Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας

Transcript

1 Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Ενεργειακή στρατηγική και εναλλακτικές πηγές ενέργειας Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 214 Εισαγωγικές έννοιες Ενέργεια: H ικανότητα ενός φυσικού συστήµατος να παράγει έργο. Το µέγεθος αυτό συνδέεται µε κάθε µεταβολή στο φυσικό κόσµο. Η λέξη αναφέρεται πρώτη φορά από τον Αριστοτέλη (Ηθικά Νικοµάχεια) µε την έννοια της «δραστηριότητας που απαιτείται για να γίνει πράξη η δυνατότητα (δύναµις)» Μορφές ενέργειας Μηχανική (δυναµική, κινητική) Ηλεκτροµαγνητική (ηλεκτρική, µαγνητική) Πυρηνική Χηµική Θερµική-βιολογική Θερµότητα-Ακτινοβολία Μόνο ο άνθρωπος καταναλώνει ενέργεια για άλλους λόγους εκτός από τροφή Ισχύς: Ο ρυθµός µεταβολής της ενέργειας στη µονάδα του χρόνου 1

2 Εισαγωγικές έννοιες Χαρακτηριστικά µεγέθη Καύση 1 kg και ενέργεια που αποδίδεται: άνθρακας 34ΜJ λιγνίτης 1ΜJ βενζίνη 44ΜJ πετρέλαιο 42ΜJ φυσικό αέριο 47ΜJ ξύλο 15ΜJ Η ηµερήσια ενέργεια µεταβολισµού που χρειάζεται ένας άνθρωπος είναι περίπου 6-7,5 MJ (14-18 kcal). Η χηµική ενέργεια που παίρνει από τις τροφές µετατρέπεται σε κινητική (κίνηση σώµατος), δυναµική (σύσπαση µυών), θερµική (διατήρηση θερµοκρασίας) και ηλεκτρική (επικοινωνία εγκεφάλου µε µέρη σώµατος) Λαµπτήρας 1 W που λειτουργεί συνεχώς για µια ηµέρα αποδίδει 2,4 kwh (8,6 MJ) Η ωριαία ενέργεια που χρειάζεται ένας άνθρωπος 75 kg ο οποίος τρέχει µε 13 km/hr είναι περίπου 3,5 MJ (8 kcal) Κινητήρας αυτοκινήτου 14 cm 3 είναι 56 kwκαι σεµία ώρααποδίδει 2ΜJ Κινητήρας ενός αεροπλάνου Boeing 77 είναι 21 MW και σε ένα δευτερόλεπτο αποδίδει 21ΜJ Η µέση ηµερήσια ηλιακή ενέργεια Ιουνίου στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας σε 1 m 2 ενόςτόπουπουβρίσκεται σεγεωγραφικό πλάτος 4 ο είναι 42 MJ Η µέση ηµερήσια ηλιακή ενέργεια εκεµβρίου στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας σε 1 m 2 ενόςτόπουπουβρίσκεται σεγεωγραφικό πλάτος 4 ο είναι 14 MJ Εισαγωγικές έννοιες Πηγές ενέργειας Ηλιακή ακτινοβολία. Η ηλιακή ενέργεια σε ένα έτος είναι περίπου 14 µεγαλύτερη από την παγκόσµια κατανάλωση ενέργειας (ηλιακή σταθερά (1367 W/m 2 ). Εκτός των άλλων η ενέργεια αυτή: (α) απορροφάται από τη γη και µετατρέπεται σε θερµότητα διατηρώντας τη θερµοκρασία περιβάλλοντος, (β) συντηρεί τον υδρολογικό κύκλο (εξάτµιση-βροχόπτωση), (γ) συντηρεί την κατακόρυφη µεταφορά (αιολική ενέργεια, ρεύµατα), και (δ) συντηρεί την φωτοσύνθεση Ορυκτά καύσιµα. Πρόκειται για τον άνθρακα, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο που προέρχονται από τα λείψανα της αρχαίας χλωρίδας και πανίδας. Είναι αποθηκευµένα για 6 εκατοµµύρια έτη και η καύση τους παράγει ενέργεια τα τελευταία 3 έτη. Ο ρυθµός κατανάλωσης είναι πολλαπλάσιος από το ρυθµό δηµιουργίας τους και στο µέλλον θα εξαντληθούν Βιοµάζα. Η χρήση της ξεκίνησε πριν 4. έτη (homo erectus) και προκάλεσε τεχνολογική επανάσταση Γη. Οι θερµικές, χηµικές και ραδιενεργές πηγές που βρίσκονται στο εσωτερικό της γης προκαλούνροήενέργειαςστηνεπιφάνεια (τηςτάξηςτων.63 W/m 2) Βαρύτητα. Προέρχεται από τη σχετική θέση Γης, Ηλίου και Σελήνης και δηµιουργεί τις παλίρροιες και τα θαλάσσια ρεύµατα. Εκτιµάται στο 1% της γήινης ενέργειας 2

3 Εισαγωγή Προσεγγιστικοί συντελεστές µετατροπών Τα ορυκτά καύσιµα µετρούνται σε τόνους ισοδύναµου πετρελαίου (ΤΙΠ) ή toe (tones oil equivalent) 1 toeπροσεγγιστικά ισοδυναµεί µε: Μονάδες θερµότητας 1 6 kcal ή 42 GJ ή 4*1 6 Btu Στερεά καύσιµα 1.5 mt σκληρού άνθρακα ή 3 mt λιγνίτη Ηλεκτρική ενέργεια: 12 ΜWh εδοµένου όµως ότι απόδοση είναι κάτω από 4 %, 1 toeπαράγει περίπου 4.4 MWh ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα σύγχρονο σταθµό παραγωγής ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Πηγές ηλεκτρικής ενέργειας Στερεά καύσιµα (λιθάνθρακας, λιγνίτης) Υγρά καύσιµα (diesel, µαζούτ) Αέρια καύσιµα (φυσικό αέριο) Ραδιενεργά υλικά (ουράνιο, πλουτώνιο) ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ Τα ορυκτά καύσιµα έχουν σχηµατιστεί πριν από εκατοντάδες εκατοµµύρια έτη και βρίσκονται αποθηκευµένα στο υπέδαφος. Τα αποθέµατα είναι πεπερασµένα και η εκµετάλλευσή τους εξαρτάται από οικονοµικούς παράγοντες Οι ανανεώσιµες πηγές είναι Αιολική διαχρονικές, αλλά συνδεδεµένες µε Ηλιακή φυσικά φαινόµενα που παρουσιάζουν Υδροηλεκτρική τυχαιότητα. Οι µορφές αυτές δεν Γεωθερµία αποδεσµεύουν διοξείδιο του άνθρακα, τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα. Βιοµάζα (βιοαέριο, σκουπίδια) Θαλάσσια ενέργεια (κύµατα, ρεύµατα, παλίρροιες) ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΞΟΙΚΟΝOΜΙΣΗ 3

4 Εισαγωγικές έννοιες Πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Στερεά καύσιµα (Λιθάνθρακας, Λιγνίτης) Υγρά καύσιµα (Diesel, Μαζούτ) Αέρια καύσιµα (Φυσικό Αέριο) ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ουράνιο ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ Αιολική Ηλιακή Υδροηλεκτρική Γεωθερµία Βιοµάζα Ενέργεια κυµάτων - παλιρροιών Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Παγκόσµια ηλεκτρική παραγωγή Έτος 26: TWh Ορυκτά καύσιµα 66,2% ( TWh) Πυρηνική ενέργεια 15,% (284 TWh) Υδροηλεκτρική ενέργεια 16,6% (3142 TWh) Βιοµάζα 1,1% (28 TWh) Αιολική ενέργεια,6% (114 TWh) Γεωθερµία,3% (57 TWh) Μη ανανεώσιµα απορρίµµατα,2% (38 TWh) 4

5 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Εγκατεστηµένη ισχύς στην Ελλάδα (26) 6,3 % Ανανεώσιµα Παραγωγή ενέργειας στην Ελλάδα (26) 3,4 % Ανανεώσιµα 7, % Εισαγωγές 17,3 % Φυσικό Αέριο 21,7 % Υδροηλεκτρικά 13,4 % Πετρέλαιο 17, % Φυσικό Αέριο 1,5 % Υδροηλεκτρικά 18, % Πετρέλαιο 36,7 % Λιγνίτης 48,7 % Λιγνίτης Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ανάλυση παραγωγής στην Ελλάδα ,9 3, ,8 52, ,8 ΛΙΓΝΙΤΙΚΗ ΠΕΤΡΕΛΑΙΚΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΕ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΩΝ -ΕΞΑΓΩΓΩΝ,2 5

6 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Εγκατεστηµένη ισχύς στην Ελλάδα (1/213) Παραγωγή ενέργειας στην Ελλάδα (1/213) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Χρονική εξέλιξη παραγωγής ( ) σε GWh Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας (G Wh) Εισαγωγές-Εξαγωγές Υδροηλεκτρικά Φυσικό αέριο Πετρελαϊκά Αιολικά κλπ Λιγνιτικά ιασυνδεδεµένο Σύστηµα Έτος 6

7 Ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Παράγοντες διαµόρφωσης ζήτησης Η ζήτηση ενέργειας από ένα σύστηµα (π.χ. κράτος-νησί) εξαρτάται από: Τον πληθυσµό (κάτοικοι-επισκέπτες, µετανάστες) Το είδος των δραστηριοτήτων (βιοµηχανία) Τις κλιµατολογικές συνθήκες (θερµοκρασία, υγρασία, ηλιακή ακτινοβολία, ταχύτητα ανέµου) ιάφορα οικονοµικά µεγέθη (τιµή ενέργειας, µέσο εισόδηµα, ΑΕΠ κλπ) Υποδοµές (δίκτυα µεταφοράς, κατοχή οικιακών συσκευών κλπ) Κοινωνικές συνθήκες (καταναλωτικές συνήθειες, ηµέρες και ώρες που γίνονται διάφορες δραστηριότητες) Πολιτικές συνθήκες (εξοικονόµηση ενέργειας, περιβαλλοντικοί περιορισµοί) Ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Κατανάλωση (kwh ανά κάτοικο ανά έτος) Χώρα Iceland 27,987 31,328 36,853 Norway 25,83 24,1 24,98 Finland 16,12 17,177 17,162 Canada 17,319 16,724 16,995 Luxembourg 15,681 16,414 16,315 Kuwait 15,345 16,311 16,198 United Arab Emirates 13,759 14,622 16,165 Sweden 15,44 15,231 15,238 Bahrain 11,622 12,527 14,153 United States 13,71 13,582 13,652 Χώρα Haiti Ethiopia Benin Nepal Tanzania Sudan Cambodia Myanmar Togo Congo Ελλάδα 5,242 5,372 5,628 7

8 Ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Γενικά στοιχεία για την Ελλάδα Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα εκτιµάται σε περίπου 55 kwh/άτοµο/έτος, ενώ το 199 ήταν 3 kwh/άτοµο/έτος Η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι της τάξης των 5 TWh/έτος Η τιµή της kwhγια οικιακή χρήση ξεκινά από τα.9 ΕURO Καταναλώνεται περισσότερη ενέργεια κατά τους µήνες µε ακραίες θερµοκρασίες (χειµώνα, καλοκαίρι) και λιγότερη κατά τους µεταβατικούς µήνες (άνοιξη, φθινόπωρο) Καταναλώνεται περισσότερη ενέργεια τις καθηµερινές από ότι τα Σαββατοκύριακα Εκλύονται περίπου.875 kg CO 2 ανά παραγόµενη kwh Οι συνθήκες θερµικής άνεσης είναι θερµοκρασία 2 ο Cκαι σχετική υγρασία 4-6% Ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Σχέση αιχµών ζήτησης και θερµοκρασίας Πηγή: ΕΣΜΗΕ, Μελέτη ανάπτυξη συστήµατος µεταφοράς (21-214) Αθήνα Λονδίνο Πηγή: Factors affecting electricity demand in Athens, Greece and London, UK:A comparative assessment. B.E. Psiloglou, C. Giannakopoulos, S. Majithia, M. Petrakis, Energy 34 (29)

9 ιαχείριση ηλεκτρικής ενέργειας Η τροφοδότηση του ηλεκτρικού δικτύου µε ενέργεια, έχει δύο βασικούς περιορισµούς: Το δίκτυο πρέπει συνεχώς να τροφοδοτείται µε ακριβώς τόση ενέργεια όση καταναλώνεται για αυτό και η παραγωγή πρέπει να µεταβάλλεται συνεχώς Ο χρόνος ενεργοποίησης και µεταβολής του φορτίου των σταθµών παραγωγής είναι διαφορετικός. Η τάξη µεγέθους του χρόνου αυτού είναι ηµέρες για τους λιγνιτικούς, ώρες για τους σταθµούς φυσικού αερίου και λεπτά για τους υδροηλεκτρικούς Οι αιχµές ζήτησης φορτίου καθορίζουν τη συνολική ισχύ που πρέπει να υπάρχει εγκατεστηµένη (Μονάδες Αιχµής) Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας 12: 24: Ώρες ηµέρας Το κατώφλι ζήτησης φορτίου καθορίζει την τιµή της ισχύος που αδιάλειπτα πρέπει να παρέχεται (Μονάδες Βάσης) ιαχείριση ηλεκτρικής ενέργειας Η µεταβολή της παραγωγής ώστε να ισούται µε την κατανάλωση πραγµατοποιείται µε την παρακάτω διαδικασία: Όταν η ΕΗ προγραµµατίζει την παραγωγή ενέργειας για τους επόµενους µήνες, µε βάση την προηγούµενη εµπειρία για το ποια είναι η κατανάλωση κάθε µήνα, καθώς και τις διεθνείς τιµές ενέργειας, κάνει διεθνείς συµφωνίες για αγορά ή πώληση ενέργειας. Έτσι, άλλους µήνες αγοράζει ενέργεια και άλλους µήνες πουλά ενέργεια, πράγµα που επηρεάζει το ενεργειακό ισοζύγιο. Όταν προγραµµατίζει την παραγωγή ενέργειας για τις επόµενες µέρες, µε βάση την προηγούµενη εµπειρία και την πρόγνωση του καιρού, µπορεί να µεταβάλλει την «ενέργεια βάσης», δηλαδή την ελάχιστη ισχύ της ηµέρας, αυξοµειώνοντας την ισχύ των λιγνιτικών σταθµών. Όταν προγραµµατίζει την παραγωγή για τις επόµενες ώρες, µπορεί να µεταβάλλει την ισχύ µικρών θερµοηλεκτρικών σταθµών, ιδιαίτερα σταθµών φυσικού αερίου, που έχουν σχετικά γρήγορη απόκριση. Η ρύθµιση της παραγωγής ενέργειας ώστε να προσαρµόζεται στην κατανάλωση από λεπτό σε λεπτό γίνεται µεταβάλλοντας την παραγωγή των υδροηλεκτρικών σταθµών, που έχουν απόκριση λίγων λεπτών Τέλος µε τη χρήση αεριοστροβίλων επιτυγχάνεται η κάλυψη των αιχµών σε χρονική κλίµακα λεπτού 9

10 Πρωτογενής ενέργεια Κατανάλωση ανά καύσιµο το 29 Κόσµος: Mtoe ΗΠΑ: 2182 Mtoe Κίνα: 2177 Mtoe ΕΕ: 1623 Mtoe 27. Πρώην ΣΕ: 955 Mtoe Ελλάδα: 32.7 Mtoe.4.8 Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Άνθρακας Πυρηνική Υδροηλεκτρικά Πρωτογενής ενέργεια Κατανάλωση ανά καύσιµο σε TWh (1 Mtoe=4.42 TWh) 28 ΗΠΑ ΚΙΝΑ ΕΕ ΠΣΕ ΕΛΛΑ Α ΚΟΣΜΟΣ Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Γαιάνθρακας Πυρηνική ενέργεια Υδροηλεκτρικά Σύνολο Ηλεκτρική ενέργεια Ηλεκτρική προς πρωτογενή ΗΠΑ ΚΙΝΑ ΕΕ ΠΣΕ ΕΛΛΑ Α ΚΟΣΜΟΣ Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Γαιάνθρακας Πυρηνική ενέργεια Υδροηλεκτρικά Σύνολο Ηλεκτρική ενέργεια Ηλεκτρική προς πρωτογενή

11 12 9 ΚΟΣΜΟΣ Πρωτογενής ενέργεια Κατανάλωση (Μtoe) 4 3 ΕΛΛΑ Α ΗΠΑ 2 ΕΕ ΚΙΝΑ 2 ΠΣΕ Πρωτογενής ενέργεια Κατανάλωση ανά κάτοικο to 29 (toe) Ελλάδα: 3.3 toe Κόσµος: 1.6 toe Πηγή: BP-Statistical Review of World Energy 21 11

12 Ορυκτά καύσιµα Ο γαιάνθρακας (coal) είναι σκληρό οργανικό υλικό που σχηµατίστηκε σε στρώµατα µέσα σε αποθέσεις ιζηµάτων. Συνίσταται (α) από οργανικό υλικό φυτών (άνθρακας, άζωτο, υδρογόνο, οξυγόνο) που στερεοποιήθηκαν κάτω ειδικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης και (β) ανόργανα υλικά σε ποσοστό 1-3%. Υπάρχουν διάφορές κατηγορίες κοιτασµάτων. Ο παλαιότερος σχηµατισµός είναι ο ανθρακίτης και ο νεότερος ο λιγνίτης µε θερµογόνο δύναµη 32 MJ/kg και 19 MJ/kg αντίστοιχα. Τα ελληνικά κοιτάσµατα λιγνίτη έχουν θερµογόνο δύναµη της τάξης των 6-7 MJ/kg. Το πετρέλαιο (Petroleum) ονοµάζεται µια µεγάλη ποικιλία υδρογονονθράκωνπου περιλαµβάνει το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, την πίσσα και την παραφίνη. Σχηµατίστηκε από θαλάσσια φυτά που θάφτηκαν σε αποθέσεις ιζηµάτων ειδικότερα σε λιµναίους βράχους που σχηµατίστηκαν µέσα σε λίµνες και υγροτόπους. Οι σχηµατισµοί στους οποίους βρίσκεται πετρέλαιο είναι παλαιότεροι από αυτούς του άνθρακα (ο παλαιότερος ανήκει στην Προκάµβρια εποχή-1*1 9 έτη πριν). Το φυσικό αέριο (natural gas-ng) είναι µείγµα υδρογονανθάκων και άλλων αερίων και αποτελείται κυρίως από µεθάνιο. Η σύστασή του διαφέρει στα διάφορα κοιτάσµατα. Το φυσικό αέριο βρίσκεται: (α) στο πάνω µέρος κοιτασµάτων πετρελαίου, (β) διαλυµένο µέσα στο πετρέλαιο και (γ) σε πολύ βαθιές αποθέσεις ανεξάρτητα από κοιτάσµατα του πετρελαίου. Τοφυσικό ουράνιοβρίσκεται σε πυριγενή πετρώµατα και ειδικότερα στο γρανίτη. Η σχάση ενός κιλού ουρανίου 235 χονδρικά παράγει ενέργεια 8 TJ και ισοδυναµεί µε την καύση 27 τόνων άνθρακα ή 2 τόνων πετρελαίου. Ορυκτά καύσιµα Πηλίκο αποθεµάτων προς παραγωγή (reserves to production ratio) στο τέλος του 29 (έτη) Ο γαιάνθρακας είναι το ορυκτό καύσιµο που βρίσκεται σε µεγαλύτερη αφθονία µε R/P 119 έτη 12

13 Ελλάδα Σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και γραµµές µεταφοράς Πηγή: ΕΗ Ελλάδα Αποθέµατα λιγνίτη Τα αποθέµατα λιγνίτη στην Ελλάδα εκτιµώνται σε 39*1 6 tones (.5 % των παγκόσµιων αποθεµάτων) και η παραγωγή σήµερα ανέρχεται σε 64*1 6 tones. Το R/P εκτιµάται σε 62 έτη. Τα κυριότερα εκµεταλλεύσιµα κοιτάσµατα λιγνίτη βρίσκονται στις περιοχές: Πτολεµαϊδας, Αµυνταίου και Φλώρινας (απόθεµα 18 *1 6 tones), ράµας (απόθεµα 9 *1 6 tones) Ελασσόνας (απόθεµα 169 *1 6 tones) Μεγαλόπολης, (απόθεµα 223 *1 6 tones) Με τα σηµερινά δεδοµένα τα κοιτάσµατα που είναι κατάλληλα για ενεργειακή εκµετάλλευση, ανέρχονται σε περίπου 32 * 1 6 tonesκαι ισοδυναµούν µε 45 *1 6 toe. Γενικά η ποιότητα των ελληνικών λιγνιτών είναι χαµηλή. Η θερµογόνος δύναµη κυµαίνεται σε: kcal/kg στις περιοχές Μεγαλόπολης, Αµυνταίου και ράµας kcal/kg στην περιοχή Πτολεµαϊδας στις περιοχές Φλώρινας και Ελασσόνας Σηµαντικό πλεονέκτηµα των λιγνιτών της χώρας µας είναι η χαµηλή περιεκτικότητα σε καύσιµο θείο. 13

14 Ελλάδα Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας (Μtoe) : 32.7 Mtoe 24.1 Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Άνθρακας Πυρηνική Υδροηλεκτρικά Ελλάδα Κατανάλωση 25 Πετρέλαιο (Μt) 4 Φυσικό αέριο (Μtoe) Πετρέλαιο (1 3 barrels/day) 1 Γαιάνθρακας (Μtoe)

15 Ελλάδα Εκποµπές CO 2 (1 6 tones) Υπολογισµοί µε βάση την περιεκτικότητα σε άνθρακα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ: 733 kg CO 2 per TJ (3.7 tones per toe) ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ: 561 kg CO 2 per TJ (2.35 tones per toe) ΑΝΘΡΑΚΑΣ: 946 kg CO 2 per TJ (3.96 tones per toe) Η τρέχουσα χρηµατιστηριακή τιµή δικαιώµατος εκποµπής CO 2 είναι περίπου 14 EURO/ τόνο ΗΠΙΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι Ήπιες Μορφές Ενέργειας (ΗΠΕ)είναι µορφές εκµεταλλεύσιµης ενέργειας που προέρχεται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεµος, η γεωθερµία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος "ήπιες" αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους: εν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέµβαση για την εκµετάλλευσή τους (εξόρυξη, άντληση, καύση), αλλά απλώς η εκµετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Πρόκειται για µορφές ενέργειας οι οποίες που δεν αποδεσµεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα Οι τεχνολογίες αυτές αναφέρονται και ως Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειαςδεδοµένου ότι το βασικό τους χαρακτηριστικό είναι η διαχρονική τους ανανέωση και η απεριόριστη διαθεσιµότητά τους. Ακόµη είναι γνωστές και σαν Εναλλακτικές Μορφές Ενέργειας γιατί αποτελούν σήµερα εναλλακτικές λύσεις για την παραγωγή ενέργειας αντί των συµβατικών Σήµερα οι Ήπιες Μορφές Ενέργειας χρησιµοποιούνται είτε άµεσα (κυρίως για θέρµανση) είτε µετατρεπόµενες σε άλλες µορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισµό ή µηχανική ενέργεια). Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκµεταλλεύσιµο ενεργειακό δυναµικό από τις µορφές αυτές είναι πολλαπλάσιο της παγκόσµιας συνολικής κατανάλωσης. 15

16 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αιολική ενέργεια.χρησιµοποιείται η ένταση του ανέµου. Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να χρησιµοποιείται ευρέως στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος. Ηλιακή ενέργεια.χρησιµοποιείται η ηλιακή ακτινοβολία. Η χρήση της για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος προωθείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Υδατοπτώσεις.Χρησιµοποιείται η κινητική ενέργεια του νερού. Είναι η πιο διαδεδοµένη µορφή ανανεώσιµης ενέργειας. Βιοµάζα.Χρησιµοποιούνται οιυδατάνθρακες των φυτών µε σκοπό την αποδέσµευση της ενέργειας που δεσµεύτηκε απ' το φυτό µε τη φωτοσύνθεση. Είναι µια πηγή ενέργειας µε πολλές δυνατότητες και εφαρµογές. Γεωθερµική ενέργεια.προέρχεται από τη θερµότητα που παράγεται απ' τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωµάτων της γης. Είναι εκµεταλλεύσιµη εκεί όπου η θερµότητα ανεβαίνει µε φυσικό τρόπο στην επιφάνεια. Ενέργεια από παλίρροιες. Εκµεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθµης του νερού. Ενέργεια από κύµατα.εκµεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυµάτων της θάλασσας. Ενέργεια από τους ωκεανούς.εκµεταλλεύεται τη διαφορά θερµοκρασίας ανάµεσα στα στρώµατα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερµικών κύκλων. Πλεονεκτήµατα ΗΠΙΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Είναι ανεξάντλητες, σε αντίθεση µε τα ορυκτά καύσιµα. Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας σχεδόν µηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Μπορούν να αποτελέσουν εναλλακτική πρόταση σε σχέση µε την οικονοµία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρµογές που µπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη µε τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσµού σε αποµεµακρυσµένες περιοχές Στις περισσότερες εφαρµογές ο εξοπλισµός είναι κατασκευαστικά απλός και µε µεγάλο χρόνο ζωής. Η υλοποίηση ΑΠΕ σήµερα επιδοτείται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Μειονεκτήµατα Έχουν αρκετά µικρό συντελεστή απόδοσης και γι αυτό απαιτείται αρκετά µεγάλο αρχικό κόστος εφαρµογής. Η απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους, το γεωγραφικό πλάτος και το κλίµα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές µηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κοµψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Σήµερα τα προβλήµατα αυτά έχουν επιλυθεί. 16

17 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ Αιολική ενέργεια Αιολική ονοµάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκµετάλλευση του πνέοντος ανέµου Χρησιµοποιείται από την αρχαιότητα στη ναυσιπλοΐα Πρόκειται για ανανεώσιµη πηγή ενέργειας, µε ανεξάντλητη και χωρίς κόστος πρώτη ύλη που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Αξιοποιείται στην παραγωγή µηχανικής (αλευρόµυλοι, άντληση υπόγειων νερών, αποστράγγιση) και ηλεκτρικής (ανεµογεννήτριες) ενέργειας 17

18 Αιολική ενέργεια Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα, ενώ οι πρώτοι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν για άλεσµα δηµητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεµόµυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6 ο έως τον 9 ο αιώνα µ.χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 13 ο αιώνα µ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεµόµυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 13 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόµυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους. Το 17 ο αιώνα η τεχνολογία µεταφέρεται στην Αµερική όπου οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού. Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) η χρήση ανεµοµύλων χρονολογείται από το 13ο αιώνα. Το 196 υπήρχαν 1 ανεµόµυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 25 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Ο πρώτος ανεµόµυλος για παραγωγή ηλεκτρισµού κατασκευάστηκε το 1888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάµετρο πτερωτής 17 µέτρα και ισχύ 12 kw. Σήµερα η ανία χώρα πλούσια σε αιολικό δυναµικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεµογεννητριών. Πριν 3 χρόνια, µια τυπική ανεµογεννήτρια ήταν της τάξης των 25 kw. Σήµερα, οι αιολικές µηχανές που παράγονται είναι των kw. Θαλάσσια ενέργεια Η θαλάσσια (ωκεάνια, πελαγική) ενέργεια υπάρχει σε διάφορες µορφές στις θάλασσες και τους ωκεανούς. Αποτελεί µια ανανεώσιµη µορφή ενέργειας και µπορεί να ληφθεί µε διαφόρους τρόπους. εδοµένου ότι η πυκνότητα του νερού είναι 832 φορές µεγαλύτερη από αυτήν του αέρα η κινητική ενέργεια από ένα θαλάσσιο ρεύµα 5 knots (2.36 m/s) ισοδυναµεί µε αυτήν που παράγεται από ρεύµα αέρα µε ταχύτητα 27 km/h Ρευστοδυναµική κυµατισµός παλίρροιες θαλασσιά ρεύµατα Φυσικοχηµικές ιδιότητες του νερού θαλασσοθερµική οσµωτική 18

19 Υδροηλεκτρική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια ονοµάζεται η ενέργεια του νερού το οποίο, µέσω υδατοπτώσεων κινεί υδροστροβίλους για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Η αξιοποίηση της υδραυλικής ενέργειας πραγµατοποιούταν από την αρχαιότητα µέσω των υδρόµυλων για το άλεσµα των δηµητριακών και την κοπή ξυλείας (υδροπρίονα) Χαρακτηριστικά υδροηλεκτρικών έργων Συνιστώσες υδροηλεκτρικού σταθµού (ΥΗΣ) Φράγµα ίκτυο υψηλής τάσης Στάθµη Υψοµετρική διαφορά ΥΗΣ Γεννήτρια Μετασχηµατιστής Υδροληψία Αγωγός πτώσης Στρόβιλος Παροχή I=ρ*g*Q*H*n I: ισχύς (W) ρ: πυκνότητα νερού 1 kg/m3 g: επιτάχυνση βαρύτητας 9.81 m/s2 Q: παροχή m3/s H: υψοµετρική διαφορά m n: συνολικός βαθµός απόδοσης 85 % Αγωγός φυγής I (kw) = 9.81 * Q (m3/s) * H (m) * n 19

20 Φωτοβολταϊκά συστήµατα Ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα έχει στόχο την µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Αποτελείται από ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία και τις απαραίτητες συσκευές και διατάξεις για τη µετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στην επιθυµητή µορφή. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι συνήθως από άµορφο ή κρυσταλλικό πυρίτιο. Εκτός από το πυρίτιο χρησιµοποιούνται και άλλα υλικά για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων, όπως το Κάδµιο -Τελλούριο και ο ινδοδισεληνιούχος χαλκός. Ο βαθµός απόδοσης εκφράζει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια στο φωτοβολταϊκό στοιχείο.τα πρώτα φωτοβολταϊκά στοιχεία που σχεδιάστηκαν τον 19ο αιώνα είχαν 1-2% απόδοση, τη δεκαετία του 195 η απόδοση ήταν 6%, ενώ σήµερα βρίσκεται στο 13-15%. Συγκρινόµενη µε την απόδοση άλλων συστηµάτων (συµβατικού, αιολικού, υδροηλεκτρικού κλπ.) παραµένει ακόµα αρκετά χαµηλή. Έτσι απαιτείται να καταληφθεί µεγάλη επιφάνεια προκειµένου να παραχθεί η επιθυµητή ηλεκτρική ισχύς. Ωστόσο, η απόδοση ενός δεδοµένου συστήµατος µπορεί να βελτιωθεί σηµαντικά µε την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών σε ηλιοστάτη. Βιοµάζα Βιοµάζα είναι η ύλη που έχει βιολογική προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιοµάζα εµπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άµεσα ή έµµεσα από το φυτικό κόσµο. Οι φυτικές ύλες που προέρχονται από φυσικά οικοσυστήµατα (αυτοφυή φυτά και δάση) Τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής (άχυρα, στελέχη αραβόσιτου, στελέχη βαµβακιάς, κλαδοδέµατα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα, οι κληµατίδες κ.ά. Τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη µεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών (ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείµµατα εκκοκκισµού βαµβακιού, το πριονίδι) Οι ενεργειακές καλλιέργειες δηλαδή τα φυτά που καλλιεργούνται ειδικά µε σκοπό την παραγωγή βιοµάζας για παραγωγή ενέργειας (σόργο το σακχαρούχο, το καλάµι, ο ευκάλυπτος) το βιολογικής προέλευσης µέρος των αστικών λυµάτων και σκουπιδιών. 2

21 Γεωθερµία Θερµική ενέργεια από το διάπυρο εσωτερικό της γης. Ο πλανήτης εκδηλώνει µε ενεργητικό τρόπο την θερµική αυτή ενέργεια που περικλείει στο εσωτερικό του (σεισµοί-ηφαιστειακές εκρήξεις-θερµές πηγές-ατµίδες κλπ) Σε κατάλληλες συνθήκες επιφανειακά νερά εισδύουν µέσω ρωγµών, θερµαίνονται και ανεβαίνουν προς τα πάνω (γεωθερµικά ρευστά) µέσω φυσικών διόδων ή γεωτρήσεων Αύξηση της θερµοκρασίας κατά 3-5 ο C ανά km βάθους Το µεγαλύτερο µέρος της γήινης ενέργειας µεταδίδεται προς την ψυχρότερη επιφάνεια µε την αγωγιµότητα και µε αργό ρυθµό της τάξης των 5-1 kw/km 2 Σε γεωλογικά σταθερές περιοχές θερµοκρασία 5-15 ο C σε βάθη1-3 km Οι εφαρµογές της γεωθερµικής ενέργειας ποικίλουν ανάλογα µε τη θερµοκρασία και περιλαµβάνουν: 1. Ηλεκτροπαραγωγή (θ>9 C), 2. Θέρµανση χώρων (µε καλοριφέρ για θ>6 C, µε αερόθερµα για θ>4 C, µε ενδοδαπέδιο σύστηµα θ>25 C), 3. Ψύξη και κλιµατισµό (µε αντλίες θερµότητας απορρόφησης για θ>6 C, ή µε υδρόψυκτες αντλίες θερµότητας για θ<3 C) 4. Θέρµανση θερµοκηπίων και εδαφών επειδή τα φυτά αναπτύσσονται γρηγορότερα και γίνονται µεγαλύτερα µε τη θερµότητα(θ>25 C), ή και για αντιπαγετική προστασία 5. Ιχθυοκαλλιέργειες (θ>15 C) επειδή τα ψάρια χρειάζονται ορισµένη θερµοκρασία για την ανάπτυξή τους 6. Βιοµηχανικές εφαρµογές όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού (θ>6 C), ξήρανση αγροτικών προϊόντων, κλπ 7. Θερµά λουτρά για θ= 25-4 C 21