Energetyka odnawialna alternatywą dla energetyki klasycznej. Prof. dr hab. inż. J.M. Olchowik Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej

Transkrypt

1 Energetyka odnawialna alternatywą dla energetyki klasycznej Prof. dr hab. inż. J.M. Olchowik Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej

2 Największym zagrożeniem dla ekologii jest nieracjonalny sposób przetwarzania zasobów przyrody w energię użyteczną

3 Najbardziej uniwersalną formą energii użytecznej dla współczesnego człowieka jest energia elektryczna

4 Energia elektryczna świata w ponad 80% wytwarzana jest za pomocą procesów spalania węgla

5 Podział źródeł energii Źródła energii dzielimy zwyczajowo na odnawialne i nieodnawialne. Te drugie, obejmujące energię zawartą w kopalnych paliwach mineralnych, takich jak: węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny i wyczerpują się bezpowrotnie, a ich zużyciu towarzyszą niekorzystne efekty środowiskowe. Źródła nieodnawialne występują w ilościach skończonych. Zwłaszcza w ostatnich stuleciach ich zasoby bardzo poważnie zostały ograniczone, a ich odnowienie niemożliwe jest w wyobrażalnym horyzoncie czasowym.

6 Stan i prognozy zużycia energii pierwotnej

7 % przyrostu rocznego Czynniki generujące rozpraszanie energii wzrost konsumpcji cywilizacyjnych wzrost dynamiki demograficznej kryzysy geopolityczne 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Przyrost ludności Świata Rok

8 Odnawialne źródła energii Odnawialne źródła energii mają tę szczególną właściwość, że nie zużywają się w procesie ich użytkowania, a ich wykorzystanie nie zubaża potrzeb przyszłych pokoleń i walorów środowiska naturalnego

9 Miejsce energetyki odnawialnej w rozwoju cywilizacji

10 Prognozy wykorzystania źródeł energii

11 Stan obecny i prognozy

12 Roczne zasoby energii odnawialnej

13 Kilkunastu minutowa ekspozycja energii słonecznej za Ziemię wystarcza na zabezpieczenie rocznych potrzeb energetycznych naszego globu

14 Ilustracja powierzchni elektrowni PV, zabezpieczających w energią elektryczną świat i Europę.

15 Energia słoneczna konwersje fototermiczna (bezpośrednia produkcja ciepła) fotowoltaiczna (bezpośrednia produkcja energii elektrycznej) Konwersja termiczna promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej i na Ziemi prowadzi do powstania także wtórnych, pośrednich form energii promieniowania słonecznego jakimi są: energia wiatru -związana z cyrkulacją mas powietrza wywołaną nierównomiernym nagrzewaniem atmosfery przez Słońce; energia fal morskich -wywołanych działaniem wiatru; energia kinetyczna rzek, którą wywołują opady powstające na skutek parowania podgrzewanej promieniami słonecznymi wody energia prądów morskich wynikająca z różnicy temperatur wody oceanicznej wywołanej nierównomiernym ogrzewaniem mas wody przez promieniowanie słoneczne.

16 Jak powstaje energia słoneczna?

17

18

19 Budowa Słońca m S 1, kg, E mc 2, R 0,23R E h h c, 0,7R P 3, W.

20 Widmo promieniowania słonecznego

21 Światowy potencjał energii słonecznej

22 Nasłonecznienie Europy

23 Usłonecznienie Jednym z parametrów, decydującym o możliwościach efektywnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego (ilości godzin czasu trwania promieniowania słonecznego w ciągu roku)

24 Nasłonecznienie Polski Roczna gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach kwh/m 2. Średnie usłonecznienie dla Polski wynosi 1600 godzin Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kwh/m 2 /rok.

25 Rodzaje konwersji energii Słońca Ze względu na fizykochemiczną naturę przemian energetycznych promieniowania słonecznego na Ziemi wyróżnić można trzy podstawowe i pierwotne rodzaje konwersji : konwersję fotochemiczną - prowadzącą dzięki fotosyntezie do wiązania energii w związkach chemicznych budowanych przez rośliny w procesach asymilacji konwersję fototermiczną - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na ciepło konwersję fotowoltaiczną - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

26 Jak do tej pory największe znaczenie dla cywilizacji miała konwersja fotochemiczna promieniowania słonecznego przebiegająca dzięki zjawisku fotosyntezy w roślinach zielonych w procesach ich wzrostu. Procesy te, choć zachodzą z niewielką sprawnością, zapewniają nieprzerwaną produkcję biomasy. Przetwarzanie energii na biomasę związane jest jednocześnie z magazynowaniem przetworzonej energii w elementach roślin.

27 Biomasa - masa materii organicznej powstałej w procesach fotosyntezy. Jako surowiec energetyczny, najczęściej przetwarzana jest na granulaty lub biopaliwa płynne. BIOMASA

28 Energetyczne wykorzystanie biomasy Najpopularniejszymi formami biomasy są biopaliwa stałe. Stosuje się je w kotłach energetycznych produkujących energię cieplną. Są to głównie drewno i słoma oraz: Plantacje energetyczne rośliny uprawne roczne tj. zboża, konopie, kukurydza, rzepak, słonecznik, trzcina, rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba, szybko rosnące, trwałe rośliny trawiaste wieloletnie np. miskant olbrzymi - Miscanthus sinensis giganteus (z 1 tony suchej biomasy poddanej procesowi pirolizy otrzymać można 590 kg biooleju, 210 kg koksu oraz 130 kg biogazu)

29 Konwersje fototermiczna i fotowoltaiczna

30 Budowa kolektora słonecznego Przekrój panelu kolektora słonecznego do podgrzewania wody. l - rama, 2 - szkło, 3 - lamele (żebra) aluminiowe, 4 - wężownica, 5 - kolektor zbiorczy, 6 - uszczelka, 7 - izolacja termiczna, 8 -korpus

31 Wartość temperatury równowagi można określić na podstawie prawa sformułowanego przez Maxa Plancka: gdzie A o natężenie promieniowania słonecznego, B stała Boltzmana, α, ε odpowiednio współczynniki absorpcji i emisji promieniowania dla konkretnego materiału absorbera.

32 Instalacja solarnego ogrzewania basenu

33 Konwersja fotowoltaiczna Zamiana energii optycznej Słońca w prąd elektryczny

34 Zjawisko fotowoltaiczne

35

36 n p

37 h n p

38 h n p

39 h n p + -

40 h n p + -

41 h n p + -

42 n p + -

43 n p

44 n V oc p

45 n p

46 Sprawność fotokonwersji P max = J m V m. FF P max P id J J m sc U U m oc pole pole pod E max n f krzywą I,

47 Konstrukcja ogniwa PV

48 Idealna efektywność fotoogniw

49 Rozwiązania praktyczne PV

50

51 Farma PV

52 Koncentratory światła

53 Energia wiatru

54 Zasada działania turbiny wiatrowej Przykład elektrowni z generatorem wolnobieżnym, Enercon E40, 500 kw. 1 - układ orientacji na wiatr, 2 - napęd układu orientacji na wiatr. 3 - stojan generatora, 4 - wirnik generatora, S - układ zmiany kąta nastawienia skrzydła, 6 - napęd układu nastawiania skrzydła- 7 - nieruchomy wał główny- 8 - mocowanie skrzydła do piasty, 9- nasada skrzydła

55 Farmy wiatraczne

56 Farmy wiatraczne

57 Krajowe zasoby energii wiatru

58 Hydroenergetyka Turbina Francisa (1849) Koncepcje MEW

59 ENERGIA WODY Energetyka wodna wykorzystuje potencjał grawitacyjny cieków wodnych. Jest ona w Polsce wykorzystywana w niewielkim stopniu ponieważ wykorzystuje ten potencjał zaledwie w 11%, co stawia nas na ostatnim miejscu w Europie. W Polsce rozwija się dział energetyki wodnej o małych mocach jednostkowych, tzw. mała energetyka wodna - budowana przeważnie na istniejących (często zdewastowanych) stopniach wodnych.

60 ENERGIA GEOTERMALNA

61 Charakterystyka Wnętrze Ziemi jest gorące z dwóch powodów: pozostałość po procesie formowania się planety oraz naturalny rozkład pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi. 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 o C 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 o C/km.

62 "Budowa Ziemi"

63 Już 100 km pod powierzchnią Ziemi temperatura osiąga ok C. Wody geotermalne występują na głębokości od kilku do kilkunastu kilometrów pod powierzchnią, jednak ich wydobycie jest ograniczone- dotychczas najgłębszy otwór sięga ok. 8 km w głąb Ziemi, a wydobycie wód jest ekonomicznie opłacalne do 3 km w głąb ziemitu temperatury osiągają do nawet 200 stopni Celsjusza, gdzie woda występuje pod postacią gorącej pary.

64 ENERGIA GEOTERMALNA

65 Gejzer

66

67 Park Yellowstone

68

69

70

71 Pompy ciepła Sprężarkowa pompa ciepła

72 Pompy ciepła Warianty pomp ciepła

73 Energia pływów morskich

74 Energia pływów morskich Rejony występowania pływów morskich

75 Konwersja energii falowania

76 Energia prądów morskich Elektrownia Stilmana

77 Dziękuję za uwagę,