ENERGIA KOŁA MŁYŃSKIEGO CZY ŁOPATEK(SKRZYDEŁ) WIATRAKA w połączeniu z generatorem Bediniego.

. WPROWADZENIE 1.1. Cel pracy Przekazujemy Państwu kolejną monografię poświęconą tematyce energii odnawialnej. Jest to kontynuacja cyklu Technologie energetyczne. Dotychczas ukazały się Technologie bioenergetyczne (2009) [1], Technologie geoenergetyczne (2010) [2], Technologie helioenergetyczne (2013) [3] i Technologie aeroenergetyczne (2014) [4]. Przygotowując materiał do każdej z tych książek, uważaliśmy, że mamy sporą wiedzę na temat danego rodzaju energii odnawialnej (OZE). Zawsze jednak okazywało się, że tylko się nam tak wydawało. Technologii OZE jest bardzo wiele i wciąż są rozwijane. Są one bardzo ciekawe z punktu koncepcji, rozwiązań i zastosowań praktycznych. Niestety, w Polsce tematyka ta jest mało znana. Naszym celem jest przybliżanie czytelnikom tematyki OZE w Polsce i na świecie – dlatego też nasze książki są ogólnodostępne. Zachęcamy również do odwiedzenia naszej strony na Facebooku: Grupa „100% OZE w Polsce” [5]. 1.2. Energetyka odnawialna na świecie Na rysunku 1 przedstawiono mapę świata z procentowym udziałem OZE w produkcji energii elektrycznej [6−22] w 2015 r.1 Uwzględniono również kraje, w których znaczący udział ma energetyka atomowa. Wiele państw pozyskuje energię elektryczną także ze spalania gazu ziemnego i ropy naftowej, dużo mniej emisyjnych niż węgiel. 1 Jeśli dane z 2015 r. nie były dostępne, wówczas brano pod uwagę najnowsze, dostępne opracowania. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 7 18.05.2017 11:58:54 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 8 Technologie hydroenergetyczne Rys. 1. Wykorzystanie OZE i energii atomowej na świecie (opracowanie własne za [6−22]) Zaprezentowana mapa wskazuje jednoznacznie, że około 85% krajów na świecie ma większy udział (%) OZE niż Polska, mimo że wiele z nich ma złoża paliw kopalnych. Co więcej, blisko 50 krajów na świecie produkuje prąd w 75−100% z OZE. Są to zarówno kraje bardzo bogate, średnio zamożne, jak i bardzo biedne [6−22]. Przez lata zarzucano np. Stanom Zjednoczonym i Chinom, że nie podpisały protokołu z Kioto. A kraje te są liderami, jeśli chodzi o moc/przyrost mocy energii OZE na świecie, o czym będziemy pisać w następnych rozdziałach. W Chinach jest to niemal przyrost wykładniczy. Co więcej, tylko w 2015 r. sprzedano tam 128 tys. samochodów elektrycznych [22]. W ciągu ostatnich lat udział węgla w bilansie energetycznym USA spadł z 55 do 30% i około 20% w 2016 r. (bankructwo największego producenta węgla, firmy Peabody [23]). W tym roku USA uzyskają energię z (mix energetyczny): 35% gaz ziemny (głównie łupkowy), 20% energia atomowa, 20% węgiel, 17% OZE (w 2015 r. było to 14,5% dlatego na mapie zaznaczono kreskami przerywanymi), 8% inne [24]. Na rysunku 2 przedstawiono udział OZE w produkcji energii elektrycznej w Europie. Analizując rysunek 2, można zauważyć, że Norwegia niemal w 100% korzysta z OZE. Cena prądu dla odbiorcy indywidualnego jest porównywalna/trochę niższa niż cena w Polsce, tylko że Norweg zarabia 6 razy więcej niż Polak. Na rysunku 3 przedstawiono przyrost mocy energetyki odnawialnej w 2015 r. w różnych częściach świata [22]. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 8 18.05.2017 11:58:54 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 1. Wprowadzenie 9 Rys. 2. Wykorzystanie OZE i energii atomowej w Europie (opracowanie własne za [6−8, 14, 15, 18, 22]) Rys. 3. Przyrost (%) mocy sektorze OZE w 2015 r. Euroazja: Armenia, Azerbejdżan, Gruzja, Rosja, Turcja (opracowanie własne za [22]) 1.3. Zatrudnienie w energetyce odnawialnej na świecie Jak donosi najnowszy raport Międzynarodowej Agencji Energetyki Odnawialnej (IRENA) [22], w globalnym sektorze odnawialnych źródeł energii Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 9 18.05.2017 11:58:54 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 10 Technologie hydroenergetyczne zatrudnienie w zeszłym roku znalazło 8,1 mln osób (bez uwzględnienia sektora hydroenergetycznego, gdzie zatrudnionych jest około 1,3 mln osób). Jest to wzrost o 5% względem roku poprzedniego. W raporcie czytamy, że całkowita liczba miejsc pracy w sektorze energetycznym w ubiegłym roku spadła w porównaniu z rokiem 2014, jednak liczba miejsc pracy w sektorze OZE wzrosła. Na przykład w Stanach Zjednoczonych wzrost zatrudnienia wyniósł 6%, a jednoczesny spadek w sektorze związanym ze spalaniem paliw kopalnych (ropa i gaz ziemny) wyniósł 18%. Podobnie rzecz wygląda w Chinach – w sektorze OZE zatrudniono 3,5 mln nowych pracowników, a w sektorze petrochemicznym jedynie 2,6 mln. Co drugi człowiek zatrudniony w OZE pracuje w Chinach. Chiny nie przejmują się zbytnio aspektami środowiskowymi, tylko ekonomicznymi, a produkcja energii z OZE jest z każdym rokiem coraz tańsza [22]. Kraje, w których zatrudnienie w sektorze energii odnawialnej w 2015 r. było największe, to Chiny, Brazylia, USA, Indie, Japonia i Niemcy. Spośród wszystkich sektorów rynku OZE największe zatrudnienie zanotowano w przedsiębiorstwach związanych z fotowoltaiką, gdzie zatrudnia się 2,8 mln osób (2,5 mln w 2014 r.). Drugim z kolei sektorem są biopaliwa, gdzie zatrudnionych jest 1,7 mln osób. Na trzecim miejscu podium plasuje się zatrudnienie w sektorze energii wodnej (rys. 4) [22]. Rys. 4. Miejsca pracy (tys.) w OZE na świecie z podziałem na technologie (opracowanie własne za [22]) Praca dostępna jest nie tylko w sektorze OZE, ale również w otoczeniu, gdzie zatrudnionych jest nawet 2−3 razy więcej osób niż w samym sektorze Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 10 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 1. Wprowadzenie 11 (czyli 20−30 mln osób na świecie). Są to: geolodzy, geofizycy, hydrolodzy, chemicy, projektanci, budowlańcy, elektrycy, ślusarze, monterzy, spawacze, geodeci, księgowi, adwokaci i wielu innych. Rozwój technologii OZE spowoduje wzbogacenie się całego społeczeństwa i wzrost PKB (jak np. w Szwecji). Warto podkreślić za [22], że w sektorze OZE pracuje 35% kobiet. Wszystkie kraje rozwinięte, wpisując się w ostatniej dekadzie w megatrendy światowej „zielonej gospodarki”, potwierdziły tezę, że produkcja urządzeń dla OZE odgrywa kluczową rolę w budowie gospodarki innowacyjnej i w tworzeniu ekonomicznej wartości dodanej. 1.4. Zatrudnienie w energetyce odnawialnej w Polsce Tworzenie nowych miejsc pracy jest ważnym wskaźnikiem oceny skutków społeczno-gospodarczych realizacji strategii energetycznych. To miejsca pracy wpływają pośrednio na inne aspekty społeczne i ekonomiczne życia mieszkańców oraz na rozwój regionalny. W świetle długoletnich doświadczeń wielu krajów, np. Austrii, Danii, Niemiec, potwierdzono tezę, że energetyka odnawialna tworzy najwięcej trwałych miejsc pracy, rozłożonych równomiernie na obszarze całego kraju, a nie tylko w centrach przemysłowych. Niektóre sektory OZE w Polsce, jak np. branża kolektorów słonecznych czy małych kotłów na biomasę, charakteryzują się ponadto znaczącym potencjałem zatrudnienia przy produkcji urządzeń. Według informacji Instytutu Energetyki Odnawialnej [25] do końca roku 2014 energetyka odnawialna w Polsce stworzyła ponad 33,8 tys. miejsc pracy. W tabeli 1 przedstawiono liczbę przedsiębiorstw produkujących maszyny i urządzenia OZE w Polsce [25]. Statystyka nie jest ani pełna, ani kompletna, ale można wyprowadzić pewne ogólne wnioski co do zmiany struktury firm produkcyjnych, a częściowo także ich kondycji ekonomicznej. W ostatnich latach zauważalna jest tendencja do zwiększania się udziału i liczby firm wielobranżowych, produkujących komponenty (urządzenia niespecyficzne dla OZE) oraz trend zmniejszania liczby firm wyspecjalizowanych w produkcji urządzeń zasadniczych, kluczowych dla danego segmentu branży OZE. Przemysł energetyki odnawialnej stoi przed olbrzymią szansą i wyzwaniem. W celu wypełnienia zobowiązania Polski wobec Unii Europejskiej: minimum 15% udziału energii z OZE w krajowym bilansie energetycznym, w latach 2016−2020 należy zrealizować inwestycje w nowe źródła OZE o łącznej mocy ponad 14,7 GW, w tym 5,5 GW w źródłach elektrycznych Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 11 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 12 Technologie hydroenergetyczne i 9,2 GW w źródłach cieplnych. W stosunku do roku 2015 moce i zdolności produkcyjne powinny wzrosnąć o 85% dla energii elektrycznej (tempo wzrostu 17% na rok) i o 77% dla ciepła (tempo wzrostu 15% na rok) do roku 2020. Łączne obroty na rynku inwestycji w OZE w okresie 2016−2020 powinny wynieść ponad 66 mld PLN, w tym 25 mld PLN na rynku ciepła z OZE oraz 24 mld PLN na nowym, dynamicznym rynku tzw. małych źródeł i źródeł prosumenckich [25]. Tabela 1. Przedsiębiorstwa produkujące maszyny i urządzenia OZE w Polsce [25] Technologia OZE Liczba firm w bazie IEO Biogaz 123 Energetyka słoneczna 36 Energetyka wiatrowa 40 Biomasa stała 24 Biopaliwa ciekłe 11 Mała energetyka wodna 7 Pompy ciepła 6 Fotowoltaika 4 RAZEM 251 Elektrownia/instalacja OZE to nie tylko miejsca pracy, ale też duże korzyści finansowe, ponieważ odprowadza różnego rodzaju podatki: VAT, pieniądze na Fundusz Pracy i Fundusz Gwarantowanych Świadczeń Pracowniczych, podatek od osób fizycznych i osób prawnych, opłaty eksploatacyjne, a także wspiera lokalną kulturę. Zyskuje gmina i Skarb Państwa. Nadrzędnym interesem społecznym jest więc budowa i rozwój instalacji OZE w całym kraju [26]. Rozwój instalacji OZE powoduje wzrost odprowadzanych podatków do samorządów, które z kolei mogą wykorzystać je na konkretne cele, np. budowę dróg, przedszkoli, placów zabaw itp. Jeśli rozwój OZE będzie w miarę równomierny, to zyskają niemal wszystkie gminy w Polsce. Co najważniejsze, każda gałąź OZE jest „odnawialna”, więc zyski będą generowane bez granic czasowych (przychody stałe) [26]. Literatura 1. B. Igliński, R. Buczkowski, M. Cichosz, Technologie bioenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 12 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 1. Wprowadzenie 13 2. B. Igliński i in., Technologie geoenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2010. 3. B. Igliński i in., Technologie helioenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2013. 4. R. Buczkowski, B. Igliński, , M. Cichosz, Technologie aeroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2014. 5. Grupa „100% OZE w Polsce”: https://web.facebook.com/groups/1282786958420019/ (dostęp: 27.10.16). 6. G. Dragomir et al., Wind energy in Romania: A review from 2009 to 2016, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 64, 2016, s. 129−143. 7. http://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.cfm?t=epmt_1_01_a (dostęp: 29.10.16). 8. http://ec.europa.eu/eurostat/web/energy/data/database (dostęp: 29.10.16). 9. http://portalweb.cammesa.com/Documentos%20compartidos/Informes/Informe%20Anual%202015.pdf (dostęp: 29.10.16). 10. TEIAS. Turkish Electricity Transmission Corporation (TEIAS) – Annual Report 2014; 2015. 11. S. K. Kar, A. Sharma, B. Roy, Solar energy market developments in India, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 62, 2016, s. 121−133. 12. http://www.cleanenergycouncil.org.au/policy-advocacy/reports.html (dostęp: 29.10.16). 13. http://www.sciencealert.com/costa-rica-powered-with-100-renewable-energy- -for-75-days (dostęp: 08.09.16). 14. http://www.rte-france.com/sites/default/files/2015_annual_electricity_report. pdf (dostęp: 08.09.16). 15. B. Igliński et al., Wind energy in Poland – History, current state, surveys, Renewable Energy Sources Act, SWOT analysis, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 64, 2016, s. 19−33. 16. http://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/IRENA_RE_Latin_ America_Policies_2015_Country_Guyana.pdf (dostęp: 29.10.16). 17. http://www.reegle.info/policy-and-regulatory-overviews/TL (dostęp: 29.10.16). 18. http://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/IRENA_RRA_Djibout_2015_EN.pdf (dostęp: 08.09.16). 19. http://www.sciencedirect.com/science/book/9780124109506 (dostęp: 29.10.16?). 20. A. A. Mas’ud et. al., A review on the recent progress made on solar photovoltaic in selected countries of sub-Saharan Africa, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 62, 2016, s. 441−452. 21. https://www.theguardian.com/environment/2015/dec/03/uruguay-makes-dramatic-shift-to-nearly-95-clean-energy (dostęp: 30.10.16). 22. IRENA, Renewable Energy and Jobs, „Annual Review” 2016. 23. http://www.bankier.pl/wiadomosc/Wielkie-weglowe-bankructwo-w-USA-Peabody-Energy-upada-7359475.html (dostęp: 30.10.16). Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 13 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu Technologie hydroenergetyczne 24. http://swiatoze.pl/aktualnosci/zrodla-oze-stanowia-juz-17-energetyki-usa_660. html (dostęp: 30.10.16). 25. Instytut Energetyki Odnawialnej, Polski przemysł produkcji urządzeń dla energetyki odnawialnej. Aktualizacja bazy firm i ocena możliwości rozwoju branży do 2020 i do 2030 r., Warszawa 2016. 26. R. Buczkowski i in., Odnawialne źródła energii szansą dla Wielkopolski, Wydawnictwo UMK, Toruń 2016. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 14 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 15 2. ENERGIA WODY – PODSTAWY TEORETYCZNE 2.1. Wstęp W niniejszym rozdziale przedstawiono technologie pozyskania energii z elektrowni wodnych, przy uwzględnieniu aspektów inżynierskich. Technologie hydroenergetyczne opisują: energię spadku wód (energia potencjalna konwertowana na energię kinetyczną), energię pływów morza i prądów morskich, energię fal morskich oraz energię cieplną mórz i energię dyfuzyjną. Hydroenergetyka zajmuje się metodami pozyskiwania energii z wody i jej przetwarzaniem na energię zarówno mechaniczną, jak i elektryczną. Odbywa się to przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) i elektrowniach wodnych, a także przy użyciu innych urządzeń (w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Do tego celu wykorzystuje się przede wszystkim energię wód śródlądowych o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie, czyli naturalny nurt wody w rzekach albo różnicę poziomów między wodą zmagazynowaną w zbiorniku lub jeziorze a korytem, w którym płynie. Aby jak najlepiej wykorzystać energię wody, elektrownie buduje się w pobliżu doliny bądź wodospadów. Działanie elektrowni wodnych jest dość proste, gdyż woda płynąca z wyżej położonych terenów przepuszczana jest przez turbiny i wprawia łopatki turbiny w ruch obrotowy, powodując tym samym ruch generatora, który wytwarza prąd elektryczny. Wyprodukowana energia elektryczna jest doprowadzana do odbiorców za pomocą wysokonapięciowej linii przesyłowej [1, 2]. Charakteryzując proces przekazania energii wód do otoczenia, należy wymienić kilka przykładów [2]. Otóż woda płynąca, jak każde ciało znajdujące się w ruchu, ma energię kinetyczną. Woda w ruchu może wykonać pracę mechaniczną, np. poruszyć inne ciało. Woda stojąca ma energię wewnętrzną Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 15 18.05.2017 11:58:55 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 16 Technologie hydroenergetyczne i energię potencjalną ciężkości. Energia potencjalna ciężkości wody stojącej i płynącej może zamienić się w energię kinetyczną wody płynącej, jeżeli woda ta będzie mogła płynąć − to podstawowy warunek. Najprostszy jest przypadek, gdy woda płynie w dół pod wpływem pola grawitacyjnego. Oznacza to, że zatrzymanie jej przez zaporę (tamę) powoduje gromadzenie masy i energii potencjalnej. Dopiero wprawienie jej w ruch daje możliwość wykorzystania zgromadzonej energii. Należy pamiętać, że całej energii potencjalnej (obliczonej względem podłoża) nie da się zamienić na energię użyteczną – wystąpi tarcie o dno, ścianki i tarcie wewnętrzne pomiędzy cząsteczkami wody, i o tę energię energia użyteczna będzie pomniejszona [3]. W kolejnych podrozdziałach przedstawimy bardziej szczegółowo mechanizm powstawania i kumulacji energii w wybranych rozwiązaniach współczesnej hydroenergetyki. 2.2. Energia spadku wody Rys. 1. Ogólny cykl przemian energetycznych realizowanych w elektrowni wodnej oraz uproszczony obraz strat energii [3] Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 16 18.05.2017 11:58:56 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 17 Energię spadku wód wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w usytuowanych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Energia potencjalna wody, zgromadzona w wyniku spiętrzenia na jazie lub zaporze i na skutek przepływu w kierunku dolnego poziomu, przekształcana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej [4]. Ze względu na sposób doprowadzenia wody do turbin hydroelektrownie można podzielić na: przepływowe, derywacyjne, regulacyjne (zbiornikowe), szczytowo-pompowe oraz przepływowe z członem pompowym. Pomijając szczegóły wyprowadzeń wzorów, ogólny cykl przemian energetycznych realizowanych w elektrowni wodnej przedstawiono na rysunku 1. Ilość energii elektrycznej, wyrażonej w dżulach, jaką można uzyskać w elektrowni wodnej, określa zależność wywodząca się z równania Bernouliego: ρ ηη   = + − − ⋅⋅ ⋅ ⋅     ∑ 2 2 1 2 2 2 el start T G v v A gH g h V (1) gdzie: 2 1 2 v − jednostkowa energia potencjalna wody w zbiorniku górnym oraz energia kinetyczna związana z ruchem wody w tym zbiorniku z prędkością v1 , 2 2 2 v − strata jednostkowej energii kinetycznej wody odpływającej na dolnym poziomie z prędkością v2 , start g h ∑ − strata jednostkowej energii, związana z oporami przepływu wody w doprowadzeniach i odprowadzeniach z turbiny, g – przyspieszenie ziemskie, H – spad niwelacyjny, ρ − gęstość wody, v1 , v2 − średnia prędkość dopływającej i odpływającej wody, V − objętość przepływającej wody, ηT, ηG − sprawność turbiny wodnej i generatora. Ostatecznie możemy napisać: AA V el u ρ ηη T G = ⋅⋅ ⋅ ⋅ (2) Wobec tego moc elektrowni wodnej przy założeniu ρ = 1000 kg∙m-3 i t = 1 s: Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 17 18.05.2017 11:58:56 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 18 Technologie hydroenergetyczne el u TG A P AQ t = = ⋅⋅ ⋅ η η (3) gdzie: Q − strumień wody przepływającej przez turbinę (turbiny) elektrowni. Jeżeli cała różnica poziomów wody jest skoncentrowana na niewielkim obszarze, wtedy można pominąć spadki ciśnienia w przewodach doprowadzających wodę do turbiny. Na ogół prędkość wody przed i za spiętrzeniem jest taka sama, czyli v1 = v2 i wtedy można zapisać: 9,81 oraz 9,81 A HV P HQ el η ηT G η ηT G = = (4) W elektrowniach wodnych znajdują zastosowanie cztery systemy turbin. Każdy z nich ma odmienną budowę przystosowaną do najlepszego wykorzystania wielkości spadu, przy jakim ma pracować. Nazwy systemów turbin pochodzą od nazwisk ich pierwszych konstruktorów [3]. Ważną funkcję w systemie elektroenergetycznym spełniają elektrownie wodne pompowe, zwane również szczytowo-pompowymi. Pozwalają one na użycie wody jako magazynu energii, ponieważ pracują w ten sposób, że w okresach małego obciążenia systemu pompują wodę ze zbiornika dolnego do górnego, a w okresach dużego obciążenia wytwarzają energię elektryczną, wykorzystując wodę zgromadzoną w górnym zbiorniku. Do obliczenia mocy takiej elektrowni niezbędna jest informacja o sprawności cyklu jej pracy, która jest określona następująco: a) sprawność cyklu pracy pompowej η η ηηη cp tr s p r = (5) b) sprawność cyklu pracy turbinowej η ηηηη ct tr g T r (6) gdzie: ηp – sprawność pompy, ηT – sprawność turbiny, ηtr – sprawność rurociągu wodnego, ηg – sprawność transformatora, ηs – sprawność generatora lub silnika napędzającego pompę, Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 18 18.05.2017 11:58:57 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 19 Rys. 2. Obszar zastosowania turbin wodnych różnych typów Wobec powyższego sprawność cyklu wyniesie: η ηη c cp ct = (7) Podstawiając dane: η η s g = , 0,9 ηp = , 0,99 ηr = otrzymujemy 0,70 0,77 ηc = ÷ , co oznacza, że z 1 kWh energii pobranej z systemu, zostanie zwrócone 0,70÷0,77 kWh w okresie szczytu. Sprawność elektrowni pompowej możemy zatem określić wyrażeniem: η ηη η e c pe ep = (8) gdzie: ηpe – sprawność przesyłu energii, ηep – sprawność, z jaką wytwarza się energię elektryczną zużywaną na pompowanie. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 19 18.05.2017 11:58:57 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 20 Technologie hydroenergetyczne 2.3. Energia pływów morza i prądów morskich W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza czy oceanu. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich przez turbiny wodne do morza podczas odpływu. Siły wytwórcze pływów mogą prowadzić do propagacji fal pływowych, które z kolei mogą generować silne prądy pływowe, oczywiście w regionach morskich. Takie regiony objęte silnymi strumieniami pływów nadają się do wytwarzania energii elektrycznej [4]. Siła generująca pływy tworzona jest przez przyciąganie grawitacyjne pomiędzy Ziemią a Księżycem i Słońcem, w połączeniu z obrotem systemu Ziemia−Księżyc i Ziemia−Słońce [5]. Generacja pływów z udziałem Księżyca wynika z braku równowagi sił przyciągania grawitacyjnego Księżyca i siły odśrodkowej obrotu Ziemi wokół środka ciężkości układu Ziemia−Księżyc, działających na cząsteczkę wody. Równowaga pomiędzy tymi siłami jest ścisła tylko w środku Ziemi, we wszystkich innych punktach na powierzchni Ziemi małe zachwianie równowagi tych sił powoduje przypływ sił wytwórczych pływów. Słońce wywiera podobną siłę, z tym, że 50% mniejszą od Księżyca, i razem siły te działają na wody oceanów, tworząc pływy. Turbiny pływowe zbierają energię kinetyczną strumienia pływów, i chociaż istnieje wiele różnych wzorów turbin, konfiguracja osi poziomej jest obecnie najbardziej uprzywilejowana projektowo. Turbiny pływów są bardzo podobne do turbin wiatrowych. Chwilowa część mocy dla turbiny pływowej wynosi: 1 2 2 P V A = ρ (9) gdzie: A – pole przekroju poprzecznego przepływu przechwytywanego przez turbinę, ρ – gęstość wody, V – aktualna prędkość. Przykładowo dla turbiny o średnicy 20 m, pomijając zarówno wydajność urządzenia, jak i implementacje zwrotne pomiędzy pozyskaniem energii Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 20 18.05.2017 11:58:57 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 21 a mocą zasobów, pozyskana moc netto w ciągu 24 godz. wynosi 1,7 MWh przy prędkości pływów 1 m∙s-1, ale zwiększa się do 30÷45,4 MWh przy prędkości pływów 3 m∙s-1. Zależność mocy od prędkości przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Moc netto generowana przez turbinę dwupłatową (M2) o średnicy 20 m w ciągu 24 godz. przy odpowiedniej amplitudzie bieżącej [5] 2.4. Energia fal morskich Fale zawierają dwa rodzaje energii: potencjalną i kinetyczną. Energia potencjalna to energia konieczna do przemieszczenia masy wody z doliny do grzbietu fali. Energia kinetyczna jest związana z kolisto-kołyszącym ruchem wody. Jeśli natomiast przyglądniemy się np. wodorostom unoszącym się na wodzie, poruszanym falą, zauważymy, że kołyszą się w górę i w dół, ale też wędrują nieco z falą, po czym się cofają. Fala zawiera energię potencjalną, bo grzbiet fali wznosi się ponad jej dolinę, i ma energię kinetyczną zawartą w małych ruchach wody, kołyszącej się koliście w górę i w dół. Zgrubne oszacowanie mocy fal morskich wymaga trzech składowych: okresu fali T (dystansu czasowego dzielącego jeden grzbiet od kolejnego), wysokości fal H i wzoru fizycznego określającego, jak obliczyć prędkość fali v na podstawie okresu fali. Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 21 18.05.2017 11:58:57 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 22 Technologie hydroenergetyczne Rys. 4. Zależność parametrów fali od prędkości wiatru Prędkość fal głębokowodnych zależy od czasu T dzielącego grzbiety fal, zgodnie z wzorem: 2 gT v π = (10) Jeśli głębokość wody jest większa niż połowa długości fali, ilość energii przepływającej przez daną powierzchnię w jednostce czasu można wyrazić wzorem [6]: 2 2 64 f f g P TH ρ π = (11) gdzie: P – strumień energii na jednostkę długości wierzchołka fali, Hf − wysokość fali, Tf – okres fali, ρ − gęstość wody, g – przyspieszenie ziemskie. Przyjmując r = 1025 kg∙m-3, można obliczyć, że teoretyczna moc fali dla długości jednego metra czoła fali jest następująca [7]: Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 22 18.05.2017 11:58:58 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 23 2 4910 P THF f = (12) czyli fala o wysokości 1 m i okresie 10 s ma na długości jednego metra teoretyczną moc wynoszącą 4,9 kW [8]. 2.5. Energia cieplna mórz Przemiana energii cieplnej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest ona możliwa na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę około 30°C, a na głębokości 300−500 m około 7°C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300−500 m. Czynnikami takimi są amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na pływającej platformie. Energia elektryczna dostarczana jest na ląd kablem morskim. Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2,5% przy różnicy temperatury 20°C, a 6% przy różnicy temperatury 40°C. Źródło energii jest jednak niewyczerpalne i stale gotowe do wykorzystania, gdyż różnice temperatury wody morskiej w strefie równikowej są prawie stałe, niezależne od pory roku i dnia [4]. Typowy schemat OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion – konwersja oceanicznej energii termicznej) przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Typowe parametry procesu dla instalacji OTEC 40 MWe [9] Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 23 18.05.2017 11:58:58 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 24 Technologie hydroenergetyczne W zamkniętej pętli systemu OTEC ważne jest, aby oszacować maksymalną moc generowaną przez układ. Można rozważyć cykl operacyjny (przedstawiony na rysunku 6) pomiędzy gorącym źródłem o natężeniu przepływu HF i znanej pojemności cieplnej Cp H, oraz znanej temperaturze wejścia in TH a zimnym źródłem o znanej pojemności cieplnej Cp C, temperaturze wejścia in TC i wyjścia out TC . Zatem, dzięki pierwszej i drugiej zasadzie termodynamiki, można zapisać wzór na maksymalną moc netto: ( ) ( ) max , , in out out in W F c T T Fc T T net H p H H H C p C H H = −− − (13) W dalszych rozważaniach należy przyjąć, iż całkowita zmiana entropii izolowanego układu tot ∆S jest równa sumie zmian entropii strumienia gorącego i zimnego: 0 tot H C ∆ =∆ −∆ = S SS (14) gdzie: , ln( ) out C pc C C in C Fc T S T ∆ = i , ln( ) out H pH H H in H Fc T S T ∆ = Aby generowana moc posiadała cechy maksymalnej, należy założyć, że: out in T T H C = (15) jak przedstawiono na rysunku 6. Wobec powyższego wzór na maksymalną możliwą moc netto można zapisać: ( ) ( ) max , , in in out in W F c T T Fc T T net H p H H C C p C C C = −− − ϕ (16) gdzie: ( ) ( ) , , ln ln in H in C C pC out C H pH in C T T F c T F c T ϕ = = Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 24 18.05.2017 11:58:58 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 25 Rys. 6. Diagram T-H dla optymalnego, odwracalnego i izolowanego cyklu OTEC [10] Dotychczas skonstruowano trzy typy cykli OTEC. Otwarty – cieplejsza woda morska w pobliżu powierzchni, będąca czynnikiem roboczym, ulega odparowaniu w komorze próżniowej. Powstała para napędza turbinę niskiego ciśnienia, sprzężoną z generatorem. Para wylotowa z turbiny skrapla się w kondensatorze, wytwarzając odsoloną wodę. Zamknięty – czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia. Ciepła woda morska powoduje odparowanie czynnika roboczego, którego pary napędzają turbinę niskiego ciśnienia. Zimna woda morska powoduje skroplenie par w kondensatorze, po czym skropliny te są użyte do następnego cyklu przemiany. Jako trzeci typ cyklu OTEC proponuje się wariant mieszany [10]. 2.6. Energia dyfuzji Energia dyfuzji wykorzystuje do pozyskiwania energii gradient zasolenia wody. Dyfuzja zasolonej wody morskiej należy do największych odnawialnych źródeł na świecie. Jej potencjał globalny możliwy do wykorzystania energetycznego szacuje się na ok. 2 PW∙h∙ a-1. Do konwersji energii związanej z zasoleniem wód w energię elektryczną można teoretycznie wykorzystać trzy zjawiska: osmozę (różnicę ciśnień), dializę (różnicę przepuszczalności cząstek Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 25 18.05.2017 11:58:58 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 26 Technologie hydroenergetyczne przez błony), a także elektrodializę (różnicę przepuszczalności jonów). Obecnie opracowano dwie metody: metodę ciśnieniowej opóźnionej osmozy-PRO oraz metodę odwróconej elektrodializy-RED. Sama koncepcja budowy elektrowni, która miałaby korzystać z miejscowego gradientu zasolenia wody morskiej, polega na pozyskaniu energii pochodzącej z różnicy potencjałów energii chemicznej dwóch roztworów o różnych stężeniach soli. Krócej ujmując – chodzi o miejscowe różnice w zasoleniu wody. Aby wykorzystać to zjawisko do celów energetycznych, używa się pomp dyfuzyjnych lub bezpośrednio silników dyfuzyjnych. Pracują one między dwoma źródłami: dolnym i górnym, które są w różnym stopniu zasolone. W środowisku naturalnym istnieją takie miejsca, gdzie występują wymagane źródła. Są to przede wszystkim ujścia rzek do mórz lub oceanów. Korzystne warunki panują również w mniejszych zbiornikach wodnych o dużym zasoleniu, przykładami mogą być: Morze Martwe, wyrobiska kopalń i studnie głębinowe [11]. Mechanizmem, który odpowiada za możliwość wykorzystania energii powstającej w wyniku różnic zasolenia, jest zjawisko ciśnienia osmotycznego. Pojawia się ono między dwoma roztworami o różnej gęstości, które dążą do równowagi. Różnica gęstości wynika oczywiście z zawartości rozpuszczonej w wodzie soli. Dla przykładu: w przypadku wody morskiej o zasoleniu 35 promili ciśnienie osmotyczne wynosi około 24−105 Pa. Mieszając taką wodę ze strumieniem wody słodkiej, którego natężenie przepływu wynosi 1 m3 /s, można teoretycznie uzyskać moc 2 MW. W praktyce jest to jednak znacznie mniejsza wartość, ponieważ sprawność przetwarzania jest na poziomie od 3 do 20%. Aby określić zjawisko energii gradientu zasolenia (SGE – Salinity Gradient Energy), trzeba przeanalizować zjawisko energii swobodnej mieszania Gibbsa: ∆ =∆ − ∆ −∆ mixGG G G b c d ( ) (17) gdzie: c – reprezentuje roztwór stężony, d – reprezentuje roztwór rozcieńczony, b – reprezentuje roztwór powstały w wyniku zmieszania. Związek z entropią mieszania można uzyskać poprzez równanie wyrażone poniżej: ∆ =− + ∆ − − ∆ − ∆ ( ) ( ) mixG n n T S ncT Sc ndT GS c d mix b mix mix d (18) Technologie… - blok - dp - 2017-05-18.indd 26 18.05.2017 11:58:59 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu 2. Energia wody – podstawy teoretyczne 27 gdzie: n – liczba moli, T – temperatura, mix ∆ S – molowa entropia mieszania, którą można wyrazić wzorem: ln mix i i ∆ =− S Rxx ∑ (19) gdzie: R – stała gazowa, a xi – ułamek molowy związku i. Wykorzystując powyższe wzory, można obliczyć potencjał energii, która może zostać odzyskana z morza, oceanu czy ujścia rzeki. Przykładowo z 1m3 wody morskiej, zawierającej 0,5 mol∙dm-3 NaCl o temperaturze 293 K można uzyskać teoretycznie 1,4 MJ energii, oczywiście dla idealnych warunków eksploatacyjnych [11].

Generator Bediniego działa na zasadzie odpychających się elektromagnesów N-S wprawiająjcych koło w bezustanny ruch.Wystarczy takie koło przyłączyć za pomocą pasa metalowego zrobionego z liny metalowej do systemu obciągającego łopatki wiatraka drewnianego.Jeśli łopatki wiatraka mają długość 20 metrów plus siła wiatru i jego prędkość na kilometr,to energia skumulowana w tym mechaniżmie zgromadzi się w akumulatorach i będzie wynosić od 1 megawat do 45 megawat w ciągu 24 godzin pracy tego mechanizmu.Dalej należy to podłączyć przewodami indukcyjnymi z generatorem kołowym zwykłym podłączonym z transformatorem (zasilanie olejowe) i wprost do sieci energetycznej.