ΚΥΚΛΟΣ: ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΑΕΙΦΟΡΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ

Transcript

1 1 4o ΓΕΛ ΚΕΡΑΤΣΙΝΙΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ ΚΥΚΛΟΣ: ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΑΕΙΦΟΡΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΙΤΛΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ «ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΧΗΜΙΚΕΣ, ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥΣ» ΥΠΕΥΘΥΝΟΙ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ Αλέξανδρος Γαϊτης Χημικός Ελευθέριος Καλπουτζάκης-Γεωπόνος 1

2 2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σκοπός Εργασίας..3 Α. Θεωρητικό Μέρος 3 1. Προέλευση των ΑΠΕ Μορφές των ΑΠΕ Τεχνολογία Υδρογόνου Κυψέλες Υδρογόνου Ηλιακή Ενέργεια Το δυναμικό της Ελλάδας Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Φωτοβολταϊκά στα κτίρια Κυματική Ενέργεια Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα Συστήματα Κυματικής Ενέργειας Γεωθερμική Ενέργεια Σύντομο Ιστορικό της Γεωθερμίας Η φύση των γεωθερμικών πόρων Χρήσεις γεωθερμικών πόρων Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Αιολική Ενέργεια Εφαρμογές Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας Προβλήματα και προοπτικές Βιομάζα Ορισμός Παγκόσμιο και Ελληνικό δυναμικό Εφαρμογές Αξιοποίηση Αστικών Στερεών Αποβλήτων Συμπαραγωγή Θερμότητας και Ηλεκτρισμού Βιοαέριο Υδροηλεκτρική Ενέργεια Εισαγωγή Ο Υδάτινος πόρος και το δυναμικό του Τεχνικά Έργα Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Το Πράσινο Νησί στη Δανία...65 Β. Πειραματικό Μέρος Παραγωγή Βιοαερίου από καθημερινές οργανικές ύλες (απορρίματα) Φύλλο Εργασίας Φύλλο Αξιολόγησης 68 Γ. Δραστηριότητες Πεδίου...69 Δ. Δημοσκοπικό Μέρος Ερωτηματολόγιο Απεικόνιση απαντήσεων στο ερωτηματολόγιο δημοσκόπησης Σχολιασμός απαντήσεων ερωτηματολογίου.77 Ε. Ερωτηματολόγιο Αυτοαξιολόγησης 77 ΣΤ. Συμπεράσματα...78 Ζ. Προτάσεις.79 2

3 3 ΣΚΟΠΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η χρήση των συμβατικών καυσίμων για την παραγωγή ενέργειας παρουσιάζει δύο κυρίως μειονεκτήματα: α) την εξάρτηση από εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των συμβατικών καυσίμων είναι περιορισμένες και, εάν συνεχισθεί η με τους σημερινούς ρυθμούς εξόρυξη τους, σύντομα θα εξαντληθούν, β) τη ρύπανση του περιβάλλοντος, δεδομένου ότι φαινόμενα όπως αυτό του θερμοκηπίου, αλλά και της όξινης βροχής, οφείλονται πρωτίστως στους ρύπους που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα κατά την καύση των καυσίμων αυτών. Έτσι, δόθηκε ώθηση στην έρευνα για τις δυνατότητες εκμετάλλευσης κάποιων εναλλακτικών μορφών ενέργειας, που είναι φιλικές προς το περιβάλλον και, ταυτόχρονα, ανεξάντλητες. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) συνδυάζουν τα δύο παραπάνω χαρακτηριστικά. Παρουσιάζουν μάλιστα και μερικά επιπρόσθετα πλεονεκτήματα, τα οποία τις καθιστούν ακόμα πιο ελκυστικές. Η πρόοδος των τεχνολογιών αξιοποίησης τους τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχει, σε πολλές περιπτώσεις, καταστήσει την εκμετάλλευση τους οικονομικά ανταγωνιστική των συμβατικών πηγών ενέργειας. Ενώ η διάδοση τους είναι ευρεία, ειδικά τα τελευταία χρόνια και μάλιστα συνεχίζεται με αυξανόμενους ρυθμούς. Σκοπός της έρευνας είναι να γνωρίσουμε τις ΑΝΑΝΕΏΣΙΜΕΣ ΠΗΓΈΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ), καθώς και τις χημικές, βιολογικές και φυσικές διεργασίες με τις οποίες αυτές παράγονται. Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ Α.Π.Ε Ο ανανεώσιμος χαρακτήρας των Α.Π.Ε. σχετίζεται άμεσα με την προέλευση τους. Με εξαίρεση τη γεωθερμία, η οποία προέρχεται από την εσωτερική θερμική ενέργεια της Γης, οι υπόλοιπες οφείλονται, άμεσα ή έμμεσα, στην ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της. Η ενέργεια που παράγεται στον Ήλιο είναι προϊόν της πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου και της μετατροπής του στο στοιχείο ήλιο, που συντελείται στον πυρήνα του. Αυτή, στη συνέχεια, ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις στο διάστημα. Παρά το γεγονός ότι η παραπάνω διεργασία λαμβάνει χώρα συνεχώς εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, ο Ήλιος αποτελείται ακόμα κατά 70% από υδρογόνο και, έτσι, θα συνεχίσει να προσφέρει την ενέργεια του στο απώτερο μέλλον. Στα όρια της γήινης ατμόσφαιρας προσπίπτουν 1.353W σε κάθε τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της. Από αυτά, το 30% περίπου ανακλάται στην ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της Γης και επιστρέφει στο διάστημα. Το υπόλοιπο ποσοστό απορροφάται κατά διάφορους τρόπους, συντελώντας στη διατήρηση της θερμοκρασίας στα διάφορα σημεία του πλανήτη, προκαλώντας την εξάτμιση του νερού, καθώς και τα ποικίλα καιρικά φαινόμενα, μεταξύ των οποίων και τους ανέμους. Εξάλλου, ένα ασήμαντο ποσοστό της μετασχηματίζεται, μέσω της φωτοσύνθεσης, σε χημική ενέργεια και είναι αυτό που συντηρεί τη ζωή στη Γη. Από ένα μικρό μόνο μέρος της έχουν δημιουργηθεί, στο πέρασμα των αιώνων, τα κοιτάσματα των συμβατικών καυσίμων, τα οποία αποτελούν σήμερα την κύρια πηγή ενέργειας της ανθρωπότητας Μορφές των Α.Π.Ε. Οι κύριες μορφές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι: Η Ηλιακή Ενέργεια. Αυτή αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που εκμεταλλεύονται άμεσα την ηλιακή ακτινοβολία και διακρίνονται στα: 1. Θερμικά Ηλιακά Συστήματα, στα οποία χρησιμοποιούνται κατάλληλοι συλλέκτες για τη δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας και την αποθήκευση της, με τη μορφή θερμότητας, σε κάποιο ρευστό. 3

4 4 2. Φωτοβολταϊκά Συστήματα, με τα οποία μετατρέπεται η ηλιακή ενέργεια απ' ευθείας σε ηλεκτρική, μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Η Αιολική Ενέργεια, η οποία στηρίζεται στην εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας των ανέμων. Οι μηχανές που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό δεσμεύουν την κινητική ενέργεια του ανέμου και την μετατρέπουν είτε σε κάποια άλλη μορφή μηχανικής ενέργειας, είτε, συνηθέστερα, σε ηλεκτρική. Η Γεωθερμική Ενέργεια, όπου αξιοποιούνται τα θερμά νερά ή/και οι ατμοί που υπάρχουν σε υπόγειους ταμιευτήρες σε πολλές περιοχές της Γης. Τα ρευστά αυτά, όταν είναι εφικτό να αντληθούν με οικονομικά συμφέρον κόστος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε σε θερμικές εφαρμογές, είτε για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η Ενέργεια από Βιομάζα, δηλαδή η χημική ενέργεια που εμπεριέχεται σε κάθε υλικό που προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Η καύση της βιομάζας, είτε απ' ευθείας είτε μετατρεπόμενη σε κατάλληλο καύσιμο, αποδίδει θερμική ενέργεια, η οποία, στη συνέχεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικιλία εφαρμογών. Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια η οποία στηρίζεται στην εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του νερού των ποταμών και της μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια με τη βοήθεια στροβίλων και ηλεκτρογεννητριών. Η Κυματική Ενέργεια μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία μέχρι σήμερα ελάχιστα έχει αξιοποιηθεί και είναι η ενέργεια της θάλασσας. Η Ενέργεια από Τεχνολογία Υδρογόνου Ανεξάρτητα από τις παραπάνω μορφές τους, όλες οι Α.Π.Ε. παρουσιάζουν κάποια κοινά πλεονεκτήματα. Το κυριότερο από αυτά, πέρα από την απεξάρτηση από τα συμβατικά καύσιμα και την προστασία του περιβάλλοντος, αφορά το μηδενικό κόστος της πρώτης ύλης, το οποίο, σε συνδυασμό με τις μικρές έως ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης που εμφανίζουν, συνεπάγεται πολύ περιορισμένο κόστος λειτουργίας. Έτσι, αντισταθμίζεται σε μεγάλο βαθμό το μέχρι σήμερα μειονέκτημα του αυξημένου κόστους που απαιτείται για την εγκατάσταση των μονάδων εκμετάλλευσης τους. Πέραν των ανωτέρω, η παραγωγή της ενέργειας στις περιπτώσεις αυτές γίνεται από μονάδες σχετικά μικρής δυναμικότητας, οι οποίες βρίσκονται συνήθως κοντά στον τόπο κατανάλωσης της. Με τον τρόπο αυτό, περιορίζονται οι απώλειες κατά τη μεταφορά της ενέργειας που παρουσιάζονται, για παράδειγμα, στην περίπτωση του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ, ταυτόχρονα, υποβοηθείται η αποκέντρωση και η ανάπτυξη της τοπικής οικονομίας σε κάθε περιοχή όπου εγκαθίστανται τέτοιου είδους μονάδες. Τέλος, με τις Α. Π. Ε καθίστανται ενδιαφέρουσες κάποιες άλλες εφαρμογές οι οποίες μπορούν να έχουν συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. Τέτοιες εφαρμογές είναι, για παράδειγμα, η τηλεθέρμανση, όπου θερμότητα η οποία παράγεται κεντρικά διανύεται σε έναν οικισμό προκειμένου να θερμανθούν σπίτια των κατοίκων, η αφαλάτωση θαλασσινού νερού για την παραγωγή πόσιμου η οποία παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στα άνυδρα νησιά του Αιγαίου 2. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Το υδρογόνο ήταν το πρώτο στοιχείο που σχηματίστηκε μετά το Big Bang και είναι ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο και μη-τοξικό αέριο αλλά παράλληλα και το απλούστερο στοιχείο του σύμπαντος που υπάρχει σε αφθονία. Αποτελεί περισσότερο από το 90% των ατόμων του σύμπαντος και το 75% της μάζας του. Είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη, παρόλο που είναι το ελαφρύτερο, και βρίσκεται κυρίως υπό τη μορφή του οξειδίου του - το νερό. Επί πλέον βρίσκεται σε αφθονία στους υδρογονάνθρακες που έχουν τον γενικό τύπο CxHy. Φυσικά βρίσκεται στα φυτά και γενικά στη βιομάζα. Το υδρογόνο δεν υπάρχει στη φύση με τη μορφή καθαρού αερίου. Οι μέθοδοι παρασκευής χωρίζονται σε 3 κύριες κατηγορίες, τις θερμοχημικές, τις ηλεκτρολυτικές και τις 4

5 5 φωτολυτικές. Οι περισσότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή του περιλαμβάνουν τη διαδικασία της υδρόλυσης. Οι εμπορικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου είναι η αναμόρφωση υδρογονανθράκων με ατμό (κυρίως φυσικό αέριο), η μερική οξείδωση-αεριοποίηση βαρέων υδρογονανθράκων (πετρέλαιο) και η ηλεκτρόλυση του νερού. 2H 2 O 2H 2 + O 2 Για την παραγωγή υδρογόνου από αναμόρφωση υδρογονανθράκων, καταναλώνεται περίπου το 20-30% του υδρογονάνθρακα και εκλύονται συνεπώς αέρια του θερμοκηπίου. Το πρόβλημα της ρύπανσης παραμένει και στην περίπτωση της ηλεκτρόλυσης, εφόσον η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ορυκτά καύσιμα. Εάν όμως η ηλεκτρική ενέργεια έχει παραχθεί από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τότε κατά την παραγωγή του υδρογόνου εκλύονται μηδενικοί ρύποι. Μεταξύ των κυριότερων χρήσεων του είναι Στην παρασκευή αμμωνίας, μεθανίου ή μεθανόλης. Αυτά χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την παρασκευή άλλων προϊόντων, όπως εκρηκτικά, λιπάσματα, αντιψυκτικά κτλ. Στην τεχνολογία τροφίμων για την παρασκευή υδρογονανθράκων. Στην επιστήμη της φυσικής με εφαρμογή στη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων. Με τη μορφή υγρού βρίσκει χρήση στη μελέτη της υπεραγωγιμότητας. Πέρα από τις πολλές του χρήσεις στη χημική βιομηχανία, το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας ενέργειας. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η τάση κατανάλωσης καυσίμων όλο και λιγότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα είναι εμφανής. Το υδρογόνο απαλλαγμένο από κάθε ποσό άνθρακα μπορεί να προσφέρει αρκετή ενέργεια για καθημερινές χρήσεις όπως η ηλεκτροδότηση κτιρίων ή η κίνηση των μεταφορικών μας μέσων. Μάλιστα αυτή τη στιγμή γίνονται σημαντικές προσπάθειες, κυρίως στα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα κράτη, για τη μετατροπή της προσαρμοσμένης στα καύσιμα άνθρακα υποδομής σε υποδομή με βάση το υδρογόνο. Ενδεικτικά, η Ισλανδία, προβλέπει σε μία υποδομή πλήρως βασισμένη στο υδρογόνο μέχρι το , ενώ μέχρι το 2030 στόχος του υπουργείου ενέργειας των Η.Π.Α. είναι η αντικατάσταση του 10% της ενεργειακής κατανάλωσης από ενέργεια υδρογόνου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πως το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί ενέργεια είναι οι λεγόμενες κυψέλες καυσίμου (fuel cells) στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με βάση αυτό. Πλεονεκτήματα έναντι συμβατικών πηγών ενέργειας Το υδρογόνο έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο, 120,7 kj/kg, περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συμβατικής βενζίνης. Kαθαρή καύση. Όταν καίγεται με οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα. Όταν καίγεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος αποτελείται περίπου από 78% άζωτο, παράγονται επίσης αμελητέες ποσότητες οξειδίων του αζώτου. Εξαιτίας της καθαρής καύσης του δε συμβάλει στη μόλυνση του περιβάλλοντος. Το ποσό του νερού που παράγεται κατά τη καύση είναι τέτοιο ώστε να θεωρείται επίσης αμελητέο και μη ικανό να επιφέρει κάποια κλιματολογική αλλαγή δεδομένης ακόμα και μαζικής χρήσης. 5

6 6 Είναι το ίδιο ακίνδυνο όσο η βενζίνη, το πετρέλαιο diesel ή το φυσικό αέριο. Το υδρογόνο μάλιστα είναι το λιγότερο εύφλεκτο, απουσία αέρα με θερμοκρασία αυθόρμητης ανάφλεξης τους 585 C (230 C έναντι 480 C της βενζίνης). Μπορεί να συμβάλει στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των περιορισμένων φυσικών καυσίμων. Αν και σε πολλές περιπτώσεις αυτά τα ίδια καύσιμα χρησιμοποιούνται για την παρασκευή υδρογόνου το ενεργειακό όφελος είναι μεγάλο. Μάλιστα η πιο συμφέρουσα οικονομικά αυτή τη στιγμή μέθοδος παρασκευής υδρογόνου βασίζεται στη μετατροπή του μεθανίου του φυσικού αερίου. Μπορεί να παρασκευαστεί με πάρα πολλές μεθόδους σε οποιαδήποτε χώρα και σε οποιοδήποτε μέρος κι επομένως μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη αποκεντροποιημένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Αυτό θα ωφελήσει φτωχότερα και λιγότερο αναπτυγμένα κράτη τα οποία σήμερα εξαρτώνται ενεργειακά από άλλα ισχυρότερα. Μειονεκτήματα έναντι συμβατικών πηγών ενέργειας Τα περισσότερα μειονεκτήματα χρήσης του υδρογόνου έχουν να κάνουν με την ελλιπή σημερινή υποδομή και αποτελούν κυρίως τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν λύση. Η αποθήκευση του. Δεδομένου του ότι το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητας σε μικρού μεγέθους δεξαμενή είναι δύσκολη λόγω των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται για να επιτευχθεί η υγροποίηση. Ωστόσο στην έκθεση της Φρανκφούρτης του 2001 παρουσιάστηκε μία υδρογονοκίνητη έκδοση του Mini Cooper, στο οποίο για την αποθήκευση του υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε ένα νέο ρεζερβουάρ, που καταλαμβάνει τον ίδιο χώρο με ένα αντίστοιχο συμβατικό βενζινοκίνητων οχημάτων. Η έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. Μία λύση είναι η κατασκευή υπερκαλωδίων. Τα υπερκαλώδια θα μετέφεραν εξαιρετικά υψηλής έντασης ηλεκτρικά ρεύματα με σχεδόν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση διαμέσου υπεραγώγιμων συρμάτων. Παράλληλα, μέσω των σωληνώσεων τους θα μεταφερόταν, υπό υψηλή πίεση, και υπέρψυχρο υδρογόνο σε εργοστάσια, σταθμούς ανεφοδιασμού υδρογονοκίνητων οχημάτων και, ίσως κάποια μέρα, σε οικιακούς φούρνους και καλοριφέρ. Υπάρχει, επίσης, το ζήτημα της προέλευσης της ενέργειας που δαπανάται για την παραγωγή του. Αν, για παράδειγμα, χρησιμοποιηθεί ενέργεια προερχόμενη από ανθρακούχα ορυκτά, το συνολικό περιβαλλοντολογικό όφελος είναι πρακτικά αρνητικό (συνυπολογίζοντας και την ενέργεια συμπίεσης/διαχείρισης). Η τιμή του είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με αυτή της βενζίνης ή του πετρελαίου. Η περισσότερο διαδεδομένη λόγω χαμηλού κόστους μέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγμή είναι η μετατροπή του φυσικού αερίου. Ωστόσο όσο εξελίσσονται και άλλες μέθοδοι, όπως η μετατροπή της αιολικής ενέργειας, το κόστος θα συνεχίσει να μειώνεται. Αν και στις περισσότερες των περιπτώσεων το υδρογόνο θεωρείται περισσότερο ασφαλές από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να γίνει εξαιρετικά επικίνδυνο. Η αυξημένη τιμή των κυψέλων καυσίμου με τις οποίες αυτή τη στιγμή γίνεται η μεγαλύτερη εκμετάλλευση του υδρογόνου ως καύσιμο. Επιπλέον η τεχνολογία τους δε μπορεί να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη αφού προς το παρόν υπάρχουν αρκετά τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν αξιόπιστες λύσεις. Κυψέλες προσανατολισμένες για οικιακή και μεταφορική χρήση χαρακτηρίζονται από μικρή ανοχή σε καύσιμα μη υψηλής καθαρότητας. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει το κόστος παραγωγής του καυσίμου. Κυψέλες καυσίμου προσανατολισμένες για βιομηχανική χρήση πάλι χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. 6

7 7 2.1 Κυψέλες Υδρογόνου Μία κυψέλη καυσίμου λειτουργεί σαν μια «μπαταρία», μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης ενός καυσίμου (υδρογόνο) με ένα οξειδωτικό (οξυγόνο). Το πιο σημαντικό όμως είναι ότι δεν έχει τον περιορισμό της εξάντλησης του καυσίμου, όπως στην μπαταρία μιας το καύσιμο και το οξειδωτικό εισάγονται συνεχώς στην άνοδο και στην κάθοδο του στοιχείου, και τα προϊόντα απομακρύνονται. Η λειτουργία τους είναι αντίστροφη από αυτήν μιας ηλεκτρολυτικής μονάδας και προσομοιάζει με τη λειτουργία μιας μπαταρίας. Μία κυψέλη καυσίμου αποτελείται από μια παροχή καυσίμου (υδρογόνου) και μια παροχή οξειδωτικού (οξυγόνου) και δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο) που χωρίζονται με έναν ηλεκτρολύτη (μεμβράνη με λευκόχρυσο), δηλ. ένα υλικό που άγει τον ηλεκτρισμό μεταφέροντας φορτισμένα σωματίδια (ιόντα) αντί για ηλεκτρόνια. Η κυψέλη καυσίμου παράγει μόνο ηλεκτρική ενέργεια, νερό και θερμότητα και έχει εξαιρετικά μεγάλη απόδοση σε σύγκριση με οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας (πάνω από 85% μεικτή ανάλογα και τον τύπο της κυψέλης καυσίμου). Το καύσιμο, το υδρογόνο, παράγεται εύκολα από διάφορες πηγές και βέβαια από το νερό μέσω ηλεκτρόλυσης,. Παρ' όλο όμως που οι βασικές αρχές είναι πολύ απλές, η χημική αντίδραση δεν γίνεται πολύ εύκολα, απαιτούνται καταλύτες και ειδικές κατασκευές. Παράλληλα όμως γίνονται συνεχώς έρευνες για την ανάπτυξη για την βελτίωσή τους, την αύξηση της αντοχής τους σε φθορές από την μακρόχρονη χρήση τους και για την ελάττωση του κόστους τους. Έχουν κατασκευαστεί διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου, που προτιμούνται ανάλογα με την χρήση (εφαρμογή) τους. Βασικά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος (γεννήτριες) και για τις μεταφορές. Οι κυψέλες καυσίμου είναι μια μέθοδος μετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη με την μορφή καυσίμου (υδρογόνο, μεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Αυτό γίνεται με υψηλή απόδοση (40-85% ανάλογα με τον τύπο της κυψέλης) και με μοναδική εκπομπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιμο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίπτωση που το καύσιμο περιέχει άνθρακα, εκπέμπονται και αέρια βλαβερά για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα), αλλά σε πολύ μικρότερη ποσότητα από ότι με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος. Οι κυψέλες καυσίμων μπορούν να αντικαταστήσουν τις μηχανές εσωτερικής καύσης στα οχήματα και να παρέχουν ενέργεια σε σταθερές και κινητές εφαρμογές, κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές, όσο και σε μεγάλες φορητές συσκευές, καθώς και σε αυτοκίνητα, τα φορτηγά ή τα πλοία. Ακόμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θέρμανση και παροχή ενέργειας σε γεννήτριες για οικιακή ή βιομηχανική χρήση.. 7

8 8 Ερευνητές υποστηρίζουν ότι ανακάλυψαν μια καινοτομία για να παράγουν νανοσωματίδια τα οποία μπορούν να παίξουν καταλυτικό ρόλο (κυριολεκτικά και μεταφορικά) για την παραγωγή φθηνού υδρογόνου. Η QuantumSphere Inc. υποστηρίζει ότι έχει τελειοποιήσει την κατασκευή νανοσωματιδίων τα οποία χρησιμοποιώντας τα ως ειδική επικάλυψη σε ηλεκτρόδια από ανοξείδωτο ατσάλι μπορούν να παίξουν το ρόλο του καταλύτη στην γνωστή μας ηλεκτρόλυση, αυξάνοντας την απόδοση της διαδικασίας κατά 85% (!!!). Η ηλεκτρόλυση είναι η διαδικασία όπου με την εισαγωγή ηλεκτροδίων μέσα σε νερό, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε μια πηγή ρεύματος, το νερό διασπάται σε οξυγόνο (Ο) και υδρογόνο (Η2). Το κάθε αέριο απελευθερώνεται χωριστά από το κάθε ηλεκτρόδιο. Εκτός αυτού υποστηρίζουν επίσης, ότι με τη χρήση των συγκεκριμένων νανοσωματιδίων μπορεί να ελαχιστοποιηθεί η χρήση ευγενών (και ακριβών μετάλλων) όπως πλατίνας στις κυψέλες καυσίμου. Λόγω της μικροσκοπικής τους δομής η επιφάνεια που αντιδρά 8

9 9 πολλαπλασιάζεται οπότε και η απόδοση της ηλεκτρόλυσης αυξάνεται. Ουσιαστικά τα νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται σαν επικάλυψη στα ηλεκτρόδια στην διαδικασία. Η εταιρεία υποστηρίζει ότι με τα δικά της ηλεκτρόδια, θα είναι εφικτή η παραγωγή υδρογόνου στο σπίτι του καθενός, χωρίς να χρειάζεται κάποιος να το προμηθεύεται, ή ακόμα και μέσα στην μηχανή κατά την κίνηση του αυτοκινήτου. Για την διαδικασία χρειάζεται μόνο αποσταγμένο νερό και τα συγκεκριμένα ηλεκτρόδια. Έτσι ετοιμάζονται μπαταρίες που θα χρησιμοποιούν την συγκεκριμένη τεχνολογία στα ηλεκτρόδια ούτως ώστε να είναι μέχρι και 320% πιο ισχυρή από τις κοινές αλκαλικές. Οι στόχοι ομολογουμένως ακούγονται κάτι παραπάνω από ιδανικοί αλλά αυτό θα το δείξει ο χρόνος. Στη συνέχεια η εταιρεία σχεδιάζει αφού τελειοποιήσει την μέθοδο της για την ηλεκτρόλυση, να συνεργαστεί με άλλες εταιρείες ώστε να παράγουν συσκευές για παραγωγή υδρογόνου στο σπίτι ή εν κινήσει στο αυτοκίνητο. Ένα από τα προβλήματα τα οποία συνάντησαν ήταν να ενσωματώσουν στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων τα νανοσωματίδια. Βασικά όλοι οι παραπάνω ισχυρισμοί, αν ευσταθούν, τότε μιλάμε πραγματικά για επανάσταση στον χώρο των καυσίμων και της ενέργειας. Μια τέτοια καινοτομία θα μπορούσε να μειώσει δραματικά τις εκπομπές ρύπων, την καταστροφή των ορυκτών πόρων της γης, και να βοηθήσει στην απεξάρτηση πολλών οικονομιών από το πετρέλαιο.. Η ανάγκη απεξάρτησης από εισαγόμενους υδρογονάνθρακες αφ ενός αλλά και μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη χρήση ορυκτών καυσίμων αφ ετέρου, οδηγούν στο συμπέρασμα ότι στο μέλλον το υδρογόνο που θα παράγεται από ΑΠΕ θα παίξει σημαντικό ρόλο μεσοπρόθεσμα, ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας και μακροπρόθεσμα, ως καθαρό καύσιμο για αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας (για θέρμανση) και στις μεταφορές. 9

10 10 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Το υδρογόνο έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο. Όταν καίγεται με οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα (καθαρή καύση), ενώ όταν καίγεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος αποτελείται περίπου από 68% άζωτο, παράγονται αμελητέες ποσότητες οξειδίων του αζώτου. Το ποσό του νερού που παράγεται κατά τη καύση είναι τέτοιο ώστε να θεωρείται επίσης αμελητέο και μη ικανό να επιφέρει κάποια κλιματολογική αλλαγή δεδομένης ακόμα και με μαζική χρήση του. Είναι το ίδιο ακίνδυνο όσο η βενζίνη, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο. Μπορεί να συμβάλει στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των συμβατικών καυσίμων σε περίπτωση που παράγεται με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Μπορεί να παραχθεί με πάρα πολλές μεθόδους σε οποιαδήποτε χώρα και σε οποιοδήποτε μέρος. Επομένως μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη αποκεντρωμένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Αυτό θα ωφελήσει φτωχότερα και λιγότερο αναπτυγμένα κράτη τα οποία σήμερα εξαρτώνται ενεργειακά από άλλα ισχυρότερα. Η αποθήκευση του. Δεδομένου του ότι το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητας σε μικρού μεγέθους δεξαμενή είναι δύσκολη λόγω των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται για να επιτευχθεί η υγροποίηση. Η έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. Η τιμή του είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με αυτή της βενζίνης ή του πετρελαίου. Η περισσότερο διαδεδομένη λόγω χαμηλού κόστους μέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγμή είναι η μετατροπή του φυσικού αερίου. Ωστόσο όσο εξελίσσονται και άλλες μέθοδοι, το κόστος θα συνεχίσει να μειώνεται. Αν και στις περισσότερες των περιπτώσεων το υδρογόνο θεωρείται περισσότερο ασφαλές από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να γίνει εξαιρετικά επικίνδυνο. Η αυξημένη τιμή των κυψέλων καυσίμου με τις οποίες αυτή τη στιγμή γίνεται η μεγαλύτερη εκμετάλλευση του υδρογόνου ως καύσιμο. Επιπλέον η τεχνολογία τους δε μπορεί να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη αφού προς το παρόν υπάρχουν αρκετά τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν αξιόπιστες λύσεις. ΠΗΓΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ J.N. Murell, S.F.A. Kettle, J.N. Tedder: Ο Χημικός δεσμός, μια εισαγωγή στην Κβαντική Θεωρία, Μtφ Στ. Φαράντος, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

11 11 3. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 3.1 Το δυναμικό της Ελλάδας Η Ελλάδα βρίσκεται σε μία από τις πλέον ευνοημένες περιοχές του πλανήτη μας, τόσο από την πλευρά της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας όσο και από αυτήν της διαθεσιμότητας της. Πράγματι, στο μεγαλύτερο τμήμα της χώρας, η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από ώρες το χρόνο. Στη Δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο εμφανίζει τις μικρότερες τιμές της, κυμαινόμενη από ως ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις ώρες ετησίως. Ο συνδυασμός του γεωγραφικού πλάτους της Ελλάδας και της υψηλής ηλιοφάνειας της έχει ως αποτέλεσμα να προσπίπτουν ημερησίως, κατά μέσο όρο, 4,3 kwh ηλιακής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο οριζόντιας επιφάνειας. Αυτό συντελεί στο να είναι δυνατή, σε ολόκληρη την επικράτεια, η οικονομικά επωφελής εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Αδιάψευστη απόδειξη του γεγονότος αυτού αποτελεί η μεγάλη εξάπλωση των κάθε είδους συστημάτων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, με ευρύτερα διαδεδομένους τους γνωστούς σε όλους ηλιακούς θερμοσίφωνες. Οι μεγάλες ποσότητες ενέργειας που είναι δυνατό να παραχθούν με οικονομικά συμφέροντα τρόπο, καθώς και η ευρεία ποικιλία των εφαρμογών που μπορούν να αναπτυχθούν, καθιστούν τα πάσης φύσεως συστήματα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας ενδιαφέροντα και, σε πολλές περιπτώσεις, ιδιαιτέρως ελκυστικά. Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα είναι αυτά που γνωρίζουν τη μεγαλύτερη διάδοση, έχοντας φτάσει σε υψηλά επίπεδα τεχνολογικής και εμπορικής ωριμότητας, ενώ τα παθητικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα, αν και δεν έχουν εμφανίσει την ίδια επιτυχία μέχρι σήμερα, αναμένεται να εξαπλωθούν ευρύτερα στο άμεσο μέλλον ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα Θερμικά Ηλιακά Συστήματα δεσμεύουν την ηλιακή ακτινοβολία και στη συνέχεια τη μεταφέρουν, υπό μορφή θερμότητας, σε νερό, αέρα ή κάποιο άλλο ρευστό μέσο εναλλαγής της θερμότητας. Για το σκοπό αυτό γίνεται χρήση διάφορων μηχανικών μέσων, τα οποία αποτελούν και την ειδοποιό διαφορά των συστημάτων αυτών σε σχέση με τα υπόλοιπα ηλιακά συστήματα. Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή τους είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, χρησιμοποιούνται όμως ακόμη για τη θέρμανση και ψύξη χώρων, αλλά και για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία προορίζονται, την τεχνολογία που χρησιμοποιείται, το μέγεθος τους, τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής κ.λ.π. Η ποικιλία που παρουσιάζουν οι διατάξεις των συστημάτων οφείλεται κυρίως στους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους τα συστήματα προστατεύονται από υον παγετό. Οι τύποι ενεργητικών ηλιακών συστημάτων είναι δύο: Τα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας και τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας. Τα πρώτα δύο χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 1. Τους συμπαγείς θερμαντήρες ή όπως ονομάζονται αλλιώς, τα ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη αποθήκευσης, που αποτελούνται από μία ή περισσότερες δεξαμενές αποθήκευσης και τοποθετούνται σε ένα μονωμένο περίβλημα με τη διάφανη πλευρά για να βλέπει προς τον ήλιο. 2. Τα θερμοσιφωνικά συστήματα, τα οποία στηρίζονται στη φυσική μεταφορά για την κυκλοφορία του νερού στους συλλέκτες και δεξαμενή, η οποία βρίσκεται επάνω από το συλλέκτη. Καθώς το νερό θερμαίνεται στον ηλιακό συλλέκτη γίνεται ελαφρύτερο και ανέρχεται με φυσικό τρόπο προς τη δεξαμενή αποθήκευσης ενώ το ψυχρότερο νερό της δεξαμενής ρέει μέσω σωληνώσεων προς το κατώτερο σημείο του συλλέκτη δημιουργώντας κυκλοφορία σε όλο το σύστημα. 11

12 12 Τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας χρησιμοποιούν ηλεκτρικές αντλίες, βαλβίδες και συστήματα ελέγχου για να κυκλοφορήσουν το νερό ή τα άλλα ρευστά μεταφοράς της θερμότητας μέσα στους συλλέκτες. Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιων συστημάτων (σχήμα 1): 1. Τα συστήματα ανοιχτού βρόχου, τα οποία χρησιμοποιούν αντλίες (κυκλοφορητές), για να κυκλοφορήσουν το νερό χρήσης στους συλλέκτες. 2. Τα συστήματα κλειστού βρόχου τα οποία αντλούν το ρευστό μεταφοράς θερμότητας, όπως είναι π.χ. ένα αντιπηκτικό μίγμα γλυκόλης και νερού, μέσα στους συλλέκτες. Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω εναλλακτών θερμότητας από το ρευστό νερό που αποθηκεύεται στις δεξαμενές. Εφαρμογές 1. Παραγωγή ζεστού νερού για οικιακή χρήση. 2. Θέρμανση και δροσισμός χώρων 3. Αφαλάτωση 4. Θέρμανση πισίνας Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού, όπως αυτό που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1, αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες, ένα δοχείο αποθήκευσης της συλλεγόμενης θερμότητας, γνωστό και ως δεξαμενή, καθώς και τις απαραίτητες σωληνώσεις κυκλοφορίας του μέσου εναλλαγής και μεταφοράς της θερμότητας. Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το συλλέκτη, όπου και θερμαίνεται κάποιο κατάλληλο ρευστό, και, στη συνέχεια, η συλλεγόμενη θερμότητα αντλείται, με φυσικό ή εξαναγκασμένο τρόπο, στο δοχείο αποθήκευσης. 12

13 13 Σχήμα 1. Τυπικό Θερμικό ηλιακό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού (Πηγή: TRASOL CD- ROM) Ηλιακή εγκατάσταση χρήσης ζεστού νερού με εξαναγκασμένη κυκλοφορία Έχει υπολογιστεί ότι, θερμαίνοντας νερό με τη βοήθεια ενός τετραγωνικού μέτρου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη, εξοικονομούνται από 200 ως και 600 Wh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως, για τις ελληνικές μετεωρολογικές συνθήκες. Επειδή ο ήλιος δεν είναι πάντα διαθέσιμος τη στιγμή που υφίσταται ανάγκη για ζεστό νερό, πρέπει να υπάρχει μία δεξαμενή στην οποία να αποθηκεύεται το νερό που ζεσταίνεται στο συλλέκτη, όταν υπάρχει καρδιά κάθε ενεργητικού ηλιακού συστήματος είναι ο ηλιακός συλλέκτης. Αυτός, συνήθως (Σχ. 2), αποτελείται από ένα θερμικά μονωμένο κιβώτιο, από ένα ή περισσότερα διαφανή καλύμματα, μία απορροφητική επιφάνεια και κατάλληλα συγκολλημένους σε αυτή σωλήνες, μέσα στους οποίους ρέει το μέσο εναλλαγής της θερμότητας. Η απορροφητική επιφάνεια είναι μεταλλική και, συνήθως, βαμμένη με κατάλληλη σκουρόχρωμη βαφή, ώστε να αυξάνεται ο συντελεστής απορροφητικότητας της και, π, να δεσμεύεται η μέγιστη δυνατή ποσότητα ηλιακής 13

14 14 ακτινοβολίας. Η μόνωση έχει σκοπό να περιορίσει τις απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον Σχήμα 2 Επίπεδος Ηλιακός Συλλέκτης 14

15 15 Πέρα από την οικιακή χρήση, η οποία είναι και η πιο διαδεδομένη σήμερα, θερμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε απαιτείται θερμότητα χαμηλής θερμοκρασιακής στάθμης. Έτσι, η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ψύξης, για τον κλιματισμό χώρων και άλλες εφαρμογές, εμφανίζεται ως μία από τις πολλά υποσχόμενες προοπτικές, λόγω της αυξημένης ηλιακής ακτινοβολίας ακριβώς την εποχή που απαιτούνται τα ψυκτικά φορτία. Σ' αυτήν την περίπτωση, η συλλεγόμενη θερμότητα τροφοδοτεί ψυκτικές μηχανές κύκλου απορρόφησης, όπως είναι τα γνωστά σε όλους ψυγεία τύπου "camping". Αυτή η αρχή λειτουργίας, σήμερα, εφαρμόζεται και σε μεγαλύτερες έως πολύ μεγάλες μονάδες. Εξάλλου, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, με την εγκατάσταση ηλιακών θερμικών συστημάτων μπορεί να παραχθεί θερμότητα ικανή για τη θέρμανση χώρων. Η θερμότητα που συλλέγεται στη συνέχεια αποθηκεύεται, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της νύχτας ή όταν η υφιστάμενη ηλιοφάνεια δεν επαρκεί. Τέλος, τα συστήματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να επιτευχθούν οι σχετικά μεγάλες θερμοκρασίες που απαιτούνται για το σκοπό αυτό, η ηλιακή ακτινοβολία πρέπει με κάποιο τρόπο να συγκεντρωθεί σε μία μικρή περιοχή συλλογής. Η συγκέντρωση αυτή επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικών κατόπτρων (Σχ. 3), τα οποία παρουσιάζουν διάφορους βαθμούς συγκέντρωσης, ανάλογα με τον τύπο τους. 15

16 16 Σχήμα 3 Ειδικά Κάτοπτρα Συλλογής Ηλιακής Ενέργειας Η δεξαμενή πρέπει, επιπλέον, να είναι καλά μονωμένη, ώστε να περιορίζονται οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον και το νερό να διατηρεί την υψηλή θερμοκρασία μέσα σ' αυτήν. Εξάλλου, οι δεξαμενές εφοδιάζονται, στις περισσότερες των περιπτώσεων, με κάποιο βοηθητικό σύστημα παραγωγής ενέργειας, μέσω του οποίου μπορούν να καλυφθούν οι ανάγκες σε ζεστό νερό όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί. Αυτό το βοηθητικό σύστημα, συνήθως, είναι κάποια ηλεκτρική αντίσταση που τοποθετείται σε κατάλληλο σημείο μέσα στη δεξαμενή της ηλιακής εγκατάστασης. Η αρχή λειτουργίας ενός οικιακού θερμοσιφωνικού συστήματος είναι απλή. Το νερό θερμαίνεται στο συλλέκτη, διαστέλλεται και γίνεται ελαφρότερο από το χαμηλότερης θερμοκρασίας νερό της δεξαμενής. Αυτή η διαφορά στην πυκνότητα του νερού έχει ως αποτέλεσμα τη φυσική κυκλοφορία του μέσω του συλλέκτη και τη μεταφορά του θερμού νερού στην αποθηκευτική δεξαμενή, ενώ, την ίδια στιγμή, το κρύο νερό της δεξαμενής ωθείται προς το συλλέκτη, με σκοπό να θερμανθεί εκεί. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη φυσική κυκλοφορία του νερού είναι η τοποθέτηση της δεξαμενής σε σημείο υψηλότερο από τους συλλέκτες, ενώ, όταν αυτή βρίσκεται χαμηλότερα, η κυκλοφορία του ρευστού διεκπεραιώνεται μέσω κατάλληλου αυτοματισμού Προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση των συστημάτων αυτών, εγκαθίστανται μηχανισμοί με τους οποίους οι συλλέκτες παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου, ώστε οι ηλιακές ακτίνες να είναι, καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας, κατά το δυνατόν κάθετες σ' αυτούς. 16

17 17 Η παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου μπορεί να γίνεται με κίνηση των συλλεκτών σε ένα μόνο άξονα ή προς όλες τις κατευθύνσεις. Η θερμότητα που συλλέγεται κατ' αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιείται για την παραγωγή υπέρθερμου ατμού, που διοχετεύεται και εκτονώνεται σε στρόβιλο, ο οποίος με τη σειρά του κινεί μία ηλεκτρογεννήτρια ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τρόπος λειτουργίας Το φωτοβολταϊκό στοιχείο δημιουργείται όταν σ' έναν κρύσταλλο πυριτίου μερικά άτομα της μίας πλευράς αντικατασταθούν με άτομα φωσφόρου, στα οποία πλεονάζει ένα ηλεκτρόνιο, δηλαδή ένα αρνητικό φορτίο, και μερικά της άλλης με άτομα βορίου, τα οποία διαθέτουν ένα δεσμό κενό από ηλεκτρόνιο, δηλαδή μία "οπή", που αποτελεί θετικό φορτίο (Σχ. ). Στο σημείο επαφής των δύο αυτών πλευρών δημιουργείται ένα πολύ λεπτό φράγμα δυναμικού όπου, λόγω της ισχυρής διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται εκεί, τα ηλεκτρόνια μπορούν να διέλθουν από τη θετικά στην αρνητικά φορτισμένη πλευρά του ημιαγωγού, αλλά όχι και αντιθέτως. Σχήμα. Προσθήκη ατόμων πυριτίου (Πηγή: The Australian Renewable Energy website) φωσφόρου (Ρ) και βορίου (Β) σε κρύσταλλο Το ηλιακό φως αποτελείται από ενεργειακά σωματίδια, τα φωτόνια, τα οποία έχουν την ίδια ταχύτητα μεταξύ τους, αλλά διαφορετική ενέργεια. Όταν προσπίπτει στον ημιαγωγό ηλιακή ακτινοβολία, τα φωτόνια με χαμηλή ενέργεια, τα οποία αντιστοιχούν στην υπέρυθρη, μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία, τον διαπερνούν χωρίς καμία επίδραση. Εκείνα που απορροφώνται, όμως, έχουν τη δυνατότητα να προκαλέσουν την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Καθένα από τα φωτόνια αυτά μπορεί να διεισδύσει εύκολα σ' ένα άτομο πυριτίου και, παρέχοντας του την απαιτούμενη ενέργεια, να εκδιώξει ένα ηλεκτρόνιο από την τροχιά του, δημιουργώντας και την αντίστοιχη οπή. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν τότε να κινούνται μέσα στον κρύσταλλο, αναζητώντας τις οπές τους και, όταν διέλθουν από το φράγμα δυναμικού, συσσωρεύονται στην αρνητικά φορτισμένη πλευρά του ημιαγωγού, ενώ οι οπές παραμένουν στην άλλη. Συνδέοντας εξωτερικούς ακροδέκτες στις δύο αυτές πλευρές και κλείνοντας το κύκλωμα με την εγκατάσταση μίας ηλεκτρικής συσκευής, π.χ. μιας λάμπας, τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στο κύκλωμα και, περνώντας από τη συσκευή όπου παράγουν έργο, καταλήγουν στην άλλη πλευρά του ημιαγωγού για να ξανασυνδυαστούν με τις οπές που άφησαν πίσω. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (Σχ. ) (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). 17

18 18 Σχήμα 2. Φυσική απεικόνιση φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου (Πηγή: The Australian Renewable Energy website) Όπως γίνεται αντιληπτό, υπάρχει μία πληθώρα εφαρμογών στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα θερμικά ηλιακά συστήματα. Μάλιστα, σε χώρες με υψηλά επίπεδα ηλιοφάνειας, όπως είναι η Ελλάδα, η περίοδος απόσβεσης τους είναι μικρή και η εγκατάσταση τους οικονομικά συμφέρουσα. Εξάλλου, με τις σύγχρονες εξελίξεις της τεχνολογίας, η απόδοση των συστημάτων αυτών συνεχώς βελτιώνεται και το κόστος τους περιορίζεται. Το σημαντικότερο, όμως, όφελος που προκύπτει από την εκμετάλλευση των συστημάτων αυτού του είδους είναι ότι, στη διάρκεια της ζωής τους, μπορούν να εξοικονομηθούν σημαντικές ποσότητες συμβατικών καυσίμων και, συγχρόνως, να αποτραπεί η εκπομπή μεγάλων ποσοτήτων ρύπων στην ατμόσφαιρα. Φωτοβολταϊκή γεννήτρια ονομάζεται ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων που συνδέονται ηλεκτρονικά μεταξύ τους. Για λόγους προστασίας είναι κλεισμένα ερμητικά, αεροστεγώς και υδατοστεγώς, μέσα σε ειδικό τζάμι και κατάλληλα μονωτικά πλαστικά, ενώ, για σταθερότητα, μηχανική αντοχή και ευχρηστία, έχουν ενσωματωμένα στο περίγραμμα τους μεταλλικά ελάσματα ανοδιωμένου αλουμινίου. Η ηλεκτρική ισχύς μίας φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι το άθροισμα της ενέργειας που παράγουν όλα τα φωτοβολταϊκό στοιχεία της στη μονάδα του χρόνου. Φωτοβολταϊκή συστοιχία, τέλος, ονομάζεται ένα σύνολο φωτοβολταϊκών γεννητριών κατάλληλα συνδεδεμένων μεταξύ τους. Η φωτοβολταϊκή συστοιχία, η οποία αποτελεί και την καρδιά ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, συνοδεύεται από κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα για τον έλεγχο και τη διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας, καθώς και από κάποιο σύστημα αποθήκευσης της (μπαταρία/ες), στις περιπτώσεις που οι εφαρμογές το απαιτούν. Το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα είναι συνεχούς τάσης και, ανάλογα με την εφαρμογή, χρησιμοποιείται ως έχει ή μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο, με τη βοήθεια μίας ηλεκτρονικής συσκευής που ονομάζεται αντιστροφέας. Η ευελιξία που προσφέρουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα στη χρήση τους έχει οδηγήσει στην εφαρμογή τους εκεί όπου είναι ασύμφορο, δύσκολο ή αδύνατο να μεταφερθεί ηλεκτρικό ρεύμα από το υπάρχον δίκτυο. Πέρα από τις εφαρμογές τους σε δυσπρόσιτες περιοχές π.χ. σε ορεινές κατοικίες, κατοικίες σε μικρά νησιά και βραχονησίδες ή σε πλωτούς φάρους, φωτοβολταϊκά συστήματα μικρού μεγέθους χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία τηλεφωνικών θαλάμων, μηχανημάτων εκδόσεως εισιτηρίων, ηλεκτρονικών πινακίδων πληροφοριών και σηματοδοτών, καθώς και για το φωτισμό οδών και εξωτερικών χώρων γενικότερα. Εφαρμογές Ανάλογα με τη χρήση του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος, τα φωτοβολταϊκά συστήματα κατατάσσονται σε: Αυτόνομα, όπου η παραγόμενη ενέργεια καταναλώνεται εξολοκλήρου από το χρήστη. Αυτά διαθέτουν συνήθως και σύστημα αποθήκευσης της (μπαταρία). Συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο της περιοχής, όπου η τυχόν πλεονάζουσα παραγόμενη ενέργεια, ή το σύνολο αυτής, διοχετεύεται στο δίκτυο. 18

19 19 Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλές εφαρμογές και μπορούν να εξυπηρετούν τα πλέον απαιτητικά φορτία χωρίς κανένα πρόβλημα. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα οποία τα ξεχωρίζουν από τα συμβατικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και από αντίστοιχες εφαρμογές των άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, είναι ότι αυτά: Παράγουν απ' ευθείας ηλεκτρικό ρεύμα. Η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο σημείο χρήσης. Μπορούν να ενσωματωθούν στην αρχιτεκτονική ενός κτιρίου και να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία του. Έχουν αθόρυβη λειτουργία. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία, χωρίς μάλιστα να εμφανίζουν απαιτήσεις συντήρησης. Μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων (πάνω από 25 χρόνια) Δυνατότητα επέκτασης του συστήματος ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις Ως μειονέκτημα για τη χρήση των συστημάτων αυτών σε ευρεία κλίμακα θεωρείται το κόστος της παραγόμενης ενέργειας, έναντι αυτής που παράγεται από συμβατικές πηγές. Καθώς, όμως, βελτιώνεται η απόδοση τους και αυξάνει ο όγκος παραγωγής τους, το κόστος τους μειώνεται διαρκώς. Υπάρχουν βέβαια και μεγαλύτερες εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν τις ανάγκες μικρών οικισμών, ξενοδοχείων ή σχολείων. Η πρώτη μεγάλη εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων που κατασκευάστηκε στη χώρα μας (από τη ΔΕΗ), είναι το Φωτοβολταϊκό Πάρκο της Κύθνου, το οποίο λειτουργεί σε συνδυασμό με το επίσης εγκατεστημένο στο νησί Αιολικό Πάρκο, καθώς και με τον υπάρχοντα συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το Φωτοβολταϊκό Πάρκο, το οποίο έχει μέγιστη δυνατότητα εξόδου 100 kw, τροφοδοτεί το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο, μειώνοντας με τον τρόπο αυτό την ποσότητα ενέργειας που παράγεται από συμβατικά καύσιμα. Τα φωτοβολταϊκό πλαίσια συνδέονται με το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ειδικού αντιστροφέα, με τον οποίο επιτυγχάνεται επιπλέον η ασφαλής και αποδοτική διείσδυση τους στο δίκτυο. Αν και οι μεγαλύτερου μεγέθους εγκαταστάσεις αυτού του είδους δεν είναι ακόμα οικονομικά ανταγωνιστικές, η διαρκής πρόοδος της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων τα καθιστά ολοένα και πιο συμφέροντα. Με την πάροδο του χρόνου, η αύξηση της απόδοσης και ο ταυτόχρονος περιορισμός του κόστους κατασκευής τους έχουν συντελέσει στο να περάσουν οι εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών συστημάτων από τις εξειδικευμένες εφαρμογές, όπου η χρήση τους σ' αυτές είναι απαραίτητη λόγω έλλειψης εναλλακτικής πηγής ενέργειας, σε πιο γενικές. Η ευρύτερη διάδοση των συστημάτων αυτών, όπως και όλων των άλλων συστημάτων εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, αναμένεται ότι θα συνεισφέρει σημαντικά στην προσπάθεια που καταβάλλεται παγκοσμίως αφ' ενός για την εξοικονόμηση των αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων και αφ' ετέρου για την προστασία του περιβάλλοντος, μέσω του περιορισμού των εκπεμπόμενων προς αυτό ρύπων Φωτοβολταϊκά στα Κτίρια Με τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία γίνεται εκμετάλλευση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια επιφάνεια 1m2 μια ηλιόλουστη μέρα μπορεί να φτάσει το 1 kw. H ενέργεια η οποία προσπίπτει συνολικά σε ένα έτος σε μια επιφάνεια εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση και τον προσανατολισμό της επιφάνειας. Για την Αθήνα, η τιμή της ετησίας ενέργειας που προσπίπτει σε μια οριζόντια επιφάνεια 1m2 κυμαίνεται περίπου στις 1500 kwh. Με δεδομένο ότι τα Φ\Β πλαίσια που κυκλοφορούν στην αγορά μετατρέπουν περίπου το 11% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, ένα πλαίσιο επιφάνειας 1m2 παράγει περίπου 110wp. Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί έντονο ενδιαφέρον για εφαρμογές Φ\Β συστημάτων ενσωματωμένων σε κτίρια. Στις εφαρμογές αυτές τα Φ\Β συστήματα εγκαθίστανται σε κτίρια 19

20 20 για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ενώ συγχρόνως τα φ\β πλαίσια χρησιμοποιούνται και σαν δομικά στοιχεία για την κάλυψη εξωτερικών αναγκών του κτηρίου όπως π.χ σε οροφές προσόψεις σκίαστρα κ.λ.π. Επίσης μπορούν να εγκατασταθούν και σε κατασκευές του ευρύτερου οικιστικού περιβάλλοντος, όπως σε υπαίθρια παρκινγκ, στέγαστρα, ηχοπετάσματα κ.λ.π. Τα οφέλη από τη μεγάλη εφαρμογή κλίμακας των Φ\Β συστημάτων σε κτίρια είναι πολλαπλά. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενάργειας από Φ\Β είναι η μόνη τεχνολογία που μπορεί να εφαρμοστεί σε αστικό περιβάλλον με μηδενική ρύπανση. Η παραγωγή των Φ\Β προκύπτει κατά τις ώρες αιχμής της ζήτησης υποστηρίζοντας το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους υψηλού κόστους παραγωγής. Λόγω δε της κατανεμημένης παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας στα σημεία ζήτησης μειώνονται οι απώλειες στο σύστημα μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Το κόστος των Φ\Β πλαισίων αποτελεί το μεγαλύτερο μειονέκτημα για την ευρεία εξάπλωση της Φ\Β τεχνολογίας. Παρόλα αυτά σε αρκετές περιπτώσεις, σε απομακρυσμένες περιοχές ή σε περιοχή που το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλό τα Φ\Β, αποτελούν την πλέον ενδεδειγμένη τεχνικά αξιόπιστη και οικονομικά αποδεκτή λύση. Το κύριο όφελος για την παραγωγή των Φ\Β σε κτίρια είναι η χρήση τους και σαν δομικά στοιχεία τα οποία αντικαθιστούν άλλα υλικά και στις εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων και τα οποία πολλές φορές έχουν σημαντικό κόστος όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη προσόψεων των κτιρίων. Η εξοικονόμηση που προκύπτει από την αποφυγή αυτού του κόστους καθιστά οικονομικότερη την χρήση των Φ\Β. Οι κυριότερες εφαρμογές ενσωμάτωσης Φ\Β σε κτίρια είναι: Η κάλυψη ολόκληρης ή μέρους της οροφής του κτιρίου Η χρήση τους σε υάλινες προσόψεις του κτιρίου Η χρήση τους σε επιφάνειες προστασίας από καιρικές συνθήκες όπως στέγαστρα και σκίαστρα Στις εφαρμογές πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ώστε τα Φ\Β πλαίσια να δένουν αισθητικά με την αρχιτεκτονική του κτιρίου. Κατά της φύση της σχεδίασης του Φ\Β συστήματος απαιτείται πλέον και η ενεργώς συμμετοχή των αρχιτεκτόνων ώστε να συνδυαστεί η τεχνική λύση με τα αποτελέσματα που πληρούν τους όρους της αισθητικής ΟΦΕΛΗ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES ΚΑΠΕ (Γ. Λεμονής), European Ocean Energy Association, European Renewable Energy Council, European Thematic Network on Wave Energy GreenDream: Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα bioenergynews.blogspot.com/.../blog-post... ΤΣΙΛΙΓΚΙΡΙΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός, επίκουρος καθηγητής Θεσσαλονίκη 2007 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ - ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΑΠΕ Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, Περιγραφή Εφαρμογές - Οδηγίες Συντήρησης, STEP FORWARD, Οδηγός για Σπουδαστές 20

21 21 4. ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 4.1 Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα Η κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί δραματικά κατά τις επόμενες δεκαετίες σε ολόκληρο τον πλανήτη. Μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία μέχρι σήμερα ελάχιστα έχει αξιοποιηθεί, είναι η ενέργεια της θάλασσας. Οι θαλάσσιες μάζες καλύπτουν το 75% της επιφάνειας του πλανήτη και μπορούν να θεωρηθούν ένα κολοσσιαίο, «παγκόσμιο» ενεργειακό ρεζερβουάρ. Η ιδέα για την εκμετάλλευση του θαλάσσιου κυματισμού δεν είναι νέα. Η πρώτη ευρεσιτεχνία χρονολογείται στα 1799, ενώ πλήθος άλλων τεχνολογιών επινοήθηκε και λειτούργησε σε μικρή κλίμακα μέχρι τα μέσα του περασμένου αιώνα. Η συντονισμένη όμως έρευνα στον τομέα αυτό ξεκίνησε στη δεκαετία του 1970, μετά τη μεγάλη πετρελαϊκή κρίση. Σήμερα πλέον οι προσπάθειες των προηγούμενων δεκαετιών έχουν αρχίσει να αποδίδουν καρπούς. Οι μορφές θαλάσσιας ενέργειας είναι πολλές και οι ποσότητες ενέργειας οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν τεράστιες. Η θαλάσσια επιφάνεια απορροφά τεράστιες ποσότητες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, η οποία εμφανίζεται στη θάλασσα σε διάφορες μορφές, όπως κύματα ή ρεύματα (wave energy). Επιπλέον, διάφορες άλλες πηγές ενέργειας στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι το φαινόμενο της παλίρροιας (tidal energy), το θερμικό δυναμικό μεταξύ των ανώτερων (θερμότερων) και των κατώτερων (ψυχρότερων) θαλάσσιων στρωμάτων (ocean thermal energy), ή οι μεταβολές πυκνότητας σε θαλάσσια στρώματα διαφορετικής αλατότητας (salinity power). Κοινή ιδιότητα των μορφών θαλάσσιας ενέργειας είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η οποία είναι η υψηλότερη μεταξύ των ανανεώσιμων. Το Αιγαίο Πέλαγος διαθέτει αξιοποιήσιμο θαλάσσιο ενεργειακό δυναμικό, το υψηλότερο της Μεσογείου, με την εκμετάλλευση του οποίου θα μπορούσε να καλυφθεί σημαντικό ποσοστό των ενεργειακών αναγκών μας. Η κυματική ενέργεια Η ενέργεια του θαλάσσιου κυματισμού είναι, όπως όλες οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ανεξάντλητη. Παρουσιάζει μεταξύ των ανανεώσιμων την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Μεταξύ των διάφορων μορφών κυματισμού, τα ανεμογενή κύματα, που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση του ανέμου με τη θαλάσσια επιφάνεια, παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για ενεργειακή εκμετάλλευση. 21

22 22 Τα υψηλότερα επίπεδα κυματικής ενέργειας στον Πλανήτη μας εμφανίζονται μεταξύ του 30ου και 60ου παράλληλου και στα δύο ημισφαίρια. Στις δυτικοευρωπαϊκές ακτές επικρατεί ιδιαίτερα ισχυρός κυματισμός με μέση ισχύ της τάξης των kw ανά μέτρο μετώπου κύματος. Το κυματικό δυναμικό της χώρας μας είναι το υψηλότερο της Μεσογείου, με μέση ισχύ η οποία σε ορισμένες περιοχές του Αιγαίου ξεπερνάει τα 15 kw/m. Χάρτης: Παγκόσμιο κυματικό δυναμικό σε kw/m Η τεχνικά εκμεταλλεύσιμη ενέργεια από τα κύματα για τα κράτη της Ε.Ε. υπολογίζεται συνολικά σε TWh/έτος, από τα οποία περίπου 5 TWh/έτος αντιστοιχούν στις ελληνικές θάλασσες. Το ποσό αυτό αντιστοιχεί περίπου στο 10% της κατανάλωσης ηλεκτρισμού στη χώρα μας. Η παραγωγή ενέργειας από τα κύματα συγκεντρώνει τα περισσότερα από οποιαδήποτε άλλη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας πλεονεκτήματα. Οι τεχνολογίες που αναφέρονται πιο κάτω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ηλεκτροδότηση παράκτιων περιοχών, νησιών, κ.λπ Παλλόμενη στήλη ύδατος: πρόκειται για έναν θάλαμο αέρα, βυθισμένο κατακόρυφα στο μισό μήκος του περίπου, ανοικτό προς την πλευρά του πυθμένα. Η παλινδρομική κίνηση της θαλάσσιας επιφάνειας προκαλεί ρυθμική συμπίεση-αποσυμπίεση της αέριας μάζας μέσα στον θάλαμο, η οποία χρησιμοποιείται για την κίνηση αεροστρόβιλου. Πλωτήρες: αγκυρωμένοι στον θαλάσσιο πυθμένα, οι οποίοι ακολουθούν την κατακόρυφη κίνηση της θαλάσσιας επιφάνειας. Η παλινδρομική κίνηση του πλωτήρα μετατρέπεται μέσω μηχανικών ή υδραυλικών συστημάτων σε περιστροφική για την κίνηση ηλεκτρογεννήτριας. Πλωτές δεξαμενές: οι οποίες περισυλλέγουν το νερό των κυμάτων σε στάθμη υψηλότερη από τη μέση στάθμη της θαλάσσιας επιφάνειας. Η διαφορά στάθμης χρησιμοποιείται για την κίνηση ενός ή περισσότερων υδροστροβίλων. Ο γνωστότερος εκπρόσωπος της κατηγορίας αυτής είναι ο πλωτός σταθμός Wave Dragon 22

23 23 Πλωτά αρθρωτά συστήματα: τα οποία στις αρθρώσεις φέρουν αντλίες. Με τις κινήσεις του κυματισμού οι αντλίες συμπιέζουν υδραυλικό υγρό και δίνουν κίνηση σε υδραυλικούς κινητήρες. Οι παραπάνω τεχνολογίες έχουν ήδη αποδείξει την αξιοπιστία τους στην ανοικτή θάλασσα. Το ηλεκτροπαραγωγικό κόστος παραμένει συγκριτικά υψηλό (0,08-0,10 Euro/kWh), διπλάσιο από τη μέση τιμή του ηλεκτρισμού σήμερα στην ΕΕ, ωστόσο η περαιτέρω τεχνολογική εξέλιξη αναμένεται να οδηγήσει στη μείωσή του. Η παλιρροιακή ενέργεια Οι τεχνολογίες παλιρροιακής ενέργειας αξιοποιούν την αυξομείωση της θαλάσσιας στάθμης κατά την παλίρροια. Οι παλίρροιες έχουν σταθερές περιόδους περίπου 12,5 και 24 ωρών, και για το λόγο αυτό είναι προβλέψιμες. Οι αυξομειώσεις της θαλάσσιας στάθμης κατά την παλίρροια είναι συνυφασμένες με «παλιρροιακά ρεύματα», οριζόντιες μετατοπίσεις θαλάσσιας μάζας, οι οποίες έχουν περίπου την ίδια περιοδικότητα. Τα ρεύματα είναι ισχυρά, και θεωρούνται ιδιαίτερα κατάλληλα για ενεργειακή αξιοποίηση, επειδή εμφανίζονται σε σχετικά μικρά βάθη. Η εκμετάλλευση της δυναμικής ενέργειας της παλίρροιας γίνεται με την κατασκευή ενός φράγματος στην είσοδο ενός κόλπου ή θαλάσσιου διαύλου, δημιουργώντας έτσι μία φυσική δεξαμενή. Κατά την άνοδο της παλίρροιας το νερό εισέρχεται στη φυσική αυτή δεξαμενή μέσα από υδατοφράκτες, οι οποίοι κλείνουν όταν η παλίρροια φτάσει στο ζενίθ. Οι υδατοφράκτες ανοίγουν πάλι στο ναδίρ της παλίρροιας, επιτρέποντας την έξοδο του νερού μέσω των υδροστροβίλων Ο σταθμός στη La Rance Τα παλιρροιακά ρεύματα θεωρούνται ιδιαίτερα αποδοτική πηγή ενέργειας. Την τελευταία δεκαετία πολλοί ευρωπαϊκοί οργανισμοί και τεχνικές εταιρείες έχουν εστιάσει τις δραστηριότητές τους σε αυτόν τον τομέα. Οι τεχνολογίες είναι παρόμοιες προς αυτές της αιολικής ενέργειας, χρησιμοποιούν δηλαδή στροβίλους οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα, πλωτούς ή πακτωμένους στον θαλάσσιο πυθμένα. Αν και η συστηματική έρευνα στον τομέα αυτό ξεκίνησε την τελευταία δεκαετία, ήδη στην Ευρώπη έχουν εγκατασταθεί και λειτουργούν με επιτυχία αρκετοί πιλοτικοί σταθμοί. Για το κοντινό μέλλον προγραμματίζονται μεγάλες εγκαταστάσεις ισχύος αρκετών MW. 23

24 Συστηματα κυματικης ενεργειας Ένα σύστημα κυματικής ενέργειας μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο στον ωκεανό και να παράγει ενέργεια, μπορεί να είναι αγκυρωμένο στο πυθμένα ή πλωτό ανοιχτά της θάλασσας, ή σύστημα εγκαταστημένο στα παράλια ή στα ρηχά νερά. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί επίσης να είναι ολικά βυθισμένο στο νερό η να είναι τοποθετημένο πάνω από την θαλάσσια επιφάνεια σε μία πλωτή πλατφόρμα. Παρά τις δυνατότητες που παρουσιάζουν τα συστήματα κυματικής ενέργειας τα περισσότερα πρωτότυπα αυτών έχουν εγκατασταθεί στις ακτές. Τα σταθερά συστήματα τα οποία τοποθετούνται στις ακτές ή στα ρηχά νερά έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα αντί των πλωτών συστημάτων και συγκεκριμένα στον τομέα της συντήρησης. Ωστόσο, ο αριθμός των διαθέσιμων περιοχών κατάλληλες για σταθερά συστήματα, είναι περιορισμένος. Οι ταλαντώσεις που συντελούνται στην στήλη νερού του συστήματος μετατρέπουν την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η διαδικασία που ακολουθείται γίνεται σε δύο στάδια. Καθώς το νερό εισέρχεται στο εσωτερικό του συστήματος αναγκάζει τον αέρα που υπάρχει να μετατοπιστεί προς το επάνω μέρος και να θέσει σε λειτουργία την τουρμπίνα η οποία μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική. Φωτομοντάζ ενός συστήματος κυματικής ενέργεια Η διαδικασία μετατροπής περιγράφεται σχηματικά στην παρακάτω εικόνα. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας ενός συστήματος κυματικής ενέργειας. Το σύστημα TAPCHAN Το λεγόμενο TAPCHAN (Tapered channel systems), πρόκειται για σύστημα με χρήση βαθμιαίων καναλιών σε δεξαμενή. Καθώς το νερό εισέρχεται στην δεξαμενή τα κανάλια συμβάλουν στην αύξηση του ύψους των κυμάτων και στην συνέχεια κινούν έναν άξονα τοποθετημένο παράλληλα σε αυτά. Η κίνηση του άξονα μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική και στην συνέχεια την διοχετεύει σε ηλεκτρικό δίκτυο ή αποθηκεύεται σε μπαταρίες. Έχει χαμηλό κόστος συντήρησης, μεγάλη αξιοπιστία και επιπρόσθετα ότι η δεξαμενή έχει την δυνατότητα να παράγει ενέργεια όταν απαιτηθεί κάτι που δύσκολα επιτυγχάνεται με 24

25 25 άλλα συστήματα. Δυστυχώς όμως τα συστήματα τύπου TAPCHAN δεν είναι κατάλληλα για εφαρμογή σε όλες τις παράλιες περιοχές. Ιδανικές περιοχές είναι εκείνες με σταθερό ρυθμό κυμάτων, με καλό μέσο ποσό κυματικής ενέργειας και με ύψος κυμάτων μικρότερο του 1 μέτρου, καθώς και παράλιες περιοχές με βαθιά νερά και έκταση για την εγκατάσταση δεξαμενής. Το σύστημα TAPCHAN Τα πλωτά συστήματα: (Salter Duck, Clam και Archimedes ) Τα πλωτά συστήματα σε αντίθεση με τα σταθερά παράγουν ενέργεια από την αρμονική κίνηση του πλωτού τμήματος του συστήματος και όχι από την κίνηση της σταθερής τουρμπίνας στο εσωτερικό. Στα συστήματα αυτά οι οδηγοί ανεβαίνουν και κατεβαίνουν ανάλογα με την κίνηση του κύματος και η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω της κίνησης αυτής. Το σύστημα Mighty Whale, Κινητό σύστημα κυματικής ενέργειας που εξωτερικά το περίβλημα θυμίζει μικρή φάλαινα. Το σύστημα αυτό μετατρέπει την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική με την χρήση κάθετης στήλης νερού που περικλείεται στο εσωτερικό του. Καθώς το σύστημα κινείται στην επιφάνεια της θάλασσας, το νερό εισέρχεται στην κάθετη στήλη και κινεί την τουρμπίνα παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. 25

26 26 Το σύστημα Mighty Whale έχει μήκος 50 μ. και πλάτος 30μ Όπως φαίνεται στην εικόνα δεξιά το νερό εισέρχεται από το στόμιο του Mighty Whale και αυξάνει την στάθμη του νερού εσωτερικά, ο αέρας κινείται προς τα επάνω και κινεί την τουρμπίνα. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας του συστήματος Mighty Whale. To σύστημα Wave Dragon Ένα παρόμοιο σύστημα είναι αυτό με την ονομασία Wave Dragon. To σύστημα αυτό είναι πλωτό και κάνει χρήση μεγάλης θαλάσσιας επιφάνειας. Τα κύματα εγκλωβίζονται από δύο πλωτές πλατφόρμες από μπετόν τοποθετημένες η μία απέναντι από την άλλη σε απόσταση 227 μ. Η πλωτή δεξαμενή στην οποία καταλήγει το κύμα καταλαμβάνει όγκο χωρητικότητας κ.μ..το νερό εισέρχεται στην πλωτή δεξαμενή και κινεί τις τουρμπίνες με ταχύτητα 100 κ.μ. το δευτερόλεπτο. To σύστημα Swan DK3 Πλωτό σύστημα που αποτελεί το Swan DK3. Στο σύστημα αυτό περιλαμβάνεται ένας αγωγός σε σχήμα L στο κάτω μέρος και το νερό εισέρχεται στον αγωγό και ο αέρας κινεί την τουρμπίνα στο επάνω μέρος παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Μοντέλα εξομοίωσης και 26

27 27 πειράματα έχει προγραμματίσει το Ινστιτούτο Υδραυλικής της Δανίας στην Βόρεια θάλασσα για τα επόμενα χρόνια. To σύστημα Wave Plane Παρόμοιο σύστημα αποτελεί το Wave Plane η διαδικασία είναι ή ίδια με τα προηγούμενα η διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι στην πρόσοψη του συστήματος έχουν εγκατασταθεί σπειροειδή οδηγοί που οδηγούν τα κύματα σε οριζόντιο αγωγό που στην συνέχεια κινεί την τουρμπίνα που μετατρέπει την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική. Από τη σειρά ecographιca. Περισσότερη έρευνα και ανάπτυξη στην μείωση κόστους συντήρησης και αξιοποίησης συστημάτων κυματικής ενέργειας θα συμβάλει ενεργά στην εμπορική εκμετάλλευση των συστημάτων αυτών. Αξίζει και πάλι να αναφέρουμε ότι μοναδική εξαίρεση αποτελεί η κυβέρνηση της Σκανδιναβίας καθώς και το μοναδικό ερευνητικό έργο που συντελεί το Πανεπιστήμιο της Χαβάης με την εκπαίδευση μηχανικών μέσω μεταπτυχιακών προγραμμάτων, σεμιναρίων και συνεδρίων στον τομέα της κυματικής ενέργειας. Ας ελπίσουμε ότι περισσότερες κυβερνήσεις θα ευαισθητοποιούν στην έρευνα και ανάπτυξη συστημάτων κυματικής ενέργειας. ΠΗΓΕΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΠΕ (Γ. Λεμονής), European Ocean Energy Association, European Renewable Energy Council, European Thematic Network on Wave Energy GreenDream: Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα bioenergynews.blogspot.com/.../blogpost... Τα διαφορα συστηματα κυματικης ενεργειας - Προσωρινά αποθηκευμένη Συστήματα κυματικής ενέργειας : Του Λευτέρη Ι. Πισκιτζή, αρχιτέκτονα, υπ. διδάκτωρ ΕΜΠ, μέλος της διεθνής ένωσης ερευνητών ενεργειακού σχεδιασμού-edra & μέλος του κέντρου εναλλακτικής τεχνολογίας στην αρχιτεκτονική-cat, episkitzis@yahoo.gr 27

28 28 «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES 5. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα που περιέχεται στο εσωτερικό της γης, η οποία προκαλεί τη δημιουργία διαφόρων γεωλογικών φαινομένων σε παγκόσμια κλίμακα. Συνήθως όμως, ο όρος «γεωθερμική ενέργεια» χρησιμοποιείται σήμερα για να δηλώσει εκείνο το τμήμα της γήινης θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί και να αξιοποιηθεί από τον άνθρωπο, και με την έννοια αυτή θα χρησιμοποιήσουμε τον όρο από τώρα και στο εξής. Η γεωγραφική θέση της Ελλάδας ευνοεί τις γεωθερμικές πηγές, υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας. Οι πηγές υψηλής θερμοκρασίας είναι κατάλληλες για την παραγωγή ενέργειας, καθώς και για θέρμανση και ψύξη και εντοπίζονται σε βάθος 1-2 χιλιομέτρων στα νησιά της Μήλου, Σαντορίνης και Νισύρου. Οι πηγές χαμηλής θερμοκρασίας εντοπίζονται στις πεδιάδες της Μακεδονίας και της Θράκης. Η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, ανάλογα με την ποιότητα της. Έτσι, τα γεωθερμικά ρευστά υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας είναι περισσότερο κατάλληλα για χρήση σε θερμικές εφαρμογές. Η μέθοδος που κάθε φορά εφαρμόζεται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του γεωθερμικού ρευστού, δηλαδή τη θερμοκρασία του, τα διαλελυμένα και αιωρούμενα σ' αυτό στερεά υλικά, καθώς και το επίπεδο των αερίων που περιέχει. Σήμερα, οι γεωθερμικές πηγές της Ελλάδας παράγουν θερμική ισχύ 70MWth περίπου και χρησιμοποιούνται κυρίως : α )σε αγροτικές εφαρμογές π.χ.θέρμανση θερμοκηπίων β)σε κέντρα αναζωογόνησης γ)σε κτίρια δ)σε γεωθερμικές αντλίες θερμότητας που μεταφέρουν θερμότητα από το έδαφος σε εσωτερικούς χώρους και μερικές φορές ζεστό νερό. Η ευρύτατη τεχνογνωσία που έχει αποκτήσει τα τελευταία χρόνια το τμήμα Γεωθερμίας του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, αναλαμβάνοντας σπουδαίες πρωτοβουλίες και συντονίζοντας με επιτυχία μεγάλα ευρωπαϊκά προγράμματα. Δημιουργία ταμιευτήρα θερμού νερού (Πηγή: Geothermal Educational Office). Ισχυρα πλεονεκτηματα Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας αποτελούν μια αξιόπιστη, οικονομική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία, η οποία αξιοποιεί τη σχεδόν σταθερή θερμοκρασία του εδάφους, λίγα μέτρα κάτω από την επιφάνεια, - η οποία διατηρείται στους βαθμούς Κελσίου, ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν προκειμένου να καλύψει τις ανάγκες κάθε λογής κτηρίων και εγκαταστάσεων σε θέρμανση, ψύξη και ζεστό νερό χρήσης, με υψηλό βαθμό απόδοσης. 28

29 29 Επιτρέπει στο χρήστη να απεξαρτηθεί από το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και τις τιμολογιακές τους διακυμάνσεις, γι' αυτό προτιμάται όλο και περισσότερο από τους καταναλωτές, που - ειδικά στην Ευρώπη - την υιοθετούν με γοργό ρυθμό. Έχει απλό τρόπο λειτουργίας λόγω της πανταχού παρούσας και μόνιμα διαθέσιμης σταθερής θερμοκρασίας του εδάφους που αξιοποιείται με τη βοήθεια αντλιών θερμότητας και γεωεναλλακτών. Περιλαμβάνουν σωλήνες τοποθετημένους είτε οριζόντια σε χαμηλό βάθος, είτε κατακόρυφα σε γεωτρήσεις, στους οποίους κυκλοφορεί νερό σε κλειστό κύκλωμα. Το χειμώνα, η γεωθερμική αντλία θερμότητας αξιοποιεί την υψηλότερη θερμοκρασία του εδάφους για τη θέρμανση του κτηρίου, μέσω ενδοδαπέδιων συστημάτων, αερόθερμων και αεραγωγών, ενώ το καλοκαίρι η διαδικασία αυτή αντιστρέφεται, οπότε η υπερβάλλουσα θερμότητα απάγεται προς το έδαφος και ο χώρος ψύχεται. Η συντήρηση που απαιτεί ο εγκατεστημένος εξοπλισμός είναι αμελητέα. Μετά την απόσβεση (μετά από 5-7 χρόνια )της υπολογίσιμης αρχικής επένδυσης το κόστος χρήσης περιορίζεται μόνο στη (χαμηλή) κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος για τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας, Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με γεωθερμικό ρευστό: (α) με εκτόνωση του ατμού και (β) με δυαδικό κύκλο 5.1 Σύντομο ιστορικό της γεωθερμίας Η θερμική ενέργεια της γης είναι απέραντη, όμως μόνο τμήμα αυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί τελικά από τον άνθρωπο. Μέχρι σήμερα η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας έχει περιοριστεί σε περιοχές όπου οι γεωλογικές συνθήκες επιτρέπουν σε ένα μέσο να «μεταφέρει» τη θερμότητα από τις βαθιές θερμές ζώνες στην επιφάνεια ή κοντά σε αυτήν. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται οι γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources). 29

30 30 Ο Φλοιός, ο Μανδύας και ο Πυρήνας της γης. Πάνω δεξιά: τομή του φλοιού και του ανώτερου μανδύα Η γεωθερμική ενέργεια συμμετέχει σημαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο αρκετών περιοχών. Για παράδειγμα, το 2001 η ηλεκτρική ενέργεια που παράχθηκε από γεωθερμικούς πόρους αντιπροσώπευε το 27% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας στις Φιλιππίνες, το 12,4 % στην Κένυα, το 11,4% στην Κόστα Ρίκα και το 4,3% στο Ελ Σαλβαδόρ. Όσον αφορά τις μη-ηλεκτρικές ή άμεσες εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας, η πιο συνηθισμένη μη-ηλεκτρική χρήση της γεωθερμίας παγκόσμια είναι οι αντλίες θερμότητας (heat-pumps) (34,80%) και ακολουθούν η λουτροθεραπεία (26,2%), η θέρμανση χώρων (21,62%), η θέρμανση θερμοκηπίων (8,22%), οι υδατοκαλλιέργειες (3.93%) και οι βιομηχανικές χρήσεις (3,13%) (Lund and Freeston, 2001). 5.2 Η φύση των γεωθερμικών πόρων Λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς ανάμεσα στα διάφορα στρώματα, προκαλείται ροή θερμότητας από τις βαθιές και θερμές ζώνες του υπεδάφους προς τις ρηχές και ψυχρότερες, τείνοντας έτσι στη δημιουργία ομοιόμορφων συνθηκών. Η θερμοκρασία αυξάνεται με το βάθος, και τα ηφαίστεια, οι θερμοπίδακες (geysers), οι θερμές πηγές κλπ, αποτελούν κατά μία έννοια την ορατή εκδήλωση της θερμότητας του εσωτερικού της γης. 30

31 31 Στις ζώνες μικρού λιθοσφαιρικού πάχους, και κυρίως στις ωκεάνιες περιοχές, η λιθόσφαιρα ωθείται προς τα πάνω και στη συνέχεια κατακερματίζεται εξαιτίας της ανόδου των θερμών, και εν μέρει λιωμένων υλικών της ασθενόσφαιρας, εκεί όπου σχηματίζεται ο ανερχόμενος κλάδος των συναγωγικών θαλάμων. Αυτός ακριβώς είναι ο μηχανισμός που δημιούργησε και συνεχίζει να δημιουργεί τις «εκτεινόμενες ράχες (spreading ridges)», οι οποίες εκτείνονται σε μήκος μεγαλύτερο των 60 km κάτω από τους ωκεανούς. Οι ράχεις αυτές σε κάποιες περιοχές, όπως στις Αζόρες και την Ισλανδία, αναδύονται πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ σε άλλες, όπως στην Ερυθρά Θάλασσα, αναδύονται ανάμεσα στις ηπείρους. Ένα σχετικά μικρό ποσοστό αυτών των ασθενοσφαιρικών λιωμένων υλικών αναδύονται στην επιφάνεια της γης μέσω των κορυφογραμμών των υποθαλάσσιων οροσειρών (ράχεων) και, ερχόμενα σε επαφή με το θαλασσινό νερό, ψύχονται, στερεοποιούνται και σχηματίζουν με τον τρόπο αυτό νέο ωκεάνιο φλοιό. Το μεγαλύτερο όμως μέρος του ασθενοσφαιρικού αυτού υλικού χωρίζεται σε δύο κλάδους, οι οποίοι κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις κάτω από τη λιθόσφαιρα, στη θέση ακριβώς των «μεσοωκεάνιων ράχεων». Γεωθερμικά συστήματα Τα γεωθερμικά συστήματα εντοπίζονται στις περιοχές με κανονική ή λίγο μεγαλύτερη από τη μέση γήινη γεωθερμική βαθμίδα, και κυρίως στις περιοχές γύρω από τα περιθώρια των τεκτονικών πλακών, όπου η βαθμίδα μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερη της μέσης τιμής. Ένα γεωθερμικό σύστημα αποτελείται από τρία στοιχεία: την εστία θερμότητας, τον ταμιευτήρα και το ρευστό, το οποίο λειτουργεί ως μέσο μεταφοράς της θερμότητας. Η εστία θερμότητας μπορεί να είναι είτε μια πολύ υψηλής (>600ºC) θερμοκρασίας μαγματική διείσδυση που έχει φτάσει σε σχετικά μικρά βάθη (5-10 km) ή, στα χαμηλής θερμοκρασίας συστήματα, η κανονική θερμοκρασία των πετρωμάτων του εσωτερικού της γης, η οποία όπως αναφέρθηκε αυξάνεται με το βάθος. Ο ταμιευτήρας είναι ένας σχηματισμός από θερμά υδατοπερατά πετρώματα, που επιτρέπει την κυκλοφορία των ρευστών μέσα σε αυτόν και από τον οποίο τα ρευστά αντλούν θερμότητα. Πάνω από τον ταμιευτήρα βρίσκεται συνήθως ένα κάλυμμα αδιαπέρατων πετρωμάτων. Ο ταμιευτήρας πολλές φορές συνδέεται με μια επιφανειακή περιοχή τροφοδοσίας, δια μέσου της οποίας μετεωρικό ή επιφανειακό γενικά νερό κατεβαίνει και αντικαθιστά μερικώς ή ολικώς τα ρευστά που φεύγουν από τον ταμιευτήρα και εξέρχονται στην επιφάνεια με τη μορφή θερμών πηγών ή αντλούνται από γεωτρήσεις. Το γεωθερμικό ρευστό συνήθως είναι νερό, στις περισσότερες περιπτώσεις μετεωρικής προέλευσης, το οποίο, ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον ταμιευτήρα, βρίσκεται σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Ο μηχανισμός που διέπει τη λειτουργία των γεωθερμικών συστημάτων εν γένει ελέγχεται από τη μεταφορά θερμότητας μέσω των ρευστών (fluid convection). Η θερμική συναγωγή λαμβάνει χώρα λόγω της θέρμανσης και, κατ επέκταση, της θερμικής διαστολής των ρευστών σε ένα πεδίο βαρύτητας. Η ενέργεια που προκαλεί το συγκεκριμένο φαινόμενο είναι ουσιαστικά η θερμότητα που προσφέρεται από την εστία στη βάση του συστήματος κυκλοφορίας. Η πυκνότητα των ρευστών που θερμαίνονται μειώνεται, οπότε αυτά παρουσιάζουν τάσεις ανόδου προς μικρότερα βάθη, ενώ αντικαθίστανται στη συνέχεια από ρευστά μικρότερης θερμοκρασίας και μεγαλύτερης πυκνότητας, που προέρχονται από τα περιθώρια του γεωθερμικού συστήματος. Λόγω της θερμικής συναγωγής προκαλείται λοιπόν θερμοκρασιακή αύξηση στο ανώτερο τμήμα του γεωθερμικού συστήματος, καθώς οι θερμοκρασίες στα κατώτερα τμήματα μειώνονται (White, 1973). 31

32 32 Σχηματική αναπαράσταση ενός ιδανικού γεωθερμικού συστήματος Εδώ και αρκετά χρόνια, η τεχνική επανεισαγωγής των ρευστών στον ταμιευτήρα εφαρμόζεται σε πολλές περιοχές του κόσμου, ως ένα μέσο δραστικής μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη λειτουργία των γεωθερμικών εγκαταστάσεων. Το μεγαλύτερο, σήμερα, γεωθερμικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται εγκατεστημένο στα Γκέυζερς της Καλιφόρνιας Η χρήση των γεωτρήσεων επανεισαγωγής για τεχνητή επανατροφοδοσία μπορεί επίσης να βοηθήσει στην ανανέωση και συντήρηση κάποιων «παλιών» ή «εξαντλημένων» γεωθερμικών πεδίων. Στα Προγράμματα των αποκαλούμενων Θερμών Ξηρών Πετρωμάτων (Hot Dry Rocks) τόσο τα ρευστά όσο και ο ταμιευτήρας είναι τεχνητά. Στην περίπτωση λοιπόν των HDR γίνεται, μέσω ειδικών γεωτρήσεων, τεχνητή εισαγωγή νερού με μεγάλη πίεση σε ένα θερμό και συμπαγές πέτρωμα, το οποίο βρίσκεται σε μεγάλο βάθος. Η εισπίεση αυτή προκαλεί στο πέτρωμα «υδραυλική διάρρηξη». Το νερό διαπερνά τις τεχνητές διαρρήξεις και λόγω της επαφής του με μεγάλες επιφάνειες θερμού πετρώματος αντλεί θερμότητα από αυτόν τον μεγάλο σε όγκο σχηματισμό, ο οποίος λειτουργεί ως ένας φυσικός ταμιευτήρας. Στη συνέχεια, ο «ταμιευτήρας» διαπερνάται από μια δεύτερη γεώτρηση, μέσα από την οποία αντλείται το νερό που θερμάνθηκε. Έτσι λοιπόν, το συγκεκριμένο γεωθερμικό σύστημα αποτελείται : (i) από τη γεώτρηση που χρησιμοποιείται για την υδραυλική διάρρηξη, μέσω της οποίας εισπιέζεται κρύο νερό στον (ii) τεχνητό ταμιευτήρα και (iii) από τη γεώτρηση άντλησης του θερμού νερού. Όλο αυτό το σύστημα, μαζί με τις εγκαταστάσεις στην επιφάνεια, σχηματίζουν ένα κλειστό κύκλωμα (loop) (Garnish, 1987) Οι πιο εξελιγμένες επιστημονικά και τεχνολογικά έρευνες στον τομέα των Θερμών Ξηρών Πετρωμάτων πραγματοποιήθηκαν στην Ιαπωνία και στο Ευρωπαϊκό Πρόγραμμα της Αλσατίας (Γαλλία). 32

33 33 Σχηματική αναπαράσταση ενός συστήματος Θερμών Ξηρών Πετρωμάτων σε οικονομική κλίμακα (από Richards et al., 1994) Ορισμοι και ταξινομηση των γεωθερμικων πορων Το πλέον συνηθισμένο κριτήριο για την ταξινόμηση των γεωθερμικών πόρων είναι αυτό που βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών, τα οποία λειτουργούν ως ο φορέας «μεταφοράς» της θερμότητας από τα βαθιά και θερμά πετρώματα προς την επιφάνεια. Η ενθαλπία, η οποία σε γενικές γραμμές θεωρείται ότι είναι ανάλογη της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται για να εκφράσει την περιεχόμενη θερμική ενέργεια των ρευστών και δίνει μια γενική εικόνα της ενεργειακής «αξίας» τους. Οι γεωθερμικοί πόροι διακρίνονται σε χαμηλής, μέσης και υψηλής ενθαλπίας (ή θερμοκρασίας), σύμφωνα με το ενεργειακό τους περιεχόμενο και τις πιθανές μορφές αξιοποίησής τους. Συχνά γίνεται διάκριση ανάμεσα στα γεωθερμικά συστήματα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι το νερό στην υγρή φάση (liquid dominated systems) και σε εκείνα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός (vapour dominated systems ή drysteam systems) (White, 1973). 33

34 34 Στα συστήματα όπου επικρατεί το νερό, η υγρή φάση είναι αυτή που ελέγχει συνεχώς την πίεση. Μέσα στη φάση αυτή μπορεί να περιέχονται και κάποια αέρια με τη μορφή μικρών φυσαλίδων. Αυτά τα γεωθερμικά συστήματα, των οποίων οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από 125ºC μέχρι 225ºC, είναι τα πλέον συνηθισμένα παγκοσμίως. Ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, μπορούν να παράγουν θερμό νερό, μίγμα νερού και ατμού, υγρό ατμό, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις ξηρό ατμό. Στα συστήματα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός, το υγρό νερό και ο ατμός συνήθως συνυπάρχουν στον ταμιευτήρα, με τον ατμό να λειτουργεί ως η φάση που ελέγχει συνεχώς την πίεση. Τέτοιου τύπου γεωθερμικά συστήματα, τα πιο γνωστά εκ των οποίων είναι το Larderello στην Ιταλία και το Τhe Geysers στην Καλιφόρνια (ΗΠΑ), είναι κατά βάση σπάνια και συνιστούν συστήματα υψηλής θερμοκρασίας. Κατά κύριο λόγο παράγουν ξηρό έως υπέρθερμο ατμό. Ένας άλλος διαχωρισμός των γεωθερμικών συστημάτων είναι αυτός που βασίζεται στην κατάσταση ισορροπίας στον ταμιευτήρα (Nicholson, 1993), σύμφωνα με τον οποίο λαμβάνονται υπόψη η κυκλοφορία των ρευστών του ταμιευτήρα και ο μηχανισμός μεταφοράς της θερμότητας. Στα δυναμικά συστήματα ο ταμιευτήρας τροφοδοτείται συνεχώς με νερό, το οποίο θερμαίνεται. Στη συνέχεια, ο ταμιευτήρας «αποφορτίζεται», είτε γιατί το θερμό ρευστό ανέβηκε μέχρι την επιφάνεια είτε γιατί άρχισε να γεμίζει τους υδατοπερατούς υπόγειους σχηματισμούς. Η θερμότητα μεταφέρεται στο σύστημα μέσω του μηχανισμού της συναγωγής (convection) και της κυκλοφορίας του ρευστού. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει συστήματα τόσο υψηλής (>150ºC) όσο και χαμηλής (<100ºC) θερμοκρασίας. Στα στατικά συστήματα, γνωστά και ως στάσιμα ή συστήματα αποθήκευσης, παρατηρείται ελάχιστη ή καμία τροφοδοσία του ταμιευτήρα και η μεταφορά θερμότητας γίνεται μόνο με τη βοήθεια του μηχανισμού αγωγής (conduction). 5.3 Χρησεις των γεωθερμικων πορων Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η πιο σημαντική μορφή αξιοποίησης των γεωθερμικών πόρων υψηλής θερμοκρασίας (>150ºC). Οι μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας πόροι (<150ºC) είναι κατάλληλοι για πολλούς και διαφορετικούς τύπους εφαρμογών. Το κλασσικό διάγραμμα του Lindal (Lindal, 1973), το οποίο δείχνει τις πιθανές χρήσεις των γεωθερμικών ρευστών σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία τους, ισχύει ακόμη μέχρι σήμερα. Στο διάγραμμα όμως αυτό θα πρέπει να προστεθεί η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε εγκαταστάσεις δυαδικού κύκλου (binary cycle) από ρευστά που έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από 85ºC. Πρέπει επίσης να σημειωθεί, ότι το κατώτατο όριο των 20ºC μπορεί να ξεπεραστεί, αλλά μόνο υπό ορισμένες συνθήκες και κυρίως με τη χρήση των αντλιών θερμότητας. Το διάγραμμα του Lindal δίνει έμφαση σε δύο σημαντικές παραμέτρους που αφορούν στην αξιοποίηση των γεωθερμικών πόρων (Gudmundsson, 1988): (α) με διαδοχικές και συνδυασμένες εφαρμογές μπορούν να αυξηθούν οι πιθανότητες επιτυχούς έκβασης και η αποτελεσματικότητα των γεωθερμικών προγραμμάτων και (β) η θερμοκρασία των ρευστών μπορεί να περιορίσει τις πιθανές χρήσεις. Παρόλα αυτά, το πεδίο εφαρμογών μπορεί να διευρυνθεί εάν ο σχεδιασμός ενός προγράμματος είναι τέτοιος ώστε να μπορεί να προσαρμόζεται κατά περίπτωση. 34

35 35 Το διάγραμμα του Lindal (Lindal, 1973) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικά ρευστά λαμβάνει χώρα σε μονάδες που λειτουργούν είτε με συμβατικούς ατμοστρόβιλους ή με δυαδικό κύκλο, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του γεωθερμικού πόρου. Οι συμβατικοί ατμοστρόβιλοι απαιτούν ρευστά που έχουν θερμοκρασίες τουλάχιστον 150ºC. Η μονάδα μπορεί να λειτουργεί με συμπυκνωτές, όπου η πίεση διατηρείται συνεχώς σε χαμηλά επίπεδα (condensing type) ή χωρίς (backpressure type), οπότε γίνεται διάθεση του ατμού στην ατμόσφαιρα. Ο τύπος με ατμοστρόβιλους ατμοσφαιρικής εκτόνωσης είναι απλούστερος και φθηνότερος. Ο ατμός που έρχεται, είτε απευθείας από γεωτρήσεις που παράγουν ξηρό ατμό, είτε από γεωτρήσεις με υγρό ατμό αφού γίνει ο διαχωρισμός του νερού, περνά από τον ατμοστρόβιλο και στη συνέχεια απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα (Σχήμα 1). Σχήμα 1 Σκαρίφημα γεωθερμικής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με διάθεση του ατμού απευθείας στην ατμόσφαιρα. Η ροή του γεωθερμικού ρευστού σημειώνεται με κόκκινο χρώμα. Οι μονάδες με συμπυκνωτές, εξαιτίας του ότι συνοδεύονται από περισσότερο βοηθητικό εξοπλισμό, είναι πιο περίπλοκες στο σχεδιασμό τους από τις προηγούμενες, και αυτές που είναι μεγαλύτερης ισχύος χρειάζονται διπλάσιο χρόνο κατασκευής και εγκατάστασης. Όμως, 35

36 36 η κατανάλωση ατμού είναι περίπου μισή σε σχέση με την περίπτωση των ατμοστροβίλων ατμοσφαιρικής εκτόνωσης. Οι πιο συνηθισμένες εγκαταστάσεις με συμπυκνωτές έχουν ισχύ ΜWe, όμως πρόσφατα κατασκευάσθηκαν και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται μονάδες με ισχύ 110 ΜWe (Σχήμα 2). Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ρευστά χαμηλής-μέσης θερμοκρασίας και από το υψηλής θερμοκρασίας νερό που εξέρχεται από τους διαχωριστές στα γεωθερμικά πεδία υγρής φάσης, σημειώνει αξιόλογη ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, κυρίως εξαιτίας της προόδου που επιτεύχθηκε στην τεχνολογία των δυαδικών ρευστών. Σε τέτοιου τύπου εγκαταστάσεις χρησιμοποιείται ένα δευτερεύον συνήθως οργανικό-ρευστό (ισο-πεντάνιο), το οποίο έχει χαμηλό σημείο ζέσεως και υψηλή τάση ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες, αν συγκριθεί με τον υδάτινο ατμό. Το δευτερεύον ρευστό χρησιμοποιείται μέσα σε ένα συμβατικό οργανικό κύκλο Rankine (OCR) ως εξής: το γεωθερμικό ρευστό προσφέρει θερμότητα στο δευτερεύον υγρό μέσω εναλλακτών θερμότητας, οπότε το τελευταίο εξατμίζεται. Ο ατμός που παράγεται κινεί έναν κανονικό στρόβιλο αξονικής ροής, στη συνέχεια ψύχεται και συμπυκνώνεται, οπότε ο κύκλος αρχίζει ξανά (Σχήμα 3). Σχήμα 2 Σκαρίφημα μιας γεωθερμικής μονάδας ηλεκτρικής ενέργειας με συμπυκνωτές. Η ροή των ρευστών υψηλής θερμοκρασίας σημειώνεται με κόκκινο χρώμα, ενώ του νερού ψύξης με μπλε. Σχήμα 3 Σκαρίφημα μιας γεωθερμικής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με δυαδικό κύκλο. Το γεωθερμικό ρευστό σημειώνεται με το κόκκινο χρώμα, το δευτερεύον ρευστό με πράσινο και το νερό ψύξης με μπλε. 36

37 37 Εάν γίνει σωστή επιλογή του δευτερεύοντος ρευστού, τα δυαδικά συστήματα μπορούν να σχεδιαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να αξιοποιούν γεωθερμικά ρευστά με θερμοκρασία που κυμαίνεται μεταξύ ºCΤα δυαδικά συστήματα κατασκευάζονται συνήθως σε μικρές αρθρωτές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, των οποίων η ισχύς ποικίλλει από μερικές εκατοντάδες kwe έως λίγα MWe. Τέτοια συστήματα εντούτοις έχουν τη δυνατότητα να κατασκευάζονται σε συστοιχία ώστε τελικά να δημιουργούνται μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνολικής ισχύος κάποιων δεκάδων MWe. Το κόστος τους εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες, ιδιαίτερα όμως από τη θερμοκρασία των παραγόμενων ρευστών, η οποία επηρεάζει το μέγεθος των στροβίλων, των εναλλακτών και του συστήματος ψύξης. Το συνολικό μέγεθος των εγκαταστάσεων δεν επηρεάζει κατά πολύ το ειδικό κόστος, καθώς μια σειρά αρθρωτών μονάδων συνδέονται μεταξύ τους, για να επιτευχθεί τελικά μεγαλύτερη συνολική ισχύς. Η τεχνολογία των δυαδικών συστημάτων είναι ένα οικονομικά συμφέρον και αξιόπιστο μέσο για τη μετατροπή σε ηλεκτρική της ενέργειας των ρευστών ενός γεωθερμικού συστήματος υγρής φάσης με θερμοκρασία μικρότερη από 170ºC. Ένας νέος τύπος δυαδικών συστημάτων, ο επονομαζόμενος κύκλος Kalina που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1990, χρησιμοποιεί ως δευτερεύον ρευστό εργασίας ένα μίγμα νερού-αμμωνίας.. Μικρές «κινητές», συμβατικές ή όχι, μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θα μπορούσαν όχι μόνο να συμβάλλουν στη μείωση του κινδύνου μερικής αποτυχίας των νέων γεωτρήσεων, αλλά κυρίως να βοηθήσουν στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών απομονωμένων περιοχών. Το βιοτικό επίπεδο απομονωμένων κοινοτήτων θα μπορούσε να βελτιωθεί σημαντικά εάν υπήρχε η δυνατότητα να βασιστούν σε τοπικούς ενεργειακούς πόρους. Η ηλεκτρική ενέργεια θα διευκόλυνε πολλές, φαινομενικά απλοϊκές, αλλά, εξαιρετικά σημαντικές εργασίες, όπως η άντληση νερού για άρδευση και η ψύξη φρούτων και λαχανικών για συντήρηση σε μεγάλο χρονικό διάστημα. Άμεσες χρήσεις της γεωθερμίας Οι άμεσες χρήσεις της θερμότητας των γεωθερμικών ρευστών για θέρμανση είναι οι παλαιότερες, οι πιο πολύπλευρες και οι πλέον συνηθισμένες μορφές αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας (Πίνακας 2). Η λουτροθεραπεία, η θέρμανση χώρων και η τηλεθέρμανση, οι αγροτικές εφαρμογές, οι υδατοκαλλιέργειες και κάποιες βιομηχανικές χρήσεις είναι οι πιο γνωστές μορφές χρήσεις, όμως οι αντλίες θερμότητας αποτελούν την πιο διαδεδομένη μορφή αξιοποίηση. Υπάρχουν φυσικά και κάποιοι άλλοι μικρότερης κλίμακας τρόποι εκμετάλλευσης της γεωθερμίας, οι οποίοι όμως δεν είναι τόσον συνηθισμένοι. Η θέρμανση χώρων και η τηλεθέρμανση (space and district heating) παρουσίασαν μεγάλη ανάπτυξη στην Ισλανδία, όπου η συνολική ισχύς του γεωθερμικού συστήματος τηλεθέρμανσης ανέρχονταν στα τέλη του 1999 σε περίπου 1200 MWt(Σχήμα 4). Αποτελούν επίσης ιδιαίτερα διαδεδομένες εφαρμογές και στις χώρες της Ανατολικής Ευρώπης, καθώς και τις Η.Π.Α., Κίνα, Ιαπωνία, Γαλλία, κλπ. 37

38 38 Σχήμα 4 Απλοποιημένο διάγραμμα ροής του συστήματος τηλεθέρμανσης του Reykjavik (Από Gudmundsson, 1988) Η ψύξη χώρων αποτελεί μια αρκετά εφικτή και βιώσιμη επιλογή, στην περίπτωση όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν μηχανές απορρόφησης, οι οποίες βρίσκονται εύκολα στο εμπόριο και η τεχνολογία τους είναι ευρέως γνωστή. Ο κύκλος της απορρόφησης είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιεί ως πηγή ενέργειας τη θερμότητα έναντι του ηλεκτρισμού. Η ψύξη επιτυγχάνεται με τη χρήση δύο υγρών: ενός ψυκτικού, το οποίο κυκλοφορεί, εξατμίζεται και συμπυκνώνεται, και ενός δευτερεύοντος ρευστού ή απορροφητικού (absorbent). Για εφαρμογές πάνω από 0ºC, ο κύκλος χρησιμοποιεί βρωμίδιο του λιθίου ως απορροφητικό και νερό ως ψυκτικό υγρό. Για εφαρμογές κάτω από τους 0ºC χρησιμοποιείται ο κύκλος αμμωνίας/νερού, με την αμμωνία στο ρόλο του ψυκτικού και του νερού στο ρόλο του απορροφητικού μέσου. Τα γεωθερμικά ρευστά παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια για την κίνηση αυτών των μηχανών, όμως η αποτελεσματικότητά τους μειώνεται όταν οι θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες των 105ºC. Ο γεωθερμικός κλιματισμός (θέρμανση και ψύξη) χώρων άρχισε να αναπτύσσεται σημαντικά από τη δεκαετία του 1980, ακολουθώντας την εμφάνιση και την ευρεία διάδοση των αντλιών θερμότητας (heat pumps). Οι πολλοί διαθέσιμοι τύποι αντλιών θερμότητας επιτρέπουν την απόληψη και χρήση με οικονομικό τρόπο του θερμικού περιεχομένου των σωμάτων χαμηλής θερμοκρασίας, όπως είναι το έδαφος ή οι ρηχοί υδροφόροι, τεχνητές ή φυσικές συγκεντρώσεις νερού (ponds), κλπ. (Sanner, 2001) (Σχήμα 5). 38

39 39 Σχήμα 5 Τυπική εφαρμογή συστήματος αντλιών θερμότητας που είναι συνδεδεμένες με το υπέδαφος (από Sanner et al., 2003) Όπως είναι γνωστό, οι αντλίες θερμότητας είναι μηχανές που κατευθύνουν τη θερμότητα αντίθετα από τη διεύθυνση που θα ακολουθούσε με φυσικό τρόπο, δηλαδή την εξαναγκάζουν να κατευθυνθεί από ένα ψυχρό μέσο σε ένα άλλο θερμότερο. Οι αντλίες θερμότητας δεν είναι τίποτε περισσότερο από συσκευές που λειτουργούν όπως τα κοινά ψυγεία (Rafferty, 1997). Κάθε ψυκτική συσκευή παίρνει θερμότητα από ένα χώρο που πρέπει να παραμείνει σε χαμηλή θερμοκρασία και την απελευθερώνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η μόνη διαφορά της αντλίας θερμότητας από μια ψυκτική μονάδα είναι το τελικό αποτέλεσμα, δηλαδή η θέρμανση στην πρώτη περίπτωση και η ψύξη στη δεύτερη. Μια άλλη διαφορά εντοπίζεται στην αντιστρέψιμη λειτουργία πολλών αντλιών θερμότητας, δηλαδή στην ικανότητά τους να παρέχουν τόσο ψύξη όσο και θέρμανση στο χώρο. Βέβαια, για τη λειτουργία των αντλιών θερμότητας απαιτείται δαπάνη ενέργειας, ενώ η χρήση τους ενδείκνυται κατά κύριο λόγο σε περιοχές κατάλληλων κλιματικών συνθηκών, οπότε για να είναι θετική η ενεργειακή ισορροπία πρέπει να προηγηθεί ένας σωστός σχεδιασμός (Σχήμα 6). 39

40 40 Σχήμα 6 Σχηματικό διάγραμμα μιας αντλίας θερμότητας που χρησιμοποιείται για θέρμανση (ευγενική χορηγία του Geo-HeatCenter, Klamath Falls, Όρεγκον, ΗΠΑ) Συστήματα γεωθερμικών αντλιών θερμότητας κλειστού κυκλώματος που είναι συνδεδεμένες με το υπέδαφος (ground-coupled) και αντλιών επιφανειακού ή επεδάφιου νερού (ground-water) βρίσκονται σήμερα εγκατεστημένα σε 27 χώρες, με συνολική θερμική ισχύ που ανήλθε σε MWt κατά το έτος Η πλειοψηφία των εγκαταστάσεων βρίσκεται στις ΗΠΑ (4.800 MWt), την Ελβετία (500 MWt), τη Σουηδία (377 MWt), τον Καναδά (360 MWt), τη Γερμανία (344 MWt) και την Αυστρία (228 MWt) (Lund, 2001). Για τη λειτουργία των συστημάτων αυτών χρησιμοποιούνται ρηχοί υδροφόροι ορίζοντες ή εδάφη και υπόγεια πετρώματα, με θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ 5-30ºC. Οι αγροτικές εφαρμογές της γεωθερμίας συνίστανται κυρίως στις ανοικτές καλλιέργειες και τη θέρμανση θερμοκηπίων. Το θερμό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις ανοικτές καλλιέργειες για την άρδευσή τους και/ή τη θέρμανση του εδάφους. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της άρδευσης με χλιαρό νερό εντοπίζεται στο γεγονός ότι, για να επιτευχθεί κάποια αξιόλογη μεταβολή της θερμοκρασίας του εδάφους θα πρέπει οι μεγάλες ποσότητες νερού να έχουν θερμοκρασία τόσο χαμηλή ώστε να μην προκαλούν ζημιές στις αρδευόμενες καλλιέργειες. Πιθανή λύση αυτού του προβλήματος θα ήταν η χρήση υπεδάφιων αρδευτικών συστημάτων σε συνδυασμό με ένα υπόγειο σύστημα σωλήνωσης, το οποίο θα λειτουργεί ως το μέσο θέρμανσης του εδάφους. Η θέρμανση του εδάφους με υπεδάφιους σωλήνες χωρίς την ύπαρξη του αρδευτικού συστήματος θα προκαλούσε μείωση της θερμικής αγωγιμότητάς του, εξαιτίας της μείωσης της υγρασίας γύρω από τους σωλήνες, και κατ επέκταση θα οδηγούσε σε θερμική μόνωση. Η βέλτιστη λύση φαίνεται λοιπόν ότι θα ήταν ο συνδυασμός θέρμανσης εδάφους και άρδευσης. Η χημική σύσταση των γεωθερμικών νερών που χρησιμοποιούνται για άρδευση θα πρέπει να εξετάζεται και να παρακολουθείται προσεκτικά, ώστε να αποφεύγονται τυχόν βλαβερές συνέπειες στα φυτά. Ο θερμοκρασιακός έλεγχος στις ανοικτές καλλιέργειες έχει τα εξής πλεονεκτήματα: (α) αποτρέπει τις ζημιές λόγω χαμηλών θερμοκρασιών, παγετού, κλπ., (β) επεκτείνει την περίοδο ανάπτυξης των φυτών και δίνει σημαντική ώθηση στην παραγωγή, και (γ) αποστειρώνει το έδαφος. Η πιο συνηθισμένη γεωθερμική εφαρμογή στον αγροτικό τομέα είναι η θέρμανση θερμοκηπίων, η οποία αναπτύχθηκε ιδιαίτερα σε πολλές χώρες. Η εκτός εποχής καλλιέργεια 40

41 41 κηπουρικών, οπωρικών και ανθοκομικών προϊόντων ή η ανάπτυξή τους σε περιοχές με μη ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες, μπορεί σήμερα να βασιστεί σε μια ευρέως εφαρμοσμένη τεχνολογία. Υπάρχουν ποικίλες λύσεις για την επίτευξη των βέλτιστων συνθηκών ανάπτυξης των φυτών, οι οποίες βασίζονται στη χρήση της καλύτερης θερμοκρασίας για το κάθε είδος στη σωστή ένταση του φωτός, στην ιδανική συγκέντρωση CO 2 μέσα στο θερμοκήπιο, στην κατάλληλη υγρασία του εδάφους και του αέρα και στην κίνηση του αέρα μέσα στα θερμοκήπια. Το υλικό κάλυψης των τοιχωμάτων ενός θερμοκηπίου μπορεί να αποτελείται από γυαλί, fiberglass, πλάκες σκληρού πλαστικού ή πλαστικά φύλλα. Το γυαλί είναι το πλέον διαφανές υλικό και, σε σχέση με το πλαστικό, επιτρέπει σε μεγαλύτερο βαθμό τη διέλευση φωτός. Από την άλλη, το γυαλί προσφέρει μικρότερη θερμική μόνωση, είναι λιγότερο ανθεκτικό στην κρούση, είναι βαρύτερο και πολύ πιο ακριβό. Τα πιο απλά θερμοκήπια κατασκευάζονται από μονά φύλλα πλαστικού, όμως τελευταίως χρησιμοποιούνται και διπλά στρώματα πλαστικών, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα κενό αέρος. Με το σύστημα αυτό μειώνονται οι θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα σε ποσοστό μέχρι και 30-40%, οπότε αυξάνεται σημαντικά η απόδοση του θερμοκηπίου. Η θέρμανση ενός θερμοκηπίου μπορεί επίσης να επιτευχθεί με εξαναγκασμένη κυκλοφορία αέρα στους εναλλάκτες θερμότητας, στους σωλήνες ή τους αγωγούς θερμού νερού που βρίσκονται τοποθετημένοι μέσα ή πάνω στο έδαφος, στα θερμαντικά σώματα κατά μήκος των πλευρικών τοιχωμάτων και κάτω από τους πάγκους ή με συνδυασμό των παραπάνω μεθόδων Η χρήση των γεωθερμικών ρευστών για τη θέρμανση ενός θερμοκηπίου μειώνει σημαντικά τα λειτουργικά του έξοδα, τα οποία σε κάποιες περιπτώσεις φτάνουν το 35% του κόστους παραγωγής (οπωρικά, άνθη, διακοσμητικά φυτά και δενδρύλλια). Οικονομική προσέγγιση Τα στοιχεία που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κάθε φορά που γίνεται εκτίμηση του κόστους της εγκατάστασης ή της λειτουργίας μιας γεωθερμικής μονάδας, και της αξίας των «προϊόντων» της γεωθερμικής ενέργειας, είναι πολύ περισσότερα και πιο σύνθετα σε σχέση με τις άλλες μορφές ενέργειας. Συνεπώς, θα πρέπει όλα αυτά τα στοιχεία να αξιολογούνται πολύ προσεκτικά πριν την εκπόνηση ενός γεωθερμικού προγράμματος. Τα γεωθερμικά ρευστά μπορούν να μεταφερθούν σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις μέσα σε θερμικά μονωμένους σωλήνες. Υπό ιδανικές συνθήκες το μήκος των σωληνώσεων μπορεί να φτάσει ακόμη και τα 60 km. Όμως, το κόστος των σωληνώσεων, του απαιτούμενου βοηθητικού εξοπλισμού (αντλίες, βαλβίδες, κλπ) και της συντήρησής τους, επιβαρύνουν πολύ τον προϋπολογισμό και μπορεί να ανεβάσουν σημαντικά το συνολικό λειτουργικό κόστος επένδυσης και λειτουργίας της εγκατάστασης. Οπότε, η απόσταση μεταξύ του πόρου (γεωτρήσεις) και της εφαρμογής (εγκαταστάσεις) θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Το αρχικό κόστος επένδυσης μιας γεωθερμικής μονάδας εφαρμογής είναι συνήθως μεγαλύτερο, και σε κάποιες περιπτώσεις πολύ ανώτερο, από αυτό που απαιτείται για τη λειτουργία μιας αντίστοιχης μονάδας συμβατικών καυσίμων. Αντίθετα, η ενέργεια που καταναλώνεται σε μια γεωθερμική εγκατάσταση κοστίζει πολύ λιγότερο από τα συμβατικά καύσιμα και αντιστοιχεί συνήθως στο κόστος συντήρησης των διαφόρων επιμέρους τμημάτων της (σωληνώσεις, βαλβίδες, αντλίες, εναλλάκτες θερμότητας κλπ.). Έτσι λοιπόν, οι υψηλότερες αρχικές δαπάνες λογικά αντισταθμίζονται από την εξοικονόμιση που γίνεται στην κατανάλωση ενέργειας. Ως εκ τούτου, το συνολικό σύστημα γεωθερμικού πόρου και εγκαταστάσεων θα πρέπει να σχεδιάζεται έτσι ώστε να βρίσκεται σε λειτουργία για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, ικανό για να γίνει απόσβεση της αρχικής επένδυσης, και, αν είναι δυνατό, ακόμη μεγαλύτερο. Αξιοσημείωτα οικονομικά οφέλη μπορούν να προκύψουν από τη χρήση συνδυαστικών και ολοκληρομένων συστημάτων που παρέχουν μεγαλύτερους συντελεστές απόδοσης (για παράδειγμα, συστήματα που συνδυάζουν ψύξη και θέρμανση χώρων) ή συστήματα διαδοχικής (κλιμακωτής) εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας, στα οποία οι εφαρμογές είναι συνδεδεμένες σε σειρά και η κάθε μια χρησιμοποιεί τα ρευστά που απορρίπτονται από 41

42 42 την προηγούμενη (για παράδειγμα, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας -> θέρμανση θερμοκηπίων -> κτηνοτροφία) (Σχήμα 7). Σχήμα 7 Διαδοχική (κλιμακωτή) χρήση της γεωθερμικής ενέργειας (ευγενική χορήγηση του Geo- Heat Center, KlammathFalls, Όρεγκον, ΗΠΑ) 5.4 Περιβαλλοντικες επιπτωσεις Πηγές ρύπανσης Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο βαθμός που μια γεωθερμική εκμετάλλευση επηρεάζει το περιβάλλον είναι ανάλογος με το μέγεθος και την κλίμακα της εκμετάλλευσης. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με δυαδικά συστήματα επηρεάζει το περιβάλλον με τον ίδιο τρόπο όπως οι άμεσες χρήσεις. Οι επιπτώσεις είναι δυνητικά περισσότερες στην περίπτωση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με μια συμβατική γεωθερμική μονάδα (χωρίς συμπυκνωτές) ή μονάδα με συμπυκνωτές, ειδικά όσον αφορά την ποιότητα του αέρα, όμως μπορεί να διατηρηθεί μέσα σε αποδεκτά όρια. Για παράδειγμα, μια αύξηση της τάξης των 2-3ºC στη θερμοκρασία ενός υδάτινου αποδέκτη, ως αποτέλεσμα της απόρριψης αποβλήτων από μια γεωθερμική εφαρμογή, θα μπορούσε να είναι επιβλαβές στο οικοσύστημά του. Οι φυτικοί και ζωικοί οργανισμοί που είναι ευαίσθητοι στις θερμοκρασιακές μεταβολές σταδιακά θα εξαφανιζόταν, αφήνοντας τα μεγαλύτερα ψάρια χωρίς την πηγή τροφής τους. Επίσης, η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού θα μπορούσε να επηρεάσει αρνητικά την ανάπτυξη των αυγών άλλων τύπων ψαριών. Αν τα ψάρια αυτά αποτελούν βρώσιμο είδος και οικονομικό πόρο μιας κοινότητας ψαράδων, τότε η εξαφάνισή τους θα ήταν κρίσιμη για την επιβίωσή της. Η πρώτη περιβαλλοντική επίπτωση που γίνεται αντιληπτή από τα πρώτα κιόλας στάδια εφαρμογής ενός γεωθερμικού έργου, είναι οι γεωτρήσεις, ανεξάρτητα αν αυτές φτάνουν σε μικρά βάθη και αποσκοπούν στη μέτρηση της γεωθερμικής βαθμίδας κατά το στάδιο έρευνας, ή αν είναι γεωτρήσεις έρευνας-παραγωγής. Η εγκατάσταση γεωτρητικού συγκροτήματος Η διάνοιξη-επισκευή δρόμων για την πρόσβαση στο σημείο των γεωτρήσεων και την κατασκευή μιας γεωτρητικής εξέδρας και πλατείας μπορούν να προκαλέσουν μικρές ζημιές στη χλωρίδα και την πανίδα της περιοχής. Αντίθετα οι απότομες έξοδοι ρευστών μπορεί να προκαλέσουν ρύπανση των επιφανειακών υδάτων. Κατά τη διάρκεια κατασκευής των γεωτρήσεων ή των δοκιμών παραγωγής, υπάρχει κίνδυνος διαφυγής στην ατμόσφαιρα κάποιων ανεπιθύμητων αερίων. Περιβαλλοντικά 42

43 43 προβλήματα είναι δυνατόν να προκύψουν και στη φάση λειτουργίας μιας γεωθερμικής εγκατάστασης. Τα γεωθερμικά ρευστά (ατμός ή ζεστό νερό) συνήθως περιέχουν αέρια, όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), υδρόθειο (H 2 S), αμμωνία (NH 3 ), μεθάνιο (CH 4 ) και ίχνη από άλλα αέρια, καθώς και διαλυμένες χημικές ενώσεις, των οποίων η συγκέντρωση συνήθως αυξάνει με τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, το χλωριούχο νάτριο (NaCl), το βόριο (B), το αρσενικό (As) και ο υδράργυρος (Hg) αποτελούν πηγές ρύπανσης αν διατεθούν στο επιφανειακό περιβάλλον. Η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να αποδειχθεί ένα σχετικά σημαντικό πρόβλημα κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με συμβατικές γεωθερμικές εγκαταστάσεις. Η εκπομπή υδρόθειου αποτελεί τη σημαντικότερη πηγή μόλυνσης. Η διάθεση των χρησιμοποιηθέντων γεωθερμικών νερών (αλμολοίπων) αποτελεί μια πιθανή πηγή χημικής ρύπανσης. Πιθανότητα η άντληση μεγάλων ποσοτήτων ρευστών από τους γεωθερμικούς ταμιευτήρες να προκαλέσει φαινόμενα καθίζησης, δηλαδή σταδιακής βύθισης της επιφάνειας του εδάφους. Η απόληψη και/ή η επανεισαγωγή των γεωθερμικών ρευστών μπορεί να προκαλέσει ή να αυξήσει τη συχνότητα των σεισμικών φαινομένων σε κάποιες περιοχές. Παρόν και μέλλον της γεωθερμίας Οι ποσότητες θερμικής ενέργειας που υπάρχουν στο υπέδαφος είναι τεράστιες Εάν αξιοποιηθεί σωστά, η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στο ενεργειακό ισοζύγιο αρκετών χωρών. Σε κάποιες περιπτώσεις, ακόμη και μικρής κλίμακας γεωθερμικοί πόροι είναι αρκετοί για την επίλυση πολλών τοπικών προβλημάτων και ικανοί για την άνοδο του βιοτικού επιπέδου μικρών και απομονωμένων κοινοτήτων. Τα δεδομένα που προέρχονται από τον Friedleifsson (2003) δίνουν μια γενική ιδέα για το ρόλο που κατέχει η γεωθερμία σε σχέση με άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: στη συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας TWh από ΑΠΕ το 1998, τo ποσοστό 92% προέρχεται από υδροηλεκτρική ενέργεια, 5,5% από βιομάζα, 1,6% από γεωθερμική ενέργεια, 0,6% από αιολική ενέργεια, 0,05% από ηλιακή ενέργεια και 0,02 από παλιρροϊκή ενέργεια. Όσον αφορά τη θερμότητα, η βιομάζα κατέχει το 92% της συνολικής παραγωγής από ΑΠΕ, η γεωθερμική ενέργεια το 5% και η ηλιακή ενέργεια των 2%. Σχήμα 8. Παραγωγική γεώτρηση και γεώτρηση επανεισαγωγής (Πηγή: Geothermal Educational Office) ΠΗΓΕΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ Συγγραφή : Mary H. Dickson και Mario Fanelli Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR, Pisa, ItalyΜετάφραση : Μιχάλης Φυτίκας και Μαρία Παπαχρήστου Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης/Τμήμα Γεωλογίας «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES 43

44 44 6. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ιστορία των σύγχρονων εμπορικών ανεμογεννητριών (α/γ) ξεκινά στις αρχές της δεκαετίας του 80, ως συνέπεια της πετρελαϊκής κρίσης της δεκαετίας του 70. Η ασφάλεια της ενεργειακής τροφοδοσίας και δευτερευόντως, τότε, η αειφορία, δημιούργησαν έντονο ενδιαφέρον για τις ΑΠΕ. Σήμερα, εικοσιπέντε χρόνια μετά, οι τάσεις και κατευθύνσεις στο σχεδιασμό των σύγχρονων α/γ συνοψίζονται στη διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών των α/γ ανάλογα με το αιολικό δυναμικό, στην αυξημένη συμβατότητα με το ηλεκτρικό δίκτυο, στη μείωση της στάθμης του παραγόμενου θορύβου, στην αύξηση της αεροδυναμικής απόδοσης, στη μείωση της οπτικής όχλησης και στις υπεράκτιες εφαρμογές. Τα τελευταία είκοσι χρόνια η ονομαστική ισχύς των α/γ έχει αυξηθεί κατά δύο τάξεις μεγέθους, το κόστος της παραγόμενης ενέργειας έχει μειωθεί δραστικά και η αιολική βιομηχανία έχει αναδειχθεί σε δραστηριότητα αιχμής στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής. Κεντρικός άξονας αναφοράς των τελευταίων εξελίξεων και κατευθύνσεων στην τεχνολογία της αιολικής ενέργειας είναι οι μεγάλες α/γ (4-5 πρωτότυπες μηχανές ονομαστικής ισχύος της τάξης των 5 MW, βρίσκονται σε φάση δοκιμαστικής λειτουργίας) και τα υποσυστήματα τους (πτερύγια, έλεγχος ισχύος, σύστημα μετάδοσης), καθώς και οι βέλτιστες πρακτικές αύξησης της διείσδυσης των αιολικών πάρκων σε αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα και ασθενή δίκτυα (π.χ. μη διασυνδεδεμένα νησιά). 6.1 Εφαρμογές Η σημαντικότερη οικονομικά εφαρμογή των ανεμογεννητριών είναι η σύνδεση τους στο ηλεκτρικό δίκτυο μιας χώρας. Στην περίπτωση αυτή, ένα αιολικό πάρκο, δηλαδή μία συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό και διοχετεύει το σύνολο της παραγωγής του στο ηλεκτρικό σύστημα. Υπάρχει βέβαια και η δυνατότητα οι ανεμογεννήτριες να λειτουργούν αυτόνομα, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιοχές που δεν ηλεκτροδοτούνται, μηχανικής ενέργειας για χρήση σε αντλιοστάσια, καθώς και θερμότητας. Όμως, η ισχύς που παράγεται σε εφαρμογές αυτού του είδους είναι περιορισμένη, το ίδιο και η οικονομική τους σημασία. Από τα μέσα της δεκαετίας του '70, οπότε άρχισε η εγκατάσταση των πρώτων ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μέχρι τα τέλη του 2004, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς σε όλο τον κόσμο ξεπέρασε τα MW. Από αυτά, τα MW βρίσκονται στην Ευρωπαϊκή ένωση. Το 1994 οι χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης ξεπέρασαν τις Η.Π.Α. σε συνολική εγκατεστημένη ισχύ, με πρωτοπόρες τη Δανία, την Ολλανδία και την Αγγλία. Η Γερμανία εισήλθε δυναμικά στο χώρο και, από 60 MW το 1990, έφθασε τα MW εγκατεστημένης ισχύος στο τέλος του Μεγάλη πρόοδο έχει σημειώσει και η Ισπανία, η οποία, κατόρθωσε να εγκαταστήσει MW μέχρι το τέλος του Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό και η αιολική ενέργεια μπορεί να αποτελέσει σημαντικό μοχλό για την ανάπτυξη της. Από τις πλέον πρόσφορες περιοχές για την εγκατάσταση ανεμογεννητριών είναι οι παράλιες περιοχές της ηπειρωτικής Ελλάδας και, ακόμα περισσότερο, τα νησιά του Αιγαίου, στα οποία συχνά πνέουν ισχυροί άνεμοι, εντάσεως 8 και 9 Μποφόρ. Μάλιστα, τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει και οι κατάλληλες κινήσεις από πλευράς Πολιτείας ώστε να αξιοποιηθεί το εν λόγω δυναμικό. Οι κινήσεις αυτές συνίστανται στη δημιουργία του κατάλληλου θεσμικού και νομοθετικού πλαισίου που διέπει τη λειτουργία των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, αλλά και στην παροχή χρηματοδοτήσεων για ανάλογα έργα. Ήδη από το 1982, η ΔΕΗ προχώρησε στην εγκατάσταση στην Κύθνο μικρού αιολικού πάρκου, του οποίου οι πέντε (5) ανεμογεννήτριες των 20 kw λειτουργούν παράλληλα με συστοιχίες φωτοβολταϊκών συστημάτων (υβριδικό σύστημα) και το συμβατικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής του νησιού. Επίσης, η ΔΕΗ έχει εγκαταστήσει στο βόρειο τμήμα της 44

45 45 Γεωγραφική κατανομή εγκατεστημένης ισχύος (σε MW) στην Ελλάδα το 2007 (Πηγή: ΕΛΕΤΑΕΝ, 2008) Η εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος από αιολικά πάρκα στην Ελλάδα και η παραγόμενη από αυτή ηλεκτρική ενέργεια ετησίως παρουσιάζονται στα σχήματα 1 και 2 αντίστοιχα. Σημειώνεται ότι το ποσοστό της εγκατεστημένης ισχύος σε σχέση με την συνολικά αδειοδοτημένη για αιολικά πάρκα ανέρχεται μόλις σε 13,2%. Σχήμα 1: Εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος από Α/Γ στην Ελλάδα 45

46 46 Σχήμα 2: Εξέλιξη της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας από Α/Γ στην Ελλάδα Βασική τροχοπέδη στην εγκατάσταση μεγάλων α/γ στην Ελλάδα είναι η δυσκολία μεταφοράς και εγκατάστασης στις επιλεγείσες θέσεις, λόγω της φτωχής ή ανύπαρκτης υποδομής στις ορεινές κυρίως περιοχές όπου συνήθως καταγράφεται εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό. Δευτερευόντως, ως εμπόδιο στην εγκατάσταση μεγάλου μεγέθους α/γ στην Ελλάδα, αναφέρεται η έλλειψη σχετικής εμπειρίας από τους εγχώριους επενδυτές αλλά και τους χρηματοδότες τους, οι οποίοι μέχρι πρόσφατα έδειχναν να αισθάνονται μεγαλύτερη ασφάλεια να εγκαταστήσουν α/γ μικρότερης μεν ισχύος, αλλά πιο τεκμηριωμένης λειτουργίας. Για τους λόγους αυτούς η μέση εγκατεστημένη ισχύς των α/γ που λειτουργούν αυτή τη στιγμή στη χώρα είναι μόνο 576 kw ενώ το 2000 ήταν 450 kw, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3. Εντούτοις το τελευταίο διάστημα παρατηρείται μια αυξητική τάση στο μέγεθος των νέων α/γ που εγκαθίστανται. Έτσι, το μέσο μέγεθος των α/γ που εγκαταστάθηκαν το 2004 ανήλθε στα 1038kW έναντι των 615 kw που ήταν το Ήδη εγκαταστάθηκαν και λειτουργούν οι πρώτες α/γ 3 MW (Vestas V90), γεγονός που αποτελεί σημαντικό βήμα προς την ωρίμανση της ελληνικής αγοράς. Σχήμα 3: Μέσο μέγεθος ισχύος εγκατεστημένων α/γ στην Ελλάδα και ετήσια εξέλιξή του 46

47 47 Για τα έργα που πρόκειται να εγκατασταθούν μελλοντικά, παρατηρείται η τάση χρησιμοποίησης μεγάλου μεγέθους α/γ στις σχετικές μελέτες που κατατίθενται για την έκδοση των διαφόρων εγκρίσεων. Η τάση αυτή θα εντείνεται, κυρίως όσο οι θέσεις υψηλού αιολικού δυναμικού εξαντλούνται και θα πρέπει να επιλέγονται α/γ που θα αποδίδουν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλού αιολικού δυναμικού. Ταυτόχρονα, γίνονται προσπάθειες να βρεθούν λύσεις που θα συμβάλλουν στην υπερπήδηση των εμποδίων που σήμερα τίθενται για την εγκατάσταση μεγάλων α/γ σε θέσεις με φτωχή υποδομή πρόσβασης. Ήδη μελετώνται η χρήση διαιρετών πτερυγίων, η επιτόπου κατασκευή ή η κατασκευή από εναλλακτικά υλικά βαρέων υποσυστημάτων όπως π.χ. οι πύργοι, καθώς και μέθοδοι εύκολης ανέγερσης α/γ, με στόχο τη μείωση των αναγκών για μεταφορά υποσυστημάτων εξαιρετικά μεγάλου μήκους (πτερύγια) ή βάρους (πύργοι). 6.2 Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας Μία τυπική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα,, αποτελείται από: Το δρομέα, συνήθως με δύο ή τρία πτερύγια, τα οποία κατασκευάζονται από ενισχυμένο πολυεστέρα. Τα πτερύγια προσδένονται πάνω σε μία πλήμνη είτε σταθερά, είτε έχοντας τη δυνατότητα να περιστρέφονται γύρω από το διαμήκη άξονα τους, μεταβάλλοντας έτσι το βήμα της πτερύγωσης. Υπάρχουν πάντως και ανεμογεννήτριες με ένα μόνο πτερύγιο. Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, που αποτελείται από τον κύριο άξονα, τα έδρανα του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, με το οποίο προσαρμόζεται η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα περιστροφής παραμένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της μηχανής. Την ηλεκτρογεννήτρια, σύγχρονη ή επαγωγική, με 4 ή 6 πόλους, η οποία συνδέεται στην έξοδο του κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών μέσω ενός ελαστικού ή υδραυλικού συνδέσμου. Το σύστημα πέδης, το οποίο είναι ένα συνηθισμένο δισκόφρενο που τοποθετείται στον κύριο άξονα ή στον άξονα της γεννήτριας. Το σύστημα προσανατολισμού, το οποίο αναγκάζει τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται συνεχώς παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Με τον τρόπο αυτό αυξάνει η διαθεσιμότητα της ανεμογεννήτριας, δηλαδή το ποσοστό του χρόνου που αυτή είναι διαθέσιμη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία αποτελεί ένα δείκτη που πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός τέτοιου συστήματος. Τον πύργο, επάνω στον οποίο εδράζεται όλη η ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση. Ο πύργος είναι συνήθως μεταλλικός, σωληνωτός ή δικτυωτός και, σπανίως, από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενώ το ύψος του είναι τέτοιο, ώστε ο δρομέας να δέχεται την αδιατάρακτη από το έδαφος ροή του ανέμου. Τον ηλεκτρονικό πίνακα και τον πίνακα ελέγχου, που είναι τοποθετημένοι στη βάση του πύργου. Μέσω του συστήματος ελέγχου ρυθμίζονται όλες οι λειτουργίες της ανεμογεννήτρια 47

48 48 Τομή τυπικής ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα 6.3 Προβλήματα και προοπτικές Eπί συνόλου αιτηθέντων MW, έχουν λάβει άδεια παραγωγής και βρίσκονται σε διάφορα στάδια της αδειοδοτικής διαδικασίας έργα συνολική ισχύος 3016,3MW, έχουν εξασφαλίσει άδεια εγκατάστασης έργα ισχύος 848,5MW και λειτουργούν 485,5MW αιολικοί σταθμοί. Γενικότερα τα προβλήματα που αντιμετωπίζουν τα έργα ΑΠΕ στην Ελλάδα σήμερα είναι τα ακόλουθα: Η δαιδαλώδης αδειοδοτική διαδικασία Η ανωριμότητα των επενδυτικών σχεδίων Οι αντιδράσεις της τοπικής κοινωνίας Οι περιορισμένες δυνατότητες απορρόφησης της παραγωγής ΑΠΕ ΠΗΓΕΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ: ΑΝΑΔΡΟΜΗ, ΠΑΡΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Γ. Λ. Γληνού 1, Δ. Α. Παπαχρήστου 1 και Α. M. Παπαδόπουλος 2 1 Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας, Πανεπιστημίου 69, , Αθήνα, glinou@rae.gr 2 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη, agis@eng.auth.gr 7. ΒΙΟΜΑΖΑ 7.1 Ορισμός Ως βιομάζα, γενικά, ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση και, περιλαμβάνεται σ' αυτήν οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, στον όρο βιομάζα εμπεριέχονται: Οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από τα φυσικά οικοσυστήματα, όπως π.χ. τα αυτοφυή φυτά και δάση, είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες (έτσι ονομάζονται τα φυτά που καλλιεργούνται εντατικά και ειδικά για παραγωγή βιομάζας) γεωργικών και δασικών ειδών όπως π.χ. το σόργο το σακχαρούχο, το καλάμι, ο ευκάλυπτος κ.λπ., τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής όπως είναι π.χ. τα άχυρα, 48

49 49 τα στελέχη αραβόσιτου και βαμβακιάς, τα κλαδοδέματα, τα κλαδιά δένδρων, τα φύκη, τα κτηνοτροφικά απόβλητα κ.ά., τα υποπροϊόντα από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, όπως είναι π.χ το ελαιοπυρηνόξυλο, τα υπολείμματα εκκοκκισμού του βαμβακιού, το πριονίδι κ.ά., το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. Η ενέργεια της βιομάζας αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατ' αυτήν, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια, με μία σειρά διεργασιών στις οποίες χρησιμοποιούνται ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, μαζί με νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος, με αποτέλεσμα την απόληψη βιομάζας και οξυγόνου. Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης μπορεί να περιγραφεί σχηματικά ως εξής: Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα +Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία = = Βιομάζα + Οξυγόνο Από τη στιγμή που έχει σχηματισθεί η βιομάζα, μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Στο σημείο αυτό, αξίζει να αναφερθεί ότι, αν και η μετατροπή της ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη στη βιομάζα σε θερμική γίνεται μέσω καύσης, η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα, όπως συμβαίνει στην περίπτωση της καύσης των ορυκτών καυσίμων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, ενώ κατά την καύση της βιομάζας εκλύεται αυτός ο ρύπος, κατά την παραγωγή της επαναδεσμεύονται μεγάλες ποσότητες CO2 από την ατμόσφαιρα, μέσω του φαινομένου φωτοσύνθεσης (Σχ. 1), με αποτέλεσμα η όλη διαδικασία μετατροπής της βιομάζας σε ωφελιμη ενέργεια να μη συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας. Σχήμα 1. Ο κύκλος του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (Πηγή: BIN) 7.2 Παγκόσμιο και ελληνικό δυναμικό Η χρήση της βιομάζας ως πηγή ενέργειας δεν είναι νέα. Σ' αυτήν εξάλλου συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες, με τα οποία, μέχρι το τέλος του περασμένου αιώνα, καλυπτόταν το 97% των ενεργειακών αναγκών της χώρας μας. Σήμερα, η παραγωγή ενέργειας από βιομάζα στην Ελλάδα αντιστοιχεί στο 3% περίπου των ενεργειακών αναγκών της και χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή, κατά τον παραδοσιακό τρόπο, θερμότητας στον οικιακό τομέα (μαγειρική, θέρμανση), για τη θέρμανση θερμοκηπίων, σε ελαιουργεία, καθώς και, με τη χρήση πιο εξελιγμένων τεχνολογιών, στη βιομηχανία (εκκοκκιστήρια βαμβακιού, παραγωγή προϊόντων ξυλείας, ασβεστοκάμινοι κ.ά.), σε περιορισμένη όμως κλίμακα ακόμα. 49

50 50 Η βιομάζα που παράγεται κάθε χρόνο σε ολόκληρο τον πλανήτη υπολογίζεται ότι περιέχει ενέργεια δεκαπλάσια αυτής που χρειάζεται η ανθρωπότητα στο ίδιο διάστημα. Από την τεράστια αυτή ενεργειακή ποσότητα αξιοποιείται, σήμερα, ένα πολύ μικρό μέρος της, με το οποίο καλύπτεται μόνο το 1/7 της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Εξάλλου, για την Ελλάδα, σύμφωνα με τα στοιχεία παλαιότερης απογραφής, εκτιμάται ότι το σύνολο των γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων ανέρχεται σε 10 εκατ. τόνους. Το ποσό αυτό αντιστοιχεί ενεργειακά στο 30-40% της ποσότητας του πετρελαίου που καταναλώνεται ετησίως στη χώρα μας. Παράλληλα, όμως, με την αξιοποίηση των διαφόρων γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων, ποσότητες βιομάζας είναι δυνατό να ληφθούν και από τις ενεργειακές καλλιέργειες. Από τις παραπάνω ποσότητες βιομάζας, το ποσοστό τους εκείνο που προκύπτει υπό μορφή υπολειμμάτων, κατά τη δευτερογενή παραγωγή προϊόντων (εκκοκκισμός βαμβακιού, μεταποίηση γεωργικών προϊόντων, επεξεργασία ξύλου, κ.ά.), είναι άμεσα διαθέσιμο, δεν απαιτεί ιδιαίτερη φροντίδα συλλογής και μεταφοράς, ούτε χρειάζεται περαιτέρω επεξεργασία, δεδομένου ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ' ευθείας για την τροφοδοσία συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Γίνεται, λοιπόν, αντιληπτό ότι οι προοπτικές αξιοποίησης αυτού του είδους της βιομάζας στη χώρα μας είναι μεγάλες, καθώς το υπάρχον δυναμικό είναι σημαντικό, και, παράλληλα, η ενέργεια που μπορεί να παραχθεί είναι, σε πολλές περιπτώσεις, οικονομικά ανταγωνιστική αυτής που παράγεται από ορυκτά καύσιμα. Οι ενεργειακές καλλιέργειες, συγκριτικά με τα γεωργικά και δασικά υπολείμματα, έχουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης παραγωγής ανά μονάδα επιφανείας, καθώς και της ευκολότερης συλλογής, ενώ μπορούν να αποτελέσουν διέξοδο για τα προβλήματα της γεωργικής παραγωγής και της απασχόλησης του αγροτικού πληθυσμού, δίνοντας ζωή σιην ελληνική επαρχία. Πράγματι, λόγω των πλεονασμάτων της γεωργικής παραγωγής, έχουν ήδη περιθωριοποιηθεί ή προβλέπεται να περιθωριοποιηθούν και εγκαταλειφθούν στο άμεσο μέλλον 10 εκατομμύρια στρέμματα καλλιεργήσιμων εκτάσεων στην Ελλάδα, από τις οποίες, εάν αποδοθούν για την ανάπτυξη ενεργειακών καλλιεργειών, μπορεί να παραχθεί ενέργεια ισοδύναμη με 5-6 ΜΤΙΠ (όπου 1ΜΤΙΠ=1 εκατομμύριο Τόνοι Ισοδύναμου Πετρελαίου), που αντιστοιχεί στο 50-60% της ετήσιας κατανάλωσης πετρελαίου στη χώρα μας. Λόγω των ευνοϊκών κλιματικών συνθηκών της Ελλάδας, πολλές καλλιέργειες προσφέρονται για ενεργειακή αξιοποίηση και δίνουν υψηλές στρεμματικές αποδόσεις. Οι πιο σημαντικές από αυτές, που μελετώνται τα τελευταία χρόνια στις ελληνικές συνθήκες είναι το καλάμι, η αγριοαγκινάρα, το σόργο το σακχαρούχο, ο ευκάλυπτος, η ψευδοακακία με μέση απόδοση 3 τόνους ανα στρέμμα. 7.3 Εφαρμογές Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (θέρμανσης, ψύξης, ηλεκτρισμού κ.λπ.) μετατρεπόμενη σε αέρια, υγρά ή/και στερεά καύσιμα, μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών. Η ποικιλία που εμφανίζει στους τρόπους αξιοποίησης της δημιουργεί μία αντίστοιχη ποικιλία και στις εφαρμογές της. Από την άλλη μεριά, επειδή στα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση της βιομάζας για ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνονται η ευρεία διασπορά, ο μεγάλος όγκος και οι όποιες δυσχέρειες στη συλλογή-μεταποίηση- μεταφορά-αποθήκευσή της, συνιστάται η αξιοποίηση της να γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον τόπο παραγωγής της. Έτσι, η βιομάζα χρησιμοποιείται για τη θέρμανση ψύξη ή/και την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, συνήθως μέσω συμπαραγωγής, όπως ονομάζεται η συνδυασμένη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια ενεργειακή πηγή, σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίες που βρίσκονται κοντά σε πηγές παραγωγής της. Με το συμβατικό τρόπο παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας, μεγάλες ποσότητες θερμότητας απορρίπτονται στο περιβάλλον, μέσω των ψυκτικών κυκλωμάτων ή/και των καυσαερίων, ενώ με τη συμπαραγωγή το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας αυτής ανακτάται και χρησιμοποιείται επωφελώς. Επιτυγχάνεται έτσι, σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, δεδομένου ότι ο βαθμός απόδοσης των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι της τάξης του 15-40%, ενώ αυτός των συστημάτων συμπαραγωγής φθάνει μέχρι και % Ένα παράδειγμα βιομηχανίας όπου, με την εγκατάσταση μονάδας συμπαραγωγής, υποκαταστάθηκαν επιτυχώς τα συμβατικά καύσιμα από βιομάζα, είναι ένα εκκοκκιστήριο 50

51 51 στην περιοχή της Βοιωτίας. Η απαραίτητη ξήρανση του βαμβακιού πριν τον εκκοκκισμό παλαιότερα γινόταν με τη χρήση λέβητα, που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο πετρέλαιο, και τη διοχέτευση των καυσαερίων στο προς ξήρανση βαμβάκι. Στο σύστημα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού που εγκαταστάθηκε χρησιμοποιούνται ως καύσιμη ύλη τα υπολείμματα του εκκοκκισμού και, μ' αυτό, καλύπτεται το σύνολο των αναγκών του εκκοκκιστηρίου σε θερμότητα, καθώς και μέρος των αναγκών του σε ηλεκτρική ενέργεια. Εξάλλου, είναι δυνατόν να υποκατασταθούν συμβατικά καύσιμα, χρησιμοποιώντας τη βιομάζα που είναι διαθέσιμη σε κάθε περιοχή (πυρηνόξυλο, άχυρα, τσόφλια κ.ά.), στην περίπτωση της θέρμανσης των θερμοκηπίων. Η χρήση της βιομάζας ως καύσιμη ύλη σε συστήματα παραγωγής θερμότητας για εφαρμογές αυτού του είδους αποτελεί μία ενδιαφέρουσα και οικονομικά συμφέρουσα προοπτική για τους ιδιοκτήτες των μονάδων αυτών. Ήδη, στο 10% περίπου της συνολικής έκτασης των θερμαινόμενων θερμοκηπίων της χώρας, διάφορα είδη βιομάζας αξιοποιούνται για την κάλυψη των αναγκών τους σε θερμότητα. Μία άλλη εφαρμογή, όπου μπορεί να αξιοποιηθεί η τοπικά διαθέσιμη βιομάζα, είναι η τηλεθέρμανση κατοικημένων περιοχών. Πρόκειται για την ίδια τεχνολογία με αυτήν που παρουσιάστηκε στην περίπτωση της γεωθερμίας, με τη διαφορά ότι η θερμότητα σ' αυτήν την περίπτωση δεν προέρχεται από κάποιο υπόγειο γεωθερμικό κοίτασμα, αλλά από την καύση βιομάζας. Παραγωγή καυσίμων από βιομάζα Είναι δυνατή, εξάλλου, η παραγωγή υγρών καυσίμων και βιοαέριου, με τη βιοχημική ή/ και με τη θερμοχημική μετατροπή κατάλληλων ειδών βιομάζας (Σχ. 2). Η διεργασία της βιοχημικής μετατροπής επικεντρώνεται, κυρίως, στην παραγωγή βιοαιθανόλης (οινοπνεύματος) με ζύμωση σακχάρων, αμύλου, κυτταρινών και ημικυτταρινών, που προέρχονται από βιομάζα φυτικής προελεύσεως (αραβόσιτος, σόργο το σακχαρούχο κ.ά.). Η τεχνολογία ζυμώσεως των σακχάρων είναι, σήμερα, γνωστή και ανεπτυγμένη, ενώ υπό εξέλιξη βρίσκεται εκείνη της ζύμωσης των κυτταρινών και ημικυτταρινών. Η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μεταφορών, αυτούσια ή σε πρόσμειξη με βενζίνη, όπως αυτό συμβαίνει στη Βραζιλία και τις ΗΠΑ. Σχήμα 2. Βιοχημική ή/και θερμοχημική μετατροπή κατάλληλων ειδών βιομάζας Με βιοχημική διεργασία, επίσης, παράγεται το βιοαέριο, το οποίο περιέχει μεθάνιο σε υψηλά ποσοστά και μπορεί, με την καύση του, να αποδίδει σημαντικές ποσότητες θερμότητας. Η παραγωγή του βιοαερίου γίνεται από αστικά απορρίμματα οργανικής προελεύσεως ή από λύματα χοιροστασίων και πτηνοτροφείων. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, παράλληλα, παράγεται και οργανικό λίπασμα άριστης ποιότητας, του οποίου η διάθεση στην αγορά μπορεί να συμβάλλει στην οικονομική βιωσιμότητα μιας τέτοιας εγκατάστασης. Στην 51

52 52 περίπτωση των αστικών απορριμμάτων, το βιοαέριο παράγεται στους Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ), οι οποίοι εγκαθίστανται στις χωματερές και συντελούν στην αναβάθμιση της ευρύτερης περιοχής Σχετικά με τις θερμοχημικές διεργασίες, στις μονάδες αστραπιαίας πυρόλυσης χρησιμοποιούνται τα ογκώδη δασικά και αγροτικά υπολείμματα, τα οποία, αφού ψιλοτεμαχισθούν, μετατρέπονται με τη βοήθεια ειδικού αντιδραστήρα σε υγρό καύσιμο (βιοέλαιο). Αλλη τεχνολογία θερμοχημικής μετατροπής της βιομάζας είναι η αεριοποίηση, με την οποία παράγεται αέριο καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, χωρίς περαιτέρω επεξεργασία, σε καυστήρες αερίου. Οι τεχνολογίες αυτές βρίσκονται, ακόμη, σε ερευνητικό και πιλοτικό στάδιο και απαιτείται σημαντική περαιτέρω προσπάθεια μέχρι να φτάσουν στο επίπεδο όπου θα είναι οικονομικά συμφέρουσα η εφαρμογή τους σε ευρεία κλίμακα. Η ποικιλία των χρήσεων της βιομάζας, σε συνδυασμό με τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την αξιοποίηση της, αλλά και την εξέλιξη που παρουσιάζουν τελευταία οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης της, προδιαγράφουν ως ευοίωνο το μέλλον για την ευρύτερη διάδοση των εφαρμογών της. Η ενέργεια που μπορεί να προέλθει από την αξιοποίηση των διαθέσιμων ποσοτήτων βιομάζας είναι ικανή να καλύψει ένα σημαντικό μέρος των ενεργειακών αναγκών πολλών χωρών, ανάμεσα στις οποίες περιλαμβάνεται και η Ελλάδα. Επιπλέον, μπορούν να εξοικονομηθούν μεγάλες ποσότητες συναλλάγματος, αλλά και, μέσω των ενεργειακών καλλιεργειών, να λυθούν κάποια από τα κοινωνικά και οικονομικά προβλήματα που έχουν δημιουργηθεί τα τελευταία χρόνια στον αγροτικό τομέα. 7.4 Αξιοποίηση αστικών στερεών αποβλήτων [ΑΣΑ] Παραγωγή ενέργειας Αξιοποίηση των αστικών στερεών απόβλητων [ΑΣΑ] με τελικό σκοπό την παράγωγη ενέργειας γίνεται μέσω της καύσης και της αναερόβιας επεξεργασίας του οργανικού κλάσματος, κυρίως σε επίπεδο μεγάλων οικιστικών συγκροτημάτων ( δηλαδή πόλεων ). Η ενεργειακή αξιοποίηση των ΑΣΑ αποτελεί μια από τους σημαντικότερους τρόπους της ολοκληρωμένης διαχείρισης των ΑΣΑ όσον αφόρα την ανηφορική λειτούργει των πόλεων συμφώνα με την Local Agenda 21 Η αξιοποίηση των ΑΣΑ με σκοπό την παράγωγη ενέργειας έχει πολλαπλά οφέλη όπως:: επίπεδο λαμβάνοντας υπόψη την οδηγία 99/31/EC άλλα και τις κατευθύνσεις της Local Agenda 21 για την αειφορικοτητα ανεφοδιασμό μέσω της αξιοποίησης ενός πόρου όπως θεωρούνται πλέον στις μέρες μας τα ΑΣΑ ι CO2 με δυσμενείς συνέπιες το περιβάλλον ( φαινόμενο του θερμοκηπίου, όξινη βροχή, κ.α.) παραπροϊοντα των ανεξέλικτων χωματερών. υρίως απόκρημνών τοποθεσιών (ταμπλάδες) Τα εμπόδια στην εφαρμογή των τεχνολογιών ΑΣΑ είναι περισσότερο μη τεχνολογικά. Αυτά είναι: 1. διοικητικές ανεπάρκειες και έλλειψη προγραμματισμού της Τοπικής Αυτοδιοίκησης καθώς και της Πολιτείας. 52

53 53 2. οργανωτική υστέρηση και σαφής στρατηγικη, ελλειψη εξειδικευμένου προσωπικού σε κομβικά σημεία αποφάσεων και τέλος έλλειψη συντονισμού και αξιόπιστων στοιχείων καθώς και μελετών 3. ανεπάρκεια περιβαλλοντικής συνείδησης των πολιτών στην Ελλάδα σε βαθμό που να περιορίζει την επιτυχία προγραμμάτων διαχωρισμού στην πηγη καθώς και της αποδοχης μονάδων διαχείρισης ΑΣΑ (σύνδρομο NIMBY) Σημαντικοτερες τεχνολογίες αξιοποίησης των ΑΣΑ Η αξιοποίηση των ΑΣΑ περιλαμβάνει τις παρακάτω μεθόδους ανάκτησης υλικών ή ενέργειας: Ανακύκλωση: Διαλογή των χρησίμων υλικών (γυαλόχαρτα, κα) στην πηγή (δηλαδή σπίτια ή γραφεία) σε ξεχωριστούς κάδους ή συγκέντρωση και μηχανική διαλογή στους χώρους απόθεσης των ΑΣΑ (ΧΥΤΑ) Καύση: Η αποτέφρωση του συνόλου των οικιακών απορριμμάτων σε βιομηχανικές μονάδες για την παράγωγη ενέργειας και ατμού ή η μετά από βιομηχανική επεξεργασία των ΑΣΑ με την παράγωγη στερεών καύσιμων (RDF-Refuse Derived Fuel) τα οποία επίσης χρησιμοποιούνται ενεργειακά. Κομποστοποιηση: Διαχωρισμός των ΑΣΑ για την απολαβή του οργανικού κλάσματος (υπολείμματα τροφων,φρουτα,οργανικα) στη πηγή (γειτονιά) ή στους χώρους συγκέντρωσης για την παράγωγη κομπόστας ως εδαφοβελτιωτικου. Αναερόβια χώνευση: Απόληψη του οργανικού κλάσματος όπως την κομποστοποιηση οπού, μέσω της αναερόβιας χώνευσης, είτε στη μουσόφιλη ( 30 ο 37 ο C) είτε στη θερμόφιλη περιοχή ( 50 ο 60 ο C), παράγεται βιοαέριο για την παράγωγης ενέργειας μέσω μηχανικό εσωτερικής καύσης. Υγειονομική Ταφή: Κατά την ταφή των ΑΣΑ σε οργανωμένους Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων ( ΧΥΤΑ ) δημιουργούνται αναερόβιες συνθήκες με αποτέλεσμα να παράγεται βιοαέριο το οποίο απλουστεύεται και καίγεται σε μηχανές για την παράγωγη ενέργειας. Πυρόλυση: Το οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ εξαερώνεται με θερμική κατεργασία παρουσία μικρής ποσότητας οξυγόνου. Η πυρόλυση αρχίζει στου ο C και ολοκληρώνεται στου ο C. Τα παραγόμενα προϊόντα είναι αέρια ( CH4, H2, CO2, CO ), υγρά ( με πλήθος οργανικών ενώσεων ) και στερεά(ανθρακούχο στερεό υπόλειμμα υψηλής θερμογόνου ουσίας ). Μερικοί από τους δόκιμους συνδυασμούς των παραπάνω μεθόδων για την ενεργειακή αξιοποίηση των ΑΣΑ μπορεί να είναι: 1. Ανακύκλωση υλικών-υγειονομική ταφή-αποχέτευση βιοαερίου-παράγωγη ενέργειας 2. Ανακύκλωση υλικών-αναερόβια χώνευση του οργανικού κλάσματος-παράγωγη βιοαερίου-παράγωγη ενεργειας + κομποστας 3. Διαχωρισμός υλικών-παράγωγη RDF-Παράγωγη ενέργειας + Υγειονομική Ταφή 4. Διαχωρισμός υλικών-κομποστοποιηση των οργανικών-πυρόλυση των RDF -Υγειονομική ταφή των υπολοίπων. Τα κριτήρια του πλέον δυνατού συνδυασμού των μεθόδων διαχείρισης των ΑΣΑ πρέπει να λάβει υπόψη τα ακόλουθα σημεία: 1. Περιβαλλοντικές επιπτώσεις που αφορούν CH4, ΝΗ3, ιπτάμενη τέφρα και VOC s καθώς τοξικών ρυπαντών όπως διοξινών. 2. Κόστος επεξεργασίας ή του συνδυασμού των τεχνολογιών που θα δώσουν το μικρότερο Δονάτο κόστος επένδυσης. 53

54 54 3. Κόστος επένδυσης, αφορά τις μεταβαλλόμενες τοπικές συνθήκες άλλα και των εναλλακτικών μορφών αξιοποίησης. 4. Διάρκεια εφαρμογής της τεχνολογίας, λαμβάνοντας υπόψη τις τεχνολογικές εξελίξεις και το επενδυτικό ρίσκο της συγκεκριμένης εφαρμογής 5. Απαραίτητη έκταση γης, καθορίζει το είδος της τεχνολογίας άλλα και του συνδυασμού των μεθόδων (αστικές περιοχές-σύνδρομο NIMBY). 6. Ποσοστό αξιοποίησης όσο αφόρα την περιεχομένη σύνθεση των ΑΣΑ (υγρασία, οργανικο κλάσμα και αδρανή υλικά). Εφαρμογές στην Ελλάδα Σήμερα στην Ελλάδα απορρίπτεται ανεξέλεγκτα ένα μεγάλο μέρος των ΑΣΑ σε χωματερές ενώ ένα μικρό μέρος αυτών που έχουν άμεση εμπορική αξία ( εφημερίδες, αλουμινένια κουτιά κα ) ανακυκλώνονται συστηματικά ( Ενώσεις Δήμων ). Εφαρμογές ενεργειακής αξιοποίησης από την διαχείριση των ΑΣΑ σήμερα στην Ελλάδα δεν υπάρχουν. Λειτούργει όμως η Μονάδα Λιπασματοποιησης του Δήμου Καλαμάτας ενώ ολοκληρώνεται η μονάδα χωματερής των Λιοσίων. 7.5 Συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού Συμπαραγωγή είναι η διαδοχική (ταυτόχρονη) παραγωγή και εκμετάλλευση δύο μορφών ενέργειας, ηλεκτρικής (ή μηχανικής) και θερμικής, από ένα σύστημα μηχανών με τη χρήση του ίδιου καύσιμου. Με την συμπαραγωγή γίνεται ορθολογικότερη χρήση της ενέργειας του καυσίμου και ανάλογη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Είναι εφαρμόσιμη σε βιομηχανίες και κτίρια με ταυτόχρονη ζήτηση σε ηλεκτρισμό και θερμότητα και, συνήθως, όταν οι ετήσιες ώρες λειτουργίας ξεπερνούν τις Σε έναν συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (θερμικό, υδροηλεκτρικό, πυρηνικό κ.λ.π.) η μέση αποδοτικότητα είναι 37%. Οι απώλειες μεταφοράς του ηλεκτρισμού στους καταναλωτές (περίπου 8%). Η αποδοτικότητα μειώνεται στο 34%. Στην Ελλάδα η αποδοτικότητα είναι αρκετά χαμηλότερη κυρίως λόγω του λιγνίτη. Συνεπώς το 66% της ενέργειας του καυσίμου χάνεται υπό μορφή θερμότητας στο περιβάλλον. Η συνολική αποδοτικότητα των σταθμών ΣΗΘ είναι της τάξης του 85%. Πλεονεκτήματα συμπαραγωγής Η επιτυχής εγκατάσταση ΣΗΘ οδηγεί σε μείωση κατανάλωσης καυσίμου της τάξεως του 25%. Η μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι ανάλογη. Με την χρήση επίσης του φυσικού αερίου μηδενίζονται οι εκπομπές SO2, και αιθάλης. Στο επίπεδο του χρήστη τα οφέλη είναι καθαρά οικονομικά, διότι το κόστος ενέργειας μειώνεται σε σχέση με τις «συμβατικές» μονάδες. Σε επιτυχημένες εγκαταστάσεις ΣΗΘ η μείωση των τιμών είναι 20-30%. Αυξάνεται η αξιοπιστία ενεργοδότησης. Ο σταθμός ΣΗΘ ενωμένος με το ηλεκτρικό δίκτυο, όπου δίνει ή παίρνει ηλεκτρισμό εγγυάται απρόσκοπτη λειτουργία σε επίπεδο μονάδας, σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας του σταθμού ή ηλεκτροδότησης από το δίκτυο. Σε επίπεδο χώρας, μειώνει την ανάγκη εγκατάστασης μεγάλων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και αυξάνει την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος της χώρας. Η συμπαραγωγή μπορεί να επιτευχθεί με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (π.χ. βιομάζα) υποκαθιστώντας συμβατικά καύσιμα. 54

55 55 Τεχνολογίες Συμπαραγωγής Το βασικότερο μέρος μιας εγκατάστασης ΣΗΘ είναι η μηχανή, η οποία παράγει θερμότητα και ηλεκτρισμό. Οι βασικές γνωστές τεχνολογίες είναι: 1. Αεριοστρόβιλος (κύκλος Brayton). Γνωστός από τη χρήση του στα αεροπλάνα. Ο αέρας συμπιέζεται μέχρι τον θάλαμο καύσης και ακολούθως εκτονώνεται. 2. Ατμοστρόβιλος (κύκλος Rankine). Εκτονώνει ατμό υψηλής ενθαλπίας, και παράγει μηχανικό έργο καθώς και ατμό χαμηλότερης ενθαλπίας. 3. Συνδυασμένος κύκλος. Συνδυασμός των παραπάνω, με λέβητα ανάκτησης ανάμεσά τους. 4. Παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης (κύκλος Diesel ή Otto). Γνωστές από τις χρήσεις στα οχήματα. Πετρελαιομηχανές των βαρέων οχημάτων ή βενζινοκινητήρες (αεριοκινητήρες) μικρότερων αυτοκινήτων. 5. Στοιχεία καυσίμου (Fuel Cells). Αρχή των μηχανών αυτών είναι η παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού χωρίς καύση. Με ηλεκτροχημικές διεργασίες στο καύσιμο (κυρίως φυσικό αέριο) διασπάται και από τις χημικές αντιδράσεις παράγεται θερμότητα και ηλεκτρισμός (υπό μορφή ιόντων). Οι μηχανές 1-4 παράγουν ηλεκτρισμό με σύνδεση γεννήτριας στον άξονά τους. Η θερμότητα παράγεται από λέβητες ανάκτησης με ή χωρίς συμπληρωματική καύση. Η ψύξη, παράγεται με τον κύκλο απορρόφησης ή προσρόφησης. 7.6 Βιοαέριο Γενικά To βιοαέριο είναι μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για την παραγωγή θερμότητας, ηλεκτρισμού, ενώ μετά την επεξεργασία και την αναβάθμισή του μπορεί να διοχετευθεί στο δίκτυο του φυσικού αερίου και να χρησιμοποιηθεί ακόμα και για την κίνηση των αυτοκινήτων. Η διαφορά του με τα ορυκτά καύσιμα είναι ότι αποτελεί μια «καθαρή» μορφή ενέργειας. Δηλαδή, το συνολικό ισοζύγιο των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου που παράγεται κατά την καύση του βιοαερίου είναι ισοδύναμο με αυτό που απορροφάται κατά την παραγωγή του, άρα δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα. Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και σε ελάχιστες ποσότητες περιέχει άζωτο, υδρογόνο, αμμωνία και υδρόθειο κ.λπ. Η σημαντική περιεκτικότητα μεθανίου (40%-70%) είναι αυτή που το καθιστά κατάλληλο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας. Το πλεονέκτημα του βιοαερίου είναι ότι παράγεται από τα απορρίμματα άρα μπορεί να υπάρξει σε αφθονία. Η εκμετάλλευσή του μειώνει τον όγκο των αποβλήτων στις χωματερές και ταυτόχρονα συμβάλλει στη δημιουργία νέων θέσεων εργασίας. Διεργασίες από τις οποίες παράγεται το βιοαέριο. Οι διεργασίες της αναερόβιας χώνευσης των αγροτοβιομηχανικών απορριμμάτων, της κοπριάς των ζώων και της χώνευσης των λυμάτων και αποβλήτων στις χωματερές, στους 55

56 56 ΧΥΤΑ και τους βιολογικούς καθαρισμούς είναι εκείνες μέσω των οποίων παράγεται το βιοαέριο. Πιο συγκεκριμένα παράγεται από τα αέρια που εκλύονται όταν αποσυντίθεται το οργανικό μέρος των αστικών απορριμμάτων, των αποχετευτικών λυμάτων, από τις κοπριές των ζώων, των οργανικών βιομηχανικών αποβλήτων και από την επεξεργασία τους σε συνδυασμό με ενεργειακά φυτά, δηλαδή αυτά που καλλιεργούνται με σκοπό όχι την τροφή, αλλά την παραγωγή ενέργειας. Που παράγεται βιοαέριο στην Ελλάδα Στη χώρα μας οι μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιοαερίου έχουν συνολική εγκατεστημένη ισχύ 28,5 MW. Οι πιο σημαντικές είναι στο ΧΥΤΑ Άνω Λιοσίων, που παράγουν m 3 βιοαερίου με εγκατεστημένη ισχύ 13 MW και στην Ψυττάλεια με παραγωγή m 3 βιοαερίου την ημέρα και εγκατεστημένη ισχύ 7,5 MW. Τα υπόλοιπα 8 MW παράγονται από άλλες μικρότερες μονάδες όπως εκείνες των Χανίων, του Ηρακλείου, της Λάρισας και του Βόλου, που όμως χρησιμοποιούν μόνο τα αστικά απορρίμματα ή τους βιολογικούς καθαρισμούς και όχι τα ζωικά απόβλητα, τα απορρίμματα των σφαγείων ή άλλες πηγές ενέργειας. Χρήσεις του βιοαερίου Το μόνο παραγόμενο προϊόν από τις ελληνικές μονάδες είναι το ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο πωλείται στη ΔΕΗ ή χρησιμοποιείται για ίδια κατανάλωση ενώ δεν παράγονται ακόμα θερμότητα, βελτιωτικά εδάφους και καύσιμα μεταφορών. Στη Σουηδία υπάρχουν 20 μονάδες αναβάθμισης βιοαερίου που τροφοδοτούν 35 δημόσιους σταθμούς διανομής, οι οποίοι με τη σειρά τους εφοδιάζουν οχήματα (κυρίως λεωφορεία). Το κόστος παραγωγής του βιοαερίου στη Σουηδία είναι ,50 ευρώ / m 3 και η τιμή αγοράς του αναβαθμισμένου αερίου είναι 0,50-0,80 ευρώ / m 3, ενώ η τιμή της βενζίνης στη Σουηδία είναι 1,1 ευρώ το λίτρο. Πλεονεκτήματα χρήσης του βιοαερίου Στο επίπεδο της προστασίας του περιβάλλοντος. Βοηθάει να επιλυθούν τα προβλήματα διαχείρισης αποβλήτων και απορριμμάτων ακριβώς επειδή τα χρησιμοποιεί σαν πρώτη ύλη, επιτυγχάνοντας την παραγωγή ρεύματος και θερμότητας, χωρίς να εκλύονται κατά τη διαδικασία αέρια του θερμοκηπίου. Δίνει, τέλος, τη δυνατότητα να λειτουργήσουν μηχανές εσωτερικής καύσης, όπως αυτοκίνητα και καυστήρες, εκλύοντας λιγότερα επιβλαβή αέρια. Συγκεκριμένα, από την Σουηδική Ένωση Βιοαερίου (Sweedish BioGas Association) έχει υπολογιστεί ότι ένα λεωφορείο που κινείται με ντίζελ και διανύει περίπου Km σε ένα χρόνο, εκλύει kg CO 2, ενώ ένα λεωφορείο που κινείται με βιοαέριο εκλύει ίχνη CO2. Οι μηχανές που καίνε βιοαέριο έχουν περίπου 60% λιγότερες εκπομπές οξειδίων του αζώτου και αιωρούμενων σωματιδίων. Σε οικονομικό επίπεδο. Βοηθάει στη μείωση της ενεργειακής εξάρτησης από τρίτες χώρες, την αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος ενώ ταυτόχρονα αποφέρει σημαντικά κέρδη 56

57 57 στις εταιρείες. Σύμφωνα με μελέτες του ΚΑΠΕ έχει αναφερθεί ότι μια μέτρια μονάδα βιοαερίου με εισροή βιομάζας τόνους ανά ημέρα, μπορεί να παράγει m 3 βιοαέριο την ημέρα. Αυτό αντιστοιχεί σε εγκατεστημένη ισχύ 3MW και παραγωγή θερμικής ενέργειας MWh το χρόνο ενώ από την επεξεργασία της λάσπης προκύπτουν 100 τόνοι εδαφοβελτιωτικών. Τα κέρδη μόνο από την πώληση του ρεύματος στη ΔΕΗ το έτος υπολογίζονται σε ευρώ ενώ για κάθε 1 MW εγκατεστημένης ισχύος προκύπτουν 2-3 θέσεις εργασίας. Στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων του Ηρακλείου Κρήτης το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την μία εγκατεστημένη γεννήτρια ανέρχεται από 1,1383 0,2483 /KWh ενώ η μονάδα αγοράζει το ηλεκτρικό ρεύμα από το τοπικό δίκτυο παραγωγής στα 0,0725 /KWh. Άρα απαιτείται περαιτέρω έρευνα για βελτίωση των συνθηκών παραγωγής και χρήσης του βιοαερίου ώστε να καταστεί ακόμα ελκυστικότερο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Άλλα οφέλη είναι η μείωση των παθογόνων οργανισμών στην χωνευμένη λυματολάσπη και η βελτιωμένη απόδοση της λίπανσης. Μειονεκτήματα χρήσης του βιοαερίου Αυτό που συνήθως χαρακτηρίζεται ως μειονέκτημα του βιοαερίου είναι η μεγάλη διασπορά των μονάδων παραγωγής. Εξαιτίας του μεγάλου όγκου και των δυσκολιών συλλογής, μεταποίησης, μεταφοράς και αποθήκευσης της βιομάζας, η αξιοποίησή της γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στις μονάδες παραγωγής. Αυτή όμως η δέσμευση σημαίνει ότι δημιουργούνται θέσεις εργασίας στην επαρχία και συγκεκριμένα σε αγροτικές και κτηνοτροφικές περιοχές. Η EUBIA (European Biomass Industry Association) εκτιμά ότι ο τομέας της βιοενέργειας θα συνεισφέρει στη δημιουργία 1,5 εκατ. νέων θέσεων εργασίας ως το 2020 και 5,7εκατ. θέσεων ως το Στην πλειοψηφία των μεγάλων εγκαταστάσεων επεξεργασίας των λυμάτων (πχ εκείνων με το μεγαλύτερο δυναμικό για την χρήση ενέργειας) η λυματολάσπη σταθεροποιείται μέσω αναερόβιας χώνευσης (Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater engineering: treatment and reuse. New York: McGraw Hill; 2003). Αυτή η διαδικασία παράγει βιοαέριο που αποτελείται από διαφορετικά αέρια όπως μεθάνιο (60-70%), CO 2 (30-40%), άζωτο (<1%) και H2S ( ppm). Όπως φαίνεται ένα τέτοιο βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο 27. Επίσης υπάρχει δυναμική να εγκλείονται οι πηγές βιομάζας για να μετατρέπονται σε βιοαέριο και για χρήση σε ενεργειακές ανάγκες χρησιμοποιώντας μικρές πρότυπες κατασκευές που χωνεύουν φυτική ύλη σαν βιομάζα όπως ότι απομένει από την επεξεργασία του σακχαροκάλαμου ή της μπανάνας.. Καθαρισμός Βιοαερίου Με σκοπό να ληφθεί ενέργεια από το βιοαέριο με έναν αποδοτικότερο και οικονομικά εφαρμόσιμο τρόπο, το αέριο πρέπει να εμπλουτιστεί και οι ρυπαντές του να εξαχθούν. Αυτό σημαίνει πως όλα τα αέρια εκτός από το μεθάνιο θα πρέπει να απομακρυνθούν. 57

58 58 Η απομάκρυνση του H 2 S είναι ιδιαίτερα κρίσιμη επειδή αυτό μπορεί να προκαλέσει διάβρωση, η οποία μπορεί να καταστρέφει τον εξοπλισμό παραγωγής και άλλες εγκαταστάσεις. Το νερό πρέπει επίσης να εξαχθεί εξαιτίας του δυναμικού συσσώρευσης λόγω συμπύκνωσης στο σύστημα αγωγών. Επίσης το CO2 πρέπει να απομακρυνθεί αν το βιοαέριο πρόκειται να αναβαθμιστεί σε τυπικό φυσικό βιοαέριο. Από τη στιγμή που το βιοαέριο εμπλουτίζεται αποτελείται κατά κύριο λόγο από μεθάνιο, ένα αέριο άχρωμο και άοσμο σε καθαρή κατάσταση που διαλύεται σε οργανικούς διαλύτες και ελάχιστα στο νερό. Είναι ελαφρύτερο από τον αέρα (παράγοντας κλειδί για το φαινόμενο του θερμοκηπίου). Η θερμιδική του αξία είναι 37781,6 Kg/Nm 3 και η ικανότητα παραγωγής ενέργειας είναι 5 KWh/Nm 3. Οι κύριοι λόγοι για την αναβάθμιση του αερίου περιλαμβάνουν την αναγκαιότητα για την εκπλήρωση των προδιαγραφών των κατασκευών που χρησιμοποιούν αέριο ( μηχανές, βραστήρες, κυψέλες καυσίμων, οχήματα, κλπ). Επίσης για την αύξηση της θερμαντικής αξίας του βιοαερίου καθώς και για την σταθεροποίηση της ποιότητας του βιοαερίου. Τα λύματα περιέχουν μία σημαντική συγκέντρωση θείου (0,3-2,3%) που παρεμποδίζει την παράλληλη καύση της λυματολάσπης που είναι ένας τελικός δρόμος απόθεσης, εξαιτίας του σχηματισμού και της εκπομπής αερίων όπως το SO2 που σχετίζονται με την όξινη βροχή. Παραγωγή Βιοϋδρογόνου από Λυματολάσπη με τη μέθοδο RDR Η μέση παραγωγή βιοαερίου και η μείωση του όγκου των πτητικών στερεών στα απορρίμματα των τροφίμων ύστερα από 28 ημέρες χώνευσης ήταν 600 ml/g πτητικών στερεών και 81% αντίστοιχα. Σχεδόν το 80% του βιοαερίου παράχθηκε τις πρώτες 10 ημέρες της χώνευσης με την παραγωγή του βιοαερίου να είναι 480 ml/g πτητικών στερεών και το περιεχόμενο σε μεθάνιο του βιοαερίου να είναι στο 73%. Με τη χρήση του Περιστρεφόμενου Τυμπανοειδούς Αντιδραστήρα (RDR), βρέθηκε ότι η παραγωγή του βιοαερίου μετά από την 15 η ημέρα χώνευσης ήταν αμελητέα καθώς η μεγαλύτερη ποσότητα του βιοαερίου παράχθηκε κατά τις πρώτες 10 ημέρες της χώνευσης. Όλα τα λύματα που επεξεργάστηκαν εμφάνισαν το μέγιστο ημερήσιας παραγωγής βιοαερίου την 4 η ημέρα της χώνευσης. Οι ημερήσιες αποδόσεις σε βιοαέριο εμφανίστηκαν ελαφρά μειούμενες με την αύξηση του χρόνου παραμονής στο τύμπανο που προφανώς οφείλεται στην αερόβια αποικοδόμηση των οργανικών ουσιών. Παραγωγή βιοϋδρογόνου με τη μέθοδο Κρίσιμης θερμοκρασίας νερού Η εξαέρωση του νερού πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία ( SCWG) είναι μία εξελισσόμενη διαδικασία για την εξαέρωση της βιομάζας με σκοπό να εκμεταλλευτεί τις αλλαγές των ειδικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του νερού πάνω από το κρίσιμο σημείο. Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν σε μια σχεδόν πλήρη μετατροπή της βιομάζας σε καύσιμα αέρια ενεργειακά πλούσια όπως το υδρογόνο, το μεθάνιο αλλά και το διοξείδιο του άνθρακα. Η SCWG προσφέρεται σαν μέθοδος παραγωγής υδρογόνου σαν δευτερογενές καύσιμο και 58

59 59 επιπρόσθετα εξυπηρετεί σαν μέθοδος εναπόθεσης των απορριμμάτων της λυματολάσπης. Το υδρογόνο είναι ένα πολύτιμο υψηλής ποιότητας καύσιμο. Αντίθετα με τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ελεύθερο από άνθρακα με αποτέλεσμα να μην απελευθερώνεται κατά την καύση του το επιβαρυντικό για το κλίμα διοξείδιο του άνθρακα ή κατά τη χρήση του σε κυψέλες καυσίμων. Οι μέχρι τώρα εφαρμοζόμενες τεχνολογίες για την παραγωγή υδρογόνου βασίζονται κατά κύριο λόγο στη χρήση ορυκτών πρωτογενών υλικών όπως το φυσικό αέριο, το αργό πετρέλαιο και ο άνθρακας. Η παραγωγή του υδρογόνου γίνεται σήμερα μέσω της αέριας πυρόλυσης του φυσικού αερίου που είναι η φθηνότερη μέθοδος όμως είναι επιβεβλημένο να ερευνηθούν εναλλακτικές μέθοδοι που να βασίζονται σε ανανεώσιμες πηγές όπως η SCWG μέθοδος. Η διαδικασία αποσκοπεί στην παραγωγή υδρογόνου σαν δευτερογενές καύσιμο και ταυτόχρονα στην εναπόθεση των βιοαπορριμμάτων της λυματολάσπης. Η SCWG μέθοδος βασίζεται στις εξειδικευμένες ιδιότητες του «υπερκριτικού» νερού. Πάνω από το κρίσιμο σημείο (374 0 C, 22,1 MPa) αυτές οι ιδιότητες διαφέρουν από εκείνες στις συνθήκες του περιβάλλοντος και ποικίλουν σημαντικά με τις αλλαγές στη θερμοκρασία και την πίεση. Αυτό ενισχύεται από την υψηλή δραστικότητα του νερού σε αυτές τις συνθήκες που οδηγεί σε πολύ γρήγορη αποσύνθεση της πολυμερικής δομής της βιομάζας με γρήγορη υδρόλυση της κελλουλόζης σε γλυκόζη. Η υψηλή δραστικότητα του νερού οδηγεί επίσης σε υψηλή παραγωγή υδρογόνου. Σχεδόν το μισό από το υδρογόνο που σχηματίζεται προέρχεται από το νερό. Έτσι το νερό στην υγρή βιομάζα είναι τόσο μέσο αντίδρασης όσο και αντιδρόν ταυτόχρονα. Τα κύρια πλεονεκτήματα της εξαέρωσης υγρής βιομάζας στο «υπερκρίσιμο» νερό είναι: 1. Δεν απαιτείται ξήρανση της βιομάζας πριν ξεκινήσει η διεργασία. Αντίθετα το νερό στην υγρή βιομάζα είναι απαραίτητο για τη χημική αντίδραση. 2. Επιτυγχάνεται υψηλή παραγωγή υδρογόνου και χαμηλή παραγωγή CO. Συνήθως το περιεχόμενο σε CO στο παραγόμενο αέριο είναι κάτω από 1% v/v. Στις «ξηρές διεργασίες» σχηματίζεται ένα αέριο με κύριο παράγωγο το CO. Το αέριο αυτό πρέπει να περάσει μία επιπλέον διεργασία ώστε να αποκτήσει υψηλή περιεκτικότητα σε Η 2 και χαμηλή σε CO. 3. Σχηματίζονται λιγότερη λιθανθρακόπισσα και κοκ σαν συνέπεια των ειδικών ιδιοτήτων του «υπερκριτικού» νερού. 4. Η υψηλή πυκνότητα που οφείλεται στη μεγάλη πίεση και η υψηλή δραστικότητα της βιομάζας στο «υπερκριτικό» νερό οδηγεί σε υψηλό κέρδος χρόνου. 5. Τα ανόργανα συστατικά όπως τα άλατα παραμένουν στην υδατική φάση. Τα προβλήματα διάβρωσης κατά την αέρια επεξεργασία εξαιτίας των αλάτων στην αέρια ροή αποφεύγονται. Η πλήρης μετατροπή του οργανικού υλικού που περιέχεται στην λυματολάσπη και η ταυτόχρονη πλήρης καθίζηση των ανόργανων συστατικών εκλαμβάνονται στους C και στα 280ΜΡα. Το πρότυπο της μετατροπής της βιομάζας βασίζεται στην μετατροπή της 59

60 60 γλυκόζης σαν πρότυπη ουσία της οργανικής τροφοδοτούμενης ύλης χρησιμοποιώντας την εμπειρικά καθορισμένη εξίσωση: C 6 H12O6 + 5H2O 11/2 CO2 + ½ CH H2 ΔHf = 501,4 Kj/mol Αν θεωρηθεί πλήρης μετατροπή μπορούν να παραχθούν 83,9 Kg/h υδρογόνου σε 5 t/h λυματολάσπης. Η μέθοδος SCWG από λυματολάσπη είναι μία διαδικασία με κόστος.. Χρησιμοποιώντας τη λυματολάσπη σαν υπόστρωμα, τα ορυκτά καύσιμα μπορούν να σωθούν και το πρόβλημα εναπόθεσης που συνδέεται με την ανατροφοδότηση μπορεί να λυθεί. ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES Γαΐτης Α., «Αξιοποίηση Βιοαερίου, Λυματολάσπης και Νερού από την Επεξεργασία των Λυμάτων στις Εγκαταστάσεις του Βιολογικού Καθαρισμού Ψυττάλειας. Παιδαγωγική προσέγγιση με τη μέθοδο της Ομαδοσυνεργατικής Διδασκαλίας», Ερευνητική Εργασία Διπλώματος Ειδίκευσης, Πανεπιστήμιο Αθηνών Μεταπτυχιακό Τμήμα ΔΙ.ΧΗ.ΝΕΤ, ΑΘΗΝΑ 2010 «Ανανεώσιμες Πηγές σε Οικιστικά Σύνολα» ΚΑΠΕ-CRES, ΕΔΕΜ, ΕΓΕ, ICT, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, PHOTOVOLTAIC, WIP ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 8.1 Εισαγωγή Σχεδόν το ένα τέταρτο της ηλιακής ενέργειας που καταφθάνει στην επιφάνεια της γης προκαλεί την εξάτμιση του νερού από τις θάλασσες, τις λίμνες και τους νερόλακκους. Μέρος της ενέργειας αυτής χρησιμοποιείται για την ανύψωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα (έναντι στη βαρυτική έλξη της γης), όπου τελικά υγροποιείται και σχηματίζεται βροχή χιόνι. Όταν βρέχει στους λόφους ή χιονίζει στα βουνά, ένα μικρό ποσοστό της εισαγόμενης ηλιακής ενέργειας παραμένει αποθηκευμένο. Έτσι, σε οποιοδήποτε ύψος επάνω από στάθμη της θάλασσας το νερό αντιπροσωπεύει αποθηκευμένη "βαρυτική" ενέργεια. Η ενέργεια αυτή διαχέεται στη φύση από δίνες και ρεύματα, καθώς το νερό ρέει κατηφορικά σε ρυάκια, χείμαρρους και ποτάμια μέχρι να φτάσει στη θάλασσα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο ψηλότερα βρίσκεται, τόσο περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Έτσι, το αποθηκευμένο νερό σ' έναν ταμιευτήρα πίσω από ένα φράγμα περιέχει σημαντική "δυναμική" ενέργεια καθόσον, δοθείσης της ευκαιρίας, εάν σπάσει το φράγμα θα διαρρεύσει πολύ γρήγορα ο μεγάλος αυτός όγκος του νερού. Για την απόληψη αυτής της ενέργειας σε μια ελεγχόμενη μορφή, μπορεί να εκτραπεί ένα μέρος ή όλο το νερό ενός φυσικού υδάτινου διαύλου σ' ένα σωλήνα. Στη συνέχεια, μπορεί να οδηγηθεί ως ρεύμα νερού υπό πίεση σε ένα υδροτροχό ή στροβιλοτροχό, έτσι ώστε το νερό που προσπίπτει στα πτερύγια να προκαλεί την περιστροφή του τροχού και την παραγωγή μηχανικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η μεγαλύτερη και πιο ώριμη εφαρμογή ανανεώσιμης ενέργειας, με περίπου MW εγκατεστημένης ισχύος, τα οποία παρήγαγαν το 2004 πάνω από το 16% της ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως (2803 TWh). Στην Ευρώπη των 25, τα υδροηλεκτρικά συνεισέφεραν 326 TWh ηλεκτρικής ενέργειας το 2004, ή το 11% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας (αποφεύγοντας με τον τρόπο αυτό την εκπομπή περίπου 40 εκατομ. τόνων CO2 ετησίως). Διάκριση των Υδροηλεκτρικών 60

61 61 Στη συνέχεια περιγράφονται τα Μικρής κλίμακας Υδροηλεκτρικά Συστήματα (ΜΥΗΣ), εφόσον τα μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικά εν γένει δεν θεωρούνται ως συστήματα αξιοποίησης των ΑΠΕ. Γενικά, υπάρχει η αντίληψη ότι τα μεγάλα φράγματα μεταβάλλουν το οικοσύστημα, αφού εγκαθίστανται σε περιοχές φυσικών ρευμάτων και μειώνουν το οξυγόνο του νερού. Οι ταμιευτήρες είναι λίμνες αδρανούς ή λιμνάζοντος ύδατος, οπότε είναι αφιλόξενοι για τα ενδημικά είδη ψαριών. Η λειτουργία του συστήματος προκαλεί εναλλασσόμενες περιόδους λειψυδρίας ακολουθούμενες από ορμητικούς κυματισμούς που διαβρώνουν το έδαφος και τη βλάστηση. Τα ΜΥΗΣ είναι κυρίως "συνεχούς ροής", δηλαδή δεν περιλαμβάνουν σημαντική περισυλλογή νερού και επομένως δεν απαιτείται η κατασκευή μεγάλων φραγμάτων και ταμιευτήρων, αν και όπου αυτά υπάρχουν ήδη και μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα είναι επιβοηθητικά. Δεν υφίσταται κάποια γενική διεθνής παραδοχή για τον ορισμό των ΜΥΗΣ, το ανώτερο όριο των οποίων ποικίλλει μεταξύ 2,5 και 25 MW σε διάφορες χώρες, αλλά γίνεται γενικώς αποδεκτή η τιμή των 10 MW. Στα επόμενα, όπου γίνεται αναφορά σε ΜΥΗΣ θα εννοείται κάθε υδροηλεκτρικό σύστημα με ονομαστική ισχύ 10 MW ή μικρότερη. Σε αντίθεση με κάποιες άλλες από τις τεχνολογίες ΑΠΕ, τα ΜΥΗΣ μπορούν γενικά να παράγουν ένα ποσό ηλεκτρισμού σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή ανάλογα με τη ζήτηση (δηλ. δεν απαιτούν συστήματα αποθήκευσης ή εφεδρείας), τουλάχιστον στις χρονικές στιγμές κατά τις οποίες υφίσταται επαρκής ροή νερού, και σε κόστος πολλές φορές ανταγωνιστικό των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής Ο Υδάτινος πόρος και το δυναμικό του Το ουσιαστικό προαπαιτούμενο για την υδροηλεκτρική παραγωγή είναι ένα ρεύμα με ένα συνδυασμό επαρκούς παροχής και ύψους πτώσης, όπως ονομάζεται η κάθετη απόσταση της υδατόπτωσης για ηλεκτροπαραγωγή. Η ισχύς που παράγεται είναι ανάλογη του γινομένου αυτών των δύο μεταβλητών. Η παροχή, επηρεάζεται από τις βροχοπτώσεις, τη φύση του εδάφους, την κάλυψη της βλάστησης, την θερμοκρασία και τη διάρθρωση της χρήσης των γαιών στην περιοχή απορροής. Το πρώτο ουσιαστικό βήμα για τη διαμόρφωση ενός ΜΥΗΣ είναι η εύρεση στοιχείων για την βροχόπτωση και τη ροή του ρεύματος στη συγκεκριμένη λεκάνη απορροής για όσο το δυνατό μεγαλύτερη χρονική περίοδο. Στοιχεία σχετικά με τα επιφανειακά ύδατα και τη βροχόπτωση συλλέγονται σε κάθε χώρα και δημοσιεύονται ετησίως, αν και συχνά με σημαντική καθυστέρηση, από μία ή περισσότερες δημόσιες υπηρεσίες. Επιλογή θέσης και βασική διαμόρφωση Δεδομένου ότι αναγκαίες απαιτήσεις για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι c επαρκείς τιμές ύψους πτώσης και παροχής, η επιλογή της θέσης καθορίζεται από τηλ ύπαρξη και των δύο αυτών χαρακτηριστικών. Τα ΜΥΗΣ μπορούν να είναι είτε μεγάλου είτε μικρού ύψους πτώσης, ανάλογα με τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της διαθέσιμης θέσης. Οι θέσεις μεγάλου ύψους πτώσης γενικά κοστίζουν λιγότερο για την ανάπτυξη τους από τις θέσεις μικρού ύψους πτώσης, αφού για την ίδια παραγωγή ισχύος η ροή μέσω του στροβίλου και οι σχετικές υδραυλικές κατασκευές θα είναι μικρότερες. Σ' έναν ποταμό με μια απότομη σχετικά κλίση σ' ένα μέρος του ρου του, μπορεί να αξιοποιηθεί η υψομετρική διαφορά εκτρέποντας το σύνολο ή μέρος της ροής, και επιστρέφοντας το στον ποταμό αφότου διέλθει από το στρόβιλο. Το νερό μπορεί να μεταφερθεί από την υδροληψία απευθείας στο στρόβιλο μέσω ενός σωλήνα κατάθλιψης. Μία φθηνότερη εναλλακτική λύση παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Η εγκατάσταση περιλαμβάνει ένα φράγμα ή έναν υδροφράκτη, ένα στόμιο εισόδου από τον ποταμό, και ένα ισοϋψές ανοικτό κανάλι που εκτείνεται κατά μήκος της κοιλάδας του ποταμού καταλήγοντας σε μία περιοχή υδροληψίας, από όπου ένας σωλήνας κατάθλιψης άγει το νερό στο στρόβιλο στο σταθμό ισχύος. 61

62 62 Σχήμα 1 Η μία χρησιμοποιεί έναν υδροφράκτη εκτροπής και η δομή της (σχήμα 2- αριστερά) είναι παρόμοια με την προαναφερθείσα για τα μεγάλα ύψη πτώσης, παρόλο που το κανάλι είναι συνήθως μικρού μήκους όπως και ο αγωγός πτώσης (ή δεν υπάρχει καθόλου). Η άλλη διάταξη περιλαμβάνει ένα φράγμα με ενσωματωμένο στόμιο εισόδου και σταθμό ισχύος (σχήμα 2 - δεξιά). Σχήμα 2 Διατάξεις μικρών υδροηλεκτρικών χαμηλού ύψους πτώσης 8.3 Τεχνικά έργα Μόλις επιλεγεί η περιοχή και αποφασιστεί η βασική διάταξη, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί με λεπτομέρεια το έργο. Στη συνέχεια περιγράφεται η λειτουργία όλων των βασικών συνιστωσών ενός ΜΥΗΣ και παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούν να σχεδιαστούν. Φράγματα και υδροφράκτες Τα φράγματα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των ΥΗΣ μεγάλης κλίμακας και χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν το διαθέσιμο ύψος πτώσης ή/και για να δημιουργήσουν μια δεξαμενή αποθήκευσης νερού. Όταν το έδαφος είναι σχετικά επίπεδο, ένα φράγμα που ανυψώνει τη στάθμη του νερού πίσω από αυτό μπορεί να παράσχει επαρκές ύψος πτώσης για την παραγωγή της απαιτούμενης ισχύος. Ένα φράγμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση νερού σε περιόδους υψηλής ροής και τη διάθεση του σε περιόδους χαμηλής ροής. Λόγω του μεγάλου κόστους κατασκευής τους, στα σχήματα μικρής κλίμακας σπανίως χρησιμοποιούνται φράγματα. Στα σχήματα εκτροπής, ένας υδροφράκτης από σκυρόδεμα ή λιθοδομή με στέψη ένα μέτρο ή περισσότερο επάνω από την κοίτη του ποταμού αρκεί για τη δημιουργία ενός επαρκούς βάθους νερού στο στόμιο εισόδου του καναλιού ή της σωλήνωσης (βλ. σχήμα 3). 62

63 63 Σχήμα 3 Στόμια εισόδου Η λειτουργία του στομίου εισόδου είναι να κατευθύνει υπό ελεγχόμενες συνθήκες το νερο στον αγωγό πτώσης ή το κανάλι προσαγωγής. Το στόμιο εισόδου λειτουργεί ως μετάβασγ μεταξύ ενός ρεύματος, που μπορεί να είναι από ένα ρυάκι μέχρι ένας ορμητικός χείμαρρος, και μίας ελεγχόμενης ως προς την ποιότητα και την ποσότητα ροής νερού. Κανάλια Από το στόμιο εισόδου το νερό μεταφέρεται είτε κατευθείαν στο στρόβιλο μέσω ενός σωλήνα κατάθλιψης είτε με ένα κανάλι. Μπορεί να παρουσιαστούν εμπόδια κατά μήκος της ευθείας του καναλιού και για να παρακαμφθούν θα πρέπει αυτό να διέλθει πάνω, γύρω ή κάτω από αυτά. Στο τέλος του καναλιού, αμέσως πριν από την είσοδο του αγωγού πτώσης, είναι η περιοχή υδροληψίας. Αυτή συνήθως προσφέρει επαρκή αποταμίευση για την παροχή του πρόσθετου όγκου νερού που απαιτείται κατά την εκκίνηση του στροβίλου. Αγωγοί πτώσης Από τη περιοχή υδροληψίας το νερό μεταφέρεται στο στρόβιλο μέσω ενός σωλήνα κατάθλιψης ή ενός αγωγού πτώσης. Οι αγωγοί πτώσης μπορούν να εγκατασταθούν επάνω ή κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, ανάλογα με παράγοντες όπως είναι η φύση του εδάφους, το υλικό του αγωγού, οι θερμοκρασίες περιβάλλοντος και οι περιβαλλοντικές απαιτήσεις. Ένας αγωγός πτώσης χαρακτηρίζεται από τα υλικά, τη διάμετρο του, το πάχος του τοιχώματος και τον τύπο των αρμών. Αυλάκια απαγωγής Αφού περάσει μέσα από το στρόβιλο το νερό επιστρέφει στον ποταμό μέσω ενός μικρού καναλιού που ονομάζεται αυλάκι απαγωγής. Η στάθμη του νερού στο αυλάκι απαγωγής επηρεάζει τη λειτουργία ενός στροβίλου αντίδρασης, ειδικότερα την απαρχή της σπηλαιώσης, ενώ καθορίζει και το διαθέσιμο καθαρό ύψος πτώσης, οπότε μπορεί να έχει καταλυτική επίδραση στα οικονομικά αποτελέσματα των συστημάτων μικρού ύψους πτώσης. Υδροστρόβιλοι Ένας υδροστρόβιλος είναι μια περιστρεφόμενη μηχανή που μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια. Οι περισσότεροι υφιστάμενοι υδροστρόβιλοι μπορούν να ταξινομηθούν ως: Τύπου Kaplan ή έλικας: είναι στρόβιλοι που γενικά χρησιμοποιούνται για μικρά ύψη πτώσης (συνήθως κάτω από 16m). Τύπου Francis: αυτοί είναι στρόβιλοι που χρησιμοποιούνται για μεσαία ύψη πτώσης. Η σχηματική παράσταση ενός στροβίλου αυτού του τύπου δίνεται στο παρακάτω σχήμα: 63

64 64 Τύπου Pelton: Αυτοί είναι στρόβιλοι που χρησιμοποιούνται για μεσαία και μεγάλα ύψη πτώσης. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται ένας κατακόρυφος στρόβιλος Pelton. Υπάρχουν και άλλοι υδροστρόβιλοι, όπως ο στρόβιλος εγκάρσιας ροής (σχήμα 26) που χρησιμοποιείται για ένα ευρύ φάσμα υψών πτώσης επικαλύπτοντας αυτά των στροβίλων Kaplan, Francis και Pelton. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για ένα ρεύμα με μεγάλη παροχή και μικρό ύψος πτώσης. Γεννήτριες Οι γεννήτριες μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του υφιστάμενου δικτύου, ο παραγωγός έχει δύο επιλογές: Σύγχρονες γεννήτριες. Οι σύγχρονες γεννήτριες μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα από το δίκτυο και να παράγουν ισχύ δεδομένου ότι η ισχύς διέγερσης δεν εξαρτάται από το δίκτυο. Ασύγχρονες γεννήτριες. Αντλούν το ρεύμα διέγερσης τους από το δίκτυο, απορροφώντας άεργο ισχύ. Δεν μπορούν να παραγάγουν όταν αποσυνδέονται από το δίκτυο, 8.4 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Τα ΜΥΗ είναι στις περισσότερες περιπτώσεις "συνεχούς ροής", δηλαδή το τυχόν φράγμα είναι αρκετά μικρό, συνήθως μόνο ένας υδροφράκτης, και αποθηκεύεται εν γένει ελάχιστο ή καθόλου νερό, οπότε οι εγκαταστάσεις συνεχούς ροής δεν έχουν τα ίδια είδη δυσμενών επιπτώσεων στο τοπικό περιβάλλον με τα μεγάλα υδροηλεκτρικά. Φυσικά υπάρχουν κάποια περιβαλλοντικά προβλήματα, ειδικότερα όπου το νερό αποσπάται σε κάποια απόσταση από το σημείο στο όποιο εκβάλλει πίσω στον ποταμό. Τότε, το τμήμα αυτό του ποταμού μπορεί να αποξηρανθεί ή να είναι δυσάρεστο στην όψη, εκτός εάν επιτρέπεται μια επαρκής ροή αντιστάθμισης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι νέες εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικών σχεδιάζονται έτσι ώστε να αφήνεται μία ικανοποιητική ποσότητα νερού να παρακάμπτει τους στροβίλους, το οποίο δεν είναι δύσκολο εκτός από τις περιόδους χαμηλής ροής. Ένα άλλο θέμα που απαιτεί προσοχή είναι η ανάγκη αποφυγής κάθε επίπτωσης στα ψάρια και την ποτάμια χλωρίδα και πανίδα. Οι σύγχρονες εγκαταστάσεις ΜΥΗ σχεδιάζονται με το πρόβλημα αυτό κατά νου. Μερικά συστήματα μικρού ύψους πτώσης επιτρέπουν στα ψάρια να περνούν αλώβητα μέσα από το στρόβιλο, αλλά εφαρμόζονται και διάφορα είδη στοιχείων προστασίας (φυσικά προπετάσματα, αλλά και ηλεκτρικά ή υπερήχων). Προκειμένου να διασφαλιστεί η ακίνδυνη παράκαμψη του υδροηλεκτρικού σταθμού από τα αποδημητικά ψάρια, όπως είναι ο σολομός, εγκαθίστανται ιχθυόσκαλες (ένα σύνολο μικρών υδατοπτώσεων μέσα σε ένα κανάλι). Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) παρουσιάζουν αξιοσημείωτη ποικιλία, η οποία γίνεται ακόμα ευρύτερη στο πεδίο των τεχνολογιών εκμετάλλευσης τους. Πράγματι, για κάθε 64

65 65 μία από τις Α.Π.Ε., όπως αυτές παρουσιάστηκαν στα προηγούμενα, οι δυνατοί τρόποι αξιοποίησης της είναι πολλοί, καλύπτοντας έτσι και ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Σε πολλές από αυτές, η χρήση εναλλακτικής πηγής ενέργειας και η αντικατάσταση συμβατικών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρουσιάζει οικονομικό όφελος, το οποίο ενισχύεται περαιτέρω εάν συνυπολογιστεί και το αντίστοιχο περιβαλλοντικό όφελος. ΠΗΓΕΣ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», ΚΑΠΕ-CRES 9. ΠΡΑΣΙΝΟ ΝΗΣΙ ΣΤΗ ΔΑΝΙΑ 1. Το νησί Σάμσο της Δανίας είναι γνωστό παγκοσμίως ως το πράσινο νησί. Το 100% των αναγκών του σε ηλεκτρισμό και το 75% σε θερμότητα προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Έχει έκταση 114 τετρ. χλμ. και περίπου κατοίκους. Σχεδόν την ίδια έκταση (150 τετρ. χλμ.) και τον ίδιο αριθμό κατοίκων (4.700) έχει το νησί της Μήλου στις Κυκλάδες. Στο ερώτημα εάν η Μήλος μπορεί να μετατραπεί στο ελληνικό Σάμσο, οι Έλληνες ειδικοί απαντούν καταφατικά. Αλλά προσθέτουν «όχι μόνο η Μήλος». Η Ελλάδα θα μπορούσε να πρωτοπορήσει στην πράσινη ενέργεια. Να έχουμε δηλαδή όχι ένα ή δύο, αλλά πολλά Σάμσο εκμεταλλευόμενοι την αφθονία αιολικής, γεωθερμικής και ηλιακής ενέργειας που έχουν τα νησιά μας Περιβαλλοντολόγοι και επιστήμονες δεν προκρίνουν ούτε αποκλείουν κανένα νησί. Σημειώνουν όμως ότι περισσότερους πόντους για να γίνουν πράσινα κερδίζουν κυρίως αυτά που διαθέτουν γεωθερμικά πεδία (υψηλές θερμοκρασίες στο υπέδαφος). Κι αυτό διότι μπορούν να μετατρέψουν τη γεωθερμική σε ηλεκτρική.. 2. Το πρόγραμμα αλλαγής του τρόπου ηλεκτροδότησης και θέρμανσης στο Σάμσο άρχισε το Ύστερα από επτά χρόνια το νησί είχε ρεύμα και θέρμανση αποκλειστικά από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας στο Σάμσο στηρίζεται σε αιολικά πάρκα και σε 4 μονάδες παραγωγής θερμότητας. Τα εργοστάσια παραγωγής θερμότητας χρησιμοποιούν βιομάζα ως καύσιμο, κυρίως υπολείμματα ξυλείας, και διαθέτουν τεράστιους ηλιακούς συλλέκτες, όπως αυτός του Νόρμπαϊ που εκτείνεται σε τ.μ Περίπου 900 κατοικίες είναι συνδεδεμένες με τα εργοστάσια παραγωγής θερμότητας, με το σύστημα της τηλεθέρμανσης. Το κόστος της θέρμανσης είναι περίπου 90 ευρώ τον μήνα για κατοικία 100 τ.μ. Υπάρχουν τρεις περιοχές όπου έχουν εγκατασταθεί συνολικά 11 ιδιόκτητες ανεμογεννήτριες στο εσωτερικό του νησιού και άλλες 10 υπεράκτιες πλωτές ανεμογεννήτριες στα νότια του νησιού. To νησί έγινε ενεργειακά αυτόνομο σε 10 μόνο χρόνια. Από τότε 21 ανεμογεννήτριες έχουν χτιστεί στο Σάμσο ένα νησί 30 μίλια μακρύ και 15 σε πλάτος - 10 σε αμμόλοφους στην νότια ακτή του νησιού και άλλες 11 διακεκομμένες σε ολόκληρο το νησί, και τώρα θεωρείται ένα από τα πιο επιτυχημένα project πράσινης ενέργειας που πραγματοποιήθηκαν από τότε που οι ακτιβιστές ξεκίνησαν να χτυπούν τον κώδωνα του κινδύνου για την κλιματική αλλαγή πριν τρείς δεκαετίες. Εκτός από τις ανεμογεννήτριες, τα σπίτια στα 22 χωριά του Σάμσο θερμαίνονται από σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που βασίζονται σε λέβητες που τροφοδοτούνται με πριονίδια και άχυρο και φάρμες με ανθρώπινου μεγέθους ηλιακά panels που υπάρχουν στα κτήματα. Αυτό το project δημιουργεί ακόμα και νέες θέσεις εργασίας καθώς οι ντόπιοι τεχνικοί έχουν γίνει ειδικοί στην μετατροπή των σπιτιών για εξοικονόμηση ενέργειας και στις τεχνικές μόνωσης και ακόμα έχουν την δυνατότητα να εγκαθιστούν τέτοιες μονάδες στην κεντρική Ευρώπη και την Αμερική. Ένας τέτοιος ειδικευμένος εργάτης από το μόνο νησί ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποδεικνύεται να είναι μια μοναδική ευκαιρία πώλησης. Οι τουρμπίνες NIMBY που υπήρχαν αρχικά στο νησί έπρεπε να αντικατασταθούν μόνο με την ιδέα της επανάστασης της πράσινης ενέργειας στο νησί με τις αβλαβείς ανεμογεννήτριες τύπου αρμονίας -σε αντίθεση με τις παλιές της τύπου γορίλλα- που σημαίνει πως έχουν όλες 65

66 66 το ίδιο χρώμα, ένα σταθερό ύψος και σταθερή ακτίνα πτερύγιου βοήθησαν να γίνει εύκολα η αλλαγή τους. Όμως παρά την χρησιμότητα τον κατορθωμάτων στο Σάμσο, οι πραγματικοί κερδισμένοι του project ήταν οι μεγάλοι οικονομικοί επενδυτές. Ένας από αυτούς είναι ο Jörgen Tranberg ο όποιος έχει ένα γαλακτοκομείο 150 στρεμμάτων. Με την βοήθεια της τράπεζας ο 55χρονος αγρότης επένδυσε 2.5 εκατομμύρια ευρώ σε ανεμογεννήτριες. Πλήρωσε 1.2 εκατομμύρια ευρώ για την μια που του ανήκει και βρίσκεται στην φάρμα του και είναι ο κάτοχος του 50% σε μια από αυτές που υπάρχουν στην ανοιχτή θάλασσα. Υποστηρίζει πως σε μια καλή μέρα κερδίζει από τις ανεμογεννήτριες μόνο 3,000 ευρώ, όπως γράφει η Independent. Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Παραγωγή βιοαερίου από καθημερινές οργανικές ύλες Στα πλαίσια της καλύτερης κατανόησης της παραγωγής βιοαερίου από τα Κέντρα Επεξεργασίας Λυμάτων (Κ.Ε.Λ.) διεξάγαμε το παρακάτω εργαστηριακό πείραμα παραγωγής και καύσης του βιοαερίου που αποτελεί προσομοίωση της αντίστοιχης παραγωγής του στα Κ.Ε.Λ. 2. ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΤΟΧΟΙ Οι μαθητές: Να αποκτήσουν επιδεξιότητα στην πραγματοποίηση απλών πειραμάτων. Να μπορούν να περιγράφουν τον τρόπο παραγωγής βιοαερίου κατά την αποικοδόμηση τροφικών απορριμάτων. Να κατανοήσουν ότι η λυματολάσπη αποτελεί πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου. 66