Upload
nguyendat
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Energia pierwotna
Energia pierwotna to energia zawarta w pierwotnych nośnikach energii, która nie była poddana
żadnym przemianom. Nośniki energii pierwotnej pozyskiwane bezpośrednio z natury to:
- biomasa,
- energia słoneczna,
- energia wiatru,
- energia wody,
- energia geotermalna.
Energia wtórna
Energia wtórna to energia otrzymana z przetwarzania energii pierwotnej (lub przetworzenia energii
wtórnej) - wytwarzanie energii lub paliw z innych (zwykle pierwotnych) paliw lub energii.
Niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej można podzielić na źródła odnawialne
i nieodnawialne. Źródłami odnawialnymi są:
- energia wiatru,
- energia słoneczna,
- energia wód,
- energia geotermalna (energię gejzerów, czyli energię geotermiczną można zaliczyć do odnawialnych jak
i do nieodnawialnych źródeł),
- energia biomasy.
ENERGIA SŁONECZNA
Słońce zbudowane jest głównie z dwóch pierwiastków chemicznych - wodoru i helu (odpowiednio
74% i 24%). Jego średnica przekracza 109 razy średnicę Ziemi, więc objętość jest zatem ponad
milion razy większa od objętości Ziemi.
Pod względem energetycznym największą ilość energii niesie ze sobą światło widzialne 46%
i promieniowanie cieplne 47%. Resztę stanowi nadfiolet 7%.
Energia słoneczna jest praktycznie najmniej wykorzystywaną w Polsce formą energii. Warunki
meteorologiczne w Polsce charakteryzują się bardzo nierównomiernym rozkładem promieniowania
słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć
miesięcy sezonu wiosenno - letniego. Natężenie promieniowania słonecznego - moc energii słonecznej
przypadająca na jednostkę powierzchni, wyrażana jest w W/m2.
W Polsce przyjmuje się, że średnia wartość napromieniowania słonecznego jest na poziomie 1000
kWh/m2.
Rys 1. Dzienna efektywność wykorzystania energii cieplnej w zależności od pory roku
Urządzeniem zmieniającym energię słoneczną w ciepło w sposób aktywny jest kolektor słoneczny.
Kolektory cieczowe znajdują zastosowanie przede wszystkim do podgrzewania wody w mieszkaniach,
domkach kempingowych, letniskowych, obiektach sportowych i rekreacyjnych, a także do podgrzewania
wody w zbiornikach, basenach oraz wody technologicznej w małych zakładach przemysłowych. Wyraźny
wzrost wykorzystania energii słonecznej w Polsce upatruje się w coraz szerszym zastosowaniu płaskich
cieczowych kolektorów słonecznych oraz kolektorów próżniowych hit-pipe (ok.18% do ogrzewania c.w.u.
i c.o. w budynkach mieszkalnych, obiektach użyteczności publicznej).
Urządzenia, w których energia słoneczna jest bezpośrednio zamieniana w energię elektryczną,
nazywamy ogniwami słonecznymi. Największe znaczenie praktyczne mają obecnie ogniwa fotowoltaiczne.
Przetwarzanie energii słonecznej w elektryczną jest stale udoskonalane, mimo to osiągane obecnie
sprawności 29 ogniw fotowoltaicznych nie przekraczają 15-18%. System taki oprócz ogniw
fotowoltaicznych zawiera elementy dostosowujące wytwarzany w ogniwach prąd stały do potrzeb
zasilanych urządzeń.
Zasoby energii słonecznej w Polsce
Rys 2. Roczne sumy promieniowania
całkowitego w Polsce
Rejon nadmorski o najwyższych
sumach rocznego promieniowania
słonecznego, o rocznych zasobach
przekraczających 950 kWh/m2
i najlepszych warunkach
wykorzystania w okresie letnim
i najgorszych zimą.
Rejon południowy o zasobach
mniejszych od 900 kWh/m2, w którym
wyodrębniono podrejon Sudetów
i Przedgórza Sudeckiego, ze względu
na wyższe zasoby w półroczu letnim
i niższe w półroczu zimowym.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia ciepła ziemi i powietrza jest energią wnętrza Ziemi, zgromadzoną w skałach i wodach
podziemnych. Ciepło we wnętrzu Ziemi jest po części ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie
formowania się planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym głównie z rozpadu pierwiastków
promieniotwórczych, takich jak uran, tor czy potas. Temperatura wraz z głębokością zwiększa się o ok.
25oC/km. Pod skorupą ziemską znajduje się warstwa gorących i roztopionych skał, zwanych magmą.
Temperatura magmy osiąga nawet 1400oC, ogrzewa otaczające skały i zawarte w nich wody. Ilość ciepła
zmagazynowana we wnętrzu Ziemi do 10km przekracza 50 000 - krotność ilości ciepła zgromadzonego we
wszystkich złożach gazu ziemnego i ropy naftowej na świecie. Obecnie w 65 krajach na świecie ludzie
korzystają z energii geotermalnej. Krajem, który najszerzej ją stosuje jest Islandia, gdzie 50% całkowitego
zużycia energii pochodzi z systemów geotermalnych. Potencjał techniczny złóż geotermalnych w Polsce
wynosi 4200PJ rocznie. Całkowita objętość wód geotermalnych w Polsce to około 6,7*103
km3. W Polsce
wody geotermalne mają temperatury niższe niż 100oC. Wynika to z tzw. stopnia geotermicznego, który w
Polsce waha się od 10 do 110 m. Stopień geotermiczny to wartość współczynnika określającego, co ile
metrów w głąb ziemi temperatura przyrasta o 1°C. Jako średnią wartość stopnia geotermicznego w skali
globalnej przyjmuje się wielkość 33 m/1°C. Najbardziej zasobne w wody regiony to region grudziądzko -
warszawski, prowincja przedkarpacka, prowincja karpacka.
Rys.1 Mapa istniejących i planowanych zakładów geotermalnych w Polsce
Zasoby geotermalne można podzielić na hydrotermiczne i petrotermiczne.
Zasoby hydrotermiczne odnoszą się do wody, pary lub mieszaniny paro-wodnej, które występują
w szczelinach skalnych, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych.
Zasoby petrotermiczne są zmagazynowane w gorących skałach.
Przyjęto, że przy temperaturze powyżej 120oC - 150
oC opłaca się wykorzystanie do produkcji energii
elektrycznej. Przy niższych temperaturach zasoby geotermalne wykorzystywane są do celów
ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody użytecznej w systemach miejskich
i przemysłowych. Eksploatacja energii geotermalnej wiąże się z emisją szkodliwych gazów, którym jest np.
siarkowodór. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia powoduje radon.
Źródła energii geotermalnej można podzielić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także na
wysokość temperatury na następujące grupy:
- grunty i skały do głębokości 2 500 m,
- wysady solne,
- gorące skały,
- wody gruntowe jako dolne źródła ciepła dla pomp ciepła,
- wody gorące i ciepłe,
- para wodna wydobywana przy pomocy eksploatacyjnych otworów wiertnicznych.
Rodzaje złóż
Złoże artezyjskie – złoże charakteryzujące się samoczynnym wypływem wody geotermalnej (podniesienie
słupa wody ponad powierzchnię terenu) po wykonaniu odwiertu, co ma związek z występowaniem warstw
wodonośnych pod ciśnieniem hydrostatycznym.
Złoże subartezyjskie – w strefach niższych ciśnień hydrostatycznych słup wody geotermalnej w otworze
nie przekracza powierzchni terenu. Woda jest eksploatowana (podnoszona) przez otwór produkcyjny przy
zastosowaniu urządzeń wydobywczych (najczęściej są to agregaty pompowe zapuszczone do otworu).
Rys. 2. Niecka artezyjska
1.woda artezyjska
2.warstwa nieprzepuszalna
3.wychodnia zasilana wodą deszczową
4.studia artezyjska
5.poziom równowagi hydrostatycznej
6.studia subartezyjska
7.źródło artezyjskie
Sposoby pozyskiwania energii geotermalnej można podzielić na jednootworowe i dwuotworowe.
O możliwości wykorzystania energii geotermalnej decydują: temperatura, mineralizacja, wydajność
cieplna, czas eksploatacji, temperatura wody sieciowej zasilającej i pierwotnej, zapotrzebowanie na ciepło
przez odbiorców.
System jednootworowy jest rozwiązaniem stosowanym bardzo rzadko, głównie w warunkach
niewystarczającego zapotrzebowania na ciepło. Jest to układ oparty na wykorzystaniu jednego otworu
wiertniczego, którym woda geotermalna jest eksploatowana, a następnie, po oddaniu części ciepła
w wymienniku ciepła, jest wykorzystywana do celów przemysłowych, rolniczych czy rekreacyjnych (pod
warunkiem, że spełnia stawiane jej wymogi). Wadą takiego rozwiązania jest możliwość wyczerpania złoża
przy zbyt długim okresie eksploatacji oraz wyrządzanie szkody w środowisku wód powierzchniowych
(konieczność chłodzenia wody oddawanej do cieków powierzchniowych lub zbiorników retencyjnych) oraz
podziemnych. Zaletą systemów jednootworowych są natomiast niższe koszty na etapie realizacji inwestycji.
System jednootworowy System dwuotworowy
System dwuotworowy, nazwany także dubletem geotermalnym, składa się z otworu wydobywczego
(produkcyjnego) oraz otworu zatłaczającego (chłonnego). Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie
eksploatacji wód geotermalnych. Zaletą systemu dwuotworowego jest uzyskanie dużych wydajności
eksploatacyjnych w przypadku korzystnych warunków złożowych. Woda geotermalna jest wydobywana
otworem produkcyjnym, oddaje ciepło w wymienniku ciepła lub pompie ciepła do wody obiegowej
(konieczność wynikająca z wysokiej mineralizacji, woda złożowa nie może krążyć w obiegu
ciepłowniczym), a następnie schłodzona zatłaczana jest otworem chłonnym do złoża. Rozwiązanie to
zapewnia nie tylko odnawialność złoża oraz utrzymanie jego parametrów eksploatacyjnych, ale także
spełnienie wymogów ochrony środowiska (brak degradacji wód podziemnych). Samoprzepływ wód
geotermalnych to proces polegający na samoczynnym wypływie i zatłoczeniu do złoża wody geotermalnej,
możliwy dzięki różnicy ciśnień otworów eksploatacyjnego i chłonnego oraz przyrostowi ciśnienia
hydrostatycznego zatłaczanej wody (efekt wzrostu ciężaru właściwego przy spadku temperatury
w wymienniku ciepła).
Instalacje geotermalne mogą pracować w trzech układach:
- monowalentnym, w którym całe ciepło grzejne jest pobierane z instalacji geotermalnej, a moc źródła jest
dostosowana do maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną. Układ ten można stosować, gdy
temperatura wody geotermalnej jest wyższa niż temperatura wody w urządzeniach grzejnych
i technologicznych;
- biwalentnym, w którym źródło geotermalne, wspomagane jest kotłami konwencjonalnymi. W układzie
tym, w okresie szczytowego zapotrzebowania, brakującą ilość ciepła dostarcza kotłownia. Poza sezonem
grzewczym, źródło geotermalne dostarcza ciepło jedynie do przygotowania c.w.u., wody technologicznej;
- kombinowanym, w którym część zapotrzebowania odbiorców ciepła niskotemperaturowego zaspakajana
jest przez instalację geotermalną, a pozostała część ciepła wysokotemperaturowego - przez kotłownię
konwencjonalną.
ENERGIA BIOMASY
Biomasa jest substancją organiczną pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Występuje zwykle
w formie drewna, słomy, osadów ściekowych, odpadów komunalnych, roślin energetycznych. Wśród
odpadów pochodzenia zwierzęcego wymienić można między innymi biogaz pozyskiwany z fermentacji
gnojowicy zwierzęcej, z fermentacji osadów w oczyszczalniach ścieków czy z fermentacji odpadów
organicznych na wysypiskach śmieci. Biomasa może mieć też formę ciekłą, np. estry kwasów tłuszczowych,
oleju rzepakowego, metanol lub alkohol etylowy, nazywany zwykle bioetanolem, który jest przeznaczony
m.in. do napędu silników samochodowych jako składnik benzyny. W Polsce w roku 2014 produkcja energii
elektrycznej w technologiach spalania wykorzystujących biomasę i biogaz wynosiła ok.8974 GWh.
Biomasę można podzielić na dwie grupy:
- Pierwotne: źródłem energii są rośliny energetyczne jednoroczne (zboża, rzepak, słonecznik, buraki
cukrowe i pastewne, ziemniaki); rośliny energetyczne wieloletnie (wierzba, topola, miskant) – a zatem
rośliny uprawiane w celu uzyskania biomasy; biomasa powstała w procesie produkcji rolnej, ale niemająca
wpływu na poziom produkcji żywności (np. słoma zbożowa i rzepakowa) oraz nadwyżki biomasy
z trwałych użytków zielonych niezagospodarowane przez produkcję zwierzęcą.
- Wtórne: tj. odpady i pozostałości z produkcji rolnej i przetwórstwa rolno-spożywczego: płynne i stałe
odchody zwierzęce (gnojowica, gnojówka, obornik); pozostałości organiczne z przemysłu rolno-
spożywczego (np. gliceryna, wywar gorzelniany, odpady poubojowe, ścieki mleczarskie itp.).
DREWNO I ODPADY DRZEWNE
Paliwa drewnopochodne charakteryzują się wysoką zawartością składników lotnych. Zaledwie 20% ich
masy stanowią nielotne związki węgla, które nie odparowują w procesie suchej destylacji (ogrzewania)
drewna, lecz zostają spalone na ruszcie. Tymczasem większość związków lotnych spala się nad rusztem.
Potencjał techniczny do wykorzystania drewna wynosi ok. 68,3 PJ.
Drewno energetyczne ze względu na źródło pochodzenia, dzieli się na drewno z:
- lasu - odpady po wycince, kora, trociny, wióry;
- celowych upraw energetycznych, takich jak wierzba, topola;
- odzysku, np. opakowania kartonowe, drewno budowlane.
Trociny stanowią około 10% drewna przerabianego w tartakach. Są także produktem ubocznym skrawania,
frezowania itp. w zakładach bardziej zaawansowanej obróbki drewna. Oczyszczone z drewna kawałkowego
stanowią cenne paliwo i mogą być wykorzystywane w kotłowniach. Poziom wilgotności trocin jest
zróżnicowany i waha się od 6-10% do 45-65% dla trocin z niedawno ściętego drzewa. Przy wilgotności 5-
15% zawartość popiołu wynosi mniej niż 0,5%. Wady trocin to trudności związane z magazynowaniem,
skłonność do zaparzania (trociny bukowe) i podatność na zawilgocenia. Z uwagi na te słabe punkty trociny
powinny być spalane w pierwszej kolejności.
Wióry są, podobnie jak trociny, produktem ubocznym przemysłu drzewnego, powstającym podczas
skrawania i frezowania. Cechą charakterystyczną wiórów jest niska wilgotność (5-15%). Zawierają
niewielką ilość zanieczyszczeń.
Zrębki drzewne to rozdrobnione drewno w postaci długich na 5-50 mm ścinków o nieregularnych
kształtach. Są produkowane:
podczas pierwszego trzebienia drzewostanów, wierzchołków i innych pozostałości po wyrębach,
podczas obrabiania kłód w tartakach,
na szybkorosnących plantacjach wierzby,
z odpadów drzewnych w dużych zakładach przetwarzających drewno.
Wartość opałowa zrębków wynosi 6-16 MJ/kg, wilgotność 20-60%, a zawartość popiołu, którą zwiększa
ewentualne zanieczyszczenie kamieniami, glebą i piachem stanowi od 0,6 do 1,5% suchej masy. Zrębki są
doskonałym paliwem dla kotłów, wykorzystuje się je również do produkcji płyt wiórowych i jako topnik
w hutnictwie. Wadą tego paliwa jest wrażliwość na zmiany wilgotności powietrza i podatność na choroby
grzybowe. Długo magazynowane zrębki powinny być co jakiś czas przewracane.
Kora to wartościowy pod względem energetycznym odpad przemysłu drzewnego, stanowiący od 10 do
15% masy pozyskiwanego drewna. Jej wartość opałowa wynosi 18,5-20 MJ/kg, wilgotność 55-65%,
a zawartość popiołu, który ma tendencję do żużlowania stanowi 1-3% suchej masy. Część kory zostaje
podczas obróbki drewna przetworzona na trociny. Korę przed podaniem do kotła z podajnikiem
ślimakowym należy poddać zrębkowaniu w rębaku z górnym zasypem. Zrębkowanie kory przebiega jednak
szybko i pochłania niewielkie ilości energii.
Brykiet drzewny to walec lub kostka utworzone z suchego rozdrobnionego drewna (trocin, wiórów czy
zrębków), sprasowanego pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. W czasie
zachodzącego pod ciśnieniem 200 atmosfer procesu brykietowania wydziela się lignina, która po obniżeniu
temperatury zastyga, spajając surowiec w formie brykietu. Duże zagęszczenie materiału w stosunku do
objętości sprawia, że proces spalania brykietu zachodzi stopniowo i powoli. Wartość energetyczna: 19-21
GJ/t; wilgotność: 6-8%; zawartość popiołu: 0,5-1% suchej masy.
Pelety (inaczej granulat) to produkowane z odpadów drzewnych - najczęściej z trocin i wiórów - długie na
kilka cm granulki o średnicy 6-25 mm. Granulat wytłacza się w prasie rotacyjnej, bez dodatku substancji
klejącej i pod dużym ciśnieniem, które umożliwia duże zagęszczenie surowca. Pelety są paliwem łatwym do
transportowania, najpraktyczniejszym w magazynowaniu i najwygodniejszym w eksploatacji. Ich zaletą jest
też bardzo niska zawartość popiołu (0,4-1% suchej masy). Wartość energetyczna wynosi 16,5-17,5 MJ/kg,
a wilgotność 7-12%.
ROŚLINY POCHODZĄCE Z UPRAW ENERGETYCZNYCH
Bogate w związki celulozowe i ligninowe rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do
produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej oraz do wytwarzania paliw, zarówno ciekłych jak
i gazowych. Rośliny energetyczne można przy tym spalać albo w całości, albo w formie wyprodukowanego
z nich brykietu czy pelet. Uprawy energetyczne umożliwiają zagospodarowanie nisko produktywnych bądź
zdegradowanych terenów rolniczych, co ma niemałe znaczenie w naszym kraju, gdzie na ponad 20% terenu
stężenie metali ciężkich w glebie przekracza dopuszczalne normy.
Do najbardziej rozpowszechnionych roślin energetycznych należą:
Wierzba wiciowa,
Topinambur,
Ślazowiec pensylwański,
Róża wielokwiatowa,
Rdestowiec sachaliński,
Miskant olbrzymi,
Miskant cukrowy,
Spartina preriowa.
Wierzba wiciowa
Jedną z roślin najczęściej uprawianych na plantacjach energetycznych jest wierzba wiciowa, a dokładnie
rzecz ujmując, jej szybkorosnące odmiany. Wierzba wiciowa jest rośliną krzewiastą. Może być uprawiana
na różnych rodzajach gleb, jednak największe przyrosty osiąga na glebach klasy IIIa i IIIb, a także na
madach i glebach okresowo wilgotnych. Gleby słabsze również nadają się pod uprawę wierzby, wymagają
jednak stosowania odpowiedniego nawożenia. Największe znaczenie odgrywa odpowiednie nawodnienie
oraz kwasowość gleby - wierzba wymaga gleb o dużej wilgotności i odczynie lekko kwaśnym. Do każdego
rodzaju gleby należy dobrać najbardziej odpowiednią odmianę wierzby. Wykorzystywana na cele
energetyczne: bezpośrednie spalanie - zrębki wierzbowe (wartość opałowa 19,2 MJ/kgs.m.), brykiety,
pelety.
Topinambur
Topinambur czyli słonecznik bulwiasty to blisko spokrewniona ze słonecznikiem zwyczajnym roślina
uprawna należąca do rodziny astrowatych. Jej nazwa wywodzi się od nazwy plemienia
północnoamerykańskich Indian Tupinamba. Wysoka na 2-4 m roślina ma szerokie, ponad
dwudziestocentymetrowe, owalno-sercowate liście i rozległy system korzeniowy zakończony bulwami
różnego kształtu i koloru. W Polsce zarejestrowane są dwie odmiany: Albik, o białych, maczugowatych
w kształcie bulwach i Rubik, wytwarzający nieregularnie owalne bulwy barwy fioletowej. Bulwy
topinamburu miewają też kształt wrzecionowaty oraz barwę żółtą, czerwoną, o różnych odcieniach
i brązową.
Jako roślina energetyczna topinambur może być:
spalany bezpośrednio bądź dopiero po przetworzeniu na brykiet czy pelety,
wykorzystywany do produkcji etanolu i biogazu (także po zakiszeniu).
Topinambur może być również przydatny do rekultywacji terenów poprzemysłowych lub zdewastowanych
przez gospodarkę komunalną.
Ślazowiec pensylwański
Ślazowiec pensylwański w Polsce zwany także malwą pensylwańską bądź sidą (od łacińskiej nazwy
gatunku Sida hermaphrodita) należy do rodziny ślazowatych (Malvaceae), która obejmuje kilkaset
gatunków roślin, występujących w klimacie tropikalnym i subtropikalnym.
Ślazowiec jest rośliną wieloletnią, odrasta corocznie, zwiększając liczbę łodyg od jednej w pierwszym roku
do 20-30 w następnych latach. Wysokość jego pędów pod koniec okresu wegetacji może przekraczać nawet
400 cm. – przykładem były ślazowce wyhodowane w 2001 r. na polu Akademii Rolniczej w Lublinie, które
osiągnęły wysokość aż 436 cm. Ślazowiec występuje w formach mniej lub bardziej ulistnionych, przy czym
te pierwsze bardziej nadają się do splatania, drugie zaś znajdują zastosowanie np. w produkcji biogazu.
Liście ślazowca mogą mieć różne barwy: od intensywnie ciemnozielonej przez jasnozieloną po seledynową.
Roślina kwitnie przez 6 tygodni, w okresie od lipca do września, owoce dojrzewają zaś na przełomie
sierpnia i września.
Wymagania klimatyczno-glebowe ślazowca pensylwańskiego nie są zbyt duże. Roślina nadaje się do
uprawy we wszystkich rejonach kraju i wykazuje sporą odporność na skrajne temperatury, zarówno niskie
jak i wysokie. Głęboki system korzeniowy ślazowca umożliwia mu przetrwanie okresów suszy, jednak przy
zbyt małej ilości opadów plony rośliny są zdecydowanie niższe.
Znaczenie gospodarcze
Uprawy ślazowca są obecnie wykorzystywane przede wszystkim do celów energetycznych. Pod względem
ciepła spalania łodygi ślazowca ustępują drewnu bukowemu tylko o 20-34%, przy czym większym ciepłem
spalania charakteryzują się cieńsze łodygi. Oprócz wykorzystania w energetyce ślazowiec pensylwański
nadaje się do: rekultywacji terenów zdegradowanych chemicznie; ponownego wykorzystania gruntów
odłogowanych; nasadzeń w pasach przydrożnych, chroniących inne uprawy przed zanieczyszczeniami
komunikacyjnymi; tworzenia tzw. remiz śródpolnych.
Róża wielokwiatowa
Róża wielokwiatowa jest rośliną uprawianą w celach energetycznych, która cieszy się coraz większym
zainteresowaniem. Roślina kwitnie, tworząc małe, białe kwiaty z żółtymi pręcikami, jesienią zaś przybiera
pomarańczową barwę. Ze względu na szybkie przyrastanie róża znalazła swoje zastosowanie jako
odnawialne źródło energii. Jako roślina wysokoenergetyczna jest uprawiana w celu produkcji biomasy.
Sadzona jest, w zależności od rodzaju gleby, w rozstawach 1x1m na glebach dobrych, na ziemiach
słabszych jest to rozstaw 0,5x1m. Z 1 hektara uprawy można uzyskać plon biomasy w granicach 10-15 ton.
Wartość opałowa uzyskana z biomasy róży jest bliska wartości opałowej węgla kamiennego niższej jakości.
Rdest sachaliński
Rdest sachaliński pochodzi z Azji Wschodniej. Do Europy został sprowadzony przez ogrodników
i rozprzestrzenił się w środowisku naturalnym. Jest rośliną wieloletnią zielną, silnie rozgałęziającą się. Są to
rośliny bardzo silnie rosnące, dochodzące do 6 m wysokości (jednoroczne pędy dorastają do 4 m). Roślina
posiada kłącze i często tworzy rozłogi, za pomocą których rozmnaża się wegetatywnie, tworząc gęste,
jednogatunkowe łany. Liście są jasnozielone, mają długość 15 - 30 cm, szerokoeliptyczny kształt. Kwiaty są
drobne, zebrane w wiechowaty kwiatostan (występują po 4 - 7 na gałązce wiechy), mają zielonkawożółty
kolor. Żywotność plantacji rdestu określa się na około 15 lat. Pomimo stosunkowo krótkiego okresu
wegetacyjnego (od kwietnia do pierwszych przymrozków) rośliny dają bardzo duże przyrosty biomasy tj. 10
- 12,5 t.s.m./ha. Wartość energetyczna wynosi 15 - 17 MJ/kg.
Miskant olbrzymi
Miskant olbrzymi posiada zdolność oczyszczania gleby, pobierając z niej pierwiastki metali ciężkich.
Również redukuje i kumuluje w sobie metale ciężkie z atmosfery: ołów, kadm, nikiel są gromadzone
w częściach podziemnych; arsen, miedź, cynk w częściach nadziemnych. Wykorzystując tę zaletę, utrwala
się praktyka zakładania plantacji miskanta olbrzymiego w okolicach miejskich czy gminnych ujęć wody
pitnej dla ludności. Dodatkowo po zbiorach zebraną biomasę wykorzystuje się na cele opałowe.
Brykiet z miskanta jest twardy i zwarty. Nie rozwarstwia się nawet po rocznym okresie składowania.
Pali się długo, szybko uzyskując zadaną na piecu temperaturę. Potwierdza wysoką kaloryczność
materiału, z którego został wyprodukowany, ok. 17 MJ/kg.
Używa się go w gospodarstwach domowych głównie jako materiał opałowy (najszersze zastosowanie)
w postaci luźnej sieczki 2-3 cm lub brykietów czy peletu. Około 0,80 ha miskanta olbrzymiego to opał na
rok dla jednej rodziny. Z 1 ha miskanta olbrzymiego można uzyskać około 7000 - 8000 l oleju opałowego
przy zbiorze ok. 19t/ha.
Miskant cukrowy
Miskant cukrowy to osiągająca wysokość 1-4 m roślina o sztywnych, wypełnionych rdzeniem źdźbłach
i rozbudowanym, sięgającym do 2,5 m w głąb ziemi systemie korzeniowym. Rozległy system korzeniowy
umożliwia miskantowi cukrowemu skuteczne pobieranie z gleby składników pokarmowych i wody, a duża
zawartość ligniny i celulozy chroni go przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Spartina preriowa
Spartina preriowa jest potencjalną rośliną energetyczną do uprawy w Europie północno-
zachodniej. Wymaga szczególnie starannego przygotowania gleby, którą należy przede wszystkim
odchwaścić. Gleby nie trzeba za to organicznie nawozić ani spulchniać. Zabieg odchwaszczania powinien
zostać powtórzony w drugim roku uprawy. Przewyższa pozostałe gatunki pod względem trwałości,
rozmiarów systemu korzeniowego i wysokości plonów. Posiada duże zdolności adaptacyjne, w związku
z czym udaje się nawet na słabych glebach.
Palczatka Gerarda
Palczatka Gerarda, która dobrze znosi zarówno zasolenie jak i suszę, może być też uprawiana na glebach
umiarkowanie wilgotnych. Roślina rozpoczyna wegetację dopiero w maju, kwitnie zaś od sierpnia do
października. Palczatka Gerarda również wymaga starannego odchwaszczania gleby przez pierwsze dwa
lata. Plantację zakłada się w maju, wysiewając nasiona w rzędach oddzielonych od siebie odległością od 60
do ponad 110 cm. Dokonywane jesienią zbiory różnią się w zależności od jakości gleby: na piaszczystej,
nienawożonej glebie wynoszą 6 t s.m./ha, zaś na nawożonej, żyznej glebie 24 t s.m./ha.
Kotły do spalania drewna
Drewno, w odróżnieniu od innych źródeł energii, jest paliwem, które może być zmagazynowane
i przechowywane bez jakichkolwiek strat energetycznych.
Magazynowanie obniża wilgotność drewna i jednocześnie podwyższa jego wartość opałową.
Drewno jest również jedynym paliwem, które posiada zerowy bilans dwutlenku węgla (CO2), tzn., że
w trakcie wzrostu w procesie fotosyntezy pobiera się taką ilość dwutlenku węgla, jaka powstaje w trakcie
spalania.
Kotły dużej mocy stanowią źródła ciepła dla instalacji c.o. i c.w.u.
System kotłowy składa się z następujących elementów:
- kocioł wodny wraz z rusztem, komorą spalania, układem usuwania popiołów, systemem zapłonu,
płaszczem wodnym;
- układ zmagazynowania zrębków z wygarniaczem hydraulicznym,
- układ ślimakowy, taśmowy lub zgrzebłowych podajników paliwa,
- układ odprowadzania spalin wraz z wentylatorem wyciągowym,
- system sterowania i kontroli.
Rys.1. Schemat kotła pracującego w kotłowni opalanej zrębkami drzewnymi
Budowa małych kotłów zgazowujących drewno
Korpus kotła zbudowany jest z wysokiej jakości, sprawnej blachy kotłowej o grubości 5-8 mm. Ze
względu na wysoką temperaturę spalania gazu, komora spalania i dysza zbudowane są ze specjalnego
ognioodpornego betonu w celu ochrony stalowych ścian kotła przed wysoką temperaturą, a tym samym do
wydłużenia jego żywotności.
Rys. 2. Budowa kotłów zgazowujących drewno
Słoma jako biopaliwo
Wykorzystanie nadwyżek słomy do celów energetycznych pozwala uniknąć ich spalania na polach.
Ta częsta praktyka wyrządza wielkie szkody środowisku naturalnemu, stąd kraje posiadające mało
inwentarza, lecz produkujące dużo zbóż i dużo rzepaku starają się znaleźć alternatywne formy
wykorzystywania słomy. Wilgotność słomy wynosi 10-20%, zaś wartość opałowa i zawartość popiołu
odpowiednio 14,3 MJ/kg i 4% suchej masy dla słomy żółtej oraz 15,2 MJ/kg i 3% s. m. dla słomy szarej.
W Polsce rocznie produkuje się ok. 23 mln ton słomy. Szacuje się, że do celów energetycznych można
wykorzystać ok. 8-10 mln ton. W Polsce słoma jest wykorzystywana jako paliwo do ogrzewania , m.in.:
mieszkań, budynków inwentarskich w gospodarstwach rolnych, kotłowniach komunalnych,
elektrociepłowniach. Potencjał techniczny do wykorzystania słomy wynosi ok. 495PJ.
W Polsce produkowane są kotły na słomę o mocy zainstalowanej, od kilkudziesięciu kW dla
zasilania pojedynczych gospodarstw do ok. 30 MW w elektrociepłowniach.
Słoma w kotłach może być też spalana po rozdrobnieniu na mniejsze kawałki, za pomocą szarpacza.
Rozwiązanie takie zmniejsza wymiary komory paleniskowej, pozwala też na zautomatyzowanie procesu
spalania. Słoma w takiej konstrukcji może być podawana w sposób ciągły podajnikiem taśmowym, a po
rozdrobnieniu w szarpaczu - pneumatycznie (rys.2). Spalanie odbywa się w dużych kotłach przemysłowych
o ruchu ciągłym z automatycznym usuwaniem popiołu.
Rys.1. Schemat kotła ze spalaniem Rys.2. Schemat technologiczny kotłowni opalanej słomą
BIOGAZ
Biogaz (gaz wysypiskowy) to powstająca w wyniku fermentacji metanowej mieszanina gazów,
której głównym składnikiem jest metan. Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych zawiera ponad
40% metanu, zaś jego właściwości nie odbiegają od właściwości gazu ziemnego. W energetyce
wykorzystuje się biogaz powstający w wyniku fermentacji:
odpadów organicznych na składowiskach odpadów,
odpadów zwierzęcych w gospodarstwach rolnych,
osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków.
Biogaz z oczyszczalni ścieków
Biogaz powstający podczas procesu fermentacji zawiera 55-70% biometanu, 27-44% dwutlenku
węgla, 0,2-1,0% wodoru, 0,2-3,0% siarkowodoru. Często w oczyszczalniach biogaz spalany jest
w pochodni, jednak bardziej racjonalne jest jego spalanie w kotłach gazowych lub silnikach
przystosowanych do spalania gazu połączonych z prądnicą, produkujących ciepło i energię elektryczną, zaś
pochodnie powinny służyć tylko do spalania nadmiaru gazu w przypadku jego nadprodukcji.
Przyjmuje się, że z 1 m3 osadu o zawartości 5% suchej masy, uzyskuje się 10-20 m
3 biogazu
o wartości opałowej wahającej się w granicach 16,7-23 MJ/m3 (w zależności od zawartości metanu).
Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje się w oczyszczalniach biologicznych, które mają wysokie
zapotrzebowanie własne na energię cieplną oraz elektryczną, dlatego odzysk części energii z biogazu ma
istotny wpływ również na rentowność tych zakładów. W przypadku miejskich oczyszczalni ścieków
produkcja taka staje się opłacalna przy przepustowości około 8-10 tys. m3 ścieków na dobę. Fermentację
metanową można stosować nie tylko przy utylizacji osadów ściekowych, ale również procesowi temu
można poddawać ścieki bogate w substancje organiczne, szczególnie gdy w procesach technologicznych
powstają ścieki podgrzane lub istnieje odpadowe źródło ciepła technologicznego. Całkowita moc
wszystkich instalacji biogazowych w oczyszczalniach ścieków w Polsce do dnia 30.06.2015 r. wynosiła
58,412 MW elektrycznych i ok. 77,415 MW cieplnych. Wytworzono około 3,59 PJ.
Biogazownie rolne
W gospodarstwach hodowlanych powstają znaczne ilości odpadów, które mogą być wykorzystane do
produkcji biogazu. Z 1 m3 płynnych odchodów można uzyskać średnio 20 m
3 biogazu, a z 1 m
3 obornika –
30 m3 biogazu o wartości energetycznej ok. 23 MJ/m
3 . Potencjał biogazu z odchodów zwierzęcych
w Polsce wynosi 3310 mln m3, jednak w praktyce instalacje do pozyskania biogazu mają szansę powstać
tylko w dużych gospodarstwach hodowlanych.
Gaz wysypiskowy
Odpady organiczne stanowią jeden z głównych składników odpadów komunalnych. Ulegają one
naturalnemu procesowi biodegradacji, czyli rozkładowi na proste związki organiczne. W warunkach
optymalnych z jednej tony odpadów komunalnych może powstać około 400-500 m3 gazu wysypiskowego.
Jednak w rzeczywistości nie wszystkie odpady organiczne ulegają pełnemu rozkładowi, a przebieg
fermentacji zależy od szeregu czynników. Dlatego też przyjmuje się, że z jednej tony odpadów można
pozyskać maksymalnie do 200 m3 gazu wysypiskowego.
W chwili obecnej na świecie działa ponad 800 instalacji energetycznego wykorzystania gazu
wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym względem Wielka Brytania, gdzie
w 2000 r. moc zainstalowana wynosiła 292 MW elektrycznych. W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ok.
700 czynnych składowisk odpadów. Oszacowano, że produkują one rocznie ponad 600 mln m3 metanu.
W praktyce zasoby gazu wysypiskowego możliwe do pozyskania nie przekraczają 30-45% całkowitego
potencjału powstającego na wysypisku gazu. W takich warunkach zasoby metanu realnie możliwe do
pozyskania z wysypisk odpadów komunalnych są szacowane na 135-145 mln m3 metanu rocznie, co jest
równoważnikiem 5235 TJ. Potencjał ten jest obecnie wykorzystywany tylko w nieznacznym stopniu.
W 2002 r. w Polsce działało zaledwie 18 instalacji do wykorzystania gazu wysypiskowego.
Biopaliwa płynne
Biodiesel
Biodisel - biopaliwo z rzepaku, pozyskiwany jest w znanym już na przełomie XIX i XX w. procesie
chemicznym, polegającym na przetworzeniu oleju rzepakowego w estry metylowe (RME). Stosuje się przy
tym jedną z dwóch technologii:
odpowiednią dla małych, produkujących na przykład 500 ton biopaliwa rocznie zakładów
przetwórczych, technologię zimną, w której biopaliwo pozyskiwane jest w temperaturze 20-70oC,
wymagającą dostaw energii cieplnej technologię gorącą, w której do produkcji biopaliwa potrzebna jest
temperatura 240oC i ciśnienie około 10 MPa.
Bioolej
Zamiast przystosowywać silnik do paliwa, można przystosować paliwo do silnika. Poddając biomasę
szybkiej pyrolizie – to znaczy krótkotrwałemu oddziaływaniu temperatury 400-600oC – otrzymuje się
bioolej. Ta ciemnobrązowa, gęsta ciecz o wartości opałowej stanowiącej 45-50% wartości energetycznej
oleju napędowego może być wykorzystywana w kotłach, palnikach, turbinach czy generatorach prądu.
Spalanie biooleju nie przyczynia się do emisji dwutlenku siarki (SO2), jest neutralne z punktu widzenia
bilansu tlenku węgla (CO), zaś spowodowane nim emisje dwutlenku azotu (NO2) należą do śladowych.
Oleje roślinne
Różniące się od olejów napędowych brakiem lotności, większą lepkością i mniejszą podatnością na
samozapłon nie mogą być bez wcześniejszego przetworzenia stosowane jako paliwo napędowe. Wyjątek
stanowi wykorzystanie olejów roślinnych w specjalnie zaprojektowanych silnikach, takich jak na przykład
przystosowane do napędzania olejem rzepakowym silniki niemieckiej firmy Elsbett. To rozwiązanie nie jest
jednak zbyt rozpowszechnione z uwagi na wysokie koszty produkcji.
BIOALKOHOLE
Etanol (spirytus odwodniony) ma największe znaczenie wśród bioalkoholi wykorzystywanych do celów
paliwowych. Otrzymuje się go przez odwodnienie alkoholu gorzelnianego, zawierającego 97,2% objętości
etanolu. Podobnie jak biodiesel, etanol może być stosowany jako:
paliwo napędowe – silniki, przystosowane do zasilania etanolem wyprodukowały między innymi takie
firmy jak Ford, Fiat czy Volkswagen,
ulepszający proces spalania dodatek do benzyny, który pozwala zredukować emisję tlenków węgla,
tlenków azotu, związków ołowiu i węglowodorów aromatycznych.
Metanol (CH3OH) - alkohol metylowy zwany także alkoholem drzewnym (dawniej pozyskiwano go
w procesie suchej destylacji drewna) to jasna, prawie bezbarwna ciecz o wartości opałowej wynoszącej
około 22-23 MJ/kg. Metanol syntetyczny wytwarzany jest w procesie uwodornienia tlenku węgla,
zachodzącym w temperaturze 300-400 st. C, pod podwyższonym ciśnieniem i w obecności katalizatora. Tak
jak biodiesel i etanol, metanol może być wykorzystywany jako:
paliwo napędowe,
dodatek do benzyny (w postaci MTBE czyli eteru metylo-tetr-butylowego).
Wykorzystanie metanolu ma mniejsze znaczenie niż wykorzystanie charakteryzującego się wyższą
wartością energetyczną etanolu. Poza tym metanol, który podczas spalania powoduje emisję toksycznego
aldehydu mrówkowego jest coraz rzadziej wykorzystywany ze względu na swoje rakotwórcze działanie.
Niemniej jednak metanol przekształcany w ogniwach paliwowych nowego typu w wodór jest często
uznawany za paliwo przyszłości.
ENERGIA WODY
Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem
w energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów
w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeniach
(w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Energetyka wodna opiera się przede wszystkim
na wykorzystaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz – w elektrowniach pływowych) o dużym
natężeniu przepływu i dużym spadzie mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej
z uwzględnieniem strat przepływu.
Najpopularniejsze wykorzystanie wody do produkcji energii to elektrownie wodne, które zamieniają
energię spadku lub przepływu wody w energię elektryczną za pośrednictwem turbin wodnych. Turbina
wodna często nosi nazwę turbiny hydraulicznej i jest silnikiem wodnym przetwarzającym energię
mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami. Obracający się wirnik z łopatami
napędza prądnicę lub ich układ.
Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na
zredukowaniu w granicach pewnego obszaru (odcinek strumienia rzeki, część zatoki) naturalnych strat
energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Poza energetycznym, elektrownie
wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe,
regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe,
pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów
energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych.
W Polsce działa około 774 małych elektrowni wodnych, z produkcją 183,7 GWh=0,1837TWh, co
stanowi około 0,11% całkowitej energii w kraju. Energia wody w Polsce wykorzystywana jest jedynie
w 13% do produkcji energii elektrycznej w małych elektrowniach wodnych.
Dla Polski dominujące znaczenie w hydroenergetyce mają dolna Wisła oraz Dunajec.
Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na
największą Polskę rzekę – Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na samą Odrę. Pozostałe 1,8% na
rzeki Pomorza. To bardzo duży i niewykorzystywany obecnie potencjał.
Największe polskie hydroelektrownie to:
Elektrownia Żarnowiec (716 MW), rok uruchomienia - 1983, elektrownia pompowo-szczytowa
Elektrownia Porąbka Żar (500 MW), rok uruchomienia - 1979, elektrownia pompowo-szczytowa
Elektrownia w Solinie (200 MW), rok uruchomienia - 1968, elektrownia pompowo-szczytowa
Elektrownia Włocławek (162 MW), rok uruchomienia - 1969, elektrownia pompowo-szczytowa
Elektrownia Żydowo (150 MW), rok uruchomienia - 1971, elektrownia pompowo-szczytowa
Elektrownia Żarnowiec
Elektrownia Żydowo
Energia pływów morskich
Elektrownia pływowa to elektrownia wytwarzająca prąd elektryczny przy pomocy specjalnych urządzeń
wykorzystujących przypływy i odpływy morza. Im są one większe, tym bardziej efektywna jest elektrownia.
Może być ulokowana w miejscach umożliwiających budowę zapór (z turbinami) między otwartym morzem
a utworzonym zbiornikiem.
Pływy morskie są skutkiem oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca w stosunku do Ziemi, co jest
połączone z rotacją Ziemi oraz batymetrią oceanów, mórz i estuariów. Efekt pływów może wystąpić także
poza oceanami, wszędzie tam gdzie występuje pole grawitacyjne zmienne w czasie i przestrzeni.
Najsilniejsze pływy (syzygijne) występują, gdy wpływy Słońca i Księżyca dodają się do siebie (tj. gdy
Księżyc, Ziemia i Słońce znajdują się w linii prostej – w trakcie pełni oraz nowiu Księżyca). Natomiast gdy
wpływ Słońca i Księżyca nie sumuje się (Księżyc, Ziemia i Słońce tworzą kąt prosty), pływy są najsłabsze
(pływ kwadraturowy). Przeciętny czas między kolejnymi przypływami wynosi 12 godzin i 27 minut i zależy
od ukształtowania akwenu, a także pory roku oraz pory dnia, dlatego też nie da się wyznaczyć stałych
godzin przypływu i odpływu w danym miejscu.
Energia fal morskich
Elektrownie wykorzystujące przetworzony ruch fal morskich, ze względu na lokalizację, dzieli się na
trzy grupy: nadbrzeżne, przybrzeżne - zazwyczaj osadzone na dnie w płytkich wodach (10-20 m głębokości)
i morskie (ponad 40 m głębokości).
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania fal morskich napędzających:
turbiny wodne,
turbiny powietrzne.
Energia cieplna oceanu
To technologia, która może odzyskiwać energię cieplną zgromadzoną w wodach oceanów, a dokładnie
wykorzystać różnicę temperatur między chłodniejszymi wodami z głębin a cieplejszymi z wód
powierzchniowych. Do tego celu służy silnik cieplny, który zamienia energię termiczną (cieplną) w energię
mechaniczną lub elektryczną. OTEC jest technologią, która może wykorzystać energię słoneczną
zmagazynowaną w oceanach. Ponieważ ocean jest nośnikiem zmagazynowanej energii, OTEC oferuje
ciągłe zaopatrywanie w tę energię – zarówno podczas jasnych, pogodnych dni, jak i w nocy, bez względu na
pogodę. Technologia ta nie zawiera żadnych kosztów i komplikacji wynikających ze sztucznych systemów
magazynowania energii.
Rys. 1. Możliwości wykorzystania OTEC
TURBINY WODNE
Dobór odpowiedniej turbiny do elektrowni wodnej następuje w oparciu o spad oraz natężenie
przepływu, jakim dysponujemy w danym cieku. Pomocny przy wyborze turbiny jest diagram, na którym
zobrazowano zakres pracy poszczególnych turbin.
Wykres doboru turbiny w zależności od natężenia przepływu i wysokości spadu
Turbina Peltona
Turbina Peltona jest rozwinięciem „koła natryskowego”, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 st. do
strumienia wody, a protoplastą dla obydwu jest koło młyńskie. Turbiny systemu Peltona są stosowane na
największe spady wody (H>500m). Strumień wody wypływający z każdej z dysz uderza w łopatki wirnika
w kształcie czarek. Czarki są ukształtowane w ten sposób, że rozdzielają strumień na dwie części
i jednocześnie odchylają go w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obwodowej prawie o 180 stopni.
Dzięki temu energia kinetyczna strugi jest przekazywana wirnikowi. Turbina może mieć jedną lub szereg
dysz. Po spłynięciu z czarki woda opada grawitacyjnie w komorze wirnika i jest odprowadzana do wody
dolnej. Strumień objętości wody, a więc i moc turbiny, można regulować w sposób ciągły, zmieniając
przekrój wylotowy dyszy z możliwością całkowitego jej zamknięcia. Turbina Peltona jest rzadkim obecnie
przykładem turbiny czysto akcyjnej, w której zwiększenie prędkości czynnika ma miejsce tylko w wieńcu
kierowniczym, natomiast w wirniku następuje zmiana pędu wyłącznie przez odchylenie strumienia.
Pozostałe systemy turbin wodnych dotyczą turbin reakcyjnych. Turbiny Peltona buduje się z wałami
poziomymi i pionowymi.
Turbina Francisa
Turbina Francisa to turbina wodna opracowana przez Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze
zbiornika górnego wpływa całym obwodem na łopatki kierownicze i wówczas przyspiesza, a następnie
zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu kanałami między łopatkami w kształcie dysz woda z dużą
prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja
hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.
Turbina wodna Kaplana
Turbina Kaplana to odmiana turbiny śmigłowej, czyli takiej, której łopatki mają kształt podobny do śrub
okrętowych. Jej odmienność polega na możliwości zmiany kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także
regulację otrzymywanej mocy i dużo większy zakres wysokich sprawności. Liczba łopat wirnika wynosi od
3 do 10. Turbina ta stosowana jest przy spadach od 1,5 do 80 m – przy większych spadach wykazuje ona
mniejszą odporność na kawitację.
Turbina Banki - Michella
Cechą charakterystyczną turbiny Banki-Michella jest szeroki strumień wody doprowadzany do wirnika. Ma
on prostokątny przekrój i przepływa przez łopatki wirnika dwa razy. Wirnik z łopatkami palisadowymi
zostaje zasilony w wodę dzięki kierownicy.
Z racji możliwości wykorzystania turbin B-M dla spadów wynoszących od 1 do 100 m, prostej konstrukcji
i taniej eksploatacji, ich praktyczne zastosowanie ogranicza się w zasadzie do Małych Elektrowni Wodnych
(MEW). Ich moc oscyluje w granicach 1 kW do 500 kW.
Budowa elektrowni wodnej
Elektrownia wodna (hydroelektrownia) to zakład przetwarzający energię kinetyczną wody w energię
elektryczną.
Rys. Schemat elektrowni wodnej
Zapora wodna to rodzaj budowli hydrotechnicznej, bariera przegradzająca dolinę rzeki w celu spiętrzenia
wody, zwykle betonowa, żelbetowa lub ziemna.
Różnicę poziomów wody przed i za zaporą wykorzystuje się w elektrowniach wodnych do wytwarzania
energii elektrycznej. W elektrowniach szczytowo-pompowych energię elektryczną wytwarza się w dzień,
gdy zapotrzebowanie na nią jest najwyższe, a w nocy (wykorzystując nadmiar mocy) turbiny uzupełniają
wodę w zbiorniku, pompując ją ze zbiorników u podstawy zapory.
Turbina wodna to silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą
wirnika z łopatkami. Stosowana jest głównie w elektrowniach wodnych do napędu prądnic.
Generator
Turbina wodna zamienia energię kinetyczną na mechaniczną, zaś połączony z turbiną generator z energii
mechanicznej wytwarza, czyli generuje, energię elektryczną. W generatorze, w ruchomej części zwanej
wirnikiem znajdują się przewody elektryczne, obracające się na wytwarzającej silne pole
elektromagnetycznej żelaznej ramie. Wirnik jest wprawiany w ruch przy pomocy turbiny poruszającej się
z kolei dzięki energii kinetycznej spadającej wody.
Linie przesyłowe
Wyprodukowaną w elektrowni energię elektryczną transmitują na miejsce odbioru linie przesyłowe.
Elektryczność nie trafia jednak do naszych domów i zakładów pracy bezpośrednio z miejsca produkcji, prąd
ma bowiem niekiedy zbyt niskie napięcie, by można go było efektywnie przesyłać na dalekie dystanse.
Podczas transmisji część energii elektrycznej przekształca się w ciepło i jest tym samym tracona. Straty są
zaś tym większe, im większy jest ładunek elektryczny prądu. By zminimalizować straty energii,
elektryczność kieruje się najpierw do stacji transformatorów, które odpowiednio zwiększają jej napięcie.
Ponieważ moc jest wynikiem pomnożenia napięcia przez ładunek elektryczny, a straty energii związane są
właśnie z ładunkiem, opłaca się transmitować prąd o niższym ładunku i o wyższym napięciu. Taki prąd nie
nadaje się jednak do użytku i dlatego nim zostanie rozdystrybuowany, jego napięcie musi zostać
odpowiednio obniżone w stacjach przekaźnikowych.
ENERGIA WIATRU
Wiatr jest ruchem powietrza atmosferycznego o przeważającej składowej poziomej, który powstaje
wskutek nierównomiernego rozkładu ciśnienia atmosferycznego w różnych punktach powierzchni Ziemi.
Energia wiatru jest pochodzenia słonecznego (1-2% energii docierającej do powierzchni Ziemi, co
odpowiada mocy 2700 TW), przy czym wpływ na jego kierunek ma również ruch wirowy Ziemi oraz prądy
morskie. Wypadkowy ruch mas powietrza jest zatem wywołany łącznym działaniem różnych czynników
atmosferycznych, w efekcie czego wiatr charakteryzuje się różnym kierunkiem i intensywnością. Wiatry
wiejące nad powierzchnią lądów mają potencjał energetyczny ok. 40 TW. Zasoby energii wiatru są
niewyczerpalne, ponieważ wiatry są stale podtrzymywane przez Słońce. W przypadku wiatrów wiejących
nad otwartym morzem, tam gdzie głębokość pozwala na instalowanie siłowni wiatrowych, ich moc
energetyczną ocenia się na ok. 20 TW. Wiatr, z punktu widzenia możliwości wykorzystania go do celów
energetycznych, charakteryzują dwie wielkości: prędkość i powtarzalność. Ponieważ prędkość wiatru jest
najmniejsza przy ziemi i wzrasta z wysokością, silniki wiatrowe umieszcza się na wysokości od kilkunastu
do ok. 100 m. Optymalna średnia prędkość wiatru do wykorzystania energetycznego to 4-25 m/s.
Powtarzalność jest to suma godzin, podczas których w okresie roku wiatr wieje z określoną prędkością.
Roczne zasoby energetyczne wiatru możliwe do wykorzystania w Polsce ocenia się na 50% obecnego
zapotrzebowania na energię elektryczną (ok. 16 000 MW, 445 PJ). Najkorzystniejszy dla lokalizacji
wiatraków obszar to wybrzeże Bałtyku.
Według IMGW suma energii wiatru na powierzchnię 1m2 wirnika wiatraka w Polsce wynosi
1000-1500 kWh/rok. Roczny zysk netto z 1 MW, szacowany jest na ok. 620 tys. zł.
ENERGIA WODORU
Należy do źródeł nieodnawialnych. Polega na wykorzystywaniu energii elektrycznej z fotoogniw do
elektrolizy wody. Produktami rozkładu podczas procesu elektrolitycznego wody są wodór i tlen, które służą
jako paliwo w ogniwach paliwowych. Ogniwa paliwowe (fuel cells) to urządzenia, które energię chemiczną
paliwa i utleniacza zamieniają bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych,
w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala
to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów (powodujących
powstawanie dziury ozonowej) oraz tlenków węgla.
Jako urządzenie elektrochemiczne ogniwo paliwowe nie podlega ograniczeniom wynikającym z zasady
Carnot'a, która określa sprawność silnika cieplnego. Teoretycznie elektrochemiczne źródło energii
elektrycznej, w którym zachodzące reakcje są w pełni odwracalne, mogłoby posiadać sprawność 100%.
W rzeczywistości jednak sprawność takiego urządzenia jest niższa i waha się w zakresie od 40% do 80%
w zależności od rodzaju ogniwa.
Roczna produkcja wodoru na świecie wynosi ok. 500 tys. m3. Surowcem do produkcji są
najczęściej: ropa naftowa, gaz ziemny, woda.