Co to są OZE? Wyjaśniamy, jak działają odnawialne źródła energii

"Świat wkracza w nową erę energetyki, która wywoła ogromne zmiany. Era paliw kopalnych, które napędzały światowy wzrost gospodarczy od niemal trzech stuleci, nie może już długo trwać". Gdyby takie słowa wypowiedział ktoś ze znanych ekologów, czy przedstawiciel producenta paneli fotowoltaicznych, czy wiatraków, nikt nie zwróciłby na to uwagi. Ale tak całkiem niedawno swoje plany biznesowe podsumował Mukesh Ambani, najbogatszy człowiek Azji, który fortunę zbił między innymi na rafineriach ropy naftowej. Jego firma, Reliance Industries, która jest właścicielem największej rafinerii na świecie, zainwestuje w ciągu trzech lat 10 mld dol. w czyste źródła energii. 

Wybór odnawialnych źródeł energii w miejsce ropy, gazu czy węgla przestał być już jedynie kwestią troski o środowisko. Teraz to racjonalna decyzja biznesowa. Dzięki błyskawicznemu postępowi technicznemu i rosnącej skali produkcji urządzeń wykorzystujących OZE, ich efektywność wzrosła a koszt spadł tak bardzo, że dziś w wielu regionach świata koszt postawienia nowej farmy wiatraków czy farmy fotowoltaicznej jest niższy, niż same tylko koszty utrzymania elektrowni węglowej o porównywalnej mocy. 

Według raportu Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej IRENA, w zeszłym roku na świecie powstały nowe źródła czystej energii o łącznej mocy 260 gigawatów. To o 50 proc. więcej, niż stworzono rok wcześniej. 80 proc. wszystkich elektrowni stawianych na świecie, licząc według ich planowanej mocy, to właśnie elektrownie oparte na OZE. - Pomimo trudnego okresu, rok 2020 oznacza początek dekady odnawialnych źródeł energii - mówił niedawno dyrektor generalny IRENA Francesco La Camera dodając: - Koszty spadają, rynki czystych technologii rosną i nigdy wcześniej korzyści z transformacji energetycznej nie były tak wyraźne. Ten trend jest nie do zatrzymania, ale jak pokazuje nasza prognoza, jest jeszcze wiele do zrobienia. 

Na koniec 2020 r. globalna moc wytwórcza energii odnawialnej wyniosła 2 799 GW, przy czym największy udział nadal ma energia wodna (1 211 GW), chociaż energia słoneczna i wiatrowa szybko nadrabiają zaległości. Te dwa źródła OZE zdominowały rozbudowę mocy w 2020 r., odpowiednio o 127 GW i 111 GW w nowych instalacjach słonecznych i wiatrowych.

Energia odnawialna to energia, która powstaje w wyniku naturalnych procesów, które stale się odnawiają, więc korzystanie z nich w żadnym stopniu nie powoduje ich uszczuplenia. Przykładami takich źródeł są światło słoneczne, ciepło geotermalne, wiatr, pływy, woda i różne formy biomasy. Ta energia w zasadzie nie może się wyczerpać i jest stale odnawiana. Przynajmniej w skali istnienia naszej cywilizacji - Słońce będzie dostarczać nam nieprzerwanie energii przynajmniej przez następnych 5 mld lat. 

Warto zauważyć, że energia odnawialna to nie do końca to samo, co bezemisyjne źródła energii. 

Energia atomowa wymaga do generowania stosunkowo niewielkich ilości materiałów rozszczepialnych. Światowe Stowarzyszenie Jądrowe podaje, że elektrownia jądrowa o mocy gigawata zużywa rocznie około 27 ton uranu. Takiej samej mocy elektrownia węglowa - pół miliona ton węgla. Energetyka jądrowa nie jest więc uznawana za odnawialne źródło energii, jest jednak bezemisyjna, bo nie generuje ogrzewającego planetę CO2. Spalanie biomasy z kolei generuje emisje gazów cieplarnianych, ale same rośliny są zasobem w zasadzie nieograniczonym, więc są uznawane za źródło odnawialne (choć budzi to bardzo duże kontrowersje w kontekście kryzysu klimatycznego). 

Obecnie najpopularniejszymi rodzajami energii odnawialnej są te, które korzystają z łatwo dostępnych procesów naturalnych. Większość działających dziś źródeł OZE opiera się na wykorzystaniu energii płynącej wody, światła słonecznego lub wiatru, ale na tym nie kończą się nasze możliwości. 

Energia ze słońca

Ilość światła słonecznego, która pada na powierzchnię Ziemi w ciągu półtorej godziny, wystarczy, aby zaspokoić zużycie energii na całym świecie przez cały rok. Technologie słoneczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną za pomocą paneli fotowoltaicznych (PV) lub luster, które skupiają promieniowanie słoneczne. Energia ta może być wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej lub być przechowywana w bateriach lub magazynach termicznych.

Istnieją dwa główne rodzaje technologii wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego - fotowoltaika (PV) i koncentracja energii słonecznej (CSP).

Fotowoltaika to technologia, na której oparte są coraz częściej instalowane w Polsce panele słoneczne. Kiedy słońce pada na panel, energia słoneczna jest pochłaniana przez ogniwa fotowoltaiczne w panelu. Ta energia tworzy ładunki elektryczne, które poruszają się w odpowiedzi na wewnętrzne pole elektryczne w ogniwie, powodując przepływ energii elektrycznej.

Z kolei systemy koncentracji energii słonecznej (CSP) wykorzystują lustra do odbijania i koncentrowania światła słonecznego na odbiornikach, które gromadzą energię słoneczną i przekształcają ją w ciepło, które można następnie wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Technologia ta jest zazwyczaj wykorzystywana w dużych elektrowniach słonecznych, które często przybierają formę dużej, centralnej wieży otoczonej tysiącami luster. Lustra skupiają promienie słoneczne u podstawy pustej w środku wieży tworząc wysoką temperaturę. Rozgrzane powietrze unosi się, poruszając turbinę generującą elektryczność.

Energia z wiatru

Ludzkość korzysta z energii wiatru od tysięcy lat. Wiatr napędzał żaglowce, a już kodeks Hammurabiego sprzed 3700 lat wspominał o wiatrakach. Maszyny napędzane wiatrem używane do mielenia ziarna i pompowania wody, zostały opracowane w IX w. na terenie dzisiejszego Iranu, Afganistanu i Pakistanu. 

Pierwszy wiatrak używany do produkcji energii elektrycznej został zbudowany w Szkocji w lipcu 1887 r. przez prof. Jamesa Blytha. Wysoka na 10 m, płócienna turbina wiatrowa Blytha została zainstalowana w ogrodzie jego domku letniskowego w Marykirk w Kincardineshire i służyła do ładowania akumulatorów zasilających oświetlenie. Blyth zaoferował nadwyżkę energii elektrycznej mieszkańcom Marykirk do oświetlenia głównej ulicy, jednak odrzucili ofertę, ponieważ uważali, że energia elektryczna jest "dziełem diabła".

Dziś energetyka wiatrowa opiera się głównie na ogromnych turbinach stawianych na wodzie lub na lądzie. Każda z turbin składa się z wirnika, który obraca się pod wpływem wiatru, napędzając generator prądu. Farmy wiatrowe składają się z wielu pojedynczych turbin wiatrowych, które są podłączone do sieci elektroenergetycznej. Wiatr na morzu jest bardziej stabilny i silniejszy niż na lądzie, a farmy morskie mają mniejszy wpływ na krajobraz, ale koszty budowy i utrzymania są znacznie wyższe. 

Energia wiatrowa jest coraz popularniejsza - dziś stanowi już ponad 5 proc. całej światowej produkcji energii elektrycznej. Nie jest jednak pozbawiona wad - poza wspomnianymi kwestiami krajobrazowymi, nie każdemu podoba się widok ogromnych wiatraków za oknem - jest silnie uzależniona od warunków pogodowych. Ma też wpływ na żywe istoty, zwłaszcza ptaki. Obecnie farmy wiatrowe stawia się zazwyczaj w miejscach nieleżących na trasach ich migracji, a testowane są już systemy, które po wykryciu zbliżających się ptaków uruchamiają ostrzegawcze sygnały dźwiękowe lub stopują pracę turbiny, by uniknąć zabijania zwierząt. 

Energia z płynącej wody

Podobnie jak w przypadku wiatru, energia płynącej wody była wykorzystywana od tysiącleci. Pierwsze koła wodne, zmieniające energię płynących rzek czy strumieni w energię mechaniczną, powstały niezależnie w starożytnej Grecji i Chinach około 2500 lat temu. Już w starożytnym Rzymie młyny wodne były tak wielkie, że tylko jeden, we francuskim Barbegal, przetwarzał 28 ton zboża dziennie, wykorzystując do tego 16 kół wodnych. 

Pierwsza elektrownia wodna powstała jeszcze w XIX wieku. Francuski inżynier Benoit Fourneyron opracował turbinę, która w 1895 r. została zainstalowana w elektrowni przy wodospadzie Niagara. Turbina francuskiego inżyniera działa do dziś. 

Hydroelektrownie stanowią dziś największe źródło energii odnawialnej na świecie. Straciły jednak na popularności z kilku powodów. Co prawda nie wytwarzają bezpośrednio żadnych zanieczyszczeń, ale mają silny wpływ na środowisko. Budowa zapór wiąże się z głębokimi przekształceniami otoczenia - niszczeniem ekosystemów i wyludnianiem wsi czy miasteczek. Zapory mają też ogromny wpływ na rzeczne ekosystemy, blokując na przykład migrację ryb i innych wodnych stworzeń. A badania wykazały, że ich działanie może pośrednio wywoływać emisje gazów cieplarnianych: na dnie zbiorników wodnych powstających przy zaporach gromadzi się gnijąca roślinność, która emituje do atmosfery metan. Hydroelektrownie są też potencjalnie bardzo narażone na negatywne skutki zmian klimatycznych - długa susza może doprowadzić do drastycznego obniżenia poziomów rzek, a co za tym idzie spadku mocy korzystających z nich hydroelektrowni. 

Energia geotermalna

Energia geotermalna to energia cieplna skorupy ziemskiej. Nasza planeta generuje ciepło poprzez procesy geologiczne, a także przez rozpad znajdujących się głęboko w jej wnętrzu promieniotwórczych pierwiastków takich, jak uran. Wysoka temperatura i ciśnienie we wnętrzu Ziemi powodują, że niektóre skały topią się, co powoduje unoszenie się takich ciepłych warstw do góry. Temperatury na granicy jądra i płaszcza Ziemi mogą osiągnąć ponad 4000 st. Celsjusza. 

Jednym z naturalnych przejawów działania takich procesów są gorące źródła, które były wykorzystywane do ogrzewania budynków jeszcze w starożytnym Rzymie. Dziś coraz częściej wykorzystuje się ich ciepło do generowania energii elektrycznej. Szacuje się, że zasoby geotermalne Ziemi w zupełności wystarczyłyby do zaspokojenia potrzeb energetycznych ludzkości, chociaż tylko bardzo niewielka ich część jest obecnie eksploatowana. Na całym świecie w 2019 r. dostępnych było 13 900 megawatów (MW) energii geotermalnej. 

Energia z pływów morskich

Jednym z rodzajów odnawialnych źródeł energii, który dotąd nie doczekał się masowego zastosowania, jest energia płynąca z pływów morskich. Pływy to zjawisko wynikające z oddziaływania grawitacyjnego między Ziemią, Księżycem i Słońcem oraz z ruchu obrotowego Ziemi. Na ich skutek poziom mórz podnosi się i opada w skali godzin, dni czy nawet lat. Energetyka pływowa stara się wykorzystać płynącą z tego zjawiska energię do generowania elektryczności przy pomocy turbin opartych na rozmaitych technologiach. 

Chociaż nie jest jeszcze powszechnie stosowana, energia pływów ma ogromny potencjał. Pływy są bardziej przewidywalne niż wiatr i słońce, energia generowana dzięki nim jest więc bardziej stabilna. Na razie jednak większość technologii pozwalających na ich wykorzystywanie pozostaje w fazie prób lub ograniczonej eksploatacji. 

Energia z fal morskich

To kolejny pomysł na zaprzęgnięcie mórz i oceanów do produkcji elektryczności. Polega na wykorzystaniu energii napędzanych wiatrem fal do generowania prądu przy pomocy tak zwanych konwerterów energii fal, które mogą przybierać kształt boi, pływających basenów czy podwodnych turbin. 

Energetyka falowa różni się od pływowej - pływy są bardziej przewidywalne niż powiązane z wiatrem fale, jednak energia falowa potencjalnie może być szerzej stosowana - o wiele więcej miejsc nadaje się do generowania energii falowej, bo generatory pływowe wymagają często specyficznego ukształtowania terenu. 

Podobnie jak energetyka pływowa, energia z fal nie jest jeszcze powszechnie stosowana. Pierwsze, demonstracyjne elektrownie powstały co prawda w Portugalii i Szkocji, jednak służą one głównie testowaniu różnorakich typów konwerterów. Ma jednak duży potencjał. Gęstość mocy paneli fotowoltaicznych wynosi 1 kW / m2 przy szczytowym nasłonecznieniu. Średnia roczna gęstość mocy fal przy np. w San Francisco wynosi 25 kW / m2. 

Energia z biomasy

To być może najbardziej kontrowersyjne z odnawialnych źródeł energii. Polega w skrócie na spalaniu roślin i innych odpadów organicznych. Mogą być to odpady z rolnictwa, specjalnie hodowane na biomasę rośliny czy też drewno pochodzące z lasów. 

Obecnie to właśnie drewno i odpady drzewne stanowią największe źródło energii z biomasy. Drewno może być wykorzystywane jako paliwo bezpośrednio lub przetwarzane na pellet. Jako paliwo można również wykorzystać inne rośliny, na przykład kukurydzę. Naukowcy pracują nad stworzeniem specjalnych odmian wodorostów, które mogłyby również stanowić biomasę. 

Spalanie roślin generuje emisje gazów cieplarnianych. W przeciwieństwie do spalania paliw kopalnych są to jednak w założeniu emisje pozostające w zamkniętym układzie. Kiedy spalamy ropę czy węgiel, pompujemy do atmosfery CO2, który pozostawał związany głęboko pod Ziemią od milionów lat. Dlatego właśnie stężenie tego gazu rośnie. Spalając rośliny, uwalniamy CO2 zmagazynowane przez nie kilka miesięcy czy lat wcześniej, stanowiące więc teoretycznie element naturalnego cyklu węglowego.

Naukowcy mają jednak poważne wątpliwości w sprawie wykorzystywania biomasy. Palenie drewna z lasów, jako biomasy pozbawia nas ich zdaniem cennego magazynu CO2. A uprawy roślin hodowanych specjalnie na biomasę wymagają wykorzystania gruntów, które mogłyby posłużyć produkcji żywności lub mogłyby zostać przekształcone w naturalne ekosystemy. Zwolennicy spalania biomasy twierdzą jednak, że może ona stanowić cenny środek na walkę z ocieplaniem klimatu: wyposażenie elektrowni zasilanych w biomasę w urządzenia przechwytujące i magazynujące emitowany podczas jej spalania dwutlenek węgla mogłoby sprawić, że oparta na biomasie energetyka stałaby się ujemna emisyjnie - wyciągałaby z atmosfery więcej CO2, niż do niego emitowała. Takie urządzenia pozostają jednak w fazie testów i nie są jeszcze szeroko stosowane.