Obnoviteľné zdroje energie

Obnoviteľné zdroje energie, ktorých základom je slnečné žiarenie (biomasa, vodná, veterná a slnečná energia), sú schopné úplne pokryť spotrebu všetkých druhov energie prakticky v každej krajine sveta. Slnko je jediným zdrojom energie, na ktorý sa ľudstvo môže plne spoľahnúť. Slnečná energia nám dokáže poskytnúť všetko, čo od energie požadujeme a to často veľmi jednoducho, čisto a bez rizika. Nie je to len elektrina, teplo a svetlo pre naše domovy, ale aj palivo na prevádzku ekologicky čistých automobilov. Množstvo slnečného žiarenia dopadajúce na Zem za jeden rok je až 20 tisíc krát väčšie, ako je celosvetová spotreba energie. Dokonca aj energia dopadajúca na strechu rodinného domu v oblastiach chudobných na slnečné žiarenie (napr. severná Európa) je až 10-krát vyššia ako je jeho spotreba na vykurovanie a prevádzku elektrospotrebičov.

Z hľadiska zabezpečenia ekologicky čistých palív v doprave je podstatná hlavne výroba elektriny, ktorú je možné využiť tak, na dobíjanie batérií elektromobilov ako aj na výrobu vodíka pre palivové články alebo na výrobu biopalív vo veľkom meradle. Elektrinu nie je ťažké vyrobiť. Súčasný spôsob jej výroby z uhlia, ropy, zemného plynu alebo uránu však nie je ani čistý ani trvalo udržateľný, pretože sa využívajú len fosílne zdroje palív. Zabezpečenie trvalo udržateľného rozvoja a spoľahlivého zásobovania palivami v doprave si však vyžaduje vyrábať ju využívaním obnoviteľných (alternatívnych) zdrojov energie. Dnes je zrejmé, že takto vyrábaná elektrická energia by bola schopná plne nahradiť ropu ako východiskovú surovinu pre výrobu benzínov a nafty.

Spôsobov, ako vyrobiť elektrickú energiu z obnoviteľných zdrojov, je viac. Priamo na túto výrobu je možné využiť slnečné žiarenie za pomoci tzv. fotovoltaických článkov. Nepriamo sa dá slnečná energia využívať, či už vo forme biomasy (rastliny využívajú slnečné žiarenie prostredníctvom fotosyntézy na svoj rast), veternej energie, ktorá vzniká v dôsledku nerovnomerného zohrievania zemského povrchu slnečnými lúčmi a následnej cirkulácie vzduchu alebo vodnej energie, ktorá má svoj pôvod vo vyparovaní vodných plôch (moria, oceány) v dôsledku slnečného žiarenia a následných zrážkach dopadajúcich na Zem, ktoré zase dávajú silu vodným tokom. Zo všetkých týchto zdrojov je možné vyrábať elektrickú energiu a to pri použití v súčasnosti dostupných technológií.

Iným potenciálnym zdrojom, ktorý sa často zaraďuje medzi zdroje obnoviteľné je geotermálna energia. Tá síce nemá svoj priamy pôvod v slnečnej energii, pretože pochádza z horúceho jadra Zeme, ale vzhľadom na jej obrovské zásoby pod zemským povrchom, je možné považovať geotermálnu energiu za zdroj nevyčerpateľný.


SLNEČNÁ ENERGIA

Okamžitý výkon slnečného zdroja v atmosfére predstavuje 1,7 .1017 W alebo 1,5 .1018 kWh ročne. V našich zemepisných podmienkach energia dopadajúca na plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 až 1250 kWh/rok (cca 5 GJ). Je to značné množstvo energie. Bariéru pre širšie využívanie tohto zdroja však predstavuje problém s hustotou energie. Tá je totiž mnohonásobne nižšia ako v prípade fosílnych palív. Na druhej strane je však slnečné žiarenie homogénnejšie rozložené ako zásoby akýchkoľvek iných palív na Zemi. Výroba elektriny využívaním slnečnej energie dnes vo svete rýchlo rastie a najdôležitejšiu technológiu tu predstavujú tzv. fotovoltaické články. V menšej miere sa tiež uplatňuje proces koncentrácie slnečného žiarenia parabolickými zrkadlami do absorbéru s následnou výrobou pary používanou na pohon generátora. Na rozdiel od parabolických zrkadiel, ktorých praktické uplatnenie sa obmedzuje len na oblasti veľmi bohaté na slnečné žiarenie, využitie fotovoltaických článkov je možné aj v našich podmienkach.
FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY

S fotovoltaickými článkami sa bežne stretávame v solárnych kalkulačkách. Vo svete však existujú aj ďalšie aplikácie vrátane solárnych elektrární, ktoré dodávajú vyrobenú energiu do elektrickej siete. Technológia fotovoltaických článkov je založená na využívaní polovodičových materiálov s vnútorným elektrickým poľom, ktoré v dôsledku dopadajúceho slnečného žiarenia generujú jednosmerný elektrický prúd. Výhodou slnečných fotovoltaických článkov je, že pracujú bezpečne, ticho, nepotrebujú žiadne palivo, neprodukujú odpad, nemajú žiadne pohyblivé časti, a preto nepotrebujú ani údržbu. V súčasnosti existuje mnoho rôznych materiálov, z ktorých sú články vyrábané, najrozšírenejšími však sú články zhotovené na báze kremíka - jedného z najrozšírenejších prvkov na Zemi. Účinnosť premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu je rôzna pre rôzne materiály a v laboratórnych podmienkach dosiahla 30%. Pre masovo vyrábané články sú účinnosti nižšie. Hlavnou bariérou širšieho uplatnenia fotovoltaických článkov pri výrobe elektrickej energie je ich cena. V roku 1998 sa cena kremíkových článkov pohybovala na úrovni asi 100 Sk za 1 W výkonu.


VETERNÁ ENERGIA

Energia vetra má svoj pôvod v slnečnej aktivite. Zohrievaním vzduchu a jeho následným stúpaním do výšky totiž dochádza k prúdeniu vzdušnej masy okolo Zeme. Pred objavením parného stroja bol vietor dôležitým zdrojom mechanickej energie využívanej napr. veternými mlynmi alebo plachetnicami. Tieto zariadenia dodávali mechanickú energiu rôznym poľnohospodárskym strojom. Po ropnom šoku v 70-tych rokoch na význame získala hlavne výroba elektrickej energie, pričom tento vývoj bol obzvlášť úspešný v krajinách ako je Dánsko a USA. Veľmi zaujímavý vývoj prebehol v Dánsku, kde je v súčasnosti vo výrobe vetrených turbín zamestnaných asi 24 tisíc ľudí. V dôsledku úspešnej politiky sa dnes na svetovom trhu dánski výrobcovia podieľajú až 60%, pričom sedem z 10 najväčších výrobcov turbín sídli v tejto krajine. V roku 1997 pracovalo v Dánsku 4900 turbín, ktoré pokrývali 7% domácej spotreby elektrickej energie. Na mape úspešných krajín sa v poslednom období objavila aj ďalšia krajina - Nemecko, ktorá v súčasnosti zaznamenáva najvyšší ročný prírastok vyrobenej energie z toho zdroja.

Potenciál veternej energie je však oveľa väčší. Podľa materiálov Európskej komisie by bolo možné pokryť celú spotrebu elektriny krajín EÚ len veternými elektrárňami vybudovanými na morskom dne. Elektrárne budované na otvorenom mori (tzv. off shore wind farms) sa stali skutočným hitom a od roku 1995 ich počet rastie obrovským tempom - prírastok 27% každý rok. Dánsko plánuje takto vybudovať do roku 2030 asi 4000 MW (výkon 4 veľkých atómových elektrární) a pokryť 40% domácej spotreby elektriny. Tento krok by umožnil odstaviť elektrárne na fosílne palivá. Podobné plány sa realizujú aj vo Veľkej Británii, kde podľa niektorých štúdií by bolo možné výrobou elektriny z vetra pokryť až 6-násobok súčasnej spotreby elektriny v krajine.

TECHNOLÓGIA

Princíp výroby elektriny súčasnými veternými turbínami je veľmi jednoduchý. Energia prúdenia vetra roztáča listy rotora a takto vytvorenú mechanickú energiu využíva generátor na výrobu elektrického prúdu. Veterné turbíny môžu pracovať buď na odporovom alebo vztlakovom princípe. Turbíny pracujúce na odporovom princípe využívajú tlak vetra na listy rotora, ktoré môžu mať tvar napr. rovinnej dosky, pričom vyvinutá sila poháňa rotor. Takto pracujú najjednoduchšie zariadenia. V turbínach pracujúcich na vztlakovom princípe vietor obteká listy, ktoré majú profil podobný leteckej vrtuli. Listy sú tvarované tak, abyvznikla potrebná vztlaková sila uvádzajúca rotor do pohybu. Na tomto princípe pracuje dnes väčšina komerčných veterných turbín vo svete. Rotor má zvyčajne dva alebo tri listy. Trojlistový rotor má o niečo vyššiu účinnosť a jeho chod je hladší, na druhej strane je drahší ako dvojlistový. Listy rotora sa bežne krútia vo výške 20-40 metrov nad zemou. Najväčšie zariadenia (s výkonom až 4 MW), ktoré boli postavené len nedávno, však majú listy rotujúce vo výške až 90 metrov. Na ich výrobu sa používa drevo alebo sklolaminát - materiály, ktoré sa vyznačujú potrebnou pevnosťou a flexibilnosťou. Ďalšou výhodou týchto materiálov je, že neobsahujú žiadne kovové časti, a tým nerušia televízny signál. Výkon turbín používaných na výrobu elektriny sa v súčasnosti bežne pohybuje od 300 do 1000 kW. Súčasné veterné elektrárne majú rotor v princípe podobný tomu, ktorý sa používal v klasických veterných mlynoch. Vďaka technickým vylepšeniam dokáže dnes takáto elektráreň na vhodných miestach vyrobiť ročne 600 až 900 kWh z každého metra štvorcového plochy, ktorú rotor pokrýva. Moderné veterné elektrárne majú automatické nastavovanie listov a sú vybavené brzdami, ktoré zastavia rotor pri vyšších rýchlostiach vetra. Rýchlosti vetra vyššie ako 25 metrov za sekundu by totiž mohli spôsobiť odtrhnutie vrtule. Ekonomika prevádzky veterných elektrární v rozhodujúcej miere závisí na sile vetra v danej lokalite.


BIOMASA

Organická hmota či už vo forme dreva, rastlín alebo zvyškov nám dokáže poskytnúť všetky užitočné formy energie - elektrinu, teplo aj kvapalné palivá pre motorové vozidlá. Biomasa je v podstate zakonzervovaná slnečná energia, ktorú rastliny vďaka fotosyntéze premieňajú na organickú hmotu. Potenciál ukrytý v nej je skutočne veľký, veď priemerný energetický obsah v jednom kg suchého dreva alebo slamy je asi 4,5 kWh, čo znamená že približne 2 kg biomasy sú potrebné na to, aby sa energeticky nahradil 1 liter ropy (pri zabezpečení rovnakej účinnosti využitia). Celosvetové zásoby biomasy sú tiež obrovské a množstvo energie vytvorenej každý rok fotosyntézou vo forme biomasy je až desaťkrát väčšie, ako je celosvetová spotreba energie. Biomasa môže v budúcnosti zohrať významnú úlohu pokiaľ bude transformovaná na moderné nosiče energie - hlavne elektrinu, plynné a kvapalné palivá .

Existuje niekoľko dôvodov, aby bola chápaná v tomto zmysle. Jedným z nich je, že biomasa je dostupnejšia v oveľa širšej miere ako fosílne palivá a technológie na jej využitie sú overené v praxi. V rozvinutých krajinách môže pestovanie biomasy pre energetické účely poskytnúť aj východisko zo súčasnej krízy vyplývajúcej z nadprodukcie poľnohospodárskych produktov. Ak by bola biomasa pestovaná a využívaná na udržateľnej báze, nedochádzalo by ani k nárastu CO2 v atmosfére, nakoľko pri jej spaľovaní sa uvoľní len toľko CO2, koľko ho rastlina počas svojho rastu prostredníctvom fotosyntézy z atmosféry odčerpala. Biomasa je však významný palivový zdroj už dnes, pretože zaisťuje jednu sedminu spotrebovávanej energie vo svete. V súčasnosti sa využíva hlavne na vykurovanie a v rozvojových krajinách jej podiel na trhu s energiou predstavuje 40% až 90%. Je to hlavný palivový zdroj takmer polovice celosvetovej populácie.

Biomasa je však dôležitým zdrojom energie aj v rozvinutých krajinách. V USA toto palivo pokrýva viac ako 4% spotreby primárnej energie (teplo, elektrina, kvapalné palivá a i.) - je to približne toľko energie, koľko sa jej vyrába v jadrových elektrárňach. V Kanade predstavuje podiel biomasy na energetickej bilancii krajiny 8% a vo Švédsku 14%. Správa EÚ o obnoviteľnej energii (White Paper on Renewable Energy) predpokladá, že biomasa by sa mohla výraznou mierou podieľať na náraste podielu obnoviteľných zdrojov zo súčasných 6% na 12% v roku 2010. Takéto využívanie biomasy by mohlo v krajinách EÚ poskytnúť ďalších asi 90 milión ton ropného ekvivalentu každý rok (v súčasnosti je to asi 47 milión ropného ekvivalentu). Polovicu z predpokladaného budúceho príspevku by mali poskytnúť tzv. energetické rastliny (rýchlorastúce dreviny napr. vŕby) pestované na 13 miliónoch hektárov pôdy, čo predstavuje 4% celkovej rozlohy Únie. Podstatné je, že náhrada 90 milión ton ropného ekvivalentu biomasou by znamenala ročné zníženie emisií uhlíka do atmosféry o 100 mil. ton.
Slnečná energia absorbovaná v biomase môže byť premenená na užitočnú formu energie viacerými spôsobmi napr. spaľovaním, fermentáciou, anerobickým vyhnívaním a i. Ako vhodné palivá sa ponúkajú hlavne drevo, slama, bioplyn alebo špeciálne pestované rastliny s krátkym rotačným cyklom. Osobitným palivom sú olejnaté rastliny ako napr. repka olejná, ktorá sa na prípravu tzv. bionafty využíva aj na Slovensku. Zo všetkých uvedených biopalív je možné dnes dostupnou technológiou vyrobiť tak tepelnú energiu ako aj elektrinu a to aj súčasne v tzv. kogeneračných jednotkách. Z hľadiska výroby elektrickej energie sa dnes ako najperspektívnejšia technológia ukazuje splyňovanie biomasy a následné spaľovanie vznikajúceho plynu v plynovej turbíne, čím sa odstraňujú niektoré negatívne javy sprevádzajúce priame spaľovanie biomasy. Okrem uvedených biopalív značný potenciál predstavujú aj organické zvyšky napr. z poľnohospodárskej produkcie, ktoré je možné využiť na výrobu bioplynu.


VODNÁ ENERGIA

Vodná energia má tiež svoj pôvod v energii dopadajúcej na Zem zo Slnka. Slnečná energia spôsobuje vyparovanie vody z oceánov, morí, jazier a vodných tokov. Vodné pary sa presúvajú nad zemským povrchom a ich ochladzovanie vedie ku kondenzácii a zrážkam. Tie zaisťujú vytváranie potenciálnej energie vysoko položených zdrojov vody, ktorá sa mení na kinetickú energiu pohybom v riekach. Kinetická energia vody sa bežne využíva na výrobu elektrickej energie vo vodných elektrárňach. Technológia využívania vodnej energie je najrozvinutejšou medzi obnoviteľnými zdrojmi. Celosvetovo pokrýva viac ako 18% vyrobenej elektrickej energie a je súčasne najvýznamnejším obnoviteľným zdrojom energie (podiel výroby elektriny z iných obnoviteľných zdrojov je len 1,1%). Každoročne sa vo vodných elektrárňach vyrobí 2100 miliárd kWh elektriny. Je to viac, ako sa jej vyrába v jadrových elektrárňach. Celkový využiteľný potenciál, ktorý zahrňuje len relatívne veľké zdroje (nad 10 MW), je však oveľa väčší a odhaduje sa na 14900 mld. kWh. Vodná energia je prakticky jediným obnoviteľným zdrojom energie, ktorý sa v širšej miere využíva aj u nás. V roku 1996 sa z vodnej energie na Slovensku vyrobilo viac ako 4,4 miliardy kWh, čo je približne 15% našej spotreby.


GEOTERMÁLNA ENERGIA

Geotermálna energia nie je v pravom zmysle slova obnoviteľným zdrojom energie. Tento druh energie má pôvod v horúcom jadre Zeme, z ktorého teplo uniká cez vulkanické pukliny v horninách. Teplota jadra sa odhaduje na 7000 stupňov Celzia a vzhľadom na obrovské, takmer nevyčerpateľné zásoby energie v útrobách Zeme, býva tento druh energie zaraďovaný medzi zdroje obnoviteľné. Zem nepretržite uvoľňuje svoje teplo na každom mieste, pritom teplota zemského obalu narastá s rastúcou hĺbkou. Teplotný gradient na každých sto metrov pod zemským povrchom predstavuje 2 až 4 stupne Celzia. V hĺbke 2500 metrov pod povrchom sa často nachádza horúca voda s teplotou až 200 stupňov Celzia. V desaťkilometrovej vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vŕtacej technike, sa nachádza dostatok energie na pokrytie našej spotreby na obdobie niekoľko tisíc rokov. Obrovské zásoby geotermálnej energie môžu byť využité tak na vykurovanie budov ako aj na výrobu elektriny, čo dokumentuje viacero takýchto zariadení na mnohých miestach sveta. V súčasnosti sa elektrická energia z geotermálnych zdrojov vyrába v 22 krajinách sveta a v roku 1994 dosiahol inštalovaný výkon zariadení 6333 MW. Účinnosť takejto výroby však nikdy neprevyšuje 20% a pre menšie zariadenia predstavuje len 5%. Aj keď sa tieto hodnoty môžu zdať nízkymi, ukazuje sa, že vzhľadom na obrovské zásoby geotermálnej energie býva ekonomickejšie postupovať cestou minimalizácie špecifických nákladov ako cestou zvyšovania účinnosti výroby. Využívanie geotermálnej energie na výrobu tepla, je bežné aj na Slovensku. Väčšina týchto aplikácií sa sústreďuje na vykurovanie kúpalísk a skleníkov. Vplyv prevádzky geotermálnych zariadení na životné prostredie však vzhľadom na vysoký obsah minerálov v ťažených vodách, môže byť značný. V praxi sa tieto problémy odstraňujú reinjektážou vody späť do hlbokého vrtu.