Ekologiczne źródła energii.

Ekologiczne źródła energii i ich wykorzystanie.


Aby funkcjonował współczesny świat, by mogły pracować wszystkie maszyny, fabryki i człowiek mógł wygodnie i spokojnie żyć, potrzeba ogromnych ilości energii. Większość tej energii dostarczają surowce energetyczne: ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel.
Wykorzystanie paliw kopalnianych do produkcji energii elektrycznej niesie za sobą wiele zanieczyszczeń i niebezpieczeństw dla człowieka i jego środowiska. Dlatego człowiek powienien wykorzystać w pełni inne, przyjazne dla środowiska naturalnego żródła energii, których nie brakuje na naszej planecie. Są nimi między innymi: Słońce, wiatr, woda a nawet niektóre rośliny.

WODA

Woda posiada olbrzymie zasoby energii. Od zarania świata drążyła doliny, przecinała góry i formowała całe obszary lądowe.tę siłę wody można ujarzmiać i wykorzystywać.
Już około 2000 lat temu wykorzystywano (bezpośrednio) siłę przepływającej wody, np. w młynach do obracania kół młyńskich. W tym celu wody strumieni lub rzek kierowano na koła bezpośrednio połączone z młynem. Woda spadała na koło młyńskie z góry i napędzała je swoją energią potencjalną. W niektórych średniowiecznych klasztorach za pomocą koła napędzano nie tylko młyny, ale także dzięki systemowi osi i kół zębatych duże maszyny kuchenne służące do wyciskania, mieszania i zgniatania. W późniejszych czasach koło napędzało także urządzenia przemysłowe.
Energia wody musiała być wykorzystana w miejscu jej wytwarzania - było to wadą. Dziś w elektrowniach wodnych przetwarza się energię mechaniczną wody na energię elektryczną, którą przesyła się poprzez sieć energetyczną .
Woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół; na końcu trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd; trwa to około 4,5-5 godzin. Najczęściej nocą, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny radykalnie spada - przeprowadza się cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci - o tej porze jest jej nadmiar i należałoby odstawić bloki w elektrowniach cieplnych, co jest i nieekonomiczne, i kłopotliwe technicznie, elektrownia szczytowo-pompowa akurat odbiera nadmiar mocy. W ciągu 6 godzin zbiornik górny jest ponownie napełniony.
Ponad 6% energii potrzebnej ludzkości jest "produkowane" w ten sposób. Wodzie nie grozi wyczerpanie się, jak paliwom kopalnym - przynajmniej w pewnych obszarach geograficznych - dlatego człowiek powinien wykorzystać ją w pełni, budując coraz więcej hydroelektrowni.

Dwa razy dziennie opada w oceanach poziom wody - jest to tzw. odpływ. W niektórych regionach woda opada o kilka centymetrów, w innych np. u francuskich wybrzeży Atlantyku, nawet o kilka metrów. Tam też u ujścia rzeki Rance, wybudowano (w 1966 roku) pierwszą elektrownię wykorzystującą energię fal morskich przypływów i odpływów. Elektrownia ta wytwarza 544 mln kW energii.
Na świecie istnieje niewiele takich elektrowni. Powodem tego jest trudność w wyborze dogodnych miejsc u wybrzeży (aby nie niszczyć przy tym nadmiernie przyrody), gdyż różnica poziomów przypływu i odpływu musi być odpowiednio duża (by opłacał się nakład sił i środków). Idea wykorzystania przypływów i odpływów do wytwarzania energii nie jest nowa. Już przed 900 laty, głównie w Anglii, budowano młyny wykorzystujące w ten sposób energię fal.

WIATR

Od tysięcy lat energia wiatru w wiatrakach była wykorzystywana do pompowania wody lub mielenia ziarna. Energia wiatru służyła też jako napęd dla żaglowców. Już przed 5000 lat Egipcjanie używali prostych statków z jednym żaglem. W połowie XIX wieku nastąpił prawdziwy rozkwit żeglarstwa. Amerykańskie klipery (żaglowce) wielomasztowe o dużej powierzchni żagli krążyły po morzach z prędkością dochodzącą aż do 40 km/h.
Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem (głównie na obszarach nadmorskich, gdzie ciągle wieje wiatr) energii wiatru jako źródła energii nie zanieczyszczającego środowiska. Współczesne elektrownie wiatrowe nie służą już do wytwarzania energii mechanicznej (np. do poruszania kół młyńskich) lecz do "produkcji" energii elektrycznej. Podstawową rolę w tych elektrowniach pełnią najrozmaitszych kształtów gigantyczne wiatraki z łopatkami o szerokości dochodzącej 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób powstały prąd bezpośrednio do sieci lub akumulują go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru bardzo słabnie.
Pierwsze wiatraki w Holandii pojawiły się już w VIII wieku. Największy rozwój wiatraków następował w XVI i XVII wieku, a po wynalezieniu maszyny parowej nastąpił w ich rozwoju regres. Pod koniec XX wieku wobec kurczących się światowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz większej randze nadawanej problemom ochrony środowiska następuje renesans wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w dziedzinie produkcji i wykorzystania wiatraków jest obecnie Dania. W tym kraju zainstalowanych jest obecnie ok. 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% potrzeb energetycznych tego państwa. Obecna produkcja wiatraków w Danii stanowi, co do wartości trzeci produkt eksportowy tego kraju. W USA do sieci energetycznej przyłączone jest obecnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co zaspakaja ok. 1% ogólnej mocy całego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Przewiduje się w USA, że do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zapotrzebowania tego kraju na energie elektryczną.
Średnie zasoby wiatrów na całej kuli ziemskiej są ponad 1700 razy większe od energii wytwarzanej przez wszystkie istniejące elektrownie cieplne.
W Polsce największe zasoby wiatru znajdują się w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Ale nawet na obszarze Polski centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.
Czy wiatraki służą jedynie do napędzania młynów i generatorów energii elektrycznej?
Otóż nie. Kolejnym ważnym zastosowaniem jest wykorzystanie wiatraka do napędu pompy wodnej. W historii ludzkości tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA stosowało takie rozwiązania bardzo często. Pompa wodna charakteryzuje się niskim kosztem eksploatacji i stosunkowo niskim kosztem początkowym. Ponieważ pompy te stosowane są od wieków, więc również mają bardzo dojrzałe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Szczególnie atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tych pomp w rolnictwie gdzie można przy ich pomocy dostarczać taniej wody użytkowej z istniejących zbiorników otwartych i oszczędzać w ten sposób drogiej wody pitnej. Światowe zasoby wody pitnej są zresztą skromne i ich oszczędzanie jest wskazane. Dlatego nawet kraje wysoko rozwinięte technologicznie używają tych pomp. Pompa wiatrowa doskonale nadaje się również do oczyszczalni ścieków, która to najczęściej oddalona jest od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co znakomicie zmniejsza koszty dalekiego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.
Czy zatem wykorzystywanie siły wiatru ma wyłącznie znaczenie dla ochrony naszego naturalnego środowiska? Myślę, że możemy śmiało powiedzieć, że istnieje również aspekt ekonomiczny skłaniający nas do korzystania z tego darmowego źródła energii.

SŁOŃCE

Energia słoneczna (solarna) także może być bezpośrednim źródłem energii dzięki zastosowaniu tzw. ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka, składająca się z dwóch bardzo cienkich warstw (jedna z krzemu, druga ze stopu krzemu z bizmutem). Padające na nią promienie słoneczne powodują powstanie prądu elektrycznego przesyłanego do obwodów elektrycznych lub akumulatorów. Ogniwa solarne są stale udoskonalane. Być może w przyszłości miejscem ich rozmieszczenia staną się rozległe tereny nie zamieszkane przez ludzi ze względu na panujące tam duże upały. W ten sposób energia uzyskana na obszarach pustynnych mogłaby być przesyłana odbiorcom w innych krajach.
Energię słoneczną można wykorzystać do pozyskiwania energii cieplnej wykorzystując do tego celu instalacje solarne kolektorów słonecznych.Metoda polega na pochłanianiu energii promieniowania słonecznego przez maksymalnie rozwiniętą (mikroporowatą) i poczernioną powierzchnię absorbera.Ciepło z absorbera odprowadzane jest poprzez wężownicę miedzianą i magazynowane w zbiorniku ciepłej wody użytkowej.
W warunkach klimatycznych Polski średnie nasłonecznienie wynosi 1300-2000 godzin rocznie, zaś energia słoneczna przypadająca na 1 m2 wynosi 1100 kWh/m2 rocznie.Przy zastosowaniu płaskich kolektorów słonecznych można uzyskać około 3200 kWh energii rocznie przy instalacji o powierzchni 6m2 (straty wynikające z kąta padania promieni słonecznych, sprawnoci technicznej urządzenia..).
Skojarzenie układu konwencjonalnego z systemem solarnym jest uzasadnione ekonomicznie wtedy gdy uzyskane efekty pokryją koszty instalacji systemu solarnego.
Przy projektowaniu instalacji solarnych o średniej wielkoci (do 50 m2) zakłada się ,że ta energia słoneczna pokrywa 30 % zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie budynku lub 65 % zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.
Dla układu solarnego o powierzchni 6 m2 zainstalowanego w domu jednorodzinnym ( dla pięciu mieszkańców ) możana się spodziewać oszczędności rzędu 300 - 400 litrów oleju opałowego rocznie. Poziom cen polskich kolektorów słonecznych waha się od 500 zł./m2 do 1100 zł./m2 ,do tego należy doliczyć pompę obiegową ,magazyn ciepłej wody użytkowej o pojemnooci ca 250 litrów, sterownik ,rury, montaż. Można się spodziewać, że inwestycja skojarzenia systemu konwencjonalnego z systemem solarnym zamknie się kwotą 8000 do 12000 zł. ( w zależności od zastosowanych urządzeń). Biorąc pod uwagę kroczące ceny energii inwestycja powinna się zwrócić po ośmiu, dziesięciu latach.
W Niemczech realizowany jest program "milion słonecznych dachów", pod tym hasłem stworzono preferencje prywatnym inwestorom montującym instalacje solarne. Już dwa lata temu pracowało w Niemczech 300.000 instalacji solarnych dając oszczędności gospodarce narodowej w ilości 100.000.000 litrów oleju opałowego i zmniejszając tym samym emisję dwutlenku węgla o 100 tysięcy ton. W chwili obecnej ilość instalacji solarnych wzrosła trzykrotnie oznacza to jednoczesne potrojenie oszczędności zużycia oleju opałowego (gazu) i dalsze ograniczenie emisji dwutlenku węgla.
Należy wierzyć ,że w niedługim czasie w Polsce zostanie stworzony dobry klimat dla inwestorów montujących instalacje solarne.

ENERGIA GEOTERMICZNA


Wnętrze Ziemi jest bardzo gorące. Co 100 m w głąb Ziemi temperatura wzrasta o 3*C . W niektórych miejscach na Ziemi, zwłaszcza w pobliżu uskoków geologicznych wrząca woda lub para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne . Krainą gejzerów jest Islandia i Park Yellowstone (USA). Domy i mieszkania stolicy Islandii, Reykjaviku, są ogrzewane energią gorących źródeł tryskających z głębi Ziemi. Regularnie pracujące elektrownie geotermiczne wybudowano w niektórych miejscowościach we Włoszech, Nowej Zelandii, Japonii i USA.
Jak one działają? Otóż wykonuje się dwa odwierty w głąb Ziemi, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert wpompowuje się pod ciśnieniem zimną wodę, która się rozgrzewa, zamienia w gorącą parę i drugim odwiertem dociera na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny wytwarzające prąd.

BIOGAZ

Bardzo korzystna dla środowiska naturalnago jest energia uzyskiwana z odnawialnych (bo odrastających) surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia.
Skąd ona pochodzi?
Otóż głównie z roślin i odchodów zwierzęcych, przez wytwarzanie tzw. biogazu, głównie metanu. Gaz ten powstaje podczas rozkładu substancji organicznych (roślinnych i zwierzęcych), gdy proces ten przebiega bez dostępu powietrza.
Gospodarstwa rolne mogą wykorzystać odpady (np. nawóz naturalny, kompost, słomę), by wytwarzać w specjalnych urządzeniach metan, a następnie spalając go, ogrzewać pomieszczenia i napędzać, odpowiednio w tym celu przebudowane, maszyny gospodarcze. Tego typu urządzenia nie zagrażają środowisku, a ich eksploatacja jest stosunkowo tania.
Metan powstaje również samoczynnie podczas gnicia szczątków organicznych (nawozu naturalnego, kompostu). Nazywamy go gazem szklarniowym, gdyż wraz z dwutlenkirm węgla jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Wobec tego zużywanie wyżej wymienionych odpadów w celu otrzymania biogazu jest dodatkowo korzystne, gdyż przynajmniej w minimalnym stopniu zmniejsza się możliwość powstawania efektu cieplarnianego.
W Indiach wykorzystuje się wysuszone odchody zwierzęce, które służą zamiast drewna za opał w piecach kuchennych i do ogrzewania domów. Spalając je w odpowiednich warunkach, uzyskuje się biogaz celem wytworzenia energii elektrycznej.
Również rośliny stanowią źródło energii, nie tylko służąc za pożywienie dla ludzi i zwierząt, ale również jako źródła biogazu. Hodowla wodorostów (alg morskich, morszczynów) daje możliwości wykorzystania ogromnych powierzchni wód. Np. na nadmorskich farmach u wybrzeży Kalifornii uprawia się pewien gatunek morszczynu, który przyrasta 0,5 metra dziennie. Z roślin tych po ich wysuszeniu i poddaniu procesowi fermentacji, uzyskuje się biogaz. Nadaje się on do wykorzystania w elektrowniach.

Ekologiczne źródła energii mogą w przyszłości pokryć zapotrzebowanie ludzi ne energię. Obecnie zdecydowanie za mały jest ich udział w produkcji energii elektrycznej.