Odnawialne Źródła Energii

Wróć

  Instalacje wykorzystujące Odnawialne Źródła Energii są dobrą alternatywą dla konwencjonalnych zastosowań w gospodarstwie domowym. Dzięki wykorzystaniu niewyczerpalnych źródeł energii (biomasa, energia słoneczna, wietrzna etc.) zmniejszamy koszty ogrzewania budynków, zaopatrzenia infrastruktury w energię elektryczną wpływając kształtująco na efektywność energetyczną przy jednoczesnej poprawie warunków otaczającego gospodarstwo środowiska naturalnego.

W warunkach naszego kraju nasłonecznienie waha się w granicach 900-1200kWh/m2,

Średnie usłonecznienie wynosi 1600 godzin na rok

Promieniowanie słoneczne poprzez proces konwersji może być źródłem dwóch rodzajów energii wykorzystywanej w gospodarstwach rolnych i domowych. Są to:

• energia cieplna uzyskiwana wskutek konwersji fototermicznej przy użyciu kolektorów
• energia elektryczna wskutek konwersji fotowoltaicznej przy użyciu ogniw fotowoltaicznych

Produkcja energii cieplnej –wykorzystanie kolektorów

Głównym celem tego typu instalacji jest absorbować promienie słoneczne, przekształcać je w ciepło, które jest następnie przekazywanie przepływającemu nośnikowi ciepła. Takie systemy najczęściej są wykorzystywane są do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wspomagania centralnego ogrzewania, ogrzewania wody basenowej oraz w suszarnictwie.

Zasady doboru wielkości instalacji do posiadanych warunków

Optymalnie dobrane instalacje solarne zamontowane w domach jednorodzinnych pozwalają zmniejszyć o ok. 60% rocznego zużycia tradycyjnej energii niezbędnej do ogrzewania wody użytkowej.

Przy doborze liczby kolektorów słonecznych należy uwzględnić następujące zależności:

• dla celów c.w.u przyjmuje się od 1,2 – 1,6 m2/użytkownika;
• moc cieplna kolektorów wynosi 700 W/m2 powierzchni czynnej kolektora.
• pojemność zasobnika c.w.u to powierzchnia zainstalowanych kolektorów słonecznych w m2 x 50 litrów/m2;
• trwałość kolektorów słonecznych (a zwłaszcza pokrycia absorberów) powinna wynosić ok. 20 lat.

Produkcja energii elektrycznej – wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych

Istota procesu, surowce, podział oraz budowa ogniw fotowoltaicznych

Ogniwo fotowoltaiczne to płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje pole elektryczne. Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary : elektron z ładunkiem ujemnym i „dziura”, powstała po jego wybiciu z ładunkiem dodatnim. Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie. Aby wystąpił przepływ prądu elektrycznego  wystarczy do ogniwa podłączyć odbiornik.

  Surowcem z jakiego wytwarzane są poszczególne ogniwa jest krzem, który występuje m. in. w piasku. W produkcji fotoogniw wykorzystywany jest najczęściej krzem monokrystaliczny, polikrystaliczny, a w najbardziej zaawansowanej technologii krzem amorficzny.

  W celu uzyskanie zakładanej w instalacji mocy i napięcia elektrycznego ogniwa fotowoltaiczne skupiane są po kilkadziesiąt sztuk w moduły fotowoltaiczne a te następnie w panele.

Zasady doboru instalacji ogniw

Instalacje fotowoltaiczne można stosować praktycznie w każdym miejscu, do którego dociera słońce. Wymogi dotyczące instalacji fotowoltaicznych wynikają głównie z:

1. Miejsce instalacji – w zależności od szerokości geograficznej zmienia się kąt padania promieni słonecznych. Czynnik ten nie ma większego wpływu, jeżeli planowane instalację znajdują się na terenie polski.

2.Kąt nachylenia – powierzchnia, na której instalujemy panele powinna być nachylona pod kątem, co najmniej 15 stopni, ze względu na proces samooczyszczania i odśnieżania paneli. W przypadku, gdy dach lub grunt jest płaski należy stosować konstrukcje, które nachylają panele pod odpowiednim kątem do poziomu.

3.Przeszkody otaczające instalację, które mogą spowodować zacienienie lub uniemożliwić instalację – drzewa, budynki, słupy, ogrodzenia oraz w przypadku dachów dodatkowo świetliki, okna i kominy.

4.Wymagania wynikające z projektu – należy zaliczyć tutaj stacje transformatorowe, drogi technologiczne i pożarowe oraz ogrodzenia terenu.

5.Wymagania technologiczne takie jak maksymalne obciążenie dachu oraz wytrzymałość konstrukcji na siłę wiatru oraz śnieg.

Zasada działania

Napływający na łopaty strumień powietrza wywołuje ruch obrotowy wirnika, który obraca się najczęściej z prędkością 15-20obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny (prądnica) przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną przy prędkości ponad 1500obr/min. która przewodami zostaje odprowadzona do odbiorników. Dlatego też niezbędne jest zastosowanie przekładni, zwiększającej prędkości obrotową.

Ze względu na konstrukcję i oś obrotu turbiny możemy podzielić na :

• Umieszczone na osi poziomej
• Umieszczone na osi pionowej
• Zabudowane

Czynniki wpływające na moc i położenie elektrowni wiatrowych

Moc instalacji

• Zakres pracy turbin wiatrowych zawiera się w przedziale prędkości wiatru od 5 do 25 m/s. Poniżej tego zakresu osiągane moce są zbyt małe, natomiast a przy wyższych prędkościach instalacja jest wyłączana ze względu na możliwość uszkodzenia mechanicznego. Moc znamionowa elektrowni wiatrowej określa się przy prędkości 10-12m/s.
• Ilości energii wyprodukowanej przez silnik wiatrowy w ciągu roku jest ściśle skorelowana z stałością występowania wiatru w danym miejscu. Dlatego też położenie  turbin wiatrowych  jest ekonomicznie uzasadnione na terenach o prędkości wiatru powyżej 6m/s.
• Moc elektrowni wiatrowej może osiągać poziom od 1kW do 5MW. Turbiny o niższej mocy znamionowej współpracują z akumulatorami i pompami ciepła, a o dużej mocy z elektrowniami wodnymi.

Lokalizacja elektrowni wiatrowych zależna jest od wielu czynników przyrodniczych  tj.:

• ukształtowanie terenu np. pojedyncze wzgórza i góry, skarpy, zagłębia oraz przełęcze są najlepszym miejscem pod budowę instalacji
• wysokość n.p.m. – im wyżej tym wyższa prędkość wiatru,
• klasa szorstkości terenu, na która mają wpływ ukształtowanie powierzchni oraz przeszkody terenowe, tj. Budynki infrastruktura, drzewa itp. Im mniej takich przeszkód terenowych na danym obszarze tym klasa szorstkości niższa a co się z tym wiąże , większe zasoby energii wiatru.

Najlepszymi obszarami pod względem warunków wiatrowych są obszary nadmorskie, gdyż klasa szorstkości tafli wody jest równa 0.

Wady i zalety wykorzystania turbin wiatrowych

Zalety:

• brak emisji zanieczyszczeń do atmosfery podczas pracy,
• wykorzystują odnawialny niczym nie limitowany zasób energii wiatru bez ryzyka wahań rynkowych cen energii,
• Możliwość zagospodarowania terenów nieużytecznych publicznie, rolniczo ,
• Wpływają na poprawę bezpieczeństwa energetycznego poprzez uniezależnienie kraju od dostaw surowców energetycznych,
• brak kosztów związanych z paliwem (źródło niewymagające zasilania paliwem  co pozbawia go ryzyka wahań cen i ich wpływu  gospodarkę),
• zredukowane do minimum straty przesyłowe -turbiny wiatrowe mogą być lokalizowane bezpośrednio u korzystających lub w miejscach położonych w dalszej odległości, gdzie w przypadku konwencjonalnych źródeł energii koniecznym jest stosowanie specjalnych przyłączeń do sieci

Wady:

• wysokie nakłady inwestycyjne związane z budową dużych elektrowni,
• mogą być przyczyną destabilizacji systemu elektroenergetycznego gdyż wymagają rynku bilansującego oraz systemów gromadzenia energii, działających w sposób niezakłócony i sprawny
• praca łopat generująca hałas oraz refleksy świetlne (syndrom cienia), która sprawia, że turbiny nie mogą być budowane na terenach zamieszkałych (nie dotyczy małych turbin wiatrowych),
• mogą być przyczyną zmniejszenia populacji ptaków i nietoperzy jeżeli zlokalizowane są w niewłaściwy sposób
• nierównomierność w wytwarzaniu określonej mocy w czasie ponieważ jej wielkość zależna jest od siły wiatru, na którą człowiek nie ma wpływu.
• możliwość wywoływanie zakłóceń sygnału TV i radiowego

Pojęcie biomasy

Dyrektywa Parlamentu Europejskiegoi Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. określa biomasę jako ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich.

Rodzaje dostępnej biomasy

Biomasa, która może być wykorzystana jako źródło energii odnawialnej może pochodzić z :

• różnego rodzaju zadrzewienia np. lasów, sadów,
• odpadów z produkcji tartacznej, przemysłu meblarskiego np. kora, drobnica gałęziowa, ścinki, obrzyny, trociny, zrębki
• plonu ubocznego roślin uprawnych czyli słomy zbóż, rzepaku kukurydzy etc.
• z upraw roślin jednorocznych (zboża, rzepak itp.) lub wieloletnich (miskant olbrzymi, ślazowiec pensylwański) celowo przeznaczonych jako surowiec biomasowy
• odpadów z przetwórstwa produktów roślinnych i zwierzęcych np. pulpa ziemniaczana
• odpadów z produkcji zwierzęcej np. odchody zwierzęce, odpady poubojowe
• odpadów bytowych tj. ścieki kanalizacyjne

Słoma jako odnawialne źródło energii

W Polsce roczny potencjał energetyczny biomasy  pochodzącej z słomy którą można zagospodarować, to ponad 20 mln. ton

Słoma może być spalana w postaci sieczki, mierzwy, balotów i brykietów. Wartość opałowa jednego kilograma słomy jest równy 0,6 kg węgla kamiennego. Natomiast niski ciężar właściwy słomy sprawia że objętość słomy jest o 10 – 20 razy większa od objętości węgla.

Jej wartość opałowa zależy od:

• gatunku rośliny uprawnej (zbóż, kukurydzy itp.)
• jej wilgotności (nie może być większa niż 20 %)
• stanu zaawansowania zwiędnięcia (słoma świeża ma kolor zbliżony do żółtego, natomiast słoma, która poleży dłużej w polu, pod wpływem rosy, opadów deszczu i słońca ulega „więdnięciu” i przybiera kolor szary, nie wolno dopuścić do gnicia słomy czy też jej butwienia,

Największą wartością opałową cechuje się słoma żytnia następnie pszenna, jęczmienna, owsiana, topinamburu, kukurydzy. W przypadku topinamburu i kukurydzy korzystnie jest, aby rośliny wcześniej obmarzły bo potem lepiej schną.

Granulacja biomasy jako sposób poprawy efektywności energetycznej

Proces kompaktowania biomasy (granulacji) obejmuje trzy kolejno po sobie następujące etapy: suszenie, mielenie i prasowanie których efektem są małe granulki o kształcie cylindrycznym o średnicy 6-25mm i długości do kilku centymetrów

Zalety:

• podwyższona kaloryczność produktu – (2,1 kg granulatu zastępuje 1l oleju opałowego/wartość opałowa dochodząca nawet do 70% wartości kalorycznej najlepszych gatunków węgla)
• zerowa emisja CO2 oraz niska emisja SO2
• niskie koszty składowania i transportu
• duża odporność na samozapłon oraz naturalne procesy gnilne,
• wygładzona powłoka skutecznie zmniejsza absorbcję wilgoci z otoczenia
• praca kotłów sterowana automatycznie w łatwy sposób lub bezobsługowo
• popiół powstały wskutek spalania charakteryzuje się zawartością makroelementów i dzięki czemu może być stosowany jako nawóz

Biogaz – produkt przetwarzania biomasy

Biogaz (wg Dyrektywy PE) -gaz uzyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów;

Biogaz rolniczy (wg Prawa Energetycznego) – gaz otrzymywany w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych, odpadów lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej.

Wykorzystanie w gospodarce:

• jako paliwo do pojazdów lub w procesach technologicznych.
• substytut gazu ziemnego spalany w specjalnie przystosowanych kotłach
• ciepło powstałe w trakcie procesu spalania może zasilać instalację centralnego ogrzewania.
• produkowana w silnikach iskrowych lub turbinach energia elektryczna może być sprzedawana do sieci energetycznych.

Zarys technologii produkcji biogazu

Głównym procesem biochemicznym biorącym udział w produkcji biogazu ze źródeł rolniczych jest fermentacja metanowa. Polega ona w głównej mierze na rozkładzie w warunkach beztlenowych wielkocząsteczkowych substancji organicznych tworzących biomasę (węglowodany, białka, tłuszcze). Rozkładem tych związków zajmują się odpowiednie gatunki i szczepy bakterii powodując powstanie alkoholi lub niższych kwasów organicznych a następnie prostych związków tj. metan i dwutlenek węgla .

W trakcie tego procesu wyróżnia się 4 podstawowe etapy:

I. hydrolizę

II. kwasogenezę

III. acetogenezę

IV. metanogenezę

Na przebieg procesu fermentacji korzystnie wpływa utrzymanie:

• stałej wysokiej temperatury, która jest zależna od szczepu bakterii (mezofilne optimum wydajności biogazu przy 30-37°C, termofilne optimum przy 52-55°C)
• wysokiej wilgotności(powyżej 50%),
• korzystnego pH (powyżej 6,8),
• ograniczenie dostępu powietrza.
• czasu retencji w jakim substraty są utrzymywane w komorze fermentacyjnej uzależnionego od szczepu bakteryjnego, temperatury w jakiej przebiega reakcja oraz rodzaju substratów W zależności od tych czynników może on wynosić od 10 do 36 dni
• mieszanie: jest procesem niezbędnym w celu zapewnienia jednorodności przebiegu fermentacji w całej objętości substratu oraz zapobiegania tworzeniu się tzw. „kożucha”

Technologia produkcji biogazu

Proces fermentacji może przebiegać w prawidłowy sposób jedynie wtedy gdy instalacja biogazowni jest skonfigurowana w odpowiedni sposób. Proces technologiczny w biogazowni złożony jest z następujących etapów:

1. Transport substratów do zbiornika wstępnego

2. Oczyszczenie substratów (ewentualna higienizacja/sterylizacja)

3. Rozdrobnienie, zmieszanie

4. Wtłoczenie do komory fermentacyjnej

5. Transport substratów stałych do komory fermentacyjnej

6. Rozkład substancji w komorze fermentacyjnej (fermentacja metanowa) w wyniku czego powstaje biogaz i osad pofermentacyjny

7. Przeniesienie biogazu do zbiorników i ewentualny transport do silników kogeneracyjnych w celu spalenia i produkcji energii elektrycznej i cieplnej

8. Zagospodarowanie i przeróbka osadu (najczęściej na kompost i nawóz płynny)

Istota działania pomp ciepła

Pompa ciepła nie będąc samoistnym źródłem energii, umożliwia przemianę niskotemperaturowej energii promieniowania słonecznego, gromadzonej w glebie, przestworach glebowych lub w wodzie, w energię użyteczną  dla  potrzeb c.w.u. lub c.o. w budynkach.

Gleba ogrzewana promieniami słonecznymi stanowi niewyczerpane ciągle odnawiające się źródło energii cieplnej o niskiej temperaturze. Na głębokości15 m temperatura gruntu wynosi ok. 10°C,a wód gruntowych od 8 – 12°C. Źródłem ciepła wykorzystywanym do ogrzewania obiektów może być także powietrze (również o temp. poniżej 0°C).

Podział pomp ciepła

Rozpatrując rodzaj zastosowanego napędu i zasadę działania możemy wydzielić trzy podstawowe grupy pomp ciepła. Są to:

1. Pompy absorpcyjne(z napędem cieplnym);

2. Pompy termoelektryczne( z napędem elektrycznym);

3. Pompy sprężarkowe(z napędem mechanicznym, silnik sprężarki zasilany jest najczęściej prądem elektrycznym).

Instalacje pompowe – Dolne źródła ciepła

Zasadniczo wyróżniamy dwie grupy instalacji korzystających z dolnego źródła ciepła:

I.Instalacje z pionowym wymiennikiem ciepła

II.Instalacje z poziomym wymiennikiem ciepła

Gruntowa instalacja  pionowa

Wymiennik ciepła w przypadku tej instalacji montuje się pionowo w gruncie na głębokość ok. 90m o śr. 40 mm.

Wadą jest wysoki koszt wymiennika.

Gruntowa instalacja  pozioma

Wymiennik układany jest się na głębokości ok. 1,6-2 m, gdzie w naszych warunkach klimatycznych temperatura nie spada poniżej 5°C co istotnie zmniejsza wahania dobowe temperatur i wychładzanie gruntu.

Wadą jest konieczność posiadania dużej powierzchni niezbędnej do montażu wymiennika.

Aby uzyskać 1 kW energii należy odebrać ciepło z powierzchni 25-50 m2 gruntu.

Warunki zakwalifikowania instalacji pomp ciepła jako odnawialnego źródła energii

• pompy ciepła umożliwiające wykorzystanie ciepła (geotermalnego lub hydrotermalnego) wymagają zasilania energią elektryczną innej energii dodatkową do prawidłowego działania
• energia używana do zasilania pomp ciepła powinna nie może być wliczana całkowitego użytecznego ciepła.
• do użytecznego wykorzystania energii pompy ciepła należy zaliczyć jedynie energię pobraną w jej dolnym źródle ciepła, który jest odnawialnym zasobem energii lub od otoczenia -na sposób ciepła, bowiem taką wartość energii otrzymuje się po odjęciu od ciepła grzejnego uzyskiwanego w górnym źródle -wartości wykorzystanej energii napędowej.
• nigdy nie może to być zaliczane do bilansu ciepło użyteczne uzyskane w górnym źródle ciepła pompy ciepła.