Jaka energia w XXI wieku? Autor: prof. zw. dr hab. inŜ. Włodzimierz Kotowski („Energia – Gigawat” – styczeń/luty 2008)
Decydującym czynnikiem w określaniu źródeł pozyskiwania nośników energii w bliŜszej i dalszej perspektywie jest zwiększające się zaludnianie naszej planety. Do roku 2050 będzie nas na tej ziemi prawie 9 miliardów, tj. trzy razy tyle, ile było przed stu laty.
W dodatku z pokolenia na pokolenie wzrasta silnie średnie zuŜycie energii na przeciętnego człowieka. Odczuwa się to szczególnie teraz w ramach rozwijającej się globalizacji oraz intensywnego rozwoju przemysłu w Chinach i Indiach. Aktualnie sektor światowego transportu (łącznie z morskim oraz lotniczym) zuŜywa połowę wydobywanej ropy.
Szacuje się, Ŝe globalna ilość pojazdów samochodowych na świecie – dziś wynosząca 800 mln – ulegnie podwojeniu do 2030 roku.
Rozwój lotnictwa szacuje się na 5% rocznie, co oznacza jego podwojenie na przestrzeni 15 lat. Tymczasem w latach 1960–2000 zuŜycie ropy: -
w USA uległo podwojeniu,
-
w Europie wzrosło czterokrotnie,
-
w obszarze Pacyfiku powiększyło się aŜ dziesięciokrotnie.
W skali światowej zapotrzebowanie na energię będzie w latach 2000–2010 wzrastało o średnio 1,2% rocznie, a w okresie 2010–2030 o około 0,7% rocznie. Trzeba w tym miejscu podkreślić ogromne róŜnice w zaludnieniu oraz w zuŜywaniu energii między krajami uprzemysłowionymi, a rozwijającymi się, co ilustruje rys. 1. Czołowe kraje gospodarki światowej zuŜywają ponad połowę wszystkich nośników energii, mając tylko 15% zaludnienia planety. Same tylko USA, mając 5% światowego zaludnienia, zuŜywają aŜ 26% wydobywanej z wnętrza naszej planety ropy.
Perspektywiczne źródła pokrycia światowych potrzeb na nośniki energii
Dziś największy udział w zaspokajaniu światowych potrzeb na nośniki energii ma ropa i to na poziomie 41%. Następnie węgiel kamienny w wysokości około 20% – przy czym czołową jest jego 1
pozycja w wytwórczości energii elektrycznej na naszej planecie. W tej dziedzinie kolejne miejsca zajmują gaz ziemny, energetyka jądrowa, a po niej energia wody, co doskonale ilustruje rys. 2.
60% 55% 50% 50%
Procentowy udział w światowym zuŜyciu energii Procentowy udział w zaludnieniu ziemi
40% 35% 30% 30%
20% 15%
15%
10%
0%
USA, Japonia Zachodnia Europa, Australia
Wspólnota Niepodległych Państw, Chiny, Wschodnia Europa
Kraje rozwijające się
Źródło: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft Rys. 1.
Rys. 2.
ZuŜycie energii w wybranych regionach naszej planety w powiązaniu z ich zaludnieniem
Rosnący udział odnawialnych nośników energii w globalnej wytwórczości energii elektrycznej
Na tym rysunku widać wyraźnie, Ŝe juŜ w następnych latach rola nieodnawialnych nośników energii będzie malała – gdyŜ szybko obniŜają się ich zasoby i rosną koszty wydobycia. Tymczasem 2
odnawialne nośniki energii – co uwidacznia rys. 3 – stoją do dyspozycji ludzkości w ogromnych ilościach w porównaniu do naszych potrzeb. Wszystkie one bazują na emitowanej na ziemię energii słońca, której wielkość przewyŜsza 15 000 razy obecne zapotrzebowanie na nośniki energii mieszkańców naszej planety.
Rys. 3. Coroczna oferta odnawialnych nośników energii dla mieszkańców naszej planety (Źródło:”Gemeisam forschen für die Energie der Zukunft“ – ForschungsVerbund Sonnenenergie, Hahn – Meitner – Institut, Berlin, 2005 r.)
Zastępując nieodnawialne nośniki energii odnawialnymi, obniŜa się emisję dwutlenku węgla do atmosfery. Tymczasem w tym obszarze ogólnoświatowe uzgodnienia obejmują obniŜkę emisji CO2 do atmosfery o 50% (w porównaniu z rokiem bazowym 1990) do polowy XXI wieku, gdyŜ jest to strategicznie waŜny warunek wstrzymania negatywnych zmian w klimacie ziemi.
Wytwarzanie energii elektrycznej z odnawialnych nośników energii
Dziś czołową pozycję w tej grupie zajmuje energia wody, którą stosuje się do napędu elektrogeneratorów niemal od początków ich seryjnej budowy. NaleŜy do najtańszych i harmonizuje ze środowiskiem.
Energetyczne wykorzystanie biomasy winno juŜ w najbliŜszych dziesięcioleciach zaowocować odczuwalnym rozmiarem w zastępowaniu nieodnawialnych nośników energii. Uzyskuje się ją z energii słonecznej, jest magazynowalnym paliwem, które w dodatku łatwo przetwarza się w inne rodzaje energii. W jej obszarze prowadzi się rozległe prace badawczo-wdroŜeniowe: od zakładania wysoko-wydajnych plantacji roślin energetycznych, poprzez ich zgazowywanie, do stosowania w kogeneracyjnych elektrociepłowniach z mikroturbinami gazowymi, silnikami Stirlinga oraz ogniwami paliwowymi. Z biomasy wytwarza się paliwa silnikowe wg rozmaitych technologii. NajwaŜniejsza obejmuje zgazowanie drewna i słomy, aby następnie mieszaninę CO + H2 3
przetworzyć w benzynę, paliwa odrzutowe oraz olej napędowy wg know-how Fischera-Tropscha. W Polsce energetyczny potencjał biomasy szacowany jest na powyŜej 10% obecnego zapotrzebowania nośników energii.
W ostatnim 15-leciu najwyŜszą dynamikę przyrostu mocy obserwuje się w nowo wznoszonych parkach elektrowni wiatrowych. Oprócz realizowanych inwestycji tylko w obszarze Morza Północnego oraz Morza Bałtyckiego w latach 1991-2004 dokumentuje poniŜsza tabela 1 oraz rys. 4.
Rys. 4.
Rozmieszczenie parków wiatraków energetycznych we wschodniej części Morza Północnego i zachodniej części Morza Bałtyckiego. Ciemno-czerwony kolor obejmuje parki wiatraków wg załączonej tabeli. (Źródło: Eilers-Media, Sonne Wind & Wärme, 58, 2, 2005 r.)
Obecnie budowane wiatraki energetyczne osiągają juŜ moc aŜ 5 MW. Wg rys. 3 dostępne moce energii wiatrowej są gigantyczne w porównaniu z zapotrzebowaniem na media energetyczne przez mieszkańców ziemi.
4
Tabela 1 Wybudowane parki wiatraków energetycznych w latach 1991-2004 we wschodniej części Morza Północnego i zachodniej części Morza Bałtyckiego. Rok
Kraj
uruchomienia
Projektant,
Zainstalowana moc;
inwestor
MW
1991
Dania
Vindeby
5,0
1994
Holandia
Lely
2,0
1995
Dania
Tonø Knob
5,0
1996
Holandia
Dronten
1998
Szwecja
Bockstigen
2,8
2000
Anglia
Blyth
4,0
2000
Szwecja
Utgrunden
10,1
2001
Dania
Middelgrunden
40,0
2001
Szwecja
Yttre Stengrund
10,0
2002
Dania
Horns Rev
2003
Dania
Frederikshavn
2003
Dania
Nysted
165,6
2003
Dania
Samsø
23,0
2003
Irlandia
Arklow Bank
25,2
2003
Anglia
North Hoyle
60,0
2004
Anglia
Scroby Sands
60,0
2004
RFN
Ems-Emden
4,5
RAZEM
16,8
160,0 10,6
604,5
Źródło: Unternehmensangaben w “Sonne Wind & Wärme“, 57,2,2005 r.
Tymczasem rozbudowa elektrowni geotermalnych wg schematu na rys. 5 jest obecnie na naszej planecie, w porównaniu z budową wiatraków energetycznych mniej jak skromna. Natomiast geotermia stawia do naszej dyspozycji pokaźne moce i to z równomierną dostawą kaŜdej doby przez cały rok – niezaleŜnie od warunków atmosferycznych. Atrakcyjność budowy elektrowni geotermalnych wzrosła z chwilą uruchomienia turbiny cyrkulującym amoniakiem, a nie wodą. Na turbinę – sprzęŜoną z elektrogeneratorem – kieruje się amoniak o temperaturze około 100 st. C. Największe pokłady źródeł geotermalnych są w Islandii, a Polska ma ich więcej niŜ inne kraje na kontynencie europejskim. 5
Rys. 5.
Schemat nowoczesnej geotermalnej elektrowni, w której turbinę parową (sprzęŜoną z elektrogeneratorem napędzają opary amoniaku o temperaturze około 100 st. C, a nie układ wodno-parowy. (Źródło: ”Gemeisam forschen für die Energie der Zukunft“ – ForschungsVerbund Sonnenenergie, Hahn – Meitner – Institut, Berlin, 2005 r.)
Największy potencjał wśród odnawialnych nośników energii tkwi w promieniowaniu słonecznym, co doskonale ilustruje rys. 3.
Fotowoltaiczna konwersja energii przez baterie słoneczne dla bezpośredniej wytwórczości energii elektrycznej znalazła szeroki front badawczo-wdroŜeniowy w Środkowej Europie, Japonii oraz w USA dopiero od minionej dekady.
W szerokim zastosowaniu są ogniwa krzemowe oraz cienkowarstwowe, których sprawność przekracza juŜ 20%. Działania badawczo-wdroŜeniowe koncentrują się nad wydłuŜaniem ich Ŝywotności (do ponad 25 lat) oraz podwyŜszeniu sprawności do około 40%.
Równolegle rozpracowuje się róŜnorakie technologie kolektorów słonecznych – budując na ich bazie ciepłownie oraz elektrownie.
Na rys. 6 prezentuje się największy budynek w Manchester (Anglia), którego fasadę wyłoŜono bateriami fotowoltaicznymi. NajwaŜniejszym jest fakt, Ŝe nie jest to odosobniona inwestycja w Europie – a jedna z bardzo wielu.
6
Rys. 6.
Baterie fotowoltaiczne na fasadzie największego budynku w Manchester w Anglii
(Źródło: Sharp, Sonne Wind & Wärme, 12, 2, 2005 r.)
W podsumowaniu stwierdza się, Ŝe kraje wysoko uprzemysłowione traktują działania badawczowdroŜeniowe jak i inwestycje w obszarze rozwoju energetyki na bazie odnawialnych nośników energii jako zadania strategiczne o najwyŜszym priorytecie.
7