Energia należy do tych dóbr, które są niezbędne człowiekowi do życia, ale również do funkcjonowania zarówno gospodarki, przemysłu, jak i rolnictwa. Dlatego też warto sobie bliżej przyswoić samo pojęcie energii oraz wskazać w uporządkowany sposób spotykane jej zasoby, w tym i nośniki.

Ma to szczególne znaczenie, ponieważ dostępne jej formy użytkowe wynikają zazwyczaj z konwersji pierwotnych zasobów oraz pośrednich nośników energii. Na wstępie tego tekstu zostanie przedstawiona klasyfikacja dostępnych zasobów energii, a w dalszej kolejności problematyka jej magazynowania.

Pojęcie energii

Energia, jako jedna z podstawowych wielkości fizycznych (i to skalarna), wprowadzona przez T. Younga (1807), charakteryzuje stan dowolnego układu fizycznego (cząstek, ciał, układów ciał, pól fizycznych), stanowiąc jego miarę zdolności do wykonania pracy. Pojęcie to służy do ilościowego określenia różnych rodzajów ruchu i wzajemnego oddziaływania układów fizycznych.

Jednostką podstawową energii w obowiązującym układzie jednostek SI jest dżul [J] i stosujemy jego wielokrotności, zaś jednostką nienależącą do tego układu, ale dopuszczoną do stosowania – watogodzina [Wh], również ze swoimi wielokrotnościami.

Energia występuje w różnych postaciach, jako np.: energia chemiczna, energia jądrowa, energia mechaniczna (energia kinetyczna, potencjalna, sprężysta, grawitacyjna i akustyczna), energia cieplna (określenie popularne, bo ciepło jest sposobem przekazywania energii), energia elektromagnetyczna (w tym światło, fale radiowe, promieniowanie kosmiczne, Rentgena i inne), energia elektryczna (statyczna i elektrodynamiczna). Formy te zazwyczaj nie występują w przyrodzie w postaci przydatnej do bezpośredniego wykorzystania. By uzyskać jej postać wygodną do bezpośredniego wykorzystania, należy zrealizować proces choćby częściowej konwersji energii z jej pierwotnych zasobów.

Warto jeszcze przypomnieć podstawowe formy przenoszenia energii. Otóż energię można przekazać na sposób pracy lub ciepła, a także za pośrednictwem strumienia substancji. Ponadto można przekazywać energię w postaci prądu elektrycznego.

Klasyfikacja zasobów energii

Wobec różnorodności zasobów dostępnej energii można w pierwszej kolejności dokonać najbardziej ogólnego jej podziału na:

* konwencjonalne zasoby energii,

* niekonwencjonalne (alternatywne) zasoby energii odnawialnej,

* niekonwencjonalne zasoby energii nieodnawialnej, do których można zaliczyć m.in. ostatnio nabierającą znaczenia – energię niekonwencjonalnych złóż węglowodorowych.

Po takim ogólnym podziale można przystąpić do szczegółowego omówienia poszczególnych dziedzin energii. I tak konwencjonalne zasoby energii można dalej podzielić na:

* naturalne zasoby energetyczne obejmujące:

– paliwa pierwotne (kopalne),

w tym organiczne: węgiel kamienny i brunatny (głównie węgle humusowe ze szczątków flory lądowej), ropa naftowa, gaz ziemny (z substancji organicznej) oraz

– jądrowe: rozszczepialne i paliworodne,

– uszlachetnione i przerobione naturalne nośniki energii (koks, brykiety, benzyny, propan, oleje, mazut, gaz syntetyczny itp.).

Z kolei przechodząc do niekonwencjonalnych, zwanych też alternatywnymi, zasobów energii odnawialnej warto na wstępie podkreślić, że bezdyskusyjnie przyjmuje się w energetyce, że wszystkie postacie energii odnawialnej pochodzą z trzech podstawowych źródeł:

– z energii promieniowania Słońca,

– z energii wnętrza Ziemi – energia geotermiczna,

– z energii ruchów planetarnych – energia przypływów i odpływów mórz.

Energia promieniowania słonecznego jest w części przetwarzana na inne zasoby energii odnawialnej, np.:

– w procesie fotosyntezy na biomasę (tak też powstał węgiel w odpowiedniej epoce geologicznej),

– w cyklu hydrologicznym na energię wodną,

– na energię ruchów atmosfery oraz fal i prądów morskich itp.

Do niekonwencjonalnych (alternatywnych) zasobów energii odnawialnej zaliczana jest zatem:

– energia wód śródlądowych,

– energia pływów morza, energia maretermiczna oceanów,

– energia geotermiczna (energia zakumulowana we wnętrzu Ziemi), w tym i energia geotermalna,

– energia wiatru,

– energia promieniowania słonecznego,

– energia biomasy i biopaliw.

Do ostatniej, trzeciej głównej grupy zasobów energii zaliczamy tzw. niekonwencjonalne zasoby energii nieodnawialnej, wśród których występuje:

– wodór,

– energia niekonwencjonalnych złóż węglowodorowych,

– energia reakcji chemicznych,

– energia magnetohydrodynamiczna (np. z kontrolowanych reakcji termojądrowych),

– energia geotermalna w postaci gejzerów,

– energia ze spalania odpadów (komunalnych i przemysłowych) i biogazu pochodzącego ze składowisk odpadów komunalnych oraz oczyszczalni ścieków, a także biogazu z przeróbki odpadów zwierzęcych,

– przemysłowa energia odpadowa (fizyczna i chemiczna).

Do tej grupy można też zaliczyć zasoby energii zawartej w powietrzu atmosferycznym:

– wykorzystywane w technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej (technika free cooling),

– wykorzystywane jako dolne źródło ciepła pomp grzejnych,

ale także zapasy składowanego lodu jeziorowego.

Warto jeszcze bliżej omówić tak popularne dzisiaj w świecie, wskazane powyżej, niekonwencjonalne złoża węglowodorowe, wymagające specyficznych technik wydobycia, przy czym ich eksploatacja jest możliwa technologicznie i opłacalna ekonomicznie, do których zalicza się:

– złoża gazu łupkowego (shale gas), zawartego w łupliwych (osadowych) skałach ilasto-mułowcowych, czyli łupkach dolnego syluru i górnego ordowiku, czerwonego spągowca, powstałych w morzu (basen sedymentacyjny) 460-420 mln lat temu, w Polsce szacowane na ok. 1000-3000 mld m3 i występujące na wschodnim Pomorzu, wschodnim Mazowszu oraz Lubelszczyźnie, także łupki dolnego karbonu – północna część Dolnego Śląska,

– złoża gazu zamkniętego, gazu zaciśniętego (tight gas), zawartego w głębokich częściach basenów sedymentacyjnych, np. w słabo przepuszczalnych zcementowanych piaskowcach,

– metan pokładów węgla (coal-bed methane),

– gaz głębinowy (deep gas),

– złoża ropy naftowej w łupkach bitumicznych,

– piaski roponośne,

– hydraty (klatraty) metanu.

Niezbędność magazynowania energii

Po przedstawieniu klasyfikacji dostępnych zasobów energii można przejść do zagadnienia magazynowania energii. Bierze się ono z tego, że ważnym problemem współczesnej energetyki, w tym i cieplnej, jest występujący zauważalny rozziew między popytem na energię a podażą na nią. Problem ten jest szczególnie często spotykany przy zagospodarowywaniu energii zarówno z zasobów odnawialnych, jak i odpadowych, ale nie tylko. Bowiem podstawową cechą zapotrzebowania na energię jest jej zmienność.

Podlega ono zmianie nie tylko w ciągu doby, ale i sezonowo, a przy tym zwykle jest przeciwne do występującej podaży. Przykładowo, podczas już np. doby, występuje silnie zmienne zapotrzebowanie na energię elektryczną w postaci szczytu dziennego oraz tzw. doliny nocnej. Podobnie występują różne potrzeby przy sezonowym ogrzewaniu pomieszczeń, bo zapotrzebowanie na ciepło silnie zależy od poziomu temperatury powietrza zewnętrznego, generującego stosowne straty ciepła tych pomieszczeń, gdy tymczasem źródło ciepło musi pokrywać zapotrzebowanie szczytowe.

Często się zdarza, że przy dużym zapotrzebowaniu na energię możliwości jego pokrycia są ograniczone, a niekiedy nawet niewystarczające. Tak jak ostatnio, w minionym lecie, spotkaliśmy się np. z ograniczeniami dostawy energii elektrycznej dla niektórych jej odbiorców.

Ważną możliwością przeciwdziałania takiej sytuacji jest koncepcja magazynowania energii. Jest ona nieodzowna, zwłaszcza gdy chwilowe zapotrzebowanie na energię jest niskie, a może niebawem wzrosnąć, co ma szczególne znaczenie wobec określonych, granicznych możliwości dostawczych źródeł będących aktualnie do dyspozycji. Wobec nadmiaru dostępnych mocy przy jej jednoczesnym niskim zapotrzebowaniu – potencjalne nadwyżki energii powinny być właśnie magazynowane.

W konsekwencji takiej sytuacji sposób magazynowania energii musi być właściwie dostosowany do sposobu jej pozyskiwania i potrzeb odbiorców. Stąd też mamy do dyspozycji różne sposoby i technologie jej magazynowania.

W dodatku szczególnego znaczenia akumulacja energii nabiera wówczas, gdy – jak aktualnie – przywiązuje się coraz większą uwagę na uzyskiwanie energii z zasobów odnawialnych i odpadowych, które wszak cechują się dużą zmiennością konwersji energii, a często pojawiają się w innym czasie i miejscu niż potrzeby energetyczne konkretnego odbiorcy.

Magazynowanie energii może pozwolić na osiągnięcie szeregu korzyści, do których można zaliczyć:

* zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego,

* redukcję kosztów wytwarzania i przesyłania energii,

* wzrost elastyczności systemów energetycznych,

* zmniejszenie rozmiarów urządzeń wytwórczych, a przy tym lepsze, bardziej sprawne i efektywne ich wykorzystanie,

* zmniejszenie zużycia energii, przy takim samym poziomie zużycia paliw pierwotnych,

* redukcję emisji zanieczyszczeń do atmosfery poprzez zmniejszenie zużycia paliw kopalnych,

* poprawę stanu środowiska, zwłaszcza czystości powietrza, ale i uniknięcia części szkód górniczych.

W kolejnej części przedstawie m.in. klasyfikację sposobów magazynowania energii.

dr inż. Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij