WYKŁAD_1.pdf

Wywarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem odnawialnych zasobów

energii.

Wykład pierwszy.Charakterystyka odnawialnych źródeł energii

Autorzy: Prof. nzw. dr hab. inż. Józef Paska, mgr inż. Mariusz Sałek, mgr inż Tomasz

Surma

(„Energetyka” – marzec 2005)

Rodzaje OZE, ich źródła i zasoby

Kryzysy naftowe lat siedemdziesiątych XX wieku (1973-1974 i 1979-1980) oraz względy

ochrony środowiska wywołały zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii i ich

wykorzystaniem w energetyce, źródłami czerpiącymi z niemal nieograniczonych zasobów,

elastycznych, bo wykorzystujących różnorodne lokalne zasoby energii oraz bezpiecznych

ekologicznie [25].

Są możliwe różne klasyfikacje energii odnawialnych. Według najbardziej ogólnej wyróżnia

się [1]

- energię promieniowania Słońca,

- energię wnętrza Ziemi (geotermiczną),

- energię ruchów planetarnych (pływów).

Światowa Rada Energetyczna przy ocenie zasobów energetycznych wyróżnia następujące

energie odnawialne i ich źródła:

- słoneczną,

- wiatru,

- energię z biomasy,

- wód,

- geotermiczną,

- fal i pływów morskich i oceanicznych.

Niekiedy powyższy wykaz uzupełnia się o ciepło oceaniczne, zaś energię fal i pływów o

energię prądów morskich i oceanicznych oraz energię powstającą z różnic w zasoleniu.

Zgodnie z oceną Światowej Rady Energetycznej (XIV Kongres, Montreal 1989) potencjał

odnawialnych źródeł energii jest wprawdzie bardzo wielki, lecz techniczne możliwości jego

wykorzystania są ograniczone (tab. 1).

Przyjmuje się, że wykorzystanie energii słonecznej może mieć zastosowanie tylko na 1%

powierzchni Ziemi ze sprawnością 10%. Mimo to techniczny potencjał odnawialnych źródeł

energii jest prawie 2,5-krotnie większy niż obecne zużycie energii na świecie (w 2001 roku -

10,383 Gtoe). Z tego potencjału wykorzystuje się ok. 13%.

Szacunki zasobów odnawialnych źródeł energii w Polsce są bardzo różne, lecz generalnie

uważa się, że Polska jest krajem o skromnych potencjalnych zasobach energii odnawialnych.

Ocenia się je na ok. 10% obecnego rocznego zużycia energii w gospodarce narodowej.

Możliwości wykorzystania źródeł energii odnawialnej w Polsce zestawiono w tabeli 2 .

W liczącej się skali jest wykorzystywana energia wód, której zasoby są oceniane jako

możliwość produkcji ok. 12-13 TWh energii elektrycznej rocznie, a obecnie wykorzystuje się

ok. 11% tego potencjału (w 2002 r.) [40].

Charakterystyka energetyki odnawialnej

Energetyka odnawialna praktycznie nie zanieczyszcza środowiska, a utylizacja odpadów i

odchodów (biomasy) przyczynia się bezpośrednio do poprawy jego stanu. Z tych też

względów jej wykorzystanie jest często wspierane i promowane przez rządy i organizacje

ponadnarodowe [4, 6, 7, 11, 16, 33, 41].

Odnawialne źródła energii mają również wady, utrudniające ich praktyczne wykorzystanie.

Są to:

• rozproszenie energii na całym obszarze kraju i wiążąca się z tym mała gęstość

powierzchniowa, utrudniająca budowę dużych obiektów do pozyskiwania i przetwarzania

energii;

• uzależnienie dopływu energii od zmieniających się warunków klimatycznych, co pociąga za

sobą konieczność budowy urządzeń do magazynowania energii lub stosowania rezerwowych

źródeł energii.

Miejsce odnawialnych źródeł energii w schemacie przemian energii zobrazowano na rys. 1.

Źródła i nośniki energii pierwotnej można podzielić na nieodnawialne, które w liczącym się

stopniu i w „ludzkim" horyzoncie czasowym nie podlegają odtworzeniu: drewno, torf, węgiel

kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, uran, tor, oraz odnawialne, które

podlegają regeneracji. Podstawowym źródłem energii dla Ziemi jest promieniowanie

słoneczne, wraz z którym dociera do naszej planety moc ok. 178000 TW, z czego ok. 30%

jest odbijane przez atmosferę, 47% pochłaniają w postaci ciepła lądy i morza, pozostałe 83%

jest zużywane w cyklu hydrologicznym (parowanie, opady) - 404OO TW, w procesach

fotosyntezy - 1OO TW, jako siła sprawcza zjawiska wiatru - 400 1} TW.

Energia słoneczna występuje w różnorodnych postaciach, gdyż obejmuje nie tylko energię

promienistą i ciepło, ale także jego oddziaływanie na zjawiska zachodzące na Ziemi w postaci

wiatru, fal i prądów morskich oraz umożliwiające powstawanie energii wodnej w wyniku

procesów klimatycznych (parowanie, opady). Trwające przez setki milionów lat procesy

fotosyntezy doprowadziły do powstania zasobów paliw kopalnych: torfu, węgła, ropy

naftowej i gazu ziemnego.

Zgodnie z hipotezą wysuniętą w 1938 r. przez H. Bethe i C. Weizsackera źródłem energii

promieniowania Słońca są reakcje termojądrowe zachodzące w jego wnętrzu. Do Ziemi

dociera tylko jedna półmiliardowa część energii emitowanej przez Słońce.

Pozyskiwanie i przetwarzanie energii słonecznej może następować dzięki:

a) kolektorom słonecznym o działaniu bezpośrednim;

b) koncentracji heliostatycznej metodami fotooptycz-nymi przy użyciu ruchomych luster lub

soczewek;

c) metodzie fotowoltaicznej przy użyciu ogniw słonecznych;

d) wykorzystaniu energii wód w elektrowniach wodnych;

e) wykorzystaniu energii wiatru w siłowniach i elektrowniach wiatrowych;

f) konwersji biologicznej (fotosyntezie);

g) konwersji chemicznej i heliotermicznej.

Pierwszych pięć metod umożliwia otrzymywanie energii elektrycznej, zaś pierwsze trzy

znalazły praktyczną realizację w elektrowniach słonecznych.

Energia słoneczna może być również magazynowana w tzw. stawach energetycznych

(stawach słonecznych), w których temperatura dochodzi do 100°C dzięki uwarstwieniu

spowodowanemu koncentracją soli (wzrastającą od powierzchni do dna).

Możliwości wykorzystania energii słonecznej są określone przez wartości średniego

nasłonecznienia O (metoda fotowoltaiczna) oraz tzw. wskaźnika heliotermicznego t h

(ogrzewanie). Ich wartości dla większości krajów europejskich, leżących na podobnej jak

Polska szerokości geograficznej, podano w tabeli 3.

Średnie nasłonecznienie w polskich warunkach klimatycznych wynosi 105-125 W/m 2 , zaś

wskaźnik heliotermiczny zawiera się w przedziale od 9,3 do 17,5°C. Polska ma podobne

możliwości wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania jak Niemcy, Dania i W.

Brytania. Nieznacznie lepsze warunki naturalne od Polski mają w Europie: Irlandia, Belgia,

Holandia, a zdecydowanie najlepsze: Francja, Włochy, Grecja, Hiszpania.

W zakresie możliwości wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej

metodą fotowoltaiczna jeszcze więcej państw w Europie ma takie jak Polska warunki

naturalne. Są to: Irlandia, W. Brytania, Belgia, Holandia, Niemcy i Dania. Lepsze warunki

mają: Francja, Włochy, Grecja, Hiszpania oraz kraje wchodzące w skład byłej Jugosławii.

Energia wiatru jest energią pochodzenia słonecznego. Strumień energii promieniowania Słoń-

ca nierównomiernie ogrzewa masy powietrza atmosferycznego oraz powierzchnię Ziemi,

wywołując ruchy cyrkulacyjne między poszczególnymi strefami cieplnymi i - w rezultacie -

różnice ciśnień. Ocenia się, że jedynie nieznaczna część energii słonecznej dochodzącej do

Ziemi ulega przemianie na energię kinetyczną wiatru. Stanowi to potencjał ok. 400 TW, z

czego S5% przypada na 100-metrową warstwę przypowierzchniową powietrza

atmosferycznego.

Znaczenie użyteczne ma wiatr o prędkości 3-25 m/s (maksymalnie 30 m/s). Względy

techniczne ograniczają pracę silników wiatrowych do zakresu prędkości wiatru większej niż

4-5 m/s (minimalna prędkość rozruchowa) [1-3, 13, 33, 34].

Najkorzystniejszymi z punktu widzenia możliwości pozyskiwania energii wiatru są tereny

Grenlandii, Nowej Zelandii, obszary Ameryki Południowej powyżej zwrotnika Koziorożca

oraz wybrzeża Islandii, W. Brytanii, Danii, Holandii i Norwegii. Średnie prędkości wiatru

przekraczają tam 11 m/s.

W Polsce średnia roczna prędkość wiatru wynosi 3,4 m/s, przy czym wiatry w miesiącach

zimowych są silniejsze, a najsilniejsze wiatry, o prędkości ponad 10 m/s, występują w rejonie

Karkonoszy, w Tatrach i na pobrzeżu Bałtyku (rys. 3) [30-31, 33].

Wiatr jako nośnik energii wykorzystywano już w starożytności. Pierwsze silniki wiatrowe

pojawiły się w krajach śródziemnomorskich oraz w Chinach ok. 1800 łat temu.

Znaczącym i realnym źródłem energii odnawialnej jest biomasa, którą stanowią wszelkiego

rodzaju substancje pochodzenia organicznego - od odpadków drewna do odchodów

zwierzęcych włącznie.

Energię zgromadzoną w biomasie można wykorzystywać dwiema metodami:

• przez bezpośrednie spalanie biomasy,

• przez zgazowanie biomasy i spalanie otrzymanego gazu (biogazu).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: