Odnawialne źródła energii (OZE) to takie źródła, których wykorzystywanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem, ponieważ ich zasób odnawia się w relatywnie krótkim czasie. Źródła te obejmują energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię geotermalną, energię wody – czyli zarówno płynącej wody (rzek), energię zmagazynowaną w zbiornikach wodnych, jak i energię fal, prądów i pływów morskich – energię otrzymywaną z biomasy i jej pochodnych, tj. biogazu oraz biopłynów.

Energia wiatru

Energia wiatru to energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, która jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych. Turbiny wiatrowe mogą być budowane na lądzie i na wodzie (tzw. off-shore), przy czym większy uzysk energii jest możliwy na farmach morskich, a ich lokalizacja jest mniej kłopotliwa dla skupisk ludzkich, jednak przyłączenie do sieci takiej elektrowni jest bardziej skomplikowane. W 2020 r. energia wiatru dostarczyła ludzkości 1590 TWh, czyli 5,9% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Największy udział w krajowej produkcji energii elektrycznej miała w Danii (49,7%), Irlandii (22,9%), Portugalii (22,3%) i Hiszpanii (17,7%).

Przydomowa elektrownia wiatrowa to zespół połączonych ze sobą urządzeń, które wytwarzają i magazynują energię elektryczną. W odróżnieniu od wiatraków pracujących na farmach wiatrowych – wiatraki wchodzące w skład przydomowej elektrowni wiatrowej produkują energię na mniejszą skalę, wyłącznie na potrzeby pojedynczego gospodarstwa domowego. Głównymi argumentami za posiadaniem takiego rozwiązania jest oczywiście dostęp do darmowego prądu oraz pozytywny wpływ na środowisko. Instalacja podczas pracy nie emituje bowiem dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń wpływających na jakość wdychanego przez ludzi powietrza. Prywatnym inwestorom umożliwia ona osiągnięcie niezależności energetycznej w miejscach, w których występują częste braki w dostawie prądu. Co więcej, w razie nadmiaru wyprodukowanej energii użytkownik instalacji może sprzedać swoją nadwyżkę lub magazynować ją w celu wykorzystania podczas mniej wietrznych dni.

Energia słoneczna

Energia słoneczna to promieniowanie elektromagnetyczne Słońca, które jest wynikiem drgań pola magnetycznego i elektromagnetycznego. To łatwo dostępna energia, ale gęstość jej strumienia jest mała i zależna od miejsca na Ziemi, pory roku i dnia. Człowiek wykorzystuje energię słoneczną niemal od zawsze, w sposób zaplanowany bądź przypadkowy. Współczesne technologie umożliwiają efektywne pozyskiwanie i przetwarzanie energii Słońca w celach użytkowych.

Kolektory słoneczne wykorzystują energię cieplną ze Słońca dzięki konwersji fototermicznej. Absorbują promieniowanie i przekazują ciepło za pomocą określonego nośnika (najczęściej cieczy, choć czasami również powietrza). Kolektory najczęściej wykorzystuje się do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Ogniwa fotowoltaiczne, z których zbudowane są panele fotowoltaiczne, zamieniają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Zjawisko to nazywamy efektem fotowoltaicznym. Wytworzony prąd stały przepływa przez inwerter (falownik) i zostaje przekształcony w prąd przemienny, czyli dokładnie taki jaki mamy w gniazdkach (230V). Uzyskaną energię elektryczną możemy zużywać na bieżąco, magazynować albo sprzedawać.

Mikroinstalacja fotowoltaiczna to niewielka, przydomowa instalacja ogniw fotowoltaicznych, zwykle o niewielkiej mocy, zasilająca budynek w energię elektryczną. Pozwala na znaczące ograniczenie lub całkowitą eliminację wydatków na prąd i stanowi dobrą inwestycję dla gospodarstwa domowego.

Energia geotermalna

Energia geotermalna to nagromadzone ciepło skumulowane we wnętrzu planety. Ciepło we wnętrzu Ziemi jest częściowo ciepłem pierwotnym powstałym w okresie formowania się naszej planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, takich jak uran, tor czy potas. Temperatura zwiększa się wraz z głębokością, osiągając w jądrze Ziemi nawet 6000 stopni Celsjusza. Ciepło w sposób ciągły przepływa do górnych warstw skorupy ziemskiej i na powierzchnię.

Pierwsza instalacja geotermalna o zastosowaniu grzewczym została uruchomiona w Polsce na początku lat 90. XX w. na Podhalu: był to Doświadczalny Zakład Geotermalny PAN Bańska-Biały Dunajec, który przygotował grunt do założenia i rozwoju działalności PEC Geotermia Podhalańska SA. Obecnie pracuje sześć ciepłowni geotermalnych: w wymienionym już regionie Podhala oraz w pięciu miastach na Niżu Polskim: w Mszczonowie, Uniejowie, Poddębicach, Pyrzycach i Stargardzie. Według danych z 2017 r. ich łączna zainstalowana geotermalna moc cieplna wynosiła ok. 77 MWt, a sprzedaż ciepła geotermalnego – ok. 870 TJ.

Energia wody

Energetyka wodna, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystuje wodę, która stanowi najpowszechniej używane odnawialne źródło energii. Woda stanowi niemal 71% powierzchni globu, dzięki czemu może być stosowana w wielu dziedzinach, w tym również w energetyce. Pozyskiwanie energii w elektrowniach wodnych jest procesem dość prostym i opiera się na zamianie energii potencjalnej w energię kinetyczną płynącej wody. Sposobem zwiększenia potencjału energetycznego jest spiętrzanie wody za pomocą wznoszonych zapór. Woda porusza turbinę z generatorem i w ten sposób wytwarzana jest energia elektryczna. Najpowszechniejszą metodą pozyskania energii wodnej jest wykorzystanie wód śródlądowych, w tym przypadku rzek oraz stałych zbiorników wodnych. Wykorzystać można również:

  • 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 temperatur, 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.

Największe elektrownie wodne mają moc, która przekracza 10 GW. Wenezuela, Brazylia i Kanada uzyskują ponad 50% swojej energii elektrycznej z elektrowni wodnych, a Norwegia aż 98%. W Polsce w 2017 r. było to 1,5%.

Biomasa

Do wytwarzania energii z OZE mogą też służyć wszelkie substancje pochodzenia zwierzęcego i roślinnego, które podlegają procesowi biodegradacji, czyli tzw. biomasa. Istnieją różne jej rodzaje: stała (np. drewno, rośliny), ciekła (tzw. biopaliwa, np. z rzepaku) i gazowa (tzw. biogaz). Popularniejszym zastosowaniem biomasy jest produkcja ciepła, jednak w ostatnim czasie z biomasy wytwarza się coraz więcej energii elektrycznej.

Biogaz

Biogaz to gaz powstający z przetworzenia organicznych związków zawartych w biomasie. Najbardziej rozpowszechnioną techniką wytwarzania biogazu jest fermentacja metanowa, podczas której w warunkach beztlenowych fizyko-chemiczne procesy wspierane bakteriami metanowymi rozkładają masę organiczną do postaci gazowej.

Biogaz jest gazem palnym, więc może zostać wykorzystany jako: paliwo napędzające turbinę gazową do produkcji energii elektrycznej, jako paliwo stosowane w kotle do wytwarzania ciepła lub, co częściej ma miejsce, jako paliwo napędzające silnik układu kogeneracyjnego, gdzie w jednym procesie wytwarza się energię elektryczną i ciepło. Biogaz może zostać po oczyszczeniu odpowiednio sprężony i wykorzystany jako paliwo napędzające pojazdy mechaniczne w transporcie. Takie rozwiązania dobrze znane są w Szwecji, a także Niemczech czy Austrii.

W Polsce moc odnawialnych źródeł energii z każdym kolejnym rokiem nie tylko wzrasta, ale wzrasta w bardzo szybkim tempie (przyrost w 2019 r. był 9 razy większy niż w r. 2018). Na koniec ubiegłego roku instalacje OZE w Polsce miały łączną moc 9106 MW. W naszym kraju najwięcej energii odnawialnej generują instalacje bazujące na sile wiatru i biomasie.

Działania promujące OZE wynikają w dużej mierze z konieczności zrealizowania celu wyznaczonego wspólnie z Unią Europejską. Zgodnie z ustaleniami z 2009 r. państwa członkowskie zobowiązały się zapewnić określony udział odnawialnych źródeł energii w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. Dla całej Wspólnoty ten cel wynosił 20%, dla Polski został on określony na 15%. Czy udało się go zrealizować? Jeśli chodzi o realizację na poziomie całej Unii Europejskiej to tak, jednak w przypadku samej Polski to osiągnięto zaledwie poziom ok. 13%.

OZE w ciepłownictwie

infografika Dynamika rozwoju branzy OZE 1 700x433
Źródło: magazyncieplasystemowego.pl

 

scenariusz rozwoju potencjału OZE
Źródło danych na wykresie: Wiśniewski G., Pejas B., Więcka A., Michałowska-Knap K., Zarzeczna J.: Rola odnawialnych źródeł energii w ograniczaniu emisji z ciepłownictwa. Materiały z VII Konferencji RYNEK CIEPŁA SYSTEMOWEGO, Lublin 20-22 lutego 2018.