Energetyka odnawialna

alternatywą dla energetyki

klasycznej Prof. dr hab. inż. J.M. Olchowik

Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej

Największym zagrożeniem dla ekologii jest nieracjonalny

sposób przetwarzania zasobów przyrody w energię użyteczną

Najbardziej uniwersalną formą energii użytecznej dla

współczesnego człowieka jest energia elektryczna

Energia elektryczna świata w ponad 80% wytwarzana jest za

pomocą procesów spalania węgla

Podział źródeł energii

Źródła energii dzielimy zwyczajowo na odnawialne i nieodnawialne.

Te drugie, obejmujące energię zawartą w kopalnych paliwach mineralnych, takich jak: węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny i wyczerpują się bezpowrotnie, a ich zużyciu towarzyszą niekorzystne efekty środowiskowe.

Źródła nieodnawialne występują w ilościach skończonych. Zwłaszcza w ostatnich stuleciach ich zasoby bardzo poważnie zostały ograniczone, a ich odnowienie niemożliwe jest w wyobrażalnym horyzoncie czasowym.

Stan i prognozy zużycia energii pierwotnej

Czynniki generujące rozpraszanie energii

wzrost konsumpcji

cywilizacyjnych

wzrost dynamiki

demograficznej

kryzysy geopolityczne

Przyrost ludności Świata

0

0,5

1

1,5

2

2,5

700 1000 1500 2000

Rok

% p

rzyro

stu

ro

czn

eg

o

Odnawialne źródła energii

Odnawialne źródła energii mają tę

szczególną właściwość, że nie

zużywają się w procesie ich

użytkowania, a ich wykorzystanie nie

zubaża potrzeb przyszłych pokoleń i

walorów środowiska naturalnego

Miejsce energetyki odnawialnej w

rozwoju cywilizacji

Prognozy wykorzystania źródeł energii

Stan obecny i prognozy

Roczne zasoby energii odnawialnej

Kilkunastu

minutowa

ekspozycja energii

słonecznej za Ziemię

wystarcza na

zabezpieczenie

rocznych potrzeb

energetycznych

naszego globu

Ilustracja powierzchni elektrowni PV, zabezpieczających w energią

elektryczną świat i Europę.

Energia słoneczna

konwersje fototermiczna (bezpośrednia produkcja ciepła)

fotowoltaiczna (bezpośrednia produkcja energii elektrycznej)

Konwersja termiczna promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej i na Ziemi prowadzi do powstania także wtórnych, pośrednich form energii promieniowania słonecznego jakimi są:

energia wiatru -związana z cyrkulacją mas powietrza wywołaną nierównomiernym nagrzewaniem atmosfery przez Słońce;

energia fal morskich -wywołanych działaniem wiatru;

energia kinetyczna rzek, którą wywołują opady powstające na skutek parowania podgrzewanej promieniami słonecznymi wody

energia prądów morskich wynikająca z różnicy temperatur wody oceanicznej wywołanej nierównomiernym ogrzewaniem mas wody przez promieniowanie słoneczne.

Jak powstaje

energia

słoneczna?

Budowa Słońca

0,23R

0,7R

R

,2mcE

,

c

hhE

.1086,3 26WP

,10991,1 30kgmS

Widmo promieniowania słonecznego

Światowy potencjał energii słonecznej

Nasłonecznienie Europy

Usłonecznienie Jednym z parametrów, decydującym o możliwościach

efektywnego wykorzystania energii promieniowania

słonecznego są średnioroczne sumy promieniowania

słonecznego (ilości godzin czasu trwania promieniowania

słonecznego w ciągu roku)

Nasłonecznienie Polski

Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania

słonecznego całkowitego padającego na jednostkę

powierzchni poziomej w kWh/m2/rok.

Roczna gęstość strumienia

energii promieniowania

słonecznego na płaszczyznę

poziomą waha się w granicach

950 - 1250 kWh/m2.

Średnie usłonecznienie dla

Polski wynosi 1600 godzin

Rodzaje konwersji energii Słońca Ze względu na fizykochemiczną naturę przemian

energetycznych promieniowania słonecznego na Ziemi wyróżnić można trzy podstawowe i pierwotne rodzaje konwersji : konwersję fotochemiczną - prowadzącą dzięki

fotosyntezie do wiązania energii w związkach chemicznych budowanych przez rośliny w procesach asymilacji

konwersję fototermiczną - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na ciepło

konwersję fotowoltaiczną - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Jak do tej pory największe znaczenie dla cywilizacji miała konwersja fotochemiczna promieniowania słonecznego przebiegająca dzięki zjawisku fotosyntezy w roślinach zielonych w procesach ich wzrostu.

Procesy te, choć zachodzą z niewielką sprawnością, zapewniają nieprzerwaną produkcję biomasy.

Przetwarzanie energii na biomasę związane jest jednocześnie z magazynowaniem przetworzonej energii w elementach roślin.

BIOMASA

Biomasa - masa materii

organicznej powstałej w

procesach fotosyntezy.

Jako surowiec

energetyczny, najczęściej

przetwarzana jest na

granulaty lub biopaliwa

płynne.

Energetyczne wykorzystanie biomasy

Najpopularniejszymi formami biomasy są biopaliwa stałe. Stosuje się je w kotłach energetycznych produkujących energię cieplną. Są to głównie drewno i słoma oraz:

Plantacje energetyczne rośliny uprawne roczne tj. zboża, konopie, kukurydza, rzepak,

słonecznik, trzcina,

rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba,

szybko rosnące, trwałe rośliny trawiaste wieloletnie np. miskant olbrzymi - Miscanthus sinensis giganteus (z 1 tony suchej biomasy poddanej procesowi pirolizy otrzymać można 590 kg biooleju, 210 kg koksu oraz 130 kg biogazu)

Konwersje fototermiczna i

fotowoltaiczna

Budowa kolektora słonecznego

Przekrój panelu kolektora słonecznego do podgrzewania wody. l - rama, 2 - szkło, 3 -

lamele (żebra) aluminiowe, 4 - wężownica, 5 - kolektor zbiorczy, 6 - uszczelka, 7 -

izolacja termiczna, 8 -korpus

Wartość temperatury równowagi

można określić na podstawie prawa

sformułowanego przez Maxa Plancka:

gdzie Ao – natężenie promieniowania słonecznego, B –

stała Boltzmana, α, ε – odpowiednio współczynniki

absorpcji i emisji promieniowania dla konkretnego

materiału absorbera.

Instalacja solarnego ogrzewania basenu

Konwersja fotowoltaiczna

Zamiana energii optycznej

Słońca w prąd elektryczny

Zjawisko

fotowoltaiczne

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

h

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

h

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+ -

h

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+ -

h

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+ -

h

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+ -

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+

-

+

- -

+

-

+

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+

-

+

- -

+

-

+

Voc

p

n

+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

+

-

+

- -

+

-

+

Sprawność fotokonwersji

Pmax = Jm Vm.

ocsc

mm

id UJ

UJ

P

PFF max

,max

Ikrzywąpodpole

nEpole f

Konstrukcja ogniwa PV

Idealna efektywność fotoogniw

Rozwiązania praktyczne PV

Farma PV

Koncentratory światła

Energia wiatru

Zasada działania turbiny wiatrowej

Przykład elektrowni z generatorem wolnobieżnym,

Enercon E40, 500 kW. 1 - układ orientacji na wiatr, 2

- napęd układu orientacji na wiatr. 3 - stojan

generatora, 4 - wirnik generatora, S - układ zmiany

kąta nastawienia skrzydła, 6 - napęd układu

nastawiania skrzydła- 7 - nieruchomy wał główny- 8

- mocowanie skrzydła do piasty, 9- nasada skrzydła

Farmy wiatraczne

Farmy wiatraczne

Krajowe zasoby energii wiatru

Hydroenergetyka

Turbina Francisa (1849)

Koncepcje MEW

ENERGIA WODY

Energetyka wodna wykorzystuje potencjał

grawitacyjny cieków wodnych. Jest ona w Polsce

wykorzystywana w niewielkim stopniu ponieważ

wykorzystuje ten potencjał zaledwie w 11%, co

stawia nas na ostatnim miejscu w Europie.

W Polsce rozwija się dział energetyki wodnej o

małych mocach jednostkowych, tzw. mała energetyka

wodna - budowana przeważnie na istniejących

(często zdewastowanych) stopniach wodnych.

ENERGIA

GEOTERMALNA

Charakterystyka

Wnętrze Ziemi jest gorące z dwóch powodów: pozostałość po

procesie formowania się planety oraz naturalny rozkład

pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi.

Wody geotermalne powstają w wyniku ogrzewania wód

podziemnych przez magmę lub gorące skały.

Temperatura zmienia się wraz z głębokością i bezpośrednio

przy powierzchni rośnie o ok. 30 oC na każdym kilometrze.

Ten przyrost temperatury, nazywany stopniem geotermicznym

nie jest taki sam dla różnych rejonów geograficznych i może

osiągać wartość znacznie mniejszą lub większą nawet do ok.

60 oC/km.

"Budowa Ziemi"

Już 100 km pod powierzchnią Ziemi temperatura

osiąga ok. 930 0C. Wody geotermalne występują

na głębokości od kilku do kilkunastu kilometrów

pod powierzchnią, jednak ich wydobycie jest

ograniczone- dotychczas najgłębszy otwór sięga

ok. 8 km w głąb Ziemi, a wydobycie wód jest

ekonomicznie opłacalne do 3 km w głąb ziemi-

tu temperatury osiągają do nawet 200 stopni

Celsjusza, gdzie woda występuje pod postacią

gorącej pary.

ENERGIA GEOTERMALNA

Gejzer

Park Yellowstone

Pompy ciepła

Sprężarkowa pompa ciepła

Pompy ciepła

Warianty pomp ciepła

Energia pływów morskich

Energia pływów morskich

Rejony występowania pływów morskich

Konwersja energii falowania

Energia prądów morskich

Elektrownia Stilmana

Dziękuję za uwagę,