa wodę w zbiorniku. Tak podgrzaną wodę można np. wykorzystać do wzięcia prysznica lub do prania ubrań. Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do: podgrzewania wody użytkowej, podgrzewania wody basenowej, wspomagania centralnego ogrzewania, chłodzenia budynków, czy w formie ciepła technologicznego. Rozróżniamy kilka rodzajów kolektorów słonecznych, min. kolektory płaskie oraz kolektory próżniowe. Ze względu na cenę i prostotę konstrukcji, najpopularniejsze są kolektory płaskie. Kolektory zawsze muszą składać się z kilku warstw: a) przezroczysta pokrywa b) absorber c) izolacja i obudowa Z kolei ogniwo fotowoltaiczne (ogniwo PV) to urządzenie które przekształca promieniowanie słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Wykorzystuje do tego celu zjawisko zwane efektem fotowoltaicznym. Większość ogniw PV wykonanych jest z krzemu. Posiadają one dwie warstwy: pozytywną (+) i negatywną (-), pomiędzy którymi wytwarza się napięcie, w chwili gdy na ogniwo padają promienie słoneczne. Aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc, ogniwa są łączone. Kilkanaście, a czasem nawet kilkadziesiąt ogniw tworzy moduł (panel) fotowoltaiczny.

6 Sposoby wykorzystania energii słonecznej: Bezpośrednia produkcja energii elektrycznej Bezpośrednia produkcja energii cieplnej Bezpośrednia produkcja energii elektrycznej z energii cieplnej Zastosowania systemów fotowoltaicznych: przenośne zastosowania pojazdy (przyczepy kampingowe, jachty) oświetlenie tymczasowe, sygnalizacja świetlna elektronika przenośna elektryczność awaryjna zastosowania oddalone od sieci budynki nie podłączone do sieci oświetlenie oddalone od sieci, monitoring komunikacja (wieże telefonii komórkowej) sygnalizacja oddalona od sieci (znaki na autostradzie, boje na morzu) instalacje badawcze pompy wodne zastosowania w kosmosie satelity i urządzenia badawcze międzynarodowa stacja kosmiczna pojazdy autonomiczne (Spirit, Opportunity) instalacje wbudowane w architekturę elektrownie Panele fotowoltaiczne

7 Energia wiatrowa Wiatr jest to poziomy ruch powietrza względem powierzchni Ziemi. Energia wiatru powstaje w wyniku przemieszczania się powietrza, spowodowanego jego nierównomiernym nagrzaniem i różnicą ciśnień atmosferycznych na tej samej wysokości w danym obszarze. Urządzenia, które produkują energię elektryczną z wiatru to turbiny wiatrowe. Budowa głównej części turbiny wiatrowej: Zasada działania turbiny: Strumień powietrza napływający na łopaty wywołuje ruch obrotowy wirnika. Obracający się wirnik, przekazuje energię do przekładni, w której następuje wzrost wartości prędkości obrotowej przekazywanej przez generator. Generator, często nazywamy prądnicą, przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną, która przewodami zostaje odprowadzona do odbiorników. Za utrzymanie całego wirnika w odpowiednim położeniu względem wiatru odpowiedzialny jest ster kierunkowy. Cała konstrukcja spoczywa na stalowej wieży zakotwionej przez fundament w gruncie. Sprawność przemiany energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną wynosi około 30% i jest ona zależna od konstrukcji elektrowni wiatrowej i prędkości wiatru. Zaletą elektrowni wiatrowej jest to, że nie zanieczyszcza środowiska naturalnego, nie wymaga dostaw paliwa ani wody i wykorzystuje niewyczerpywane źródło energii jakim jest wiatr.

8 Energia wody Energia wody jest jednym z odnawialnych źródeł energii i uzależniona jest od naturalnego obiegu wody w przyrodzie (parowanie, skraplanie, opad atmosferyczny) i jest jednym z najstarszych i najbardziej wykorzystywanym źródłem spośród wszystkich form energii odnawialnej. Woda jest niezbędna do życia dla ludzi zwierząt i roślin, ale płynąca woda w rzece umożliwia także produkcję prądu. Typowym sposobem wykorzystania energii wody jest zapora. Spiętrza ona wodę i tworzy w ten sposób sztuczne jezioro. Woda przepływając szybko w dół, napędza turbiny, które wytwarzają elektryczność. Najczęściej spotykanym sposobem wykorzystania energii wody jest więc energia spadku (rzeki, zbiorniki), ale oprócz tego w ostatnich latach powstały układy wykorzystujące energię pływów, fal i prądów morskich, a także różnic temperatur występujących na różnych głębokościach mórz. Są one jednak drogie w eksploatacji i używa się ich dość rzadko. Rozwój energetyki wodnej na szeroką skalę umożliwiło wynalezienie turbiny wodnej w XIX wieku. Upowszechnienie elektrowni wodnych przyczyniło się w znacznej mierze do rozwoju gospodarczego Europy w okresie przełomu XIX i XX wieku. Hydroenergetyka w Polsce Potencjał hydroenergetyczny (techniczny) polskich rzek szacuje się na 12TWh rocznie. Obecnie Polska wykorzystuje jedynie 17% tych zasobów, co stanowi dość niski wskaźnik w porównaniu do innych Państw UE [E. Malicka Hydroenergetyka jest więc niedoceniana, chociaż posiada walory, które wyróżniają ją spośród innych źródeł energii. Oprócz pozyskiwania energii, zbiorniki gromadzące wodę mogą służyć do ochrony przeciwpowodziowej. Szczególnie korzystny wydaje się rozwój elektrowni o mocach 10-40kW, które stanowić będą źródła energii do wykorzystania na miejscu, i nie będą wymuszały modernizacji lokalnych sieci przesyłowych. Elektrownia wodna Jastrowie

9 Zalety energetyki wodnej: poprawa parametrów sieci elektroenergetycznych i obniżanie strat związanych z przesyłem energii elektrycznej, poprawa bezpieczeństwa energetycznego kraju, redukcja zanieczyszczeń do atmosfery oraz oszczędność węgla, zwiększenie retencji (gromadzenia zasobów) wody, ochrona przeciwpowodziowa, czyszczenie rzek, dotlenianie wody, zatrzymanie erozji zbiorników wodnych, wysoki współczynnik zwrotu energii tworzenie nowych miejsc pracy i miejsc wypoczynku niewielkie wymagania w odniesieniu do zajmowanej powierzchni. Energia geotermalna Energia geotermalna to naturalne ciepło Ziemi skumulowane w wodach i skałach podziemnych. Wnętrze kuli ziemskiej jest bardzo gorące. Ciepło ze środka Ziemi kieruje się ku jej powierzchni, gdzie wykorzystywane jest przez człowieka. Ciepło to można wykorzystać do ogrzewania domów i mieszkań oraz kąpieli w ciepłych źródłach, nawet zimą. Głównym źródłem ciepła jest rozpad pierwiastków promieniotwórczych (uranu, toru, izotopów potasu) w jądrze Ziemi. Efektem rozpadu tych pierwiastków jest wytwarzanie się w jądrze bardzo wysokiej temperatury (ok C), która maleje wraz z przybliżaniem się do powierzchni Ziemi. Naturalnym nośnikiem energii geotermalnej jest woda, para wodna, ropa naftowa oraz gaz ziemny, które są zgromadzone w porach i szczelinach skał budujących skorupę ziemską. Najbardziej znanym efektem ciepła Ziemi są wybuchy wulkanów (magmy, lawy). Innym zjawiskiem geotermalnym ściśle powiązanym ze skałami magmowymi są gejzery i gorące źródła. Gejzery to nic innego jak wybuchająca z głębi ziemi para wodna. Proces powstania gorących fontann opiera się na ogrzaniu przez skały magmowe znajdujące się blisko powierzchni, wsiąkającej deszczówki i wód gruntowych. Wody osiągają temperaturę do 180 C. Skumulowana wewnątrz woda jest przegrzana i przy niewielkich ruchach tektonicznych, znajduje ujście na powierzchnię. Podczas wybuchów ulatniają się trujące gazy (dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, kwas solny i siarkowodór). Energia z gejzerów jest wykorzystywana do produkcji elektryczności. Islandia poprzez energię geotermalną pozyskuje aż 89% całego zapotrzebowania na ciepłownictwo, natomiast produkcja energii elektrycznej z pary geotermalnej sięga 170MW. Oprócz produkcji energii elektrycznej, najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej jest budowa ciepłowni geotermalnych. Ponadto wykorzystuje się ją także w balneologii (medycyna uzdrowiskowa), uprawach, przemyśle chemicznym, suszarnictwie, przetwórstwie, hodowli ryb, basenach kąpielowych, czy ogrzewaniu budynków przy pomocy pomp ciepła. Pompy ciepła to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

10 Pompa ciepła: Pompy ciepła to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Systemy ogrzewania domów w oparciu o energię geotermalną z zastosowaniem pomp ciepła zyskują coraz większą popularność. Energetyka geotermalna w Polsce Obecność złóż geotermalnych stwierdzono na obszarze 80% terenu Polski, lecz opłacalne złoża znajdują się na 40% powierzchni kraju. Mimo bogatych zasobów, udział tego typu energii w bilansie energetycznym wynosi zaledwie 0.1 %. Ze względu na niską temperaturę wód geotermalnych (45 C-95 C) nie ma możliwości wykorzystania ich do produkcji energii elektrycznej. Bioenergia (energia biomasy i biogazu) Biomasa, to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji, oraz ziarna zbóż niespełniające wymagań jakościowych dla zbóż w zakupie interwencyjnym (Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 23 lutego 2010 r., Dz.U. Nr 34 poz. 182). Biomasa powstaje w procesie zwanym fotosyntezą. Rośliny pobierają dwutlenek węgla z otaczającego je powietrza, wodę i sole mineralne z gruntu, następnie pod wpływem promieni słonecznych budują swoje komórki. Energię zawartą w roślinach można wykorzystać poprzez jej spalanie. W wyniku tego procesu uzyskuje się ciepło, które może być przetworzone na inne rodzaje energii, np. energię elektryczną. Popularnym rodzajem biomasy jest drewno pozyskiwane z lasów. Może być ono wykorzystywane pod różnymi postaciami między innymi jako: granulat, trociny i zrębki. Słoma, jako pozostałość po żniwach, także może być źródłem energii. Stosuję się także tzw. biouprawy czyli celowe uprawy tzw. roślin energetycznych w celu późniejszego ich wykorzystania do produkcji energii lub nośników energii. Rośliny wykorzystywane w celach energetycznych powinny charakteryzować się: dużym plonem suchej masy z hektara, odpornością na warunki atmosferyczne, szkodniki, choroby, niskimi wymaganiami glebowymi, niskim erodowaniem i wyjaławianiem gleby.

11 Przykładowe gatunki roślin energetycznych: wierzba, topola, ślazowiec pensylwański, miskant olbrzymi, rzepak, topinambur Tutaj foto rośliny energetycznej W Polsce możliwe jest uzyskanie około 10 ton biomasy z 1 ha użytków rolnych. Stanowi to równowartość 5 ton węgla kamiennego. W wyniku spalania biomasy, do atmosfery przedostaje się dwutlenek węgla, ale tylko w takiej ilości, jaka została pochłonięta przez rośliny podczas wegetacji. Właściwość ta jest istotną zaletą biomasy jako paliwa, gdyż jej spalanie nie zwiększa ogólnej emisji gazu cieplarnianego jakim jest dwutlenek węgla. W produkcji energii coraz większego znaczenia nabiera wykorzystanie odchodów zwierzęcych, oraz odpadów komunalnych do produkcji biogazu - mieszaniny gazów, w której dominują metan i dwutlenek węgla. Biogazownia w Skrzatuszu Substraty do produkcji bioenergii: drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, słoma zbożowa, z roślin oleistych, strączkowych lub siano, plony z plantacji roślin energetycznych, odpady organiczne - gnojownica, osady ściekowe, biopaliwa płynne do celów transportowych, np. oleje roślinne, biodiesel, bioetanol, biogaz z gnojownicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych.

12 Rys.2. Surowce energetyczne i produkty rynkowe pozyskiwane z biomasy [ Potencjał OZE i obecny stan wykorzystania odnawialnych źródeł w Polsce Polska, na mocy traktatu akcesyjnego, przyjęła zobowiązanie wzrostu energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w krajowym bilansie zużycia energii (dyrektywa unijna 2001/77/WE). W 2010r udział energii pochodzącej z OZE wynosił 5.5%. Większość tej energii (4,2TWh) pochodzi z dużych elektrowni systemowych stosujących współspalanie biomasy z węglem. Z elektrowni wodnych uzyskano 2,4 TWh, a z wiatru 1TWh energii elektrycznej. Rys.3. Produkcja energii elektrycznej z OZE w Polsce w latach [%] [ Powyższe dane wskazują na najniższy udział wiatru i biogazu w produkcji energii, ale to siłownie wiatrowe charakteryzuje najszybszy przyrost mocy w analizowanym okresie.

13 Rodzaje OZE Moc zainstalowana [MW] Biomasa 189,8 252,8 255,0 252,4 Biogaz 31,9 36,8 46,0 69,2 (stan we wrześniu 2009r.) Wiatr 83,3 176,0 269,0 1005,5 Woda 921,7 929,4 934,0 946,7 Suma 1226,7 1395,0 1504,0 2273,8 Wzrost mocy poszczególnych rodzajów OZE w Polsce w latach [ W produkcji biogazu Polska zajmuje w UE dalsze miejsce, jednakże w roku 2009 rząd przyjął program Rozwój biogazowni rolniczych. Zakłada on, że do 2020 roku powstanie przynajmniej jedna biogazownia w każdej gminie. W UE, podobnie jak na całym świecie, postawiono więc na zdecydowany rozwój energetyki odnawialnej. Realizacja zamierzeń może nastąpić m.in. poprzez wdrażanie nowoczesnych, wysokowydajnych i tanich technologii produkcji energii elektrycznej i cieplnej ze źródeł odnawialnych. Inteligentne sieci przesyłu energii (Smart Grids) Inteligentne systemy dostawy energii nazywane Smart Grids powstają w celu zwiększenia efektywność wytwarzania energii, jej przesyłu, rozdziału oraz użytkowania przez odbiorców. Do czego tak właściwie mają służyć te inteligentne sieci? Oto kilka przykładów: wzrost bezpieczeństwa energetycznego oraz eliminacja przerw w dostawach energii, mniejsze koszty wytwarzania energii poprzez korzystanie z jej lokalnych zasobów, energia dostarczana do odbiorców jest dostosowana do indywidualnych potrzeb każdego klienta, odbiorca energii ma możliwość zarządzania energią oraz monitorowania jej dostaw, a dzięki inteligentnym licznikom także opomiarowania jej zużycia, zwiększenie udziału rozproszonych instalacji zasilanych odnawialnymi źródłami energii, wymiana istniejących sieci przesyłowych na bardziej wydajne energetycznie.

14 Źródła: zielonaenergia.eco.pl eszkola.pl/czytaj/zuzycie_energii/8902 sp5.d-si.pl/gim/odnawialne.ppt futureblog.pl/2009/04/ge-smart-grid/ Perspektywy rozwoju elektroenergetyki w świecie i w Polsce Prognoza zapotrzebowania na paliwa i energię do 2030 roku. Ministerstwo Gospodarki. Zał. Nr 2 do Polityki energetycznej Polski do 2030 roku