Statystyczny Polak zużywa rocznie ponad dwa razy mniej energii elektrycznej niż mieszkaniec krajów „starej” Unii Europejskiej. Czy jednak – jak to się nieraz słyszy – niekonwencjonalne źródła energii, takie jak słońce, wiatr czy woda, mogą być wystarczającym źródłem energii dla zwiększających się ciągle potrzeb ludzkości?
Energia jest podstawowym towarem, od którego zależy rozwój cywilizacyjny. Przedsmak jej niedostatku mieli mieszkańcy krajów rozwiniętych w połowie lat siedemdziesiątych, w czasie embarga na dostawy ropy naftowej ogłoszonego przez kraje OPEC. My też pamiętamy nieustanne „czasowe wyłączenia” prądu w okresie realnego socjalizmu, zimne kaloryfery i kartki na benzynę w schyłkowym okresie gospodarki socjalistycznej w PRL.
Więcej słońca
Chociaż energia słoneczna nie może być uważana za panaceum na bolączki energetyczne świata, jej wykorzystanie w jak największym stopniu jest bardzo pożądane.
Najczęściej stosowanymi metodami wytwarzania prądu z promieniowania słońca są: termiczna i fotoelektryczna. Istota metody termicznej polega na skupieniu promieni słonecznych, które wytwarzają gorącą parę. Skierowana do napędzania turbin generatorów powoduje powstanie prądu elektrycznego. Odbywa się to podobnie, jak w klasycznych elektrowniach opalanych węglem. Druga z metod – fotoelektryczna – pozwala bezpośrednio uzyskać prąd elektryczny za pomocą baterii słonecznych. Działają one w oparciu o zjawisko fotowoltaiczne, zachodzące w półprzewodnikach – światło ulega bezpośredniej zamianie na prąd elektryczny.
Idealnym miejscem do korzystania z energii słońca jest Kalifornia. Na pustyni Mojave, 200 km od Los Angeles, już w latach 1984–1992 powstał kompleks 13 elektrowni heliotermicznych. Również w Kalifornii, w 1984 r., uruchomiono elektrownię Carissa Plain wytwarzającą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, podczas zachmurzenia.
Elektrownie słoneczne odznaczają się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że największe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach, do produkcji ciepłej wody. Kolektory słoneczne umieszczone na dachu domu umożliwiają ogrzanie wody do 40 st. C, co przy ogrzewaniu podłogowym wystarcza do ogrzania całego domu. Pierwszy tego typu dom w Europie powstał w szwajcarskiej miejscowości Oberburen.
Większe kolektory słoneczne, instalowane m.in. w Stanach Zjednoczonych, podgrzewające wodę do temperatury 65 st. C., wykorzystywane są w rolnictwie, do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych.
Przed wykorzystaniem energii słonecznej stoi jednak kilka poważnych wyzwań. Po pierwsze, tylko połowa powierzchni Ziemi jest w każdej chwili oświetlona promieniowaniem słonecznym. Po drugie, jesteśmy osłonięci ochronnym płaszczem atmosfery, zbudowanej z gazów oddziałujących z promieniowaniem elektromagnetycznym. Dlatego do powierzchni Ziemi przenika tylko około 47 proc. energii docierającej do górnych warstw atmosfery. No i, oczywiście, nocą nie otrzymujemy nic z owej darmowej energii. Ponadto, większość konsumentów energii żyje w kiepskich, z punktu widzenia możliwości wykorzystania energii słonecznej, warunkach. Mieszkańcom mniej nasłonecznionych rejonów kuli ziemskiej przyjdzie jeszcze długo czekać, nim technologie ujarzmiania tej energii pozwolą raz na zawsze zamknąć elektrownie węglowe.
Gdybyśmy chcieli dzisiaj zacząć masowo korzystać z energii słonecznej docierającej do kuli ziemskiej, to musielibyśmy pokryć olbrzymie jej powierzchnie różnego rodzaju przetwornikami. Co prawda, znamy ogniwa fotowoltaiczne przetwarzające energię słoneczną w elektryczną i ich sprawność zwiększa się bardzo szybko, jednak opłaca się je instalować tylko w miejscach najlepiej nasłonecznionych.
Globalnie zastąpienie paliw kopalnych przez energię słoneczną jest więc chyba niemożliwe. Jej strumień energii jest, co prawda, za darmo, ale kosztuje powierzchnia, na której umieszcza się ogniwa. Ludzkość, by się rozwijać, musi sięgnąć po inne, nie związane ze strumieniem energii słonecznej, źródła energii.
Prąd z wody
Energię wody zaczęto szerzej wykorzystywać do wytwarzania energii elektrycznej w końcu XIX w. Warunkiem pozyskania energii potencjalnej wody jest istnienie w określonym miejscu znacznego spadku dużej ilości wody. Najczęściej stosowany sposób wytwarzania spadku wody polega na podniesieniu jej poziomu w rzece za pomocą jazu, czyli konstrukcji piętrzącej wodę w korycie rzeki lub zapory wodnej – piętrzącej wodę w dolinie rzeki.
W skali świata elektrownie wodne zaspokajają ok. 25 proc. zapotrzebowania na energię elektryczną. Światowe zasoby energii wodnej są wykorzystywane w ok. 40 proc.
Polska wykorzystuje swoje zasoby energii wodnej jedynie w 12 proc. Dla porównania, Niemcy korzystają z nich w 80 proc., Norwegia w 84 proc., zaś Francja – niemal w 100 proc.
Zwiększenie możliwości retencji wody powinno być jednym z priorytetowych zadań polityki ekologicznej państwa. W przypadku zastosowania sztucznego piętrzenia wód rzecznych oprócz efektów energetycznych i przeciwpowodziowych można uzyskać szereg innych korzyści gospodarczych, takich jak: rozwój transportu wodnego, dodatkowe przejścia mostowe, wyższe plony roślin dzięki wzrostowi poziomu wód gruntowych, przyrost ryb w zbiornikach, rozwój turystyki i rekreacji.
W Polsce obserwuje się wzrost liczby elektrowni wodnych, zwłaszcza małych. Budowa małych elektrowni wodnych (MEW) jest ze względów ekologicznych jak najbardziej pożądana. Są to elektrownie wodne o mocy zainstalowanej nie większej niż 5 MW. Najwięcej takich hydroelektrowni przybyło na terenach byłych województw: olsztyńskiego, gdańskiego, słupskiego i bydgoskiego. Budowa 1000 MEW oznaczałaby oszczędność 650 tys. ton węgla w skali roku i związaną z tym redukcję emisji substancji szkodliwych.
Wracają wiatraki
Wiatr często jest dla nas utrapieniem, kiedy wieje zbyt mocno. Czasami zagraża życiu ludzi i niszczy ich mienie. Tornada niemal co rok pustoszą wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych i inne obszary w pasie podzwrotnikowym. Erozja wiatrowa potrafi uporać się z najtwardszymi skałami, pozostawiając tylko samotne ostańce; a i one po tysiącach lat znikną z powierzchni ziemi.
Potęga wiatru jest więc ogromna. Jej wykorzystanie otwiera niewyczerpane zasoby energii, taniej, odnawialnej i, co najważniejsze, czystej ekologicznie. Elektrownie wiatrowe, jak wskazuje ich nazwa, pracują tylko wówczas, gdy wieje wiatr. Obecne technologie pozwalają na produkcję energii już przy prędkości wiatru 3,5 m/s.
Wiatr to nic innego, jak ruch warstw atmosfery. Na różnych wysokościach wiatr wieje z różną prędkością, o czym doskonale wiedzą piloci. Bywa tak, że na wysokości trzydziestu metrów nad poziomem gruntu wiatr jest słaby, dwadzieścia metrów wyżej jego prędkość raptownie rośnie, po czym, po kolejnych kilkunastu metrach, ponownie spada. Dlatego wysokość masztu elektrowni wiatrowej należy tak dobrać, by turbina znajdowała się na optymalnej wysokości, czyli tam, gdzie średnia prędkość wiatru gwarantuje maksymalne wykorzystanie mocy elektrowni.
Zasoby energetyczne wiatru to nie jedyny warunek lokalizacji elektrowni wiatrowej w danym miejscu. Należy również brać pod uwagę bliskość i jakość sieci elektroenergetycznej, za której pośrednictwem energia będzie sprzedawana. Wybrane miejsce musi umożliwiać dojazd ciężkiego sprzętu budowlanego. Wreszcie charakter geologiczny podłoża musi zapewnić bezpieczeństwo fundamentom wieży.
Od czasu kryzysu energetycznego w 1973 r. powstało na świecie tysiące instalacji wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. O opłacalności tych instalacji decyduje duża prędkość wiatru i stałość jego występowania w danym miejscu. Dlatego elektrownie wiatrowe są zazwyczaj budowane na terenach nadmorskich i podgórskich. W Europie Dania, Niemcy, Szwecja i Wielka Brytania znajdują się w czołówce państw wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej.
Pierwszą w Polsce prywatną elektrownię wiatrową zbudował i uruchomił mieszkaniec wsi Wrocki koło Torunia w 1996 r. Maszyna do produkcji prądu była polskiej konstrukcji.
Ciepło Ziemi
Energia geotermalna to, ogólnie mówiąc, energia zakumulowana w gruncie, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Gdy nośnikiem energii są płyny złożowe (para, woda) wtedy mówimy o energii geotermalnej.
Energia ta, biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m. Jeżeli woda osiąga temperaturę powyżej 120 st. C, można ją wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Niestety, w Polsce wody nie osiągają aż tak dobrych parametrów i są stosowane jedynie do celów ciepłowniczych. Spotykamy jednak na świecie regiony, gdzie nie trzeba sięgać w głąb ziemi po gorącą wodę. Woda, w postaci wybuchającej pary, wydostaje się na powierzchnię ziemi. Te gorące fontanny, zwane gejzerami, występują na Islandii, na Nowej Zelandii, w Parku Narodowym Yellowstone w USA, na wulkanicznej Kamczatce oraz w Japonii, Ameryce Środkowej i Południowej.
Na terenie naszego kraju co prawda nie występują gejzery, ale odkryto źródła ciepłej wody, która z powodzeniem jest wykorzystywana do ogrzewania budynków mieszkalnych. Najstarszą i największą w Polsce inwestycją związaną z wykorzystaniem energii geotermalnej jest Geotermia w Bańskiej Niżnej. Następnym w kolejności tego rodzaju obiektem była ciepłownia w Pyrzycach, zbudowana w latach 1993–1996, która zastąpiła 68 lokalnych kotłowni opalanych węglem lub koksem. Kolejna, Geotermia w Mszczonowie, została uruchomiona w 1999 r.
