Odnawialne źródła energii
1. Wymienić pierwotne źródła energii odnawialnej.
- woda
-wiatr
- promieniowanie słoneczne
- biomasa
- rozpad izotopów
- grawitacja
2. Jakie rodzaje energetyki opartej na wykorzystaniu energii odnawialnej wykazują największą dynamikę rozwoju i dlaczego?
3. Jakiego rodzaju turbiny wodne wykorzystuje w hydroenergetyce?
W rzecznych elektrowniach wykorzystuje się trzy rodzaje turbin wodnych, dobieranych w
zależności od lokalnych uwarunkowań:
- turbinę Peltona (1880), której schemat przedstawia rys.1, jest ona wysokoobrotową turbiną, wymagającą strugi wody o stosunkowo niewielkim natężeniu ale o dużym ciśnieniu i znacznej energii kinetycznej, którą uzyskuje się w wyniku połączenia odpowiednim systemem rur wysoko położonych zbiorników wodnych z niżej położoną, o 200-400m, turbiną. Elektrownie wodnez takimi turbinami instaluje się zwykle w terenach górzystych (np. Szwajcaria).
- turbinę Francisa, (1849, p rys 2a ) wykorzystującą zarówno energię kinetyczną, jak i potencjalną wody, zadawalają się kilku- kilkunastometrową różnicą poziomu między wlotem, a wylotem wody z turbiny. Rozwijane przez nią prędkości obrotowe są zdecydowanie mniejsze niż w przypadku turbin Peltona, a zapotrzebowanie na wodę większe.
- turbinę Kaplana (1912, p. rys. 2b) budowaną zwykle o osi pionowej, wolnoobrotową, przewidzianą do instalowania na rzekach o małych spadach, ale zapewniających przepływ dużej masywody przez turbinę.
4. Wykorzystanie energii pływów i energii fal w produkcji energii elektrycznej?
Eliptyczna trajektoria ruchu Księżyca wokół Ziemi powoduje zmienne grawitacyjne oddziaływanie tych ciał na siebie, powodujące cykliczne (12h 25 min) ruchy wód oceanicznych. Praktyczne znaczenie mają te miejsca nabrzeży na kuli ziemskiej, gdzie ukształtowanie brzegów, zatok i cieśnin zapewnia różnicę poziomów większą niż 5 m. Wykorzystanie energii pływów znane jest od dawna (1086 rok, do napędu młyna). W Europie znane są elektrownie pływowe we Francji (Saint Malo w Bretanii - 0,55 GW, DH = 8,4 m), największa w Anglii (Severen, 4 GW) i w Rosji (na Morzu Białym, Kistoj Guba - o mocy zaledwie 0,04 GW). Z uwagi na problemy techniczne i potęgę morskiego żywiołu, zwłaszcza w okresie sztormów i huraganów, żadna z elektrowni pływowych nie pracuje na skalę przemysłową, wspomagając jedynie, przy korzystnych warunkach atmosferycznych, lokalne sieci energetyczne. Podobne problemy występują w przypadku konwersji energii fal na energię elektryczną (p rys.3). Wykorzystuje się przy tym układy: pneumatyczne, mechaniczne, indukcyjne i hydrauliczne. Przedstawione na rys. 3 rozwiązania służą głównie do zasilania boi nawigacyjnych, latarni morskich oraz platform wiertniczych. Największa z dotychczas wybudowanych elektrowni, wykorzystująca energię fal, pracuje w Norwegii (0,05 GW). W przypadku urządzeń pneumatycznych cykliczna zmiana poziomu wody powoduje naprzemienne przetłaczanie powietrza z jednej komory do drugiej - bezpośrednio lub w wyniku odkształcania elastycznych membran. Urządzenia mechaniczne (b) wykorzystują
cykliczną zmianę nachylenia powierzchni swobodnej (w urządzeniach wahliwych) lub siłę
wyporu do przemieszczania się pływaka, w kierunku prostopadłym do powierzchni dna (w
urządzeniach przemieszczających się). W pierwszym przypadku wahliwy ruch pływaków za
pomocą mimośrodu lub wału wykorbionego jest zamieniany na ruch obrotowy i poprzez przekładnię napędza generator. Urządzenia indukcyjne (c) wykorzystują posuwisto-zwrotny lub wahliwy ruch pływaków i wymuszają podobny ruch cewki w polu magnetycznym, czego efektem jest wytwarzanie energii elektrycznej. Wreszcie urządzenia hydrauliczne (d) wykorzystują szczyty fal, które przelewają się jednokierunkowo przez ścianki zbiornika, zamocowanego na stałym poziomie, a woda wypływająca ze zbiornika napędza turbinę.
Jak dotąd wykorzystywanie energii prądów morskich do wytwarzania energii elektrycznej
jest raczej na etapie teoretycznych rozważań i opracowywania realizacyjnych koncepcji. Przykładem jednej z nich moŻe być schemat elektrowni Stilmana, pokazany na rys. 4. Stanowi ją zakotwiczona platforma z rozpiętymi łańcuchami o długości 18 km i z przypiętymi spadochronami o średnicy czasz 100 m. Inny projekt, opracowany dla wykorzystania w rejonie Florydy energii Golfsztromu, przewiduje budowę elektrowni o mocy 1 GW napędzanej wolnoobrotowymi turbinami (2-3 obr/min) o średnicy 30 m. Oczekiwać naleŻy, Że w najbliŻszej przyszłości elektrownie takie się pojawią i to w wielu rejonach świata.
5. Energetyka wiatrowa; uwarunkowania, koszty, perspektywy rozwoju w Polsce.
Uwarunkowania:
- aby inwestycja w elektrownię wiatrową była opłacalna, prędkość wiatru musi być minimum 4 m/s; im wyższe tym większa jest efektywność wykorzystania energii wiejącego wiatru
Koszty:
- Pomimo znacznego zmniejszenia się ceny turbin wiatrowych z 4000 USD na 1kW zainstalowanej mocy w 1983 do 900 USD w roku 2000, to i tak, przy obecnym poziomie cen elektroenergetyki konwencjonalnej, energetyka wiatrowa nie jest rewelacyjnym pod względem dochodowość obiektem inwestycyjnym.
Perspektywy rozwoju w Polsce:
- w Polsce istnieją warunki do eksploatacji turbin wiatrowych, co wynika z rozkładu izowent, najlepsze są na Suwalszczyźnie i Pomorzu
W kontekście energetyki wiatrowej zrodziła się koncepcja jej wykorzystania w dotlenieniu,
martwych z powodu zanieczyszczeń nanoszonych przez rzeki, wód głębinowych Bałtyku. Choć pomysł to nie nowy, nie został dotąd zrealizowany tak z finansowych, jak i technicznych względów. Najnowsza w tym zakresie koncepcja, eliminuje wady
dotychczas proponowanych rozwiązań. Zamiast wielkogabarytowych, niestabilnych na wodzie turbin wiatrowych, proponuje się, nisko spoczywające na pływakach, wirniki z dyfuzorem, napędzające generatory prądu stałego, z pomocą którego przeprowadzać moŻna elektrolizę wody morskiej. W jej wyniku czysty tlen przekazywany zostanie wodzie na duŻej powierzchni, zaleŻnej od długości ułoŻonych na dnie morza elektrod, bez konieczności stosowania dodatkowych środków dyspergujących, a drugi produkt elektrolizy - wodór, określany często jako paliwo XXI wieku, moŻe być przechwytywany do specjalnych zbiorników, okresowo opróŻnianych.
6. Co określa się mianem „kolektor słoneczny” i do czego on służy?
Kolektory słoneczne zalicza się do aktywnych systemów wykorzystania energii słonecznej.
Typowy kolektor składa się z absorbera (płyta pochłaniająca), osłony, izolacji i konstrukcji, obejmującej instalację, zawory, zbiorniki, automatykę. Zasadniczą częścią kolektora jest absorber, wykonywany zazwyczaj z blachy miedzianej lub aluminiowej pokryty czarną, matową farbą. Temperatura równowagi (tr=70°C), to taka temperatura, przy której ilość emitowanego promieniowania jest równowaŻona dopływem energii promieniowania Słońca. W celu jej podwyŻszenia, a tym samym zwiększenia ilości zaadsorbowanej energii moŻna:
- pokryć adsorber selektywnymi powłokami (Cu pasywowane NaOH i NaClO3, tr=150-160°C)
- ograniczyć straty ciepła pokrywając adsorber dodatkową przezroczystą osłoną, tr=110-190°C,
- skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich, parabolicznych lub soczewek.
7. Jak przebiega proces konwersji energii w systemach helioenergetycznych?
W przypadku helioenergetyki (produkcji energii elektrycznej) stosuje się wysokotemperaturowe
systemy kolektorów słonecznych, słuŻących do produkcji pary napędzającej turbinę generatora. RozróŻnia się przy tym systemy scentralizowane i zdecentralizowane. Zasadniczym elementem tych systemów są koncentratory promieniowania słonecznego. W zdecentralizowanych systemach koncentratorów, zajmują one znaczną przestrzeń. W oddanej w 1984 roku do uŻytku helioelektrowni w Daggett w Kaliforni, o mocy 13,8 MW, pole koncentratorów zajmuje np. obszar 8,26 hektarów. Zbudowane w latach 90-tych kolejne dwie helioelektrownie w Kaliforni, o mocy 30 i 80 MW, zasilane są energią słoneczną absorbowaną z pól koncentratorów, które zajmują powierzchnię wynoszącą odpowiednio 25 i 54,5 ha.
W systemach scentralizowanych pole heliostatów, w postaci luster koncentrujących promieniowanie słoneczne, znajduje się na jednym centralnym kolektorze umieszczonym
na wieŻy. Koszty budowy helioelektrowni, jak i koszt jej eksploatacji są bardzo wysokie. Zmniejszają się one jednak systematycznie i to znacząco. W ostatnim dziesięcioleciu np. koszty inwestycyjne zmniejszyły się dwukrotnie, a koszty eksploatacyjne czterokrotnie. W porównaniu z elektrowniami wiatrowymi, koszt jednostkowy 1 kW zainstalowanej mocy helioelektrowni ma się jednak nadal jak 1:10.
8. Jaka jest różnica między kolektorem słonecznym i ogniwem fotowoltaicznym?
Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są do zasilania kalkulatorów, zegarków, parko matów. Samo ogniwo ma dość skomplikowaną budowę i składa się z kilku warstw: metalicznego podłoŻa (folia Al), dwutlenku krzemu, arsenku galu lub siarczku kadmu, warstwy półprzewodnika typu P spolaryzowanej dodatnio, półprzewodnika typu
P, półprzewodnika typu N, metalowych elektrod zbiorczych, drugiej warstwy dwutlenku krzemu i warstwy odblaskowej. Powierzchnie ogniwa są grawerowane laserowo by zapewnić
odpowiednią ich fakturę. Poszczególne warstwy są napylane dyfuzyjnie i trawione na przemian. RównieŻ domieszki są wprowadzane przez dyfuzję na odpowiednią głębokość kryształu krzemu.
9. Co to jest „pompa ciepła? Jakie ma ekologiczne zalety i wady w procesach pozyskiwania energii?
Zadaniem pomp ciepła jest przenoszenie ciepła z niskotemperaturowego źródła ciepła, zwanego teŻ dolnym, do górnego źródła ciepła, o temperaturze wyŻszej. Cel ten realizuje się wymuszeniem obiegu termodynamicznego. Najczęściej stosuje się spręŻarkowe pompy ciepła. Działanie takiej pompy jest analogiczne do działania lodówki, a róŻnica polega jedynie na przeciwnym kierunku transportu strumienia ciepła. W spręŻarkowej pompie ciepła wychładza się np. dolne źródło ciepła, którym moŻe być grunt, woda, powietrze, ogrzewa się natomiast wnętrza budynków lub pomieszczeń (górne źródło ciepła).
Czynnikami roboczymi za pomocą których są realizowane obiegi termodynamiczne są najczęściej freony, noszące zgodnie z normą ISO oznaczenia: CFC (chlorofluorowęglowodory), HCFC (wodorochlorofluorowęglowodory) oraz HFC (hydrofluorowęglowodory). Emisja freonów ma, jak wiadomo, duŻy negatywny wpływ na środowisko, intensyfikując efekt cieplarniany i przyczyniając się do niszczenia warstwy ozonowej. Z tego teŻ powodu równieŻ Polska, która od 1990 roku jest sygnatariuszem Protokołu Montrealskiego, zobowiązała się docelowo całkowicie wyeliminować freony, a dopóki to nie nastąpi wprowadzić szereg dodatkowych zabezpieczeń, hermetyzację pomp ciepła i prowadzić ciągłe monitorowanie ewentualnych wycieków. Pomimo zastrzeŻeń ekologicznych, wynikających ze stosowania w obiegu termodynamicznym szkodliwych dla środowiska substancji, pompy ciepła mają istotny wpływ stymulujący wykorzystywanie niekonwencjonalnych źródeł energii odnawialnej oraz odpadowej energii cieplnej zawartej w spalinach, ściekach, generowanej na wysypiskach śmieci i w procesach fermentacyjnych. Obecnie na świecie produkuje się kilka milionów pomp ciepła rocznie. W samej tylko Japonii sprzedano ich w 1984 roku 2 mln.
10. Wymienić postacie biomasy będące nośnikami energii.
Do celów energetycznych moŻna wykorzystywać następujące postacie biomasy:
· drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, opakowania,
· słomę - zarówno zboŻową, jak i z roślin oleistych, strączkowych, siana,
· odpady organiczne - gnojowicę, osady ściekowe, makulaturę, odpady organiczne z cukrowni, roszarni lnu, gorzelni, browarów,
· biopaliwa płynne - oleje roślinne, biodiesel, bioetanol, z gorzelni i agrorafinerii,
· biogaz z gnojowicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych.
11. Dlaczego spalanie biomasy nie stanowi zagrożenia dla ziemskiej ekosfery?
12. Wymienić zasadnicze argumenty przemawiające za energetycznym wykorzystaniem biomasy.
NajwaŻniejszymi argumentami za energetycznym wykorzystaniem biomasy są:
· stałe i pewne dostawy krajowego nośnika energii w miejsce importowanej ropy i gazu;
· wykorzystanie nadprodukcji Żywności (rzepak);
· tworzenie nowych miejsc pracy, szczególnie na wsi;
· ograniczenie emisji CO2 z paliw nieodnawialnych, który w przeciwieństwie do CO2 z biopaliw nie jest neutralny dla środowiska, powodując zwiększenie efektu cieplarnianego;
· uniknięcie wysokich kosztów odsiarczania spalin z paliw kopalnych;
· aktywizacja ekonomiczna, przemysłowa i handlowa lokalnych społeczności wiejskich;
· decentralizacja produkcji energii, a tym samym większe bezpieczeństwo energetyczne.
13. Jakie stosuje się najczęściej biopaliwa? Porównać emisję zanieczyszczeń.
Do biopaliw zaliczamy etanol, estry metylowe oleju rzepakowego, palmowego lub sojowego.
W porównaniu do oleju napędowego uzyskiwanego z ropy naftowej podczas ich spalania w silniku emitują one do atmosfery o 40% mniej węglowodorów, o 50% mniej sadzy i o 40% mniej pyłów, przy takim samym poziomie emisji CO i CO2.
14. Z jakich źródeł uzyskuje się biogaz i gdzie znajduje on zastosowanie?
Biogaz moŻna uzyskać z trzech głównych źródeł:
- fermentacji osadu czynnego w komorach fermentacyjnych oczyszczalni ścieków;
- fermentacji organicznych odpadów przemysłowych i komunalnych;
- fermentacji obornika i gnojowicy w indywidualnych gospodarstwach rolnych.
Fermentacja odpadów gromadzonych na wysypiskach moŻe trwać do 25 lat, a sam zapach utrzymuje się jeszcze dłuŻej. Istnieje wiele przykładów funkcjonujących elektrowni, i to niemałej mocy (w Anglii - 10 MW), zasilanych biogazem czerpanym z wysypisk śmieci. Znanych jest teŻ szereg sprawdzonych technologii rentownego jego pozyskiwania. W Polsce, na 600 zarejestrowanych wysypisk, działa zaledwie 20 instalacji utylizacji (spalania w pochodniach) lub zagospodarowania gazu wysypiskowego. Niedawno w pobliŻu Legnicy (rok 2006) uruchomiono elektrownię zasilaną właśnie gazem wysypiskowym.
15. Dlaczego wodór określa się mianem „paliwo XXI wieku”?
Konsumpcja wodoru jako paliwa systematycznie rośnie. W skali światowej przekroczyła juŻ
40 mln ton rocznie. W opinii ekspertów wodór będzie w przyszłości jedynym dopuszczalnym, ze względów ekologicznych, paliwem. Jak dotąd głównym źródłem produkcji wodoru jest ropa naftowa (50%), gaz ziemny (30%) i węgiel (15%). Z elektrolizy wody, który to proces w przyszłości ma stanowić główne źródło produkcji wodoru, otrzymuje się obecnie zaledwie 0,5%.
Wodór jako paliwo ma wiele zalet:
· jest wyjątkowo proekologiczny - produktem spalania jest woda;
· ma małą energię inicjacji zapłonu, przez co jego spalanie jest sprawniejsze;
· jest łatwiejszy i tańszy w magazynowaniu i przechowywaniu niŻ energia elektryczna
· jego zapasy są praktycznie niewyczerpalne, gdyŻ jako składnik wody krąŻy wraz z nią w przyrodzie w zamkniętym obiegu.
16. Na czym polega wyższość konwersji energii w ogniwach paliwowych w porównaniu ze spalaniem?