Dorota Chwieduk dchwied@itc.pw.pl

Zeroemisyjna gospodarka energią w warunkach zrównoważonego rozwoju Polski 2050Energetyka odnawialna Dorota Chwieduk dchwied@itc.pw.edu.pl

Promocja wykorzystania OZE w UE • Dyrektywa w sprawie promocji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na wewnętrznym rynku energii elektrycznej 2001/77/EC. • produkcja energii elektrycznej z OZE w roku 2010r. 22,1 % w zużyciu energii elektrycznej brutto, 674,9 TWh • Dyrektywa 2002/91/EC w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. • Dyrektywa 2003/30/EC w sprawie promocji i stosowania biopaliw lub innych paliw ze źródeł odnawialnych do celów transportowych 5,75% w bilansie paliw sektora transportu w krajach UE Dyrektywa w sprawie promocji wykorzystania energii z OZE “Directive on the promotion of the use of energy from Renewable Energy SourcesRES” wzrost zużycia energii finalnej pochodzącej z OZE w UE z 8,5% w 2005 r. do poziomu 20% w 2020 r. w Polsce z 7,2% w 2005 r. do poziomu 15% w 2020 r.

W 2004 r. zapotrzebowanie na ciepło i chłód w Europie przez przemysł, handel i usługi, oraz gospodarstwa domowe stanowiło około 45% całkowitego zużycia energii końcowej, które wynosiło 320 EJ (7639 Mtpu) Na świecie wykorzystuje się rocznie 4500 PJ energii cieplnej pochodzącej z nowoczesnych systemów bazujących na OZE: • 200 -210 PJ/rok (4,8 – 5 Mtpu) z energii słonecznej, • 260 – 280 PJ/rok (6,2 – 6,7 Mtpu) z energii geotermalnej, • 4000 PJ/rok (80 -100 Mtpu) z bio-energii (nie wliczając tradycyjnego wykorzystania biomasy, które stanowi około 10% światowego zużycia energii pierwotnej) W 2005 r. źródła odnawialne (włączając energetykę wodną) odpowiadały w 18% za całkowitą finalną energię elektrycznej, w 3% za energię cieplną (wyłączając tradycyjne wykorzystanie biomasy) i w 1% za paliwa transportowe Tradycyjne wykorzystanie biomasy - 40 EJ/rok stanowi około 9 -10% światowego zużycia energii pierwotnej

IEA World Energy Outlook (WEO) Scenariusz makro-rozwoju gospodarczego świata Alternative Policy Scenario 2007 • w 2030 r. energia wytwarzana ze źródeł odnawialnych będzie stanowić 29% w bilansie energii końcowej i 7% w bilansie paliw transportowych.

Energetyka słonecznakonwersja fototermiczna Instalacyjne techniki grzewcze • systemy słoneczne do podgrzewania c.w.u. • systemy słoneczne z absorberami basenowymi • systemy słoneczne do podgrzewania c.w.u. i pomieszczeń, tzw. kombi systemy Systemypasywne słoneczne • bierne (pasywne) systemy słoneczne specjalnie zaprojektowane do pozyskiwania, rozprowadzania i magazynowania promieniowania słonecznego • koncepcję architektoniczną i projekt bryły budynku realizowane ze świadomością oddziaływania promieniowania słonecznego na budynek • systemy oświetlenia światłem dziennym (daylighting)

Energetyka słonecznakonwersja fototermiczna Rozwój zastosowań rynku kolektorów słonecznych grzewczych na świecie

Energetyka słonecznakonwersja fototermiczna • Przyszłe zastosowania energetyki słonecznej cieplnej, • obecnie praktycznie nie wykorzystywane, o ogromnym potencjale: • Słoneczne chłodzenie i klimatyzacja, • Zastosowania w przemyśle w dużej skali • Rozwój technologii energetyki słonecznej: • niskotemperaturowych • technologie umożliwiające wytwarzanie ciepła technologicznego na różnym poziomie temperatury do celów przemysłowych (ciepło średniotemperaturowe 1000C - 200 0C, wysokotemperaturowe > 200 0C) • rozwój technologii kolektorów słonecznych i instalacji zintegrowanych z budynkiem.

Energetyka słonecznakonwersja fotowoltaiczna • małe autonomiczne urządzenia/systemy stosowane w telekomunikacji, oświetleniu znaków drogowych, tablic informacyjnych, itp. • autonomicznych systemach małej i średniej skali, w tym systemy zintegrowane z obudową budynku (fasad i dachu), tzw. BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics), jako systemy działające na sieć własną lub podłączone do sieci elektroenergetycznych • elektrownie słoneczne różnej skali

Energetyka słonecznakonwersja fotowoltaiczna Obecnie (2007 r.) rynek fotowoltaiki w 90% stanowią podstawowe technologie krzemowe, do których należą: • krzem monokrystaliczny (Cz-Si); • krzem multikrystaliczny (mc-Si); • krzem typu „ribbon”. Pozostałe 10% tworzą technologie cienkowarstwowe, do których jako podstawowe należą: • krzem amorficzny (a-Si); • telurek kadmu (CdTe); • selenek indowo-miedziawy (CIS – copper indium diselenide). • Ze względu na sposób pracy instalacji fotowoltaicznych i współpracę z siecią elektroenergetyczną systemy fotowoltaiczne dzielą się na: • niedołączone do sieci domowe; • niedołączone do sieci profesjonalne; • dołączone do sieci rozproszone; • dołączone do sieci scentralizowane, (>100 kW).

Energetyka słonecznakonwersja fotowoltaiczna Światowy rozwój fotowoltaiki w latach 1990- 2003

Energetyka słonecznakonwersja fotowoltaiczna • Rozwój fotowoltaiki - cele • Przemysłowe wytwarzanie ogniw, modułów i paneli, prowadzące do masowej i taniej ich produkcji; • Tanie ogniwa i moduły cienkowarstwowe; • Działania prenormatywne w zakresie procedur testowania i pomiarów ogniw oraz modułów fotowoltaicznych; • Badania wysokowydajnych wytwarzanych na skalę przemysłową cienko-warstwowych krzemowych modułów PV z wykorzystaniem technologii roll-to-roll • Rozwój krzemowych produktów, płytek i ogniw słonecznych • Rozwój ogniw i modułów CIS • Wytwarzanie stabilnych ogniw i modułów fotowoltaicznych organicznych

Energetyka wiatrowa Mikro-elektrownie wiatrowe od kilku do 100 W: • instalacje służące do zasilania urządzeń elektrycznych, w tym oświetleniowych w pojedynczych pomieszczeniach mieszkalnych, szklarniach i pomieszczeniach gospodarczych, • pompownie wiatrowe do napowietrzania i rekultywacji małych zbiorników wodnych. • autonomiczne instalacje zasilania urządzeń alarmowych, informacyjnych, oświetleniowych zlokalizowanych z dala od sieci elektroenergetycznych (np. przy drogach szybkiego ruchu). Małe elektrownie wiatrowe od 100 W do 100 kW (500 kW). • instalacje służące do zasilania energią elektryczną pojedyncze budynki jednorodzinne, gospodarcze, małe budynki użyteczności publicznej wyposażone w akumulatory pozyskiwanej energii.

Energetyka wiatrowa Duże elektrownie wiatrowe od 100 kW (500 kW): • instalacje służące do zasilania energią elektryczną pojedyncze budynki, działają na sieć wydzielona wytwórcy i mogące również sprzedawać wyprodukowaną energię elektryczną do sieci; • podłączone bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, wytwarzana energia elektryczna jest sprzedawana do sieci. Elektrownia, w tym największej skali tzw. park wiatrowy, muszą spełniać wymagania lokalnego operatora sieci; • elektrownie na morzu (off shore) połączone z siecią na lądzie. • Obecnie typowe średnie moce turbin są na poziomie 2 – 3 MW. Największy obecnie prototyp ma moc 7 MW i średnicę łopat wirnika turbiny 125 metrów.

Energetyka wiatrowa Rozwój zastosowań technologii energetyki odnawialnej: instalacji grzewczych z kolektorami słonecznymi, instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi i z turbinami wiatrowymi w okresie ostatnich 25 lat

Energetyka wiatrowa Wzmocnienie rozwoju sektora energetyki wiatrowej - intensyfikacja prac badawczych i demonstracyjnych: warunki wiatrowe; planuje się udoskonalenie technik przewidywania warunków wiatrowych w czasie eksploatacji parków wiatrowych z dokładnością do 3% w odniesieniu do: • rocznej produkcji energii; • rozkładu prędkości wiatru i czasu występowania w krótkich przedziałach czasu, w konsekwencji prognozowania rozkładu mocy uzyskiwanej w odpowiednich krótkich przedziałach czasu; • odpowiedniego projektu turbiny w odniesieniu do danych warunków wiatrowych; integracja energetyki wiatrowej z siecią elektroenergetyczną; • planuje się udoskonalenie technik integracji z siecią na dużą skalę przy minimalizacji kosztów (adaptacji i integracji), która nie zakłóci bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej, w tym: • uzyskanie wysokiego stopnia penetracji technologii wiatrowej przy niskich kosztach integracji; • poprawa charakterystyki integracji z siecią, w szczególności w odniesieniu do mocy czynnej, kontroli napięcia, przewidywania mocy możliwej do osiągnięcia; • planowanie dostarczania pozostałej mocy systemu, w tym równoważenie systemu elektroenergetycznego; • wzmocnienie (udoskonalenie) sieci elektroenergetycznej.

Energetyka wiatrowa warunki działania turbin wiatrowych a morzu; planuje się udoskonalenie technologii turbin wiatrowych zainstalowanych na morzu w szczególności: • uzyskanie dojrzałości technologicznej w odniesieniu do turbin wiatrowych instalowanych na głębokościach do 50 metrów w głąb morza w dowolnej odległości od brzegu, tak aby stały się one konkurencyjne ekonomicznie dla tradycyjnych technologii wytwarzania energii elektrycznej; • rozwijanie technologii przyszłych turbin wiatrowych instalowanych na głębokościach większych niż 50 metrów w głąb morza w dowolnej odległości od brzegu; • rozwój infrastruktury, w tym infrastruktury elektrycznej, umożliwiającej działanie turbin wiatrowych na morzu; • opracowanie, wdrażanie i rozwój metod utrzymania i konserwacji turbin wiatrowych na morzu;

Energetyka wiatrowa udoskonalenie turbin pod kątem redukcji kosztów, zwiększenia ich efektywności, niezawodności, przy przewidywanym dalszym wzroście ich rozmiarów, a w konsekwencji mocy zainstalowanej, w szczególności pod kątem jakości konstrukcji, w tym: • wytrzymałości mechanicznej i aerodynamiki poszczególnych elementów ze względu na rozwiązania konstrukcyjne; • rozwiązań materiałowych odpornych na obciążenia mechaniczne, oddziaływanie środowiska (szczególnie w odniesieniu do turbin na morzu), dla turbin, gondoli i wież, a także ze względu na ich aero – elastyczność; • możliwości instalowania w ekstremalnych warunkach geograficznych i klimatycznych, daleko na morzu, w klimacie o bardzo niskich temperaturach, wysoko w górach; • udoskonalenia form transportu turbin na miejsce ich posadowienia; • istotna poprawa jakości turbin małej mocy od 1 do 100 kW pracujących na własną sieć wydzieloną, do zabezpieczenia potrzeb energetycznych (energii elektrycznej) odbiorców usytuowanych z dala od sieci elektroenergetycznych.

Energetyka wodna Duża hydroenergetyka, od 5 (10) MW: • hydroelektrownie przepływowe, • hydroelektrownie pompowe (szczytowo –pompowe) Małe elektrownie wodne (MEW) - obiekty piętrzące na małych ciekach wodnych o mocach 100 -200 kW

Energetyka wodna • Rozwój krajowej energetyki wodnej w perspektywie lat 2010- 2025 ma przebiegać w trzech następujących kierunkach: • budowa nowych stopni wodnych i elektrowni, • wykorzystanie istniejących budowli piętrzących do budowy elektrowni, • modernizacja i renowacja istniejących obiektów

Energetyka wodna Obecnie inżynierowie pracujący w sektorze małej energetyki wodnej skupiają się na technologiach właściwych dla małej skali: • wkomponowanie i integracja małych elektrowni ze środowiskiem; • zmniejszeniu kosztów; • zwiększeniu produkcji energii elektrycznej; • systemach hybrydowych; • standaryzacji rozwiązań technologicznych.; • rozwoju technik magazynowania dla innych odnawialnych źródeł energii.

Energetyka wodna W wyniku prowadzonych badawczych w 2020 r. zostaną osiągnięte następujące cele: • wytwórcy będą w stanie produkować proste, niezawodne i sprawne turbiny, z zagwarantowaną ich jakością pracy; • zostanie przebadany potencjał dla małych i mikro turbin; • uda się zabezpieczać środki finansowe na kosztowne badania laboratoryjnych turbin; • poprawi się wkomponowanie i integracja małych elektrowni ze środowiskiem, poprzez racjonalne wykorzystanie zasobów wodnych i poprzez wybudowanie turbogeneratorów zdolnych do pracy w zanurzeniu; • zwiększy się efektywność ekonomiczna elektrowni dzięki uproszczeniu projektu turbiny, zastosowanie nowych materiałów i optymalizację cyklu rocznej produkcji energii.

Pompa ciepła Dolne źródło ciepła: źródła odnawialne: • powietrze atmosferyczne, • wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy), • wody gruntowe, • grunt, • promieniowanie słoneczne; źródła wewnętrzne, zwane odpadowymi: • powietrze i gazy odlotowe, • woda odpadowa, • ścieki, • woda chłodnicza.

Geotermia Technologia geotermiczna wykorzystuje ciepło, które w formie naturalnej pary, gorącej wody lub występujące w innym ośrodku o zwiększonej temperaturze i dużej przewodności cieplnej, jest zakumulowane w skorupie ziemskiej. Źródła geotermiczne wykazują znaczne zróżnicowanie podstawowych parametrów energetycznych i mogą być charakteryzowane poprzez temperaturę nośnika, jego skład chemiczny lub typ zbiornika (z dominacją pary lub cieczy, wulkaniczny Eksploatuje się źródła naturalne oraz pochodzące z odwiertów z wypływem naturalnym (somowypływ) lub sztucznym (wywołanym pompą).

Energia geotermalna Zasoby geotermalne są wykorzystywane: • w ciepłownictwie; • w ogrodnictwie, rekreacji, hodowli ryb, itp. Realizowane czasem jako systemy indywidualne, korzystniejsze ekonomicznie jako systemy scentralizowane. Ze względu na parametry (niewysokie temperatury), najczęściej przy ogrzewaniu budynków możliwe jest tylko częściowe pokrycie zapotrzebowania na ciepło. Konieczna jest wtedy współpraca instalacji wykorzystującej wody geotermalne ze szczytowym źródłem ciepła (np. kotłem wodnym, elektrociepłownią) lub z pompą ciepła • Nowe technologie do produkcji energii elektrycznej

Geotermia W sektorze geotermicznym największy rozwój ma polegać na: • rozwoju technologii umożliwiających (wydobycie) pozyskanie energii geotermalnej, w tym: • wprowadzanie innowacyjnych technologii drążenia; • udoskonalenie metod szacowania potencjału technicznego złóż; • udoskonalenie technologii dla złóż niskoenetalpowych; • wdrażanie systemów geotermalnych wyższej klasy (EGS – Enhaced Geothermal Systems) w nowych regionach; • zwiększenie sprawności całkowitej w elektrociepłowniach CHP geotermalnych, wytwarzających ciepło i energię elektryczną w skojarzeniu, w tym technologii instalacji i poszczególnych elementów systemu i urządzeń: pompy, rurociągi, turbiny.

Geotermia W sektorze geotermalnym służącym wytwarzaniu ciepła i chłodu największy rozwój ma polegać na: • udoskonaleniu metod szacowania potencjału technicznego złóż, wydobycia i instalowania systemu studni, również dla instalacji płytkich; w tym rozpowszechnieniu informacji typu „best practice” • zwiększenie sprawności technologii gruntowych pomp ciepła, w tym: • optymalizacja funkcjonowania systemów; • stosowanie zaawansowanych systemów kontroli; • udoskonalenie elementów instalacji i stosowanych na nie materiałów, w szczególności w odniesieniu do: sprężarek, rurociągów, czynników chłodniczych; • budowa nowych centralnych systemów ciepłowniczych oraz optymalizacja działających ciepłowni i sieci, w szczególności w Europie Środkowej i Wschodniej, Turcji; • rozwój nowych koncepcji do wykorzystania energii geotermalnej w rolnictwie, aqua – rolnictwie (np. stawy rybne) i w przemysłowych procesach suszenia; • wprowadzanie innowacyjnych technologii odmrażania i odladzania na drogach ekspresowych, autostradach, pasach lotniczych, odsalania wody morskiej i absorpcyjnych systemach chłodzenia.

Biomasa Biomasa występuje w postaci: • drewna i jego odpadów, • słomy, • roślin “energetycznych”, • osadów ściekowych podobnych do torfu; • odpadów komunalnych zwierających makulaturę. Biogaz jest uzyskiwany w wyniku fermentacji substancji pochodzenia zwierzęcego, roślinnego, którymi zwykle są: • gnojowica zwierzęca, • osady w oczyszczalniach ścieków, • odpady na wysypiskach ścieków tzw. gaz wysypiskowy Płynne biopaliwa: • olej pirolizowy o właściwościach zbliżonych do oleju opałowego; • olej rzepakowy, • olej słonecznikowy, • gaz drzewny, • alkohol etylowy lub metylowy. .

Biomasa Nieprzerobione drewno energetyczne dzieli się na: • drewno opałowe; • paliwo rozgniatane – drewno, kora, igły lub liście rozdrobnione w zgniataczu rolkowym lub młynie bijakowym; • paliwo rozbijane; • zrębki paliwowe uzyskiwane z drewna poddanego rozdrobnieniu narzędziami nożowymi (rębakami) na kawałki o rozmiarach od 5 do 50 mm. Ten rodzaj drewna jest najbardziej przydatny do spalania. Przerobione drewno energetyczne dzieli się na: • trociny - produkt odpadowy powstający podczas piłowania. Rozmiar cząstek zawiera się między 1 i 5 mm; • brykiety - wytwarzane przez sprasowanie rozdrobnionego drewna energetycznego. Rozdrabnianie może odbywać się metodą mielenia, skrawania lub podobną. Po rozdrobnieniu następuje prasowanie materiału, najczęściej w prasie tłokowej. Uzyskane brykiety mają kształt cylindryczny lub prostopadłościenny i rozmiary przekraczające 25 mm; • pelety – wytwarzane podobnie jak brykiety przez sprasowanie dokładnie rozdrobnionego materiału. Pelety, produkowane z użyciem prasy matrycowej, mają zwykle kształt cylindryczny i średnice mniejsze niż 25 mm. Często w procesie ich produkcji jednocześnie prowadzi się dosuszanie; • pył drzewny - powstaje z wysuszonego materiału surowego poddanego mieleniu na cząstki o rozmiarach mniejszych niż 1 mm

obróbka konwersja postać paliwa wykorzystanie wstępna żadna żadna ciepło użyt. stała suszenie zależnie od brykietowanie piroliza wilgotności gazowa ciepło użyt. granulowanie gazyfikacja napęd silników (rozdrabnianie) ciekła biogaz hydroliza fermentacja alkoholowa Podstawowe sposoby konwersji biomasy i sposoby jej wykorzystanie

Biomasa Ciepłownictwo – spalanie Wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu Współspalanie Gazyfikacja biomasy Powstały w wyniku gazyfikacji biogaz może być wykorzystywany na małą i dużą skalę w: • w gospodarstwach domowych (np. w kuchenkach gazowych); • turbinach gazowych służących do produkcji energii elektrycznej; • maszynach wykonujących pracę mechaniczną. Piroliza Proces wstępny przed spalaniem i gazyfikacją, a jego produktem jest bio-olej (olej pirolityczny), który jest względnie łatwy do transportu

Biomasa Największy postęp w 2020 r. będzie osiągnięty w następujących dziedzinach: • zostaną przebadane nowe surowce do produkcji bioetanolu, takie jak: trawa, słoma zbóż, kłosy kukurydzy, odpady przemysłowe i komunalne, odpady poprocesowe np. w browarnictwie, odpady leśne; • poszukiwanie nowych składników jako dodatków do biodiesla np. alg, roślinności pustynnej, zużytych olejów jadalych i tłuszczu zwierzęcego • technologie konwersji biomasy, w tym: • hydroliza enzymatyczna; • produkcja etanolu wymaga procesu intensywnego uwalniania cukru z celulozy i hemicelulozy w celu jego fermentacji, udział odebranego cukru powinien być na poziomie 30 – 50% z masy rośliny; • efektywna „kofermentacja” cukrów C6 i C5 przy wytwarzaniu etanolu (obecnie nie wynaleziono mikroorganizmów, które mogłyby doprowadzić do fermentacji cukrów C5); • konwersja termo-chemiczna; • biomasa przechodzi obróbkę cieplną, przy kontrolowanym dostępie tlenu zachodzi proces gazyfikacj - powstały gaz - gaz syntetyczny –syngaz. Syngaz może być wykorzystywany w syntezie metanolu, etanolu i innego dowolnego alkoholu • procesy biorafineryjne; • biomasa ma podlegać procesom w wyniku, których powstają różnorodne produkty, takie jak paliwo transportowe, produkty chemiczne, plastik, energia W odniesieniu do zupełnie nowych zastosowań biomasy przewiduje się, co następuje: • bioetanol do wykorzystywania w ogniwach paliwowych; • E-Diesel, czyli mieszanka bioetanol – diesel; • Biodisel z alg i zastosowania w silnikach lotniczych

Dorota Chwieduk dchwied@itc.pw.pl