Altermatywne źródła energii - energia wiatru i słońca

Altermatywne źródła energii - energia wiatru i słońca

Weronika Kajkowska 2B

OZE, czyli odnawialne źródła energii

OZE to odnawialne źródła energii, czyli takie, których wykorzystanie nie wiąże się z ich niedoborem, ponieważ ich zasoby w krótkim czasie ulegają odnowieniu w wyniku naturalnych procesów. Do źródeł odnawialnych należą m.in. wiatr, promieniowanie słoneczne, geotermia, energia wody, biomasa. Zaletami pozyskiwania energii z OZE jest oszczędność zasobów (paliwa kopalne), które po pierwsze są wyczerpywalne, a po drugie ich wykorzystanie wiąże się z emisją zanieczyszczeń.

Energia wiatru

Energia wiatru jest energią pochodzenia słonecznego. Zjawisko powstawania wiatrów związane jest w głównej mierze z nierównomiernym ogrzewaniem mas powietrza promieniowaniem słonecznym, nierówności powierzchni ziemi oraz obrotami kuli ziemskiej.

Do produkcji energii elektrycznej na bazie wiatru służą turbiny wiatrowe, obecnie często skupoione w tzw. farmy wiatrowe.

Turbiny wiatrowe

Z punktu widzenia techniki, działanie turbiny wiatrowej jest bardzo proste. W zasadzie najprostszy wiatrak to prądnica, do której przymocowane są łopaty poruszane przez wiatr. Wiatr poruszając łopaty wiatraka powoduje ruch mechaniczny – obrót. Obracają się łopaty oraz oś wiatraka. Jeśli przymocujemy do osi wiatraka zwój drutu, a wokół tego drutu umieścimy magnesy, to zbudujemy cewkę magnetyczną (inaczej: prądnicę, dynamo), czyli najprostszy generator elektryczny.

Najczęściej takie elektrownie zlokalizowane są w pobliżu brzegów morskich, ponieważ prędkość wiatrów w takich miejscach jest dwukrotnie większa niż na lądzie.

Tak wytworzoną energię można wykorzystywać w gospodarstwach domowych i w zakładach przemysłowych, np. do oświetlania pomieszczeń, pompowania wody czy nawadniania pól.

Typy energetyki wiatrowej

Aktualnie rozwijane są trzy typy instalacji wiatrowych, które różnią się przede wszystkim wielkością urządzeń oraz warunkami lokalizacyjnymi. Są to:Lądowa energetyka wiatrowa – farmy wiatrowe będące zespołem kilku lub kilkudziesięciu turbin wiatrowych, zlokalizowane na lądzie w miejscach o dostatecznej wietrzności, z zachowaniem bezpiecznych odległości od zabudowań. Mała i mikro (rozproszona) energetyka wiatrowa – pojedyncze turbiny wiatrowe o niewielkiej mocy, zlokalizowane w pobliżu domostw lub na dachach jako alternatywne źródło energii. Małe elektrownie wiatrowe znajdują zastosowanie także tam, gdzie doprowadzenie energii z sieci elektroenergetycznej nie znajduje uzasadnienia ekonomicznego (np. zasilanie oświetlenia znaków drogowych, ulic, billboardów). Morska energetyka wiatrowa – farmy wiatrowe składające się z kilkunastu do kilkudziesięciu turbin wiatrowych, które są zlokalizowane na otwartych wodach morskich oraz są na stałe związane z dnem morskim. Obecnie bada się również możliwości budowy pływających platform, do których umocowane będą duże morskie farmy wiatrowe. Pozwoliłoby to na znaczne oddalenie instalacji od lądu.

Zalety i wady energetyki wiatrowej

Zalety energetyki wiatrowej: - Wiatr jest dostępny na powierzchni Ziemi praktycznie wszędzie, więc wszędzie można próbować go wykorzystać do produkcji energii. - Wiatraki mogą obecnie wykorzystać nawet 40% energii wiatru, który je porusza. Zakres prędkości wiatru, przy których turbina wiatrowa może bezpiecznie produkować prąd, wynosi od 4 do 25 m/s. - Wiatraki mogą pracować przez cały rok, zarówno w dzień jak i w nocy, i przez tyle czasu produkować energię elektryczną. - Instalacje wiatrowe to źródło czystej energii. Nie emitują pyłów ani szkodliwych gazów, w tym gazów cieplarnianych. Nie produkują też odpadów.

- Energia wiatrowa wytwarzana jest przy bardzo niskich kosztach. Obsługa turbin sprowadza się do okresowych przeglądów i napraw. - Turbiny wiatrowe mogą funkcjonować autonomicznie albo jako elementy włączone do sieci elektroenergetycznej. - Wraz z rozwojem i popularyzacją technologii energetyki wiatrowej maleje cena rynkowa instalacji wiatrowych, a jednocześnie wzrasta ich efektywność, czyli ilość pozyskiwanej energii w relacji do siły wiatru

Negatywne skutki działania elektrowni wiatrowych mogą być związane z ich następującymi cechami:

- Wiatr nie wieje zawsze i nie zawsze ma taką siłę, aby wiatrak mógł poruszyć turbinę i produkować prąd. Obecnie elektrownia lądowa działa przez ok. 25–30% godzin w roku. Jeśli prąd jest oddawany do sieci elektroenergetycznej, zmienność dostaw energii może powodować utrudnienia w zarządzaniu siecią. Aby uzupełnić braki w dostawie energii wiatrowej, potrzebne są inne źródła energii, które będą mogły bilansować zapotrzebowanie ( jak np. elektrownie biomasowe czy biogazownie) lub magazyny energii. Te drugie, kiedy wiatr nie wieje, pozwalają wykorzystać nadwyżkę energii wyprodukowaną w dni wietrzne.- Niekiedy turbiny wiatrowe, zwłaszcza duże instalacje, mogą stanowić barierę dla nietoperzy i ptaków migrujących. Aby uniknąć lokalizacji wiatraków na trasach przelotu tych zwierząt, przed powstaniem farmy wiatrowej wykonuje się trwający co najmniej rok monitoring środowiska, który z dużym prawdopodobieństwem pozwala wyeliminować tego typu zagrożenia. - Pojedyncze duże wiatraki, a także farmy wiatrowe, mogą być postrzegane przez niektórych ludzi jako niepożądany, nieestetyczny element krajobrazu oraz czynnik wpływający na zmniejszenie wartości terenu. Trzeba jednak zaznaczyć, że w niektórych miejscowościach nowoczesne wiatraki stanowią również atrakcję turystyczną, która przynosi gminom dodatkowe dochody.

- Obracające się łopaty wiatraka są dla niektórych uciążliwe wizualnie (błyski, efekt stroboskopowy). - Turbiny wiatrowe są źródłem hałasu (dźwięków słyszalnych oraz niesłyszalnych dla ludzkiego ucha, czyli tzw. infradźwięków) pochodzącego głównie z generatora oraz łopat wirnika. Przy niewłaściwej lokalizacji wiatraki mogą być więc uciążliwe dla ludzi i zwierząt. Jednak poziom hałasu z turbin wiatrowych w zdecydowanej większości przypadków nie ma negatywnego wpływu na zdrowie ludzi. Jest on porównywalny do szumu samochodów na autostradzie. Z tego względu farmy wiatrowe są zwykle lokalizowane w pewnej odległości od terenów zamieszkanych. Aby wyeliminować uciążliwości dla mieszkańców, przed zainstalowaniem turbiny wykonuje się specjalistyczne analizy w celu upewnienia się, że hałas przez nie generowany nie przekracza dozwolonych poziomów. - Choć zdarza się to niezwykle rzadko, turbiny wiatrowe mogą też być emiterem nadmiernego pola elektromagnetycznego. Pole elektryczne emitowane przez turbiny wiatrowe jest ok. 100 razy, a magnetyczne ok. 10 razy mniejsze niż dopuszczalne normy określone ze względu na wpływ na zdrowie. Pole elektryczne wytwarzane przez turbinę wiatrową jest mniejsze niż pole emitowane przez telefony komórkowe, których codziennie używamy.

Przydatne definicje

Energia naturalna – wytwarzana ze źródeł naturalnie występujących w naturze: słońca, wiatru, wody i energii geotermalnej.Farma wiatrowa – elektrownia wiatrowa, która wytwarza prąd z energii wiatrowej. Turbina wiatrowa – urządzenie, zamieniające energię wiatru na pracę mechaniczną obrotu łopatek wirnika

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit

Energia słońca

Promieniowanie Słońca stanowi niezykłe źródło energii. Energia słoneczna jest od lat z powodzeniem wykorzystywana do zasilania elektrycznego statków i sond kosmicznych. Do powierzchni Ziemi dociera tylko część promieniowania słonecznego, a i tak energia światła padającego w ciągu jednego dnia na naszą planetę jest 6000 razy większa od potrzeb energetycznych wszystkich państw.

Fotowoltaika

Dzięki fotowoltaice możliwe jest pozyskanie energii elektrycznej ze słońca. W wyniku zjawiska fotowoltaicznego, na ogniwach krzemowych z których zbudowane są panele, następuje konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Powstały w ten sposób prąd stały zamieniany jest w prąd zmienny obecny w domowym gniazdku.

Najczęściej spotykanymi rodzajami paneli fotowoltaicznych są monokrystaliczne i polikrystaliczne, które różnią się między sobą budową i właściwościami. Wraz z rozwojem branży fotowoltaiki do przodu idzie również technologia.

Przydatne definicje

Promieniowanie – przekazywanie ciepła, które emitowane jest przez każdą materię o temperaturze wyższej niż zero bezwzględne. Elektrownia słoneczna – elektrownia, która przetwarza energię promieniowania słonecznego na energię cieplną lub prąd elektryczny. Kolektor słoneczny – inaczej panel solarny, urządzenie, które zamienia energię promieniowania słonecznego na energię cieplną.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne mają bardziej skomplikowaną zasadę działania, która wymaga zrozumienia pojęcia energii elektrycznej oraz budowy atomów.Atom składa się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony stanowią jądro atomu, wokół którego krążą elektrony. Protony i elektrony posiadają ładunek elektryczny. Poprzez uporządkowanie ruchu ładunków elektrycznych uzyskujemy prąd elektryczny, który możemy praktycznie wykorzystać. Energię elektryczną można wyzwolić głównie z atomów niektórych metali, np. miedzi, żelaza, cyny, ołowiu czy srebra, będących przewodnikami, oraz z atomów półprzewodników, np. krzemu.

Do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną służą ogniwa fotowoltaiczne, a proces zamiany nosi nazwę konwersji fotowoltaicznej. Ogniwo fotowoltaiczne to krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne) w postaci złącza p-n (positive – negative).

Zalety i wady energetyki słonecznej

O tym, że wykorzystanie energii słonecznej poprzez zastosowanie kolektorów słonecznych i ogniw fotowoltaicznych jest korzystne dla ludzi i środowiska, świadczą następujące zalety: - Promieniowanie słoneczne jest dostępne praktycznie wszędzie, a więc w każdym miejscu można je próbować przetworzyć na użyteczną człowiekowi energię. - Kolektory słoneczne mogą wytwarzać ciepło przez cały rok. W warunkach polskich od wiosny do jesieni mogą nawet całkowicie zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę, natomiast zimą mogą służyć do jej wstępnego podgrzania. - Ogniwa fotowoltaiczne produkują najwięcej energii w ciągu dnia, kiedy zwykle zapotrzebowanie na energię jest największe.

- Obsługa instalacji fotowoltaicznej sprowadza się do okresowych przeglądów i napraw oraz czyszczenia powierzchni pokryć szklanych. - Za energię słoneczną do oświetlania ogniw nie musimy płacić tak, jak np. za węgiel do elektrowni. - Fotowoltaika jest jedną z najbardziej innowacyjnych i przyjaznych dla środowiska technologii. Systemy fotowoltaiczne wyróżniają się prostotą instalacji i są łatwe do wykorzystania. - Instalacje słoneczne mogą funkcjonować bez podłączenia do sieci albo jako elementy włączone do sieci ciepłowniczej lub elektroenergetycznej. - Wraz z rozwojem i popularyzacją technologii energetyki słonecznej maleje cena rynkowa instalacji słonecznych, a jednocześnie wzrasta ich efektywność. - Instalacje słoneczne to źródła czystej energii. Nie emitują szkodliwych gazów i pyłów oraz nie produkują odpadów, np. popiołów.

Energetyka słoneczna ma również swoje wady: - Cena pojedynczej instalacji słonecznej ciągle jeszcze może wydawać się wysoka, ale instalacja praktycznie nie wymaga wielu napraw i przeglądów, a więc samo jej funkcjonowanie jest tanie. - Ilość promieniowania słonecznego zmienia się w zależności od pory dnia, stopnia zachmurzenia oraz położenia Ziemi względem Słońca. W przypadku energii elektrycznej ta zmienność może stanowić problem dla sieci elektroenergetycznych. W Polsce w zimie, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest największe w ciągu roku, ilość dostępnego promieniowania słonecznego jest najniższa, co obniża korzyści płynące z zainstalowania kolektorów słonecznych. - Wytwarzanie ogniw fotowoltaicznych może być uciążliwe dla środowiska ze względu na wykorzystywanie przy produkcji urządzeń pierwiastków o właściwościach toksycznych. Każda fabryka tych urządzeń jest odpowiednio zabezpieczona, aby pierwiastki te nie były uwalniane do środowiska. Trwają prace nad wyeliminowaniem ich z użycia.

Globalne ocieplenie

Surowce energetyczne to skondensowane i stosunkowo łatwe w użyciu paliwa. Wystarczy je spalić, energia w nich zawarta uwalnia się od pierwszej iskry. Wiemy jednak, że wykorzystanie surowców nieodnawialnych niesie ze sobą zgubne skutki dla całej Ziemi, w tym dla człowieka. Produktami spalania są szkodliwe dla zdrowia substancje, np. tlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu oraz pyły i popioły. Produktem spalania węgla, ropy naftowej czy gazu ziemnego jest także dwutlenek węgla. Nie jest on szkodliwy dla zdrowia człowieka, ale zwiększenie jego ilości w ziemskiej atmosferze wzmacnia efekt cieplarniany. Efekt cieplarniany polega na tym, że gazy cieplarniane nie pozwalają uciekać w kosmos ciepłu, które unosi się z powierzchni Ziemi. Ciepło to pochodzi z wnętrza Ziemi lub jest wynikiem przemiany promieni słonecznych w ciepło na jej powierzchni. Dzięki temu ciepłu i gazom cieplarnianym, które nie pozwalają mu uciec, przy Ziemi od wielu tysięcy lat panuje średnia temperatura ok. 15 st. C.

Skutki globalnego ocieplenia

Naukowcy próbują przewidzieć skutki podnoszącej się na Ziemi temperatury i perspektywy te nie są optymistyczne. Poniżej podam bezpośrednie, najbardziej zgubne w skutkach zjawiska, które zajdą w wyniku wzrostu temperatury. Stopnieją wszystkie lodowce, w tym także lód na Oceanie Arktycznym i na Antarktydzie. Topnienie lodowców górskich spowoduje obniżenie stanu wód w rzekach, co doprowadzi do pozbawienia mieszkańców wody potrzebnej do upraw oraz wody pitnej. Topniejące lodowce spowodują, że poziom mórz i oceanów podniesie się o kilka metrów, a tym samym zmieni się linia brzegowa kontynentów. Jedna piąta ludności żyje w strefach przybrzeżnych, gdzie podnoszący się poziom wody oznacza zalanie terenów rolniczych i zamieszkanych obszarów.

Znaczna część Ziemi może stać się niezdatna do życia dla człowieka, roślin i zwierząt ze względu na przekroczenie temperatury i poziomu wilgotności bezpiecznej dla życia. Szacuje się, że jedna trzecia wszystkich gatunków roślin i zwierząt może znaleźć się na krawędzi wymarcia. Już dziś w wyniku katastrof ekologicznych takich jak susze, powodzie, upały czy huragany cierpią miliony ludzi na całym świecie. Przykładowo: poszerzający się wskutek wyższych temperatur obszar Sahary (pustynnienie terenu) stanowi zagrożenie dla rolnictwa na kontynencie afrykańskim. Zmniejszenie obszaru upraw oznacza mniejszą produkcję żywności i może prowadzić do głodu (szczególnie w Afryce Zachodniej). Coraz częściej ludzie są zmuszeni opuścić swoje domy z powodu opisanych powyżej zmian – to tak zwani uchodźcy klimatyczni. Nie mogą mieszkać wregionach swojego pochodzenia, ponieważ nie mają tam możliwości uprawy ziemi. Ich domy zalewane są przez coraz częstsze powodzie lub przeciwnie – studnie w ich wsiach zaczynają wysychać. Duża część z nich migruje wewnątrz krajów, z których pochodzą, pozostali próbują przedostać się na inne kontynenty. To tylko wybrane, bezpośrednie konsekwencje zmiany klimatu, które będą wpływać na ludzką cywilizację.

Coraz częściej pojawiają się też tak zwane ekstrema temperaturowe, czyli np. długotrwałe fale upałów. Ich świadkiem jesteśmy także w Europie. W 2015 roku w Polsce rekordowo długo trwała fala upałów, a w wielu miastach padły rekordy ciepła. Maleć będzie natomiast liczba dni mroźnych i tych z pokrywą śnieżną. Brak śniegu w zimie i zwiększone parowanie latem zwiększają w Polsce ryzyko występowania suszy. Równocześnie coraz gwałtowniejsze zjawiska pogodowe przynoszą często duże straty materialne.

W tym momencie warto zadać sobie pytanie: czy zmianę klimatu da się powstrzymać? Wszystkie środowiska naukowe zajmujące się badaniami klimatu zgadzają się co do tego, że człowiek przyczynił się do zwiększenia ilości gazów cieplarnianych w atmosferze. Skoro jesteśmy odpowiedzialni za obecny i przeszły wzrost, to powinniśmy też przyjąć na siebie odpowiedzialność za jego konsekwencje w przyszłości i zrobić jak najwięcej, by powstrzymać najbardziej katastrofalne skutki zmian klimatu. Jak to zrobić? Nie tylko zahamować wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze, lecz aktywnie je zmniejszać. Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić, bo aby ograniczyć dopływ dwutlenku węgla do atmosfery, musimy zrezygnować ze spalania nieodnawialnych surowców energetycznych. A gdy zdecydujemy, by nie spalać tych surowców, pozostanie nam wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii oraz stopniowe zmniejszanie zużycia energii.

Osiągnięcia technologiczne ostatnich 300 lat pozwoliły na stworzenie zaawansowanych technologicznie urządzeń do wykorzystania odnawialnych źródeł energii i produkcji energii na dużą skalę. Naukowcy na całym świecie szukają coraz to nowszych rozwiązań, by w bardziej efektywny sposób pozyskiwać energię z zasobów odnawialnych. Z odnawialnych źródeł energii możemy uzyskać już nie tylko energię cieplną czy mechaniczną, lecz także energię elektryczną. Czy takiej właśnie energii może wystarczyć, by zaspokoić wszystkie potrzeby współczesnego człowieka? Odpowiedź jest prosta: tak! Potencjał wykorzystania wszystkich dostępnych odnawialnych źródeł energii w Polsce przewyższa nasze zapotrzebowanie. W Polsce w 2015 roku przy ok. 4000 instalacjach fotowoltaicznych i ponad 175 tys. kolektorów8 słonecznych wykorzystywaliśmy niecały 1% możliwości produkcji energii cieplnej i elektrycznej ze słońca. Gdyby wykorzystać dostępny potencjał techniczny produkcji energii ze słońca, zaspokoiłaby ona 10–15% rocznego zapotrzebowania Polski na energię. Potencjał techniczny pozyskiwania energii z wiatru jest na tyle duży, że farmy wiatrowe morskie i lądowe mogłyby pokryć 70–90% obecnego zapotrzebowania Polski na energię elektryczną. Tymczasem w 2015 roku 6,3% energii elektrycznej w Polsce produkowane było w ponad 3500 elektrowniach wiatrowych. To nieco ponad 8% krajowych możliwości technicznych.

Obecnie na terenie Polski funkcjonuje 757 elektrowni wodnych. Wykorzystują one nieco więcej niż 2% potencjału technicznego energii spadku rzek. Ciepło Ziemi może nam dostarczyć 8–10% potrzebnej w Polsce energii, choć wyłącznie do ogrzewania wody lub mieszkań. Do 2015 roku zamontowano łącznie ok. 25 tys. małych instalacji wykorzystujących ciepło z gruntu oraz otwarto 11 dużych ciepłowni. To jednak tylko niecałe 0,5% potencjału pozyskania energii z tego źródła. Z biomasy, przy uwzględnieniu potrzeby utrzymania istniejących eko-systemów leśnych i rolnych, możemy uzyskać nawet 16–21% potrzebnej w Polsce energii. Obecnie wykorzystujemy już prawie 50% istniejących technicznych możliwości produkcji energii z biomasy Po zsumowaniu potencjału wszystkich wyżej wymienionych źródeł energii odnawialnej w Polsce okazuje się, że przy jego całkowitym wykorzystaniu moglibyśmy nie tylko zaspokoić nasze zapotrzebowanie na energię, lecz wręcz produkować znacznie więcej energii, niż obecnie zużywamy

PODSUMOWANIE

Energia wiatrowa

Energia słoneczna

Skąd się bierze : panele zamieniają ciepło wysyłane przez Słońce w energię elektryczną, którą mogą wykorzystywać ludzie.

Skąd się bierze : wiatr obraca łopaty turbin, które zamieniają energię kinetyczną w elektryczną.

Zalety: nie zanieczyszcza środowiska.Wady: panele są kosztowne, a w pochmurne dni - niezbyt wydajne.

Zalety: nie zanieczyszcza środowiska niebezpiecznymi gazami. Wady: nie otrzymujemy jej, jeśłi nie ma wiatru lub gdy wieje za mocno.

Dziękuję bardzo za uwagę !