WYBRANE ZAGADNIENIA

pod redakcj� Ryszarda Tytko

Kraków 2005

Ryszard Tytko

Odnawialne �ródła Energii

wybrane zagadnienia

Skrypt dla uczniów i słuchaczy kształc�cych si� w zawodzie technik elektryk

Kraków 2005

Redaktor: Ryszard Tytko ODNAWIALNE �RÓDŁA ENERGII Opiniodawca: dr Antoni Rumi�ski – Akademia Pedagogiczna w Krakowie Redaktor techniczny, opracowanie elektroniczne oraz współpraca redakcyjna: Maciej Ksi��ek Korektor: mgr Barbara Wro�ska

W zwi�zku z zatwierdzeniem i skierowaniem do realizacji programu nauczania (311[08]/SP/MEN/2001.06.12), opracowanego przez nauczycieli Zespołu Szkół Elektrycznych Nr 1 w Krakowie, dla zawodu technik elektryk, specjalizacja: odnawialne �ródła energii (O�E) zaistniała konieczno�� przygotowania skryptu dla słuchaczy Szkoły Policealnej realizuj�cych wy�ej wymieniony program. Jego zało�enia uwzgl�dniaj� nowe dot�d nie upowszechniane w takim stopniu dziedziny wiedzy, dlatego autor odwołał si� do dost�pnej literatury przedmiotu. Wykorzystał zatem informacje zamieszczone w publikacjach naukowych, artykułach prasowych i na stronach internetowych. Dokonuj�c kompilacji dost�pnych opracowa�, skupił uwag� przede wszystkim na pracy redakcyjnej i w zwi�zku z tym nie przypisuje sobie ich autorstwa.

Skrypt jest uzupełnieniem literatury zalecanej przez autorów programu i wobec szybkich zmian technologicznych w zakresie O�E nale�y przewidywa� jego aktualizacj�.

Zgodnie z Rozporz�dzeniem Ministra Edukacji Narodowej z dnia 21 wrze�nia 2000r. (Dz.U. Nr 60 Poz. 1000) w sprawie warunków i trybu dopuszczenia do u�ytku szkolnego programów nauczania i podr�czników oraz zalecenia �rodków dydaktycznych opracowanie to nie zostało jeszcze dopuszczone do u�ytku szkolnego przez MEN.

5

Spis tre�ci

Przedmowa........................................................................................................................................13 1. Wprowadzenie ..............................................................................................................................15 2. Rodzaje i zakres wykorzystania O�E w Polsce............................................................................16

2.1. Biomasa................................................................................................................................16 2.1.1. Słoma ............................................................................................................................16 2.1.2. Drewno .........................................................................................................................17 2.1.3. Gaz z czynnych składowisk odpadów ..........................................................................17 2.1.4. Gaz z fermentacji osadów i �cieków ............................................................................18

2.2. Energetyka wodna................................................................................................................18 2.3. Energia geotermalna ............................................................................................................18 2.4. Energetyka wiatrowa............................................................................................................19 2.5. Energetyka słoneczna...........................................................................................................19

3. Prognozy .......................................................................................................................................19 4. Cel strategiczny dla Polski............................................................................................................21 5. Finansowanie przedsi�wzi�� z zakresu odnawialnych �ródeł energii ..........................................21 6. Podsumowanie ..............................................................................................................................22 7. Wnioski.........................................................................................................................................22 ENERGIA SŁONECZNA ...............................................................................................................25 1. wiatowy rozwój fotoogniw i kolektorów słonecznych...............................................................25 2. Wiadomo�ci wst�pne z optoelektroniki........................................................................................27

2.1. Wprowadzenie .....................................................................................................................27 2.2. Półprzewodnikowe detektory promieniowania....................................................................29

2.2.1. Fotodiody......................................................................................................................30 2.2.2. Ogniwa fotoelektryczne................................................................................................32 2.2.3. Wybrane wyniki bada� fotoogniw uzyskane w laboratorium O�E ZSE Nr 1 w

roku szkolnym 2003/2004 przez słuchaczy szkoły policealnej O�E. ..........................35 3. Sposoby produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii słonecznej ...........................37

3.1. Metoda heliotermiczna.........................................................................................................37 3.2. Metoda helioelektryczna ......................................................................................................38 3.3. Przykłady zastosowana fotoogniw.......................................................................................38

3.3.1. Elektrownie fotowoltaiczne ..........................................................................................39 3.3.2. Zasilanie domów mieszkalnych i biurowców ..............................................................39 3.3.3. Elektroniczny sprz�t powszechnego u�ytku.................................................................40 3.3.4. Zasilanie sygnalizacji drogowej ...................................................................................40 3.3.5. Zasilanie systemów telekomunikacyjnych ...................................................................41 3.3.6. Zasilanie systemów ostrzegania ...................................................................................41 3.3.7. Transport kolejowy.......................................................................................................41 3.3.8. Rolnictwo i hodowla.....................................................................................................42 3.3.9. Wykorzystanie modułów fotowoltaicznych do zasilania parkomatów, automatów

sprzedaj�cych bilety, zegarów itp.................................................................................42 3.3.10. Zasilanie pojazdów kosmicznych .................................................................................42

4. Rozwi�zania konstrukcyjne baterii słonecznych (fotomodułów).................................................43 4.1. Firma Solarex.......................................................................................................................43

4.1.1. Baterie słoneczne Solarex serii MSX ...........................................................................43 4.1.2. Baterie słoneczne Solarex serii VLX............................................................................44

4.2. Bateria słoneczne firmy Webasto-Schade GmbH................................................................45 4.3. Baterie słoneczne firmy Sun Set – seria SM i SML ............................................................46

4.3.1. Seria SM .......................................................................................................................46

6

4.3.2. Seria SML .................................................................................................................... 47 4.4. Bateria słoneczna AstroPower AP-1206 ............................................................................. 48

5. Baterie słoneczne wykonane w formie modułów okr�głych ....................................................... 49 6. Parametry fotomodułów produkowanych przez firmy: Solarex, Astro Power, Webeso –

Schode gmbh, Sun-Set ................................................................................................................. 50 7. Parametry osprz�tu dodatkowego ................................................................................................ 50

7.1. Regulatory ładowania.......................................................................................................... 50 7.1.1. SOLARIS 3,5/10/12 (3,5/10/24).................................................................................. 50 7.1.2. SOLARIS 20/12 (15/24) .............................................................................................. 51

7.2. Przetwornice napi�cia.......................................................................................................... 51 8. Dobór baterii słonecznych............................................................................................................ 51 9. Płaskie kolektory słoneczne ......................................................................................................... 53

9.1. Budowa kolektorów płaskich .............................................................................................. 53 9.1.1. Powietrzne.................................................................................................................... 54 9.1.2. Cieczowe...................................................................................................................... 55

10. Kolektory słoneczne skupiaj�ce ................................................................................................... 56 10.1. Budowa pró�niowych rurowych kolektorów słonecznych.................................................. 57

11. Kolektory słoneczne firmy VITOSOL......................................................................................... 58 11.1. Kolektor słoneczny VITOSOL 100.................................................................................... 58

VITOSOL 100 ........................................................................................................................... 58 11.2. Kolektor tubowy VITOSOL 300......................................................................................... 59

VITOSOL 300 ........................................................................................................................... 59 11.3. Kolektor S 200 S/L.............................................................................................................. 60

12. Słoneczne instalacje grzewcze ..................................................................................................... 60 12.1. Bezpo�rednie ....................................................................................................................... 61

12.1.1. Układ do podgrzewania wody bez zasobnika .............................................................. 61 12.1.2. Układ do podgrzewania wody z zasobnikiem.............................................................. 61

12.2. Po�rednie ............................................................................................................................. 61 12.2.1. Układ grawitacyjny ...................................................................................................... 61 12.2.2. Układ pompowy........................................................................................................... 61

13. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej............................................................................. 62 14. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej i wspomagania ogrzewania budynku ................ 63 15. Instalacja solarna z kolektorami słonecznymi dla basenu k�pielowego ...................................... 64 16. Typowe elementy słonecznej instalacji grzewczej....................................................................... 65

16.1. Zbiornik na wod�................................................................................................................. 65 16.2. Zasobniki pionowe .............................................................................................................. 65 16.3. Zasobniki poziome .............................................................................................................. 66 16.4. Wymiennik ciepła................................................................................................................ 67 16.5. Regulator ............................................................................................................................. 67

16.5.1. Regulator R1 ................................................................................................................ 67 16.5.2. Pompka i Panel steruj�cy PER..................................................................................... 67

16.6. Dane techniczne kolektora KS-2000S, urz�dzenia współpracuj�ce.................................... 68 16.6.1. Uchwyty dachowe kolektora........................................................................................ 68 16.6.2. Oblachowanie kolektorów ........................................................................................... 69 16.6.3. Tablica regulacyjna ...................................................................................................... 69 16.6.4. Sterownik ró�nicowy ................................................................................................... 69 16.6.5. rubunek ...................................................................................................................... 70 16.6.6. Korek czujnika temperatury......................................................................................... 70 16.6.7. Czwórnik...................................................................................................................... 71 16.6.8. Redukcja izolacyjna ..................................................................................................... 71 16.6.9. Wymiennik basenowy.................................................................................................. 71 16.6.10. Grzałka elektryczna...................................................................................................... 71

7

17. Miejsce monta�u kolektora...........................................................................................................72 17.1. Przykłady monta�u kolektorów słonecznych:......................................................................72

18. Dobór wielko�ci instalacji ............................................................................................................73 18.1. Dobór wielko�ci kolektora ...................................................................................................73 18.2. Dobór wielko�ci zasobnika ..................................................................................................74 18.3. Lokalizacja zasobników wody u�ytkowej i zbiorników akumulacyjnych...........................74 18.4. Wykonanie instalacji rurowej ..............................................................................................74

19. Teoretyczne obliczenia dotycz�ce doboru kolektorów słonecznych............................................74 ENERGIA GEOTERMALNA ........................................................................................................77 1. Wst�p ............................................................................................................................................77

1.1. Zasoby geotermalne .............................................................................................................78 1.2. �ródła energii geotermalnej .................................................................................................78 1.3. Gejzery jako �ródła energii geotermalnej ............................................................................78 1.4. Gor�ce suche skały–kolejne �ródło energii geotermalnej....................................................79 1.5. Dobrodziejstwa płyn�ce z wykorzystania energii geotermalnej..........................................80 1.6. Zagro�enia wynikaj�ce z wykorzystania energii geotermalnej ...........................................80

2. Energia geotermalna na �wiecie ...................................................................................................80 2.1. Bezpo�rednie zastosowania energii geotermalnej................................................................82 2.2. Po�rednie zastosowania energii geotermalnej......................................................................82

3. Wykorzystanie energii geotermalnej ............................................................................................83 4. Sposoby wykorzystania energii geotermalnej w Polsce ...............................................................84 5. Pompy ciepła.................................................................................................................................85

5.1. Zasada działania pompy ciepła ............................................................................................85 5.2. Wykorzystanie energii rozproszonej....................................................................................86 5.3. Zastosowanie pomp ciepła ...................................................................................................86 5.4. Geotermalne pompy ciepła ..................................................................................................87 5.5. Zagospodarowanie wód o temperaturze rz�du 20 oC...........................................................87

6. Sondy ciepła..................................................................................................................................88 6.1. Sondy ciepła jako odbiorniki energii geotermalnej .............................................................88

6.1.1. Przypowierzchniowe sondy ciepła ...............................................................................89 6.1.2. Gł�bokie sondy ciepła ..................................................................................................89

7. Elektrownie i ciepłownie geotermalne .........................................................................................90 7.1. Wykorzystanie energii geotermalnej w siłowniach i ciepłowniach.....................................90

8. Energia geotermalna w Polsce......................................................................................................93 8.1. Bezpo�rednie wykorzystanie energii geotermalnej..............................................................94 8.2. Stan wykorzystania energii geotermalnej w Polsce w latach 1995-1999 ............................94 8.3. Zasoby geotermalne .............................................................................................................95

9. Instalacje geotermalne w Polsce ...................................................................................................96 9.1. Funkcjonuj�ce zakłady geotermalne....................................................................................97 9.2. Zakład w Mszczonowie .......................................................................................................97 9.3. Ciepłownia w Pyrzycach......................................................................................................97

10. Geotermia na Podhalu...................................................................................................................98 11. Pierwszy zakład geotermalny w Polsce ......................................................................................100 12. Wnioski.......................................................................................................................................102 13. Schemat zagospodarowania wód geotermalnych w Ba�skiej Ni�nej.........................................103 14. Kaskadowy system wykorzystania energii geotermalnej ...........................................................104 15. System wykorzystania niskotemperaturowej wody geotermalnej do celów ciepłowniczych

i konsumpcyjnych w mie�cie Słomniki ......................................................................................105 ENERGIA WIATRU ....................................................................................................................107 1. Wst�p ..........................................................................................................................................107 2. Wiatr i jego zasoby energetyczne ...............................................................................................107

2.1. Wpływ czynników �rodowiskowych .................................................................................108

8

2.1.1. Ró�a wiatrów ............................................................................................................. 109 2.1.2. rednie pr�dko�ci wiatru na terenie Euroregionu Niemen ........................................ 111 2.1.3. Zasoby........................................................................................................................ 112

2.2. Szorstko�� terenu............................................................................................................... 112 2.2.1. Podstawowe dane o atmosferze i wietrze. ................................................................. 114

3. Podstawa działania elektrowni wiatrowej. ................................................................................. 114 3.1. Podstawowe informacje o krzywej mocy.......................................................................... 115 3.2. Silniki wiatrowe................................................................................................................. 116 3.3. Poziom hałasu.................................................................................................................... 118

4. Budowa elektrowni wiatrowej. .................................................................................................. 119 4.1. Metody regulacji mocy oddawanej przez elektrownie wiatrowe ...................................... 121

4.1.1. Koncepcje pracy siłowni wiatrowej ........................................................................... 121 4.1.2. Parametry pracy siłowni wiatrowych......................................................................... 121 4.1.3. Regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (Yaw Control)...................... 122 4.1.4. Regulacja k�ta ustawienia łopat (Active Pitch Regulation)....................................... 122 4.1.5. Regulacja przez zmian� pr�dko�ci obrotowej generatora.......................................... 122 4.1.6. Regulacja przez zmian� obci��enia (Load Control) .................................................. 123 4.1.7. Regulacja przez "przeci�gni�cie" (Stall Regulation) ................................................. 123 4.1.8. Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control) ................................................... 123

4.2. Generatory ......................................................................................................................... 123 4.3. Krótka charakterystyka nowych konstrukcji ..................................................................... 125

5. Elektrownie wiatrowe na �wiecie............................................................................................... 126 6. Energetyka wiatrowa w Polsce. ................................................................................................. 130

6.1. Zasady tworzenia regionalnych planów inwestowania w energetyk� wiatrow�............... 130 6.2. Warunki rozwoju energetyki wiatrowej (EW) .................................................................. 130 6.3. Gmina i energetyka wiatrowa............................................................................................ 131

6.3.1. Wariant oboj�tny........................................................................................................ 131 6.3.2. Wariant pasywny........................................................................................................ 132 6.3.3. Wariant aktywny ........................................................................................................ 132 6.3.4. Wariant uczestnictwa ................................................................................................. 132

6.4. Cele i zadania tworzenia planów....................................................................................... 132 6.5. Korzy�ci z wdra�ania energetyki wiatrowej na terenie gminy.......................................... 133 6.6. Zasady tworzenia gminnych planów rozwoju energetyki wiatrowej ................................ 133 6.7. Działania zwi�kszaj�ce atrakcyjno�� inwestycyjn� gminy ............................................... 135

6.7.1. Rozmieszczenie elektrowni pracuj�cych w Polsce .................................................... 136 7. Dane techniczne, parametry i zasada działania elektrowni produkowanych w Polsce.............. 137

7.1. Przedsi�biorstwo Expom S.A............................................................................................ 138 7.2. Przedsi�biorstwo Nowomag S.A....................................................................................... 139 7.3. Przedsi�biorstwo Dr.Z�ber ................................................................................................ 140

7.3.1. Elektrownia wiatrowa „Zefir-6” 5kW........................................................................ 140 7.3.2. Elektrownia wiatrowa „Zefir 12A” – 30kW .............................................................. 141 7.3.3. Elektrownia wiatrowa „Zefir 16A” 160 kW .............................................................. 142

8. Optymalizacja warunków pracy silnika wiatrowego ................................................................. 143 9. Systemy sterowania w elektrowni wiatrowej............................................................................. 144

9.1. Sterowniki.......................................................................................................................... 144 9.2. Zdalne sterowanie.............................................................................................................. 146

10. Program "Elektrownia wiatrowa" .............................................................................................. 147 11. Podsumowanie ........................................................................................................................... 148 ENERGIA WODY........................................................................................................................ 149 1. Wst�p.......................................................................................................................................... 149 2. Parametry elektrowni wodnych.................................................................................................. 150 3. Rozwi�zania elektrowni wodnych ............................................................................................. 150

9

3.1. Budowle hydrotechniczne, elementy elektrowni wodnych, urz�dzenia mechaniczne ......150 3.2. Elektrownie przepływowe i zbiornikowe ..........................................................................151 3.3. Elektrownie pompowe .......................................................................................................151 3.4. Dane techniczne wybranych elektrowni wodnych.............................................................153

4. Mała energetyka wodna ..............................................................................................................155 5. Opisy typów turbin wodnych......................................................................................................156

5.1. Rozwi�zania tradycyjne z turbinami Francisa ...................................................................156 5.2. Rozwi�zania współczesne z turbinami Francisa................................................................158 5.3. Współczesne rozwi�zania z turbinami Kaplana.................................................................158 5.4. Rozwi�zania z turbinami rurowymi...................................................................................159 5.5. Rozwi�zania z innymi turbinami (Banki, Peltona) ............................................................162

6. Pr�dnice elektryczne ...................................................................................................................164 6.1. Wielko�ci i parametry pr�dnicy .........................................................................................164 6.2. Pr�dnice asynchroniczne (indukcyjne) ..............................................................................164 6.3. Pr�dnice synchroniczne (hydrogeneratory) .......................................................................165

7. Regulatory turbin wodnych ........................................................................................................166 7.1. Regulatory obrotów............................................................................................................166 7.2. Regulatory mocy ................................................................................................................168 7.3. Elektrohydrauliczny regulator pr�dko�ci obrotowej turbiny lub jej mocy. .......................169

8. Sposoby przekazywania nap�du z turbiny na pr�dnice ..............................................................171 8.1. Bezpo�rednie sprz�gni�cie wału z pr�dnic�.......................................................................171 8.2. Przekazywanie nap�du przez przekładnie..........................................................................172 8.3. Przekładnie z�bate..............................................................................................................172 8.4. Przekładnie pasowe............................................................................................................173

9. Pomocnicze wyposa�enie mechaniczne ....................................................................................174 9.1. Kraty na uj�ciach wody i czyszczenie ...............................................................................174 9.2. Zamkni�cie dopływu wody do turbin ................................................................................174

10. Wyposa�anie budynków elektrowni w d�wignice......................................................................175 11. Systemy pracy MEW..................................................................................................................176 12. Zabezpieczenia urz�dze� elektroenergetycznych.......................................................................177

12.1. Zabezpieczenia bloków w pr�dnicach synchroniczno – transformatorowych o mocy do 5000 kVA...........................................................................................................................177

12.2. Zabezpieczenia pr�dnic asynchronicznych o mocy do 250 kVA i napi�ciu do 1000V, zasilaj�cych bezpo�rednio szyny zbiorcze.........................................................................177

12.3. Zabezpieczenia bloków pr�dnica asynchroniczna – transformator o mocy do 250kVA..178 12.4. Zabezpieczenia turbozespołów ..........................................................................................178 12.5. Ochrona przeciwpora�eniowa............................................................................................179 12.6. Ochrona od przepi�� oraz instalacje piorunochronne ........................................................181 12.7. Sygnalizacja zakłóce� pracy ..............................................................................................181

13. Pomiary.......................................................................................................................................181 14. Potrzeby własne elektrowni ........................................................................................................182 15. Uziomy........................................................................................................................................183 16. Procesy ruchowe w MEW ..........................................................................................................183

16.1. Zakres i stopie� automatyzacji procesów rozruchowych ..................................................184 17. Automatyzacja procesów ruchowych MEW ..............................................................................184

17.1. Układ sterowania łopatek turbiny (USW)..........................................................................184 17.2. Automatyczny regulator pr�dko�ci k�towej turbiny (ART.) .............................................184 17.3. Układ sterowania aparatu kierowniczego turbiny (USK) ..................................................185 17.4. Układ automatycznej regulacji napi�cia pr�dnicy synchronicznej (ARN). .......................185 17.5. Automatyczny synchronizator pr�dnicy synchronicznej (ASG) .......................................186 17.6. Układ automatycznego sterowania procesami rozruchowymi turbozespołu (USR) .........186 17.7. Układ automatycznego sterowania procesami odstawiania turbozespołu (USO) .............186

10

17.8. Układ automatycznej regulacji poziomu wody(ARP)....................................................... 186 17.9. Auto operator(AOP) .......................................................................................................... 186 17.10. Układ sterowania zamkni�� wlotowych wody do turbiny (USZ) ..................................... 186 17.11. Układ programuj�cy prac� szczytow� MEW (UPP) ......................................................... 187 17.12. Przykładowe rozwi�zania układu sterowania.................................................................... 187

18. Wybrane elementy dokumentacji małej elektrowni wodnej Zakopane - Olcza......................... 188 18.1. Opis techniczny, charakterystyka elektrowni.................................................................... 188

18.1.1. Hydrozespół nr.1 ........................................................................................................ 188 18.1.2. Hydrozespół nr.2 ........................................................................................................ 188

18.2. Powi�zanie elektrowni z sieci�......................................................................................... 188 18.3. Pomiary i zabezpieczenia .................................................................................................. 189 18.4. Sterowanie i regulacja ....................................................................................................... 189 18.5. Potrzeby własne elektrowni............................................................................................... 190

ENERGIA BIOMASY................................................................................................................... 193 1. Poj�cie biomasy.......................................................................................................................... 193 2. Drewno jako biopaliwo .............................................................................................................. 195

2.1. Wierzba energetyczna ....................................................................................................... 196 2.2. Gazyfikacja biomasy ......................................................................................................... 198 2.3. Kotły do spalania drewna .................................................................................................. 198 2.4. Przykładowe rozwi�zanie konstrukcyjne kotła do spalania drewna ................................. 198 2.5. Piec MS ............................................................................................................................. 199 2.6. Kotłownie Golem .............................................................................................................. 199

2.6.1. Paliwo......................................................................................................................... 200 2.6.2. Zastosowania kotłowni Golem................................................................................... 200 2.6.3. Budowa kotłów GOLEM ........................................................................................... 200

2.7. Kotły Verner...................................................................................................................... 201 2.7.1. Budowa kotłów .......................................................................................................... 203 2.7.2. Obsługa ...................................................................................................................... 203

2.8. Piece kominkowe............................................................................................................... 203 2.8.1. Bezpiecze�stwo.......................................................................................................... 205

3. Słoma jako biopaliwo................................................................................................................. 205 3.1. Kotły małej mocy na słom� ............................................................................................... 206 3.2. Kotłownie du�ej mocy....................................................................................................... 206 3.3. Wnioski.............................................................................................................................. 207

4. Osady �ciekowe (analog torfu) i kotły na osady �ciekowe ........................................................ 208 5. Biogaz z oczyszczalni �cieków .................................................................................................. 209

5.1. Gospodarka energi� elektryczn� i ciepłem na przykładzie oczyszczalni �cieków „Kujawy" w Krakowie ...................................................................................................... 209

5.2. Wst�p................................................................................................................................. 209 5.3. Opis działania oczyszczalni............................................................................................... 209 5.4. Wytwarzanie biogazu ........................................................................................................ 210 5.5. Generatory zasilane biogazem........................................................................................... 210

6. Biogaz wysypiskowy z odpadów ............................................................................................... 211 7. Elektrownia biogazowa – wysypisko Gda�sk - Szadółki .......................................................... 213

7.1. Koncepcja .......................................................................................................................... 213 7.2. Wykonanie......................................................................................................................... 213

7.2.1. Korzy�ci ..................................................................................................................... 215 7.2.2. Mała Elektrownia Biogazowa (MEB)........................................................................ 215

7.3. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej .......................................................................... 216 7.4. Efekt ekonomiczny i ekologiczny ..................................................................................... 216

8. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w oparciu o paliwa biogazowe – agregaty kogeneracyjne. Aspekt techniczny i ekonomiczny ........................................................ 217

11

8.1. Geneza................................................................................................................................217 9. Kontenerowe bloki energetyczne PRO-2 ...................................................................................218 10. Odsiarczanie biogazu..................................................................................................................220

10.1. Technologia BIOSULFEX – firmy Promis .......................................................................220 10.2. Koncentrat Biocat ..............................................................................................................220 10.3. Zalety stosowania technologii BIOSULFEX.....................................................................220

11. Bioetanol, biodiesel i metanol ....................................................................................................220 12. Efekty ekonomiczne stosowania biomasy w energetyce............................................................221 13. Podsumowanie ............................................................................................................................222

13.1. Mo�liwo�ci produkcji energii z biomasy ...........................................................................223 13.2. Odpady komunalne jako �ródła energii .............................................................................224

13.2.1. Wprowadzenie: ...........................................................................................................224 13.2.2. Warto�� opałowa odpadów komunalnych. .................................................................224 13.2.3. Spalanie odpadów w systemie zdalaczynnego ogrzewania miast - wiede�ski

system zaopatrzenia miasta w ciepło..........................................................................225 14. Wymagania prawne w zakresie wykorzystania biomasy w agroelektrowniach,

agrociepłowniach i agrorafineriach ..........................................................................................227 14.1. Deklaracje polityczne w Polsce i w Unii Europejskiej ......................................................227 14.2. Postanowienia dyrektywy 2001/77/EC w sprawie promocji energii elektrycznej ze

�ródeł odnawialnych...........................................................................................................227 14.3. Postanowienia dyrektywy 2003/30/EC w sprawie promocji biopaliw do celów

transportowych...................................................................................................................228 14.4. Konsekwencje rozporz�dzenia Rady Ministrów nr 971/2003 ...........................................229

Prawo energetyczne odno�nie elektrowni niekonwencjonalnych....................................................230 MATERIAŁY �RÓDŁOWE ........................................................................................................235

12

13

Przedmowa

Nikt nie ma w�tpliwo�ci, �e odnawialne �ródła energii zyskuj� coraz wi�ksze mo�liwo�ci zastosowa� jako ekologicznie czyste dodatkowe �ródła pozyskiwania energii. Perspektywy wyczerpania si� zasobów kopalnych oraz obawy o stan �rodowiska naturalnego w ostatnim dziesi�cioleciu znacznie zwi�kszyły zainteresowanie O�E. Technologie odnawialnych �ródeł energii rozwin�ły si� ju� do takiego stopnia, �e mog� konkurowa� z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. O�E s� �ródłami lokalnymi tote� mog� zwi�kszy� poziom bezpiecze�stwa energetycznego, mog� stanowi� istotny udział w bilansie energetycznym poszczególnych gmin czy nawet województw, stworzy� nowe miejsca pracy, promowa� rozwój regionalny. Zakłada si�, �e głównymi odbiorcami energii ze �ródeł odnawialnych b�dzie rolnictwo, mieszkalnictwo, komunikacja. W ostatnich latach obserwuje si� w kraju dynamiczny rozwój firm zajmuj�cych si� monta�em i eksploatacj� O�E, przykładem mo�e by� krakowska firma KFAP – WSK produkuj�ca pompy ciepła, oraz Zakład Geotermalny PAN Ba�ska – Ni�na – dostarczaj�cy ciepł� wod� uzyskan� ze złó� geotermalnych dla potrzeb komunalnych m.in. Zakopanego. Wspólnoty lokalne mog� i powinny inicjowa� i wspiera� przedsi�wzi�cia maj�ce na celu budow� instalacji O�E, we współpracy z agendami, społeczno�ciami lokalnymi pa�stw UE . Dobrym przykładem takiej współpracy jest realizacja programu SCORE w regionie radomskim, którego efektem jest prawdziwy impuls dla społeczno�ci lokalnej i decydentów w dowarto�ciowaniu tematu: racjonalne gospodarowanie energi�, a tak�e promowa� alternatywne, naturalne �ródła jej pozyskiwania. Program finansowany jest przez Rz�d Królestwa Holandii. Federacja Zwi�zku Gmin i Powiatów RP poprzez realizacj� programu "Ochrona rodowiska" - działalno�� samorz�dów terytorialnych w aspekcie integracji z Uni� Europejsk� wł�czy si� równie� w promocj� O�E by pomóc polskim samorz�dom w wykonywaniu zada� zwi�zanych z dostosowaniem do standardów ekologicznych obowi�zuj�cych w Unii Europejskiej. W celu kształcenia młodzie�y zgodnie ze zmianami zachodz�cymi na rynku pracy, oraz potrzeb� zdynamizowania zastosowa� O�E opracowano i wdro�ono program nauczania dla zawodu technik elektryk, specjalizacja: budowa i eksploatacja O�E. Zawarte w podr�czniku tre�ci kształcenia s� uzupełnieniem informacji potrzebnych słuchaczom i nauczycielom w procesie kształcenia na poziomie szkoły policealnej. Ksi��ka b�dzie równie� przydatna dla licznego grona do�wiadczonych techników elektryków, zainteresowanych pogł�bieniem swojej wiedzy oraz dla tych Czytelników, którzy zamierzaj� w przyszło�ci budowa� i eksploatowa� urz�dzenia O�E. Przykłady wybranych praktycznych rozwi�za� urz�dze� O�E, wkomponowane w tekst rozdziałów, stanowi� uzupełnienie ich tre�ci.

Kazimierz Barczyk

Przewodnicz�cy Federacji Zwi�zków Gmin i Powiatów RP

14

15

1. Wprowadzenie

Racjonalne wykorzystanie energii ze �ródeł odnawialnych tj. energii rzek, wiatru, promieniowania słonecznego, energii geotermalnej lub biomasy, jest jednym z istotnych komponentów zrównowa�onego rozwoju przynosz�cym wymierne efekty ekologiczno-energetyczne. Wzrost udziału odnawialnych �ródeł energii w bilansie paliwowo-energetycznym �wiata, przyczynia si� do poprawy efektywno�ci wykorzystania i oszcz�dzania zasobów surowców energetycznych, poprawy stanu �rodowiska, poprzez redukcj� zanieczyszcze� do atmosfery i wód oraz redukcj� ilo�ci wytwarzanych odpadów. W zwi�zku z tym wspieranie rozwoju tych �ródeł staje si� coraz powa�niejszym wyzwaniem dla niemal wszystkich pa�stw �wiata. Znaczny wzrost zainteresowania odnawialnymi �ródłami energii nast�pił w latach dziewi��dziesi�tych, szacuje si�, �e od roku 1990 �wiatowe wykorzystanie energii promieniowania słonecznego wzrosło około dwukrotnie, a energii wiatru około czterokrotnie. W najbli�szych latach nale�y si� spodziewa� dalszego rozwoju odnawialnych �ródeł energii. Wynika to z korzy�ci jakie przynosi ich wykorzystanie zarówno dla lokalnych społeczno�ci (zwi�kszenie poziomu bezpiecze�stwa energetycznego, stworzenie nowych miejsc pracy, promowanie rozwoju regionalnego), jak równie� korzy�ci ekologicznych – przede wszystkim ograniczenia emisji dwutlenku w�gla. Zwłaszcza konieczno�� realizacji zobowi�za� mi�dzynarodowych, wynikaj�cych z Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu oraz podpisanego w Kioto Protokołu do tej konwencji, odno�nie redukcji dwutlenku w�gla, stwarza du�� szans� dla rozwoju odnawialnych �ródeł energii.

Odnawialne �ródła energii mog� stanowi� istotny udział w bilansie energetycznym poszczególnych gmin, czy nawet województw naszego kraju. Mog� przyczyni� si� do zwi�kszenia bezpiecze�stwa energetycznego regionu, a zwłaszcza do poprawy zaopatrzenia w energi� na terenach o słabo rozwini�tej infrastrukturze energetycznej. Potencjalnie najwi�kszym odbiorc� energii ze �ródeł odnawialnych mo�e by� rolnictwo, a tak�e mieszkalnictwo i komunikacja. Szczególnie dla regionów, dotkni�tych bezrobociem, odnawialne �ródła energii stwarzaj� nowe mo�liwo�ci, w zakresie powstawania nowych miejsc pracy. Natomiast tereny rolnicze, które z uwagi na silne zanieczyszczenie gleb, nie nadaj� si� do uprawy ro�lin jadalnych, mog� by� wykorzystane do uprawy ro�lin przeznaczonych do produkcji biopaliw. Istnieje niemal powszechna zgoda, �e rozwój energetyki opartej na �ródłach odnawialnych mo�e przyczyni� si� do rozwi�zania wielu problemów ekologicznych stwarzanych przez energetyk� konwencjonaln� – równie� w przypadku Polski.

Wzrost zapotrzebowania na energi�, spowodowany szybkim rozwojem gospodarczym, ograniczona ilo�� zasobów kopalnych, a tak�e nadmierne zanieczyszczenie �rodowiska, spowodowały w ostatnich latach, du�e zainteresowanie odnawialnymi �ródłami energii. Udział odnawialnych �ródeł energii w bilansie paliwowo-energetycznym �wiata wynosi około 18 proc. Wielko�� ta wynika zarówno z rozwoju nowych technologii wykorzystuj�cych odnawialne �ródła energii jak równie� z faktu, �e cz��� ludno�ci �wiata nie ma dost�pu do konwencjonalnych �ródeł energii. Wspieranie rozwoju odnawialnych �ródeł energii stało si� wa�nym celem polityki Unii Europejskiej. Wyrazem tego stała si� opublikowana w 1997 roku strategia rozwoju odnawialnych �ródeł energii w krajach Unii Europejskiej, która została uznana za podstaw� działa� na poziomie unijnym. Obecnie udział energii ze �ródeł odnawialnych w zaspokojeniu zapotrzebowania Unii Europejskiej na energi� pierwotn� wynosi 6 proc. W 1995 roku udział energii odnawialnej w pa�stwach Unii Europejskiej wynosił : w Szwecji –25,4 proc., w Austrii –24,3 proc., w Danii –7,3 proc., we Francji –7,1 proc., Niemczech –1,8 proc., Holandii –1,4 proc. Du�e ró�nice w wykorzystaniu energii odnawialnej w poszczególnych pa�stwach europejskich wynikaj� przede wszystkim z mo�liwo�ci wykorzystania energii wodnej w krajach górzystych (np. w Szwecji i Austrii energia produkowana z energii wodnej stanowi około 95 proc. wykorzystania �ródeł odnawialnych ).

Ilo�ciowe oszacowanie wykorzystania energii odnawialnej w Polsce jest obecnie rzecz� bardzo trudn�, poniewa� informacje na temat s� dost�pne jedynie za po�rednictwem specjalnych

16

bada� ankietowych. Wielko�� udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym kraju, szacowana jest przez ró�ne instytucje krajowe, takie jak Główny Urz�d Statystyczny, Ministerstwo Gospodarki, Europejskie Centrum Energii Odnawialnej. Warto�ci podawane przez te instytucje nie s� zgodne, co jest tak�e przyczyn� trudno�ci w oszacowani prawidłowego wykorzystania energii odnawialnej w kraju. W wyniku przeprowadzonej analizy mo�na uzna�, �e w Polsce udział energii odnawialnej w zu�yciu energii pierwotnej wynosi w granicach 2,5 proc. (przy całkowitym zu�yciu energii pierwotnej w 1998 r. około 4 tys. PJ).

Obecnie podstawowym �ródłem energii odnawialnej wykorzystywanym w krajach jest biomasa oraz energia wodna ( wg danych z 1999 r.÷99,88 proc. ), natomiast energia geotermalna, energia wiatru, promieniowania słonecznego, ma mniejsze znaczenie. W latach dziewi��dziesi�tych w Polsce nast�pił stopniowy wzrost udziału energii ze �ródeł odnawialnych. Przyczyniło si� do tego mi�dzy innymi : − znacz�ce zwi�kszenie wykorzystania drewna, odpadów drewna i odpadów z przeróbki drzewnej

(głównie przez ludno�� wiejsk�); − uruchomienie lokalnych ciepłowni na słom�; − uruchomienie dwóch ciepłowni geotermalnych; − uruchomienie kilku elektrowni wiatrowych; − uruchomienie licznych małych elektrowni wodnych; − uruchomienie ciepłowni i elektrowni zasilanych biogazem z wysypisk odpadów komunalnych

oraz z oczyszczalni �cieków.

Tab.1. Wykorzystanie energii odnawialnej w Polsce w 1999 roku na podstawie danych Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Produkcja energii ze �ródeł odnawialnych w 1999 roku �ródło energii

PJ Proc. Biomasa 101,8 98,05 Energia wodna 1,9 1,83 Energia geotermalna 0,1 0,1 Energia wiatru 0,01 0,01 Energia promieniowania słonecznego 0,01 0,01 Ogółem 103,82 100

2. Rodzaje i zakres wykorzystania O�E w Polsce. 2.1. Biomasa Najwi�ksze nadzieje na wykorzystanie, jako odnawialne �ródło energii, s� wi�zane z biomas�. Jej udział w bilansie paliwowym energetyki odnawialnej w Polsce ro�nie z roku na rok. Biomasa mo�e by� u�ywana na cele energetyczne w procesie bezpo�redniego spalania biopaliw stałych (drewna, słomy), gazowych –w postaci biogazu lub przetwarzania na paliwa ciekłe (olej, alkohol). W warunkach polskich, w najbli�szej perspektywie mo�na spodziewa� si� znacznego wzrostu zainteresowania wykorzystaniem biopaliw stałych – drewna i słomy. 2.1.1. Słoma

Polskie rolnictwo produkuje rocznie ok. 25 mln ton słomy (głównie zbo�owej i rzepakowej) oraz siana. Od 1990 r. rosn� nadwy�ki słomy, wyst�puj� one przede wszystkim w gospodarstwach rolnych północnej i zachodniej Polski. Nadwy�ki słomy mog� by� wykorzystane dla celów energetycznych, przynosz�c dodatkowe dochody lub oszcz�dno�ci gospodarstwom rolnym. Obecnie słoma na cele energetyczne wykorzystywana jest w ok. 10 ciepłowniach osiedlowych

17

o ł�cznej mocy zainstalowanej nie przekraczaj�cej 13 MW. Zainstalowane moce eksploatowanych kotłowni wahaj� si� od 0,5 do 5,5 MW. Szacuje si�, i� do ko�ca 1998 r. zainstalowano około 75 kotłów na słom� w gospodarstwach rolnych o ł�cznej mocy 10 MW. Znaczna cz��� nadwy�ek wypalana jest na polach, co powoduje powa�ne zagro�enie dla �rodowiska i zdrowia mieszka�ców. 2.1.2. Drewno

Lasy stanowi� 28,8 proc. powierzchni kraju, z tego lasy pa�stwowe zajmuj� 7,4 mln ha. W 1997 r. w Lasach Pa�stwowych pozyskano 21,6 mln m3 drewna, w tym 2,5 mln m3 drewna opałowego . Generalna Dyrekcja Lasów Pa�stwowych szacuje, �e dalsze 2-2,5 mln m3 odpadów drzewnych pozostaje w lasach ze wzgl�du na ograniczony popyt. Znaczne potencjalne ilo�ci odpadów drzewnych powstaj� tak�e w przemy�le drzewnym. Wykorzystanie drewna na cele opałowe w Polsce ma dług� tradycje. Liczb� instalacji opalanych drewnem szacuje si� na ponad 100.000 szt. W tej liczbie mieszcz� si� zarówno małe, nowoczesne kotły do zgazowania drewna z kontrolowanym procesem spalania (kilka tysi�cy sztuk), jak tzw. kotły „wielopaliwowe” lub kotły w�glowe z dopuszczeniem stosowania drewna jako paliwa zast�pczego, stosowane zazwyczaj w gospodarstwie domowym i rolnym oraz ok. 70 wi�kszych kotłowni przemysłowych ( o mocach w zakresie 0,1-40 MW ) stosowanych w zakładach przerobu drewna i w przemy�le meblarskim. Najwi�ksze moce kotłów i bloków energetycznych oraz najwi�ksze zu�ycie odpadów drzewnych produkcyjnych wyst�puje w zakładach przemysłu celulozowo-papierniczego. W sektorze komunalnym istnieje zaledwie kilka ciepłowni bazuj�cych na odpadach pozyskiwanych w gospodarce le�nej (o mocach 0,5-2,5 MW ). Na pocz�tku 1998 r. całkowit� moc nowoczesnych kotłów na drewno w gospodarstwach domowych, przemy�le drzewnym oraz sektorze komunalnym w Polsce oceniano na ok. 600 MW. 2.1.3. Gaz z czynnych składowisk odpadów

W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ok. 700 czynnych składowisk odpadów, przy czym na wi�kszo�ci z nich nie ma pełnej kontroli emisji gazu wysypiskowego, który dostaj�c si� do �rodowiska powoduje m.in. wiele zagro�e� dla zdrowia i �ycia ludzi i w sposób znacz�cy wpływa na pogł�bianie si� efektu cieplarnianego. Główny potencjał techniczny gazu wysypiskowego w Polsce zwi�zany jest z ok. 100 wi�kszych wysypiskach komunalnych. Z powodu cz�stego braku odpowiednich uszczelnie� masy składowanych odpadów, zasoby gazu wysypiskowego mo�liwe do pozyskania nie przekraczaj� 30-45proc. ich całkowitego potencjału technicznego powstaj�cego na wysypisku. Najlepszym sposobem ograniczenia zagro�e� dla �rodowiska spowodowanych emisjami gazu wysypiskowego jest zbudowanie instalacji do jego odzysku i ewentualnego energetycznego wykorzystania.

Obecnie technologie energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego (głównie do produkcji energii elektrycznej lub w skojarzeniu z produkcj� energii cieplnej) nale�� do najszybciej rozwijaj�cych si� gał�zi energetyki odnawialnej na �wiecie. W Polsce jeszcze w 1996 r. działało tylko kilka instalacji, w ostatnich dwóch latach liczba ta zacz�ła si� szybko zwi�ksza�, dochodz�c w ko�cu 1998 r. do 16. Pierwsze wdro�enia dotyczyły jak dot�d instalacji produkcyjnych tylko energi� elektryczn�, za� moc zainstalowana na poszczególnych składowiskach na ogół nie przekraczała 200 kW. Aktualnie istnieje tendencja budowy instalacji wi�kszych (powy�ej 1 MW) lub zwi�kszania mocy instalacji ju� istniej�cych. Energia cieplna jest najcz��ciej zu�ywana na potrzeby własne operatora wysypiska, lub jest sprzedawana do miejskiej sieci ciepłowniczej b�d� innych odbiorców (np. du�e kompleksy szklarni). W maju 1999 r. ł�czna moc instalacji wykorzystuj�cych gaz wysypiskowy wynosiła 5,44 MW elektrycznych i ponad 3,5 MW cieplnych.

18

2.1.4. Gaz z fermentacji osadów i �cieków

Potencjał techniczny wykorzystania biogazu z oczyszczalni �cieków do celów energetycznych jest bardzo wysoki. Do bezpo�redniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane s� oczyszczalnie biologiczne, stosowane we wszystkich oczyszczalniach �cieków komunalnych oraz w cz��ci oczyszczalni przemysłowych. Oczyszczalnie �cieków maj� stosunkowo wysokie zapotrzebowanie własne zarówno na energi� ciepln� i elektryczn�, dlatego wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów �ciekowych mo�e w istotny sposób poprawi� ich rentowno��. W Polsce od roku 1994 zainstalowano 20 biogazowni w miejskich oczyszczalniach �cieków z blokami energetycznymi do produkcji energii elektrycznej, a w budowie s� nowe. Obecnie eksploatuje si� ok. 30 instalacji. Całkowita moc wszystkich instalacji biogazowych na oczyszczalniach �cieków w Polsce z ko�cem 1999r. wynosiła 14,5 MW elektrycznych i ok. 24,4 MW cieplnych. Potencjał techniczny biopaliw ciekłych otrzymanych z konwersji biomasy, takich jak benzyna z dodatkiem etanolu jak i paliwo otrzymywane z tłuszczów ro�linnych lub zwierz�cych, szacuje si� na 12-17 PJ/rok. Obecnie zgodnie z polskimi normami, etanol mo�e stanowi� jedynie 5 proc. dodatek do paliwa tradycyjnego. Do produkcji alkoholu etylowego mo�na stosowa�: zbo�e, ziemniaki, buraki, melas�. Od roku 1996 produkcja bioetanolu (odwodnionego alkoholu etylowego pochodzenia ro�linnego) w wysoko�ci około 110 mln litrów prawie w cało�ci wykorzystywana jest do celów przemysłowych jako dodatek do paliw. 2.2. Energetyka wodna

Najwi�ksze tradycje ma w Polsce energetyka wodna. Energetyczne zasoby wodne Polski s� niewielkie ze wzgl�du na niezbyt obfite i niekorzystne rozło�one opady, du�� przepuszczalno�� gruntu i niewielkie spadki terenów. Ł�czna moc zainstalowana du�ych elektrowni wodnych wynosi około 630 MW, a małych 160 MW. Nale�y zauwa�y�, �e moc aktualnie istniej�cych elektrowni wodnych mo�e by� zwi�kszona o 20-30 proc. poprzez modernizacj� agregatów pr�dotwórczych. Energetyka wodna w Polsce, wobec obecnie niewielkiego stopnia wykorzystania istniej�cego potencjału technicznego ma szanse w przyszło�ci na dalszy rozwój. Praktycznie jedynymi obiektami hydroenergetycznymi, których ilo�� stale wzrasta, głównie za spraw� inwestorów prywatnych, s� małe elektrownie wodne, budowane przewa�nie na istniej�cych (cz�sto zdewastowanych) stopniach wodnych. Do grupy małych elektrowni wodnych zalicza si� obiekty o mocy zainstalowanej poni�ej 500 kW, jednak niewielkie zasoby wodne Polski powoduj�, i� znaczna cz��� małych elektrowni wodnych dysponuje mocami zainstalowanymi poni�ej 100 kW. W ostatnich latach uruchomiono szereg tego typu elektrowni, i tak: w 1996 r. – 23 obiekty, 1997 r. – 19 obiektów, 1998 r. – 29 obiektów. 2.3. Energia geotermalna Wody geotermalne na obszarze Polski wykorzystywane były od dawna do celów leczniczych. W ostatnich latach w kraju zostały przeprowadzone badania, maj�ce na celu okre�lenie mo�liwo�ci wykorzystania wód geotermalnych do celów grzewczych. O ile potencjał techniczny wód geotermalnych został dokładnie zbadany to nale�y zauwa�y�, �e istnieje potrzeba prowadzenia dalszych bada� w zakresie odprowadzania do górotworu wykorzystanych wód. Główne zasoby wód geotermalnych koncentruj� si� na obszarze ni�owym, zwłaszcza w pasie od Szczecina do Łodzi, w rejonie grudzi�dzko-warszawskim oraz w rejonie Przedkarpackim. Cech� charakterystyczn� wszystkich inwestycji geotrmalnych jest ich wysoki koszt pocz�tkowy, zwi�zany z konieczno�ci� odwiercania otworów wiertniczych, których koszt szacuje si� na ok. 50-60 proc. wszystkich nakładów na realizacj� całej inwestycji. Sfinansowanie za zgod� Ministra rodowiska, ze �rodków NFOiGW (pochodz�cych z opłat eksploatacyjnych), prac geologicznych zwi�zanych z wykorzystaniem odwiertów eksploatacyjnych i chłonnych inwestycji

19

w Pyrzycach i na Podhalu w bardzo znacz�cy sposób przyczyniło si� do powstania tam pierwszych w Polsce ciepłowni geotermalnych. Ograniczone �rodki finansowe jakimi dysponuje Minister rodowiska nie pozwalaj� jednak na pozytywne zaopiniowanie wszystkich wpływaj�cych do NFOiGW wniosków o dofinansowanie prac geologicznych zwi�zanych z budow� ciepłowni geotermalnych. W Polsce działaj� obecnie instalacje geotermalne w Ba�skiej na Podhalu (o mocy 4,5 MW – docelowo 70 MW), w Pyrzycach koło Szczecina (15 MW – docelowo 50 MW), a tak�e ostatnio uruchomiona trzecia instalacja w Mszczonowie koło Warszawy (o mocy 7,3 MW). 2.4. Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa w naszym kraju zacz�ła rozwija� si� dopiero na pocz�tku lat dziewi��dziesi�tych, głównie na wybrze�u. Rejonami najbardziej uprzywilejowanymi do wykorzystania energii wiatru s� Wybrze�e Morza Bałtyckiego, Suwalszczyzna i Równina Mazowiecka. Do ko�ca 1999r. uruchomiono 14 sieciowych ferm wiatrowych o ł�cznej mocy zainstalowanej ponad 3,5 MW. Ponadto funkcjonuje około 50 małych autonomicznych siłowni wiatrowych. Obserwuje si� du�e zainteresowanie inwestorów instalacjami wiatrowymi szczególnie w północno-zachodniej Polsce, gdzie na ró�nych etapach przygotowania realizowanych jest około 10 inwestycji o planowanych mocach 600 kW. 2.5. Energetyka słoneczna Energetyka słoneczna praktycznie jest najmniej wykorzystan� w Polsce form� energii. Warunki meteorologiczne w Polsce charakteryzuj� si� bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym, ok. 80 procent całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sze�� miesi�cy sezonu wiosenno-letniego. Charakter rozkładu g�sto�ci strumienia energii promieniowania, jego struktura wskazuj� na pewne ograniczenia w mo�liwo�ciach jego wykorzystania, zwłaszcza w okresie zimowym. W kilku regionach kraju stosowne s� kolektory słoneczne (powietrzne i cieczowe). Kolektory powietrzne maj� najcz��ciej zastosowanie w rolnictwie do suszenia płodów rolnych. Ogóln� ich ilo�� ocenia si� na 50-60 szt., a ich powierzchni� na 6000m2. S� one wykorzystywane �rednio przez 300-600 godzin rocznie. Kolektory cieczowe znajduj� zastosowanie przede wszystkim do podgrzewania wody w mieszkaniach, domkach kempingowych, letniskowych obiektach sportowych i rekreacyjnych, w budynkach inwentarskich, paszarniach, a tak�e do podgrzewania wody w zbiornikach, basenach oraz wody technologicznej w małych zakładach przemysłowych. Do tej pory zainstalowano w Polsce ok. 1000 instalacji słonecznego podgrzewania wody u�ytkowej o ł�cznej powierzchni kolektorów przekraczaj�cej 1000 m2.

Ogniwa fotowoltaiczne, w których dokonuje si� konwersji promieniowania słonecznego na energi� elektryczn� w Polsce u�ytkowane s� w niewielkim zakresie.

3. Prognozy

Istniej� znaczne rozbie�no�ci w ocenie potencjału technicznego odnawialnych �ródeł energii wyst�puj�cych w Polsce. Zgodnie z ekspertyz� Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej pt. „Ekonomiczne i prawne aspekty wykorzystania odnawialnych �ródeł energii w Polsce” (EC BREC, 2000 r.), rzeczywisty potencjał techniczny odnawialnych �ródeł energii w Polsce wynosi około 2514 PJ/rok co przy pełnym wykorzystaniu stanowiłoby prawie 60 proc. krajowego zapotrzebowania na energi� pierwotn�.

Aby móc wykorzysta� istniej�cy potencjał techniczny odnawialnych �ródeł energii nale�y stworzy� odpowiednie warunki sprzyjaj�ce ich rozwojowi, zwi�kszy� nakłady finansowe na badania i rozwój technologii oraz stworzy� system dofinansowania przedsi�wzi�� z zakresu

20

odnawialnych �ródeł energii. W działaniach nale�y przede wszystkim wzorowa� si� na Unii Europejskiej, która od szeregu lat wspiera rozwój odnawialnych �ródeł energii.

Analizuj�c potencjał techniczny w krajach UE i Polsce mo�na zauwa�y�, �e potencjał techniczny odnawialnych �ródeł energii w Polsce jest relatywnie du�y (np. znacznie wi�kszy od potencjału technicznego Danii i Szwecji). Teoretycznie najwi�kszy potencjał techniczny tkwi w promieniowaniu słonecznym, niestety nie jest realne, aby w najbli�szym czasie nast�pił znaczny wzrost wykorzystania energii promieniowania słonecznego w naszym kraju. W porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej nale�y przede wszystkim zwróci� uwag� na fakt, �e posiadamy du�y potencjał techniczny biomasy, jak te� znaczne zasoby energii geotermalnej. Tab.2. Przewidywany poziom 7,5% energii elektrycznej z O�E w 2010 r.

Technologia O�E Dodatkowa moc zainstalowana w latach 2000-

2010, [MW]

Ł�czna roczna produkcja

energii elektrycznej z O�E w Polsce

w 2010, [GWh]

Ł�czna roczna produkcja

energii cieplnej z O�E w

Polscew 2010, [TJ]

Ł�czna roczna produkcja

energii z O�E w Polsce w 2010, [TJ]

Udział energii wyprodukowanej

z O�E w 2010, [%]

Elektrownie wiatrowe 600 1200 0 4320 2,5 Małe elektrownie wodne 200 800 0 2880 1,2 Systemy fotowoltaiczne 2 2 0 7,2 0,0 Biogazownie komunalne 500 2000 5000 12200 5,2 Biogazownie rolnicze 30 120 150 582 0,2 Gaz wysypiskowy 60 360 420 1716 0,7 Kolektory słoneczne powietrzne 100 0 200 200 0,1 Kolektory słoneczne wodne 700 0 2100 2100 0,9 Ciepłownie automatyczne na drewno

4700 0 47000 47000 20,0

Ciepłownie automatyczne na słom� 2200 0 22000 22000 9,4 Kotły indywidualne na biomas� 8900 0 71200 71200 30,3 Elektrociepłownie na drewno 1200 9600 24000 58560 24,9 Ciepłownie geotermalne 400 0 2400 2400 1,0 Metyloestry oleju rzepakowego 2000 0,9 Bioetanol 8000 3,4 RAZEM 19592 14082 174470 235000 100,0 wiatowa Komisja Rady Energetycznej przewiduje do roku 2020 wzrost udziału energii odnawialnej w zale�no�ci od scenariusza rozwoju do 21,3 proc. (scenariusz pesymistyczny) lub nawet do 29.6 proc. (scenariusz optymistyczny). Eksperci energetyczni zaproszeni na wiatowy Kongres Energii Odnawialnej w Denwer w 1996 roku prognozowali, �e w 2070 roku udział odnawialnych �ródeł energii wyniesie od 60% do 80%. W bli�szej perspektywie, Unia Europejska do roku 2010 zakłada udział energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym w wysoko�ci 12 proc. Dla Polski okre�lono, �e w 2010 roku w wariancie maksymalnie korzystnym udział energii odnawialnej w zu�yciu energii pierwotnej wyniesie 5,5 proc. (248,8 PJ). Z prac prognostycznych wykonanych przez polskich specjalistów (Zało�enia polityki energetycznej Polski do roku 2020) wynika, �e w 2010 roku w Polsce udział energii odnawialnej w zu�yciu energii pierwotnej b�dzie wynosił od 5,06% do 5,74% (233,3-263,8 PJ) w zale�no�ci od

21

przyj�tego scenariusza makroekonomicznego. Odsetek ten jest około dwukrotnie ni�szy od zalecanego przez Uni� Europejsk�, dla krajów członkowskich. Nie jest jednak mo�liwa realizacja takich samych zada� – warto�ciowo i terminowo – co do udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo – energetycznym jakie stawia sobie Unia Europejska, zwłaszcza w krótkim okresie do roku 2010. Jest to spowodowane przede wszystkim wieloletnim opó�nieniem naszego kraju do Unii w systemowym stosowaniu mechanizmów wspieraj�cych rozwój odnawialnych �ródeł energii. Natomiast w perspektywie długoterminowej, maj�c na uwadze podobny potencjał techniczny powinni�my d��y� do osi�gni�cia zbli�onego udziału energii odnawialnej w bilansie energetyczno-paliwowym kraju jaki b�dzie krajom członkowskim stawia� Unia Europejska. 4. Cel strategiczny dla Polski

Celem strategicznym jest zwi�kszenie udziału energii ze �ródeł odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 7,5 proc. w 2010 i do 14 proc w 2020 roku w strukturze zu�ycia pierwotnych no�ników energii.

Analizuj�c informacje dotycz�ce potencjału technicznego odnawialnych �ródeł energii, a tak�e prognozy dotycz�ce mo�liwo�ci ich wykorzystania wydaje si� mało mo�liwe w chwili obecnej przyj�cie na 2010 rok takiego celu jaki postawiła Unia Europejska tzn. 12 proc. udziału odnawialnych �ródeł energii. Strategia i plan działa� w dziedzinie odnawialnych �ródeł energii przedstawiony w Białej Ksi�dze Komisji Europejskiej wymusiły na wszystkich krajach członkowskich podejmowanie działa� wspieraj�cych odnawialne �ródła energii, takich jak: inwestowanie w badania, zwolnienia podatkowe, gwarantowane ceny energii, subsydia inwestycyjne itp. Sama Komisja Europejska od ponad dziesi�ciu lat wspiera badania i rozwój odnawialnych �ródeł energii w ramach kolejnych Ramowych Programów Bada� i Rozwoju. W porównaniu z Uni� Europejsk� krajowy rozwój odnawialnych �ródeł energii jest wspierany w znacznie mniejszym stopniu, a tak�e napotyka bariery utrudniaj�ce jego rozwój.

W Polsce stosowanie systemów wykorzystuj�cych odnawialne �ródła energii jak na razie w wielu przypadkach nie znajduje bezpo�redniego uzasadnienia ekonomicznego. Wieloletnia tradycja stosowania w�gla jako głównego paliwa ekonomicznego, stosowane w przeszło�ci dotacje do energetyki i niskie ceny tradycyjnych no�ników energii znacznie utrudniały wprowadzenie energii ze �ródeł odnawialnych (poza energetyk� wodn�). Barier� trudn� do przezwyci��enia s� wysokie nakłady inwestycyjne. Uwzgl�dniaj�c aspekt ekonomiczny, (warunkuj�cy osi�gni�cie licz�cego si� udziału w bilansie energetycznym energii ze �ródeł odnawialnych) trzeba wzi�� pod uwag�, �e wy�sza cena energii wyprodukowanej ze �ródeł odnawialnych (w porównaniu z klasycznymi �ródłami) przy ich lokalnym wykorzystaniu, mo�e by� przynajmniej cz��ciowo pomniejszona o koszt zb�dnej transmisji (przesyłu). Tym niemniej w szeregu przypadków nale�y liczy� si� z kosztami rezerwowania dostaw energii z systemu elektroenergetycznego i/lub gazowniczego. 5. Finansowanie przedsi�wzi�� z zakresu odnawialnych �ródeł

energii Obecnie działa w kraju kilka instytucji finansowych wspieraj�cych odnawialne �ródła

energii, nale�� do nich: Narodowy Fundusz Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej, EkoFundusz, Fundusz Termomodernizacji, wojewódzkie fundusze, ochrony �rodowiska i gospodarki wodnej. Istniej� te� organizacje finansowe, które mog� udziela� wsparcia dla projektów wykorzystania odnawialnych �ródeł energii je�eli przyczyniaj� si� do rozwoju terenów rolniczych – Fundacja Programów Pomocy dla Rolnictwa, Agencja Własno�ci Rolnej Skarbu Pa�stwa, Fundacja Rolnicza. Instytucje te udzielaj� preferencyjnych po�yczek oraz dotacji, wynosz�cych zazwyczaj nie wi�cej ni� 50 proc. kosztów projektu. Niezale�nie od �rodków na rozwój energetyki odnawialnej dost�pnych w kraju, rosn� mo�liwo�ci wykorzystania pomocy

22

zagranicznej w tym zakresie. Oprócz Banku wiatowego i znanych europejskich banków finansowych coraz wi�ksze znaczenie w zakresie finansowania projektów energetyki odnawialnej w Polsce b�d� miały celowe programy Komisji Europejskiej takie jak: Altener II, Synergy, Life, 5 Program Ramowy o Współpracy Technologicznej i Preferencji. W wielu przypadkach te fundusze i programy umo�liwiaj� pozyskanie dotacji na przygotowanie projektów inwestycyjnych i na budow� instalacji pokazowych. W zwi�zku z trwaj�cym procesem integracji z Uni� Europejsk� znaczenie mo�e mie� fundusz PHARE, a tak�e fundusze przedakcesyjne ISPA, SAPARD. Uzupełnieniem funduszy mi�dzynarodowych w finansowaniu energetyki odnawialnej s� fundusze mo�liwe do pozyskania w ramach współpracy bilateralnej z pa�stwami zachodnimi np. Dania, Niemcy, Szwecja. 6. Podsumowanie

W ci�gu najbli�szych lat energia ze �ródeł odnawialnych stanowi� b�dzie znaczny składnik �wiatowego bilansu energetycznego oraz bilansu Unii Europejskiej. Rozpocz�ty proces integracji z Uni� Europejsk� z jednej strony zobowi�zuje nasz kraj do podejmowania działa� na rzecz rozwoju, wykorzystania odnawialnych �ródeł energii, z drugiej strony daje szanse na skorzystanie z istotnej pomocy Unii Europejskiej w tej dziedzinie w okresie ju� przedakcesyjnym. Nasz cel strategiczny dotycz�cy udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym w 2010 jest prawie o połow� mniejszy od zadania jakie postawiła sobie Unia Europejska. Jednak�e prognozy co do udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym kraju nie wskazuj�, aby udział ten do 2010 roku mógł by� wi�kszy ni� 7,5 proc. W tym czasie zostan� sprawdzone i zweryfikowane – zaproponowane w przekładanej strategii – mechanizmy i przygotowane nowe rozwi�zania. Jednocze�nie, z uwagi na specyficzne uwarunkowania, bezzwłocznie nale�y przyst�pi� do opracowania programów rozwoju dla poszczególnych rodzajów odnawialnych �ródeł energii, które przyczyniłyby si� do lepszej realizacji celów strategicznych. Działania te powinny pozwoli� na podwojenie udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym kraju w perspektywie roku 2020 i uzyskanie tej warto�ci na poziomie 14 proc.

Na koniec nale�y jeszcze raz przypomnie�, �e rozwój odnawialnych �ródeł energii stwarza szans� szczególnie dla lokalnych społeczno�ci na utrzymanie niezale�no�ci energetycznej, rozwoju regionalnego i nowych miejsc pracy, a tak�e na proekologiczn� modernizacj�, dywersyfikacj� i decentralizacj� krajowego sektora energetycznego. Nale�y pami�ta�, �e im szybciej Polska zaanga�uje si� w rozwój wykorzystania odnawialnych �ródeł energii, tym szybciej krajowy przemysł energetyki odnawialnej, a w szczególno�ci małe i �rednie przedsi�biorstwa stan� si� równorz�dnym uczestnikiem �wiatowego rynku technologii odnawialnych �ródeł energii. Posiadany w kraju potencjał techniczny odnawialnych �ródeł energii zobowi�zuje do realizacji zada� maj�cych na celu jego jak najlepsze wykorzystanie, a na obecnym etapie, bez wsparcia ze strony pa�stwa, szybki rozwój energetyki odnawialnej nie jest mo�liwy.

7. Wnioski - Krajowy potencjał techniczny odnawialnych �ródeł energii jest porównywalny z potencjałem

technicznym krajów Unii Europejskiej. Ró�ni� mog� si� potencjały techniczne poszczególnych rodzajów energii w naszym kraju i pa�stwach członkowskich.

- Rozwi�zania systemowe wspieraj�ce rozwój odnawialnych �ródeł energii funkcjonuj� w Unii Europejskiej od pi�tnastu lat. W naszym kraju dopiero od niedawna zaczyna si� prowadzi� działania maj�ce na celu wsparcie rozwoju energetyki odnawialnej dlatego trudno jest do 2010 roku osi�gn�� cel postawiony przez Uni� Europejsk�.

- W zwi�zku z du�ym opó�nieniem we wprowadzeniu w kraju mechanizmów wspieraj�cych odnawialne �ródła energii, pierwszy okres t.j. do roku 2010, realizacji strategii nale�y

23

traktowa� jako czas wprowadzenia zaproponowanych rozwi�za�, oceny tych rozwi�za� oraz ich weryfikacji.

- W pierwszym okresie realizacji strategii opracowane zostan� tak�e programy rozwoju poszczególnych rodzajów energii odnawialnej. Wdro�enie tych programów jest wa�nym elementem realizacji strategii rozwoju energetyki odnawialnej. W pocz�tkowym okresie wzrasta� b�dzie, przede wszystkim wykorzystanie biomasy.

- Podj�te działania powinny doprowadzi� co najmniej do udziału energii odnawialnej w bilansie paliwowo-energetycznym kraju w perspektywie roku 2020 na poziomie 14 proc.

24

25

I ENERGIA SŁONECZNA

1. �wiatowy rozwój fotoogniw i kolektorów słonecznych.

Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na �wiecie ze wzgl�du na to, �e przetwarzaj� one promieniowanie słoneczne bezpo�rednio na energi� elektryczn�, bez ubocznej produkcji zanieczyszcze�, hałasu i innych czynników wywołuj�cych niekorzystne zmiany �rodowiska. Produkcja modułów fotowoltaicznych, drugiego najszybciej rosn�cego odnawialnego �ródła energii w latach 1990 – 98 zwi�kszała si� �rednio o 25% rocznie. W 1998 wyniosła ona 152 MW (przyrost o 30% wzgl�dem 1997), a w 2003 spodziewane jest, �e produkcja osi�gnie poziom 800 MW.

Około 50% rynku �wiatowego jest ulokowana w zastosowaniach nie doł�czonych do sieci elektroenergetycznej, takich jak telefony awaryjne, stacje telekomunikacyjne, pompy wody itp., gdzie jedyn� alternatyw� s� kosztowne systemy z generatorami dieslowymi. Zastosowania w urz�dzeniach powszechnego u�ytku takich jak zegarki, kalkulatory, itp. wykorzystuj� 20% zainstalowanej mocy. Jednak�e obecny gwałtowny wzrost produkcji zwi�zany jest z zastosowaniami w budownictwie (pozostałe 30%). Systemy fotowoltaiczne maj� ogromny potencjał do zasilania urz�dze� na obszarach nie podł�czonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej. Ocenia si�, �e ok. kilka milionów gospodarstw domowych na całym �wiecie korzysta obecnie z systemów fotowoltaicznych do pokrycia wi�kszo�ci lub cało�ci swojego zapotrzebowania na energi� elektryczn�.

Jednak�e w ostatnich latach du�y nacisk, szczególnie w krajach wysoko uprzemysłowionych, kładziony jest na rozwój systemów fotowoltaicznych podł�czonych do sieci elektroenergetycznej, poniewa� zapewniaj� one najwy�szy potencjał na długofalow� redukcj� zu�ycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji dwutlenku w�gla.

W Niemczech, po sukcesie programu „1000 słonecznych dachów”, realizowanego w latach 1991-1995 (do 1995 r. zainstalowano 2200 instalacji o ł�cznej mocy 5,3 MW), rz�d federalny ogłosił w ko�cu 1998 r. program 100.000 dachów. Szybki rozwój fotowoltaiki w Niemczech wynika z dotacji rz�dowych i wysokiej ceny energii elektrycznej oferowanej przez zakłady energetyczne. Wykorzystuj�c obecny boom budowlany, w Berlinie zainstalowano systemy fotowoltaiczne w Parlamencie, Ministerstwie Gospodarki, stacji kolejowych i budynkach mieszkalnych. W Monachium na dachu hali targowej zainstalowano system o mocy 1 MW.

Rz�d japo�ski ma bardzo ambitne plany, które spowodowały dynamiczny rozwój PV w ostatnich dwóch latach. Dzi�ki nowemu prawu dotycz�cemu zakupu energii i 50% dotacji rz�dowej zainstalowano 9400 systemów w 1997 r. i ok. 14000 w 1998 r. Japo�ski program spowodował, �e produkcja modułów PV wzrosła 2,5-krotnie w ostatnich dwóch latach do prawie 50 MW rocznie. Celem programu koordynowanego przez Ministerstwo Handlu i Przemysłu (MITI) Japonii była instalacja ponad 70000 dachowych systemów PV do roku 2000. Zakłada si�, �e te

26

systemy słoneczne stan� si� całkowicie konkurencyjne do roku 2003, w którym to roku zamierza si� znie�� bezpo�rednie dotacje do programu.

Z informacji przekazanych przez firm� Sharp wynika, �e wyprodukuje ona w najbli�szych latach tak� ilo�� fotoogniw, �e instalacje wykorzystuj�ce energi� słoneczn� b�d� montowane w 60000 nowych domów w ci�gu roku, co stanowi� b�dzie 10% całkowitej ilo�ci budowanych rocznie domów w Japonii.

W wielu krajach, głównie takich jak Bangladesz, Chiny, Indie, Wietnam uruchomiono nowe systemy po�yczek na budow� systemów słonecznych w domach. Np. w 1996 roku w Indiach bank i firma „Solar Electric Light Company” zaoferowały ludziom kredyt na budow� domowego systemu słonecznego oraz serwis tego systemu po uruchomieniu. W celu poparcia „przemysłu słonecznego” Bank wiatowy zatwierdził w 1997 roku program „Rynek Transformacji i Inicjatywy Wykorzystania Energii Słonecznej”, przyznaj�c 30 mln dolarów rocznie dla firm i konsorcjów, które przedstawi� i b�d� upowszechnia� rozwój „energii słonecznej” m.in. w Indiach, Kenii i Maroku.

Przed konferencj� klimatyczn� w Kioto Stany Zjednoczone i Unia Europejska ogłosiły �miałe programy „Miliona dachów słonecznych”, których zamiarem jest dynamiczny wzrost wielko�ci rynku słonecznego i uzyskanie szerokiego poparcia społecze�stw dla tej technologii.

Plan ameryka�ski zakłada szerokie wł�czenie władz stanowych i lokalnych, organizacji społecznych i zakładów energetycznych do realizacji wytyczonych celów. Program europejski zaczyna si� rozwija� i wydaje si�, �e ma wystarczaj�co silne poparcie finansowe i polityczne, aby zrealizowa� swoje ambitne cele. Niemcy, Holandia, Włochy, Szwajcaria realizuj� równie� ambitne plany instalacji systemów PV w budownictwie. Najwi�ksz� moc uzyskiwan� ze �ródeł PV w przeliczeniu na jednego mieszka�ca na koniec 2003 roku posiadała Szwajcaria.

Gwałtowny wzrost zapotrzebowania rynku na systemy fotowoltaiczne przy�piesza inwestowanie w technologie słoneczne w ostatnich dwóch latach. Kilka du�ych koncernów energetycznych (Canon, British Petrolium, Shell) zwi�kszyło inwestycje w tej dziedzinie. Nowe linie produkcyjne s� uruchamiane przez firmy Kyocera (najwi�kszy producent �wiatowy) w Japonii, Photowatt we Francji, Siemens i Solarex w USA, BP w Australii i Indiach. Shell Solar buduje najwi�ksz� (25 MW/rok) fabryk� modułów fotowoltaicznych w Niemczech.

Koszt wytwarzania ogniw fotowoltaicznych maleje z powodu zwi�kszania skali produkcji, jak równie� na skutek optymalizacji procesu wytwarzania ogniw. Chocia� ceny rynkowe na skutek du�ego popytu s� obecnie stałe i wynosz� ok. 4 USD/W, to spodziewany jest ich spadek poni�ej 2 USD/W w ci�gu obecnej dekady. Uczyni to energi� słoneczn� konkurencyjn� nawet z wieloma systemami konwencjonalnymi doł�czonymi do sieci elektroenergetycznej.

Technologia słonecznych kolektorów termicznych jest ju� prawie całkowicie dojrzała. Tym niemniej istniej� mo�liwo�ci dalszej obni�ki kosztów produkcji w przypadku wielkiej skali produkcji oraz poprawy zarówno procesu produkcji jak i marketingu. W chwili obecnej w krajach Unii Europejskiej istnieje ok. 300 małych przedsi�biorstw działaj�cych w tym sektorze, bezpo�rednio zatrudniaj�cych ok. 10000 osób. Ogrzewanie przy pomocy słonecznych kolektorów termicznych jest konkurencyjne do ogrzewania elektrycznego, szczególnie na południu Europy.

W 1995 r. było zainstalowanych ok. 6,5 mln m2 kolektorów słonecznych w krajach Unii Europejskiej. Roczny przyrost rz�du 1 mln m2 koncentruje si� w 3 krajach – Austrii, Niemczech i Grecji.

Eksperci Banku wiatowego uwa�aj�, �e najracjonalniejszym sposobem wykorzystania energii cieplnej sło�ca jest budowa du�ych instalacji kolektorów słonecznych stosowanych np. w miejskich systemach grzewczych. Tego typu rozwi�zania b�d� stymulowały dalszy rozwój tej technologii.

27

2. Wiadomo�ci wst�pne z optoelektroniki 2.1. Wprowadzenie

Optoelektronika jest działem elektroniki i technologii elektronowej obejmuj�cym wzajemne

oddziaływanie energii promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym, nadfioletowym, podczerwonym i energii elektrycznej oraz wykorzystanie tego oddziaływania w elementach optoelektronicznych. Optoelektronika zajmuje si� przede wszystkim przetwarzaniem sygnałów elektrycznych na sygnały optyczne i odwrotnie - wytwarzaniem, przetwarzaniem i magazynowaniem informacji niesionych przez promieniowanie �wietlne.

Jak pami�tamy z fizyki, promieniowanie elektromagnetyczne od nadfioletu do podczerwieni obejmuje zakres promieniowania o długo�ci fal od ok. 1 nm do ok. l mm, przy czym nadfioletowa cz��� widma zawiera si� w zakresie 1 ÷ 380 nm, a podczerwona - w zakresie 780 nm ÷ 1 mm. Promieniowanie w zakresie 380 nm ÷780 nm jest promieniowaniem widzialnym. Długo�� fali i cz�stotliwo�� f s� zwi�zane znan� zale�no�ci�

C0 = � · f przy czym: C0 - pr�dko�� �wiatła w pró�ni

W zakresie widzialnym, w zale�no�ci od długo�ci fali otrzymuje si� ró�ne barwy widma.

Poszczególnym długo�ciom fali odpowiadaj� nast�puj�ce składowe widma: 380 ÷ 450 nm - fioletowa cz��� widma, 450 ÷ 490 nm - niebieska cz��� widma, 490 ÷ 565 nm - zielona cz��� widma, 540 ÷ 560 nm - zielono�ółta cz��� widma, 565 ÷ 590 nm - �ółta cz��� widma, 590 ÷ 650 nm - pomara�czowa cz��� widma, 650 ÷ 780 nm - czerwona cz��� widma.

Promieniowanie widzialne, wywołuj�ce u ludzi i zwierz�t wra�enia wzrokowe, jest nazywane �wiatłem. Stopie� reakcji oka ludzkiego na �wiatło monochromatyczne zale�y od długo�ci fali . Na osi rz�dnych (Rys. 2.) naniesiono czuło�� oka ludzkiego w jednostkach wzgl�dnych, tzn. w odniesieniu do czuło�ci maksymalnej. Maksimum tej charakterystyki wyst�puje przy długo�ci fali S = 555 nm, a wi�c odpowiada barwie zielono�ółtej i ma warto�� S()rel = 1. Czuło�� maleje do zera przy długo�ci fali 1 = 400 nm i 2 = 700 nm. Oko ludzkie jest wi�c filtrem o charakterystyce podobnej do charakterystyki amplitudowej obwodu rezonansowego.

W oddziaływaniu �wiatła z materi�, w tym i z półprzewodnikami, uwidaczniaj� si� jego wła�ciwo�ci falowe i korpuskularne (cz�steczkowe). Wła�ciwo�ci falowe dominuj� w oddziaływaniach biernych jak: odbicie, załamanie, dyfrakcja, interferencja, rozproszenie, polaryzacja; natomiast w oddziaływaniach czynnych, jak: absorpcja, emisja i luminescencja - dominuj� wła�ciwo�ci korpuskularne. Wła�ciwo�ci falowe, czy korpuskularne �wiatła, przejawiaj� si� w ró�nym stopniu, zale�nie od długo�ci fali. W przypadku fal krótkich przewa�aj� wła�ciwo�ci korpuskularne, w przypadku fal długich – wła�ciwo�ci falowe.

Promieniowanie �wietlne opisuje si� wielko�ciami energetycznymi i wielko�ciami �wietlnymi. Strumie� �wietlny i dalsze jednostki �wietlne s� wielko�ci� pochodn� od strumienia energetycznego. Jednak�e temu samemu co do warto�ci strumieniowi energetycznemu mog� odpowiada� ró�ne warto�ci strumienia �wietlnego i odwrotnie – ten sam strumie� �wietlny mo�e by� wywołany ró�nymi strumieniami energetycznymi. Zale�y od rozkładu energetycznego widma promieniowania.

28

W optoelektronice obecnie wykorzystuje si� przede wszystkim elementy półprzewodnikowe. Elementy te mo�na podzieli� na: fotodetektory promieniowania, �ródła promieniowania (fotoemitery) i transoptory. Du�� grup� elementów optoelektronicznych stanowi� powszechnie stosowane wska�niki odczytowe, do których nale�� zarówno wska�niki półprzewodnikowe (cyfrowe i alfanumeryczne), jak i wska�niki ciekłokrystaliczne, czy te� starszego typu wska�niki jarzeniowe i elektroluminescencyjne.

Rys.1. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.

Rys.2. Charakterystyka widmowa wzgl�dnej czuło�ci oka.

29

Tab.3. Wielko�ci opisuj�ce promieniowanie Wielko�ci energetyczne

Jednostka Wielko�� Symbol nazwa symbol

Energia promieniowania Q, W, U D�ul J

Moc promieniowania (strumie� energetyczny) Pe, �e Wat W

Nat��enie promieniowania Ie Wat na steradian W / sr

Luminacja energetyczna Le Wat na steradian i metr kwadratowy W / (sr*m2)

Egzytancja eneregtyczna Me Wat na metr kwadratowy W / m2

Wielko�ci �wietlne

Jednostka Wielko�� Symbol nazwa symbol

Ilo�� �wiatła Qv Lumenosekunda lm * s

Strumie� �wietlny �v Lumen lm

wiatło�� Iv Kandela cd = lm / sr

Luminacja Lv Kandela na metr kwadratowy cd / m 2

Egzytancja �wietlna Mv Lumen na metr kwadratowy lm / m2

Nat��enie o�wietlenia Ev Lux lx

2.2. Półprzewodnikowe detektory promieniowania Półprzewodnikowe detektory promieniowania, nazywane tak�e fotodetektorami, s� elementami fotoczułymi, reaguj�cymi na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub podczerwonym. Przekształcaj� one energi� tego promieniowania w energi� elektryczn�. W fotodetektorach jest wykorzystywane wewn�trzne zjawisko fotoelektryczne. Je�eli przez półprzewodnik zostanie pochłoni�ty (zaabsorbowany) foton o energii W=hf (h – stała Plancka) wi�kszej od szeroko�ci przerwy energetycznej Wg, to powstanie dodatkowa para no�ników elektron-dziura. W wyniku o�wietlenia nast�pi wi�c wzrost koncentracji no�ników ładunku w półprzewodniku i zwi�zany z tym wzrost konduktywno�ci - zjawisko fotoprzewodnictwa, b�d� te� nast�pi samoistna polaryzacja zł�cza PN, wskutek czego stanie si� ono �ródłem siły elektromotorycznej – zjawisko fotowoltaiczne. Oba zjawiska zale�� od mocy padaj�cego promieniowania. Fotodetektory s� wykonywane jako elementy obj�to�ciowe, np. fotorezystory lub jako elementy zł�czowe ze zł�czem PN – fotodiody, fototranzystory, fototyrystory, fotoogniwa itp. Elementy wykorzystuj�ce zjawisko fotowoltaiczne, tzw. fotoogniwa nie wymagaj� dodatkowego zasilania, poniewa� same wytwarzaj� sił� elektromotoryczn�.

30

S� one przetwornikami generacyjnymi. Pozostałe elementy nale�� do przetworników parametrycznych. Oprócz fotodetektorów b�d�cych odr�bnymi elementami, tzw. fotodetektorów dyskretnych, s� stosowane fotodetektory scalone, obejmuj�ce matryce fotodetektorów, fotodetektory segmentowe i przetworniki obrazu. 2.2.1. Fotodiody

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa, z tym �e w obudowie znajduje si� soczewka płaska lub wypukła, umo�liwiaj�ca o�wietlenie jednego z obszarów zł�cza.

Rys.3. Fotodioda a) zasada działania b) struktura.

Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku o�wietlenia przez fotodiod� płynie niewielki ciemny pr�d wsteczny IR0, który tworz� głównie no�niki mniejszo�ciowe. Przy o�wietleniu fotodiody, w pobli�u jej powierzchni s� generowane pary no�ników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i zwi�zana z nim bariera potencjału uniemo�liwiaj� przepływ no�ników wi�kszo�ciowych, natomiast no�niki mniejszo�ciowe (tj. dziury w obszarze N i elektrony w obszarze P) dyfunduj� do obszaru ładunku przestrzennego, s� przyspieszane i pokonuj� zł�cze. Przez zł�cze płynie dodatkowy pr�d fotoelektryczny Ip. pr�d o�wietlonego zł�cza, tzw. pr�d jasny IR(e) składa si� wi�c z pr�du fotoelektrycznego Ip i pr�du ciemnego IR0.

IR(e) = Ip - IR0 Rozdzielenie (redystrybucja) no�ników ładunku powoduje jednocze�nie powstanie dodatkowej ró�nicy potencjałów, obni�aj�cej istniej�c� w zł�czu barier� potencjału. Niektóre no�niki wi�kszo�ciowe pokonuj� t� obni�on� barier� potencjału. Przechodz� (s� wstrzykiwane) do s�siednich obszarów, gdzie staj� si� no�nikami mniejszo�ciowymi i rekombinuj�. Napi�cie powstałe na zaciskach zł�cza nazywa si� napi�ciem fotoelektrycznym lub napi�ciem fotowoltaicznym Up. Wskutek generacji pr�du fotoelektrycznego lub powstania napi�cia fotoelektrycznego, charakterystyki pr�dowo – napi�ciowe ulegaj� zmianie (Rys. 4.).

Pr�d fotodiody wzrasta proporcjonalnie do mocy promieniowania Pe. Czuło�� na moc promieniowania SPe, b�d�ca stosunkiem zmiany pr�du do mocy padaj�cego promieniowania jest wi�c stała i to w szerokim zakresie. Zakres ten obejmuje 8 dekad zmian mocy promieniowania. Jest to jedn� z zalet fotodiod.

31

Rys.4. Charakterystyki pr�dowo – napi�ciowe fotodiody. Istotn� zalet� fotodiod jest równie� du�a cz�stotliwo�� pracy. Mog� one przetwarza� sygnały �wietlne o cz�stotliwo�ci do kilkudziesi�ciu MHz. Fotodiody wykonuje si� z krzemu lub arsenku galu. Czuło�� widmowa fotodiod krzemowych ma maksimum przy długo�ci fali 700 ÷ 900 nm, co pokrywa si� z maksimum promieniowania fotoemiterów wykonywanych z arsenku galu. Typowe parametry fotodiod s� nast�puj�ce: maksymalne napi�cie wsteczne URmax = 10 ÷ 500 V, maksymalny pr�d ciemny IR0max = 1 ÷ 100 nA, czuło�� na moc promieniowania SPe = 0,3 ÷ 1 A/W, czuło�� na nat��enie o�wietlenia SEv = 10 ÷ 100 nA/lx. Fotodiody s� stosowane w urz�dzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania oraz w szybkich przetwornikach analogowo-cyfrowych. Jednak najbardziej typowymi przykładami ich zastosowa� s� układy pomiarowe wielko�ci elektrycznych i nieelektrycznych, np. do pomiaru wymiarów, odległo�ci, st��e� i zanieczyszcze� roztworów, cz�stotliwo�ci i amplitudy drga�, napr��e� itd. Znacznie wi�ksz� czuło�ci� i szybko�ci� działania ni� fotodiody konwencjonalne charakteryzuj� si� fotodiody PIN. W fotodiodach tych dwa silnie domieszkowane obszary P i N s� rozdzielone szerok� warstw� wysokorezystywnego półprzewodnika samoistnego I (rys.5a). Padaj�ce promieniowanie generuje dodatkowe no�niki przede wszystkim w obszarze I.

W obszarze tym, przy polaryzacji zaporowej istnieje silne pole elektryczne, a wi�c no�niki poruszaj� si� z du�� pr�dko�ci�, co zmniejsza czas ich przelotu. W rezultacie fotodiody PIN maj� bardzo du�e cz�stotliwo�ci graniczne, dochodz�ce do 10 GHz.

Fotodiody PIN stosuje si� w m. in. w systemach telekomunikacji �wiatłowodowej i w układach detekcji promieniowania laserowego. Równie� du�� czuło�ci� i szybko�ci� działania charakteryzuj� si� fotodiody lawinowe (Rys.5b, c). Wykorzystuje si� w nich wewn�trzne zjawisko fotoelektryczne oraz zjawisko lawinowego powielania no�ników. Dzi�ki lawinowemu powielaniu no�ników pr�d fotoelektryczny ulega wzmocnieniu. Miar� tego wzmocnienia jest współczynnik powielania lawinowego M, nazywany te� wzmocnieniem sygnału Gp., maksymalne wzmocnienie jest rz�du 10 000. Praktycznie wykorzystuje si� wzmocnienie 100 ÷ 500.

Fotodiody lawinowe stosuje si� do detekcji szybkozmiennych impulsów �wietlnych o bardzo małej mocy, np. w ł�czach �wiatłowodowych, w układach automatyki oraz w sprz�cie wojskowym. Wad� fotodiod lawinowych jest skomplikowany układ ich zasilania oraz zło�ona technologia wytwarzania.

32

Rys.5. Fotodioda PIN i lawinowa: a) struktura fotodiody PIN; b) struktura fotodiody lawinowej; c) charakterystyka pr�dowo – napi�ciowa fotodiody lawinowej.

2.2.2. Ogniwa fotoelektryczne Ogniwo fotoelektryczne (fotoogniwo) jest elementem ze zł�czem PN, w którym pod wpływem promieniowania powstaje napi�cie fotoelektryczne Up, które to mo�na wyznaczy� korzystaj�c z zale�no�ci:

)I

I1ln(

qkT

Usat

pp +=

Ip – pr�d fotoelektryczny [A] IR(e) – pr�d jasny (o�wietlonego zł�cza) [A] Isat – pr�d nasycenia zł�cza [A] Up – napi�cie fotoelektryczne

Fotoogniwo jest przetwornikiem generacyjnym. Nie wymaga wi�c �adnej polaryzacji napi�ciem zewn�trznym. Rzeczywistemu fotoogniwu mo�na przyporz�dkowa� schemat zast�pczy przedstawiony na rys. 6.

Rys.6. Schemat zast�pczy fotoogniwa:

Rj – rezystancja zł�cza, Rs – rezystancja półprzewodnika i doprowadze�, Ro – rezystancja obci��enia, Cj – pojemno�� zł�cza.

Ip Up Ri Ci Uwy R0

RS IR(e)

33

Rys.7. Charakterystyki pr�dowo – napi�ciowe fotoogniwa

Napi�cie na rezystancji obci��enia:

Uwy = Up – IR(e)RS

jest mniejsze od napi�cia fotowoltaicznego o spadek napi�cia na rezystancji RS. Je�eli rezystancja obci��enia b�dzie równa niesko�czono�ci, to napi�cie na zaciskach obwodu rozwartego Uwy = U0 b�dzie równe Up, natomiast przez zwarte ko�cówki fotoogniwa popłynie pr�d zwarciowy IK ≈ Ip. Charakterystyki zewn�trzne fotoogniwa zale�� równie� od rezystancji obci��enia. Zale�no�� t� zobrazowano na rys. 7., który przedstawia charakterystyki zewn�trzne fotoogniwa, zale�� zatem równie� od rezystancji obci��enia. Na wykres (rys.7.) naniesiono tak�e proste obci��enia, odpowiadaj�ce rezystancji R0. Przeci�cie prostej obci��enia z odpowiedni� charakterystyk� daje punkt pracy fotoogniwa. Zale�no�� pr�du zwarciowego od mocy promieniowania jest liniowa, natomiast napi�cie Up jest logarytmiczn� funkcj� mocy promieniowania. Dlatego na przykład w układach pomiarowych fotoogniwo pracuje zwykle przy zwarciu. Przy wykorzystaniu fotoogniwa jako �ródła energii d��y si� do optymalizacji rezystancji obci��enia w zale�no�ci od mocy promieniowania. Fotoogniwa s� wytwarzane głównie z krzemu, rzadziej z arsenku galu. Przy stosowaniu fotoogniw krzemowych uzyskuje si� wiekszy pr�d fotoelektryczny, ale przy mniejszym napi�ciu fotowoltaicznym (dla fotoogniw z Si warto�� Up = 0,6V,dla fotoogniw z GaAs warto�� Up = 0,9V). Ich czuło�� widmowa osi�ga maksimum przy długo�ci fali ok. 900nm. Fotoogniwa dzieli si� na dwie podgrupy: fotoogniwa pomiarowe i fotoogniwa zasilaj�ce. Fotoogniwa pomiarowe pracuj� jako �ródła sygnałów sterowane promieniowaniem i s� stosowane np. do pomiarów mocy promieniowania emitowanego przez �ródła �arowe, lasery, diody elektroluminescencyjne itp. Fotoogniwa zasilaj�ce s� stosowane głównie jako baterie słoneczne. Parametry ich optymalizuje si� w celu otrzymania du�ej wyj�ciowej mocy elektrycznej. Sprawno�� przemiany energii fotoogniw krzemowych zawiera si� w zakresie 6 ÷ 15% (teoretycznie do ok. 20%). Oznacza to, �e z baterii słonecznej o pow. 1m2 mo�na otrzyma� około 100W mocy elektrycznej.

34

Rys.8. Zale�no�� parametrów fotoogniwa od nat��enia o�wietlenia Ropt - optymalna rezystancja obci��enia Popt - moc maksymalna � – sprawno�� energetyczna

Podstawowymi parametrami fotoogniwa s�: �� fotoelektryczna siła elektromotoryczna - Up �� pr�d zwarcia fotoogniwa - Izw �� sprawno�� energetyczna - �

Warto�� siły elektromotorycznej zale�y od rodzaju materiału półprzewodnikowego i jego domieszkowania oraz od nat��enia o�wietlenia. Przy wzro��ie nat��enia o�wietlenia (przy bardzo małych warto�ciach nat��enia) siła elektromotoryczna pocz�tkowo ro�nie liniowo, potem zaczyna narasta� logarytmicznie, by wreszcie (przy znacznych warto�ciach nat��enia o�wietlenia - około 800 lx) osi�gn�� warto�� nasycenia równ� 450 mV. Natomiast pr�d zwarcia fotoogniwa zmienia si� proporcjonalnie do zmian nat��enia o�wietlenia. Sprawno�� energetyczna fotoogniwa (zdolno�� przetwarzania promieniowania energii na energi� elektryczn�) zwi�ksza si� wraz ze wzrostem nat��enia o�wietlenia i wynosi od kilku do kilkunastu procent. Wa�nym zagadnieniem dla prawidłowej pracy fotoogniwa jest okre�lenie warto�ci rezystancji obci��enia (rezystancja dopasowania). Warto�� rezystancji dobiera si� na podstawie wykresu lub katalogu tak, aby przy danej warto�ci nat��enia o�wietlenia uzyska� maksymaln� moc fotoogniwa.

Parametrami optycznymi fotoogniwa s�: �� zakres długo�ci fal promieniowania, przy których wzgl�dna warto�� czuło�ci wynosi 50% swej

maksymalnej warto�ci (2 - 1 jest rz�du 50 nm); �� długo�� fali promieniowania, przy której wyst�puje maksimum czuło�ci (mo�na j� przesun��

w stron� fal krótszych lub dłu�szych, stosuj�c odpowiednie technologie). Charakterystyka czuło�ci widmowej fotoogniwa S() jest analogiczna do charakterystyki

widmowej przedstawionej na rys. 2., jej kształt zale�y od k�ta padania promieniowania na powierzchni� �wiatłoczuł�.

Fotoogniwa mo�na ł�czy� szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, w zale�no�ci od ��danej warto�ci siły elektromotorycznej i pr�du obci��enia (mo�na otrzyma� fotoogniwo o mocy od kilku do kilkudziesi�ciu watów).

35

2.2.3. Wybrane wyniki bada� fotoogniw uzyskane w laboratorium O�E ZSE Nr 1 w roku

szkolnym 2003/2004 przez słuchaczy szkoły policealnej O�E. Stan obci��enia fotoogniwa SML (wym. 0,4 x 0,2 m) zgodnie ze schematem:

I2 – pr�d obci��enia [mA] U2 – napiencie odbiornika [V] η− sprawno�� fotoogniwa [%] P2 – moc odbiornika [mW] � – k�t nachylenia fotoogniwa w stosunku do �ródła �wiatła E – nat��enie o�wietlenia [lx]

I=f(αααα)obci��enie fotoogniwa: rezystor

0

2

4

6

8

10

12

14

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100α [α [α [α [οοοο]]]]

I [mA]

U=f(αααα)

obci��enie fotoogniwa: rezystor

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100α [α [α [α [οοοο]]]]

U [V]

Pomiary parametrów fotoogniwa Obliczenia α I2 U2 E P2 η L.p o mA V lx mW %

1 0 9,2 1,3 900 11,9 1,2 2 15 9,5 2,2 1600 20,9 3,2 3 30 10,5 4 2100 42 5,4 4 45 11,4 5,8 2500 66,1 6 5 60 11,7 6,5 2900 76 7,5 6 75 12 7 2950 84 8,3 7 90 12,3 8,3 3100 102 8,6

rzutnik �arówka ~0÷230V

Lx pr. słoneczne

V

A W

V

W A

M

odbiorniki

36

P,ηηηη=f(αααα)obci��enie fotoogniwa: �arówki

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 αααα [o]

P [mW]

0

10

20

30

40

50ηηηη [10-3%]

P

ηηηη

P=f(αααα)

obci��enie fotoogniwa: rezystor

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100αααα [o]

P [mW]

I=f(E)

obci��enie fotoogniwa: silniczek bez akumulatora

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

E [lx]

I [mA]

I=f(E)

obci��enie fotoogniwa: silniczek z akumulatorem

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 E [lx]

I [mA]

37

3. Sposoby produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii słonecznej Energia słoneczna ogrzewa kul� ziemsk� moc� rz�du ok. 81000*106 MW, z tego

27000*106MW przypada na l�dy. wiatowe zu�ycie wszystkich postaci energii wynosi ok. 10*106MW. Te liczby uzmysławiaj� mo�liwo�ci energetyczne sło�ca. Jednak do wytworzenia mocy 4 000 MW trzeba zbudowa� ogniwa słoneczne o powierzchni 400km2 w najbardziej nasłonecznionej cz��ci USA – w Kalifornii. W celu pokrycia potrzeb energetycznych �wiata wynosz�cych 3500*1012 kWh/a potrzebna byłaby powierzchnia 40*106km2 pokryta ogniwami słonecznymi.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

miesi�ce

kWh/

m2

Rys.9. Efektywno�� wykorzystania energii cieplnej w zale�no�ci od pory roku.

3.1. Metoda heliotermiczna

Rys.10. Schemat elektrowni słonecznej

1-zwierciadła sterowane komputerami; 2-absorber; 3-zbiornik nagrzanego sodu; 4-pompa; 5-wytwornica pary; 6-turbina parowa; 7-skraplacz pary; 8-chłodnica; 9-generator elektryczny.

Metoda heliotermiczna polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło, doprowadzane nast�pnie do turbiny nap�dzaj�cej generator, produkuj�cy energi� elektryczn�. Elementami w niej stosowanymi s�: heliostaty – zwierciadła ogrzewane energi� sło�ca i kieruj�ce

2

1

3

4 5

6

7

8

9

38

odbite jego promienie na umieszczony centralnie na wysokiej wie�y absorber, składaj�cy si� z rurek ogniskuj�cych na sobie odbite od heliostatów promieniowanie słoneczne. Wewn�trz rurek absorbera kr��y czynnik roboczy (sód, lit, azotan potasu), którego pary nap�dzaj� turbin�. Najwi�ksz� elektrowni� słoneczn� działaj�c� na tej zasadzie jest elektrownia Barstow o mocy 10MW pracuj�ca w Kalifornii (USA). W projekcie takiej elektrowni o mocy 100MW wie�a absorbera ma wysoko�� 225 m, heliostaty za� s� umieszczone w polu o promieniu 450, temperatura czynnika roboczego dochodzi do 530oC. Inny ameryka�ski projekt elektrowni słonecznej o mocy 250 MW przewiduje zbudowanie jej na pustyni, gdzie moc promieniowania słonecznego dochodzi do 900 W/m2. Uzyskane parametry czynnika roboczego wynios� 15Mpa, 500 C. Schemat ideowy takiej elektrowni przedstawiono na rys.10. Szwajcarski projekt takiej elektrowni o mocy 50 MW przewiduje rozmieszczenie heliostatów na południowych zboczach górskich. Odmian� tego typu elektrowni s� liniowe kolektory słoneczne w postaci paraboloidów, w których ogniskowych s� umieszczone rurowe absorbery z przepływaj�cym czynnikiem roboczym. Moc uzyskiwana z takiego rozwi�zania dochodzi do 1 MW. Koszty budowy elektrowni słonecznych wynosz� 3000 - 4500 dol./kW (1984). Płaskie i skupiaj�ce kolektory słoneczne znalazły zastosowanie do podgrzewania wody u�ytkowej, ogrzewania domów, podgrzewania wody w basenach ,rolnictwie itd. W opracowaniu tym przedstawiono: budow�, parametry, zastosowanie kolektorów słonecznych z przeznaczeniem dla odbiorców indywidualnych, oferowanych przez kilka firm krajowych.

3.2. Metoda helioelektryczna Metoda helioelektryczna polega na bezpo�redniej przemianie energii promieniowania

słonecznego w energi� elektryczn� za pomoc� ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniaj� w energi� elektryczn� nie tylko bezpo�rednie promieniowanie sło�ca, lecz równie� promieniowanie rozproszone (przy zachmurzeniu).

Ogniwa fotoelektryczne s� wykonane z krystalicznego krzemu, arsenku galu lub siarczanu kadmu. Moc elektrowni fotoelektrycznych wynosi 20-17 000kW. Przoduj� w ich budowie USA, Japonia i Francja. Najwi�ksz� produkuj�c� w 1985 r. elektrowni� tego typu jest elektrownia Carissa Plainas w Kalifornii o mocy 6,5MW. Planuje si� budow� elektrowni tego rodzaju o mocy 10MW. Stosuje si� w nich koncentracj� promieniowania słonecznego przez zastosowanie zwierciadeł parabolicznych lub soczewek Frensela. Ogniwa fotoelektryczne zajmuj� wielk� powierzchni�. Elektrownia o mocy 1000 MW wymagałaby powierzchni 50km2. sprawno�� ogniw fotoelektrycznych jest mała i wynosi od 10%(ogniwa z krzemem polikrystalicznym) do 12-16% (ogniwa z krzemem monokrystalicznym) i 23% (ogniwa z arsenku galu). Koszt elektrowni z ogniwami fotoelektrycznymi w 1985 r. wynosił 5 000 dol./kW. Znalazły one szerokie zastosowanie w technice kosmicznej.

Planuje si� budow� słonecznych elektrowni kosmicznych na satelitach geostacjonarnych wykorzystuj�cych fakt, �e promieniowanie słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie od 10 razy wi�cej energii ni� na Ziemi. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemi�, gdzie za pomoc� falowników byłaby przemieniana na pr�d przemienny. Jest to jednak technika XXI wieku – uruchomienie takiej instalacji planuje si� na ok. 2030r.

Fotomoduły znajduj� równie� szersze zastosowanie do wytwarzania energii elektrycznej dla potrzeb odbiorców indywidualnych. Poni�ej przedstawiono kilka ofert firm produkuj�cych baterie słoneczne z przeznaczeniem do zasilania energi� elektryczn� domów, samochodów, łodzi, pojazdów kempingowych itd. 3.3. Przykłady zastosowana fotoogniw

Głównymi dziedzinami zastosowa� fotoogniw s�:

− Elektrownie fotowoltaiczne, − układy pomiarowe mocy promieniowania �ródeł �wiatła,

39

− pomiary mocy (lub nat��enia) promieniowania, − badania stało�ci i przebiegu zmian o�wietlenia ró�nego rodzaju �ródeł �wiatła, − układy pomiarowe st��e� roztworów, zanieczyszcze� w gazach lub cieczach itp., − układy pomiarowe dawki promieniowania j�drowego (poprzez pomiar �wiecenia

pobudzonych próbek) itp.. − cele wojskowe i kosmiczne. Ogniwa fotowoltaiczne maja nast�puj�ce zalety: − energia elektryczna wytwarzana jest bezpo�rednio; − sprawno�� przetwarzania energii jest taka sama, niezale�nie od skali produkcji; − moc jest wytwarzana nawet w pochmurne dni przy wykorzystaniu �wiatła rozproszonego; − obsługa i konserwacja wymagaj� minimalnych nakładów, − „czysta” energia.

Rynek wykorzystania fotoogniw jest zró�nicowany, w 2003 roku około 45% wyprodukowanych fotoogniw wykorzystano do elektryfikacji domów i osiedli, systemów pompowania wody (pompownie), 36% wykorzystano w komunikacji, 14% wykorzystano w ogólnopa�stwowym systemie energetycznym, a 5% w urz�dzeniach elektronicznych. Przykładowe zastosowania: 3.3.1. Elektrownie fotowoltaiczne

3.3.2. Zasilanie domów mieszkalnych i biurowców

40

3.3.3. Elektroniczny sprz�t powszechnego u�ytku Zegarki, kalkulatory, ładowarki do baterii.

3.3.4. Zasilanie sygnalizacji drogowej • Sygnalizacji ostrzegawczej, • O�wietlania znaków drogowych, • Telefonów awaryjnych na autostradach.

41

3.3.5. Zasilanie systemów telekomunikacyjnych

stacja nadawczo-odbiorcza stacja przeka�nikowa radiowo-telewizyjna

3.3.6. Zasilanie systemów ostrzegania

wodny znak nawigacyjny morska radiolatarnia kolejowy fotowoltaiczny

system sterowania 3.3.7. Transport kolejowy

• Awaryjne zasilanie kolejowych systemów sterowania, • Telefony awaryjne.

42

3.3.8. Rolnictwo i hodowla

Zasilanie urz�dzenia do pompowania wody

3.3.9. Wykorzystanie modułów fotowoltaicznych do zasilania parkomatów, automatów

sprzedaj�cych bilety, zegarów itp..

3.3.10. Zasilanie pojazdów kosmicznych

43

4. Rozwi�zania konstrukcyjne baterii słonecznych (fotomodułów)

4.1. Firma Solarex 4.1.1. Baterie słoneczne Solarex serii MSX

Profesjonalne, specjalnie zaprojektowane baterie słoneczne firmy SOLAREX typu MSX-5L, MSX-10L, MSX-20L i MSX-30L s� przeznaczone do u�ycia w pojazdach kempingowych, łodziach i jachtach oraz pojazdach z nap�dem elektrycznym. Ich cech� charakterystyczn� jest pokrycie górnej powierzchni laminatem.

Rys.11. Bateria słoneczna MSX Tab.4. Dane techniczne

Dane elektryczne MSX-30 MSX-20 MSX-10 Moc nominalna [W] 30 19,4 10 Pr�d zwarcia [A] 1,82 1,25 0,60 Napi�cie bez obci��enia [V] 21.3 21,1 21,0 Napi�cie pod obci��eniem [V] 17,8 16,8 17,5 Pr�d obci��enia [A] 1,68 1,15 0,57 Wsp. temp. pr�du [mA/OC] 1,5 1,2 0,7 Wsp. temp. napi�cia [mV/OC] -72 -72 -72

Wymiary Długo�� [mm] 616 444 444 Szeroko�� [mm] 495 495 267 Grubo�� baterii [mm] 38 38 38 Wys. w miejscu przył�cz. przewodu [mm] 11 11 11

Długo�� przewodu [m] ok. 3 ok. 3 ok. 3 Ci��ar [kg] 2,20 1,49 0,82

44

4.1.2. Baterie słoneczne Solarex serii VLX

Do wykonania tych baterii ameryka�ska firma SOLAREX wykorzystała wieloletnie do�wiadczenie zdobyte przy produkcji przemysłowych baterii serii MSX, jak te� najnowsze osi�gni�cia w technologii ich wytwarzania i wiele opatentowanych rozwi�za�, co umo�liwiło obni�enie ceny przy zachowaniu wypróbowanej niezawodno�ci. Ich cech� charakterystyczn� jest pokrycie górnej powierzchni szkłem hartowanym.

Rys.12. Baterie słoneczne SOLAREX serii VLX Tab.5. Dane techniczne

Dane elektryczne (12V) VLX 20 VLX 32 Moc maksymalna [W] 20 32 Napi�cie bez obci��enia [V] 20,8 21,3 Pr�d zwarcia [A] 1,27 2,01 Napi�cie obci��enia [V] 17,1 17,2 Pr�d obci��enia [A] 1,17 1,86

Wymiary Ci��ar [kg] - 35 Wysoko�� [mm] 423 592 Szeroko�� [mm] 500 500 Gr. Całkowita [mm] 23 50 Gr. Ramki [mm] 23 226

Współczynnik temp. – 73 mV/°C Temp. składniowa -40° C do +85° C Temp. otaczaj�cego powietrza -40° C do +50° C Maks. nacisk na powierzchni do 2400 N/m² Maksymalny k�t skr�cenia 1,2°

45

4.2. Bateria słoneczne firmy Webasto-Schade GmbH

Rys.13. Przykład zastosowania baterii słonecznych firmy WS GmbH Cechy charakterystyczne: Elastyczne – lekkie – łatwa instalacja – du�a sprawno��, niska cena, fotomoduły foliowe Tab.6. Dane techniczne

Dane elektryczne 36-5000 36-3402 Moc maksymalna [W] 26 17 Napi�cie bez obci��enia [V] 21 21 Pr�d zwarcia [A] 1,65 1,05 Napi�cie pod obci��eniem [V] 17 17,1 Pr�d obci��enia [A] 1,55 0,99

Wymiary Długo�� [mm] 530 705 Szeroko�� [mm] 450 246 Wysoko�� [mm] 300 300

Ka�dy moduł ma podł�czony kabel zasilaj�cy, a sposób jego podł�czenia zapewnia

odporno��; długo�� kabla wynosi około 1,5 m.

46

4.3. Baterie słoneczne firmy Sun Set – seria SM i SML 4.3.1. Seria SM

Moduły z serii SM maj� frontow� cz��� pokryt� specjalnym hartowanym szkłem, o wysokiej przezroczysto�ci. cianka tylna jest wykonana z tedlaru i trwale poł�czona ze szkłem. Moduł obudowany jest usztywniaj�c� ramk�, wykonan� z oksydowanych profili aluminiowych. Zapewnia to modułowi dobr� sztywno�� i odporno�� klimatyczn�.

Rys.14. Bateria słoneczna SM Tab.7. Dane techniczne

Dane elektryczne M10 M15 M20 M30 M45 S 6506 S 8005 Moc maksymalna [W] 10 15 20 30 45 65 80 Napi�cie bez obci��enia [V] 20,8 20,8 20,8 20,8 20,9 21,2 21,5 Pr�d zwarcia [A] 0,64 0,96 1,28 1,93 2,78 4,1 4,95 Napi�cie pod obci��eniem [V] 17,2 17,3 17, 17,3 17,6 17,3 17,3 Pr�d obci��enia [A] 0,58 0,87 1,16 1,74 2,65 3,75 4,60

Wymiary Długo�� [mm] 434 444 685 658 640 773 1200 Szeroko�� [mm] 234 294 340 340 530 660 526 Wysoko�� [mm] 200 200 200 200 200 350 350

47

4.3.2. Seria SML

Moduły z serii SML maj� frontow� cz��� pokryt� specjalnym tworzywem, natomiast tylna cz��� jest wykonana z blachy aluminiowej, która jest elementem no�nym i usztywniaj�cym. Dzi�ki takiej konstrukcji mo�liwe jest niewielkie ugi�cie modułu, tak aby przymocowa� go do powierzchni o niewielkiej krzywi�nie.

Rys.15. Bateria słoneczna SML Tab.8. Dane techniczne

Dane elektryczne SM 15L SM 30L SL 45L Moc maksymalna [W] 15 30 45 Napi�cie bez obci��enia [V] 20,8 20,8 20,9 Pr�d zwarcia [A] 0,96 1,93 2,78 Napi�cie pod obci��eniem [V] 17,3 17,3 17,6 Pr�d obci��enia [A] 0,87 1,74 2,65

Wymiary Długo�� [mm] 381 681 645 Szeroko�� [mm] 336 336 535 Wysoko�� [mm] 80 80 120

48

4.4. Bateria słoneczna AstroPower AP-1206 Baterie słoneczne AP-1206 s� zbudowane z 36 wysokiej jako�ci i sprawno�ci płytek z krzemu monokrystalicznego. Te 6 – calowe płytki AstroPower nale�� do najwi�kszych spotykanych na rynku modułów. Dzi�ki dobrze przemy�lanemu wykonaniu, nale�� one do najbardziej korzystnych pod wzgl�dem ceny za wat energii.

Rys.16. Bateria słoneczna AP–1206 Tab.9. Dane techniczne

Dane elektryczne AP-1206 Moc maksymalna [W] 120 Napi�cie bez obci��enia [V] 21 Pr�d zwarcia [A] 7,7 Napi�cie pod obci��eniem [V] 16,9 Pr�d obci��enia [A] 7,1

Wymiary Długo�� [mm] 1477 Szeroko�� [mm] 660 Wysoko�� [mm] 350

49

5. Baterie słoneczne wykonane w formie modułów okr�głych Okr�głe moduły (baterie słoneczne), ze wzgl�du na zastosowanie ogniw z krzemu

monokrystalicznego, charakteryzuj� si� bardzo du�� sprawno�ci� i trwało�ci�. Pojedyncze moduły zbudowane s� z 18 płytek krzemowych, natomiast podwójne składane s�

z 16 płytek. Płytki te s� ze sob� poł�czone i pokryte warstw� antyrefleksyjn�. Cało�� jest okryta prze�roczystym tworzywem sztucznym co zapewnia odporno�� na wpływy atmosferyczne. Moduły s� w szarej obudowie z tworzywa sztucznego.

Rys.17. Bateria słoneczna w formie modułów okr�głych

Tab.10. Dane techniczne

Dane elektryczne Pojedynczy Podwójny Moc maksymalna [W] 2 3,5 Napi�cie pod obci��eniem [V] 8,6 7,6 Pr�d obci��enia [A] 0,23 0,46

Wymiary rednica [mm] 155 155 Najwi�kszy wymiar [mm] 181 330

Pojedyncze moduły maj� podstawk�, umo�liwiaj�c� ustawianie ich prostopadle do sło�ca. Podwójne moduły na czas eksploatacji rozkłada si�, a do transportu składa co zmniejsza ich wymiar i chroni płytki przed porysowaniem.

Nale�y pami�ta�, by chroni� moduły przed porysowaniem prze�roczystej osłony, pod któr� znajduj� si� krzemowe płytki jak równie� przed przegrzaniem, gdy� wtedy spada ich wydajno��.

50

6. Parametry fotomodułów produkowanych przez firmy: Solarex, Astro Power, Webeso – Schode gmbh, Sun-Set

Tab.11. Parametry oprzyrz�dowania oraz przykładowe ceny Lp Kod Nazwa Cena Netto (zł)

Fotomoduły laminowane ( jachty, przyczepy kempingowe, ekspedycje) 1. 6V/2W Okr�gły moduł 6V/2W 118 2. MSX-5L MSX-5L, fotomoduł 5W, 12V, Solarex 279 3. MSX-10L MSX-10L, fotomoduł 10W, 12V, Solarex 441 4. MSX-20L MSX-20L, fotomoduł 20W, 12V, Solarex 836 5. MSX-30L MSX-30L, fotomoduł 30W, 12V, Solarex 721 6. SM 15L SM 15L, 15W/12V, mono, SUNSET, laminat 653 7. SM 30L SM 30L, 30W/12V, mono, SUNSET, laminat 702 8. SM 45L SM 45L, 45W/12V, mono, SUNSET, laminat 870 9. WEBASTO 17 Webasto 17W, 12V, do przyklejenia 890 10. WEBASTO 26 Webasto 26W, 12V, do przyklejenia 898

Fotomoduły pokryte szkłem ( instalacje stacjonarne ) 11. SM 10 SM 10, 10W/12V, monokrystal. SUNSET 584 12. SM15 SM 15, 15W/12V, monokrystal. SUNSET 612 13. SM 20 SM 20, 20W/12V, monokrystal. SUNSET 874 14. SM 30 SM 30, 30 W/12V, monokrystal. SUNSET 804 15. SM 45 SM 45, 45W/12V, monokrystal. SUNSET 849 16. VLX-20 VLX-20, fotomoduł, 20W, 12V, Solarex USA 651 17. VLX-80 VLX-80, fotomoduł, 80W, 12V, Solarex USA 1212 18. AS 6506 AS 6506 65W/12V, monokrystal. SUNSET 1405 19. AS 8005 AS 8005 80W/12V, monokrystal. SUNSET 1506 20. AP-1206 AP-1206 fotomod. 120W/12V, Astropower USA 1508

Regulatory ładowania 21. SOL 15A/12V Reg. Solaris 15A/12V-200W 86 22. SOL 3,5/12 Reg. Solaris 3,5/12/10, 3,5A, 12V 61 23. SOL 3,5/24 Reg. Solaris 3,5/24/10, 3,5A, 24V 61

7. Parametry osprz�tu dodatkowego 7.1. Regulatory ładowania

7.1.1. SOLARIS 3,5/10/12 (3,5/10/24)

Regulator ładowania SOLARIS 3,5/12 ( 3,5/24 ) jest przeznaczony do systemów, dla których �ródłem s� moduły fotoelektryczne. Chroni on akumulator przed niezamierzonym gł�bokim rozładowaniem i zapewnia optymalne ładowanie. Jest on przeznaczony do instalacji o napi�ciu nominalnym 12V (24V). Pr�d zainstalowanych modułów nie powinien przekracza� 3,5 A (ł�czna moc około 50W). Podł�czone w obwodzie odbiorniki nie mog� pobiera� wi�cej ni� 10A pr�du w sposób ci�gły (240W). Dane techniczne:

Napi�cie nominalne 12 [V] (24[V]) Pr�d pobierany przez regulator <1,5 [mA] Maksymalny pr�d modułów fotoelektrycznych. 3,5 [A] / maksymalny pr�d odbiornika 10 [A] Wymiary (mm) 120 x 74 x 30

51

7.1.2. SOLARIS 20/12 (15/24)

Wszystkie funkcje regulatora dla wersji 12V i 24V s� takie same, jednak�e dane podane dotycz� wersji regulatora 24V. Zasada działania jest taka sama jak regulatora opisanego powy�ej ró�ni� si� one jedynie dopuszczaln� moc�. Dane techniczne:

Napi�cie nominalne 12v (24V) Pr�d pobierany przez regulator <1,5 mA

Maks. Pr�d modułów fotoelektr. 20 A (15A) Maks. Pr�d odbiorników 20 A (15A) Wymiary (mm) 150 x 80 x 53

7.2. Przetwornice napi�cia

Przetwornice napi�cia s� u�ywane do zamiany napi�cia stałego 12V lub 24V na napi�cie 220V. Parametrem charakterystycznym jest moc trwała i szczytowa. Zasadniczo przetwornice pobieraj� z akumulatora napi�cie 220V powi�kszon� o straty, to jest ok. 10-20%. Dost�pne typy przetwornic s� umieszczone w cenniku, jednak jest mo�liwe wykonanie zgodnie ze specjalnymi �yczeniami klienta.

Fotomoduły mog� by� u�ywane przez cały rok. Najwi�ksza efektywno�� przypada natomiast na okres od kwietnia do wrze�nia. 8. Dobór baterii słonecznych

Baterie do zastosowa� stacjonarnych charakteryzuj� si� tym, �e górna powierzchnia pokryta

jest specjalnym, hartowanym szkłem. S� one obudowane profilowan� ram� ułatwiaj�c� monta� do stela�a. Przewa�nie typ ten jest montowany na dachu domu, którego spadzisty dach jest skierowany na południe. W polskich warunkach optymalny k�t pochylania baterii dla całorocznej instalacji wynosi około 65o do horyzontu, a przy eksploatacji letniej 35o - 45o. Nie zaleca si� montowania baterii poziomo, gdy� nie wykorzystuje si� efektu myj�cego deszczu.

Do zastosowania na jachcie lub poje�dzie campingowym zaleca si� zastosowa� baterie pokryte laminatem. Przewa�nie ten typ umo�liwia lekkie ich wyginanie w celu dopasowania do kształtu podło�a, jak te� dopuszcza si� wchodzenie na nie pod warunkiem, �e podło�e, do którego s� mocowane jest w stanie przenie�� takie obci��enie. Ich monta� polega na przykr�ceniu lub przyklejeniu do podło�a. Baterie tego typu przewa�nie s� odporne na wod� morsk�. Niektóre firmy oferuj� mo�liwo�� wykonania ich „na wymiar” lub w specjalnym wykonaniu.

Prosta instalacja, w której stosuje si� baterie słoneczne, składa si� z: a) Baterii słonecznej lub zestawu baterii - celem zwi�kszenia mocy mo�na baterie ł�czy�

szeregowo i/lub równolegle. Ilo�� energii elektrycznej (Wh), któr� mo�na otrzyma� z baterii słonecznej, zale�y bezpo�rednio od ilo�ci energii dostarczonej jej przez sło�ce (W/m2). Zale�y to od szeroko�ci geograficznej, pory roku i ustawienia baterii w stosunku do sło�ca, no i oczywi�cie od pogody. Moc podawana przez producenta dotyczy sytuacji, gdy bateria jest o�wietlona przez sło�ce energi� 1000 W/m 2 przy temperaturze 25oC. W Polsce takie warunki wyst�puj� przy pi�knej słonecznej - bezchmurnej - pogodzie w maju, czerwcu lub w zimie w górach podczas zalegania �niegu. Typowa sprawno�� fotoogniw zbudowanych na krzemie krystalicznym wynosi ok. 14%. W tab.10 podano przybli�on� ilo�� energii w Ah (12V) otrzymywan� w ci�gu przeci�tnego dnia w naszej strefie klimatycznej w zale�no�ci od k�ta ich nachylenia w stosunku do horyzontu.

52

Tab.12. Przykłady działania baterii słonecznych typu SM w zale�no�ci od pochylenia Moc max. [W] 120 50 30 19.5 10 4.7

Napi�cie mocy max. [V] 17.1 17.1 17.1 16.8 17.1 16.5

Pr�d mocy max. [A] 7 2.92 1.75 1.16 0.58 0.29

Okres K�t pochylenia

Przybli�ona ilo�� energii dostarczanej w ci�gu przeci�tnego dnia (Ah)

Od marca do pa�dziernika

450 29.8 12.41 7.45 4.47 2.48 1.24

Cały rok 650 21.88 9.12 5.47 3.28 1.82 0.91

Od marca do pa�dziernika

00

(poziomo) 27.42 11.43 6.86 4.13 2.30 1.14

b) Akumulatora lub zestawu akumulatorów. Parametrem charakteryzuj�cym akumulator,

oprócz napi�cia pracy, które musi by� zgodne z napi�ciem nominalnym baterii słonecznej, jest jego pojemno�� (Ah). Rola baterii słonecznej generalnie sprowadza si� do uzupełniania pobranej z akumulatora przez odbiorniki energii (Wh), czyli Ah · napi�cie (np. 12V) = Wh. Cykl uzupełniania pojemno�ci mo�e by� kilkugodzinny, dzienny ale i np. tygodniowy.

c) Odbiorników energii elektrycznej. Znaj�c moc odbiornika (W) oraz czas jego u�ytkowania mo�emy oszacowa� zapotrzebowanie na energi� w Wh, któr� ma uzupełni� bateria. Tak wi�c baterie słoneczne musz� wyprodukowa� co najmniej tyle energii Wh w bilansowanym okresie, ile wyniosło zapotrzebowanie.

d) Regulatora ładowania akumulatora. Zawsze gdy oka�e si� to konieczne, po zmontowaniu zestawu mo�liwe jest powi�kszenie

sumarycznej mocy. Mamy tu do czynienia z sytuacj�, gdy �le oszacowany wybór (zbyt mało zakupiono modułów) nie powoduje dodatkowych kosztów zwi�zanych z korekt�. Nale�y jednak pami�ta�, �e przy ł�czeniu szeregowym, celem zwi�kszenia napi�cia, mo�na ł�czy� tylko moduły o tej samej mocy.

Proste zestawy bazuj� na napi�ciu 12V lub 24V. Rozwi�zanie to ma zasadniczo dwie zalety:

- napi�cia 12V i 24V nale�� do napi�� "bezpiecznych", - składniki instalacji elektrycznej s� powszechnie dost�pne. Ogromna liczba urz�dze� elektrycznych, które trzeba u�y� w warunkach terenowych, pracuje

przy napi�ciu zmiennym 220V. W celu zamiany pr�du stałego o napi�ciu 12V lub 24V na zmienny 220V stosuje si� przetwornice napi�cia. Nale�y tu zwróci� uwag�, �e np. przetwornica o mocy 700 W, pracuj�ca z pełn� moc�, b�dzie pobiera� z akumulatora12V pr�d rz�du 70A. Oznacza to, �e w ci�gu 1 godziny pobierze 70Ah. Nale�y to uwzgl�dni� przy doborze akumulatora. W tym przypadku nale�ałoby zastosowa� dobrej jako�ci akumulator o pojemno�ci około 200Ah. Podczas pracy z przetwornic� nale�y sprawdza� napi�cie na akumulatorze, gdy� rozładowanie akumulatora mo�e na przykład uniemo�liwi� uruchomienie silnika samochodu! S� te� dost�pne przetwornice w wersji odwracalnej, to znaczy �e mog� pracowa� jako przetwornice napi�cia 12/220V gdy jest brak napi�cia w sieci 220V i jako prostownik do ładowania akumulatora, z którego zasilana jest przetwornica w czasie gdy jest napi�cie w sieci.

53

9. Płaskie kolektory słoneczne

Rys.18. Ogólna budowa płaskiego kolektora słonecznego:

1 – pokrycie, 2 – płyta pochłaniaj�ca, 3 – rama, 4 – izolacja cieplna, 5 – odprowadzenie ciepła przez czynnik roboczy

Płaskie kolektory słoneczne traktuje si� jako specjalne wymienniki ciepła, w których

nast�puje przetwarzanie energii promieniowania słonecznego w ciepło (konwersja termiczna). Wykorzystywane s� do celów grzewczych w szerokim zakresie. Jako medium po�rednicz�ce w przekazywaniu energii stosuje si� strumie� powietrza lub wody, ewentualnie płynu nie zamarzaj�cego.

W zale�no�ci od budowy, kolektory mo�na podzieli� na trzy grupy: − niskotemperaturowe (temperatura czynnika roboczego do 100 oC – kolektory płaskie), − �redniotemperaturowe (temperatura czynnika roboczego 100-200 oC – kolektory skupiaj�ce), − wysokotemperaturowe (temperatura czynnika roboczego 200-3000 oC – kolektory

skupiaj�ce). Podstawowym elementem typowego kolektora jest: płyta pochłaniaj�ca czyli absorber, na

którego powierzchni pochłaniane jest promieniowanie słoneczne i nast�puje konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego. Najprostszym przykładem absorbera jest płyta poł�czona kanałami, przez które przepływa czynnik roboczy. W skład absorbera wchodz�:

1. pokrycie przezroczyste chroni�ce absorber przed stratami cieplnymi do atmosfery; 2. izolacja cieplna chroni�ca od spodu i z boków absorber przed stratami cieplnymi do

otoczenia; 3. obudowa zewn�trzna kolektora (metalowa, plastikowa itp.) 4. kanały doprowadzaj�ce i odprowadzaj�ce czynnik roboczy.

W kolektorach płaskich w zasadzie nie wyst�puje koncentracja energii promieniowania słonecznego, jednak w niektórych typach tych kolektorów mog� znajdowa� si� pewne układy koncentruj�ce. Kolektory płaskie mog� absorbowa� promieniowanie słoneczne bezpo�rednie i rozproszone, cechuj� si� prost� konstrukcj� i nisk� cen�. 9.1. Budowa kolektorów płaskich

1. Przezroczysta pokrywa – najcz��ciej wykonana ze szkła o niskiej zawarto�ci tlenków �elaza. Raczej nie stosuje si� pokryw z tworzyw sztucznych, gdy� niszcz� si� stosunkowo szybko pod wpływem wysokich temperatur, promieniowania UV oraz mog� na nich powstawa�

54

zarysowania, które obni�aj� przepuszczalno�� promieni słonecznych. Zastosowanie pryzmatycznej szyby szklanej mo�e znacznie polepszy� wydajno�� kolektorów.

2. Absorber – główny element kolektora słonecznego. Powinien by� wykonany z metalu dobrze przewodz�cego ciepło; najcz��ciej jest to mied� lub aluminium. Metal ten jest pokryty substancjami tworz�cymi jego powłok�. W zale�no�ci od rodzaju kolektora mo�e by� to powłoka nieselektywna (bardzo dobrze absorbuje ciepło, ale tak�e du�o go emituje) lub selektywna (równie� bardzo dobrze absorbuje ciepło, a jednocze�nie ogranicza emisj�). Powłoki nieselektywne wykonuje si� z czarnych lakierów, a selektywne w wyniku galwanicznego nało�enia czarnego chromu. Oczywi�cie powłoki selektywne s� znacznie lepsze. Do płyty absorbera przylutowane s� rurki, przez które przepływa ciecz robocza.

3. Izolacja i obudowa – aby kolektor nie oddawał ciepła do otoczenia, musi by� izolowany. Jako izolator stosuje si� najcz��ciej wełn� mineraln� lub poliuretan. Cało�� mie�ci si� w obudowie kolektora ( najcz��ciej aluminiowej ), która powinna by� szczelna.

Rys.19. Nowoczesne technologie w budowie kolektora słonecznego 9.1.1. Powietrzne

W powietrznych kolektorach słonecznych energia pochłoni�ta przez absorber jest oddawana w postaci ciepła strumieniowi przepływaj�cego powietrza w odpowiednio ukształtowanym kanale kolektora. Z uwagi na to, �e powietrze jako czynnik odbieraj�cy ciepło jest mniej agresywne i mniej niebezpieczne w przypadku nieszczelno�ci ni� woda lub inne ciecze stosowane w kolektorach wodnych, wymagania technologiczne i materiałowe s� w tym przypadku ni�sze. Tego typu kolektory mog� by� produkowane seryjnie przez przedsi�biorstwa przemysłowe, ale cz��ciej s� wykonywane samodzielnie przez u�ytkownika. Podobnie jak kolektory wodne maj� kształt niezale�nych modułów skrzynkowych, mog� by� budowane jako elementy pokry� �cian i dachów.

warstwa antyrefleksyjna

szyba

warstwa refleksyjna dla promieniowania podczerwonego izolacja transparentna powierzchnia selektywna absorbera absorber

izolacja cieplna

55

Rys.20. Schematy powietrznych kolektorów słonecznych wykonanych z folii i tworzyw

sztucznych. 9.1.2. Cieczowe

Zadaniem najcz��ciej stosowanego płaskiego kolektora słonecznego jest podgrzanie czynnika roboczego (wody lub mieszaniny wody i czynników zabezpieczaj�cych przed zamarzni�ciem) dla celów u�ytkowych (ogrzewanie pomieszcze�, basenów k�pielowych, ciepła woda u�ytkowa itd..) przy wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego bezpo�redniego, rozproszonego i odbitego.

Rys.21. Widok i przekrój poprzeczny kolektora cieczowego

Podstawowym elementem kolektora słonecznego cieczowego jest absorber. Stanowi go płyta,

do której przytwierdzone (np. przylutowane) s� kanały przepływowe czynnika lub dwie płyty tłoczone poł�czone ze sob� (np. zgrzewane) z układem kanałów mi�dzy nimi. Geometria absorbera mo�e by� ró�na jak i sposób poło�enia i ł�czenia jego kanałów ze sob�.

56

Absorber z kanałami pionowymi, o takich samych oporach przepływu dla ka�dego kanału jest najbardziej przydatny dla wszystkich mo�liwych zastosowa� (układ z pomp� cyrkulacyjn� lub działaj�cy na zasadzie cyrkulacji naturalnej czynnika roboczego). Blacha absorbera pokryta jest odpowiednim materiałem (czarna farba lub inne zwi�zki chemiczne) charakteryzuj�cym si� du�ym współczynnikiem pochłaniania promieniowania słonecznego. Kanały, którymi przepływa czynnik w absorberze podł�czone s� do kanałów zbiorczych dostarczaj�cych i odbieraj�cych czynnik z kolektora. Kanały zbiorcze pokrywane s� tym samym materiałem co płyta absorbera zwi�kszaj�c maksymalnie czynn� powierzchni� kolektora promieniowania słonecznego. Cz��� przepływowa kolektora umieszczona jest w obudowie izolowanej od spodu i z boku materiałem o małym współczynniku przewodzenia ciepła (wełna mineralna, pianka poliuretanowa, itp.). Przestrze� woln� nad absorberem zamyka najcz��ciej jedna szyba. Zadaniem tego w miar� mo�liwo�ci jak najbardziej szczelnego zamkni�cia jest minimalizacja strat ciepła przez konwekcj� od powierzchni absorbera. Kolektory z dwoma szybami s� rzadziej stosowane, szczególnie w polskich warunkach klimatycznych. Mała ilo�� energii słonecznej dost�pnej w okresie niskich temperatur zewn�trznych (zima) nie zach�ca do stosowania kosztownych �rodków (dodatkowa szyba, wi�ksza i ci��sza obudowa), które zwi�ksz� ilo�� pozyskiwanej energii zim�, ale latem mog� by� przyczyn� ogranicze� w pozyskiwaniu ciepła. Dodatkowa szyba zmniejsza ilo�� promieniowania docieraj�cego do absorbera, dodatkowo za� zwi�kszaj�ca si� w tym przypadku grubo�� kolektora zmniejsza czynn� powierzchni� absorbera przy promieniowaniu nie prostopadłym do jego powierzchni czołowej (zacienienie przez boki kolektora). Dlatego najcz��ciej stosowane jest jedno przykrycie prze�roczyste.

Post�p technologiczny umo�liwia ró�norodn� budow� kolektorów słonecznych (przedstawiono je na rys. 20, 21). Zastosowanie najnowocze�niejszych rozwi�za� powinno mie� uzasadnienie ekonomiczne w aspekcie spełnianych przez kolektor funkcji.

Kolektor stanowi moduł o powierzchni najcz��ciej około 1–2 m2. Moduły takie mog� by� szeregowo lub równolegle ł�czone ze sob� w celu uzyskania okre�lonej powierzchni absorbuj�cej energi� promieniowania słonecznego dla pokrycia zało�onego zapotrzebowania na ciepło (np. przy przygotowaniu ciepłej wody u�ytkowej). Ł�cz�c kolektory miedzy sob�, powinny by� zapewnione równe opory przepływu czynnika poprzez jednakowe moduły, dla uzyskania jednakowych nat��e� przepływu.

Kolektory s� urz�dzeniami produkowanymi przemysłowo, ale mo�na je wykonywa� sposobem tzw. „domowym”, licz�c si� jednak w tym przypadku z mo�liwo�ci� uzyskania gorszych parametrów cieplnych (np. gdy absorber nie jest pokryty powłok� selektywn�). 10. Kolektory słoneczne skupiaj�ce

W kolektorach skupiaj�cych stosuje si� ró�ne układy luster lub soczewek do zwi�kszenia

g�sto�ci strumienia promieniowania słonecznego, padaj�cego na powierzchni� pochłaniaj�c� promieniowanie, wykonan� w formie płaskich lub rurkowych pochłaniaczy. Oprócz zwierciadeł parabolicznych stosuje si� zwierciadła płaskie lub cylindryczne. Kolektory skupiaj�ce charakteryzuj� si� małymi wymiarami gabarytowymi. Musz� by� ustawiane prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych, w zwi�zku z tym musz� by� wyposa�one w urz�dzenia umo�liwiaj�ce ich obrót wraz z ruchem sło�ca. Kolektory skupiaj�ce umo�liwiaj� uzyskanie mocy od kilkudziesi�ciu do kilkuset W. Energia ta mo�e by� przekształcana w energi� ciepln�, wykorzystywan� do podgrzewania wody. Czynnikiem roboczym w kolektorach skupiaj�cych jest najcz��ciej ciecz.

57

Rys.22. Kolektory słoneczne skupiaj�ce

10.1. Budowa pró�niowych rurowych kolektorów słonecznych

Nieco inn� konstrukcj� maj� kolektory rurowe pró�niowe płaskie lub skupiaj�ce. Składaj� si� z dwóch koncentrycznych szklanych rur (rury w rurze). Miedzy nimi jest pró�nia stanowi�ca doskonał� izolacje. Rura wewn�trzna pokryta jest warstw� silnie absorbuj�c� energi� słoneczn�, charakteryzuj�c� si� szczególnie nisk� emisj�. Dodatkowo z tylu ka�dej rury znajduje si� wysoko refleksyjne, odporne na niekorzystne warunki pogodowe lustro paraboliczne, co gwarantuje absorbowanie promieniowania słonecznego padaj�cego nawet pod ostrym katem, dodatkowo skupiaj�c promienie słoneczne na znajduj�cych si� w pró�niowych rurach elementach absorbuj�cych. Niektóre firmy od trzech lat produkuj� tez pró�niowe kolektory płaskie. Czynnikiem roboczym w tego typu kolektorach mo�e by� powietrze lub ciecz. Pró�niowe kolektory rurowe posiadaj� najwy�sz� sprawno�� energetyczn� (ok. 85% w pracy całorocznej) spo�ród omawianych kolektorów.

58

11. Kolektory słoneczne firmy VITOSOL

11.1. Kolektor słoneczny VITOSOL 100

Dost�pny jest w dwóch wersjach o powierzchni grzewczej jednego panela 1,7 i 2,5m2 - absorber miedziany pokryty warstw� o wysokiej selektywno�ci, gwarantuj�cy du�� absorbcj� promieniowania słonecznego, lecz niewielkie wypromieniowanie ciepła na zewn�trz otoczenia. Absorber posiada przymocowan� w��ownic� (register), którym transportowany jest niezamarzaj�cy czynnik roboczy. Powłoka szklana charakteryzuje si� niewielk� zawarto�c� �elaza, pozwalaj�c na obni�enie strat odbicia.

Rys.23. Przykład zastosowania kolektora słonecznego firmy VITOSOL 100 Tab.13. Dane techniczne

Dane operacyjne VITOSOL 100 Powierzchnia grzewcza [m2] 1,7 2,5 Temperatura absorbera [oC] 190 190 Maksymalne ci�nienie [bar] 6 6 Sprawno�� [%] 82 82

Wymiary Szeroko�� [mm] 753 1138 Długo�� [mm] 2385 2385 Gł�boko�� [mm] 102 102 Masa [kg] 44 60 rednica rurek ł�cz�cych [mm] 22 22

59

11.2. Kolektor tubowy VITOSOL 300 Jest to kolektor z przepływem bezpo�rednim, oparty na zasadzie szklanej rury, w �rodku

której umieszczony jest absorber z rurk� metalow�, wewn�trz której umieszczona jest jeszcze jedna rurka. Ciecz płynie do kolektora wewn�trzn� rurk� i wpływaj�c od dołu do zewn�trznej rurki, nagrzewa si� przejmuj�c ciepło od absorbera. Ten typ kolektora charakteryzuje si� najwy�sz� sprawno�ci� ok. 83% w pracy całorocznej.

Rys.24. Fotografia oraz przykład zastosowania kolektora tubowego Tab.14. Dane techniczne

Dane operacyjne VITOSOL 300 Powierzchnia grzewcza [m2] 2,0 3,0 Temperatura absorbera [oC] 278 278 Maksymalne ci�nienie [bar] 6 6 Sprawno�� [%] 86 86

Wymiary Szeroko�� [mm] 1450 2159 Długo�� [mm] 2024 2024 Gł�boko�� [mm] 128 138 Masa [kg] 45 68 rednica rurek ł�cz�cych [mm] 22 22

60

11.3. Kolektor S 200 S/L

Kolektor ten charakteryzuj� si� wysok� sprawno�ci� energetyczn�, solidn� budow�, długotrwałym u�ytkowaniem, estetycznym wygl�dem, łatwo�ci� monta�u w dowolnym miejscu, niewielkim ci��arem własnym, wysok� odporno�ci� na korozj� i stłuczenia, wydajn� prac� w ujemnych temperaturach oraz nisk� cen� gwarantuj�c� szybki zwrot kosztów.

Rys.25. Kolektor S200 S/L Tab.15. Dane techniczne

Dane operacyjne S 200 S/L Ci�nienie robocze [bar] 1,5 - 6 Temperatura pracy [oC] max. 180 Sprawno�� ogólna 0,80 Współczynnik absorbcji 0,94 Współczynnik emisji 0,06

Dane konstrukcyjne Konstrukcja aluminium lakierowane farb� proszkow� Izolacja wełna mineralna Strona słoneczna [mm] 4, szkło solarne wklejone hermetycznie Absorber miedziany pokryty warstw� selektywn� Warstwa selektywna chrom W��ownica miedziana Monta� w połaci dachowej lub na stela�u

Wymiary Długo�� [mm] 2030 Szeroko�� [mm] 1025 Wysoko�� [mm] 90 Powierzchnia absorbera [m] 1,8 Pojemno�� cieczy [l] 1,8 Waga bez cieczy [kg] 43

12. Słoneczne instalacje grzewcze

Instalacja solarna stanowi zespół dobranych do siebie urz�dze� takich jak: kolektory słoneczne, panele steruj�co-zabezpieczaj�ce i pojemno�ciowe zasobniki wody u�ytkowej lub zasobniki buforowe z przepływowymi wymiennikami ciepła. Odpowiednio dobrane i wykonane instalacje solarne znajduj� zastosowanie zarówno w gospodarstwach domowych jak i w hotelach, pensjonatach, o�rodkach wypoczynkowych, ubojniach i masarniach, klubach sportowych i rekreacyjnych, basenach k�pielowych, a tak�e w rolnictwie i zakładach produkcyjnych. Najcz��ciej instalacje solarne s� wykorzystywane do podgrzewania wody u�ytkowej. Pozwalaj� zaoszcz�dzi� rocznie ok. 60% energii potrzebnej do podgrzewania wody w basenach k�pielowych. Prawidłowo opracowana instalacja w okresie od maja do wrze�nia niemal całkowicie mo�e pokry� zapotrzebowanie na ciepło u�ytkowe bez konieczno�ci stosowania dodatkowych �ródeł energii.

61

12.1. Bezpo�rednie 12.1.1. Układ do podgrzewania wody bez zasobnika

W układzie tym nie ma mo�liwo�ci regulacji temperatury wody i jest ona funkcj� chwilowej g�sto�ci promieniowania słonecznego. Układy takie maj� zastosowanie do podgrzewania wody w basenach k�pielowych lub np. do pojenia bydła.

12.1.2. Układ do podgrzewania wody z zasobnikiem

W układzie tym zasobnik wyrównuje zmiany temperatury wody spowodowane chwilowym poborem.

12.2. Po�rednie W układach tych woda lub inny czynnik roboczy przepływaj�cy przez kolektory nie miesza si� z czynnikiem u�ytecznym. Urz�dzenia s� eksploatowane w czasie całego roku oraz spowalniaj� proces korozji. Obieg w układzie mo�e by� grawitacyjny lub wymuszony działaniem pompy. Zasobnik, w zale�no�ci od potrzeby, mo�e by� wyposa�ony w dodatkowe �ródło ciepła np. grzejnik elektryczny. 12.2.1. Układ grawitacyjny

Je�li zasobnik jest umieszczony blisko kolektora - nieco powy�ej - obieg wody mo�e by� grawitacyjny, to znaczy wykorzystuj�cy ró�nic� g�sto�ci wody - zimnej i ciepłej, która wpływa do zasobnika: zimna woda przepływa przez kanaliki w absorberze, a po ogrzaniu samoczynnie przepływa do zasobnika, sk�d płynie dalej do sieci.

12.2.2. Układ pompowy

Je�li jednak kolektor znajduje si� na dachu, a zasobnik ciepłej wody w piwnicy domu, konieczne staje si� zastosowanie układu pompowego. Pomp� cyrkulacyjna wł�cza automat, gdy woda w absorberze jest gor�ca.

Opisany układ ma prost� budow�, lecz nie nadaje si� do u�ytku w zimie: woda mo�e zamarza�, a wi�c na zim� takie kolektory trzeba opró�nia�. Dlatego korzystniejszym rozwi�zaniem jest monta� wymiennika ciepła, w którym woda ogrzewa si� po�rednio od niezamarzaj�cego płynu przepływaj�cego z absorbera przez wymiennik. Dopiero ta woda płynie dalej do sieci do u�ytku domowników. W takim systemie w samym absorberze nale�y u�ywa� płynu z atestem PZH o niskiej temperaturze krzepni�cia, dochodz�cej do -36 oC, i wysokiej temperaturze odparowania - do + 200 oC. S� to kolektory całoroczne.

W praktyce kolektor słoneczny słu��cy podgrzewaniu wody u�ytkowej powinien by� stosowany wraz z dodatkowym �ródłem ciepła (kotłem elektrycznym, gazowym, olejowym itp.): układ kolektora i dodatkowego �ródła ciepła podł�cza si� do zbiornika z podwójn� w��ownic� o minimalnej pojemno�ci 300 l. W tak poł�czonym systemie na doln� w��ownic� pracuje kolektor słoneczny, na górn� - dodatkowe �ródło ciepła, które wł�cza si� wtedy, gdy kolektor nie jest w stanie podgrza� dostatecznej ilo�ci wody do zadanej temperatury.

62

Rys.26. Schemat ogólny działania układu pompowego. Maksymalne wykorzystanie energii słonecznej zapewniaj� jedynie układy, które słu�� do magazynowania energii w okresach letnich. Przykładem najnowszego rozwi�zania s� zbiorniki ładowane i rozładowywane warstwowo. Woda w zbiorniku układa si� warstwami o ró�nych temperaturach, dzi�ki czemu wykorzystanie energii słonecznej jest maksymalne.

Tak jak w ka�dej instalacji grzewczej, tak i w systemie wykorzystuj�cym energie słoneczn� musza si� znajdowa�: naczynie zbiorcze przeponowe (tzn. przyjmuj�ce nadmiar podgrzanego płynu), zawór napełniaj�cy, spustowy, zwrotny, pompa, odpowietrznik oraz odpowiednie sterowanie całym układem.

13. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej.

Jednym z najpowszechniejszych i najefektywniejszych sposobów wykorzystywania energii słonecznej jest ogrzewanie wody u�ytkowej. Propozycja ta opiera si� na wykorzystaniu podgrzewacza typu BS-DSF z dwoma wymiennikami ciepła. W przypadku istniej�cej instalacji nale�y przewidzie� zastosowanie dodatkowego zasobnika z jednym wymiennikiem montowanego przed wła�ciwym dogrzewaniem wody. Dolny wymiennik podgrzewacza, w strefie napływu zimnej wody, przeznaczony jest do współpracy z kolektorami słonecznymi. W przypadku nie uzyskania wymaganej temperatury, uruchamiany jest kocioł, który dogrzewa wod� w górnej cz��ci zasobnika. Przy temperaturze mierzonej czujnikiem CT1 wy�szej o nastawion� warto�� w stosunku do temperatury w zasobniku mierzonej czujnikiem CT2, sterownik S uruchamia pomp� obiegow� P. Na wyj�ciu z podgrzewacza zaleca si� zainstalowanie zaworu mieszaj�cego, który wobec mo�liwo�ci wyst�pieniu wysokich temperatur, zabezpieczy nas przed oparzeniem i pozwoli na oszcz�dniejsze zu�ycie ciepłej wody.

63

Rys.27. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej.

14. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej

i wspomagania ogrzewania budynku

Rys.28. Instalacja solarna dla ciepłej wody u�ytkowej i wspomagania ogrzewania Kolektory mog� by� równie� wykorzystane do instalacji wspomagaj�cych ogrzewanie budynku. Nale�y zwróci� jednak uwag� na nast�puj�ce uwarunkowania: - aby udział energii z kolektorów w ogrzewaniu był znacz�cy, budynek powinien zapewnia�

niskie straty energii cieplnej do otoczenia; - zastosowany system ogrzewania powinien opiera� si� na niskich parametrach

temperaturowych ( np. ogrzewanie podłogowe);

64

- ze wzgl�du na konieczno�� zastosowania wi�kszej ilo�ci kolektorów, nale�y przewidzie� mo�liwo�� wykorzystania nadwy�ki ciepła w okresie letnim np. do ogrzewania basenu k�pielowego, co spowoduje popraw� wska�nika nakładów inwestycyjnych do uzyskanego efektu.

Podobnie jak w poprzednim przypadku podstawowym zadaniem kolektorów jest ogrzewanie wody. Dodatkowo jednak proponuje si� zastosowanie zbiornika pełni�cego role akumulatora ciepła. Po uzyskaniu nastawionej w sterowniku S1 temperatury w podgrzewaczu Z1, nast�puje podgrzewanie wody w zasobniku Z2. Zgromadzone tam ciepło mo�e by� wykorzystywane do podniesienia temperatury wody powracaj�cej z instalacji, co do kotła. Odpowiedni kierunek przepływu wody w instalacji jest wymuszany zaworem trójdrogowym, którego pole�enie jest ustalane sterownikiem ró�nicowym S2. Dodatkowo, szczególnie w okresie letnim, za po�rednictwem wymiennika W i pompy obiegowej P3, ciepło jest przekazywane do wody w podgrzewaczu Z1 np. w przypadkach zwi�kszonego poboru wody lub mniej korzystnych warunków pogodowych.

15. Instalacja solarna z kolektorami słonecznymi dla basenu k�pielowego

Z uwagi na niskie parametry pracy, kolektory znakomicie nadaj� si� do ogrzewania wody w basenach k�pielowych zarówno krytych jak i otwartych przedłu�aj�c okres ich wykorzystania. Z powodu konieczno�ci uzdatniania wody basenowej, zdecydowanie zaleca si� stosowanie wymienników ciepła

Rys.29. Instalacja solarna z kolektorami słonecznymi dla basenu k�pielowego

65

16. Typowe elementy słonecznej instalacji grzewczej 16.1. Zbiornik na wod� Mo�e to by� dowolny, typowy bojler z wymiennikiem ciepła. Je�eli kolektory maj� by� podł�czone do tego samego zbiornika, co piec c.o., potrzebny b�dzie zbiornik z dwoma wymiennikami. Bojlery, produkowane specjalnie na potrzeby słonecznych instalacji grzewczych, umo�liwiaj� podł�czenie nawet trzech �ródeł ciepła (3 wymienniki) np. kolektorów słonecznych, pieca c.o.

i pompy ciepła. Najcz��ciej stosowane s� zasobniki dwustrefowe, których wysoko�� jest przynajmniej trzykrotnie wi�ksza od �rednicy. Takie proporcje powoduj� rozwarstwienie temperatury wody na dwie strefy, dolna o ni�szej i górna o wy�szej temperaturze. No�nik ciepła z kolektora poprzez wymiennik podgrzewa wod� pobieran� z dolnej strefy zasobnika. Woda jest dodatkowo ogrzewana w kotle i powraca do zasobnika, zasilaj�c w ciepło górn� stref� gdzie znajduje si� w��ownica wymiennika ciepła instalacji c.w.u. Nieco ni�ej, bli�ej �rodka zbiornika, znajduje si� zasilanie niskotemperaturowej instalacji c.o. Zasobniki c.w.u. standardowo stosowane w systemach słonecznych PE Solar posiadaj� dwa spiralne wymienniki ciepła do współpracy z instalacj� słoneczn� i kotłem c.o. lub pomp� ciepła. Zasobniki zabezpieczone s� przed korozj� poprzez pokrycie wewn�trznej powierzchni emali� i dodatkowo zastosowan� anod� magnezow�. Przed utrat� ciepła zasobniki chronione s� 7 centymetrow� warstw� bez freonowej pianki poliuretanowej. W systemach słonecznych

PE Solar wykorzystywane s� zasobniki o pojemno�ciach od 100 do 5000l. Czasami pracuj� w poł�czeniu z zewn�trznymi przepływowymi wymiennikami ciepła. 16.2. Zasobniki pionowe

ZABEZPIECZENIA: - specjalna powłoka antykorozyjna - najwy�szej jako�ci emalia szklista - du�a anoda magnezowa - powłoka cynkowa

KOMFORT: - wysokiej jako�ci izolacja cieplna - estetyczny wygl�d - łatwy i szybki monta�

Rys.30. Przekrój solarnego zasobnika c.w.u. 1) warstwa ochronna zasobnika, 2) wymiennik wody kotłowej, 3) otulina z pianki poliuretanowej, 4) wymiennik instalacji słonecznej

66

16.3. Zasobniki poziome

W tym modelu zasobnika w��ownica ma kształt litery "U", aby zwi�kszy� powierzchni� grzewcz� w��ownicy.

Rys.31. Obieg w zasobniku poziomym Dodatkowo niektóre modele posiadaj� specjalny płaszcz – wymiennik, przez który przepływa gor�ca woda z sieci. Takie rozwi�zanie pozwala na szybkie podgrzanie wody w całym zbiorniku. Maj�c w pami�ci klasyczne zbiorniki wodne u�ywane dotychczas w instalacjach centralnego ogrzewania wiemy jak długo trzeba czeka� na ogrzanie wody. Wymienniki ciepła, grzałki umieszczone w dolnej cz��ci zbiornika ogrzewaj� wod� w dolnej jego cz��ci. Ruch ciepła bardzo wolno nast�puje w gór� zbiornika ogrzewaj�c po drodze cał� mas� wody zawart� w zbiorniku. W efekcie ciepł� wod� uzyskujemy po do�� znacznym czasie dlatego, �e woda w zbiorniku nagrzewa si� od dołu do góry W zbiornikach z warstwowym rozkładem temperatury proponowanych przez firm� "BACHUS" zasada działania jest dokładnie odwrotna ni� w klasycznych. Prze�led�my sposób ogrzania wody z rys. 31. W dolnej cz��ci zbiornika umieszczony jest wymiennik ciepła z instalacji solarnej, który w momencie pojawienia sło�ca oddaje ciepło uzyskane w kolektorach słonecznych. Wymiennik ten otoczony jest kloszem, który powy�ej dolnej kraw�dzi wymiennika separuje w cz��ci mas� wody. Tak ogrzana woda natychmiast w�druje do górnej cz��ci zbiornika rur� przymocowan� do klosza. Masy zimnej wody zalegaj�ce górn� cz��� zbiornika s� wypierane przez ciepł� wod� przesuwaj�c si� w dół. Mo�na powiedzie�, �e zbiornik tak skonstruowany nagrzewa si� od góry w dół, daj�c po niedługim czasie ciepł� wod� u�ytkow�. Sprawno�� tych zbiorników jest wi�ksza od klasycznych ze wzgl�du na ogrzewanie ci�głe zimnej masy wody napływaj�cej z górnej jego cz��ci. W momencie gdy w dzie� woda w zbiorniku nagrzeje si� ju� znacznie, mo�na cz��� ciepła odzyska� do ogrzania pomieszczenia np. w systemie podłogowym. Wymiennik ciepła umieszczony w górnej cz��ci zbiornika jest równie� otoczony kloszem jak ten dolny - rys. 31. Odebranie ciepła przez górny

67

wymiennik powoduje schłodzenie wody w kloszu, która w�druje rur� w dół. Na miejsce schłodzonej wody napływa ciepła z dolnych partii zbiornika.

W tak konstruowanych zbiornikach przy dobrze dobranych parametrach (np. wielko�� w stosunku do potrzeb, powierzchnia wymiany ciepła wymienników) dolna cz��� zbiornika powinna by� chłodniejsza ni� górna a znaczne ogrzanie dolnej cz��ci wskazuje na nadwy�ki energii zgromadzonej w zbiorniku.

16.4. Wymiennik ciepła

To bardzo wa�ny element całej instalacji. Wymiennik to spiralna, �ebrowana rura (najcz��ciej miedziana), umieszczona w zbiorniku wody. Przepływa przez ni� ciecz robocza, ogrzewaj�c przy tym wod� w zbiorniku.

16.5. Regulator

Steruje cało�ci� i wł�cza pompk�, gdy temperatura w kolektorze jest wy�sza ni� temperatura wody w zbiorniku oraz wykonuje inne funkcje regulacyjne. Regulator R1 i R2

16.5.1. Regulator R1 Regulator ten jest elektronicznym regulatorem ró�nicowym temperatury dla dwusystemowego podgrzewania c.w.u. Posiada cyfrowy wy�wietlacz z mo�liwo�ci� odczytu jednocze�nie temperatury czynnika grzewczego w kolektorze słonecznym i w zasobniku wody u�ytkowej lub buforowym. Wyposa�ony jest standardowo w ogranicznik temperatury maksymalnej i mo�liwo�� płynnej regulacji temperatury w czasie pracy instalacji solarnej. Regulator R2 ma dodatkowo mo�liwo�� sterowania podgrzewaniem wody w kilku zasobnikach, podgrzewaniem wody w basenie k�pielowym lub podgrzewaniem wody grzewczej do c.o. w zasobniku buforowym.

16.5.2. Pompka i Panel steruj�cy PER Mo�na wykona� instalacj� o obiegu grawitacyjnym, ale efekty s� lepsze w instalacji z obiegiem wymuszonym. Pompka pompuje ciecz robocz� przez kolektory i wymiennik ciepła. Panel steruj�cy zabezpieczaj�cy PE R posiada wszystkie wymagane podzespoły steruj�ce, zabezpieczaj�ce i funkcyjne takie jak: zawór bezpiecze�stwa, naczynie przeponowe, pompa obiegowa, zawór zwrotny, zawory odcinaj�ce i manometr, a tak�e elektroniczny regulator temp. R1 lub R2. Wszystkie elementy umieszczone s� w jednym kompaktowym zestawie ułatwiaj�cym monta� i bie��c� obsług� instalacji solarnej.

Rys.32. Regulator R1

Rys.33. Panel steruj�cy PE R

68

16.6. Dane techniczne kolektora KS-2000S, urz�dzenia współpracuj�ce 1. Długo�� : 2,030m 2. Szeroko�� : 1,025m 3. Wysoko�� : 0,087m 4. Ci��ar(bez cieczy) : 43kg 5. Pojemno�� cieczowa : 1,47l 6. Ci�nienie robocze : 0,6Mpa 7. Powierzchnia absorbera : 1,8m2

Aktualnie kolektory KS słoneczne s� produkowane w nast�puj�cych wersjach: KS-2000 S - Kolektor o obudowie w kolorze naturalnego aluminium KS-2000 S/L - Kolektor o obudowie lakierowanej w kolorze RAL 8014

(br�z) KS-2000 S/P - Kolektor o obudowie w kolorze naturalnego aluminium

z szyb� pryzmatyczn� OPTISOL-THERM KS-2000 S/L/P - Kolektor o obudowie lakierowanej w kolorze RAL 8014

(br�z) z szyb� pryzmatyczn� OPTISOL-THERM Kolektory słoneczne obj�te s� 10-letnim okresem gwarancji.

16.6.1. Uchwyty dachowe kolektora

W celu ułatwienia monta�u kolektorów na dachach budynków oferowane s� odpowiednie uchwyty. S� one przystosowane do ró�nego rodzaju pokry� dachowych (dachówka, blacha, pokrycia bitumiczne). Uchwyty te tworz� ram� i nadaj� si� na dachy o nachyleniu w granicach 30°-60°. Mo�liwe jest wykonanie mocowania zwi�kszaj�cego nachylenie o około 7°. Uchwyty wykonane s� z kształtowników stalowych cynkowanych ogniowo, co gwarantuje im odpowiedni� trwało��. Najmniejszy zestaw mocowania obejmuje dwa kolektory i mo�e by� rozbudowywany o kolejne w zale�no�ci od potrzeb. Podstawow� cech� proponowanych uchwytów jest prosty i pewny monta�.

Konstrukcja wolnostoj�ca. W przypadku konieczno�ci monta�u kolektorów na dachach płaskich lub bezpo�rednio na ziemi mo�liwa jest do nabycia konstrukcja wolnostoj�ca. Konstrukcja ta umo�liwia wybór odpowiedniego nachylenia kolektorów w granicach 30° do 45°. Podobnie jak w przypadku uchwytów podstawowy zestaw obejmuje dwa kolektory słoneczne z mo�liwo�ci� rozbudowy o dowoln� ilo��. Wykonana jest z kształtowników stalowych cynkowanych ogniowo.

Rys.34. Uchwyty dachowe kolektora

69

16.6.2. Oblachowanie kolektorów

Kolektory te przystosowane s� do zabudowy na dachu budynku jako fragment jego pokrycia. Słu�y temu specjalny zestaw oblachowa� dekarskich dla dowolnej wielko�ci baterii kolektorów. Oblachowanie to wykonywane jest z blachy aluminiowej i ołowianej w kolorze br�zowym RAL 8014. Podstawowy komplet stanowi okucie blacharskie dla jednego kolektora, które nast�pnie mo�na powi�ksza� o kolejne w zale�no�ci od potrzeb. Ten sposób monta�u kolektorów słonecznych jest polecany dla budynków nowo budowanych na etapie wykonywania pokrycia dachu, szczególnie w przypadku blachodachówki, która mo�e stwarza� pewne problemy przy monta�u uchwytów kolektorowych. 16.6.3. Tablica regulacyjna

Stanowi ona komplety zestaw niezb�dny w instalacji solarnej z obiegiem wymuszonym. Przystosowana jest ona do monta�u na �cianie w okolicy podgrzewacza wody. W skład zestawu wchodz�: 1. pompa obiegowa UPS 25-40 2. sterownik kolektora SBR- G41-01 3. naczynie przeponowe ERC 18 4. zawory odcinaj�ce ze �rubunkami 5. zawór zwrotny 6. zawór bezpiecze�stwa 6 bar 7. manometr 8. zawory spustowe

16.6.4. Sterownik ró�nicowy

Przeznaczony jest on do sterowania prac� pompy oraz do stabilizacji temperatury z wykorzystaniem kolektora słonecznego. Układ został wykonany w technice mikroprocesorowej przy zastosowaniu automatycznego monta�u powierzchniowego. Specjalny uchwyt pozwala zamocowa� go w dowolnym miejscu na �cianie lub w obudowie. Dopuszczalna obci��alno�� wyj�� wynosi 4A, co odpowiada silnikowi pompy 750W.Nastawiane parametry to: - ró�nica temperatur w granicach od 1°C do 15°C - histereza zał�czenia pompy od 1°C do10°C - zwłoka w zał�czeniu pompy od 1 min do 10 min - maksymalny czas, po którym powinna wzrosn�� temperatura w zbiorniku od 0 do 60 min

(potwierdzenie prawidłowego działania instalacji) 0 - oznacza brak testu - temperatura maksymalna zbiornika od 10°C do 99°C, powy�ej której zostanie wył�czona

pompa i zał�czony alarm. Sterownik wyposa�ony jest w wy�wietlacz, który wskazuje: - temperatur� wody w zasobniku - temperatur� kolektora

Rys.35. Tablica regulacyjna

70

- ró�nic� temperatur - warto�ci nastawionych parametrów - sygnalizacj� r�cznego zasterowania pompy - sygnalizacj� pracy pompy w automatyce - sygnalizacj� stanu alarmowego

Rys.36. Sterownik ró�nicowy 16.6.5. �rubunek

Aby ułatwi� ł�czenie kolektorów miedzy sob� stosuje si� specjalnie wykonany �rubunek. Posiada on z dwóch stron gwint zewn�trzny 3/4" odpowiadaj�cy wyprowadzeniom z kolektorów słonecznych. rubunek jest skompletowany z odpowiednimi uszczelkami i izolacj� termiczn� do zało�enia po jego skr�ceniu.

Rys.37. rubunek Rys.38. Czujnik temperatury 16.6.6. Korek czujnika temperatury Jest to osłona czujnika temperatury sterownika ró�nicowego b�d� termostatu: - Korek z gwintem 3/4" i uszczelk� słu�y do bezpo�redniej zabudowy w wyj�ciu z kolektora.

71

- Korek z gwintem 3/4" przeznaczony jest tak�e do zabudowy w oferowanych zasobnikach ciepłej wody.

- Korek z gwintem 1/2" mo�e by� wykorzystany przy zabudowie czujnika w czwórniku bezpo�rednio na wylocie czynnika grzewczego z kolektora.

16.6.7. Czwórnik Słu�y on do zabudowy na wylocie z kolektora. Posiada dwa gwinty wewn�trzne 1/2" do zamontowania zaworu odpowietrzaj�cego i korka czujnika temperatury oraz dwa gwinty zewn�trzne 3/4" do wkr�cenia w kolektor i przył�czenia rur instalacyjnych.

Rys.39. Czwórnik Rys.40. Redukcja izolacyjna 16.6.8. Redukcja izolacyjna

W przypadku wykonywania instalacji z miedzi w celu ochrony instalacji i zbiornika przed

korozj� elektrochemiczn�, w miejscu ich ł�czenia zaleca si� stosowanie redukcji izolacyjnej wykonanej z tworzywa o gwintach 1"\3/4". 16.6.9. Wymiennik basenowy

W przypadku budowy instalacji basenowej proponuje si� zastosowanie wymienników ciepła przystosowanych do zabudowy na obiegu filtrowania wody. W zale�no�ci od ilo�ci kolektorów dobiera si� odpowiednie wielko�ci wymiennika.

Rys.41. Wymiennik basenowy 16.6.10. Grzałka elektryczna W przypadku zastosowania jako �ródła dogrzewaj�cego wod� w zasobniku proponuje si� grzałk� elektryczn� o mocy 2000 W, wyposa�on� w termostat z regulacj� wymaganej temperatury.

72

Rys.42. Grzałka elektryczna

17. Miejsce monta�u kolektora

Kolektory słoneczne mo�na instalowa� wsz�dzie, w dowolnej konfiguracji. Mog� by� instalowane zarówno na dachu jak i na ziemi - na stojaku. Aby jednak otrzyma� najlepsze efekty, warto trzyma� si� nast�puj�cych wskazówek:

− Kolektor powinien by� zwrócony stron� szklan� na południe. − Kolektor powinien by� pochylony o ok. 45 stopni wzgl�dem poziomu - jest to k�t idealny

przy wykorzystaniu kolektora od lutego do listopada. − Je�eli kolektor ma by� u�ywany tylko w miesi�cach letnich (np. do ogrzewania wody

w basenie lub do domku letniego), nale�y go zainstalowa� pod k�tem 30 stopni. − Kolektory nale�y instalowa� w miejscu niezacienionym przez drzewa, krzaki itp. − Wskazane jest stosowanie - jako czynnika roboczego - specjalnych cieczy. Ograniczaj� one

odkładanie si� minerałów na kolektorze i eliminuj� zagotowanie si� cieczy.

Cały system wykorzystywania energii słonecznej instaluje si� w domu. Kolektory montuje si� na wspornikach ponad dachem, w odległo�ci około 15 cm od połaci dachu pochyłego. Natomiast na dachach płaskich na specjalnych stojakach, o wła�ciwym k�cie i kierunku. Umieszczaj�c kolektory na dachu, nale�y pami�ta� ,�e ka�dy metr kwadratowy wa�y około 35 kg i �e trzeba zapewni� doj�cie w razie potrzeb modernizacji.

17.1. Przykłady monta�u kolektorów słonecznych: a) wolno stoj�ce

73

b) na budynkach

18. Dobór wielko�ci instalacji Orientacyjne zu�ycie energii na przygotowanie ciepłej wody na jedna osob� w domu jednorodzinnym na dob� - 5 kWh; chwilowe zapotrzebowanie mocy - nawet powy�ej 20 kW (je�li np. w dwóch łazienkach, jednocze�nie szykuje si� k�piel, a w kuchni odbywa si� zmywanie naczy�). Orientacyjne zu�ycie cieplej wody w ci�gu doby: Zlewozmywak w kuchni - 30 l (temp. wody 50oC); umywalka - 10l; wanna - 150l; prysznic - 50l (temp. wody 40oC). Zu�ycie cieplej wody w budownictwie wielorodzinnym na jednego mieszka�ca: przyjmuje si�: �rednio-110l, maksymalnie - 130l. W mieszkaniach z kabin� prysznicow�, zlewozmywakiem i umywalk� �rednio 90l; maksymalnie 110l. Woda w punkcie czerpalnym powinna mie� temp. nie ni�sz� ni� 45 oC.

18.1. Dobór wielko�ci kolektora

Rys.43. Zale�no�� ilo�ci kolektorów od ilo�ci osób W instalacjach domowych wody u�ytkowej nale�y kierowa� si� wska�nikiem 1-1,5m2 powierzchni absorbera przypadaj�c� na 1 osob�. Poni�szy rysunek przedstawia wykres doboru ilo�ci kolektorów w zale�no�ci od ilo�ci osób i wymaganego stopnia pokrycia zapotrzebowania na ciepln� energi� ze sło�ca. UWAGA! Na wykresie przyj�to, i� jedna osoba zu�yje dziennie 50l wody o temperaturze 45 oC.

74

Dla czteroosobowej rodziny powierzchnia kolektora słonecznego płaskiego powinna wynosi� 6-10 m kw., a kolektora rurowego pró�niowego - ok. 3,2 m kw. Zasobnik cieplej wody u�ytkowej powinien mie� pojemno�� co najmniej 300 litrów, a najlepiej 400-600 l.

18.2. Dobór wielko�ci zasobnika Ze wzgl�du na konieczno�� zapewnienia odpowiedniej zdolno�ci do gromadzenia energii odbieranej przez kolektory słoneczne zaleca si� przyj�cie na 1 kolektor około 80-100 litrów obj�to�ci zasobnika c.w.. Ze wzgl�du na mo�liwo�� doprowadzenia do zbyt wysokich temperatur obj�to�� ta nie powinna by� mniejsza ni� 50 litrów/1 kolektor. 18.3. Lokalizacja zasobników wody u�ytkowej i zbiorników akumulacyjnych

Najlepiej wewn�trz budynku w dowolnie wybranym miejscu. Zaleca si� najni�sze kondygnacje budynku najlepiej w pobli�u kotła c.o.

18.4. Wykonanie instalacji rurowej

Zgodnie z ogólnymi zasadami budowy instalacji rurowych cieplnych. Przewody ł�cz�ce baterie kolektorów z zasobnikami ciepła nale�y wykona� z miedzi i izolowa� cieplnie. Przy doborze �rednicy rur nale�y kierowa� si� przepływem w wysoko�ci v = 1,0 - 1,8 l/min na 1 kolektor KS-2000S.

19. Teoretyczne obliczenia dotycz�ce doboru kolektorów słonecznych

Bilans energii dla układu kolektor – zasobnik bez płynu po�rednicz�cego w wymianie ciepła

3600*)(**

)(*

**]3600*)([**)(**

,,,

,1,,

otziz

zizzwz

pcwuotzRczzpzz

zasobikastratsuz

TTA

TT

cmTTUSFATTcmQ

QLQQ

−−−

−−−=−=∆

−−=∆

∆+

ττ

ττττ

δλ

Je�eli dla uproszczenia przyjmujemy, �e zasobnik jest doskonale zaizolowany to:

0360012

12 ≈− *)(*

, otzz TT

Aτδ

λ

)](*)([** ,, wzzpcwuotzRcz TTCmTTUSFAQ −−−−=∆ ττ 36001 zmian� temperatury w zasobniku mo�na obliczy� z przekształconego wzoru

pz

zwzpcwuotzRczz cm

TTcmTTUSFATT

*

)(**]3600*)([** ,,,1,,

−−−−+=∆+

τττττ

Dogrzewanie wody przez dodatkowe �ródło ciepła (kolektor słoneczny) wł�czony szeregowo z zasobnikiem

)(** wzcwupcwubr TTcmQ −=

)(** ,τzcwupcwud TTcmQ −=

75

Efektywno�� układu

br

dbr

QQQ −

=ε

Równania bilansowe kolektora

tc

u

otinRcu

Rotpcu

IAQ

TTUSFAQ

FTTUSAQ

*

]*)([**

*]*)([

=

−−=

−−=

η

3600

3600

1

1

Oznaczenia: mz – masa wody w zasobniku mcwu – masa wody uzupełniaj�cej zasobnik (równa masie ciepłej wody pobranej z zasobika) Tz,τ - temperatura wody w zasobniku na pocz�tku analizowanego przedziału czasu (1h) Tz,τ+∆τ - temperatura wody w zasobniku po upływie przedziału czasu ∆τ Tw,z - temperatura wody zimnej uzupełniaj�cej Tot - temperatura otoczenia λiz - współczynnik przewodzenia ciepła izolacji zasobnika δ - grubo�� izolacji zasobnika Az - pole powierzchni zewn�trznej zasobnika Ac - pole powierzchni kolektorów Tp - temperatura płyty absorpcyjnej Tin - temperatura płynu na wlocie do kolektora η - sprawno�� energetyczna kolektora FR - współczynnik przeliczeniowy U1 – współczynnik strat ciepła kolektora (przez pokryw� szklan� oraz zaizolowany spód i brzegi) Qbr – ilo�� ciepła wymagana dla podgrzania ciepłej wody u�ytkowej bez udziału kolektora Tcwu – wymagana temperatura ciepłej wody u�ytkowej It – nat��enie promieniowania

76

77

II ENERGIA GEOTERMALNA

1. Wst�p

Energia ta jest energi� wn�trza Ziemi zgromadzon� w skałach i wodach podziemnych. Ciepło we wn�trzu Ziemi jest po cz��ci ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie formowania naszej planety, a cz��ciowo jest ciepłem pochodz�cym głównie z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak uran, tor czy potas. Temperatura zwi�ksza si� z gł�boko�ci�, w j�drze Ziemi osi�gaj�c ponad 6000 oC. Pod skorup� ziemsk� znajduje si� warstwa gor�cych i roztopionych skał zwanych magm�. Czasami gor�ca magma wydostaje si� na powierzchni�, gdzie znamy j� jako

law�. Magma, której temperatura osi�ga nawet 1400 oC ogrzewa otaczaj�ce skały i zawarte w nich wody. Ilo�� ciepła zmagazynowana we wn�trzu Ziemi jest ogromna: do 10km przekracza 50 000- krotnie ilo�� ciepła zgromadzon� we wszystkich zło�ach gazu ziemnego i ropy naftowej na �wiecie.

Wody opadowe przenikaj� w gł�b Ziemi, gdzie ogrzewane s� przez ciepło pochodz�ce z jej wn�trza. W niektórych miejscach zło�a ciepłych i gor�cych wód oraz par znajduj� si� na tyle blisko powierzchni Ziemi (do 3km), �e mog� by� wydobywane za pomoc� otworów wiertniczych. Cz��� gor�cej wody poprzez uskoki (struktury powstaj�ce w wyniku przemieszczania si� skał) i szczeliny wydostaje si� na powierzchni� Ziemi jako gor�ce �ródła albo gejzery. Jednak wi�kszo�� wody pozostaje gł�boko pod ziemi� w szczelinach i porach skał. Takie naturalne nagromadzenia wody i pary

wodnej nazywane s� zbiornikami lub zło�ami geotermalnymi. Najwy�sze temperatury wzgl�dne zwi�zane s� z obszarami, gdzie zjawiska wulkaniczne wyst�puj� współcze�nie lub te� miały one miejsce w niedalekiej przeszło�ci geologicznej. Obszary takie okre�lane s� jako „gor�ce plamy”, a grubo�� skorupy ziemskiej jest tam najmniejsza. Tworz� one tak zwany „pier�cie� ognia”

Rys.44. Przekrój przez Ziemi�

Rys.45. Schemat zło�a

geotermalnego

Rys.46. Reykiawik, model Wielkiego

Gejzera oraz zbiorniki z wod� geotermaln�

78

przebiegaj�cy wzdłu� łuków wysp wulkanicznych na Pacyfiku i wzdłu� zachodnich wybrze�y Ameryki Północnej i Południowej. 1.1. Zasoby geotermalne

Dzielimy je na hydrotermiczne i petrotermiczne. Zasoby hydrotermiczne odnosz� si� do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które wyst�puj� w szczelinach skalnych, �yłach wodnych lub w warstwach wodono�nych. S� one wykorzystywane obecnie. Zasoby petrotermiczne s� zmagazynowane w warstwach skalnych i maj� znaczenie perspektywiczne. Sposób wykorzystania zasobów geotermalnych zale�y od temperatury czynnika grzejnego. Przyj�to, �e przy temperaturze powy�ej 120 - 150°C opłaca si� go wykorzysta� do produkcji energii elektrycznej. Przy ni�szych temperaturach czynnika grzejnego wchodzi w rachub� wykorzystanie do celów ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody u�ytkowej w systemach miejskich i przemysłowych, do ogrzewania szklarni, hodowli ryb, do celów balneologicznych i rekreacyjnych. 1.2. �ródła energii geotermalnej

Według aktualnego stanu wiedzy �ródła energii geotermalnej mo�na podzieli� ze wzgl�du na stan skupienia no�nika ciepła, a tak�e na wysoko�� temperatury, na nast�puj�ce grupy: - grunty i skały do gł�boko�ci 2500m, z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem

pomp ciepła pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła - wody gruntowe jako dolne �ródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów

grzejnych - wody gor�ce i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych

(w przypadku mineralizacji wody, wtłaczane s� z powrotem do zło�a po ich wykorzystaniu energetycznym)

- para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych eksploatacyjnych znajduj�ca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej

- wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy oboj�tnych wobec soli, głównie w�glowodorów, np. izobutanu

- gor�ce skały, z których energia odbierana jest przez wod� cyrkuluj�c� pod wysokim ci�nieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na du�ych gł�boko�ciach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach goetermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzejnych

Oprócz wy�ej wymienionych �ródeł istniej� jeszcze sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstaj�ce w suchych gor�cych skałach (hot dry rock). Tworz� si� one w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o du�ej mocy. 1.3. Gejzery jako �ródła energii geotermalnej

Jednym ze �ródeł energii zamkni�tej gł�boko w Ziemi s� gejzery, czyli wybuchaj�ca para wodna o wysokiej temperaturze, któr� mo�na wykorzysta� do produkcji energii. Gejzery s� spektakularnymi zjawiskami obserwowanymi tylko w kilku rejonach �wiata. Ich ojczyzn� jest Islandia sk�d pochodzi nazwa gejzer (z j�zyka islandzkiego „Geysa” znaczy „wylewa� si�”, „wytryskiwa�”). Poza Islandi� te gor�ce „fontanny” mo�emy zobaczy� równie� w takich miejscach jak: okolice Rotorua w Nowej Zelandii, Park Narodowy Yellowstone w USA, wulkaniczna Kamczatka, spotkamy je tak�e w Japonii, Indonezji, Ameryce rodkowej i Południowej. Najwy�ej poło�onym regionem wybuchaj�cych �ródeł jest Płaskowy� EI Tation w Chile le��cy na wysoko�ci 4300m n.p.m. Wybuchom gejzerów cz�sto towarzysz� niebezpieczne wyziewy truj�cych gazów zawieraj�cych dwutlenek w�gla, dwutlenek siarki, kwas solny, siarkowodór.

79

Rys.47. Gejzer w Islandii 1.4. Gor�ce suche skały–kolejne �ródło energii geotermalnej

W tym wypadku wykorzystywana jest energia nagromadzona w skałach na du�ych gł�boko�ciach. Na pocz�tku lat siedemdziesi�tych w Stanach Zjednoczonych została opracowana koncepcja wykorzystania tej energii bazuj�ca na sztucznie wytworzonych szczelinach, w wyniku eksplozji ładunków wybuchowych du�ej mocy na gł�boko�ci kilku tysi�cy metrów. Do tak otrzymanych rozległych sieci szczelin w kompleksie skalnym wprowadza si� otworem zatłaczaj�cym pod wysokim ci�nieniem wod�, która w wyniku cyrkulacji pobiera energi� gor�cych skał i po uzyskaniu odpowiedniej temperatury wyprowadzana jest otworem eksploatacyjnym. Wyprowadzona na powierzchni� ziemi gor�ca woda, przy takim ci�nieniu aby nie nast�piło jej odparowanie, słu�y do wytwarzania pary wodnej w obiegu wtórnym, gdzie jest odpowiednio ni�sze ci�nienie albo gdzie czynnikiem cyrkulacyjnym jest ciecz nisko wrz�ca.

Powy�szy sposób wytwarzania energii elektrycznej z gor�cych skał nosi nazw� Technologii Hot Dry Rock (HDR). Technologia ta jest ekologicznie czysta, wykorzystuje ona praktycznie niewyczerpalne zasoby energii dost�pne w dowolnym czasie, w ka�dym miejscu na ziemi. Zło�a gor�cych skał przy zastosowaniu technologii HDR powinny spełnia� warunki: - w celu odebrania dla celów przemysłowych wymaganej ilo�ci ciepła od skał, których

przewodno�� cieplna jest na ogół niska, nale�y zapewni� odpowiednio rozległe zło�a o du�ej powierzchni wymiany ciepła;

- opory przepływu cieczy w zło�u powinny by� tak niskie, aby zapotrzebowanie energii do nap�du pomp było mniejsze od 10% otrzymywanej energii elektrycznej brutto;

- z bada� modelowych oraz eksperymentów w skali naturalnej wynika, �e �rednia szeroko�� szczelin w całym zło�u powinna wynosi� 1-2mm;

- koszty wiercenia do gł�boko�ci, przy której temperatury skał s� tak wysokie, �e pozwalaj� na przemysłowe wykorzystanie energii geotermalnej (ogrzewanie, energia elektryczna) powinny by� ekonomicznie opłacalne. Koszty wiercenia rosn� z gł�boko�ci� wykładniczo, a temperatura zmienia si� liniowo.

Najistotniejsz� charakterystyk� �ródła geotermalnego jest jego temperatura Tp., ilo�� rozpuszczalnych soli okre�lonych moralno�ci� roztworu, zawarto�� rozpuszczonych gazów oraz ci�nienie na dnie studni geotermalnej Pr. Te parametry fizyczne decyduj� o porównawczym wska�niku energetycznej warto�ci studni geotermalnej. Do porównania potencjalnych mo�liwo�ci termodynamicznych u�ywa si� poj�cia egzergii geopłynu na powierzchni studni. Wielko�� ta jest iloczynem strumienia masy m i egzergii wła�ciwej e.

80

E = me gdzie:

e = h – ho – To (s – so)

Wielko�ci h i s oznaczaj� entalpi� wła�ciw� i entropi� wła�ciw� dla warunków na powierzchni studni. Wielko�ci opatrzone indeksem (o) odnosz� si� do warunków atmosferycznych panuj�cych w obr�bie studni, T jest temperatur�. W przypadku produkcji energii elektrycznej, niezale�nie od szczególnych rozwi�za� siłowni, tylko cz��� egzergii zamienia si� w prac� elektryczn�

Wele=Eηηηηυυυυ

Gdzie ηu jest sprawno�ci� wykorzystania �ródła geotermalnego (ang. resource utilization efficiency). Jest ona definiowana inaczej ni� sprawno�� termiczna obiegu, ale podobnie jak ta ostatnia zale�y głównie od temperatury płynu geotermatnego na powierzchni studni T i wybranego obiegu cieplnego. Przy temperaturze T= 170°C i temperaturze dolnego �ródła To=10°C, ηu wynosi około 50 - 60% dla dobrze zaprojektowanej siłowni z turbin� kondensacyjn�. Odpowiada to zu�yciu pary około 8 kg/kWh. Z literatury fachowej po�wi�conej energetyce geotermalnej wynika, �e powy�ej 120°C opłaca si� eksploatacja �ródła geotermalnego dla celów produkcji energii elektrycznej. Istniej�, równie� ogólnikowe doniesienia o wykorzystaniu geopłynu o ni�szych temperaturach, tj. około 80°C w zastosowaniu do binarnych siłowni energetycznych. 1.5. Dobrodziejstwa płyn�ce z wykorzystania energii geotermalnej

W co najmniej 64 krajach na całym �wiecie ludzie korzystaj� z dobrodziejstw geotermii. Stopie� wykorzystania tego typu energii na �wiecie waha si� jednak�e w szerokich granicach. Krajem, w którym zakres zastosowa� jest najszerszy jest Islandia, gdzie 50% całkowitego zu�ycia energii pochodzi z systemów geotermalnych. Całkowity udział energii geotermalnej w ciepłownictwie wynosi 86% w skali kraju, a około 14% w produkcji energii elektrycznej. Energia geotermalna jest tak�e stosowana w uprawach szklarniowych, w przemy�le, hodowli ryb, odtapianiu lodu i w k�pieliskach. Tak wi�c, energia geoternalna nie tylko poprawiła stan �rodowiska naturalnego, ale i znacznie poprawiła standard �ycia mieszka�ców. 1.6. Zagro�enia wynikaj�ce z wykorzystania energii geotermalnej

Eksploatacja energii geotermalnej stwarza tak�e problemy ekologiczne, z których najwa�niejszy polega na kłopotach zwi�zanych z emisj� szkodliwych gazów uwalniaj�cych si� z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H2S, który na przykład zgodnie z prawem ameryka�skim musi by� pochłoni�ty w odpowiednich instalacjach, podra�aj�cych oczywi�cie koszt produkcji energii elektrycznej. Inne potencjalne zagro�enie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywaj�cy si� wraz z par� ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na �rodowisko naturalne stanowi otwarty, nie rozwi�zany do tej pory problem techniczny.

2. Energia geotermalna na �wiecie

Pierwsza elektrownia geotermalna powstała w 1904 roku w Larderello we Włoszech.

Obecnie elektrownie takie działaj� w 21 krajach, mi�dzy innymi na Islandii, Nowej Zelandii, Filipinach, w USA, Japonii i Indonezji. Energi� geotrmaln� wykorzystywano od zarania dziejów (Etruria, Chiny, Japonia, Rzym). W czasach nowo�ytnych, w XIV w. we Francji energi� geotermaln� ogrzewano kilka budynków mieszkalnych. Pierwsze instalacje geotermalne powstały w XIX wieku, w Klamath Falls (USA) i na W�grzech. Jednak na szersz� skal� geotrmia zacz�ła by�

81

stosowana od lat 70-tych, od czasów kryzysu paliwowego. Obecnie wykorzystuje si� j� głównie do celów ciepłowniczych.

Rys.48. Mapa �wiata z zaznaczonymi krajami wykorzystuj�cymi energi� geotermaln�

Ponad 20 krajów wykorzystuje pary

geotermalne do generowania energii elektrycznej, ponad 40 korzysta z par i wód w tzw. wykorzystaniach bezpo�rednich.

Najwi�kszym na �wiecie obszarem ogrzewanym (od 1930 roku) energi� geotermaln� jest Reykiavik stolica Islandii - 180 000 mieszka�ców. Innymi miejscami gdzie równie� wykorzystuje si� energi� geotermaln� s� mi�dzy innymi: Francja (Basen Paryski, Akwita�ski), USA (Klamath Falls, Reno), Japonia, Włochy, Chiny, Turcja, W�gry, Rumunia. W ostatnich latach do tych pa�stw doł�czyła równie� Polska.

Wody geotermalne s� równie� na szerok� skal� wykorzystywane do celów leczniczych i rekreacyjnych. W wielu miejscach na �wiecie powstały kompleksy wypoczynkowe i balneologiczne wykorzystuj�ce wody geotermalne (np. Japonia, Islandia, USA, Filipiny, W�gry).

Eksploatacj� tzw. wodno - dominuj�cych studni geotermalnych rozpocz�to uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Wi�kszo�� obecnie pracuj�cych studni geotermalnych pochodzi z lat 70 i 80. tego stulecia, kiedy to rozwój metod poszukiwa� geologicznych oraz technik wiertniczych wpłyn�ł na obni�enie kosztów kapitałowych, a kryzysy energetyczne spowodowały wzrost cen paliwa konwencjonalnego. Jednym ze �ródeł energii geotermalnej s� suche i gor�ce skały. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skałach o temperaturze 200°C, na gł�boko�ci 2000m. Francja i Niemcy zawarły umow� (dla celów energetyki) na ekstrakcj� energii suchych i gor�cych skał o temperaturze 150°C, wyst�puj�cych w rejonie anomalii geotermicznej wschodniej Bawarii, na gł�boko�ci 1800 do 2004m. Obecnie coraz powszechniej stosowane s� pompy cieplne umo�liwiaj�ce korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa wyst�puje ju� poni�ej gł�boko�ci 1m. w skałach i wodach je wypełniaj�cych. Pompy cieplne uruchamiane energi� elektryczn� lub gazow� pozwalaj� na zamian� niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10°C - 30°C) do temperatury przydatnej w ciepłownictwie (45°C - 80°C).

Powszechno�� wyst�powania energii geotermalnej pozwala �ywi� nadziej�, �e w przyszło�ci stanie si� ona głównym �ródłem ogrzewania budynków wolnostoj�cych, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i

Rys.49. Elektrownia geotermalna na

Islandii

82

w wielu innych rozwini�tych krajach �wiata. W roku 1986 ł�czna moc czynnych na �wiecie elektrowni geotermalnych wynosiła około 5000 MW. 2.1. Bezpo�rednie zastosowania energii geotermalnej

Bezpo�rednie zastosowania energii geotermalnej obejmuj� szeroki zakres, np. ogrzewanie/chłodzenie pomieszcze�, przemysł, ogrodnictwo szklarniowe, hodowla ryb, uzdrowiska. Na ogół wi��� si� one z wykorzystaniem istniej�cych technologii i prostej in�ynierii. Na całym �wiecie ten rodzaj pozyskiwania energii charakteryzuje si� du�� niezawodno�ci� i ma ogromne zalety technologiczne, ekonomiczne i ekologiczne. W�ród sposobów wykorzystania dominuje ciepłownictwo (37%), jakkolwiek popularne s� takie zastosowania jak: k�pieliska/pływanie/balneologia (22%), pompy ciepła do chłodzenia i ogrzewania (14%), szklarnie (12%), hodowle ryb (7%), przemysł (7%). W ostatnich latach wzrósł wzgl�dny udział Azji w produkcji energii geotermalnej do zastosowa� bezpo�rednich. Szacuje si�, �e w roku 1997 osi�gn�ł on 32% i obecnie wynosi 44%. Udział Europy spadł z 52 do 37%, podczas gdy w Ameryce wzrósł z 10 do 14% (głównie z uwagi na dynamiczny rozwój zastosowania pomp ciepła). Zastosowania bezpo�rednie bazuj� zarówno na zasobach wysoko, jak i niskotemperaturowych, dlatego ich zasi�g na �wiecie jest du�o wi�kszy ni� w przypadku produkcji energii elektrycznej. Z kolei zastosowania takie s� silniej zwi�zane z wymogami lokalnego rynku energii, gdy� niezwykle rzadko podejmuje si� decyzj� o przesyle pary lub wody do miejsc znacznie oddalonych od miejsc eksploatacji energii geotermalnej czy te� zakładów geotermalnych. Najdłu�szy ruroci�g przesyłowy gor�cej wody geotermalnej ma 63 km długo�ci i znajduje si� na Islandii. Koszt produkcji 1 kWh do zastosowa� bezpo�rednich jest bardzo zró�nicowany, najcz��ciej jednak kształtuje si� poni�ej 2 centów US. W tab.16. przedstawiono zainstalowan� moc oraz produkcj� energii w pi�tnastu krajach na �wiecie przoduj�cych w bezpo�rednim wykorzystaniu energii geotermalnej.

W Chinach wody geotermalne wyst�puj� niemal we wszystkich prowincjach. W skali roku odnotowuje si� tam 10-procentowy wzrost zastosowa� bezpo�rednich – głównie w ciepłownictwie (zast�powanie ogrzewania w�glowego), k�pieliskach oraz hodowli ryb. Równie� Japonia obfituje w du�e zasoby wód geotermalnych, z których blisko 80% wykorzystywanych jest w k�pieliskach, rekreacji, turystyce i do produkcji energii elektrycznej. Pozwoliło to znacznie podnie�� poziom �ycia ludno�ci, jednak�e jest to ci�gle jedynie nieznaczna cz��� mo�liwych do wykorzystania zasobów energii geotermalnej. W ostatnich latach Turcja bardzo dynamicznie weszła do czołówki krajów zajmuj�cych si� bezpo�rednim wykorzystaniem energii geotermalnej. W�ród krajów tropikalnych Meksyk posiada znaczny udział w zastosowaniach bezpo�rednich. Do �wiatowej czołówki doł�czyły w ostatnich latach Szwecja i Szwajcaria, poprzez szerokie zastosowanie pomp ciepła odzyskuj�cych ciepło gruntu, wód gruntowych przypowierzchniowych partii górotworu.

2.2. Po�rednie zastosowania energii geotermalnej

Energia geotermalna wykorzystywana jest do produkcji pr�du elektrycznego (pary o temp. powy�ej 120 oC) i bezpo�rednio w ciepłownictwie (pary i woda o temperaturach poni�ej 120 oC). Prowadzone s� równie� badania nad wykorzystaniem ciepła geotermalnego zgromadzonego w gor�cych suchych skałach.

83

Tab.16. Pi�tna�cie krajów �wiata przoduj�cych w bezpo�rednim zastosowaniu energii geotermalnej

Zainstalowana moc [MW]

Produkcja [GWh/rok]

Chiny 2814 8724 Japonia 1159 7500 USA 5366 5640 Islandia 1469 5603 Turcja 820 4377 Nowa Zelandia 308 1967 Gruzja 250 1752 Rosja 307 1703 Francja 326 1360 W�gry 391 1328 Szwecja 377 1147 Meksyk 164 1089 Włochy 326 1048 Rumunia 152 797 Szwajcaria 547 663

3. Wykorzystanie energii geotermalnej

Rys.50. Podstawowe sposoby wykorzystania energii geotermalnej.

84

Energi� geotermalna wykorzystuje si� w wielu dziedzinach gospodarki. Wody i pary geotermalne wydobywa si� otworami wiertniczymi (otwory eksploatacyjne). Po odebraniu ciepła woda zatłaczana jest otworem chłonnym z powrotem do zło�a (system dwuotworowy) lub odprowadzana do cieków powierzchniowych (system jednootworowy). Najgł�bsze otwory geotermalne si�gaj� 5km, a najwy�sze pomierzone temperatury w tych otworach osi�gaj� 400 oC, natomiast w obszarach wulkanicznych dochodz� do 700 oC.

4. Sposoby wykorzystania energii geotermalnej w Polsce

Tab.17. Bezpo�rednie wykorzystywanie energii geotermalnej (koniec 2003r.)

Maksymalne wykorzystanie Roczne wykorzystanie

Temperatura [°°°°C]

�rednia wydaj-

no�� [kg/s]

Zu�ycie energii3)

[TJ/r.]

Współczyn- nik

wykorzysta-nia

Miejscowo��

Sposób wyko- rzyst.

Wydaj-no��

[kg/s]

wej�cie wyj�cie

Baska B. Dunajec d+g+f+a a) 16 82 58 11 21,0 0,4

Zakopane b 36 26-36 25 18 14 0,6

Pyrzyce d 103 61 25 51 100 0,3

Cieplice Zdr. b 7,5 36-39 b) 26 6,8 10 0,8

L�dek Zdr. b 11 20-28 20 10,8 16,8 0,8

Duszniki o c) 5,5 19-21 19-21 5,5 0,3 0,5

Ciechocinek b 56,8 27-29 20 4,2 2,8 0,1

Konstancin b 2,5 29 12 0,1 0,2 0,1

Ustro b 0,9 28 11 0,4 0,58 0,3

Iwonicz o d) 3 21 10 0,4 0,58 0,2

Mszczonów D 11 40 15 11 5,0 - 1) i- procesy przemysłowe, c – klimatyzacja, a – suszenie produktów rolnych, f – hodowla ryb i innych zwierz�t, d – ciepłownictwo , b – k�pieliska, pływalnie, balneologia, g – szklarnie , o – inne ; 3) zu�ycie energii [TJ/r.] = �rednia roczna wydajno�� wody [kg/s] x x (temp. na wej�ciu [°C] – temp. na . wej�ciu [°C] x 0,1319 a) Zakład Ba�skie – Biały Dunajec pracuje w systemie kaskadowym: centralne ogrzewanie [d] stosuje

ciepło odzyskiwane bezpo�rednio z wody geotermalnej (17 TJ/r.), podczas gdy inne sposoby (a,f,g) bazuj� na cieple zawartym w wodzie powrotnej z sieci c.o. (4 TJ/r.) ;

b) Mieszanina wód o temp.20 - 62°C ze �ródeł i otworów; c) Odzysk CO2 z ciepłej solanki; d) Produkcja soli jodowo – bromowych i kosmetycznych;

85

Tab.18. Zestawienie bezpo�redniego wykorzystania energii geotermalnej (koniec 2003r.)

SPOSÓB WYKORZYSTANIA

ZAINSTALOWANA MOC CIEPLNA 1)

[MWt]

ZUYCIE ENERGII 2) [TJ/r.]

Ciepłownictwo 23,0 122,0

K�pieliska/balneologia 20,0 44,4

A+G+F (kaskadowe) 1,0 4,0

Zast. Przemysłowe _ _

Klimatyzacja _ _

Inne a) 0,3 1,0

Razem 44,3 171,4

Pompy ciepła 26,2 108,3

Razem 70,5 279,7

1) Zainstalowana moc cieplna (MWt) = max wydajno�� wody [kg/s] x (temp. na wej�ciu [oC] –temp. na

wyj�ciu [oC]) x 0.004184; 2) Zu�ycie energii[TJ/r] = �rednia roczna wydajno�� wody [kg/s] x (temp. na wej�ciu [oC] – temp. na wyj�ciu

[oC]) x 0,1319 a) Odzysk CO2 i soli z solanek geotermalnych.

5. Pompy ciepła 5.1. Zasada działania pompy ciepła Pompy ciepła s� urz�dzeniami grzejnymi działaj�cymi na zasadzie odwrotnej ni� lodówki, a energia elektryczna odgrywa w nich role pomocnicz�. Pompa jest rodzajem transformatora ciepła z obszaru o ni�szej temperaturze (ziemia, powietrze, wody powierzchniowe) do pomieszcze� ogrzewanych. Do najpopularniejszych nale�� pompy spr��arkowe i absorpcyjne, głownie ze wzgl�du na ich efektywno�� techniczn� i ekonomiczn�.Pompa spr��arkowa składa si� z czterech podstawowych elementów: spr��arki, parownika, skraplacz i zaworu rozpr��nego, pracuj�cych w obiegu zamkni�tym, w którym kr��y czynnik chłodniczy o okre�lonych wła�ciwo�ciach termodynamicznych. Parownik stanowi zespół rurek umieszczonych w tzw. dolnym �ródle, czyli obszarze o ni�szej temperaturze, ale du�ej energii. W budownictwie krajów zachodnich najcz��ciej jest on montowany w ziemi na gł�boko�ci 2 – 3 metra, gdzie wahania temperatury s� niewielkie. Czynnik chłodz�cy w parowniku ma ci�nienie na tyle niskie, ze jego temperatura parowania jest ni�sza ni� temperatura �rodowiska. Powoduje to proces parowania czynnika i pobierania ciepła z otoczenia. Powstaj�ca para jest zasysana przez spr��ark� i tłoczona do skraplacza. Skraplacz jest zbudowany z radiatorów rozmieszczonych w ogrzewanych pomieszczeniach (najcz��ciej jako ogrzewanie podłogowe). W skraplaczu ci�nienie czynnika roboczego jest wysokie i jego temperatura skraplania przewy�sza temperatur� panuj�c� w ogrzewanych pomieszczeniach. Na wskutek ró�nicy temperatury nast�puje proces skraplania czynnika, któremu towarzyszy wydzielanie ciepła. Nast�pnie czynnik chłodniczy jest rozpr��any w zaworze rozpr��nym i transportowany do parownika, gdzie mo�e ponownie pobiera� ciepło.

86

5.2. Wykorzystanie energii rozproszonej

Mówi�c o energii geotermalnej nie sposób pomin�� zagadnienia pomp cieplnych, urz�dze� słu��cych do zwi�kszania poziomu energetycznego energii cieplnej. Zasada ich działania odpowiada odwróconemu obiegowi Carnota: ciepło o ni�szej temperaturze, dzi�ki wło�onej pracy

mechanicznej staje si� ciepłem o wy�szej temperaturze. Pierwsz� pomp� ciepln� do ogrzewania domu zbudowano jednak dopiero w 1982r. w Wielkiej Brytanii. Pompy te pozwalaj� wykorzysta� ciepło odpadowe z ró�nych procesów technologicznych, niskotemperaturowe wody geotermalne, a nawet wody o temperaturze poni�ej 20°C. Urz�dzenia te pracuj� stosunkowo cicho i nie wydzielaj� �adnych zanieczyszcze�. Obecnie koszt instalacyjny pompy ciepła jest o 30 - 40% wy�szy, ni� instalacji opalanej w�glem, olejem, czy gazem, lecz jej koszty eksploatacyjne s� znacznie ni�sze. Pompa cieplna mo�e tak�e

znale�� zastosowanie przy wykorzystaniu ciepła rozproszonego w wodach powierzchniowych, podziemnych ciekach wodnych, a nawet w gruncie. Stosuje si� wówczas system rur z substancjami freonopodobnymi, pobieraj�cymi ciepło z tych o�rodków. Maksymalna temperatura, do jakiej mo�na nagrza� t� metod� wod� wynosi 55°C, jednak w takich warunkach urz�dzenie nie działa zbyt sprawnie. Pompa najlepiej sprawdza si� dostarczaj�c ciepło w poł�czeniu z niskotemperaturowym systemem ogrzewania, np. podłogowym lub �ciennym. Specjali�ci twierdz�, �e ka�da dostarczona do pompy kilowatogodzina pr�du elektrycznego oddaje minimum trzy kilowatogodziny energii cieplnej, a w optymalnych warunkach dostarcza nawet 4,5 razy wi�cej ciepła ni� pobiera pr�du. W praktyce oszcz�dno�ci energii nie s� tak wysokie, ale nadal warte inwestycji. Zastosowanie pompy cieplnej do wykorzystania tzw. energii rozproszonej zawartej w gruncie, przez Łom�y�sk� Spółdzielni� Mieszkaniow� przyniosło 28% oszcz�dno�ci w wymiarze finansowym oraz wymierne efekty ekologiczne, polegaj�ce na redukcji emisji wszystkich zanieczyszcze� jakie pojawiaj� si� przy spalaniu paliw kopalnych.

5.3. Zastosowanie pomp ciepła

Do niedawna energi� geotermaln� interesowano si� jedynie wtedy, gdy zasoby wód lub par znajdowały si� na gł�boko�ciach do 3km, przy czym ich zło�a miały ograniczon� obj�to�� (analogicznie jak w przypadku złó� ropy naftowej). W ostatnim okresie podej�cie to uległo zmianie, dzi�ki u�yciu pomp ciepła wykorzystuj�cych grunt i płytkie partie górotworu jako tzw. dolne �ródło ciepła lub te� miejsce, gdzie mo�na odprowadzi� nadmiar ciepła w procesie chłodzenia (zale�nie od pory roku). Umo�liwiło to zastosowanie ciepła Ziemi we wszystkich krajach do ogrzewania i/lub chłodzenia, w zale�no�ci od potrzeb. Nale�y podkre�li�, �e pompy ciepła mo�na wykorzysta� w zasadzie wsz�dzie. W ostatniej dekadzie wiele krajów zach�cało wła�cicieli indywidualnych domów do instalowania pomp ciepła do ogrzewania swych gospodarstw w okresie zimowym i (w miar� potrzeb) chłodzenia (klimatyzacji) w lecie. Opracowano projekty zach�t finansowych (zazwyczaj pokrywanych z puli rz�du lub elektrowni) wzmagaj�cych zainteresowanie instalowaniem tych urz�dze�, przyczyniaj� si� one bowiem do ograniczania problemu zwi�zanego

Rys.51. Zasada działania spr��arkowej pompy ciepła:

1-parownik, 2_zawór rozpr��ony, 3-skraplacz, 4-spr��arka, 5-pomieszczenie ogrzewane, 6-�ródło energii (ziemia), Q1-ciepło doprowadzone, Q2-ciepło uzyskane

87

z zasilaniem w energi� elektryczn� w okresach szczytowego zapotrzebowania i jego pokrywania poprzez energi� uzyskiwan� wła�nie z pomp. W czołówce �wiatowej znajduj� si� Stany Zjednoczone z 600 000 pomp ciepła (ok. 5800 MWt) i produkcj� energii równ� 4300 GWh/rok (stan w 2003r.). Roczny wzrost produkcji energii przy zastosowaniu pomp ciepła wynosi 10%. Innymi krajami wiod�cymi w tej bran�y s� Szwajcaria, Szwecja, Niemcy, Austria i Kanada. 5.4. Geotermalne pompy ciepła

W ostatnich kilku latach wzrosło w Polsce zainteresowanie stosowaniem pomp ciepła bazuj�cych na cieple gruntu, wód gruntowych i cieple geotermalnym. W ciepłowni w Pyrzycach działaj� dwie geotermalne pompy (20,4 MWt), które produkuj� 40 TJ/rok ciepła. W 1997r. zainstalowano na Górnym l�sku pierwsz� pomp� ciepła o mocy 0,06 MWt wykorzystuj�c� jako �ródło dolne powietrze wentylacyjne o temperaturze 16 – 19°C z kopalni w�gla kamiennego. W 2003r. na terenie kraju funkcjonowało co najmniej 1400 pomp ciepła bazuj�cych na cieple gruntu i wód gruntowych. Ich ł�czn� moc oszacowano na 36 MWt , a produkcj� ciepła na 223TJ/rok .

Tab.19. Geotermalne pompy ciepła ( koniec 2003r.)

Miejscowo�� Dolne �ródło

ciepła [°°°°C]

Moc pompy (na wej�ciu)

[MWt]

Produkowana energia cieplna

[TJ/rok]

Pyrzyce a) 40 20,4 40,0

Podhale a) ~20 0,01 0,1

L�dek Zdrój 32 0,20 5,2

Piekary �l�skie b) 16 - 19 0,06 0,96

Pompy bazuj�ce na cieple gruntu i wód gruntowych c) (-7 ) - 10 15,5 176,0

a) Pompy ciepła w ciepłowniach geotermalnych. b) Powietrze wentylacyjne z kopalni w�gla jako dolne �ródło pompy ciepła. c) Sumaryczne warto�ci dla pomp ciepła bazuj�cych na cieple gruntu i wód gruntowych. 5.5. Zagospodarowanie wód o temperaturze rz�du 20 oC

Budowa zakładu geotermalnego w klasycznym rozwi�zaniu, tj. odwiert produkcyjny, wymienniki ciepła, odwiert chłonny, zwi�zana jest z problemem bardzo du�ych nakładów finansowych niezb�dnych do poniesienia na etapie inwestycji. Koszty te s� na tyle wysokie, �e maj�c nawet na uwadze fakt niskich kosztów produkcji ciepła, wpływaj� hamuj�co na rozwój wykorzystania geotermalnych �ródeł ciepła.

Koszt wykonania otworu jest bezpo�rednio zale�ny od jego gł�boko�ci. Dlatego te� w celu obni�enia kosztów postanowiono rozpozna� mo�liwo�ci uj�cia płytkich poziomów wodono�nych. Z tym jednak�e wi��e si� pozyskanie wzgl�dnie niskich temperatur niemo�liwych do bezpo�redniego wykorzystania w instalacji c.o., a nawet do produkcji c.w.u. Temperatury te s� mo�liwe do zagospodarowania przy wykorzystaniu pomp ciepła.

Urz�dzenia te s� od wielu lat stosowane na �wiecie i do�� intensywnie wprowadzane obecnie na rynek polski. Umo�liwiaj� wykorzystanie �ródeł ciepła o niskiej temperaturze przy zachowaniu opłacalno�ci ekonomicznej.

88

System którego schemat pokazano na Rys. 53, ma za zadanie pokry� całoroczne zapotrzebowanie na c.w.u oraz dodatkowo w sezonie grzewczym ogrza� dom jednorodzinny, dwukondygnacyjny o powierzchni około 240(m2). Aby zabezpieczy� si� przed niedoborem mocy grzewczej w szczególnie niekorzystnych warunkach atmosferycznych lub na skutek awarii którego� z urz�dze� grzewczych, przewidziano wyposa�enie zbiornika c.w.u w awaryjny grzejnik elektryczny. Przewiduje si� �e w okresie letnim podstawowym �ródłem ciepła b�dzie kolektor słoneczny o całkowitej powierzchni 8m2, a pompa ciepła b�dzie urz�dzeniem wspomagaj�cym w okresach długotrwałego braku nasłonecznienia. W przypadku uzyskania nadwy�ek energii cieplnej wytwarzanej w kolektorze słonecznym mo�liwa

jest w niej akumulacja w gruncie , który stanowi dolne �ródła ciepła dla pompy ciepła. W sezonie grzewczym głównym �ródłem ciepła b�dzie pompa ciepła o mocy 12(kW).Tak�e w tym okresie strumie� ciepła pozyskiwany przez kolektory w dni słoneczne b�dzie stanowił znacz�c� cz��� zapotrzebowania na energie ciepln�.

Rys.53. Schemat układu skojarzonego z kolektorem słonecznym i pompa ciepła.

1. Zbiornik c.w.u, 2. Zbiornik c.o, 3. Pompa ciepła,4. Kolektor słoneczny, 5. W��ownica grzewania podłogowego, 6. Wymiennik gruntowy, 7. Grzejnik elektryczny

6. Sondy ciepła 6.1. Sondy ciepła jako odbiorniki energii geotermalnej

Sondy ciepła jak u�ywane s�, do pobierania ciepła z gruntów i skał do gł�boko�ci 2500m. Sondy ciepła dzielimy ze wzgl�du na temperatur� gruntu, przy której ciepło jest przez czynnik odbierane na:

a) przypowierzchniowe sondy ciepła; b) gł�bokie sondy ciepła;

Rys.52. Schemat ideowy pompy ciepła

89

6.1.1. Przypowierzchniowe sondy ciepła

Przypowierzchniowe sondy ciepła mog� by� umieszczone w ziemi poziomo na niedu�ych gł�boko�ciach (do ok. 2m). Nazywamy je wtedy kolektorami ziemnymi. Sondy te mog� by� równie� umieszczone pionowo (do ok. 150-200m).

Rys.54. U�ycie s�dy ciepła w systemach grzewczych podłogowych

Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej dzielimy na systemy

zamkni�te i otwarte. W systemach zamkni�tych pobieranie energii przez no�niki ciepła realizowane jest w umieszczonym w gł�bi otworu odpowiednim wymienniku ciepła, a oddawanie energii odbywa si� na powierzchni ziemi. Natomiast w systemach otwartych pobieranie energii zwi�zane jest z bezpo�rednim wydobywaniem wody z obszaru, gdzie umieszczone s� sondy. Czynnikiem obiegowym jest tutaj woda z dodatkiem 25 - 30% �rodka przeciwzamarzaj�cego, solanka lub czynnik chłodniczy w przypadku bezpo�redniego odparowania Przypowierzchniowe sondy ciepła u�ywane s� w systemach grzewczych podłogowych (rys. 54.), gdzie temperatura dolotowa powinna wynosi� co najmniej 35°C, a tak�e wykorzystywane s� w innych rodzajach ogrzewania, z temperatur� co najmniej 60°C- 75°C w zale�no�ci od stanu izolacji ogrzewanych budynków. 6.1.2. Gł�bokie sondy ciepła

Wy�sze temperatury skał na wi�kszych gł�boko�ciach pozwalaj� na zastosowanie dwóch sposobów pozyskania zakumulowanej w nich energii dla celów grzejnych. Pierwszym z nich jest pozyskanie energii jako �ródła ciepła dla pompy grzejnej, pracuj�cej optymalnie przy danej temperaturze �ródła albo te� maksymalnego wykorzystania sondy ciepła. Drugim sposobem jest uzyskanie energii jako �ródła ciepła dla sond (wymienników ciepła) umieszczonych na du�ych gł�boko�ciach (powy�ej 2km) pozwalaj�cych na uzyskanie odpowiedniej temperatury wody dla celów grzejnych. W przypadku gł�bokich sond ciepła mo�liwe jest wykorzystanie istniej�cych

Niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe

Zasobnik wody ciepłej

Pompa ciepła

Sonda ziemna

Odbiór ciepła

90

otworów np. badawczych lub te� wiercenie nowych co wi��e si� z wi�kszymi kosztami. Istotn� rol� przy odprowadzaniu energii odgrywa, oprócz temperatury eksploatowanego zło�a, tak�e długo�� aktywnej cz��ci sondy. Dłu�sza sonda przy danej �rednicy, ze wzgl�du na wi�ksz� powierzchni� pozwala odprowadzi� wi�ksz� ilo�� ciepła.

7. Elektrownie i ciepłownie geotermalne 7.1. Wykorzystanie energii geotermalnej w siłowniach i ciepłowniach

Woda geotermalna mo�e by� wykorzystywana jako jedyne �ródło ciepła grzejnego lub w skojarzeniu z innymi �ródłami energii (kocioł, elektrociepłownia, silnik spalinowy, pompa grzejna itp.) Elektrownie geotermalne mog� pracowa� jako jedno lub dwu czynnikowe. W przypadku elektrownii dwu czynnikowej woda geotermalna z otworu wydobywczego kierowana jest do wymiennika ciepła, gdzie oddaje ciepło czynnikowi termodynamicznemu wła�ciwego obiegu, dla którego wymiennik ten spełnia rol� kotła. Ochłodzona w wymienniku woda geotermalna otworem zatłaczaj�cym kierowana jest ponownie do zło�a gor�cych skał. Schemat i zasad� działania elektrowni geotermalnych przedstawiaj� poni�sze rysunki (rys. 55, 56).

Rys.55. Schemat elektrowni geotermalnej

91

Rys.56. Schemat elektrowni geotermalnej dwuczynnikowej.

Obecnie w praktyce stosuje si� dwie metody konwersji energii z hydrotermicznych wolno

dominuj�cych �ródeł na energi� elektryczn�. Pierwsza metoda polega na separacji fazy parowej z przepływu dwufazowego, który pojawia si� na powierzchni eksploatowanej studni geotermalnej lub na poł�czeniu separacji i dalszym dławieniu płynu geotermalnego (ang. flashing), w wyniku czego powstaje para, kosztem obni�enia ci�nienia mieszaniny dwufazowej. Drugi sposób konwersji energii korzysta z gor�cego płynu jako medium grzejnego dla obiegu z czynnikiem niskowrz�cym, w którym realizowany jest obieg Rankine'a (siłownia binarna). Pierwsza tego typu siłownia powstała w USA w roku 1979. Geopłyn wydobywa si� na powierzchni� przy u�yciu pomp umieszczonych poni�ej poziomu wrzenia w przypadku studni samo wypływaj�cej. Dzi�ki temu na jej powierzchni� wypływa ciecz oddaj�ca ciepło do izobutanu w wymienniku ciepła, który spełnia rol� wytwornicy pary z podgrzewaczem. Przegrzana para izobutanu kierowana jest do turbiny, a nast�pnie w skraplaczu pierwszego obiegu oddaje ciepło wykorzystane dalej na wytworzenie par propanu w drugim obiegu siłowni binarnej. Ta dwustopniowa siłownia zasilana płynem geotermalnym o temperaturze 182°C i stosunkowo wysokiej temperaturze dolnego �ródła ciepła 27°C, uzyskuje sprawno�� wykorzystania �ródła ηu = 52%. Turbina w obiegu izobutanowym osi�ga sprawno�� wewn�trzn� η = 77%, natomiast turbina w obiegu propanowym η = 86%.

W przypadku elektrowni geotermalnych wykorzystuje si� par� wodn� uzyskan� przy rozpr��aniu wody geotermalnej o wysokiej temperaturze i ci�nieniu. Schematy takich elektrowni przedstawione zostały poni�ej (rys. 57, 58).

92

Rys.57. Elektrownia geotermalna wykorzystuj�ca par� wodn� uzyskan� przy rozpr��aniu wody

geotermalnej o wysokiej temperaturze i ci�nieniu (obieg wtórny zamkni�ty)

Rys.58. Elektrownia geotermalna wykorzystuj�ca par� wodn� uzyskan� przy rozpr��aniu wody

geotermalnej o wysokiej temperaturze i ci�nieniu (obieg wtórny otwarty)

Przy ni�szej temperaturze wody mo�na zastosowa� obieg, w którym czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia, np. freon lub amoniak. Woda geotermalna słu�y wówczas do wytwarzania pary, czynnika roboczego kierowanej nast�pnie do turbiny parowej i skraplacza. Schemat takiej elektrownii przedstawiony jest na rys. 59.

Cech� charakterystyczn� ciepłowni geotermalnych jest niski koszt eksploatacji, ze wzgl�du na niewielkie zu�ycie paliwa w szczytowym �ródle ciepła, niski koszt obsługi (pełna automatyzacja), niewielka opłata za zanieczyszczenie �rodowiska itp. Do�wiadczenia zagraniczne oraz obliczenia wykonane dla warunków polskich wykazuj�, �e jednostkowy koszt pozyskania ciepła geotermalnego jest ni�szy ni� w ciepłowniach konwencjonalnych.

93

Rys.59. Schemat elektrowni geotermalnej wykorzystuj�cy wod� geotermaln� do wytwarzania

pary, czynnika roboczego kierowanego nast�pnie do turbiny parowej i skraplacza.

8. Energia geotermalna w Polsce

W Polsce wody geotrmalne maj� na ogół temperatury nie przekraczaj�ce 100 oC. Wynika to z tzw. stopnia geotermicznego, który w Polsce waha si� od 10 do 110m, na przewa�aj�cym obszarze kształtuje si� na poziomie 35-70m. Warto�� ta oznacza, �e temperatura wzrasta o 1 oC na ka�de 35 - 70m. Całkowita obj�to�� wód geotermalnych w Polsce wynosi około 6,7 x 103 km3.

Zasoby cieplne wód geotermalnych na terenie Polski oszacowane zostały na około 4 mld Mg toe (paliwo przeliczone na rop� naftow�). Wody zawarte w poziomach wodono�nych wyst�puj�cych na gł�boko�ciach 100 - 4000m mog� by� gospodarczo wykorzystane jako �ródła ciepła praktycznie na całym obszarze Polski. Stosowanie ich jest technologicznie mo�liwe, wymaga natomiast zró�nicowanych, niekiedy wysokich, nakładów finansowych.

Rys.60. Szkic prowincji i okr�gów geotermalnych Polski oraz potencjalne zasoby wód

geotermalnych (R. Ney, J. Sokołowski 1987, Nauka Polska Nr6)

94

Tab.20. Obj�to�ci wód geotermalnych dla poszczególnych obszarów.

Nazwa regionu/okr�gu Obszar [km2] Formacje geologiczne Obj�to�� wód geot. [km3]

Grudz�dzko-Warszawski 70 000

Kreda / Jura Trias Razem

2766 344

3100 Szczeci�sko-Łódzki

67 000 Kreda / Jura Trias Razem

2580 274

2854 Sudecko-wi�tokrzyski 39 000 Perm / Trias 155 Pomorski 12 000 Perm / Karbon / Dewon / Jura / Tria 21 Lubelski 12 000 Karbon / Dewon 30 Przybałtycki 15 000 Kambr / Perm / Mezozoik 38 Podlaski 7 000 Kambr / Perm / Mezozoik 17 Przedkarpacki 16 000 Trias / Jura / Kreda / Trzeciorz�d 362 Karpacki 13 000 Trias / Jura / Kreda / Trzeciorz�d 100

Najbardziej zasobne w wody regiony to region grudz�dzko-warszawski oraz szczeci�sko-łódzki. Te dwa regiony zajmuj� około 1/2 obszaru Polski, natomiast ilo�� zawartych w nich wód wynosi blisko 90% wszystkich zasobów geotermalnych w Polsce. Obecnie, ze wzgl�dów ekonomicznych tylko cz��� zasobów ciepła zawartych w wodach geotermalnych nadaje si� do wykorzystania. 8.1. Bezpo�rednie wykorzystanie energii geotermalnej

Według danych z ko�ca 2003r. zainstalowana moc cieplna wszystkich instalacji wykorzystuj�cych energi� geotermaln� w Polsce wynosiła około 44 MWt, a produkcja energii cieplnej osi�gn�ła około 171 TJ/rok (tab.18). W latach 1995 - 1999 energia geotermalna stosowana była w bardzo ograniczonym okresie, gdy� Polska nale�y ci�gle do grupy krajów, które dopiero rozpoczynaj� rozwój w tej dziedzinie. Zagospodarowanie energii geotermalnej było skoncentrowane na ciepłownictwie (ok. 23 MWt zainstalowanej mocy i 122 TJ/rok zu�ywanej energii), balneologii i k�pieliskach, do innych celów (ogrodnictwo szklarniowe, suszenie, hodowla ryb) energia geotermalna była natomiast wykorzystywania jedynie na skal� do�wiadczaln� czy te� półtechniczn�. Obecnie funkcjonuj� trzy ciepłownicze zakłady geotermalne: na Podhalu, w Pyrzycach i w Mszczonowie. 8.2. Stan wykorzystania energii geotermalnej w Polsce w latach 1995-1999

Polska nale�y do krajów europejskich posiadaj�cych najwi�ksze zasoby geotermalne o niskiej entalpii (czyli zasoby wód geotermalnych). Szersze zainteresowanie badaniami i praktycznym wykorzystaniem energii geotermalnej rozpocz�ło si� w latach osiemdziesi�tych. Pierwszy Do�wiadczalny Zakład Geotermalny PAN uruchomiono w 1993r. na Podhalu. Zakład ten otworzył drog� dla dalszych działa�, co przejawiło si� szczególnie w przekazaniu do u�ytku w 1996r. drugiego zakładu geotermalnego w Pyrzycach. W latach 1995-1999 na Podhalu trwała realizacja du�ego projektu geotermalnej sieci ciepłowniczej, a równolegle prowadzone były badania podstawowe i prace nad zastosowaniem ciepła geotermalnego w systemie kaskadowym. Trzeci w Polsce zakład geotermalny działa w Mszczonowie od ko�ca 1999r. Przygotowano tak�e wiele kolejnych studiów opłacalno�ci i projektów wykorzystania energii geotermalnej.

Podobnie jak w przypadku innych krajów, oficjalne prognozy zakładaj� lokalny udział energii geotermalnej w rynku energetycznym w Polsce. Główne korzy�ci wynikaj�ce z jej

95

stosowania b�d� zwi�zane z ochron� �rodowiska naturalnego, gdy� zostanie ograniczona ilo�� zanieczyszcze� produkowanych przez tradycyjne systemy ciepłownicze bazuj�ce na w�glu. Energia geotermalna powinna by� promowana w Polsce tak�e m.in. w zwi�zku ze staraniami o przyj�cie do Unii Europejskiej, poniewa� w�ród wielu warunków, jakie kraj nasz powinien spełni�, znajduje si� praktyczne stosowanie energii odnawialnych. 8.3. Zasoby geotermalne

Generalnie, obszar Polski charakteryzuje si� niskimi i umiarkowanymi warto�ciami głównych parametrów geotermalnych. Powierzchniowy strumie� cieplny wynosi 20-90 W/m2, podczas gdy gradienty geotermalne wynosz� 1-4°C/100 m. Na obszarze kraju wyró�niono trzy główne prowincje geotermalne, w skład których wchodz� rozległe baseny sedymentacyjne zawieraj�ce liczne zbiorniki wód geotermalnych (rys. 61.). Ł�czna powierzchnia tych prowincji wynosi około 250 000 km2, co stanowi blisko 80% powierzchni kraju.

Zakłady geotermalne Funkcjonuj�ce (2000 r) � Planowane do realizacji w najbli�szych latach � Inne planowane do realizacji � Uzdrowiska stosuj�ce wody geotermalne ze �ródeł i otworów Rys.61. Zasoby geotermalne, funkcjonuj�ce i planowane zakłady geotermalne w Polsce (podział

na prowincje i regiony geotermalne)

Krótk� charakterystyk� tych jednostek mo�na przedstawi� nast�puj�co: – Prowincja Ni�u Polskiego (�rodkowoeuropejska). Zajmuje powierzchni�

222 000 km2 i zawiera siedem regionów geotermalnych (zbudowanych ze skał wieku od paleozoiku do kredy). Temperatury zło�owe wynosz� od 30 do 130°C (gł�boko�ci 1-3 km).

96

Mineralizacja ogólna wód waha si� w szerokim zakresie od l do 300 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 6225 km3 wód zawieraj�cych energi� ciepln� równowa�n� 32 458 mln ton paliwa umownego.

– Prowincja przedkarpacka. Zajmuje powierzchni� 17 000 km2. Wody geotermalne wyst�puj� w skałach mezozoiku i trzeciorz�du. Temperatury zło�owe wynosz� od 25 do 50°C. Minera-lizacja ogólna wód jest zmienna, waha si� od l do 100 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 361 km3 wód zawieraj�cych energi� ciepln� równowa�n� 1555 mln ton paliwa umownego.

– Prowincja karpacka. Zajmuje powierzchni� 12 000 km2. Wody geotermalne wyst�puj� w skałach mezozoiku i trzeciorz�du. Mineralizacja ogólna wód zmienia si� w zakresie od 0,1 do 100 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 100 km3 wód zawieraj�cych energi� ciepln� równowa�n� 714 mln ton paliwa umownego.

Spo�ród innych obszarów w Polsce, interesuj�ce perspektywy geotermalne posiadaj� Sudety, gdzie wody geotermalne wyst�puj� w szczelinowanych partiach skał krystalicznych i metamorficznych prekambru i paleozoiku.

Dla oszacowania podanej ilo�ci ciepła mo�liwego do odebrania z wód geotermalnych znajduj�cych si� w formacjach zalegaj�cych do gł�boko�ci 3km przyj�to, �e ciepło b�dzie odbierane do temperatury 20°C, a schłodzone wody nie b�d� zatłaczane z powrotem do zło�a. Zatwierdzone zasoby eksploatacyjne wód geotermalnych wydobywanych z otworów wynosz� od kilku do 50-150 l/s.

Bior�c pod uwag� aktualne ceny tradycyjnych no�ników energii, opłacalne pod wzgl�dem ekonomicznym zakłady i instalacje geotermalne mo�na budowa� na około 40% powierzchni kraju. Najlepsze warunki geotermalne wyst�puj� na rozległym obszarze Ni�u Polskiego, podczas gdy w innych prowincjach s� na ogół gorszej jako�ci, z wyj�tkiem szczególnych przypadków, do których nale�y zwłaszcza rejon Podhala.

9. Instalacje geotermalne w Polsce

Rys.62. Mapa zakładów geotermalnych w Polsce eksploatuj�cych wody z gł�boko�ci 1600-3000m

97

9.1. Funkcjonuj�ce zakłady geotermalne

Wody geotermalne o temperaturach do 100°C wyst�puj� praktycznie na całym obszarze kraju. Przyj�ta w Prawie Geologicznym nomenklatura mówi, �e wody termalne to te, które wyst�puj� w �ci�le okre�lonych horyzontach wodono�nych, i których temperatura przekracza 20°C. Około 2/3 powierzchni Polski uznawane jest za perspektywiczne pod wzgl�dem mo�liwo�ci technologicznych zagospodarowania potencjału geotermalnego, a około 40% powierzchni kraju ma korzystne warunki dla budowy ekonomicznych instalacji, tj. takich, w których cena energii b�dzie ni�sza od ceny energii konwencjonalnej. W ostatniej dekadzie wybudowano i uruchomiono w Polsce trzy zakłady geotermalne. 9.2. Zakład w Mszczonowie

Zakład Geotermalny w Mszczonowie – zbudowany przez Geotermi� Mazowieck� S.A. wykorzystuje wody geotermalne wydobywane z otworu Mszczonów IG-1 do celów grzewczych i pitnych. Odwiert został wykonany w 1977 roku, a nast�pnie zrekonstruowany przez IGSMiE PAN w 1997 roku. Wody pochodz� z gł�boko�ci 1600-1700m i maj� temperatur� ok. 40 oC. Zakład działa jako zintegrowany, tzn. ciepło uzyskiwane jest z wód geotermalnych, absorpcyjnych pomp ciepła i kotłów gazowych.

Zakład w Mszczonowie (6 000 mieszka�ców) został otwarty pod koniec 1999 r. Geotermalny poziom wodono�ny znajduje si� w piaskowcach dolnej kredy. Mineralizacja wody geotermalnej nie przekracza 1 g/l.

Charakterystyka zło�a w otworze Mszczonów

– zło�e dolna kreda – gł�boko�� stropu/sp�gu 1602/1714 m ppt. – mi��szo�� 112m – temperatura 40oC – wydajno�� 60m3/h – mineralizacja ok. 0,5 g/l (woda słodka)

Zakład o mocy 2 MWt wykorzystuje wod� o temperaturze 40°C wydobywan� z wymienionego otworu zarówno do celów ciepłowniczych jak i pitnych.

Moc szczytowa zakładu pracuj�cego w układzie sprz��onych trzech �ródeł ciepła (woda geotermalna absorpcyjne pompy ciepła - kotły olejowo-gazowe), wynosi 12 MW, z docelow� roczn� produkcj� ciepła ok. 100 tys. GJ. 9.3. Ciepłownia w Pyrzycach

Ciepłownia Geotermalno – Gazowa w Pyrzycach – drugi w Polsce zakład geotermalny zbudowany przez Geotermi� Pyrzyck� Sp z o. o., funkcjonuje od 1996 roku w 14-tysi�cznym zabytkowym mie�cie w pobli�u Szczecina. Moc cieplna zakładu wynosi 50 MWt z czego 13 MWt pochodzi z wód geotermalnych, co stanowi ponad 26%. Pozostał� moc zapewniaj� kotły gazowe i pompy ciepła. Zakład zaopatruje w centralne ogrzewanie (95/45 oC) i ciepł� wod� u�ytkow� (55 oC) 12 tysi�cy mieszka�ców.

Wyeliminowała około 20 000 ton w�gla spalanego rocznie w tradycyjnych ciepłowniach. Geotermalny poziom wodono�ny (zwi�zany z piaskowcami dolnej jury znajduj�cymi si� na gł�boko�ci 1,5 – 1,6 km) jest udost�pniony do eksploatacji za pomoc� dwóch otworów wydobywczych i dwóch chłonnych.

98

Skrótowa charakterystyka uj�cia wody geotermalnej przedstawia si� nast�puj�co: − zło�e geotermalne lias − gł�boko�� zło�a-strop 1489m − mi��szo�� zło�a 64oC − mineralizacja wody zło�owej 121 g/dm3 − liczba otworów wydobywczych 2 szt − liczba otworów zatłaczaj�cych 2 szt − strumie� wody geotermalnej 340 m3/h − moc cieplna z wody zło�owej 14,8 MW − odległo�� mi�dzy otworami 1,5 km

Maksymalna wydajno�� z dwóch otworów produkcyjnych osi�ga 103 l/s wody o temperaturze 61°C. Mineralizacja ogólna wody wynosi 120 g/l. Podstawowe parametry ciepłowni i sieci s� nast�puj�ce

− 2 kotły gazowe niskotemperaturowe 20 MW − 2 chłodnice spalin ze skraplaniem pary 2,2 MW − 2 kotły gazowe(ok. 160oC) 16 MW − wymiennik bezpo�redni – I st. 7,2 MW − wymiennik pracuj�cy z APG – II st. 7,6 MW − czynnik ogrzewczy: woda 95/40oC − strumie� masy wody ogrzewczej 340 t/h − długo�� sieci ciepłowniczej 15 km − maks. �rednica ruroci�gów magistrali 450mm

Roczna produkcja ciepła w 1999r. wyniosła 100 TJ. Przewiduje si� rozszerzenie zakresu stosowania ciepła geotermalnego do celów rekreacyjnych i rolniczych. Według informacji uzyskanych ze Spółki Geotermia Pyrzyce sp. z o o, całkowity koszt inwestycji w 1992 r. wyniósł 53 mln zł, z czego budowa i wyposa�enie – 27 mln zł, a inwestycja ciepłownicza 26 mln zł. Koszt wyprodukowania 1 GJ energii cieplnej w Ciepłowni Geotermalnej wyniósł 25 zł, podczas gdy cena energii z kotłowni w�glowych ok. 29 zł/GJ 10. Geotermia na Podhalu

Podhale jest unikatowym w skali Polski regionem o du�ych walorach turystycznych i krajobrazowych, co zwi�zane jest z corocznymi wizytami turystów. Zakopane i okoliczne miejscowo�ci rozbudowywuj� si�, z czym poł�czony jest wzrost wykorzystania paliw do celów ciepłowniczych. Poziom zanieczyszczenia �rodowiska wielokrotnie przekracza dopuszczalne normy. Jednym z zasadniczych sposobów ograniczenia szkodliwych emisji do atmosfery jest wykorzystanie czystych ekologicznie no�ników energii wykorzystuj�c jeden z nich – energi� geotermaln� – buduje si� geotermaln� sie� ciepłownicz� w dolinie rzeki Biały Dunajec (Zakopane – Nowy Targ). Głównym celem projektu jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych powstaj�cych w procesach spalania paliw kopalnych, a w �lad za tym – poprawa stanu �rodowiska naturalnego. Projekt geotermalnego uciepłownienia Podhala jest przewidziany do wdro�enia w 4 etapach. Obecnie czynne s� ju� dwa etapy geotermalnej sieci grzewczej: 1 – obszar wsi Ba�ska Ni�na, 2 – fragment Zakopanego. Kolejne dwa etapy s� w fazie realizacji.

99

Rys.63. .Lokalizacja obszarów pomiarów zanieczyszcze� na tle działaj�cej i planowanej sieci

geotermalnej W celu okre�lenia wpływu stosowania ogrzewania geotermalnego na popraw� stanu �rodowiska przyrodniczego a zwłaszcza jako�ci powietrza atmosferycznego prowadzone s� badania emisji dwutlenku w�gla w wytypowanych obszarach. Jednym z nich jest rejon miasta Zakopane, drugim – rejon wsi Biały Dunajec. Przedstawiony wykres ilustruje planowany efekt ekologiczny wprowadzenia ogrzewania geotermalnego w dolinie Białego Dunajca.

Rys.64. Wielko�� zanieczyszczenia [Mg/rok] powietrza atmosferycznego na Podhalu w wyniku

spalania tradycyjnych paliw w ciepłownictwie.

100

11. Pierwszy zakład geotermalny w Polsce Wody geotermalne Podhala były wykorzystywane ju� w II połowie XIX w., ze �ródła w Zakopanem – Jaszczurówce. W 1963 r. Odwiert Zakopane IG – 1 udost�pnił wody o temperaturze 36 oC, wykorzystywane w basenie k�pielowym. W latach 1981 – 1997 wykonano na Podhalu 10 otworów wiertniczych. We wszystkich na gł�boko�ciach 1800 – 3600 m stwierdzono wyst�powanie wód geotermalnych, o temperaturach 60 - 90 oC, wydajno�ciach 90 – 550 m3/h, ci�nieniach 2,0 – 2,7 MPa. Główny geotermalny zbiornik wodono�ny stanowi� wapienie i zlepie�ce eoce�skie, dolomity i wapienie triasowe oraz lokalnie piaskowce jurajskie.

Skały te w Tatrach wyst�puj� na powierzchni i s� tam zasilane wodami opadowymi. W rejonie Ba�skiej – Białego Dunajca znajduj� si� na gł�boko�ci ok. 2 – 3 km i tworz� zbiornik artezyjski (wody wypływaj� samoczynnie na powierzchnie).

W pierwszym w Polsce Zakładzie Geotermalnym Ba�ska – Biały Dunajec instalacja geotermalna wykorzystuje dwa otwory: Ba�ska IG – 1 (otwór wydobywczy) i Biały Dunajec PAN – 1 (otwór chłonny). System eksploatacji działa w obiegach zamkni�tych. Pierwszy obieg – to obieg wody geotermalnej, która z otworu produkcyjnego kierowana jest do wymienników ciepła, gdzie oddaje ciepło wodzie sieciowej (obieg drugi) na cele ogrzewania i sporz�dzania ciepłej wody u�ytkowej. Schłodzona w wymiennikach ciepła woda geotermalna jest zatłaczana do zło�a poprzez

otwór chłonny. Trzeci obieg – to obieg wody w instalacji centralnego ogrzewania u odbiorcy.

Badania realizowane na obszarze Niecki Podhala�skiej od 1981r. pozwoliły wst�pnie oceni� zasoby geotermalne i ilo�� mo�liwego do pozyskania ciepła. Pierwsz� w Polsce instalacj� geotermaln� wykonano w ramach realizowanego w latach 1989-1994 programu pt. „Do�wiadczalny Zakład Geotermalny Ba�ska-Biały Dunajec", którego kierownikiem był prof. Sokołowski. Efektem realizacji prac programu była instalacja geotermalna funkcjonuj�ca w oparciu o dublet otworów Ba�ska IG-1 (otw. eksploatacyjny) i Biały Dunajec PAN-1 (otw. chłonny) uzupełniona o do�wiadczalne obiekty odbioru ciepła.

Od grudnia 1994r. w miejsce zako�czonego programu, w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi� zostało powołane Laboratorium Geotermalne. Kontynuuje ono rozpocz�te badania i uruchomiło nowe programy i instalacje badawcze na Podhalu jak równie� w innych regionach Polski. Wa�nym zagadnieniem w działalno�ci Laboratorium Geotermalnego jest edukacja geotermalna, ekologiczna. W ramach tej działalno�ci m.in. młodzie� ze szkół �rednich bierze udział w konferencjach organizowanych na terenie laboratorium przez Pani� dr in�. Kempi�sk�. Komercyjnym wykorzystaniem i rozbudow� instalacji na Podhalu zaj�ła si� specjalnie powołana spółka funkcjonuj�ca dzisiaj pod nazw� PEC Geotermia Podhala�ska SA.

Pomierzone parametry zło�owe istniej�cego systemu s� nast�puj�ce: – temperatura 86°C – ci�nienie 2,5 MPa – wydajno�� otwór Ba�ska IG-1 120 n^/h – chłonno�� otwór Biały Dunajec PAN-1- 200 m3/h

Rys.65. Schemat systemu

geotermalnego Ba�ska IG-1 – Biały Dunajec PAN-1

101

Obecnie gotowe s� do pracy: – 2 otwory eksploatacyjne: Ba�ska IG-1 i Ba�ska PGP-1, o sumarycznych zasobach eksploatacyjnych 670 m3/h, – 2 otwory chłonne: Bały Dunajec PAN-1 i Biały Dunajec PGP-2, o chłonno�ci 400 m3/h.

Maksymalna moc cieplna systemu (przy odbiorze ciepła do 20°C) jest rz�du 33 MW. Obecnie ciepło z tego systemu geotermalnego dostarczane jest do około 220 odbiorców we wsi Ba�ska Ni�na i w Białym Dunajcu. Realizacja tej inwestycji przez PEC Geotermi� Podhala�sk� SA prowadzona jest w czterech fazach: Faza l - wybudowanie przez Polsk� Akademi� Nauk zakładu geotermalnego w wersji do�wiadczalnej oraz wybudowania sieci grzewczej do 6 gospodarstw (zrealizowana w latach 1989-1994). Faza 2 - przewiduje: − odwiercenie dubletu geotermalnego: otwory Ba�ska PGP-1 o gł�boko�ci 2960 m

i Biały Dunajec PGP-2 o gł�boko�ci 2450m (zako�czone w 1998 r.) − wybudowanie ciepłowni geotermalnej o przewidywanej wydajno�ci około 200- 300 m3/h

wody geotermalne, o mocy 2 x 7,1 MW (budowa zako�czona w 1998r.) − poło�enie ruroci�gu magistralnego DN 500 i DN 400 ł�cz�cego ciepłowni� geotermaln�

z Centraln� Kotłowni� w Zakopanem, do ko�ca 1997 r. Wykonano 4 km ciepłoci�gu w Białym Dunajcu oraz 1,5 km w Zakopanem (w realizacji)

− poło�enie w Białym Dunajcu sieci dystrybucji do 300 odbiorców − podł�czenie domów i zainstalowanie w�złów cieplnych − wybudowanie centralnej kotłowni szczytowej w Zakopanem opalanej gazem o mocy 20 MW

(budowa zako�czona w 1998) − poło�enie sieci dystrybucyjnej w Zakopanem ł�cz�cej centraln� kotłowni� szczytow� z

w�złami powstałymi z konwersji obecnych kotłowni PEC Tatry i odbiorców wielkoskalowych (w trakcie realizacji)

Rys.66. Szkic geologiczny Podhala i lokalizacja otworów, w których stwierdzono wody

geotermalne

102

Faza 3 – odwiercenie dwóch kolejnych dubletów, zako�czenie budowy sieci przesyłowej w kierunku Zakopanego, zako�czenie budowy sieci rozprowadzaj�cej w Zakopanem i podł�cze� do około 7000 odbiorców. Faza 4 – rozbudowa systemu geotermalnego w kierunku Nowego Targu, wiercenie trzech kolejnych dubletów, poło�enie sieci przesyłowej do Nowego Targu, budowa kotłowni szczytowej, sieci rozprowadzaj�cej i podł�czenie kolejnych 7000 odbiorców. 12. Wnioski Prof. dr hab. Ludwik Zawisza oraz dr hab. in� Stanisław Nagy z Wydziału Wiertwnictwa Nafty i Gazu AGH w Krakowie w opracowaniu dotycz�cym mo�liwo�ci wykorzystania wód termalnych w okolicach Sochaczewa zwracaj� uwag� na nast�puj�ce zagadnienia zwi�zane z wykorzystaniem wód geotermalnych: a) kryteria odno�nie wykorzystania energii wód termalnych zwi�zane z: odległo�ci� do �ródła

zbytu, dost�pno�ci� do zbiornika wód termalnych na gł�boko�ci wi�kszej ni� 2 km (lub o temperaturze powy�ej 60°C), własno�ciami hydrogeologicznymi tych zbiorników. Jako pomocnicze kryteria wyró�ni� nale�y: wła�ciwo�ci korozyjne wód, stan otworów, potencjał wytr�cania si� osadów mineralnych. Zastosowanie pomp ciepła pozwala na u�ycie wody termalnej o ni�szej temperaturze (np.40°C)

b) pierwszym wska�nikiem do oceny przydatno�ci otworu (niezale�nie od przyj�tych kryteriów geotermalnych) do zastosowania dla potrzeb eksploatacji geotermalnej jest spełnienie przez niego kryterium ekonomicznego zwi�zanego z konieczno�ci� budowy infrastruktury powierzchniowej ł�cz�cej istniej�ce otwory z pobliskimi odbiorcami energii oraz oszacowaniem zapotrzebowania energii na ciepło.

c) z uwagi na du�e koszty inwestycyjne nale�y rozwa�a� wył�cznie dostaw� ciepła dla du�ych odbiorców- np. ciepłownie miejskie (miasto o wielko�ci co najmniej 10 tys. mieszka�ców). To z kolei implikuje konieczno�ci lokalizacji, co najmniej dwóch otworów w rejonie o dobrych własno�ciach hydrogeologicznych na gł�boko�ciach powy�ej 2000m ppt (lub o temperaturze powy�ej 60°C) w bliskiej odległo�ci od takich miast.

d) wydajno�� otworu rz�du 150-180m3/h jest górn� mo�liw� granic� wydobycia dla dubletu w uwagi na wzrastaj�ce zapotrzebowanie pompy w otworze eksploatacyjnym na moc elektryczn�, a tak�e z uwagi na ograniczenia zwi�zane z procesem zatłaczania.

e) w trakcie zatłaczania wód do otworu chłonnego specjaln� uwag� nale�y zwróci� na problemy depozycji minerałów w otworze i w zło�u. Zjawiska te mog� mie� silny wpływ na techniczn� i ekonomiczn� sprawno�� systemu eksploatacyjno - chłonnego.

f) zatłaczanie wód silnie korozyjnych do istniej�cego wyposa�enia wgł�bnego mo�e okaza� si� �ródłem wielu kłopotów technicznych (m.in. utrat� chłonno�ci), dlatego nale�y zwróci� du�� uwag� na procedury minimalizacji procesów korozji.

g) zastosowanie otworów wiertniczych jako wymienników ciepła pozwala uzyska� od 100-150 kW ciepła(w poł�czeniu z wykorzystaniem pomp ciepła) do ogrzewania pojedynczych budynków (szkoły, hotele, itp.).

103

13. Schemat zagospodarowania wód geotermalnych w Baskiej

Ni�nej

104

14. Kaskadowy system wykorzystania energii geotermalnej

Istniej�ce zakłady geotermalne na Podhalu, w Pyrzycach i w Mszczonowie eksploatuj� ciepło dla potrzeb produkcji ciepłej wody u�ytkowej. Zakłady te posiadaj� niezagospodarowane nadwy�ki ciepła pochodz�ce z wód o temperaturach rz�du 20 – 50 oC. W przypadku instalacji geotermalnej w Ba�skiej Ni�nej stwierdzono znaczny zapas mocy cieplnej mo�liwej do wykorzystania. Temperatura wód zatłaczanych do otworu chłonnego Biały Dunajec PAN – 1 wynosi około 55 oC i nadaje si� do racjonalnego wykorzystania. W IGSMiE PAN, w ramach projektu finansowanego przez KBN, opracowano i wdro�ono kaskadowy system wykorzystania energii geotermalnej. System ten pozwala na wykorzystanie wi�kszego zakresu temperatur wody geotermalnej. Woda o najwy�szej temperaturze (85 – 75 oC) kierowana jest do wymienników ciepła gdzie nast�puje schłodzenie o około 30 oC. Ciepło wody zrzutowej 40 – 45 oC, wykorzystywane jest do intensywnego chowu ryb ciepłolubnych i hodowli warzyw w podgrzewanej glebie w tunelach foliowych.

Rys.67. Kaskadowy system odbioru ciepła w Laboratorium Geotermalnym w Ba�skiej Ni�nej

105

15. System wykorzystania niskotemperaturowej wody geotermalnej do celów ciepłowniczych i konsumpcyjnych w mie�cie Słomniki

Projekt ten pozwala na postawienie „Studium zagospodarowania wód geotermalnych

w województwie krakowskim”. Zostało ono wykonane przez Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi� PAN na zlecenie Wydziału Ochrony rodowiska Urz�du Wojewódzkiego w Krakowie.

Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły zlokalizowa� i rozpozna� kompleksy geotermalne na terenie województwa krakowskiego oraz wskaza� rejony, gdzie przedsi�wzi�cia geotermalne maj� uzasadnienie ekonomiczne.

Jednym z tych obiektów było miasto Słomniki, gdzie czterema otworami rozpoznano dwa kompleksy wód geotermalnych: kompleks cenoma�ski wyst�puj�cy na gł�boko�ci około 150-200m ppt. i kompleks doggeru wyst�puj�cy na gł�boko�ci około 600m ppt. Na ocen� potencjału cieplnego obu kompleksów wpływa przewidywana temperatura wód. Sytuacj� obrazuje zamieszczona krzywa profilowania termicznego (rys.70.) wykonana w otworze Słomniki IG-1. Odczytujemy z niej, �e temperatura na gł�boko�ci 200m (wód kompleksu cenoma�skiego) wynosi około 20°C natomiast na gł�boko�ci 600m (kompleks doggeru) około 23°C. Wraz ze zmian� gł�boko�ci o około 400m uzyskujemy wzrost temperatury jedynie o 3°C. Wzrost ten nie rekompensuje wi�kszych nakładów niezb�dnych do poniesienia, w celu udost�pnienia poziomu doggeru.

Oszacowany potencjał cieplny systemu geotermalnego wynosi 1,1-2,2 MW. Warto�ci te s� bardzo interesuj�ce w aspekcie lokalnego wykorzystania, a przeprowadzone wst�pne analizy ekonomiczne wydaj� si� bardzo obiecuj�ce. Prace zwi�zane z realizacj� tego projektu s� obecnie kontynuowane. W 1999r. uzyskano dofinansowanie z Komitetu Bada� Naukowych na wykonanie prac badawczo-rozwojowych w ramach projektu celowego pn. „Kaskadowy system wykorzystania niskotemperaturowej wody geotermalnej dla celów ciepłowniczych i konsumpcyjnych w rejonie Słomnik". Temat wykorzystania energii geotermalnej jest tak�e bardzo istotny dla Władz Samorz�dowych i Rz�dowych województwa małopolskiego. Wyrazem tego, oprócz poparcia wniosków kierowanych do instytucji finansowych, s� konkretne �rodki finansowe na rozpoznanie i przebadanie poziomu wodono�nego w zasi�gu województwa zadeklarowane przez Urz�d Marszałkowski

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Gł�boko�� [m]

Tem

pera

tura

[o C]

Rys.68. Krzywa profilowania termicznego

106

107

III ENERGIA WIATRU

1. Wst�p

Energia ruchu atmosfery, czyli energia wiatru jest przekształcon� form� energii słonecznej. Wiatr jest wywołany przez ró�nic� w nagrzewaniu l�dów i mórz, biegunów i równika czyli przez ró�nic� ci�nie� mi�dzy poszczególnymi strefami cieplnymi oraz przez sił� Coriolisa zwi�zan� z obrotowym ruchem Ziemi. Ocenia si�, �e ok. 1-2% energii słonecznej dochodz�cej do Ziemi ulega przemianie na energi� kinetyczn� wiatru, stanowi to 2700 TW. 25% tej energii przypada na stumetrowej grubo�ci warstw� powietrza atmosferycznego otaczaj�cego bezpo�rednio powierzchni� Ziemi. Wiatry wiej�ce nad powierzchni� l�dów, je�li uwzgl�dni si� ró�ne rodzaje strat oraz mo�liwo�ci rozmieszczenia instalacji wiatrowych, maj� potencjał energetyczny o mocy 40 TW. Tylko 10% tej warto�ci przewy�sza cały potencjał �ródl�dowej energii wodnej i wynosi 20 razy wi�cej ni� obecna moc zainstalowanych na �wiecie elektrowni.

Zasoby energii wiatru s� niewyczerpalne poniewa� wiatry s� stale podtrzymywane przez Sło�ce. W przypadku wiatrów wiej�cych nad otwartym morzem, tam gdzie gł�boko�� pozwala na instalowanie siłowni wiatrowych, ich moc energetyczn� ocenia si� na 20 TW. Szerokie wykorzystanie energii wiatru przez człowieka nast�piło nie pó�niej ni� 5000 lat temu, w rejonie Morza ródziemnego, gdzie udokumentowano istnienie pierwszych okr�tów �aglowych. Natomiast pierwsze wzmianki o wiatrakach datuj� si� na 400 lat przed narodzeniem Chrystusa. Hinduska ksi�ga Arthasatha of Kantilya opisuje u�ycie wiatraków do pompowania wody.

Wiatr, z punktu widzenia mo�liwo�ci wykorzystania go do celów energetycznych, charakteryzuj� dwie wielko�ci: pr�dko�� i powtarzalno��. Poniewa� pr�dko�� wiatru jest najmniejsza przy ziemi i wzrasta wraz z wysoko�ci�, silniki wiatrowe umieszcza si� na wysoko�ci od kilkunastu do 100m. Optymalna �rednia pr�dko�� wiatru wynosi 4 - 25 m/s. Ograniczenia ze wzgl�du na pr�dko�� wiatru wynikaj� z: minimalnej pr�dko�ci, przy której wytworzony zostanie odpowiednio du�y moment obrotowy (siła aerodynamiczna), oraz maksymalna pr�dko��, po przekroczeniu której wytworzony moment obrotowy mo�e spowodowa� mechaniczne uszkodzenie wiatraka.

Powtarzalno�� jest to suma godzin, podczas których w okresie roku wieje wiatr z okre�lon� pr�dko�ci�. Jest ona bardzo istotnym wynikiem decyduj�cym o celowo�ci budowania elektrowni wiatrowych (budowa opłacalna jest przy powtarzalno�ci ok. 2000 h/rok lub wi�kszej).

Do obliczania zasobów energetycznych wiatru potrzebne s� dokładne wieloletnie pomiary meteorologiczne. W pierwszym etapie ocenia si� zasoby regionalne (w mezoskali), a dopiero potem, po uwzgl�dnieniu wielu wyników, w skali lokalnej. 2. Wiatr i jego zasoby energetyczne Energi� mo�na okre�li� w całym zakresie pr�dko�ci wiatru uzyskuj�c warto�ci zwane energi� brutto lub te� przyjmuj�c dowolny próg pr�dko�ci wiatru. Do oceny zasobów energii wiatru

108

w mezoskali posługuje si� u�yteczn� energi� wiatru, która okre�la dolne ograniczenie pr�dko�ci v > 4 m/s. Energi� wiatru mo�na obliczy� nast�puj�cym, uproszczonym wzorem:

E=q·v³·t·1,34·10-7 gdzie: E – wydajno�� energetyczna wiatru [kWh/m²]

q - g�sto�� powietrza [kg/m3] v - pr�dko�� [m/s] t - czas [s] Znaj�c powierzchni� skrzydeł mo�na ju� w prosty sposób obliczy� wydajno�� energetyczn� siłowni:

Es=ηηηη·E·A=ηηηη·q·v³·t·A·1,34·10-7 gdzie: -η sprawno�� układu turbiny wiatrowej i nap�dzanej przez ni� pr�dnicy E - wydajno�� energetyczna wiatru [kWh/m²] A - powierzchnia skrzydeł siłowni [m2] Es – wydajno�� energetyczna siłowni [kWh/rok]

Kolejnym etapem poznania zasobów energii wiatru jest jej ilo�ciowa ocena dla wybranego w skali regionalnej korzystnego miejsca, uwzgl�dniaj�ca warunki terenowe tego miejsca, by uzyska� jej rzeczywiste wielko�ci. Problem ten mo�na rozwi�za� np. przy u�yciu du�skiego modelu programowego WAsP (Wird Analysis and Application Programme). W wyniku oblicze� (po wprowadzeniu do programu wszystkich rzeczywistych parametrów: mapy topograficznej, szorstko�ci podło�a i danych meteorologicznych) uzyskuje si�: • energi� wiatru na dowolnej wysoko�ci w zakresie 10 - 100 m npg dla miejsca lokalizacji siłowni

w kWh/m2 • znaj�c krzyw� mocy proponowanej siłowni i jej powierzchni� łopat, ilo�� energii w MWh/rok. Całkowite zasoby energii wiatru dla Polski zostały zbadane i dobrze rozpoznane przez doc. dr Halin� Lorenc z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie. Wieloletnie badania pozwoliły na sporz�dzenie map kierunku i siły wiatru oraz jego potencjału energetycznego (dobowego, miesi�cznego i rocznego) przydatnych dla potrzeb lokalizacji siłowni wiatrowych i ich pó�niejszej eksploatacji. Klasyfikacj� obszaru Polski pod wzgl�dem mo�liwo�ci wykorzystania wiatru jako �ródła energii przedstawia rys.71. 2.1. Wpływ czynników �rodowiskowych Dominuj�cy wpływ �redniej długoterminowej pr�dko�ci wiatru na koszt własny podlega dyskusji. Wzrost pr�dko�ci wiatru o 10% (z 5.26 m/s do 5.8 m/s) powoduje obni�enie kosztów własnych o 20% (tj. z ok. 0.34 [PLN/kWh] do ok. 0.27 [PLN/kWh]), i odwrotnie obni�enie pr�dko�ci wiatru o 10% do 4.7 m/s poci�ga za sob� wzrost kosztów wytwarzania energii o ponad 30% tj. do poziomu niemal 0.45 [PLN/kWh]. Cz�sto nie przywi�zuje si� nale�ytej wagi do pokrycia terenu w otoczeniu elektrowni wiatrowej charakteryzowanego za pomoc� tzw. "klasy terenu". Jest to czynnik maj�cy istotny wpływ na wydajno�� energetyczn� EW poprzez �redni� pr�dko�� na wysoko�ci osi wirnika. Przy tej samej lokalizacji w "skali mezo", instalacja EW na terenie kl. 2 powoduje, �e koszt wytwarzania energii wzrasta o ok. 30% w stosunku do lokalizacji na terenie kl. 1. Wypada podkre�li�, �e wybór wła�ciwej lokalizacji EW jest najskuteczniejszym i zwykle bezinwestycyjnym sposobem zmniejszenia kosztów własnych. Wpływ parametrów konstrukcyjnych, wzrost �rednicy wirnika jest bardzo skutecznym sposobem zmniejszenia kosztu wytwarzania energii. Ze wzrostem powierzchni wirnika wydajno�� EW ro�nie znacznie szybciej ni� nakłady inwestycyjne i koszty bie��ce ł�cznie. Widoczna od lat tendencja do budowania coraz wi�kszych elektrowni jest tego potwierdzeniem. Wyniki uzyskano przy zało�eniu, �e przy zmianie �rednicy wirnika moc znamionowa EW nie ulega zmianie. Podobny skutek ma wzrost wysoko�ci wie�y co równie� znajduje odzwierciedlenie we współczesnych tendencjach budowy EW. Wpływ

109

mocy znamionowej elektrowni jest, w rozpatrywanym przypadku, bardzo nieznaczny. Wynika to z dwóch okoliczno�ci: pr�dnica ma stosunkowo mały (6.8 %) udział w nakładach inwestycyjnych, a wpływ umiarkowanych zmian mocy znamionowej na wydajno�� energetyczn� jest tu niewielki; dzieje si� tak dlatego, �e w przypadku bazowym i jego otoczeniu elektrownia bardzo rzadko osi�ga moc znamionow�. Z przytoczonych wyników wida�, �e zmniejszenie mocy znamionowej pr�dnicy z 600 [kW] do ok. 400 [kW] nie wpłynie na koszt wytwarzania energii. Jednak�e po uwzgl�dnieniu wpływu takiej zmiany na cen� układu przeniesienia mocy oraz wirnika wie�y mogło by okaza� si�, �e zmniejszenie mocy znamionowej ma wyra�nie korzystny skutek. Do�� du�a warto�� "obci��enia wirnika" w przypadku bazowym - 0.413 kW/m2, �wiadczy o przeznaczeniu tej siłowni do pracy w lepszych warunkach wiatrowych ni� te z przypadku bazowego, i to tłumaczy omawiany efekt. Wpływ parametrów ekonomicznych zarówno koszty bie��ce, towarzysz�ce nakłady inwestycyjne jak i inflacja maj� umiarkowany wpływ na koszt wytworzenia energii, co wynika z udziału tych czynników w kształtowaniu si� kosztów, a współczynnik gotowo�ci EW odgrywa decyduj�c� rol� w kształtowaniu si� kosztów własnych. W przypadku bazowym zało�ono Wg = 0.98. Jest to warto�� wysoka, wymieniana przez producentów w ostatnich latach. O tym, �e osi�gni�cie tej warto�ci jest trudne wiedz� dobrze u�ytkownicy EW. Miesi�czny przestój elektrowni w ci�gu roku powoduje wzrost kosztów własnych o ok. 10% lub wi�cej je�li uwzgl�dni� fakt, �e nie planowane przestoje maj� zwykle miejsce w sezonie zimowym, charakteryzuj�cym si� wi�kszymi pr�dko�ciami wiatrów.

2.1.1. Ró�a wiatrów

Jednym ze sposobów przedstawiania siły i kierunku wiej�cego wiatru, u�ywanym cz�sto

w meteorologii jest graficzny wykres kołowy zwany ró�� wiatrów.

• I - wybitnie korzystna,

• II - korzystna,

• III - do�� korzystna,

• IV - niekorzystna,

• V - wybitnie niekorzystna,

• VI – tereny wył�czone - szczytowe partie gór��

Rys.69. Klasyfikacja obszaru Polski pod wzgl�dem mo�liwo�ci wykorzystania wiatru jako �ródła energii.

110

Rys.70. Ró�a wiatrów

Ró�a wiatrów pokazuje nam z jak� pr�dko�ci� i z jakiego kierunku na danym obszarze wieje wiatr. Zazwyczaj jest ona podzielona na 8 do 16 sektorów obrazuj�cych poszczególne kierunki. Promie� wypełnienia poszczególnych sektorów obrazuje jak cz�sto z danego kierunku wieje wiatr (obszar czerwony). Wynik jest normalizowany do 100 %. Na przedstawionej obok ró�y wiatrów (wykonanej na podstawie pomiarów w północnej Polsce) mo�emy stwierdzi�, �e przewa�aj� tam wiatry z kierunku W (zachodni) i WWS (zachodni ku południowemu) oraz NE (północno - wschodni) i E (wschodni). Dodatkowo obszar zielony obrazuje niesion� przez wiatr energi�. Otrzymuje si� to poprzez pomno�enie czasu w jakim wiał wiatr z danego kierunku przez �redni� sił� wiatru wiej�cego w tym kierunku. Analiza wyników jest przydatna przy podejmowaniu decyzji inwestycyjnych dotycz�cych budowy EW. Całkowita energia wiatru jest zwi�zana z kwadratem jej pr�dko�ci.

Wewn�trzny kr�g oznacza warto�� zerow�, natomiast zewn�trzny warto�� 20%. W ró�nych systemach pomiarowych mo�e to ulec zmianie. Pomiary powinny by� wykonywane przez cały rok w celu u�rednienia wyników.

Rys.71. Procentowy rozkład pr�dko�ci wiatru na danym terenie podczas czasu trwania pomiarów

wraz z g�sto�ci� energii

111

2.1.2. �rednie pr�dko�ci wiatru na terenie Euroregionu Niemen

Poni�ej przedstawiona jest �rednia pr�dko�� wiatru na wysoko�ci 50 m nad poziomem gruntu dla ró�nych warunków topograficznych oraz wielko�� mocy generowanej przez wiatr, które s� wyró�nione w tab.74. i dotycz� Euroregionu Niemen.

Rys.72. rednia pr�dko�� wiatru na wysoko�ci 50 m.n.p.g. dla Euroregionu Niemen

Tab.21. Moc generowana przez wiatr na terenie Euroregionu Niemen

�������������������� ��������������

����������������

�����������������������������������������

������ ������� ������� �������� ������ �������������� ������� ������� ��������

��� � ��! � �"�!� �! � �#�!� �" � �$� � �# � �%%�!� �%# �

!� &�� �

%! &�! �

��!&"�!�

' &! ��"� &#�!��

( &" �#� &$� ��

� &# �

% � &%%�!�

%� &%# �

(�!&!� �

% &%! ��

!�!&��!��

� &' ���� &"� �

�! &( �"� &#� �

( &� ��

#�!&% � �

" &%� �

'�!&(�!��

! &% �(�!&!�!�

% &� ��!� &�� �

%! &�! �!�!&"� �

� &( �

"� &#�!�� ( &" �

)'�!� )! �� )(�!�� )� � )!� � )%! � )!�!�� )� � )"� � )( ��

112

2.1.3. Zasoby

Zasoby energetyczne wiatru w Polsce ocenia si� na 10 % obecnego zapotrzebowania na energi� elektryczn�. Najkorzystniejszy dla lokalizacji wiatraków obszar to wybrze�e Bałtyku. Obecnie pracuje w Polsce 14 elektrowni wiatrowych o ł�cznej mocy 3.5 MW. Prognozy Komisji Energetycznej UE przewiduj� wzrost wykorzystania energii wiatru do 600 MW w roku 2005. Prognoza taka pozostaje jednak w du�ym kontra�cie z ocenami polskich ekspertów, którzy rozwój ten szacuj� na poziomie 200 MW. Pozostaje pytanie - dlaczego istniej� tak du�e rozbie�no�ci w ocenie? Potencjał energetyczny wiatru w np. Czerniawie, wyliczony dla 50 m nad gruntem wahał si� w latach 1993 -1995 mi�dzy 304 a 339 W/m2 co porównywalne jest z warunkami sakso�skimi. Taki potencjał w zale�no�ci od rodzaju i mocy zainstalowanej siłowni mógłby dostarczy� do sieci energetycznej ró�ne ilo�ci energii. Hipotetyczna roczna produkcja energii dla dwóch wybranych elektrowni wiatrowych firmy Vestas wynosiłaby przykładowo w roku 1995 odpowiednio 505 MWh/rok (dla małej siłowni 225 kW) i 1022 MWh/rok (dla �redniej o mocy 500 kW). Pami�ta� jednak nale�y, �e opracowane wyniki dotycz� jedynie miejsca, gdzie zlokalizowany był maszt pomiarowy. Aby okre�li� warunki energetyczne w s�siedztwie

niezb�dne jest rozpatrzenie szeregu czynników, takich jak forma terenu, przeszkody terenowe i szorstko�� podło�a. �

Potencjał energetyczny wiatru w Lubawce przy �redniej rocznej pr�dko�ci wiatru 5,7 m/s na wysoko�ci 50 m nad gruntem oceni� mo�na na 225 W/m2 i kształtuje si� on na poziomie dobrym. W ramach projektu badawczego policzono hipotetyczn� wielko�� produkcji energii dla ró�nych typów elektrowni wiatrowych przy ró�nych wariantach wysoko�ci zawieszenia osi wirnika. Tak wi�c potencjalnie mo�na było w badanym okresie odprowadzi� do sieci energetycznej od 300 do 826 MWh/rok.

Oczywi�cie lokalizacja turbiny wiatrowej wzbudza emocje zwłaszcza w�ród tzw. ortodoksyjnej cz��ci ekologów. Przyczyn jest kilka. Dziwne kształty zakłócaj� naturalny krajobraz, skrzydła wirnika szumi�, przeszkadzaj� ptakom. Problemem mo�e by� równie� migotaj�cy cie�.

Do�wiadczenia w Niemczech i Danii jakie zebrano w dyskusjach i sporach pomi�dzy inwestorami a ekologami, pozwalaj� na unikni�cie nieporozumie� i jednocze�nie u�wiadamiaj� w�tpliwo�ci, które nale�y bra� pod uwag�. Zawsze płacimy jak�� cen� za poziom swego standardu �ycia. Chodzi tylko o to aby cena ta była jak najni�sza i kształtowana w zrównowa�onej egzystencji człowieka w �rodowisku naturalnym.

Dla celów energetycznych interesuj�ce s� dopiero pr�dko�ci powy�ej 4 m/s. Prawie 2/3

obszaru kraju ma korzystne warunki wiatrowe dla celów energetycznych. W podobnych warunkach klimatycznych i wiatrowych eksploatuj� i rozwijaj� energetyk�

wiatrow� takie kraje europejskie jak Niemcy, Holandia, Szwecja czy Włochy. Wykorzystanie zasobów wiatrów jest w nich znacznie wi�ksze ni� w Polsce, co ukazuje Tab. 19. Pokazuje ona moc turbin wiatrowych współpracuj�cych z sieci� zawodow� i nie uwzgl�dnia mocy turbin pracuj�cych indywidualnie.

2.2. Szorstko� terenu

Nawet wysoko ponad poziomem ziemi, na wysoko�ci 1 km wiatr jest zakłócany przez ukształtowanie terenu. Im bli�ej powierzchni tym te zakłócenia s� wi�ksze. Tak wi�c rodzaj

113

powierzchni, stopie� zabudowania i jej ukształtowanie ma wpływ na pr�dko�� wiatru - wi�ksze przeszkody np. budynki, ujemnie wpływaj� na przepływ wiatru. Szorstko�� terenu mo�emy okre�li� na podstawie danych zebranych z masztów pomiarowych lub na podstawie obserwacji (przybli�one warto�ci).

Tab.22. Skala szorstko�ci

Rodzaj terenu Klasa szorstko�ci

Szorstko�� długo�� [m] Energia (%)

Powierzchnia wody 0 0.0002 100 Całkowicie otwarty teren np. betonowe lotnisko,

trawiasta łaka itp. 0.5 0.0024 73

Otwarte pola uprawne z niskimi zabudowaniami (pojedynczymi).Tylko lekko pofalowany teren. 1 0.03 52

Tereny uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi �ywopłotami oddalonymi od siebie o

ok. 1250 metrów. 1.5 0.055 45

Tereny uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi �ywopłotami oddalonymi od siebie o

ok. 500 metrów. 2 0.1 39

Tereny uprawne z licznymi zabudowaniami i sadami lub 8 metrowe �ywopłoty oddalone od

siebie o ok. 250 metrów. 2.5 0.2 31

Wioski , małe miasteczka , tereny uprawne z licznymi �ywopłotami , las lub pofałdowany teren. 3 0.4 24

Du�e miasta z wysokimi budynkami. 3.5 0.8 18 Bardzo du�e miasta z wysokimi budynkami i

drapaczami chmur. 4 1.6 13

Szorstko�� ma wpływ na rozkład pr�dko�ci wiatru w funkcji wysoko�ci. Im wi�ksza szorstko�� tym wi�kszy wzrost pr�dko�ci wraz z wysoko�ci�. Mo�na to doskonale zaobserwowa� na obszarach o ró�nej szorstko�ci. Klasyfikacja terenu do odpowiedniej klasy szorstko�ci pozwala oszacowa� optymaln� wysoko�� wie�y, na której zostanie osadzona turbina wiatrowa. Nale�y wzi�� jednak pod uwag� tak�e rosn�ce gwałtownie koszty zwi�zane z podwy�szaniem wie�y. Jak wynika z rysunku po prawej podstaw� do tworzenia map wietrzno�ci jest posiadanie masztów pomiarowych. S� one niezb�dne do okre�lenia podstawowych parametrów meteorologicznych na przyległym terenie. Powinny one by� zlokalizowane w miejscach typowych dla danego obszaru i prowadzi� pomiary kompleksowe na kilku wysoko�ciach np. 10, 20, 30, 40 metrów. Jest to konieczne do okre�lenia szorstko�ci terenu. Konieczne przy opracowaniu atlasów jest posiadanie dokładnych danych o zabudowaniach znajduj�cych si� na danym obszarze. Powoduj� one cz�sto turbulencje o rozmiarach znacznie wi�kszych od obszarów zajmowanych przez zabudowania. Kolejn� wa�n� spraw� jest posiadanie danych o typie podło�a, rozmiarach i lokalizacji przeszkód terenowych. Jest to istotne przy okre�leniu szorstko�ci. Wa�ne aby dane były aktualne, gdy� nowe budynki całkowicie mog� zmieni� przepływ wiatru.

114

2.2.1. Podstawowe dane o atmosferze i wietrze. �

1 m/s = 3.6 km/h = 2.187 mph = 1.944 w�zła 1 w�zeł = 1 mila morska/godzin�= 0.5144 m/s = 1.852 km/h = 1.125 mph Tab.23. Pr�dko�� wiatru - Skala pr�dko�ci �

Pr�dko�� wiatru na wys. 10m Wiatr m/s w�zły

Skala Beauforta

Spokój 0.0-0.4 0.0-0.9 0 0.4-1.8 0.9-3.5 1 1.8-3.6 3.5-7.0 2 Lekki 3.6-5.8 7-11 3

redni 5.8-8.5 11-17 4 Umiarkowany 8.5-11 17-22 5

11-14 22-28 6 Silny 14-17 28-34 7 17-21 34-41 8 Sztorm 21-25 41-48 9 25-29 48-56 10 Silny sztorm 29-34 56-65 11

Huragan >34 >65 12 �

Tab.24. Siła wiatru �

m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2 0 0 8 314 16 2509 1 1 9 447 17 3009 2 5 10 613 18 3572 3 17 11 815 19 4201 4 39 12 1058 20 4900 5 77 13 1346 21 5672 6 132 14 1681 22 6522 7 210 15 2067 23 7452

Dane dla T=15*C i g�sto�ci 1.225 kg/m3 ������������ ��������������������������������������������������������������������������

3. Podstawa działania elektrowni wiatrowej.

Podstaw� działania wirnika elektrowni wiatrowej jest wytworzenie ró�nicy ci�nie� pomi�dzy doln� i górn� powierzchni� łopaty. Powstaje ona dzi�ki odpowiedniemu ukształtowaniu łopaty; jedna (górna) powierzchnia jest dłu�sza, wiatr przepływaj�c ma dłu�sz� drog� ni� strumie� opływaj�cy doln� cz��� łopaty. Dzi�ki temu wytwarza si� nad górn� powierzchni� ni�sze ci�nienie w porównaniu z doln� łopat�. Ró�nica ci�nie� wytwarza sił� ci�gu kierowan� w stron� ni�szego ci�nienia (łopata zostaje zassana przez obszar o ni�szym ci�nieniu). Siła ta powoduje w przypadku skrzydeł samolotowych poderwanie samolotu z ziemi. Jednak w przypadku elektrowni wiatrowej bardziej zale�y nam na ruchu obrotowym �migła, a minimalizowaniu siły ci�gu , która d��y do wyrwania rotora z gondoli. Siła popychaj�ca łopat� do ruchu obrotowego jest wynikiem d��enia do wyrównania ci�nie�. Powietrze szybciej przepływa nad górnym płatem ni� dolnym wytwarzaj�c sił� popychaj�ca łopat� do ruchu obrotowego. Obecnie d��y si� do takiego projektowania łopat, aby siła popychaj�ca była du�a kosztem zmniejszenia siły ci�gu.

115

Rys.73. Podstawa działania elektrowni wiatrowej 3.1. Podstawowe informacje o krzywej mocy

Moc wyj�ciowa elektrowni wiatrowej zmienia si� wraz ze zmiana pr�dko�ci wiatru. Zale�no�� t� obrazuje wła�nie krzywa mocy. Jest to jedna z podstawowych danych, na któr� powinni�my zwróci� uwag� przy planowaniu budowy elektrowni. Bardzo istotne jest, aby krzywa była jak najbardziej stroma i osi�gała max. przy jak najni�szej pr�dko�ci wiatru. Nowoczesne elektrownie po osi�gni�ciu maksimum (na rys.74. ok. 30m/h) utrzymuj� stały, wysoki poziom produkcji energii.

Wa�na jest tak�e: - pr�dko�� zał�czenia (im ni�sza tym lepsza) ; cut-in - pr�dko�� przy jakiej rozpoczyna si�

produkcja, - pr�dko�� wył�czenia (zazwyczaj 25m/s); cut-out - pr�dko�� przy jakiej elektrownia wył�cza

si� - ochrona przed uszkodzeniem przez zbyt silny wiatr Moc produkowana wzrasta z sze�cianem pr�dko�ci wiatru (2-krotny wzrost pr�dko�ci wiatru wytwarza 8-krotnie wi�ksz� moc). Krzywa mocy pozwala nam ustali� produkcj� elektrowni na podstawie uzyskanych z pomiarów �rednich pr�dko�ci wiatru.

Rys.74. Idealna krzywa mocy elektrowni wiatrowej

116

3.2. Silniki wiatrowe Zamiana energii kinetycznej wiatru na energi� mechaniczn� nast�puje przy u�yciu silników wiatrowych. Typowy silnik wiatrowy ma wirnik z łopatkami, który nap�dza pr�dnic� i ster kierunkowy zapewniaj�cy ustawienie silnika „pod wiatr”. Podstawowe wielko�ci, które je charakteryzuj�, to: 1. Moc u�yteczna, zale�na od: • powierzchni omiatanej przez wirnik silnika, • pr�dko�ci obliczeniowej wiatru, • współczynnika wykorzystania (zahamowania) wiatru, • sprawno�ci aerodynamicznej. Współczynnik wykorzystania wiatru e jest to stosunek energii kinetycznej wykorzystanej w wiatraku do pełnej energii wiatru i wynosi 0,3 - 0,4. 2. Wyró�nik szybkobie�no�ci zn b�d�cy stosunkiem pr�dko�ci liniowej, uzyskiwanej przez ko�ce płata wirnika, do pr�dko�ci wiatru. Ze wzgl�du na wyró�nik szybkobie�no�ci silniki wiatrowe dzieli si� na: a) wolnobie�ne o zn < 1,5; b) �redniobie�ne o 1,5 < zn < 3,5; c) szybkobie�ne o zn > 3,5; Porównuj�c dwa silniki wiatrowe o podobnej mocy, gdzie pierwszy ma mały wyró�nik szybkobie�no�ci (du�o łopat), a drugi ma du�y wyró�nik szybkobie�no�ci (mało łopat), wi�kszym momentem siły b�dzie si� charakteryzował pierwszy. Silniki wiatrowe dzieli si� te� ze wzgl�du na uło�enie osi obrotu wirnika na silniki o: • poziomej osi obrotu - rys.75. • pionowej osi obrotu - czyli szybkoobrotowe silniki wiatrowe o pionowej osi obrotu

Rys.75. Wiatrak o poziomej osi obrotu W�ród silników wiatrowych wolnobie�nych wyró�nia si� silniki: • b�bnowe • karuzelowe - rys.76a. • rotorowe - rys.76b.

117

Rys.76. Rodzaje silników wiatrowych: a) karuzelowy, b) rotorowy,

Silniki tej grupy maj� du�y moment obrotowy, jednak ze wzgl�du na małe pr�dko�ci

obrotowe znalazły zastosowanie jedynie do nap�dów mechanicznych. Do silników �rednio bie�nych zalicza si�: • silniki wielopłatowe - rys.77.

Rys.77. Silnik wielopłatowy • wiatraki Silniki te charakteryzuj� si� tym, �e ich o� obrotu jest równoległa do przepływu wiatru. Silniki wiatrowe szybkobie�ne: • silniki �migłowe Do celów energetycznych stosowane s� w zdecydowanej wi�kszo�ci �migłowe silniki szybkobie�ne o poziomej osi obrotu. Silniki �migłowe s� silnikami o poziomo usytuowanej osi obrotu wirnika, który mo�e mie� jedn� (12< zn <18) dwie (8< zn <12) lub trzy (3,5 < zn < 8) łopaty typu �migła lotniczego. Łopaty tych wirników wykonywane s� z tworzyw sztucznych, wzmocnionych włóknem szklanym b�d� w�glowym. W pierwszych polskich konstrukcjach stosowane były łopaty metalowe, co powodowało zwi�kszenie masy wirnika i pogorszenie parametrów technicznych elektrowni.

Rys.78. Sylwetki silników wiatrowych ró�nej mocy.

118

3.3. Poziom hałasu

Pracuj�ca elektrownia wiatrowa wytwarza hałas. Pochodzi on głównie od obracaj�cych si� łopat wirnika (opory aerodynamiczne) i w mniejszej cz��ci z generatora i przekładni. Przy planowaniu budowy nale�y uwzgl�dni� poziom d�wi�ku i dotycz�ce tych poziomów normy. Poni�ej przedstawiamy rozkład nat��enia d�wi�ku dla elektrowni firmy Vestas.

Dodatkowo firma Vestas oferuje w swoich wyrobach mo�liwo�� wyciszenia pracy elektrownii kosztem nieznacznego obni�enia mocy wyj�ciowej. Np. dla turbiny V52-850 kW spadek 4.5 dB kosztem ok. 3-5% mocy.

Rys.79. Poziom hałasu wokół 1650 kW turbiny wiatrowej Dla porównania inne poziomy nat��enia d�wi�ków : - faluj�ce li�cie: 10 dB - cichy szept: 20 dB - dom (wewn�trz): 50 dB - biuro: 60 dB - samochód (wewn�trz): 70 dB - przemysł (�rednio): 100 dB - młot pneumatyczny: 120 dB Jak wida� elektrownia nie wytwarza d�wi�ku o du�ym nat��eniu. Problemem jest bardziej monotonno�� d�wi�ku i jego długo czasowe oddziaływanie na psychik� człowieka. Stref� ochronn� powinien by� obj�ty obszar ok. 500m od masztu elektrownii, jednak wszystko zale�y od ukształtowania terenu w pobli�u elektrownii. Innym, cz�sto pomijanym problemem jest efekt odbijania promieni słonecznych od łopat i okresowego przesłaniania sło�ca przez łopaty. Powoduje to zm�czenie osób nara�onych na ten efekt. Jednak łatwo temu przeciwdziała� poprzez odpowiedni� lokalizacj� i „zasłoni�cie” wirnika drzewami posadzonymi wokół elektrownii (pochłaniaj� tak�e znaczne nat��enie d�wi�ku).

119

4. Budowa elektrowni wiatrowej.

Budow� elektrowni wiatrowej ilustruje rys. 80., natomiast na rys. 81. przedstawiono budow� profesjonalnej elektrowni wiatrowej o mocy 2 MW pracuj�cej na potrzeby sieci energetyki zawodowej.

Rys.80. Podstawowe wyposa�enie nowoczesnej elektrowni wiatrowej

Najwa�niejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik przekształcaj�cy energi� wiatru w energi� mechaniczn� przekazywan� do generatora. Zazwyczaj wykonuje si� wirniki trójpłatowe (rzadziej dwupłatowe). Wi�kszo�� płatów wykonana jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem.

120

�

Rys.81. Budowa profesjonalnej elektrowni wiatrowej (model V80-2.0MW firmy Vestas) 1) kontroler, 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat, 3) główny wał, 4) chłodnica oleju, 5) skrzynia przekładniowa, 6) wieloprocesorowy układ sterowania, 7) hamulec postojowy, 8) d�wig dla obsługi, 9) transformator, 10) piasta łopaty, 11) ło�ysko łopaty, 12) łopata, 13) układ hamowania wirnika, 14) układ hydrauliczny, 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika, 16) pier�cie� układu kierunkowania, 17) fundament, 18) koła z�bate układu kierunkowania, 19) generator, 20) chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki no�nej.

W niektórych rozwi�zaniach istnieje ponadto mo�liwo�� zmiany k�ta ustawienia łopat

wirnika dzi�ki zastosowaniu siłowników hydraulicznych (0°- 80°). Wirnik osadzony jest na wale wolnoobrotowym, którego obroty poprzez skrzyni� przekładniow� przekazywane s� do wału szybkoobrotowego. Wał szybkoobrotowy poł�czony jest z wałem generatora. Spotykane s� te� układy pracuj�ce bez przekładni. Najcz��ciej wirnik obraca si� z pr�dko�ci� (15-30) obr./min., przekładnia zwi�ksza t� pr�dko�� obrotow� 50-krotnie do 1500 obr./min. Stopie� przeło�enia zale�y od typu pr�dnicy zastosowanej w elektrowni. Jako generatory pracuj� najcz��ciej pr�dnice asynchroniczne.

Mikroprocesorowy system sterowania monitoruje stan siłowni i pobiera dane do oblicze� i sterowania. Generator, transformator, przekładnia i urz�dzenia steruj�ce umieszczone s� w gondoli. Ponadto gondola zawiera układy smarowania, chłodzenia, hamulec tarczowy itp. Gondola i wirnik obracane s� w kierunku wiatru przez silniki i przekładni� z�bat� znajduj�c� si� na szczycie wie�y, na której umieszczona jest gondola. Wie�a jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o konstrukcji kratownicowej. Urz�dzenia niewielkich mocy, przeznaczone dla małych, indywidualnych u�ytkowników charakteryzuj� si� znacznie prostsz� budow�. Nie maj� mechanizmów zmiany k�ta ustawienia łopat, gondola jest zintegrowana z chor�giewk� kierunkow�. Cz�sto konstrukcja ich wie�y umo�liwia tak�e ustawienie wirnika w osi pionowej, co jest równoznaczne z wył�czeniem elektrowni.

121

Rys.82. Głowica elektrowni wiatrowej w fazie budowy.

4.1. Metody regulacji mocy oddawanej przez elektrownie wiatrowe 4.1.1. Koncepcje pracy siłowni wiatrowej Wyró�nia si� dwie koncepcje pracy siłowni wiatrowej: - ze stał� pr�dko�ci� obrotow� - ze zmienn� pr�dko�ci� obrotow�

Ponadto mo�na mówi� o regulacji aktywnej lub o samoczynnym (pasywnym) dostosowaniu pr�dko�ci obrotowej turbiny i kierunku ustawienia do wiatru. Samoczynne okre�lenie punktu pracy polega na zastosowaniu profilu płata, który powoduje utkni�cie (zahamowanie) wirnika przy du�ych pr�dko�ciach wiatru. Regulacja aktywna to zmiana k�ta ustawienia płatów i kierunku ustawienia elektrowni za pomoc� siłowników. Generalnie wszystkie sposoby regulacji mocy oddawanej przez elektrowni� wiatrow� maj� na celu wytworzenie ��danego poziomu mocy przy satysfakcjonuj�cej jako�ci energii elektrycznej i minimalizacji przej�ciowych przeci��e� mechanicznych wirnika oraz wału ł�cz�cego wirnik z generatorem (co ma wpływ na wydłu�enie czasu pracy elektrowni).

4.1.2. Parametry pracy siłowni wiatrowych

Wszystkie siłownie wiatrowe charakteryzuj� takie parametry pracy jak moc: zał�czania, nominalna, wył�czania.

Zał�czanie odbywa si� przy pr�dko�ciach wiatru (2-6,5) m/s, nominalne warunki pracy to wiatry o pr�dko�ciach (9-16) m/s, pr�dko�� wiatru 25 m/s powoduje wył�czenie elektrowni. Dopóki wiatr nie osi�gnie pr�dko�ci nominalnej dla danego typu elektrowni, strategia sterowania polega na wytworzeniu maksymalnej mo�liwej mocy. Po wej�ciu w zakres normalnej pracy d��y si� do utrzymania wytwarzanej mocy na nominalnym poziomie.

122

Rys.83. Zakres pracy i moc generowana przez siłowni� w funkcji .pr�dko�ci wiatru 4.1.3. Regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (Yaw Control)

Regulacja ta polega na obrocie gondoli i tym samym osi obrotu wirnika elektrowni wzgl�dem kierunku napływaj�cego wiatru. Mo�e ona by� zrealizowana w sposób aktywny lub pasywny. Kierunkowanie pasywne jest zapewnione przez umieszczenie chor�giewki kierunkowej na gondoli. Daje to efekt w postaci ustawienia wirnika na wprost kierunku wiatru. Rozwi�zanie takie stosowane jest tylko w niewielkich urz�dzeniach pracuj�cych dla małych odbiorców. W du�ych instalacjach o mocach kilkudziesi�ciu kilowatów do kilku megawatów, wymagane jest stosowanie aktywnej regulacji kierunku ustawienia. Na szczycie wie�y znajduje si� z�baty pier�cie�, który poł�czony jest z kołem z�batym osadzonym na wale silnika kierunkowego. Silnik obracaj�c si� powoduje ustawienie turbiny w odpowiednim kierunku. Poniewa� moc zale�y od powierzchni zarysu wirnika, odsuni�cie siłowni od głównego kierunku wiatru powoduje zmniejszenie u�ytecznej powierzchni zarysu wirnika i ograniczenie oddawanej mocy.

4.1.4. Regulacja k�ta ustawienia łopat (Active Pitch Regulation)

Regulacji mocy przez zmian� k�ta natarcia ustawia łopaty na podstawie informacji o wielko�ci oddawanej mocy i pr�dko�ci wiatru. Zazwyczaj w czasie gdy wirnik obraca si� płaty przestawiane s� o ułamki stopnia. Regulacja taka wpływa na wielko�ci sił no�nych i hamuj�cych działaj�cych na łopaty wirnika. Pozwala ona na utrzymywanie stałej pr�dko�ci obrotowej wirnika. Jest równie� stosowana w siłowniach o zmiennej pr�dko�ci obrotowej turbiny. Jednym z rozwi�za� regulacji k�ta łopat jest układ OptiTip firmy Vestas. Mechanizm regulacji tego układu znajduje si� w pia�cie wirnika i składa si� z oddzielnych siłowników hydraulicznych dla ka�dej łopaty. Stanowi on jednocze�nie potrójny system hamulców bezpiecze�stwa. System OptiTip ustawia płaty w celu optymalnego wykorzystania turbiny i zarazem minimalizacji poziomu hałasu. OptiTip współdziała z innymi systemami firmy Vestas: OptiSlip oraz OptiSpeed. Wad� systemu aktywnej regulacji ustawienia łopat jest istnienie ruchomych cz��ci w konstrukcji turbiny co zwi�ksza mo�liwo�� wyst�pienia awarii.

4.1.5. Regulacja przez zmian� pr�dko�ci obrotowej generatora

Regulacja przez zmian� pr�dko�ci obrotowej generatora polega na równoczesnym kontrolowaniu zmian pr�dko�ci wirnika i generatora oraz k�ta natarcia łopat wirnika. Ma to na celu eliminacj� fluktuacji wytwarzanej mocy i ochron� elementów konstrukcji siłowni podczas nagłych porywów wiatru.

Do stosowanych rozwi�za� nale�� układy OptiSlip i OptiSpeed firmy Vestas. W klasycznym układzie regulacji generator asynchroniczny pracuje z pr�dko�ci� obrotow� w zakresie (100-101) % nominalnej pr�dko�ci, co dla maszyny 4 - biegunowej oznacza obroty (1500 do 1515) obr/min przy

123

cz�stotliwo�ci 50 Hz. Jest to tzw. praca ze stał� pr�dko�ci� obrotow�. Układ OptiSlip pozwala zmienia� po�lizg maszyny indukcyjnej do 10 % (pr�dko�� (1500-1650) obr/min). Podczas porywu wiatru regulator nieznacznie zwi�ksza obroty generatora. Jednocze�nie zmniejszany jest k�t natarcia łopat wirnika, co zmniejsza obroty turbiny. Skutkiem jest ograniczenie przeci��e� wirnika i systemu mechanicznego oraz gładki przebieg pr�du oddawanego do sieci. Rozwini�ciem układu OptiSlip jest OptiSpeed. Pozwala on zmienia� pr�dko�� turbiny i generatora do 60 %.

4.1.6. Regulacja przez zmian� obci��enia (Load Control)

Metoda ta polega na zmianie rezystancji stanowi�cej obci��enie generatora. W ten sposób "przenosi si�" punkt pracy siłowni z jednej charakterystyki mechanicznej na inn�, bardziej korzystn� dla aktualnie panuj�cych warunków (pr�dko�ci i kierunku wiatru). Zmiana rezystancji musi odbywa� si� łagodnie, zbyt gwałtowny wzrost momentu obci��enia mógłby spowodowa� uszkodzenie turbiny, wału, ło�ysk itp.

4.1.7. Regulacja przez "przeci�gni�cie" (Stall Regulation)

Jest to metoda pasywna polegaj�ca na wykorzystaniu naturalnej charakterystyki aerodynamicznej wirnika, którego aerodynamiczne wła�ciwo�ci ograniczaj� moment nap�dowy przy wy�szych pr�dko�ciach wiatru. Płaty wchodz� w zakres przeci�gni�cia (utykaj�) gdy laminarny przepływ powietrza nad płatem załamuje si� i płat traci sił� no�n�. Jest to sytuacja analogiczna do przeci�gni�cia skrzydeł samolotu, kiedy brak jest wystarczaj�cej siły no�nej do pokonania sił grawitacji. Płaty s� zaprojektowane tak, �e stan przeci�gni�cia post�puje od osi obrotu płata. Im wi�ksza jest pr�dko�� wiatru, tym wi�ksza cz��� płata jest w stanie utykania. Zalet� tej formy regulacji jest brak ruchomych cz��ci w konstrukcji wirnika (płaty przymocowane s� pod stałym k�tem) oraz układów aktywnej automatycznej kontroli. Upraszcza to znacznie budow� siłowni. Problemem jest redukcja drga� płatów powstaj�cych przy utykaniu i zapewnienie stabilnej krzywej mocy. Ponadto wa�nym czynnikiem jest brak mo�liwo�ci ustawienia płatów w tzw. "chor�giewk�" przy zbyt du�ych pr�dko�ciach wiatru, kiedy wirnik powinien by� zatrzymany.

4.1.8. Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control) Jest to rzadko spotykany sposób regulacji, który był stosowany w pocz�tkach rozwoju

energetyki wiatrowej. Polega on na zmianie charakterystyki aerodynamicznej łopat przez korekcj� ustawienia tzw. lotek. Regulacja taka znajduje natomiast powszechne zastosowanie w lotnictwie podczas startu i l�dowania samolotu.

4.2. Generatory

Rodzaj zastosowanego generatora zale�y od wielko�ci siłowni wiatrowej i celu jakiemu ma

ona słu�y�. Wyró�ni� mo�na dwa rozwi�zania: elektrownie pracuj�ce na sie� wydzielon� oraz elektrownie przył�czone do sieci energetyki zawodowej. Systemy izolowane s� całkowicie niezale�nymi �ródłami energii, w których stosowane s� pr�dnice pr�du stałego lub małe trójfazowe pr�dnice, cz�sto z magnesami trwałymi. Pracuj� one przy zmiennej pr�dko�ci obrotowej. Układy takie zawieraj� najcz��ciej bateri� akumulatorów do gromadzenia energii, regulatory napi�cia, falowniki do inwersji pr�du stałego na jedno- lub trójfazowy. Elektrownie z pr�dnic� pr�du stałego wymagaj� zastosowania regulatora napi�cia oraz akumulatorów do gromadzenia energii (rys. 86.), a tak�e dodatkowo falownika, aby uzyska� pr�d zmienny (rys. 87.).

124

Rys.84. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z pr�dnic� pr�du

stałego

Rys.85. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z pr�dnic� pr�du

stałego i falownikiem

U�ycie generatora pr�du zmiennego pozwala równie� na uzyskanie odpowiedniej jako�ci energii pr�du stałego po uprzednim wyprostowaniu i regulacji napi�cia, co ilustruje rys. 88. Poniewa� pr�dko�� obrotowa turbin elektrowni autonomicznych zmienia si� wraz ze zmianami pr�dko�ci wiatru, nie mog� one zapewni� napi�cia zmiennego o odpowiedniej, niezmiennej warto�ci cz�stotliwo�ci i amplitudy. Dlatego musz� one mie� po�redni obwód pr�du stałego i falownik, dla uzyskania odpowiednich parametrów napi�cia zmiennego (rys. 89.). Zakres napi�� nominalnych przy jakich pracuj� układy autonomiczne to (12-230 V) pr�du stałego b�d� zmiennego.��

�

Rys.86. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z pr�dnic� pr�du zmiennego

Rys.87. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z pr�dnic� pr�du

zmiennego

W elektrowniach lub farmach wiatrowych pracuj�cych na potrzeby energetyki zawodowej najcz��ciej wykorzystywana jest pr�dnica asynchroniczna (rys. 90.).��

125

�

Rys.88. Schemat najcz��ciej stosowanego układu w energetyce zawodowej

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach musi mie� takie same parametry (cz�stotliwo�� i napi�cie) jak sie�, z któr� elektrownia wiatrowa współpracuje. Zwykle pr�dko�� obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, jednak stosuje si� te� układy pracuj�ce ze zmienn� pr�dko�ci� obrotow�. Dla zwi�kszenia rocznej produkcji energii stosowane s� dwa generatory, z których jeden pracuje przy du�ych pr�dko�ciach wiatru, za� drugi przy słabszych wiatrach. Inne rozwi�zanie to generatory o przeł�czanej (regulowanej) liczbie par biegunów. Daje to równie� mo�liwo�� pracy przy ró�nych pr�dko�ciach obrotowych generatora. �

4.3. Krótka charakterystyka nowych konstrukcji Współczesna generacja turbin wiatrowych charakteryzuje si� przede wszystkim aerodynamicznym kształtem łopat wykonanych z wysoko przetworzonych komponentów oraz najwy�szym poziomem rozwi�za� technicznych zastosowywanych w konstrukcjach układów mechanicznych siłowni oraz jej wyposa�enia kontrolnego. Proces produkcyjny turbin wiatrowych stał si� niezwykle wysoko specjalistyczny, wyodr�bniaj�c, jako całkiem autonomiczn�, produkcj� łopat (np. LM Glasfiber), elektronicznych urz�dze� kontroluj�cych, wie�, czy te� mechanizmów przekładniowych.

Wybór rozwi�zania 3-łopatowego we współczesnej turbinie wiatrowej jest wyrazem kompromisu pomi�dzy wy�sz� wydajno�ci� urz�dzenia (konstrukcje wielołopatowe), a stabilno�ci� i długim okresem funkcjonowania łopat (1 i 2 łopatowe). Jednak�e wielu producentów rozwija technologie dwułopatowych wirników (USA, Holandia), a nawet ci�gle produkuje si� turbiny 1-łopatowe (Włochy). Najcz��ciej spotykanym modelem turbiny jest turbina o 3 aerodynamicznych łopatach wykonanych z włókien szklanych lub w�glowych, o długo�ci 20-30 m, wie�a natomiast 40-70 m wysoko�ci wykonana najcz��ciej ze stali (tubularna lub rzadziej kratowa), ale tak�e czasem jako konstrukcja �elbetowa. Łopaty s� montowane na wale nap�dowym, który zazwyczaj poł�czony jest ze skrzyni� biegów i generatorem w czaszy gondoli obracaj�cej si� tak, by jak najkorzystniej ustawi� wirnik do kierunku wiatru. Kształt łopaty wypracowany jest poprzez zaawansowane trójwymiarowe modelowanie z zadan� pr�dko�ci� wiatru oraz weryfikacj� podczas testów w wiatrowym

tunelu. Przy ka�dym z wybranych projektów łopat dokonywany jest pewien kompromis; maksymalna moc na zadanej pr�dko�ci oraz wysoka wydajno�� na pr�dko�ciach ró�nych od zało�onej pr�dko�ci preferencyjnej. Dlatego te� w ka�dym przypadku przedsi�wzi�cia na polu aeroenergetyki ekstremalnie wa�ne s� dwie rzeczy:

126

- wła�ciwe zdiagnozowanie zasobów wiatru na terenie przyszłej inwestycji (pomiar pr�dko�ci wiatru w okresie minimum 1 roku na poziomie osi wirnika lub przynajmniej 30 m),

- wła�ciwy dobór turbiny wiatrowej, odpowiadaj�cej najcz��ciej spotykanym w danej lokalizacji wiatrom.

Powy�sze wymogi s� cz�sto niedoceniane przez inwestorów, a ka�da ró�nica w warto�ciach �redniej pr�dko�ci rocznej wiatru, nawet je�li to jest 0,3 m/s daje olbrzymie dysproporcje w uzyskiwaniu energii w skali kilku lat. Nie jest mo�liwa zmiana profilu łopaty w danej siłowni, ka�da łopata mo�e jednak w niektórych modelach turbin obraca� si� wokół własnej osi, tak ustawiaj�c k�t natarcia wiatru na sw� powierzchni�, by okazał si� on najbardziej korzystny w danym przedziale pr�dko�ci (pitch regulation). Wi�kszo�� producentów turbin wiatrowych nie zaadaptowała jednak tej technologii, z uwagi na fakt, i� znikoma jest warto�� dodatkowego uzyskiwania energii w porównaniu z kosztami produkcyjnymi zastosowania tej technologii, stosuj�c profil niezmienny (stall regulation). Przy niezmiennym profilu łopat (SR) całkowita moc turbiny po przekroczeniu pr�dko�ci nominalnej wiatru (najcz��ciej jest to ok. 14 m/s) osi�ga swoje maksimum, cz�sto wy�sz� od warto�ci nominalnej, a nast�pnie maleje.

Inaczej dzieje si� z turbinami o zmiennym k�cie natarcia łopat (PR) - po osi�gni�ciu maksimum, pomimo wy�szej warto�ci pr�dko�ci wiatru, moc nominalna pozostaje utrzymana a� do całkowitego wył�czenia turbiny.

Jedynie najprostsze elementy i etapy realizacji projektu EW mog� by� wykonane przez lokalnych przedsi�biorców (jak np. fundament, zagospodarowanie placu budowy, podł�czenie energetyczne, itp.).

5. Elektrownie wiatrowe na �wiecie.

Niewyczerpalne �ródła zasobów

energetycznych wiatru, a tak�e łatwo�� wykorzystania tych zasobów spowodowały, �e wiele pa�stw na �wiecie wykorzystuje t� ekologiczn� metod� wytwarzania energii elektrycznej. Oprócz pojedynczych elektrowni wiatrowych s� budowane tzw. farmy wiatrowe, tj. zespoły wiatrowych zespołów pr�dotwórczych, zajmuj�cych zwarty obszar o du�ej lokalnej pr�dko�ci wiatru. Farma wiatrowa ma pewne elementy wspólne, jak transformatory ł�cz�ce j� z sieci�, drog� dojazdow�. Jest ona centralnie nadzorowana i sterowana. Moc zespołów zainstalowanych na farmach bywa ró�na.

Aby unikn�� zakłócania sobie wzajemnie strumieni powietrznych wykorzystywanych przez ka�dy zespół, odległo�� mi�dzy wie�ami jest zwykle wi�ksza ni� 10 �rednic wirników turbin powietrznych. Podstawow� wad� farm wiatrowych jest zakłócanie odbioru telewizyjnego. Za perspektywiczne uwa�a si� umieszczanie instalacji wiatrowych na otwartym morzu. Jest to podyktowane nast�puj�cymi wzgl�dami:

• na morzu mo�liwe jest uzyskanie

Rys.89. Przykład elektrowni wiatrowej

pracuj�cej w Malm� (Szwecja)

127

wi�kszej mocy z 1 m2 powierzchni koła roboczego, gdy� wraz o oddalaniem od brzegu wzrastaj� �rednie roczne pr�dko�ci wiatru, co zwi�zane jest z mniejszym tarciem powietrza o powierzchni� wody ni� l�du. Oddalenie instalacji o 40 km od brzegu daje wzrost pr�dko�ci wiatru o 20-25% co oznacza prawie dwukrotny wzrost produkcji energii, bowiem jest ona proporcjonalna do trzeciej pot�gi pr�dko�ci wiatru.

• szczególnie korzystne jest zasilanie w ten sposób oddalonych od l�du wysp oraz platform wydobywczych.

• na l�dzie istnieje czasami trudno�� ze znalezieniem terenów pod budow� bardzo du�ych instalacji wiatrowych.

Istniej� równie� plany elektrowni wiatrowych zakotwiczonych u wybrze�y oceanicznych, z których wytwarzana elektryczno�� byłaby doprowadzona do podwodnych elektrolizerów wytwarzaj�cych wodór, który miałby by� przesyłany ruroci�gami na l�d i tam wykorzystany jako paliwo.

W budowie wiatrowych zespołów pr�dowych przoduje Dania. Od roku 1989 pracuje w Esbjerg w Danii elektrownia wiatrowa o mocy 2MW. Wirnik turbiny wiatrowej ma �rednic� 60 m. Wysoko�� wie�y wynosi 57 m. Rotor turbiny wiatrowej ma mas� 67 t. Koszt jej budowy wyniósł 60 mln koron du�skich. Koszt produkcji energii elektrycznej wynosi 0,9 korony du�skiej za 1 kW*h (rys. 90.).

W Danii istnieje tak�e farma wiatrowa w Velling Maersk, która składa si� z 34 zespołów o mocy 90 kW i 2 zespołów o mocy po 200 kW. Moc tej farmy wiatrowej wynosi 3460 kW, a produkcja roczna – 7.1 GW*h. W 1994 r. pracowało 3549 wiatrowych zespołów pr�dowych w Danii (moc 489 MW ). We wrze�niu 1991 r. została uruchomiona w Vindeby w Danii (koło Kopenhagi) morska farma wiatrowa. Tworzy j� 11 wiatrowych zespołów pr�dotwórczych o mocy po 450 kW, a wi�c ma ona moc 4590 kW. Jest ona zbudowana na platformach na morzu o gł�boko�ci 2-5m. Produkowa� ona b�dzie 12GW*h, a koszt jej budowy wyniósł 12,5 mln dol. USA, tj. 2525 dol.USA/kW. Koszty własne produkcji wynios� 9,5 centa/kW. Koło Malm� w Szwecji pracuje elektrownia wiatrowa o mocy 3 MW. rednica wirnika turbiny wynosi 78 m, a wie�a w postaci stalowego walca ma wysoko�� 80 m. W Richborough, na południowo-wschodnim wybrze�u Anglii, pracuje od 1989 r. najwi�ksza w Wielkiej Brytanii elektrownia wiatrowa o mocy 1MW. rednica trójskrzydłowej turbiny

wiatrowej wynosi 55 m. Jest ona umieszczona na stalowej wie�y o wysoko�ci 45 m. Wie�a ma u podstawy �rednic� 3 m. W tej okolicy pr�dko�� wiatru dochodzi do 55 m/s. Turbina poprzez przekładni� 30/1000 obr/min nap�dza generator o napi�ciu 3,3kV. Wył�cznik pró�niowy generatora jest umieszczony w podstawie wie�y. Poprzez transformator o przekładni 3,3/11kV elektrownia pracuje na sie� 11kV. Sterowana jest komputerem (pracuje bez obsługi). Koszt jej budowy wyniósł 3 mln funtów szter.W Swarzewie (Koło Pucka) w 1991r. uruchomiono elektrownie wiatrow� z du�skim agregatem pr�dotwórczym o mocy 95kW (przy pr�dko�ci wiatru v=13m/s i liczbie

Rys.90. Budowa elektrowni wiatrowej w Esbjerg (Dania)

128

obrotów wirnika 44 obr/min). Moc maksymalna agregatu wynosi 108 kW. Wirnik o trzech skrzydłach ma �rednic� 21.1m. Wraz z przekładni� i pr�dnic� jest umieszczony na obracaj�cej si� poziomo gondoli. Przy pr�dko�ci wiatru 4m/s nast�puje automatyczny rozruch i zał�cza si� agregat do pracy z sieci� 0.4 kV. Przy pr�dko�ci wiatru wi�kszej ni� 25m/s, agregat jest wył�czany. W ci�gu 2.5 roku elektrownia wyprodukowała 340MW*h. Nakłady inwestycyjne na budow� wyniosły 2 mld zł (w cenach 1991r.), w tym połowa była darowizn� rz�du Danii.

W Holandii jest realizowany od 1986r. gigantyczny plan budowy elektrowni wiatrowych o ł�cznej mocy 3000MW. Elektrownie te b�d� zainstalowane na 6400 platformach, umieszczonych na morzu, jeziorach i wydartych morzu polderach. Na l�dzie – ze wzgl�du na hałas – b�d� umieszczone zespoły o mocy 500kW, na jeziorach – zespoły o mocy 500-2000kW, a na morzu – zespoły o mocy 2MW i 5MW. Co rok s� instalowane zespoły o mocy ok. 60 MW.

Koszt całej inwestycji jest szacowany na 5.1mld dol. USA, zatem koszt jednostkowy wyniesie 1700 dol. USA / kW. Energia b�dzie produkowana po 5,4 centa/kW*h. W ramach tego planu rozpocz�to budow� koło Hagi farmy wiatrowej, składaj�cej si� z 12 zespołów o mocy 750 kW na platformach odległych od brzegu o 3 km, na morzu o gł�boko�ci 10 m.

Interesuj�cym rozwi�zaniem jest elektrownia wiatrowa w Przeł�czy Altamont w górach Diablo Range w Kalifornii (70 km na wschód od San Francisco ). Do ko�ca 1985 wybudowano tam 5500 turbin wiatrowych na obszarze 6000 ha . Moc ich wyniosła 525MW. Zastosowano 19 typów turbin wiatrowych o mocy 40-400kW. Przez przeł�cz Altamont w górach Diablo Range (szczyty o wysoko�ci 1300 m ) płynie zimne powietrze od Pacyfiku ku Kotlinie Kalifornijskiej, gdzie jest ogrzewane i tworzy pr�dy wznosz�ce. Od wschodu Kotlina Kalifornijska jest ograniczona górami Sierra Nevada (szczyty o wysoko�ci 4000m ). Te zimne wiatry spowodowały, �e przeł�cz Altamont jest rzadko zaludniona i jest wykorzystywana do wypasu bydła, co nie koliduje z instalacjami turbin wiatrowych.

W Tehachapi (120 km na północ od Los Angeles) jest instalowane 300 turbin wiatrowych o mocy 250kW, tj. moc 75MW.

W Kalifornii pracowało w 1990 r. 15114 wiatrowych zespołów pr�dotwórczych o ł�cznej mocy 1398 MW. rednia moc zespołu wynosiła 93kW. Budowa ich kosztowała 2.6 mln. USD, 1860 USD/kW. Zaj�ta przez nie powierzchnia wynosi 2300ha, tj. 1,65ha/MW. Produkcja energii elektrycznej 1990 r. wynosiła 2124GWh, a wi�c roczny czas wykorzystania ich mocy zainstalowanej wyniósł 1500h/rok. W 1994 r. pracowało tam 30000 elektrowni wiatrowych .

Na Hawajach pracuje elektrownia wiatrowa o mocy 3,2MW. rednica wirnika turbiny wynosi 122m; wysoko�� �elbetowej wie�y – równie� 122m .

Kalkulacje zagraniczne wykazały, �e najekonomiczniejsze s� wiatrowe zespoły pr�dotwórcze o mocy 200-350kW. �ywotno�� turbin wiatrowych szacuje si� na 20 lat, a amortyzacja całych elektrowni wiatrowych nast�puje w ci�gu 10 lat . Koszty eksploatacji elektrowni wiatrowych s� znikome. Remonty pochłaniaj� rocznie do 1% nakładów inwestycyjnych.

Koszty budowy elektrowni wiatrowych zale�� od ich mocy i wynosz� ok. 1500-2500dol.USA/kW. Za �redni koszt ich budowy mo�na przyjmowa� 2000 dol. USA/kW, a koszt produkcji energii elektrycznej w wysoko�ci 10 centów/kWh. W Niemczech koszty budowy elektrowni wiatrowych wynosz� 4000-5000 DM/kW, przy mocy 25-55kW i 2500 DM/kW przy mocy 25kW. Energia elektryczna w elektrowni wiatrowej kosztuje tam 40 – 50 feningów/kWh wobec 9 feningów/kWh z elektrowni w�glowych opalanych drogim niemieckim w�glem kamiennym. Szacuje si� �e elektrownie wiatrowe b�d� konkurencyjne w porównaniu z elektrowniami w�glowymi, gdy ich roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej wzro�nie do 3000h/rok, a okres amortyzacji wzro�nie do 30 lat.

Rozpoczyna si� budowa Energetycznej Farmy Wiatrowej w polskiej strefie Bałtyku. Ekologiczna elektrownia b�dzie zlokalizowana na sztucznej wyspie. Pierwsze wiatraki maj� ruszy� w sierpniu. Elektrownia na morzu powstanie w okolicach Białogóry, powiat Puck. Docelowo farma liczy� b�dzie minimum 49 turbin wiatrowych - generatorów o mocy po 2 MW ka�da, wzniesionych na stalowych wie�ach. B�d� one posadowione na �elbetowych fundamentach wspartych na morskim dnie. Docelowo zainstalowanych mo�e by� nawet 61 generatorów. Koszt budowy

129

pierwszej na południowym Bałtyku platformy wiatrowej szacuje si� na 140 milionów dolarów. Projekt ostatecznie zostanie zako�czony w 2003 roku. Farma wiatrowa zostanie podzielona na 7 grup. Wyprowadzenie mocy z farmy odb�dzie si� podmorsk� lini� kablow�, która zakopana zostanie na gł�boko�ci 1 metra pod dnem morskim.

Firma CLIPPER LLC (Santa Barbara, Kalifornia - USA) inwestuj�ca w energetyk� wiatrow�, planuje budow� du�ej mocy farmy wiatrowej o mocy - 3000 MW. Projekt b�dzie kosztował 7 miliardów dolarów. Farma wiatrowa b�dzie si� rozci�gała na przestrzeni 500 mil wzdłu� Południowej Dakoty, Minnesoty oraz stanu Iowa. Projekt wymaga postawienia 2000 turbin.

Tab.25. Rozwój elektrowni wiatrowych na �wiecie powi�zanych z sieci� energetyczn� w latach

1990 – 2000

Kraj 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 2000 USA 1700 1700 1700 1700 1700 1655 1660 2800 Kanada 0 0 0 0 10 21 21 200 AMERYKA PN. 1700 1700 1700 1700 1710 1721 1681 3000 Niemcy 60 110 175 326 632 1136 1500 2000 Dania 343 413 458 487 539 619 733 1000 Holandia 40 83 106 132 162 236 277 500 Wlk. Brytania 8 12 50 130 170 200 269 800 Hiszpania 10 20 27 57 73 145 215 800 Szwecja 5 9 14 30 40 67 100 240 Włochy 2 5 8 18 20 25 25 100 Portugalia 0 2 6 8 9 13 13 100 Belgia 0 1 3 4 5 7 7 60 Czechy 0 0 0 1 4 7 7 50 Finlandia 0 0 1 4 4 7 8 40 Francja 0 0 3 5 6 7 10 50 Irlandia 0 0 1 7 7 8 8 100 Rosja 0 0 0 1 3 5 5 100 Norwegia 0 0 0 1 2 3 4 30 Austria 0 0 0 0 1 3 3 50 Łotwa 0 0 0 0 0 1 1 20 Ukraina 0 0 0 0 0 1 1 40 Polska 0 0 0 0 0 0 1 20 EUROPA 470 659 869 1237 1703 2509 3216 6250 AZJA 0 0 40 81 230 609 872 3600 AMERYKA ŁAC. 0 0 0 0 2 7 28 240

�WIAT 2170 2360 2613 3026 3667 4840 5839 13570

130

6. Energetyka wiatrowa w Polsce. 6.1. Zasady tworzenia regionalnych planów inwestowania w energetyk�

wiatrow�

Wynikiem przemian demokratycznych w Polsce jest zasadnicze zwi�kszenie roli samorz�dów (gmin, powiatów) w kształtowaniu polityki rozwoju regionalnego. Spowodowało to konieczno�� przygotowania i wdra�ania lokalnych planów rozwoju, zgodnych z potrzebami i oczekiwaniami społeczno�ci lokalnych. Plany te w du�ej mierze znalazły swe odbicie w perspektywicznych strategiach regionalnych (wojewódzkich). Fakt zgłoszenia przez Polsk� akcesu wst�pienia do Unii Europejskiej wymaga by plany te odzwierciedlały przewidywane unijne wymogi i zalecenia. Aktualnie tworzona strategia rozwoju województwa zachodniopomorskiego wskazuje, �e gminy planuj� swój wzrost gospodarczy w powi�zaniu z tradycyjnymi dla tego regionu dziedzinami gospodarki: turystyk�, rolnictwem, rybołówstwem, przemysłem drzewnym i przetwórczym. W poszukiwaniu nowych kierunków działalno�ci cz��� gmin z terenu Pomorza dostrzegło swoj� szans� awansu społecznego i gospodarczego w rozwoju energetyki ze �ródeł odnawialnych, a w szczególno�ci, uwzgl�dniaj�c warunki �rodowiskowe regionu Pomorza energetyki wiatrowej. Zadaniem gmin i samorz�dów lokalnych jest tworzenie odpowiednich warunków dla planowego rozwoju i zach�cenie przedsi�biorców chc�cych inwestowa� w czyst� energetyk�. 6.2. Warunki rozwoju energetyki wiatrowej (EW) Rozwój tej formy działalno�ci gospodarczej wymaga kilku czynników niezb�dnych dla sukcesu przedsi�wzi�cia. S� to: 1. dost�pno�� i ilo�� surowca do produkcji energii - zasoby wiatru na danym terenie. 2. gwarancje zbytu produkcji energii elektrycznej. 3. mo�liwo�� pozyskania odpowiedniego terenu dla realizacji inwestycji. 4. dost�pno�� �rodków finansowych dla przygotowania i realizacji inwestycji. 5. posiadanie nowoczesnej i wydajnej technologii produkcji.

Ad.1. Bezpiecze�stwo finansowe inwestycji wymaga dokładnej znajomo�ci zasobów wiatru. Mniejsza, ni� oczekiwana, np. o 10% �rednia pr�dko�� wiatru powoduje zmniejszenie produkcji energii o 25-30%, tote� okre�lenie wietrzno�ci danego obszaru jest podstawowym problemem inwestorów. Dost�pna dzi� jedyna mapa wietrzno�ci obszaru Polski stworzona przez prof. H. Lorenz nie zapewnia zakresu oraz dokładno�ci danych na poziomie wymaganym przez inwestorów. Wielko�ci uzyskane z mapy w znacz�cy sposób rozró�niaj� si� z wynikami dost�pnymi z istniej�cych masztów pomiarowych. Dla du�ych projektów budowy farm wiatrowych pierwszym krokiem jest wi�c wykonanie pomiarów wietrzno�ci. Opó�nia to o co najmniej rok rozpocz�cie przygotowa� inwestycji i to bez �adnych gwarancji uzyskania po��danych wyników. Brak profesjonalnej mapy wietrzno�ci postrzegane jest dzi� jako powa�ny hamulec w rozwoju energetyki wiatrowej.

Ad.2. Rozporz�dzenie Ministra Gospodarki o obowi�zku zakupu energii i okre�leniu ceny minimalnej zach�ciło inwestorów do zainteresowania si� energetyk� ze �ródeł odnawialnych. Du�y opór ze strony zakładów energetycznych przed przył�czaniem �ródeł czystej energii i zakupem wytworzonej przez nie energii jest odzwierciedleniem faktu, �e polityka pa�stwa odno�nie energetyki niekonwencjonalnej jest realizowana ich kosztem. Brak spójnej, cało�ciowej strategii pa�stwa jest przeszkod� w długofalowym planowaniu rozwoju energetyki wiatrowej. Wszyscy zainteresowani licz� tu na zbli�enie naszych rozwi�za� do obowi�zuj�cych w krajach Unii Europejskiej.

Ad.3. W ostatnim okresie znacznie wzrosło zainteresowanie pozyskaniem terenów pod budow� elektrowni wiatrowych. Gwarancje zakupu energii, zapowied� dalszych rozwi�za� prawnych

131

wspieraj�cych eko-energetyk� jest zach�t� do inwestycji w t� now� dziedzin� aktywno�ci gospodarczej. Budowa elektrowni wiatrowych nie wymaga zmiany rolniczego przeznaczenia gruntów, brak jest szczególnych ogranicze� (poza ogólnobudowlanymi) dotycz�cych lokalizacji turbin. Równie� ceny ziemi, ze wzgl�du na du�� niepewno�� finansow� inwestycji, s� stosunkowo niskie. Z tych te� powodów urz�dy gmin na Pomorzu s� zasypywane propozycjami udziału - najcz��ciej w postaci aportu ziemi� - w przedsi�wzi�ciach zwi�zanych z budow� farm wiatrowych. Na obszarze samego województwa zachodniopomorskiego szacuje si� mo�liwo�� posadowienia około 300 elektrowni wiatrowych w sposób akceptowalny przez społeczno�ci lokalne i bezpieczny dla �rodowiska. Mo�e by� ich znacznie wi�cej gdy inwestorzy nie b�d� przestrzega� podstawowych zasad lokalizacji i budowy turbin.

Ad.4. Obecnie jedynymi realnymi funduszami na budow� elektrowni wiatrowych s� �rodki własne przedsi�biorców oraz kredyty komercyjne. Poziom inflacji w Polsce oraz obowi�zuj�ce ceny energii praktycznie wykluczaj� mo�liwo�� domkni�cia finansowego inwestycji w oparciu o kredyty komercyjne za� wsparcie ze strony funduszy proekologicznych czy kredytów preferencyjnych jest iluzoryczne. Tym samym wa�ne staje si� prawidłowe zaprojektowanie przedsi�wzi�cia tak by nakłady zwróciły si� w rozs�dnym czasie (do 10 lat).

Ad 5. Tempo rozwoju technologii turbin wiatrowych jest cz�sto porównywane z tempem rozwoju systemów komputerowych. Wła�ciwie co roku producenci elektrowni oferuj� nowe modele coraz doskonalszych maszyn. Wielko�� turbin, sprawno�� w wytwarzaniu energii, minimalizacja oddziaływa� na �rodowisko (hałas), bezawaryjno�� jest stale podnoszona i udoskonalana. Urz�dzenia s� projektowane i wykonywane dla 20 letniego okresu nieprzerwanej pracy. Cena jednego kilowata zainstalowanej turbiny systematycznie spada (ok. 800 – 850 $) jednak ł�czny koszt inwestycji jest znaczny i wynosi 2-3 mln zł dla jednej elektrowni wiatrowej. Dla osób pragn�cych sta� si� wła�cicielem wiatraka "okazj�" mog� by� pojawiaj�ce si� czasami oferty turbin z odzysku. S� to najcz��ciej nie sprzedane w krajach Unii turbiny starszych generacji, elektrownie zdemontowane w ramach modernizacji farm wiatrowych, nie w pełni sprawnych czy oferowanych przez upadaj�ce fabryki lub przedsi�biorstwa. Urz�dzenia o niskiej sprawno�ci, cz�sto nie posiadaj�ce gwarancji serwisu, cz��ci zapasowych mog� sta� si� �ródłem strat nie tylko dla kupuj�cych. Te posadowione, marnej jako�ci turbiny wiatrowe, których koszty eksploatacji mog� przekroczy� wpływy z wytworzonej energii b�d� miały negatywny wpływ na rozwój całej energetyki wiatrowej. W efekcie te "oszcz�dno�ciowe" rozwi�zania mog� okaza� si� wyj�tkowo kosztowne. 6.3. Gmina i energetyka wiatrowa

Ju� dzi� wi�kszo�� gmin naszego regionu stan�ło przed problemem podejmowania decyzji

zwi�zanych z planami budowy elektrowni i farm wiatrowych. Zauwa�y� mo�na cztery podstawowe sposoby podej�cia do tego zagadnienia. 6.3.1. Wariant oboj�tny

Władze lokalne traktuj� inwestycje energetyki wiatrowej jak inne przedsi�wzi�cia budowlane, Inwestor zobowi�zany jest skompletowa� wszystkie wymagane prawem zezwolenia i dokumenty na budow� i eksploatacj� elektrowni wiatrowej. Musi równie� zainicjowa� i sfinansowa� procedur� zmiany planu zagospodarowania przestrzennego obszaru inwestycji o ile nie koliduje ona z aktualnymi planami czy strategi� rozwoju regionu. Jest to obecnie standardowy sposób obsługi nowoprojektowanych turbin wiatrowych ze wzgl�du na całkowity brak do�wiadcze� w planowaniu i nadzorze nad tego typu inwestycjami. Powoduje to jednak, i� ka�dy potencjalny inwestor musi pokona� wszelkie wymogi formalno-prawne aby zrealizowa� zamierzenie budowy elektrowni wiatrowych. Brak do�wiadczenia urz�dów spowodowa� mo�e równie� powstawanie bł�dów lokalizacyjnych powoduj�cych niepotrzebne konflikty. Wariant ten b�dzie w przyszło�ci stosowany

132

w gminach nie przewiduj�cych rozwoju energetyki wiatrowej na swoim terenie i pragn�cych raczej zniech�ci� przedsi�biorców do powa�niejszego w ni� inwestowania. 6.3.2. Wariant pasywny

Gmina przewiduje rozwój energetyki wiatrowej na swym terenie i okre�la zasady oraz obszar na tego typu działalno�� (w ramach prawa lokalnego). W tym celu tworzony jest gminny/regionalny plan inwestowania w energetyk� wiatrow� uwzgl�dniaj�cy obszary wył�czone ze wzgl�dów: - społecznych - tereny w pobli�u miast, wsi i zamieszkałych zabudowa�; - gospodarczych - tereny przeznaczone pod inne typy działalno�ci gospodarczej np. turystyka,

rekreacja; - �rodowiskowych - tereny rezerwatów, parków, obszarów chronionych; - innych - ograniczenia ze strony lotnictwa, wojska itp. 6.3.3. Wariant aktywny

W wariancie tym gminy oprócz stworzenia planu podejmuj� działania maj�ce na celu aktywizacj� i zach�cenie przedsi�biorców do inwestowania w energetyk� wiatrow� na ich terenie. B�dzie to głównie przygotowanie informacji niezb�dnych dla przyszłych inwestorów takich jak okre�lenie lokalnych zasobów wiatru, terenów pod przyszłe elektrownie wiatrowe, preferencji dla osób i firm inwestuj�cych w EW. 6.3.4. Wariant uczestnictwa

Najaktywniejsze gminy chc�c bezpo�rednio wykorzysta� mo�liwo�ci stwarzane przez energetyk� niekonwencjonaln� planuj� budow� własnych elektrowni wiatrowych lub udział w przedsi�wzi�ciach organizowanych przez prywatnych inwestorów. Dobrym przykładem s� tu projekty turbin wiatrowych zrealizowane w gminach Kwilcz i Nowogard. Podstawowym warunkiem zaanga�owania gminy w przedsi�wzi�cia energetyczne jest mo�liwo�� znacz�cego współfinansowania budowy ze �rodków zewn�trznych (dotacji funduszy ekologicznych, �rodków pomocowych Unii Europejskiej). Wytwarzana energia elektryczna mo�e by� bezpo�rednio wykorzystywana w gminnych obiektach przemysłowych (oczyszczalnie �cieków) zmniejszaj�c w znakomity sposób koszty ich funkcjonowania. Rozwój energetyki wiatrowej na terenie gminy mo�e zosta� równie� skorelowany z lokalnymi potrzebami energetycznymi. Mo�liwe jest tu np. wykorzystanie infrastruktury sieci energetycznych wybudowanych na potrzeby elektrowni wiatrowych do poprawy warunków zasilania odległych miejscowo�ci i wsi.

6.4. Cele i zadania tworzenia planów Celem podstawowym tworzenia planów jest przygotowanie gminy do przyjaznego i bezpiecznego dla ludzi i �rodowiska wdro�enia energetyki wiatrowej. Zebrane i opracowane w sposób kompleksowy dane niezb�dne dla przyszłych inwestorów pozwol� na bezproblemowy rozwój energetyki wiatrowej w gminach. Podstawowym zało�eniem jakie nale�y przyj�� przy tworzeniu gminnych planów i strategii jest wykorzystanie narz�dzi, metod planowania i prowadzenia tego typu inwestycji opracowanych w wiod�cych w energetyce wiatrowej krajach Unii Europejskiej (Niemcy, Dania, Wielka Brytania). Inne cele zwi�zane z tworzeniem planów rozwoju EW to: - przygotowanie kompleksowego zakresu informacji niezb�dnych dla wdro�enia przyjaznej

ekologicznie technologii produkcji energii wiatrowej; - przyci�gni�cie kapitału dla inwestycji w energetyk� wiatrow�; - otwarcie społeczno�ci lokalnych gmin na ide� wykorzystania odnawialnych �ródeł energii;

133

- wdra�anie zasad AGENDY 21 w rejonie Morza Bałtyckiego w zakresie sektora energetycznego i przemysłowego;

- ochrona �rodowiska naturalnego szczególnie w okresie rozwoju energetyki wiatrowej; - aktywizacja gospodarcza gmin, zmniejszenie bezrobocia strukturalnego; - dostosowanie metodologii planowania przestrzennego rozwoju do standardów stosowanych

w krajach Unii Europejskiej; - zach�cenie producentów turbin wiatrowych do rozwoju bazy wytwórczej EW, powi�zanie

technologiczne i kapitałowe z polskimi producentami, kooperantami. 6.5. Korzy�ci z wdra�ania energetyki wiatrowej na terenie gminy

Po�ytek jaki mo�e przynie�� planowy rozwój energetyki wiatrowej w gminie zale�y od stopnia zaanga�owania władz i społecze�stwa lokalnego. Przyjmuj�c maksymalne zaanga�owanie gminy (wariant uczestnictwa) do podstawowych korzy�ci nale�y zaliczy�: Dla gminy: 1 dochody czerpane ze sprzeda�y energii elektrycznej wytworzonej przez elektrownie wiatrowe zasilaj� bud�et gminy 2 malej� wydatki ponoszone przez gmin� na energi� elektryczn� oraz na zaopatrzenie w energi� podmiotów zarz�dzanych przez gmin�: szkół, placówek słu�by zdrowia, zakładów bud�etowych; 3 elektrownia wiatrowa mo�e by� uzupełnieniem zadania inwestycyjnego - gminnej oczyszczalni �cieków i w ogólnym rozrachunku przyczynia� si� do obni�enia kosztów eksploatacji oczyszczalni; 4 wł�czenie lokalnej siły roboczej, firm budowlanych i usługowych w proces budowy systemu turbin wiatrowych i ma istotny wpływ na likwidacj� bezrobocia, a tym samym na obni�enie kosztów społecznych a) mo�liwo�� sprzeda�y nadwy�ki energii elektrycznej Zakładowi Energetycznemu; b) mo�liwo�� pozyskania zewn�trznych �rodków finansowych na realizacj� inwestycji; c) korzy�ci marketingowe:

- wykorzystanie nowoczesnych technologii dla dobra mieszka�ców gminy - budowa wizerunku gminy „przyjaznej” �rodowisku

Dla społeczno�ci lokalnej: - wytwarzanie nowej warto�ci oznacza wzrost zamo�no�ci regionu, to z jednej strony przyczynia

si� do podniesienia jako�ci �ycia społecznego, a z drugiej - wzrostu atrakcyjno�ci regionu dla inwestorów

- mo�liwo�� aktywizacji terenów słabo zaludnionych lub o ubogich glebach - zaspokojenie rosn�cych potrzeb energetycznych ludno�ci poprzez rozwój ekologicznie czystej

energetyki ze �ródeł odnawialnych a nie poprzez dalsz� rozbudow� niekorzystnych dla zdrowia elektrowni tradycyjnych

- wzrost udziału energii uzyskiwanej ze �ródeł odnawialnych w bilansie energetycznym gminy poprawia jako�� �ycia i zdrowia mieszka�ców

6.6. Zasady tworzenia gminnych planów rozwoju energetyki wiatrowej Gminne plany i strategie rozwoju energetyki wiatrowej s� fragmentem cało�ciowej strategii rozwoju gospodarczego danego regionu. Powinny one w miar� pełny sposób opisywa�: - przewidywany zakres inwestycji zwi�zanych z energetyk� wiatrow� na terenie gminy - proponowane obszary lokalizacji elektrowni i farm wiatrowych - tereny wył�czone spod tego typu działalno�ci - podstawowe zasady jakie nale�y przyj�� przy projektowaniu przedsi�wzi�� energetyki

wiatrowej

134

- ewentualne preferencje ze strony gminy dla firm i osób chc�cych budowa� elektrownie wiatrowe

Do�wiadczenia lokalnych władz samorz�dowych w pa�stwach Unii Europejskiej w rozwoju energetyki wiatrowej jednoznacznie pokazuj�, i� przygotowane i skonsultowane z mieszka�cami gminy plany pozwalaj� unikn�� wielu pomyłek i nieprawidłowo�ci podczas kształtowania si� całkowicie nowej formy działalno�ci gospodarczej. W Polsce nie s� znane przykłady stworzenia takich planów i strategii. Jednocze�nie w gminach zainteresowanych t� tematyk� obserwuje si� du�� potrzeb� poznania zasad jakimi powinna kierowa� si� administracja lokalna przy wydawaniu warunków i pozwole� na budow� siłowni wiatrowych. Naprzeciw tym oczekiwaniom wychodzi pismo Ministerstwa Ochrony rodowiska z dnia 16.06.99 b�d�ce informacj� dla samorz�dów odno�nie planów rozwoju energetyki wiatrowej. W pi�mie tym minister R. Gawlik zach�caj�c gminy do wspierania budowy elektrowni wiatrowych na swoim terenie wskazuje równie� na zagadnienia, które musz� by� wzi�te pod uwag� przy wydawaniu zezwole� na budow� siłowni. Zalecenia te jedynie uzupełniaj� przepisy prawa budowlanego oraz ustaw� o zagospodarowaniu przestrzennym jakim naturalnie podlega budowa siłowni wiatrowej. Pismo zaleca planowanie budowy farm wiatrowych na terenach rolniczych i nieu�ytkach nic przewidzianych w przyszło�ci do innych celów (budownictwo przemysłowe, mieszkalnictwo, rekreacja). Ograniczenia lokalizacyjne winny obejmowa� strefy ochrony przyrody, i obszary le�ne. Szczególny nacisk poło�ony został na zachowanie odpowiedniej odległo�ci planowanej lokalizacji turbin od siedzib ludzkich. Minimalna odległo�� 200 m mo�e zosta� zmniejszona jedynie w przypadkach budowy elektrowni na własnym terenie przez osob� na nim zamieszkuj�c�. Odległo�� ta wynika z technicznych uwarunkowa� oraz do�wiadcze� zebranych w innych krajach nad minimalizacj� skutków s�siedztwa farm wiatrowych w stosunku do stałych siedzib ludzkich. Dotyczy to głównie oddziaływa� typu hałas i efekt stroboskopowy oraz odczu� mieszka�ców na temat ci�głego przebywania w s�siedztwie du�ych poruszaj�cych si� elementów krajobrazowych. Pismo omawia równie� pewne warunki jakie gmina powinna nakłada� na inwestuj�cych w energetyk� wiatrow�. S� to m.in.: - okre�lenie minimalnej mocy znamionowej instalowanych turbin w farmie wiatrowej na 500 kW

oraz wymóg umieszczania elektrowni wiatrowych o mocach powy�ej 100 kW na konstrukcjach rurowych

- okre�lenie koloru jakim powinny by� pokryte konstrukcje turbin wiatrowych - biały lub biało-szary, nie kontrastuj�cy z otoczeniem

- okre�lenie wymiarów i kolorów dodatkowych pomieszcze� usytuowanych na farmie wiatrowej o powierzchni do 15 m2, wysoko�ci do 3m, pomalowane na kolor szary, br�zowy lub zielony

- nie umieszczanie reklam na konstrukcjach elektrowni za wyj�tkiem standardowych oznacze� producenta umieszczonych na gondoli

Inne warunki jakim powinny odpowiada� nowobudowane farmy wiatrowe to: - ujednolicenie typu elektrowni w ramach farmy - ujednolicenie koloru elektrowni w ramach farmy - okre�lenie maksymalnej wysoko�ci konstrukcji w zale�no�ci od lokalnych warunków

krajobrazowych - nakazu usuni�cia nieczynnych dłu�ej ni� rok elektrowni wiatrowych Zawarte w pi�mie ministerstwa wytyczne odno�nie lokalizacji i warunków budowania siłowni wiatrowych s� podstawowymi zasadami obowi�zuj�cymi w wi�kszo�ci krajów rozwijaj�cych energetyk� wiatrow�. Dobrym narz�dziem ułatwiaj�cym planowanie inwestycji jest cyfrowa mapa obszaru z naniesionymi informacjami odno�nie zasad lokalizacji turbin i farm wiatrowych. Generalnie warunki narzucane przez administracje lokalne zale�� od ogólnej polityki gminy w stosunku do inwestycji wiatrowych. W regionach, które szczególnie chc� zachowa� warunki krajobrazowe wi�ksz� uwag� zwraca si� na stron� wizualn� przedsi�wzi�� - wysoko��, kolor, odpowiednie odległo�ci pomi�dzy turbinami, walory estetyczne konstrukcji itp. W gminach nastawionych na rozwój przemysłu energetyki wiatrowej preferuje si� maksymalizacj�

135

efektywno�ci produkcyjnej turbin (turbiny o du�ych mocach), dobre lokalizacje minimalizuj�ce zajmowane przez farmy wiatrowe obszary, udział społecze�stwa i firm lokalnych w przedsi�wzi�ciach inwestycyjnych. We wszystkich jednak przypadkach plany te stanowi� podstaw� strategii rozwoju energetyki wiatrowej na obszarze gminy. 6.7. Działania zwi�kszaj�ce atrakcyjno� inwestycyjn� gminy Wykonanie planu rozwoju energetyki wiatrowej na terenie gminy jest pierwszym krokiem dla otwarcia regionu na t� form� działalno�ci gospodarczej. Gminy, które w aktywny sposób chc� kształtowa� zainteresowanie potencjalnych przedsi�biorców swoim terenem powinny podj�� dodatkowe działania znacznie zwi�kszaj�ce atrakcyjno�� inwestycyjn�. Do działa� tych nale�y: - okre�lenie zasobów wiatru na terenie gminy - okre�lenie wskaza� lokalizacyjnych pod przyszłe elektrownie wiatrowe - propozycje gminnych terenów umo�liwiaj�cych budow� siłowni wiatrowych - zaoferowanie mo�liwo�ci zakupu energii z elektrowni wiatrowych na potrzeby własne i inne

Ze wzgl�du na obszerno�� zada� i ich ponad gminny charakter prace te winny by� prowadzone (koordynowane) i współfinansowane przez wy�sze szczeble administracji samorz�dowej - powiaty, województwa. Ten typ działa� mo�e przynie�� gminie i jej mieszka�com najwi�cej korzy�ci z wdra�ania energetyki wiatrowej na ich terenie. Zakres prac mo�liwych do wykonania obejmuje : - wykonanie kompleksowych bada� zasobów energii wiatru na Pomorzu dla potrzeb energetyki

wiatrowej - sporz�dzenie analiz ekologicznych, wyznaczenie terenów wył�czonych spod tego typu

inwestycji ze wzgl�du na uwarunkowania ochrony �rodowiska, ze wzgl�dów społecznych - stworzenie mapy (cyfrowej) prezentuj�cej potencjalne tereny usytuowania elektrowni

wiatrowych, uwzgl�dniaj�cych niezb�dn� infrastruktur� techniczn� (linie energetyczne, drogi itp.)

- stworzenie lub modyfikacja gminnych (powiatowych) strategii rozwoju i planów zagospodarowania przestrzennego uwzgl�dniaj�cych rozwój energetyki wiatrowej

- działania informuj�ce społeczno�� lokaln� o zaletach i szansach zwi�zanych z rozwojem energetyki wiatrowej na terenie gminy

- działania promocyjne zach�caj�ce inwestorów do budowy siłowni wiatrowych na terenach gmin obj�tych programem

Pierwszym etapem działa� s� badania zmierzaj�ce do okre�lenia zasobów wiatru na terenie gminy lub kilku s�siednich gmin powiatu. W pomiarach zastosowa� nale�y metodologi� bada� opracowan� i stosowan� w krajach Unii Europejskiej dla celów wi�zanych z energetyk� wiatrow�. Niezale�nie, wykona� trzeba analiz� ekologicznych zasobów terenów uwzgl�dniaj�c� wyst�powanie chronionych gatunków fauny i flory, trasy migracji ptaków oraz inne, istotne z punktu widzenia ochrony �rodowiska naturalnego lub krajobrazu elementy. Celem takiej analizy jest okre�lenie obszarów, które ze wzgl�dów ekologicznych powinny by� wył�czone spod działalno�ci inwestycyjnej, obszarów, w których taka działalno�� mo�e by� prowadzona przy zapewnieniu odpowiednich �rodków chroni�cych zasoby przyrody oraz wreszcie tych obszarów, w których nie istniej� ekologiczne ograniczenia rozwoju inwestycyjnego. Na podstawie tych informacji, uzupełnionych o dane o miejscach nie podlegaj�cych wykorzystaniu ze wzgl�du na blisko�� siedzib ludzkich, przyszłych inwestycji itp. wyznaczona zostanie mapa obszarów odpowiednich do budowy elektrowni wiatrowych. Na mapy naniesione zostan� istotne z punktu widzenia przyszłych inwestorów informacje o istniej�cej b�d� planowanej infrastrukturze technicznej (linie energetyczne, drogi, wysokie przeszkody). Zaleca si� wykonanie mapy zgodnej z powszechnie stosowanym w krajach Unii Europejskiej standardem CIS. Kolejnym etapem prac jest wyznaczenie obszarów, na których mo�liwe b�dzie budowanie elektrowni wiatrowych. Wskazania lokalizacyjne ustalone b�d� w oparciu o wyniki bada� kierunku i siły wiatru, rezultaty analiz ekologicznych oraz długofalowe plany rozwoju regionalnego. Powy�sze dane b�d� podstaw�

136

do stworzenia przez zainteresowane gminy regionalnych strategii rozwoju gospodarczego, lokalnych planów zagospodarowania przestrzennego i planów zaopatrzenia energetycznego, uwzgl�dniaj�cych wykorzystanie energetyki wiatrowej. Przygotowane plany i strategie rozwoju po konsultacjach ze społeczno�ci� lokaln� i po pozytywnym zaopiniowaniu przez władze regionalne (Sejmik Wojewódzki) powinny zosta� opublikowane w folderach. materiałach promocyjnych i informatorach skierowanych do potencjalnych inwestorów.

Przedstawione zagadnienia i informacje s� jedynie prób� nakre�lenia problemów, szans i zagro�e� z jakimi mog� spotka� si� gminy w trakcie wdra�ania energetyki wiatrowej na ich terenie. Dzisiaj ju� wida�, i� pytania stawiane przez lokalne samorz�dy to nie „czy” rozwija� czyst� energetyk�, ale „jak” to robi� by minimalizowa� mo�liwe negatywne skutki ich oddziaływa� na społeczno�� lokaln� i �rodowisko. Tak opracowane informacje daj� du�� szans� rozwoju dla zainteresowanych gmin przy umiej�tnym wykorzystaniu nadchodz�cej koniunktury i mody na inwestowanie w energetyk� ze �ródeł odnawialnych. Nie bez znaczenia pozostaje, nie omawiany w tym artykule, fakt udost�pniania dla regionów szerokiego strumienia �rodków pomocowych z Unii Europejskiej dla du�ych i kompleksowych przedsi�wzi�� rozwoju terenów rolniczych z wykorzystaniem ekologicznych technologii. Energetyka wiatrowa jest tutaj najlepsz� propozycj�.

6.7.1. Rozmieszczenie elektrowni pracuj�cych w Polsce

– eksploatowane elektrownie wiatrowe

– elektrownie wiatrowe w budowie

– elektrownie wiatrowe w fazie zało�enia lub na etapie projektu Rys.91. Rozmieszczenie elektrowni wiatrowych o mocy od 18 kW

137

Tab.26. Elektrownie pracuj�ce w Polsce

Lp. ����������������������

��!������

������"�������#"���

$�������� % ��"����"�&�"��������

1 Lisewo / woj. Pomorskie 1 150 Nordtank - Dania

Elektrownia arnowiec 1991

2 Swarzewo / woj. Pomorskie 1 95 Folkecenter -

Dania Energa - Gdask 1991

3 Zawoja k. Bielsko-Białej 1 160 Nowomag - Polska klasztor 1995

4 Wrocki 1 160 Nowomag - Polska prywatny 1995

5 Kwilcz / woj. Wielkopolskie 1 160 Nowomag -

Polska gmina 1996

6 Słup k. Legnicy 1 160 Nowomag - Polska gmina 1997

7 Rembertów / woj. Mazowieckie 1 250 Lagerway -

Holandia Van Melle -

Poland 1997

8 Starbiewo / woj. Pomorskie 1 250 Nordex -

Dania

Kaszubski Uniwer. Ludowy

1997

9 Swarzewo / woj. Pomorskie 1 600 Tacke -

Niemcy WestWind -

Poland 1997

10 Rogo�nik k. Wojkowic 1 30 Z�ber - Polska prywatny 1997

11 Rytro k.Nowego S�cza 1 160 Nowomag - Polska prywatny 1994

12 Cisowo k. Darłowa 5 132 SeeWind - Dania 1999

13 Nowogard 1 255 Vestas gmina 2000 � RAZEM 18 3690

7. Dane techniczne, parametry i zasada działania elektrowni

produkowanych w Polsce Elektrownie wiatrowe ró�ni� si� mi�dzy sob� wieloma parametrami technicznymi, takimi

jak: �rednica wirnika, liczba łopat, moc generatora, rodzaj generatora, itp. Moce generatorów produkowanych obecnie w Polsce elektrowni wiatrowych wahaj� si� w przedziale od 5kW do 600 kW. Elektrownie wiatrowe mo�na podzieli� na dwa sposoby pod wzgl�dem rodzaju generatora: • elektrownie z generatorem asynchronicznym, która przewidziana jest do współpracy z sieci�

energetyki zawodowej • elektrownie z generatorem synchronicznym pracuj�ce na sie� wydzielon� (produkcja energii

elektrycznej na własne potrzeby np.: zasilanie obiektów do których nie jest doprowadzona sie� energetyki zawodowej )

138

Pojedyncza elektrownia wiatrowa mo�e mie� ró�ne przeznaczenie i zastosowanie:

• produkcja energii elektrycznej na potrzeby własne i na sprzeda� do sieci pa�stwowej • praca na sie� wydzielon� - o�wietlenie, ogrzewanie pomieszcze� mieszkalnych,

przemysłowych i rolniczych (domy mieszkalne, ko�cioły, jednostki wojskowe, porty, schroniska, zabudowania rolnicze)

• rolnictwo, zasilanie elektryczne maszyn i urz�dze� gospodarczych, zasilanie pomp melioracyjnych (nawadnianie, odwadnianie)

• hodowla ryb, zasilanie urz�dze� do napowietrzania i rekultywacji zbiorników wodnych (jeziora, stawy), podgrzewanie wody

• oczyszczalnie �cieków - zasilanie urz�dze� elektrycznych oraz dotlenianie osadników • rzemiosło - zasilanie elektryczne silników maszyn i urz�dze� • ogrodnictwo - o�wietlenie i ogrzewanie elektryczne w produkcji szklarniowej • zasilanie elektryczne (małych) skupisk ludzkich w strefach odosobnionych lub ekologicznie

chronionych (stacje meteo, klasztory, latarnie morskie, stacje naukowe, jednostki wojskowe, farmy hodowlane).

Wprawdzie energetyka wiatrowa jest w Polsce now� bran��, ale rozwija si� pr��nie. Prace

konstrukcyjno - wdro�eniowe w zakresie budowy elektrowni wiatrowych prowadzone s� w ró�nych zakładach przemysłowych, w�ród których jedn� z wa�niejszych jest Pa�stwowy O�rodek Maszynowy w Nowym Mie�cie Lubaczowskim (obecnie przedsi�biorstwo Expom S.A.) - producent elektrowni wiatrowych typu WE - 8, WE – 10 (rys. 92), WE – 12 (rys. 93). �

7.1. Przedsi�biorstwo Expom S.A. �

Rys.92. Elektrownie wiatrowe WE-8 i WE-10, moc 12 kW przy pr�dko�ci wiatru V = 12-14 m/s.

Rys.93. Elektrownia wiatrowa WE-12 moc 30 kW przy V = 12m/s

139

7.2. Przedsi�biorstwo Nowomag S.A. Producentem nowocze�niejszych elektrowni wiatrowych w kraju, jest Nowomag S.A. -

Nowos�deckie Zakłady Maszyn Górniczych, które wytwarzaj�cy skomputeryzowane elektrownie wiatrowe o mocy 100 kW typ EW - 100-20-20 (Rys. 94.) i o mocy 160 kW, typ EW - 160-22-30 (rys. 95.).

Rys.94. Elektrownia wiatrowa EW 100-20-20 moc 30 kW przy v=14m/s:

1 - fundament, 2 - wie�a, 3 - głowica, 4 - piasta wirnika, 5 - łopaty wirnika.

Rys.95. Elektrownia wiatrowa EW-160-22-30 moc 160 kW przy V=14m/s:

1 - fundament, 2 - wie�a, 3 - piasta wirnika, 4 - łopaty wirnika, 5 – głowica z generatorem, 6 - komputerowy system kontroli.

140

7.3. Przedsi�biorstwo Dr.Z�ber Innym wa�nym producentem elektrowni wiatrowych jest Przedsi�biorstwo Produkcyjno - Usługowe Dr.Z�ber Nowy S�cz, które opracowało skomputeryzowane elektrownie wiatrowe, odpowiadaj�ce standardom europejskim o mocy: 5kW typ Zefir 6, 30 kW typ Zefir 12A i 160kW. Typ Zefir 16 A Dokumentacj� dla tych siłowni opracował zespół konstruktorów kierowany przez wymienionego ju� dr in�. Zdzisława Z�bera. 7.3.1. Elektrownia wiatrowa „Zefir-6” 5kW

Elektrownia o mocy 5kW jest urz�dzeniem na tyle małym,

�e mo�liwe jest jej przewiezienie i zmontowanie niemal�e w ka�dych warunkach terenowych. Ponadto elektrownia ta nie posiada klasycznego fundamentu – mo�na powiedzie�, �e jest to konstrukcja przeno�na. Zalet� takiego rozwi�zania jest to, �e elektrownia nie wymaga zezwolenia na budow�.

W przypadku wy�ej wymienionego urz�dzenia, nie s� konieczne kosztowne i długotrwałe badania pr�dko�ci wiatru (gdy po pewnym czasie eksploatacji stwierdzimy, �e wybrana lokalizacja postawienia elektrowni nie jest najlepsza pod wzgl�dem pr�dko�ci wiatru, nie ma tragedii – przenosimy elektrowni� w bardziej wietrzne miejsce). W przypadku planowania postawienia na danym terenie du�ych elektrowni wiatrowych, lub całych farm wiatrowych mo�na uprzednio zainstalowa� w tym terenie elektrowni� 5kW. Pozwoli to na bardzo dokładne okre�lenie prognozowanej produkcji

energii przez du�� elektrowni� lub farm�, na podstawie energii rzeczywi�cie wyprodukowanej przez elektrowni� 5kW.

Tab.27. Dane techniczne

Dane operacyjne System regulacji - k�tem nat. łopat wirnika Pr�dko�� obrotowa nominalna wirnika [obr/min] 187,5 rednica wirnika [m] 6 Liczba łopat - 3 Moc generatora [kW] 5 Rodzaj generatora - asynchr. lub synchr. Napi�cie pracy generatora asynchronicz. [V] 3x380 Napi�cie pracy generatora synchronicz. [V] 220 Cz�stotliwo�� sieci [Hz] 50 Pr�dko�� obrotowa synchroniczna generatora [obr/min] 1500 Roboczy zakres pr�dko�ci wiatru [m/s] 4,25

Wymiary Wysoko�� osi wirnika nad poziomem gruntu [m] 10 Masa całkowita elektrowni [kg] 500 Pr�dko�� wiatru przetrwania konstrukcji [m/s] 60

141

7.3.2. Elektrownia wiatrowa „Zefir 12A” – 30kW

Elektrownia wiatrowa o mocy 30 kW i handlowej nazwie „Zefir 12A” opracowana została

w 1996r. Wielko�� 30kW wybrana została celowo uznaj�c, �e w wi�kszo�ci przypadków elektrownia poł�czona mo�e by� do sieci bez transformatora. To za� wpływa bardo korzystnie na okres spłaty inwestycji. Ponadto wi�kszo�� zastosowanej w elektrowni aparatury elektrycznej nie wymaga zakupu w oparciu o zamówienia u producenta lecz jest dost�pna w handlu. To za� ułatwia serwis gwarancyjny i pogwarancyjny.

Tab.28. Dane techniczne

Dane operacyjne rednica wirnika [m] 12 Liczba łopat - 3 System regulacji - K�tem nat. łopat wirnika Pr�dko�� obrotowa nominalna wirnika [obr/min] 60 Moc generatora [KW] 30 Rodzaj generatora - Asynchroniczny Napi�cie pracy generatora [V] 3x380 Cz�stotliwo�� sieci [Hz] 50 Pr�dko�� obrotowa synchroniczna generatora [obr/min] 1500 Roboczy zakres pr�dko�ci wiatru [m/s] 4,25 Pr�dko�� wiatru przetrwania konstrukcji [m/s] 60

Wymiary Wysoko�� osi wirnika nad poziomem gruntu [m] 18 rednica wie�y u dołu [mm] 508 rednica wie�y u góry [mm] 324 Masa całkowita elektrowni (bez fundamentu ) [kg] 3680

142

7.3.3. Elektrownia wiatrowa „Zefir 16A” 160 kW

Tab.29. Dane techniczne

Dane operacyjne Liczba łopat - 3 System regulacji - K�tem nat. łopat wirnika Pr�dko�� obrotowa nominalna wirnika [obr/min] 46,6 Pr�dko�� wiatru przetrwania konstrukcji [m/s] 60 Moc generatora [kW] 160 Rodzaj generatora - Asynchroniczny Napi�cie pracy generatora [V] 3x380 Cz�stotliwo�� sieci [Hz] 50 Pr�dko�� obrotowa synchroniczna generatora [obr/min] 1500 Roboczy zakres pr�dko�ci wiatru [m/s] 4,25

Wymiary Wysoko�� osi wirnika nad poziomem gruntu [m] 30 rednica wie�y u dołu [m] 2,3 rednica wie�y u góry [m] 1 rednica wirnika [m] 22 Masa całkowita elektrowni(bez fundamentu ) [ton] 21

143

8. Optymalizacja warunków pracy silnika wiatrowego

Zasada działania sprowadza si� głównie do: ustawienia silnika „pod wiatr" i regulacj� parametrami generatora.

Do uzyskania optymalnych warunków pracy silnika wiatrowego płaszczyzna obrotu �migieł wirnika musi by� ustawiona prostopadle do kierunku wiatru. W mniejszych wiatrakach starego typu stosuje si� tylko pionowy ster umieszczony na wale wirnika, po stronie przeciwnej do skrzydeł. Je�eli wiatr zmieni kierunek, to w skutek jego działania na płaszczy�nie steru powstaje siła aerodynamiczna, która obraca wał wiatraka.

Ster tego typu jest jednak mało czuły na niedu�e zmiany kierunku wiatru. Działa on zbyt gwałtownie powoduj�c powstanie du�ych momentów �yroskopowych, wywołuj�cych zginanie łopat. Z tego powodu przy silnikach o �rednicy wirnika powy�ej 12 m stosuje si� zamiast steru dwa dodatkowe wiatraki o �rednicy 0,2 - 0,3 �rednicy wirnika. Przykładami takich typów sterowania mog� by� elektrownie WE - 8 i WE -10 (zastosowanie steru pionowego - rys. 92.) oraz WE - 12 (stosowanie dodatkowych wiatraków – rys. 93.).

Uniwersalnym rozwi�zaniem mog� wydawa� si� pnemony. W silnikach o pionowej osi obrotu problem ustawienia wirnika „pod wiatr" nie istnieje. Niezale�nie od kierunku wiatru (i jego ewentualnych zmian) przy jego odpowiednio du�ej pr�dko�ci wytwarzana jest siła aerodynamiczna obracaj�ca wirnik. Wła�ciwy kierunek zapewniony jest przez odpowiednie uformowanie łopat. W elektrowniach starego typu cały proces przemiany energii wiatru na energi� elektryczn� musi by� kontrolowany przez obsług�. Wszelkie regulacje i zmiany ł�czeniowe wykonywane s� r�cznie. Nowoczesne elektrownie wiatrowe wyposa�one s� w mikroprocesorowy sterownik elektroniczny nadzoruj�cy prac� istotnych jej podzespołów oraz steruj�cy wł�czaniem obci��enia w zale�no�ci od chwilowo rozwijanej mocy.

Maszynownia nowoczesnej elektrowni umieszczona jest w gondoli znajduj�cej si� na szczycie wie�y rurowej. Szafa wyprowadzenia mocy elektrycznej i zasilania nap�dów potrzeb własnych, do której sprowadzone s� równie� wszystkie sygnały sterowania i automatyki zabezpieczeniowej oraz pomiarów znajduje si� w dolnej cz��ci wie�y. Sterownik rejestruje wszystkie operacje, zakłócenia sygnalizacyjne i awaryjne oraz wielko�ci produkcyjne (rys. 96.).

Rys.96. Sterownik główny elektrowni wiatrowej

144

9. Systemy sterowania w elektrowni wiatrowej 9.1. Sterowniki.

Rys.97. Schemat elektrowni wiatrowej firmy ABB

G - generator trójfazowy, bezszczotkowy, U - przekształtnik statyczny, E - wzbudzenie generatora, Q1 - wył�cznik główny, D - wymiana danych, B - hamulec, R - regulacja k�ta łopatek, n - pr�dko�� obrotowa turbiny, v - pr�dko�� wiatru, x - warto�� aktualna, Is - nastawienie pr�dowe, SPS - sterownik programowalny

Sterowanie elektrowni wiatrowej jest w pełni automatyczne, a systemy sterowania

komputerowego na ogół obejmuj�:

- automatyczne naprowadzanie wirnika na wiatr w celu maksymalnego wykorzystania energii wiatru

- automatyczn� płynn� regulacj� napi�cia i cz�stotliwo�ci generatora pr�du; - zał�czanie i wył�czanie elektrowni - odkr�canie kabli wi�zki energetyczno-sygnałowej - współprac� z kompleksem zewn�trznym (monitoring, rozkazy) - rejestracj� i opracowanie statystyki pracy poszczególnych podzespołów elektrowni - zatrzymywanie turbiny w przypadku awarii - rejestracj� zapisu, tzw. "czarnej skrzynki" dla sytuacji awaryjnych

W skład systemu sterowania komputerowego elektrowni wiatrowej wchodz� systemy zabezpiecze�, których zadaniem jest:

- automatyczna diagnostyka elektrowni, wykrywanie stanów awaryjnych elektrowni i jej wył�czanie

145

- automatyczne zatrzymywanie pracy elektrowni dla wiatrów o pr�dko�ciach spoza przedziału od 4-5 m/s do 25-30 m/s

- dwa niezale�ne układy hamowania:

1. hamowanie aerodynamiczne (zmiana k�ta nastawienia łopat). 2. hamulec tarczowy - uruchamiany przez sterownik mikroprocesorowy.

Przy pr�dko�ci wiatru wi�kszej od 25-30 m/s pr�dnice s� wył�czane automatycznie, a turbina wiatrowa ustawiana jest równolegle do kierunku wiatru, w celu unikni�cia zniszczenia.

Przykładem systemu sterowania komputerowego jest sterowanie turbin� przy pomocy systemów OptiTip i OptiSlip firmy Vestas:

Gdy turbina jest zatrzymana (PAUSE, STOP lub EMERGENCY STOP), łopaty s� ustawione pod k�tem 90o wzgl�dem płaszczyzny wirnika (czyli zgodnie z kierunkiem wiatru). Gdy turbina pracuje w trybie RUN, jest w stanie produkowa� energi� elektryczn�, ale jej ilo�� jest determinowana przez chwilowe warunki wietrzne. Do sterowania prac� turbiny słu�� systemy steruj�ce OptiTip i OptiSlip sterownika VMP (Vestas Multi Processor). Chwilowe warunki wietrzne mog� by� podzielone na cztery kategorie, przedstawione na krzywej mocy:

1. Gdy wiatr jest bardzo słaby i wirnik nie obraca si�, lub obraca si� z bardzo niewielk� pr�dko�ci�, k�t nachylenia łopat b�dzie wynosił około 45o Daje to wirnikowi maksymalny moment rozruchowy, pozwalaj�cy na szybki start, gdy wzro�nie pr�dko�� wiatru. Wówczas sterownik ustawi łopaty pod k�tem 0o (zgodnie z wiatrem), pr�dko�� obrotowa wirnika i generatora wzro�nie do warto�ci nominalnej, któr� sterownik VMP b�dzie starał si� utrzymywa�. Taka sama sytuacja wyst�puje, gdy generator jest wł�czony do sieci, a wiatr słabnie. Gdy produkowana moc stanie si� ujemna, wówczas generator zostanie odł�czony od sieci, a sterownik VMP b�dzie kontrolował pr�dko��. Je�eli wiatr osłabnie jeszcze bardziej, wówczas pr�dko�� obrotowa spadnie poni�ej warto�ci nominalnej i wirnik b�dzie obracał si� swobodnie.

2. Przy umiarkowanej pr�dko�ci wiatru pr�dko�� obrotowa jest regulowana w kierunku warto�ci nominalnej i je�eli mo�liwe jest utrzymanie k�ta nachylenia wynosz�cego 5o (co oznacza, �e wiatr niesie wystarczaj�c� ilo�� energii), wówczas generator b�dzie wł�czony do sieci. Gdy generator jest wł�czony, ale wiatr nie ma pr�dko�ci wystarczaj�cej do wytwarzania mocy nominalnej, k�t nachylenia łopat jest regulowany jako funkcja pr�dko�ci wiatru. Funkcja ta zastała bardzo precyzyjnie obliczona, symulowana i oceniona przy pomocy pomiarów. Została ona nazwana OptiTip. Jest ona zaimplementowana w turbinach Vestas w celu zapewnienia optymalizacji aerodynamiki łopat, co w rezultacie daje optymaln� produkcj� energii. Sterownik VMP kontroluje wytwarzan� moc, tak aby pr�dko�� wirnika była utrzymywana w w�skim pa�mie zwanym „u�lizgiem”, które jest procentow� relacj� pomi�dzy rzeczywist� a synchroniczn� pr�dko�ci� obrotow�. W tym zakresie sterowania u�lizg jest utrzymywany na poziomie 2%. Sterownik VMP turbiny V47-660/200 kW wybiera, który generator powinien by� podł�czony, w oparciu o dane kryteria i dopasowuje do niego pr�dko�� obrotow�.

3. Je�eli pr�dko�� wiatru wzro�nie i wytwarzana moc osi�gnie warto�� nominaln�, wówczas moc b�dzie utrzymywana na stałym poziomie dzi�ki obu systemom sterowania. Relatywnie powolny system sterowania nachyleniem łopat utrzymuje pr�dko�� generatora na stałym poziomie, tak aby u�lizg wynosił około 4%. Moc b�dzie utrzymywana na stałym poziomie odpowiadaj�cym warto�ci nominalnej, o ile u�lizg jest pomi�dzy 1% a 10%. Je�eli pr�dko�� wiatru wzro�nie, wówczas pr�dko�� wirnika i generatora równie� wzro�nie. Wtedy sterownik VMP obróci łopaty w kierunku 90o, dzi�ki czemu pr�dko�� obrotowa ponownie spadnie do poziomu odniesienia. Je�eli pr�dko�� wiatru spadnie, wówczas spadnie równie� pr�dko�� obrotowa wirnika. System

146

RCC/VRCC w szybki sposób steruje pr�dem wirnika w generatorze, doł�czaj�c lub odł�czaj�c zmienn� rezystancj�, w celu utrzymania u�lizgu na poziomie 4%.

Je�eli pr�dko�� wiatru wzro�nie powy�ej warto�ci granicznej, wówczas generator zostanie odł�czony i turbina zostanie zatrzymana z łopatami nachylonymi pod k�tem ok. 90o Sterownik VMP zaczeka, a� pr�dko�� wiatru spadnie poni�ej limitu ponownego uruchomienia i wówczas uruchomi turbin� ponownie. System steruj�cy, który kontroluje moc i pr�dko�� obrotow�, jak równie� generator ze zmiennym u�lizgiem, nosi nazw� OptiSlip.

Funkcja OptiSlip posiada trzy zalety: - minimalizuje obci��enia i wstrz�sy mechanicznych cz��ci turbiny, - poprawia jako�� energii elektrycznej dostarczanej do sieci bez wi�kszych waha�, - ogólnie optymalizuje produkcj� energii.��

Układ sterowania kontroluje prac� elektrowni poprzez pomiar podstawowych parametrów siłowni, takich jak:

- kierunek wiatru - pr�dko�� wiatru; - stan zu�ycia hamulców tarczowych - temperatura generatora, przekładni i sterownika - obroty wału - obroty generatora; - napi�cie generatora i pr�dy fazowe - kolejno�� faz - k�t natarcia łopat wirnika - k�t skr�cania kabla w głowicy - drgania własne - napi�cie zasilania układów wykonawczych - moc generatora

9.2. Zdalne sterowanie

Turbiny wiatrowe Vestas mog� by� wyposa�one w ró�ne opcje zdalnego sterowania:

Mo�liwe jest wykorzystanie koncentratora danych, je�eli stacja monitoringu znajduje si� blisko turbiny, lub gdy z jednego pomieszczenia steruj�cego monitorowanych jest wi�cej turbin (max. 20 na koncentrator danych). Dane mog� by� odczytywane z turbin i wy�wietlane. Mo�liwe jest wysyłanie okre�lonych komend do turbin przez naciskanie odpowiednich przycisków w koncentratorze. Je�eli jest taka potrzeba, mo�liwe jest podł�czenie drukarki lub terminala. Podł�czenie modemu pozwala na wysyłanie polece� do koncentratora z dowolnego komputera PC z modemem i standardowym oprogramowaniem komunikacyjnym (terminal VT100).

Sterownik telefoniczny jest urz�dzeniem, które pozwala na wykorzystanie telefonu z wybieraniem tonowym (DTMF) do odczytywania danych i wysyłania okre�lonych polece� do turbiny. Jeden sterownik mo�e obsługiwa� maksymalnie 4 turbiny. Mo�liwe jest wybieranie zaprogramowanych numerów w przypadku awarii turbiny i drukowanie komunikatów na drukarce.

Panel zdalnego sterowania jest specjalnie opracowanym programem dla komputera PC, słu��cym do monitorowania pojedynczych turbin. Panel pozwala na wy�wietlanie kopii normalnych obrazów u�ytkownika z turbin na ekranie PC i na wysyłanie polece� do turbiny. Oprogramowanie

147

to wymaga oddzielnej linii telefonicznej do ka�dej turbiny i modemu w turbinie i w PC. Turbina ł�czy si� z komputerem w przypadku awarii lub bł�dów i wysyła komunikat.

CMCS (centralny system monitorowania i sterowanie) jest systemem komputerowym wykorzystywanym jako rozszerzenie rozwi�zania z koncentratorem. Mo�liwe jest wy�wietlanie i zapisywanie danych i prowadzenie ró�nego rodzaju oblicze� statystycznych. �

Kanały wej�ciowe

Pr�d

ko��

wia

tru

Kie

rune

k w

iatr

u

Pr�d

ko��

obr

otow

a w

irni

ka

Pr�d

ko��

obr

otow

a ge

nera

tora

K�t

skr�c

enia

kab

la

Tem

pera

tura

gen

erat

ora

Tem

pera

tura

prz

ekła

dni

K�t

nat

arci

a ło

pat

Ko�

ców

ka s

kr�c

enia

kab

li

Styc

znik

głó

wny

Prze

twor

nik

nap�

du u

kł. w

yk.

Przy

cisk

i ste

ruj�

ce

Sygn

ały

potw

ierd

ze�

Wył�c

znik

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Kanały wej�ciowe

Gło

wic

a w

pra

wo

Gło

wic

a w

lew

o

Styc

znik

głó

wny

Ham

ulec

wir

nika

Zw

i�ks

zeni

e k�

ta n

at. ł

opat

Zm

niej

szen

ie k�t

a na

t. ło

pat

His

tori

a pr

acy

elek

trow

ni

Luz

owni

k k�

ta n

atar

cia

łopa

t

Wsk

a �ni

k st

anu

elek

trow

ni

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Rys.98. Schemat blokowy układu sterowania elektrowni wiatrowej

10. Program "Elektrownia wiatrowa"

Program autorstwa Grzegorza Ingielewicza i Grzegorza Pikuły stanowi cz��� magisterskiej pracy dyplomowej wykonanej pod kierunkiem dr in�. Bogdana Broel-Platera w Instytucie Automatyki Przemysłowej Politechniki Szczeci�skiej. Symulacja siłowni wiatrowej nap�dzaj�cej pr�dnic� pr�du stałego zasilaj�c� wydzielony obwód umo�liwia zapoznanie si� z podstawowymi zagadnieniami sterowania elektrowni� wiatrow�. Symulowany układ wykorzystuje technik� sterowania FUZZY-LOGIC, a tak�e algorytm poszukiwania ekstremum mocy.

Zaproponowano zastosowanie metod logiki rozmytej do regulacji trzech wielko�ci: k�ta ustawienia łopat turbiny (tzw. Pitch Regulation), k�ta ustawienia wirnika i jego osi w stosunku do kierunku wiatru (tzw. Yaw Control) oraz obci��enia (tzw. Load Control). Zmiana k�ta ustawienia łopat, a co za tym idzie zmiana tzw. k�ta natarcia wiatru na łopaty turbiny, pozwala na regulacj� oraz optymalizacj� mocy pozyskiwanej z elektrowni wiatrowej. Regulacja k�ta natarcia nale�y do

Opcjonalny monitoring pracy EW

STEROWNIK MIKROPROCESOROWY

148

najwa�niejszych metod sterowania siłowni� wiatrow�. Kierunkowanie siłowni wiatrowych (Yaw Control) jest równie� powszechnie stosowan� metod� sterowania. Sterowanie przez zmian� obci��enia nie nale�y do popularnych metod regulacji. Oprócz regulatorów wykorzystuj�cych technik� fuzzy-logic, w programie symulacyjnym wykonanym w ramach pracy dyplomowej, dla porównania zamodelowano konwencjonalne regulatory PID. Program ten mo�na otrzyma� poczt� elektroniczn� wysyłaj�c ��danie pod adres ingielka@polbox.com

Rys.99. Wykresy parametrów: pr�dko�� wiatru, mocy, k�ta nachylenia, obrotów w funkcji czasu

dla zadanej siłowni wiatrowej – symulacja komputerowa

11. Podsumowanie

Cz�sto zarzuca si� elektrowniom wiatrowym, �e s� zbyt małej mocy, szpec� krajobraz, wytwarzaj� podczas pracy hałas i mog� spowodowa� nowe, nie znane dot�d zagro�enia ekologiczne. Wszystkie te zarzuty s� jednak bezzasadne, poniewa� energia wiatru jest niezale�na i dogodna do stosowania w oddalonych miejscach, jest powszechnie dost�pna i uniezale�niona od importu. Rozwój techniki sprawia, �e elektrownie wiatrowe s� coraz doskonalsze, osi�gaj� coraz wi�ksze sprawno�ci i coraz mniej agresywn�, je�li chodzi o hałas i zagro�enie, prac� dla �rodowiska. Poza tym, obiekty elektrowni konwencjonalnych o wiele bardziej szpec� lokalny krajobraz, nie mówi�c ju� o ska�eniu jakie powoduj�. Według danych zachodnich w rejonach gdzie wiatr wieje ze �redni� roczn� pr�dko�ci� 8 m/s wielko�� oszcz�dno�ci paliwa dzi�ki wykorzystaniu instalacji zło�onej ze stu siłowni o ł�cznej mocy 300 MW jest równa zu�yciu paliwa w tradycyjnej elektrowni cieplnej o mocy 200 MW przy jej wykorzystaniu w ci�gu 5500 h rocznie tzn. jest równa 1,1 TWh (1015 J), w strefach o v�r. rocznej 9-10 m/s oszcz�dno�� zwi�ksza si� o 20-30%. Siłownie wiatrowe, bez wzgl�du na ich rodzaj, rozmiary czy te� liczebno�� nie powoduj� ska�e� radioaktywnych, dewastacji terenu ani strat w naturalnych zasobach i zmian w �rodowisku naturalnym Ziemi. Poszukiwanie tanich i doskonalszych rozwi�za� prowadzi jednak do du�ej ró�norodno�ci projektów, co utrudnia produkcj� seryjn�. Powinni�my traktowa� wiatr jako surowiec energetyczny, ze znacznie wi�kszym rozmachem korzysta� z tego �ródła o niewyczerpalnych zasobach. Energia wiatru nadaje si� do natychmiastowego wykorzystania, a jej przetworzenie np. na energi� elektryczn� jest do�� proste i nie wymaga stosowania zło�onych procesów. W wielu krajach w opanowaniu energii wiatru ju� obecnie pokłada si� du�e nadzieje. Miejmy nadziej�, �e niedługo nauczymy si� lepiej korzysta� z tych nieogarni�tych zasobów energii.

149

IV ENERGIA WODY

1. Wst�p

Podstawow� rol� w przemianie energii wody �ródl�dowej w elektrowni wodnej w energi�

elektryczn� odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych nast�puje zamiana energii potencjalnej na energi� kinetyczn�, a ta nast�pnie w pr�dnicach elektrycznych (hydrogeneratorach) jest zamieniana na energie elektryczn�.

Warunkiem otrzymania du�ej mocy jest koncentracja w mo�liwie ograniczonym obszarze du�ej ró�nicy poziomów oraz du�ego przepływu masowego wody. Z uwagi na brak naturalnej koncentracji spadu (wysokogórskich jezior o du�ych zasobach wody dla elektrownii wodnych) stwarza si� sztuczne spady poprzez: - spi�trzenie górnego poziomu wody GW - obni�enie dolnego poziomu DW lub budow� elektrownii podziemnej - budow� kanału skracaj�cego, dzi�ki czemu zmniejsza si� straty przepływowe (znacznie krótsza droga przepływu). W praktyce stosuje si� niektóre z tych sposobów jednocze�nie. Mimo, i� energia wodna nie odegra decyduj�cej roli w dalszym zwi�kszaniu produkcji energii elektrycznej z powodu ograniczonych zasobów wód nadaj�cych si� do wykorzystania w celach energetycznych, trudnego do nich dost�pu (du�e odległo�ci skupisk ludzkich od �ródeł zasobów), du�ych kosztów budowli hydrotechnicznych i długich okresów realizacji inwestycji, to jednak obserwuje si� rozwój budownictwa elektrowni wodnych, zwłaszcza tam, gdzie zasoby s� du�e oraz warunki hydrologiczne temu sprzyjaj�. Najwi�ksze zespoły s� instalowane na wielkich rzekach i osi�gaj� moce jednostkowe 500 - 700 MW. Najwi�ksze elektrownie wodne na �wiecie: Itaipu (Brazylia/Paragwaj) 12600 MW (18*700 MW), Gran Coulee (USA) 9711 MW, Guri (Wenezuela) 9000 MW, Krasnojarska (Rosja) 6096 MW i Churchill Falls (Kanada) 5200 MW. W ostatnich latach notuje si� znaczny post�p w budownictwie elektrownii pompowych. Moc najwi�kszych pompoturbin przekracza 250 MW. W Polsce najwi�ksze elektrownie szczytowo-pompowe, które odgrywaj� decyduj�c� rol� w�ród elektrownii wodnych, osi�gaj� moce: �ydowo 152 MW, Por�bka-�ar 500 MW (4*125 MW), �arnowiec 680 MW (4*170 MW) i w przyszło�ci Młoty 750 MW (3*250 MW)

150

2. Parametry elektrowni wodnych

Najwa�niejszymi parametrami elektrownii wodnej s�: moc zainstalowana P[kW], przełyk elektrownii Q[m³/s], spad u�yteczny Hu[m], czas pracy w ci�gu doby, tygodnia itp. oraz sprawno�� ηe.

P = 9,81· Q · Hu · ηηηηe Przełyk elektrowni ma zasadniczy wpływ na wymiary turbin, budynku elektrowni, a tak�e

wielko�ci budowli hydrotechnicznych doprowadzaj�cych wod� do elektrowni. Dobór tej wielko�ci jest trudny, poniewa� �ci�le zale�y ona od warto�ci, zmieniaj�cej si� w poszczególnych porach roku, przypływów w rzece oraz od charakteru pracy elektrowni. Spad u�yteczny elektrowni zale�y od warunków topograficznych cieku oraz od sposobu rozwi�zania stopnia wodnego. Sprawno�� elektrowni wodnej jest okre�lana jako iloczyn sprawno�ci turbiny, generatora i transformatora. Elektrownie wodne cechuje wyj�tkowa ró�norodno�� rozwi�za�, wynikaj�ca z konieczno�ci ka�dorazowego dostosowania si� do istniej�cych warunków lokalnych. Elektrownie wykorzystuj�ce energi� wód �ródl�dowych mo�na podzieli� na grupy według nast�puj�cych kryteriów: warto�ci spadu, sposobu pokrywania obci��e� w układzie elektroenergetycznym i sposobu gospodarowania zasobami wodnymi. Podział według warto�ci spadu jest najbardziej istotny, ale do�� dowolny. Rozró�nia si� elektrownie niskospadowe, �redniospadowe i wysokospadowe. W warunkach polskich najsłuszniejszy jest podział na elektrownie o niskim spadzie nie przekraczaj�cym 15 m, �rednim spadzie 15 - 50 m. oraz wysokim spadzie przekraczaj�cym 50 m. 3. Rozwi�zania elektrowni wodnych 3.1. Budowle hydrotechniczne, elementy elektrowni wodnych, urz�dzenia

mechaniczne Inwestycje wodno-elektryczne, których celem jest wykorzystanie zasobów naturalnych, s� realizowane z reguły w ramach wielozadaniowych obiektów gospodarki wod�, czyli s� to inwestycje gospodarki wodnej i energetycznej. Inwestycje te oprócz zada� energetycznych maj� i inne, np.: opanowanie fal powodziowych, gromadzenie zasobów wody dla przemysłu, miast, tworzenie stopni �eglugowych. Zadania te mog� by� równie� sprzeczne. Na przykład spi�trzenie na rzekach utrudnia w�drówk� ryb w gór� rzeki. Tworzenie stopni �eglugowych o małym spi�trzeniu jest ta�sze inwestycyjnie dla �eglugi, ale ogranicza wykorzystanie rzeki do celów elektroenergetycznych. Budowle hydrotechniczne, w zale�no�ci od przeznaczenia, mo�na podzieli� na: − budowle pi�trz�ce, do których zaliczy� nale�y zapory i jazy, − uj�cia wody, − budowle doprowadzaj�ce i odprowadzaj�ce wod�, do których nale�� kanały, ruroci�gi i sztolnie

wraz z budowlami towarzysz�cymi, − inne budowle, takie jak: �luzy �eglugowe, przepławki dla ryb, pochylnie dla tratew.

W budownictwie hydrotechnicznym wyró�nia si� zapory betonowe, zapory ziemne i kanały. W Polsce najbardziej s� rozpowszechnione zapory betonowe typu ci��kiego. Zapory ziemne s� budowane na terenach nizinnych. W celu uj�cia wody filtruj�cej przez zapor� stosuje si� system drena�owy. Zapory s� wykorzystywane cz�sto jako drogi komunikacji publicznej. Kanały energetyczne ł�cz�ce zbiornik z elektrowni� s� prowadzone w wykopie lub półwykopie. Umocnienia kanałów wykonuje si� płytami betonowymi, �elbetonowymi lub asfaltobetonowymi.

151

Elektrownia wodna składa si� z nast�puj�cych podstawowych elementów: blok elektrowni (cz��� podwodna), hala maszyn, hala monta�owa, pomieszczenia pomocnicze i ci�gi komunikacyjne. W elektrowni niskospadowej wi�ksza cz��� bloku znajduje si� pod wod� i tworzy budowl� pi�trz�c� wod�. Wymiary bloku zale�� od sposobu doprowadzenia wody, zatem od rodzaju i wielko�ci turbiny. Elektrownia wodna składa si� z wielu współpracuj�cych urz�dze�, od których jako�ci zale�y niezawodno�� i efektywno�� jej pracy. Urz�dzenia stanowi�ce wyposa�enie mechaniczne elektrowni wodnej to:

a) zasuwy i zamkni�cia przeznaczone do szybkiego (2÷3 min) zamkni�cia dopływu wody podczas awarii turbiny; mog� to by� zasuwy płaskie segmentowe sterowane poprzez podno�niki hydrauliczne (wci�garki) oraz zawory motylowe i kulowe sterowane siłownikami hydraulicznymi; na czas remontu u�ywane s� równie� zasuwy remontowe

b) kraty wlotowe, których zadaniem jest ochrona turbiny przed przepływaj�cymi zanieczyszczeniami (drewno, lód, wodorosty) i dlatego musz� by� wyposa�one w urz�dzenia do mechanicznego oczyszczania

c) urz�dzenia podno�nikowo-transportowe (suwnice, d�wigi portalowe), niezb�dne podczas monta�u i remontu hydrozespołu i urz�dze� wspomagaj�cych, podnoszenia zasuw remontowych, krat itp.

d) urz�dzenia spr��onego powietrza i odwodnie� turbiny e) urz�dzenia gospodarki olejowej f) system chłodzenia ło�ysk, generatorów, transformatorów itp.

Spotykane rozwi�zania hali maszyn mo�na podzieli� na trzy rodzaje: hala klasyczna, wyposa�ona w suwnic� przeznaczon� do monta�u i remontu turbozespołu, hala o obni�onej konstrukcji (półhala), w której instaluje si� d�wig portalowy i rozwi�zanie bezhalowe, w którym d�wig porusza si� po masywie bloku, a generatory s� osłoni�te lekk� obudow�. 3.2. Elektrownie przepływowe i zbiornikowe W warunkach polskich w grupie elektrowni przepływowych istotne znaczenie maj� przede wszystkim elektrownie niskospadowe z zaporami ziemnymi. Podstawowym wyposa�eniem tych elektrowni s�: klasyczne turbiny Kaplana, turbiny rurowe i w przypadku bardzo małych mocy rurowe z generatorem zewn�trznym lub turbiny typu Banki-Michell. W elektrowniach ustawionych na rzekach górskich woda do turbiny jest doprowadzana specjalnymi ruroci�gami ci�nieniowymi (derywacja ci�nieniowa). 3.3. Elektrownie pompowe Wyró�nia si� dwa podstawowe rodzaje pracy głównych urz�dze� elektrowni pompowej: praca turbinowa (generatorowa), tzw. zgromadzona w górnym zbiorniku woda nap�dza turbin�, oraz praca pompowa (silnikowa). Pompa tłoczy wod� ze zbiornika dolnego do górnego, w celu magazynowania w nim energii potencjalnej wody. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego wyró�ni� mo�na nast�puj�ce rodzaje pracy elektrowni pompowych. Elektrownie te uczestnicz� w wyrównaniu szczytowych - maksymalnych i minimalnych obci��e� systemu elektroenergetycznego i w ci�gu doby s� uruchamiane 1÷2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej – ten rodzaj pracy nazywa si� prac� programow�. W pracy programowej, elektrownia produkuje „drog�” szczytow� energi� elektryczn� za pomoc� wody doprowadzonej do górnego zbiornika pompami pobieraj�cymi „tani�” energi� elektryczn� z systemu elektroenergetycznego w okresie jego małego obci��enia w czasie doliny nocnej lub dziennej, przy energii elektrycznej do nap�du pomp dostarczaj� elektrownie parowe, j�drowe i wodne przepływowe. W czasie szczytu obci��enia elektrycznego woda jest doprowadzana do

152

turbiny wodnej, sprz�gni�tej bezpo�rednio z synchroniczn� maszyn� elektryczn� i nast�puje przetwarzanie nagromadzonej w górnym zbiorniku energii wody na energi� elektryczn�. Elektrownia pompowa ze wzgl�du na swoje dobre wła�ciwo�ci ruchowe mo�e bra� udział w pokrywaniu szybkich zmian obci��enia w systemie elektroenergetycznym – ten rodzaj pracy nazywa si� prac� regulacyjn�. Szeroko poj�te zadania regulacyjne obejmuj� równie� stany awaryjne systemu elektroenergetycznego (wypadni�cia bloku w elektrowni cieplnej lub wył�czenie du�ego odbioru), wymagaj�ce interwencyjnego zwi�kszenia mocy wydawanej lub pobieranej w systemie. Elektrownia pompowa stanowi w tym przypadku rezerw� interwencyjn� i w razie nagłego deficytu mocy jest uruchamiana do pracy turbinowej, a w przypadku nagłego nadmiaru mocy przechodzi do pracy pompowej. Ten rodzaj pracy nazywa si� prac� interwencyjn�. Poza tym mo�na wyró�ni� prac� w tzw. rezerwie wiruj�cej, gdy nieobci��ony hydrozespół wiruje i w ka�dej chwili, zale�nie od kierunku wirowania, mo�e przej�� do pracy turbinowej lub generatorowej. Elektrownie pompowe, podobnie jak i inne elektrownie wodne, s� �ródłem mocy biernej podczas pracy kompensatorowej. Praca kompensatorowa mo�e odbywa� si� przy dowolnym kierunku wirowania hydrozespołu. W tym przypadku czynnikiem nap�dowym jest maszyna elektryczna pracuj�ca jako przewzbudzony silnik synchroniczny, zasilany z sieci, przy czym wirnik pompo turbiny kr�ci si� w powietrzu (obni�enie poziomu wody za pomoc� spr��onego powietrza). Zbiornikami górnymi elektrowni pompowej mog� by� zbiorniki naturalne, np. jeziora lub zbiorniki sztuczne. Jako zbiorniki dolne s� stosowane jeziora, spi�trzone doliny -rzeki, stare sztolnie kopalniane lub specjalne budowane zbiorniki sztuczne. Przynajmniej jeden ze zbiorników musi by� uzupełniony wod� naturalnego dopływu w celu pokrycia strat wynikaj�cych z odparowywania i przecieków wody. W elektrowni pompowej, jak w �adnej innej elektrowni wodnej, bardzo wa�nym parametrem jest spad Hu. Im wi�kszy jest spad, tym dla okre�lonej ilo�ci energii jest wymagana mniejsza pojemno�� zbiorników, co wpływa na zmniejszanie nakładów inwestycyjnych. Pojemno�ci zbiorników wystarczaj� na 2÷6 godzinn� prac� turbinow�. Elektrownie pompowe w zasadzie powinny mie� spady ponad 100 m, jednak s� budowane z mniejszymi spadami. Komora wyrównawcza chroni sztolni� odprowadzaj�c� wod� o znacznej długo�ci przed nagłym wzrostem ci�nienia wody przy rozruchu turbiny i przeciwdziała oderwaniu si� słupa wody ze sztolni ( w rurze ss�cej) przy zamkni�ciu dopływu wody do turbiny. Sprawno�� elektrowni pompowej jest czynnikiem decyduj�cym o jej du�ej opłacalno�ci, dlatego te� zwraca si� szczególn� uwag� na dobór maszyn i urz�dze� o najwi�kszej sprawno�ci. Pierwsze elektrownie pompowe były wyposa�one w układy trójmaszynowe, a nawet czteromaszynowe: turbina – synchroniczna maszyna elektryczna (silnik elektryczny nap�dzaj�cy pomp�) – pompa. Pomimo niew�tpliwej korzy�ci, jak� jest du�a operatywno�� układów trójmaszynowych – krótkie czasy przej�cia z pracy pompowej do pracy turbinowej i odwrotnie, ze wzgl�dów ekonomicznych zdecydowanie zostały wyparte przez dwumaszynowe turbozespoły odwracalne (rewersyjne) – pompa, turbina. Koszty inwestycyjne elektrowni z pompo turbinami s� o 10÷15 % mniejsze ni� z zespołami trójmaszynowymi. Hydrozespoły elektrowni pompowych s� zał�czane do pracy do kilkunastu razy w ci�gu doby, dlatego wyst�puje konieczno�� ich cz�stego rozruchu (zarówno do pracy pompowej, jak i turbinowej) oraz hamowania – przy odstawianiu i przy zmianie charakteru pracy, wymagaj�cej w przypadku zespołów odwracalnych zmiany kierunku wirowania. Ka�dy z dwóch sposobów pracy zespołu wymaga odmiennego sposobu rozruchu. a) rozruch hydrozespołu do pracy przez podanie wody na łopatki wirnika b) przy rozruchu do pracy pompowej jest wymagane rozp�dzenie zespołu do pr�dko�ci

synchronicznej, przy której generator b�dzie pracował jako silnik synchroniczny Do rozruchu hydrozespołu do pracy pompowej i hamowania elektrycznego s� stosowane trzy metody:

1. Bezpo�redni rozruch asynchroniczny polega na bezpo�rednim zał�czeniu maszyny synchronicznej, która ma specjalnie wykonany wirnik (odpowiednia klatka tłumi�ca), do sieci

153

i asynchronicznym rozp�dzeniu maszyny. Hamowanie w tym układzie polega na zwarciu stojana rezystorem przy jednoczesnym wzbudzaniu wirnika. Z uwagi na spadki napi�cia podczas rozruchu, metoda ta jest stosowana do mocy 25 MW. Sposób ten zastosowano w elektrowni Solina na Sanie do rozruchu członu pompowego.

2. Rozruch nast�puje za pomoc� dodatkowego silnika indukcyjnego pier�cieniowego o mocy 5÷10 % PN generatora, nadbudowanego na wale hydrozespołu, silnik ma o jedn� par� biegunów mniej od hydrogeneratora i poprzez zmian� pr�du za pomoc� rezystora wodnego (elektrolit) wł�czanego w obwód wirnika silnika rozruchowego (odł�czonego od napi�cia przemiennego) stałym napi�ciem z prostownika. Energia kinetyczna wiruj�cego hydrozespołu jest tracona na rezystorze wodnym jako energia cieplna, w wyniku czego nast�puje hamowanie zespołu. Sposób ten jest zastosowany w elektrowniach Por�bka-�ar i �arnowiec.

3. Rozruch synchroniczny cz�stotliwo�ciowy polega na zasilaniu maszyny synchronicznej napi�ciem o płynnie zwi�kszanej cz�stotliwo�ci od zera do warto�ci znamionowej. Jako �ródło napi�cia o regulowanej cz�stotliwo�ci stosuje si� obecnie statyczn� tyrystorow� przetwornic� cz�stotliwo�ci (prostownik – falownik). W procesie hamowania nast�puje odwrócenie funkcji prostownika i falownika. Sposób ten b�dzie stosowany m.in. w elektrowni Młoty. Cz�stotliwo�ciowe układy rozruchowe zu�ywaj� mniejsz� ilo�� energii podczas rozruchu (bez rezystora rozruchowego), a podczas hamowania zwracaj� energi� do sieci.

3.4. Dane techniczne wybranych elektrowni wodnych

Rys.100. Elektrownia Małomice

Jest najdalej poło�on� od uj�cia Bobru elektrowni� wodn�. Zlokalizowana została na kanale o ł�cznej długo�ci 1170 m. Budow� siłowni zako�czono w 1920 r. wyposa�aj�c j� w turbiny Francisa, które poprzez układy przekładni nap�dzały ró�ne urz�dzenia w s�siedniej fabryce wyrobów blaszanych. W okresie pó�niejszym siłowni� wyposa�ono w przekładnie z z�bami drewnianymi oraz generatory, które wytwarzały energi� elektryczn� do 1990 roku, do czasu całkowitego wyeksploatowania urz�dze�. Wówczas to zdecydowano o jej modernizacji, a wła�ciwie całkowitej przebudowie. W miejsce turbin Francisa, po zmianie kształtu rur ss�cych wstawiono nowoczesne turbiny Kaplana o �rednicy wirnika 2100 mm i 150 obr/min produkcji Dozamet Nowa Sól, sprz�gaj�c je bezpo�rednio z synchronicznymi generatorami wyprodukowanymi w Dolmelu Wrocław. Turbiny wyposa�ono w elektrohydrauliczne regulatory przystosowuj�c elektrowni� do pracy bezobsługowej. Producentem tych regulatorów jest Instytut Energetyki z Gda�ska.

154

Zamontowano równie� automatyczn� czyszczark� krat czyni�c obsług� tej elektrowni zdecydowanie łatwiejsz�. Wszystkie prace zwi�zane z przebudow� elektrowni wykonali pracownicy Zespołu Elektrowni Wodnych Dychów, uruchamiaj�c j� ponownie w 1992 roku.

Dane techniczne: moc instalowana 2 x 400 kW moc osi�galna 2 x 225 kW przełyk instalowany 2x 15m³/s spad nominalny 2,2 m produkcja �rednioroczna 2 200 MWh

Rys.101. Elektrownia Solina W latach 1960-68 zrealizowano stopie� wodny Solina, przyszłej kaskady rzeki San, ze zbiornikiem wieloletniego wyrównania. Poni�ej zapory powstał zbiornik wyrównania dobowego w Myczkowicach. Elektrownia Solina została wyposa�ona w nast�puj�ce urz�dzenia: - dwie turbiny Francisa o danych: moc turbiny Pt=46,8 MW, pr�dko�� obrotowa n=136,5

obr/min, �rednica wirnika D=4,1 m, spad �redni H=57 m; turbiny nap�dzaj� pr�dnice synchroniczne (ze wzbudnic� pr�du stałego) o danych: S=52 MV·A, P=46,8 MW, cos�=0,9, U=10,5 kV ± 5%;

- dwie pompoturbiny o danych: stosunek mocy pracy turbinowej do mocy pracy pompowej Pt/Pp=22,5 MW / 20 MW, n=136,5 obr/min, D=4,5 m, H=57 m; pr�dnice / silniki synchroniczne o danych: S=24,5 MV·A, Pt/Pp=21,8 MW / 20,7 MW i odpowiadaj�ce temu warto�ci cos �t / cos�p=0,9 / 0,9poj, U=10,5 kV ± 5%;

155

4. Mała energetyka wodna

Spo�ród wszystkich odnawialnych �ródeł energii w warunkach naszego kraju najwi�kszy udział w produkcji energii elektrycznej maj� i b�d� miały elektrownie wodne, w�ród których do tzw. małej energetyki zalicza si� obiekty o mocy zainstalowanej do 500 kW. Niestety zasoby energetyczne naszych rzek nie s� wielkie, rz�du 13,5 TWh/rok., ze wzgl�du na to, �e Polska jest krajem nizinnym. W Polsce działa ok. 250 małych elektrownii wodnych. S� to elektrownie prywatne. Dla prowadz�cego taki obiekt staje si� opłacalny dopiero po uzyskaniu co najmniej 30kW mocy. MEW (mała energetyka wodna) ma wiele zalet, m.in.: - zwi�ksza mał� retencj� wód - zwi�ksza znacznie ilo�� miejsc pracy - jest przyjazna dla �rodowiska, nie zmienia w znaczny sposób krajobrazu i �rodowiska naturalnego, Teoretyczne energia wody wyra�a si� wzorem

E = c·g·Q·H [kWh] g - przyspieszenie ziemskie[m²/s] Q - nat��enie przepływu wody[m³/s] H - spad, czyli ró�nica pomi�dzy górnym, a dolnym poziomem wody[m] c – pr�dko�� wody[m/s] E – energia wody [kWh]

Rys.102. Schemat małej elektrownii wodnej Zakopane Olcza

Sprawno�� ηe MEW wynosi od 30 % dla prostych urz�dze� do 85 - 90 % dla skomplikowanych technicznie. Elektrownia mo�e pracowa� od (5000 - 8000) h/rok. MEW pracuje bez wi�kszych remontów przez 15 lat. Amortyzacja mo�e trwa� od 3-15 lat. Elektrownie wodne mo�na podzieli� ze wzg. na lokalizacj�: - przy jazie lub zaporze - w miejscach, do których woda doprowadzana jest kanałem lub ruroci�giem oddalonym od

budowli pi�trz�cej na rzece. Najwa�niejszymi urz�dzeniami w MEW s�: turbina, pr�dnica, układ regulacyjny i sterowanie turbozespołu oraz przekładnie.

156

5. Opisy typów turbin wodnych Technologiczne rozwi�zania małych elektrowni wodnych zale�� w głównej mierze od sposobu doprowadzenia wody (kanałem otwartym lub przewodem ci�nieniowym) oraz od typu zastosowanego turbozespołu. Zwłaszcza ten drugi czynnik powoduje du�� ró�norodno�� rozwi�za�. Istnieje bowiem wiele typów turbozespołów małej mocy stosowanych w elektrowniach wodnych. W dalszym ci�gu przedstawiono wi�kszo�� ze spotkanych przypadków poczynaj�c od rozwi�za� najstarszych.

5.1. Rozwi�zania tradycyjne z turbinami Francisa

Najstarszym typem turbiny , która znalazła zastosowanie była turbina Francisa o osi pionowej, a pó�niej tak�e poziomej, pracuj�ca w otwartej prostok�tnej komorze turbinowej. Obecnie ten typ turbiny ust�pił ju� miejsca lepszym konstrukcjom, nale�y mu jednak po�wi�ci� nieco miejsca ze wzgl�du na to, �e niemal we wszystkich istniej�cych w Polsce siłowniach mły�skich i elektrowniach stosowano wła�nie to rozwi�zanie. Korzystano w tym przypadku z maszyn firmy Kryzel i Wojakowski z Radomska, o mocy do 100 kW oraz maszyn ró�nych producentów niemieckich. Brak seryjnej i taniej krajowej produkcji bardziej nowoczesnego oprzyrz�dowania spowodował, �e wi�kszo�� uruchomionych w Polsce w latach osiemdziesi�tych małych elektrowni wodnych nale�y wła�nie do omawianego typu. Budynki MEW z turbinami Francisa produkowanymi w Radomsku przedstawiono na rys. 103 i 104 Na wlocie do komór znajduj� si� zastawki remontowo – awaryjne oraz kraty czyszczone r�cznie. Dno komory zwykle oddziela si� od dna rzeki lub kanału niewielkim progiem przeciw rumowiskowym w celu ochrony turbiny przed napływem gruntu z dna kanału.

Rys.103. Budynek elektrowni z pionow� turbin� Francisa:

1-turbina, 2-regulator r�czny, 3-przekładnia z�bata, 4- przekładnia pasowa, 5-zamkniecie awaryjno-remontowe, 6-kraty wlotowe, 7-spust wody z komory turbinowej, 8-�cianka szczelna, 9-próg przeciw rumowiskowy, 10-sto�kowa rura ss�ca, 11-komora odpływowa, 12- komora turbiny 13-hala maszyn.

Turbina pionowa jest umieszczona nad otworem w dnie komory i przytwierdzona do kilku lub kilkunastu �rub kotwi�cych zabetonowanych w dnie. Krótka sto�kowa rura ss�ca przechodzi do komory odpływowej. W przypadku posadowienia budynku na palach komora odpływowa mo�e zosta� zamocowana do �ciany oporowej od strony doprowadzenia wody i od strony budynku elektrowni oraz do płyty chroni�cej dno pod rur� ss�c� przed rozmyciem. Taki rodzaj konstrukcji stosowano zwykle w celu unikni�cia prac betoniarskich lub murarskich poni�ej zwierciadła wody gruntowej, gdy grunt był bardzo nawodniony. Wał turbiny przechodzi przez pokryw� , w której znajduje si� ło�ysko prowadz�ce przez strop do hali maszyn. W hali tej jest umieszczona k�towa

157

przekładnia, zwykle o z�bach drewnianych, zawieraj�ca tak�e ło�ysko oporowe turbiny. Na wale poziomym, za przekładni� , znajduje si� jeszcze koło pasowe, sk�d nap�d mo�e by� przekazany do generatora.

W przypadku turbiny poziomej (rys. 104.) wał przechodzi przez �cian� komory, w której

zabetonowana jest tarcza stojana turbiny. Za �cian� komory znajduje si� koło pasowe. Poniewa� turbiny o osi poziomej stosowano zwykle przy mniejszym przełyku i wi�kszych obrotach ni� turbiny pionowe, cz�sto zdarza si�, �e wystarczała przekładnia jednostopniowa, aby nap�d z koła pasowego przy turbinie mógł by� przeniesiony bezpo�rednio do generatora. W wyrobach innych producentów stosowano cz�sto układ odwrócony, w którym rura ss�ca wychodzi przez �cian� poza komor� turbinow� obejmuj�c w pocz�tkowym odcinku wał turbiny i odginaj�c si� w dół przed kołem pasowym.

Rys.104. Mała elektrownia wodna z poziom� turbin� Francisa (Kryzel i Wojakowski).

1 – turbina, 2 – regulator r�czny, 3 – przekładnia pasowa, 4 – generator, 5 – szafa sterowniczo-rozdzielcza, 6 – kraty wlotowe, 7 – zamkni�cie awaryjno-remontowe, 8 – spust wody z komory turbinowej, 9- �cianka szczelna

Je�eli elektrownia ma pracowa� na sie� wydzielon� , to cz�sto niezb�dne jest doł�czenie do generatora koła zamachowego. Poniewa� stare siłownie z turbinami Francisa podlegaj� ró�nym modernizacjom, nale�y pami�ta� o nast�puj�cych czynno�ciach. Przede wszystkim nale�y zbada� stan techniczny budynku. Konstrukcje drewniane lub z cegły po kilkudziesi�ciu latach u�ytkowania nadaj� si� prawie bez wyj�tku, do wyburzenia ju� na podstawie pobie�nych ogl�dzin. W przypadku komór betonowych, zwłaszcza zbrojonych istnieje du�a szansa napotkania obiektu w dobrym stanie – jednak i tu opinia in�yniera budowlanego, najlepiej hydrotechnika, jest niezb�dna. W przypadku pozytywnego wyniku pozostaje do rozwa�enia zagadnienie wyboru typu i przełyku turbozespołu. Nale�y tu stwierdzi�, �e w starych budynkach praktycznie nie mo�na stosowa� popularnych ostatnio turbin rurowych. Nowe turbozespoły musz� swym układem i wielko�ci� na�ladowa� stare. W przeciwnym bowiem razie grozi w praktyce rozbiórka modernizowanego obiektu. Pewne mo�liwo�ci daje te� stosowanie układów zblokowanych, które cz�sto mo�na zainstalowa� w starych obiektach nawet w zupełnie nowych miejscach bez potrzeby wielkich przeróbek budowlanych. Cz�sto w praktyce zast�puje si� star� turbin� Francisa now� turbin� Kaplana, która przy tej samej �rednicy ma przełyk o ok. 25% wi�kszy. Nale�y si� jednak liczy� z tym, �e rura ss�ca turbiny Kapłana jest dłu�sza i wymaga �cisłego zachowania projektowanego kształtu, co zwłaszcza w przypadku betonowych rur zakrzywionych wymagałoby niedopuszczalnej ingerencji w fundamenty starego obiektu. Wykonanie turbiny Kaplana na niewła�ciwej rurze prowadzi do odczuwalnego ograniczenia mocy nowej turbiny. Trzecim wyj�ciem jest zainstalowanie dodatkowego turbozespołu.

158

5.2. Rozwi�zania współczesne z turbinami Francisa Od wielu ju� lat zastosowanie turbin Francisa ogranicza si� do spadów rz�du 10 m i wy�szych. W przypadku spadów mniejszych turbin� t� zast�piono doskonalsz� turbin� Kaplana. Natomiast przy spadach powy�ej 10 m przewa�a zaleta turbiny Francisa, mianowicie jest ona odporna na kawitacj� (zjawisko utraty ci�gło�ci przepływu cieczy), dzi�ki czemu nie ma potrzeby gł�bokiego posadowienia wirnika (kłopotliwego ze wzgl�dów budowlanych). Typowe rozwi�zanie małej elektrowni z turbozespołem Francisa przedstawiono na rys. 107. Jest to urz�dzenie z wytwórni �KD Blansko o �rednicy wirnika 500 – 1000 mm, spadach 5 – 3 m, przełykach 0,4 – 5m/s, mocach 15 – 1400 kW. Przed wlotem do turbiny znajduje si� szybkodziałaj�ce zamkni�cie awaryjne (klapa motylowa). Przedstawiony turbozespół nie ma kierownicy z ruchomymi łopatkami, jak to si� spotyka w wi�kszych urz�dzeniach. Sterowanie przepływem odbywa si� tu za pomoc� oprofilowanej klapy, umieszczonej na pocz�tku spirali, która w tym przypadku ma przekrój prostok�tny. W zale�no�ci od wielko�ci spadu i pr�dko�ci obrotowej generatora mo�e on by� nap�dzany bezpo�rednio lub przez przekładni� (na ogół pasow�).

Rys.105. Współczesne rozwi�zanie z turbin� Francisa dla spadów �rednich (�KD Blansko).

1 – turbina Francisa w spirali stalowej, 2 – łopatka regulacyjna wewn�trz budowy turbiny, 3 – zawór na ruroci�gu doprowadzaj�cym, 4 – przekładnia pasowa, 5 – pr�dnica, 6 – szafa sterowniczo-rozdzielcza.

5.3. Współczesne rozwi�zania z turbinami Kaplana

Turbiny Kaplana (a zwłaszcza ich wirniki z przestawnymi łopatkami) stanowi� obecnie

wyposa�enie niemal wszystkich nowo budowanych elektrowni, przy spadach od najni�szych do kilkunastu metrów (rys. 106). W przypadku du�ych elektrowni granica stosowalno�ci turbin Kaplana jest nawet wy�sza. Ich zalety w porównaniu z turbinami Francisa to zachowanie du�ej sprawno�ci nawet przy znacznych wahaniach spadu i przełyku, du�a pr�dko�� obrotowa pozwalaj�ca na stosowanie zarówno jednostopniowej przekładni, jak i bezpo�redni nap�d generatora oraz wi�kszy przełyk przy tej samej �rednicy. Dopiero przy spadach powy�ej 8 – 10 m (dla małych turbin) ujawnia si� mankament w postaci erozji kawitacyjnej zmuszaj�cej do kosztownego wi�zania, w których turbina, przekładnia i generator pozostaj� osobnymi urz�dzeniami, układ elektrowni przypomina siłownie z turbinami Francisa.

159

Rys.106. Rozwi�zanie MEW z turbinami Kaplana w komorach otwartych (�KD Blansko )

a ) z turbin� pionow� b ) z turbin� poziom� 1- turbina Kapłana, 2 – przekładnia k�towa z�bata, 3 -koło zamachowe, 4 – pr�dnica, 5 – kraty wlotowe, 6 – zamkni�cie remontowo – awaryjne, 7 – wn�ki zamkni�cia remontowego rury ss�cej, 8 – przekładnia pasowa, 9 – regulator turbiny

Turbiny Kaplana mog� by� stosowane w miejsce turbin Francisa w przypadku

modernizowania starych elektrowni wodnych. Poniewa� wymagaj� one jednak dłu�szych i gł�bszych rur ss�cych, które trudno pomie�ci� w starej konstrukcji budynku, mo�na stosowa� układ lewarowy. Polega to na wzniesieniu turbiny ponad dno komory tak, �e rura ss�ca mie�ci si� pod ni� bez powa�niejszych rozku� płyty dennej budynku. Aby jednocze�nie unikn�� dostawania si� powietrza do turbiny umieszczonej wysoko nale�y doprowadzi� do całkowitego wypełnienia komory wod� a� pod jej strop, przy czym w górnej cz��ci komory wyst�pi wówczas podci�nienie. Wymaga to odpowiedniego ukształtowania wlotu do komory i przebudowy stropu komory, w celu wzmocnienia jego wytrzymało�ci. Mimo znacznego zakresu przeróbek oszcz�dno�� z powodu unikni�cia kosztownych prac w obr�bie fundamentów jest godna uwagi. 5.4. Rozwi�zania z turbinami rurowymi Turbiny rurowe skonstruowano d���c do uproszczenia i potanienia poprzednich konstrukcji. Wirnik typu Kaplana (ewentualnie �migłowy - o nie przestawnych łopatkach) umieszczono w przewodzie o przekroju kołowym. Dzi�ki temu zrezygnowano w porównaniu z analogiczn� turbin� Kaplana z obszernych komór turbinowych lub skomplikowanych spiral wlotowych, spłycono posadowienie elektrowni oraz zwi�kszono obroty, przełyk i moc elektrowni (o kilka %).

160

W przypadku urz�dze� o mocy od kilkudziesi�ciu do kilkuset kilowatów stosuje si� cz�sto wersj� uproszczon�, mianowicie rezygnuje si� z przestawnych łopatek kierownicy przed wirnikiem. Wówczas regulacja odbywa si� za pomoc� łopatek wirnika, a nie na skutek braku mo�liwo�ci zamkni�cia wody. Niezb�dne jest wi�c zastosowanie przed turbin� odpowiednio szybko działaj�cego zamkni�cia lub umieszczenie turbiny w przewodzie lewarowym ponad poziomem górnej wody. W ci�gu ponad trzydziestu lat stosowania turbin rurowych pojawiło si� wiele ró�nych rozwi�za� układów konstrukcyjnych elektrowni. Urz�dzenia elektrowni wbudowane s� w próg jazu z zamkni�ciem klapowym. Poniewa� układ gruszkowy ogranicza mo�liwo�� doboru pr�dnicy i przekładni (a zwłaszcza ich wymiarów) oraz utrudnia rozwi�zanie chłodzenia, smarowania, sterowania, uszczelnienia i napraw turbozespołu, opracowano rozwi�zania pozwalaj�ce na usuni�cie pr�dnicy poza gruszk�. Jedno z nich przedstawiono na rys. 107. W gruszce pozostała przekładnia k�towa ło�yska i elementy układu sterowania. W zale�no�ci od rodzaju pr�dnicy mo�na jej nada� poło�enie pionowe lub poziome z boku turbiny. Istnieje te� rozwi�zanie (firmy VOEST – ALPINE), w którym nap�d z gruszki jest wyprowadzany do pr�dnicy za pomoc� kilku pasków klinowych w szczelnej obudowie. Jednym z najbardziej wyszukanych układów, pozwalaj�cych na usuni�cie pr�dnicy poza turbin� rurow� jest konstrukcja firmy ESCHER WYSS (znana jako STRAFLO) produkowana obecnie przez ZAKŁADY ACEC (BELGIA).W konstrukcji tej fragmentem stalowej rury stanowi�cej obudow� turbiny jest ruchomy pier�cie� zdylatowany w stosunku do poprzedniego, tylnego fragmentu obudowy. Wewn�trz pier�cienia jest zamocowany wirnik turbiny o nie przestawnych łopatkach, a na zewn�trz znajduje si� wirnik pr�dnicy. Cało�� obraca si� podczas przepływu wody, generuj�c pr�d w nieruchomym stojanie pr�dnicy. Turbozespoły takie produkuje si� dla znacznych mocy, przekraczaj�cych 1 MW .Dla elektrowni o mocy 100 kW –2 MW w celu typizowania pr�dnic firma ACEC opracowała inne rozwi�zanie, w którym zamiast wirnika pr�dnicy, na zewn�trz ruchomego pier�cienia osadzone jest koło pasowe przekładni (rys. 108.). Drugie koło pasowe jest osadzone na zewn�trz obudowy turbiny, a od niego prowadzi wał do pr�dnicy. W obu przedstawionych przypadkach wymagana jest wysoka precyzja wykonania do�� skomplikowanego uszczelnienia turbiny.

Rys.107. Turbozespół z przekładni� k�tow� w „gruszce” (Elektrownia Ro�cino po przebudowie)

1 - wirnik z przesławnymi łopatkami, 2 - przekładnia k�towa z�bata, 3 - pr�dnica z kołem zamachowym, 4 - zamkni�cie awaryjne ( zawór motylowy ), 5 - kraty wlotowe, 6 - wn�ki zamkni�cia remontowego wlotu, 7 - klapowe zamkni�cie remontowe rury ss�cej, 8 - klapowe zamkni�cie jazu

161

Rys.108. Zmodyfikowane rozwi�zanie turbozespołu STRAFLO z kołem pasowym na obr�czy

wirnika (ACEC), 1 – wirnik turbiny (łopatki regulowane na stałe), 2 – obudowa ło�ysk i elementów regulacji, 3 – stałe łopatki kierownicze, 4 – system pier�cieni uszczelniaj�cych, 5 – koło pasowe na obwodzie wirnika, 6 – pas transmisyjny, 7 – pr�dnica, 8 – szafa sterowniczo-rozdzielcza, 9 – studzienka zbiorcza przecieków, 10 – przewody odwadniaj�ce „gruszk�” i uszczelnienia wirnika, 11 – szybko opadaj�ca zasuwa, 12 – wn�ki zamkni�cia remontowego ruty ss�cej, 13 – kraty wlotowe

Do najbardziej popularnych obecnie turbin rurowych nale�� turbiny kolanowe. Charakteryzuj� si� tym, �e stalowa rura ss�ca jest wygi�ta w dół (na podobie�stwo kolana) co pozwala na wprowadzenie wału poza obudow� turbiny i do�� swobodny dobór typu i wielko�ci przekładni oraz pr�dnicy. Poszczególne rozwi�zania ró�ni� si� mi�dzy sob� kształtem rury ss�cej (wygi�ta pojedynczo lub podwójnie) poło�eniem wału turbiny (poziomy lub odchylony od góry) kierunkiem wyprowadzenia wału (ku wodzie dolnej lub górnej), lecz ogólne rozwi�zania elektrowni pozostaje jak na rys. 109, na którym przedstawiono elektrowni� z turbin� kolanow� HNNY CKD Blansko produkowan� z wirnikiem o �rednicy 1-3,5m, dla spadów 2-10 m, i przełyków 1,4-100 m/s i mocy 400-5000 kW. Na wlocie do turbiny zastosowano zawór motylkowy, który stosuje si� tak�e w przypadku doprowadzenia wody za pomoc� ruroci�gu. W przypadku elektrowni przy zbiornikowej lub elektrowni przy kanale otwartym wystarczy nieco ta�sza zasuwa płaska. Na wlocie do turbiny zastosowano zawór motylkowy, który stosuje si� tak�e w przypadku doprowadzenia wody za pomoc� ruroci�gu.

Rys.109. Mała elektrownia wodna z turbin� rurow� kolanow� (�KD),

1 – wirnik turbiny z przesuwanymi łopatkami, 2 – ło�ysko oporowe turbiny, 3 – koło zamachowe, 4 – przekładnia z�bata, 5 – pr�dnica, 6 – zawór awaryjny motylowy (nie wyst�puje w przypadku regulowanych łopatek kierownicy), 7 – wn�ki zamkni�cia remontowego wlotu, 8 – kraty wlotowe, 9 – czyszczarka krat, 10 – wn�ki zamkni�cia remontowego rury ss�cej, 11 – agregat odwadniaj�cy, 12 – suwnica monta�owa, 13 – luk nad płaszczyzn� monta�ow�

Przy mniejszych turbozespołach mo�e ona by� nawet drewniana. Wi�kszo�� wytwórni, zwłaszcza w przypadku niewielkich turbin o �rednicy 1-2 m rezygnuje z ruchomych łopatek kierowniczych

162

stosuj�c pojedynczy system regulacji za pomoc� łopatek wirnika. Elektrownie z turbinami rurowymi b�d� szeroko stosowane w Polsce; Zakłady Remontowe Energetyki w Gda�sku podj�ły si� produkcji tych urz�dze�, istotn� barier� s� jak dot�d koszty. Turbiny rurowe mog� by� te� wykonywane w układzie pionowym. Na rys. 110. przedstawiono takie obiekty firmy BOFORS-NOHAB, dla najmniejszych spadów ze szczeln� komor� lewarow�, dla du�ych spadów z ruroci�giem. To drugie rozwi�zanie pozwala na unikniecie awaryjnego zamkni�cia na wlocie do turbiny, dopływ wody odcina si� bowiem przez napowietrzenie komory na skutek otwarcia zaworu w stropie.

Rys.110. Rozwi�zania MEW z turbinami rurowymi w układzie pionowym (BOFORS-NOHAB):

a) z komor� lewarow�, b) z doprowadzeniem ruroci�gami, 1 – wirnik turbiny z przestawnymi łopatkami, 2 – nieruchome łopatki kierownicy turbiny, 3 – obudowa ło�yska oporowego i przekładni z�batej, 4 – pr�dnica, 5 – szafy sterowniczo-rozdzielcze,6 - układ odpowietrzania komory lewarowej, 7 – zawór awaryjny motylowy z zamkni�ciem ci��arowym, 8 – kraty wlotowe, 9 – wn�ki zamkni�cia remontowego rury ss�cej, 10 – ruroci�g doprowadzaj�cy, 11 – luk monta�owy

Spo�ród turbin rurowych znane jest jeszcze jedno rozwi�zanie, w którym pr�dnica jest umieszczona poza obudow� prowadz�c� wod�. Jest to wariant z pr�dnic� studniow�, woda napływa do elektrowni dwoma zamkni�tymi kanałami opływaj�cymi otwarte od góry w�skie pomieszczenie(studni�), w którym jest umieszczona pr�dnica lub przekładnia. Za tym pomieszczeniem kanały ł�cz� si� w jeden przewód, w którym pracuje wirnik turbiny. Dalej znajduje si� rura ss�ca opadaj�ca sko�nie w dół. Obecnie rozwi�zanie to wyst�puje rzadko.

5.5. Rozwi�zania z innymi turbinami (Banki, Peltona) Oprócz omówionych rozwi�za� wyst�puj� w małych elektrowniach wodnych, cho� niezbyt cz�sto, jeszcze dwa typy turbin – Banki i Peltona. Turbina Banki jest bardzo starym rozwi�zaniem, opracowanym ostatnio na nowo przez Instytut Maszyn Przemysłowych PAN w Gda�sku (a za granic� przez Zakłady Osbergera). W Polsce zbudowano w latach osiemdziesi�tych kilka obiektów z turbinami tego typu. Wirnik (w kształcie walca) ma blaszan� obudow�, odpływ wody jest sterowany za pomoc� oprofilowanej klapy umieszczonej równie� w obudowie przed wirnikiem. Je�eli spad nie przekracza kilku metrów, to klapa mo�e by� te� jedynym zamkni�ciem awaryjnym. Je�li budynek znajduje si� bezpo�rednio przy zbiorniku lub kanale, to wod� do turbiny doprowadza si� krótkim (1 – 2 m) przewodem o przekroju prostok�tnym. Przy wi�kszych spadach doprowadza si� ruroci�giem i wtedy zwykle

163

przed turbin� stosuje si� zawór motylowy (rys. 111). Najcz��ciej nie ma rury ss�cej, wirnik pracuje w powietrzu, a woda odpływa spod niego korytem otwartym.

Rys.111. Rozwi�zanie MEW z turbin� Banki

1-ruroci�g doprowadzaj�cy , 2-zawór motylowy z zamkni�ciem ci��arowym, 3-regulator turbiny, 4-turbina Banki, 5-pas transmisyjny, 6-pr�dnica, 7-szafa sterowniczo- rozdzielcza, 8-luk monta�owy.

Elektrownie z turbinami Banki s� technicznie i ekonomicznie uzasadnione przy spadach co najmniej 3-5 m lub wi�kszych. Przy spadach najmniejszych utrata cz��ci spadku na skutek wzniesienia wirnika ponad wod� doln�, przy braku w pełni warto�ciowej rury ss�cej, powoduje wyra�ne zmniejszenie i tak niewielkiej sprawno�ci turbozespołu. Niewielka pr�dko�� obrotowa turbiny zmusza przy małych spadach do stosowania podwójnej przekładni pasowej. Małe elektrownie z turbinami Peltona spotyka si� w krajach wybitnie górzystych, przy spadach ponad 50 m. W Polsce podobne warunki wyst�puj� niemal wył�cznie na obszarach parków narodowych, gdzie mogłyby one pracowa� na potrzeby schronisk turystycznych, obecnie funkcjonuj� 2 takie obiekty. Ogólny układ elektrowni pozostaje taki jak z turbin� Banki.

164

6. Pr�dnice elektryczne

W małych elektrowniach wodnych stosowane s� dwa typy pr�dnic: - pr�dnice asynchroniczne (indukcyjne) trójfazowe pr�du zmiennego; - pr�dnice synchroniczne trójfazowe pr�du przemiennego.

W zale�no�ci od kompozycji turbozespołu, rodzaju i typu turbiny, pr�dnice mog� mie� wał poziomy, pionowy lub uko�ny. Wał pr�dnicy mo�e by� sprz��ony bezpo�rednio z wałem turbiny przy u�yciu sprz�gła stałego, b�d� te� za po�rednictwem przekładni z�batej lub pasowej. Sposób sprz��enia zale�y od rodzaju turbiny i pr�dnicy, ich pr�dko�ci obrotowych, mocy i ło�yskowania. Trójfazowe pr�dnice instalowane w MEW, umo�liwiaj� stabiln� prac� elektrowni w sieci wydzielonej. W przypadku przerwania tej sieci z innych �ródeł MEW mo�e stanowi� rezerwowe �ródło zasilania dla wydzielonej grupy odbiorców. Pr�dnice asynchroniczne trójfazowego pr�du przemiennego maj� ograniczony zakres stosowania; s� instalowane w MEW, których zadaniem jest wył�cznie wykorzystywanie nie zagospodarowanych cieków wodnych, i które nie maj� charakteru �ródeł rezerwowego zasilania. Energia wytworzona przez pr�dnic� asynchroniczn� jest oddawana do lokalnej sieci elektroenergetycznej zasilanej równolegle z innych �ródeł. Pr�dnice synchroniczne jawnobiegunowe (wolnoobrotowe) znalazły zastosowanie w du�ych elektrowniach wodnych. 6.1. Wielko�ci i parametry pr�dnicy

Pr�dko�� obrotowa pr�dnicy w przypadku bezpo�redniego sprz��enia z turbin� dobierana

jest do obrotów turbiny. Małe pr�dnice synchroniczne maj� wtedy nast�puj�ce obroty znamionowe:500, 600, 750, 1000 i 1500.

Pr�dnice asynchroniczne posiadaj� obroty znamionowe wy�sze ni� pr�dko�� pola wiruj�cego stojana (pr�dko�� synchroniczna ns )

n>ns , s<0

W zale�no�ci od typów, spadów i przełyków turbin, pr�dko�ci te pozwalaj� na bezpo�rednie

sprz��enie turbiny z pr�dnic�. Rozwi�zanie to jest optymalne. Je�eli znamionowa pr�dko�� turbiny jest mniejsza ni� pr�dko�� znamionowa pr�dnicy, to konieczne jest stosowanie przekładni podwy�szaj�cej. Przekładni obni�aj�cych nie stasuje si�. Stosowanie przekładni zmniejsza sprawno�� turbozespołu, zwi�ksza jego koszt i poziom hałasu, poza tym stanowi dodatkowy element obni�aj�cy pewno�� pracy turbozespołu. W przypadku maszyn mniejszych mocy zaleca si�, ze wzgl�du na ich prostot�, przekładnie pasowe. S� one wykonane z wielowarstwowych pasów płaskich i umo�liwiaj� w jednym stopniu przeło�enie nawet w stosunku 1:6. Wirnik i ło�yska pr�dnicy nap�dzanej turbin� wodn� musz� wytrzyma� zwi�kszon� pr�dko�� obrotow� (rozbieg) turbiny przynajmniej w ci�gu 2 min.

Pr�dnice o mniejszych mocach dla MEW s� konstruowane na napi�cia znamionowe 380V i 400V, o wi�kszych mocach na napi�cia 3,15kV i 6,3kV.

6.2. Pr�dnice asynchroniczne (indukcyjne) Trójfazowa maszyna asynchroniczna, wiruj�ca z pr�dko�ci� nadsynchroniczn� w stosunku do wiruj�cego pola, przechodzi w system pracy pr�dnicowej i oddaje moc czynn�. Do wytwarzania strumienia magnetycznego w trójfazowej pr�dnicy asynchronicznej niezb�dny jest pr�d magnesuj�cy. Pr�d ten musi by� pobierany z zewn�trznego �ródła. �ródłem tym jest z zasady sie� elektroenergetyczna (zasilana równie� z innych �ródeł), z któr� współpracuje pr�dnica, wyj�tkowo mo�e to by� bateria kondensatorów.

165

W celu unikni�cia niebezpiecznych przepi�� w takich układach trzeba bezwzgl�dnie wył�czy� baterie przy wył�czeniu pr�dnicy. Przy stosowaniu kondensatorów nale�y �ci�le przestrzega� przepisów BHP w celu unikni�cia niebezpiecznych pora�e�. W warunkach krajowych zakres stosowania pr�dnic asynchronicznych ogranicza si� do jednostek mniejszych mocy. Jako pr�dnice asynchroniczne mog� by� stosowane konwencjonalne, katalogowe, zwarte trójfazowe silniki asynchroniczne (indukcyjne).W takim wypadku moc znamionowa przy pracy pr�dnicowej maszyny indukcyjnej jest wi�ksza od mocy znamionowej przy pracy silnikowej o warto�� strat w systemie pracy silnikowej. O ile kierunki przepływu mocy czynnych

zale�� od systemu pracy maszyny indukcyjnej, to kierunki przepływu mocy biernych dla obu systemów nie ulegaj� zmianie. Moc bierna w obu systemach jest dostarczana z zewn�trz. Poniewa� konstrukcje typowych silników asynchronicznych gwarantuj� wytrzymało�� mechaniczn� ich wirników na podwy�szon� pr�dko�� obrotow� równ� jedynie 1,2 pr�dko�ci znamionowej, przed zainstalowaniem typowego silnika pracuj�cego jako pr�dnica asynchroniczna nale�y bezwzgl�dnie uzyska� od dostawcy gwarancj� na wytrzymało�� silnika przy zwi�kszonej (rozbiegowej) pr�dko�ci obrotowej w czasie minimum 2 min. 6.3. Pr�dnice synchroniczne (hydrogeneratory) Trójfazowe pr�dnice synchroniczne w MEW maj� budow� bardziej skomplikowan� ni� pr�dnice asynchroniczne. Wolnobie�ne pr�dnice synchroniczne nap�dzane turbinami wodnymi maj� wirniki z biegunami wydatnymi. Przy pr�dko�ciach pr�dnicy rz�du kilkudziesi�ciu obrotów na minut� liczba biegunów wynosi kilkadziesi�t. rednice pr�dnic dochodz� do kilku metrów, wirniki maj� długo�� około 1m. Maszyny takie najcz��ciej pracuj� z walcem pionowym. Moce znamionowe turbogeneratorów dochodz� do kilkuset MW. Uzwojenie wirnika jest zasilane pr�dem stałym i stanowi magne�nic� pr�dnicy. Stojan (twornik) ma uzwojenie trójfazowe, z którego wyprowadza si� energie elektryczn� do sieci. Uzwojenie wirnika (wzbudzenia) jest zasilane pr�dem stałym o napi�ciu nie przekraczaj�cym zwykle 220V. Do najcz��ciej stosowanych układów wzbudzenia w elektrowniach wodnych nale��: - układ wzbudzenia ze wzbudnic� pr�du stałego (i ewentualnie z podwzbudnic�) osadzon� na

wale pr�dnicy (stosowany w starszych elektrowniach) - statyczny tyrystorowy układ wzbudzenia - bezszczotkowy układ wzbudzenia (wzbudnica pr�du przemiennego z wiruj�cymi diodami

osadzonymi na wale pr�dnicy).

Rys.112. Charakterystyki ruchowe maszyny

asynchronicznej 1-moc elektryczna, 2-pr�d, 3-moment, 4-cosϕ, 5-moc mechaniczna

166

Rys.113. Schemat poł�cze� pr�dnicy synchronicznej przył�czonej do sieci sztywnej.

1- pier�cienie �lizgowe, 2- szczotki, 3- uzwojenie wzbudzaj�ce, 4-uzwojenie twornika 7. Regulatory turbin wodnych

Zadaniem regulatora turbiny wodnej jest utrzymywanie stałej pr�dko�ci obrotowej lub sterowanie otwarciem kierownicy w zale�no�ci od dopływu wody. W zwi�zku z tym regulatory mo�na podzieli� na dwie grupy. - do pierwszej zalicza si� regulatory pr�dko�ci obrotowej stosowane w przypadku pracy turbozespołu na wydzielon� sie� elektroenergetyczn�. - do grupy drugiej zalicza si� regulatory współpracuj�ce z lokaln� sieci� elektroenergetyczn� tzw. regulatory mocy. W tym przypadku nie wymaga si� regulacji pr�dko�ci obrotowej, regulator powinien natomiast tak sterowa� otwarciem kierownicy turbiny, aby poziom górnej wody nie zmieniał si�. Z uwagi na znaczne siły wyst�puj�ce przy zmianie otwarcia kierownicy, do nap�du u�ywa si� zwykle siłowników hydraulicznych lub rzadziej silników elektrycznych. Przy stosowaniu hydrauliki siłowej nale�y elektrowni� wyposa�y� w układ zasilania olejowego, zwany w skrócie UOC (układ olejowo – ci�nieniowy), dostarczaj�cy olej pod ci�nieniem. Przy zastosowaniu silnika elektrycznego stosuje si� baterie akumulatorów wraz z układem ich ładowania. 7.1. Regulatory obrotów.

Działanie regulatorów obrotów i

zjawiska wyst�puj�ce w procesach regulacyjnych najlepiej jest pozna� na prostych przykładach układów regulacyjnych. Najprostszy regulator obrotów mechaniczno – hydrauliczny przedstawiono na rys. 114. Turbina nap�dza wahadło od�rodkowe 1, którego tuleja – poprzez d�wigni� 2 – jest zwi�zana z suwakiem 3 rozdzielacza oleju. Układ przedstawiony na tym rysunku znajduje si� w poło�eniu równowagi tj. turbina 4 ma znamionowe obroty a jej moc jest równa mocy pr�dnicy. W przypadku np. wzrostu obci��enia, obroty turbiny zmniejszaj� si�, tuleja wahadła od�rodkowego przesunie si�

Rys.114. Regulator obrotów z du�ym statyzmem

regulacji: 1 - wahadło od�rodkowe, 2 - dzwignia, 3 - rozdzielacz oleju, 4 - turbina, 5 - siłownik kierownicy, 6 - zasuwa

F1 U1 L1

L2

L3

V1

W1

A

A

A

VF2 A

1

2

3 4

167

ku dołowi, a suwak rozdzielczy ku górze. Ci�nienie oleju zostanie doprowadzone do lewej strony cylindra siłownika kierownicy 5 (kierownic� przedstawiono jako zasuw� 6), a prawa strona cylindra zostanie poł�czona ze zlewem. Siłownik b�dzie otwierał dopływ wody dopóty suwak nie wróci na poprzednie miejsce w tzw. poło�enie neutralne. Nast�pi to wówczas, gdy turbina osi�gnie poprzedni� pr�dko�� obrotow�, bo tylko przy tych obrotach suwak znajduje si� w poło�eniu �rodkowym. W regulatorze tym zastosowano sprz��enie zwrotne w postaci układu mechanicznego, ł�cz�cego tłoczysko siłownika kierownicy z punktem podparcia głównej d�wigni regulatora. W tym rozwi�zaniu wyst�puj� znaczne zmiany pr�dko�ci obrotowej wraz ze zmian� obci��enia turbiny. Miar� tych zmian jest tzw. statyzm regulacji, który okre�la procentowy wzrost obrotów turbiny po jej całkowitym odci��eniu. Im wi�kszy jest statyzm regulacji, tym stabilniejsze s� obroty turbiny. Jednocze�nie jednak wyst�puj� tam wi�ksze ró�nice obrotów przy zmianie obci��enia.

Regulator pracuj�cy stabilnie, a równocze�nie maj�cy mały (zerowy) statyzm przedstawiono na rys.115. W regulatorze tym punkt obrotu 7 głównej d�wigni regulatora podparto spr��y�cie i zastosowano podatny dr��ek w układzie sprz��enia zwrotnego. Dr��ek ten stanowi tłok 8 i cylinder 9 wypełniony olejem, który przepływa� mo�e z jednej strony tłoka na drug� przez regulowany zawór dławi�cy 10. Urz�dzenie to jest nazywane izodromem. Przy zaworze otwartym tłok w cylindrze przesuwa si� swobodnie, punkt obrotu d�wigni zajmuje stałe poło�enie i regulator pracuje jak regulator podany na rys.114. Przy zaworze zamkni�tym tłok w cylindrze

nie przesuwa si�, dr��ek staje si� sztywny, spr��yna ugina si� i regulator pracuje jak regulator podany na rys.117. Je�eli zawór zostanie nieznacznie uchylony, układ regulacji działa jak układ o du�ym (chwilowym) statyzmie - a wi�c jest stabilny, powracaj�c do statyzmu zerowego, przy którym obroty turbiny s� stałe bez wzgl�du na obci��enie.

W celu skrócenia czasu stabilizowania si� obrotów turbozespołu stosuje si� zawory dławi�ce, których stopie� otwarcia jest proporcjonalny do odkształcenia spr��yny, mianowicie im wi�ksze odkształcenie spr��yny, tym zawór jest bardziej otwarty. Przy spr��ynie nie odkształconej zawór jest zamkni�ty. Tego typu regulatory nadaj� si� wył�cznie do sterowania turbozespołem pracuj�cym na sie� wydzielon�.

Regulator uniwersalny przedstawiono na rys.119. W regulatorze tym, przez zastosowanie przesuwanego punktu 11 zamocowania spr��yny izodromu, uzyskano trwały statyzm regulacyjny. Najcz��ciej warto�� tego statyzmu mo�na dowolnie ustala� w zakresie 0 – 10 %, np. przez zmian� długo�ci krótszego ramienia 12 d�wigni dwuramiennej. I tak np. gdy rami� to ma zerow� długo�� – statyzm jest zerowy. Zwykle statyzm ustawia si� na 5%.

W układ d�wigni trwałego statyzmu regulacji został wbudowany mechanizm �rubowy 13 który unosi d�wigni� w punkcie obrotu 14. Mechanizm ten słu�y do zmiany pr�dko�ci obrotowej turbiny (nastawnik obrotów). W przypadku pracy turbozespołu na lokaln� sie� elektroenergetyczn� ten sam mechanizm słu�y do ustawiania otwarcia kierownicy (nastawnik otwarcia). Nale�y zaznaczy�, �e w warunkach eksploatacyjnych turbozespół nie mo�e by� przeci��ony ponad moc znamionow�. W zwi�zku z tym wskazane jest zainstalowanie w układzie kierowniczym wył�czników kra�cowych do sygnalizacji przeci��enia lub wprost do automatycznego wył�czania odbiorników energii według wa�no�ci potrzeb. Je�eli dopływ wody jest mniejszy ni� obci��enie maszyny, to na wskutek braku wody nast�pi spadek obrotów. Nale�y wi�c zastosowa� sygnalizacj�

Rys.115. Regulator obrotów z izodromem. 7-punkt obrotu głównej d�wigni regulatora, 8-tłok, 9-cylinder, 10-zawór dławi�cy (izodrom)

168

zwi�zan� z poziomem górnej wody. Spadek tego poziomu jest sygnałem nadmiernego przeci��enia turbiny. Sygnalizacja ta powinna tak�e sterowa� wył�czaniem odpowiednich odbiorników energii elektrycznej. 7.2. Regulatory mocy

Regulator mocy znajduje

zastosowanie w przypadku współpracy turbozespołu z lokaln� sieci� elektroenergetyczn�. Poniewa� w tych warunkach obroty maszyny s� stałe, a �ci�lej zale�� od cz�stotliwo�ci sieci, nie wymaga si� wi�c ich regulowania. W zwi�zku z tym, zadaniem regulatora jest sterowanie obci��eniem maszyny w zale�no�ci od aktualnego dopływu wody. Miar� zgodno�ci dopływu z obci��eniem

turbozespołu mo�e by� poziom górnej wody, który w przypadku równowagi nie zmienia si�. Ze wzgl�du na pełniejsze wykorzystanie energii cieku d��y si� do utrzymywania wysokiego poziomu górnej wody, który mo�e by� sygnałem steruj�cym otwarcie kierownicy.

Rys.117. Regulator mocy z czujnikiem pływakowym. Regulator mocy turbiny jest nastawnikiem otwarcia kierownicy ze sprz��eniem zwrotnym o rozwi�zaniu podobnym do regulatora obrotów przedstawionego na rys. 117. W miejsce czujnika pr�dko�ci obrotowej jest zainstalowany siłownik, który – reaguj�c na zmian� poziomu górnej wody – przemieszcza proporcjonalnie koniec głównej d�wigni regulatora. Do pomiaru tego poziomu stosuje si� czujniki pływakowe lub pneumatyczne. Regulator z czujnikiem pływakowym przedstawiono na rys. 117. Na górnej wodzie zainstalowany jest pływak, który za pomoc� ci�gna oddziałuje bezpo�rednio na główn� d�wigni� regulatora. Ka�demu poło�eniu suwaka odpowiada okre�lone otwarcie kierownicy. Przyjmuje si�, �e przy maksymalnym poziomie wody kierownica jest całkowicie otwarta, za� przy poziomie najni�szym – całkowicie zamkni�ta. Układy te pracuj� bardzo stabilnie, s� jednak do�� kłopotliwe w eksploatacji z uwagi na pływak,

Rys.116. Regulator uniwersalny.

11 -punkt zamocowania spr��yny izodromu, 12 - d�wignia dwuramienna, 13 - mechanizm �rubowy, 14 - punkt obrotu d�wigni

169

który zwykle jest umieszczony w specjalnej studzience, na skutek zanieczyszcze� lub obmarzania mo�e działa� niesprawnie.

Rys.118. Regulator mocy z czujnikiem pneumatycznym i siłownikiem membranowym

Rys.119. Regulator mocy z czujnikiem pneumatycznym i siłownikiem dzwonowym Regulator z czujnikiem pneumatycznym przedstawiono na rys. 118 Czujnikiem poziomu górnej wody jest rurka zanurzona w wodzie, do której w sposób ci�gły doprowadzana jest ze specjalnej spr��arki powietrze. Ci�nienie powietrza zale�y od stopnia zanurzenia rurki, która si� zmienia wraz ze zmian� poziomu wody. Siłownikiem wykonawczym mo�e by� urz�dzenie membranowe (rys.118), lub urz�dzenie dzwonowe (rys.119). Rozwi�zanie pneumatyczne jest pewniejsze w działaniu, wymaga jednak dodatkowej instalacji spr��onego powietrza. 7.3. Elektrohydrauliczny regulator pr�dko�ci obrotowej turbiny lub jej mocy.

Najbardziej uniwersalnymi regulatorami turbozespołów elektrowni wodnych s� regulatory elektrohydrauliczne. Współpracuj�c z odpowiednimi miernikami, mog� spełnia� funkcj�:

170

- regulacji pr�dko�ci obrotowej turbozespołu (utrzymywanie zadanej pr�dko�ci obrotowej turbozespołu, czyli cz�stotliwo�ci wytwarzanego pr�du), przy zmiennym obci��eniu sieci wydzielonej, na któr� pracuje turbozespół

- regulacji mocy turbozespołu oddawanej do sieci elektroenergetycznej, odpowiednio do przepływu w rzece w celu zachowania stałego poziomu górnej wody

- pracy turbozespołu na sie� elektroenergetyczn� z ��dan� moc� - pracy turbozespołu na sie� elektroenergetyczn� z zadanym przełykiem (np. wymaganym ze

wzgl�dów biologicznych w rzece poni�ej elektrowni), przy zmieniaj�cym si� spadzie - Regulatory elektrohydrauliczne umo�liwiaj� : - jednoimpulsowe, programowe uruchomienie turbozespołu (automatycznie) - uruchomienie wieloimpulsowe (r�czne) - uruchomienie awaryjne (r�czne) przy braku zasilania elektrycznego - jednoimpulsowe, programowe zatrzymanie turbozespołu (automatyczne) - zatrzymanie wieloimpulsowe (r�czne) - zatrzymanie awaryjne (r�czne) - ograniczenie maksymalnego otwarcia aparatu kierowniczego turbiny

Uruchomienie i zatrzymanie r�czne mo�e nast�pi� w miejscu zainstalowania regulatora i z pulpitu sterowniczego w nastawni, automatyczne za� z pulpitu sterowniczego z nastawni i zdalnie z innego miejsca. Na Rys.120. pokazano schemat funkcjonalny regulacji turbiny typu Kaplana oraz innych urz�dze� współpracuj�cych z turbozespołem. Ka�da MEW powinna by� bezwzgl�dnie zautomatyzowana w zakresie niezb�dnym technicznie, (jest to jednocze�nie minimalny dopuszczalny zakres automatyzacji). Wymagaj� tego wzgl�dy bezpiecze�stwa pracy MEW oraz warunki eksploatacji narzucone tym elektrowniom. Dla MEW bezobsługowych, z nadzorem okresowym, minimalny dopuszczalny zakres automatyzacji jest jednocze�nie zakresem maksymalnym (maksymalnie mo�liwym). Natomiast dla MEW z obsług� stał� lub z dy�urem dowolnym, współpracuj�cych z lokaln� sieci� elektryczn�, niezb�dny technicznie minimalny zakres automatyzacji sprowadza si� wył�cznie do automatyzacji procesów zatrzymania (odstawienia) turbozespołu w przypadku zadziałania zabezpiecze�. W elektrowniach tych mo�na oczywi�cie zastosowa� tak�e i szerszy zakres automatyzacji (nawet w zakres maksymalny). O wyborze zakresu automatyzacji MEW szerszego ni� niezb�dny technicznie decyduje ju� wył�cznie jej wła�ciciel. Mo�e on w tym celu posługiwa� si� ró�nymi kryteriami, jak np. kryterium wody lub kryterium opłacalno�ci ekonomicznej. W tym ostatnim przypadku ka�de zwi�kszenie zakresu automatyzacji ponad minimalny b�dzie uzasadnione tylko w tedy, gdy spowoduje ono zwi�kszenie zysku przynoszonego przez MEW. Nale�y tutaj zwróci� uwag� na fakt, i� wybór automatycznie uzasadnionego zakresu automatyzacji MEW wi��e si� �ci�le z wyborem jej urz�dze� podstawowych (turbina pr�dnica), dlatego dla nowo budowanych MEW, wybór zakresu automatyzacji powinien by� poł�czony z wyborem urz�dze� podstawowych. Wraz z wyborem automatyzacji nale�y wybra� rozwi�zanie techniczne układów automatyki. Stosowane mog� by� trzy podstawowe rodzaje rozwi�za� technicznych automatyzacji MEW: - układy przeka�nikowe - układy bezstykowe - układy mikroprocesorowe. Najprostsze i najta�sze s� układy przeka�nikowe. Wad� tych układów jest do�� znaczna ich zawodno��, spowodowana głównie zabrudzeniami, korozj� i odkształceniami styków.

171

Rys.120. Schemat hydromechaniczny turbozespołu,

I - turbina Kaplana, II - serwomotor aparatu kierownicy, III - serwomotor nastawiania łopat wirnika, IV - stacja zasilania hydraulicznego, V - pr�dnica synchroniczna, VI - pompy wody chłodz�cej ło�ysko pr�dnicy, VII - urz�dzenia spr��arkowe, VIII - stanowisko hamowania i podnoszenia zespołu wiruj�cego, IX - przeno�ny olejowy agregat pompowy, X – układ smarowania ło�yska turbiny

8. Sposoby przekazywania nap�du z turbiny na pr�dnice 8.1. Bezpo�rednie sprz�gni�cie wału z pr�dnic� Szeroko stosowanym sposobem przekazywania nap�du z turbin wodnych na pr�dnice jest bezpo�rednie poł�czenie wału turbiny z wałem pr�dnicy. Rozwi�zane jest to najcz��ciej w ten sposób, �e ko�cówki wałów turbiny i pr�dnicy maj� odkute lub przyspawane kołnierze z zamkiem centruj�cym, które skr�cane s� �rubami prasowymi. W turbozespołach mniejszej mocy mo�e by� zastosowane typowe sprz�gło sztywne wykonane wg PN – 66/M-85251. Rozwi�zanie pokazano na rys.121.

172

8.2. Przekazywanie nap�du przez przekładnie Przekazywanie nap�du z turbiny niskoobrotowej na pr�dnic� przez bezpo�rednie sprz�gni�cie wałów mo�e by� niemo�liwe technicznie lub niekorzystne ekonomicznie, z uwagi na gabaryty, mas� i koszt pr�dnicy niskoobrotowej.

W celu umo�liwienia zastosowania pr�dnicy o wy�szych obrotach, wały turbiny i pr�dnicy ł�czy si� przez przekładnie zwi�kszaj�ce obroty. Stosowane s� wtedy pr�dnice o obrotach 500, 600 i 750 obr/min.

W turbozespołach wodnych stosowane s� przekładnie : - z�bate — w całym zakresie mocy turbozespołów małych

elektrowni, tj. 5MW; - pasowe z pasami płaskimi — do ok. 1,5 MW przenoszonej

mocy z nowoczesnymi pasami o du�ej wytrzymało�ci ;

- pasowe klinowe — do ok.. 0.5MW przenoszonej mocy.

8.3. Przekładnie z�bate

Zastosowanie przekładni z�batej do przeniesienia nap�du z turbiny na pr�dnice umo�liwia rozwi�zanie zwartej konstrukcji cało�ci turbozespołu w ró�nych układach. Pokazano je na rys.122

Przekładnie z�bate w turbozespołach wodnych mog� stanowi� konstrukcj� wspóln� z turbin� lub oddzielne urz�dzenie poł�czone z turbin� i pr�dnic� za pomoc� sprz�gieł, z których przynajmniej jedno powinno by� podatne.

Rozwi�zanie pierwsze pozwala na optymalizacj� gabarytów turbozespołu. Rozwi�zanie drugie umo�liwia zastosowanie przekładni typowych, produkowanych przez zakłady wyspecjalizowane.

Przy doborze przekładni do turbozespołu wodnego nale�y uwzgl�dni� wszystkie trzy czynniki decyduj�ce o jej trwało�ci: - wytrzymało�� z�bów z uwagi na

przenoszony moment; - �cieranie si� z�bów z uwagi na naciski

mi�dzyz�bne i pr�dko�ci obrotowe kół; - nagrzewanie si� przekładni wskutek tarcia

pomi�dzy z�bami w ło�yskach. Przekładnie typowe nale�y dobiera� wg

zalece� producenta, natomiast konstrukcja przekładni wraz z turbin� wymaga odpowiedniej wiedzy konstruktora. Istotne znaczenie dla trwało�ci i cichobie�no�ci przekładni z�batej ma jako�� jej wykonania.

Rys.121. Sprz�gło sztywne

Rys.122. Przekazanie nap�du z turbiny na

pr�dnic� za pomoc� przekładni z�batej walcowej: poziomej, pionowej, 1 - turbina rurowa, 2 - przekładnia, 3 - pr�dnica, 4 – sprz�gło

173

8.4. Przekładnie pasowe

Przekładnie pasowe przenosz� moc dzi�ki sile tarcia mi�dzy wie�cami kół i współpracuj�cym z nim pasem. Mog� one by� rozwi�zane przez bezpo�rednie osadzenie kół pasowych na wałach turbiny i pr�dnicy lub przez zastosowanie dodatkowego uło�yskowania kół pasowych. Wówczas wały kół pasowych s� ł�czone z wałami turbiny i pr�dnicy za pomoc� sprz�gieł sztywnych.

Pasy p�dniane mog� by� płaskie lub klinowe. Koła do pasów płaskich s� walcowe lub lekko wypukłe, a do pasów klinowych – rowkowe.

Zalety przekładni pasowych : cichobie�no�� i wysoka sprawno�� — płaskich ok. 99 % i powy�ej; klinowych ok. 98 % i wy�sza.

Wady: konieczno�� uzyskania wi�kszej ilo�ci miejsca w maszynowni ni� dla przekładni z�batej oraz konieczno�� stosowania regulacji odległo�ci osi kół pasowych lub stosowania specjalnego napinacza. Przykładowe rozwi�zania przekładni pasowych pokazano na rys. 123, 124, 125.

Rys.123. Przekazanie nap�du z turbiny na pr�dnic� za pomoc� przekładni z pasami klinowymi w

układzie pionowym wałów turbiny i pr�dnicy, 1 - turbiny rurowa, 2 - przekładnia, 3 - pr�dnica, 4 – ło�yska

Rys.124. Przekazanie nap�du z turbiny na pr�dnic� za pomoc� przekładni z pasami klinowymi w

układzie poziomym wałów turbiny i pr�dnicy, 1 - wał turbiny, 2 - przekładnia. 3 – pr�dnica

1

2

3

174

Rys.125. Przekazanie nap�du z turbiny na pr�dnic� za pomoc� przekładni z pasem płaskim z

pionowego wału turbiny na poziomy wał pr�dnicy. 1 - wał turbiny, 2 - przekładnia, 3 – pr�dnica, 4 - ło�yska

9. Pomocnicze wyposa�enie mechaniczne 9.1. Kraty na uj�ciach wody i czyszczenie

Wloty uj�� wody do komór wodnych turbin lub uj�� do derywacji doprowadzaj�cej do nich wod� s� przesłaniane kratami. Ma to na celu zapobieganie przedostawaniu si� do turbin wi�kszych zanieczyszcze� napływaj�cych z wod�, a które mogłyby uszkodzi� turbin� lub obni�y� jej parametry pracy. Kraty s� wykonywane z płaskowników stalowych ł�czonych w pola monta�owe za pomoc� �rub lub przez spawanie. Pola krat s� wspierane na dolnym progu a mocowane do górnego. Długie kraty mog� by� dodatkowo podpierane belkami poziomymi, usytuowanymi pomi�dzy górnym i dolnym progiem odpowiednio do obci��enia.

Kraty w MEW s� ustawione pochyło, pod k�tem 5˚ - 20˚ do pionu, w celu zwi�kszenia powierzchni przepływu w ich przekroju. Pr�dko�� przepływu wody w przekroju netto krat, przy maksymalnym przełyku turbin nie powinna przekracza� 1 m/s z uwagi na straty spadu. Obliczenia wytrzymało�ciowe i konstrukcja krat winny by� dokonane zgodnie z zaleceniem PN-80/B-03203. Gromadz�ce si� na kratach zanieczyszczenia (napływa ich du�o, zwłaszcza w elektrowniach przepływowych) musz� by� usuwane mechanicznie lub ewentualnie r�cznie z małych krat (o wymiarach maks. 4x2 m.). Do mechanicznego usuwania zanieczyszcze� stosowane s� czyszczarki, które mo�na podzieli� na stacjonarne i przejezdne. Te pierwsze s� stosowane do 1 – 2 wlotów o szeroko�ci ok. 6,0 m. ka�dy, a przejezdne do wi�kszej liczby wlotów. Konstruktorem stacjonarnej czyszczarki jest Powogaz w Pniewicach k. Poznania, a przejezdnej Energoprojekt Warszawa. 9.2. Zamkni�cie dopływu wody do turbin

Na wlotach do komór wodnych turbin, które nie pracuj� w układach lewarowych lub na uj�ciach do derywacji doprowadzaj�cych do nich wod�, s� instalowane zamkni�cia – niezb�dne ze wzgl�dów ruchowych, bezpiecze�stwa i remontowych. Ze wzgl�dów ruchowych s� potrzebne zamkni�cia na dopływie wody do turbin o konstrukcji uproszczonej, z pojedyncz� regulacj� przepływu wody, tj. turbiny rurowe ze stałymi łopatkami kierownicy oraz typu Reiffenstein’a. Zamkni�cia te musz� by� zamykane i otwierane przy uruchamianiu i zatrzymywaniu takich turbin. Ze wzgl�dów bezpiecze�stwa niezb�dne s� zamkni�cia na dopływie wody do turbin, których obroty rozbiegowe osi�gaj� warto�ci ponad dwukrotnie wy�sze od obrotów znamionowych, a których regulacja przełyku nie zabezpiecza przynajmniej dwóch niezale�nych sposobów powstrzymania przez nie przepływu wody w przypadku awaryjnego odci��enia pr�dnicy.

175

Ze wzgl�dów remontowych konieczne jest odci�cie dopływu wody do turbin zarówno od strony wlotowej, jaki wylotowej (rury ssawnej). Funkcje zamkni�� ruchowych i bezpiecze�stwa (awaryjnych) najlepiej spełniaj� zamkni�cia: – tablicowe – zawieszone na podno�nikach hydraulicznych przed wlotami do prostok�tnych lub spiralnych komór turbinowych oraz na uj�ciach do derywacji – motylowe – otwierane podno�nikiem hydraulicznym, a zamykane ci��arem; instalowane na ruroci�gach derywacyjnych przed wlotami do blaszanych spiral turbin lub do turbin rurowych z pojedyncz� regulacj�. W wi�kszo�ci MEW zamkni�cia te mog� równie� spełnia� funkcj� zamkni�� remontowych. Jednak�e przy du�ych zasuwach tablicowych i gł�bokim uj�ciu, ich szczelno�� jest niewystarczaj�ca. Przed takimi zamkni�ciami oraz na wlotach do komór wodnych turbin, które nie wymagaj� zamkni�� ruchowych czy awaryjnych, a tak�e na wylotach z rur ssanych, stosowane s� zamkni�cia w formie zastawek. Zasuwy tablicowe i zastawki s� najcz��ciej stalowe, konstrukcji spawanej z blach i profili walcowych, a uszczelnienia maj� gumowe. W celu pewnego opadania zasuwy s� wyposa�one w koła i poruszaj� si� w prowadnicach stalowych po szynach, zastawki natomiast po �lizgach. Do podnoszenia zasuw i otwierania zamkni�� motylowych s� najcz��ciej stosowane podno�niki hydrauliczne (serwomotory) z uwagi na ich funkcjonalno�� oraz prost� i zwart� konstrukcje. Pewnym ich mankamentem mog� by� przecieki oleju nap�dowego, które mog� przedostawa� si� do wody. Wła�ciwe rozwi�zanie uszczelnienia tłoczyska przy wyj�ciu z cylindra minimalizuje ten mankament. Inne nap�dy, np. linowe wci�garki lub mechanizmy �rubowe z nap�dami elektrycznymi s� bardziej skomplikowane i mniej pewne ruchowo. Zastawki stalowe s� najcz��ciej zakładane i wyjmowane za pomoc� wci�gników elektrycznych, które w przypadku obsługi kilku wlotów s� instalowane przejezdnie na belkach dwuteownikowych. Jako zamkni�cia remontowe najmniejszych wlotów i wylotów mog� by� zamkni�cia szandorowe (belki) drewniane zakładane r�cznie (ich rozpi�to�� maks. 2,0 m.). Zamkni�cia tablicowe i zastawki stalowe s� konstruowane indywidualnie dla poszczególnych elektrowni, np. przez Energoprojekt Warszawa, a wykonywane przez Zakłady Remontowe Energetyki . Podno�niki hydrauliczne o skoku 2,2 m. i wystarczaj�co du�ych ud�wigach dla MEW produkuje Hydroster w Słupsku, a zamkni�cia motylowe – Chemar w Kielcach.

10. Wyposa�anie budynków elektrowni w d�wignice

W elektrowniach wodnych do monta�u i demonta�u urz�dze�, b�d� do ich obsługi eksploatacyjnej, s� stosowane suwnice pomostowe lub podwieszone do stropu oraz wci�garki z nap�dami elektrycznymi lub w bardzo małych elektrowniach – z nap�dami r�cznymi.

Suwnice s� stosowane w halach turbozespołów lub generatorów przy dwupoziomowym posadowieniu turbozespołu. Suwnice nale�y dobiera� o ud�wigu na maksymalny ci��ar monta�owy, o rozpi�to�ci, wysoko�ci podnoszenia i poło�enia haka odpowiednio do gabarytów maksymalnego elementu monta�owego i rozmieszczenia urz�dze� w budynku.

Wci�gniki s� stosowane najcz��ciej do zakładania i wyjmowania zastawek remontowych na wlotach i wylotach z komór wodnych turbin. Ud�wig takiego podno�nika nale�y dobiera� do maksymalnego ci��aru zastawki z uwzgl�dnieniem min. 25 % zapasu na tarcie w prowadnicach. W przypadku obsługi przez wci�gnik wi�cej ni� jednego wlotu lub wylotu nale�y zawiesza� wci�gnik przejezdny na belkach z odpowiedniego dwuteownika.

Urz�dzenia d�wigowe w MEW s� produkowane w kraju w wystarczaj�cym zakresie przez kilku producentów, np. FUD w Mi�sku Mazowieckim czy FAMAK w Kluczborku. Przy instalowaniu i eksploatacji urz�dze� d�wigowych nale�y przestrzega� przepisów Urz�du Dozoru Technicznego.

176

11. Systemy pracy MEW Układy główne (schematy strukturalne) dla MEW zale�� od wielu czynników, przede wszystkim od: - systemu pracy elektrowni, - wielko�ci mocy pr�dnic i całej elektrowni, - rodzaju pr�dnic, - dost�pnej aparatury i urz�dze�, Pod poj�ciem systemu pracy elektrowni nale�y rozumie�:

a) współprac� wył�cznie z sieci� wydzielon�, tj. samotn� prac� elektrowni na wydzielone odbiory zewn�trzne i potrzeby własne elektrowni;

b) współprac� wył�cznie z rozdzielcz� sieci� elektroenergetyczn�; c) mo�liwo�� pracy mieszanej .

Wzgl�dy konstrukcyjne pr�dnic nie ograniczaj� ich mocy na napi�cie ok. 1,4 kV nawet do 2MW, natomiast moc ta jest ograniczona przez urz�dzenia rozdzielcze (rozdzielnice i aparatur� ł�czeniow�) oraz linie przesyłowe 1,4 kV (ze wzgl�du na dopuszczalne spadki napi�cia). Pr�dnice o napi�ciu 0,4 kV zainstalowane w elektrowniach i pracuj�ce na szyny rozdzielnicy 0,4 kV maj� moc 800 kW (ok. 1000kVA) – ze wzgl�du na dopuszczalne warunki wytrzymało�ci zwarciowej typowych rozdzielnic niskiego napi�cia produkowanych w kraju których moc wynosi 1280 kW (1600 kVA).W przypadku gdy pr�dnica b�dzie pracowa� w bloku z transformatorem bez stosowania rozdzielnicy na napi�ciu pr�dnicowym, moc ta jest determinowana najwi�ksz� moc� typowego transformatora o dolnym napi�ciu 0,4 V, wynosz�c� 1600 kVA. Ze wzgl�du na szeroki zakres mocy MEW od 5 kW do 5 MW istnieje wiele schematów strukturalnego typu elektrowni. (przykład rys.126)

Rys.126. Schemat układu zasilania MEW OLCZA

177

12. Zabezpieczenia urz�dze elektroenergetycznych

12.1. Zabezpieczenia bloków w pr�dnicach synchroniczno – transformatorowych o mocy do 5000 kVA

Do tej grupy zabezpiecze� nale�� :

a) zabezpieczenie do przet��e� wywołanych zwarciami zewn�trznymi – wykonane jako zabezpieczenie nadmiarowo-pr�dowe zwłoczne z blokad� napi�ciow� (z rozruchem pod napi�ciowym) a gdy układ wzbudzenia pr�dnicy nie zapewnia niezb�dnego pobudzenia pr�dowego (np. przy zasilaniu wzbudzenia statycznego z odczepu pr�dnicy) i przewiduje si� prac� na sie� wydzielon� zaleca si� zabezpieczenie nadmiarowo pr�dowe (z rozruchem pr�dowym) trójfazowym podtrzymywaniem podnapi�ciowym, przył�czone do rzekładników pr�dowych od strony punktu zerowego pr�dnicy

b) zabezpieczenie od podwy�szenia (nadmiernego wzrostu) napi�cia w uzwojeniu stojana – nadnapi�ciowe zwłoczne, przył�czone do napi�cia mi�dzyprzewodowego.

c) zabezpieczenie od przet��e� wywołanych przeci��eniami ruchowymi – nadmiarowo-pr�dowe zwłoczne

d) zabezpieczenie od zwar� mi�dzyfazowych w bloku pr�dnica-transformator, obejmuj�ce ewentualnie odczep od zasilania potrzeb własnych i szyny lub kable bloku – stosowane gdy napi�cie pr�dnicy jest wy�sze od 1000 V lub gdy moc transformatora jest wi�ksza od 315 kVA – ró�nicowo-pr�dowe wzdłu�ne bezzwłoczne

e) urz�dzenie odwzbudzaj�ce dla pr�dnic na napi�cie powy�ej 1000 V. f) urz�dzenie do kontroli izolacji lub sygnalizacja pierwszego zwarcia doziemnego

w obwodzie wzbudzenia g) zabezpieczenie od skutków utraty synchronizmu przy współpracy z sieci�

elektroenergetyczn� h) zabezpieczenie gazowo-przepływowe II-stopniowe dla transformatorów o mocy powy�ej

1000 kVA i) termiczne ze wska�nikiem temperatury maksymalnej dla transformatorów o mocy powy�ej

200 kVA Zabezpieczenia omówione w punktach a), b), d), g), h) pobudzaj� układ wył�czenia

turbozespołu z ruchu oraz sygnalizacji awaryjnej, a omówione w punktach c), h) i f) pobudzaj� układ sygnalizacji ostrzegawczej, o ile wzgl�dy konstrukcyjne (wytrzymało�� ło�yska promieniowego) nie stawiaj� wymagania zastosowania zabezpieczenia przed skutkami pierwszego zwarcia doziemnego obwodu wzbudzenia, powoduj�cego wył�czenie i odwzbudzenie pr�dnicy. W przypadku pr�dnic na napi�cie powy�ej 1000 V, zabezpieczenia omówione w punktach a), b), d), h) pobudzaj� tak�e układ odwzbudzenia pr�dnicy – urz�dzenie podane w punkcie e). 12.2. Zabezpieczenia pr�dnic asynchronicznych o mocy do 250 kVA

i napi�ciu do 1000V, zasilaj�cych bezpo�rednio szyny zbiorcze Do tej grupy zabezpiecze� nale��:

a) zabezpieczenie od przet��e� wywołanych zwarciami w uzwojeniach pr�dnicy i w doprowadzeniach, realizowane przy u�yciu aparatury dla pr�dnic o mocy mniejszej ni� 100 kVA

b) zabezpieczenie od zaniku napi�cia sieci – podnapi�ciowe bezzwłoczne, dwa przeka�niki przył�czone do dwóch ró�nych napi�� mi�dzyprzewodowych.

c) zabezpieczenie od asymetrii obci��e� reaguj�ce na składow� przeciwn� pr�du (w uzasadnionych przypadkach)

178

d) zabezpieczenie od przet��e� w uzwojeniu stojana, wywołanych przeci��eniami ruchowymi, wykonane jako wyzwalacze termo-bimetalowe zainstalowane w wył�czniku lub styczniku, albo zabezpieczenie nadmiarowo-pr�dowe zwłoczne, współpracuj�ce z wył�cznikiem, gdy wymagaj� warunki pr�dowe (normalne lub zwarciowe)

Zabezpieczenia omówione w punktach a), b), c) pobudzaj� układ wył�czenia turbozespołu z ruchu oraz układ sygnalizacji awaryjnej, a omówione w punkcie d) pobudzaj� układ sygnalizacji ostrzegawczej. 12.3. Zabezpieczenia bloków pr�dnica asynchroniczna – transformator

o mocy do 250kVA Do tej grupy zabezpiecze� nale��:

a) zabezpieczenia od przet��e� wywołanych zwarciami zewn�trznymi – nadmiarowo-pr�dowe zwłoczne, zainstalowane po stronie górnego napi�cia transformatora blokowego.

b) zabezpieczenie od zwar� mi�dzyfazowych w uzwojeniach pr�dnicy, transformatora i doprowadzeniach – zabezpieczenie nadmiarowo-pr�dowe bezzwłoczne , zainstalowane po stronie górnego napi�cia transformatora blokowego

c) zabezpieczenie od zaniku napi�cia w sieci – podnapi�ciowe bezzwłoczne, dwa przeka�niki podł�czone do dwóch ró�nych napi�� mi�dzyprzewodowych .

d) zabezpieczenie od asymetrii obci��e� reaguj�ce na składow� przeciwn� pr�du (w uzasadnionych przypadkach)

e) zabezpieczenie od przet��e� w uzwojeniu stojana wywołanych przeci��eniami ruchowymi – nadmiarowo-pr�dowe zwłoczne

f) termiczne ze wska�nikiem temperatury maksymalnej dla transformatorów o mocy od 200 kVA

Zabezpieczenia omówione w punktach a), b), c), d) pobudzaj� układ wył�czenia turbozespołu z ruchu oraz układ sygnalizacji awaryjnej, a omówione w punkcie f) pobudzaj� układ sygnalizacji ostrzegawczej. 12.4. Zabezpieczenia turbozespołów

Turbozespoły wodne nale�y wyposa�y� w komplet zabezpiecze� mechanicznych zgodnie z wymaganiami dostawcy turbiny, układów regulacji i zabezpiecze� pr�dnicy. Do podstawowych zabezpiecze� mechanicznych turbozespołu nale��:

a) zabezpieczenie od skutków nadmiernego wzrostu pr�dko�ci obrotowej turbozespołu – powinno by� instalowane dla ka�dego turbozespołu. Zwykle jest ono realizowane w postaci pr�dnicy tachometrycznej lub układu czujnik (indukcyjny) – koło z�bate, pozwalaj�cych na pobudzenie układu kontroli nadmiernego wzrostu pr�dko�ci obrotowej. W wi�kszych jednostkach s� instalowane wył�czniki od�rodkowe działaj�ce przy nadmiernym wzro�cie pr�dko�ci obrotowej na układy elektryczne i hydrauliczne

Zabezpieczenie powinno działa� na zamkni�cie dopływu wody do turbiny, wył�czenie pr�dnicy, a przy pr�dnicach synchronicznych wyposa�onych w układy odwzbudzenia – tak�e na odwzbudzenie pr�dnicy.

b) zabezpieczenie termiczne ło�ysk turbozespołu – jest stosowane wówczas, gdy wymaga tego wytwórca turbozespołu. Zwykle s� tu stosowane regulatory temperatury współpracuj�ce z rezystorami termo-metrycznymi lub stykowe termometry kapilarne. Je�eli zabezpieczenie jest dwustopniowe, to pierwszy stopie� powinien działa� na sygnalizacj�, drugi na wył�czenie maszyny

c) zabezpieczenie od awaryjnego obni�enia ci�nienia w układzie regulacji turbiny. Wysoko�� ci�nienia jest kontrolowana za pomoc� przeka�nika ci�nienia lub manometru stykowego. Zabezpieczenie powinno działa� na awaryjne zatrzymanie turbozespołu.

179

d) zabezpieczenie od minimalnego poziomu oleju w zbiorniku zlewnym oleju regulacyjnego. Do kontroli poziomu oleju słu�y przeka�nik poziomu. Zabezpieczenie powinno działa� na sygnalizacj� ostrzegawcz�

e) zabezpieczenie od zaniku wody chłodz�cej turbozespołu lub wody smaruj�cej ło�ysko turbiny. Przepływ wody jest kontrolowany przeka�nikami przepływu działaj�cymi na sygnał lub zatrzymanie turbozespołu

f) zabezpieczenie od zanieczyszczenia krat na wlocie wody do turbin. Najcz��ciej jest ono wykonywane z zastosowaniem rezystancyjnego układu mostkowego porównuj�cego poziom wody przed krat� i za krat�. Zabezpieczenie powinno działa� na sygnalizacj� ostrzegawcz� Podane przykładowo przy omówieniu poszczególnych zabezpiecze� sposoby ich działania

nale�y korygowa� w zale�no�ci od organizacji obsługi MEW. Zabezpieczenia urz�dze� elektroenergetycznych MEW powinny odpowiada� warunkom technicznym okre�lonym przez obowi�zuj�ce przepisy budowy urz�dze� elektroenergetycznych. 12.5. Ochrona przeciwpora�eniowa

Ochrona przeciwpora�eniowa w urz�dzeniach elektroenergetycznych o napi�ciach do 1 kV. Obowi�zuj�ce przepisy PBUE o ochronie przeciwpo�arowej w urz�dzeniach o napi�ciu do 1 kV przewiduj� nast�puj�ce rodzaje ochrony:

1) ochron� przez zastosowanie napi�� bezpiecznych 2) ochron� przed dotykiem bezpo�rednim cz��ci czynnych obwodu elektrycznego (ochrona

podstawowa) 3) ochron� przed dotykiem po�rednim cz��ci przewodz�cych dost�pnych, na których

w wyniku uszkodzenia izolacji pojawiło si� napi�cie dotykowe o warto�ci mog�cej spowodowa� w danych warunkach �rodowiskowych przepływ pr�du ra�eniowego (ochrona dodatkowa) W urz�dzeniach elektroenergetycznych o napi�ciu nie wy�szym ni� 1000V ochron�

przeciwpora�eniow� zapewnia si� poprzez równoczesne zastosowanie ochrony przed dotykiem bezpo�rednim i przed dotykiem po�rednim (ochrona przez zastosowanie bardzo niskiego napi�cia SELV i PELV) lub ochrony przeciw pora�eniowej podstawowej z co najmniej jednym ze �rodków dodatkowej ochrony przeciwpora�eniowej.

Ad1. Do bezpiecznych �ródeł zasilania mo�na zaliczy�:

- transformator bezpiecze�stwa (transformatory ochronne) - przetwornice bezpiecze�stwa - baterie akumulatorów - urz�dzenia elektroniczne

Ad2. Do �rodków ochrony podstawowej zalicza si�: - izolacj� robocz� metalowych cz��ci obwodu urz�dze� elektrycznych - osłony gołych cz��ci znajduj�cych si� pod napi�ciem(np. zaciski maszyn elektrycznych ) - umieszczanie gołych cz��ci b�d�cych pod napi�ciem w trudno dost�pnych miejscach - zabezpieczanie przewodów ruchomych przed uszkodzeniami mechanicznymi - stosowanie komór łukowych w aparatach elektrycznych - osłony gołych przewodów wykonane z siatki lub płyt izolacyjnych - wła�ciwe odst�py izolacyjne gołych szyn rozdzielni od jej metalowej obudowy - por�cze lub przegrody wykonane z materiałów nieprzewodz�cych utrudniaj�cych

niezamierzone dotkni�cie gołych szyn lub zacisków w pomieszczeniu ruchu elektrycznego Ad3. Do dodatkowych �rodków ochrony przeciw pora�eniowej nale��:

- zerowanie - uziemianie - sie� ochronna

180

- wył�czniki przeciwpora�eniowe - separacja odbiorników - izolacja stanowiska - izolacja ochronna

Zastosowanie wła�ciwej ochrony przeciwpora�eniowej zale�y: - od najwi�kszej warto�ci skutecznej napi�cia roboczego wzgl�dem ziemi w przypadku sieci

z uziemionym punktem zerowym, - od najwi�kszej warto�ci skutecznej napi�cia mi�dzyprzewodowego w przypadku sieci bez

uziemionego punktu zerowego, - od okoliczno�ci wpływaj�cych na zwi�kszenie niebezpiecze�stwa pora�enia, - od rodzaju odbiorników.

Rodzaj stosowanego �rodka ochrony dodatkowej nale�y uzgodni� z wła�ciwym zakładem energetycznym. W urz�dzeniach elektroenergetycznych o napi�ciu 0,4 kV zaleca si� zerowanie, za� dla urz�dze� pr�du stałego 110 lub 220 V – uziemienie. Ochronie podlegaj� dost�pne metalowe cz��ci sprz�tu elektrycznego nie przeznaczone do pracy pod napi�ciem , metalowe konstrukcje wsporcze i metalowe osłony stykaj�ce si� ze sprz�tem elektrycznym itp.

Zerowanie jest stosowane w urz�dzeniach pr�du przemiennego o napi�ciu znamionowym nie przekraczaj�cym 500V. Wszystkie cz��ci przewodz�ce s� przył�czone do przewodu ochronnego PE lub przewodu ochronno-neutralnego PEN. Przewód zerowy nie mo�e mie� �adnych przerw na całej swojej długo�ci.

Uziemienie ochronne – polega na poł�czeniu dost�pnych cz��ci metalowych urz�dze� elektrycznych z uziomem. W małych elektrowniach wodnych z pr�dnicami synchronicznymi o napi�ciu znamionowym 0,4 kV , zasilaj�cych sie� czteroprzewodow� z systemem zerowania jako ochrony od pora�e�, nale�y zastosowa� odpowiednie �rodki ochronne (np. izolowanie stanowiska) przed pojawieniem si� niebezpiecznego napi�cia dotykowego na przewodzie zerowym i obudowie maszyny podczas awaryjnego wył�czenia pr�dnicy i gaszenia pola magnetycznego. Ochrona przeciwpora�eniowa w urz�dzeniach elektroenergetycznych o napi�ciu wi�kszym ni� 1 kV.

Uziemieniu ochronnemu (zgodnie z PBUE, zeszyt 7) podlegaj� metalowe cz��ci urz�dze�, które mog� si� znale�� pod napi�ciem wskutek zwarcia doziemnego, uszkodzenia izolacji lub oddziaływania pola elektrycznego i magnetycznego.

Z uziemieniem ochronnym nie nale�y ł�czy� szyn kolejowych na terenach ogrodzonych stacji elektroenergetycznych oraz metalowych zewn�trznych drzwi nie ogrodzonych stacji wn�trzowych. Uziemienie ochronne nale�y wykona� bezpo�rednio (bez zastosowania przerw iskrowych) za pomoc� płaskownika stalowego, ocynkowanego, poł�czonego z uziomem sztucznym i uziomami naturalnymi.

Przepisy o ochronie przeciwpora�eniowej w urz�dzeniach o napi�ciu ponad 1 kV okre�laj� najwy�sze dopuszczalne warto�ci napi�cia ra�eniowego dotykowego i krokowego.

W stacjach 15 (20) kV przy MEW zaleca si� ł�czenie uziemie� ochronnych urz�dze� powy�ej 1 kV z uziemieniami ochronnymi urz�dze� poni�ej 1 kV oraz uziemieniami urz�dze� ochrony odgromowej i przepi�ciowej, pod warunkiem ograniczenia napi�� ra�eniowych dotykowych i krokowych do warto�ci dopuszczalnych na całym terenie, na którym znajduj� si� urz�dzenia sieci o napi�ciu do 1 kV. Praktyka wskazuje, �e samo wyposa�enie instalacji i urz�dze� elektrycznych w �rodki ochrony przeciwpora�eniowej wg wymaga� obowi�zuj�cych przepisów nie eliminuje jeszcze zagro�enia pora�enia pr�dem. Konieczne jest ponadto wykonanie bada� i pomiarów pomonta�owych i eksploatacyjnych, dzi�ki którym mo�na oceni� czy zastosowane �rodki ochrony s� skuteczne.

181

12.6. Ochrona od przepi� oraz instalacje piorunochronne Ochron� od przepi�� piorunowych przenoszonych przewodami roboczymi linii nale�y stosowa� we wszystkich MEW poł�czonych bezpo�rednio z napowietrzn� lini� elektroenergetyczn�, przy u�yciu odgromników zaworowych, kondensatorów i rezystorów. Ochron� od bezpo�rednich uderze� piorunów zaleca si� instalowa� we wszystkich MEW (ze wzgl�du na nieznaczny koszt tych instalacji w stosunku do kosztów urz�dze� zainstalowanych w MEW) – zgodnie z PBUE. 12.7. Sygnalizacja zakłóce� pracy Zakłócenia w pracy MEW powinny pobudza� układ sygnalizacji akustycznej i optycznej. Układ ten powinien uwzgl�dnia� podział sygnałów na ostrzegaj�ce o nienormalnej pracy urz�dze� i awaryjne – zwi�zane z ich wył�czeniem z pracy. Sygnalizacja optyczna powinna wybiórczo sygnalizowa� działanie zabezpiecze� lub grup zabezpiecze�. W małych elektrowniach wodnych wi�kszej mocy, ze stałym dy�urem, mog� by� stosowane układy sygnalizacji optycznej z u�yciem �wiatła migowego i ci�głego oraz sygnałów akustycznych – ostrzegawczego i awaryjnego. W małych elektrowniach wodnych z dy�urem domowym mog� by� stosowane prostsze układy optyczno-akustyczne z jednym sygnałem akustycznym. Zbiorczy sygnał optyczno-akustyczny powinien by� przekazywany do mieszkania dy�urnego w celu przywołania do elektrowni. Układ sygnalizacji w elektrowni powinien umo�liwia� jednoznaczn� identyfikacj� urz�dzenia. W małych elektrowniach wodnych z nadzorem okresowo-dorywczym układ sygnalizacji powinien przekazywa� do u�ytkownika informacj� o samoczynnym wył�czeniu z ruchu turbozespołu a układ sygnalizacji optycznej w elektrowni powinien umo�liwia� jednoznaczn� identyfikacj� przyczyny wył�czenia. W mniejszych MEW, z pr�dnicami o mocy poni�ej 100 kVA, instalowanie dodatkowych układów sygnalizuj�cych zadziałania zabezpiecze� jest zb�dne je�li b�dzie ono zasygnalizowane bezpo�rednio w układzie zabezpieczaj�cym. 13. Pomiary Pr�dnice asynchroniczne nale�y wyposa�y� w nast�puj�c� aparatur� pomiarow�: - jeden amperomierz dla pr�dnic do 40 kW - trzy amperomierze dla pr�dnic powy�ej 40 kW o czteroprzewodowym układzie - watomierz ( w zale�no�ci od potrzeby ) - miernik liczby obrotów - licznik rozliczeniowy energii czynnej jedno lub dwufazowy, biernej pobieranej pr�dnice synchroniczne nale�y wyposa�y� w nast�puj�c� aparatur� pomiarow�: - trzy amperomierze - woltomierz z przeł�cznikiem napi�� do pomiaru napi�� fazowych i mi�dzyprzewodowych - amperomierz do pomiaru pr�du wzbudzenia - woltomierz do pomiaru napi�cia wzbudzenia - watomierz, waromierz - cz�sto�ciomierz - miernik liczby obrotów - licznik rozliczeniowy energii czynnej jedno lub dwutaryfowy - licznik rozliczeniowy energii oddawanej

182

Rozdzielnice główne 0,4 kV lub 15 kV ( 20 kV ) – w ka�dej sekcji nale�y zainstalowa� woltomierz z przeł�cznikiem do pomiaru napi�� fazowych i mi�dzyprzewodowych oraz, w razie potrzeby, wspóln� dla rozdzielnicy kolumn� synchronizacyjn� Rozdzielnice pr�du stałego – w ka�dej sekcji nale�y zainstalowa� woltomierz pr�du stałego a na zasilaniu szyn – amperomierz pr�du stałego . Transformatory potrzeb własnych – powinny by� wyposa�one w woltomierz z przeł�cznikiem do pomiaru napi�� fazowych i mi�dzyprzewodowych oraz w amperomierz. Linie elektroenergetyczne, linie wi���ce MEW z sieci�, elektroenergetyczn� nale�y wyposa�y� w: - woltomierz z przeł�cznikiem do pomiaru napi�� fazowych i mi�dzyprzewodowych - amperomierz - licznik rozliczeniowy energii oddawanej z hamowaniem wstecznym jedno lub dwutaryfowy - licznik rozliczeniowy energii pobieranej z hamowaniem wstecznym jedno lub dwutaryfowy. Uwaga: Miejsce i rodzaje instalowanych liczników nale�y uzgodni� z wła�ciwym zakładem energetycznym

Linie zasilaj�ce innych odbiorców energii wyposa�a si� w amperomierz, licznik rozliczeniowy energii czynnej oraz licznik rozliczeniowy energii biernej.

Uwaga: Miejsce i rodzaj instalowanych liczników nale�y uzgodni� z odbiorc� energii. Pomiar energii elektrycznej w urz�dzeniach elektroenergetycznych MEW powinien odpowiada� warunkom technicznym okre�lonym przez obowi�zuj�ce przepisy budowy urz�dze� elektroenergetycznych. Pomiary wielko�ci nieelektrycznych turbozespołu – nale�y przewidywa� zgodnie z wymaganiami producenta. Mog� one obejmowa� pomiar temperatury: uzwoje� pr�dnicy, ło�ysk oraz pomiar liczby godzin przepracowanych w ruchu. 14. Potrzeby własne elektrowni Układ potrzeb własnych MEW nale�y rozwi�za� w sposób mo�liwie najoszcz�dniejszy. Odbiory potrzeb własnych nale�y ograniczy� do niezb�dnych odbiorów technologicznych warunkuj�cych programow� produkcj� energii elektrycznej, oraz przeprowadzenie drobnych napraw, ewentualnie niezb�dne ogrzewanie i wentylacj�. W małych elektrowniach wodnych z układami sterowania zasilanymi pr�dem przemiennym – nale�y potrzeby własne ograniczy� do obwodów pr�du przemiennego 380/220V i 24V (transformator bezpiecze�stwa). W małych elektrowniach wodnych z pr�dnic� na napi�cie znamionowe 400 V i rozdzielnic� główn� 400 V – odbiory potrzeb własnych nale�y zasili� bezpo�rednio z tej rozdzielnicy. W małych elektrowniach wodnych z pr�dnic� na wysokie napi�cie (np. 6,3 kV) lub MEW pracuj�cymi w układach blokowych na szyny rozdzielnicy 15 (20) kV – potrzeby własne pr�du przemiennego nale�y zasili� z przewidzianego do tego celu transformatora obni�aj�cego napi�cie do 0,4kV.

W małych elektrowniach wodnych z pr�dnicami synchronicznymi przewidzianymi do współpracy z sieci� wydzielon� lub gdzie zachodzi potrzeba uruchomienia czy zatrzymania turbozespołu wodnego przy braku napi�cia przemiennego z obcego �ródła nale�y stosowa� pomocnicze �ródło pr�du stałego w postaci baterii akumulatorowej. Bateria powinna pracowa� równolegle z prostownikiem przewidzianym do ładowania buforowego i poawaryjnego. Odbiory potrzeb własnych pr�du stałego nale�y ograniczy� do obwodów sterowania, zabezpiecze�, sygnalizacji, wzbudzenia wst�pnego i o�wietlenia bezpiecze�stwa lub ewakuacyjnego. W małych elektrowniach wodnych mniejszych mocy zaleca si� stosowanie pojedynczych baterii akumulatorowych (zasadowych lub kwasowych w obudowie zamkni�tej) o napi�ciu znamionowym 24 V. W wi�kszych MEW nale�y stosowa� baterie akumulatorowe kwasowe w naczyniach szklanych (otwartych) lub plastikowych (zamkni�tych) o napi�ciu 110/220V pr�du stałego. Szafy lub pomieszczenia z bateriami akumulatorowymi powinny mie� wentylacj� naturaln�, zapewniaj�c� wymian� powietrza do dwu wymian na godzin�.

183

15. Uziomy

Najcz��ciej uziomy dzieli si� na naturalne i sztuczne. Jako uziomy naturalne w MEW nale�y wykorzysta� w maksymalnym stopniu metalowe ruroci�gi wodne, metalowe podziemne konstrukcje zbrojenia podziemnej �elbetowej cz��ci konstrukcyjnej (po odpowiednim zespawaniu pr�tów zbrojeniowych), stalowe cz��ci wlotów, ruroci�gów, turbin, rur ss�cych itp.

Uziomy sztuczne wykonuje si� z rur stalowych, pr�tów, drutów lub ta�m ocynkowanych. Rury, kształtowniki i pr�ty (o długo�ci 2 – 6 m) wbija si� pionowo w grunt i s� to tzw. uziomy pionowe. Druty i ta�my układa si� w gruncie poziomo na gł�boko�ci 0,5 – 0,8 m, s� to tzw. uziomy poziome.

Rezystancja uziemienia zale�y od rezystywno�ci gruntu i wymiarów geometrycznych uziomu. Wymagana warto�� rezystancji uziomu wynika z wymaga� przepisów ochrony przeciwpora�eniowej. 16. Procesy ruchowe w MEW Procesy ruchowe w MEW wyposa�onych w jeden turbozespół mo�na podzieli� na cztery podstawowe grupy: A. Procesy zwi�zane z uruchomieniem turbozespołu, do których zalicza si�: A1. Procesy pomocnicze poprzedzaj�ce uruchomienie turbozespołu z postoju ruchowego. (Rozró�nia si� postoje turbozespołu: ruchowe, awaryjne, remontowe). W zale�no�ci od konstrukcji turbozespołu i rodzaju jego wyposa�enia mo�na wyró�ni� nast�puj�ce procesy pomocnicze: A1a – uruchomienie olejowych układów zasilaj�cych urz�dzenia steruj�ce A1b – uruchomienie układu smarowania ło�ysk A1c – zwolnienie hamulców turbozespołu A2. Proces rozruchu turbozespołu ko�cz�cy si� doprowadzeniem pr�dko�ci k�towej turbozespołu do warto�ci bliskiej synchronicznej. A3. Proces synchronizacji pr�dnicy ma miejsce tylko przy pr�dnicach synchronicznych. A4. Proces zał�czenia pr�dnicy do sieci. B. Procesy zwi�zane z obci��eniem turbozespołu moc� czynn�: B1. Otwarcie aparatu kierowniczego lub łopatek wirnika do warto�ci, przy której turbozespół wytworzy zadan� moc czynn�. C. Procesy zwi�zane z obci��eniem turbozespołu moc� biern� (procesy te wyst�puj� wył�cznie w pr�dnicach synchronicznych): C1.Nastawienie odpowiedniego pr�du wzbudzenia pr�dnicy. D. Procesy zwi�zane z zatrzymaniem turbozespołu: D1. Proces zdejmowania z turbozespołu mocy czynnej polegaj�cy na zmniejszeniu nat��enia przepływu wody przez turbin� do nat��enia przepływu biegu luzem. D2. Proces zdejmowania z turbozespołu mocy biernej polegaj�cy na zmniejszeniu pr�du wzbudzenia pr�dnicy do warto�ci odpowiadaj�cej napi�ciu znamionowemu przy biegu luzem. (ma to miejsce tylko przy pr�dnicach synchronicznych). D3. Wył�czenie wył�cznika głównego pr�dnicy a przy pr�dnicach synchronicznych na napi�cie znamionowe powy�ej 1kV przy zadziałaniu zabezpiecze� elektrycznych – wył�czenie równie� wył�czników wzbudzenia. D4. Zmniejszenie do zera przepływu wody przez turbin� (zamkni�cie aparatu kierowniczego lub łopatek kierowniczych, lub łopatek wirnika i ewentualnie zaworu motylowego). D5. Zahamowanie turbozespołu i zablokowanie aparatu kierowniczego- procesy te wyst�puj� tylko w niektórych turbozespołach.. Rozró�nia si� zatrzymanie normalne turbozespołu i zatrzymanie

184

awaryjne (spowodowane zadziałaniem zabezpiecze�). Proces zatrzymania normalnego przebiega w kolejno�ci D1 do D5. Przy zatrzymaniu awaryjnym, procesy D1 i D2 s� pomijane. 16.1. Zakres i stopie� automatyzacji procesów rozruchowych

Zakres automatyzacji okre�la procesy obj�te automatyzacj�. Mo�e wi�c by� zakres automatyzacji ograniczaj�cy si� wył�cznie do automatyzacji którego� z procesów (A1 do A4, B, C, D1 do D5) lub do automatyzacji kilku z nich, lub, do automatyzacji wszystkich. Rozró�nia si� przy tym tzw. niezb�dny technicznie zakres automatyzacji oraz tzw. uzasadniony zakres automatyzacji. Ten ostatni jest zawsze nie wy�szy ni� niezb�dny technicznie zakres automatyzacji. Zarówno niezb�dny technicznie, jak i uzasadniony zakres automatyzacji zale�� głównie od nast�puj�cych czynników: a) funkcji MEW, b)rodzaju obsługi, MEW, ponadto ma na niego wpływ liczba hydrozespołów w MEW oraz rodzaj turbin i pr�dnic. A. Wyró�ni� mo�na nast�puj�ce funkcje MEW: A1 - MEW mo�e pracowa� wył�cznie przy współpracy z lokaln� sieci� elektroenergetyczn�, przy czym rozliczenia energi z sieci� odbywaj� si� według taryfy niezale�nej od pory doby – MEW pracuje przepływowo. A2 -jak A1, lecz rozliczenia energi z sieci� elektroenergetyczn� odbywaj� si� według taryfy uzale�niaj�cej cen� energi od pory doby – MEW mo�e pracowa� szczytowo. A3 - jak A1, lecz MEW pełni dodatkowo rol� rezerwowego �ródła zasilania na okoliczno�� wypadni�cia z ruchu zasilania lokalnej sieci z systemu elektroenergetycznego. A4 - jak A2, lecz podobnie jak w A3- MEW pełni dodatkowo role rezerwowego �ródła zasilania. A5 - MEW pracuje wył�cznie na sie� wydzielon�.

Mała elektrownia wodna mo�e pełni� funkcj� A2 lub A4 tylko wówczas, gdy b�dzie miała zbiornik o dostatecznie du�ej pojemno�ci wody (jest to warunek konieczny). B. Rodzaje obsługi MEW- rozró�nia si� MEW z nast�puj�c� obsług�: B1- MEW z tzw. dy�urem domowym (obsługa mieszka w pobli�u MEW i jest przywoływana w razie potrzeby przez układ sygnalizacji). B2 – MEW z tzw. nadzorem okresowym (obsługa nie mo�e by� przywołana, pojawia si� okresowo w celu dokonania niezb�dnych zabiegów ruchowych). B3 – MEW ze stał� obsług�.

Przy tym samym zakresie automatyzacji mo�e by� ró�ny stopie� automatyzacji. Rozró�nia si� zasadniczo nast�puj�ce stopnie automatyzacji: 1) MEW nie zautomatyzowane – s� to MEW wył�cznie z r�cznym sterowaniem procesów

A do D w warunkach pracy normalnej i z automatyzowanej wył�czaniem turbiny i pr�dnicy (procesy od D3 do D5) w warunkach awaryjnych (przy zadziałaniu zabezpiecze� hydrozespołu).

2) MEW półautomatyczne – s� to MEW, w których poza zautomatyzowaniem procesów jak 1) s� tak�e zautomatyzowane niektóre z procesów od A do D.

3) MEW automatyczne – s� to MEW, w których zautomatyzowane s� wszystkie procesy A do D.

17. Automatyzacja procesów ruchowych MEW 17.1. Układ sterowania łopatek turbiny (USW) Wykonanie i zadanie układu USW jest podobne jak układu USK, lecz dotyczy sterowania łopatek wirnika turbiny. 17.2. Automatyczny regulator pr�dko�ci k�towej turbiny (ART.) Zadaniem regulatora pr�dko�ci k�towej jest zapewnienie :

185

- utrzymania wymaganej cz�stotliwo�ci turbozespołu przy biegu jałowym i w procesie synchronizacji pr�dnicy synchronicznej, - płynnej zmiany obci��enia turbozespołu moc� czynn�, - stabilnej pracy turbozespołu we wszystkich stanach ruchowych , w tym i przy pracy pr�dnicy

synchronicznej na sie� wydzielon�.

Blo

k w

ej��

i w

yj��

ste

ruj�

cych

Układ automatycznego rozruchu obci��enia i zatrzymania turbozespołu oraz regulacji mocy w funkcji poziomu wody

Stac

yjki

ste

row

ania

mie

jsc

Rys.127. Wybór zakresu; stopnia rozwi�za� technicznych automatyzacji. 17.3. Układ sterowania aparatu kierowniczego turbiny (USK) Zadaniem USK jest zapewnienie automatycznego i r�cznego otwierania i zamykania aparatu kierowniczego turbiny we wszystkich procesach ruchowych (A-B,D oraz E i F). W układzie USK mog� by� zastosowane siłowniki hydrauliczne lub elektryczne. 17.4. Układ automatycznej regulacji napi�cia pr�dnicy synchronicznej (ARN).

Układ ten powinien zapewni� regulacj� napi�cia pr�dnicy pracuj�cej przy biegu jałowym, w procesie synchronizacji oraz regulacj� napi�cia i mocy biernej przy pracy na sie� wydzielon� lub przy współpracy z innymi pr�dnicami lub z sieci� elektroenergetyczn�. Regulator napi�cia

Automatyczna synchronizacja

Układ sterowania

nadrz�dnego i rozdziału obci��e�

Pomiar mocy

Statyczny układ wzbudzenia i regulacji napi�cia

Pr�dnica

Pomiar obrotów

Turbina Regulator obrotów turbiny

Regulator mocy Pomiar otwarcia

Regulator poziomu wody

Pomiar poziomu wody

{

do regulatora mocy turbin 2-4

186

powinien by� wyposa�ony w ograniczniki regulacji (minimalnego i maksymalnego pr�du wzbudzenia) zapewniaj�ce bezpieczn� prac� pr�dnicy w całym zakresie zmian jej obci��e�. 17.5. Automatyczny synchronizator pr�dnicy synchronicznej (ASG) Zadaniem ASG jest: - doprowadzenie cz�stotliwo�ci (za pomoc� układów USK, USW lub ART.) i napi�cia pr�dnicy (za pomoc� ARN) do takich warto�ci jakie maj� cz�stotliwo�� i napi�cie pr�dnicy lub sieci elektroenergetycznej, z któr� nast�puje synchronizacja , - zał�czenie pr�dnicy do współpracy z drug� pr�dnic� lub sieci� elektroenergetyczn�. 17.6. Układ automatycznego sterowania procesami rozruchowymi

turbozespołu (USR) Zadaniem tego układu jest automatyczne zbieranie informacji o stanie procesu rozruchu i na podstawie tych informacji generowanie krok po kroku , według przyj�tego algorytmu, impulsów steruj�cych do układów USZ, USK, USW, ART., ARN, ASG, realizuj�cych poszczególne operacje rozruchowe od A do C (mi�dzy innymi zale�ne od typu pr�dnicy). Układ USR mo�e by� wykonany w technice przeka�nikowej, półprzewodnikowo -bezstykowej b�d� z zastosowaniem mikroprocesorów. 17.7. Układ automatycznego sterowania procesami odstawiania

turbozespołu (USO) Wykonanie i zadania układu USO s� podobne jak układu USR, lecz dotycz� procesów odstawiania turbozespołu. 17.8. Układ automatycznej regulacji poziomu wody(ARP) Zadaniem układu ARP jest automatyczne sterowanie obci��eniem turbozespołów w MEW zapewniaj�ce utrzymanie poziomu wody górnej lub wody dolnej na zadanej warto�ci. 17.9. Auto operator(AOP) Jest stosowany przy wi�cej ni� jednym turbozespole w MEW a realizuje nast�puj�ce czynno�ci: a) automatyczny wybór momentu czasowego i turbozespołu, który ma by� uruchomiony

(zatrzymany) b) automatyczny rozdział mocy czynnej obci��enia i ewentualnie mocy biernej obci��enia mi�dzy

pracuj�ce turbozespoły. 17.10. Układ sterowania zamkni� wlotowych wody do turbiny (USZ)

Jako zamkni�cia wlotowe wody do turbiny mog� by� stosowane zawory motylowe lub zasuwy. Zadaniem układu USZ jest zapewnienie automatycznego i r�cznego otwierania i zamykania tych urz�dze� w procesie uruchamiania i zatrzymywania turbozespołów. Ponadto układ USZ powinien zapewni� samoczynne zamkni�cie zaworu motylowego lub zasuwy (ci��arowe, hydrauliczne) w przypadku działania zabezpiecze� na odstawienie turbozespołów. Układ USZ powinien by� stosowany wówczas, gdy wymaga tego instrukcja eksploatacji turbozespołu.

187

17.11. Układ programuj�cy prac� szczytow� MEW (UPP)

Współpracuje z zegarem przeł�czaj�cym taryf� opłat licznikowych za energi�, wysyła impulsy do układów USR i USO (na uruchomienie i na zatrzymanie turbozespołu). Jest wyposa�ony w podukład blokuj�cy uruchomienie i inicjuj�cy zatrzymanie MEW w przypadku, gdy poziom wody w zbiorniku jest niski.

17.12. Przykładowe rozwi�zania układu sterowania

Auto. R�cz. R�cz. Auto. R�cz. Auto. R�cz. Auto. Przeł�cznik

rodzaju sterowania

Stop-r�cz-auto.-Stop

Wybór

hydrozespołu Sterowanie stycznikiem generatora

Sterowanie rozdzielni� awaryjn�

Sterowanie rozdzielni� otwierania

Sterowanie rozdzielni� zamykania

Rys.128. Schemat układu regulacji MEW OLCZA Dla elektrowni z pr�dnicami asynchronicznymi proces automatycznego sterowania znacznie si� upraszcza. Nie ma bowiem potrzeby stosowania statycznego układu wzbudzania , automatycznego synchronizatora, a w miejsce regulatora pr�dko�ci k�towej jest stosowany znacznie prostszy nastawnik otwarcia aparatu kierowniczego turbiny.

188

18. Wybrane elementy dokumentacji małej elektrowni wodnej Zakopane - Olcza

18.1. Opis techniczny, charakterystyka elektrowni MEW Olcza Ksi��y Misjonarzy wybudowana jest w potoku Olczyskim poni�ej MEW OLCZA b�d�cej własno�ci� ZE Kraków. Elektrownia składa si� z uj�cia wody alpejskiego poł�czonego z budynkiem elektrowni ruroci�giem betonowym o długo�ci 1200m. W budynku elektrowni przewidziano dwa hydrozespoły składaj�ce si� z turbin Francisa o mocach 30 i 90 kW współpracuj�ce z generatorami asynchronicznymi. Dane techniczne hydrozespołów: 18.1.1. Hydrozespół nr.1 Turbina Francisa o wale poziomym o mocy około 30 kW prod. francuskiej. Generator silnik asynchroniczny trójfazowy klatkowy typ Sg200L4 prod. CELMA Cieszyn. Moc czynna 30 kW Pr�d znam. 56 A Napi�cie 380 V cos � 0,89 Pr�dko�ci obrotowa przy obci��eniu znamionowym 1020 obr/min 18.1.2. Hydrozespół nr.2 Turbina Francisa o wale poziomym o mocy około 90 kW prod. francuskiej Generator asynchroniczny silnik trójfazowy klatkowy typ GA LAN 315-M2-6 prod. Francuskiej Moc czynna 160kW Pr�d znam. 82A Napi�cie 380V cos � 0,86 Pr�dko�ci obrotowa przy obci��eniu znamionowym. 1020 obr/min

Elektrownia wyposa�ona jest w układy elektrohydraulicznej regulacji turbiny opracowane przez Instytut Energetyki Oddział w Gda�sku oraz układy zabezpiecze� i sygnalizacji umo�liwiaj�ce prac� bezobsługow� elektrowni.

18.2. Powi�zanie elektrowni z sieci�

Zgodnie z warunkiem przył�czenia MEW Olcza Ksi��y Misjonarzy do sieci energetycznej ZE Kraków przewidziano wprowadzenie mocy z proj. elektrowni lini� kablow� YAKY 4x240 mm2 poprowadzon� od przył�czenia kablowego usytuowanego na zewn�trznej �cianie budynku elektrowni do rozdzielni n.n. stacji transformatorowej Olcza – Wie�.

Wyposa�enie elektryczne elektrowni umieszczone zostało w trzech szafach.W szafie nr 1 umieszczono urz�dzenie zwi�zane z hydrozespołem nr 1, w szafie nr 2 zwi�zane z hydrozespołem nr 2, natomiast w szafie nr 3 przewidziano usytuowanie regulatora poziomu wody, sterownika mikro-procesowego oraz potrzeby własnych elektrowni. Rozliczeniowe układy pomiarowe energii elektrycznej umieszczono w dzielnej szafie przewidzianej do plombowania.

189

18.3. Pomiary i zabezpieczenia Hydrozespoły wyposa�one zostały w nast�puj�ce układy pomiarowe: - napi�cia: woltomierze wraz z przeł�cznikami woltomierzowymi - pr�dów fazowych: amperomierz - mocy czynnej: watomierze - wyprodukowanej energii czynnej: liczniki - pr�dko�ci obrotowej: mierniki współpracuj�ce z tachopr�dnicami PT Oprócz tego elektrownia wyposa�ona jest w układ pomiarowy poziomu wody.

Wszystkie mierniki za wyj�tkiem liczników wyprodukowanej energii elekt. umieszczone s� na drzwiach szaf sterowniczych. Rozliczeniowe układy pomiarowe produkowanej i pobranej energii elektrycznej umieszczono w oddzielnej szafce przewidzianej do zaplombowania. Hydrozespoły posiadaj� nast�puj�ce zabezpieczenia: 1. zabezpieczenia zwarcia – bezpieczniki mocy 2. zabezpieczenie od pracy silnikowej – bloki KM w regulatorach elektrohydraulicznych turbin 3. zabezpieczenie przeciwrozbiegowe reaguj�ce na zwy�k� pr�dko�ci obrotowej hydrozespołów

powy�ej 150% obrotów znamionowych - bloki KO w regulatorach elektrohydraulicznych turbin 4. zabezpieczenia przed spadkiem ci�nienia oleju w regulatorze hydraulicznym 5. zabezpieczenia przed obni�eniem poziomu wody gro��cym odsłoni�ciem wlotu do ruroci�gu na

uj�ciu wody 6. zabezpieczenia przed zanikiem napi�cia stabilizowanych w regulatorach turbiny (tylko podczas

pracy z zał�czonymi regulatorami) 7. zabezpieczenia przeci��eniowe zwłoczne trójfazowe – wył�cznik termiczny typ TSA 63P

(nastawiony pr�d zadziałania 56 A) - tylko dla hydrozespołu nr.1 8. zabezpieczenia przed wzrostem temp. ło�yska oporowego turbiny - tylko dla hydrozespołu nr.2 Zadziałanie któregokolwiek z w/w zabezpiecze� powoduje trwałe odstawienie hydrozespołu i sygnalizacj� awarii. Oprócz tego hydrozespoły posiadaj� zabezpieczenia od zaniku napi�� fazowych które powoduj� odstawienie hydrozespołów przy zaniku napi�cia w sieci oraz przy pracy z zał�czonymi regulatorami umo�liwiaj� automatyczny restart hydrozespołów. 18.4. Sterowanie i regulacja W elektrowni przewidziano dwa rodzaje sterowania prac� hydrozespołów: - r�czne - automatyczne Do wyboru rodzaju sterowania słu�� przeł�czniki. Posiadaj� one pozycje: R�czna, Automatyczna oraz dwie pozycje Stop umo�liwiaj�ce odstawienie hydrozespołów.

Do sterowania otwieraniem i zamykaniem aparatów kierowniczych turbin słu�� elektrohydrauliczne regulatory turbin opracowane i wykonane przez Instytut Energetyki - Odział Gda�sk. Składaj� si� one z elektronicznych bloków steruj�cych zako�czonych listwami zaciskowymi oraz z regulatora hydraulicznego w którego skład wchodz�: zespół pompowy nap�dzany silnikiem elektrycznym, układ akumulatora hydraulicznego wraz z zespołem kontroli ci�nienia, dwóch zespołów sterowania siłownikami aparatów kierowniczych turbin. Do sterowania otwieraniem aparatu kierowniczego słu�� elektrohydrauliczne rozdzielacze zaworowe RO, natomiast zamykaniem aparatu kierowniczego steruj� rozdzielacze RZ. Do awaryjnego odstawiania hydrozespołów słu�� rozdzielacze RA. Wszystkie rozdzielacze posiadaj� cewki na napi�cie stałe 24V. Dlatego te� obwody sterowania zaprojektowano na napi�cie stałe 24V. Przy spełnianiu wszystkich warunków do uruchomienia hydrozespołu pali si� LED sygnalizuj�c GOTOWO�. Przy sterowaniu r�cznym aparat kierowniczy zacznie si� otwiera� po wci�ni�ciu przycisku sterowniczego. Po osi�gni�ciu przez hydrozespół pr�dko�ci obrotowej zbli�onej do znamionowej nale�y generator zał�czy� do sieci.

190

Nast�pnie zwi�kszy� obci��enie otwieraj�c dalej aparat kierowniczy. Podczas odstawiania zamyka� aparat kierowniczy. Przy mocy zbli�onej do zera wył�cza� generator z sieci. Szybkiego odci��enia hydrozespołu mo�na dokona� przyciskiem awaryjnego odstawiania. Przy pracy automatycznej sterowanie rozdzielaczami odbywa si� z regulatora elektronicznego. Regulator kontroluje pr�dko�� obrotow� i po przekroczeniu przez hydrozespół 0,9 warto�ci obrotów znamionowych powoduje zał�czenie stycznika generatora. Zadan� warto�� otwarcia ustawia si� za pomoc� nastawnika. Przewiduje si�, �e elektrownia pracowa� b�dzie przepływowo dostosowuj�c moc hydrozespołów do aktualnego dopływu wody. W tym celu na uj�ciu wody w komorze wlotowej do ruroci�gu zainstalowany zostanie hydrostatyczny czujnik pomiarowy poziomu wody który b�dzie �ródłem sygnału pr�dowego 4 – 20 mA. Sygnał ten jest doprowadzony lini� kablow� do budynku elektrowni, gdzie w regulatorze poziomu wody (szafy Potrzeb Własnych) jest przetwarzany na nast�puj�ce sygnały: - analogowy sygnał ograniczaj�cy zadane warto�ci otwarcia regulatorów elektrohydraulicznych

turbin przy obni�eniu si� poziomu wody w komorze wlotowej poni�ej przelewu - dwustanowe sygnały cyfrowe informuj� o tym �e: 1. poziom wody jest mniejszy ni� 8cm nad przelewem 2. poziom wody jest wi�kszy ni� 15cm nad przelewem 3. poziom wody jest wi�kszy ni� 4cm nad przelewem Dodatkowo w regulatorach turbin wypracowane s� nast�puj�ce sygnały dwustanowe: - 01MAX – �wiadcz�cy, �e otworem aparatu kieruje hydrozespół nr 1 >90% - 02 MAX – �wiadcz�cy, �e otworem aparatu kieruje hydrozespół nr 2 >90% - 02 MIN – �wiadcz�cy, �e otworem aparatu kieruje hydrozespół nr 2 <40%

W/w sygnały doprowadzone s� do sterownika mikroprocesorowego dostarczonego przez Instytut Energetyki, który na podstawie otrzymanych sygnałów z obiektu podczas pracy ze sterowaniem automatycznym podejmuje decyzj�, który z hydrozespołów ma by� zał�czony do pracy. Sterownik umieszczony jest w szafie potrzeb własnych. Sterownik mo�na wył�czy� z działania.

Do sygnalizacji stanów pracy hydrozespołów słu�� zespoły sygnalizacji umieszczone na drzwiach szaf sterowniczych. W projekcie przewidziano dwa obwody zbiorczej sygnalizacji awaryjnego odstawania hydrozespołów. Pierwszy w budynku elektrowni – powoduje sygnalizacj� optyczn� i akustyczn�. Obwód drugi umo�liwia zadan� sygnalizacj� akustyczn� w pomieszczeniu dy�urnego. 18.5. Potrzeby własne elektrowni Potrzeby własne pr�du przemiennego elektrowni zasilane s� z szyn zbiorczych szafy nr 3 poprzez wył�cznik główny oraz zabezpieczenia zwarciowe. W skład zasilania potrzeb własnych wchodz� nast�puj�ce obwody: 1. zasilanie pompy regulatora hydraulicznego 2. trójfazowe gniazdo siłowe 3. zasilania prostownika 24V 4. zasilania układu regulacji 5. zasilania sterownika 6. o�wietlania wewn�trznego, zewn�trznego 7. gniazdo fazowe, rezerwa trójfazowa

191

P=F(Q)

0

20

40

60

80

100

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

P[k

W]

turbozespół mały

turbozespół du�y

P=f(otwarcia kierownicy)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

otwarcie kierownicy [%]

P[k

W]

turbozespół mały

turbozespół du�y

sprawno�� n=f(Q)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

n[%

]

turbozespół mały

turbozespół du�y

Rys.129. Charakterystyki pracy generatorów w MEW OLCZA

Q[m3/s]

Q[m3/s]

192

193

V ENERGIA BIOMASY

1. Poj�cie biomasy Biomasa jest substancj� organiczn� pochodzenia ro�linnego lub zwierz�cego, albo te� mo�e powstawa� w wyniku tzw. metabolizmu społecznego. Wyst�puje ona zwykle w formie drewna, słomy, osadów �ciekowych podobnych do torfu czy w formie odpadów komunalnych zawieraj�cych np.: makulatur�. Biomasa gromadzona jest zwykle przy produkcji i przetwarzaniu produktów ro�linnych (słoma odpadowa w produkcji zbo�owej, odpady drzewne w przemy�le drzewnym i celulozowo-papierniczym), albo jest to materiał ro�linny hodowany wył�cznie w celach energetycznych, m.in. na plantacjach topoli czy wierzby. W�ród odpadów pochodzenia zwierz�cego wymieni� mo�na mi�dzy innymi biogaz pozyskiwany z fermentacji gnojowicy zwierz�cej, z fermentacji osadów w oczyszczalniach �cieków czy z fermentacji odpadów organicznych na wysypiskach �mieci (tzw. gaz wysypiskowy). Spotyka si� te� biomas� w formie gazowej jako tzw. gaz pirolityczny (gaz drzewny powstaj�cy przy utlenianiu drewna) do nap�du silników spalinowych lub do spalania w kotłach gazowych. Biomasa mo�e te� mie� form� ciekł�, np. estry kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (tzw. biodiesel), metanol lub alkohol etylowy nazywany zwykle bioetanolem (do nap�du silników samochodowych jako składnik benzyny). Zgodne z propozycj� Unii Europejskiej biomasa obejmuje materiał biodegradowalny pochodzenia biologicznego (głownie ro�linnego), który albo jest wytwarzany na specjalnych plantacjach ro�linnych, albo te� jest to materiał odpadowy powstaj�cy w le�nictwie, przemy�le drzewnym, gospodarce komunalnej, rolnictwie i przemy�le spo�ywczym. W uj�ciu historycznym biomasa była od wieków u�ytkowana w gospodarce wiejskiej jako drewno opałowe oraz jako odpady organiczne. Zwykle 2 tony suchego drewna lub słomy s� energetycznie równowa�ne jednej tonie w�gla, a 1m³ biogazu jest równowa�ny energetycznie 1 kg w�gla. Polski w�giel ma na ogół parametry 25/22/0,8 (ciepło spalania 25 MJ/kg, 22% popiołu, 0,8% siarki), natomiast biomasa ro�linna (drewno lub słoma) 13/3/0,03. W suchych osadach �ciekowych mamy parametry 14/45/0,8, co przypomina nieco parametry mułów odpadowych powstaj�cych przy płukaniu w�gla lub parametry miału z w�gla brunatnego. Ten gorszy surowiec mo�e by� jedynak równie� wykorzystywany w miar� potrzeby. Tak wi�c biomasa podzielona została na dwie grupy: - energetyczne surowce pierwotne, czyli drewno, słoma i osady �ciekowe (analog torfu) - energetyczne surowce przetworzone, takie jak biogaz, etanol, metanol, estry oleju rzepakowego, makulatura.

Du�a ró�norodno�� mo�liwo�ci, rodzajów i sposobów pozyskiwania biomasy, pozwala zaspokoi� potrzeby energetyczne lokalnych społeczno�ci w tzw. czyst� (prawie czyst�) energi�. Czynnikami przemawiaj�cymi za wykorzystaniem biomasy jako no�nika energii s� oprócz walorów ekologicznych, aspekty natury ekonomicznej i społecznej �rodowisk lokalnych. Argumentami za energetycznym wykorzystaniem biomasy mog� by�:

194

- wystarczaj�co zweryfikowane i nieuci��liwe metody pozyskiwania energii z biomasy, - biomasa mo�e by� produkowana i u�ytkowana bez du�ych inwestycji technologicznych, - energia zawarta w biomasie jest najmniej kapitałochłonnym �ródłem energii odnawialnej, - wytwarzanie no�nika energii w postaci biomasy powoduje o�ywienie koniunktury lokalnej

szczególnie na terenach rolniczych (dodatkowy bodziec rozwoju gospodarczego regionu), - wytwarzanie biomasy poprawia bilans paliwowy regionu (zmniejszenie uzale�nienia

gospodarki regionu od dostawy ropy czy gazu), - zdecentralizowane wytwarzanie z biomasy energii u�ytkowej (elektrycznej czy cieplnej), - wspomaganie dochodu na wsi, który jest trudny do uzyskania przy nadprodukcji �ywno�ci, - tworzenie nowych miejsc pracy, szczególnie wa�nych w zagro�onych bezrobociem

gminach.

Z punktu ekologicznego: - w konwencjonalnej energetyce wyst�puj� wysokie koszty oczyszczania spalin

pochodz�cych z paliw kopalnych, - w stosunku do spalania paliw kopalnych przy spalaniu biomasy wyst�puje znaczne

zmniejszenie emisji SO2 i ilo�ci powstaj�cego popiołu oraz ograniczenie emisji CO2, - biomasa i pochodz�ce z niej biopaliwa czy biogaz s� paliwami pod wzgl�dem emisji CO2

neutralnymi, CO2 kr��y w obiegu zamkni�tym w odpowiednim cyklu czasowym.

Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych obejmuj�cych:

1. spalanie biomasy ro�linnej a) w sposób bezpo�redni – w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkni�tych (piece,

kotły) b) przy wst�pnej gazyfikacji w odr�bnych gazyfikatorach c) spalanie �mieci komunalnych

2. wytwarzanie oleju opałowego z ro�lin oleistych (np. rzepak) 3. fermentacj� alkoholow� trzciny cukrowej, ziemniaków lub dowolnego materiału

organicznego poddaj�cego si� takiej fermentacji 4. beztlenow� fermentacj� metanow� odpadowej masy organicznej 5. energetyczne wykorzystanie gazu wysypiskowego

Ponad 98 % poda�y energii ze �ródeł odnawialnych w 2003 r. w Polsce pochodziło z biomasy

195

Mo�liwo�� produkcji energii z surowców ro�linnych przedstawiono schematycznie na poni�szym schemacie blokowym:

Rys.130. Mo�liwo�ci produkcji energii z surowców ro�linnych. 2. Drewno jako biopaliwo

W Polsce produkuje si� ok. 23 mln m³ drewna roczne (w 2003r.), z czego ok. 3,5 mln m3 drewna opałowego pozyskiwanego z lasów, ok. 4/5 tarcicy staje si� drewnem odpadowym w formie trocin, zrzynów, wiórów itp., a 1/5 trafia na rynek jako ko�cowe produkty (meble, okna, drzwi, podłogi etc.). Ceny drewna opałowego to ok. 50 zł/m3. Analizy wskazuj�, �e nie ma w Polsce mo�liwo�ci pozyskania wi�kszej ilo�ci drewna odpadowego, chyba, �e po szerszym wprowadzeniu plantacji drzew szybko rosn�cych (topola, wierzba krzewiasta). Je�eli z pozyskiwanych 23 mln m³ drewna rocznie odliczy si� 4/5 na odpady, to uzyskuje si� 19mln m3 drewna rocznie do ewentualnego zagospodarowania jako paliwo. rednia g�sto�� drewna opałowego wynosi 450kg w 1m3, a wi�c zasoby wynosz� 7,2 mln ton drewna rocznie czyli równowa�no�� ok. 4mln ton w�gla kamiennego. Wykorzystanie drewna na cele energetyczne ocenia si� w Polsce w roku 2003 na ponad 1,5mln ton. Drewno jest niestety cz�sto spalane w małych kotłach na w�giel lub miał w�glowy (ok. 100 000 szt.) o bardzo niskiej sprawno�ci, o ł�cznej mocy ok. 5000 MW.

Pozostało�ci i odpady ro�linne

Plantacje

energetyczne

Ro�liny o du�ej zawarto�ci cukru

lub skrobi (zbo�a, buraki itp.)

Ro�liny oleiste

(rzepak itp.)

Gazyfikacja

Piroliza

Granulo-

wanie

Spalanie

bezpo�rednie

Ługowanie lub

fermentacja cukru

Tłoczenie lub ekstrakcja

Gaz

No�niki energii

Alkohol, paliwo

(biopaliwo)

Paliwo z oleju

ro�linnego

Ciepło, elektryczno��, praca mechaniczna

196

2.1. Wierzba energetyczna

Z prognoz zmian intensywno�ci wykorzystania rolniczej przestrzeni produkcyjnej wynika, i� polskie rolnictwo stanowi� b�dzie w coraz szerszym zakresie �ródło surowców dla przemysłu i lokalnej energetyki. Pewn� alternatyw� s� szybko rosn�ce krzewiaste wierzby, których biomasa mo�e by� wykorzystana do chemicznego przetwórstwa (celuloza, metanol) oraz jako odnawialne, ekologiczne paliwo.

Uprawa wierzb krzewiastych na plantacjach polowych mo�e da� rolnikom wiele korzy�ci ze wzgl�du na:

- niskie nakłady pracy, - nisk� energochłonno�� uprawy (małe zapotrzebowanie na nawozy i pestycydy), - wysok� produktywno��, - mo�liwo�� wykorzystania du�ych powierzchni gleb do uprawy, - mo�liwo�� zastosowania standardowych maszyn do uprawy gleby, sadzenia i z drobnymi

adaptacjami do zbioru biomasy, - nieograniczony rynek (przyszło�ciowo), - bezpieczna uprawa dla �rodowiska (integracja celów społecznych: rolnictwa i �rodowiska).

Plantacje wierzby energetycznej mog� by� lokalizowane w rejonach, w których gleby od marca do ko�ca pa�dziernika s� dostatecznie uwilgotnione. Najodpowiedniejszymi do uprawy w Polsce s� ró�ne formy z gatunku Salix viminalis - wierzba konopianka. Wierzb� rozmna�a si� wegetatywnie za pomoc� zrzezów (sztobrów, sadzonek) tzn. kawałków poci�tego p�du, które po wysadzeniu do gleby ukorzeniaj� si�, tworz�c nowe ro�liny. Materiałem nasadzeniowym s� zrzezy (sztobry), o parametrach:

- długo�� 20-25cm; - grubo�� od 5 do 15mm; - sadzonki wykonane z odrostów jednorocznych lub dwuletnich.

W warunkach polskich wysadza si� od 20 do 60 tys. sadzonek na 1 hektar. Wysoko�� trzyletnich p�dów na czteroletniej karpie wahała si� od 5,5 do 6,0m, a �rednia grubo�� p�du wynosiła 30mm. Plon suchej masy drewna wierzby w jednym z bada� wyniósł �rednio 17,5 t/ha/rok. Pozyskiwanie drewna rozpoczyna si� zwykle po dwóch latach uprawy i mo�e odbywa� si� w cyklach: jednorocznych, dwuletnich lub trzyletnich. Całkowity okres u�ytkowania karpy okre�la si� na około 30 lat. Po tym okresie gleb� nale�y rekultywowa�. Krzewiaste wierzby sadzi si� w ramach rekultywacji terenów przemysłowych i stref ochronnych wokół fabryk, nie tylko ze wzgl�du na tolerancj� na zanieczyszczenia, ale równie� na pionierski charakter tych gatunków, zdolnych do opanowania terenów charakteryzuj�cych si� cz�sto silnym zakwaszeniem, brakiem wody i substancji organicznych. Podobne zastosowanie mog� znale�� wierzby na silnie toksycznych wysypiskach �mieci i odpadów. Nasadzenia wierzbowe, poza warto�ciami u�ytkowymi, wpływaj� korzystnie na mikroklimat otoczenia: - powstrzymuj� erozj� gleby; - umacniaj� i upi�kszaj� krajobraz;

197

Salix Viminalis polecany jest ostatnio w ochronie �rodowiska na terenach przemysłowych ska�onych metalami ci��kimi, przy rekultywacji gleb, przy drogach szybkiego ruchu, budynkach mieszkalnych i inwentarskich. Oprócz tego plantacje wiklinowe spełniaj� funkcj� biologicznych oczyszczalni �cieków, które odprowadzane na pola wiklinowe s� biologicznie rozkładane i oczyszczane. Obecnie coraz wi�kszego znaczenia nabiera uprawa wierzby na cele energetyczne. Wykorzystanie wierzby jako �ródła energii, to nowy dochodowy kierunek produkcji rolniczej. Wierzbowy surowiec energetyczny ma t� wła�ciwo��, �e jest w zasadzie niewyczerpalnym i samoodtwarzj�cym si� �ródłem, w odró�nieniu od surowców kopalnianych, których zasoby s� ograniczone. Ponadto spalane drewno jest znacznie mniej szkodliwe dla �rodowiska ni� produkty np. spalania w�gla. 1 kg brykietu ze zr�bków wierzby krzewiastej kalorycznie odpowiada 0,7 kg w�gla kamiennego, a kosztuje połow� mniej.

Tab.30. Warto�� opałowa no�ników energii

Paliwo Warto�� kaloryczna

Koszt jednostki ciepła przy zakupie paliwa

GJ/t lub GJ/1m3 zł/t lub zł/1m3 zł/GJ Olej opałowy 43,0 1490,00 34,65 Gaz ziemny GZ 50 38,0 1003,00 26,39 W�giel kamienny 26,0 392,78 15,71 Miał w�glowy 21,0 229,60 10,93 Wierzba krzewiasta (sucha masa) 19,36 160,00 8,26

Rys.131. Plantacja wierzby energetycznej.

198

2.2. Gazyfikacja biomasy

Technologia gazyfikacji polega na wytlewaniu, pirolizie i gazyfikacji biomasy celem wytwarzania pirolitycznego gazu drzewnego i w�glowego, słu��cego do nap�du silników spalinowych poruszaj�cych generatory pr�du elektrycznego. Do gazyfikacji wykorzystuje si� m. in. zr�bki drzewne, granulowan� słom� lub granulowane odpady organiczne. Istniej�ce technologie wymagaj� stosowania biomasy o małej zawarto�ci cz��ci popielnych. W Polsce technologia pirolizy i gazyfikacji drewna jest stosowana od kilku lat. Mi�dzy innymi zakłady WUSP - MET w Pleszewie i zakłady maszynowe HAMECH w Hajnówce produkuj� zestawy energetyczne typu UZE o wydajno�ci cieplnej od 25 kW do 197kW. Zestawy te s� przystosowane do paliw w postaci trocin, wiórów, zr�bków, rozdrobnionej kory i innych drewnianych odpadów. Produktem zgazowania drewna jest mieszanina gazów palnych, zawieraj�ca tlenek w�gla (CO), wodór (H2) oraz metan (CH4). Specjalistyczne kotły do gazyfikacji mokrego drewna w kłodach lub zr�bków drzewnych wymieszanych z osadami �ciekowymi produkuje przedsi�biorstwo FUWI w Elbl�gu.

2.3. Kotły do spalania drewna Kotły do spalania drewna produkowane s� w Polsce przez wielu producentów. Najbardziej znane to firma KUBACKI w Hajnówce produkuj�ca kotły typu MODERATOR, przedsi�biorstwo WUSP -MET, firma FUWI w Elbl�gu. Ocenia si�, �e na rynek trafiło ju� ponad 16000 kotłów dostosowanych do efektywnego spalania drewna o ł�cznej mocy pow. 600 MW. Obserwuje si� te� szereg interesuj�cych obiektów pilotowych m. in. w Kliniskach k/Szczecina (0,8MW), Rychlikach k/Elbl�ga (3 MW), Wejherowie (2 MW). Post�p w dziedzinie energetycznego wykorzystania drewna odpadowego jest w Polsce znaczny. 2.4. Przykładowe rozwi�zanie konstrukcyjne kotła do spalania drewna

Rys.132. Nowoczesny piec do spalania biopaliwa pochodz�cego z drewna

�ródło: http://www.elektron.pl/~dakowy/

199

Kocioł jest konstrukcj� dwukomorow�. Komora pierwsza jest komor� spalania, a komora druga – dopalania i wymiany ciepła. Du�a komora spalania daje mo�liwo�ci palenia z nominaln� moc� przez 6-8 godzin. Przy dobrze ocieplonym domu, przy temperaturze powietrza zewn�trznego ok.0°C załadunek kotła wystarcza nawet na 12 godz.

Kotły na biomas� maj� wielk� powierzchni� wymiany ciepła: �ciany wodne, ruszt wodny, dwie komory spalania przedzielone �cian� wodn�, w drugiej komorze rurowy wymiennik ciepła dostosowany do pracy ze spalinami o ni�szej temperaturze. Droga przepływu �rodka chłodz�cego (zwykle jest nim woda) jest tak obliczona, by nie nast�powało zjawisko ”warczenia” kotłów, tj. lokalnego zagotowania si� wody. Konstrukcja komory spalania i górnego zasypu umo�liwia łatwy ładunek du�ych kawałków drewna, które mo�na przesypywa� wiórami lub trocinami dla uzyskania wi�kszej masy przy jednorazowym załadunku. Ze wzgl�du na du�� sprawno�� (ponad 85% �redniosezonowo) kocioł ten zu�ywa od dwóch do trzech razy mniej drewna ni� popularne kotły w�glowe (przy ich opalaniu drewnem). System dopalania spalin (tj. kontrolowania wpuszczania powietrza wtórnego) powoduje, �e znacznie maleje emisja tlenku w�gla CO, w�glowodorów i sadzy, a sprawno�� ro�nie o par� punktów procentowych. Ogranicza to do minimum zjawisko ”zarastania” kotła i komina sadz� czy smoł�. 2.5. Piec MS

Dobrym przykładem na wykorzystanie biomasy w ogrzewaniu pomieszcze� jest piec MS. Od tradycyjnych pieców piec MS ró�ni wiele wa�nych cech, m.in.: jest on zbudowany ze specjalnie dobranych i obrobionych kamieni. Wn�trze pieca jest wykonane w sposób gwarantuj�cy maksymalne wykorzystanie ciepła zawartego w powietrzu i dymie co powoduje oszcz�dno�� ciepła do 80% w porównaniu z tradycyjnymi piecami. W wyniku podwójnego spalania, dym wychodz�cy z komina jest o wiele czy�ciejszy.

Piec MS z powodu swojej wysokiej masy (ok. 3 tony)

i ekstensywnego systemu rozprowadzania ciepła jest najbardziej efektywn�, ekologiczn�, ekonomiczn� i bezpieczn� metod� wykorzystania energii drewna opałowego. Spalaj�c 12 – 15 kg drewna na dob� mo�na ogrza� 100 – 125 m2 powierzchni mieszkalnej (rozpalaj�c ogie� tylko raz dziennie). Ekstensywne i stałe rozprowadzanie ciepła o temperaturze 35 – 50°C powoduje, �e piec ten nie stanowi zagro�enia dla usytuowanych obok mebli lub

innych sprz�tów. Dodatkowo istnieje szereg innych funkcji, do których mo�e by� wykorzystany piec MS. S� to mi�dzy innymi: ogrzewanie wody, instalacja ogrzewania podłogowego, mo�liwo�� wykorzystania górnego paleniska do pieczenia ciast b�d� suszenia owoców.

2.6. Kotłownie Golem

Kotłownie typu Verner - Golem, o mocy od 90 do 2500 kW, przeznaczone s� do ogrzewania wody lub wytwarzania pary wodnej. Surowiec mo�na dostarcza� do kotła automatycznie - z silosu, przy czym jego wielko�� zale�y od warunków i potrzeb odbiorcy energii cieplnej.

Kotły skonstruowane s� w ten sposób, �e proces spalania zachodzi ju� w przedsionkach, które zaopatrzone s� w wyci�gi. Umo�liwia to rozpocz�cie procesu spalania bez udziału kotła głównego,

Rys.133. Piec MS

200

co tym samym obni�a koszty inwestycji. Kocioł ten wyposa�ony jest w automatyczn� regulacj� wydajno�ci i regulacj� procesu spalania. Posiada zarówno automatyczny zapalnik jak i urz�dzenie do automatycznego usuwania popiołu. Tym samym obsługa jego wymaga minimum czasu i nakładu pracy. W kotle wyró�ni� mo�na pierwotny obieg wody, który gwarantuje minimaln� temperatur� wody w biegu powrotnym. Obieg wody zamyka zwrotnica hydrauliczna. Zwrotnica ta słu�y do wyrównywania poziomów mi�dzy obiegiem wody a systemem grzewczym, do którego podł�czony jest kocioł. 2.6.1. Paliwo

Paliwem jest drewno w postaci trocin i wiór o wielko�ci do 30x30x80 mm, o wilgotno�ci do 50%. Spalanie innych surowców naturalnych, np. siana i słomy nale�y skonsultowa� z producentem. Konstrukcja kotła umo�liwia spalanie surowców lepkich, np. kory i niektórych rodzajów słomy, tzn. takich surowców, które wytwarzaj� szlak�.

2.6.2. Zastosowania kotłowni Golem Kotły przystosowane s� do spalania trocin, wiór i wilgotnych zr�bków. Stosuje si� je przede wszystkim do ogrzewania wody centralnego ogrzewania, jak równie� do ogrzewania wody u�ytkowej. Kotły mo�na ł�czy� kaskadowo a� do uzyskania mocy 5000 kW. Mo�na te� instaluj�c je podnie�� wydajno�� ju� zainstalowanych kotłów gazowych lub olejowych, które słu�� do centralnego ogrzewania całych wsi b�d� dzielnic. 2.6.3. Budowa kotłów GOLEM Kocioł składa si�: - �limakowego podajnika materiału opałowego - palnika - komory dopalania - wyci�gu z wentylatorem i instalacj� rozdzielcz� z filtrami - urz�dzenia do usuwania popiołu Do osprz�tu nale�y te� elektryczny rozdzielacz zapłonu i jednostka hydrauliczna. Cały proces spalania mo�e by� regulowany. Materiał opałowy ładowany jest do palnika za pomoc� przeno�nika �limakowego. Palnik zaopatrzony jest dodatkowo w osłon� ogniow�, która zapobiega ewentualnemu rozprzestrzenianiu si� ognia do silosu.

201

I palnik II komora dopalania III wymiennik ciepła IV rozdzielnia V zasobnik paliwa - silos VI podajnik paliwa VII odprowadzenie i oczyszczanie spalin VIII agregat hydrauliczny IX popielnik

1 nap�d agregatu hydraulicznego 2 nap�d podajnika paliwa 3 nap�d wentylatora powietrza 4 nap�d rozdrabniacza popiołu 5 nap�d podajnika popiołu 6 nap�d instalacji wyci�gowej

W samym palniku materiał opałowy transportowany jest dalej za pomoc� urz�dzenia podaj�cego. Kora czy odpady drewna zabrudzone kurzem, grudkami ziemi, które ewentualnie ulegałyby spiekaniu, mog� by� bez trudu spalone. Popiół transportowany jest do przygotowanego kontenera.

2.7. Kotły Verner Kotły wodne VERNER opalane drewnem i materiałami drewnopochodnymi to nowoczesne rozwi�zanie dla domu, przedsi�biorstwa, hotelu lub pensjonatu. Stanowi� �ródło ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody u�ytkowej. W zale�no�ci od potrzeb mog� pracowa� w instalacjach z obiegiem grawitacyjnym jak i wymuszonym.

202

Rys.134. Zdj�cie przedstawiaj�ce kotłowni� typu Verner o mocy 1MW

Tradycyjne kotły opalane drewnem osi�gn�ły kres swoich mo�liwo�ci rozwojowych. Zwi�kszenie wydajno�ci spalania paliwa przy jednoczesnym zmniejszeniu jego zu�ycia okazało si� mo�liwe dzi�ki zastosowaniu procesu destylacji pirolitycznej, czyli wytworzeniu gazu drzewnego z masy drzewnej. Konstrukcja kotłów VERNER oparta została na zasadzie wysokotemperaturowego spalania kalorycznego gazu drzewnego. Proces spalania przebiega w trzech etapach, z których ka�dy zachodzi w odr�bnej strefie kotła:

1. Wysuszanie i zgazowanie drewna w komorze załadowczej. 2. Spalanie gazu w dyszy, do której doprowadzane jest

podgrzane powietrze wtórne. 3. Dopalanie gazu w komorze spalania.

System spalania gazu drzewnego gwarantuje wysok� skuteczno�� kotłów VERNER si�gaj�c� 89%, umo�liwia równie� płynne regulowanie ich wydajno�ci w zakresie od 40% do 100%.

203

2.7.1. Budowa kotłów

Korpus kotła zbudowany jest z wysokiej jako�ci spawanej blachy kotłowej. Wszystkie powierzchnie kotła, maj�ce kontakt z materiałem opałowym, ogniem i produktami spalania maj� grubo�� od 5 mm do 8 mm. Pozostałe �ciany kotła maj� grubo�� od 3 mm do 4 mm. Ze wzgl�du na wysok� temperatur� spalania gazu, komora spalania i dysza zbudowanie s� ze specjalnego ognioodpornego betonu w celu ochrony stalowych �cian kotła przed wysok� temperatur�, a tym samym do wydłu�enia jej �ywotno�ci. 2.7.2. Obsługa Wi�kszo�� czynno�ci zwi�zanych z obsług� wykonuje si� tylko raz, podczas rozpalania w kotle, na pocz�tku sezonu grzewczego. Ilo�� materiału opałowego, którym wypełniona jest komora spalania, wystarcza przy �redniej wydajno�ci na 8 do 12 godzin. Przy przeł�czeniu na rezerw� ciepln� kocioł mo�e funkcjonowa� bez jakiejkolwiek obsługi do 24 godzin. Po upływie tego czasu kocioł automatycznie przeł�czy si� na prac� z pełn� wydajno�ci�. Prac� kotła Verner steruje regulator mikroprocesorowy.

Tab.31. Dane techniczne kotłów Verner V20E V25 P45 G75 Moc kotła [kW] 20 25 45 75 Pojemno�� wodna [l] 55. 60 95 175 Maksymalne ci�nienie robocze [kPa] 200 300 200 200 Obj�to�� komory załadowczej [m3] 0,13 0,18 0,183 0,3 Masa [kg] 410 415 550 840 Przeci�tne zu�ycie paliwa w sezonie [m3] 15 18 27 45

2.8. Piece kominkowe Piece kominkowe serii Golemek firmy Verner opalane drewnem i brykietami drzewnymi stanowi� główne lub wspomagaj�ce �ródło ciepła dla mieszka�, domów, domków rekreacyjnych itp. Piece bez wodnego wymiennika ciepła (6/0, 9/0, 9/0M) ogrzewaj� pomieszczenia poprzez emisj� ciepła cał� swoj� powierzchni�. Piece, w wersji z wodnym wymiennikiem ciepła (6/3, 9/5, 9/5M, 12/7, 16/11), przekazuj� 40% ciepła swoj� powierzchni� do pomieszczenia, w którym zostały zainstalowane. Pozostałe 60% ciepła przekazywane jest poprzez wewn�trzny, wodny wymiennik ciepła do instalacji centralnego ogrzewania. W ten sposób piecem mo�na ogrzewa� nast�pne pomieszczenia lub podgrzewa� wod� w zasobniku wody u�ytkowej. Budowa piecyków kominkowych GOLEMEK umo�liwia zamontowanie wodnych wymienników ciepła w modelach 6/0, 9/0 i 9/0M. Dzi�ki temu zawsze mo�na podł�czy� piec kominkowy do systemu c.o., gdy oka�e si� to niezb�dne. Piece kominkowe mog� pracowa� w instalacjach z obiegiem grawitacyjnym i wymuszonym. Współpracuj� z kotłami działaj�cymi w systemie zamkni�tym

204

Piece kominkowe dostosowane s� do instalacji systemu otwartego, jednak wi�kszo�� obecnie pracuj�cych systemów grzewczych działa w systemie zamkni�tego obiegu czynnika grzewczego. Piece kominkowe tej serii, z wodnym wymiennikem ciepła mog�, by� doskonałym, alternatywnym lub wspomagaj�cym �ródłem ciepła w tego typu systemach. Przył�czenia pieca kominkowego do systemu zamkni�tego mo�na dokona� za pomoc� płytowego wymiennika ciepła lub zbiornika akumulacyjnego. Zastosowanie płytowego wymiennika ciepła jest rozwi�zaniem cz��ciej stosowanym ze wzgl�du na ponoszone koszty jak i gabaryty urz�dzenia. Ciepło, pochodz�ce z piecyka kominkowego, przekazywane jest, poprzez

płytowy wymiennik ciepła, do zamkni�tego systemu grzewczego obni�aj�c moc lub wył�czaj�c prac� zainstalowanego tam pieca gazowego.

205

Tab.32. Dane techniczne pieców kominkowych 6/0 6/3 9/0,9/0M 9/5,9/5M 12/7 16/11 Moc znamionowa [kW] 5 6,5 8 9 12 16 Moc wymiennika wodnego [kW] - 3 - 5 7 11 Sprawno�� [%] 79 80 80 80 80 80 Zu�ycie paliwa [kg/h] 1,6 2,0 2,5 3,5 3,6 4,9 Pojemno�� wodna wymiennika [l] - 1,5 - 4,5;5,5 6 6 Obj�to�� komory załadowczej[l] 33 40 60 60 Powierzchnia grzewcza [m3] 80 180 190 250 330 Masa [kg] 117 120 150 160 195 220 2.8.1. Bezpiecze�stwo

Piece kominkowe Golemek, posiadaj� zabezpieczenie przed przegrzaniem. Do tej niebezpiecznej sytuacji mo�e doj�� w przypadku gdy system centralnego ogrzewania nie mo�e odebra� ciepła wyprodukowanego przez piecyk. Prostym, a jednocze�nie niedrogim, rozwi�zaniem jest wymiennik chłodzenia awaryjnego zamontowany wewn�trz wodnego wymiennika ciepła, podł�czony do zimnej wody u�ytkowej oraz zawór termiczny. W momencie wzrostu temperatury wody grzewczej ponad 95oC zawór termiczny otwiera dopływ zimnej wody, która przepływaj�c przez wymiennik chłodzenia awaryjnego odbiera nadmiar ciepła z piecyka. 3. Słoma jako biopaliwo

W Polsce produkuje si� ok. 25mln. ton słomy (równowa�ne z 12,5 mln. ton w�gla). Pierwsza w Polsce du�a kotłownia c.o. na słom�, wzorowana na rozwi�zaniach du�skich, uruchomiona została 26 pa�dziernika 1996r. w osiedlu Zielonki we wsi Szropy w gminie Stary Targ k/Malborka. Kotłownia ogrzewa 450 mieszka�. Zastosowano tam 2 du�skie kotły DANSTOKER, ka�dy o mocy 500 kW. Wykorzystuje si� słom� w prasowanych balotach o wymiarach 2x1x0,85m, która podawana jest w sposób ci�gły i automatyczny. Popiół i �u�el stanowi� 3,5% masy spalonej słomy. Na bie��co kontroluje si� jako�� spalin. Zatrudnionych jest dwóch robotników obsługi na jednej zmianie. W sezonie grzewczym 1996/97 koszt zakupu słomy wyniósł 57000 zł, a koszt w�gla wyniósłby 169000 zł, a wi�c ogrzewanie jest 3 razy ta�sze, ni� przed modernizacj� kotłowni w�glowej. Okres spłaty zaci�gni�tych kredytów wyniósł 4 lata. Koszt wytwarzanego ciepła ze słomy to ok. 7zł/GJ, z miału w�glowego 14zł/GJ, z w�gla kamiennego 28zł/GJ. Kotłownia na słom� o podobnych parametrach jak w Zielonkach (1MW) powstała na pocz�tku roku 1997 w Grabowcu k. Zamo�cia (1MW), a w połowie roku 1997 w Czerninie k. Malborka (3MW). Nieco pó�niej wybudowano kotłowni� na słom� w Lubaniu (8MW). Oryginalne polskie rozwi�zanie zastosowano w kotłowni na słom� we wsi Wieniec na wyspie Sobieszewskiej k/Gda�ska (0,6MW). Powstało te� szereg �redniej wielko�ci kotłowni na słom� produkcji firmy GRASO ze Starogardu Gda�skiego, s� to kotłownie w B�czku k. Starogardu Gda�skiego (0,6MW), w Kamienniku k/Elbl�ga (0,3 MW) i w Trutnowach k/Tczewa (0,3 MW). Kotłownie zastosowane w B�czku, Kamienniku i w Trutnowach wykorzystuj� słomiane baloty cylindryczne o �rednicy 1,5m i wys. 1,2m Spalanie odbywa si� systemem wsadowym ,bez ci�głego zadawania paliwa. Do kotła dostarcza si� jednocze�nie 2 baloty, a czas palenia "Cygarowego" wynosi 4-9 godz., zale�nie od temp. powietrza zewn�trznego. W Kamienniku ogrzewa si� osiedle obejmuj�ce 82 mieszkania, w B�czku ogrzewa si� chlewni� o obsadzie 6000 �wi�. Firma Graso oferuje te� kotły na słom� o mocy 350 kW. lub mniejsze.

206

Produkuje si� te� w Polsce małe kotły na słom� o mocy 50-60kW dla gospodarstw wiejskich. Jednym z producentów jest Energomonta� w Gda�sku (45kW) ,innym METALERG z Oławy k/Wrocławia (60kW). Współcze�nie w Polsce pracuj� 24 kotłownie na słom� o du�ej mocy (>500kW) i ok. 150 kotłowni mniejszych (<500kW), ł�cznie o mocy ok. 55MW.

Najwi�ksze znaczenie dla rozwoju energetyki cieplnej wykorzystuj�cej słom� ma stanowisko Wojewódzkich Funduszy Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej. Rozwój obserwuje si� tylko w tych regionach kraju, gdzie WFOIGW wspiera podejmowane inicjatywy eliminacji emisji zanieczyszcze� pyłowych i gazowych z niskich kominów do powietrza atmosferycznego poprzez substytucje brudnego w�gla przez czyst� słom�. 3.1. Kotły małej mocy na słom�

Rys.135. Piec z podajnikiem słomy Rys.136. Piec na słom� firmy Metalerg Kotły małej mocy przystosowane s� do spalania balotów o ci��arze do 12 kg . Obsługa kotłów jest bardzo prosta. Do kotłów o mocy do 100 kW ładuje si� r�cznie małe baloty o wadze do 12 kg od 2 do 6 sztuk nie cz��ciej ni� trzy razy na dob�. W okresie letnim jeden wsad słomy zapewnia wystarczaj�c� ilo�� ciepła do produkcji ciepłej wody u�ytkowej na dob�. Aby zminimalizowa� obsług� w układzie c.o. musi by� zainstalowany zbiornik akumulacyjny, gromadz�cy ciepł� wod� na c.o. i c.w.u.. Wielko�� zbiornika dobiera si� do wielko�ci kotła. Sprawno�� kotłów na paliwo w balotach nie przekracza 80%. Niestety wad� tego typu kotłów jest wymóg podawania słomy dobrze wysuszonej. Wilgotno�� balotu nie mo�e przekroczy� 20%. Baloty nadmiernie wilgotne b�d� spalane jedynie cz��ciowo. Ponadto warto�� energetyczna zawilgoconych balotów mo�e si� zmniejszy� nawet do 8 MJ/kg (czyli prawie o 50%). Tak zawilgoconego paliwa nie powinno si� podawa� do spalania. 3.2. Kotłownie du�ej mocy

Na polskim rynku dost�pne s� kotły du�ej mocy (100÷500 kW) na słom� podawan� do nich

w balotach, oraz kotły na słom� rozdrobnion� do 1MW. Spalanie biomasy w kotłach na słom� rozdrobnion� nie wymaga stosowania dobrze przesuszonego paliwa. Ponadto pozwala na zastosowanie nowoczesnych rozwi�za� podaj�cych i steruj�cych spalaniem. Sprawno�� kotłów

207

du�ej mocy wynosi około 85% przy płynnej regulacji mocy od 20% do 100%. Przy kotłowniach na słom� du�ej mocy pojawia si� problem z zapewnieniem dostaw paliwa. Przy kotłowni 1 MW konieczne jest zabezpieczenie paliwa w ilo�ci około 1000-1100 ton na sezon grzewczy.

Rys.137. Schemat technologiczny kotłowni opalanej biomas� kocioł EKO GOS-600 z ci�głym

spalaniem słomy rozdrobnionej wg projektu PP-U "ENERGO” 1-podajnik, 2-rozdrabniacz, 3-podajnik �limakowy, 4-dozownik, 5-kocioł EKO GOS 600, 6-wygarniacz popiołu, 7-odpylacz spalin, 8-ekonomizer, 9-wentylator, 10-komin

Tab.33. Dane techniczne

Znamionowa moc cieplna kW 600 Sprawno�� % powy�ej 80 Pojemno�� wodna kotła m3 1,9 Temperatura wody na wej�ciu do kotła oC 70 Temperatura wody na wyj�ciu z kotła oC 90 Dopuszczalne ci�nienie MPa 0,2 Paliwo - słoma Warto�� opałowa kJ/kg 15000 rednie zu�ycie przy nominalnej mocy cieplnej kg/h 42

Zalety wykorzystania słomy do celów energetycznych: - Redukcja emisji CO2, SO2, NOx , - Redukcja palenia słomy na polach-unikni�cie wielu po�arów i degradacji naturalnego

�rodowiska, - Wysoka sprawno�� urz�dze�, - Zmniejszenie nakładów robocizny przy obsłudze kotłów (nakładanie paliwa jedynie na stół

podawczy, zapas na 6-8 godzin), - Okresowe czyszczenie kotła ( np. kocioł 1 MW wymaga czyszczenia raz na tydzie�), - Zakres pracy kotła od 20% do 100%, - Znaczne zmniejszenie kosztów produkcji 1 GJ, - Wykorzystanie lokalnego, odnawialnego �ródła energii, - Poprawa opłacalno�ci produkcji rolniczej, - Dodatkowe miejsca pracy dla ludno�ci lokalnej przy dostawie paliwa, - Zwi�kszenie bezpiecze�stwa energetycznego, - Dopływ na lokalny rynek pieni�dzy za produkcj� biopaliwa. 3.3. Wnioski

Słoma mo�e stanowi� powa�ne �ródło energii nie wpływaj�ce ujemnie na efekt cieplarniany

pod warunkiem utrzymania jej wilgotno�ci na poziomie nie wy�szym ni� 25%. Najlepiej, aby paliwo było jak najbardziej suche, wtedy podczas spalania nie wydziela si� tlenek w�gla, wzrasta sprawno�� spalania i nie pojawiaj� si� problemy z podawaniem paliwa do kotła.

208

Zastosowanie biomasy zmniejsza koszty produkcji ciepła i wpływa dodatnio na poziom �ycia ludno�ci lokalnej, poprawia opłacalno�� produkcji rolniczej i znacznie zmniejsza zagro�enie po�arowe. W 2003 roku słoma mogłaby dostarczy� 237 PJ (5% zapotrzebowania gospodarki w energi�). Niestety w Polsce wykorzystuje si� nadal od 1,5%-2% energii z biomasy. Koszty inwestycyjne s� wysokie, ponad dwukrotnie wi�ksze ni� przy kotłowni na gaz. Aby my�le� o wi�kszym wykorzystaniu biomasy nale�y we wła�ciwy sposób przygotowa� program finansowy inwestycji. Jednocze�nie konieczne jest stworzenie przez rz�d RP dogodnych form finansowania inwestycji zwłaszcza dla rolników, których zdolno�� kredytowa jest generalnie niezadowalaj�ca. 4. Osady �ciekowe (analog torfu) i kotły na osady �ciekowe Podejmuje si� próby energetycznego wykorzystania osadów �ciekowych, których parametry zbli�one s� do torfu. Osadów �ciekowych i przemysłowych odpadów organicznych powstaje w Polsce ok. 2,5 mln ton suchej masy rocznie, z czego palnych i wyselekcjonowanych odpadów organicznych na składowiskach odpadów komunalnych ok. 0,4 mln ton rocznie. Du�e ilo�ci odpadowej biomasy powstaje w przemy�le celulozowo-papierniczym. W Polsce powstaje rocznie ponad 1 mln ton suchej masy odpadów, głównie w postaci �cieków ligninowych w ługach warzelnych. Wytwarza si� z nich m.in. du�e ilo�ci energii elektrycznej za pomoc� turbin parowych na ogół o mocy 15 MWe, zasilonych przez kotły stosuj�ce spalanie drewna odpadowego, kory, odpadowej makulatury i �cieków ligninowych (m.in w wiecku, Kwidzynie i Ostroł�ce). Oszcz�dza si� w ten sposób rocznie około 0,1 mln ton w�gla, zast�puj�c go przez odpadow� biomas�. Przemysł papierniczy dysponuje nast�puj�cymi zasobami biomasy : - kora i drewno odpadowe - 455 tys. ton/rok - osady z oczyszczalni - 96 tys. ton/rok - odrzuty i osady z recyklingu papieru - 230 tys. ton/rok - bezu�yteczna makulatura nadaj�ca si� do spalenia - 930 tys. ton/rok Energetyczne wykorzystanie osadów �ciekowych ma miejsce m.in. w oczyszczalni �cieków Gdynia-D�bogórze, gdzie zbudowano spalarni� osadów �ciekowych o mocy 4 MW, przepustowo�ci 10-20 ton suchej masy osadów na dob� i dostarczaj�c� energi� ciepln� do suszarni osadów o mocy 2 MW. Gazyfikacj� i spalanie gazowe osadów �ciekowych w kotłowniach centralnego ogrzewania stosuje si� w mniejszych oczyszczalniach �cieków w pirolitycznych kotłach FUWI o mocy 0,2 MW. Urz�dzenia do pirolizy osadów �ciekowych pracuj� m.in. w oczyszczalniach �cieków w Swarzewie k/Pucka, Radziejowie k/Konina, Brzozowie k/Krosna, Makowie k/Ciechanowa, Gostyninie k/Płocka. Mo�na te� osady miesza� z suchym miałem w�glowym (25% miału, 75% osadu). Urz�dzenia do gazyfikacji osadów �ciekowych s� bardzo ekonomiczne. Roczny koszt zaoszcz�dzonego w�gla równa si� cenie 1 kotła c.o. o mocy 200 kW zainstalowanego w Swarzewie. Emisje zanieczyszcze� okazały si� mniejsze ni� z konwencjonalnych kotłów gazowych. Projektowane jest energetyczne wykorzystanie osadów w Szczytnie. Produkuje si� tu 3 tony suchej masy osadu na dob�, z którego mo�na odzyska� ok. 200 kWc jako energii cieplnej w instalacji c.o. Pełna linia technologiczna do termicznej utylizacji osadów �ciekowych z miasta zamieszkałego przez kilkadziesi�t tys. mieszka�ców kosztuje około 3 mln zł.

209

5. Biogaz z oczyszczalni �cieków

Najcz��ciej stosowanym rozwi�zaniem w małych agroelektrowniach jest wykorzystywanie biogazu do nap�du silników spalinowych nap�dzaj�cych generatory pr�du elektrycznego. Rozwi�zanie takie zostało wdro�one m.in. w Bielsku Białej przez dr M. Rutkowskiego z IBMER w Krakowie. Zastosowano tu urz�dzenie pr�dotwórcze o mocy ok. 100 kW(e) zasilane biogazem z miejskiej oczyszczalni �cieków. Biogaz do silnika spalinowego dopływa z komór fermentacyjnych. Wytwarzana energia elektryczna zasila pompy w oczyszczalni, co pozwala zaoszcz�dzi� 25-30% poboru energii z sieci elektroenergetycznej. Ciepło uzyskiwane z chłodzenia silników słu�y do ogrzewania komór fermentacyjnych i pomieszcze� biurowych. W przeci�gu dwóch lat zaoszcz�dzono na zakupach pr�du elektrycznego 100 tys. zł oraz zaoszcz�dzono 160 ton w�gla. Inwestycja zwróciła si� w przeci�gu dwóch lat. Podobne rozwi�zanie zastosowano w Olsztynie, Cz�stochowie, Zamo�ciu, Sosnowcu, Krakowie, gdzie produkcja energii elektrycznej z biogazu oczyszczalni �cieków kształtuje si� na poziomie 50 MWh i pozwala na pokrycie potrzeb energetycznych oczyszczalni miejskiej w wysoko�ci 26%. Biogazownie komunalne wykorzystuj�ce osady �ciekowe stanowi� w Polsce 29 instalacji o mocy około 40 MW, w tym 72 GWh energii elektrycznej. 5.1. Gospodarka energi� elektryczn� i ciepłem na przykładzie oczyszczalni

�cieków „Kujawy" w Krakowie 5.2. Wst�p

Racjonalne wykorzystanie energii ze �ródeł odnawialnych jest jednym z istotnych elementów obni�enia kosztów działalno�ci MPWiK S.A. w Krakowie. Jest to szczególnie istotne, gdy� koszty te przekładaj� si� bezpo�rednio na opłaty ponoszone przez mieszka�ców za dostaw� wody i odbiór �cieków. Przykładem instalacji wykorzystuj�cej energi� odnawialn� jest system ogrzewania i wytwarzania energii elektrycznej na Oczyszczalni cieków „Kujawy". Nazwa „Kujawy" pochodzi od nazwy przysiółka gdzie jest zlokalizowana. Obecnie jest to ulica Dymarek. Budow� oczyszczalni rozpocz�to w latach 80, a pierwszym inwestorem była Huta im. Lenina (obecnie Sendzimira). MPWiK S.A. przej�ło rozpocz�t� inwestycj� od Miasta w 1995 roku. 5.3. Opis działania oczyszczalni

Dopływaj�ce do oczyszczalni �cieki poddawane s� oczyszczaniu mechanicznemu polegaj�cemu na wytr�caniu zawiesiny mineralnej /piasku/ i tłuszczu w napowietrzanym piaskowniku a nast�pnie oddzielaniu zanieczyszcze� pływaj�cych na kratach oraz wytr�caniu zawiesiny łatwo opadaj�cej poprzez sedymentacj� w osadnikach wst�pnych. cieki pompowane s� do osadników wst�pnych poprzez komor� rozdzielcz� a nast�pnie przepływaj� do komór osadu czynnego gdzie prowadzony jest proces w reaktorze przepływowym z wydzielonymi komorami: beztlenow�, niskotlenow� i tlenow� z wewn�trzn� recyrkulacj�. Osad wtórny jest cz��ciowo zawracany pompami recyrkulacyjnymi na pocz�tek komór osadu czynnego stanowi�c �yw�, czynn� biologicznie kultur� bakteryjn�, dla której �ródłem po�ywienia s� �wie�e, napływaj�ce z osadników wst�pnych �cieki. Nadmiar osadu wtórnego jest zag�szczany mechanicznie. Podobnie te� osad wst�pny z osadników wst�pnych jest zag�szczany w zag�szczaczu grawitacyjnym. Oba osady tj. wst�pny i wtórny zag�szczone s� do uwodnienia ok. 95 %, a nast�pnie pompowane do wydzielonych komór fermentacyjnych i poddawane fermentacji trwaj�cej �rednio ok. 22 dni. Przefermentowany osad poddawany jest ko�cowemu odwadnianiu na prasach ta�mowych i gromadzony na lagunach osadowych, natomiast biogaz ujmowany w komorach fermentacyjnych.

210

Po odsiarczeniu gromadzony on jest w zbiorniku i u�ywany do zasilania generatorów pracuj�cych w układzie kogeneracji oraz kotłowni. Nadmiar biogazu spalany jest w pochodni. 5.4. Wytwarzanie biogazu

Biogaz jest wytwarzany w czterech wydzielonych komorach fermentacyjnych o pojemno�ci 2800 m3 ka�da i jednostkowej wydajno�ci 100 m3. Ł�czna wydajno�� oczyszczalni przy uwzgl�dnieniu aktualnego przepływu �cieków wynosi 260 m3 /h. Nadmiar biogazu jest magazynowany w zbiorniku o pojemno�ci 330 m3.

Skład biogazu otrzymywanego w procesie fermentacji osadów w Oczyszczalni „Kujawy": - metan [CH4] - 65% - dwutlenek w�gla [CO2 ] - 35% - zawarto�� siarkowodoru [H2S] - 47 mg/ m3

Warto�� opałowa uzyskiwanego biogazu jest wy�sza ni� pierwotnie zakładano. Przy zało�eniach 22 MJ z l m3 uzyskana 23,8 MJ. W zwi�zku z powy�szym z l m3 biogazu otrzymano 4,6 kW energii elektrycznej lub cieplnej przy zakładanej wydajno�ci 4 kW. Biogaz jest poddawany odsiarczaniu w odsiarczalni pracuj�cej na bazie rudy darniowej. Uzyskiwany biogaz jest wykorzystywany do zasilania generatorów oraz kotłowni gazowej. 5.5. Generatory zasilane biogazem W oczyszczalni zamontowano trzy jednostki kogeneracyjne wyposa�one w silniki gazowe 6 cylindrowe z zapłonem iskrowym wyposa�one w turbospr��ark� oraz układ chłodzenia gazu. Z jednej jednostki uzyskuje si� 292 kW mocy cieplnej i 173 kW mocy elektrycznej. Silnik pracuje w oparciu o mieszank� zubo�on�. Sprawno�� agregatu CHP wynosi ok. 90% i gwarantuje wymierne korzy�ci ekonomiczne na poziomie kilkuset tysi�cy złotych oszcz�dno�ci rocznie. W chwili obecnej realizowane s� trzy kolejne dostawy agregatów pr�dotwórczych, ka�dy o mocy 345 kWe, z odzyskiem ciepła, spalaj�ce biogaz oczyszczalniany.

211

odbiorcy

sie� odbiorcza niskiego napi�cia

poł�czenia z sieci� Zakładu Energetycznego

pole wył�czników gł. generatorów

pole generatora

pole generatora

pole nap�dów pomocniczych

drukarka

modem

zdalny nadzór

Szafa steruj�ca modułu umo�liwia: • sterowanie • monitoring • pomiary • synchronizacj� • zabezpieczenie generatora • zabezpieczenie silnika • zabezpieczenie sieci

Pole sterowania nadrz�dnego • sterowanie obiektem • wybór trybów pracy • podział obci��enia • transmisja danych

Moduł 1

Moduł 2

Rys.138. Sposób poł�czenia dwóch modułów pracuj�cych równolegle z sieci� energetyczn�.

�ródło: A.Buczak, CES sp. z o.o. Kraków 6. Biogaz wysypiskowy z odpadów Trudno jest oszacowa� zasoby biogazu, mo�liwego do pozyskania z wysypisk odpadów. W roku 2003 było w kraju 786 zorganizowanych wysypisk o ł�cznej powierzchni 2845 ha. Z powierzchni wysypiska 15 ha i rocznej masy składowanych odpadów wynosz�cej 180 tys. ton, mo�na uzyska� rocznie 20-60 GWh energii cieplnej. Okres eksploatacji wysypiska trwa przeci�tnie 10-20 lat. Z pocz�tkiem lat dziewi��dziesi�tych rozpocz�to w Polsce projektowanie i instalacj� pierwszych urz�dze� do odgazowywania wysypisk. Na koniec roku 2003 czynnych było 19 instalacji, z których cz��� wykorzystywała biogaz do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Na wysypisku w Bydgoszczy pracuje instalacja z agregatami pr�dotwórczymi o mocy 300 kWe, w Poznaniu o mocy 400kWe, w Grudzi�dzu 100 kWe, w Koszalinie 100 kWe, w Gda�sku 400 kWe. Projektuje si� te� podobne wykorzystanie gazu wysypiskowego w Krakowie, Katowicach, Lublinie, Warszawie i Kra�niku. W warunkach polskich instalacja odgazowuj�ca wysypisko i zasilaj�ca agregaty pr�dotwórcze o mocy 400 kWe kosztuje około 2 mln zł. W Polsce pracuje 19 instalacji biogazowych na gaz wysypiskowy o ł�cznej mocy 13 MW, produkuj�c około 40 GWh energii elektrycznej i cieplnej.

212

Rys.139. Schemat biogazowni na składowisku odpadów komunalnych.

W skład biogazu wchodzi głównie metan CH4 (około 60%) i dwutlenek w�gla CO2 (około

40%). Poniewa� drugi z głównych składników mieszaniny jest niepalny, warto�� energetyczna tego biopaliwa jest odpowiednio ni�sza. Uj�cie biogazu z wysypiska komunalnego wymaga instalowania odpowiednich szybów, przez które gaz jest zasysany. Gaz ten mo�e by� wykorzystywany do celów grzewczych lub do wytwarzania energii elektrycznej. Istniej� specjalne turbiny przystosowane wła�nie do nap�dzania gazem z wysypiska. Du�e wysypisko odpadów mo�e po odpowiedniej rekultywacji wytwarza� biogaz o stosukowo stałym strumieniu przez blisko 20 lat. Biogaz o du�ej zawarto�ci metanu (powy�ej 40%) mo�e by� u�yty jako paliwo w turbinach gazowych oraz w jednostkach do produkcji energii w cyklu skojarzonym lub tylko do wytwarzania energii cieplnej zast�puj�c gaz ziemny lub propan butan. Podobnie powstaje gaz w procesach rozkładu gnojowicy, która stanowi powa�ny problem du�ych ferm hodowlanych i całych gmin. Budowa odpowiednich instalacji do utylizacji gnojowicy mo�e przynosi� nast�puj�ce korzy�ci: – produkcja biogazu do celów grzewczych lub wytwarzania energii elektrycznej – produkcja bionawozu mineralno-organicznego ze szlamu po fermentacji – obni�enie uci��liwo�ci produkcji hodowlanej dla �rodowiska – rozwi�zanie problemu składowania odpadów Systemy fermentacji beztlenowej mog� by� wykorzystywane albo w miejscu powstawania odpadów, albo w scentralizowanych jednostkach, które zbieraj� odpady z okolicznych rejonów. Oba sposoby dotycz� zarówno odpadów zwierz�cych jak i osadów �ciekowych. W Polsce pierwsza metoda dotyczy głównie małych ferm zwierz�cych, a druga - oczyszczalni �cieków.

Wytr�canie odcieków

Systemy monitoringu gazu

Filtry Spr��arka

Pochodnia

Systemy monitoringu

gazu

Przesył do u�ytkownika

Studnie gazowe

Sie� ciepłownicza, kotły gazowe, piece,

suszarnie

Produkcja energii elektrycznej

Procesy technologiczne, sie� gazu ziemnego itp.

Składowisko odpadów

213

7. Elektrownia biogazowa – wysypisko Gdask - Szadółki

Zrealizowana inwestycja jest pierwsz� w województwie gda�skim elektrowni� zasilan� gazem wysypiskowym (biogazem) pozyskiwanym ze składowisk odpadów komunalnych. Gaz wysypiskowy to produkt beztlenowego rozkładu materii organicznej, dominuj�cego składnika odpadów komunalnych. Na powstawanie i tempo tworzenia si� gazu wysypiskowego ma wpływ wiele czynników, do najwa�niejszych zalicza si� skład, wilgotno��, temperatur�, wiek zło�a odpadów, nie mniej istotne s� równie� struktura odpadów, technika składowania i przykrycie wysypiska. Głównym składnikiem gazu wysypiskowego jest metan, którego zawarto��, waha si� najcz��ciej od 40 do 60%. Skład taki pozwala na energetyczne wykorzystanie biogazu.

Generowany z odpadów biogaz, a zwłaszcza główny składnik metan, uwa�any jest za gaz decyduj�cy o wzro�cie ocieplenia globalnego atmosfery i powstania tzw. efektu cieplarnianego. Metanowi przypisuje si� wpływ na wzrost efektu cieplarnianego a� o 20-25 razy wi�kszy ni� innych gazów, składników atmosfery. Inne zagro�enia zwi�zane z powstawaniem biogazu to np. wyst�powanie samozapłonów na składowiskach, niekontrolowane rozprzestrzenianie si� ich i utrudnianie rekultywacji biologicznej po zako�czeniu eksploatacji składowiska. Miejskie wysypisko w Szadółkach jest zlokalizowane około 15 km na zachód od Gda�ska. 7.1. Koncepcja

Wysypisko jest wykorzystywane od 1973 roku. Szacuje si�, �e ogólna ilo�� składowanych odpadów wynosi 6 mln ton, przy zajmowanej powierzchni 56 ha. Obecnie na wysypisku składuje si� odpady z Gda�ska i okolic w ilo�ci 250 tys. ton rocznie.

W 1995 r. zdecydowano si� na energetyczne wykorzystanie biogazu na wysypisku w Gda�sku Szadółkach. Przeprowadzone badania potwierdziły przewidywany skład i ilo�� biogazu. Składa si� on w około 60% z metanu (CH4), w 21-30% z dwutlenku w�gla (C02), 8-9% azotu (N2) i innych gazów. Głównym celem uj�cia biogazu powstaj�cego na wysypisku była redukcja emisji metanu do atmosfery i wykorzystanie go do produkcji energii elektrycznej.

7.2. Wykonanie

W 1995 roku podpisano list intencyjny ze szwedzk� firm� NUTEK / ENERGIMYNDIGHETEN odpowiedzialn� za know-how projektu. Po podpisaniu w 1996 r. umowy kredytowej, na pocz�tku 1997 r. wykonano 39 odwiertów (co 50 m) na zamkni�tej cz��ci wysypiska (15 ha) i przeprowadzono pompowania próbne oraz analiz� mo�liwo�ci wykorzystania powstaj�cego w procesie fermentacji beztlenowej metanu. W 1998 roku rozpocz�to pozyskiwanie metanu i we wrze�niu uruchomiono silnik zapłonowy, wraz z pr�dnic� wykonany przez PZL WOLA o mocy 2 x 200 kW. Aby zapewni� ci�gło�� pracy generatora uzyskuje si� około 190 m3 biogazu na godzin�. Wytwarzany pr�d jest sprzedawany do sieci w cenie 0,18 zł/kWh. Mo�liwo�� wytworzenia energii elektrycznej szacowana jest na 3200 MWh rocznie. Po okresie pierwszych do�wiadcze� przewiduje si� odgazowanie pozostałej cz��ci wysypiska. W najbli�szym czasie planuje si� te� wykorzystanie odpadowego ciepła powstaj�cego przy wytwarzaniu pr�du elektrycznego w generatorach, poprzez zastosowanie wymienników ciepła. Uzyskane ciepło byłoby wykorzystane na własne potrzeby socjalne. Planuje si� równie� wybudowanie szklarni, które byłyby ogrzewane powstaj�cym ciepłem. Przewiduje si�, �e pozyskiwanie biogazu z wysypiska w Szadółkach b�dzie prowadzone przez najbli�sze 20 lat. Wyprodukowana energia elektryczna mo�e zaspokoi� potrzeby energetyczne ok. 200 gospodarstw domowych. Koncepcja i projekt techniczny instalacji wykonany został przez projektantów szwedzkich i polskich. Ze strony szwedzkiej w projekcie uczestniczyła firma KM Miljoteknik z Malmo.

214

Głównym wykonawc� inwestycji była Kopalnia Piasku Maczki Bór , natomiast Przedsi�biorstwo Robót Wiertniczych Hydropol S.A. z Gda�ska prowadziło bezpo�rednio budow�. �ródłami finansowania inwestycji były : - kredyt szwedzki z NUTEK /Szwedzka Narodowa Administracja Energetyki – 4 % - po�yczka z Wojewódzkiego Funduszu Ochrony rodowiska – 24 % - dotacja z EKOFUNDUSZU Warszawa - 13,5 % - �rodki własne 21,5 % Nakłady na realizacj� inwestycji wyniosły 2,1 mln PLN. Zakładany okres zwrotu kosztów wynosi 5 lat.

Powierzchnia, z której pozyskiwany jest gaz wynosi 15 ha. Po okresie pierwszych do�wiadcze�, przewiduje si� odgazowanie pozostałej cz��ci wysypiska. Wybudowana instalacja składa si� z systemu pozyskiwania biogazu i urz�dze� do produkcji i przesyłu energii elektrycznej. W skład obu systemów wchodz� : - pionowe perforowane studnie gazowe w ilo�ci 39 szt. - kolektory zbiorcze o ł�cznej długo�ci 4300 m, - stacje kontrolne-3 szt., - kolektory przesyłowe o długo�ci 900m, - studnie odwadniaj�ce – 5 szt. - pochodna biogazowa - budynek wyposa�enia technicznego w którym zamontowano:

a) spr��ark� (ssawa wentylatorowa), b) generatory pr�dotwórcze 2x 200 kW, c) instalacje automatyki, sterowania i kontroli,

- stacja transformatorowa wraz z napowietrzn� lini� energetyczn� (15kV). Uj�cie, pozyskiwanie i utylizacja biogazu polega na jego zasysaniu ze zło�a przez spr��ark�

ssawk� i transporcie sieci� gazow� do dwóch gazowych zespołów pr�dotwórczych, które wytwarzaj� energi� elektryczn� o mocy elektrycznej 200 kW ka�dy.

Biogaz z ka�dej studni transportowany jest przewodami gazowymi o �rednicy 63 mm do stacji kontrolnej, w której mo�liwa jest regulacja przepływu gazu i pomiar jego składu. Od stacji kontrolnych gaz przesyłany jest kolektorem głównym o �r. 160 mm do budynku wyposa�enia technicznego. Tutaj w pomieszczeniach spr��arkowni, sterowni i zespołów pr�dotwórczych znajduj� si� główne urz�dzenia instalacji. Instalacja wyposa�ona jest dodatkowo w pochodni�, która mo�e spala� biogaz w przypadku postoju zespołów pr�dotwórczych. Praca

całego systemu odgazowania sterowana jest automatycznie, a procedury kontroli i zabezpiecze� pozwalaj� na bezobsługowe działanie instalacji gazowej.

Rys.140. Pionowe perforowane studnie gazowe na

wysypisku odpadów Gda�sk-Szadółki

215

Rys.141. Budynek generatorów z pochodni� gazow� na pierwszym planie (Gda�sk-Szadółki) 7.2.1. Korzy�ci

- system jest ekonomicznie opłacalny dla u�ytkownika - redukcja emisji szkodliwych gazów, w tym głównie metanu - bezpieczne warunki składowania odpadów na wysypisku - ułatwienie rekultywacji wysypiska po zako�czeniu eksploatacji

7.2.2. Mała Elektrownia Biogazowa (MEB)

MEB – jest stacjonarnym zespołem pr�dotwórczym współpracuj�cym z sieci� energetyczn�. Zespół oddaje do sieci energi� pochodz�c� ze spalania gazu fermentacyjnego. Proces ten sterowany jest za pomoc� szafy kontrolno sterowniczej.

Rys.142. Zespół pr�dotwórczy MEB

216

Rys.143. Szafa kontrolno - sterownicza MEB Dane techniczne zespołu pr�dotwórczego: – moc znamionowa – 160 kW – rodzaj pr�du – zmienny, 3 – fazowy – cz�stotliwo�� znamionowa – 50 Hz – napi�cie znamionowe sieci – 380 V – rozruch – rozrusznik elektryczny 24 V Producentem zespołu pr�dotwórczego s� zakłady Metalowe „WOLA” Warszawa. 7.3. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej

Od pocz�tku w MEB wytworzono ł�cznie i sprzedano do sieci energi� elektryczn� w ilo�ci 282,5 MW. Wydobycie gazu od pocz�tku eksploatacji wnosi 3672 tys. m3. W 1998 r. MEB osi�gn�ła rekordow� wydajno��. Za dziesi�� miesi�cy wytworzono 59,18 MW energii elektrycznej o warto�ci 150 tys. zł. Miesi�czny koszt eksploatacji MEB wynosi 30% warto�ci wytworzonej energii. 7.4. Efekt ekonomiczny i ekologiczny Podstawowym efektem ekonomicznym wykonanej inwestycji jest dochód ze sprzeda�y energii elektrycznej, który pozwolił na szybk� amortyzacje inwestycji i jest stałym �ródłem dochodu dla miasta. Efektem ekologicznym jest zagospodarowanie biogazu, którego emisja do atmosfery byłaby uci��liwa dla �rodowiska. Ponadto w celu prowadzenia monitoringu jako�ci wód podziemnych oraz rozpoznawania warunków geologicznych i hydrologicznych w rejonie wysypiska wykonano siec piezometrów obserwacyjnych.

217

W przebadanych próbkach wody podziemnej stwierdzono niewielk� zawarto�� zwi�zków �elaza (Fe 0,02 – 0,08 Mn/dm3) oraz podwy�szon� zawarto�� manganu(Mg 0,5 – 0,96 Mn/dm3) Jednocze�nie stwierdzono wyst�powanie niewielkich ilo�ci zwi�zków azotu. 8. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w oparciu o

paliwa biogazowe – agregaty kogeneracyjne. Aspekt techniczny i ekonomiczny

8.1. Geneza

Pod��aj�c za nowymi rozwi�zaniami w dziedzinie ochrony �rodowiska firma Centrum Elektroniki Stosowanej z Krakowa aktywnie uczestniczy w realizacji idei zrównowa�onego rozwoju. Głównymi zało�eniami tej idei s�: oszcz�dno�� energii, pozyskiwanie jej ze �ródeł odnawialnych i zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do �rodowiska. W�ród stosowanych na �wiecie technologii mo�na znale�� tak�, która ł�czy w sobie powy�sze cechy. Jest ni� skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła z biogazu czy gazu ziemnego. Systemy kogeneracyjne maj� szerokie zastosowanie jako �ródła energii rozproszonej dla ciepłowni miejskich, w gospodarce osadowej - oczyszczalnie �cieków, na wysypiskach, w szpitalnictwie, na basenach, w górnictwie, itp. Systemy CHP wykorzystywane s� równie� w aplikacjach z instalacjami klimatyzacyjnymi, gdzie elementem produkuj�cym ciepło jest agregat kogeneracyjny, natomiast absorpcyjny agregat wody lodowej (chiller) razem z wie�� chłodnicz� stanowi �ródło chłodu (+4°C) wytwarzane dla potrzeb wentylacji. Z uwagi na tendencj� wykorzystywania rozproszonych �ródeł energii (znacz�co ogranicza si� w ten sposób straty w przesyle energii, jak równie� koszty jej produkcji) oraz �ródeł energii odnawialnych powszechne staje si� stosowanie do tego celu urz�dze� kogeneracyjnych. Podstawowy system kogeneracyjny składa si� z modułu wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, układu zabezpiecze�, rozdzielnicy nap�dów pomocniczych oraz automatycznej instalacji uzupełniania oleju. Moduł kogeneracyjny zbudowany jest w oparciu o silnik tłokowy najcz��ciej zasilany gazem ziemnym, propanem lub biogazem powstałym na skutek fermentacji osadów �ciekowych lub odpadów komunalnych. Silnik gazowy posadowiony jest na wspólnym wale z pr�dnic� synchroniczn�, praca tych elementów umo�liwia produkcj� energii elektrycznej. Na skutek spalania gazu w silniku powstaje ciepło składaj�ce si� na całkowit� produkcj� energii cieplnej urz�dzenia. Odbierane jest ono przez układ wymienników ciepła. Natomiast jego pozostała cz��� wypromieniowana zostaje z korpusu silnika do atmosfery. Ciepło poprzez układ wodny (90/70°C), zintegrowany z modułem CHP, odprowadzane jest do zewn�trznej instalacji grzewczej i wykorzystywane jako ciepło u�ytkowe (dla potrzeb socjalnych, procesów technologicznych, itp.). W zale�no�ci od wymaga� u�ytkownika moduły CHP mog� by� wyposa�one w obudowy d�wi�kochłonne, wewn�trzne lub kontenerowe, tłumiki hałasu na spalinach i na wylocie powietrza, jak równie� szaf� sterowania nadrz�dnego umo�liwiaj�c� monitoring i wizualizacj� parametrów pracy systemu CHP. Podstaw� doboru modułu kogeneracyjnego s� odpowiednio zbilansowane potrzeby energetyczne (ciepło i pr�d). Wyznacznikiem optymalnego doboru urz�dzenia jest zapewnienie pracy układu w taki sposób, aby wyprodukowana w nim energia została w cało�ci wykorzystana. Urz�dzenia kogeneracyjne maj� pracowa� 24 godziny na dob� przez cały rok i słu�� zaspokojeniu minimalnych potrzeb zwi�zanych z energi� elektryczn� i ciepłem. Spełnienie powy�szych warunków umo�liwia produkcj� energii elektrycznej na poziomie ni�szym ni� energia zakupiona w zakładzie energetycznym. Układy kogeneracyjne w znacz�cym stopniu ograniczaj� emisj� tlenków w�gla i azotu do atmosfery, a przy jednoczesnym wykorzystaniu naturalnych, odnawialnych zasobów paliwowych ich zastosowanie mo�e okaza� si� wr�cz niezb�dne dla ochrony �rodowiska. Oferowane przez CES urz�dzenia, w wyniku spalania gazu emituj� zanieczyszczenia, których poziom odpowiada

218

rygorystycznym wymogom niemieckich norm TA-Luft. Energia uzyskana w tym procesie spalania biogazu jest energi� „czyst�", za� jej �ródła s� odnawialne z uwagi na wci�� narastaj�ce ilo�ci �mieci i �cieków. Wysoka sprawno�� agregatu CHP ok. 90% gwarantuje wymierne korzy�ci ekonomiczne na poziomie kilkuset tysi�cy złotych oszcz�dno�ci rocznie przy optymalnej pracy całego systemu kogeneracyjnego. Firma CES Sp. z o.o. w 2001 r. dostarczyła do krakowskiej Oczyszczalni cieków „Kujawy" system CHP zło�ony z trzech jednostek kogeneracyjnych pracuj�cych równolegle z sieci� ZE. Dla potrzeb poprawnej pracy kompletnego systemu kogeneracyjnego CES wykonał dla oczyszczalni w Krakowie projekt instalacji uzupełniaj�cej i dokonał rozruchu technologicznego układu. Układ ten jest w pełni zautomatyzowany, co umo�liwia regulacj� stanu pracy urz�dze� w zale�no�ci od zapotrzebowania na ciepło i energi� elektryczn�. Przy pełnym zapotrzebowaniu na energi� ciepln� system trzech modułów daje moc 3x289 kW, natomiast nominalna warto�� mocy elektrycznej trzech jednostek wynosi 3x173 kW. Zainstalowane agregaty kogeneracyjne wyposa�one s� w jednostki synchronizuj�ce z sieci� energetyczn�, natomiast nad prac� całego systemu czuwa szafa sterowania nadrz�dnego (umo�liwiaj�ca m.in. kontrol� nap�dów dodatkowych oraz wizualizacj� parametrów systemu kogeneracyjnego). 9. Kontenerowe bloki energetyczne PRO-2

Kontenerowe bloki energetyczne produkowane przez niemieck� firm� PRO-2 stanowi�

kompaktowe mini-elektrownie przystosowane do spalania gazów zawieraj�cych minimum 40% metanu i pochodz�cych z procesów technologicznych, wydobywczych lub powstałych w wyniku procesów biologicznych. W tym zakresie głównie s� to gazy kopalniane oraz wszelkiego rodzaju biogazy powstaj�ce w oczyszczalniach �cieków komunalnych oraz składowiskach odpadów komunalnych. Wysoki stopie� sprawno�ci energetycznej (do 90%) oraz opracowany wspólnie z producentem silników (firma Deutz) unikalny system sterowania jego prac� pozwalaj�, nawet przy wahaj�cej si� zawarto�ci metanu w gazie, na uzyskanie maksymalnego efektu ekonomicznego. Dla bardzo wielu aplikacji kontenerowa budowa bloku energetycznego stanowi bardzo istotn� i po��dan� cech�, wyró�niaj�c� j� od innych dostawców podobnych urz�dze�. Pozwala ona na znaczne zaoszcz�dzenie kosztów samej inwestycji, jak równie� umo�liwia umiejscowienie zespołu w miejscu najbardziej dogodnym technicznie oraz ekonomicznie. Nie bez znaczenia jest równie� mo�liwo�� błyskawicznego przeniesienia urz�dzenia w inne miejsce przy stosunkowo niewielkich nakładach finansowych. Cało�� bloku energetycznego dostarczana jest w kontenerze o wymiarach 12x2,5x2,6 m i wymaga jedynie odpowiednio wykonanych stóp fundamentowych dla jego posadowienia. Ka�da instalacja wyposa�ona jest w automatyczny system sterowania prac� agregatu, stacj� pomiaru parametrów gazu ( CH4 / CO2 ) i jako taka jest instalacj� bezobsługow�. Jako opcja dostarczany jest system zdalnej kontroli i nadzoru pracy, wykorzystuj�cy ł�cza telefoniczne i modemowe. System ten pozwala na stały monitoring w czasie rzeczywistym wszystkich bie��cych parametrów pracy instalacji, oraz w pełni automatyczne powiadamianie o stanach awaryjnych. Umo�liwia on eksploatacj� instalacji pracuj�cych w odległych miejscach, ich zdaln� kontrol� i sterowanie podstawowymi parametrami. Produkowane przez firm� PRO-2 kontenerowe bloki energetyczne dostosowane s� w swych wykonaniach do zasilania ró�nego rodzaju gazami o zawarto�ci metanu ju� od 40%. Wytwarzana jest w nich w układzie skojarzonym energia elektryczna oraz cieplna. W stosunku do warto�ci doprowadzonej energii podział pomi�dzy energi� elektryczn� i ciepln� ulega wahaniom w zale�no�ci od rodzaju gazu, jego warto�ci energetycznej, oraz w zale�no�ci od wielko�ci silnika. Całkowita sprawno�� urz�dze� waha si� od 81% do 90%. Minimalna zawarto�� metanu (CH4) dla gazu kopalnianego i biogazów wynosi 40%.

219

Orientacyjna wydajno�� energetyczna dla 1 m3 gazu o zawarto�ci CH4 na poziomie 53% do 55% wynosi 1 kW energii elektrycznej oraz 1 kW energii cieplnej. ( Dane dla bloku energetycznego typu LC616K12)

Rys.144. Szkic kontenerowego bloku energetycznego

�ródło: http://delfin.ise.polsl.gliwice.pl/dykas/2/schemat.html

Tab.34. Zale�no�� zastosowanego gazu do uzyskiwanej mocy Rodzaj gazu Moc agregatu kW Podział energii EE / EC

Biogaz z oczyszczalni �cieków i składowisk odpadów komunalnych od 225 do 3 246 �rednio 35 % / 51 %

Gaz kopalniany od 583 do 4 443 �rednio 36 % / 50 % Bloki energetyczne dostarczane s� w stanie przygotowanym do natychmiastowego uruchomienia. Po stronie inwestora do wykonania / udost�pnienia jest przył�cze gazu, zasilanie 220 V oraz stacja trafo do podł�czenia instalacji odprowadzenia energii elektrycznej do sieci zakładowej lub ogólnej. W przypadku braku uj�cia gazu lub / i stacji trafo, wykonanie ich zgodnie z dokumentacj� PRO-2 ci��y na inwestorze. Dla instalacji wykorzystuj�cych gaz ze składowisk odpadów komunalnych oprócz zainstalowania bloku energetycznego, niezb�dne jest wykonanie systemu uj�cia gazów ze składowiska. PRO-2 wykonuje w/w prace we własnym zakresie, lub dostarcza kompletn� dokumentacj� techniczn�, umo�liwiaj�c� inwestorowi realizacj� tego zadania, lub zlecenie go wyspecjalizowanej polskiej firmie. W takich przypadkach PRO-2 realizuje nadzór wykonawczy nad w/w pracami, celem zagwarantowania wła�ciwego poziomu technicznego i jako�ci. Wszystkie urz�dzenia dotrzymuj� wszelkich norm dopuszczalnych emisji zgodnie z ISO 3046 (DIN 6271). Czas pracy urz�dze� wynosi rocznie około 8 000 roboczogodzin. Reszta przeznaczona jest na prace serwisowe oraz drobne naprawy. Firma PRO-2 dostarcza swoje urz�dzenia w ramach umów sprzeda�y, umów tzw. "contraktingu", umowy kredytowej lub w formie leasingowej. Wybór jednej z powy�szych form uzale�niony jest od potrzeb finalnego odbiorcy, jego steandingu finansowego, rodzaju aplikacji oraz innych warunków techniczno-ekonomicznych.

220

Czas dostawy wynosi około 4 miesi�cy od podpisania kontraktu / umowy i dokonania wszelkich uzgodnie� technicznych dot. instalacji. Czas monta�u i uruchomienia nie przekracza z reguły 1 tygodnia i realizowany jest pod nadzorem fachowego personelu PRO-2. Cało�� dokumentacji projektowej dostarczana jest standardowo w j�zyku polskim przez firm� PRO-2. Dla aplikacji na składowiskach odpadów komunalnych, PRO-2 na zlecenie dokonuje ekspertyz w zakresie szacunkowych zasobów gazu, jego składu oraz przewidywanego czasookresu eksploatacji. 10. Odsiarczanie biogazu 10.1. Technologia BIOSULFEX – firmy Promis

Przeznaczona jest do oczyszczania biogazu otrzymanego w procesie fermentacji osadów

w oczyszczalni �cieków , w celu bezpiecznego wykorzystania do celów grzewczych lub do produkcji energii elektrycznej. Oczyszczanie biogazu polega na usuni�ciu z biogazu siarkowodoru. Zasiarczony biogaz powoduje korozj� ruroci�gów ,armatury i elementów kotła – co mo�e prowadzi� do stanów awaryjnych. Siarkowodór zawarty w gazie jest te� toksyczny dla ludzi nawet w niewielkich ilo�ciach. 10.2. Koncentrat Biocat

Do odsiarczania u�ywa si� unikalnego w kraju i na �wiecie koncentratu katalitycznego BIOCAT w formie proszku. Produktem ubocznym procesu odsiarczania, polegaj�cym na konwersji siarkowodoru do siarki elementarnej jest pulpa siarkowa, nietoksyczna i niereaktywna. Instalacja nie wytwarza �adnych �cieków ani truj�cych oparów, wydmuchów itp.

10.3. Zalety stosowania technologii BIOSULFEX Nowoczesna 1. Najnowocze�niejsza na �wiecie technologia oczyszczania 2. Instalacja zwarta-kompaktowa, w pełni rozbieralna, wykonana ze stali kwasoodpornej. 3. Instalacja i koncentrat do odsiarczania wytwarzane w kraju. Przyjazna rodowisku 1. Technologia BISULFEX nie wytwarza �adnych �cieków. 2. Technologia BIOSULFEX nie emituje szkodliwych substancji do atmosfery. 3. W efekcie odsiarczania biogazu technologi� BIOSULFEX, jako produkt uboczny, otrzymuje si�

niewielkie ilo�ci czystej siarki, zamiast, jak w przypadku rudy darniowej, wielu ton odpadów Ekonomiczna Koszty eksploatacji rz�du 1 grosza za 1 m3 gazu Sprawdzona

Pracuj�ce instalacje oczyszczania biogazu w Mi�sku Mazowieckim , Piasecznie i Puławach oraz podobne instalacje do oczyszczania gazów zrzutowych , mi�dzy innymi dla British Petroleum

11. Bioetanol, biodiesel i metanol Produkcja paliwa zwanego biedieslem oparta jest na oleju rzepakowym estryfikowanym alkoholem. Paliwo to zast�puje olej nap�dowy z ropy naftowej albo go uszlachetnia przez dodanie 5% estrów oleju rzepakowego do konwencjonalnego oleju nap�dowego. Biodiesel jest importowany do Polski z Republiki Czeskiej, około 10 tys. ton miesi�cznie w r. 2003. Z jednej tony ziarna rzepakowego uzyskuje si� około 350 kg surowego oleju oraz 650 kg wytłoków paszowych. Z uzyskanych 350 kg

221

oleju po dodaniu 55 litrów alkoholu metylowego uzyskuje si� 340 kg doskonałego paliwa zwanego biodieslem. Obecnie pod upraw� rzepaku przeznacza si� 300 tys. ha, ale mo�liwe byłoby zwi�kszenie tej uprawy do 1 miliona ha. W Polsce do celów spo�ywczych zu�ywa si� około 130 mln litrów spirytusu, natomiast do paliw samochodowych dodaje si� od 50 do 100 mln l rocznie, chocia� ilo�� ta stopniowo spada. Zu�ycie etanolu do produkcji benzyn wynosi około 58-62 mln litrów rocznie, ale ma tendencj� malej�c�. Ro�nie natomiast zapotrzebowanie na etery (MTBE). Dodatek spirytusu do benzyny w ilo�ci 5% pozwala na obni�enie zawarto�ci rakotwórczego ołowiu w benzynie o 50%. Benzyna zawieraj�ca 5% bezwodnego spirytusu sprzedawana była w Polsce przez szereg lat pod nazw� etyliny E94E. Na wyprodukowanie bioetanolu, czyli spirytusu dodawanego do benzyny mo�na w Polsce przeznaczy� ziemniaki produkowane na obszarze 50-150 tys. ha rocznie, zasilaj�c kilkaset istniej�cych wielkich gorzelni produkuj�cych spirytus oraz kilka rafinerii, produkuj�cych paliwo E94E. Proponuje si� te� mieszanki benzynowe o obni�onej akcyzie zawieraj�ce do 2% eterów z gorzelni, a wi�c nie tylko benzyny zawieraj�ce poni�ej 5% bioetanolu. Tworzy to nowy rynek zbytu na ziemniaki, ziarno zbó� i melas�, dostarczane do gorzelni. Przyszło�ciowym rozwi�zaniem jest wykorzystanie metanolu w ogniwach paliwowych. Zasada wykorzystania metanolu przebiega nast�puj�co: 1. Suszy si� biomas� (CHOH)n, 2. Prowadzi si� destylacj� rozkładow� drewna, 3. Wytwarza si� drog� destylacji metanol CH3OH czyli spirytus drzewny, 4. Metanol poddaje si� elektrolizie, 5. Wytwarza si� wodór i tlenek w�gla z metanolu, 2H2 + CO, 6. Zasila si� wodorem i tlenem (H i O) ogniwa paliwowe (spaleniowe), 7. Wytwarza si� energi� elektryczn� w ogniwie paliwowym, 8. Stosuje si� w samochodzie ogniwo paliwowe sprz��one z silnikiem elektrycznym lub silnik

spalinowy wodorowy. Spalanie w silniku spalinowym mieszanki: 2H2 + CO + 1,5 O2 daje emisj� pary wodnej i dwutlenku w�gla: 2H2O + CO2, co jest du�o korzystniejsze dla �rodowiska, ni� dotychczas produkowane spaliny samochodowe. W nowej generacji samochodów metanol ze zbiornika paliwa podlega� mo�e elektrolizie i na bie��co wytwarzany mo�e by� wodór, który z kolei staje si� paliwem nap�dowym w samochodowym silniku dostosowanym do spalania gazowego wodoru. Innym rozwi�zaniem jest wytwarzanie w ogniwie paliwowym energii elektrycznej do nap�du samochodu elektrycznego. Niemo�liwe okazało si� gromadzenie wodoru w zbiorniku paliwowym. Istniej� ju� prototypowe samochody o nap�dzie wodorowym. 12. Efekty ekonomiczne stosowania biomasy w energetyce Według ekspertyzy EC BREC realizowane w Polsce urz�dzenia nastawione na wykorzystanie biomasy charakteryzuj� si� na ogół wysokimi jednostkowymi nakładami kapitałowymi. Zwi�zane jest to z dodatkowymi kosztami wynikaj�cymi z pionierskiego i demonstracyjnego charakteru wdra�anych technologii. Analiza ekonomiczna wskazuj�ca na okres zwrotu poniesionych nakładów (w latach) pozwala podzieli� rozwi�zania technologiczne na nast�puj�ce grupy: 1. Technologie daj�ce krótki okres zwrotu nakładów, rz�du kilku lat (na ogół 2-3 lata). S� to m.in.

kotły na drewno, kotły na słom� oraz kotły na osad �ciekowy wzbogacony zr�bkami drzewnymi lub miałem w�glowym, ale obsługiwane r�cznie (wsadowo), bez automatycznego zadawania paliwa. R�cznie obsługiwany kocioł małej mocy na słom� (65 kW) ma okres zwrotu nakładów 2,6 lat, a r�cznie obsługiwany kocioł małej mocy na drewno (80 kW) ma okres zwrotu nakładów 3,1 lat. St�d burzliwy rozwój tych urz�dze�, bowiem specjalistycznych kotłów na drewno jest ju� w Polsce ponad kilkana�cie tysi�cy, kotłów na słom� ponad kilkadziesi�t, a kotłów na osady �ciekowe – kilkana�cie.

222

2. Technologie o nieco dłu�szym okresie zwrotu nakładów (4-5 lat). S� to m.in. instalacje wykorzystuj�ce gaz wysypiskowy do produkcji energii elektrycznej (�redni okres zwrotu nakładów 4,7 lat), biogazownie komunalne w oczyszczalniach �cieków produkuj�ce w skojarzeniu energi� elektryczn� i ciepln� (�redni okres zwrotu nakładów 6,7 lat w przypadku importowanego urz�dzenia wytwarzaj�cego 320 kWe plus 540 kWc, chocia� s� te� krajowe urz�dzenia du�o bardziej zyskowne, ni� pochodz�ce z importu).

3. Technologie, w których zwrot poniesionych nakładów wymaga wsparcia poprzez dotacje, nawet do 70% nakładów inwestycyjnych. S� to przede wszystkim du�e (ok. 1 MWc) automatyczne ciepłownie na słom� (okres zwrotu nakładów 7,6 lat) oraz du�e (ok. 0,5 MWc) ciepłownie na zr�bki drzewne (okres zwrotu nakładów 9,7 lat). Istniej� te� technologie, które mog� by� realizowane jako projekty demonstracyjne, finansowane z zewn�trz. Do tej grupy nale�� biogazownie rolnicze na gnojowic� (o mocy 15 kWc), gdzie okres zwrotu nakładów si�ga 14 lat.

W wi�kszo�ci realizowanych obiektów osi�ga si� ekonomiczn� konkurencyjno�� wobec stosowanych konwencjonalnych no�ników energii. Dotyczy to zwłaszcza kotłów na słom�, drewno i osady �ciekowe, du�ych ciepłowni na słom� i zr�bki drzewne oraz instalacji wykorzystuj�cych gaz wysypiskowy lub biogaz z komunalnych oczyszczalni �cieków do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Zbyt drogie s� wci�� biogazownie rolnicze oraz elektrociepłownie na biomas�. Spalanie biomasy tworzy nowe miejsca pracy, oceniane na 2 dodatkowo zatrudnione osoby na ka�dy 1 MWt, podobnie w przypadku biogazu (1,5 osoby na 1 MW).

W kilku krajach UE biomasa wykorzystywana jest równie� jako paliwo w elektrowniach o mocy od kilkunastu do kilkuset MW.

Rys.145. Schemat elektrowni pracuj�cej w Danii (50 MW) z wykorzystaniem biomasy jako

paliwa 13. Podsumowanie Energetyczne wykorzystanie biomasy w Polsce jest zagadnieniem wieloaspektowym. Potrzebne s� dalsze analizy wyst�puj�cych zasobów, które s� znaczne i przekraczaj� 15-20 milionów ton równowa�nika w�glowego. Rozwija si� nowe technologie nastawione na przetwarzanie biomasy

223

do formy standardowego paliwa stałego, ciekłego lub gazowego. Podj�ta jest w ju� Polsce produkcja kotłów do spalania słomy, drewna i osadów �ciekowych. W niniejszym opracowaniu przedstawiono kilka rozwi�za� wykorzystania biomasy do wytwarzania energii elektrycznej stosowanych w naszym kraju. Wprowadzono te� na rynek benzyny zawieraj�ce poni�ej 5% alkoholu, co działa stymuluj�co na rozwój polskiego rolnictwa, gorzelnictwa i przemysłu rafineryjnego. Nowe Prawo Energetyczne umo�liwia szersze zastosowanie lokalnych zasobów biomasy jako paliwa w polskiej energetyce, zwłaszcza, �e jest to opłacalne ekonomicznie i bezpieczne pod wzgl�dem ekologicznym. Trudno�ci zwi�zane z wdro�eniami wynikaj� m.in. z nast�puj�cych przyczyn: 1. brak �wiadomo�ci du�ych korzy�ci ekonomicznych zwi�zanych z wytwarzaniem energii

elektrycznej i energii cieplnej z biomasy; 2. nadwy�ka poda�y energii z paliw kopalnych oraz zbyt niskie ceny konwencjonalnych paliw

nieodnawialnych, nie uwzgl�dniaj�ce kosztów zniszczenia �rodowiska i zagro�enia dla zdrowia i �ycia ludzkiego;

3. zbyt powolny post�p techniczny dotycz�cy nowych technologii wytwarzania ciepła i elektryczno�ci z biomasy zwłaszcza w du�ej energetyce, gdzie bardzo obiecuj�co wygl�da współspalanie w�gla z biomas�;

4. kłopoty zwi�zane ze sprzeda�� lokalnie wytwarzanej energii elektrycznej do pa�stwowej sieci elektroenergetycznej, gdzie cena sprzeda�y elektryczno�ci wytwarzanej przez producenta ze �ródeł odnawialnych powinna wynosi� 85% ceny detalicznej płaconej przez odbiorców (w analogii do rozwi�za� niemieckich, du�skich i hiszpa�skich, w rozwi�zaniu zwanym „Guaranted in-feed Prices” lub rozwi�zaniu ameryka�skim zwanym „Renewable Energy Production Incentive REPI”);

5. brak do�wiadczenia organizacyjnego dotycz�cego ewentualnych wdro�e� stosowania odnawialnych no�ników energii w planach zaopatrzenia w ciepło w gminach wiejskich.

Za najwa�niejszy postulat wysuwa si� mo�liwie szerokie propagowanie wiedzy na temat istniej�cych i sprawdzonych rozwi�za� demonstracyjnych. W chwili obecnej b�dzie to dotyczyło jedynie pojedynczych obiektów, ale w przyszło�ci powinno to doprowadzi� do zwi�kszonej produkcji obiektów demonstracyjnych i do szerokiego stosowania biomasy w polskiej energetyce. Energetyczne wykorzystanie biomasy okazuje si� w pełni uzasadnione z punktu widzenia parametrów u�ytkowych agrociepłowni, agrorafinerii, i agroelektrowni. Wynika to równie� z rachunku ekonomicznego i z punktu widzenia norm emisyjnych, zwi�zanych z ochron� �rodowiska.

13.1. Mo�liwo�ci produkcji energii z biomasy Pomimo korzystnych efektów ekologicznych, ekonomicznych i społecznych, wykorzystanie biomasy na cele energetyczne stwarza jednak wiele problemów technicznych. Problemy te wynikaj� przede wszystkim z jej wła�ciwo�ci fizykochemicznych, z których najwa�niejsze to: - zbyt mała g�sto�� biomasy, utrudniaj�ca transport, magazynowanie i dozowanie, - stosunkowo niskie ciepło spalania na jednostk� masy, b�d�ce przyczyn� utrudnie� w

dystrybucji biomasy, - szeroki przedział wilgotno�ci (od kilku do 60%) powoduj�cy trudno�ci z przygotowaniem do

energetycznego wykorzystania, - bardzo du�a ró�norodno�� technologii przetwarzania na no�nik energii. W warunkach polskich naturalnym kierunkiem rozwoju wykorzystania biopaliw stałych jest i b�dzie produkcja energii cieplnej oraz w skojarzonych systemach wytwarzaj�cych energi� ciepln� i elektryczn� (kogeneracja). Niektórych problemów zwi�zanych z wykorzystaniem energetycznym biomasy mo�na unikn�� poprzez zwi�kszenie g�sto�ci biomasy na drodze kompaktowania. W celu

224

łatwiejszego i efektywnego wykorzystania drewna czy słomy pod wzgl�dem energetycznym poddaje si� je prasowaniu, rolowaniu, brykietowaniu, granulowaniu, rozdrabnianiu. Równie� inne rodzaje biomasy, w tym specjalne uprawy traw mog� by� poprzez zmian� postaci w procesach prasowania czy rolowania przygotowane do wykorzystania energetycznego. Biomasa jest jednym z najbardziej obiecuj�cych �ródeł energii odnawialnej w Polsce. Biomasa po przekształceniu na biopaliwa stałe mo�e by� spalana bezpo�rednio lub przetworzona dalej w procesach chemicznych na paliwa ciekłe i gazowe. W tym przypadku otrzymujemy np.: gaz, który mo�e by� spalony w turbinie gazowej lub silniku tłokowym lub wykorzystany jako paliwo dodatkowe w kotłowniach energetycznych. Obiecuj�ce efekty ekonomiczne uzyskuje si� równie� z plantacji wierzby energetycznej. 13.2. Odpady komunalne jako �ródła energii 13.2.1. Wprowadzenie:

Odpady komunalne to tak�e charakterystyczny rodzaj paliwa odnawialnego. Ich warto�� opałowa odpowiada, w przypadku odpadów pochodz�cych z wielu miast Europy zachodniej, a coraz cz��ciej tak�e i miast Polski, warto�ci opałowej w�gla brunatnego ,czyli jednego z podstawowych paliw dla energetyki zawodowej. Ponadto odpady komunalne traktowane jako paliwo posiadaj� wszelkie cechy paliw odnawialnych mimo, �e proces powstawania tego rodzaju paliwa nie nast�puje w sposób naturalny. Jest ono skutkiem wielu procesów �ycia codziennego oraz nawyków społecze�stw o rozwini�tym modelu konsumpcyjnym, co prowadzi do ci�głej, szkodliwej dla �rodowiska naturalnego, odnowy tak rozumianego �ródła energii. Niestety procesu tego jak na razie nie potrafimy zatrzyma� ,a w wielu przypadkach ci�gle wykazuje on tendencj� wzrostow� . Traktuj�c w ten sposób odpady komunalne wiele miast Europy zachodniej wykorzystuje je jako paliwo, produkuj�c w spalinach ró�ne postacie energii i osi�ga w ten sposób dwa cele jednocze�nie: - redukuje w sposób w pełni kontrolowany i bezpieczny dla �rodowiska naturalnego strumie�

odpadów i sprawdza je do postaci oboj�tnej, mo�liwej np. w przypadku �u�la do gospodarczego wykorzystania lub bezpiecznego składowania ,co staje si� obligatoryjnym obowi�zkiem, wynikaj�cym z dyrektywy 99/31/EC ;

- uzyskuje okre�lone strumienie u�ytecznych form energii, których pozyskanie z konwencjonalnych jej no�ników powoduje nieodwracalny proces ich wyczerpywania. Jednocze�nie zwi�zane jest z emisj� substancji zanieczyszczaj�cych, których st��enie zdecydowanie przewy�sza emisje analogicznych zanieczyszcze� powstaj�cych podczas spalania paliwa alternatywnego jakim s� odpady komunalne.

Funkcjonowanie instalacji termicznej utylizacji odpadów jako elektrowni, ciepłowni b�d� elektrociepłowni uwarunkowane jest lokalnymi mo�liwo�ciami i potrzebami w zakresie przesyłania i wykorzystywania produktywnych z odpadów komunalnych form energii. W zwi�zku z tym stosuje si� dwa podstawowe rodzaje kotłów utylizuj�cych ciepło spalin; parowe lub wodne. Typowe parametry �wie�ej pary przegrzanej dla spalarni pracuj�cej w systemie elektrowni czy elektrociepłowni to temperatura 400 oC i ci�nienie 4MPa. rednio z jednej tony odpadów mo�na uzyska� 2,5 – 3,5 ton pary ,w zale�no�ci od warto�ci opałowej odpadów i ��danych parametrów pary. Najbardziej sprawny termicznie i elastyczny eksploatacyjnie jest układ instalacji pracuj�cej w skojarzeniu, to jest produkuj�cej energi� ciepln� i elektryczn�. Cz��� wyprodukowanej energii elektrycznej przesyłana jest do krajowej sieci elektrycznej. 13.2.2. Warto� opałowa odpadów komunalnych. Zakładaj�c okre�lony współczynnik pewno�ci eksploatacyjnej konwencjonalnej instalacji spalania odpadów komunalnych, wynikaj�cy z du�ych waha� składu morfologicznego i zawarto�ci wilgoci

225

w odpadach, wyznaczono do�wiadczalnie. Warto�� opałowa odpadów komunalnych spełniaj�cych w stanie roboczym warunek autotermicznego spalania powinna by� nieco wy�sza i zawiera� si� w granicach 5800 – 6000 kJ /kg (w�giel 26 000 kJ/kg). Stad te� w przepisach wielu krajach Europy zachodniej, które okre�laj� warunki bezpiecznego dla �rodowiska deponowania przetworzonych form odpadów przyj�to jako graniczn� warto�� opałow� równ� 6000 kJ /kg . 13.2.3. Spalanie odpadów w systemie zdalaczynnego ogrzewania miast - wiede�ski

system zaopatrzenia miasta w ciepło. Wiede�ski system zdalaczynnego ogrzewania miasta jest systemem relatywnie młodym w stosunku do podobnych systemów innych miast Europy. Jego dynamiczna rozbudowa nast�piła w połowie lat osiemdziesi�tych. W�ród 11 niezale�nych �ródeł energii cieplnej dla miasta priorytetow� rol� odgrywaj� trzy wiede�skie spalarnie odpadów ;dwie odpadów komunalnych oraz jedna odpadów niebezpiecznych i osadów �ciekowych. Posiadaj� one nast�puj�c� charakterystyk�: spalarnia odpadów komunalnych Spittelau – znana z awangardowego wystroju wykonanego przez wiede�skiego mistrza Hundertwassera, stanowi�ca blok kompleksu elektrociepłowni. Posiada nast�puj�c� moc - dwie linie technologiczne o ł�cznej mocy cieplnej 60 MWc oraz turbogenerator o mocy 6 MWe .W roku 2000 spalarnia ta zutylizowała termicznie około 275 tysi�cy ton odpadów. Spalarnia odpadów komunalnych Flotzersteig – posiada 3 linie technologiczne o ł�cznej mocy cieplnej wynosz�cej 50 MWc. Ma typowy charakter ciepłowni, nie posiada turbogeneratora dla produkcji energii elektrycznej. W roku 2003 spalarnia ta poddała recyklingowi energetycznemu około 190 tysi�cy ton odpadów komunalnych. Spalarnia odpadów niebezpiecznych i osadów �ciekowych EbS Simmering – o ł�cznej mocy cieplnej 40 MWc wraz z mo�liwo�ci� produkcji energii elektrycznej o mocy turbogeneratora 9 MWe . W roku 2003 spalarnia ta unieszkodliwiła 91 tys. t odpadów niebezpiecznych oraz 54 tysi�ce ton osadów �ciekowych. W sumie trzy wy�ej wymienione spalarnie wiede�skie posiadaj� 150 MWc zainstalowanej mocy cieplnej. Stanowi to 6,0% ogólnej mocy cieplnej wszystkich 11 stoj�cych do dyspozycji systemu �ródeł energii cieplnej w Wiedniu. Spalarnie, te posiadaj�ce dyspozycyjno�� pracy rz�du 85% i pracuj�c �rednio około 7500 h/a – wyprodukowały w roku 2003: 1058 GWh energii cieplnej, kierowanej do systemu miejskiego, co stanowiło 23,1 % sumarycznej energii cieplnej wyprodukowanej z wszystkich �ródeł ciepła i dostarczonej do systemu ogrzewania miasta. W okresie letnim energia cieplna pozyskiwana z odpadów pokrywa w 100 % potrzeby miasta. Graficzn� ilustracj� zainstalowanej mocy ró�nych �ródeł ciepła, ilo�ci wytworzonej energii cieplnej i udziału poszczególnych spalarni w produkcji ciepła s� rysunki 149 i 150. Energia produkowana z odpadów posiada w wiede�skim systemie produkcji ciepła absolutny priorytet w stosunku do energii cieplnej pozyskiwanej z innych, konwencjonalnych rodzajów paliw. Spalarnie odpadów pracuj� jako podstawowe �ródła wiede�skiego systemu zdalaczynnego ogrzewania miasta. Zarz�dzanie całym systemem ogrzewania miasta, wydawania dyspozycji o wł�czeniu b�d� wył�czeniu poszczególnych �ródeł ciepła, odbywa si� z centralnej nastawni zlokalizowanej na terenie Elektrociepłowni Spittelau.

226

1.spal. Odp. Kom. Spittela2.Kotły szczytowe3.Elektrociep. Rafineria OMV4.Elektrociep. Simmering blok 15.Elektrociep. Leopoldau6.Elektrociep Simmering blok 37.Spal. Odp. Nieb. Simmeringer Haide8.Spal odp. Kom. Flotzersteig

Rys.146. Odpady komunalne jako �ródło energii

1.Spal. Odp. Ł�cznie 1070 GWh

2. Kotły szczytowe ł�cznie 206 GWh

3. Elektrociep. Gazowo-parowe ł�cznie 3310 GWh 73%

Rys.147. Ł�cznie wytworzona energia cieplna 4586 GWh

227

14. Wymagania prawne w zakresie wykorzystania biomasy w agroelektrowniach, agrociepłowniach i agrorafineriach

14.1. Deklaracje polityczne w Polsce i w Unii Europejskiej

Zagadnienie promowania odnawialnych �ródeł energii, w tym biomasy w energetyce, pojawia si� w Unii Europejskiej oraz w Polsce ju� od ponad 15 lat. W polskim prawie mo�na odwoływa� si� do postanowie� Konstytucji, która nakłada w tym wzgl�dzie okre�lone obowi�zki na instytucje, przedsi�biorstwa i obywateli. Mo�na przytoczy� tu opini� prof. Anny Walaszek-Pyzioł (2003) z Katedry Prawa Gospodarczego i Publicznego Uniwersytetu Jagiello�skiego, która pisze, �e „obowi�zek podejmowania działa� maj�cych na celu zwi�kszenie udziału energii pochodz�cej ze �ródeł odnawialnych w produkcji i konsumpcji energii ogółem da si� wywie�� z przepisów Konstytucji odnosz�cych si� do ochrony �rodowiska". Artykuł 5 Konstytucji stanowi, i� Rzeczpospolita Polska zapewnia ochron� �rodowiska, kieruj�c si� zasad� zrównowa�onego rozwoju, a Artykuł 74 mówi, �e władze publiczne prowadz� polityk�, zapewniaj�c� bezpiecze�stwo ekologiczne współczesnemu oraz nast�pnym pokoleniom, natomiast ochrona �rodowiska jest obowi�zkiem władz publicznych. Prof. Walaszek-Pyzioł wskazuje te�, �e przy promowaniu odnawialnych �ródeł energii dopuszcza si� ograniczenia ustawowe konstytucyjnych wolno�ci i praw, które s� konieczne m.in. dla ochrony �rodowiska. Nowe obowi�zki nakładane przez pa�stwo na przedsi�biorstwa energetyczne wzgl�dnie na obywateli mog� ogranicza� zasad� wolno�ci gospodarczej i zasad� ochrony własno�ci. Jest to bardzo wa�ne stwierdzenie, które mówi, �e wolno�� gospodarcza i ochrona własno�ci mo�e by� podporz�dkowana nadrz�dnym interesom ochrony �rodowiska. Unia Europejska przyj�ła w r. 2001 dyrektyw� 2001/77/EC w sprawie promocji produkcji energii elektrycznej ze �ródeł odnawialnych (Official Journal of the European Communities, L. 283/33, 27.10.2001). Wskazuje si� tam, �e „potencjał dotycz�cy eksploatacji �ródeł energii odnawialnej nie jest wykorzystywany w Unii w chwili obecnej. Unia dostrzega potrzeb� promowania �ródeł energii odnawialnej jako działanie priorytetowe, ze wzgl�du na to, �e wykorzystanie tych �ródeł uczestniczy przede wszystkim w zabiegach nastawionych na ochron� �rodowiska i przyczynia si� do zrównowa�onego rozwoju". We wspomnianej dyrektywie podaje si� te�, �e promowanie odnawialnych �ródeł energii stwarza nowe miejsca pracy (zwalcza bezrobocie), ma pozytywny wpływ na aktywno�� zawodow� lokalnych społeczno�ci, podnosi bezpiecze�stwo energetyczne przez zwi�kszenie ró�norodno�ci �ródeł oraz umo�liwia szybsze osi�gni�cie celów, podanych przez konwencj� z Kyoto, zapobiegaj�c� globalnym zmianom klimatycznym przez ograniczenie stosowania paliw kopalnych. 14.2. Postanowienia dyrektywy 2001/77/EC w sprawie promocji energii

elektrycznej ze �ródeł odnawialnych

Dyrektywa stwierdza, �e wszystkie kraje unijne powinny ustali� ilo�ciowe cele, dotycz�ce zakupu i konsumpcji energii elektrycznej ze �ródeł odnawialnych i ka�dy kraj unijny jest do tego zobowi�zany. Szczególn� wag� przypisuje si� energetycznemu wykorzystaniu biomasy. Poniewa� jednak poj�cie biomasy jest bardzo szerokie, wprowadza si� tu pewne u�ci�lenia i ograniczenia Dopuszcza si� stosowanie biodegradowalnych frakcji odpadów przemysłowych i komunalnych jako biomasy w energetyce, ale wskazuje si�, �e nie wolno popiera� ani promowa� spalania niesegregowanych odpadów miejskich jako odnawialnego �ródła energii. Wsparcie dla energetyki odnawialnej ze �rodków publicznych wynika z zasady, �e konieczne jest wsparcie pa�stwa w dziedzinie ochrony �rodowiska. Pomoc finansowa mo�e dotyczy� wsparcia inwestycyjnego, obni�enia obci��e� podatkowych, refundacji wpłacanych podatków, subsydiowania w sferze cenowej dostarczonej energii. Ka�dy kraj mo�e zastosowa� własne rozwi�zania w tym wzgl�dzie.

228

Ustanowione i egzekwowane instrumenty maj� na celu: - zagwarantowanie przesyłu i dystrybucji energii „zielonej" przez operatorów sieci

przesyłowych i dystrybucyjnych, - odpowiednie uproszczenie i liberalizacj� procedur administracyjnych, odnosz�cych si� do

producentów energii odnawialnej, jako niedyskryminuj�cych, obiektywnych i przejrzystych,

- okre�lenie zasad przył�czania wytwórców „zielonej" energii do sieci, - gwarancje i kontrole, �e sprzedawana energia pochodzi ze �ródeł odnawialnych.

Dyrektywa wskazuje, �e poszczególne kraje mog� wprowadzi� obowi�zek zakupu energii ze �ródeł odnawialnych przez przedsi�biorstwa sieciowe, w tym przedsi�biorstwa przesyłu i przedsi�biorstwa dystrybucyjne. 14.3. Postanowienia dyrektywy 2003/30/EC w sprawie promocji biopaliw do

celów transportowych

Uwa�a si�, �e w ramach strategii zrównowa�onego rozwoju - produkcja biopaliw do celów transportowych jest jednym w wa�niejszych instrumentów takiej strategii. Istniej� du�e zasoby biomasy, które mo�na przetwarza� na biopaliwa. Mog� to by� zarówno produkty ro�linne, jak i le�ne, a ponadto liczne substancje odpadowe w przemy�le rolno-spo�ywczym i w przemy�le przetwórstwa drzewnego. Obecnie ponad 30% zu�ywanej energii w Unii Europejskiej to paliwa transportowe, których spalanie w znacznym stopniu przyczynia si� do zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego, jak te� do emisji dwutlenku w�gla do atmosfery, daj�cego globalne zmiany klimatyczne. Uzale�nienie od ropy naftowej si�ga obecnie 98% w sektorze transportowym i musi by� obni�one przez wprowadzanie na rynek biopaliw pochodz�cych z substancji ro�linnych. Oczywi�cie wprowadzanie biopaliw nie mo�e wi�za� si� z obni�eniem jako�ci paliwa, podniesieniem emisji zanieczyszcze� ani nie mo�e pogarsza� jako�ci powietrza atmosferycznego. Istniej�ce na rynku silniki samochodowe z łatwo�ci� s� w stanie u�ytkowa� paliwo zawieraj�ce kilka procent spirytusu w benzynie, a w zasadzie dostosowane s� do zawarto�ci 10% spirytusu w benzynie. W niektórych miastach publiczny transport autobusowy ju� przestawił si� na biopaliwa w 100%, ale wymaga to wsparcia i dalszej promocji. Oczywi�cie wprowadzanie biopaliwa w formie bioetanolu z benzyn� czy biodiesla nie powinno zatrzymywa� prac nad najbardziej obiecuj�c� technologi�, jak� jest wprowadzenie paliwa wodorowego w transporcie samochodowym. Powinny by� podj�te prace nad standaryzacj� jako�ci biopaliw, aby zapobiec sytuacji, �e ulegaj� zniszczeniu elementy silnika samochodowego albo, �e zwi�kszaj� si� emisje niekorzystnych składników gazów spalinowych do atmosfery. Wskazuje si� w dyrektywie, �e ka�dy kraj unijny ma prawo wprowadzi� własne cele, dotycz�ce udziału biopaliw na rynku paliw samochodowych. Jako wska�nik porównawczy proponuje si� zawarto�� 2% biopaliw na krajowym rynku, aby udział benzyny ze spirytusem i biodiesla w ogólnym bilansie paliw osi�gn�ł ten wska�nik do 31 grudnia 2005 r. Wska�nik ten powinien osi�gn�� warto�� 5,75% na rynku paliw transportowych do 31 grudnia 2010 r. Na r. 2020 planuje si� wprowadzenie co najmniej 20% biopaliw na rynek paliw transportowych w Unii Europejskiej. Biopaliwa mog� trafia� na rynek w ró�nej postaci. Mo�e to by� czyste biopaliwo, jak na przykład estry kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego, gdzie udział ich w paliwie mo�e osi�gn�� 100%. Mo�e te� biodiesel by� znaczn� domieszk� do oleju nap�dowego w silnikach samochodowych, zgodnie z normami europejskimi dotycz�cymi jako�ci paliwa, m. in. zgodnie z normami EN 228 i EN 590. W przypadku wprowadzenia obowi�zku stosowania ponad 5% spirytusu w benzynie powinno si� wprowadzi� w danym kraju obowi�zek monitorowania stanu silników samochodowych i emisji gazów spalinowych z tych silników. Ponadto na stacjach benzynowych powinny by� wówczas oznakowane dystrybutory z biopaliwem, w którym wyst�puje wi�cej ni� 5%

229

biokomponentów. Nie ulega w�tpliwo�ci, �e postanowienia dyrektywy 203/30/EC zostan� wdro�one w Polsce w zwi�zku z przyst�pieniem naszego kraju do Unii Europejskiej. Zapewne nast�pi to automatycznie, bez konieczno�ci sejmowych uchwal na temat biopaliw. 14.4. Konsekwencje rozporz�dzenia Rady Ministrów nr 971/2003 W rozporz�dzeniu Nr 971 w sprawie szczegółowego zakresu obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych �ródeł energii mo�na doszuka� si� postanowie� dotycz�cych agroelektrowni i agrociepłowni, natomiast zagadnienia agrorafinerii pozostaj� wci�� w sferze domysłów. To co jest szczególnie interesuj�ce w podanym rozporz�dzeniu, to propozycja stosowania współspalania paliw kopalnych i paliw odnawialnych. Pisze si� w podanym rozporz�dzeniu o wspólnym spalaniu - w tej samej jednostce wytwórczej - biomasy lub biogazu z innymi paliwami. Podaje si� te� wa�ne stwierdzenie, �e „do energii wytwarzanej z odnawialnych �ródeł energii zalicza si� cz��� energii odpowiadaj�c� procentowemu udziałowi energii chemicznej biomasy lub biogazu w cało�ci energii elektrycznej lub ciepła zaliczonych do energii wytwarzanej z odnawialnych �ródeł, znaj�c mas� spalonych paliw kopalnych, mas� spalonej biomasy i ich warto�ci opałowe". Tak wi�c mo�na sobie wyobrazi�, �e elektrociepłownia eksploatuj�ca kocioł w�glowy o mocy 100 MW po zast�pieniu 2% w�gla przez biomas� b�dzie mogła wykaza� si� produkcj� „zielonej" energii elektrycznej w ilo�ci 2 MW. Oczywi�cie jak zast�pi� ten w�giel, jest to sprawa odpowiedniej technologii. Mo�e to by� mieszanie zr�bków drzewnych z w�glem, mieszanie kory z w�glem, czy mieszanie w�gla i peletów wytworzonych z drewna, ze słomy czy z suchych osadów �ciekowych. Wspomniane rozporz�dzenie nakłada na przedsi�biorstwa energetyczne obowi�zek sprzeda�y „zielonej" energii elektrycznej w ilo�ci 7,5% w r. 2010. Oznacza to, �e w w r. 2010 energetyka powinna pozyska� 11,2 mln ton biomasy. Takie s� cele wytyczone przez Ministerstwo Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej. Odpady drzewne w Polsce to kilka milionów ton suchej masy rocznie, słoma odpadowa to kilkana�cie milionów ton rocznie, odpady organiczne to kilka milionów ton rocznie. Najpewniej trafi� one do energetyki nie w formie zr�bków, sieczki czy proszku, ale w formie silnie sprasowanych peletów (minibrykietów) produkowanych ze słomy, drewna czy osadów �ciekowych. S� ju� w Polsce obiekty demonstracyjne, np. fabryka peletów ze słomy i drewna w Czerninie k/Malborka. Przygotowuje si� te� inne obiekty do peletyzacji, m.in. w Kwidzynie, Elbl�gu czy Gda�sku. Aktualny stan prawny pozwala na stabilne finansowanie takich przedsi�wzi��.

230

Prawo energetyczne odno�nie elektrowni niekonwencjonalnych

ROZPORZ�DZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia 15 grudnia 2000 w sprawie obowi�zku zakupu energii elektrycznej ze �ródeł niekonwencjonalnych i

odnawialnych oraz zakresu tego obowi�zku.

Na podstawie art. 9 ust. 3 ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348 i Nr 158, poz. 1042, z 1998 r. Nr 94, poz. 594, Nr 106, poz. 668 i Nr 162, poz. 1126, z 1999 r. Nr 88, poz. 980, Nr 91, poz. 1042 i Nr 110, poz. 1255 oraz z 2000 r. Nr 43, poz. 489 i Nr 48, poz. 555) zarz�dza si�, co nast�puje:

§ 1.

1. Przedsi�biorstwo energetyczne zajmuj�ce si� obrotem energi� elektryczn� lub ciepłem jest obowi�zane do zakupu, odpowiednio do zakresu prowadzonej działalno�ci gospodarczej, energii elektrycznej albo ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych przył�czonych do wspólnej sieci, niezale�nie od wielko�ci mocy zainstalowanej w �ródle, z zastrze�eniem § 2 i 3, w szczególno�ci energii elektrycznej albo ciepła, pochodz�cych z:

%*� elektrowni wodnych,��*� elektrowni wiatrowych,�'*� biogazu pozyskanego w szczególno�ci z: instalacji przeróbki odpadów zwierz�cych,

oczyszczalni �cieków, składowisk odpadów komunalnych,�(*� biomasy,�!*� biopaliw,��*� słonecznych ogniw fotowoltaicznych,�"*� słonecznych kolektorów do produkcji ciepła,�#*� ciepła geotermalnego.�2. Przedsi�biorstwo energetyczne zajmuj�ce si� przesyłaniem i dystrybucj� ciepła jest

obowi�zane do zakupu ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych, przył�czonych do sieci ciepłowniczej tego przedsi�biorstwa, z zastrze�eniem § 3 pkt 1 i 4-6, je�eli:�

%*� przesyłane ciepło nie jest przedmiotem obrotu,��*� oferowane do sprzeda�y ciepło nie zostało w cało�ci zakupione przez przedsi�biorstwo

energetyczne zajmuj�ce si� obrotem ciepła przesyłanym t� sieci�.�3. W przypadku gdy obrót ciepłem, które przesyłane jest wspóln� sieci� ciepłownicz�, prowadzi

wi�cej ni� jedno przedsi�biorstwo, obowi�zek zakupu ciepła, o którym mowa w ust. 1, dotyczy ciepła zakupionego w ilo�ci proporcjonalnej do udziału danego przedsi�biorstwa w ł�cznej sprzeda�y tego ciepła, prowadzonej przez te przedsi�biorstwa.�

4. Przedsi�biorstwo energetyczne zajmuj�ce si� przesyłaniem i dystrybucj� energii elektrycznej, a tak�e obrotem t� energi�, jest obowi�zane do zakupu całej oferowanej energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła ze �ródeł przył�czonych do sieci nale��cej do tego przedsi�biorstwa, niezale�nie od wielko�ci zainstalowanej mocy elektrycznej �ródła, z zastrze�eniem § 3 pkt 1 i 2 oraz pkt 4 i 6.�

5. Je�eli przedsi�biorstwo energetyczne, o którym mowa w ust. 4, nie zajmuje si� obrotem energi� elektryczn� lub ilo�� kupowanej przez to przedsi�biorstwo energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła jest wy�sza od ł�cznej ilo�ci energii sprzedawanej odbiorcom, to energi� t� lub jej nadwy�k� jest obowi�zane odkupi� przedsi�biorstwo energetyczne posiadaj�ce koncesj� na przesyłanie i dystrybucj� energii elektrycznej na obszarze całego kraju za pomoc� sieci o napi�ciu znamionowym wy�szym ni� 110 kV, zwane dalej "operatorem systemu przesyłowego".�

231

6. Je�eli udział zakupionej energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła w całkowitej rocznej sprzeda�y energii elektrycznej przez przedsi�biorstwo energetyczne, o którym mowa w ust. 4, jest wi�kszy ni� 25 %, to nadwy�ka ponad wielko�� wynikaj�c� z tego udziału mo�e by� odsprzedana operatorowi systemu przesyłowego, który jest obowi�zany do jej zakupu.�

7. Przez wspóln� sie�, o której mowa w ust. 1 - 3, nale�y rozumie� sie� elektroenergetyczn� na terenie kraju albo sie� ciepłownicz� do której jest przył�czone dane �ródło niekonwencjonalne i odnawialne wytwarzaj�ce ciepło.�

§ 2.

Obowi�zek, o którym mowa w § 1 ust. 1, uznaje si� za spełniony je�eli: �

%*� udział ilo�ci energii elektrycznej wytworzonej w �ródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych w wykonanej całkowitej rocznej sprzeda�y energii elektrycznej przez dane przedsi�biorstwo energetyczne wynosi nie mniej ni�:�

�*� 2,4% w 2001 r., ��*� 2,5 % w 2002 r., �+*� 2,65 % w 2003 r., ��*� 2,85 % w 2004 r., ��*� 3,1% w 2005 r., �,*� 3,6 % w 2006 r., ��*� 4,2% w 2007 r., �-*� 5,0% w 2008 r., �*� 6,0% w 2009 r., �.*� 7,5% w 2010 r. i latach nast�pnych, ��*� oferowane do sprzeda�y ciepło, wytworzone w �ródle niekonwencjonalnym i odnawialnym,

zostało zakupione w ilo�ci w jakiej je oferowano lub w ilo�ci równej ł�cznej ilo�ci sprzedanego ciepła odbiorcom, którzy kupuj� od danego przedsi�biorstwa energetycznego ciepło przesyłane dan� sieci� ciepłownicz�, do której przył�czone jest to �ródło.�

§ 3.

Obowi�zek, o którym mowa w § 1, nie dotyczy:

%*� energii elektrycznej lub ciepła wytworzonych poza terytorium Rzeczypospolitej Polskiej,��*� energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, ze sprawno�ci�

przemiany energii chemicznej paliwa brutto w energi� elektryczn� i ciepło ł�cznie mniejsz� ni� 65 %, obliczon� jako �rednioroczna w roku kalendarzowym, w którym dokonuje si� zakupu energii elektrycznej,�

'*� energii elektrycznej z elektrowni wodnych szczytowo-pompowych wytworzonej przy u�yciu przepompowanej wody,�

(*� energii elektrycznej lub ciepła wytworzonych przy u�yciu paliw rozszczepialnych,�!*� ciepła, je�eli uzasadniony planowany koszt jego zakupu ze �ródeł niekonwencjonalnych

i odnawialnych spowoduje w przedsi�biorstwie energetycznym w danym roku, wzrost cen i stawek opłat za ciepło dla odbiorców o wi�cej ni� 1,25 krotno�ci �redniorocznego wska�nika cen towarów i usług konsumpcyjnych ogółem, w poprzednim roku kalendarzowym, okre�lonego w komunikacie Prezesa Głównego Urz�du Statystycznego, ogłoszonym w Dzienniku Urz�dowym Rzeczypospolitej Polskiej "Monitor Polski",�

�*� energii elektrycznej i ciepła ze spalania odpadów.�

232

§ 4.

1. Planowane uzasadnione koszty zakupionej energii elektrycznej ponoszone w zwi�zku z realizacj� obowi�zku, o którym mowa w § 1 ust. 1, uwzgl�dnia si� w kalkulacji cen i stawek opłat ustalanych w taryfie przedsi�biorstwa energetycznego dokonuj�cego jej zakupów, przyjmuj�c, �e ka�da jednostka energii elektrycznej sprzedawana przez dane przedsi�biorstwo energetyczne wszystkim odbiorcom, jest w tej samej wysoko�ci obci��ona tymi kosztami.�

2. W przypadku wyst�pienia, w okresie obowi�zywania taryfy, ró�nicy mi�dzy przyj�tymi do kalkulacji, a rzeczywi�cie poniesionymi uzasadnionymi kosztami, o których mowa w ust. 1, ró�nic� t� uwzgl�dnia si� w kalkulacji cen i stawek opłat ustalanych na nast�pny okres obowi�zywania współczynnika korekcyjnego, o którym mowa w art. 23 ust. 2 pkt 2b ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne.�

§ 5.

1. Przedsi�biorstwo energetyczne, o którym mowa w § 1 ust. 4, uwzgl�dnia w taryfie, w kalkulacji cen za energi� elektryczn� planowane uzasadnione koszty zakupu tej energii wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, których wysoko�� oblicza si� jako iloczyn planowanej do zakupienia ilo�ci energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła oraz ceny energii elektrycznej ustalonej zgodnie z przepisami wydanymi na podstawie art. 46 ust. 1 ustawy, o której mowa w § 4 ust. 2, okre�laj�cymi szczegółowe zasady kształtowania i kalkulacji taryf dla energii elektrycznej.�

2. Operator systemu przesyłowego uwzgl�dnia w taryfie, w kalkulacji stawek opłat za usługi przesyłowe planowane uzasadnione koszty obejmuj�ce:�

%*� ró�nic� mi�dzy planowanymi przez to przedsi�biorstwo kosztami zakupu i przychodami ze sprzeda�y energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła,�

�*� planowane do poniesienia opłaty płacone przedsi�biorstwom energetycznym zajmuj�cym si� przesyłaniem i dystrybucj� energii elektrycznej, a tak�e obrotem t� energi�, pokrywaj�ce ró�nice mi�dzy planowanymi kosztami zakupu i przychodami ze sprzeda�y przez te przedsi�biorstwa energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, zgodnie z przepisami, o których mowa w ust. 1.�

3. Przepis § 4 ust. 2 stosuje si� do ró�nicy mi�dzy przyj�tymi do kalkulacji, a rzeczywi�cie poniesionymi uzasadnionymi kosztami, o których mowa w ust. 1 i 2. �

§ 6.

Traci moc rozporz�dzenie Ministra Gospodarki z dnia 2 lutego 1999 r. w sprawie obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych oraz zakresu tego obowi�zku (Dz.U. Nr 13, poz.119).

§ 7.

1. Rozporz�dzenie wchodzi w �ycie z dniem 1 stycznia 2001 r.�2. Przepis § 3 pkt 1 obowi�zuje do dnia uzyskania członkostwa Rzeczypospolitej Polskiej w Unii

Europejskiej.

233

Uzasadnienie Projekt rozporz�dzenia stanowi wykonanie delegacji zawartej w art. 9 ust. 3 ustawy - Prawo energetyczne po jej nowelizacji ustaw� z dnia 26 maja 2000 r. o zmianie ustawy - Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 48 z dnia 14 czerwca 2000 r., poz. 555), na podstawie której Minister Gospodarki został zobligowany do nało�enia na przedsi�biorstwa energetyczne zajmuj�ce si� obrotem lub przesyłaniem i dystrybucj� energii elektrycznej lub ciepła obowi�zku zakupu energii elektrycznej ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, a tak�e ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz okre�lenia szczegółowego zakresu tego obowi�zku, uwzgl�dniaj�c technologi� wytwarzania energii, wielko�� �ródła energii oraz sposób uwzgl�dniania w taryfach kosztów jej zakupu. Zagadnienia b�d�ce przedmiotem regulacji w projekcie rozporz�dzenia, w odniesieniu do energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł odnawialnych, regulowane s� dotychczas w odmienny sposób fakultatywnym rozporz�dzeniem Ministra Gospodarki z dnia 2 lutego 1999 r. w sprawie obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych oraz zakresu tego obowi�zku (Dz.U. Nr 13 z dnia 19 lutego 1999 r. poz. 119). Zasadnicze zmiany w obecnym projekcie w stosunku do dotychczas obowi�zuj�cego rozporz�dzenia polegaj� na:�

- dodaniu obowi�zku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła,�

- zniesieniu limitu wielko�ci mocy �ródeł wytwarzaj�cych energi� elektryczn� lub ciepło, �- nie uzale�nianiu obowi�zku zakupu energii elektrycznej i cieplnej od technologii wytwarzania,

poza ustalenia ustawowe, �- okre�leniu cen zakupu energii na podstawie uzasadnionych kosztów,�- przywróceniu obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł odnawialnych

zbudowanych w ramach inwestycji centralnych lub ze �ródeł odnawialnych stanowi�cych własno�� przedsi�biorstw obrotu lub przez nie kontrolowanych,�

- okre�leniu warunku spełnienia przez przedsi�biorstwo energetyczne obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła,�

- wył�czeniu z obowi�zku zakupu energii elektrycznej i ciepła wytwarzanych ze spalania odpadów oraz przy u�yciu paliw rozszczepialnych,�

- ograniczeniu obowi�zku zakupu przez przedsi�biorstwo energetyczne energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła do terytorium Rzeczypospolitej Polskiej do czasu uzyskania członkostwa Rzeczypospolitej Polskiej w Unii Europejskiej,�

- okre�lono graniczny wpływ kosztów zakupu ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych na ceny ciepła dla odbiorców, powy�ej którego przedsi�biorstwo jest zwolnione z obowi�zku zakupu tego ciepła. �

Udział energii wytwarzanej w �ródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych w sprzeda�y krajowym odbiorcom tzw. ko�cowym wynosił w: 1995 r. - 1,9%, 1996 r. - 1,9%, 1997 r. - 1,9 %, 1998 r. - 2,3%, 1999 r. 2,2%. Przedsi�biorstwa obrotu dokonuj�ce sprzeda�y hurtowej mog� spełni� nało�ony na nie obowi�zek zakupu poprzez wielokrotny obrót energi� elektryczn� wytwarzan� w �ródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych. Przedsi�biorstwa obrotu dokonuj�ce sprzeda�y detalicznej tj. do odbiorców ko�cowych musz� mie� pokryty udział energi� elektryczn� fizycznie wprowadzon� do sieci przez �ródła niekonwencjonalne i odnawialne z proporcjonalnym uwzgl�dnieniem strat tej energii przy jej przesyle od �ródła do odbiorcy ko�cowego. Wielko�� sprzeda�y energii elektrycznej i ustalony procentowy udziału na dany rok decydowa� b�dzie o zapotrzebowaniu na energi� elektryczn� wytworzon� w �ródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych. Ustalone w rozporz�dzeniu wielko�ci udziałów stanowi� impuls wymuszaj�cy

234

rozwój energetyki niekonwencjonalnej i odnawialnej zgodnie z przyj�tymi przez Rad� Ministrów R.P. "Zało�eniami polityki energetycznej Polski do roku 2010" oraz "Strategi� rozwoju energetyki odnawialnej". Produkcja energii elektrycznej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła umo�liwia uzyskanie znacznie wy�szej efektywno�ci wykorzystania energii pierwotnej paliwa. Dla zapewnienia pierwsze�stwa zakupu energii elektrycznej ze �ródeł o najwy�szej sprawno�ci cieplnej, tj. o najmniejszym zu�yciu paliwa na produkcj� energii przyj�to, �e obowi�zek zakupu energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła nie dotyczy energii elektrycznej wyprodukowanej ze sprawno�ci� przemiany energii chemicznej paliwa brutto w energi� elektryczn� i ciepło ł�cznie mniejsz� ni� 65 %. Sprawno�� t� przyj�to maj�c na wzgl�dzie, �e najlepsze w skali �wiatowej elektrownie kondensacyjne nie przekraczaj� sprawno�ci: w�glowe - 45%, wykorzystuj�ce kombinowany cykl parowo-gazowy - 55%. Przyj�te wymagania dotycz�ce sprawno�ci przetwarzania paliwa na energi� elektryczn� przy produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu z produkcj� ciepła przekraczaj� o 10 punktów procentowych najlepsze w �wiecie obiegi kondensacyjne. W przypadku gdy przedsi�biorstwo energetyczne zajmuj�ce si� przesyłaniem i dystrybucj� energii elektrycznej nie zajmuje si� obrotem lub ilo�� kupowanej energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła jest wy�sza od ł�cznej ilo�ci sprzedawanej energii elektrycznej odbiorcom przez to przedsi�biorstwo obowi�zek odkupienia tej energii lub jej nadwy�ki spoczywa na operatorze systemu przesyłowego, który t� energi� b�dzie sprzedawał na rynku bilansuj�cym. Równie� w przypadku gdy ilo�� energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu kupowanej przez przedsi�biorstwo maj�ce obowi�zek jej zakupu b�dzie wi�kszy od 25% ł�cznej sprzeda�y energii elektrycznej przez przedsi�biorstwo energetyczne, to nadwy�ka ponad t� wielko�� mo�e by� sprzedana operatorowi systemu przesyłowego na rynku bilansuj�cym. Promocja wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wykorzystaniem odnawialnych �ródeł energii, jak równie� produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, przyczyni si� do zmniejszenia zu�ycia paliw kopalnych, których spalanie powoduje emisj� pyłów i gazów szkodliwych dla �rodowiska. Promocja ta b�dzie słu�yła wywi�zaniu si� z podpisanych przez Polsk� konwencji i umów mi�dzynarodowych w sprawie ochrony �rodowiska, a w szczególno�ci: - Protokółu do Konwencji z 1979 roku w sprawie transgranicznego zanieczyszczenia powietrza

na dalekie odległo�ci, dotycz�cego dalszego ograniczenie emisji siarki (drugi protokół siarkowy),�

- Ramowej Konwencji ONZ w sprawie zmian klimatu oraz uwzgl�dnieniu postanowie� Deklaracji Madryckiej pod nazw�: "Plan działania na rzecz �ródeł energii odnawialnej w Europie" - podpisanej w marcu 1994 r. Energia elektryczna i ciepło wytwarzane w odnawialnych �ródłach energii, szczególnie w małych urz�dzeniach, charakteryzuj� si� wy�szymi kosztami produkcji w porównaniu z kosztami energii elektrycznej i ciepła uzyskiwanymi z paliw kopalnych przy zastosowaniu technologii konwencjonalnych. Dlatego te� w projekcie rozporz�dzenia zastosowano formuł� uznania kosztów zakupu energii elektrycznej i ciepła ze �ródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych za koszty uzasadnione.�

Projekt rozporz�dzenia umo�liwia znacz�cy post�p w zakresie promowania rozwoju wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w �ródłach niekonwencjonalnych i odnawialnych. Projekt rozporz�dzenia nie poci�ga za sob� negatywnych skutków dla bud�etu pa�stwa jak równie� nie koliduje z istniej�cymi w tym zakresie przepisami Unii Europejskiej.

235

�

MATERIAŁY �RÓDŁOWE w opracowaniu wykorzystane zostały fragmenty ni�ej wymienionych prac:

Strona w skrypcie: �ródło 15-23 - Ochrona rodowiska – Ekorozwój w gminie – Racjonalna gospodarka

energetyczna – Tadeusz Bachleda-Curu� FRSiPL Kraków 2000, s.5-18 20 - Seminarium "Gospodarcze sposoby wykonaywania solarnych systemów do

podgrzewania cieplej wody u�ytkowej, doswiadczenia austryjackie i polskie", Warszawa 7 maja

27-32 - A. Chwaleba, B. Moeschke, G. Płoszajski: „Elektronika” WSiP Warszawa 1999, s. 434-445

32-34 - B. Pióro, M. Pióro: „Podstawy elektroniki” s. 135, 136 35 - www.wm-pro.waw.pl

35-36 - D. Laudyn, M. Pawlik, F. Strzelczyk: „Elektrownie” WNT 1990, s. 589-592

37,38,40,41,45,46 - www.solaris.polbox.pl 39 - www.ekologika.com.pl/com/nde/oferta/pv/dtr-sol.htm

47-51 - www.uwm.edu.pl 52-53 - www.termex.pl

54-62,68,69 - www.mops.uci.agh.edu.pl/~oko/2ro_inst.htm 62-68 - www.nawalex.com.pl

68 - sto.pl - S. Plewa: „Rozkład parametrów geotermalnych na obszarze Polski” - materiały konferencyjne „Energia odnawialna w ochronie �rodowiska” - W. Nowak: „Wymiana ciepła i odnawialne �ródła energii” - W. Bujakowski pr. zb.: „Energia geotermalna �wiat – Polska – �rodowisko” - S. Cegielski: „Niekonwencjonalne �ródła energii”

88 - W. Zalewski „Pompy ciepła” 71,77,86,89-98 - PAN „Geotermia �ródło energii przyjaznej �rodowisku” IGSMiE – LG /

WFOiGW, Kraków 1999 99 W. Bujakowski: „Projekty geotermalne w Polsce” TPGGiG 4-5/99 97 - W. Bujakowski: „Czasopismo techniczne” TKT-OKTT Nr 58-63, Kraków

2000 102 - GLOBEnergy nr 01/2004(05), str 23

fot. na okładce, 104-109,112-120,123-131,

138-139

- www.elektrownie-wiatrowe.org.pl

139-141 - www.zaber.com .pl 148-149 - D. Laudyn, M. Pawlik, F. Strzelczyk „Elektrownie” WNT 1990,

s. 407-408,416-419 149 - M. i J. Gajda: „Projekt techniczny MEW OLCZA” BIWiO 188 - www.niezapominajka.infocentrum.com

184-196 - M. i J. Gajda: „Projekt techniczny MEW OLCZA” BIWiO s.16 192,204,207,209,

220-222 - Seminarium targowe "Energia odnawialna - wykorzystanie biomasy",

"Biomasa jako surowiec energetyczny w Polsce" P.Kowalik, s.19,21,23,24-26 222 - A. Grzybek "Sloma energetyczne paliwo"

223-226 - Seminarium targowe "Elektro-Energy 2003", "Kierunki rozwoju wykorzystania biomasy na cele energetyczne" A. Grzbek, P. Gradziuk, s.35,46,47

Ze wzgl�du na ogrom pracy i zło�ono�� niniejszego opracowania dalsze �ródła zostan� umieszczone tak szybko jak to b�dzie mo�liwe.

236

Kontakt: e-mail: rysiekty@wp.pl

mgr Ryszard Tytko Nauczyciel przedmiotów zawodowych w Zespole Szkół Elektrycznych Nr 1 w Krakowie. Jest redaktorem i współautorem programu nauczania dla szkoły policealnej, dla zawodu: technik elektryk z zakresu odnawialnych �ródeł energii (311[08]/SP/MEN/2001.06.12). Ma za sob� wieloletni� praktyk� zawodow� zarówno w kraju jak i zagranic� (Szwecja, USA). Uczestniczył w wielu konferencjach po�wi�conych zagadnieniom O�E. Pomaga nauczycielom szkół zawodowych we wdro�eniu w/w programu nauczania do realizacji. Bierze czynny udział w tworzeniu laboratorium O�E w ZSE Nr 1 w Krakowie. Prowadzi własn� firm� elektryczn�. W publikacjach prasowych propaguje stosowanie kolektorów słonecznych. Opracowanie skryptu jest konsekwencj� zapisów zawartych w w/w programie nauczania, jak równie� ma na celu usystematyzowanie zagadnie� z zakresu O�E potrzebnych w kształceniu technika elektryka. Nale�y zaznaczy�, �e opracowanie to jest zbiorem wielu publikacji, których autorzy cytowani s� w spisie literatury. Dost�pna jest równie� wersja elektroniczna na płycie CD-ROM. Wobec szybkich zmian technologicznych w zakresie O�E, jak równie� dynamicznym rozwojem firm zajmuj�cych si� monta�em i eksploatacj� O�E, nale�y spodziewa� si� wielu uwag dotycz�cych zagadnie� zawartych w skrypcie. Wszelkie propozycje, które zostan� przesłane, a za które serdecznie dzi�kuj�, po publikacji skryptu zostan� rzetelnie przeanalizowane i uwzgl�dnione przy kolejnym opracowaniu.

kontakt: e-mail: kmac@poczta.fm

Maciej Ksi��ek Absolwent Zespołu Szkół Elektrycznych Nr 1 w Krakowie (1998-2003). Obecnie student Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na Wydziale In�ynierii Mechanicznej i Robotyki. Opracował od strony technicznej (i elektronicznej) program nauczania 311[08]/SP/MEN/2001.06.12. Prac� sw� przyczynił si� równie� do powstania tego skryptu. Pomaga i słu�y uczniom i słuchaczom ZSE Nr 1 w Krakowie przy wyposa�aniu laboratorium O�E. Zajmuje si� tak�e stron� organizacyjn� przy opracowaniu programu nauczania i skryptu.