odnawialne źródła energii -...

Odnawialne źródła energiiMateriały dla szkół ponadgimnazjalnych

Wersja polska powstała na zlecenie:

Profesjonalne Szkolenia Informatyczne sp. z o.o.ul. Kościuszki 1125-310 Kielcee-mail: [email protected]

Zastrzeżonych nazw firm i produktów użyto w książce jedynie w celu identyfikacji.

Copyright © 2009 by Horizon Fuel Cell Technologies.Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być powielana lub przekazywana w jakiejkolwiek formie lub w jakikolwiek sposób, elektroniczny lub mechaniczny, włączając fotokopie, nagrywanie, lub przechowywanie informacji i baz danych, bez pisemnej zgody wydawcy.

Horizon Fuel Cell TechnologiesBlock 19, No.2 Suide Rd.Shanghai 200331, P.R. Chinahttp://www.horizonfuelcell.com

Odnawialne źródła energiiMateriały dla szkół ponadgimnazjalnych

Spis treści

Rozdział 1: Środowisko i zmiany klimatu .................................................................................................................. 71.1. Wprowadzenie .......................................................................................................................................... 81.2. Światowe zapotrzebowanie na energię .................................................................................................... 101.3. Globalne ocieplenie .................................................................................................................................. 121.3.1. Efekt cieplarniany .................................................................................................................................. 131.3.2. Poziomy morza ...................................................................................................................................... 151.3.3. Skutki globalnego ocieplenia ................................................................................................................ 161.3.4. Czy możemy powstrzymać globalne ocieplenie? ................................................................................. 161.4. Wady aktualnych technologii energetycznych ......................................................................................... 181.5. Innowacyjne technologie ekologiczne ...................................................................................................... 201.5.1. Ogniwa słoneczne ................................................................................................................................. 201.5.2. Energia wiatrowa ................................................................................................................................... 201.5.3. Elektroliza .............................................................................................................................................. 211.5.4. Ogniwa paliwowe .................................................................................................................................. 211.6. Koncepcja gospodarki opartej na czystej energii wodorowej bazująca na połączeniu źródeł odnawialnych .......... 231.7. Podsumowanie ........................................................................................................................................ 26

Rozdział 2. Energia słoneczna ....................................................................................................................................... 272.1. Wprowadzenie .......................................................................................................................................... 282.2. Historia ..................................................................................................................................................... 282.3. Typy systemów fotowoltaicznych ............................................................................................................ 302.4. Budowa i charakterystyki ogniw PV ......................................................................................................... 302.5. Technologia słoneczna .............................................................................................................................. 312.5.1. Ruch elektronów w krzemie ................................................................................................................... 322.5.2. Fotogeneracja nośników ładunku .......................................................................................................... 322.5.3. Widmo elektromagnetyczne i straty energii ........................................................................................... 332.5.4. Krzem i złącze P-N ................................................................................................................................. 342.5.5. Temat zaawansowany: Inżynieria materiałowa ...................................................................................... 352.5.5.1. Spadek napięcia spowodowany przemieszczaniem się ładunków .................................................... 362.6. Alternatywne materiały dla ogniw fotowoltaicznych ................................................................................. 382.6.1. Krzem krystaliczny ................................................................................................................................. 392.6.2. Tellurowo kadmowe ogniwa słoneczne ................................................................................................. 392.6.3. Ogniwa słoneczne z selenku miedziowo-indowego .............................................................................. 392.6.4. Wielozłączowe ogniwa słoneczne z arsenku galu ................................................................................. 392.6.5. Barwniki absorbujące światło (DSSC) ................................................................................................... 402.6.6. Organiczne/polimerowe ogniwa słoneczne ........................................................................................... 402.6.7. Krzem cienkowarstwowy ....................................................................................................................... 402.7. Zastosowania energii słonecznej .............................................................................................................. 412.7.1. Zasilanie domu przy użyciu energii słonecznej ...................................................................................... 412.7.2. Rozwiązywanie problemów związanych z energią słoneczną ............................................................... 412.7.3. Samochody zasilane energią słoneczną ................................................................................................ 422.8. Podsumowanie ......................................................................................................................................... 43

Rozdział 3. Energia wiatrowa .......................................................................................................................................... 453.1. Wprowadzenie .......................................................................................................................................... 463.2. Historia energii wiatrowej .......................................................................................................................... 473.3. Zasada działania ....................................................................................................................................... 493.3.1. Naziemne systemy wiatrowe ................................................................................................................. 493.3.2. Aerodynamika turbin wiatrowych ........................................................................................................... 503.4. Rodzaje turbin wiatrowych ....................................................................................................................... 51

3.4.1. Turbiny wiatrowe osi poziomej .............................................................................................................. 513.4.2. Turbiny wiatrowe osi pionowej .............................................................................................................. 523.5. Budowa turbiny wiatrowej ........................................................................................................................ 533.6. Temat zaawansowany: Energia i moc wiatru .......................................................................................... 553.7. Wpływ wysokości wież wiatrowych ......................................................................................................... 563.8. Teoretyczny potencjał energetyczny wiatru ............................................................................................. 563.8.1. Rozkład prędkości wiatru ...................................................................................................................... 563.9. Obliczanie energii z turbiny wiatrowej ..................................................................................................... 583.10. Współczynnik wydajności ....................................................................................................................... 593.11. Farmy wiatrowe ....................................................................................................................................... 593.12. Podsumowanie ......................................................................................................................................... 60

Rozdział 4. Elektrolizery ...................................................................................................................................................... 614.1. Wprowadzenie ............................................................................................................................................ 624.2. Historia elektrolizerów ............................................................................................................................... 644.3. Rodzaje elektrolizerów ............................................................................................................................... 654.3.1. Elektrolizer jednobiegunowy ................................................................................................................... 654.3.2. Elektrolizer dwubiegunowy ..................................................................................................................... 654.4. Typy elektrolizerów .................................................................................................................................... 664.4.1. Elektrolizery alkaliczne ............................................................................................................................ 664.4.2. Elektrolizery z membraną PEM ............................................................................................................. 674.4.2.1. Elektrolit ................................................................................................................................................ 684.4.2.2. Katalizatory ........................................................................................................................................... 684.5. Tematy zaawansowany: Podstawy termodynamiki w konstruowaniu elektrolizerów.................................... 684.6. Produkcja i sprzedaż wodoru na świecie ..................................................................................................... 714.7. Możliwości uzupełnienia energii związanej z wykorzystaniem elektrolizy................................................ 724.8. Podsumowanie ........................................................................................................................................... 73

Rozdział 5. Ogniwa paliwowe ........................................................................................................................................ 755.1. Wprowadzenie ........................................................................................................................................... 765.2. Historia ogniw paliwowych ....................................................................................................................... 765.3. Możliwości wykorzystania ogniw paliwowych .......................................................................................... 785.3.1. Zastosowania stacjonarne ...................................................................................................................... 795.3.2. Sektor transportowy ............................................................................................................................... 795.3.3. Zastosowanie w urządzeniach przenośnych ........................................................................................ 795.3.4. Wykorzystanie ogniw paliwowych w samochodach ............................................................................ 805.4. Rodzaje ogniw paliwowych ....................................................................................................................... 825.4.1. Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) ............................................................. 835.4.2. Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFCs) ...................................................................................................... 835.4.3. Ogniwo Paliwowe z Elektrolitem z Kwasu Fosforowego (Phosphorid Acid Fuel Cell - PAFC) .................. 845.4.4. Ogniwa paliwowe zestalonym elektrolitem tlenkowym (SOFC) ........................................................... 845.4.5. Ogniwa paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) ............ 855.4.6. Ogniwa Paliwowe Bezpośrednio Zasilane Metanolem (Direct Methanol Fuel Cells - DMFCs) .................. 855.5. Jak działa ogniwo paliwowe ......................................................................................................................... 865.5.1. Warstwa elektrolitu ................................................................................................................................. 875.5.2. Warstwa dyfuzyjna (GDL - Gas Diffusion Layer) .................................................................................... 875.5.3. Warstwa katalizatora............................................................................................................................... 875.5.4. Płytki dwubiegunowe ............................................................................................................................. 875.6. Konstrukcja i konfiguracja ogniw dwubiegunowych ................................................................................ 885.7. Warunki pracy ogniw ................................................................................................................................. 885.7.1. Krzywe polaryzacyjne ............................................................................................................................. 895.8. Podsumowanie ........................................................................................................................................... 90

Rozdział 6. Magazynowanie i transport wodoru ...................................................................................................... 916.1. Wprowadzenie .............................................................................................................................................. 926.2. Aspekty bezpieczeństwa związane z używaniem wodoru ............................................................................. 936.3. Produkcja, dystrybucja oraz przechowywanie wodoru................................................................................ 946.3.1. Technologie produkcji wodoru ................................................................................................................ 946.3.1.1. Reforming parowy ................................................................................................................................ 956.3.1.2. Częściowe utlenienie .......................................................................................................................... 956.3.1.3. Gazyfikacja węgla (zagazowanie węgla) ............................................................................................. 966.3.1.4. Biomasa ............................................................................................................................................... 966.3.1.5. Elektroliza wody .................................................................................................................................. 976.4. Technologie przechowywania wodoru...................................................................................................... 976.4.1. Duże podziemne magazyny .................................................................................................................. 976.4.2. Samochodowe zbiorniki ciśnieniowe wodoru ...................................................................................... 976.4.3. Magazynowanie wodoru w postaci ciekłej ........................................................................................... 986.4.4. Przechowywanie wodoru w postaci wodorków metali ......................................................................... 996.4.5. Nanowłókna węglowe ........................................................................................................................... 1016.4.5.1. Wytrzymałość nanorurek węglowych ................................................................................................ 1016.4.5.2. Przechowywanie wodoru i inne zastosowania .................................................................................. 1026.5. Stacje paliwowe umożliwiające tankowanie wodoru ............................................................................... 1026.6. Podsumowanie ........................................................................................................................................ 103

Rozdział 7. Podstawy elektronicznych układów zasilających ...................................................................................... 1057.1. Wprowadzenie ........................................................................................................................................... 1067.2. Podstawy elektroniki ............................................................................................................................. 1067.2.1. Obwody ............................................................................................................................................... 1087.2.2. Typowe pojęcia stosowane przy testowaniu urządzeń elektronicznych ............................................. 1097.2.3. Podstawy pomiarów ............................................................................................................................ 1107.2.3.1. Pomiar napięcia ................................................................................................................................ 1107.2.3.2. Pomiar natężenia prądu ..................................................................................................................... 1107.2.3.3. Pomiar rezystancji ............................................................................................................................ 1107.3. Elektronika analogowa i cyfrowa ............................................................................................................ 1117.4. Prawo Ohma ........................................................................................................................................... 1127.5. Historia elektroniki ................................................................................................................................... 1127.6. Elektroniczne układy zasilające dla systemów energii odnawialnej ........................................................ 1137.7. Rodzaje podzespołów półprzewodnikowych dla urządzeń zasilających ................................................ 1157.7.1. Diody mocy ........................................................................................................................................... 1167.7.2. Urządzenia przełączające .................................................................................................................... 1167.7.2.1. Tranzystory MOSFET dużej mocy ..................................................................................................... 1177.7.2.2. Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką ......................................................................................... 1177.7.2.3. Tyrystor lub krzemowy prostownik sterowany ................................................................................... 1187.7.2.4. Tyrystor IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) .................................................................... 1187.8. Konwertery dla systemów energetycznych ............................................................................................. 1197.8.1. Konwertery prądu stałego DC-DC ........................................................................................................ 1197.8.2. Inwertery ............................................................................................................................................... 1207.9. Podsumowanie ........................................................................................................................................ 120

Bibliografia............................................................................................................................................ 121Źródła ilustracji.................................................................................................................................... 124O autorze: Dr Colleen Spiegel ........................................................................................................ 126

Rozdział 1

Środowisko i zmiany klimatu

1.1. Wprowadzenie1.2. Światowe zapotrzebowanie na energię1.3. Globalne ocieplenie1.4. Wady aktualnych technologii energetycznych1.5. Innowacyjne technologie ekologiczne1.6. Koncepcja gospodarki opartej na czystej energii wodorowej bazująca na kombinacji źródeł odnawialnych1.7. Podsumowanie

8 Środowisko i zmiany klimatu / Odnawialne źródła energii

1.1 Wprowadzenie

Energia jest istotnym elementem nowo-czesnego społeczeństwa. Ułatwia życie po zmroku, przewożenie osób i towarów oraz ciągły postęp technologiczny. Obecnie dostępne źródła energii, takie jak ropa naftowa czy gaz ziemny, do tej pory zaspokajały potrzeby ludzi w zakresie surowców energe-tycznych niezbędnych do rozwoju i dla celów transportowych. Jednak korzystanie z paliw kopalnych, w celu uzyskania energii, spo-wodowało wiele negatywnych skut-ków w postaci poważnego zanieczysz-czenia środowiska, wyczerpywania się zasobów światowych czy też politycznego wykorzystywania dużych złóż surowców do dominacji nad innymi krajami. Ponadto światowe zapotrzebowanie na energię będzie szybko rosnąć z powodu stale powiększającej się globalnej populacji.

Zasoby paliw kopalnych na Ziemi są ogra-niczone i znajdują się tylko w wybranych regionach świata, co prowadzi do konfliktów regionalnych i wojen. Ograniczona podaż i duży popyt powodują, że ceny paliw kopal-nych będą rosnąć. Dlatego czas taniej ropy naftowej szybko zbliża się do końca. Paliwa kopalne są potrzebne do utrzymania obecnego poziomu życia. Jednak wykorzystując je w dalszym ciągu, ludzie, rośliny i zwierzę-ta będą cierpieć z powodu skutków ubocz-nych, wynikających z korzystania z tych paliw. Powstające produkty odpadowe powodują ogrzewanie atmosfery ziemskiej oraz zanie-czyszczenie powietrza, wody i gruntu. Po-woduje to pogorszenie warunków życia dla wszystkich gatunków istniejących na Ziemi. Dlatego istnieją zarówno ekonomiczne jak i środowiskowe przyczyny rozwoju alternatyw-nych technologii energetycznych.

Odnawialne źródła energii / Środowisko i zmiany klimatu 9

Ro

zdzi

ał 1Pierwsze duże zainteresowanie alternatywnymi źródłami energii nastąpiło w 1970 roku, kiedy nagle

zabrakło ropy naftowej. Mimo, że wciąż wydawało się, iż mnóstwo paliw kopalnych pozostało jeszcze do wydobycia, to kryzys ten uświadomił nam fakt, że zasoby są ograniczone i w końcu zostaną wyczer-pane. W ciągu ostatniej dekady nastąpił wzrost zainteresowania przyjaznymi dla środowiska i bardziej racjonalnymi metodami wytwarzania energii. To zainteresowanie gwałtownie pobudziło badania naukowe związane z alternatywnymi paliwami i źródłami energii. Spalanie paliw kopalnych spowodowało poważne zanieczyszczenie powietrza i uszczuplenie światowych zasobów ropy naftowej.

Oprócz tego, że jest to niebezpieczne dla naszego ekosystemu i zdrowia wielu gatunków, zanie-czyszczenie wpływa na zmianę światowego klimatu. Zmiana ta nazywana jest globalnym ociepleniem i będzie się stale pogłębiać ze względu na coraz większy poziom spalania paliw kopalnych przez ciągle rosnącą populację światową. Świat potrzebuje zatem źródła zasilania, które ma niską emisję zanie-czyszczeń, jest energooszczędne i dysponuje nieograniczonym zapasem paliwa dla rosnącej populacji. Wiele alternatywnych technologii energetycznych zostało już zbadanych i opracowanych. Należą do nich między innymi: energia słoneczna, energia wiatrowa, energia wodna, bioenergia i energia geotermalna. Ogniwa słoneczne wykorzystują słońce do produkcji energii elektrycznej. Generatory wiatrowe korzystają z energi kinetycznej wiatru, a bioenergia pochodzi z roślin. Istnieją również odnawialne źródła energii, które wykorzystują gaz uzyskany z odpadów biologicznych i produkują energię z fal oceanu. Każde z tych alternatywnych źródeł energii ma swoje zalety i wady. Wszystkie są na różnych etapach rozwoju. Ilustracje na poprzedniej stroni pokazują porzykłady tych źródeł: elektrownie wiatrowe, słoneczne i wodne.

Dla naszej Ziemi i wszystkich gatunków, które ją zamieszkują, bardzo ważne jest, aby każdy korzystał z energii w sposób świadomy. Zestawy edukacyjne pozwalają poznać wszystkie podstawowe tech-nologie wykorzystywane podczas uzyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Pokazują, jak ener-gia odnawialna może być przekształcana i wykorzystywana. Te rodzaje energii są odnawialne, czyli jej zasoby są uzupełniane w środowisku w naturalny sposób. Poprzez poznanie każdej technologii i eksperymentowanie, uczeń może dowiedzieć się dokładnie, jak te technologie działają. Mamy na-dzieję, że wykonanie wszystkich eksperymentów nie tylko pomoże dowiedzieć się więcej o tech-nologiach energetycznych, ale będzie też inspiracją do poszukiwania alternatywnych technologii energetycznych. W celu pogłębienia wiedzy o nowych technologiach warto oglądać wiadomości z dziedziny techniki, śledzić najnowsze osiągnięcia nauki na dedykowanych kanałach telewizyjnych, czy też wymieniać poglądy z przyjaciółmi. Mamy nadzieję, że omawiane technologie energetycz-ne będą inspirować do tworzenia własnych rozwiązań lub przyczynią się do poprawy i rozwijania obecnych technologii.


1.2 Światowe zapotrzebowanie na energię

Wykorzystanie paliw kopalnych wzrosło gwałtownie w XX wieku - aż czterokrotnie od 1970 roku. Światowa populacja konsumuje dziś produkty ropopochodne w wielkości 100 tys. razy większej niż w czasie, kiedy zaczynała z nich korzystać [1, 2]. Chiny są obecnie trzecim największym konsumentem ropy naftowej na świecie. Jeśli chiński obywatel zużywałby tyle samo ropy co obywatel amerykański - Chiny potrzebowałyby 90 mln baryłek ropy dziennie, aby zaspokoić swoje potrzeby [1, 2]. Obec-nie średnia ilość ropy naftowej, produkowana w ciągu jednego dnia, to około osiemdziesiąt milionów baryłek [1].

Ilustracja 1-4 pokazuje aktualne i przewidywa-ne zużycie energii od 1980 do 2030 roku [1]. Szacowany wzrost zużycia energii na świecie w latach 1980-2030 wynosi 2% rocznie. Ogółem na całym świecie wykorzystanie ener-gii rośnie od 421 biliardów (1015) brytyjskich jednostek cieplnych (BTU) w 2003 r. do 563 biliardów BTU w 2015 r. i 695 biliardów BTU w 2030 r. [1].

Brytyjska jednostka ciepła (BTU):

Jednostka energii wykorzystywana dla określenia mocy, często używana w ciepłownictwie i branży związanej z klimatyzacją. BTU zostało w dużej mi-erze zastąpione dżulem (J), jednostką układu SI, choć wciąż jest używane w takich krajach jak Wielka Brytania, Nowa Zelandia, Kanada i USA.

Najbardziej gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię w latach 2003 - 2030 r. przewidywany jest w Azji (Chiny, Indie), Ameryce Środkowej i Południowej, Afryce, oraz na Bliskim Wscho-dzie i Eurazji [1, 2]. Wymagania energetyczne tych krajów rosną średnio 5 procent rocznie. Zapotrzebowanie na energię z podziałem na regiony pokazano na rys. 1-5.

Ilustracja 1-4. Zużycie energii na świecie, 1980-2030

Ilustracja 1-5. Zapotrzebowanie na energię pierwotną z podziałem na regiony (% AAGR w latach 1980-2030)

Konsumpcja energii (kwadrylion BTU)

284309

347365

398

462

512

563

608

652

695

Procentowa średnia rocznastopa wzrostu (%AAGR)

0,5

1

1,1

1,8

2,3

2,3

2,9

3,2

3,6


Ro

zdzi

ał 1Średnia roczna stopa wzrostu (% AAGR):

Średni przyrost wartości w okresie jednego roku - wartość jest obliczana jako średnia arytmetyczna stopy wzrostu w skali roku. Na przykład, gdy w jednym roku zapotrzebowanie na energię dla danego regionu przewiduje się w wysokości 10%, a dla następnego 20%, to AAGR dla dwóch lat będzie wynosić 15%.

Niemal w każdym kraju istnieją systemy, które za pomocą podatków zachęcają do zmniejsze-nia zużycia paliw kopalnych. Istnieją również systemy wspierające wykorzystanie alterna-tywnych technologii energetycznych. Wielu ekspertów zachęca do redukcji zużycia pa-liw kopalnych w krajach uprzemysłowionych i promuje budowę infrastruktury umożliwiającej wykorzystanie zrównoważonych, odnawialnych źródeł energii.

Około 43% światowej populacji używa węgla jako podstawowego sposobu uzyskiwania ener-gii, gazu ziemnego 22%, odpadów i palnych odnawialnych źródeł energii 14% (w tym energii geotermalnej, wodnej i słonecznej), energii nu-klearnej 13%, paliw płynnych 8%, co pokazano na Ilustracji 1-6 [1, 2].

W XVIII i XIX wieku, węgiel był podstawo-wym paliwem używanym w czasie rewo-lucji przemysłowej. W erze samochodów i elektryczności w gospodarstwach domowych, ropa naftowa stała się głównym paliwem XX wieku. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat

to węgiel stał się najszybciej rozwijającym się paliwem kopalnym, głównie z powo-du zwiększonego zużycia paliw kopalnych w Chinach. Choć odnawialne źródła energii zaspokajają obecnie niewielki procent całkowitego zużycia energii, to w porównaniu ze wszystkimi innymi typami energii, mają naj-wyższą średnią roczną stopę wzrostu (AAGR), co pokazano na rys. 1-7.

Ilustracja 1-6. Wytwarzanie energii elektrycznej z paliw na świecie

Ro

zdzi

ał 1

43%

8%13%

14%

22%

Węgiel

Ropa naftowa

Energia nuklearna

Energia odnawialna

Gaz naturalny

Ilustracja 1-7. Średnia roczna stopa wzrostu dla paliw kopalnych i odnawialnych źródeł energii.

Procentowa średnia roczna stopa wzrostu(%AAGR)

1,9

2,8


Energia słoneczna dochodząca do Ziemi

174 PW

89 PW absorbowane przez lądy i oceany

Promieniowanie Ziemi wychodzące w kosmos 10

Odbita przezatmosferę 10

Odbita przez chmury 35

Odbita przezpowierzchnię Ziemi 7

Absorbowana przezatmosferę 33

Promieniowanie atmosfery wychodzące w kosmos 111

Prądy konwekcyjne 12

Ciepło w parze wodnej 40

Promieniowanie absorbowane przez atmosferę 26

1.3 Globalne ocieplenie

Prawie każdy słyszał termin “globalne ocieplenie” i wie, że to oznacza ocieplenie klimatu na naszej planecie. Jednak większość z nas nie wie, co dokładnie to właściwie oznacza i jak się to ocenia.

Globalne ocieplenie:

Znaczny wzrost temperatury na Ziemi w krótkim okresie czasu, na skutek działalności człowieka.

Wzrost temperatury o 1°C w ciągu wieku, jest uważany za ocieplenie [3, 4]. Zmiany klimatu za-zwyczaj trwają dziesiątki tysięcy lat. Chociaż wzrost o 1°C czy 2°C może wydawać się niewielki, to jednak nawet takie zmiany temperatury mogą mieć istotny wpływ na klimat. Kiedy słyszymy określenie „Epoka lodowcowa”, prawdopodobnie mamy na myśli świat pokryty śniegiem i lodem. Epoki lodowcowe zdarzały się w przeszłości co 50 tys. do 100 tys. lat, a średnie globalne temperatury były wtedy tylko 5 °C niższe niż są obecnie [3, 4].

Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) jest grupą ponad 2500 naukowców z krajów na ca-łym świecie. Spotkali się oni w 2007 roku, aby przeprowadzić badania klimatu. Ilustracja 1-8 pokazuje wyniki ustaleń tego zespołu, dotyczące zmian temperatury i poziomu morza. Jednym z wniosków z tego spotkania było to, że ostatnie 15 lat było najcieplejsze od 1850 roku.

Inne istotne fakty, które zostały opisane podczas tej konferencji to [3, 4, 5]:

• Ilość lodowców i śnieguna półkuli północnej i południowej zmniejszyła się. Średnie temperatury arktyczne wzrosły dwukrotnie względem średniej światowej w ciągu ostatnich 100 lat.

• Opady deszczu wzrosły w obu Amerykach, Europie i północnej części Azji. W Południowej Afryce i w basenie Morza Śródziemnego odnotowano trendy pustynnienia.

• Gorące dni stają się coraz częstsze, a zimne dni są mniej częste i dotkliwe.

Naturalne zmiany klimatu, takie jak ocieplenie z powodu aktywności wulkanicznej, promieniowa-nia słonecznego oraz zmian właściwości chemicznych atmosfery wymagają tysięcy lat, aby zmienić temperaturę tylko 1 °C [3, 4, 5].

Ilustracja 1-8. Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu opublikował zmiany temperatury i poziomów mórz (według [5])

Różnice w latach 1961-1990

Globalna średnia temperatura (°C)

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

1850 1875 1900 1950 1975 2000


Globalny średni poziom morza (mm)

1850 1875 1900 1950 1975 2000

80

60

40

20

-120

0

-20

-40

-60

-80

-100

1925 1925

-140


Ro

zdzi

ał 1

Energia słoneczna dochodząca do Ziemi

174 PW

89 PW absorbowane przez lądy i oceany

Promieniowanie Ziemi wychodzące w kosmos 10

Odbita przezatmosferę 10

Odbita przez chmury 35

Odbita przezpowierzchnię Ziemi 7

Absorbowana przezatmosferę 33

Promieniowanie atmosfery wychodzące w kosmos 111

Prądy konwekcyjne 12

Ciepło w parze wodnej 40

Promieniowanie absorbowane przez atmosferę 26

1.3.1 Efekt cieplarniany

Globalne ocieplenie spowodowane jest wzrostem efektu cieplarnianego. Efekt cieplarniany jest zjawi-skiem pożądanym, ponieważ utrzymuje ciepło na Ziemi i umożliwia przeżycie na planecie. Gdy energia słoneczna wchodzi w atmosferę ziemską, około 70% energii pozostaje na planecie, a pozostałe 30% jest odbijane w kosmos [5].

Ciepło, które pozostaje na planecie jest pochłonięte przez lądy, oceany i roślinność, a część zostaje wypromieniowana z obszaru oceanów. Również chmury są odpowiedzialne za odbijanie ciepła w prze-strzeń kosmiczną. Część ciepła zostaje wchłonięta przez gazy atmosfery (np. dwutlenk węgla, metan i para wodna), co powoduje utrzymywanie przez planetę ciepła. Ilustracja 1-9 pokazuje cykle energii słonecznej i efektu cieplarnianego. Jeśli na Ziemi nie byłoby efektu cieplarnianego, to prawdopodobnie wyglądałaby trochę jak Mars. Niektórzy naukowcy sugerują, że gdyby udało nam się wprowadzić do atmosfery Marsa wystarczającą ilość dwutlenku węgla i pary wodnej – powłoka gazowa mogłaby stać się wówczas na tyle gruba, aby zachować ciepło, co umożliwiłoby roślinom życie na powierzchni. W efekcie rośliny te zaczęłyby produkować tlen. Obraz obecnej atmosfery Marsa pokazany jest na Ilustracji 1-10.Od czasów rewolucji przemysłowej, przybyło mnóstwo gazów, które przeszły do atmosfery i przyspie-szyły efekt cieplarniany. Niektóre z tych gazów to [5]:

Ilustracja 1-9. Energia słoneczna i efekt cieplarniany


Globalny średni poziom morza (mm)


1. Dwutlenek węgla (CO2): gaz bezbarwny, który jest jednym z produktów

ubocznych spalania paliw kopalnych. Większość CO2 w atmosferze znalazła się tam w wyniku erupcji wulkanicznych miliony lat temu. Jednak od wielu lat wydatnie pomagamy w zwiększeniu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Dwutlenek węgla jest głównym czynnikiem powstawania globalnego ocieplenia, ponieważ absorbuje promieniowanie podczerwone. Światowa emisja CO2 wzrosła z 1 mld ton w 1900 roku do 8 mld ton w roku 2000 [5]. Według szacunków IPCC ilość CO2 w atmosferze wzrosła z 280 ppm w 1800 roku do 379 ppm w roku 2005 [5].

2. Podtlenek azotu (N2O): poziom podtlenku azotu, który został wprowadzony do

atmosfery jest niższy niż poziomy emisji CO2, ale ilość energii, którą pochłania N2O jest około 270 razy większa [5]. N2O jest także produktem ubocznym spalania oraz pojawia się w wyniku uwalniania go w dużych ilościach.

3. Metan (CH4): podstawowy składnik gazu ziemnego. Jest on produktem ubocznym

spalania węgla, rozkładu śmieci, a w przyrodzie powstaje w wyniku beztlenowego rozkładu szczątków roślinnych. Pochłania on około 20 razy więcej energii, niż CO2, a zatem również nagrzewa atmosferę ziemi [5].

4. Para wodna: za efekt cieplarniany jest także, w dużym stopniu, odpowie-dzialna para wodna. Zwykle jest to wynikiem zmian klimatycznych, a nie jest powodowane przez człowieka. Gdy ziemia się nagrzewa, para wodna podno-si się, a temperatura powietrza, przy gruncie, zmniejsza się. Ostatecznie, para wodna ochładza się na tyle, że przekształca się z powrotem w ciekłą wodę, i ponownie opada. Ponieważ ilość pary wodnej rośnie, zatem więcej jej konden-suje się w chmurach, co przyczynia się do zwiększonego odbijania promieniowa-nia słonecznego i powoduje, że mniej energii może wejść w ziemską atmosferę. Ilustracja 1-11 pokazuje cykle parowania wody, kondensacji i opadów atmosfe-rycznych. Naukowcy nie mają pewności co do dokładnego wpływu rosnących ilości pary wodnej na ziemi, ale większe stężenie pary wodnej jest związane ze wzrostem ilości dwutlenku węgla.

Ilustracja 1-10. Obraz powierzchni Marsa przesłany przez sondę Viking.


Ro

zdzi

ał 1

Cyrkulacja atmosferyczna

Paro

wan

ie

Op

ady

Śnieg

Sub

limac

ja

lodu

Cyrkulacjaoceanu

OgrzewanieLinia równowagi bilansowej

Akumulacja

wiatr

Redystrybucja poprzezTopnienie i odpływy

Przemieszczanie s

ię

Ze względu na globalny wzrost temperatury, topnieją lodowce oraz lody szelfowe, jak to pokazano na Ilustracji 1-12. Stopienie się dużych mas lodowych może przyspieszyć proces globalnego ocie-plenia ze względu na fakt, że będzie odbijane mniej energii słonecznej. Oczywiście, topnienie mas lodu spowoduje wzrost poziomu mórz. Początkowo wzrost byłby tylko o kilka centymetrów. Jednak nawet taki wzrost może spowodować zalanie niektórych nisko położonych obszarów przybrzeżnych. Jeżeli stopiona zostałaby pokrywa lodowa Zachodniej Antarktydy, to poziom mórz mógłby wzrosnąć o 10 metrów [2, 3, 5]. W ten sposób wiele obszarów przybrzeżnych zniknęłoby pod wodą.

Największe masy lodu na świecie są na Antarktydzie, która posiada 90% światowego lodu. Grubość lodu wynosi około 2133 metrów [5]. Jeśli ten lód się stopi, poziom oceanów wzrośnie około 61 metrów [5]. Na szczęście średnia temperatura Antarktydy wynosi -37°C, w związku z tym dość trudno uzyskać temperatury sprzyjające topnieniu [3, 5].

Pokrywa lodowa bieguna północnego nie jest tak gruba jak na Antarktydzie i pływa na powierzchni wody. Jeśli ten lód by się stopił, poziom mórz i oceanów może pozostać nienaruszony. Dużą pokrywę lodu posiada Grenlandia i gdyby jej powłoka lodowa została stopiona, to poziom wód wzrósłby o około 7 metrów [5]. Od Grenlandii do równika jest bliżej, zatem prawdopodobnie lód na Grenlandii stopiłby się jako pierwszy.

Cykle wody

Kondensacja

Odparowanie

Parowanie terenowa

Sublimacja

Opady

Woda zmagazynowana w lodzie i śniegu Woda zmagazynowana

w atmosferze

Wypływ wód gruntowych

Infiltracja

Magazynowanie wody gruntowej

Roztopowy odpływdo strumieni

Przepływstrumieni

Źródło

Odparowanie

Spływ powierzchniowy

Magazynowanie wody słodkiej

Woda zmagazynowanaw oceanach

Ilustracja 1-11. Obieg wody z parowania, kondensacji i opadów atmosferycznych.

Ro

zdzi

ał 1

1.3.2 Poziomy morza

Ilustracja 1-12. Cykle przepływu wody pomiędzy oceanem, atmosferą i lodowcem.


1.3.3 Skutki globalnego ocieplenia

Trudno jest przewidzieć wpływ globalnego ocieplenia na ekosystemy. Wiele ekosystemów jest bardzo delikatnych i już niewielkie zmiany mogą je drastycznie zmienić. Ekosystemy są ze sobą połączone, dlatego też zmiany w jednym ekosystemie z pewnością będą miały wpływ na inne ekosystemy. Wzrost temperatury lub opadów deszczu może wpłynąć na ilość plonów. W przybliżeniu około 5 mld dolarów kosztują rocznie straty wynikające ze słabych zbiorów z powodu globalnego ocieplenia [7]. Na każdy stopień wzrostu temperatury przypada 3 – 5 procentowy spadek plonów [5, 6].

Ekosystem:

Obszar, który składa się ze wszystkich żywych (roślin, zwierząt i mikroorganizmów) i nieożywionych czynników fizycznych, funkcjonujący w środowisku w zgodzie z sobą.

1.3.4 Czy możemy powstrzymać globalne ocieplenie?

Emisja gazów cieplarnianych bezpośrednio przyczynia się do problemów zdrowotnych, kwaśnych deszczy i powstawania ozonu. W wielu częściach Chin i Indii, zanieczyszczenie powietrza pozostaje kwestią zdrowia publicznego. Kwaśne deszcze powstają, gdy w atmosferze występuje dwutlenek siarki (SO2), trójtlenek siarki (SO3) i dwutlenek azotu (NO2). Występują wówczas reakcje chemiczne wytwarzające związki kwasowe. Są one wchłaniane przez kropelki wody w chmurach, a następnie opadają na ziemię, zwiększając kwasowość ekosystemu. Może to szkodzić roślinom, glebie, oraz budynkom. Najbardziej kwaśne związki osadzają się w pobliżu źródła zanieczyszczenia, ale mogą być również przenoszone w atmosferze przez setki lub tysiące kilometrów. Oznacza to, że utworzone w USA gazy mogą być przenoszone do Chin i odwrotnie.

Obecne stężenie dwutlenku węgla w lodzie wynosi od 180 do 300 ppm (części na miolion) i jest znacznie większe niż w lodzie sprzed ponad 650 tys. lat [3, 6]. Jeśli stężenie CO2 wzrośnie do 400 - 440 ppm, to ewentualny wzrost temperatury może wynieść około 2,4 - 2,8 °C, [3, 4, 6].

Aby poziom CO2 się ustabilizował, musi on najpierw osiągnąć wartość maksymalną, żeby następnie mógł zacząć opadać. Im szybciej, się to stanie, tym maksymalny poziom będzie mniejszy i szybciej będzie można uzyskać stabilizację. Według IPCC, w celu stabilizacji koncentracji ekwiwalentu CO2 na poziomie 445-490 ppm szczyt emisji CO2 powinien wystąpić najpóźniej w 2015 roku, aby następnie opaść poniżej 50-85% poziomu z roku 2000, co miałoby miejsce około roku 2050. Uzyskanie później maksymalnych wartości stężenia dopro-wadzi do większych wzrostów temperatury. Ilustracja 1-13 przedstawia średni wzrost globalnej temperatury i stężenia CO2 oraz koncentracji CO2 według lat.

Globalne ocieplenie będzie trwało jeszce przez z powodu gazów cieplarnianych, które zostały już wpusz-czone do atmosfery. Choć wydaje się, że wiele szkód już zostało już wyrządzonych, to można jednak jeszcze zmniejszyć emisję robiąc kilka rzeczy:


Ro

zdzi

ał 1

20

• Poprawa efektywności energetycznej: efektywność energetyczna to stosunek energii uzyskanej do energii włożonej.

Wszystkie rodzaje urządzeń mogą stać się bardziej efektywne. Doprowadzi to do mniejszego zużycia paliw kopalnych, co z kolei zmniejszy emisję gazów cieplarnianych. Jednym ze sposobów poprawy efektywności energetycznej jest upewnienie się, że samochód, którego używamy ma właściwie ustawiony poziom emisji spalin, co z kolei przełoży się na zmniejszenie ilości emitowanych gazów.

• Oszczędzanie energii: oszczędzanie energii poprzez używanie mniejszej ilości usług, które wymagają energii. To również obniża emisję gazów. Istnieje wiele sposobów, aby oszczędzać energię: wyłączanie nieużywanych świateł, używanie wentylatora zamiast klimatyzacji, mniejsze zużycie ciepłej wody.

• Korzystanie z mniejszej ilości związków węgla w używanych paliwach kopalnych: jeśli węgiel jest przetwarzany bez stosowania czystych technologii węglowych, emituje 75% więcej dwutlenku węgla na jednostkę energii niż gaz ziemny, a także więcej niż ropa naftowa [5]. Dlatego wykorzystanie gazu ziemnego zamiast węgla zmniejsza emisję CO2 na jednostkę zużytej energii.

• Korzystanie z bezwęglowych źródeł energii: odnawialne źródła energii, takie jak wiatr, ener-gia słoneczna i jądrowa nie wytwarzają CO2. Jeśli wodór otrzymuje się w sposób zrównoważony, ogniwa paliwowe nie produkują CO2. Te źródła energii mogą być wykorzystywane do podgrzewania wody, basenów lub całych gospodarstw domowych i przedsiębiorstw.

• Wychwytywanie i składowanie CO2: istnieje wiele technologii, które pozwalają na wychwytywa-

nie i przechowywanie CO2 emitowanego podczas spalania paliw. Technologie te można stoso-wać zarówno przed, jak i po spalaniu. CO2 można przechowywać w opróżnionych złożach ropy i gazu, kawernach solnych czy też w nieczynnych kopalniach węgla.

Najlepszą metodą na znaczne zmniejszenie emiji zanieczyszczeń jest rozwój źródeł energii nie korzystających z paliw kopalnych. Alternatywne źródła energii, takie jak: energia słoneczna, wiatrowa i ogniwa paliwowe, mogą pomóc w redukcji emisji gazów cieplarnianych, jeśli będą powszechnie stosowane.

Ilustracja 1-13. Stężenie i emisja dwutlenku węgla

Efektywność energetyczna =Energia uzyskana na wyjściu urządzenia

Energia dostarczona do wejścia urządzenia

375 420 463528

615725

2,22,6 3,0

3,6 4,55,5

Średni wzrost temperatury globalnej (°C)

700600500400300200100

0

1990 2000 2010 2020 2030

Lata

Em

isja

dw

utl

enku

węg

la (

mili

on

y to

n)

50

45

40

35

30

25

15

10

5

0

20

24

34

44

37

3133

Ko

nce

ntr

acja

dw

utl

enku

węg

la (

pp

m)


Obecne technologie energetyczne to paliwa kopalne - węgiel, ropa, gaz - jak również silniki cieplne oraz baterie. Przewiduje się, że węgla, ropy i gazu już w niedalekiej przyszłości będzie brakować, a liczba ludności na świecie rośnie w szybkim tempie. Wzrasta także ilość zużytego paliwa.

1.4 Wady aktualnych technologii energetycznych

Szacunki dla paliw kopalnych są bardzo zróżnicowane. Zakładając, że wskaźnik wykorzystania z roku 2005 pozostanie stały, konwencjonalnej ropy naftowej zabraknie za około 40 lat, a węgla za około 150 lat [4, 5]. Szybko spadnie wtedy produkcja i pozostałe kurczące się rezerwy. Roczne zużycie ropy naftowej w 2005 było na poziomie 0,18 ZJ [8].

Istnieje znaczna niepewność co do tych wyliczeń. 11 ZJ jako uzupełnienie rezerw może być założeniem optymistycznym [8]. Ilustracja 1-14 pokazuje przybliżony podział 57 ZJ ropy naftowej, która pozostała jeszcze na planecie [8]. Omówiliśmy już wady paliw kopal-nych kilka razy, ale powtórzmy jeszcze raz nie-które z nich:

• Są nieodnawialne: paliwa kopalne są za-sobami nieodnawialnymi, których tworzenie trwało miliony lat. Dlatego też, gdy wyczerpią się ich rezerwy, nie ma sposobu, aby uzyskać ich więcej.

• Zanieczyszczają środowisko: dwutlenek węgla emitowany przy spalaniu paliw ko-palnych jest jednym z głównych czynników przyczyniających się do efektu cieplarnia-nego. Węgiel emituje zarówno dwutlenek węgla, dwutlenek siarki jak i trójtlenek siarki, który powoduje kwaśne deszcze.

• Kwaśne deszcze mogą prowadzić również do niszczenia lasów oraz erozji skał i budyn-ków murowanych. Ropa naftowa zawiera toksyczne związki chemiczne, które pod-czas spalania powodują zanieczyszczenie powietrza.

Ilustracja 1-14. Podział pozostałej na planecie ropy naftowej

Zetta dżul (ZJ):

1 ZJ (zetta dżul) = 1021 J (dżuli)

Dżul (J) jest jednostką energii w Między-narodowym Układzie Jednostek i Miar (SI). Może być zdefiniowana jako praca potrzebna do przemieszczenia się ładunku elektrycznego o wartości jednego kulomba, tak aby wygenerować potencjał elektryczny o wartości 1 wolta. Może być również określana, jako ilość pracy, którą trzeba wykonać w ciągu 1 sekundy, aby wytworzyć moc 1 wata.

Oleje ciężkie 3 ZJ

Piaski bitumiczne 2 ZJ

Zasoby udokumentowane 8ZJ

Przyszłe wydobycie 11ZJ

Łupki olejowe 11ZJ

Olej nieodzyskiwalny 22ZJ

38,60%

19,30%

19,30%

14,04%

3,51%5,26%


Ro

zdzi

ał 1

- emisja dwutlenku węgla może być zmniejszona do mniej niż 1%. W związku z tym, że samo-chody te zasilane są za pomocą baterii emitują mniej zanieczyszczeń niż pojazdy z silnikami gazowymi. Ponadto, koszt energii wymaganej do wygenerowania wodoru jest mniejszy niż energii potrzebnej do wytworzenia benzyny. Ilustracja 1-15 przedstawia pojazdy elektryczne napędzane ogniwami paliwowymi.

Obliczenia emisji dwutlenku węgla z różnych typów pojazdów może być dość skompliko-wane. Jednak istnieje kilka sposobów, które mogą być wykorzystywane do obliczenia emisji dwutlenku węgla [9]:

- gdzie Eg to współczynnik paliwowego ekwi-walentu energii elektrycznej, to współczyn-nik zawartości paliwa. AF jest pomocniczym współczynnikiem ropopochodnym, a DPF jest współczynnikiem sposobu jazdy. Metodologia ta została opracowana przez amerykański departa-ment energii i pozwala porównać zużycie paliwa w pojazdach elektrycznych i hybrydowych z tradycyjnymi pojazdami benzynowymi.Prosta metoda obliczania emisji spalin opar-ta jest na rodzaju paliwa. Wskaźnik emisji paliwa zależy od wartości opałowej paliwa, współczynnik utlenienia i zawartości węgla. Zatem emisję można obliczyć w następujący sposób [9]:

Równanie to jest często używane w celu uzyskania szybkich oszacowań emisji CO2.

• Niszczą Ziemię: wydobycie węgla powo-duje zniszczenia w strukturze Ziemi.

• Są niebezpieczne: kopalnie węgla kamien-nego są uważane za jedne z najbardziej niebezpiecznych miejsc pracy na świecie.

• Lokalizacja elektrowni: aby bez przerwy spalać odpowiednie ilości paliw kopal-nych, w celu zapewnienia energii dla sie-ci energetycznej, składy pociągów muszą na bieżąco dostarczać paliwo. Dlatego w pobliżu elektrowni muszą znajdować się rezerwy paliw kopalnych.

• Wycieki ropy naftowej: wycieki ropy wy-stępują na całym świecie i zawsze wiąże się to z zagrożeniem dla środowiska. Powodują one katastrofalne skutki dla życia morskiego na wiele lat.

• Polityka: wiele krajów, które mają rezerwy ropy naftowej są politycznie niestabilne. Narody, które nie mają rezerw i są uzależ-nione od ropy naftowej mogą starać się, dla własnych korzyści, wpływać na politykę tych państw.

Ogniwa paliwowe i pojazdy elektryczne (EV) nie produkują zanieczyszczeń, które związane są z silnikami spalinowymi. W pojazdach elektrycz-nych, paliwa kopalne są używane do generowa-nia energii elektrycznej potrzebnej do ładowania baterii. W pojazdach z ogniwami paliwowymi, wodór jest zwykle wytwarzany również z paliw kopalnych. Jakie mamy więc korzyści z używa-nia takich typów pojazdów? Jeśli elektryczność lub wodór produkowanye są z paliw kopalnych, emisja dwutlenku wę-gla jest mniejsza o połowę. Jeśli elektryczność lub wodór generowane są ze źródeł odnawial-nych, takich jak panele słoneczne i elektroliza

Ilustracja 1-15. (a) Subaru R1E - samochód elektryczny, który można ładować przez noc ze zwykłego gniazdka w domu, (b) Zasilany wodorem miejski samochód Riversimple, używający ogniw paliwowych Horizon 6kW, (c) pojazd Hondy FCX Concept

PEF = Eg x1

0,15x AF x DPF

Emisja CO2 = ilość zużytego paliwa

x wartośċ opałowa x wskaźnik emisji

Ro

zdzi

ał 1

a b c

10,15


1.5 Innowacyjne technologie ekologiczne

Jak wspomniano w sekcji 1.1, istnieje wiele rodzajów odnawialnych “zielonych” technologii. Technologie omawiane w zestawie edukacyjnym energii odnawialnych oparte są o takie elementy jak ogniwa pali-wowe, ogniwa słoneczne, turbiny wiatrowe i elektrolizery. Wprowadzenie do tych technologii opisane jest w następnych sekcjach.

1.5.1 Ogniwa słoneczne

Ciepło i światło słoneczne dostarcza nieograniczoną ilości energii i może być wykorzystane na różne sposoby. Istnieje wiele technologii, których można użyć, aby skorzystać z energii słonecznej. Jest to między innymi wykorzystanie systemów słonecz-nych z koncentratorami, pasywne ogrzewanie i oświetlanie w słoneczne dni, systemy fotowoltaiczne, ogrzewanie wody czy wyko-rzystanie słońca do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń.

Energia słoneczna może być wykorzystana zarówno w dużych jak i małych rozwiązaniach. Przedsiębiorstwa i przemysł mogą zdywersyfi-kować źródła energii, poprawić efektywność, a także zaoszczędzić pieniądze właśnie poprzez wybór technologii słonecznych. Właściciele domów mogą wykorzystywać energię słonecz-ną do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń i ogrzewania wody. Mogą nawet być w stanie produkować wystarczająco dużo energii, aby ich gospodarstwa były samowystarczalne ener-getycznie.

Nadmiarową energię elektryczną można sprze-dawać lokalnym odbiorcom. Istnieje wiele strate-gii projektowania systemów słonecznych, które mogą wspierać zarówno domy jak i obiekty han-dlowe. Obiekty te działałyby bardziej efektywnie i rozwiązania te uczyniłyby je bardziej przyjem-nymi i wygodnymi miejscami do życia i pracy.

W przypadku elektrowni wykorzystanie obfite-go w energię źródła słonecznego może okazać się korzystne także dla ich klientów. Systemy słoneczne z koncentratorami pozwalają elek-trowniom na produkcję energii elektrycznej ze słońca na większą skalę, co z kolei pozwala

klientom na korzystanie z energii słonecznej, bez dokonywania osobistych inwestycji w systemy solarne.

Systemy słoneczne z koncentratorami (CSP):

Systemy używające soczewek lub luster oraz systemów śledzących do zebrania światła słonecznego w małe wiązki. Wiązka światła może być stosowana jako źródło ciepła dla tradycyjnych elek-trowni. Istnieje wiele rodzajów technologii koncentrujących, takich jak rynny, wieże słoneczne czy czasze paraboliczne.

1.5.2 Energia wiatrowa

Turbiny wiatrowe do produkcji energii elektrycznej wykorzystują energię wiatru. Są one montowane na wieżach, aby uchwycić jak najwięcej energii. Na 30 lub więcej metrach nad ziemią, mogą skorzystać z szybszego wiatru i mniejszych turbulencji. Turbiny łapią wiatr za pomocą łopat podobnych do śmigieł. Zwykle, dwie lub trzy łopaty są zamontowane na wale tworząc wirnik.

Łopata działa podobnie jak skrzydło samo-lotu. Gdy wieje wiatr, na zawietrznej stronie łopaty tworzy się poduszka powietrzna, w niej zaś niskie ciśnienie, które przyciąga łopatę. Tak powstaje siła ciągu. Siła ciągu jest znacz-nie silniejsza niż siła oporu łopaty. Połączenie nośnej i oporu powoduje wirowanie wirnika i całego wału, który obraca również generator wytwarzając energię elektryczną.


Ro

zdzi

ał 1Turbiny wiatrowe mogą być stosowane jako

samodzielne urządzenia lub mogą być też podłączone do sieci energetycznej. Częste jest też organizowanie systemów energe-tycznych zbudowanych z turbin wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych. Na większą skalę duże liczby turbin wiatrowych budowane są zwykle blisko siebie, tworząc farmy wiatrowe. Wiele firm energetycznych wykorzystuje już elektrownie wiatrowe do produkcji energii dla swoich klientów. Samodzielne turbiny wiatro-we są często wykorzystywane do pompowania wody czy zapewnienia łączności w niektórych rejonach świata. Także, właściciele domów, rolnicy i hodowcy mieszkający w wietrznych miejscach mogą wykorzystywać turbiny wiatrowe jako sposób na redukcję opłat za prąd.

1.5.3 Elektroliza

Elektroliza wymaga przepływu prądu elek-trycznego przez środowiska jonowe, co powo-duje, że na elektrodach zachodzą reakcje che-miczne. Elektrody używane w elektrolizerze są metalowe, tak aby przewodziły prąd elektrycz-ny. Istnieją stałe i ciekłe związki jonowe i wolne jony mogą przewodzić prąd w oby tych typach związków.

Jon:

Cząstka, która jest elektrycznie naładowana (może mieć ładunek dodatni lub ujemny), atom lub cząsteczka, która zyskała lub utraciła elektrony.

Elektroliza wody to rozbijanie cząsteczki wody na wodór i tlen przy użyciu energii ele-ktrycznej. Elektrolizę czystej wody trudno jest przeprowadzić, ponieważ ma bardzo niską przewodność - około milion razy mniejszą niż woda morska. Przewodność elektryczna jest polepszana poprzez dodanie elektrolitu, tak-iego jak sól, kwas lub zasada.

Źródło energii elektrycznej jest podłączo-ne do dwóch elektrod, które są wprowa-dzane do wody. Wodór pojawia się na

ujemnie naładowanej katodzie, zaś tlen na dodatnio naładowanej anodzie. Ilość wodoru i tlenu będzie generowana proporcjonalnie do dostarczonego ładunku elektrycznego. Elektroli-za zachodzi, ponieważ dostarczana jest energia niezbędna do odseparowania jonów na odpo-wiednich elektrodach.

1.5.4 Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe przekształcają ener-gię chemiczną z wysoką wydajno-ścią bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Urządzenia te mogą być stosowane w dowolnym mie jscu i dowolnym czasie, tak długo jak to koniecz-ne, i tak długo, jak dostarczany jest wodór. Ogniwa paliwowe są jednym z niewielu alternatywnych urządzeń energetycznych, które mogą być używane do zastosowań przenośnych takich jak zasilanie elektro-niki przenośnej, samochodów, domów, budynków, a nawet statków kosmicznych (I lustracja 1-16 przedstawia ogniwa paliwowe NASA). Podstawowa bu-dowa ogniwa paliwowego jest prosta. Składa się ono z wielu warstw. Każda warstwa składa się z elektrolitu pokrytego z każdej ze stron porowatymi elektrodami - anodą i katodą.

Anoda:

Ujemnie naładowane zaciski ogniwa paliwowego lub baterii dostarczającej prąd.

Ilustracja 1-16. Ogniwa paliwowe NASA

Katoda:

Dodatnio naładowane zaciski ogniwa paliwowego lub baterii dostarczającej prąd.


Wodór jest rozbijany na protony i elektrony po stronie anody oraz łączy się z tlenem, wytwarzając wodę po stronie katody. Protony są przenoszone od anody do katody przez elektrolit, a elektrony są przenoszone do katody przez obwód zewnętrzny. Na katodzie, tlen reaguje z protonami i elektronami, tworząc wodę i wytwarza przy tym ciepło [10]. Zarówno anoda jak i katoda zawierają katalizator, który przyspiesza procesy elektrochemiczne.

Reagenty są transportowane w procesie dyfuzji i/lub konwekcji do katalizowanych powierzchni elektrod, gdzie zachodzą reakcje elektrochemiczne. Chociaż składowe reakcje, w różnych typach ogniw mogą być różne, to ogólna reakcja powinna zachodzić według schematu podanego powyżej. Woda i ciepło wytwarzane przez ogniwo paliwowe muszą być na bieżąco usuwane, ponieważ mogą powodować nieprawidłowe działanie komórek paliwowych [11].

Ogniwa mogą korzystać z szeregu różnych paliw do wytwarzania energii z wodoru, między innymi metanolu, paliw kopalnych czy materiałów pochodnych biomasy. Korzystanie z paliw kopalnych do wytwarzania wodoru jest traktowane jako pośredni sposób produkcji wodoru, metanu, metanolu lub etanolu wykorzystywanych w ogniwach paliwowych, zanim infrastruktura wodorowa nie zostanie dopracowana. Paliwa mogą również pochodzić z wielu źródeł biomasy, w tym metanu z odpadów komunalnych, osadów ściekowych, pozostałości z leśnictwa, wysypisk śmieci i odpadów rolniczych i zwierzęcych.

Ilustracja 1-17. Schemat działania pojedynczego ogniwa paliwowego PEM

Paliwo H2 (wodór)

H+

H+

H+

H+

O2

O

O

2H

Powietrze + Para wodna

O2 (Tlen)

Ciepło

H2

H2O

O2

e-

Ogniwo paliwowe PEMwidok z boku

Ogniwo paliwowe PEM

Recyrkulacjazużytego paliwa

Katalizator

Membrana przepuszczająca protony

Płytka przepływowa

Elektroda dyfuzji gazowej (Katoda)

Katalizator

Płytka przepływowa

Elektroda dyfuzji gazowej (Anoda)

Powiększenie

Obwód elektryczny

Anoda: 2H2

Katoda: O2

Ogólnie: 2H2

4H+ + 4e-

+ 4H+ + 4e-

+ O2

2H2O

2H20 + energia elektryczna + ciepło


Ro

zdzi

ał 1

Linie elektryczne

Rurociąg z wodorem

ElektrolizerMagazyn wodoru

Tankowanie wodoru

Auto napędzane wodorem

Stacja paliw z elektrolizerem

Ogniwa paliwowe i silniki

Dostawa do lokalnej stacji paliw

Sieci energetyczne

Krótkoterminowe magazynowanie energii

Inne energie odnawialne Energia słonecznaEnergia geotermalnaEnergia wodnaBiomasa

Wiatr

1.6 Koncepcja gospodarki opartej na czystej energii wodorowej bazująca na połączeniu źródeł odnawialnych

Większość obecnych potrzeb energetycznych na świecie zaspokajają paliwa kopalne. Paliwa te są łatwe do uzyskania, przechowywania i transportu z powodu dużej ilości pieniędzy, które zostały wydane w celu stworzenia, wybudowania i utrzymania systemu dystrybucji. Dzięki obecnemu systemowi dystrybucji paliw, technologia rozwijała się w ciągu ostatnich dwóch stuleci szybciej, niż w całej historii. Pomimo wszystkich zalet, paliwa kopalne mają również negatywny wpływ na środowisko, a część tych negatyw-nych skutków najprawdopodobniej dopiero dostrzeżemy się w przyszłości. Niektóre szkodliwe czynniki zanieczyszczenia powietrza powodują m.in. kwaśne deszcze, zanieczyszczenie wody i gleby w wyniku wycieków i przecieków, akumulację dwutlenku węgla w atmosferze. Zanieczyszczenia te są w stanie podnieść temperaturę atmosfery ziemskiej i przyczynić się do wyginięcia wielu gatunków.

W większości krajów na całym świecie, jeśli doszłoby do przerwania dostaw paliw kopalnych, cała gospodarka zostałaby zatrzymana. Nie byłby możliwy dojazd do pracy czy korzystanie z energii elektrycznej w domach lub miejscach pracy. Także samochody, które spalają benzynę powodują za-nieczyszczenie powietrza. W procesie spalania benzyny, tlenek węgla i tlenki azotu, oraz niespalone węglowodory wędrują do atmosfery. Katalizatory redukują znaczną część tych zanieczyszczeń, ale nie są one idealne. Wiele miast ma również obecnie niebezpieczne poziomy ozonu w powietrzu.

Ponadto, poza negatywnymi skutkami stosowania tych paliw, także ograniczenie ich dostaw nieuchronnie wymusi użycie innych form energii. Popyt na energię będzie stale wzrastać ze względu na stały wzrost populacji światowej.

Przyszłość gospodarki energetycznej to połączenie wielu technologii odnawialnych źródeł energii. W odniesieniu do paliw to wodór jest jednym z najbardziej wydajnych. Jest to doskonale widoczne w statkach kosmicznych NASA – jako podstawowe paliwo stosuje się wodór.

Ilustracja 1-18. Powiązania wodoru z systemem energetycznym


Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem w świecie, jednak nie ma go w czystej postaci na Ziemi. W związku z tym musi on być wyodrębniany z typowych paliw lub wody. Proces, najczęściej stosowany w celu uzyskania wodoru polega na przepuszczaniu gazu ziemnego nad parą wodną. Może być on również uzyskiwany z energii jądrowej, węgla, biopaliw, a nawet z odpadów.

Wodór może być także produkowany bez użycia paliw kopalnych w procesie elektrolizy. Odnawialne źródła energii, takie jak ogniwa fotowoltaiczne, wiatr, woda czy źródła geotermalne są coraz częściej wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Prąd ten z powodzeniem może być używany do elektrolizy, która powoduje rozpad wody na wodór i tlen. Wodór może być stosowany do wytwarzania energii elektrycznej lub też może być przechowywany. Przykłady powiązań wodoru z systemem ener-getycznym są pokazane na Ilustracji 1-18.

Aby z powodzeniem zorganizować społeczeństwo oparte na energii odnawialnej, konieczne jest znalezie-nie sposobu na przechowywanie energii, ponieważ dostawy energii odnawialnej są zwykle przerywane. Zarówno w przypadku energii słonecznej jak i wiatrowej istnieją doskonałe metody na jej pozyskiwanie z zasobów naturalnych, jednak natężenie światła słonecznego czy też natężenie wiatru zmieniają się. Kiedy te źródła są niedostępne - elektryczność nie może być wytwarzana. Dlatego w czasie gdy wy-twarzana jest duża ilość energii, można z wody uzyskiwać wodór, a następnie zmagazynować go do późniejszego wykorzystania.

Ogniwa paliwowe są już wykorzystywane od dekady w rozwiązaniach stacjonarnych – zarówno w prze-myśle jak i zastosowaniach domowych. Przenośne urządzenia elektroniczne, takie jak laptopy, aparaty fotograficzne czy telefony komórkowe zasilane za pomocą wodoru mogą działać od 10 do 20 razy dłużej. Główni producenci samochodów już dawno zainwestowali w pojazdy napędzane ogniwami wodoro-wymi. Chociaż koszty systemów energii odnawialnych wciąż są bardzo wysokie, to nowe rozwiązania technologiczne i większe ilości produkowanych urządzeń powinny obniżyć te koszty.

Ilustracja 1-19. Cykl przetwarzania wodoru od źródeł odnawialnych do odbiorników.

O2O2

O2

O2O2

O2

Słońce

Ogniwo paliwowe

Ogniwa słoneczne

Wodór (H )

Wiatr

Turbina wiatrowa

Transport lotniczy

Transport samochodowy

Poruszanie się

Rekreacja

Elektronika

Światło

Woda (H 0)2

Tlen (O )2Tlen (O )2

Elektrolizer

Woda (H 0)2

2

e-e-

e-


Ro

zdzi

ał 1

Dodatkowo, koszty paliw kopalnych w przyszłości będą wzrastać. Gdy koszt technologii źródeł energii odnawialnych stanie się konkurencyjny z rosnącymi kosztami ropy, gospodarka oparta na paliwach kopalnych zostanie zastąpiona nową gospodarką opartą na energii odnawialnej.

W przyszłości każde gospodarstwo domowe będzie w stanie uzyskiwać własną energię. Przyczyni się to do redystrybucji władzy, ponieważ światowe koncerny naftowe nie będą już kontrolować takiego bo-gactwa zasobów. Poszczególne gospodarstwa domowe będą mogły dzielić się swoją energią poprzez sieć enegetyczną z obszarami, które będą miały jej mniej ze względu na warunki pogodowe. W przyszłości, samochody będą podłączane do gniazdek np. w domach i biurach i będą stanowiły dodatkowe źródło energii elektrycznej. Domy wymagają średnio tylko około 10 kW energii aby w pełni funkcjonować. A ponieważ ogniwa w samochodach mogą generować nawet i 40 kW mocy, zatem sa-mochód mógłby stać się elektrownią dla domu lub biura. Samochody mogą być również podłączone do sieci elektrycznej budynków biurowych i w czasie, kiedy ludzie będą w pracy, będą mogły wspomagać ich zasilanie. Przejście do gospodarki wodorowej stanowi duże wyzwanie i wielką szansę na miarę 21 wieku.

Przejście do gospodarki wodorowej już się rozpoczęło. Dzisiaj gospodarka jest jednak jeszcze oparta na paliwach kopalnych. Obecnie trwają prace nad zmniejszeniem kosztów związanych z gospodarką opartą na wodorze i wciąż niezbędne są kolejne ulepszenia. Zatem, szybko do nauki.

Ilustracja 1-20. Zbiorniki wodoru


1.7 Podsumowanie

Energia jest potrzebna do utrzymania naszego nowoczesnego stylu życia. Paliwa kopalne przyczyniły się do rozwoju i zrewolucjonizowały naszą technologię, transport i każdy inny aspekt nowoczesnego stylu życia. To doprowadziło jednocześnie do kilku negatywnych konsekwencji, takich jak poważne zanieczyszczenie środowiska, prawie zupełne wyczerpanie się światowych zasobów paliw kopalnych czy też polityczne wykorzystywanie surowców w celu dominacji krajów, które mają ich dużo. Zapotrze-bowanie na energię rośnie również z powodu wzrostu globalnej populacji. Szacunki wielu ekspertów mówią, że paliw kopalnych na Ziemi pozostało jeszcze na około 30 - 40 lat. Dlatego czas taniej ropy naftowej nieubłaganie się kończy.

Zanieczyszczenia generowane przez paliwa kopalne mają wpływ na atmosferę ziemską i zanieczysz-czenie powietrza, wody i gruntu. Dlatego istnieją zarówno ekonomiczne jak i środowiskowe przyczyny rozwoju alternatywnych technologii energetycznych. Istnieje wiele technologii uzyskiwania energii, które zostały zbadane i opracowane. Należą do nich między innymi takie źródła energii odnawialnej jak energia słoneczna, wiatrowa, energia wodna, bioenergia, energia geotermalna, jak również wiele innych. Ogniwa słoneczne wykorzystują słońce do produkcji energii elektrycznej, energia wiatru jest uzyskiwana z energii kinetycznej wiatru, a bioenergia wykorzystuje energię roślin.

Każde z tych alternatywnych źródeł energii ma swoje wady i zalety, a wszystkie są na różnych etapach rozwoju. Zestaw edukacyjny umożliwia zaznajomienie się z hybrydowym systemem pozyskiwania energii odnawialnej, która obejmuje pozyskiwanie energii słonecznej, wiatrowej, z ogniw paliwowych w połączeniu z elektrolizą. Ten zestaw edukacyjny w małej skali prezentuje zasady stojące za powstającą gospodarką energii odnawialnej. Obecnie trwają prace nad zmniejszeniem kosztów związanych z gospodarką ener-getyczną przyszłości, ale niezbędne są jeszcze poprawki, które muszą być szybko wykonane. Musimy nauczyć się, jak poprawić te technologie - bo przyszłość wkrótce będzie teraźniejszością.

odnawialne źródła energii -...

Documents