Energia w środowisku (3)

Odnawialne źródła energii Biomasa Hydroenergia Energia wiatru Energia maremotoryczna (fale i prądy morskie) Energia maretermalna (ciepło oceanów) Bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej Energia geotermalna

Hydroenergia Promieniowanie słońca napędza przemiany i ruch wody w przyrodzie Na skutek grawitacji woda opadowa zlewa się do rzek Energia niesiona przez wody rzek jest jedyną skoncentrowaną energią odnawialną

Hydroenergia Energia niesiona przez wody rzek jest skoncentrowaną energią odnawialną Dlatego jest to jedyna energia odnawialna, która jest dziś powszechnie wykorzystywana

Hydroenergia Energia wody spiętrzonej rzeki wynosi (energia potencjalna): E = mgh Mała elektrownia np..na Rabie w Dobczycach: h = ok. 10m, masa przepływającej wody ok. 2m3 = 2000 kg na sekundę M = E/t = 2000 kg * g * 10m / sek = 200 kW Najwieksza elektrownia świata, w Brazylii ma moc: M = 11GW

Zasoby i przepływy wody w przyrodzie Zasoby wody Oceany 13 700 Pory skał 3 200 Lodowce 165 Jeziora 0,34 Para wodna 0,105 Przepływy Ocean—atmosfera (parowanie z oceanów) 3,83 Atmosfera—ocean (opady nad oceanami) 3,47 Ocean—ląd 0,36 Ląd—atmosfera (parowanie z lądów) 0,63 Atmosfera - ląd 0,36 +0,63 = 0.99 Rzekami do oceanów 0,32 Woda gruntowa do oceanów 0,04 Jednostką miary wody jest 1020 g czyli 100 000 km3

Potencjalne zasoby energii wodnej Potencjał brutto (masa wód we wszystkich ciekach wodnych, całkowity spadek od źródeł do ujść, teoretyczna wydajność turbin) Potencjał techniczny ( rzeczywista wydajność turbin, część wody nie przechodzi przez turbiny) 30-40% potencjału brutto. Potencjał ekonomiczny (część potencjału technicznego ) Zainstalowana moc: ok.. 400 GW Hydroenergia to około: 2% światowego zużycia energii 20% światowego zużycia energii elektrycznej

Oszacowanie górnej granicy energii do wykorzystania – potencjał brutto Założenia: Wykorzystujemy wszystkie rzeki świata w ciągu całego roku Średnie spiętrzenie wynosi 100m M = m*g*h / t M = 0.32 * 1017 kg * 10m/sek2 * 100 m / rok 1 rok = 31.5 *106 sek M = 1012 W = 1000 GW Świat wykorzystuje 40-50% hydroenergii nadającej się do wykorzystania

Zasoby energii wodnej w Europie Największe zasoby mają kraje, w których występuje dużo opadów (sąsiedztwo oceanu) i są górzyste (duży spadek rzek)

Elektrownie wodne Elektrownie zbiornikowe Elektrownie przepływowe szczytowo - pompowe

Budowa elektrowni zbiornikowej

Wytwarzanie energii elektrycznej Woda spada sztolnią w dół, uderza w łopatki wirnika i wprawia generator w ruch obrotowy, który wytwarza zmienny prąd elektryczny

Widok hali generatorów

Kraje wykorzystujące energię wodną

Koszt uzyskiwania energii elektrycznej z różnych źródeł

Charakterystyka hydroenergii jako źródła energii pierwotnej Zalety: Dyspozycyjność – można elastycznie zmieniać dostarczaną moc i prawie natychmiast włączyć do i wyłączyć z sieci Tania energia – duży koszt budowy zapory ale nie ma kosztów paliwa Ograniczenie: Aktualnie wykorzystuje się już połowę potencjału ekonomicznego a to stanowi tylko 20%produkcji energii elektrycznej i nieco więcej niż 2% energii zużywanej w różnych formach

W jakim celu buduje się zapory na rzekach – Czy tylko uzyskiwanie energii? Cel budowy zapór: Rekreacja Zapas wody dla rolnictwa Zabezpieczenie przeciwpowodziowe Źródło wody wodociągowej Irygacja – nawadnianie pól Inne - w tym energia wodna

Energia wiatru Mechanizm powstawania wiatru: ilość energii słonecznej zaabsorbowanej przez powierzchnię ziemi zależy od rodzaju powierzchni stąd różne temperatury powietrza przy powierzchni. Powstają obszary podwyższonego i obniżonego ciśnienia powietrze porusza się od wysokiego do niskiego ciśnienia na kierunek wiatru wpływa też ruch obrotowy Ziemi

Energia wiatru Powietrze porusza się, powstaje wiatr, który niesie energię związaną ze swoim ruchem Wiatraki odbierają energię kinetyczną poruszających się olbrzymich mas powietrza

Energia wiatru Różnice między energią wody i wiatru duże rozproszenie energii wiatru obszary gdzie często wieje wiatr i obszary z długimi okresami ciszy zmienna w czasie i niekontrolowana siła wiatru (okresy ciszy i huraganu) zmienny kierunek wiatru

Energia wiatru Energia kinetyczna E = ½ m v2 Masa powietrza przechodzącego w obrębie skrzydeł wiatraka w ciągu czasu t m = r V / t = r S l / t; l/t = v m = r S v E ~ r D2 v3 Energia niesiona przez wiatr rośnie wraz z trzecią potęgą prędkości wiatru

Energia wiatru Energia kinetyczna wiatru jest proporcjonalna do prędkości wiatru podniesionej do 3 potęgi W praktyce możemy wytwarzać energię elektryczna z wiatru tylko przy określonych prędkościach: poniżej ok.. 4m/s – prędkość zbyt mała przy prędkości ok..12 m/s ogranicza się obroty przy prędkości 25 m/s przerywa się pracę turbiny

Prędkość wiatru Rozkład prędkości wiatru w ciągu roku Prędkość chwilowa wiatru i zmiany w czasie

Energia wiatru – wnętrze turbiny

Energia wiatru - turbina Turbina obraca się z prędkością zależną od siły wiatru ale ograniczoną od dołu i od góry przez wymagania techniczne. Energię elektryczną przekształca się w zmienny prąd elektryczny o częstotliwości 50 Hz i synchronizuje z częstością sieci energetycznej poprzez specjalne układy elektryczne

Energia wiatru - zasoby Szacuje się, że około 1-2% energii słonecznej zamienia się na energię kinetyczną masy powietrza. Ale: Energia wiatru dostępna jest tylko nad lądami Dostępna jest tylko energia kinetyczna powietrza znajdującego się blisko powierzchni ziemi (do wysokości około100 m) Oszacowanie zasobów możliwych do wykorzystania: 40 TW nad lądem i ewentualnie 20 TW nad płytkimi morzami

Energia wiatru – rozkład wiatrów

Kraje wykorzystujące energię wiatru Czołowe kraje w Europie: Niemcy Hiszpania Dania Czołowe kraje w świecie USA Indie Chiny 1995 rok – 5 000 MW Kraje: USA 1 870 MW Niemcy 930 MW Dania 610 MW Indie 600 MW

Kraje wykorzystujące energię wiatru Nation   2002   2003   2004   2005   2006   2007   2008   World 31,180 39,295 47,693 59,024 74,153 93,849 1 Germany 12,001 14,609 16,628 18,427 20,622 22,247 2 United States 4,685 6,370 6,725 9,149 11,603 16,818 20,000 3 Spain 4,830 6,202 8,263 10,027 11,630 15,145 4 India 1,702 2,110 3,000 6,270 4,430 7,850 8,748 5 China 468 567 764 1,266 2,599 5,912 6 Denmark 2,880 3,110 3,124 3,128 3,136 3,125 7 Italy 785 904 1,265 1,718 2,123 2,726 8 France 148 248 386 757 1,567 2,455 9 United Kingdom 552 648 888 1,353 1,962 2,389 10Portugal 194 299 522 1,022 1,716 2,130 11 Canada 12 The Netherlands 13 Japan 14 Austria 15 Greece 16 Australia 17 Ireland 18 Sweden 19 Norway 20 New Zealand 21 Egypt 22 Belgium 23 Taiwan 280 24 Poland 276 25 Brazil 247

Rozwój energetyki wiatrowej Nowe elektrownie wiatrowe w USA

Rozwój energetyki wiatrowej Wzrost mocy w nowych elektrowniach wiatrowych w świecie Na świecie produkuje się ciągle niewiele energii elektrycznej z wiatru ale produkcja ta szybko rośnie z każdym rokiem

Koszt energii elektrycznej z wiatru Z rysunków: Wiatr 3 Ogniwo słoneczne 20 E.geotermana <3 Ogrzewanie słoneczne 8 Biomasa 7 Energia z wiatru staje się coraz tańsza ale już niewiele potanieje

Koszt energii elektrycznej z wiatru Inne żródło: ok.. 3 centy za 1kWh Ale koszty inwestycji są stałe, koszty eksploatacji praktycznie też. Dlatego ceny rzeczywiste zależą od ilości wyprodukowanej energii

Polska – możliwe lokalizacje elektrownii wiatrowych Porównanie dwóch lokalizacji: Na wybrzeżu – Łeba Kotlina w górach – Nowy Sącz

Polska – istniejące elektrownie wiatrowe Widok farmy wiatrowej w Zagórzu koło wyspy Wolin Inne farmy wiatrowe nad morzem: Zagórze 15 * 2 MW Cisowo 9 * 2 MW + 5 * 132 kW Barzowice 6 * 833 kW W 2012 roku działały 33 farmy wiatrowe, każda o mocy powyżej 5 MW. Łącznie 69 lokalizacji.

Produkcja energii w elektrowniach wiatrowych w Polsce Rok Produkcja Roczny Udział energii GWh wzrost w rynku 2004 142 0.10% 135 -4,9% 0,09% 388 +181,% 0,26% 494 +27,2% 0,32% 790 +59,9% 0,51% 1029 +30,2% 0,69% 1485 +44,3% 0,96% 3126 +110,5% 1,98% W pierwszych latach XXI wieku nastąpił dynamiczny rozwój energetyki wiatrowej w Polsce. Moc zainstalowana wzrosła od 83,3 MW w 2005 roku do 1095 MW pod koniec września 2010 roku. W 2009 roku wiatraki wyprodukowały w Polsce 1029 GWh energii, czyli 0,69% całkowitej energii elektrycznej wyprodukowanej w kraju. W 2009 roku Polska znajdowała się na 13. miejscu spośród państw Unii Europejskiej pod względem mocy zainstalowanej w energetyce wiatrowej. Według danych Urzędu Regulacji Energetyki na początku sierpnia 2012 roku w Polce znajdowało się 619 instalacji wiatrowych (zarówno pojedyncze turbiny, jak i duże farmy) o łącznej mocy 2188,941 MW