Energia odnawialna – technologie, systemy i rozwiązania

Według najczęściej podawanej definicji, OZE to źródła energii, których wykorzystywanie nie wiąże się z ich długotrwałym deficytem, gdyż surowce do produkcji energii regenerują się w stosunkowo krótkim czasie. Do źródłowych surowców odnawialnych zalicza się energię słońca, wiatru, wody, w tym rzek, pływy i fale morskie, energię jądrową wytwarzaną w tak zwanym zamkniętym cyklu paliwowym, biomasę, biogaz czy biopaliwa. Do energii odnawialnej zalicza się również energię geotermalną i hydrotermalną. Przeciwieństwem OZE są źródła nieodnawialne, czyli źródła, których zasoby odnawiają się bardzo wolno, przez setki, tysiące lub miliony lat, lub wcale. Oczywiście chodzi tu o takie źródła kopalne, jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny czy uran wydobywany w kopalniach uranu.

Wytwarzanie energii z większości źródeł nieodnawialnych, oraz niektórych spośród źródeł odnawialnych, wiąże się ze spalaniem i emisją gazów cieplarnianych, w tym przede wszystkim CO2. Gaz ten, jak powszechnie wiadomo, jest głównym spośród wielu czynników przyczyniających się do zmian klimatu. Dwutlenek węgla jest tzw. gazem cieplarnianym, który bardzo długo samoistnie utrzymuje się w atmosferze ziemskiej. Gaz ten tworzy swego rodzaju warstwę odbijającą z powrotem ku Ziemi, pochodzące ze słońca promieniowanie cieplne, które zostało już raz odbite od powierzchni naszej planety i gdyby nie warstwa CO2, uleciałoby swobodnie w kosmos.

Obecność CO2 w atmosferze wpływa na bilans energetyczny całej planety. Rośnie przez to średnia temperatura powierzchni Ziemi, a więc obserwuje się zjawisko globalnego ocieplenia. Mało tego, w atmosferze „szukającej” nowego minimum energetycznego pojawiają się gwałtowne zjawiska, takie jak huraganowe wiatry, nawałnice, gradobicia, a zimą krótkotrwałe, gwałtowne śnieżyce i to często na szerokościach geograficznych, na których nigdy do tej pory nie padał śnieg. Dodatkowym niekorzystnym zjawiskiem jest topienie się arktycznych i antarktycznych lodowców, a co za tym idzie podnoszenie się poziomu wód oceanów.

CO2 a ocieplenie planety

Rola CO2 w wymienionych procesach jest szczególna. Jak wspomniano, dwutlenek węgla, jak już raz trafi do atmosfery, to może tam zalegać przez tysiące lat, co odróżnia go np. od pary wodnej, która też jest gazem cieplarnianym. Według NASA stężenie CO2 w atmosferze w latach 2006–2019 wzrosło z 30 ppm do 411 ppm, czyli 441 cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza. W latach 60. było to 318 ppm. Tak duży wzrost ilości dwutlenku węgla w atmosferze ma charakter antropomorficzny, czyli za jego emisję odpowiada człowiek, a dokładnie realizowane na przemysłową skalę procesy spalania węgla kamiennego, brunatnego, ropy naftowej czy gazu ziemnego, a więc przede wszystkim produkcja energii elektrycznej, ciepła (głownie do ogrzewania domów), a także w sporej części transport samochodowy, morski i kolejowy.

Wzrost ilości dwutlenku węgla w atmosferze przyczynił się bezpośrednio do wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi. NASA podaje, że wzrost ten od ery przedprzemysłowej, a więc liczonej przed 1850 r. wynosi obecnie ok. 1 °C. Niby nie dużo, ale jest to wartość średnia. Są obszary i miesiące, gdzie wzrosty są znacznie większe. Generalnie 18 z 19 najcieplejszych lat przypada na okres po 2001 r. Według Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klimatu (IPCC), obecny wzrost temperatury jest nieporównywalny z żadnym innym okresem od tysięcy lat.

Dekarbonizacja

Właśnie dlatego, m.in. Komisja Europejska i Parlament Europejski walczą o maksymalne zmniejszenie emisji CO2 w całej Unii Europejskiej. W 2005 r. wprowadzono unijny system handlu uprawnieniami do emisji CO2, tzw. ETS (European Union Emissions Trading System, EU-ETS). W założeniach miał on przygotować kraje Unii Europejskiej do wdrożenia Protokołu z Kioto, które to porozumienie nałożyło na państwa rozwinięte obowiązek redukcji emisji dwutlenku węgla do 2012 r. o co najmniej 5 % w stosunku do 1990 r.

Unijny system handlu uprawnieniami do emisji ETS polega na tym, że z góry ustalono limity emisji dla każdego szkodliwego gazu cieplarnianego. Aby utrzymać założone limity, wprowadzono handel pozwoleniami na emisję. Część pozwoleń jest rozdysponowywana przez rządy za darmo. Pozostała pula, zwana pulą aukcyjną, sprzedawana jest przez państwa członkowskie UE na wolnym rynku. Z roku na rok, zgodnie z celami redukcyjnymi, pula dostępnych na rynku uprawnień się kurczy. Ograniczona podaż uprawnień ETS podnosi ich ceny, co w założeniu ma zachęcać podmioty do modernizacji i wymiany instalacji emitujących duże ilości CO2.

Ponieważ firmy energetyczne należą do głównych emitentów CO2, to chcąc być konkurencyjnymi na rynku, muszą sukcesywnie przechodzić na odnawialne, niskoemisyjne bądź nieemisyjne źródła energii. Dodatkowo w miksie energetycznym w 2030 r. udział OZE w wytwarzaniu energii ma stanowić aż 32 %. Co więcej, pakiet „Fit to 55” zwiększyć ma ten udział do 38–40%. To dlatego jest obecnie tak duże zainteresowanie energią odnawialną, zwłaszcza wśród firm sprzedających energię elektryczną. Na zainteresowanie coraz szerszym stosowaniem odnawialnych źródeł energii ma też wpływ trwająca w Ukrainie wojna. Embargo dotyczące rosyjskiej ropy, rosyjskiego węgla i gazu, sprawiło, że dostępność tych surowców na światowych rynkach maleje, a co za tym idzie, rosną też ich ceny.

Odnawialne źródła energii w energetyce

W ustawie Prawo energetyczne, odnawialne źródła energii OZE zdefiniowane są jako „źródła wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątków roślinnych i zwierzęcych”. Zgodnie z Polityką Energetyczną Polski do 2030 r. udział źródeł odnawialnych w finalnym zużyciu energii w 2020 r. ma wzrosnąć co najmniej do poziomu 15 % [1].

Według danych opublikowanych przez firmę Schneider Electric, w 2017 r. przyrost mocy netto na świecie ze źródeł odnawialnych wyniósł 178 GW, co stanowi 70 % wszystkich przyrostów mocy, a więc ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku energii pochodzącej z paliw kopalnych i energii jądrowej łącznie. Co więcej, eksperci oszacowali, że w 2016 r. sama wartość inwestycji w sektorze odnawialnych źródeł energii na całym świecie wyniosła 287,5 mld dolarów. To mniej niż w poprzednich latach. W 2015 r. zainwestowano w sektorze odnawialnych żródeł energii 348,5 mld dolarów, a rok wcześniej 315 mld dolarów. Spadek wartości inwestycji wynika ze zmniejszenia jednostkowych kosztów generowanych w elektrowniach wiatrowych i fotowoltaicznych [2].

W praktyce, w polskich warunkach klimatyczno-geograficznych, podstawowymi nieemisyjnymi źródłami odnawialnymi w energetyce są energia wiatru, płynącej wody i słońca. Obecnie w naszym kraju moc uzyskiwana z odnawialnych źródeł energii to ok. 18,1 GW, co stanowi 34 % całkowitej mocy osiągalnej ze wszystkich źródeł energii elektrycznej, która wynosi 53,5 GW. Na energię wiatrową, zarówno na farmy morskie, jak i lądowe przypada 8 GW (14,9 %). Fotowoltaika to 7,7 GW (14,3 %), a elektrownie szczytowo-pompowe to zaledwie 1,4 GW (2,7 %) [3].

Na koniec 2021 r. w OZE, z wyłączeniem elektrowni szczytowo-pompowych, zainstalowanych było 16,7 GW, co oznacza przyrost rok do roku o 4,4 GW (+36 %). Moc w instalacjach fotowoltaicznych wzrosła zaś o 3,7 GW (+94 %), osiągając tym samym poziom 7,7 GW. Po raz pierwszy moc zainstalowana w fotowoltaice prześcignęła moc farm wiatrowych. Trzeba jednak zaznaczyć, że tak szybki rozwój OZE w 2021 r. spowodowany był głównie wynikiem gwałtownie rosnącej liczby prosumentów, co związane było z nadchodzącym, dość niekorzystnym sposobem rozliczeń za prąd dla klientów indywidualnych i użytkownicy chcieli się po prostu „załapać” na stare zasady.

Niemniej, niezależnie od przyczyny, w 2021 r. produkcja energii elektrycznej pochodzącej z fotowoltaiki podwoiła się względem 2020 r. i wyniosła 3,8 TWh, a produkcja energii ze wszystkich źródeł OZE wyniosła aż 30 TWh, co jest wynikiem, jak dotąd rekordowym! Mimo to udział OZE w energetycznym miksie spadł z 17,7 % w 2020 r. do 16,7 % w poprzednim roku.

Warto zauważyć, że produkcja energii z farm wiatrowych zwiększyła się o 5 % i już za ponad połowę (54 %) produkcji z OZE odpowiedzialny był właśnie wiatr. Co ciekawe, udział biomasy w produkcji energii wynosi 15 %, a fotowoltaiki 13 %. Co więcej, w ciągu ostatnich 10 lat produkcja energii z OZE wzrosła o 80 % – z 16,8 TWh w 2012 r. do 30,4 TWh w 2021 r. [3].

Energia wiatru

Przejdźmy do poszczególnych rodzajów energii odnawialnej i sposobów jej wykorzystania. Zacznijmy od wiatru. Energia wiatru, to obok spalania drewna, jeden z najstarszych eksploatowanych przez człowieka rodzajów energii. Od wieków wiatr wykorzystywany był do napędzania statków i okrętów, a także różnego rodzaju wiatraków – wykorzystywany zarówno do mielenia mąki, jak i nawadniania pól czy odpompowywania wody.

Energia wiatru w całości jest energią pochodzenia słonecznego. Nie wdając się w szczegóły związane z fizyką tego zjawiska, wystarczy powiedzieć, że wiatr to poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza spowodowany różnicami ciśnienia atmosferycznego, które wynikają głównie z różnicy temperatury. W wypadku wystąpienia różnicy ciśnień, powietrze przemieszcza się z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru, gdzie to ciśnienie jest niższe, powodując w ten sposób powstawanie wiatrów.

Aby wywołać różnicę ciśnień, promienie słoneczne muszą najpierw ogrzać powierzchnię Ziemi, od której następnie nagrzewa się powietrze. Zjawisko to zachodzi jednak w sposób nierównomierny, co związane jest z rodzajem podłoża. Skały, las, woda, łąki, pola a nawet kolor gruntu wpływają bezpośrednio na szybkość nagrzewania się powierzchni Ziemi, co z kolei prowadzi do występowania różnic temperatury, a więc do nierównomiernego ogrzewania się powietrza. Powietrze ciepłe, unosząc się do góry wywiera na powierzchnię Ziemi nieco mniejsze ciśnienie niż powietrze chłodne, które ma tendencję do opadania, a więc zwiększania ciśnienia. W konsekwencji prowadzi to do powstania różnicy ciśnień, która jest już bezpośrednią przyczyna powstawiania wiatru.

Co ciekawe, tylko około 2 % energii promieniowania słonecznego, docierającego do powierzchni Ziemi, ulega zmianie na energię kinetyczną wiatru. Duży wpływ na temperaturę powietrza mają też chmury. W ciągu dnia ograniczają dostęp promieni słonecznych, zaś nocą zatrzymują ciepło. Podobnie zbiorniki wodne powoli się nagrzewają, ale dość długo magazynują ciepło. Wszystkie te elementy mają wpływ na ostateczną energię, siłę i kierunek wiatru, które wykorzystywane są m.in. w elektrowniach wiatrowych.

Współczesne wiatraki

Wykorzystywane obecnie elektrownie wiatrowe pod względem zasady działania w niczym nie różnią się od znanych ludziom od wieków wiatraków. Wiejący w kierunku wiatraka wiatr wytwarza różnicę ciśnień przed i za odpowiednio wyprofilowanymi łopatami. Dzięki temu oś piasty, na której osadzone są łopaty, zaczyna się obracać. W tym miejscu warto zaznaczyć, że dostępne są dwa rozwiązania konstrukcyjne osadzenia osi turbiny wiatrowej. Są to odpowiednio:

• turbiny wiatrowe poziome, tzw. HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines),
• turbiny wiatrowe pionowe, czyli VAWT (Vertical Axis Wind Turbines).

W Polsce do celów energetycznych wykorzystuje się turbiny o poziomej osi wirnika i trzech łopatach. Stanową one 95 % wszystkich tego rodzaju urządzeń. Turbiny poziome HAWT mają wygląd tradycyjnego wiatraka, są bardzo wydajne przy dużych prędkościach wiatru i znacznie tańsze niż turbina o pionowej osi obrotu. Turbiny pionowe VAWT to urządzenia o nieco bardziej futurystycznych kształtach. Ich zaletą jest uniezależnienie pracy od zmian kierunku wiatru. Zwykle lepiej wykorzystują też siłę podmuchów, ale muszą mieć znacznie większą wytrzymałość mechaniczną, aby opierać się działającym na nie zmiennym siłom. Z tego też powodu są znacznie droższe niż turbiny HAWT.

W obu przypadkach, na pierwszym etapie, poruszane przez siłę wiatru odpowiednio wyprofilowane, ustawione pionowo lub poziomo łopaty zamieniają energię wiatru na energię mechaniczną. W kolejnym kroku, połączony przekładniami z osią wiatraka generator przekształca energię mechaniczną w elektryczną. Każda turbina wiatrowa jest podłączona do sieci energetycznej lub zespołu akumulatorów – to właśnie tam przekazywana jest wyprodukowana energia.

Współczesne siłownie wiatrowe skonstruowane są w bardzo podobny do siebie sposób. Trójłopatowy, rzadziej dwupłatowy, a czasem kilkułopatowy wirnik, osadzony jest za pomocą piasty na poziomym wale. Wał zamocowany jest w łożyskach stalowej lub wykonanej z kompozytów gondoli. Gondola z wirnikiem zainstalowana jest na wieży, która to wieża pozwala ulokować turbinę na znaczącej wysokości, gdzie podmuchy wiatru są dużo silniejsze. Wysokość wieży zależna jest od warunków wiatrowych i wynosi zwykle 40–100 m.

Wirnik wraz z gondolą ustawiany jest w kierunku wiejącego wiatru za pomocą tzw. serwomechanizmu kierunkowania elektrowni, który to mechanizm znajduje się na szczycie wieży. Obrót o 360° możliwy jest dzięki zespołowi przekładni połączonych bezpośrednio z serwomechanizmem. Gondola jest też elementem, w którym znajduje się generator oraz automatyka sterująca działaniem całej elektrowni wiatrowej.

Łopaty typowej elektrowni wiatrowej obracają się z prędkością około 15–20 obr./min. Generator asynchroniczny, stosowany w tego typu konstrukcjach, wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr./min, dlatego niezbędne jest stosowanie odpowiedniej przekładni zwiększającej prędkość obrotową. Element ten jest ulokowany między osią wirnika a generatorem. W bardziej zaawansowanych konstrukcjach turbin wiatrowych wykorzystywane są mechanizmy pozwalające na zmianę kąta ustawienia łopat wirnika, co pozwala sterować prędkością obrotową łopat osadzonych na piaście nie tylko ograniczając ją za pomocą hamulca.

Należy podkreślić, że każda turbina ma określoną moc wiatru, w granicach której może działać i generować prąd. W tym kontekście szczególnie istotne są pojęcia prędkości startowej i bezpiecznej prędkości. Pierwsze z nich odnosi się do tego, przy jakiej minimalnej prędkości wiatru turbina zacznie produkować energię, drugie do maksymalnej prędkość wiatru, przy której wirnik nie ulegnie uszkodzeniu. Gdy wiatr jest zbyt silny, aby turbina mogła efektywnie i bez ryzyka uszkodzeń działać, korzysta się ze wspomnianego hamulca zatrzymującego pracę turbiny. Jest on umieszczony obok generatora w gondoli. Hamulec automatycznie wyłącza turbinę w czasie wyjątkowo intensywnych porywów wiatru i zabezpiecza turbinę wiatrową przed zniszczeniem.

Kolejnym istotnym parametrem określającym charakterystykę turbiny wiatrowej jest jej moc szczytowa, czyli maksymalna moc osiągana w idealnych warunkach (optymalna siła i kierunek wiatru). Bardziej praktycznym wskaźnikiem jest moc znamionowa definiująca, jaką moc wygeneruje turbina przy określonej prędkości wiatru. Aby wytworzyć odpowiednią ilość energii elektrycznej, tworzone są tak zwane farmy wiatrowe. Składają się one z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Turbiny te mogą być zarówno ustawione na lądzie, jak i na morzu, nawet w odległości kilku mil od brzegu. Wówczas mamy do czynienia z tzw. farmą morską, która korzysta z lepszych warunków wiatrowych, jednak jest znacznie bardziej kłopotliwa w utrzymaniu.

Trochę liczb

Według World Wind Energy Association w 2021 r. na świecie moc zainstalowana w energetyce wiatrowej to 744 GW, a elektrownie wiatrowe zaspakajały 7 % światowego zapotrzebowania na energię. Do światowej czołówki producentów energii elektrycznej wytwarzanej za pomocą wiatru należą takie kraje jak: Chiny (290 GW zainstalowanej mocy), USA (122 GW), Niemcy (63 GW), Indie (39 GW), Hiszpania (27 GW) oraz Wielka Brytania (24 GW). Dla przypomnienia, w Polsce jest to obecnie około 8 GW.

Według WindEurope, w Europie energia wiatrowa pokrywała 16 % zapotrzebowania na energię elektryczną (220 GW mocy zainstalowanej) w 2020 r. Tylko w tamtym roku przybyło w Europie 14,7 GW nowych mocy. Największą mocą, oprócz wymienionych przed chwilą Niemiec, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii dysponują następujące kraje: Francja (18 GW), Włochy (11 GW) i Szwecja (10 GW). Co ciekawe energetyka wiatrowa największe zapotrzebowanie na prąd pokrywała w Danii (48 %, mimo zaledwie 6 GW zainstalowanej mocy), we Włoszech (28 %) i w Niemczech (27 %). Obecnie w Polsce jest to odpowiednio 14,9 % zapotrzebowania na prąd. W kraju mamy około (stan na grudzień 2020 r.) 1239 instalacji wiatrowych. Warto zaznaczyć, że w Europie lądowa energetyka wiatrowa pokrywała 13 % zapotrzebowania na prąd (195 GW mocy zainstalowanej), a energetyka morska 3 % zapotrzebowania (25 GW mocy zainstalowanej).

Elektrownie wodne

Przejdźmy do energetyki wodnej. Energetyka wodna jest jednym z najważniejszych podsektorów energetyki odnawialnej. Do jej zalet można zaliczyć m.in. brak zanieczyszczenia środowiska naturalnego, a także niższe koszty eksploatacji i wyższą sprawność w porównaniu z innymi źródłami energii. Jak wspomniano, elektrownie wodne w Polsce pokrywają 2,7 % zapotrzebowania na energię (1,4 GW), a ich moc zainstalowana to 974,1 MW.

Do energii wodnej zalicza się zarówno energię mórz, jak i energię wód śródlądowych. Najpowszechniejszą metodą pozyskania energii wodnej jest eksploatacja wód śródlądowych, w tym eksploatacja energii rzek oraz stałych zbiorników wodnych, gdzie dodatkowo do jej pozyskiwania wykorzystuje się ukształtowanie terenu – duże, naturalne spady i różnice wysokości.

Wykorzystać można również inne zasoby wodne, do których zalicza się:

• energię pływów występujących wskutek cyklicznych ruchów masy wód, będących efektem oddziaływania grawitacyjnego Ziemi, Słońca i Księżyca,
• energię fal morskich powstających na skutek wzajemnego oddziaływania wiatru i wody, mających swoje źródło w energii słonecznej wywołującej wiatr,
• energię prądów morskich spowodowanych działaniem wiatru, różnicą temperatury, a także gęstością wód lub zmianami ciśnienia atmosferycznego,
• energię termiczną mórz i oceanów stanowiących zasobnik ciepła, który jest przetwarzany z promieniowania słonecznego,
• energię dyfuzji pojawiającej się w przypadku różnicy stężeń, która wynika ze stopnia zasolenia wody słodkiej i morskiej.

Sposób działania elektrowni wodnej, nazywanej też hydroelektrownią, w dużej mierze uzależniony jest od jej rodzaju. Mechanizm działania elektrowni wodnej bazuje zawsze na wykorzystaniu energii kinetycznej przepływającej wody. W śródlądowych elektrowniach wodnych pozyskiwanie energii jest procesem dość prostym. Aby zwiększyć energię potencjalną przepływającej w rzece wody, często zostaje ona spiętrzona, za pomocą różnego rodzaju zapór bądź jazów. Wykorzystuje się tu też różnicę wysokości w ukształtowaniu terenu. Spiętrzona, płynąca lub spadająca z wysokości woda znajduje następnie ujście i prowadzona jest systemem rur lub kanałów, tzw. kanałem derywacyjnym, w kierunku turbiny, gdzie z dużą prędkością trafia na jej łopaty, które pod jej naporem zaczynają się obracać – podobnie, jak ma to miejsce w turbinie wiatrowej. W ten sposób energia kinetyczna płynącej wody zamieniana jest na energię mechaniczną. Ta z kolei trafia do generatora, który przetwarza ją na energię elektryczną.

Wyróżnia się cztery rodzaje elektrowni wodnych [5]:

• Hydroelektrownie czerpiące energię ze spadku wody – uruchomienie tego typu elektrowni wymaga odpowiednich warunków do jej budowy, które często należy uzyskać sztucznie. Jednym ze sposobów jest podniesienie górnego źródła wody lub obniżenie dolnego, gdyż w naturze nie ma zbyt wielu miejsc, w którym spadek wody byłby wystarczający. Zakłady tego typu można podzielić na małe i duże (powyżej 5 MW). Duże elektrownie wodne, mimo że wykorzystują odnawialne źródło energii, w znaczący sposób ingerują w środowisko naturalne, dlatego często nie jest traktowane jako w pełni ekologiczne.
• Hydroelektrownie przepływowe – wykorzystują energię płynącej w rzece wody. Buduje się je na rzekach o małym spadku. Nie mają możliwości magazynowania wody, a co za tym idzie – nie mogą regulować wytwarzanej mocy elektrycznej. Swoją konstrukcją przypominają typowy młyn wodny, z tym, że koło młyńskie zastąpione jest najczęściej nowoczesną turbiną ślimakową, tzw. turbiną Archimedesa.
• Elektrownie regulacyjne, zwane również hydroelektrowniami zbiornikowymi, zaopatrzone są w zbiorniki wodne, które pozwalają gromadzić i magazynować energię zawartą w wodzie, a następnie przetwarzać ją na energię elektryczną w dogodnym czasie. Wodę w zbiorniku gromadzi się spiętrzając ją za pomocą niewielkiej zapory bądź jazu, dzięki czemu uzyskać można zwiększone ciśnienie i wysokość spadu, a więc większą energię kinetyczną wody, która napędza turbinę. Elektrownie regulacyjne buduje się najczęściej w okolicach jezior lub sztucznych zbiorników wodnych, a dzięki możliwości spiętrzania i gromadzenia przez nie wody pełnią też istotną funkcję hydrotechniczną – przeciwpowodziową i retencyjną.
• Elektrownie szczytowo-pompowe – ich podstawową funkcją jest magazynowanie energii. W elektrowniach tego typu zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji przez wpompowanie wody do górnego zbiornika w czasie niższego zapotrzebowania na energię (ma to miejsce głównie w nocy). W godzinach szczytu następuje wytwarzanie energii elektrycznej przez spuszczenie wody ze zbiornika górnego z powrotem do dolnego.

Stosowane w hydroelektrowniach turbiny osiągają moc do 700 MW, dla porównania w elektrowniach gazowych lub opalanych węglem moc ta dochodzi do 1000 MW. Do najczęściej stosowanych obecnie typów turbin w elektrowniach wodnych należą [6]:

• turbina Archimedesa zwana też turbiną ślimakową lub turbiną śrubową. Jest ona wykorzystywana w przypadku rzek o bardzo niskich przepływach;
• turbiny Peltona stosuje się w przypadku cieków o bardzo dużych spadach (powyżej 20 m) oraz jednocześnie stosunkowo niewielkich przepływach wody;
• turbina Francisa – jest obecnie najczęściej stosowanym w hydroenergetyce typem turbiny, która wykorzystywana jest w lokalizacjach charakteryzujących się spadkiem 25–500 m;
• turbina Kaplana – ten typ turbiny jest umieszczonym w rurze wirnikiem w kształcie śruby okrętowej i charakteryzuje się regulowanym kątem łopat. Może pracować w szerokim zakresie spadów (zwykle 1,5–20 m) i przepływów (przy prędkościach przepływów wody 3–30 m³/s).

Jeśli chodzi o klasyfikację, to elektrownie w zależności od generowanej mocy dzieli się na:

• elektrownie wodne duże, o mocy powyżej 10 MW;
• elektrownie wodne małe (tzw. MEW) o mocy w przedziale 1–10 MW;
• minielektrownie wodne o mocy do 1 MW;
• mikroelektrownie wodne o mocy poniżej 200 kW.

W wypadku dużych hydroelektrowni wyróżnia się również podział biorący pod uwagę wysokość spadów wody, czyli różnice między górnym, a dolnym poziomem zbiornika wody. Są to odpowiednio:

• elektrownie wodne o niskim spadzie (do 15 m);
• elektrownie wodne o średnim spadzie (15–50 m);
• elektrownie wodne o wysokim spadzie (powyżej 50 m).

Hydroelektrownie są wyjątkowo wydaje i charakteryzują się wysokim stopniem sprawności. Okazuje się, że potrafią przekształcić 90 % energii wodnej w energię użytkową, a wytworzona energia może być magazynowana i przesłana na duże odległości. Obecnie, wśród największych elektrowni wodnych na świecie znalazły się:

• Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy o mocy 22 500 MW i rocznej produkcji 98,8 TWh (Chiny);
• Itaipu na rzece Parana o mocy 14 000 MW i rocznej produkcji 98,6 TWh (Brazylia/Paragwaj);
• Xiluodu na rzece Jangcy o mocy 13 860 MW i rocznej produkcji 55,2 TWh (Chiny);
• Guri na rzece Caroni w Wenezueli o mocy 10 235 MW i rocznej produkcji 50 TWh. Elektrownia ta zaspokaja do 70 % zapotrzebowania energetycznego Wenezueli;
• Tucuruí – hydroelektrownia położona na rzece Tocantins w Brazylii w stanie Pará. Jej moc to obecnie 8370 MW.

Hydroelektrownie w Polsce

Hydroelektrownie należą obecnie do najintensywniej wykorzystywanych źródeł OZE. Z powodzeniem działają w 150 krajach. Według danych z 2017 r. dostarczyły łącznie 4060 TWh energii elektrycznej, co stanowiło 16 % całkowitej produkcji energii elektrycznej na świecie.

Ze względu na płaskie ukształtowanie terenu i stosunkowo małe opady, w Polsce nie ma zbyt dobrych warunków do rozwoju energetyki wodnej. Szacuje się, że zasoby hydroenergetyczne w Polsce wynoszą około 13,7 GWh na rok, z czego najwięcej, bo ponad 45 %, przypada na Wisłę. W naszym kraju istnieje obecnie 21 elektrowni wodnych o mocy większej niż 5 MW. Do największych z nich należą:

• Elektrownia Wodna Żarnowiec (typ: szczytowo-pompowa, moc 716 MW);
• Elektrownia Wodna Porąbka-Żar (typ: szczytowo-pompowa, moc 500 MW);
• Elektrownia Solina (typ: szczytowo-pompowa, moc 200 MW);
• Elektrownia Żydowo (typ szczytowo-pompowa, moc 167 MW);
• Elektrownia Wodna Włocławek (typ: przepływowa, moc 162 MW).

Małe elektrownie wodne wykorzystują głównie potencjał małych zbiorników retencyjnych, niewielkich rzek oraz systemów nawadniających i wodociągów. Obecnie 91 % istniejących hydroelektrowni w Europie to małe elektrownie wodne o mocy mniejszej niż 10 MW. Niestety, stopień wykorzystania technicznych możliwości rzek przez małe elektrownie w Polsce to zaledwie 19 %.

Małe elektrownie wodne o mocy powyżej 1 MW są najczęściej własnością firm energetycznych lub dużych zakładów przemysłowych, gdzie w większości przypadków ich praca jest w całości zautomatyzowana. Mniejsze obiekty należą do prywatnych inwestorów i są to zwykle przydomowe elektrownie wodne, do ich budowy wykorzystano istniejącą od lat infrastrukturę starych młynów, kuźni, tartaków czy szwalni.

Zgodnie z informacjami udostępnionymi przez Urząd Regulacji Energetyki, w 2017 r. na terenie Polski działało 766 elektrowni wodnych o łącznej mocy zainstalowanej około 988,38 MW. Z tego 756 stanowiły obiekty o mocy nieprzekraczającej 10 MW, przy tym 680 to instalacje poniżej 1 MW (produkujące łącznie około 0,2 % energii).

Wady i zalety

Trudno mówić jednoznacznie o wadach i zaletach elektrowni wodnych. Zależy to od wielkości hydroelektrowni, jej dodatkowych funkcji i przede wszystkim wielkości. Podstawową zaletą jest z pewnością brak emisji CO2. Jest to też stabilne źródło energii (z wyłączeniem małych elektrowni przepływowych zależnych od warunków hydrologiczno-pogodowych i poziomu wody w rzece) i w przeciwieństwie do np. energetyki słonecznej czy wiatrowej produkcja energii elektrycznej jest niezależna od pogody i czasu.

Kolejną zaletą jest to, że energetyka wodna jest odnawialnym źródłem energii o wysokiej efektywności energetycznej. Łatwo i precyzyjnie można kontrolować wielkość wytwarzanej energii OZE, w przeciwieństwie do pozostałych nieemisyjnych, daje się wiarygodnie przewidywać. Elektrownie wodne poprawiają też bilans i warunki hydrologiczne, zapobiegają powodziom, regulują rzeki, utrzymują retencję wód i pozwalają kontrolować warunki żeglugowe. O wiele niższe są ich koszty eksploatacyjne w porównaniu z pozostałymi OZE. Co więcej, elektrownie szczytowo-pompowe są najpowszechniej stosowanymi magazynami energii.

Do wad zaliczyć można przede wszystkim to, że ich budowa stanowi poważną ingerencję w środowisko naturalne, szczególnie w przypadku dużych elektrowni wodnych, a koszty samej budowy są 2-3 krotnie wyższe od nakładów na budowę elektrowni konwencjonalnych. Do istotnych wad zalicza się to, że hydroelektrownia może utrudniać migrację ryb w górę rzeki, powodując tym samym utratę ich siedlisk.

Małe elektrownie wodne oprócz tego cechują się możliwością [5]:

• poprawienia bilansu hydrologicznego oraz hydrobiologicznego okolicznych terenów elektrowni;
• wybudowania elektrowni na małych ciekach wodnych, które wystarczą do ich prawidłowego funkcjonowania;
• szybkiego i sprawnego zaprojektowania, a następnie wybudowania zakładu w okresie nieprzekraczającym 2 lata;
• lokalizacji blisko odbiorców, co zmniejsza odległość przesyłania energii elektrycznej.

Energia promieniowania słonecznego

Ostatnim z trzech głównych źródeł OZE jest energia promieniowania słonecznego, która najczęściej wykorzystywana jest za sprawą tzw. instalacji solarnych, czyli kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych. Te pierwsze pozwalają zamienić energię promieniowania w energię cieplną, drugie w prąd.

Instalacje solarne przetwarzają energię pozyskaną ze słońca, a następnie przekształcają ją w ciepło, które jest wykorzystywane do ogrzania wody w celach użytkowych. Dostępne na rynku kolektory słoneczne występują w dwóch rodzajach: próżniowych i płaskich. Kolektory płaskie składają się z płyty oraz znajdujących się pod nią rur z czynnikiem grzewczym. Płyta nagrzewa się od promieniowania słonecznego i przekazuje ciepło do rur z płynem. Płyn ten jest kierowany do wężownicy zasobnika z wodą. Kolektory płaskie świetnie radzą sobie w słoneczne dni, jednak ich sprawność mocno spada wraz z zachmurzeniem. Problemy pojawiają się także w okresie zimowym. Mimo to kolektory płaskie charakteryzują się wyjątkowo atrakcyjnym stosunkiem ceny do jakości.

W kolektorach próżniowych wykorzystuje się system rur próżniowych. W rurach umieszczone są jeszcze mniejsze rurki wypełnione cieczą i połączone z absorberem. Dzięki temu zapobiega się nadmiernej utracie energii cieplnej w okresie zimowym. Kolektory próżniowe są w dużo mniejszym stopniu uzależnione od temperatury panującej na zewnątrz. Kolektory próżniowe wykorzystuje się do podgrzewania wody użytkowej, zarówno w okresie letnim, jak i zimowym. Niestety, są one sporo droższe od kolektorów płaskich. Odmianą kolektorów próżniowych są kolektory z rurką cieplną, tzw. ciepłowodem, który transportuje energię do absorbera i do zbiornika z wodą. Dzięki temu bardzo dobrze radzą sobie nawet z bardzo niską, dochodzącą nawet do –20 °C temperaturą zewnętrzną.

Trzeba jednak pamiętać, że w naszych warunkach klimatycznych instalacją solarną można podgrzać wodę do około 20–30 °C. Nie nadaje się do ogrzewania budynków, a jedynie do podgrzewania tzw. wody użytkowej, co może mieć jednak istotne znaczenie w gospodarstwach rolnych. Obecnie w Polsce, łączna powierzchnia kolektorów wynosi już ponad 3000 tys. m2. W przeważającej liczbie są one wykorzystywane na potrzeby gospodarstw domowych.

Fotowoltaika

W naszych warunkach klimatycznych dużo bardziej wydajne są instalacje fotowoltaiczne, a rynek fotowoltaiki bardzo mocno się rozwija. Jak wynika z raportu „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2022”, który przygotował Instytut Energii Odnawialnej, w wyniku zmian regulacyjnych i rosnących cen energii elektrycznej, 2021 r. dla branży fotowoltaicznej zakończył się spektakularnym sukcesem. Moc zainstalowana w fotowoltaice na koniec 2021 r. wyniosła 7,6 GW, a przyrost nowych mocy wynosił ponad 3,7 GW (tempo wzrostu rynku przekroczyło 105 %). Ogromny wkład, tak jak w poprzednich latach, mieli prosumenci indywidualni (niemal 80 % udziału w rynku). Wymierne efekty przyniósł też system aukcyjny – pierwszy gigawat mocy w farmach fotowoltaicznych oddaje już energię do sieci [7].

Łączne obroty na rynku fotowoltaiki w 2021 r. oszacowane zostały na 16,7 mld zł, w tym wartość rynku samych nakładów inwestycyjnych wynosiła około 15,4 mld zł. Prognozuje się, że w 2022 r. obroty handlowe fotowoltaiki wyniosą ponad 20 mld zł, a wartość rynku inwestycji fotowoltaicznych będzie kształtowała się na poziomie 19 mld zł. Sukcesem zakończył się sześcioletni okres wsparcia aukcyjnego. Łączna moc projektów fotowoltaicznych, które wygrały wszystkie dotychczasowe aukcje przekroczyła 6,3 GW.

W branży pojawiły się też nowe trendy. Zmiana systemu wsparcia dla prosumentów z net metering na net billing skłoniła ich do zwrócenia uwagi na zarządzanie energią i zwiększenie bieżącej autokonsumpcji energii z paneli fotowoltaicznych, np. dzięki instalacji magazynów energii, w tym po raz pierwszy, magazynów ciepła. W efekcie skokowego wzrostu cen energii coraz bardziej widoczny staje się także udział w rynku fotowoltaiki autopoducentów, czyli tzw. prosumentów biznesowych.

Według autorów raportu, rynek fotowoltaiczny w najbliższych latach utrzyma swoją dynamikę rozwoju dzięki szybkiemu przyrostowi mocy w farmach fotowoltaicznych. Przewiduje się, że już na koniec 2022 r. moc wszystkich zainstalowanych źródeł fotowoltaicznych może wynieść 12 GW. Zgodnie z przewidywaniami moc 20 GW w fotowoltaice zostanie osiągnięta w 2025 r., a w 2030 r. skumulowana moc zainstalowana może wynieść nawet 28,5 GW [7].

Ogniwa fotowoltaiczne

Do zamiany energii słonecznej na prąd wykorzystuje się fotoogniwa, które łączy się w większe struktury nazywane panelami. Fotoogniwo to element półprzewodnikowy, w którym na skutek występowania efektu fotoelektrycznego następuje przemiana energii fotonów w energię elektryczną. Dzięki powstałemu na skutek działania światła napięciu, po zamknięciu obwodu odbiornikiem energii elektrycznej w obwodzie popłynie prąd. Wytworzony przez fotoogniwa prąd to prąd stały, który nie jest standardowo wykorzystywany w energetyce. Aby móc z niego korzystać, konieczne jest zastosowanie falownika, czyli tzw. inwertera, który zmieni prąd stały w prąd zmienny. Dla typowych paneli fotowoltaicznych, moc wytwarzana przez pojedyncze ogniwo wynosi ok. 1,5–2,5 W przy napięciu ok. 0,5 V. Nie są to duże wartości, dlatego pojedyncze fotoogniwa łączy się w moduły (panele), a te z kolei w łańcuchy (panele połączone ze sobą w szereg).

W standardowych instalacjach, do produkcji prądu najczęściej wykorzystuje się najłatwiejsze w produkcji, i co za tym idzie, najtańsze panele krzemowe. Ze względu na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu, na rynku spotkać się można z trzema odmianami paneli:

• z krzemu monokrystalicznego,
• z krzemu polikrystalicznego,
• z krzemu amorficznego.

Krzem monokrystaliczny charakteryzuje się silnie uporządkowaną strukturą pozbawioną większej liczby defektów, a ogniwa zbudowane z tego rodzaju krzemu charakteryzują się najwyższą obecnie efektywnością dochodzącą do 15–19 %. W praktyce oznacza to, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1 m2 ogniwa zostaje w ok. 15 % przekształcona na energię elektryczną.

Panele z krzemu polikrystalicznego, który charakteryzuje się mniej uporządkowaną strukturą, pozwalają na uzyskanie sprawności na poziomie 14–16 %. Panele z najtańszego krzemu amorficznego czyli krzemu, który nie ma uporządkowanej struktury krystalograficznej, uzyskują efektywność na poziomie 9–14 %. W tym miejscu warto też wspomnieć, że panele z krzemu amorficznego charakteryzują się nieco inną strukturą. Tutaj bardzo cienka warstwa krzemu osadzana jest na powierzchni innego materiału, takiego jak np. szkło, a nie tak jak w wypadku dwóch poprzednich odmian, cały panel jest w całości panelem krzemowym.

Rodzaje instalacji fotowoltaicznych

W skład instalacji fotowoltaicznej, niezależnie od jej wielkości, wchodzą panele fotowoltaiczne, inwerter, system zabezpieczeń chroniących instalację przed zbyt wysokim napięciem oraz system montażowy. Rodzaj samej instalacji skorelowany jest z rodzajem zamontowanego w systemie falownika (inwertera).

Instalacja sieciowa on-grid, nazywana też instalacją sieciową, to po prostu instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci energetycznej operatora. Instalacje on-grid stanowią zdecydowaną większość systemów fotowoltaicznych montowanych na świecie. Tutaj energia elektryczna z modułów fotowoltaicznych wykorzystywana jest na potrzeby pracy podłączonych urządzeń, a w przypadku wygenerowania nadwyżek energii, sprzedawana są one do sieci energetycznej.

Drugim rozwiązaniem jest instalacja off-grid nazywana też instalacją autonomiczną. Taka instalacja w całości działa poza publiczną siecią elektroenergetyczną. Energia elektryczna z modułów fotowoltaicznych wykorzystywana jest na potrzeby pracy podłączonych urządzeń, a w wypadku wystąpienia nadwyżek energii, ładują zespół akumulatorów. Ostatnim typem instalacji jest instalacja hybrydowa, która może zarówno oddawać nadwyżki prądu do sieci energetycznej, jak i magazynować we własnych zbiornikach energii, czyli akumulatorach.

Instalacje fotowoltaiczne podzielić można również ze względu na ich umiejscowienie. Najpopularniejsze są instalacje fotowoltaiczne montowane na dachu. Drugim rodzajem są instalacje fotowoltaiczne posadowione na gruncie. Panele fotowoltaiczne na gruncie montuje się w przypadku budowy farm fotowoltaicznych zasilających wszędzie tam, gdzie montaż paneli na dachu jest zbyt skomplikowany lub niemożliwy, bądź mamy do dyspozycji sporo niewykorzystanych gruntów wokół budynku.

Ratujmy planetę

Energetyka odnawialna to obecnie jedna z najszybciej rozwijających się gałęzi sektora energetycznego na świecie i w Polsce. Istotnie wzrasta też wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Szacuje się, że wzrost ten liczony po uśrednieniu jest na poziomie 13,7 % rocznie. Czy jesteśmy skazani na energetykę odnawialną? I tak i nie. Energetyka odnawialna nie zastąpi tradycyjnych źródeł energii, w tym energetyki jądrowej, ale może je istotnie wesprzeć. I nie chodzi tu tylko o ochronę środowiska.

Należy pamiętać też o tym, że mamy do czynienia z ciągłym wzrostem populacji ludzi na Ziemi (głównie w krajach trzeciego świata) oraz z ciągłym zwiększaniem się zapotrzebowania na energię elektryczną. Jak podają szacunki ONZ, w 2050 r. ludzkość będzie zużywała 2–2,5 razy więcej energii niż obecnie. Co więcej, kraje rozwijające się wymuszają intensywny rozwój tanich i dostępnych technologii niskoemisyjnych, które są niezbędne do zachowania bezpieczeństwa energetycznego. Już dziś sektor energetyczny w wielu krajach przechodzi głęboką transformację związaną z przesunięciem środka ciężkości z energetyki konwencjonalnej w stronę OZE.

W większości dostępnych raportów, analitycy szacują, że w 2050 r. odnawialne źródła energii będą zaspokajały ponad 75 % światowego zapotrzebowania na energię. W Polsce udział ten kształtować ma się na poziomie ok. 50 %. Jeśli inżynierom odpowiedzialnym za energetykę uda się wykorzystać w pełni potencjał OZE, zatrzymamy stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze na poziomie nieprzekraczającym 450 ppm. Jest to wartość wystarczająca do uniknięcia nieodwracalnych zmian klimatu oraz zatrzymania wzrostu średniej temperatury poniżej 2 °C.

Energia odnawialna i transport samochodowy

Oddzielną kwestią jest energia odnawialna w transporcie. Ogólnoświatowa, ekologiczna moda sprawiła, że coraz więcej osób przesiada się na samochody elektryczne. Są one zachwalane jako samochody bezemisyjne, niezanieczyszczające środowiska. Jednak elektryka, tak jak inne samochody z silnikami spalinowymi, trzeba „zatankować”, czyli naładować ich akumulatory podłączając auto do sieci energetycznej. Pomijając fakt, że samochód taki nie zanieczyszcza spalinami centrów miast, to o tym na ile jest on „zielony” i bezemisyjny zależy od ilości prądu generowanego w danym kraju z OZE.

Naukowcy z warszawskiego WAT wykazali, że w przypadku Polski użycie terminu „zielony pojazd” w odniesieniu do pojazdów elektrycznych jest nadużyciem. Im więcej elektro-samochody zużywają energii, tym więcej dwutlenku węgla jest emitowane do atmosfery – przeniesiony jest tylko punkt emisji, z samochodu na elektrownię. A w polskiej sieci elektrycznej około 80 % energii pochodzi ze źródeł wykorzystujących paliwa kopalne, jak węgiel brunatny, węgiel kamienny czy gaz ziemny.

Kolejnym problemem są akumulatory. Do ich produkcji potrzeba dużych ilości pierwiastków rzadkich, w tym litu, niklu, kobaltu i molibdenu. Do wydobycia i pozyskania tych metali z rud, a także do wytworzenia samego samochodu, potrzeba ogromnych ilości energii czyli emisji CO2, nie mówiąc już o zużyciu gigantycznych ilości wody.

Fakt ten potwierdzają europejskie badania przeprowadzone przez Euro NCAP w ramach programu Green NCAP. W badaniach tych kompleksowo przeanalizowano ilości gazów cieplarnianych emitowanych podczas produkcji, eksploatacji i utylizacji samochodów oraz efektywność energetyczną poszczególnych modeli aut. Co ciekawe, zamiast wyników, które miały popierać zasadność europejskie polityki elektromobilności, przedstawiono realistyczny obraz, który mówi, że samochody elektryczne nie są takie EKO – dużo lepiej wypadają… diesle.

W ramach całkowitego zużycia energii liderem został diesel – Skoda
Octavia Combi 2.0 TDI, która zużyje w tym okresie 164 MWh. Wartość ta jest niższa niż w przypadku hybrydy plug-in, Toyoty Prius – 167 MWh, czy elektrycznego modelu Fiat 500e – 171 MWh. Co więcej, Skoda Octavia Combi to samochód z wyższego segmentu niż dwa pozostałe. Podobnie było ze starszymi samochodami – np. w całym cyklu życia Renault Clio zużyje 187 MWh energii, a elektryczny Renault Zoe zużyje 188 MWh, czyli o 1 MWh więcej!

Literatura:

[1] Materiały firmy PGE Energia Odnawialna

[2] Materiały firmy Schneider Electric

[3] Raport: Transformacja energetyczna w Polsce 2022, Forum Energii

[4] Teraz środowisko, Energetyka wiatrowa w Polsce, Rozwój wyzwania perspektywy, wydanie specjalne Czerwiec 2021

[5] Materiały firmy eSoleo

[6] Materiały zawarte na portalu
enerad.pl

[7] Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2022, Instytut Energii Odnawialnej, Warszawa, Maj 2022.

źródło: Automatyka 7-8/2022