ODNAWIA

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

1. Podział odnawialnych źródeł energii

Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energie związane z aktywnością Słońca, geoter-

mią Ziemi i z grawitacyjnym oddziaływaniem KsięŜyca. Źródła te, w ścisłym tego słowa znacze-
niu, nie są wprawdzie odnawialne, ale w interesującej nas skali czasowej moŜna je uznać za nie-
wyczerpalne. Określa się je równieŜ jako pierwotne źródła energii. One to bowiem, w wyniku
naturalnych przemian, zachodzących w przyrodzie, powodują powstawanie innych form energii -
np. wiatru, biomasy, wody itp. Podział odnawialnych źródeł energii, naturalne i techniczne pro-
cesy przemiany energii, oraz formy uŜytkowej jej postaci przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Podział odnawialnych źródeł energii

Pierwotne źródła energii

Naturalne procesy
przemiany energii

Techniczne procesy

przemiany energii

UŜytkowa postać

energii

Woda

Parowanie, topnienie

lodu i śniegu, opady

Elektrownie wodne

Energia elektryczna

Ruch atmosfery

Elektrownie wiatrowe

Energia cieplna

Wiatr

Energia fal

Elektrownie falowe

i elektryczna

o
ń

Prądy oceaniczne

Elektrownie wykorzy-

stujące prądy oceaniczne

Energia elektryczna

c
e

Elektrownie wykorzy-

stujące ciepło oceanów

Energia elektryczna

Nagrzewanie powierz-

chni ziemi i atmosfery

Pompy ciepła

Energia cieplna

Promieniowanie sło-

neczne

Kolektory cieplne, elek-

trownie słoneczne

Energia cieplna

Promieniowanie sło-

neczne

Fotoogniwa i elek-

trownie słoneczne

Energia elektryczna

Fotoliza

Paliwa

Biomasa

Produkcja biomasy

Kotłownie i elektrow-

nie

Energia cieplna i

elektryczna

Instalacje przetwórcze

Paliwa

Zie-

mia

Rozpad izotopów

Źródła geotermalne

Ogrzewanie i elektrow-

nie geotermalne

Energia cieplna i

elektryczna

Księ

Ŝyc

Grawitacja

Pływy wód

Elektrownie pływowe Energia elektryczna

Docierający do Ziemi strumień energii słonecznej ma moc wielokrotnie (30.000 razy) więk-

szą od mocy wszystkich urządzeń zainstalowanych na Ziemi przez człowieka. Z tego strumienia
30% odbijane jest od powierzchni Ziemi w postaci promieniowania widzialnego i ultrafioleto-
wego, 47% jest pochłaniane, a następnie reemitowane przez Ziemię do kosmosu w postaci pro-
mieniowania podczerwonego, zaś 23% to energia dzięki której parują oceany, wieją wiatry, za-
chodzi fotosynteza, rozwija się i trwa Ŝycie na Ziemi. Jak to przedstawiono w tabeli, energię sło-
neczną wykorzystuje się bezpośrednio (kolektory, helioelektrownie) lub pośrednio (turbiny wia-
trowe i wodne, spalanie biomasy i biopaliw).

Teoretycznie, wg szacunków przeprowadzonych w 2000 roku, juŜ dziś istnieją techniczne

moŜliwości pokrycia energetycznego zapotrzebowania świata ze źródeł energii odnawialnej. Ze

wykład nr
odnawia.doc

względu jednak na koszty tego rodzaju rozwiązania znajduje ono, jak dotąd, ograniczone zasto-
sowanie, o czym mogą świadczyć liczby zawarte w tabeli 2, przedstawiające tę kwestię w skali
krajów Unii Europejskiej.

Tabela 2. Wzrost udziału energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w całkowitym bilansie

energetycznym Unii Europejskiej w latach 1991-2005

Rok

1991

2005

Źródło

Moc

Energia

TWh

Moc

Przyrost

Energia

TWh

Przyrost

Małe elektrownie wodne do 10 MW

100

Elektrownie wodne pow. 10 MW

74,8

154,5

88,6

198,5

Geotermika

0,5

1,5

200

Biomasa i spalanie odpadów

6,3

250

217

Turbiny wiatrowe

0,5

0,9

1500

2122

Ogniwa fotowoltaiczne

0,5

Razem

82,2

179,7

115,6

278,5

Udział w całkowitym bilansie

266

Przy obecnym poziomie konsumpcji energii w Polsce udział energii ze źródeł odnawialnych

wynoszący 5%, mógłby teoretycznie wzrosnąć czterokrotnie. Mają to zapewnić określone inicja-
tywy legislacyjne, a zwłaszcza „Rezolucja w sprawie wzrostu wykorzystania energii ze źródeł
odnawialnych” (Monitor Polski, nr 25 z dnia 8 lipca 1999)

2. Energia wody

Szacuje się, Ŝe potencjał hydroenergetyczny świata wykorzystywany jest zaledwie w 5,5%.

W bilansie przetwarzania go na energię elektryczną udział ten jest juŜ większy, bo wynosi około
20%. We wszystkich przypadkach wykorzystywania energii wód procesy jej transformacji pole-
gają najczęściej na wykorzystaniu energii kinetycznej wody będącej w ruchu, lub jej energii po-
tencjalnej, do napędu generatorów prądotwórczych. W aspekcie kryteriów ekologicznych jest to,
po energetyce wiatrowej, najbardziej czysta technologia produkcji energii elektrycznej.

W rzecznych elektrowniach wykorzystuje się trzy rodzaje turbin wodnych, dobieranych w

zaleŜności od lokalnych uwarunkowań:
- turbinę Peltona (1880), której schemat przedstawia rys.1, jest ona wysokoobrotową turbiną,

wymagającą strugi wody o stosunkowo niewielkim natęŜeniu ale o duŜym ciśnieniu i znacznej
energii kinetycznej, którą uzyskuje się w wyniku połączenia odpowiednim systemem rur wyso-
ko połoŜonych zbiorników wodnych z niŜej połoŜoną, o 200-400m, turbiną. Elektrownie wodne
z takimi turbinami instaluje się zwykle w terenach górzystych (np. Szwajcaria).

- turbinę Francisa, (1849, p rys 2a ) wykorzystującą zarówno energię kinetyczną, jak i poten-

cjalną wody, zadawalają się kilku- kilkunastometrową róŜnicą poziomu między wlotem, a wy-
lotem wody z turbiny. Rozwijane przez nią prędkości obrotowe są zdecydowanie mniejsze niŜ
w przypadku turbin Peltona, a zapotrzebowanie na wodę większe.

- turbinę Kaplana (1912, p. rys. 2b) budowaną zwykle o osi pionowej, wolnoobrotową, przewi-

dzianą do instalowania na rzekach o małych spadach, ale zapewniających przepływ duŜej masy
wody przez turbinę.

Charakterystyka techniczna turbiny Peltona:
-wysokoobrotowa (n>1000 obr/min)
-wymaga duŜych spadków (róŜnicy poziomu pomiędzy ujęciem wody a miejscem turbiny),
- stosunkowo niewielkie natęŜenie przepływu wody

Rys.1. Schemat akcyjnej turbiny

Peltona (wynaleziona w 1880
roku)

Rys.2a. Reakcyjna turbina Fran-

cisa (wynaleziona w 1849
roku)

Charakterystyka techniczna:

-prędkość obrotowa (400

obr/min < n< 1000 obr/min)

-wymaga średnich spadków (róŜ-

nicy poziomu wody w komorze
wlotowej i ujścia kanału ssące-
go)

-budowana na rzekach o średnim

natęŜeniu przepływu wody

Charakterystyka techniczna:
-turbina wolnoobrotowa (n<100 obr/

min) o pionowej osi obrotu,

-instalowana w przypadku małej róŜ-

nicy poziomu wody na wejściu i
wyjściu z turbiny (mały spadek),

-wymaga przepływu wody o znacz-

nym natęŜeniu.

Rys.2b. Turbina Kaplana (skonstru-

owana w 1912 roku)

Sprawność przetwarzania energii w elektrowniach wodnych przewyŜsza dwukrotnie spraw-

ność elektrowni węglowych, a otrzymywana w nich energia elektryczna jest najtańsza i najmniej
obciąŜająca  środowisko.  Niezwykle  waŜne  jest równieŜ to, Ŝe są one o wiele bardziej dyspozy-
cyjne  i  łatwe  w  eksploatacji,  zasilając  zwykle  sieci  energetyczne  w  okresie  szczytowego  zapo-
trzebowania  na  energię  elektryczną.  W  przypadku  szczytowo-pompowych  elektrowni  wodnych
moŜna wręcz mówić o tym, Ŝe spełniają one rolę regulatorów podaŜy i popytu, poprzez wykorzy-
stywanie nadwyŜek energetycznych w porze nocnej do napędu pomp przepompowujących wodę
z dolnych do górnych zbiorników, z których pobiera się ją do zasilania turbin napędzających ge-
neratory prądotwórcze w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Największe, gigantyczne wręcz, elektrownie wodne zbudowano dotąd w USA (na rzecze

Kolumbia - 10 GW), oraz na rzecze Parana - 12,6 GW. Dla porównania, moc elektrowni Turo-
szowskiej wynosi około 2 GW, a największa polska elektrownia Bełchatów dysponuje mocą 4,38
GW. W Polsce zasoby hydroenergetyczne są niewielkie i w dodatku wykorzystywane tylko w
12%. Moc wszystkich polskich elektrowni wodnych wynosi około 2 GW, z czego połowa przy-
pada na elektrownie szczytowo-pompowe. Sama elektrownia szczytowo-pompowa w śarnowcu
ma moc 0,716 GW.

3. Energia pływów i fal

Eliptyczna trajektoria ruchu KsięŜyca wokół Ziemi powoduje zmienne grawitacyjne oddzia-

ływanie tych ciał na siebie, powodujące cykliczne (12h 25 min) ruchy wód oceanicznych. Prak-
tyczne znaczenie mają te miejsca nabrzeŜy na kuli ziemskiej, gdzie ukształtowanie brzegów, za-
tok i cieśnin zapewnia róŜnicę poziomów większą niŜ 5 m. Wykorzystanie energii pływów znane
jest od dawna (1086 rok, do napędu młyna). W Europie znane są elektrownie pływowe we Fran-
cji (Saint Malo w Bretanii - 0,55 GW,

∆

H = 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 Ŝywiołu, zwłaszcza w okresie sztor-

mów i huraganów, Ŝadna z elektrowni pływowych nie pracuje na skalę przemysłową, wspomaga-
jąc 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 hydraulicz-
ne. Przedstawione na rys. 3 rozwiązania słuŜą głównie do zasilania boi nawigacyjnych, latarni
morskich oraz platform wiertniczych. Największa z dotychczas wybudowanych elektrowni, wy-
korzystująca energię fal, pracuje w Norwegii (0,05 GW). W przypadku urządzeń pneumatycz-
nych cykliczna zmiana poziomu wody powoduje naprzemienne przetłaczanie powietrza z jednej
komory do drugiej – bezpośrednio lub w wyniku odkształcania elastycznych membran.

a) pneumatyczne

Rys.3. Przykłady urządzeń do konwersji energii falowania na energię elektryczną.

Urządzenia mechaniczne (b) wykorzystują

cykliczną  zmianę  nachylenia  powierzchni  swo-
bodnej  (w  urządzeniach  wahliwych)  lub  siłę
wyporu do przemieszczania się pływaka, w kie-
runku  prostopadłym  do  powierzchni  dna  (w
urządzeniach przemieszczających się). W pierw-
szym  przypadku  wahliwy  ruch  pływaków  za
pomocą mimośrodu lub wału wykorbionego jest
zamieniany  na  ruch  obrotowy  i  poprzez  prze-
kładnię  napędza  generator.  Urządzenia  induk-
cyjne  (c)  wykorzystują  posuwisto-zwrotny  lub
wahliwy  ruch  pływaków  i  wymuszają  podobny  ruch  cewki  w  polu  magnetycznym,  czego  efek-
tem  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 rozwaŜań i opracowywania realizacyjnych koncepcji. Przykła-

b) mechaniczne

c) indukcyjne

Rys.4. Koncepcja elektrowni Stilmana napędzanej energią prądów oceanicznych

Rys.3d. Urządzenie hydrauliczne

dem jednej z nich moŜe być schemat elektrowni Stilmana, pokazany na rys. 4. Stanowi ją zako-
twiczona 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 turbi-
nami (2-3 obr/min) o średnicy 30 m. Oczekiwać naleŜy, Ŝe w najbliŜszej przyszłości elektrownie
takie się pojawią i to w wielu rejonach świata.

4. Energia wiatru i jej wykorzystanie

Obok spalania drewna, energia wiatru była przez człowieka najwcześniej wykorzystywaną

energią odnawialną. Począwszy od Ŝagli stosowanych w transporcie wodnym, stosunkowo wcze-
śnie zaczęto budować naziemne silniki napędzane wiatrem. Wzmiankę o urządzeniach wiatro-
wych znajdujemy bowiem juŜ w kodeksie Hammurabiego. W staroŜytnej Persji, na wiele stuleci
przed nową erą, wiatraki o poziomej osi obrotu wykorzystywane były do mielenia zboŜa, a w In-
diach do pompowania wody. Dzięki wyprawom krzyŜowym koncepcja silnika wiatrowego zosta-
ła przeniesiona do Europy, gdzie na przełomie pierwszego i drugiego tysiąclecia n.e. pojawiły się
udoskonalone wiatraki o poziomej osi obrotu, które niemal całkowicie wyparły model perski.

Wiatr jest wywołany przez róŜnicę

w nagrzewaniu lądów, mórz, biegunów
i  równika  (róŜnica  ciśnień  pomiędzy
poszczególnymi  strefami  cieplnymi)
oraz  przez  siłę  Coriolisa,  związaną  z
obrotowym  ruchem  Ziemi.  Zasoby
energii  wiatru  są  niewyczerpane,  po-
niewaŜ są ciągle podtrzymywane przez
Słońce.  Granica  opłacalności  budowa-
nia  siłowni  wiatrowych  to  prędkość
wiatru  przekraczająca  4  m/sek.  Jak
wynika  z  rozkładu  izowent  na  terenie
Polski,  pokazanego  na  rys.5,  równieŜ
na  znacznym  obszarze  Polski  istnieją
warunki  do  eksploatacji  turbin  wiatro-
wych.  Na  Pomorzu  i  Suwalszczyźnie
istnieją  tereny  kwalifikujące  się  nawet
do  I  klasy,  nie  ustępujące  najlepszym
lokalizacjom niemieckim czy duńskim.

Przegląd dawnych i współczesnych silników wiatrowych pokazano na rys. 6 i 7. Średnica

standardowych turbin wiatrowych o mocy 600 kW leŜy w granicach 40-48 m, a przeciętna wyso-
kość wieŜ, na których się je instaluje 40-60 m. Im one są wyŜsze, tym większa jest efektywność
wykorzystania energii wiejącego wiatru. Obroty wirnika turbiny wiatrowej są przenoszone na oś

Rys.5. Rozkład prędkości wiatru na terenie Polski

a) wolnoobro-
towy młynarski

Rys.6a, b, c.

Wiatraki

b) holenderski,
odwadniający,
średnioobrotowy

Rys.6c) elek-

trownia wia-
trowa szyb-
koobrotowa

asynchronicznego  lub  synchronicznego  generatora  prądotwórczego  poprzez  wielostopniową
przekładnię  zwielokratniającą  (40:1).  Całość  konstrukcji  takiej  siłowni  waŜy,  w  zaleŜności  od
typowielkości  i  uŜytych  materiałów  konstrukcyjnych,  od  15  -  20  ton.  Współczesne  elektrownie
wiatrowe  sterowane  są  mikroprocesorem  sprzęŜonym  z  odpowiednią  aparaturą  kontrolno-
pomiarową, umoŜliwiającą ustawianie kąta łopatek i obrót „na wiatr”.
4.1. Przegląd konstrukcji turbin wiatrowych

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  obec-
nym  poziomie  cen  elektroenergetyki  konwencjonalnej,
energetyka  wiatrowa  nie  jest  rewelacyjnym  pod  wzglę-
dem  dochodowość  obiektem  inwestycyjnym.  Pomimo
tego w ostatnim dziesięcioleciu minionego wieku odno-
towano  zaskakująco  wysoką  dynamikę  rozwoju  energe-
tyki wiatrowej, o czym mogą świadczyć dane zawarte w
tabeli 3. W ujęciu względnym
dynamika  ta  jest  równieŜ  w
przypadku  Polski  imponują-
ca.  Po  pierwszych,  wybudo-
wanych  w  1991  roku,  elek-
trowniach  wiatrowych  w  Li-
sewie  k.  śarnowca  i  w  Swa-
rzewie k.Pucka o mocach 150
i  95  kW,  powstały  dalsze
obiekty  tego  typu  i  to
nie  tylko  na  Pomorzu,
ale  równieŜ  na  terenie
całej  Polski  (k.Pozna-
nia,  Wrocławia  i  Biel-
ska). Największe z do-
tychczas  zainstalowa-
nych  jednostek  tego
typu,  o  mocy  600  kW
kaŜda,  zbudowano  w
1997  roku  na  Kępie
Swarzewskiej  (k.  Puc-
ka).  DuŜy  zespół  5  si-
łowni  wiatrowych,  o

Rok (moc w MW)

Kraj

1990

1993

1996

1997

2000

2001

2002

2003

Niemcy

326

1545

2080

6113

8734

11968

14612

Dania

343

487

857

1116

2364

2456

2888

3076

Hiszpania

249

512

2538

3550

5043

6420

Holandia

132

299

325

449

523

727

938

Polska

—

Europa

470

1238

3507

4766

—

Świat

2170

3026

6098

7592

18500

24927

32037

40302

Tabela 3. Dynamika rozwoju energetyki wiatrowej w MW (1000 MW = 1 GW)

Rys.7a, b, c, d, e, f. Współczesne silniki wiatrowe
a) bębnowy b) karuzelowy c) rotorowy Siemensa

d) wielopłatowy

e) Darieusa

f)Boeinga

MOD-2

mocy 132 kW kaŜda, powstał niedaleko Darłowa. Planuje się jego rozbudowę o dalsze 12 jedno-
stek, o mocy 750 kW kaŜda, co ma zapewnić łączną moc darłowskich elektrowni wiatrowych
rzędu 9,7 MW. W roku 1998 europejska energetyka wiatrowa wytwarzała rocznie około 9 TWh
energii elektrycznej, zaspokajając potrzeby około 7 milionów ludzi naszego kontynentu. Jednak
w okresie pięcioletnim ilość energii uzyskiwanej z wiatru zwiększa się o ponad 200%.

Zrealizowane w Polsce instalacje pochodzą głównie z

firm  zagranicznych,  produkcję  silników  wiatrowych  oraz
całych  elektrowni  wiatrowych  uruchomiła  np.  Nowosą-
decka Fabryka Urządzeń Górniczych Nowomag S.A. Ofe-
ruje ona dwa typy elektrowni wiatrowych EW 160-22-30 i
EW 100-20-20 i wiatrakowy agregat pompowy WAP-3.3.
Schemat  ideowy  turbiny  wiatrowej  o  osi  poziomej  przed-
stawiono  na  rys.7g.  Procesor  sterujący  takiej  turbiny  za-
pewnia  jej  wyłączanie  przy  zbyt  małej  i  przy  zbyt  duŜej
prędkości  wiatru.  UmoŜliwia  równieŜ  pracę  turbiny  ze
zmienną lub ze stałą prędkością obrotową i pozwala usta-
wiać gondolę „na wiatr”, moŜliwa jest równieŜ zmiana ką-
ta β nastawienia łopatek turbiny.

Nie ulega wątpliwości, Ŝe skutki ekologiczne wypro-

dukowania 1 TWh energii elektrycznej w elektrowni wia-
trowej, w stosunku do tradycyjnie wyprodukowanej w
elektrowni węglowej, sprowadzają się do uwolnienia śro-
dowiska z:

- 5.500 ton SO

- 4.222 ton NO

-700.000 ton CO

- 49.000 ton pyłów i ŜuŜli.

Opracowane przez specjalistów UE prognozy wzrostu

udziału  aeroenergetyki  w  bilansie  energetycznym  Polski
wraz z oszacowaniem proekologicznego efektu tego wzro-
stu  przedstawiono  w  tabeli  4.  U  dołu  tabeli  podano ocze-
kiwane wartości redukcji zanieczyszczeń jakie by powsta-
ły,  gdyby  taką  ilość  energii  uzyskać  z  elektrowni  węglo-
wych.  Warunkiem  spełnienia  tych  optymistycznych  pro-
gnoz  jest  jednak  ustanowienie  administracyjno-prawnych
przepisów  wykonawczych,  które  by  wspierały  rozwój  energetyki  ze  źródeł  odnawialnych.  Z in-
nych barier naleŜy wymienić niechęć w odejściu od obecnej struktury energetyki konwencjonal-
nej,  barierę  ekonomiczno-finansową  w  podjęciu  inwestycji,  barierę  społeczną  wynikającą  z  za-
groŜenia  bezrobociem  w  sektorze  wydobywczym,  barierę  prawną  –  nie  ma  bowiem  obowiązku
zakupu energii odnawialnych, a obowiązkowi takiemu sprzeciwia się lobby energetyki konwen-
cjonalnej. Brak równieŜ urzędowego cennika energii wiatrowej.

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 wzglę-
dów.  Najnowsza  w  tym  zakresie  koncepcja,  pokazana  schematycznie  na  rys.8,  eliminuje  wady
dotychczas  proponowanych  rozwiązań.  Zamiast  wielkogabarytowych,  niestabilnych  na  wodzie
turbin wiatrowych, proponuje się, nisko spoczywające na pływakach, wirniki z dyfuzorem, napę-
dzające  generatory  prądu  stałego,  z  pomocą  którego  przeprowadzać  moŜna  elektrolizę  wody
morskiej. W jej wyniku czysty tlen przekazywany zostanie wodzie na duŜej powierzchni, zaleŜ-
nej  od  długości  ułoŜonych  na  dnie  morza  elektrod,  bez  konieczności  stosowania  dodatkowych

Rys.7g. Turbina wiatrowa o osi pozio-

mej:  1-łopatka,  2-piasta,  3-urządzenie
do  zmiany  kąta  β  łopatek,  4-mechani-
czne  przeniesienie  napędu,  5-prądni-
ca, 6-urządzenie sterująco-pomiarowe,
7-ustawianie  turbiny  „na  wiatr”,  8-
wieŜa, 9-procesor sterujący

środków dyspergujących, a drugi produkt elektrolizy - wodór, określany często jako paliwo XXI
wieku, moŜe być przechwytywany do specjalnych zbiorników, okresowo opróŜnianych.

Reasumując, do zalet siłowni wiatrowych moŜna zaliczyć to, Ŝe:
- nie zanieczyszczają środowiska,
- pozwalają czerpać energię z bezpłatnego jej źródła,
- mogą być lokowane na terenach nieuŜytków (pustynie, skały wybrzeŜa).
JeŜeli pominie się zagroŜenia dla ptaków i jednoznaczne uzaleŜnienie funkcjonowania elek-

trowni wiatrowych od warunków atmosferycznych, to jedyną w zasadzie powaŜną ich wadą są
wysokie koszty inwestycyjne.

Rys.8. Koncepcja wykorzystania turbiny wiatrowej z dyfuzorem do produkcji wodoru i dotlenia-

nia morskich wód głębinowych: 1-statecznik, 2-dyfuzor, 3-turbina, 4-pływak, 5-zbiornik
na H

, 6- katoda, 7-anoda

5. Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne zalicza się do aktywnych systemów wykorzystania energii słonecznej.

Typowy kolektor składa się z absorbera (płyta pochłaniająca), osłony, izolacji i konstrukcji, obej-
mującej  instalację,  zawory,  zbiorniki,  automatykę.  Zasadniczą  częścią  kolektora  jest  absorber,
wykonywany  zazwyczaj  z  blachy  miedzianej  lub  aluminiowej  pokryty  czarną,  matową  farbą.
Temperatura  równowagi  (t

=70°C), to taka temperatura, przy której ilość emitowanego promie-

Tablica 4. Prognozy wzrostu aeroenergetyki w bilansie energetycznym Polski wraz z oszacowa-

niem proekologicznego efektu tego wzrostu

Nazwa

Jednostka

Rok

2000

2005

2010

2020

2030

Całkowita moc zainstalowana

34.700

37.750

42.570

52.800 60.000

Moc elektrowni wiatrowych

450

1.100

3.000

5.000

Udział aeroenergetyki w ogólnym
bilansie mocy

0,1

1,2

2,6

5,7

8,3

Energia z elektrowni wiatrowych

TWh

0,07

0,99

2,41

6,57

10,95

Redukcja SO

tys. ton

0,361

5,499

13,388

36,496 60,827

Redukcja NO

tys. ton

0,271

4,180

10,18

27,74

46,231

Redukcja CO

tys. ton

693

1.687

4.599

7.665

Redukcja pyłów i ŜuŜli

tys. ton

3,186

48,51

118,09

321,93 526,55

niowania jest równowaŜona dopływem energii promieniowania Słońca. W celu jej podwyŜsze-
nia, a tym samym zwiększenia ilości zaadsorbowanej energii moŜna:

- pokryć adsorber selektywnymi powłokami (Cu pasywowane NaOH i NaClO

=150-160°C)

- ograniczyć straty ciepła pokrywając adsorber dodatkową przezroczystą osłoną, t

=110-190°C,

- skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich, parabolicznych lub socze-

wek.

Rys.9. Kolektorowe instalacje ogrzewania wody: a) z pompą i dwoma obiegami, b) grawitacyjny

dwoma obiegami, c) grawitacyjny z obiegiem otwartym

Na całkowite promieniowanie absorbowane przez kolektor składa się:

- promieniowanie bezpośrednie – krótkofalowe promieniowanie o kierunku rozchodzenia się

promieni w linii prostej – od Słońca do czynnej powierzchni kolektora.

- promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne), powstające w wyniku załamania, odbicia i częścio-

wego pochłaniania promieniowania bezpośrednio w atmosferze ziemskiej,

- promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliŜu absorbera.

Sumaryczny wpływ wymienionych składowych na ilość energii docierającej do powierzchni

kolektora zaleŜy od jego ustawienia w stosunku do Słońca (kąt ustawienia i kąt azymutu). Kolek-
tory  słoneczne  płaskie  znalazły  szerokie  zastosowanie  w  budowie  instalacji  ogrzewania  wody  i
pomieszczeń.  Przykłady  tego  typu instalacji przedstawiono na rys. 9. W celu zwiększenia efek-
tywności kolektorów wykorzystuje się do transportu ciepła niskowrzący czynnik dwufazowy (np.
freon,  amoniak,  propan,  butan).  Te-
go  typu  instalacje  słuŜą  niemal  wy-
łącznie  do  pokrywania  zapotrzebo-
wania  indywidualnych  gospodarstw,
bowiem  by  pokryć  potrzeby  energe-
tyczne  świata  trzeba  by  pokryć  ko-
lektorami  słonecznymi  1/10  po-
wierzchni  Ziemi.  Jednak  w  końcu
ubiegłego  wieku  wzrost  zaintereso-
wania  takimi  kolektorami  był  impo-
nujący,  o  czym  moŜe  świadczyć
rys.10,  na  którym  przedstawiono
wykres

obrazujący

wzrost

po-

wierzchni  kolektorów  słonecznych,
instalowanych  w  Niemczech  w  la-
tach  1987-1998.  Powierzchnia  ko-
lektorów wzrosła tam na przestrzeni 12 lat ponad 20-krotnie. Jednak tego typu systemy, przy ko-
rzystnych warunkach atmosferycznych, będą raczej tylko wspomagać inne sposoby zaopatrywa-
nia gospodarstw w energię.

W przypadku helioenergetyki (produkcji energii elektrycznej) stosuje się wysokotemperatu-

rowe systemy kolektorów słonecznych, słuŜących do produkcji pary napędzającej turbinę genera-

[

]

1988

1987

1989

300

100

200

500

400

600

1990 1991 1992

Lata

1993 1994 1995

700

800

1996 1997 1998

Rys. 10. Wzrost powierzchni kolektorów słonecznych monto-

wanych w Niemczech

tora. RozróŜnia się przy tym systemy scentralizowane i zdecentralizowane. Zasadniczym elemen-
tem tych systemów są koncentratory promieniowania słonecznego (p. rys.11a). W zdecentralizo-
wanych systemach koncentratorów, zajmują one znaczną przestrzeń. W oddanej w 1984 roku do
uŜytku 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  Kali-
forni,  o  mocy  30  i  80  MW,  zasilane  są  energią  słoneczną  absorbowaną  z  pól  koncentratorów,
które zajmują powierzchnię wynoszącą odpowiednio 25 i 54,5 ha. Schemat takiej elektrowni po-
kazano na rys 11b.

Rys.11a. Schemat zdecentralizowanej elektrowni słonecznej Kramer Junction w Kalifornii: 1-

pole koncentratorów, 2- kocioł gazowy, 3-turbina, 4-generator, 5-przegrzewacz, 6-
wytwornica pary, 7-
skraplacz,

chłodnica kominowa,
9-pompy

W  systemach  scentralizowa-
nych pole heliostatów, w po-
staci  luster  koncentrujących
promieniowanie  słoneczne,
znajduje  się  na  jednym  cen-
tralnym  kolektorze  umiesz-
czonym  na  wieŜy.  Schemat
takiej  elektrowni,  z  ciekłym
sodem  w  roli nośnika ciepła,
przedstawia rys. 11c.

Koszty budowy helioelek-

trowni, jak i koszt jej eksplo-
atacji 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 zainstalo-
wanej mocy helioelektrowni ma się jednak nadal jak 1:10.
6. Pompy ciepła

Zadaniem pomp ciepła jest przenoszenie ciepła z niskotemperaturowego źródła ciepła, zwa-

nego teŜ dolnym, do górnego źródła ciepła, o temperaturze wyŜszej. Cel ten realizuje się wymu-
szeniem obiegu termodynamicznego. Najczęściej stosuje się spręŜarkowe pompy ciepła. Działa-
nie takiej pompy jest analogiczne do działania lodówki, a róŜnica polega jedynie na przeciwnym
kierunku transportu strumienia ciepła. W spręŜarkowej pompie ciepła, pokazanej w uproszczeniu
na rys.12, wychładza się np. dolne źródło ciepła, którym moŜe być grunt, woda, powietrze,
ogrzewa się natomiast wnętrza budynków lub pomieszczeń (górne źródło ciepła).

Rys.11b. Schemat zdecentralizowanej elektrowni słonecznej w Haper
Lake w Kaliforni:1-pole koncentratorów, 2-podgrzewacz pary, 3-
turbogenerator, 4-podgrzewacz, 5-wytwornica pary, 6-podgrzewacz
międzystopniowy, 7-skraplacz, 8-chłodnia kominowa, 9-pompy

Czynnikami roboczymi za pomocą których są realizowane obiegi termodynamiczne są naj-

częściej  freony,  noszące  zgodnie  z  normą  ISO  oznaczenia:  CFC  (chlorofluorowęglowodory),
HCFC  (wodorochlorofluorowęglowodory)  oraz  HFC  (hydrofluorowęglowodory).  Emisja  fre-
onów ma, jak wiadomo, duŜy negatywny wpływ na środowisko, intensyfikując efekt cieplarniany
i przyczyniając się do niszczenia warstwy ozonowej. Z tego teŜ powodu równieŜ 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 zastrzeŜeń ekologicznych, wynikających ze stosowania w obiegu termodynami-

cznym  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.

7. Ogniwa fotowoltaiczne

Praktyczne wykorzystanie ogniw słonecznych datuje się od 1970 roku, gdy opanowano

stosunkowo tanie technologie wytwarzania kryształów krzemu i półprzewodników. Choć 100-

Rys.12. Schemat spręŜarkowej

pompy ciepła: 1-skra-
placz, 2-zawór, 3-sprę-
Ŝarka, 4- parownik

Rys.11c. Schemat scentralizowanej elektrowni słonecznej: 1 absor-

ber wieŜowy, 2-pole heliostatów, 3-wytwornica pary, 4-
turbogenerator, 5- wymiennik, 6-chłodnica kominowa

obieg cie-
kłego sodu

obieg
wody

krotnie,  od  tego  czasu,  zmniejszyła  się  cena  ogniw  słonecznych,  która  wynosi  obecnie  około  5
USD/W,  to  jednak  koszt  energii  elektrycznej  z  takich  ogniw  nadal  20-krotnie  przekracza  koszt
energii uzyskiwanej w konwencjonalny sposób. Powszechnie znane jest wykorzystywanie ogniw
fotowoltaicznych do zasilania kalkulatorów, zegarków, parkomatów; mniej natomiast znany jest
fakt  istnienia  na  świecie  wielu  elektrowni  fotowoltaicznych.  Z  uwagi  na  niewielką  sprawność
ogniw, moc tych elektrowni ograniczona jest jednak do kilkuset kW. Elektrownia o mocy 1 GW
wymaga  powierzchni  ogniwa  50  km

. Samo ogniwo ma dość skomplikowaną budowę i składa

się z kilku warstw: metalicznego podłoŜa (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.
RównieŜ domieszki są wprowadzane przez dyfuzję na odpowiednią głębokość kryształu krzemu.

Rozwój w dziedzinie ogniw fotowoltaicznych jest ściśle związany z rozwojem techniki

satelitarnej. Skylab, Mir, Salut 6 - to stacje kosmiczne wyposaŜone w zasilanie energią z ogniw
fotowoltaicznych o powierzchni kilkudziesięciu m

i mocy kilku kW. Znany jest równieŜ projekt

orbitalnej elektrowni z baterią fotoogniw o łączej powierzchni 30 km

, z przesyłaniem na ziemię

energii  w  postaci  wiązki  fal  ultrakrótkich  o  wielkiej  mocy.  Zasadnicza  zaleta  ogniw  fotowol-
taicznych  polega  na  bezpośredniej  konwersji  promieniowania  na  energię  elektryczną,  co  ma
swoje  niewątpliwie  pozytywne  ekologiczne  skutki.  Mała  sprawność  (20  %)  i  wysoki  koszt,  to
obszary na których aktualnie koncentrują się badania. Moc ogniw fotowoltaicznych wyraŜa się w
Wp  (watt  peak).  Jest  to  moc  w  standardowych  warunkach  przy  temperaturze  25

C i

promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1kW/m

. W roku 2001 światowa produkcja tych

ogniw to 400 MWp i w stosunku do roku 2000 wzrosła ona o 38%. W dalszych dziesięcioleciach
średni  przyrost  produkcji  wynosi  ponad  25%.  W  Niemczech  stwierdza  się,  Ŝe  system
fotowoltaiczny  o  mocy  2,5  kWp  jest  w  stanie  pokryć  połowę  zapotrzebowania  na  energię
przeciętnej  niemieckiej  rodziny (około 4500 kWh). Na niemieckiej wyspie Pellworm na Morzu
Północnym  pracuje  od  1983  roku  elektrownia  fotowoltaiczna  o  mocy  300  kW.  Zjmuje  ona
powierzchnię 1,6 ha.

8. Biomasa

Energia zawarta w biomasie jest najmniej kapitałochłonnym źródłem energii odnawialnej.

Jej  produkcja  moŜe  praktycznie  przebiegać  samoistnie,  zarówno  na  lądzie,  jak  i  w  środowisku
wodnym.  Człowiek  moŜe  tę  produkcję  intensyfikować  poprzez  stosowanie  róŜnego  typu
zabiegów, jak: nawoŜenie, nawadnianie, walka ze szkodnikami. Aktualnie energia uzyskiwana z
biomasy stanowi 15% światowego zuŜycia energii, przy czym w krajach rozwijających się udział
ten jest znacznie większy, bo wynosi 38%.

Energetyczny potencjał zawarty w biomasie wykorzystywany jest jak dotąd w niewielkim

stopniu (około 7%). O tym jak wielką wagę się przywiązuje do poprawy sytuacji w tej dziedzinie
moŜe świadczyć fakt, Ŝe w USA planuje się do 2010 roku zwiększyć ogólną moc uzyskiwaną z
elektrowni na biomasę z 7 GW do 14 GW.

Do celów energetycznych moŜna wykorzystywać następujące postacie biomasy:

•

drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, opakowania,

•

słomę - zarówno zboŜową, jak i z roślin oleistych, strączkowych, siana,

•

odpady organiczne - gnojowicę, osady ściekowe, makulaturę, odpady organiczne z cukrow-
ni, roszarni lnu, gorzelni, browarów,

•

biopaliwa płynne - oleje roślinne, biodiesel, bioetanol, z gorzelni i agrorafinerii,

•

biogaz z gnojowicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych.

Polskie zasoby biomasy w postaci drewna, słomy i osadów ściekowych szacuje się na 30

mln ton rocznie, co energetycznie jest równowaŜne 15-20 mln ton węgla. Zaostrzone po roku

1997 normy dotyczące emisji pyłów i dwutlenku siarki w spalinach, dopuszczają do stosowania w elek-
trowniach węgla o parametrach A/B/C = 21/15/0,64 (wartość opałowa wyraŜona w (MJ/kg) / procen-
towa zawartość popiołu / procentowa zawartość siarki). Biomasa ma parametry 14/1/0,01,
Współspalanie biomasy z węglem jest coraz powszechniejsze, umoŜliwiając spełnienie coraz
ostrzejszych norm dla emisji gazów odlotowych, dotyczących zwłaszcza związków siarki.

NajwaŜniejszymi argumentami za energetycznym wykorzystaniem biomasy są:

•

stałe i pewne dostawy krajowego nośnika energii w miejsce importowanej ropy i gazu;

•

wykorzystanie nadprodukcji Ŝywności (rzepak);

•

tworzenie nowych miejsc pracy, szczególnie na wsi;

•

ograniczenie emisji CO

z paliw nieodnawialnych, który w przeciwieństwie do CO

z biopa-

liw 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.

Potencjalne wady energetycznego zagospodarowania biomasy dotyczą:

•

ryzyka zmniejszenia bioróŜnorodności (monokultury roślin energetycznych),

•

trudności z usuwaniem ze spalin tlenków azotu;

•

niebezpieczeństwa powstawania dioksyn i furanów w wyniku spalania biomasy zanieczysz-
czonej pestycydami lub odpadami z tworzyw sztucznych.
Wysokowydajne plantacje drewna przeznaczonego na cele przemysłowe i energetyczne to

plantacje drzew eukaliptusowych (113 m

/r.ha) i topoli (35 m

/r.ha), które zasilają elektrownie

zasilane  tym  paliwem  w  wielu  krajach  (Brazylia,  USA).  Koszt  produkcji  w  tych  elektrowniach
jest  porównywalny  z  kosztem  wytwarzania  energii  elektrycznej  ze  spalania  węgla.  W  Polsce
drewno  opałowe  spala  się  w  niewielkich  instalacjach  kotłowych  (kotły  śUBR,  Ingis,  Fuwi)  do
c.o., w piecach i kuchniach przydomowych. W budowie znajduje się kilka kotłowni o większej
mocy opalanych drewnem, które to inwestycje w 50% są dofinansowywane z Funduszu PHARE.
Ich łączna moc wyniesie 23 MW.

Niewykorzystanym dotychczas w dostatecznym stopniu proekologicznym surowcem energe-

tycznym  jest  równieŜ  słoma,  o  wartości  opałowej  porównywalnej  z  drewnem  (17MJ/kg).  W
ostatnim dziesięcioleciu uruchomiono w Polsce szereg kotłowni co., opalanych słomą. Przykład
takiej ciepłowni przedstawiono schematycznie na rys. 13. W przypadku kotłowni firmy STEEN
TECH koszt inwestycji wynosi 2 mln PLN, roczny koszt spalanej słomy 57.000 PLN (koszt wę-
gla  wynosił  by  169.000  PLN).  Koszty  eksploatacji  kotłowni  wynosiły  w  sezonie  grzewczym
1997/98  i  1998/99  odpowiednio  80.000  PLN,  w  przypadku  gdyby  kotłownię  opalano  węglem
koszty eksploatacji byłyby równe 220.000 PLN oraz 212.000 PLN.

9. Biopaliwa

Do biopaliw zaliczamy etanol, estry metylowe oleju rzepakowego, palmowego lub sojowego.

W porównaniu do oleju napędowego uzyskiwanego z ropy naftowej podczas ich spalania w sil-
niku emitują one do atmosfery o 40% mniej węglowodorów, o 50% mniej sadzy i o 40% mniej

Rys.13. Schemat ciepłowni

opalanej słomą.

1-osiedlowa sieć ciepłow-
nicza, 2-spaliny do komi-
na, 3-cyklon, 4-rozdra-
bniacz słomy, 5-przenośnik
słomy, 6-transporter balo-
tów, 7-wentylator, 8-prze-
nośnik popiołu, 9-trans-
porter

pyłów, przy takim samym poziomie emisji CO i CO

. W warunkach polskich z 1 ha uprawy rze-

paku moŜna uzyskać 3.000 kg nasion, z których moŜna wycisnąć na zimno 1132 kg oleju. W
procesie transestryfikacji, po dodaniu 133 kg metanolu uzyskuje się 1143 kg biopaliwa i 122 kg
gliceryny. Tak więc paliwo uzyskane z jednego hektara umoŜliwia pracę traktora w polu przez
260 h (ok. 2 miesięcy) .

Szczegółowe analizy bilansu energetycznego przy produkcji biopaliwa z oleju rzepakowego

wykazały, Ŝe suma energii dostarczonej (nie licząc energii słonecznej) stanowi niecałe 30% ener-
gii  pozyskanej.  Bilans  ekonomiczny  pozyskiwania  biopaliwa  przeprowadzony  dla  przełomu  lat
1998/99  dla  przerobu  wynoszącego  5.000  ton  rzepaku  na  rok  zamknął  się  zyskiem  941.900  zł,
nie licząc korzyści odniesionych przez środowisko dzięki zmniejszonej emisji szkodliwych pro-
duktów procesu spalania.

10. Biogaz

Źródłem energii odnawialnej moŜe być teŜ biogaz. Biogaz, wydzielający się w sposób nie-

kontrolowany, powstaje samoczynnie, i to w duŜych ilościach, na wysypiskach śmieci, stanowiąc
powaŜne, zagroŜenie dla środowiska, nie tylko lokalne (np. metan - b. silnie wzmacnia efekt cie-
plarniany),  ale  równieŜ  dla  mieszkańców  okolic  sąsiadujących  z  takimi  wysypiskami.  Znane  są
przypadki  samozapalenia  się  wysypisk  i  trwające  tygodniami  akcje  gaszenia  takich  poŜarów,  w
czasie  których  przedostaje  się  do  atmosfery  znaczna  ilość  CO,  CO

, dioksyn, furanów i sadzy.

Szacuje się, Ŝe roczna wartość energii traconej z gazem wysypiskowym jest równowaŜna 439
mln m

gazu ziemnego.

Biogaz moŜna 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.

Typowy gaz wysypiskowy składa się w swej objętości z 45-65 % metanu, 34-45 % CO

, nie-

wielkich  ilości  wodoru,  azotu,  tlenu  i  śladowych  ilości  organicznych  związków  nadających  mu
specyficzny, „wysypiskowy” zapach. Fermentacja odpadów gromadzonych na wysypiskach moŜe
trwać do 25 lat, a sam zapach utrzymuje się jeszcze dłuŜej. Istnieje wiele przykładów funkcjonu-
jących  elektrowni,  i  to  niemałej  mocy  (w  Anglii  -  10  MW),  zasilanych  biogazem  czerpanym  z
wysypisk  śmieci.  Znanych  jest  teŜ  szereg  sprawdzonych  technologii  rentownego  jego  pozyski-
wania.  W  Polsce,  na  600  zarejestrowanych  wysypisk,  działa  zaledwie  20  instalacji  utylizacji
(spalania w pochodniach) lub zagospodarowania gazu wysypiskowego. Niedawno w pobliŜu Le-
gnicy (rok 2006) uruchomiono elektrownię zasilaną właśnie gazem wysypiskowym.

Zalety produkcji energii z biogazu są analogiczne jak w przypadku czerpania jej w procesach

spalania drewna i słomy. Produkcja biogazu umoŜliwia dodatkowo poprawienie stanu higienicz-
no-sanitarnego dzięki zaprzestaniu wylewania fekalii bezpośrednio na pola (Chiny, Indie), gdzie
nierzadko są one przyczyną wybuchu epidemii. W biednych krajach trzeciego świata lokalne ma-
łe elektrownie zasilane biogazem umoŜliwiają podniesienie poziomu cywilizacyjnego poprzez
dostarczanie światła, elektryczności i wody. W przypadku oprocentowania kredytów inwestycyj-
nych powyŜej 7%, koszt jednostkowy energii elektrycznej uzyskiwanej z biogazu jest mniejszy
od kosztu tej energii czerpanej z sieci elektroenergetycznych.
11. Źródła geotermalne

Polska ma korzystne warunki do rozbudowy energetyki geotermalnej. Na głębokości kilkuset

metrów do kilku kilometrów temperatura wody wynosi od kilkunastu stopni Celsjusza do nawet
ponad 100

C (para wodna). Taką wodę moŜna wykorzystać do ogrzewania mieszkań, do celów

gospodarczych a parę wodną do napędzania agregatów prądotwórczych (sprawność do około
70%). Najlepsze warunki geotermalne panują w Polsce na Podkarpaciu i w Sudetach. Działające
instalacje geotermalne to w zachodniopomorskim Stargard Szczeciński i Pyrzyce (64

C), w

łódzkim Uniejów (67

C), w mazowieckim Mszczonów (40

C), Bańska NiŜna koło Zakopanego

(86

C). Planowane są następne instalacje. Ze źródeł geotermalnych korzystają takŜe uzdrowiska

w  Ciechocinku,  Konstancinie,  Cieplicach,  Lądku-Zdroju,  Ustroniu,  Zakopanym  i  w  Iwoniczu-
Zdroju  na  Podkarpaciu.  W  celu  wykorzystania  źródła  geotermalnego  naleŜy  dokonać  kilku  od-
wiertów z których albo wypływa sama albo wypompowuje się ciepłą wodę, która na powierzchni
oddaje ciepło w wymiennikach ciepła. Ochłodzona woda jest z powrotem wtłaczana innym od-
wiertem  do  złoŜa.  W  instalacji  muszą  być  zamontowane  filtry  oczyszczające  wodę  z  nadmiaru
minerałów, które by mogły zniszczyć lub zatkać instalację. Koszty instalacji są niestety wysokie,
ale za to do dyspozycji jest stabilne źródło czystej energii.
12. Wodór jako paliwo XXI wieku

Konsumpcja wodoru jako paliwa systematycznie rośnie. W skali światowej przekroczyła juŜ

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 naf-
towa (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 niŜ energia elektryczna

•

jego zapasy są praktycznie niewyczerpalne, gdyŜ jako składnik wody krąŜy wraz z nią w przy-
rodzie w zamkniętym obiegu.
JeŜeli weźmie się pod uwagę, Ŝe konwersja energii wodoru w energię elektryczną odbywała

się będzie w przyszłości w ogniwach paliwowych (rys.14a), a nie poprzez konwencjonalne spa-
lanie,  to  pozostaje  w  zasadzie  jedna  tylko
wada  wodoru,  polegająca  na  łatwości  jego
dyfundowania  przez  metale.  Zjawisko  to
powoduje  znaczne  zmiany  własności  me-
chanicznych  metali  (kruchość  wodorowa)
zagraŜające trwałości konstrukcji. Wydzie-
lanie  się  NO

w przypadku ogniw paliwo-

wych  nie  istnieje,  poniewaŜ  proces  kon-
wersji  energii  odbywa  się  bez  płomienia  i
w  niskich  temperaturach.  Podstawowym
rodzajem  ogniw  to  wodorowo-tlenowe  z
membraną (płytą separacyjną) do wymiany
protonów  (elektrolit  polimerowy).  Cienka
warstwa  polimeru  przewodzącego  protony
(płyta  separacyjna  -  membrana)  rozdziela  anodę  i  katodę.  Zwykle  elektrody  mają  postać  nawę-
glonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Na anodzie ogniwa nastę-
puje utlenianie paliwa (wodoru, węgla, metanolu, hydrazyny itp.) a na katodzie – redukcja utle-
niacza (tlenu, wyjątkowo chloru). Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody,
gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja a w jej wyniku
powstają  jony  protonowe  H

oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w

niej, a jony wodorowe dyfundują.

+ 4e

Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych

jonów, szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez
obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O

-2

+ 4e

-2

zaś jony wodorowe H

są zobojętniane zjonizowanym tlenem:

-2

+ 4H

Końcowy produktu to H

O czyli woda w postaci pary lub ciekłej.

Rys.14a. Schemat modułu ogniwa paliwowego

Reakcja jest identyczna z reakcją spalania, ale bez wydzielania ciepła. Sprawność jest wyŜsza

niŜ w obiegu Carnota i dochodzi do 75%. W pierwszym ogniwie tego typu (rys.14a) wodór był
doprowadzony do anody, a tlen do katody. Wodór i tlen reagowały z elektrolitem, dzięki zaś
przewodności jonowej elektrolitu w ogniwie płynie prąd o napięciu 0,8V i gęstości 250 mA/cm

Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zaleŜy w duŜej mierze od metody uzyskiwania sto-

sowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być uŜywane jako pierwotne źródło ener-
gii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. ChociaŜ wytwarzanie wodoru
w procesie elektrolizy wody ma dość duŜą sprawność, to w połączeniu z tym, Ŝe przy stosowaniu
w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod duŜymi ciśnieniami to całkowita
sprawność ogniw obecnie jest znacznie niŜsza i w przyszłości moŜe nie przekroczyć poziomu
najwydajniejszych z silników spalinowych.

Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu paro-

wego, który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek węgla,
jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyŜ w przeciwieństwie do silników spali-
nowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez kaŜdy pojazd, lecz powstaje w
miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu moŜna go wykorzystać.

W zaleŜności od rodzaju elektrolitu rozróŜnia się następujące ogniwa paliwowe:

•

polimerowe (PEFC - Polymer Electrolyte Fuel Cell), uruchomione w roku 1960, t=80°C, moc
1kW, zbudowane w ramach programu kosmicznego Gemini;

•

alkaliczne (AFC - Alcalyne Fuel Cell), t=100°C, elektrolit KOH, 1,5 kW, opracowane w ramach
programu Apollo;

•

kwasowe (PAFC -Phosphoric Acid Fuel Cell) - rok budowy 1977, t=200 °C, elektrolit kwas fosfo-
rowy H

, zasila elektrownie na Manhatanie (o mocy 1 MW i 4,5 MW) i w Japonii w – rok bu-

dowy 1992 o mocy 11 MW oraz 1,3 MW i sprawności 60%,

•

węglanowe (MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell), t=650 °C, elektrolitem są ciekłe węglowodany
Li

i K

, szereg elektrowni o mocy 1-2 MW w Niemczech, USA i od 1998 w Japonii;

•

tlenkowe (SOFC - Solid Oxid Fuel Cell), utleniaczem jest ZrO

, t=1000 °C, są na etapie laborato-

ryjnych prób, wdroŜenie przewiduje się w latach 2005-2010.

wykłady\odnawia.doc

Rys.14b. Reakcje

elektroche-
miczne zacho-
dzące w róŜ-
nych typach
ogniw pali-
wowych.

Anoda

Katoda

Pobór mocy

H O

, CO

H O

Utleniacz O

Paliwo H

Elektrolit

-2

Typ ogniwa

alkaliczne

AFC, 100 C

ZrO

SOFC, 1000 C

tlenkowe

PEFC, PAFC

polimerowe 80 C

kwasowe 200 C

wêglanowe 650 C

MCFC

Li CO

K CO

-2

węglanowe 650