Energia i Środowisko Część IV Prof. Dr hab. inż. Stanisław Drobniak Instytut Maszyn Cieplnych Politechnika Częstochowska http://imc.pcz.czest.pl e-mail: drobniak@imc.pcz.czest.pl 1
ZAWARTOŚĆ CZĘŚCI IV Energetyka słoneczna ogniwa fotowoltaiczne Energetyka słoneczna kolektory słoneczne Energetyka wiatrowa Podsumowanie 2
EFEKT CIEPLAR IA Y JAK U IK ĄĆ EFEKTU CIEPLAR IA EGO? Trzy możliwe sposoby minimalizacji emisji CO 2 : pochłanianie i składowanie CO 2 stosowanie bardziej sprawnych technologii produkcji energii stosowanie technologii bezemisyjnych (lub niskoemisyjnych) 3
CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE (2) Ustalenia CMI: - dziś emisja CO 2 wynosi 7 mld ton -bez zmiany obecnej polityki w r. 2055 będzie to 14 mld ton Jakie konsekwencje dla klimatu? 4
CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE (4) Jeden klin to: - 700-krotny wzrost ilości wszystkich kolektorów słonecznych na świecie, 5
CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE (9) Jeden klin to: - podwojenie sprawności wszystkich samochodów na świecie (nierealne ze względów technicznych), - 700-krotny wzrost ilości wszystkich kolektorów słonecznych zainstalowanych dziś na świecie (prawdopodobne, chociaż kosztowne), - CCS z 800 wielkich elektrowni konwencjonalnych, tj. 2/3 całej dzisiejszej mocy zainstalowanej na świecie (prawdopodobnie konieczne i możliwe w części instalacji, to 3500 razy większa skala od wydajności instalacji zainstalowanej w 1974 w złożu Sleipner przez Statoil dla usuwania nadmiaru CO 2 z gazu ziemnego), - zainstalowanie najnowszych swietlówek i zaizolowanie wszystkich budynków na świecie (uwaga: to aż 2 kliny konieczne w możliwie największej skali) - 50-krotny wzrost mocy elektrowni wiatrowych (prawdopodobne), - 3-krotny wzrost mocy zainstalowanych w elektrowniach jądrowych (realne) 6
Energia słoneczna ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd elektryczny 7
Energia słoneczna ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd elektryczny kolektor słoneczny wytwarza ciepło 8
Energia słoneczna ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd elektryczny kolektor słoneczny wytwarza ciepło Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? Czy realne jest zaspokojenie naszych potrzeb energetycznych poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej (np. ogniwa fotowoltaiczne, kolektory słoneczne) 9?
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? średnio w Polsce: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) czy to dużo czy mało? 10
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? średnio w Polsce: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) czy to dużo czy mało? Ile energii Polsce dostarcza Słońce w ciągu jednego roku? powierzchnia Polski : ~ 313 tys. km 2 2 2 ( ) 3 3 2 2 3 6 2+3+6 11 313 10 10 [m ]=3.13 10 10 10 =3.13 10 =3.13 10 [ m ] 11
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? średnio w Polsce: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) czy to dużo czy mało? Ile energii Polsce dostarcza Słońce w ciągu jednego roku? powierzchnia Polski : ~ 313 tys. km 2 2 2 ( ) 3 3 2 2 3 6 2+3+6 11 313 10 10 [m ]=3.13 10 10 10 =3.13 10 =3.13 10 [ m ] na każdy m 2 dociera rocznie 974 kwh energii, zatem do całej Polski : 11 11 2 13 13 14 3.13 10 974=3.13 10 9.74 10 =3.13 9.74 10 =30.5 10»~3 10 [ kwh] czy to dużo czy mało? 12
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? Średnio dla Polski: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) na każdy m 2 dociera rocznie 974 kwh energii, zatem do całej Polski : 11 11 2 13 13 14 3.13 10 974=3.13 10 9.74 10 =3.13 9.74 10 =30.5 10»~3 10 [ kwh] czy to dużo czy mało? 13
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? Średnio dla Polski: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) na każdy m 2 dociera rocznie 974 kwh energii, zatem do całej Polski : 11 11 2 13 13 14 3.13 10 974=3.13 10 9.74 10 =3.13 9.74 10 =30.5 10»~3 10 [ kwh] czy to dużo czy mało? roczna produkcja energii elektrycznej w Polsce ~ 146 mld kwh, czyli: 9 2 9 11 146 10 =1.46 10 10 =1.46 10 [kwh] 14
Energia słoneczna (zasoby) Ile energii dostarcza Ziemi Słońce? Średnio dla Polski: 974 [kwh / m 2 rok] ( źródło: T. Chmielniak, 2008) na każdy m 2 dociera rocznie 974 kwh energii, zatem do całej Polski : 11 11 2 13 13 14 3.13 10 974=3.13 10 9.74 10 =3.13 9.74 10 =30.5 10»~3 10 [ kwh] czy to dużo czy mało? roczna produkcja energii elektrycznej w Polsce ~ 146 mld kwh, czyli: 9 2 9 11 146 10 =1.46 10 10 =1.46 10 [kwh] ile razy więcej energii otrzymujemy ze Słońca: 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 15
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 16
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 jeżeli pokryjemy 1 % powierzchni kraju ogniwami fotowoltaicznymi i będziemy przetwarzać energię słoneczną ze sprawnością 15 % (nowoczesne ogniwa osiągają nawet wyższe sprawności) to ile energii wyprodukujemy w ten sposób: 3-2 -1 3-2-1 2000 0.01 0.15 = 2 10 1 10 1.5 10 = 3 10 = 3 17
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 jeżeli pokryjemy 1 % powierzchni kraju ogniwami fotowoltaicznymi i będziemy przetwarzać energię słoneczną ze sprawnością 15 % (nowoczesne ogniwa osiągają nawet wyższe sprawności) to wyprodukujemy w ten sposób: 3-2 -1 3-2-1 2000 0.01 0.15 = 2 10 1 10 1.5 10 = 3 10 = 3 czyli trzykrotnie więcej energii elektrycznej niż produkujemy dzisiaj w Polsce!!! 18
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 jeżeli pokryjemy 1 % powierzchni kraju ogniwami fotowoltaicznymi i będziemy przetwarzać energię słoneczną ze sprawnością 15 % (nowoczesne ogniwa osiągają nawet wyższe sprawności) to wyprodukujemy w ten sposób: 3-2 -1 3-2-1 2000 0.01 0.15 = 2 10 1 10 1.5 10 = 3 10 = 3 czyli trzykrotnie więcej energii elektrycznej niż produkujemy dzisiaj w Polsce!!! to potencjalnie wartościowe źródło ciepła (ale będzie ekonomiczne jeżeli koszt ogniwa nie przekroczy granicy ~ 1000 US$ / kw dziś koszt zakupu wynosi ~ 3 Euro/ W)* * - źródło T. Chmielniak, W T 2008 19
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Słońce dostarcza nam ponad 2 tysiące razy więcej energii niż w tym samym czasie produkujemy energii elektrycznej! 14 3 10 1.46 10 11 14-11 3 2 10 =2 10 =2000 jeżeli pokryjemy 1 % powierzchni kraju ogniwami fotowoltaicznymi i będziemy przetwarzać energię słoneczną ze sprawnością 15 % (nowoczesne ogniwa osiągają nawet wyższe sprawności) to wyprodukujemy w ten sposób: 3-2 -1 3-2-1 2000 0.01 0.15 = 2 10 1 10 1.5 10 = 3 10 = 3 czyli trzykrotnie więcej energii elektrycznej niż produkujemy dzisiaj w Polsce!!! dla Polski przy koszcie zakupu ogniwa fotowoltaicznego ~ 3 Euro/ W koszt wyprodukowania 1 kwh wynosiłby 1.6 1.8 zł/ kwh (instalacja 100 W) lub nawet ponad 3 zł/ kwh (instalacja 1 MW)* * - źródło T. Chmielniak, W T 2008
Energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne) Ekonomia: ogniwa fotowoltaiczne obecny koszt ogniw znacznie wyższy od granicy opłacalności (~1000 US$ / kw) potrzebne nowe technologie produkcji mimo wysokich kosztów instalowane są małe generatory (~ 1 kw) instalacje demonstracyjne Toledo(Hiszpania) - 1 MW, Serre (Włochy) 3 MW 21
Energia słoneczna (kolektory słoneczne)* * -źródło Stiebel Polska, 2008 22
Energia słoneczna (kolektory słoneczne)* instalacja typu: Przeznaczenie: ciepła woda użytkowa (c.w.u.) glikol pompa obiegowa * -źródło Stiebel Polska, 2008 woda podgrzewacz c.w.u. wymiennik ciepła i zasobnik c.w.u. Charakterystyka: konieczna instalacja zasobnika wymiennika i zasobnika c.w.u. (bo cykl dobowy) konieczność dodatkowego podgrzewania w okresach niedostatecznego nasłonecznienia ( w Polsce przeciętnie 1900 godz. słonecznych w roku) Efekty: redukcja kosztów 23 podgrzewania c.w.u. o 60 %
Energia słoneczna (kolektory słoneczne)* absorber powierzchnia ~ 2.5 m 2 szkło kwarcowe 4 mm absorber moc grzewcza ~ 2 kw * -źródło Stiebel Polska, 2008 glikol 24
Energia słoneczna (kolektory słoneczne)* koszt prostego zestawu kolektorów słonecznych ( w Euro) Wniosek: koszt kolektorów słonecznych ~ 500 Euro/ m 2 jest bliski granicy ekonomicznej opłacalności (perspektywa poprawy opłacalności przy większej skali produkcji, wprowadzeniu preferencji podatkowych i wzroście cen energii * -źródło Stiebel Polska, 2008 25
Energia słoneczna (kolektory słoneczne)* Wniosek: koszt kolektorów słonecznych ~ 500 Euro/ m 2 jest bliski granicy ekonomicznej opłacalności (perspektywa poprawy opłacalności przy większej skali produkcji, wprowadzeniu preferencji podatkowych i wzroście cen energii Jak radzą sobie wytwórcy kolektorów jeśli nie ma wystarczających zachęt podatkowych? przykład obniżanie kosztów inwestycji: * -źródło Stiebel Polska, 2008 26
Energia słoneczna (kolektory słoneczne) promieniowanie bezpośrednie promieniowanie rozproszone natężenie promieniowania padającego na powierzchnię poziomą: gdzie: 2 Ic = Ib+ Ir W / m I c I b - całkowite natężenie promieniowania - natężenie promieniowania bezpośredniego I - natężenie promieniowania rozproszonego r 27
Energia słoneczna (kolektory słoneczne) promieniowanie rozproszone promieniowanie bezpośrednie promieniowanie odbite β natężenie promieniowania na powierzchnię pochyloną pod kątem β : gdzie: I = I + I + I cβ bβ rβ oβ Ic β - całkowite natężenie promieniowania Ib β - natężenie promieniowania bezpośredniego I - natężenie promieniowania rozproszonego r β Io β - natężenie promieniowania odbitego 28
Energia słoneczna (kolektory słoneczne) promieniowanie odbite (rozproszone) promieniowanie rozproszone promieniowanie bezpośrednie promieniowanie odbite (bezpośrednie) β natężenie promieniowania na powierzchnię pochyloną pod kątem β : gdzie: I = I + I + I cβ bβ rβ oβ Ic β - całkowite natężenie promieniowania Ib β - natężenie promieniowania bezpośredniego I - natężenie promieniowania rozproszonego r β Io β - natężenie promieniowania odbitego całkowite natężenie promieniowania rośnie dla kolektorów pochylonych dzięki promieniowaniu odbitemu 29
Energia słoneczna (kolektory słoneczne) albedo stosunek promieniowania odbitego do całkowitego: ρ = p wartości albedo dla przykładowych powierzchni* I I o c * - źródło T. Chmielniak, W T 2008 30
CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE (7) Jeden klin to: -50-krotny wzrost mocy elektrowni wiatrowych 31
CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE (9) Jeden klin to: - podwojenie sprawności wszystkich samochodów na świecie (nierealne ze względów technicznych), - 700-krotny wzrost ilości wszystkich kolektorów słonecznych zainstalowanych dziś na świecie (prawdopodobne, chociaż kosztowne), - CCS z 800 wielkich elektrowni konwencjonalnych, tj. 2/3 całej dzisiejszej mocy zainstalowanej na świecie (prawdopodobnie konieczne i możliwe w części instalacji, to 3500 razy większa skala od wydajności instalacji zainstalowanej w 1974 w złożu Sleipner przez Statoil dla usuwania nadmiaru CO 2 z gazu ziemnego), - zainstalowanie najnowszych swietlówek i zaizolowanie wszystkich budynków na świecie (uwaga: to aż 2 kliny konieczne w możliwie największej skali) - 50-krotny wzrost mocy elektrowni wiatrowych (prawdopodobne), - 3-krotny wzrost mocy zainstalowanych w elektrowniach jądrowych (realne) 32
Moc wiatru: gdzie: Energia wiatrowa (zasoby) 1 2 = 1 3 w w AU w = mu 2 2 ρ - moc wiatru [ W ] w m - strumień masy powietrza [ kg / s ] U - prędkość wiatru [ m / s ] w ρ - gęstość powietrza [ kg / m 3 ] A - powierzchnia prostopadła do kierunku wiatru [ m 2 ]
Moc wiatru: gdzie: Energia wiatrowa (zasoby) 1 2 = 1 3 w w AU w = mu 2 2 ρ - moc wiatru [ W ] w m - strumień masy powietrza [ kg / s ] U - prędkość wiatru [ m / s ] w ρ - gęstość powietrza [ kg / m 3 ] A - powierzchnia prostopadła do kierunku wiatru [ m 2 ] Przykład dla U w = 3 m/s ; A = 1 m 2 (D 1.13 m): 1 2 = 3 w= 1 1.2 3 5.4 W _[ ] Uwaga: U w = 3 [ m/s ] to minimalna prędkość (startowa) turbiny
Moc wiatru: gdzie: Energia wiatrowa (zasoby) 1 2 = 1 3 w w AU w = mu 2 2 ρ - moc wiatru [ W ] w m - strumień masy powietrza [ kg / s ] U - prędkość wiatru [ m / s ] w ρ - gęstość powietrza [ kg / m 3 ] A - powierzchnia prostopadła do kierunku wiatru [ m 2 ] Przykład dla U w = 12.5 m/s ; A = 1 m 2 (D 1.13 m): 1 2 3 w= 1 1.2 12.5 1172 W _[ ] Uwaga: U w = ~12.5 [ m/s ] to nominalna prędkość wiatru (pełna moc)
Moc wiatru: gdzie: Energia wiatrowa (zasoby) 1 2 = 1 3 w w AU w = mu 2 2 ρ - moc wiatru [ W ] w m - strumień masy powietrza [ kg / s ] U - prędkość wiatru [ m / s ] w ρ - gęstość powietrza [ kg / m 3 ] A - powierzchnia prostopadła do kierunku wiatru [ m 2 ] Przykład dla U w = 20 m/s ; A = 1 m 2 (D 1.13 m): 1 2 = 3 w= 1 1.2 20 4800 W _[ ] Uwaga: U w = 20 [ m/s ] to maksymalna prędkość wiatru (zatrzymanie turbiny)
Energia wiatrowa (zasoby) Zasoby energii wiatru w Polsce*: kwh E w=500 2500 m 2 rok Moce zainstalowane (2006): Polska 150 MW iemcy ~ 10 000 MW Moce prognozowane (2010): Polska 1200 3200 MW Europa ~ 40 000 MW Moc prognozowana (2030): Europa ~ 150 000 MW * - źródło T. Chmielniak, W T 2008 Uwaga : w Polsce średnie roczne wykorzystanie mocy elektrowni wiatrowej wynosi ~ 1/3
Energia wiatrowa (technologia) farmy wiatrowe offshore źródło Vestas
Energia wiatrowa (technologia) farma wiatrowa offshore orth Hoyle (UK) źródło Vestas turbiny 2 MW, moc 60 MW
Energia wiatrowa (technologia) farma wiatrowa offshore Egmond Aan Zee ( L) turbiny 3 MW, moc 108 MW * - źródło Vestas 2008
Energia wiatrowa (technologia)* Poul la Cour (Askov College, Dania) 1902 1918 1950 1950, 1957- Johannes Juul (Dania) 1957 1979 1982 * - źródło Vestas 2008
Energia wiatrowa (technologia)* średnica wirnika 100 m wysokość masztu 100 m * - źródło ordex 2008
Energia wiatrowa (technologia)* * - źródło ordex 2008 przekładnia sterowanie generator z przełączaną liczbą biegunów i przetwornicą
Energia wiatrowa (technologia)* łożysko wirnika anemometry chłodnica przekładni chłodnica generatora * - źródło ordex 2008 generator chłodzony cieczą + przetwornica (<30% mocy) przekładnia planetarna chłodzona olejem
* - źródło ordex 2008 Energia wiatrowa (technologia)*
Energia wiatrowa (technologia)* regulacja pitch prędkość startowa * - źródło Vestas 2008 prędkość nominalna prędkość zatrzymania
Energia wiatrowa (technologia) kąt natarcia łopaty α regulacja mocy turbiny wiatrowej kątem natarcia łopat α (pitch)
Energia wiatrowa (technologia)* regulacja pitch regulacja stall * - źródło Vestas 2008 prędkość startowa prędkość nominalna prędkość zatrzymania
Energia wiatrowa (technologia) oderwanie- stall oderwanie- stall oderwanie- stall oderwanie- stall ograniczanie mocy turbiny wiatrowej po przekroczeniu krytycznego kąta natarcia oderwanie strug (stall)
Energia wiatrowa (technologia)* wskaźnik mocy : * - źródło ordex 2008 C P moc _ odbierana = = moc _ wiatru 1 mu 2 2 w
Energia wiatrowa (prognoza firmy Siemens) Fossil kopalne uclear jądrowe Renewables odnawialne Hydro energia wodna Prognoza przewiduje wzrost udziału energetyki wodnej (zgodny z prognozą IEA ) i udziału źródeł odnawialnych, dla odnawialnych ma wynieść 5 % w 2020 r. ( 4.4 % w 2030 r. wg. IEA)
Energia wiatrowa (prognoza firmy Siemens) TPrognoza przewiduje szybki wzrost udziału energetyki wiatrowej, której udział w 2020 r. ma wynieść 44 % w całkowitej produkcji energii odnawialnej słupek zielony (z wyłączeniem energii wodnej )
Energia wiatrowa (prognoza firmy Siemens) T Prognoza przewiduje wzrost mocy jednostkowej do 5 MW oraz wprowadzenie nowych technologii (turbiny bezprzekładniowe o zmiennej prędkości obrotowej z przewieszonym generatorem)
Energia wiatrowa (podsumowanie) Ekonomia i ekologia: turbiny wiatrowe duży koszt inwestycji technologia ekonomiczna pod warunkiem odpowiednich regulacji prawnych duże koszty adaptacji systemu energetycznego (konieczne zwiększenie dyspozycyjności jednostek istniejących) problemy z hałasem problemy ekologiczne 54