Krótki kurs. Energetyka odnawialna - ebook

PODZIĘKOWANIA

Za wszystkie dyskusje na temat energii odnawialnej pragnę podziękować następującym osobom: Johnowi Andrewsowi, Conyersowi Davisowi oraz kolegom ze Schwarzenegger Institute w Los Angeles, Nickowi Eyre’owi, Chrisowi Goodallowi, Mike’owi Masonowi, Moritzowi Riede, Gerardowi van Busselowi i Simonowi Watsonowi. Jestem również bardzo wdzięczny Lathi Menon za jej cenne spostrzeżenia oraz całemu zespołowi Oxford University Press za pomoc w przygotowaniu manuskryptu do publikacji.

Przede wszystkim chcę podziękować mojej żonie Jane, której wsparcie i uwagi były bezcenne, a także Johnowi, Tessie i Piernicoli za doping i mobilizację do pracy.WYKAZ SKRÓTÓW

AC – prąd zmienny

AI (SI) – sztuczna inteligencja

CHP – kongeneracja (ogrzewanie + energia)

CO₂ – dwutlenek węgla

DC – prąd stały

eV – elektronowolt, jednostka energii stosowana w fizyce

GDP (PKB) – produkt krajowy brutto

Gt CO₂ – gigatona dwutlenku węgla

GW – gigawat, tysiąc megawatów

GWp – gigawatopik, tysiąc milionów watopików

HVAC – prąd zmienny wysokiego napięcia

HVDC – prąd stały wysokiego napięcia

kW – kilowat (tysiąc watów), jednostka mocy

kWh – kilowatogodzina, jednostka mocy

kWp – kilowatopik, tysiąc watopików

kV – kilowolt

LED – dioda elektroluminescencyjna

MW – megawat, tysiąc kilowatów

MWh – megawatogodzina, tysiąc kilowatogodzin

PV – fotowoltaika

TW – terawat, tysiąc gigawatów

TWh – terawatogodzina, tysiąc milionów (bilion) kilowatogodzin

Wp – watopik, jednostka mocy modułu solarnegoROZDZIAŁ 1
CZYM SĄ ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII?

W życiu codziennym wykorzystujemy energię przez cały czas: gdy rozmawiamy przez telefon, gotujemy wodę lub prowadzimy samochód. Dostęp do energii ma wpływ na wysoką jakość życia: zapewnia ciepło, produkcję żywności i technologię zasilania; w ostatnich 200 latach do jej produkcji coraz bardziej wykorzystywaliśmy paliwa kopalne. Jednak spalanie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego powoduje uwalnianie ogromnych ilości dwutlenku węgla (CO₂) do atmosfery, a także wytwarza niezwykle szkodliwe dla naszego zdrowia i dla środowiska naturalnego zanieczyszczenia. Mimo to najprościej byłoby dalej je użytkować, tym bardziej że zasoby paliw kopalnych wystarczą na kolejnych kilkaset lat. Jednak dalszy wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze, który już obecnie poważnie zaburza równowagę klimatyczną, spowodowałby dramatyczne zmiany związane z globalnym ociepleniem i naraziłby na niebezpieczeństwo wiele milionów istnień ludzkich jeszcze przed końcem XXI w. W tej chwili zanieczyszczenie powietrza powoduje co roku 7 mln przedwczesnych zgonów.

Energia ze źródeł odnawialnych

Na szczęście wykorzystanie niektórych źródeł energii, w szczególności użytkowanie energii słonecznej, wiatrowej i wodnej, nie wiąże się z tymi szkodliwymi konsekwencjami. W wielu częściach świata generatory energii słonecznej i wiatrowej stają się obecnie najtańszymi źródłami zasilania i są realną alternatywą dla paliw kopalnych. Co więcej, te źródła energii są odnawialne, ponieważ mogą się samoistnie uzupełniać w ciągu od paru dni lub do kilku dekad. Jeśli produkowana energia jest przystępna cenowo, a jej wytwarzanie nie jest szkodliwe dla ludzi ani dla środowiska (co może się zdarzyć np. wtedy, gdy lasy są wycinane pod uprawy energetyczne), to dostawy energii odnawialnej są zrównoważone. Taka zrównoważona energia przynosi wiele natychmiastowych korzyści. Może zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza, które jest plagą wielu miast, zapewnić tańszą energię oraz sporo nowych miejsc pracy, a także zagwarantować niedrogie bezpieczeństwo energetyczne milionom ludzi.

Jeszcze kilka lat temu rezygnacja z paliw kopalnych w walce z globalnym ociepleniem byłaby bardzo trudna z powodu tradycyjnego podejścia do tej kwestii zakorzenionego w społeczeństwie, a każda alternatywa była bardzo kosztowna. Ponadto ponieważ zmiany klimatyczne wydawały się jedynie stopniowym i odległym zagrożeniem, niewywołującym gwałtownych emocji ani chęci do natychmiastowej reakcji, wiele osób i rządów było niechętnych podejmowaniu działań. Teraz jednak zagrożenie jest znacznie bliższe, więc odejście od paliw kopalnych na rzecz źródeł odnawialnych stało się krokiem koniecznym.

Słońce jest najważniejszym źródłem energii odnawialnej. Jego promieniowanie zapewnia światło do oświetlenia, ciepło do ogrzewania i gotowania. Może być również przekształcane w energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Różnice w absorpcji promieni słonecznych powodują zróżnicowanie w temperaturach na powierzchni Ziemi, dzięki czemu powstaje wiatr, który można wykorzystywać do napędzania turbin wiatrowych. Rzeki są źródłem energii wodnej; są także częścią naturalnego cyklu, w którym opady deszczu z chmur spływają ciekami do morza, a parowanie wody do atmosfery, wywołane ciepłem promieni słonecznych, powoduje powstawanie chmur. Rośliny czerpią energię z fotosyntezy, podczas której dwutlenek węgla i woda są przekształcane w węglowodany dzięki światłu słonecznemu. Rośliny dostarczają pożywienia, a także mogą być źródłem paliwa do ogrzewania i napędzania silników. Słońce i wiatr są w stanie dostarczyć całą energię, której potrzebuje świat, a nawet wielokrotnie więcej, niż jest to konieczne.

Wczesne źródła energii

Aż do XVIII w. prawie wszystkie źródła energii były źródłami odnawialnymi. Rośliny i zwierzęta były źródłem żywności i surowców, takich jak drewno, nawóz, olej i tłuszcz, służących do gotowania, ogrzewania, oświetlenia i budowy schronienia; są one obecnie określane mianem biomasy tradycyjnej. W epoce brązu węgiel drzewny, wytwarzany przez spalanie drewna przy ograniczonym dopływie powietrza, spalający się w wyższej temperaturze, umożliwił oczyszczanie rud różnych metali. Przez wiele stuleci zwierzęta ułatwiały wiele zadań, a konie i woły zapewniały energię i transport.

Podstawowym zastosowaniem energii słonecznej, oprócz jej znaczenia dla uprawy żywności, było ogrzewanie i oświetlenie domostw. Starożytni Grecy i Chińczycy budowali domy z głównymi pokojami wychodzącymi na południe, aby były jak najbardziej nasłonecznione, a Rzymianie stosowali szklane szyby, które pomagały zatrzymać ciepło wewnątrz pomieszczeń. W gorącym i suchym klimacie zwykle budowano domy o bardzo grubych ścianach, aby nie dopuścić do nagrzewania się wnętrz w ciągu dnia i zatrzymać ciepło w nocy. Ciepło słoneczne było również wykorzystywane do suszenia materiałów, np. gliny na cegły, oraz do konserwowania żywności.

Do ogrzewania i oświetlania wykorzystywano czasami węgiel, torf i ropę naftową, choć ich użycie było zwykle ograniczone. W nielicznych miejscach dostępna była energia geotermalna pod postacią gorących źródeł. Jest to odnawialne źródło energii, ponieważ pochodzi z ciepła wydzielanego z wnętrza Ziemi. Starożytni Rzymianie wykorzystywali gorące źródła w niektórych łaźniach, co można nadal zobaczyć w Pompejach.