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).