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