Rodzaje energii odnawialnych:
energia promieniowania słonecznego
energia wiatru,
energia geotermalna,
energia mórz i oceanów (pływów, prądów morskich, fal)
energia wód środlądowych,
energia biomasy,
energia biogazu wysypiskowego,
energia biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych.
Energia promieniowania słonecznego
Technologie energii słonecznej bazują na wykorzystaniu energii cieplnej do celów grzewczych (konwersja fototermiczna), a także wykorzystują promieniowanie słoneczne do produkcji energii elektrycznej (konwersja fotowoltaiczna).
Wykorzystanie energii słonecznej:
konwersja fototermiczna
konwersja fotowoltaiczna
Energia słoneczna wykorzystywana jest za pomocą kolektorów słonecznych.
Gdzie umieszczamy kolektory słoneczne?
Kolektory słoneczne umieszczamy na dachach domów, rzadko na elewacjach. Spotkać też możemy konstrukcje wolno stojące na działkach (tego typu rozwiązania mają sens, gdy posiadamy dość spory teren, a w pobliżu nie ma drzew i zabudowań). Ustawiane są w kierunku południowym lub południowo-wschodnim. Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber z blachy miedzianej lub aluminiowej, rzadziej stalowej, do której przymocowane na całej swojej długości są rury miedziane, przez które przepływa czynnik niezamarzający. Podgrzana w ten sposób woda trafia do zbiornika ciepłej wody, skąd jest pobierana przez użytkownika.
Kolejnym sposobem wykorzystania energii są ogniwa fotowoltaiczne (potocznie nazywane bateriami), które służą do przekształcania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, za pomocą tzw. ogniw słonecznych. Zbudowane są z półprzewodnika (najczęściej krzemowego). Cienka warstwa półprzewodnika jest tak preparowana, aby wytworzyła pole elektryczne pozytywne z jednej strony i negatywne z drugiej. Padające na fotoogniwo światło słoneczne wytrąca elektrony z atomów, a ponieważ warstwa półprzewodnika ma z jednej strony ładunek dodatni a z drugiej ujemny następuje ruch elektronów, czyli przepływ prądu elektrycznego. Do ogniwa podłączane jest urządzenie pobierające energię.
Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.
Do głównych zalet energetyki słonecznej można zaliczyć:
powszechny dostęp,
nieograniczone zasoby energii,
nie wymagają szczególnej konserwacji poza czyszczeniem,
brak negatywnych oddziaływań na środowisko,
wygodę w użyciu dla przenośnych oraz odległych użytkowników,
możliwość wytwarzania elektryczności w miejscach nie podłączonych do sieci elektrycznej,
bezpośrednią konwersję na energię elektryczną.
Wady energetyki słonecznej to:
niemożność wykorzystywania energii słonecznej w sposób ciągły (cykliczność dzienna, roczna),
elektrownie słoneczne zajmują duże powierzchnie,
mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania słonecznego,
trudności w magazynowaniu energii i jej koncentracji,
w krajach o zmiennym klimacie energia słoneczna nie jest stabilnym źródłem energii.
Wykorzystanie energii wiatru
Energia wiatru powstaje dzięki różnicy temperatur mas powietrza, spowodowanej nierównym nagrzewaniem się powierzchni Ziemi.
Współcześnie stosujemy turbiny wiatrowe, które przekształcają energię wiatru na energię elektryczną. Są to wysokie wieże z wirnikiem składającym się z łopat i piasty, połączonych z generatorem wytwarzającym prąd. Ilość wyprodukowanej energii elektrycznej zależy od siły wiatru, wielkości łopat oraz wysokości turbiny wiatrowej. Często buduje się kilka takich siłowni wiatrowych tworzący farmę wiatrową, produkującą większą ilość energii.
Budowa siłowni wiatrowej
Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Generator, przekładnia, a także monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieży o wysokości od 30 do 100 m. Na szczycie wieży znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru.
Aby móc wykorzystywać energię wiatru do produkcji prądu potrzebne są odpowiednie warunki - stałe występowanie wiatru o określonej prędkości. Elektrownie wiatrowe pracują zazwyczaj przy wietrze wiejącym z prędkością od 5 do 25 m/s, przy czym prędkość od 15 do 20 m/s uznawana jest za optymalną. Zbyt małe prędkości uniemożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej o wystarczającej mocy, natomiast zbyt duże (ponad 30 m/s) mogą doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń wiatraka. Istotna jest również lokalizacja elektrowni wiatrowej, która musi uwzględniać szorstkość terenu oraz wpływ przeszkód terenowych na przepływ wiatru. W Polsce odpowiednie warunki do lokalizacji siłowni wiatrowych panują na Pomorzu, Suwalszczyźnie, w Tatrach i w centralnej Polsce.
Istnieją też małe elektrownie wiatrowe, które znajdują szerokie zastosowanie do zasilania samodzielnych systemów telekomunikacyjnych i nawigacyjnych, gospodarstw oraz domów letniskowych, niewielkich osad ludzkich, pompowni i stacji odsalania wody morskiej, nawadniania, oświetlenia wolnostojących obiektów oraz wielu innych systemów odległych od sieci energetycznej.
Do zalet wiatrowych generatorów prądu elektrycznego można zaliczyć:
brak zanieczyszczeń środowiska,
możliwość lokalizowania na nieużytkach i terenach zanieczyszczonych,
możliwość wykorzystania gruntu, na którym są zlokalizowane na uprawę rolniczą,
nieprodukowanie odpadów ani szkodliwych gazów,
niezużywanie paliwa.
Wadami tego systemu pozyskiwania energii są:
cykliczność pracy spowodowana zmienną prędkością wiatru,
wytwarzanie hałasu,
możliwość psucia krajobrazu.
Wykorzystanie energii geotermalnej
Energię geotermiczną można pozyskiwać w postaci ciepła wody nagrzanej we wnętrzu Ziemi. Aby ją otrzymać należy dowiercić się do jej pokładów. Szczególnie dużo jest jej w okolicach wulkanicznych, gdzie może wypływać na powierzchnię w postaci gejzerów. Innym sposobem wykorzystania energii geotermicznej jest wtłaczanie do ziemi wody zimnej a odbieranie podgrzanej po wymianie ciepła z rozgrzanymi skałami. Odbywa się to dzięki dwóm otworom wiertniczym - pierwszym wtłacza się zimną wodę, a drugim wyprowadza się gorącą wodę lub parę wodną.
Domowym sposobem wykorzystania energii geotermalnej, są pompy ciepła. Pompa ciepła umożliwia wykorzystanie energii cieplnej ze źródeł o niskich temperaturach. Najczęstszym wariantem zastosowania pompy ciepła w Polsce jest wykorzystanie ciepła gruntu poprzez tzw. kolektor gruntowy (kolektor ziemny).
Poziomy lub pionowy ułożony w odwiercie wymiennik stanowi zamknięty obieg, w którym cyrkuluje niezamarzający roztwór glikol-woda. Pobrane ciepło jest zamieniane przez pompę ciepła na energię.
Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:
- gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki)
- przetwórstwie spożywczym (chłodnie, zamrażalnie, fabryki lodu)
- klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń)
- chłodnictwie
- ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza)
Jak dotąd na terenie Polski funkcjonuje osiem geotermalnych zakładów ciepłowniczych: Bańska Niżna (4,5 MJ/s, docelowo 70 MJ/s), Pyrzyce (15 MJ/s, docelowo 50 MJ/s), Stargard Szczeciński (14 MJ/s), Mszczonów (7,3 MJ/s), Uniejów (2,6 MJ/s), Słomniki (1 MJ/s), Lasek (2,6 MJ/s) oraz Klikuszowa (1 MJ/h). W fazie realizacji jest projekt geotermalny w Toruniu.
Do zalet energii geotermalnej można zaliczyć:
nieszkodliwość dla środowiska, brak zanieczyszczeń,
brak niekorzystnego wpływu na krajobraz,
możliwość pozyskiwania w pobliżu miejsca użytkowania,
dostępność niezależna od warunków pogodowych i klimatycznych.
Wady energii wnętrza Ziemi są następujące:
mała dostępność (dogodne warunki do jej wykorzystania występują w niewielu miejscach),
wysokie koszty inwestycyjne,
podczas pobierania energii istnieje niebezpieczeństwo zanieczyszczenia atmosfery, a także wód powierzchniowych i głębinowych przez szkodliwe gazy i minerały,
ryzyko przemieszczenia się złóż geotermalnych.
Wykorzystanie energii wody
Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię zarówno mechaniczną jak i elektryczną.
Odbywa się to przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeń (w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Aby wykorzystać energię wody buduje się elektrownie wodne.
Typy elektrowni wodnych
Elektrownie wodne wykorzystujące wody śródlądowe - ze względu na sposób odprowadzania wody do turbin dzielimy na:
Elektrownie przepływowe - przetwarzają bezpośrednio w turbinach energię kinetyczną przepływającą w rzece wody. Ich moc uzależniona jest od ilości przepływającej wody. Brak zbiornika gromadzącego wodę.
Elektrownie regulacyjne (zbiornikowe) - wyrównują sezonowe różnice w ilości płynącej wody dzięki zastosowaniu zbiornika wodnego umieszczonego przed elektrownią.. Mogą mieć one charakter retencyjny (wyrównują poziom rzeki poniżej zapory).
Z małym zbiornikiem wodnym- umożliwiają krótkoterminową regulację w godzinach tzw. szczytu
Z dużym zbiornikiem wodnym- umożliwia regulację w cyklu dobowym i tygodniowym.
Elektrownie szczytowo-pompowe - elektrownie te służą m.in. do przetwarzania w okresie nocnym, kłopotliwej w magazynowaniu, energii elektrycznej na energię potencjalną wody i zwracania jej do sieci elektroenergetycznej w okresie szczytowego zapotrzebowania w ciągu dnia. Elektrownia taka znajduje się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi -górnym i dolnym. Elektrownie te skutecznym akumulatorem o ogromnej pojemności.
Kaskadowe - zastosowanie wielu zbiorników z możliwością indywidualnej i globalnej regulacji ich napełniania i opróżniania pozwala na optymalne wykorzystanie i regulację mocy, a także na magazynowanie nadwyżek energii. Zbiorniki te stanowią też dobre zabezpieczenie przeciwpowodziowe.
Małe elektrownie wodne
Małych Elektrowni Wodnych (MEW), które mogą wykorzystywać potencjał niewielkich rzek, rolniczych zbiorników retencyjnych, systemów nawadniających, wodociągowych, kanalizacyjnych i kanałów przerzutowych.
Zalety Małych elektrowni wodnych:
- mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych
- poprawiają jakość wody poprzez oczyszczanie mechaniczne na kratach wlotowych do turbin pływających zanieczyszczeń oraz zwiększają natlenienie wody, co poprawia ich zdolność do samooczyszczania biologicznego.
- są przeważnie znakomicie wkomponowane w krajobraz
- mogą być wykorzystywane do celów przeciwpożarowych, rolniczych, małych zakładów przetwórstwa rolnego, melioracji, rekreacji, sportów wodnych oraz pozyskiwania wody pitnej
Do zalet hydroenergetyki można zaliczyć:
brak zanieczyszczeń środowiska,
możliwość magazynowania wody w zbiorniku i użycie jej w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną,
możliwość generowana energii elektrycznej w sposób ciągły,
większa sprawność niż w elektrowniach konwencjonalnych,
zbiorniki powstające przy instalacjach hydroenergetycznych, pełnią dodatkowo funkcję zbiorników retencyjnych, gromadzących bądź uwalniających wodę, w zależności od potrzeby,
możliwość rozwoju sportów wodnych.
Natomiast do wad hydroenergetyki zalicza się:
ingerencja w środowisko (wpływ na faunę i florę),
zmiana struktury biologicznej w rzekach,
możliwość pogorszenia jakości i ilości wody w dolnych biegach przegrodzonych rzek,
zajmowanie przez tamy dużych powierzchni (w tym obszarów leśnych i rolniczych),
zamulanie zbiorników,
problem związany z wywłaszczaniem i przemieszczaniem ludzi zamieszkujących dane tereny pod budowę.
Energia prądów morskich
Jej wykorzystanie jest bliskie zeru z powodu problemów technicznych i obawy przed zaburzeniem naturalnej równowagi. Wielu badaczy uważa, że prądy morskie mają fundamentalne znaczenie dla klimatu i uszczuplenie ich energii, choćby niewielkie, mogłoby doprowadzić do nieobliczalnych zmian klimatycznych.
Energia pływów
Elektrownia pływowa - elektrownia wytwarzająca prąd elektryczny przy pomocy specjalnych urządzeń wykorzystujących przypływy i odpływy morza. Im są one większe, tym bardziej efektywna jest elektrownia.
Elektrownie pływowe (hydroelektrownie) wytwarzają prąd elektryczny przy użyciu siły wód. Buduje się specjalne tamy, które powodują w określonych miejscach gwałtowny spadek mas wody. Woda spada wtedy na turbinę wyposażoną w specjalne łopaty ustawione pod odpowiednim kątem. Turbina wprawiona w ruch przekazuje swoja energię prądnicy, która wytwarza prąd.
Energia fal
Wykorzystanie tej energii sprawia pewne trudności pomimo, iż opracowano wiele teoretycznych metod konwersji energii falowania na energię elektryczną. Największym problemem jest zmienność wysokości fal i wytrzymałość elektrowni.
Wykorzystanie energii biomasy
Biomasa jest substancją organiczną wytworzoną z roślin lub zwierząt, zawierającą węgiel. Zalicza się do niej drewno, odpady z przemysłu drzewnego, meblarskiego i leśnictwa, opady przemysłu spożywczego, rośliny, odpady roślinne, odchody zwierzęce a także w dużej mierze śmieci. Biomasa powstaje w wyniku reakcji fotosyntezy przez co zawiera zmagazynowaną energię słoneczną.
Jest wiele argumentów za energetycznym wykorzystywaniem biomasy, np.:
stałe i pewne dostawy krajowego nośnika energii a co z tym się wiąże zapewnienie dodatkowego dochodu dla rolników,
aktywizacja i rozwój obszarów wiejskich,
zmniejszenie globalnej emisji dwutlenku węgla i siarki,
decentralizacja produkcji energii i tym samym wyższe bezpieczeństwo energetyczne.
Do wad można natomiast zaliczyć:
ryzyko zmniejszenia bioróżnorodności w przypadku wprowadzenia roślin o przydatności energetycznej,
wydzielanie się tlenków azotu podczas spalania biopaliw,
wydzielanie się dioksyn i furanów o toksycznych i rakotwórczych właściwościach podczas spalania zanieczyszczonej biomasy,
popiół z niektórych biopaliw w temperaturze spalania topi się zasklepiając ruszt.
Biogaz
Biogaz to mieszanina gazowa powstająca w procesie fermentacji beztlenowej. Skład biogazu oraz jego jego wartość opałowa ścisle zależy od substratów wykorzytanych do jego produkcji.
Biogaz można umownie podzielić na następujące rodzaje:
biogaz wysypiskowy - powstaje w wyniku rozkładu organicznej frakcji odpadów komunalnych, które ulegają biodegradacji czyli rozkładowi na proste związki organiczne,
biogaz ściekowy - powstaje w wyniku rozkładu związków organicznych osadu tworzącego się w procesie biologicznego oczyszczania ścieków,
biogaz rolniczy - powstaje w wyniku rozkładu surowców pochodzenia rolniczego (np. gnojowica, obornik, gnojówka, pozostałości po uprawach, odpady z mleczarni, cukrowni, rzeźni, ścinki ogrodnicze, odpadki organiczne inne odpadki organiczne).
Głównym celem produkcji biogazu jest utylizacja odpadów organicznych, a pozyskiwanie paliwa gazowego (biogazu) jest tylko produktem ubocznym.
wykorzystania biogazu :
spalanie w pochodniach (bez odzysku energii energii powstałej w wyniku spalania biogazu),
bezpośrednie spalanie (produkcja ciepła),
paliwo silnikowe (energia mechaniczna z lub bez odzysku ciepła),
paliwo do turbin (energia elektryczna z lub bez odzysku ciepła),
paliwo do pojazdów (odzysk energii mechanicznej),
dostarczanie gazu do sieci,
produkcja chemikaliów.
Budowa biogazowni wiąże się z następującymi zaletami:
produkcja biogazu ze źródeł odnawialnych,
ochrona środowiska dzięki redukcji emisji metanu do atmosfery,
bezpieczny sposób pozbywania się odpadów
aktywizacja i rozwój obszarów wiejskich,
możliwość wykorzystania wielu surowców,
decentralizacja produkcji energii i tym samym wyższe bezpieczeństwo energetyczne.
Natomiast wady budowy biogazowni to:
konieczność ciągłego dostępu do substratów organicznych,
stały nadzór i kontrola w celu zachowania prawidłowego przebiegu procesu fermentacji,
bariery prawne oraz skomplikowane procedury,
zły stan infrastruktury energetycznej często uniemożliwiający przyłączenie instalacji do sieci,
słabe rozwiniecie sieci gazowej na terenach wiejskich,
możliwość wystąpienia uciążliwości zapachowych podczas dostarczanie substratów,
ryzyko zmniejszenia bioróżnorodności (uprawy monokulturowe).