Alternatywne źrodła energii
ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA ENERGII
Zastępcze (odnawialne) źródła energii są uzupełnieniem energii klasycznych (kopalnych). Jako, że wydobycie takich źródeł zasobów kopalnych jak węgiel, ropa czy gaz jest teraz coraz trudniejsze wzrasta potrzeba posiadania innych źródeł energii. Innym czynnikiem sprawiającym wzrost użycia energii alternatywnych jest zatrucie środowiska, które w dużej mierze spowodowane jest właśnie wydobywanie i przetwarzaniem ropy, węgla i gazu.
ENERGIA SŁONECZNA
Z energii słonecznej można korzystać, przetwarzając ją na energię cieplną (kolektory słoneczne), energię elektryczną (ogniwa fotowoltaiczne) i energię związaną z procesami chemicznymi (fotosynteza)-> [patrz „energia biomasy”]. Kolektory słoneczne to urządzenia, które wychwytują energię słoneczną i zamieniają ją na cieplną. Elektrownie słoneczne odznaczają się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że większe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach, do produkcji ciepłej wody. Kolektory słoneczne umieszczone na dachu domu umożliwiają ogrzanie wody do 40C, co przy ogrzewaniu podłogowym wystarcza do ogrzania całego domu. Większe kolektory słoneczne, instalowane m.in. w Stanach Zjednoczonych, podgrzewające wodę do temperatury 65C. Wykorzystywane są w rolnictwie, do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych Największa elektrownia słoneczna na świecie znajduję się w Grecji (wytwarza ona prąd o mocy 50MW). Ciekawym sposobem wykorzystania energii słonecznej jest Interlaken ( Szwajcaria). Tam umieszcza się kolektory przy drogach. Latem zbierają one i magazynują ciepło z nasłonecznionej drogi, aby zimą podgrzewać nim tą samą drogę by nie zamarzła. Instalacja działa następująco: pod jezdnią umieszczono wielką wężownicę, przez którą przepływa mieszanina wody i glikolu. Podgrzana ciecz kierowana jest do wnętrza góry, gdzie następuje oddawanie ciepła skałom za pośrednictwem 91 sond wykonanych z polietylenu. Latem, gdy temperatura asfaltu często przekracza 60C, skały wewnątrz góry podgrzewają się do ok. 20C. Cała góra może akumulować 200 tys. kWh energii cieplnej, którą zimą stopniowo się wykorzystuje.
ENERGIA BIOMASY
Inną metodą spożytkowania energii słonecznej jest wykorzystanie fotosyntezy, tj. asymilacji przez rośliny dwutlenku węgla z powietrza, podczas której tworzy się energia biomasy. Najprostszym i powszechnie stosowanym sposobem uzyskania energii z biomasy jest jej spalanie. Dotyczy to takich surowców jak słoma, drewno opałowe i drewno odpadowe. Wysuszona 1 tona biomasy ma wartość opałową 0,7 tony węgla kamiennego. Jest to surowiec przyjazny dla środowiska, ponieważ ma małą zawartość siarki oraz zamknięty cykl obiegu. Dwutlenek węgla wydzielany przy spalaniu biomasy jest absorbowany w czasie wegetacji roślin w tej samej ilości.
Biomasa zawierająca dużą ilość wilgoci (niewysuszona) nie nadaje się do spalania, może natomiast być zużytkowana w procesie fermentacji beztlenowej (metanowej), celem uzyskania produktu zwanego biogazem. Przykładem może być zautomatyzowana i skomputeryzowana instalacja biogazu pracująca na wysypisku śmieci w Toruniu. Instalacja ta produkuje 550 kW energii elektrycznej oraz 800 kW energii cieplnej na godzinę, wykorzystywanej do ogrzewania mieszkań. Wyprodukowana w ciągu roku energia odpowiada energii uzyskanej ze spalenia 2,6 tys. ton węgla (Kronika ekologiczna “Aura” 12/1997).
Innym sposobem uzyskania energii z biomasy jest jej kompostowanie i ujęcie wydzielanego ciepła. W Szwecji opracowano program produkcji biomasy roślinnej, tworząc specjalne plantacje energetyczne. Obecnie uzyskuje się tam 50-70 m3 masy drewna wierzbowego wyhodowanego na powierzchni 1 ha w ciągu roku. Do tego należy dodać 4-7 ton biomasy wytworzonej z liści i korzeni tych drzew.
ENERGIA WIATRU
Siłę wiatru można wykorzystywać do pozyskania energii elektrycznej. Światowe zasoby energii wiatrowej to ok. 53 tys. TWh/rok. Energia wiatru jest to energia kinetyczna poruszających się mas powietrza. Prędkość wiatru, a więc i energia, jaką można z niego czerpać, ulega zmianom dziennym, miesięcznym i sezonowym. Szacuje się, że globalny potencjał energii wiatru jest równy obecnemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik, zazwyczaj trójpłatowy. Jego średnica dochodzi nawet do 48 m. Wirnik osadzony jest na wale, którego obroty przekazywane są dalej do generatora. Generator wraz z transformatorem, układem smarowania, chłodzenia i hamulcem tarczowym umieszczone są w tzw. gondoli. Wirnik i gondola znajdują się na szczycie stalowej wieży i obracane są odpowiednio w kierunku wiatru. Elektrownie pracują przy wietrze w określonym przedziale prędkości; najczęściej jest to 4-25 m/s. Po przekroczeniu tych parametrów następuje wyłączenie elektrowni, tzn. odłączenie od sieci i zahamowanie wirnika. Gondola i wirnik automatycznie ustawiają się "bokiem" do wiatru, gdyż wtedy siły działające na konstrukcję są najmniejsze. Wiatraki ustawiane są na lądzie i na morzu, w grupach lub pojedynczo.
ENERGIA SPADAJĄCEJ WODY
Energię spadku wód wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w położonych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy jazu lub zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu, zamieniana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej. Elektrownie wodne dzielimy na:
-Elektrownie przepływowe -> wykorzystują płynącą wodę. Umieszczone są bezpośrednio na korycie rzeki. Ilość wytwarzanej przez nie energii zależy od ilości przepływającej wody.
-Elektrownie szczytowo-pompowe -> znajduję się pomiędzy dwoma zbiornikami- górnym i dolnym. Umożliwia kumulację energii w zbiorniku. Gdy będzie ona potrzebna nastąpi spuszczenie wody ze zbiornika górnego do dolnego.
-Elektrownie derywacyjne
-Elektrownie regulacyjne
-Elektrownie przepływowe z członem pompowym
W Polsce znajduje się ok. 700 elektrowni wodnych. Wytwarzana prze z nie energia stanowi 2,6% łącznego zapotrzebowania na energię w naszym kraju.
ENERGIA MORZA
Aktualnie wykorzystuje się energię pływów morskich, fal morskich, prądów morskich oraz energię cieplną mórz. W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza, oceanu. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu. Największa na świecie elektrownia pływowa, uruchomiona w 1967 r., pracuje we Francji przy ujściu rzeki La Rance do Kanału La Manche. Ma ona 24 turbiny wodne o mocy po 10 MW, a więc jej moc wynosi 240 MW. Energię uzyskuje się też przez wykorzystanie różnicy temperatury wody oceanicznej na powierzchni i w głębi oceanu. Najlepsze warunki do tego celu istnieją na oceanicznych obszarach równikowych, gdzie temperatura wody na powierzchni wynosi ok. 30C, a na głębokości 300-500 m - ok. 7C. Wykorzystanie tej różnicy temperatury odbywa się przy zastosowaniu amoniaku, freonu lub propanu, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500 m. Cała instalacja, wraz z generatorem, znajduje się na pływającej platformie i nosi nazwę elektrowni maretermicznej. Energia elektryczna jest przesyłana na ląd kablem podmorskim.
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). Dodatkowo dzielimy je na takie, które używają turbin powietrznych i turbin wodnych. Te pierwsze ustawione są na platformach ze zbiornikami, gdzie (poprzez fale) wpychane jest powietrze. Z kolei z tych drugich fale napędzają turbiny a one generator.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia geotermalna to naturalne ciepło Ziemi skumulowane w gruntach, skałach, wodach i parach wypełniających pory i szczeliny skalne. Występuje pod przykryciem nieprzepuszczalnych skał o niskiej przewodności cieplnej. Na powierzchnię ziemi wydobywa się dzięki przewodzeniu i konwekcji. Przypuszcza się, że energia ta jest wynikiem rozpadu pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej, któremu towarzyszy wydzielanie ciepła. Energię ciepła Ziemi pozyskujemy głównie poprzez wykorzystanie wód geotermalnych, które występują na głębokości od kilku do kilkunastu km pod powierzchnią ziemi. Ich wydobycie jest ekonomicznie opłacalne do głębokości 3 km. Temperatury dochodzą tam nawet do 200C, a woda występuje pod postacią gorącej pary. Energię tę wykorzystujemy głównie do ogrzewania domów (osiedli). Prowadzi się szyb aż do danego źródła energii i wtedy można (np. taką ciepłą wodę geotermalną) rozprowadzać w specjalnych instalacjach po ścianach powodując ogrzanie domu.