Źródłem energii geotermalnej jest wnętrze Ziemi o temperaturze około 5400 °C, generujące przepływ ciepła w kierunku powierzchni. Moc ciepła wypływającego na powierzchnię Ziemi wynosi ok. 46 TW, stąd średni strumień geotermalny wynosi ok. 0,063 W/m2, a średni gradient temperatury ok. 25 K/km.

Jeśli chodzi o zagospodarowanie źródeł energii geotermalnej, istnieje standardowy podział na geotermię wysokotemperaturową (GWE) inaczej wysokiej entalpii (na rysunku poniżej) oraz niskotemperaturową (GLE) – niskiej entalpii.

Źródło: Geotermia Podhalańska

Geotermia niskiej entalpii

Geotermia niskiej entalpii wykorzystuje ciepło ziemi w sposób pośredni – poprzez stosowanie urządzeń wspomagających – tzw. Geotermalne pompy ciepła (GPC). Działają one na zasadzie podnoszenia energii na wyższy poziom termodynamiczny. Ciepło ośrodka skalnego stanowi dla pompy tzw. dolne źródło ciepła, które powinno (ze względów ekonomicznych) znajdować się w otoczeniu takiej pompy. Zamiast ciepła skał można wykorzystać powietrze atmosferyczne, wody powierzchniowe, ciepło odpadowe itp. Duże znaczenie ma tutaj nasłonecznienie gruntu, które było szerzej omawiane przy omawianiu energii słonecznej.

Jako wartość graniczną przyjmuje się temperaturę minimalną = 30 C, wykorzystywanie zasobów o tak niskiej temperaturze określa się mianem geotermii bardzo niskiej entalpii (GBNE).

Dzięki dynamicznemu rozwojowi tej techniki grzewczej, pompy ciepła staja się coraz bardziej ekonomicznie. Jako że jest to urządzenie mechaniczne , wymaga zasilania, które jednak może być uzyskane z innych form źródeł energii odnawialnych, np elektrowni wiatrowych, dzięki czemu uzyskujemy system oparty całkowicie na odnawialnej i praktycznie niewyczerpalnej energii środowiska.

Zasada działania pomp ciepła

Zasada działania pompy ciepła, typu sprężarkowego, polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego, którym jest specjalnego płyn wypełniający wewnętrzną instalację pompy. Płyn, płynąc przez parownik, pobiera ciepło z gruntu lub wody (tzw. dolne źródło ciepła) zamieniając się w gaz. Ogrzany gaz trafia do sprężarki, gdzie ulega kompresji, a temperatura jego znacznie wzrasta. Podgrzana czynnik trafia do skraplacza, ulegając ochłodzeniu, a swoje ciepło oddaje wodzie wypełniającej instalację grzewczą i instalację ciepłej wody użytkowej, zwanych górnym źródłem ciepła. Następnie ochłodzony płyn przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie następuje redukcja wysokiego ciśnienia i powrót do parownika, skąd cały proces rozpoczyna się ponownie.

Geotermia wysokiej entalpii

Geotermia wysokiej entalpii umożliwia bezpośrednie wykorzystanie ciepła ziemi, którego nośnikiem są substancje wypełniające puste przestrzenie skalne, takie jak woda termalna, mieszaniny pary, gazu itp. Mają one względnie wysokie wartości temperatur. Oprócz zastosowań grzewczych znajdują zastosowania w wielu innych dziedzinach: hodowla ryb, produkcji rolnej i szklarniowej, do celów rekreacyjnych (np kąpieliska). Optymalne wykorzystanie ciepła umożliwia tzw. system kaskadowy: kolejne punkty odbioru ciepła charakteryzują się coraz mniejszymi wymaganiami temperaturowymi. Źródła o bardzo wysokich temperaturach mogą być wykorzystywane do produkcji energii przy pomocy pary wodnej, jednak nie wszędzie jest on możliwy do realizacji np. w warunkach polskich nie można go wdrożyć.

Pozyskiwanie wód termalnych w geotermii wysokotemperaturowej zależy od dwóch czynników:

• geofizycznego: czyli ziemskiego strumienia ciepła oraz związanej z nim temperatury ośrodka skalnego

• hydrogeologicznego: przewodności hydraulicznej poziomów wodonośnych oraz mineralizacji wód podziemnych

Oprócz wody źródłem wysokotemperaturowej energii geotermalnej mogą być suche gorące skały (Hot Dry Rocks – HDR), które osiągają temperaturę ponad 150 stopni C

Na rysunku 9 wyraźnie widać, że w Polsce najlepsze warunki dla geotermii wysokotemperaturowej znajdują się w pasie północno-zachodnim. Wyniki te uzyskano dzięki wykonaniu 7000 otworów wiertniczych, głównie w latach 1970-1980. Niestety obecnie takich otworów powstaje coraz mniej (przyczyną są ich znaczące koszty), co istotnie ogranicza możliwości planowania inwestycji na nowych terenach.

Rozwój tej geoenergetyki jest jednak dodatkowo uwarunkowany opanowaniem znanych trudności eksploatacyjnych (mineralizacja wód geotermalnych powoduje wytrącanie się soli w instalacjach przy odbieraniu ciepła), a nadto ekonomicznych (brak systemowych gwarancji zwrotu kosztów wierceń o ile instalacja w danym miejscu okaże się niemożliwa).

Zasada działania elektrowni wiatrowych

Nowoczesne siłownie wiatrowe posiadają specjalną prądnicę działającą przy wolnych obrotach i napędzaną bezpośrednio ruchem śmigła. Dzięki czemu unika się w układzie przekładni i wałów, co eliminuje straty spowodowane tarciem i znacznie wydłuża żywotność urządzenia. Generator wolnoobrotowy umieszczony jest bezpośrednio za śmigłem. Część elektrowni wiatrowych posiada na obudowie wmontowany ster kierunku, umożliwiającym ustawienie śmigła „ na wiatr”.
Poza elementami mechanicznymi siłownia wyposażona jest w systemy elektroniczne i komputerowe sterujące jej pracą, kątem ustawienia łopat wirnika, dokonującą pomiarów siły i kierunków wiatru. Układy sterujące umożliwiają zatrzymanie urządzenia w przypadku zbyt silnego wiatru lub w sytuacji awaryjnej. Systemy elektroniczne zapewniają również kontrolę nad prawidłową pracą pozostałych urządzeń odpowiedzialnych za ładowanie akumulatorów czy przetwarzanie prądu ze stałego w zmienny.

Farmy wiatrowe lądowe

W chwili obecnej (2011 rok) całkowita moc pracujących elektrowni w Polsce wynosi ok 300 MW, z czego większość znajduje się na terenach północnych – panują tam najlepsze warunki wiatrowe. Innym rejonem jest region południowo-wschodni, gdzie planowane są inwestycje o łącznej mocy 500 MW. Poza tym mniejsze farmy wiatrowe spotyka się na terenach całego kraju. Przykład zespołu wiatraków, znajdujących się w Tymieniu (woj. Zachodniopomorskie) znajduje się na poniższym rysunku:

Źródło: http://oze.nfosigw.gov.pl/

Elektrownie wiatrowe na morzu

W porównaniu z terenami lądowymi, lokalizacja turbin wiatrowych na otwartym morzu posiada kilka wyraźnych zalet:

- wiatry wykazują większą stabilność, umożliwiając bardziej efektywne wykorzystanie ich energii oraz zmniejszenie zużycia urządzeń

• siła wiatru na morzu jest większa na niższej wysokości, co umożliwia zużycie niższych wież, poza tym wiatry przybierają na sile w miarę oddalania się od brzegu

• obszary morskie stwarzają więcej przestrzeni dla lokalizacji farm wiatrowych.

Niestety w Polsce nie ma żadnych podstaw prawnych do rozwoju elektrowni wiatrowych stojących w morzu. Pierwsze takie farmy mogą najwcześniej powstać za ok. 10 lat

Małe wiatraki

Alternatywą dla wielkich i kosztownych farm wiatrowych jest budowa pojedynczych wiatraków małej mocy, przy gospodarstwach rolniczych i domach jednorodzinnych. Ich zaletą są przede wszystkim małe gabaryty i stosunkowo niski koszt inwestycyjny. Na poniższym rysunku widać model hybrydowy uzyskany z połączenia małej elektrowni wiatrowej oraz panelu słonecznego:

Źródło: http://oze.nfosigw.gov.pl/

Oddziaływanie na środowisko

Najbardziej widocznym efektem oddziaływania na środowisko przyrodnicze jest obniżenie emisji szkodliwych substancji. Ekologicznie odczuwalnymi skutkami budowy elektrowni są:

• hałas towarzyszący pracy turbiny wiatrowej

• efekt wizualny: pojawienie się elementów technicznych w krajobrazie

• migracje zwierząt z obszarów bezpośrednio usytuowanych przy elektrowni

• zagrożenie dla ptactwa wynikające z możliwości zderzenia z wirującymi łopatami

Żródło: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie, Jacek Kapuściński, Andrzej Rodzoch

Intensywność nasłonecznienia uzależniona jest od szerokości geograficznej i lokalnych warunków klimatycznych. Mierzy się ją roczną gęstością strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą. W Polsce największa wartość nasłonecznienia występuje ma północy, a najmniejsza – w obrębie dużych aglomeracji miejskich w wyniku ich dużego zanieczyszczenia.

Źródło: www.hevalex.pl

Inną stosowaną jednostką jest usłonecznienie. Jest to liczba godzin słonecznych w ciągu roku. Na Wybrzeżu średnio można liczyć na 1600 godzin/rok natomiast najmniej na Górnym Śląsku: tutaj usłonecznienie przyjmuje 3/4 powyższej wartości. Daje to duże możliwości zastosowania nowoczesnych kolektorów słonecznych, charakteryzujących się dużą wydajnością, nawet w dni pochmurne, czy w okresie jesienno-zimowym.

Jak działa kolektor słoneczny?

Próżniowy kolektor słoneczny przejmuje promieniowanie słoneczne dzięki powłokom absorpcyjnym, znajdującym się w każdej z rur. Hermetyczna kapilara umieszczona wewnątrz rury, wypełniona czynnikiem o niskiej temp. wrzenia, przejmuje energię cieplną i podgrzewa płyn solarny krążący w instalacji. Gorący płyn trafia następnie do wężownicy, znajdującej się w zasobniku z wodą, podgrzewając ją. W końcu ochłodzony czynnik grzewczy powraca do kolektora słonecznego, by powtórzyć cały cykl.

Kolektory słoneczne najczęściej łączy się w zespoły, które mogą osiągać całkiem sporą powierzchnię końcową. Przykład takiego grupowego połączenie takich ogniw słonecznych widać na poniższym rysunku:

Źródło: http://oze.nfosigw.gov.pl/

Perspektywy dla Polski

W 2008 r. Polska stała się siódmym rynkiem energetyki słonecznej w UE. Ponadto krajowi producenci kolektorów słonecznych ponad 50% swoich urządzeń eksportują poza granice Polski. To właśnie wyróżnia energetykę słoneczną termiczną na tle pozostałych technologii OZE, wśród których dominuje raczej import urządzeń i często krajowej produkcji urządzeń w ogóle brakuje.

Udział wybranych źródeł energii odnawialnej w światowej produkcji energii elektrycznej i cieplnej (scenariusz rozwojowy, 2010, 2020 i 2030 – prognozy), znajduje się poniżej:

(żródło: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie, Jacek Kapuściński, Andrzej Rodzoch )

Obecny jak i prognozowany udział OZE dla Polski (lata 2005-2050) znajduje się na poniższym rysunku:

(żródło: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie, Jacek Kapuściński, Andrzej Rodzoch )

Kwestii poprawy efektywności należy podporządkować przyjmowane na potrzeby realizacji ww. polityki metody i technologie, w tym standardy środowiskowe i energetyczne, oraz elastyczne mechanizmy bilansowania najważniejszych emisji (CO₂, SO₂, NO_x) – stworzy to preferencje dla instalacji o najwyższej sprawności energetycznej.

Prognoza wskazuje, że realne wydaje się osiągnięcie, w warunkach polskich, poziomu 20-30% udziału OZE w zaspokojeniu zapotrzebowania na energię finalną, co dawałoby podsektorowi OZE udział porównywalny z innymi źródłami zaspokajania potrzeb energetycznych i sprzyjałoby powstawaniu krajowych miejsc pracy, a także stanowiłoby zasadniczy krok na drodze „równoważnia” energetyki polskiej i zapewniania długofalowego bezpieczeństwa energetycznego umożliwiając jednocześnie znaczące ograniczenia wykorzystywania zasobów nieodnawialnych paliw kopalnych. Jednak warunkiem osiągnięcia takiego poziomu pokrycia potrzeb energetycznych kraju jest utrzymanie w silnych ryzach wzrostu zapotrzebowania na energię finalną, zwłaszcza na energię elektryczną, przy jednoczesnym maksymalnym wykorzystaniu potencjału „energetyki odnawialnej”.

Rozwój energetyki odnawialnej ma istotne znaczenie dla realizacji podstawowych celów polityki energetycznej. Wzrost poziomu wykorzystania tych źródeł da w konsekwencji większy stopień niezależności od zewnętrznych dostawców energii (import). Energetyka odnawialna to zwykle niewielkie jednostki wytwórcze zlokalizowane blisko odbiorcy, co pozwala na podniesienie lokalnego bezpieczeństwa energetycznego oraz zmniejszenie strat przesyłowych. Produkcja energii ze źródeł odnawialnych cechuje się niewielką lub zerową emisją zanieczyszczeń, co zapewnia pozytywne efekty ekologiczne. Rozwój energetyki odnawialnej przyczynia się równieżdo rozwoju gospodarczego słabiej rozwiniętych regionów, bogatych w zasoby energii odnawialnej.

Poniżej wymieniłam wszystkie zapisy tej uchwały, które dotyczą bezpośrednio Odnawialnych Źródeł Energii (OZE):

Cele w zakresie rozwoju wykorzystania OZE

• Wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii w bilansie energii finalnej do 15% w roku 2020 i 20% w roku 2030,

• Osiągnięcie w 2020 roku 10% udziału biopaliw w rynku paliw transportowych oraz utrzymanie tego poziomu w latach następnych,

• Ochrona lasów przed nadmiernym eksploatowaniem w celu pozyskiwania biomasy oraz zrównoważone wykorzystanie obszarów rolniczych na cele OZE, w tym biopaliw, tak aby nie doprowadzić do konkurencji pomiędzy energetyką odnawialną i rolnictwem.

Działania na rzecz rozwoju wykorzystania OZE

• Wypracowanie ścieżki dochodzenia do osiągnięcia 15% udziału OZE w zużyciu energii finalnej, w podziale na poszczególne rodzaje energii: energia elektryczna, ciepło, chłód, biokomponenty oraz w rozbiciu na poszczególne technologie,

• Utrzymanie mechanizmów wsparcia dla producentów energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych poprzez system świadectw pochodzenia (zielonych certyfikatów) (…),

• Realizacja Wieloletniego programu promocji biopaliw i innych paliw odnawialnych w transporcie na lata 2008 – 2014,

• Utrzymanie obowiązku stopniowego zwiększania udziału biokomponentów w paliwach transportowych, tak aby osiągnąć zamierzone cele,

• Wprowadzenie dodatkowych instrumentów wsparcia o charakterze podatkowym zachęcających do szerszego wytwarzania ciepła i chłodu z odnawialnych źródeł energii, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania zasobów geotermalnych (w tym przy użyciu pomp ciepła) oraz energii słonecznej (przy zastosowaniu kolektorów słonecznych), Wdrożenie programu budowy biogazowni rolniczych przy założeniu powstania do roku 2020 co najmniej jednej biogazowni w każdej gminie,

• Utrzymanie zasady zwolnienia z akcyzy energii pochodzącej z OZE,

• Bezpośrednie wsparcie budowy nowych jednostek OZE i sieci elektroenergetycznych umożliwiających ich przyłączenie z wykorzystaniem funduszy europejskich oraz środków funduszy ochrony środowiska, w tym środków pochodzących z opłaty zastępczej,

• Stymulowanie rozwoju przemysłu produkującego urządzenia dla energetyki odnawialnej, w tym przy wykorzystaniu funduszy europejskich,

• Realizacja inwestycji w hydroenergetyce.

Źródło uchwały:

http://www.mg.gov.pl/ Polityka energetyczna Polski do 2030 roku

oraz Wnioski ze strategicznej oceny oddziaływania polityki energetycznej na środowisko, załącznik nr 4. do „Polityki energetycznej Polski do 2030 roku”

• brak oceny ekspertów dotyczących skutków wybudowania i eksploatacji takiej elektrowni, nie wspominając już o rzetelnym kosztorysie uwzględniającym warunki polskie. Nie ma planów na wypadek awarii i ewentualnych negatywnych skutków dla środowiska przyrodniczego. Dodatkowo nie dysponujemy technologiami, które umożliwiłyby szybką interwencję i zapobieganie skutkom takiej awarii, której nie wolno wykluczyć.

• brak wyszkolonej kadry naukowej, technicznej i menadżerskiej, która będzie odpowiedzialna za prowadzenie inwestycji na każdym szczeblu organizacji.

• uzależnienie się od dostawców uranu, zapasy rud tego minerału mają się kończyć za ok, 30 lat, co znacząco ograniczy możliwości eksploatacji obecnych i przyszłych elektrowni

• skoro inwestycja w e. j. jest taka droga, to może w pierwszej kolejności należałoby szukać oszczędności energetycznych w innych miejscach, np.: poprzez modernizację wysłużonych już linii przesyłowych, generujących spore straty przesyłowe, za które de facto płacimy my odbiorcy końcowi

Wyżej wymienione punkty nakreślają obraz dodatkowych, mniejszych lub większych kosztów, które trzeba będzie ponieść przy budowie tego typu elektrowni stawiających pod znakiem zapytania opłacalność ekonomiczną tego typu inwestycji w Polsce. Więcej uwagi należałoby poświęcić na lepsze wykorzystanie energii odnawialnych i udoskonalaniu istniejących technologii eksploatacji zasobów ze źródeł nieodnawialnych.

Oznacza to, że Polska, w której obecnie 93.5% energii pochodzi z węgla kamiennego (Świat 39,5%), uzależni się, jak nigdy dotąd, od zewnętrznych dostaw energetycznych. Polski system energetyczny składa się z trzech elementów: wytwarzanie energii, przesyłu energii i dystrybucja energii. Na każdym z tych etapów występują duże straty energii sięgające od kilku do kilkudziesięciu %. Dlatego tak ważne jest, aby budować elektrownie blisko docelowego miejsca przeznaczenia, gdyż ogranicza to straty i pośrednio – koszty. Zabezpieczenia potrzeb energetycznych kraju upatruje się w skojarzonym wytwarzaniu energii – wysokosprawnej kogeneracji, a także wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii – z naciskiem na biomasę i energetykę wiatrową.

Kogeneracja oznacza proces technologiczny jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i energii cieplnej. Zastosowanie kogeneracji daje duże oszczędności ekonomiczne i jest korzystne pod względem ekologicznym w porównaniu z odrębnym wytwarzaniem ciepła w klasycznej ciepłowni i energii elektrycznej w elektrowni. Kogeneracja wysokosprawna jest najlepszym rozwiązaniem kogeneracyjnym. Są to układy projektowane pod kątem zapotrzebowania na odbiór ciepła użytkowego i dostosowanie do jego wartości mocy elektrycznej (wytwarzane jest dokładnie tyle energii cieplnej na ile jest zapotrzebowanie).

Jeszcze inną alternatywą jest energetyka jądrowa. 13 stycznia 2009 r rząd przyjął uchwałę w sprawie rozwoju energetyki jądrowej. W celu zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, w Polsce mają powstać co najmniej dwie elektrownie jądrowe, w pierwszej z nich prąd ma popłynąć już w 2020 roku. Więcej o energetyce jądrowej w następnym poście.

Efektywność energetyczna i energochłonność
W Polsce budownictwo i przemysł odpowiadają za ok. 80% całkowitego zużycia energii w kraju. Na poprawę stanu finansowego gospodarki wpływa budowa wysokosprawnych elektrowni i elektrociepłowni, obniżenie strat przesyłu w sieciach, zintegrowane planowanie podaży oraz sterowanie i zarządzanie stroną popytową. Kluczowa jest tutaj poprawa efektywności wykorzystania energii w dwóch podstawowych sektorach gospodarki – budownictwa i przemysłu. Do działań w zakresie efektywności energetycznej obligują Polskę zobowiązania i regulacje międzynarodowe, w tym także z zakresu ochrony klimatu i ochrony środowiska.

Poprawa efektywności energetycznej gospodarki jest procesem złożonym, który przy określonych celach, powinien być realizowany świadomie i spójnie, w zakresie zamierzeń oraz planowanych i podejmowanych działań. Dyrektywa 2006/32/WE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych, która weszła w życie 17 maja 2006 r., nakłada na Polskę obowiązek podjęcia intensywnych działań prowadzących do ograniczenia zużycia energii finalnej przez odbiorców końcowych w kolejnych dziewięciu latach jej obowiązywania.

Począwszy od 1 stycznia 2008 r. Zgodnie z Dyrektywą, Państwa Członkowskie przyjmują krajowy cel indykatywny w zakresie oszczędności energii w wysokości 9% uśrednionego zużycia z lat 2001-2005 i dążą do jego osiągnięcia w dziewiątym roku stosowania dyrektywy. Cel ten realizują przy pomocy usług energetycznych i innych środków poprawy efektywności energetycznej. Państwa Członkowskie są zobowiązane do podjęcia efektywnych kosztowo działań, służących osiągnięciu tego celu.

Energochłonność jest to odniesienie dotyczące głownie produkcji przemysłowej. Ujmuje się ją jako relację wielkości zużycia energii w procesie produkcyjnym w przedsiębiorstwie, w przemyśle czy gospodarce w odniesieniu do odpowiedniej wielkości produkcji, w której uczestniczy ta energia, czyli inaczej jako relację nakładów do efektów. O poziomie energochłonności decydują głównie takie czynniki jak: struktura gałęziowa przemysłu, stosowane technologie wytwarzania, ceny energii oraz jakość produkcji.

Polska jest w stanie zrealizować zalecenia Komisji Europejskiej o ograniczeniu energochłonności o 20% do roku 2020 i cele wynikające z Dyrektywy 32/2006/WE, tylko wtedy, gdy szybko podejmie odpowiednie działania. Jednak w chwili obecnej planowane działania na rzecz efektywności energetycznej i energochłonności są mocno opóźnione [rysunek poniżej]. Opóźnienie to lub zaniechanie działań uniemożliwi osiągnięcie celu pośredniego Dyrektywy 32/2006/WE i spowoduje duże trudności w osiągnięciu celu jakim są oszczędności energii w roku 2016.

Źródło: Efektywność energetyczna polskiej gospodarki – szanse i zagrożenia, Dr inż. Ryszard Wnuk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA, PolskoJapońskie Centrum efektywności Energet.

Ograniczenie emisji CO2 produkowanego przez człowieka jest procesem niezmiernie trudnym i musi odbywać się na wielu szczeblach. Zakłada się zmniejszenie globalnej emisji do ok. 10 mld ton do roku 2020, m.in dzięki inwestycjom w źródła energii odnawialnych. W Europie planuje się dwa projekty: EUMENA i DESERTEC, które będą polegać na budowie elektrowni wiatrowych i słonecznych, na wybrzeżach Afryki Północnej i Środkowego Wschodu (tereny pustynne).

Również w Polsce, chociaż bardzo powoli, rozwija się rynek energii odnawialnych. Niestety ustalenia prawne nie zawsze mu sprzyjają, a często niosą też jawne ograniczenia. Zastosowanie energii odnawialnych nie tylko wpływa na zmniejszenie podaży dwutlenku węgla do atmosfery, ale także przyczynia się do poprawy efektywności wykorzystania i oszczędzania zasobów surowców energetycznych, poprawy stanu środowiska, poprzez redukcję zanieczyszczeń.