Rozwój cywilizacyjny człowieka od początku opierał się na wykorzystywaniu różnych źródeł energii. Była ona potrzebna do ogrzania się, przygotowania posiłków, a w końcu, wraz z rozwojem technologicznym, do napędzania różnych urządzeń. Początkowo wykorzystywano w tym celu ogień ze zwykłego ogniska czy siłę płynących wód. Postęp techniczny przyniósł jednak inne rozwiązania związane z wykorzystaniem m.in. węgla, gazu czy ropy naftowej, czyli nieodnawialnych źródeł energiinieodnawialne źródła energiinieodnawialnych źródeł energii. Ich użycie okazało się bardzo efektywne i umożliwiło szybki rozwój gospodarczy w wielu krajach. Do dzisiaj światowy transport uzależniony jest od dostępności ropy naftowej a energetyka od węgla czy gazu ziemnego. Surowce te stały się niezwykle cenne.

RmIoVfhp1FVRl1
Wyciek ropy naftowej na wodach Zatoki Meksykańskiej u brzegów stanu Luizjana.
Źródło: Louisiana GOHSEP, Flickr, licencja: CC BY-SA 2.0.

Po latach eksploatacji energetycznych zasobów nieodnawialnych okazało się jednak, że ma ona destrukcyjny wpływ na środowisko przyrodnicze.

Eksploatacja zasobów nieodnawialnych jest przyczyną:

  • zanieczyszczenia środowiska;

  • wzrostu średniej globalnej temperatury;

  • wyczerpywania się zasobów Ziemi;

  • wymierania gatunków.

bg‑green

Przyszłość to odnawialne źródła energii (OZE)

Alternatywą w tej sytuacji jest zwrócenie się w stronę odnawialnych źródeł energii (OZE)odnawialne źródła energii (OZE)odnawialnych źródeł energii (OZE). Według ekologów aż około 70% zapotrzebowania energetycznego w naszym kraju może być pokryte właśnie z tego typu źródeł.

Wyróżniamy następujące odnawialne źródła energii:

1
Energia słoneczna

Promieniowanie docierające od Słońca do powierzchni Ziemi jest w niewielkim zakresie, na poziomie ok. 0,1 proc., wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy. Ilość tego promieniowania docierająca w ciągu godziny jest większa niż ilość energii, którą nasz kraj zużywa przez cały rok! Jest to jeden z argumentów, dla których właśnie energetykę słoneczną określa się mianem technologii przyszłości.

R1bLkXvABZPnq
Ogniwa fotowoltaiczne.
Źródło: Jim Clark, Flickr, licencja: CC BY 2.0.

Energię słoneczną można wykorzystywać w sposób bezpośredni oraz pośredni. Sposób bezpośredni opiera się na naturalnych zjawiskach, takich jak wymiana ciepła, i w tym przypadku nie jest potrzebna specjalna technologia. Za pomocą kolektorów słonecznych możliwe jest uzyskiwanie energii cieplnej, natomiast ogniwa fotowoltaiczneogniwo fotowoltaiczneogniwa fotowoltaiczne pozwalają na produkcję energii elektrycznej. Te ostatnie są obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą produkcji energii elektrycznej ze słońca. Co ciekawe, już w latach 50. ubiegłego stulecia stosowano je w satelitach i amerykańskich statkach kosmicznych.

Ogniwa fotowoltaiczne są zbudowane z płyt krzemowych. Promienie słoneczne padające na ogniwo powodują przemieszczanie się elektronów z dolnej warstwy do górnej i generują napięcie elektryczne. Cały proces został zobrazowany na poniższym schemacie.

R170zspPhJdyO
Grafika przedstawia schemat działania ogniwa fotowoltaicznego. W wyniku promieniowania słonecznego fotony (najmniejsze cząstki elementarne światła) padają na ogniwo zbudowane z płyt krzemowych. Powodują one wybijanie elektronów z ich orbit atomowych. Następuje przemieszczanie się elektronów z dolnej warstwy ogniwa do górnej. W wyniku różnicy potencjałów powstaje napięcie elektryczne. Po przekształceniu prądu stałego na prąd zmienny energia elektryczna dociera do odbiornika prądu którym na grafice jest żarówka.
Schemat działania ogniwa fotowoltaicznego.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka
R106Uf4XKzMPR
Elektrownia fotowoltaiczna Kamuthi Solar Power Project w Indiach.
Źródło: Financial Express, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.

W wielu miejscach na świecie buduje się specjalne farmy paneli fotowoltaicznych. Największe z nich powstają na pustyniach, np. Longyangxia Dam Solar Park w Chinach (mająca 28 kmIndeks górny 2 powierzchni) czy Kamuthi Solar Power Project w Indiach (o powierzchni ok. 10 kmIndeks górny 2).

Żywotność większości paneli fotowoltaicznych to około 25 do 30 lat. Utylizacja i recykling ogniw fotowoltaicznych, choć możliwe, są stosunkowo kosztowne. Proces wytwarzania ogniw jest ciągle udoskonalany, aby ponowne użycie wykorzystanych surowców było jak najprostsze i nie zagrażało środowisku naturalnemu.

Energia geotermalna

Jest to cieplna energia wnętrza Ziemi nagromadzona w skałach oraz wodach podziemnych. Głębokość jej złóż warunkuje opłacalność wykorzystania gospodarczego i najczęściej wynosi od 1000 do 4500 metrów. Temperatura wód sięga od 30 do 130°C, choć niektóre złoża lokalne mogą mieć temperaturę nawet 200°C. Wody termalne wydobywane są na powierzchnię dzięki specjalnym odwiertom, a te, które osiągają temperaturę rzędu 120°C i wyższą, opłaca się wykorzystywać do produkcji energii. Zasoby złóż w naszym kraju są duże, ale ich głębokość czyni wydobycie nieopłacalnym. Istnieją jednak kraje, np. Islandia, w których głównym źródłem energii są wody geotermalne.

Re8BJVm0luPh2
Wydobywanie wód geotermalnych opłacalne jest do głębokości 4000 m. Na fotografii znajduje się jedna z elektrowni geotermalnych na Islandii.
Źródło: Kyle Mortara, Flickr, licencja: CC BY-NC 2.0.
Energia wiatru

Siła wiatru napędza turbiny umieszczone na znacznej wysokości. Następuje tu zamiana siły wiatru na energię mechaniczną (obroty łopat turbiny), a następnie uzyskanie energii elektrycznej za pomocą generatora. Łopaty elektrowni wiatrowej obracają się z prędkością około 15 do 20 obr./min. W celu efektywnego wytwarzania takiej energii tworzy się tzw. farmy wiatrowe, składające się z kilkunastu do kilkuset wiatraków. Jedna z większych farm wiatrowych w Polsce znajduje się w okolicach Kamieńska, na zrekultywowanej hałdzie po wydobyciu węgla brunatnego z kopalni w Bełchatowie. Natomiast w Europie jest to Fântânele‑Cogealac Wind Farm w Rumunii. Wiatraki znane były jednak od IX w. – łopaty napędzane siłą wiatru umożliwiały poruszanie kół żarnowych i mielenie zbóż.

Pomimo wielu zalet wykorzystanie energii wiatru ma także negatywne aspekty, m.in. nieprzewidywalność procesu produkcji energii oraz brak ciągłości jej dostaw. Farmy wiatrowe ingerują w krajobraz i stanowią zagrożenie dla ptaków, m.in. sokołów, jastrzębi, orłów i sów, które giną w kolizjach z turbinami. Turbiny generują pole elektromagnetyczne, a także infradźwięki i szum o niskiej częstotliwości. Ich wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt wciąż jest przedmiotem badań naukowych.

RNVBqMTsCD6nY
Najwyższe turbiny w Polsce osiągają wysokość 160 m, a łopaty wirnika długość 50 m.
Źródło: Scutter, Flickr, licencja: CC BY-NC-ND 2.0.
Energia wodna

Opiera się na przechwytywaniu części energii wód płynących lub pływów morskich. W naturalnych ciekach, dzięki sile grawitacji, woda przemieszcza się z obszarów położonych wyżej w kierunku ujścia położonego niżej. Budowa specjalnych turbin umożliwia przechwycenie części tej energii kinetycznej poruszającej się wody i wytworzenie z niej elektryczności. Często przy elektrowniach wodnych buduje się zapory, w których turbina jest napędzana dodatkowo siłą spadku wody. Na świecie największa elektrownia tego typu znajduje się w Chinach na rzece Jangcy (tzw. zapora Trzech Przełomów).

Warto pamiętać, że zapory wodne ingerują w środowisko naturalne. Budowa dużych obiektów hydrologicznych doprowadza do spadku bioróżnorodności na danym terenie, prowadzi do istotnych zmian w krajobrazie. Zapory wodne uniemożliwiają przepływ ryb, np. łososi. Mogą prowadzić do zamulenia zbiorników wodnych i zanieczyszczenia wód gruntowych. Ponadto utrudniają transport wodny i żeglugę.

RKUM5Hex85xoF
Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy.
Źródło: Hugh Llewelyn, licencja: CC BY-SA 2.0.

Elektrownia pływowa wykorzystuje powtarzające się regularnie podnoszenie i opadanie poziomu wody w oceanie związane z cyklem pływów, którego przyczyną są siły grawitacyjne Księżyca i Słońca.

Biomasa i biogaz

Biomasa to materia organiczna pochodząca z produkcji rolnej, leśnej oraz powiązanych gałęzi przemysłu. Z kolei biogaz to zbiorcze określenie gazów pozyskiwanych z procesów gnilnych odpadów przemysłowych i komunalnych. Biomasę stosuje się powszechnie od wieków do ogrzewania i gotowania, jednak w ostatnich latach jej znaczenie stale wzrasta. Jest ona dostępnym i stosunkowo tanim źródłem energii. Podczas procesów spalania w celu uzyskania energii powstaje jednak COIndeks dolny 2 (co odróżnia ją od pozostałych OZE). Niemniej ilość wytwarzanego COIndeks dolny 2  Indeks dolny koniecjest równoważona przez ilość pochłanianego przez rośliny gazu w procesie fotosyntezy.

RIMkG2j7cpVjA
Grafika przedstawia schemat produkcji i wykorzystania biomasy oraz biogazu. Do produkcji biogazu wykorzystuje się biomasę (m.in. rośliny energetyczne takie jak koniczyna, ścinki trawy i odpady ogrodnicze), odchody zwierząt, resztki jedzenia, odpady poubojowe i poprzemysłowe oraz nawozy mineralne. Odpady po wymieszaniu w mieszalniku wstępnym poddawane są fermentacji w odpowiednich warunkach w fermentatorach. Głównym składnikiem powstającego biogazu jest metan. Resztki po procesie fermentacji mogą zostać wykorzystane w rolnictwie – mają wartość nawozową. Dzięki zastosowaniu nawozów naturalnych pozyskuje się więcej biomasy. Biogaz uzyskany w procesie fermentacji jest spalany w lokalnej elektrociepłowni w celu wytworzenia prądu i ciepła. Prąd może być wykorzystany na własne potrzeby biogazowni lub wprowadzony do sieci energetycznej. Ciepło jest dystrybuowane do sieci ciepłowniczej. Można je wykorzystać np. do suszenia plonów czy ogrzewania budynków.
Schemat produkcji i wykorzystania biomasy oraz biogazu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zainteresowanie i realne wykorzystanie OZE w wielu krajach na całym świecie wzrasta. Wiąże się to nie tylko z zamiarem ograniczenia emisji zanieczyszczeń, lecz także z chęcią uzyskania stabilności energetycznej i uniezależniania się państw od zewnętrznych sprzedawców zasobów nieodnawialnych, co pozwoliłoby obniżyć koszty energii. Szczególne znaczenie ma tu energia grawitacyjna wody. W 2018 roku stanowiła ona globalnie 62,8% energii z odnawialnych źródeł. Kolejne źródła to energia wiatru (19,0%), energia słoneczna (8,8%), biopaliwa (6,3%) oraz energia geotermalna.

bg‑green

Znaczenie odnawialnych źródeł energii w Polsce

W Polsce wykorzystanie OZE jest jednym z priorytetów rozwojowych, ze szczególnym uwzględnieniem energii wiatru oraz biomasy. Zgodnie z Dyrektywą 2009/28/WE państwa członkowskie UE powinny stopniowo zwiększać udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitym zużyciu energii oraz w sektorze transportowym. Przewiduje się, że w latach od 2020 do 2025 udział „zielonej” energii w Polsce będzie na poziomie ok. 15,5%.

RY6psa3mJe6231
Poziom produkcji i wykorzystania odnawialnych źródeł energii w poszczególnych krajach Europy jest zróżnicowany.
Źródło: Eurostat: Statistics Explained, 2020, ec.europa.eu, licencja: CC BY-SA 2.0.
R177jWaFDFEVr1
Turbiny wiatrowe w Cisowie.
Źródło: Monopol, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.

Zauważalne jest nierównomierne rozmieszczenie wykorzystywanych OZE na terenie Polski. Na północy dominują farmy wiatrowe, co wiąże się bezpośrednio z najkorzystniejszymi warunkami do uzyskiwania energii właśnie z tego źródła – nizinny obszar sprzyja osiąganiu przez wiatr minimalnej opłacalnej prędkości do napędzania turbin.

W centralnej i południowej części Polski do produkcji energii częściej wykorzystuje się biomasę. Wynika to z rolniczego charakteru tych obszarów i powstawania wielu odpadów właśnie z produkcji rolnej. Tam, gdzie duże znaczenie ma chów zwierząt, możliwe jest wykorzystanie biogazu. Surowcem w tym procesie są gazy, które powstają w procesach gnilnych, m.in. w czasie rozkładu odchodów zwierząt.

RcFiQKITzMzi3
Elektrownia wodna w Żarnowcu.
Źródło: Joanna Karnat, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 3.0.
R1ZwSfwOxHgxE1
Elektrownia wodna na Wiśle we Włocławku po stronie zachodniej.
Źródło: Danuta B. / fotopolska.eu, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Elektrownie wodne w Polsce zlokalizowane są nad rzekami i wiążą się z zabudową hydrostatyczną, taką jak zapory. Największe polskie hydroelektrownie to Żarnowiec, Porąbka, Solina, Włocławek, Żydowo.

Co ciekawe, pomimo wzrostu wykorzystania energii słonecznej w prywatnych gospodarstwach domowych, w naszym kraju powstały dotychczas nieliczne instalacje, które można określić jako elektrownie słoneczne. Ta technologia wymaga zagospodarowania dużego obszaru na montaż ogniw fotowoltaicznych oraz bardzo wysokiego, stałego nasłonecznienia, co znacznie utrudnia wykorzystanie tej technologii na szeroką skalę.

W Polsce nie ma natomiast elektrowni wykorzystującej energię pływów morskich ani ciepła ziemi. W niewielkim stopniu – na południu kraju, głównie w rejonie Podhala – stosuje się energię geotermalną do ogrzewania wód (kąpieliska wód termalnych), chociaż zasoby tej energii w Polsce są bardzo bogate.

W przyszłości wykorzystanie OZE może stać się katalizatorem rozwoju wielu dziedzin gospodarki i podstawowym źródłem energii.

Słownik

nieodnawialne źródła energii
nieodnawialne źródła energii

źródła energii pozyskiwanej z zasobów nieodtwarzających się w przyrodzie w krótkim czasie, co znacznie zubaża zasoby naturalne na świecie; zalicza się tu głównie: węgiel kamienny i brunatny, ropę naftową, gaz ziemny, torf, uran

odnawialne źródła energii (OZE)
odnawialne źródła energii (OZE)

źródła energii opierające się na wykorzystaniu szybko odnawialnych zasobów przyrody, co nie powoduje długotrwałego niedoboru; za OZE uznaje się przede wszystkim: energię słoneczną, energię wiatru i wody, energię geotermalną oraz energię pozyskiwaną z biomasy

ogniwo fotowoltaiczne
ogniwo fotowoltaiczne

przyrząd półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii świetlnej w energię elektryczną