Obnoviteľné zdroje energie


Slnečná energia

Slnečná energia je hnacím strojom života na Zemi. Zohrieva atmosféru a Zem, vytvára
vietor, zohrieva oceány, spôsobuje odparovanie vody dáva silu vodným tokom, rastlinám aby
mohli rásť a z dlhodobého hľadiska vytvára aj fosílne palivá. Slnečná energia a z nej
pochádzajúce obnoviteľné zdroje energie – veterná, vodná a biomasa môžu byť využité na
výrobu všetkých foriem energie, ktoré dnes ľudstvo využíva.
Každý rok dopadá zo Slnka na Zem asi 10 tisíckrát viac energie, ako ľudstvo za toto
obdobie spotrebuje. Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na územie Slovenska je asi 200násobne
väčšie, ako je súčasná spotreba primárnych energetických zdrojov u nás. Je to obrovský, doposiaľ
takmer úplne nevyužitý potenciál. Využívanie slnečnej energie je dnes najčistejším spôsobom využívania energie vôbec a na rozdiel od iných zdrojov (aj obnoviteľných) sú dopady na okolité životné prostredie zanedbateľné.

Obr. 1 Slnko


Veterná energia

Energia vetra je formou slnečnej energie, ktorá vzniká pri nerovnomernom ohrievaní
zemského povrchu. Slnko vyžaruje smerom k Zemi energiu rovnajúcu sa 100 000 000 000
000 kWh. Z tejto hodnoty sa približne 1 až 2 % mení na energiu vetra. Je to 50 až 100-krát
viac ako energia, ktorú premenia všetky rastliny na Zemi na živú biomasu. Vietor, keďže je
prítomný všade, bol človekom využívaný od nepamäti. Navyše táto energia je príťažlivá aj
dnes, pretože jej využívanie neprodukuje žiadne odpady, neznečisťuje ovzdušie a nemá
negatívny vplyv na zdravie ľudí. Vietor ako primárny zdroj energie je zadarmo a je ho možné
využiť decentralizovane takmer v každej časti sveta.

Obr. 2 Veterné elektrárne

Vodná energia

Voda je na Zemi a v jej atmosfére v neustálom pohybe. V dôsledku aktivity Slnka sa
odparuje z vodných plôch, vytvára oblaky pary a padá k Zemi vo forme dažďa alebo snehu.
Energia tohto vodného cyklu je veľmi účinne využívaná vodnými elektrárňami alebo vodou
poháňanými mechanickými dielami. Najnovšie technológie výroby elektriny z vody sú
založené na využití morského prílivu, morských vĺn alebo teplotného rozdielu vody
v oceánoch. Z uvedených typov vodnej energie len energia morského prílivu nie je výsledkom
aktivity Slnka, ale je spôsobovaná príťažlivou silou Mesiaca.

Obr. 3 Vodná elektráreň

Energia morských vĺn je priamym dôsledkom sily vetra, ktorý je spôsobovaný
činnosťou Slnka. Množstvo energie obsiahnutej v zemskom vodnom cykle je obrovské, avšak
jej využitie je zložité. Napriek tomu, že existuje viacero spôsobov ako využívať
energiu vody, najrozšírenejšia je výroba elektriny vo vodných elektrárňach. Výhodou tejto výroby je,
že je to obnoviteľný energetický zdroj nespôsobujúci emisie škodlivín do ovzdušia a navyše
je možné ho využiť na okamžité pokrytie spotreby t.j. v čase kedy to je potrebné. Nevýhodou
sú však vysoké investičné náklady na výstavbu a tiež aj negatívne dopady na okolité životné
prostredie, hlavne v prípade veľkých vodných diel.


Geotermálna energia

Geotermálna energia nie je v pravom slova zmysle obnoviteľným zdrojom energie,
nakoľko má pôvod v horúcom jadre Zeme, z ktorého uniká teplo cez vulkanické pukliny
v horninách. Vzhľadom na obrovské, takmer nevyčerpateľné zásoby tejto energie, však býva
medzi tieto zdroje zaraďované. Teplota jadra sa odhaduje na viac ako 4000 °C a
v desaťkilometrovej vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vŕtacej technike, sa
nachádza dostatok energie na pokrytie našej spotreby na obdobie niekoľko tisíc rokov. Teplo
postupuje zo žeravého zemského jadra smerom k povrchu. Teplotný nárast sa pohybuje od 20
°C do 40 °C na vertikálny kilometer s miestnymi maximami (geotermálne pramene). V hĺbke
zhruba 2500 metrov sa často nachádza voda teplá až 200 °C.

Geotermálne vody sa vyžívajú v poľnohospodárstve, na vykurovanie budov a
rekreačné účely. V poľnohospodárstve sa geotermálne vody využívajú na vykurovanie
skleníkov pri produkcii rýchlenej zeleniny ako aj kvetov. Geotermálna voda sa využíva aj v
chove rýb. Ďalším spôsobom zužitkovania geotermálnej energie je výroba elektrickej
energie. Na tento spôsob využívania geotermálnej energie sa používa geotermálna voda s
teplotou 150 °C. V dnešnej dobe sa uvažuje aj o vybudovaní geotermálnej elektrárne.
Osobitnú skupinu tvoria tepelné čerpadlá, využívajúce geotermálnu vodu na výrobu tepla.


Obr. 4 Geotermálna elektráreň


Biomasa

Biomasou môžeme označiť
akúkoľvek substanciu biologického pôvodu (všetka vodná
a suchozemská vegetácia), ktorá vznikla prostredníctvom fotosyntézy a akúkoľvek živočíšnu
hmotu na tejto zemi. Môžeme ju získať buď ako odpad z poľnohospodárskeho, lesného,
potravinárskeho priemyslu, alebo je získavaná ako výsledok výrobnej činnosti v podobe
dreva, olejnatých rastlín, rastlín s obsahom cukru alebo škrobu. Spracovaním biomasy
môžeme vyrábať teplo, elektrinu, plynné a tekuté palivá pre dopravu. Patrí k základným
obnoviteľným zdrojom energie.

Obr. 5 Kotol na biomasu

 

Vodík

Vodík je nosičom chemickej energie, podobne ako benzín, etanol alebo zemný plyn. Unikátnou charakteristikou vodíku je, že je to jediný chemický nositeľ energie, ktorý negeneruje škodlivé emisie pri spaľovaní. Vodík je priemyselne široko používaná chemický prvok, ktorý môže byť vyrábaný z ľubovolného primárneho zdroja energie. Väčšina svetovej produkcie vzniká tepelnou reformáciou zemného plynu (metánu) na vodík, ktorý je hneď používaný na rafináciu ropy na benzín a podobne. Oxid uhličitý produkovaný pri procese reformácie je buď zachytávaný a spracúvaný na tekutú formu alebo vypúšťaný do atmosféry. Pretože je vodík produkovaný a distribuovaný v takých veľkých množstvách, je technológia potrebná na pokrytie veľkoobchodu a maloobchodu s energiou overená, spoľahlivá a komerčne dostupná.

Vodík môže byť použitý ako palivo pre všetky typy spaľovacích motorov. Tepelné motory poháňané vodíkom môžu byť optimalizované na väčšiu termodynamickú účinnosť ako bežné tepelné motory používajúce uhľovodíkové palivá. Zvýšená termodynamická účinnosť a znížené znečisťovanie by boli veľkým prínosom, avšak zatiaľ tieto motory nie sú produkované vo veľkých množstvách pretože vodík stále nie je priemyselne dostupný.

Dostatočne čistý vodík môže byť tiež použitý v elektrochemických motoroch ako napríklad palivový článok PEM (proton exchange engine). Vodíkové palivové články môžu byť efektívnejšie ako tepelné motory poháňané vodíkom a teda aj omnoho efektívnejšie ako tepelné motory poháňané uhľovodíkovým palivom. Tieto palivové články taktiež nemajú takmer žiadne emisie. Mnoho spoločností sa snaží o vývoj spoľahlivých a lacných PEM palivových článkov. Avšak návrhy nie sú dostatočne vyvinuté na to, aby ich bolo možné produkovať vo veľkých množstvách. Limitované množstvá, ktoré je možné kúpiť sú ručne vyrábané a teda omnoho nákladnejšie ako bežné spaľovacie motory.

Produkcia vodíku v množstvách potrebných na nahradenie existujúcich uhľovodíkových palív nie je možná. Takáto produkcia by vyžadovala viac energia ako sa v súčasnosti používa a boli by potrebné veľké investície do tovární na výrobu vodíka. Práve kvôli týmto vysokým nákladom doteraz vodík nie je bežne používaný. Ak by bola do trhových cien uhľovodíkových palív premietnutá cena produkcie skleníkových plynov, mohol by sa vodík stať komerčne atraktívny, poskytujúc čistú, efektívnu energiu pre domácnosti, spoločnosti a dopravné prostriedky.

Nevýhodou vodíku je nízka energetická hustota v porovnaní s tradičnými uhľovodíkovými palivami, čo sa premieta v množstve spotrebovaného paliva pri ekvivalentnom výkone. Pri mnohých metódach výroby vodíku je pomerne veľká strata energie počas výroby. Niektoré iné metódy sú efektívnejšie (napr. elektrolytická výroba vodíku z vody).

Obr. 6  Princíp palivového článku

Energia mora

Možnosti využitia vodnej energie sú nielen na vodných tokoch, ale aj v jej najväčšej zásobárni na Zemi: v moriach a oceánoch.

  • Príliv - odliv

Príťažlivosť Mesiaca spôsobuje na morských pobrežiach kolísanie hladiny mora–príliv a odliv, ktorý na niektorých miestach Zeme dosahuje niekoľko metrov.
Ak sa nájde vhodný profil pobrežia, na ktorom možno postaviť hrádzu do uzavretej zátoky, môže morská voda pri prúdení do vnútrozemia i späť do mora, teda 2x, poháňať turbíny vodnej elektrárne. Vhodné miesta na stavbu prílivových elektrárni existujú v zátokách a ústiach riek najmä v Severnej a Južnej Amerike i v Európe. Vo Francúzsku pracuje takáto elektráreň v ústi rieky La Rance.

  • Energia morských prúdov

by sa dala využiť vo veľkých prietokových turbínach zakotvených o dno.

  • Energia morských vĺn                                                                                                                               Mechanická energia morských vĺn je značná, ale má niektoré nevýhody:
  • je málo koncentrovaná (ne jej využitie sú potrebné veľké plochy a teda drahé zariadenia)
  • má premenlivú veľkosť
  • konštrukcia je náročná (musí umožňovať využitie slabého vlnenia a na druhej strane odolávať veľmi silným búrkam)
    • Príbojové elektrárne využívajú kinetickú eneregiu vlnobitia na prepravu vody do vyššie položených nádrží.

 

    • Energeticky možno využiť aj vodu z roztápajúcich sa ľadovcov. Okrem elektrickej energie by sa získavala aj veľmi čistá voda z ľadovcov, ktorá by sa mohla využívať na zásobovanie vzdialených oblastí s nedostatkom pitnej vody.
    • Energetické využitie teplotných gradientov morí a oceánov by mohlo možné využitím rozdielu teplôt povrchových vrstiev a teplôt vo veľkých hĺbkach, ktorá dosahuje v tropických oblastiach 20˚ až 30˚. To by sa dalo využiť na postavenie elektrárne známej pod skratkou OTEC, pričom pracovnou látkou by bola kvapalina s nízkym bodom varu. Nevýhodou je veľmi nízka účinnosť, maximálne 5%.

Teoreticky možno využiť aj ďalšie princípy, ale nijaký z nich zatiaľ nie je ekonomicky výhodný a často realizovateľný súčasnými technickými zariadeniami a známymi technológiami.