Rodzaje odnawialnych źródeł energii

Dyrektywa RED definiuje energię z OZE jako energię z odnawialnych źródeł niekopal-nych, a mianowicie energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aeroter-malną, geotermalną i hydrotermalną i energię oceanów, hydroenergię, energię pozyskiwaną z biomasy, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i ze źródeł biolo-gicznych (biogaz) (Dyrektywa, 2009, s. 27).

Ze względu na źródło pierwotnej energii wyróżnia się odnawialne źródła energii na po-chodzące od: Słońca, Ziemi, Księżyca (Lewandowski, 2012, s. 68) (Tab. 5).

Tabela 5. Podział odnawialnych źródeł energii ze względu na źródło pierwotnej energii

Pierwotne źródło energii Naturalne procesy przemiany materii

lodu i śniegu, opady Elektrownie wodne Energia elektryczna

Wiatr

Ruch atmosfery Elektrownie wiatrowe Energia cieplna i elektryczna Energia fal Elektrownie falowe Energia elektryczna

Promieniowanie słoneczne

Prądy oceaniczne Elektrownie

wykorzystu-jące prądy oceaniczne Energia elektryczna

Nagrzewanie powierzchni Ziemi i atmosfery

Elektrownie

wykorzystu-jące prądy oceaniczne Energia elektryczna Pompy ciepła Energia cieplna

Pompy słoneczne

Kolektory i cieplne

elek-trownie słoneczne Energia cieplna Fotoogniwa i elektrownie

izotopów Źródła geotermalne Ogrzewanie i elektrownie geotermalne

Energia cieplna i elektryczna Księżyc Grawitacja Pływy wód Elektrownie pływowe Energia cieplna

i elektryczna Źródło: opracowanie własne na podstawie (Lewandowski, 2012, s. 68).

43

Hydroenergia

Energia wody (potencjalna i kinetyczna) jest określana przez wielkość energii elektrycz-nej wytwarzaelektrycz-nej w elektrowniach wodnych. W Polsce do hydroenergetyki zaliczane są wszystkie elektrownie wodne, wykorzystujące przepływy naturalne rzek (elektrownie prze-pływowe i zbiornikowe), niezależnie od sposobu uzyskania spadu (przyzaporowe,

derywa-cyjne), wielkości spadu i mocy. Nie należą do OZE elektrownie szczytowo-pompowe, a także częściowo elektrownie przepływowe z członem pompowym (Wiatkowski,

Rosik-Dulewska, 2012, s. 315; GUS, 2017, s. 15).

Obecnie na świecie wykorzystuje się około 23% potencjału hydroenergetycznego, a w Polsce zaledwie około 11% (około 23000 – 25000 GWh/rok) (Pabis i in., 2015, s . 272;

Kruk, 2012, s. 26). Energia potencjalna strumienia wody zależy od wysokości spadku wody, a także ilości opadów na danym terenie. W zależności od wielkości przepływu wody oraz spadu stosowane są innego rodzaju koła (przedsiębierne, śródsiębierne, nasiębierne), które zamieniają energię wody w energię mechaniczną, a następnie elektryczną w silniku opartym na kole wodnym. Współczesne technologie wykorzystują turbiny wodne do produkcji ener-gii z wody (turbiny akcyjne lub reakcyjne), w których w przewodzie rurowym jest zainsta-lowany wirnik turbiny, przez który przepływała woda. O zastosowaniu turbiny o określonej szybkobieżności oraz wirnika decyduje spadek wody cieku. W skład elektrowni wodnych wchodzą różne urządzenia hydrotechniczne i budowle piętrzące (jazy, zapory) mające na celu wytworzenie spadku wody i skierowanie jej do kanału piętrzącego lub zbiornika (Pabis i in., 2015, s. 275-280).

Geotermia

Energia geotermalna jest to ciepło pozyskiwane z głębi ziemi w postaci gorącej wody lub pary wodnej. Energia geotermalna jest użytkowana bezpośrednio jako ciepło grzewcze dla potrzeb komunalnych oraz w procesach produkcyjnych w rolnictwie, a także do wytwa-rzania energii elektrycznej (przez wykorzystanie pary suchej lub solanki o wysokiej entalpii) (GUS, 2017, s. 16; Niedziółka, 2011, s. 77).

Energia cieplna nagromadzona jest we wnętrzu ziemi, zakumulowana w gruntach poro-watych oraz przestrzeniach skał w postaci wody i pary wody (Pabis i in., 2015, s. 283; Nie-dziółka, 2011, s. 77). Złoża geotermalne usytuowane są pod skałami nieprzepuszczalnymi.

W wyniku wymiany ciepła na zasadzie przewodnictwa i konwekcji swobodnej, ciepło z ją-dra ziemi mającego temperaturę około 5000ºC przemieszcza się w jej górne warstwy, two-rząc złoża energii geotermalnej. Wzrost temperatury w głębi ziemi zależy od warunków

44

geologicznych, sposobu ułożenia skał, zawartości wody w skałach i przewodnictwa ciepl-nego skał, jak również od sąsiedztwa wulkanów oraz procesów rozpadu pierwiastków ra-dioaktywnych. Przyrost temperatury o 1 K przypadający na głębokość mierzoną w metrach,

nazywa się gradientem geotermicznym i dla Europy wynosi on 33 m (Pabis i in., 2015, s. 283).

Wykorzystanie wód geotermalnych uzależnione jest od właściwości hydrogeologicz-nych zbiornika geotermalnego. Systemy hydrotermalne mają postać naturalną (gorąca woda lub para wodna) lub sztuczną (suche gorące skały) (Pabis i in., 2015, s. 283-284). Ze względu na temperaturę złoża geotermalnego wyróżnia się złoża: zimne (do 20º C), ciepłe niskotem-peraturowe (20–30º C), gorące lub średniotemniskotem-peraturowe (35–80º C), bardzo gorące lub wy-soko temperaturowe (100–130º C) (Pabis i in., 2015, s. 283-284; Niedziółka, 2011, s. 77).

Wody geotermalne występują w Polsce na obszarze około 2511 km². Ich pojemność

wy-nosi 668 km³ wody o temperaturze 25–150º C, a energia cieplna zawarta na terenach Polski w wodach geotermalnych odpowiada 34724 mld t.p.u. (ton paliwa umownego) (Pabis i in.,

2015, s. 284). Wykorzystanie geotermii jako źródło energii powinno być zwiększane (mimo problemów związanych z ich zasoleniem), ponieważ stanowią stabilne źródło energii, które nie powoduje efektu cieplarnianego (Kruk, 2012, s. 26).

Energia promieni słonecznych

Ilość energii promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni Ziemi zależy od szerokości geograficznej, pory roku, pory dnia, zachmurzenia nieba oraz zanieczyszczenia atmosfery i środowiska (Pabis i in., 2015, s. 15; Kuziemska i in., 2015, s. 94-96).

Słońce emituje energię w postaci ciepła, której strumień wynosi 3,86 x 1026 W. Część tego strumienia ciepła (około l,9 x 1017 W) dociera do powierzchni kuli ziemskiej. Odpo-wiada to gęstości strumienia ciepła 1350 W/m² (Pabis i in., 2015, s. 15).

Promieniowanie słoneczne składa się z promieniowania bezpośredniego (przy bez-chmurnej pogodzie), rozproszonego (wzrasta ze wzrostem zachmurzenia) oraz odbitego. Na skutek zjawisk pochłaniania i rozpraszania promieniowania słonecznego w atmosferze do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie o zmniejszonym natężeniu (Niedek, 2011, 72;

Pabis i in., 2015, s. 15).

W Polsce, która jest położna w strefie klimatu umiarkowanego, ilość energii docierającej na 1 m² powierzchni ziemi wynosi 930–1163 kWh/m² rocznie. Liczba godzin rocznego na-słonecznienia w Polsce waha się od 1726 h na północy (Suwałki) do 1467 h na południu (Zakopane), średnio wynosi 1600 h rocznie (Pabis i in., 2015, s. 15; Niedek, 2011, 75-76).

45

Energia promieniowania słonecznego może być przetwarzana na ciepło lub na energię elektryczną poprzez zastosowanie (GUS, 2017, s. 16):

• płaskich, tubowo-próżniowych i innego typu kolektorów słonecznych (cieczowych lub

powietrznych) do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania pomieszczeń, w procesach suszarniczych, w procesach chemicznych,

• ogniw fotowoltaicznych do bezpośredniego wytwarzania energii elektrycznej,

• termicznych elektrowni słonecznych.

W klimacie umiarkowanym jest nierównomierna podaż energii promieniowania słonecz-nego w ciągu roku i w okresie doby, a także występują zanieczyszczenia powietrza w

regio-nach uprzemysłowionych, co obniża możliwość wykorzystania tego źródła energii (Pabis i in., 2015, s. 15; Niedek, 2011, 75-76).

Energia wiatru

Energia wiatru jest to energia kinetyczna wiatru wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wiatrowych. Potencjał elektrowni wiatrowych jest określany przez możliwości generowania przez nie energii elektrycznej (GUS, 2017, s. 16).

Ruchy mas powietrza w atmosferze wywołane są jego nierównomiernym ogrzewaniem przez energię słoneczną. Ogrzewanie powietrza powoduje zmianę jego ciśnienia, a powstała różnica ciśnień powoduje jego przemieszczanie. Ocenia się, że około 12% energii dociera-jącej ze Słońca na Ziemię jest zamieniane w energię kinetyczną mas powietrza. Całkowitą energię powodującą ruch mas powietrza, którą dostarcza na Ziemie promieniowanie sło-neczne, szacuje się na około 9,6 x 10²² J/rocznie, czyli około 2,7 x 10¹⁶ kWh/rocznie. Nie-stety zaledwie 25% tej mocy przypada na warstwę atmosfery w bezpośredniej bliskości Ziemi (Pabis i in., 2015, s. 144-147). Możliwa do praktycznego wykorzystania warstwa at-mosfery sięga do 100 m ponad powierzchnię ziemi, a energia wiatru nie jest równomiernie rozłożona, co wynika z ruchu obrotowego Ziemi, promieniowania słonecznego i jego po-chłaniania przez podłoże (Pabis i in., 2015, s. 147).

Podstawowymi parametrami chrakteryzującymi wiatr są: prędkość, droga i czas w jakim poruszają się masy powietrza, prędkość chwilowa i średnia okresowa. Mają one wpływ na optymalne lokalizowanie rotora siłowni wiatrowej, a także na wysokość masztu turbiny

wia-trowej (Pabis i in., 2015, s. 147-148). Optymalny czas pracy turbiny wynosi co najmniej 2 tys. godzin/rok przy minimalnej prędkości wiatru około 6 m/s (przy najnowszych turbinach

nawet 5 m/s) (Niedek, 2011, s. 64-65).

46

Aktualny rozwój techniki wiatrowej na świecie odbywa się w dwóch kierunkach (Wiśniewski i in., 2012, s. 4-5):

• lądowa energetyka wiatrowa: wielkoskalowa energetyka wiatrowa (farmy wiatrowe zło-żone z kilku - kilkudziesięciu turbin wiatrowych o mocy powyżej 1 MW), energia wia-trowa średniej skali (pojedyncze turbiny o mocy 200-600 KW), mała rozproszona ener-getyka wiatrowa (pojedyncze turbiny o mocy do 100 KW),

• morska energetyka wiatrowa: farmy zlokalizowane na otwartych wodach morskich związane z dnem morskim (w przyszłości możliwe również pływające).

W Unii Europejskiej najlepsze warunki wietrzne dla farm wiatrowych mają państwa wy-spiarskie: Wielka Brytania i Irlandia. Do państw o bardzo dobrych warunkach wietrznych zalicza się państwa o dogodnych liniach brzegowych: Belgia, Holandia, Francja, Niemcy, kraje skandynawskie. Korzystne warunki wietrzne posiadają kraje północno-środkowej Eu-ropy, w tym Polska (Gielnik, Rosicki, 2013, s. 192).

W zakresie rozwoju energetyki wiatrowej zwraca się uwagę na potencjalne niekorzystny jej wpływ na człowieka, zagrożenie dla ptactwa wędrownego, hałas i degradację krajobrazu (Kruk, 2012, s. 26).

Energia pływów morskich

Elektrownie pływów morskich wytwarzają prąd elektryczny za pomocą specjalistycz-nych urządzeń wykorzystujących przypływy i odpływy morza. Im pływy są większe, tym

większa jest ilość produkowanej energii. Elektrownie pływowe buduje się w miejscach, w których poziom morza znacznie się zmienia. Elektrownie tego typu najczęściej lokalizuje

się w ujściu rzek do morza, w tym w wąskich ujściach rzek, cieśninach i zatokach, gdzie zmiana poziomu wody jest największa. Woda spadająca na turbinę, która jest wyposażona w specjalne łopaty ustawione pod odpowiednim kątem, wprawia w ruch turbinę, która prze-kazuje swoją energię prądnicy, wytwarzając w ten sposób prąd. Turbina w takiej instalacji może pracować zarówno podczas przypływu, jak i odpływu morza (Niedek, 2011, s. 106).

Energia z ciepła otoczenia

Ciepło otoczenia środowiska naturalnego jest to energia zaliczana do OZE. Jest ona wy-chwytywana przez pompy ciepła z powietrza atmosferycznego (zewnętrznego), gruntu (geo-termia płytka) oraz wód gruntowych i powierzchniowych (rzeki, stawy, jeziora) (GUS, 2017, s. 18). W tym zakresie wyróżnia się energię aerotermiczną (ciepło zawarte w powietrzu

47

atmosferycznym) oraz geotermiczną (ciepło zakumulowane w gruncie, tj. wierzchniej war-stwie ziemi) i hydrotermiczną (ciepło zawarte w wodach gruntowych i powierzchniowych) (GUS, 2017, s. 18).

Ciepło wydzielane jest również podczas procesów technologicznych w zakładach pro-dukcyjnych. Każdą z tych energii można częściowo wykorzystać na cele energetyczne i od-zyskać za pomocą pomp ciepła (Pabis i in., 2015, s. 259).

Pompa ciepła realizuje obieg termodynamiczny zwanym „lewobieżnym” (w odróżnieniu od silnika cieplnego pracującego w obiegu „prawobieżnym”). Zadaniem pompy ciepła jest

pobieranie ciepła ze źródła o niższej temperaturze, co wymaga doprowadzenia energii w celu wykonywanie stosownej pracy. Obieg taki pozwala na podwyższenie temperatury

czynnika krążącego w obiegu oraz wykorzystanie ciepła, które może być odebrane przy tem-peraturze wyższej od temperatury otoczenia. W praktyce stosowane są pompy sprężarkowe i absorpcyjne, które różnią się budową instalacji realizującej obieg, rodzajem czynników realizujących obiegi i sposobem ich doprowadzenia z zewnątrz (Pabis i in., 2015, s. 259-261).

Energia z odpadów

W zakres odpadów zaliczanych do paliw odnawialnych, które są wykorzystywane w procesie wytwarzania energii elektrycznej i/lub ciepła, zalicza się są odpady komunalne o pochodzeniu biologicznym ulegające biodegradacji. Są to odpady z gospodarstw

domo-wych, przemysłu rolno-spożywczego i sektora usług (biomasa odpadowa), zawierające frak-cje organiczne (GUS, 2017, s. 16).

Ten zakres został szczegółowiej omówiony w podrozdziałach: 3.1 i 3.3.

Energia z biopaliw stałych

Grupa biopaliw stałych zużywanych na cele OZE obejmuje organiczne, niekopalne sub-stancje o pochodzeniu biologicznym, które mogą być wykorzystywane w charakterze paliwa do produkcji ciepła lub wytwarzania energii elektrycznej (GUS, 2017, s. 17).

Podstawowym biopaliwem stałym jest drewno opałowe występujące w postaci polan, okrąglaków, zrębków oraz brykiety, pelety i odpady z leśnictwa w postaci drewna niewy-miarowego: gałęzi, żerdzi, przecinek, krzewów, chrustu, karp, a także odpady z przemysłu drzewnego (wióry, trociny) i papierniczego (ług czarny), a także paliwa pochodzące z

plan-tacji przeznaczonych na cele energetyczne oraz pozostałości organicznych z rolnictwa i ogrodnictwa (GUS, 2017, s. 17).

48

Zgodne z nomenklaturą Eurostat i GUS, do grupy biopaliw stałych zaliczany jest rów-nież węgiel drzewny, rozumiany jako stałe pozostałości destylacji rozkładowej i pirolizy drewna i innych substancji roślinnych (GUS, 2017, s. 17).

Ten zakres został szczegółowiej omówiony w podrozdziałach: 2.3, 3.1, 4.2.

Energia z biogazu

Zgodnie z definicją, biogaz to gaz palny składający się w przeważającej części z metanu i dwutlenku węgla, który jest uzyskiwany w procesie beztlenowej fermentacji biomasy. Ze względu na sposób pozyskiwania, w sprawozdawczości statystycznej wyodrębnia się (GUS, 2017, s. 17):

• biogaz wysypiskowy, uzyskiwany w wyniku fermentacji odpadów na składowiskach,

• biogaz z osadów ściekowych, wytwarzany w wyniku beztlenowej fermentacji osadów ściekowych,

• pozostałe biogazy:

o rolniczy uzyskiwany w procesie beztlenowej fermentacji biomasy pochodzącej z upraw energetycznych, pozostałości z produkcji roślinnej i odchodów zwierzęcych,

o biogaz uzyskiwany w procesie beztlenowej fermentacji biomasy pochodzącej z odpa-dów w rzeźniach, browarach i pozostałych branżach żywnościowych.

Biogaz może być wykorzystany do produkcji: energii cieplnej w kotłach gazowych, energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych, paliw do pojazdów silnikowych (biometan), do zasilania sieci gazu ziemnego, w różnego rodzaju procesach technologicz-nych (Niedek, 2011, s.18-19; Stankiewicz, 2012, s. 192; Pabis i in., 2015, s. 238).

Ten zakres został szczegółowiej omówiony w podrozdziałach: 2.3, 3.1, 4.2.

Energia z biopłynów

Biopłyny produkowane z biomasy są ciekłymi paliwami stosowanymi dla celów

ener-getycznych, innych niż w transporcie, w tym do wytwarzania energii elektrycznej oraz energii ciepła i chłodu (Dyrektywa 2009, s. 27; GUS, 2017, s. 18). Dla odróżnienia,

biopa-liwa są to płynne lub gazowe pabiopa-liwa dla transportu, produkowane z biomasy (Stankiewicz, 2012, s. 187; GUS, 2017, s. 18).

Najczęściej do produkcji biopłynów (paliw płynnych) stosowane jest przetwarzane na-siona roślin oleistych (rzepak, słonecznik, soja) oraz inne surowce roślinne (zboża, buraki cukrowe) (Pabis i in., 2015, s. 251).

W procesie przetwarzania roślin oleistych, w celu uzyskania biopłynów lub biopaliw

(biokomponenty do biodiesla), stosuje się dwie technologie: bezciśnieniową (zimną)

49

i ciśnieniową (gorącą) (Pabis i in., 2015, s. 251). Produkcja bioalkoholi na cele energetyczne i paliwowe (biokomponenty do benzyny) opiera się głównie na produkcji etanolu (spirytusu odwodnionego) (Pabis i in., 2015, s. 255).