ENERGIA ODNAWIALNA

ENERGIA ODNAWIALNA

Dr. hab. inż. Ara SAYEGH

Energia którą obecnie używamy w ogóle pochodzi z nieodnawialnych źródeł, które produkują dwutlenek węgla, powodując cieplarniany efekt. To jest wynikiem naszych obecnych zwyczajów zużycia energii. Odnosi to odnawialnych źródeł energii, takich jak biomasa, biopaliwa, energia słoneczna, wiatrowa, i technologii wodorowych

Cieplarniane (szklarniowy) efekt = odławiające, zatrzymujące, blokujące, uwięzione ciepło

Cieplarniane efekt : Część promieniowania słonecznego podczerwonego jest wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną, ale większość jest pochłaniana i odbijana we wszystkich kierunkach i uwięziona przez chmury i gazów cieplarnianych, efektem tego jest 1) wzrost temperatury przy powierzchni ziemi. 2) wzrost koncentracji gazów cieplarnianych (dwutlenku węgla, metanu, ozonu i freonów…) w atmosferze, następstwem czego jest podwyższenie średniej temperatury na Ziemi.

Efekt cieplarniany (szklarniowy) spowodowany zwiększoną ilością

zanieczyszczeń w atmosferze, a w szczególności wzrostem zawartości dwutlenku węgla.

Charakterystyczną właściwością dwutlenku węgla jest to, że przepuszcza krótkofalowe promieniowanie Słońca i pochłania długofalowe, cieplne promieniowanie z Ziemi przeciwdziałając wypromieniowaniu ciepła z Ziemi. Podwyższenie temperatury powierzchni Ziemi będące skutkiem zatrzymywania energii słonecznej przez gazy cieplarniane nazywane jest efektem cieplarnianym lub

"szklarniowym". Zatem problemem nie jest efekt cieplarniany, lecz jego nasilenie, drastyczność.

Największymi trucicielami są: dwutlenki siarki, tlenki azotu, siarkowodór , dwutlenek węgla i chlorowodór.

Szczególnie silnym źródłem emisji dwutlenku siarki jest spalanie węgla brunatnego, jako najbardziej zasiarczonego.

W wyniku ocieplenia dochodzi do : o topnienia lodowców,

o podniesienia poziomu morza,

o wymierania gatunków oraz intensyfikacji ekstremalnych zjawisk pogodowych takich jak upały, gradobicia, huragany, trąby powietrzne, gwałtowne opady deszczu, powodzie czy długotrwałe susze i inne rodzaje klęsk żywiołowych i straty przez nich spowodowane w rolnictwie i rolnictwie i leśnictwie.

o Zmiana ekosystemu , w tym ekosystemie mają wpływ czynniki geochemiczne, fizykochemiczne, klimatyczne i biologiczne. (wodne, roślinne……) zmienną jakość oraz skutki dla środowiska, zagrożenia toksyczności.

Do oceny destrukcyjnego wpływu na warstwę ozonową oraz efektu cieplarnianego wprowadzono kilka wskaźników ekologicznych, wśród których najważniejsze wskaźnik GWP

Mechanizm efektu cieplarnianego

(Potencjał efektu cieplarnianego – Global Warming Potenial) służący do ilościowej oceny wpływu danego gazu na efekt cieplarniany, są inne wskaźniki jak ODP, HGWP, TEWI itd.

Wyzwanie Energii

Jak wiadomo gospodarka była (i jest) oparta na paliwach kopalnych i to powodowało globalne ocieplenie, a być może że : Sekwestracja (zamknięcia, utrzymywania, uwięzienia) węgla jest potencjalnym rozwiązaniem usuwania dwutlenku węgla z atmosfery i przechowywania go w ziemi np.

technologie wychwytywania dwutlenku węgla.

Technologia CCS (

):

Technologia CCS lub wychwytywania i geologicznego składowania dwutlenku węgla jest sposobem na złagodzenie zmian klimatu, jest metodą magazynowania dwutlenku węgla. Podstawowe elementy systemu CCS można przedstawić w schemacie :

Schemat podstawowych elementów systemu usuwania, transportu i składowania dwutlenku węgla

• Koszty CCS są zazwyczaj wyrażane w kosztach produkcji energii ($/MWh) lub w kosztach usuwania CO2 ($/t).

Główne Koszty CCS wystąpią w procesie wychwytywania, transportu i magazynowaniu.

• Koszty zależą od technologii, trendów cenowych paliwa, inwestycji i przy założeniu, że technologia CCS jest stosowana komercyjnie . koszty redukcji CO2 muszą być w porównaniu do odnawialnych źródeł energii. Jeśli technologia CCS nie będzie charakteryzowała się komercyjnie lepszą w 2020 roku (nie dodając jeszcze szkody środowiskowe, koszty społeczne ), wtedy energia odnawialna może okazać się że jest lepszym potencjałem ekonomicznym.

- Zaawansowany postęp w technologii CCS osiągnięto w Unii Europejskiej, kiedy dyrektywa CCS została przejęta w 2009 r. Proces CCS będzie praktycznie osiągalny i dostępny na szerszą skalę od 2020 r.

W Polsce w ramach projektu badawczego RECOPOL zbudowano instalację do zatłaczania dwu tlenku węgla pod ziemią. Projekt pod kierownictwem prof. Pawła Krzystolika zakończył się sukcesem. Łącznie pod powierzchnię Ziemi zatłoczono 760 ton CO2. Geologiczne składowanie tego gazu daje możliwość zneutralizowania ogromnych ilości tego gazu (milionów ton) pochodzących z przemysłowych źródeł emisji.

Dyrektywa IED: Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE z dnia 24 listopada 2010 roku w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola) – 6 dyrektyw w tym IPPC (96/61/WE ) która weszła w życie 06.01.2011r., termin transpozycji 07.01.2013r. a całkowita implementacja 01.01.2016r.

Dyrektywa IED kogo dotyczy:

1.Przemysł energetyczny (m. in. spalanie paliw w instalacjach o całkowitej mocy w paliwie >50MW lub więcej

2.Produkcja i obróbka metali

3.Przemysł mineralny (produkcja cementu, wapna, tlenku magnezu) 4.Przemysł chemiczny

5.Gospodarka odpadami 6.Inne rodzaje działalności Czego dotyczy dyrektywa IED:

1. Zapobieganie emisjom do powietrza, wody, gleby i ich kontrola 2. Gospodarowanie odpadami

3. Efektywność energetyczna 4. Zapobieganie wypadkom Energetyka dziś kilka słów :

Mówiąc o sytuacji dzisiejszej energetyki często porusza się takie kwestie, jak:

 gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię,

 ograniczone zasoby surowców energetycznych,

 zmiany klimatu będący skutkiem emisji do atmosfery coraz większej ilości gazów cieplarnianych, emitowanych głównie wskutek spalania paliw kopalnych,

 wzrost cen paliw na światowych rynkach,

 monopolistyczne praktyki głównych eksporterów ropy naftowej A Przyszłość energetyki !!!

Jakie są zagrożenia lub wyzwania dla środowiska naturalnego i ekosystemu?

 Skutki globalnego ocieplenia

 Pustynnienie

 Podnoszenie się poziomu oceanów

 Zachowanie różnorodności biologicznej…

 Naprawiania szkód ekologicznych u źródła …itd zarządzanie środowiskowe a zarządzania środowiskiem

Wpływ zanieczyszczenia wody na środowisku, albo braku czystej wody jedno z największych światowych wyzwań. Czy rok 2030 jest rokiem globalnego kryzysu energetycznego ? czy zabraknie nam ropy naftowej ! A kiedy jest ostatnia kropelka ropy naftowej . Jakie będą konsekwencje braku energii. Ważnym elementem jest że jak sprawić, aby społeczeństwo zaakceptowało w 100%

korzystanie z odnawialnych źródeł energii?

- Po pierwsze z punktu widzenia technicznego, jakie technologie możemy wykorzystać, aby upewnić się, że dostępne zasoby zaspakajają popyt energii.

- Po drugie pod względem politycznym i społecznym, w jaki sposób społeczeństwo może wdrożyć, zaimplementować taką zmianę technologiczną .

Wykresy Marchetti

• Wykresy Marchetti lub model zastąpienie energii Jest to krótka relacja z modelu zastąpienie energii opracowany przez Cesare Marchetti w 1970 roku. Wykresy dla różnych paliw są ważne bo wskazują

aktualny stan i prognozy, i najważniejsze że wskazują tempo, w którym stosuje się nowe źródło(a) energii (paliwo) które wnika(ą), lub penetrują przez rynek. Nie dlatego, że stawka jest niezależna od zastosowanego paliwa! Powodem jest to, że technologia może być gotowa, ale czynniki, takie jak infrastruktura, naciski instytucjonalne, kwestie polityczne spowolniają tę penetrację, dlatego można zapytać podstawowe następne pytania.

• Jakie nowy formy energii są dostępne ?

• Jakie są zalety i wady nowych źródeł energii ?

• Jak możemy zapewnić potrzebną nam energię przy zachowaniu równowagi ekologicznej

Przyszłość energetyki wyżej wymienione problemy skłaniają do poszukiwania odpowiedzi na pytania:

 - Czy można bez ograniczeń zwiększać wydobycie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego?

 - Czy można bez negatywnych konsekwencji spalać coraz większe ilości paliw konwencjonalnych?

 - A jeśli nie, to czym zastąpić tradycyjne źródła energii?

 - Czy upowszechnienie wykorzystywania alternatywnych źródeł energii jest tylko modą,

 - Czy jest koniecznością?

Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą stanowić istotny składnik zasobów energetycznych w okresie najbliższych 50 lat a główne przyczyny:

 Rosnące zapotrzebowanie energetyczne

 Spadek produkcji paliw konwencjonalnych

 Spadek cen odnawialnych źródeł energii

 Ekologia

Czyli Zmiany są nieuchronne nieuniknione

Zużycie energii na świecie 1990 – 2035 oko na zużyciu energii

Wzrost zapotrzebowania na energię : Potrzeby energetyczne świata ciągle się zwiększają.

Tymczasem zasoby paliw konwencjonalnych maleją, a ceny energii ciągle rosną: w czasach wywołanego embargiem na dostawy ropy naftowej kryzysu energetycznego lat 70. cena ropy naftowej wzrosła dziesięciokrotnie, zaś w 2005 roku osiągnęła rekordowy poziom ponad 70 dolarów za baryłkę.

Wyczerpywanie się konwencjonalnych źródeł energii

Faktem jest Zasoby paliw kopalnych są nieodnawialne: prędzej czy później ulegną zupełnemu wyczerpaniu. Teoretycznie ocenia się, że:

 najdłużej, bo jeszcze przez prawie 200 lat będzie można korzystać ze złóż węgla,

 ponad 60 lat trwać będzie eksploatacja gazu ziemnego,

 zaś ropy naftowej wystarczy na około 30-40 lat.

A dla polskiej energetyki !!!

W marcu 2007 r. była decyzja Rady Europejskiej, a dla polskiej energetyki to bardzo trudne i kosztowne wyzwania, jeśli nic nie zrobimy to czeka nas KRYZYS energetyczny.

Sytuacja Energetyczna w Polsce

1. 40% zainstalowanej mocy ma 30-40 lat (do 2015 roku musimy wyłączyć 6500 MW) 2. Trudny import: Słabe sieci wewnętrzne i transgraniczne,

3. Energetyka jądrowa dopiero po 2020 roku i tylko 3000 MW (to nas nie uratuje) 4. Dotychczasowy rozwój OZE za wolny – brak elastycznych źródeł energii ……

Jeśli nic nie zrobimy to w 2020 roku czeka nas KRYZYS energetyczny …..Co zrobić?

Nowy MIX energetyczny dla Polski !

1. Inwestycje w efektywność energetyczną 2. Inwestycje w sieci transgraniczne

3. Energetyka rozproszona – Energetyka Obywatelska

(krótkie, drobne, inwestycje, szybko mogą powstać mikro źródła…i zatrudnić kilka set tysięcy ludzi, a więc Odnawialne Źródła Energii (w skrócie OŹE), to koło zamachowe gospodarki

Co determinuje przyszłość energetyczną świata? Jak wgląda Scenariusze rozwoju energetycznego.

Prawdopodobna bliska przyszłość pokazuje że:

- Inteligentne sieci energetyczne z OZE przechodzą do rynku w najbliższych lata

A jak wgląda prawdopodobna daleka przyszłość. Co zrobić, aby zneutralizować skutki braku energii z konwencjonalnych źródeł ?

• W przyszłości potrzebne będzie każde racjonalne ekonomicznie źródło energii pierwotnej

• Technologie konwersji energii oraz

• Technologie u odbiorców końcowych

Czyli trzeba szukać alternatywa dla paliw kopalnych które są jednak dostępne źródła energii, których zasoby nie wyczerpują się i których wykorzystanie nie powoduje negatywnych następstw dla środowiska. To dostępne od tysięcy lat OŹE, których wykorzystanie było znane na długo przed wykorzystaniem węgla, ropy naftowej czy gazu.

Dziś energia odnawialna może służyć także do produkcji energii elektrycznej, a nowoczesne technologie mogą uczynić jej eksploatację naprawdę efektywną.

Mówiąc bowiem o dostępności odnawialnych źródeł energii powinniśmy mieć na myśli takie ich zasoby, które nie są jedynie teoretycznie dostępnymi, ani nawet możliwymi do pozyskania i wykorzystania przy obecnym stanie techniki, ale takimi, których pozyskanie i wykorzystanie będzie opłacalne ekonomicznie. Takie podejście sprawia, że wykorzystywane zasoby energii odnawialnej (te obecne jak i przyszłe) są dużo mniejsze od zasobów teoretycznych.

kluczowe koncepcje

• Biomasa

• Biopaliwa

• Pochłanianie dwutlenku węgla

• Energia wodna

• Energia Geotermalna

• Energia Wiatru

• Energia słoneczna

• Moc wodoru

• Energia jądrowa Można do nich dodać:

• lekkie i ciężkie frakcje ropy

• piaski roponośne

• mokry gaz

• gaz łupkowy

• metan z kopalni

• klatraty metanu z dna mórz

• paliwa rozszczepialne ……..

Błędne koncepcje/ przekonania o OZE :

• Energia odnawialna jest drugą formą wskaźnika energii.

• Energia odnawialna nie jest zanieczyszczająca, i produkuje energię o tej samej jakości jak ze źródeł nieodnawialnych.

• Systemy energii odnawialnej są zbyt drogie.

• Podczas gdy naukowcy zgadzają się, że finansowe koszty związane z energią odnawialną są wysokie, ale ludzie powinni rozważyć koszty środowiskowe przy korzystaniu z nieodnawialnych źródeł energii.

• Turbiny (elektrownie, generatory) wiatrowe są hałaśliwe.

• Nowoczesne farmy wiatrowe w odległości do 300 metrów nie są głośniejsze niż lodówki kuchennej

• Energia słoneczna dobrze działa nie tylko w ciepłych, słonecznych klimatach.

• Technologie słoneczne mogą efektywnie pracować w dowolnym miejscu tak długo, jak są one umieszczone prawidłowo.

• Ogniwa fotowoltaiczne (baterie słoneczne) rzeczywiście stają się bardziej skuteczne w niskich temperaturach.

• Kolektory słoneczne do ciepłej wody można dokonać (ogrzać) odpowiedniej ilości ciepłej wody, nawet w temperaturach ujemnych.

• Pasywne ogrzewanie słoneczne działa dobrze w każdym klimacie, o ile budynek jest dobrze izolowany.

Oś priorytetowa: Zmniejszenie emisyjności gospodarki

• 1. Wspieranie wytwarzania i dystrybucji energii pochodzącej z OŹE

• 2. Promowanie efektywności energetycznej i korzystania z OŹE w przedsiębiorstwach

• 3. Wspieranie efektywności energetycznej, inteligentnego zarządzania energią i wykorzystania OŹE w infrastrukturze publicznej, w tym w budynkach publicznych, i w sektorze mieszkaniowym.

• 4. Rozwijanie i wdrażanie inteligentnych systemów dystrybucji

• 5. Efektywna dystrybucja ciepła i chłodu

• 6. Promowanie wykorzystywania wysokosprawnej kogeneracji ciepła i energii elektrycznej

Formy Energii

- Uderzyć w piłkę.

- Podnieść torbę z książkami.

- Ścisnąć sprężynę

- Można usłyszeć energię jako dźwięk - Można zobaczyć energię jako światła - Można je poczuć jako energia wiatru

Inne formy energii

 Cieplna ,

 Chemiczna

 Elektryczna

 Radiacyjna (radiacje elektromagnetyczne)

 Jądrowa

 Magnetyczna

 Sprężystości

 Dźwiękowa

 Mechaniczna = Ep + Ek …..itd

Formy energii :

• Energia mechaniczna : Energia mechaniczna lub energia ruchu, obejmuje zarówno energii potencjalną (przechowywana) i kinetycznej (ruchu)

• Energia chemiczna : Paliwa i żywności są formy przechowywanej (składowanej energii chemicznej) np. Nowatorski system pozyskiwania energii z mikrobiologicznych ogniw paliwowych

polega na przekształceniu energii chemicznej zawartej w związkach organicznych

• Energia dźwięku : Energia dźwięku forma energii wytwarzanej przez obiekty wibracyjnych.

• Energia elektryczna to formy energii, wytwarzanej gdy elektrony przesuną lub poruszają z jednego miejsca do innego

• Energia cieplna czy termiczna : to jest energia ruchu cząsteczek w substancji, zwanej także energią cieplną, ponieważ cząstki poruszają się i stworzą ciepło , i może być wytwarzana w wyniku tarcia.

Energia cieplna powoduje zmiany temperatury i fazy każdej formy materii.

• Energia świetlna

• Energia elektromagnetyczna

• Energia jądrowa/nuklearna/atomowa

Stany energii

• Najczęściej przemiany energii jest konwersji pomiędzy energię potencjalną i kinetyczną.

• Wszystkie formy energii mogą być w jednym z dwóch stanów: Energia kinetyczna : jest energią ruchu, Energia potencjalna : jest przechowywaną energię

MOC , ENERGIA

PRACA

• skalarna wielkość fizyczna,

• Miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, termodynamicznych, elektrycznych, i innych.

• Praca (W = F * S) siła * odległość mierzona w dżulach [J].

Jeden dżul to praca wykonana przez siłę (F) o wartości 1 Niutona (N) na drodze 1 metra (m) czyli masa razy przyspieszenie ziemskie N = kg * m/(s²). 1 [J] = 1 [N] * 1 [m] = (1 kg * m²) / (1s²) MOC

• skalarna wielkość fizyczna,

• Moc jest wielkością określającą pracę wykonaną w jednostce czasu przez układ fizyczny MOC : Jednostka Mocy

[W], [kW]

Energia w języku Fizyki

• Energia (E) mierzona w dżulach (J)

Zdolność ciała do wykonania pracy

.

Pojęcie energii występuje powszechnie w niemal wszystkich gałęziach wiedzy nie tylko w fizyce i astronomii, ale i chemii, biologii, medycynie, geologii i nauce o ochronie środowiska.

- Energia jest wszechobecna.

- Człowiek wykorzystuje ją i przetwarza codziennie na tysiące rozmaitych sposobów.

Np. Uruchamianie : mikrofalówkę (1000 W), przez 12 minut czyli (0,2 h) 0.2[kWh]

Pralkę odzież (300 W) przez (1 h) 0.3 [kWh]

Mój komputer ( 75 W) na 45 minut (0.75 h) 56.25 [Wh]~0.05625 [kWh]

Energia jest miarą ilości

Podstawa konwersji: 1 [Wh] = 3,6 [kJ]

1 kilo Watt hour = kWh gdzie 1 Watt = 1 [Dżul/sekundę] = 1 [J/s] = 1000 x [J/s] x 3600 s = 3.600.000 [J] 1 [kW.h] = 3.600.000 [J]

1 [J]: Energia jako praca

Jednostki – przykłady (moc zainstalowana)

1000 W = 1 kW (kilowat) 1000 kW = 1 MW (Megawat)

1000 MW = 1 GW (Gigawat) 1000 GW = 1 TW (Terawat)

1 TW =1000 GW =1000 000 MW =1000 000 000 000 kW =1 x 10¹² W 0,001 W = 1 mW (miliwat)

0,001 kW = 1 W (Wat) 0,001 MW = 1 kW (kilowat)

Lub : 1 quad (quadrillion) = 10⁹ Milion Btu = 10¹⁵ Btu mln toe – milion tonne of oil equivalent ton of oil equivalent – ekwiwalent ropy (paliwo o kaloryczności 10000 kcal/kg)

1 mtoe = 10⁶ toe

1 toe = 1.00 x 10¹⁰ [cal] = 41.868 [Giga Joul] = 41.868 x 10⁹ [J]

inne jednostki energii

• Ekwiwalent twardego węgla kamiennego Hard Coal Equivalent 1 Ton HCE = 29308 [MJ] lub

kg HCE = 29308 [kJ]

• Ekwiwalentu ropy naftowej Crude oil Equivalent 1 Ton COE = 41868 [MJ]

1 kg COE = 41868 [kJ]

• naturalnym odpowiednikiem gazu 1 [m3] = 31736 [kJ]

• The British Thermal Unit, albo BTU

• 1 BTU = 1,055 [J] , 1[BTU/hour] = 0.293 [W]

• BTU (ang. British Thermal Unit) - 1 BTU jest to ilość energii potrzebna do ogrzania jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita.

1 tona ropy = 7.3 baryłek ropy = 1.5 ton węgla = 4.2 m³ suche drewno = 12000 kWh prądu elektrycznego.

Formy energii :

Potencjalna w polu grawitacyjnym (na wysokości)

E

= m*g*h

Kinetyczna posiadają ciała w ruchu

E

= m*v

/2

m – masa (kg) g – przyspieszenie ziemskie (m/s²) h – wysokość (m) v – prędkość (m/s) Ek ciała w ruchu = pracy, jaką może wykonać to ciało, zanim się zatrzyma.

Są inne rodzaje energii stanowią różnorodną składową formę energii potencjalnej i kinetycznej Energia kinetyczna na przykładzie energia wiatru w [J] na przykład:

promień łopaty R = 60 [m] prędkość wiatru v = 10 [m/s] gęstość powietrza q = 1,2 [kg/m³] powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika S = π R² = 11 304 [m²]

masa przepływająca w czasie 1 s to: m = q * V (gęstość x objętość) V = S * v * t

m = q * S * v * t

E

= 0,5 * m * v

= 0,5 * (q *

*v*t) * v

= 0,5*(q*S*v

*t) = 6 782 400 [J ] Inne konwersji energii :

• w silniku elektrycznym, energia elektromagnetycznej przekształca się w inną formę na energię mechaniczną.

• W baterii, energia chemiczna przekształca się na energię elektromagnetyczną.

• Energia mechaniczna wodospadu przekształca się w energię elektryczną w generatorze.

Zmiana formy energii:

Każdy rodzaj energii może być przekształcony w inną formę energii czyli konwersji energii Światło -> chemiczna Elektryczna -> termiczna

Chemiczna -> mechaniczna Chemiczna -> mechaniczna

Konwersji energii w silniku samochodowym,

Energia chemiczna  Energia cieplna  Energia mechaniczna Energia może zmieniać swoje formy

1- Energia chemiczna w naszym organizmie zmienia się w Energię kinetyczną (możemy się poruszać) Energię wewnętrzną (temp. naszego ciała)

2- Energia elektryczna z przewodów energetycznych ulega przemianie w 3- Żarówce na energię świetlną

4- Grzałce na energię cieplną

5- Silniku elektrycznym na energię kinetyczną

6- Latarka zamienia energię chemiczną na Energię prądu elektrycznego 7- energię cieplną

8- energię świetlną

Zasada Zachowania energii

 Energia całkowita, czyli suma energii kinetycznej, potencjalnej , cieplnej i wszystkich innych rodzajów energii nie zmienia się.

 Energia całkowita jest wielkością stałą.

 We wszystkich procesach przemiany całkowita ilość energii pozostaje stała.

„Rzeczy nie mogą powstać z niczego, a gdy zostały stworzone, nie mogą zmienić się w nicość”

Energia nie może być sama z siebie stworzona, ani zniszczona.

Energia się nie odnawia ! odnawia się źródło, stąd: odnawialne źródła energii (OZE) Konwersja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• W myśl zasady zachowania energii energia całkowita nie ulega zmianie.

 Jednak poszczególne składniki wchodzące w skład energii całkowitej mogą rosnąć lub maleć.

Energia może być konwertowana lub przekształcona z jednego rodzaju energii na inny, i tak by się postawić w stan użyteczny dla ludzi:

Energia kinetyczna  Energia potencjalna woda rzeki  woda zapory Energia potencjalna  Energia kinetyczna Węgiel  ciepło

Przemiany Energetyczne

• KONWERSJA Energii – Zmiana rodzaju nośnika (postaci) energii z jednego na drugi, w generatorze zmiana energii mechanicznej na elektryczną

• TRANSFORMACJA Energii – Zmiana parametrów tego samego nośnika energii, w wymienniku ciepła zmiana temperatury wody, w transformatorze zmiana napięcia.

Pierwsza i druga zasada termodynamiki

I zasada termodynamiki: CIEPŁO I PRACA SĄ TAKIE SAME

II zasada termodynamiki : CIEPŁO I PRACA SĄ INNE Wszystkie Dżule są równe, ale niektóre są równiejsze od innych

Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach.:

• W języku fizyki : wielkość podlegającą prawu zachowania. Może ona przepływać między różnymi postaciami materii i zmieniać swoją jakość, nie można jednak jej ani stworzyć ani zniszczyć.

• W języku potocznym : słowa energia używa się tylko dla takich postaci energii, które charakteryzują się podwyższoną jakością i nadają się do podtrzymywania biegu procesów wytwarzających użyteczne efekty. Są to więc takie postaci energii, które mają określoną wartość ekonomiczną ( egzergia ).

Podstawy - Racjonalizacji użytkowania energii

•

Nieodnawialne źródła energii :

•

Odnawialne źródła energii

• Dzięki temu zaczęto interesować się alternatywnymi źródłami energii, które charakteryzują się tym, iż mają one nikły wpływ na środowisko.

Definicje źródła energii :

•

Energia pierwotna

•

Przekształcanie energii

• Podział źródła energii

• Źródła energii pierwotnej:

•

Energia efektywna

•

Energia Końcowa

Podstawowe definicje i jednostki w energetyce

•

Energia użytkowa

• postacie energii użytkowej:

- energia chemiczna żywności i paszy, - ciepło,

- światło,

- praca mechaniczna

dźwięk- energia chemiczna materiałów (surowce energetyczne i paliwa przetworzone) …….itd.

Schemat przemian energii

Łańcuch konwersji energii w elektrowni parowej

Energia cieplna pochodzi zwykle ze spalania paliwa (Energia Chemiczna) w kotle parowym. Służy ona do podgrzania i odparowania wody oraz przegrzewania pary wodnej.

W turbinie następuje zamiana energii cieplnej pary na energię mechaniczną doprowadzaną wałem do generatora elektrycznego, w którym zamieniana jest na energię elektryczną.

Konwersja energii w bloku energetycznym Trzy stopnie konwersji energii:

energia chemiczna paliwa → energia elektryczna Sprawność konwersji całkowita: typowa ok. 25 - 35 %

Sprawność kotła energetycznego: ok. 80 – 95 % Sprawność silnika cieplnego: turbina parowa ok. 80 %

silnik tłokowy ok. 30 – 45 % silnik wirnikowy ok. 25 – 40 % Sprawność generatora : ok. 90 – 98 %

Konwersja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• Ale Jak możemy dostarczać energię do konsumenta w określonym miejscu?

Transmisja Energii

• Lub Wymiana energii , ciepła , prądu elektrycznego,…….

• (nazywana także transport energii, transportem ciepła lub przekazywaniem ciepła) jest to jeden ze sposobów (obok pracy) przekazywania energii pomiędzy układami

termodynamicznymi.

Konwersja i Transmisja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• Transmisja lub wymiana energii , jest to przekazywania energii pomiędzy układami termodynamicznymi.

Transmisja lub wymiana Energii cieplnej bez zmiany stanu

Przewodzenie - Ciepło przekazywane przez substancję w bezpośrednich kontaktów cząsteczek.

Konwekcja - Energia cieplna przepływu poprzez przenoszeniem gorących cząstek w strumieniu cieczy lub gazu, gdzie gorące powietrze (mniej gęste) unosi się i powoduje zjawiska konwekcji w cieczach.

Promieniowanie - Promieniowanie energii (promieniowanie podczerwień) poruszające się po liniach prostych w przestrzeni.

Przekłady:

Energia w zakresie wielkości fizycznych

• Czyli stawkę konwersji lub transmisji energii jest związana

• Z wielkości fizycznych takich jak : siła, prędkość, prąd, napięcie, itp..

Przekłady: Dla układu mechanicznego, stawkę przekazywania energii (przepływ energii) do obiektu równa się :

siła F w [Niutonach] mnożona prędkością S w [m /s]

z miejsca, w którym siła jest przykładana. P= F x S Energia w zakresie wielkości fizycznych

Jeśli sprawność układu jest 100% wtedy : P = 3*F*S = V*I

Przekład : Człowiek strzela srebrną kulę o wadze 2 [gr] z prędkością 200 [m/sec] w ścianę. oblicz zmiana temperatury kuli?

energia kinetyczna kuli zamienia się w ciepło, w wyniku zderzenia kuli ze ścianą i tym oczywiste jest, że zmienia na postaci energii cieplnej. Obliczania kinetycznej energii kuli: Ek = 1/2 m . V²

Konwersja energii kinetycznej kuli w energię cieplną można obliczyć ze wzoru : Q = cwk ∙ m ∙ ∆T załóżmy że ciepło właściwe kuli wynosi: 234 [J/kg⁰C]

Transmisja energii

• Energia cieplna, lub ciepło,

Wymiana Energii może również powodować zmianę stanu.

• Na przykład: Do stopienia lodu, cząsteczki muszą uzyskać wystarczającą ilość energii do zerwania połączenia pomiędzy cząsteczek w celu stopienia ciała stałego.

• Podobnie : dostarczające ciepło jest potrzebne aby się obrócić cieczy na gaz, podobne tak jak para wodna.

Sprawność konwersji η (%)

skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm, układ lub proces ,…przekształca energię występującą z jednej postaci energii do innej postaci, Czyli : stosunek wartości wielkości wydawanej przez układ do wartości tej samej wielkości dostarczanej do tego samego układu. Czyli sprawność konwersji układu , η (%)

Efektywność energetyczna

Sprawność żarówki energia przetworzona = światło + Ciepło energia dostarczona = Prąd

Sprawność żarówki

• Żarówka = 60 [W]; Światło (użyteczna energia) = 6 [W]; Ciepło = 54 [W]

Zużyta Energia E = R . t [Wh] gdzie:

• R stawka konsumpcji w [W] x t czas zużycia w [s]

Co oznacza efektywne wykorzystanie energii? Powinieneś być w stanie odpowiedzieć : czyli opisać przelewów energii / transformacji i straty energii, które występują w zakresie układach , systemach i urządzeniach

• obliczyć sprawność układu, urządzenia:

użyteczna energia przeniesiona Sprawność = --- całkowita energia przekazana

•

Rodzaje energii: brutto – netto Energia finalna brutto EFB > Energia finalna netto EFN

energia finalna brutto = energia finalna netto + własne zużycie energetyki + straty na przesyle

Przepływ zużycia Energii pierwotnej – końcowej:

Wykres Sankey`a (wykres przepływu strumieniowego) : jest graficzną poglądową ilustracją przepływów, takich jak np. energia, materiał lub pieniędzy (koszty) stosowanego w technice. Zwykle strumienie są przedstawione jako strzałki, szerokość tych strzałek jest proporcjonalna do wielkości reprezentowanego przepływu. Przepływ Sankey`a: podkreśla i wizualizuje największych przeniesień lub przepływów w ramach systemu. Są one pomocne w odnalezieniu dominujących wkładów do ogólnego przepływu.

W jaki sposób jest stworzona inteligentna sieć ?

- Przy integracji infrastruktur elektrycznych i informatycznych i inkorporacji automatyki i technologii informatycznych z istniejącą obecną siecią elektryczną.

- Inteligentne systemy wdrażane są do spełnienia specyficznych sterowników roboczych i regulacyjnych.

W tej sieci użyteczność każdego narzędzia ma różne :

- punkty wyjściowe , - sterowniki, - ścieżki , - wskaźniki i stawki rozmieszczenia

Inteligentne sieci : Jednym z podstawowych warunków przekształcenia tradycyjnych sieci Energetycznych jest upowszechnienie nowoczesnych układów energoelektronicznych.

Zdecentralizowane systemy zasilania:

Charakterystyka: Mała zdolność wytwarzania energii podłączonej do sieci (z średniego i niskiego poziomu). Podstawowymi źródłami energii są odnawialne (wiatr, słońce, biomasa, biogaz, energia wodna, energia geotermalna, oceanu …itd) i często dostępne są na poziomie lokalnym, czasowym.

Bariery: Potrzebna jest prognozowania produkcji energii ; Magazynowania nadwyżki energii;

Zapotrzebowanie na usługi pomocnicze; Obsługa systemu; Bezpieczeństwo dostaw energii;

Elastyczność i rozbudowa infrastruktury sieci

Co to jest Trigeneracja

• KOGENERACJA- (także skojarzona gospodarka energetyczna lub CHP (Combined Heat and Power). Układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej (CHP) jest to proces technologiczny jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej.

• TRÓJGENERACJĘ - Rozwój myśli technicznej i postęp technologiczny pozwolił na rozszerzenie procesu o produkcję poza 1) ciepłem i 2)energią elektryczną także 3)chłodu, czyli TRÓJGENERACJĘ.

• TRIGENERACJA- jest to skojarzone technologicznie wytwarzanie energii cieplnej, elektrycznej oraz chłodu użytkowego przy pomocy urządzeń absorpcyjnych, mające na celu zmniejszenie ilości i kosztu energii pierwotnej niezbędnej do wytworzenia każdej z tych form energii odrębnie.

• System trójgeneracyjny zbudowany jest z modułu CHP produkującego energię elektryczną oraz ciepło odpadowe wykorzystywane z kolei w urządzeniu absorpcyjnym do produkcji chłodu na potrzeby np. klimatyzacji.

Przepływ energii

Energia źródła (Dostaw energii po stronie podaży, energia pierwotna)

Energia terenowa (Energia końcowa (po stronie popytu, energia finalna, użytkowa)

Różnica pomiędzy źródłowej i terenowej (na miejscu) energii, jest istotnym pojęciem aby zrozumieć charakterystykę energetyczną układu (budynków,…itd)

Zużycie energii można mierzyć w zakresie wykorzystania paliwa: galon oleju opałowego, kWh energii elektrycznej, czy Therms gazu. Chociaż wszystkie z nich są w różnych jednostkach, można je w końcu zmierzyć też w jednostkach energii, np.

Opłacalność zastosowania OZE

Zużycie energii w światowej gospodarce jest coraz większe. W Polsce zapotrzebowanie na energię rośnie wraz z rozwojem gospodarczym.

Dane oraz szacunki dostępne w praktyce i statystyce mówią wyraźnie, że w 2020 roku zapotrzebowanie na energię całkowitą będzie 4,5 razy większe w stosunku do roku 1960.

Dalsze prognozy zapotrzebowania są równie niepokojące i wynoszą ponad 6 razy więcej w roku 2050 do roku 1960. Pojawia się pytanie, czy istnieją tak rozbudowane systemy, by zapewnić nam wystraczającą ilość energii.

Pojawiają się wprowadzania nowych trendów na rynek i rozważne wprowadzenie alternatywy jak wzrost udziału OZE w bilansie energetycznym, poprawy efektywności wykorzystania i oszczędzenia surowców i poprawy stanu środowiska przez redukcję zanieczyszczeń do atmosfery i wód, redukcje ilości wytwarzanych odpadów oraz zmniejszenie emisji CO2.

Trójkąt podaż-popyt energii :

1-

Oszczędność energii

2-

Zwiększenie wydajności

3-

Wykorzystanie odnawialnych źródeł/zasobów energii

Mapa drogowa oraz cele klimatyczne UE :

• Polityka horyzontalna Unii Europejskiej obejmująca 5 celów w zakresie zatrudnienia, innowacji, edukacji, włączenia społecznego oraz zmian klimatu/energii, które należy osiągnąć do 2020 r.

• Rada Europy 8-9 marca 2008 przyjęła Plan Działań integrujący politykę klimatyczną i energetyczną Wspólnoty, aby ograniczyć wzrost średniej globalnej temperatury o więcej niż 2°C powyżej poziomu sprzed okresu uprzemysłowienia oraz zmniejszyć zagrożenie wzrostem cen i ograniczoną dostępnością ropy i gazu.

• Zmniejszenie emisji CO2 o 20% w porównaniu do roku bazowego 1990r.

• Wzrost udziału energii z OŹE do 20%. (w przypadku Polski – 15% wg. decyzji ze stycznia 2008)

• Racjonalizacja wykorzystania energii, podniesienie efektywności energetycznej o 20% .

• A nowy pakiet energetyczno-klimatyczne do 2030 r. obejmuje:

• 1. Redukcja emisji gazów cieplarnianych o 40%

• 2. Wzrost udziału OZE do 27%

• 3. Wzrost efektywności energetycznej o 27%

• Mapa drogowa UE do 2050 roku określa przejście Unii Europejskiej na gospodarkę niskoemisyjną do 2050 r., zakłada redukcję emisji CO2 do 80% w porównaniu do roku bazowego 1990 r.

Polityka energetyczna polski do roku 2030 :

• Rząd Polski w 2009 r. przyjął dokument “Polityka Energetyczna Polski do roku 2030” składający się z następujących celów:

• - poprawa efektywności energetycznej;

• - wzrost bezpieczeństwa dostaw paliw i energii;

• - dywersyfikacja struktury wytwarzania energii elektrycznej poprzez wprowadzenie energetyki jądrowej; (w małej skali… Small modular reactors);

• - rozwój wykorzystania OŹE, w tym biopaliw;

• - rozwój konkurencyjnych rynków energii;

• - ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko.

Gospodarka niskoemisyjna :

Gospodarka, której wzrost osiąga się w wyniku integracji wszystkich jej aspektów wokół:

• niskoemisyjnych technologii i praktyk,

• wydajnych rozwiązań energetycznych,

• czystej i odnawialnej energii, oraz

• proekologicznych innowacji technologicznych.

• W ramach takiej gospodarki w sposób efektywny zużywa się materiały i wytwarza energię ze źródeł odnawialnych (np. słońce, geotermia), a także usuwa, bądź odzyskuje odpady metodami minimalizującymi emisję gazów cieplarnianych do atmosfery, nowa misja energetyki jest niska emisja. Terminologia niskoemisyjna obejmuje całkowitą ilość gazów cieplarnianych wyrażonych w CO2eq.

• Eksploatacja Energii bez negatywnych wpływów na środowisko :

Bardziej progresywne poszukiwania stawiają na samowystarczalność energetyczną budynku na terenie mu przynależnym i eksploatację bez negatywnego wpływu na środowisko. Celem jest sumaryczna wielkość zerowa ‘przypływów i odpływów’ energii dla wydzielonego obiektu.

W tym zakresie, w praktyce jest wiele różnic w interpretacji pojęcie ZEB (Zero Energy Building – budynek zero-energetyczny), szczególnie pomiędzy Północną Ameryką a Europą. Poniższe definicje obrazują je:

• Zerowe zużycie energii netto przez obiekt/miejsce (Net zero site energy use) – ilość energii ze źródeł odnawialnych (OZE) uzyskana na miejscu jest równa energii jaką pobiera budynek – jest to amerykański model.

• Netto zerowe użycie energii ze źródła (Net zero source energy use) - taki ZEB generuje tyle samo energii (OZE) ile zużywa plus energii do transportu energii do budynku (uwzględnia straty podczas przesyłania więc musi generować więcej energii niż poprzednio zdefiniowany).

• Netto zerowa emisja (Net zero emissions) - emisja na terenie lub poza pochodząca ze źródeł kopalnych jest balansowana poprzez wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych (OZE) – ale ZEB poza USA i Kanadą jest definiowany jako zero emisji - w niektórych obliczeniach do emisji generowanych w trakcie eksploatacji budynku dolicza się szkodliwą emisję generowaną w trakcie procesu budowlanego, wytwarzania materiałów oraz transportu do miejsca przeznaczenia - uwzględniane poszczególnych w obliczeniach nie jest jednolite

• Potrójnie zerowy (Triple Zero) – budynek zerowy w trzech kategoriach:

- energia (co najmniej samowystarczalny w zakresie energii potrzebnej do ogrzewania, chłodzenia, ciepłej wody użytkowej i zainstalowanych urządzeń, a wytwarzanej na terenie gdzie położony jest budynek),

- emisja (budynek nie produkuje żadnych gazów cieplarnianych i niedozwolone są żadne procesy spalania w budynku i na terenie),

- odpady (w razie adaptacji budynku lub jego rozbiórki wszystkie elementy są powtórnie użyte (recycled) – bez jakiejkolwiek konieczności palenia lub kierowania do składowiska śmieci, a teren może być powtórnie częścią natury bez obaw o skażenia.

Wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych

• Ze względu na rodzaj wytwarzanej energii przydomowe urządzenia korzystające z OŹE można podzielić na trzy grupy:

• I . Urządzenia wytwarzające ciepło i/lub chłód, m. in. :

• Pompy ciepła,

• Termiczne kolektory słoneczne,

• Kotły na biomasę

• Gruntowe wymienniki ciepła w systemach wentylacyjnych.

• II . Urządzenia wytwarzające energię elektryczną, m. in. :

• Turbiny wiatrowe,

• Panele fotowoltaiczne (PV),

• Turbiny wodne .

• III . Urządzenia wytwarzające ciepło i energię elektryczną, m. in. :

• panele fotowoltaiczne- Termiczne (PV/T).

Z najważniejszych wskaźników wykorzystania OŹE

A) Ile energii pierwotnej ( dostawa energii - po stronie podaży) zapotrzebowanie na energię końcową (na terenie/na miejscu). Różnica pomiędzy źródłowej i terenowej (na miejscu) energii, jest istotnym pojęciem, aby zrozumieć charakterystykę energetyczną układu (budynków,…itd)

B) Redukcja emisji gazów cieplarnianych Najczęstszym kryterium używanym dla przeprowadzenia oceny ekologicznej urządzeń i układów grzewczych jest :

* Zużycie energii pierwotnej i Ekwiwalentna emisja CO2

•

Ślad węglowy:

Co oznacza pojęcie ślad węglowy lub „Carbon Footprint” i jak należy rozumieć jego funkcję dla środowiska? Ślad węglowy to całkowita ilość CO2 i innych gazów cieplarnianych bezpośrednio lub pośrednio emitowanych w trakcie całego cyklu życia procesów lub produktów, wyrażona jest w

kilogramach lub tonach, wyrażona jest w gramach ekwiwalentach CO2 na kilowatogodzinę (TCO2ek/kWh), który oprócz CO2 dotyczy również innych GHG (gazów cieplarnianych) , wywołujących efekt globalnego ocieplenia”.

• Układ hybrydowy

Co to znaczy hybrydowe systemy energii odnawialnej ? (Hybrid Renewable Energy system)

• System hybrydowy energii składa się zwykle z dwóch lub więcej odnawialnych źródeł energii wykorzystanych razem w celu stworzenia bardziej efektywnego systemu oraz zapewnienia lepszej równowagi w zaopatrzeniu w energię. (Technologie pomostowe, układy mieszane).

• Systemy hybrydowe : Posiadają dwa rodzaje różnych komponentów wykonujących zasadniczo tę samą funkcję.

• Hybrydowe systemy energii odnawialnej stają się decydujące i wpływowe w zasilaniu strefy generacji ze względu na postęp w technologii energii odnawialnej i wzrost cen produktów ropopochodnych.

• Który z tych komponentów można wykorzystać i kiedy?

1) Te, które zaspokajają popyt / zapotrzebowanie

2) które maksymalizują efektywność Koszty i minimalizują Wpływ na środowisko (CO2..) 3) które zapewniają zrównoważoną i długoterminową wydajność

• Nowe podejście do projektowania obecnie instalacji hybrydowych wiąże się ze zwróceniem baczniejszej niż dotychczas uwagi na rolę magazynowania energii i racjonalizacji użytkowania energii oraz wykorzystaniu i urynkowieniu OŹE.

• Hybrydowe systemy zasilania są doskonałym źródłem energii w miejscach, gdzie dostęp do standardowej sieci energetycznej jest utrudniony lub wręcz niemożliwy.

• System może być zintegrowany z budynkiem lub zaprojektowany jako urządzenie wolnostojące.

Przegląd nad oddziaływaniu cyklu życia OŹE:

1- Emisja gazów cieplarnianych (GHG) za [kW]) 2- Wpływ na Ludzkie zdrowie za [kWh]

3- Wpływ na Ekosystem za [kWh]

4- Wymagana powierzchnia terenu za [kWh]

5- Nakłady materiałowe za [kWh]

Energetyka Słoneczna

Dlaczego ? Słońce jest czystym i niewyczerpalnym źródłem energii, które jest w stanie bez problemu zaspokoić energetyczne potrzeby wszystkich mieszkańców Ziemi (wystarczyłoby zabudować 3%

powierzchni Sahary). Może być przetworzona w inne formy energii , Energia słoneczna jest bezpłatna, a jej wykorzystanie coraz bardziej efektywne.

ZALETY INSTALACJI SOLARNYCH:

– Ekologiczność (brak emisji CO2 i SOx i NOx )

– Nieograniczone zasoby energii, wszechobecność jej dostępu, – Możliwość bezpośredniej konwersji na inne formy energii,

– W przyszłości możliwość uzyskania odliczeń ze względu posiadanie ekologicznych źródeł energii WADY:

– Wyższe w stosunku do kotłowni konwencjonalnych koszty inwestycyjne – Instalacja ogniw zajmuje rozległe obszary

– Trudność korzystania z tego źródła energii wynika m. in. ze zmienności dobowej i sezonowej promieniowania słonecznego i również mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania słonecznego.

- Roczny strumień energii promieniowania słonecznego docierający do powierzchni polski to 1123 [EJ]

Nawet gdybyśmy wzięli pod uwagę tylko tereny zamieszkane (kolektory słoneczne głównie na dachach), to i tak podaż energii promieniowania słonecznego w Polsce przekracza krajowe zapotrzebowanie na energię. To dobry punkt wyjścia do wykorzystania energii słonecznej. - Energia słoneczna stanowi ogromny potencjał do wykorzystania. Szacunkowo jej ilość docierająca w ciągu roku na powierzchnię kuli ziemskiej, przekracza 15.000 razy roczne potrzeby ludzkości, światowe roczne zapotrzebowanie na energię.- Dla samego obszaru Polski, globalne nasłonecznienie dostarcza 300 razy więcej energii niż tego potrzebujemy.

Krótka charakterystyka rozkładu spektralnego promieniowania słonecznego

Promieniowanie słoneczne (jako gęstość energii w kW/m².nm) jest promieniowaniem elektromagnetycznym w zależności od długości fal od około 300 do 2500 (nm) nanometrów i niesie w sobie zróżnicowaną ilość energii. Tylko część tego promieniowania o długości fali (350 -700 nm) lub (0,35-0,70 m) to zakres światła widzialnego . Spektrum światła słonecznego: 7% (300 – 400 nm) nadfiolet , 46% (350-700 nm) widzialny, 47% (700 – 2500 nm) podczerwień.

Oprócz całkowitej mocy, ważnym parametrem promieniowania słonecznego, który trzeba uwzględniać projektując urządzenie do jego wykorzystywania, jest rozkład spektralny. Maksimum tego rozkładu znajduje się dla długości fali λ = 550 nm, ok. 90% fotonów zawiera się w obszarze energii

odpowiadającym długościom fali pomiędzy 250 a 1540 nm, a sam rozkład dosyć dobrze można przybliżyć rozkładem promieniowania Plancka ciała doskonale czarnego w T=5520 K.

Konwersja promieniowania słonecznego:

fotochemiczna - prowadząca dzięki fotosyntezie do tworzenia energii wiązań chemicznych w roślinach w procesach asymilacji.

foto termiczna - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na energię cieplną.

fotowoltaiczna (PV)- prowadząca do przetworzenia energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Energia słoneczna w budynkach

Kolektor(y) słoneczny(e) jest(są) jednym z etapów opracowywania budynku od projektowania począwszy. Dotyczy to : Ścian zewnętrznych, fasad, skosów, dachów, itp. Energia słoneczna w budynkach = nowe podejście do energetyki słonecznej.

SYSTEM ELASTYCZNYCH FASAD SŁONECZNYCH : System Elastycznych/dynamicznych Fasad Słonecznych umożliwia kombinacje takich elementów jak:

1-Nisko energetyczne szkło (o niskim współczynniku przewodzenia ciepła) w przeszklonych balkonach i przestrzeniach słonecznych, wykorzystywane w celu : zmniejszenia strat ciepła z zabudowanych szkłem balkonów i z przylegających pomieszczeń.

2-Wentylowane ściany słoneczne: używane do wstępnego podgrzania powietrza wentylacyjnego. Są umieszczone w elewacjach oraz w parapetach na klatkach schodowych (tam gdzie fasady budynku są bardzo nasłonecznione).

3- Panele fotowoltaiczne (PV) produkujące elektryczność są zintegrowane z fasadami budynku (skierowane na kierunek Południowy oraz umożliwiające ustawienie pod katem 90°).

4- Termicznie zaizolowane panele elewacyjne stosowane w elewacjach, w celu zredukowania strat ciepła przez ściany budynku od strony północnej.

5- Niewentylowane ściany słoneczne z izolacja transparentna stosowane na końcach budynków (z cegły) wystawionych na olbrzymie nasłonecznienie.

Aktywne wykorzystanie energii słoneczne

W specjalnie do tego celu skonstruowanych urządzeniach lub instalacjach. Są to tak zwane aktywne systemy wykorzystania energii słonecznej. Systemy te, w zależności od temperatury czynników oraz od roli, jaką wykonują w transferze energii dzielą się na :

- Niskotemperaturowe (np. kolektory słoneczne),

- Wysokotemperaturowe (np. farmy i elektrownie słoneczne),

- Wspomagające (np. magazyny energii, pompy ciepła, diody cieplne…inne)

•

Cele słonecznych programów w najbliższym okresie

- produkcji energii elektrycznej z systemów fotowoltaicznych,

- słonecznego ogrzewania wody - termalne aplikacje ,

- Energia elektryczna z koncentracji - systemów solarnych…itd.

• Długoterminowe cele:

- do 2020 i dalej celem solarnych programów jest obniżenie kosztów energii słonecznej, aby były one konkurencyjne do systemów wykorzystujących paliwa kopalne.

- Jednym z głównych problemów - magazynowanie energii słonecznej (elektrycznej i cieplnej) który jest w trakcie opracowywania.

Technologie słoneczne

• Pasywne: dotyczą projektu architektonicznego budynku dostosowanego do lokalnych warunków mikroklimatycznych, odpowiednie usytuowanie budynku, właściwa orientacja, prawidłowe ukształtowania najbliższego otoczenia budynku.

• Podgrzewania wody: Technologie te wykorzystania energii słonecznej w celu zapewnienia ciepłej wody dla domów i firm

• Proces ogrzewania słonecznego i chłodzenie: Technologie te wykorzystują energię słoneczną do ogrzewania lub chłodzenia obiekty handlowe i przemysłowe.

• Technologie koncentrujące : Te technologie wykorzystują energię słoneczną w celu zapewnienia energii elektrycznej dla dużych elektrowni.

• Fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne) : Technologie te konwertują bezpośrednio światła słonecznego na energię elektryczną do zasilania domów i przedsiębiorstw.

Udział energii słonecznej

• Każdego dnia dociera do naszej planety znaczna ilość energii słonecznej.

• Moc promieniowania w danym miejscu zależy od temperatury powierzchni słońca, odległości ziemi od słońca, warunków pogodowych i przenikania przez atmosferę (zjawiska rozproszenia, odbicia i pochłaniania).

• Zarówno w zimie, jak i w lecie moc promieniowania padającego na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieniowania wynosi około 1000 [W/m²].

Rejonizacja obszaru Polski pod względem możliwości wykorzystania energii słonecznej.

Moc promieniowania w danym miejscu zależy od temperatury powierzchni słońca, odległości ziemi od słońca, warunków pogodowych i przenikania przez atmosferę (zjawiska rozproszenia, odbicia i pochłaniania).

Geometria słoneczna : Energia Promieniowania Słonecznego

1-

Promieniowanie słoneczne całkowite

To jest chwilowa moc promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi, zależna w znaczącym stopniu o stanu atmosfery (Zjawiska w ziemskiej atmosferze).

Stała słoneczna : Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i wynosi 1,366 kW/m² (jest to mała gęstość strumienia ciepła).

Albedo Ziemi :

• Albedo to stosunek światła promieniowania odbitego od przedmiotu, do całkowitego światła docierającego do niego.

• Wartość albedo waha się : od 0 (brak światła odbitego) do 1 (całe światło zostało odbite) lub wartość ta może być wyrażana w procentach (%).

Albedo Ziemi:

- Średnie albedo naszej planety wynosi około 0,3. Oznacza to, że 30% światła słonecznego docierającego do Ziemi jest oddawane z powrotem w przestrzeń kosmiczną.

- Nie oznacza to jednak, że w każdym miejscu na ziemi jest jednakowe: największe odbicie występuje tam gdzie występuje lód lub śnieg, natomiast najmniejsze nad oceanami.

Stosunek AM (Air Mass ratio):

Wartość ta odpowiada mocy, która najkrótsza droga (prostopadle) osiąga powierzchnie Ziemi – czyli w południe na równiku. - Dla innych szerokości geograficznych ilość energii docierającej do powierzchni będzie zależała od kąta, pod którym to promieniowanie pada na danej szerokości geograficznej.

AM0 oznacza brak atmosfery; AM 1 Oznacza słońce jest w zenicie (nad głową); AM 1.5 Często przyjmuje się jako średnią spektrum na powierzchni Ziemi, czyli AM1.5 Jest jako standardowa kalibracji dla ogniw fotowoltaicznych (PV)

Do zewnętrznej granicy atmosfery ziemskiej dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu 1367 (W/m²) czyli spektrum AM = 0. Natomiast po przejściu przez atmosferę o grubości (AM = 1,5) jego wartość spada do 1000 (W/m²).

Przyrządy pomiarowe :

Przyrządy mierzą kilka komponentów promieniowania słonecznego :

Przyrządy Promieniowanie bezpośrednie -, pyrheliometr; Promieniowanie całkowite – Pyranometr, solarymetr; Promieniowanie odbite – albedometr; Promieniowanie ziemskie - pyrgeometr

2- Usłonecznienie h/rok

Usłonecznienie określa liczbę godzin bezchmurnych w ciągu roku, gdy promieniowanie słoneczne dociera bezpośrednio do powierzchni ziemi.

- Dla potrzeb doboru instalacji solarnych nie jest to istotny parametr, gdyż w zasadzie jest on ujęty w wartości globalnego nasłonecznienia (kWh/m²rok), dla danego rejonu.

- Usłonecznienie dla Polski wynosi przeciętnie od 1400 do 1700 godzin rocznie , w zależności od lokalizacji.

3-

Globalne nasłonecznienie

- Nasłonecznienie jest najważniejszym parametrem opisującym energię promieniowania Słonecznego , ponieważ wyraża energię [kWh] docierającą do powierzchni ziemi [m²] w ciągu roku.

Przyjmując średnią wartość nasłonecznienia 1000 [kWh/m² rok] w Polsce , można określić roczny potencjał energii PS jako równowartość ciepła wytworzonego ze spalania 100 litrów oleju opałowego lub 100 [m³] gazu ziemnego dla każdego 1 [m²] powierzchni.

Z mapy rocznego nasłonecznienia globalnego (jako energia pierwotna) możemy powiedzieć że wartość dzienna natężenia promieniowania słonecznego całkowitego w skali światowej waha się w granicach od 1 – 8,5 [kWh/m².dzień].