ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA ENERGII
Na kryzys energetyczny w zimie 1973/74 roku światowa opinia publiczna zareagowała niepokojem przed wyczerpaniem się kopalnych nośników energii za parę dziesięcioleci. Dlatego też rozpoczęto poszukiwania nowych, samoregenerujących się źródeł energii. Niektóre kraje postawiły na rozbudowę energii jądrowej, jednakże tendencja ta trafiła pod ostrzał grup przeciwników energii jądrowej. W dyskusji wyłoniły się następujące alternatywy: energia słoneczna, włącznie z zależną od promieniowania słonecznego energią wodną, energia wiatru, fal morskich i ciepła morza, energia przypływów i odpływów i energia geotermiczna.
Energia słoneczna.
Bezpośrednimi przetwornikami energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną są ogniwa słoneczne. Ze względu na sposób przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną rozróżnia się ogniwa fotochemiczne i ogniwa fotoelektryczne.
Najprostsze ogniwo fotochemiczne, podobnie jak ogniwo chemiczne, składa się z dwóch elektrod metalowych zanurzonych w roztworze danego metalu. Jeżeli jedna z elektrod zostanie poddana działaniu promieniowania słonecznego, to na zaciskach ogniwa powstaje różnica potencjałów. Zjawisko to odkrył francuski uczony A. H. Becquerel w drugiej połowie XIX wieku, prowadząc doświadczenia z ogniwem chemicznym. Ogniwa fotochemiczne nie znalazły dotychczas praktycznego zastosowania ze względu na niską wydajność.
Wytwarzanie energii w ogniwach fotoelektrycznych odbywa się na skutek wykorzystania zjawiska fotoelektrycznego, polegającego na zmianie elektrycznych właściwości ciał pod wpływem promieniowania słonecznego. Typowym ogniwem fotoelektrycznym jest ogniwo krzemowe, w którym wykorzystywane jest zjawisko fotowoltaiczne ( zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne ) obserwowane w półprzewodnikach.
Krzem jako czysty materiał nie przewodzi prądu elektrycznego. Jednak domieszkowanie czystego krzemu, mającego cztery elektrony walencyjne, atomami pierwiastka mającego więcej lub mniej elektronów walencyjnych niż atomy krzemu, umożliwia powstanie w nim nośników elektryczności. Atomy pierwiastków domieszkowych można na przykład wprowadzić przez dyfuzję w czasie zetknięcia materiałów przy podwyższonych temperaturach.
Do krzemu można wprowadzić pierwiastek domieszkowy mający trzy (np. trójwartościowy bor) lub pięć (np. pięciowartościowy arsen) elektronów walencyjnych w każdym atomie. Przy domieszkowaniu krzemu borem liczba elektronów walencyjnych konieczna do utworzenia potrzebnych wiązań w sieci krystalicznej jest za mała. Powstają puste miejsca, które nazywają się dziurami. Dziury zachowują się jak ładunki dodatnie i mogą zmieniać swoje położenie wewnątrz materiału, stając się dodatnimi nośnikami elektryczności. Materiał domieszkowany w taki sposób nazywa się półprzewodnikiem typu p. Z kolei przy domieszkowaniu krzemu arsenem uzyskuje się wolne elektrony, niepotrzebne w wiązaniach atomowych, które stają się ujemnymi nośnikami elektryczności. Materiał domieszkowany w taki sposób nazywa się półprzewodnikiem typu n. Zetknięcie ze sobą materiałów typu p i n daje złącze p-n , w którym pod wpływem promieniowania słonecznego tworzą się pary nośników elektryczności. W rezultacie na zaciskach złącza pojawia się siła elektromotoryczna. W ten sposób uzyskuje się pojedyncze ogniwo fotoelektryczne. Efekt taki występuje nie tylko w złączach p-n, wytwarzanych z tego samego materiału, lecz również w heterozłączach, tworzonych między różnymi materiałami półprzewodnikowymi, lub złączach półprzewodnik metal.
Pojedyncze ogniwa łączy się w baterie, z których tworzy się zestawy o wymaganej mocy. Ogniwa fotoelektryczne mogą być ponadto wyposażone w soczewki lub całe układy optyczne skupiające promienie słoneczne, przez co uzyskuje się zmniejszenie zużycia materiału półprzewodnikowego na jednostkę zainstalowanej mocy.
Do najczęściej stosowanych ogniw fotoelektrycznych należą ogniwa krzemowe. Odznaczają się one stosunkowo wysoką sprawnością dochodzącą do 20%. Ogniwa fotoelektryczne charakteryzuje ponadto duża niezawodność oraz długotrwałość działania.
Energia z biomasy.
Według definicji biomasa jest to każdy materiał organiczny (żywy lub martwy) zawierający węgiel, ale nie ulegający takim znacznym przemianom fizykochemicznym, które prowadzą do powstania specyficznych właściwości ropy naftowej lub węgla kamiennego.
Jedną z możliwości zastępowania konwencjonalnych paliw i materiałów pędnych jest wykorzystanie gazu biologicznego (biogazu, zwanego równiż agrogazem). Do wytworzenia biogazu mogą być użyte odchody zwierzęce, jak również wszystkie inne odpadki pochodzenia roślinnego (słoma, łęty ziemniaczane, liście buraczane itd.) i zwierzęcego, zawierające substancje organiczne. Biogaz powstaje w wyniku fermentacji substancji organicznych, procesu znanego już od bardzo dawna. Fermentacja metanowa dostarcza nie tylko paliwa energetycznego w postaci biogazu, ale pozwala zarazem ograniczyć zanieczyszczenia środowiska i uzyskać wartościowy nawóz organiczny.
Pierwszą instalację biogazową zbudowano w 1895 roku w Wielkiej Brytanii, natomiast w Polsce już w 1928 roku wykorzystano biogaz w oczyszczalni ścieków w Poznaniu.
Fermentacja metanowa jest redukcyjnym procesem rozkładu substancji organicznych, przebiegającym bez dostępu powietrza. Pod wpływem działania różnych mikroorganizmów substancje organiczne rozkładają się, przechodząc przez różne postacie produktów pośrednich do dwutlenku węgla i metanu. Bakterie, biorące udział w tej fermentacji, mają jednak stosunkowo długi czas reprodukcji i są bardzo wrażliwe na warunki środowiskowe, z których najważniejsze to: brak dostępu powietrza atmosferycznego (tlenu) i światła, odpowiednia i stała dla danego rodzaju bakterii temperatura środowiska, odpowiedni odczyn, wilgotność oraz mała toksyczność środowiska. Zmiana choćby jednego tylko z wymienionych czynników powoduje zwolnienie lub zahamowanie aktywności bakterii, czego wynikiem będzie zmniejszenie udziału metanu w wydzielającym się gazie, a w skrajnym przypadku – zaniknięcie wydzielania (następuje tzw. zakiśnięcie biomasy). Bakterie metanowe wykazują dużą wrażliwość na substancje mineralne, trujące i związki chemiczne, przenikające do środowiska wskutek coraz szerszego ich stosowania w hodowli zwierząt. Wydajność i szybkość przebiegu fermentacji metanowej zależy w dużym stopniu od temperatury, w jakiej ten proces przebiega. Z badań wynika, że fermentacja metanowa wykazuje dwie maksymalne wydajności gazu: pierwszą przy temperaturze 303-308 K (bakterie mezofilne) i drugą przy temperaturze 325-328 K (bakterie termofilne). Do prawidłowego przebiegu fermentacji metanowej wymagane jest ponadto lekko zasadowe środowisko o pH od 6,5 do 8 (optimum pH wynosi 7,5). Przy zbyt zasadowym odczynie środowiska wydziela się znacznie więcej siarkowodoru i wodoru. W przypadku kwaśnego odczynu środowiska fermentacja metanowa zostaje zahamowana, a nawet może być przerwana. Aby ułatwić przebieg fermentacji metanowej, wskazane jest mieszanie zawartości zbiornika w celu ujednolicenia temperatury i zapewnienia bakteriom jednakowych warunków rozwoju w całej biomasie. Mieszanie znacznie ułatwia pęcherzykom gazu wydostawanie się (następuje niszczenie tzw. kożucha).
W optymalnych warunkach proces wytwarzania biogazu przebiega z różnym natężeniem prze wiele dni. W cyklu jego produkcji można wyróżnić dwie fazy. Pierwsza, to fermentacja kwaśna zachodząca dość powoli, związana z występowaniem silnych zapachów (siarkowodór), w czasie której bakterie rozkładają węglowodory do dwutlenku węgla, a tłuszcze i białka do niższych kwasów tłuszczowych. Druga faza – to fermentacja metanowa, zwana również zasadową, w czasie której powstaje przede wszystkim metan oraz dwutlenek węgla. Przy właściwie prowadzonym procesie fermentacji obie fazy powinny przebiegać w ścisłej równowadze. Natężenie wytwarzania gazu osiąga maksimum po około 30 dniach, następnie nieco spada i ponownie wznosi się do drugiego maksimum po około 50 dniach, po czym zaczyna gwałtownie spadać.
Ilość wyprodukowanego biogazu zależy od temperatury prowadzenia procesu, czasu trwania fermentacji metanowej oraz od ilości w biomasie substancji organicznej, która została zmineralizowana. Doświadczalnie stwierdzono, że w procesie fermentacji metanowej można doprowadzić do wykorzystania maksimum 40% substancji organicznej. Jeżeli czas trwania fermentacji jest krótszy (20 – 30 dni), możemy liczyć tylko na około 30% wykorzystania tej substancji zawartej w biomasie. Powstający w procesie fermentacji metanowej gaz, zwany biogazem lub agrogazem, składa się z metanu i dwutlenku węgla oraz nieznacznych domieszek wodoru, siarkowodoru, azotu, pary wodnej i innych gazów. Skład biogazu zależy od rodzaju biomasy użytej do fermentacji oraz od sposobu przeprowadzenia fermentacji. W skład biogazu wchodzi: metan -55 – 70%, wodór – 1- 3%, tlen – 0,5 – 1%, dwutlenek węgla – do 40%, oraz gazy różne, które stanowią od 1 do 5%. Metan jest gazem palnym, bezbarwnym i bezwonnym i nie trującym. Jest wybuchowy w mieszaninie z powietrzem, jeżeli jego udział wynosi 4,9 – 15,4%. W normalnych warunkach metan jest gazem trudno skraplającym się. Jego masa właściwa wynosi około 1kg/m3. Przy nieszczelnej instalacji ma on tendencję do unoszenia się. Nie oczyszczony biogaz ma charakterystyczny zapach, dzięki czemu każde uchodzenie gazu jest łatwe do wykrycia.
Wartość opałowa biogazu zależy od udziału metanu i dla średnich warunków wynosi od 16,8 do 23,0 MJ/ m3. Po oddzieleniu z biogazu dwutlenku węgla przez rozpuszczenie go w wodzie można otrzymać gaz o zawartości do 95% metanu. Jego wartość opałowa jest znacznie wyższa i wynosi około 35,7 MJ/ m3. Szybkość przemieszczania się płomienia w biogazie nie przekracza 50 m/s. Biogaz jest gazem o silnych właściwościach przeciwstukowych – liczba oktanowa wynosi około 125.
Najprostszym sposobem zużytkowania biogazu jest jego wykorzystywanie do celów ogrzewczych (podgrzewanie biomasy w komorze fermentacyjnej, ogrzewanie budynków inwentarskich, szklarni lub innych obiektów) lub w gospodarstwie domowym. Nie wymaga on innej aparatury poza powszechnie stosowaną przy pozostałych rodzajach gazu palnego. Biogaz może być również wykorzystywany jako paliwo silników wysokoprężnych w ciągnikach rolniczych.
Energia wiatru.
Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Do innych zalet tego źródła energii należą: pełna odnawialność energii wiatru, a co za tym idzie możliwość wykorzystywania jej w nieograniczonym czasie, możliwość decentralizacji poszczególnych siłowni, prowadząca w efekcie do zmniejszenia strat przesyłu energii oraz stosunkowo niskie koszty jednostkowe pozyskania energii, które w obecnej chwili niewiele są wyższe od jednostkowych kosztów energii uzyskiwanej w elektrowniach konwencjonalnych.
Aby uzyskać 1 MW mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Również optymalne warunki do wytwarzania tego typu energii istnieją na stosunkowo małych, słabo zaludnionych obszarach. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.
Energia wodna.
Koło wodne, historia którego sięga wstecz do I w. n. e., służyło wpierw do napędzania żaren w młynach. Dopiero około 1000 lat później ludzie zaczęli zaprzęgać wodę do innych zadań, a to przyczyniło się do rozwoju przemysłu właśnie w dolinach rzek, nadających się do energetycznego wykorzystania. Koła wodne napędzały miechy i ciężkie młoty w kuźniach piły w tartakach i wiele innych urządzeń. Przemysły metalurgiczny, tekstylny i papierniczy we wczesnej fazie rozwoju były nierozerwalnie związane z wodą, aż do czasu wynalezienia maszyny parowej w końcu XVIII wieku. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych z powodzeniem napędzają potężne generatory wielkich elektrowni wodnych, produkujących znaczne ilości energii elektrycznej.
Rozróżnia się elektrownie wodne:
przepływowe (wykorzystujące energię przepływających wód po ich spiętrzeniu);
zbiornikowe (mające możliwość magazynowania wody zbiornika, aby -zależnie od potrzeb -wykorzystywać ją do napędu turbin),
pompowe (o dwu zbiornikach -górnym i dolnym).
W przeciwieństwie do elektrowni parowych układy generatorowe w elektrowniach wodnych muszą być wyposażone w bardzo dokładne urządzenia regulujące prędkość obrotową i synchronizację z siecią.
Hydroelektrownia o największej mocy na świecie ( 12,600 MW) znajduje się na rzece Parana na granicy Brazylii i Paragwaju.
Energia geotermiczna.
W obecnej chwili wykorzystanie energii geotermicznej ograniczone jest do terenów wulkanicznych i powulkanicznych, na których energia ta jest dostępna na powierzchni Ziemi lub na niewielkiej głębokości.
Jednymi z nielicznych krajów wykorzystujących źródło energii geotermicznej (geotermalnej) są: Islandia, Nowa Zelandia, Włochy, Japonia i USA. W krajach tych energia cieplna pozyskiwana jest z gejzerów, tj. z gorących źródeł wyrzucających w pewnych odstępach czasu gorącą wodę lub parę wodną, oraz z fumarol, tj. wyziewów par i gazów o temperat. od 500 do 1100 K. Energia cieplna tych źródeł wykorzystywana jest zarówno w celach grzewczych, jak i dla pozyskiwania energii mechanicznej bądź elektrycznej. W przypadku wykorzystania jej w siłowniach cieplnych stosowane są dwa sposoby zasilania, a mianowicie: bezpośredni i pośredni. W pierwszym z nich para wodna wydobywając się ze źródła kierowana jest bezpośrednio na łopatki turbiny, natomiast w drugim gorące pary lub gazy wtłaczane są do wymienników ciepła, gdzie oddają swoją energię cieplną czynnikowi roboczemu, który z kolei kierowany jest na łopatki turbin lub do innych odbiorników energii cieplnej.
Energia pływów morskich.
Energia pływów morskich jest zamieniana na energię elektryczną za pomocą odpowiednio zbudowanych hydroelektrowni. Podstawowym elementem takiej siłowni jest olbrzymia tama odgraniczająca wody morza od wód zbiornika spiętrzającego. W podstawie tamy, tuż nad dnem, znajdują się liczne kanały przepływowe. W kanałach tych zbudowane są turbogeneratory o odpowiedniej mocy oraz śluzy nastawne, pozwalające na sterowanie wielkością przepływu. Wirniki turbin obracają się napędzając wały generatorów zarówno w momencie przypływu morza, a więc w czasie napełniania zbiornika, jak i podczas spuszczania wody ze zbiornika. Praca turbin niezależnie od kierunku przepływu wody stała się możliwa dzięki zastosowaniu turbin Kaplana o zmiennym kącie natarcia łopat wirnika. W wyniku przyjęcia takiego rozwiązania uzyskuje się również możliwość optymalizacji wielkości przepływu przez kanały w zależności od wysokości wody w zbiorniku oraz możliwa się stała się praca turbin jako pomp, podobnie jak ma to miejsce w klasycznych hydroelektrowniach szczytowo – pompowych.
Energia fal.
Innym źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą naprawdę znaczne jej ilości, lecz problemem jest jej efektywne pozyskanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentów. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator.
Niedawno na wyspie Islay w Szkocji wybudowano elektrownię, wykorzystującą energię fal morskich. Jej moc całkowita wynosi ok. 180 kW. Działa na zasadzie oscylującego słupa wody. Wpół zanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.
