ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ: Σ.Τ.Ε.Φ. ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΜΠΕΖΥΡΓΙΑΝΝΙΔΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΠΟΤΟΛΙΑΣ ΚΑΒΑΛΑ ΙΟΥΝΙΟΣ 2008
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ: Σ.Τ.Ε.Φ. ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΜΠΕΖΥΡΓΙΑΝΝΙΔΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΠΟΤΟΛΙΑΣ ΚΑΒΑΛΑ ΙΟΥΝΙΟΣ 2008
Πρόλογος Στις 10 Μαΐου του 2000, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υιοθέτησε την πρόταση για μία "Οδηγία του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου" για την προώθηση της ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) στην εσωτερική αγορά ηλεκτρισμού της Ε.Ε. Στρατηγικός στόχος της πρότασης είναι η δημιουργία ενός πλαισίου για τη σημαντική αύξηση μεσοπρόθεσμα του προερχόμενου από ανανεώσιμες πηγές ηλεκτρισμού στην Ε.Ε. και η διευκόλυνση της πρόσβασης του στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. Η προώθηση του ηλεκτρισμού από ΑΠΕ αποτελεί πρώτη προτεραιότητα. Η Λευκή Βίβλος για τις ΑΠΕ του 1997 ανέδειξε τον καίριο ρόλο τους σε σχέση με την ασφάλεια της τροφοδοσίας, την απασχόληση και το περιβάλλον, και πρότεινε έναν ενδεικτικό στόχο διπλασιασμού του μεριδίου των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ε.Ε. από 6 σε 12% μέχρι το 2010.Ο στόχος αυτός επικυρώθηκε από το Συμβούλιο το 1998. Ειδικότερα όσον αφορά τα περιβαλλοντικά ζητήματα, η αυξημένη χρήση ηλεκτρισμού από ΑΠΕ θα αποτελέσει ένα σημαντικό τμήμα των δράσεων που θα απαιτηθούν ώστε να εκπληρωθούν οι δεσμεύσεις που υιοθετήθηκαν από την Ε.Ε. στο Κιότο σχετικά με τη μείωση των εκπομπών των αεριών του θερμοκηπίου. Το μερίδιο του 12% των ΑΠΕ συνολικά στην ακαθάριστη εσωτερική ενεργειακή κατανάλωση της Λευκής Βίβλου έχει μεταφραστεί σε ένα συγκεκριμένο μερίδιο κατανάλωσης ηλεκτρισμού παραγόμενου από ΑΠΕ (22,1%, ή 12,5% χωρίς τα μεγάλα υδροηλεκτρικά), και η προώθηση των ΑΠΕ πρέπει να συνεισφέρει στην επίτευξη αυτού του συγκεκριμένου μεριδίου. Τα Κράτη Μέλη πρέπει να καθορίσουν εθνικούς στόχους (η πρόταση περιλαμβάνει ποσοτικές ενδείξεις για τους στόχους που πρέπει να επιλεγούν από τα επιμέρους Κράτη Μέλη) και τα μέτρα που απαιτούνται για την επίτευξη τους σε διάστημα όχι μεγαλύτερο του ενός έτους από την εφαρμογή της Οδηγίας. Η Επιτροπή έχει ως υποχρέωση να προτείνει τροποποιήσεις στους εθνικούς στόχους, εάν αυτοί δεν συνάδουν με τους στόχους της Κοινότητας. Στις 6 Δεκεμβρίου του 1994, το Συμβούλιο Υπουργών της Ευρωπαϊκής Ένωσης υιοθέτησε το πρόγραμμα Leonardo da vinci για την υλοποίηση μιας Κοινοτικής πολιτικής επαγγελματικής κατάρτισης. Το πρόγραμμα αυτό, που αρχικά εφαρμόστηκε για πέντε χρόνια (1995-1999), είχε ως βασικό στόχο την υποστήριξη της ανάπτυξης πολιτικών και καινοτόμων δράσεων στα Κράτη Μέλη, προωθώντας έργα στα πλαίσια διεθνών συμπράξεων οι οποίες περιλάμβαναν διάφορους οργανισμούς με εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Η θέσπιση του προγράμματος Leonardo da Vinci επίσης αποσκοπούσε στην ορθολογική οργάνωση των Κοινοτικών δράσεων στον τομέα της επαγγελματικής κατάρτισης, παρέχοντας τη βάση για βελτίωση της ανταποδοτικότητας, ενώ διευκόλυνε την προώθηση πρωτοβουλιών που είχαν αναπτυχθεί επιτυχώς στα πλαίσια των προγραμμάτων COMET, PETRA, FORCE, LINGUA και EUROTECNET, και προσέθεσε νέες διαστάσεις. 1
Το πρόγραμμα ήταν ανοικτό στα 15 Κράτη Μέλη της Ε.Ε., τα 3 μέλη του ΕΟΧ (Ισλανδία, Λιχτενστάιν και Νορβηγία), ενώ προοδευτικά επεκτάθηκε στις χώρες Κύπρο, Δημοκρατία της Τσεχίας, Εσθονία, Ουγγαρία, Λετονία, Λιθουανία, Ρουμανία, Πολωνία και Σλοβακία. Το πρόγραμμα ανέκυψε σε μια περίοδο κατά την οποία η Λευκή Βίβλος για την "Ανάπτυξη, Ανταγωνιστικότητα και Απασχόληση" έδινε δυναμικά έμφαση στην κρίσιμη σημασία της επαγγελματικής κατάρτισης ως βασικού παράγοντα για την καταπολέμηση της ανεργίας και την ενίσχυση της ανταγωνιστικότητας των Ευρωπαϊκών επιχειρήσεων. Το πρόγραμμα είχε ως στόχο την ανταπόκριση στη ζήτηση για νέες ειδικότητες που προέκυψαν από την εξέλιξη των κοινωνιών και αντιμετωπίζει με συγκεκριμένα μέσα το πρόβλημα της απασχόλησης στην Ευρώπη, το οποίο αποτελεί επίσης προτεραιότητα της Λευκής Βίβλου για την "Εκπαίδευση και τη Μόρφωση - προς την Κοινωνία της Μόρφωσης", που εγκρίθηκε από την Επιτροπή στις 29 Νοεμβρίου 1995. 2
Περιεχόμενα Πρόλογος...1 Περιεχόμενα...3 Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με της ΑΠΕ 1.1 ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ...6 1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΠΕ...7 1.3 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΠΕ...8 1.4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ...8 1.5.ΜΟΡΦΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ...12 1.5.1. O ήλιος - ηλιακή ενέργεια...12 1.5.2.O άνεμος...13 1.5.3..H γεωθερμία...13 1.5.4.Η βιομάζα...14 1.5.5.Οι θάλασσες...14 1.5.6.Υδραυλική ενεργεία...15 1.5.7.Εξοικονομιση ενεργείας...15 1.6.ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ...15 1.7.ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ...19 1.8.ΒΙΟΜΑΖΑ...22 1.8.1.Τρόπος αξιοποίησης...23 1.9.ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ...25 1.10.ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ...27 1.11.Η ΠΡΟΣΦΟΡΑ ΤΩΝ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΚΟΙΝΟΤΗΤΑ...29 1.12.ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Α.Π.Ε. ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ...32 Κεφαλαίο 2 ο Τι είναι γεωθερμική ενεργεία 2.1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ...34 2.2.1.Σύντομο ιστορικό της γεωθερμίας...34 2.2.2Σημερινό καθεστώς χρήσης της γεωθερμίας...37 2.3.Η ΦΥΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ...39 2.3.1.Η θερμική μηχανή της γης...39 2.3.2.Γεωθερμικά συστήματα...43 2.4.ΟΡΙΣΜΟI ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩN ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ...48 3
Κεφαλαίο 3 ο Η γεωθερμική ερευνά 3.1.ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ...53 3.1.1.Αντικείμενα έρευνας...53 3.1.2.Μέθοδοι έρευνας...54 3.2.ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ...57 3.2.1.Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας...58 3.2.2.Άμεσες χρήσεις της γεωθερμίας...62 3.3.ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ...73 3.3.1.Πηγές ρύπανσης...73 3.4.ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ...77 Κεφαλαίο 4 ο Παραγωγή ηλεκτρικής ενεργείας μέσω γεωθερμίας 4.1.ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ...79 4.1.1. Βασικές αρχές της γεωθερμίας...79 4.1.2. Γεωθερμικές πηγές...80 4.1.2.1. Υδροθερμικές πηγές...80 4.1.2.2.Γεωπεπιεσμένες πηγές...81 5.1.2.3.Θερμά ξηρά πετρώματα...81 4.1.2.4. Μάγμα...82 4.1.3.Γεωθερμικό δυναμικό...82 4.1.4.Χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας...83 4.1.4.1. Παραγωγή ηλεκτρισμού...84 4.1.4.2. Άμεση χρήση...85 4.2. ΜΕΘΟΔΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ...85 4.2.1. Βασικές αρχές...85 4.2.2. Διαδικασία ξηρού (ή άμεσου) ατμού...86 4.2.3. Διαδικασία ακαριαίου ατμού...87 4.2.4. Δυαδικός κύκλος...88 4.2.5..Συνδυασμένες ή υβριδικές εγκαταστάσεις...89 4.2.6.Απόδοση των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής...90 4.2.7. Γεωθερμική ηλεκτροπαραγωγή για μικρά και μίνι δίκτυα...91 4.2.8.ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 1...92 4.2.9.ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 2...93 4.3. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΩΝ ΕΡΓΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ...95 4.3.1. Αναγνώριση και διερεύνηση...96 4.3.2.Διερευνητική γεώτρηση...97 4.3.3.Μελέτη σκοπιμότητας...98 4.3.4. Ανάπτυξη...101 4.3.4.1.Παραγωγική γεώτρηση...101 4.3.4.2.Σχεδίαση του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής...102 4.3.4.3. Κατασκευή και εκκίνηση λειτουργίας...102 4.4. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ...103 4.4.1. Παγκόσμια κατανομή της γεωθερμικής αξιοποίησης...103 4.4.2. Ανταγωνιστικότητα της γεωθερμικής ενέργειας...104 4
4.4.3. Προβλήματα παραγωγής και ρύπανσης...107 4.4.3.1.Αποθέσεις μετάλλων...107 4.4.3.2.Υδρολογικές αλλαγές...108 4.4.3.3.Διαβρωση...108 4.4.3.4.Ρύπανση...108 4.4.3.5. Επανέγχυση...110 4.4.4. Συμπεράσματα προτάσεις...110 Βιβλιογραφία...112 Ευχαριστίες...113 5
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ 1.1 ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Είναι η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος πριν στραφεί έντονα στη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Εικ.1:Εργοστάσιο παραγωγής ενεργείας με λιγνίτη Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον και η αξιοποίησή τους έγκειται μόνο στην ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα δεσμεύουν το δυναμικό τους. Εικ.2: Παραγωγή ενεργείας μέσο ΑΠΕ Το ενδιαφέρον στη σύγχρονη εποχή για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών και την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ, παρουσιάσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. 6
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Παράλληλα, συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται κατά κύριο λόγω για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο μόνος δυνατός τρόπος που διαφαίνεται για να μπορέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση να ανταποκριθεί στο φιλόδοξο στόχο που έθεσε το 1992 στη συνδιάσκεψη του Ρίο για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη, να περιορίσει δηλαδή, μέχρι το έτος 2000 τους ρύπους του διοξειδίου του άνθρακα στα επίπεδα του 1993, είναι να επιταχύνει την ανάπτυξη των ΑΠΕ. 1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΠΕ Τα κύρια πλεονεκτήματα των ΑΠΕ είναι τα εξής: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας ορθολογικότερη χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης των ΑΠ Ε διατίθενται σε μικρά μεγέθη και έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη ανταπόκριση της προσφοράς προς τη ζήτηση ενέργειας, με επαναλαμβανόμενα συστήματα σε πολλές περιπτώσεις. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που 7
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ στηρίζονται στη συμβολή των ΑΠΕ (π,χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με γεωθερμική ενέργεια). Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. 1.3 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΠΕ Εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα οι ΑΠΕ παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους: Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος, να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί. Έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για μεγάλες ισχύεις απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις. Παρουσιάζουν συχνά διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους που μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή γενικά δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους συνήθως οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσής τους, Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων είναι ακόμη υψηλό. 1.4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ Ο άνθρωπος "τροφοσυλλέκτης" των προϊστορικών χρόνων στηριζόταν αποκλειστικά στη μυϊκή του ενέργεια (δύναμη) για να βρίσκει την τροφή του και να φτιάχνει τα καταφύγιά του. Με την πάροδο των ετών χρησιμοποίησε πιο αποδοτικά τη μυϊκή του ενέργεια φτιάχνοντας τα πρώτα απλά εργαλεία από ξύλο, πέτρα, κόκαλα. Αξιοποίησε επίσης τη μυϊκή ενέργεια των ζώων είτε για τη μεταφορά επιβατών και αντικειμένων είτε για όργωμα και άντληση νερού σε συνδυασμό με εργαλεία (π.χ. αλέτρι) και απλές μηχανές. Οι σημαντικότεροι σταθμοί στην ιστορία του ανθρώπου υπήρξαν αναμφισβήτητα η ανακάλυψη και χρήση της φωτιάς και η επινόηση του τροχού. 8
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.3: Η ανακάλυψη του τροχού για την αξιοποίηση της δυναμικής ροής του νερού Από τη λίθινη ακόμη εποχή γνωρίζουμε ότι οι κάτοικοι των σπηλαίων χρησιμοποίησαν την ενέργεια της φωτιάς αρχικά για το φωτισμό, τη θέρμανση και τη μαγειρική και με το πέρασμα των χιλιετιών για τη μεταλλουργία και την υαλουργία. Τα πρώτα καύσιμα ήταν τα ξερά χόρτα, το ξύλο, η κοπριά και στη συνέχεια το φυτικό και ζωικό λίπος (ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Εικ.4; Χρήση της βιομάζας ως καύσιμο Αργότερα ανακάλυψε τη δύναμη του ανέμου αιολική ενέργεια την οποία χρησιμοποίησε σαν «μηχανική ενέργεια» για την ύδρευση και άρδευση, άλεση δημητριακών, θαλάσσιες μεταφορές. Ήδη από το 3500 π.χ. ο άνθρωπος χρησιμοποίησε την ενέργεια του ανέμου στα ιστιοφόρα πλοία, ενώ οι πρώτοι ανεμόμυλοι εμφανίστηκαν στην Περσία περίπου το 3000 π.χ. και στην Ευρώπη, στη Γαλλία συγκεκριμένα, το 1180 π.χ. Εικ.5: Τα πρώτα στάδια εκμετάλλευσης του ανέμου 9
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Με την ανακάλυψη του τροχού του νερού περίπου το 200 π.χ. αξιοποιείται η ενέργεια του νερού που έρεε ή έπεφτε, για την άλεση των σπόρων - υδραυλική ενέργεια - και σήμερα έχει εξελιχθεί στον σύγχρονο υδροστρόβιλο για την παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος. Εικ.6: Παραδοσιακή εκμετάλλευση υδραυλικής δύναμη Οι πρώτες προσπάθειες κατασκευής και χρήσης πιο πολύπλοκων μηχανών που απαλλάσσουν τον άνθρωπο από επίπονες εργασίες και αξιοποιούν τις πιο πάνω πηγές ενέργειας, εμφανίζονται περί το 300 π.χ.. Ο Αρχιμήδης αναφέρεται ανάμεσα στους πρώτους εφευρέτες, καθώς το 212 π.χ. με τα κοίλα κάτοπτρα που κατασκευάζει, εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια και κατακαίει τα ρωμαϊκά πλοία κατά την πολιορκία των Συρακουσών. Εικ.7: Αρχιμήδης (287 πχ-212πχ) μεγάλος αρχαίος μαθηματικός και φυσικός 10
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς το 130 π.χ. κατασκευάζει την πρώτη θερμική μηχανή που αποτελείται από μια περιστρεφόμενη σφαίρα με δύο ακροφύσια και εκμεταλλεύεται τη δύναμη του ατμού. Εικ.8: Ατμομηχανή του Ήρωνα Κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα (467-1453 μ.χ.) και της Αναγέννησης (1454-1700 μ.χ.) εμφανίζονται μερικές από τις σπουδαιότερες εφευρέσεις, όπως το υγρό ή ελληνικό πυρ (7ος αιώνας-καλλίνικος), η πυξίδα (1180), το τηλεσκόπιο (Γαλιλαίος), το ρολόι εκκρεμές (1673-Κρίστιαν Χόιχενς), ενώ διατυπώνονται οι βασικοί νόμοι της Φυσικής (νόμος βαρύτητας, παγκόσμιας έλξης, νόμοι διατήρησης της ενέργειας κ.λπ.). Οι πρώτες χρήσιμες ατμομηχανές εμφανίζονται με τη χρήση των καύσιμων απολιθωμάτων, οπότε ξεκινά η βιομηχανική επανάσταση (1780-1850 μ.χ.). Η πρώτη μηχανή εσωτερικής καύσης κατασκευάζεται το 1860 από το Γάλλο εφευρέτη Ζαν-Ζοζέφ-Ετιέν Λενουάρ και τελειοποιείται το 1876 από το Γερμανό μηχανικό Νικολάους Όττο, ο οποίος κατασκευάζει την τετράχρονη μηχανή Εικ.9:Η πρώτη τετράχρονη μηχανή το Γερμανού μηχανικού Νικολάους Όττο 11
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Το πρώτο εύχρηστο αυτοκίνητο, με τρεις τροχούς και ανώτατη ταχύτητα 15 χιλιόμετρα την ώρα, κατασκευάζεται το 1885 από το Γερμανό μηχανικό Καρλ Μπεντς. Εικ.10:Το πρώτο αυτοκίνητο με τρεις τροχούς Το 1901 γενικεύεται η πετρελαιοκινούμενη μεταφορά, ενώ στα τέλη του 19 ου αιώνα ανακαλύπτεται ο ηλεκτρισμός που μεταμορφώνει τη ζωή και την εργασία του ανθρώπου και δημιουργεί μια παγκόσμια βιομηχανία με τεράστια οικονομικά μεγέθη. Στον εικοστό αιώνα κατασκευάζονται σε χώρες βιομηχανίες που στηρίζονται στην εντατική χρήση πετρελαίου και ηλεκτρισμού και δίνουν τεράστια ώθηση στην οικονομική ανάπτυξη. Ταυτόχρονα τους δημιουργούνται νέες ανάγκες που απαιτούν κατανάλωση ενέργειας, ενώ συσσωρεύονται πολλά προβλήματα στο περιβάλλον, ιδιαίτερα με τη χρήση τους πυρηνικής ενέργειας από τη δεκαετία του 1970 και μετά. 1.5.ΜΟΡΦΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι μορφές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι: 1.5.1. O ήλιος - ηλιακή ενέργεια με υποτομείς τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, τα παθητικά ηλιακά συστήματα και τη φωτοβολταϊκή μετατροπή. Εικ.11:Φωτοβολταικα στοιχειά για παραγωγή ενεργείας 12
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ 1.5.2.O άνεμος Αιολική ενέργεια. Εικ.12: Αιολικό πάρκο 1.5.3.H γεωθερμία Γεωθερμική ενέργεια υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας και αβαθής γεωθερμία. Εικ.13:Γεωθερμική επεξεργασία για παραγωγή θερμότητας 13
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ 1.5.4.Η βιομάζα Θερμική ή χημική ενέργεια με την παραγωγή βιοκαυσίμων, τη χρήση υπολειμμάτων δασικών εκμεταλλεύσεων και την αξιοποίηση βιομηχανικών αγροτικών (φυτικών και ζωικών) και αστικών αποβλήτων. Εικ.14:Βιομάζα ως πηγή ενεργείας 1.5.5.Οι θάλασσες Ενέργεια κυμάτων, παλιρροϊκή ενέργεια και ενέργεια των ωκεανών από τη διαφορά θερμοκρασίας των νερών στην επιφάνεια και σε μεγάλο βάθος. Εικ.15:Παραγωγή ενεργείας μέσο φάρμας κυμάτων 14
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ 1.5.6.Υδραυλική ενεργεία Η ενεργεία από την ροή των νερών από περιοχές με διαφορετικό υψόμετρο, την μετακίνηση των νερών από λίμνες οι ποταμούς οι υδατοπτώσεις - υδραυλική ενέργεια, με περιορισμό στα μικρά υδροηλεκτρικά, ισχύος κάτω των 10 ΜW. Εικ.16: Παραγωγή ενεργείας μέσο υδροηλεκτρικών φραγμάτων 1.5.7.Εξοικονομιση ενεργείας Η εξοικονόμηση ενέργειας και η ορθολογική χρήση ενέργειας, που αποτελεί έμμεση ενεργειακή πηγή με μεγάλη, όμως, σημασία, αφού επιτυγχάνεται το ίδιο τελικό αποτέλεσμα με κατανάλωση μικρότερου ποσού ενέργειας και μάλιστα με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. 1.6.ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ο ήλιος, είναι μια πηγή απεριόριστης ενέργειας, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας δεν χρησιμοποιείται αλλά εντούτοις μας προσφέρει ισχύ εκατομμυρίων Watts, μας κρατά θερμούς, και αναπτύσσει όλα τα τρόφιμά. Γενικά, η ηλιακή ενέργεια είναι μία ασφαλής και μη ρυπογόνος μορφή ενέργειας, η οποία εξελίσσεται συνεχώς. 15
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.17:Ήλιος πηγή ανεξάντλητης ενεργείας και ζωής Κάθε ημέρα ο ήλιος φωτίζει τ η γη αρκετές χιλιάδες στιγμές τόσες ώστε είναι αρκετές για να καλύψουμε τις απαιτήσεις της ενέργειας που χρησιμοποιούμε. Ακόμη και το μικρό ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που χτυπά τη στέγη μας είναι πολύ περισσότερη ενέργεια απ' ό,τι όλη η ενέργεια που μπαίνει στο οίκημα μέσω των ηλεκτρικών καλωδίων. Σε ένα ομοιόμορφο στρέμμα του εδάφους η άμεση ακτινοβολία του ηλίου, μπορεί να παράγει ισχύ περίπου τέσσερις χιλιάδων ίππων, αντίστοιχο με μια μεγάλη ατμομηχανή σιδηροδρόμου. Σε λιγότερο από τρεις ημέρες η ηλιακή ενέργεια που φθάνει στη γη είναι περισσότερη απ' ό,τι το κατ' εκτίμηση σύνολο των απολιθωμένων καυσίμων στη γη! Εικ.18: Εφαρμογές της ηλιακής ενεργείας Τα ηλιακά ηλεκτρικά ή φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν ένα ποσοστό της ηλιακής ενέργειας άμεσα σε ηλεκτρική. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα (PV) αποτελούνται πρώτιστα από το πυρίτιο, το δεύτερο αφθονότερο στοιχείο στον φλοιό της γης, και είναι το ίδιο υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιείται στους υπολογιστές. Όταν το πυρίτιο συνδυάζεται με ένα ή περισσότερα υλικά, παρουσιάζει ηλεκτρικές ιδιότητες στο φως του ηλίου. Τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από το φως και κινούνται μέσω του πυριτίου. Αυτό είναι γνωστό ως φωτοβολταϊκή επίδραση και οδηγεί στην άμεση παραγωγή συνεχούς ηλεκτρικής ενέργειας (DC). Τα Φ/Β πλαίσια δεν έχουν κανένα κινούμενο μέρος, η συντήρηση είναι μηδαμινή, και έχουν μια οικονομικά ενεργή ζωή 20-30 ετών. 16
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.19: Φωτοβολταικα στοιχειά για παραγωγή ενεργείας Το ερώτημα που προκύπτει είναι, γιατί δεν χρησιμοποιούμε αυτό το πλεονέκτημα της μορφής ηλιακής ενέργειας; Η απάντηση, φυσικά, είναι ότι την χρησιμοποιούμε, αλλά ήμαστε ακόμα στην αρχή. Ένα ηλιακό σύστημα μπορεί να τροφοδοτήσει άμεσα ένα ραδιόφωνο εκμεταλλευόμενο την ακτινοβολία του ηλίου, αλλά ένα βενζινοκίνητο αυτοκίνητο που χρησιμοποιεί επίσης την υποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια, η οποία έχει εγκλωβιστεί στη γη πολλά χρόνια πριν, απαιτείται άντληση για να βγει στην επιφάνεια της με αντλίες πετρελαίου ώστε να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το πλεονέκτημα της ηλιακής ενέργειας μετατρεπόμενης άμεσα σε ηλεκτρική είναι ότι είναι μία μορφή ενέργειας μη ρυπαντική. Εικ.20: Υδρικό αυτοκίνητο με φωτοβολταικους συλλέκτες το μέλλον της αυτοκινητοβιομηχανίας Ο Ρώσος φιλόσοφος, Kuzma Prutkov, αποφάνηκε ότι το φεγγάρι είναι πιο χρήσιμο από τον ήλιο, δεδομένου ότι λάμπει τη νύχτα όταν απαιτείται το φως, ενώ ο ήλιος έχει μικρή χρησιμότητα κατά την διάρκεια της ημέρας! Σε μια τέτοια τεχνολογία επίσης, απομακρυνόμαστε από την δυνατότητα και τη χρησιμότητα του ήλιου. Φαίνεται ότι η καρποφόρος εφαρμογή της ηλιακής ενέργειας προορίζεται να περιμένει μέχρι να φτάσει το ενεργειακό απόθεμα στο κατώτατο σημείο καθώς μειώνεται συνεχώς. 17
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας δεν είναι νέα στην πραγματικότητα, οι ημερομηνίες ανάπτυξης ηλιακής ενέργειας χρονολογούνται πίσω περισσότερο από 100 έτη, στη μέση της βιομηχανικής επανάστασης. Διάφορες πρωτοποριακές εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάστηκαν για να αναπαράγουν τον ατμό από τη θερμότητα του ήλιου, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στην «οδήγηση» μηχανών. Συγχρόνως, ο Henri Becquerel ανακάλυψε τη φωτοβολταϊκή επίδραση δηλαδή την άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στην έρευνα του Becquerel για την φωτοβολταϊκή επίδραση επεκτάθηκε. Η φωτοβολταϊκή επίδραση παρέμεινε μια άγνωστη πτυχή για πολλά χρόνια, δεδομένου ότι ήταν πολύ ανεπαρκής όσον αφορά την μετατροπή του φωτός του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι πρόωρες φωτοβολταϊκές εφαρμογές συνδέθηκαν περισσότερο προς την αντίληψη και τη μέτρηση του φωτός (όπως το φωτόμετρο μιας φωτογραφικής μηχανής) παρά προς την παραγωγή ισχύος. Με την εμφάνιση της κρυσταλλολυχνίας και της συνοδευτικής τεχνολογίας ημιαγωγών, η αποδοτικότητα της φωτοβολταϊκής ισχύος αυξήθηκε εντυπωσιακά. Η φωτοβολταϊκή ισχύς έγινε πρακτικότερη. Κατά τη διάρκεια των ετών, πολλές επιχειρήσεις, έχουν εργαστεί για να αυξήσουν την αποδοτικότητα της φωτοβολταϊκής ισχύος. Εικ.21: Σύγχρονες χρήσης της ηλιακής ενεργείας Σήμερα, τα συνήθως διαθέσιμα φωτοβολταϊκά πάνελ είναι 12% αποδοτικά, τα οποία είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερα από ότι μερικά έτη πριν. Σήμερα, η ηλιακή ισχύς χρησιμοποιείται με δύο αρχικές μορφές: ηλιακός θερμοσίφωνας, όπου η θερμότητα του ήλιου χρησιμοποιείται στην θέρμανση του νερού και μία άλλη μορφή η οποία λειτουργώντας με ρευστό, το οποίο οδηγεί τους στροβίλους ή άλλα μηχανήματα που θα απαιτήσουν ηλεκτρική ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά, όπου η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται άμεσα από τον ήλιο χωρίς κινούμενα μέρη. 18
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.22: Συγκρότημα ηλιακών συλλεκτών Η Φ/Β ισχύς είναι μια από τις πιο ελπιδοφόρες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στον κόσμο. Έναντι των μη ανανεώσιμων πηγών όπως ο άνθρακας, το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο,κ.λ.π., τα πλεονεκτήματα είναι σαφή: είναι συνολικά μη ρυπαντικό, δεν έχει κανένα κινούμενο μέρος, και δεν απαιτεί πολλή συντήρηση. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής παραγωγής είναι ότι δεν απαιτεί μια εγκατάσταση μεγάλης κλίμακας για να λειτουργήσει, σε αντίθεση με τους συμβατικούς σταθμούς ηλεκτρικής παραγωγής. Οι ηλιογεννήτριες μπορούν να εγκατασταθούν σε κάθε σπίτι ή επιχείρηση ή σχολείο, και να παράγουν ισχύ ήσυχα και ακίνδυνα. Εικ. 23: Χρήση της ηλιακής ενεργείας στην καθημερινότητα 1.7.ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ο άνεμος είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που μπορεί να αξιοποιηθεί στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι άνθρωποι έχουν ανακαλύψει την αιολική ενέργεια εδώ και χιλιάδες χρόνια. Οι ανεμόμυλοι έδιναν κάποτε κίνηση στις τεράστιες μυλόπετρες, που άλεθαν το σιτάρι μετατρέποντας το σε αλεύρι Μικρές αντλίες χρησιμοποιούσαν τη δύναμη του ανέμου για να ανεβάσουν το νερό από τα πηγάδια. Πριν 25 χρόνια περίπου οι πρώτες σύγχρονες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιήθηκαν στις Η.Π.Α. Από τότε πολλές ακόμη έχουν μπει σε λειτουργία σε ολόκληρο τον κόσμο. 19
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.23:Τα Αιολικά πάρκα είναι πλέον ενταγμένα στην καθημερινότητα Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τους ανέμους εδώ και εκατοντάδες χρόνια. Το πρώτο μεταφορικό μέσο χωρίς μυϊκή δύναμη ήταν τα ιστιοφόρα. Το επόμενο στάδιο εκμετάλλευσης ήταν οι ανεμόμυλοι. Οι αγρότες χρησιμοποιούν ανεμόμυλους για να αλέθουν το σιτάρι και για να αποστραγγίζουν ή να αρδεύουν τις καλλιέργειές τους. Με την ανάπτυξη νέων πηγών ενέργειας οι άνθρωποι σταμάτησαν να χρησιμοποιούν τους ανεμόμυλους. Αλλά με την ενεργειακή κρίση, οι μηχανικοί χρησιμοποιώντας νέες τεχνολογίες και υλικά, αξιοποιούν και πάλι την ενέργεια των ανέμων, με νέα είδη ανεμόμυλων. Εικ.23: Παραδοσιακή ανεμόμυλοι για την άλεση του σίτου Για την εκμετάλλευση των ανέμων και παλιά και σήμερα, χρησιμοποιούνται ανεμόμυλοι. Οι ανεμόμυλοι όμως σήμερα δεν χρησιμοποιούνται για να αλέθουν σιτάρι ή να αρδεύουν καλλιεργήσιμες εκτάσεις, αλλά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όλοι οι ανεμόμυλοι έχουν έλικες με πτερύγια που κινούνται με τον άνεμο που φυσά. Η κατασκευή τους είναι τέτοια, ώστε το σύστημα των πτερυγίων να περιστρέφεται και να είναι πάντοτε αντίθετο στη φορά του ανέμου. Η ταχύτητα του ανέμου είναι συνήθως μικρή και γι αυτό είναι δύσκολο να αξιοποιηθεί όλη η ενέργεια που μεταφέρει ο άνεμος. Ακόμα και οι σημερινοί μοντέρνοι και τεράστιοι ανεμόμυλοι παράγουν ηλεκτρική ενέργεια αρκετή μόνο για λίγα σπίτια. Για να παραχθεί η ενέργεια που παράγεται σε έναν απλό σταθμό χρειάζονται περίπου 1.000 μεγάλοι ανεμόμυλοι. 20
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Μια διάταξη ανεμογεννητριών ονομάζεται αιολικό πάρκο. Στο πάρκο στην Καλιφορνία των Η.Π.Α. επικρατούν δυνατοί άνεμοι, και έτσι η περιοχή είναι ιδανική για ανεμογεννήτριες. Σε ένα αιολικό πάρκο κάθε ανεμογεννήτρια έχει τρία μακριά πτερύγια. Καθώς τα πτερύγια στρέφονται με τον άνεμο, δίνουν κίνηση στη γεννήτρια που παράγει ηλεκτρισμό Εικ.24: Μεγάλες εκτάσεις εκμεταλλεύονται για αιολικά πάρκα Ο άνεμος όμως είναι πολύ ευμετάβλητος. Οι αλλαγές στην κατεύθυνση πάντως αντιμετωπίζονται εύκολα. Το μόνο που χρειάζεται είναι κάποιο σύστημα που κρατάει τα πτερύγια των ανεμόμυλων στη σωστή θέση. Οι αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου είναι ένα άλλο θέμα. Προκαλούν μεταβολές στην παροχή ενέργειας στις γεννήτριες. Κι ακόμη χειρότερα, ο άνεμος σταματάει τελείως για πολλές μέρες ή φυσάει τόσο δυνατά ώστε καταστρέφει τα πτερύγια των ανεμόμυλων. Σε αντίθεση με το νερό, ο άνεμος επίσης δεν μπορεί να περιοριστεί σε φράγματα ώστε να ρυθμίζεται η ροή του. Το ηλεκτρικό ρεύμα, που παράγεται κατά την διάρκεια μεγάλων περιόδων ανέμων, μπορεί να αποθηκεύεται σε μπαταρίες αλλά αυτές είναι ακόμη ακριβές και αναποτελεσματικές Ο παραδοσιακός ανεμόμυλος μετατρέπει λιγότερη από τη μισή ενέργεια του ανέμου σε ισχύ. Επειδή ο αέρας είναι πολύ αραιότερος από το νερό, τα πτερύγια του ανεμόμυλου πρέπει να είναι 800 φορές μεγαλύτερα από αυτά ενός νερόμυλου, για να κινηθούν με την ίδια ταχύτητα. Για αυτό το λόγω σχεδιάζονται νέα μοντέλα αερογεννητριών. Ο ανεμοκινητήρας μοιάζει με έλικα. Αυτός που στηρίζεται σε κάθετο άξονα περιστρέφεται όποια κι αν είναι η κατεύθυνση του ανέμου. Υπάρχει ένας ακόμη τρόπος για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, τα κύματα της θάλασσας που σχηματίζονται και αυτά από τον άνεμο. Ένας τρόπος εκμετάλλευσης της ενέργειας τους είναι η χρήση πλωτήρων που ανεβοκατεβαίνουν με το πέρασμα των κυμάτων. Η κίνηση αυτή θα μπορούσε να θέσει σε λειτουργία μια τουρμπίνα. Βελτιωμένη έκδοση του πλωτήρα αποτελούν οι αρθρωτές «σχεδίες» οι οποίες επηρεάζονται και από την παραμικρότερη κίνηση του νερού. 21
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.25: Σχεδιάγραμμα ανεμογεννητριας Ένα άλλο σύστημα ονομάζεται «πάπια» επειδή αποτελείται από ελάσματα, τα οποία λικνίζονται πάνω κάτω σαν πάπιες στο νερό. Το πιο επιτυχημένο ως τώρα σύστημα, κατασκευάστηκε στη Νορβηγία και κινείται με αέρα, που πιέζεται προς τα πάνω από ένα μεγάλο κύλινδρο, ο οποίος ωθείται από τα κύματα. Αλλά οι μετατροπές της ενέργειας των κυμάτων πρέπει να αντέχουν στις καταιγίδες και είναι άχρηστοι όταν επικρατεί νηνεμία. Επιπλέον κοστίζουν και είναι αναποτελεσματικοί για να έχουν μια αξιόλογη συμβολή στα παγκόσμια ενεργειακά αποθέματα. 1.8.ΒΙΟΜΑΖΑ. Η ενέργεια της βιομάζας (βιοενέργεια ή πράσινη ενέργεια) είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια μετασχηματίζεται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης. Οι βασικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται, είναι το νερό και ο άνθρακας, που είναι άφθονα στη φύση. 22
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.26: Ηλιόσποροι πρώτη πηγή καύσης για την βιομάζα Η μόνη φυσικά ευρισκόμενη πηγή ενέργειας με άνθρακα που τα αποθέματά της είναι ικανά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων, είναι η βιομάζα. Αντίθετα από αυτά, η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος για να αναπληρωθεί ό,τι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Εν γένει, για τις διάφορες τελικές χρήσεις υιοθετούνται διαφορετικοί όροι. Έτσι, ο όρος "βιοισχύς" περιγράφει τα συστήματα που χρησιμοποιούν πρώτες ύλες βιομάζας αντί των συνήθων ορυκτών καυσίμων (φυσικό αέριο, άνθρακα) για ηλεκτροπαραγωγή, ενώ ως "βιοκαύσιμα" αναφέρονται κυρίως τα υγρά καύσιμα μεταφορών που υποκαθιστούν πετρελαϊκά προϊόντα, π.χ. βενζίνη ή ντίζελ. Βασικό πλεονέκτημα της βιομάζας είναι ότι είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκεμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίηση της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας. Σαν πλεονέκτημά της καταγράφεται και το ότι κατά την παραγωγή και την μετατροπή της δεν δημιουργούνται οικολογικά και περιβαλλοντολογικά προβλήματα. Από την άλλη, σαν μορφή ενέργειας η βιομάζα χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο, σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, λόγω χαμηλής πυκνότητας και/ή υψηλής περιεκτικότητας σε νερό, εποχικότητα, μεγάλη διασπορά, κλπ. Τα χαρακτηριστικά αυτά συνεπάγονται πρόσθετες, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, δυσκολίες στη συλλογή, μεταφορά και αποθήκευσή της. Σαν συνέπεια το κόστος μετατροπής της σε πιο εύχρηστες μορφές ενέργειας παραμένει υψηλό. 1.8.1.Τρόπος αξιοποίησης Η βιομάζα είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης. Τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών.οι βασικές πρώτες ύλες για αυτό είναι το νερό και το CO 2, που αφθονούν στη φύση. 23
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Όσον αφορά στην ενέργεια αυτή προέρχεται από το ορατό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Εικ.27: Σχεδιάγραμμα αξιοποίηση εργοστασίου με βιομάζα Οι θεμελιώδεις αντιδράσεις πραγματοποιούνται στους χλωροπλάστες, οι οποίοι συλλαμβάνουν τα φωτόνια και στη συνέχεια ενεργοποιούν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης που ανάγει το CO 2 σε υδατάνθρακες. Οι αντιδράσεις αυτές συνοδεύονται από έκλυση O 2 με παράλληλη μείωση της περιεκτικότητας του κυττάρου σε CO 2. Κατά την πορεία της φωτοσύνθεσης σχηματίζονται οργανικές ενώσεις, δηλαδή η βιομάζα. Για να φτάσουμε πάντως στο στάδιο αυτό, πρέπει να συνυπάρξουν και άλλοι παράγοντες, όπως τα ανόργανα στοιχεία, που απορροφούν οι ρίζες από το έδαφος καθώς και οι κατάλληλες θερμοκρασιακές συνθήκες για κάθε είδος φυτού. Από τη στιγμή που η βιομάζα αυτή έχει σχηματιστεί, μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε πλέον σαν πηγή ενέργειας. 24
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.28: Περιβαλλοντικά οφέλη από την βιομάζα Οι μέθοδοι της ενεργειακής μετατροπής της βιομάζας είναι διάφορες. Διακρίνονται σε θερμοχημικές (ξηρές) ή σε βιοχημικές (υγρές). Η επιλογή της μεθόδου μετατροπής προσδιορίζεται από τους εξής παράγοντες, τη σχέση C/N και την περιεχόμενη υγρασία των υπολειμμάτων, την ώρα της συλλογής. Οι θερμοχημικές διεργασίες περιλαμβάνουν αντιδράσεις, που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, για διαφορετικές συνθήκες οξείδωσης. Οι διεργασίες αυτές χρησιμοποιούνται για τα είδη της βιομάζας με σχέση C/Ν<30 και υγρασία >5Ο%. 1.9.ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Λέγοντας υδραυλική ενέργεια εννοούμε την ενέργεια που παράγεται από την μετακίνηση του γλυκού νερού από τους ποταμούς και τις λίμνες. Το νερό από την φύση του αποκτάει μεγάλη κινητική ενέργεια κατά την ροή από περιοχές με μεγάλο υψόμετρο σε περιοχές με χαμηλότερο υψόμετρο. Η εκμετάλλευση αυτής της κινητικής ενέργειας μπορεί να γίνει με την κατασκευή υδροηλεκτρικών έργων, τα οποία μας δίνουν την δυνατότητα να μετατρέπουμε αυτήν την ενέργεια σε μηχανική και έπειτα σε ηλεκτρική. 25
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.29: Υδροηλεκτρικό φράγμα θησαυρού Νέστου.Τις τελευταίες δυο δεκαετίες παρατηρείται διεθνώς έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη μικρών υδροηλεκτρικών έργων. Παρατηρείται επίσης η ίδρυση ενός σημαντικού αριθμού εταιριών κατασκευής και εκμετάλλευσης μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών. Στην χώρα μας η ελληνική νομοθεσία ορίζει ως μικρούς τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς με ισχύ μικρότερη των 10 MW και επιτρέπει υπό προϋποθέσεις παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεξάρτητους παραγωγούς. Η υδροηλεκτρική ανάπτυξη της χώρας μας στην σημερινή εποχή δεν είναι και πολύ έντονη, με εξαίρεση τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα της ΔΕΗ με εγκατεστημένη ισχύ 3 ΜW το 2000. Σήμερα στην Ελλάδα υπάρχουν 14 μικρά υδροηλεκτρικά έργα σε λειτουργία, με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 43 MW. Εκτιμάται από ΕΜΠ ότι το εκμεταλλεύσιμο δυναμικό της υδραυλικής ενέργειας στην χώρα μας θα μπορούσε να δώσει εγκατεστημένη ισχύ της τάξης των 1.600 MW. Εικ.30: Σχεδιάγραμμα αρχής λειτουργίας υδροηλεκτρικού φράγματος 26
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Φυσικά, μόνο σε περιοχές με σημαντικές υδατοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευασθούν υδατοταμιευτήρες. Στην χώρα μας όπου τα νερά δεν είναι άφθονα οι υδατοταμιευτήρες δεν είναι δυνατόν να τροφοδοτούν συνέχεια με νερό τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής, με αποτέλεσμα να λειτουργούν μόνο μερικές ώρες της ημέρας και κυρίως σε ώρες αιχμής όπου η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι αυξημένη. 1.10.ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ Οι ωκεανοί μπορούν να μας προσφέρουν τεράστια ποσά ενέργειας. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια της θάλασσας: α) από τα κύματα β) από τις παλίρροιες (μικρές και μεγάλες) γ) από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού Εικ.31: Σύστημα για την εκμετάλλευσης τον ρευμάτων σε φαρμες κυμάτων α) Η κινητική ενέργεια των κυμάτων μπορεί να περιστρέψει την τουρμπίνα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Η ανυψωτική κίνηση του κύματος πιέζει τον αέρα προς τα πάνω, μέσα στο θάλαμο και θέτει σε περιστροφική κίνηση την τουρμπίνα έτσι ώστε η γεννήτρια να παράγει ρεύμα. Αυτός είναι ένας μόνο τύπος εκμετάλλευσης της ενέργειας των κυμάτων. Η παραγόμενη ενέργεια είναι σε θέση να καλύψει τις ανάγκες μιας οικίας ενός φάρου.. 27
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ β) Η αξιοποίηση της παλιρροϊκής ενέργειας χρονολογείται από εκατοντάδες χρόνια πριν, αφού με τα νερά που δεσμεύονταν στις εκβολές ποταμών από την παλίρροια, κινούνταν νερόμυλοι. Ο τρόπος είναι απλός: Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας στην ακτή κατά την πλημμυρίδα μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε κατά την άμπωτη τα υποθηκευμένα νερά ελευθερώνονται και κινούν υδροστρόβιλο, όπως στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Τα πλέον κατάλληλα μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. Η διαφορά μεταξύ της στάθμης του νερού κατά την άμπωτη και την πλημμυρίδα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 μέτρα. Εικ.32: Εκμετάλλευση τον πλημμυρίδων για παραγωγή ενεργείας Σήμερα οι μικροί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το θαλασσινό νερό βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο. Η ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να παραχθεί είναι ικανή να καλύψει τις ανάγκες μιας πόλης μέχρι και 240 χιλιάδων κατοίκων. Ο πρώτος παλιρροϊκός σταθμός κατασκευάσθηκε στον ποταμό La Rance στις ακτές της Βορειοδυτικής Γαλλίας το 1962 και οι υδροστρόβιλοί του μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καθώς το νερό κινείται κατά τη μια ή την άλλη κατεύθυνση. Άλλοι τέτοιοι σταθμοί λειτουργούν στη Ρωσία, στη θάλασσα Barents και στον κόλπο Fuhdy της Νέας Σκωτίας. 28
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ γ) Η θερμική ενέργεια των ωκεανών μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Εικ.32: Αξιοποίηση της ενέργειας των κυμάτων Η διαφορά αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον 3,5 C. Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση της ενέργειας των ωκεανών, εκτός από "καθαρή" και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα γνωστά ευεργετήματα, είναι το σχετικά μικρό κόστος κατασκευής των απαιτούμενων εγκαταστάσεων, η μεγάλη απόδοση (40-70 KW ανά μέτρο μετώπων κύματος) και η δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση από το άφθονο θαλασσινό νερό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Στα μειονεκτήματα αναφέρεται το κόστος μεταφοράς της ενέργειας στη στεριά. 1.11.Η ΠΡΟΣΦΟΡΑ ΤΩΝ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΚΟΙΝΟΤΗΤΑ 1.11.1 Εισαγωγή Ο στόχος της Ευρωπαϊκής Κοινότητας για διπλασιασμό του παρόντος μεριδίου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μέχρι το 2010, φθάνοντας έτσι η συμμετοχή τους στο 12% της πρωτογενούς κατανάλωσης της Ε.Ε., θεωρείται γενικά ως ένας ρεαλιστικός στόχος και ένα αναγκαίο πρώτο βήμα για την εναρμόνιση με τις διεθνείς δεσμεύσεις για την προστασία του περιβάλλοντος. Παρά την αξιόλογη τεχνολογική πρόοδο που έχει επιτευχθεί τελευταία και την αυξανόμενη ανταγωνιστικότητα των τεχνολογιών ΑΠΕ, η ενσωμάτωση σε μεγάλη κλίμακα των ανανεώσιμων πηγών στο Ευρωπαϊκό ενεργειακό σύστημα δεν είναι εύκολη υπόθεση. Οι διαθέσιμες τεχνικές επιλογές μπορούν να ικανοποιήσουν τις διάφορες φιλοδοξίες μόνο όταν εξετάζονται στα πλαίσια ενός συνολικού σχεδιασμού και χρησιμοποιούνται σε σύνθετα σχήματα που στόχο έχουν τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας. Αυτό 29
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ σημαίνει ότι, πρέπει να γίνουν σημαντικές αλλαγές στις υπάρχουσες ενεργειακές υποδομές ώστε να εισαχθούν οι ΑΠΕ κατά ένα βέλτιστο τρόπο. Εξάλλου, εάν ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι να διαδραματίσουν οι ανανεώσιμες πηγές εξέχοντα ρόλο στη συνολική ενεργειακή τροφοδοσία, πρέπει να λάβει χώρα μια ριζική ανανέωση των ενεργειακών υποδομών. Εικ.33:Σχηματική παράσταση ενός αυτόνομου συστήματος ΣΡ χαμηλής ισχύος Κατά βάση, τα διάφορα συστήματα και σχήματα ΑΠΕ είναι θεμιτό να αποτελούνται αποκλειστικά από τεχνολογίες ανανεώσιμων μέχρι και στο 100% της τροφοδοσίας από κεντρικά συστήματα ΑΠΕ, καθώς και η ενσωμάτωση των αποκεντρωμένων σχημάτων ΑΠΕ στα υφιστάμενα ενεργειακά συστήματα. Στην πράξη, η ενεργειακή τροφοδοσία συχνά περιλαμβάνει ενεργειακές πηγές ορυκτών καυσίμων για λόγους υποστήριξης και εφεδρείας, ειδικά όταν τα συστήματα ΑΠΕ εισάγονται σε συστήματα τροφοδοσίας με υφιστάμενους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ορυκτών καυσίμων. Επίσης, όταν εφαρμόζονται μεμονωμένα οι τεχνολογίες των ΑΠΕ μειονεκτούν σε σύγκριση με την ικανότητα των παραδοσιακών τεχνολογιών παραγωγής με ορυκτά καύσιμα να παρέχουν σταθερή ισχύ με αποδεκτά υψηλές τιμές δυναμικού Για το λόγω αυτό, προκειμένου να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό των τεχνολογιών ΑΠΕ, θα πρέπει αυτές να χρησιμοποιούνται μαζί κατά ένα ολοκληρωμένο τρόπο που να περιλαμβάνει υβριδικά σχήματα. Αυτά τα ολοκληρωμένα συστήματα μπορεί να αποτελούνται από τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες ΑΠΕ, αποθήκευσης ενέργειας ή/και με τεχνολογίες ρύθμισης της ισχύος, και μπορούν να εφαρμόζονται σε διαφορετικές διαμορφώσεις (κεντρικά συστήματα για τοπική τροφοδοσία ηλεκτρισμού ή κατανεμημένα συστήματα για περιφερειακή ηλεκτρική τροφοδοσία), προσαρμοσμένες στις συνθήκες και τις δυνατότητες της κάθε συγκεκριμένης τοποθεσίας, ώστε να εξασφαλίζουν σταθερή και αξιόπιστη ισχύ. 30
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Εικ.34:Αυτόνομο σύστημα της τάξης του 1 έως 10 kw Εν τέλει, τα συστήματα ΑΠΕ μπορούν να αναπτυχθούν σε βασισμένα αποκλειστικά στις ΑΠΕ σχήματα που περιλαμβάνουν νέους τύπους κομιστών ενέργειας, όπως το υδρογόνο, σε συνδυασμό με νέους τρόπους παροχής και διαχείρισης της ζήτησης της ενέργειας από τους τελικούς χρήστες. Τελευταία έχει γίνει ευρέως αποδεκτό ότι η τεχνική πρόοδος είναι μία αναγκαία αλλά όχι και ικανή συνθήκη για τη διείσδυση σε μεγάλη κλίμακα των ΑΠΕ. Όσον αφορά το κόστος των τεχνολογιών ΑΠΕ, οι ατέλειες της υφιστάμενης αγοράς περιορίζουν ακόμα την καθιέρωση δίκαιου ανταγωνισμού με τα συμβατικά συστήματα. Αυτό μπορεί να απειλήσει σοβαρά την περαιτέρω εξέλιξη της ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ στην εσωτερική αγορά ηλεκτρισμού της Ε.Ε. και, έτσι, να υποσκαφθεί η συμμόρφωση με τους στόχους που τέθηκαν στη Λευκή Βίβλο για τις ΑΠΕ και με τις δεσμεύσεις του Κιότο. Η πρόταση της Επιτροπής για μία Οδηγία για «την προώθηση του ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στην εσωτερική αγορά ηλεκτρισμού» παρέχει ένα ισχυρό πλαίσιο για την ελαχιστοποίηση των σχετικών κινδύνων. Οι πρόσφατες εμπειρίες σε διάφορες χώρες ή περιφέρειες της Ε.Ε. καταδεικνύουν ότι υπάρχουν τρόποι για επιτυχή υλοποίηση των συστημάτων ΑΠΕ, ακόμα και σε μία αγορά που απελευθερώνεται με ταχείς ρυθμούς. Τέλος, οι νέοι περιορισμοί για την προστασία του περιβάλλοντος και την αέναη ανάπτυξη καθιερώνουν ένα πολύ θετικό πλαίσιο, ευνοώντας την επιλογή των ΑΠΕ έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας. 31
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ 1.12.ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Α.Π.Ε. ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ Τελευταία παρατηρείται μία σημαντική αύξηση του ενδιαφέροντος που επιδεικνύουν κυβερνήσεις, οι ενεργειακοί σχεδιαστές, εταιρείες ηλεκτρισμού και ιδιώτες επενδυτές για την ένταξη των τεχνολογιών ΑΠΕ στο χαρτοφυλάκιο ενεργειακής τροφοδοσίας. Μακροπρόθεσμος στόχος της Ευρωπαϊκής πολιτικής είναι μία σημαντική συνεισφορά (12% το έτος 2010) από προερχόμενη από την Ευρώπη ανανεώσιμη ενέργεια, η οποία ειδικά για τον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής προγραμματίζεται να ανέλθει στο 22,1% της ακαθάριστης κατανάλωσης ηλεκτρισμού μέχρι το 2010 (12,5% χωρίς τα μεγάλα υδροηλεκτρικά). Ο στόχος αυτός επηρεάζεται από το αυξανόμενο ενδιαφέρον σχετικά με τα εξωτερικά κόστη (τα σχετικά με τις εκπομπές CO2 και άλλα). Οι πιο ελπιδοφόρες τεχνολογίες ΑΠΕ σήμερα βασίζονται στον άνεμο, τη βιομάζα και την ηλιακή ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή αλλά και για παραγωγή θερμότητας. Προς το παρόν οι εφαρμογές των ΑΠΕ αφορούν κυρίως μία τεχνολογία ΑΠΕ κάθε φορά, π.χ. αιολικά πάρκα, Φ/Β συστήματα, κλπ. Μέχρι τώρα η Έρευνα και Ανάπτυξη (Ε&Α) διεθνώς γύρω από τα υβριδικά συστήματα ΑΠΕ έχει εστιαστεί κυρίως στα συστήματα αιολικών / ντίζελ, ενώ τα μελλοντικά προγράμματα προβλέπεται να επικεντρωθούν περισσότερο σε συστήματα ΑΠΕ στα οποία θα ενσωματώνονται αρκετές από τις τεχνολογίες αυτές. Οι προσπάθειες Ε&Α στο πεδίο των ΑΠΕ βρίσκονται σε συμφωνία με τις εθνικές και Ευρωπαϊκές πολιτικές για την ενέργεια, και από το πρόγραμμα Πλαίσιο της Ε.Ε. έχουν διατεθεί σημαντικές χρηματοδοτήσεις για την ανάπτυξη των τεχνολογιών ΑΠΕ, ιδιαίτερα των υβριδικών. Υπάρχουν επίσης συμπληρωματικά εθνικά προγράμματα Ε&Α που εστιάζουν σε διαφορετικούς τομείς των ΑΠΕ, ανάλογα με τους εθνικούς πόρους και τις προτεραιότητες. Σε καθαρά οικονομική βάση, όταν δηλαδή δε συνυπολογίζονται τα εξωτερικά κόστη, οι τεχνολογίες των ΑΠΕ δεν είναι ακόμα πλήρως ανταγωνιστικές με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ενεργειακής τροφοδοσίας. Πάντως, προβλέπεται γενικά ότι οι νέες τεχνολογίες ΑΠΕ (αιολικά, φωτοβολταϊκά, θερμικά ηλιακά, βιομάζα κλπ.) θα καταστούν σταδιακά οικονομικώς ανταγωνιστικές προς τις εγκαταστάσεις των πυρηνικών και των ορυκτών καυσίμων, ενώ κάποιες από αυτές, όπως τα αιολικά, θα είναι πλήρως ανταγωνιστικές μέσα σε ένα χρονικό ορίζοντα από 10 έως 20 χρόνια (η τεχνολογία των αιολικών είναι ήδη ανταγωνιστική στις περιοχές με υψηλό αιολικό δυναμικό). Σε δεύτερο επίπεδο, η παραπάνω προσπάθεια συμπληρώνεται με δράσεις διάδοσης που στόχο έχουν τη δημιουργία μίας "κρίσιμης μάζας" για τη δυναμική ανάπτυξη της αγοράς Χαρακτηριστικά αυτού του σταδίου είναι οι συνθήκες για ένα σταθερό και ευνοϊκό πλαίσιο που να αντικατοπτρίζει τα κοινωνικά και τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ. Τελευταία, τα ήδη εφαρμοζόμενα ή υπό συζήτηση συστήματα διάδοσης δίνουν έμφαση σε στοιχεία της αγοράς (ανταγωνισμός, δημοσιονομικά κίνητρα) και υποδεικνύουν ένα τρίτο επίπεδο διάδοσης. 32
Κεφαλαίο 1 ο Γνωριμία με τις ΑΠΕ Έτσι, τελευταία έχουν αυξηθεί τα μέτρα "έμμεσης" υποστήριξης, κυρίως ευνοϊκά τιμολόγια πώλησης του ηλεκτρισμού από ΑΠΕ και χαμηλότοκα δάνεια, που σταδιακά καθίστανται πολύ πιο σημαντικά από τα εργαλεία "άμεσης" υποστήριξης (επιχορηγήσεις, επιδοτήσεις, κλπ.). Κανονικά, το ποσοστό "υποστήριξης" που περιέχεται στις πληρωμές του ηλεκτρισμού από ΑΠΕ που διοχετεύεται στο δίκτυο είναι το κυριότερο μεμονωμένο υποστηρικτικό μέτρο (965 Μ κατ' έτος). Η συνολική ενίσχυση των ΑΠΕ στην Ε.Ε., σε περιφερειακό και εθνικό επίπεδο, είναι στην πραγματικότητα 1,7 Β περίπου, για συνολική δαπάνη (ενίσχυση συν τις αντίστοιχες ιδιωτικές επενδύσεις) της τάξης των 2,9 Β. Οι ετήσιες επενδύσεις που απαιτούνται προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος του μεριδίου 12% των ΑΠΕ στην ενεργειακή τροφοδοσία το 2010 εκτιμώνται στη Λευκή Βίβλο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής σε 6,8 Β περίπου. Προφανώς, παραλή την πρόοδο που έχει επιτευχθεί, στο μέλλον θα χρειαστούν σημαντικές πρόσθετες προσπάθειες.. 33
Κεφαλαίο 2 ο τι είναι γεωθερμική ενεργεία 2.1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα που περιέχεται στο εσωτερικό της γης, η οποία προκαλεί τη δημιουργία διαφόρων γεωλογικών φαινόμενων 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. 2.2.1.Σύντομο ιστορικό της γεωθερμίας Η παρουσία ηφαιστείων, θερμών πηγών και άλλων επιφανειακών εκδηλώσεων θερμότητας είναι αυτή που οδήγησε τους προγόνους μας στο συμπέρασμα ότι το εσωτερικό της γης είναι ζεστό. Όμως, μόνο κατά την περίοδο μεταξύ του 16 ου και 17 ου αιώνα, όταν δηλαδή κατασκευάστηκαν τα πρώτα μεταλλεία που ανορύχθηκαν σε βάθος μερικών εκατοντάδων μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, οι άνθρωποι, με τη βοήθεια κάποιων απλών φυσικών παρατηρήσεων, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η θερμοκρασία της γης αυξάνεται με το βάθος. Οι πρώτες μετρήσεις με θερμόμετρο έγιναν κατά πάσα πιθανότητα το 1740, σε ένα ορυχείο κοντά στο Belford της Γαλλίας (Bullard, 1965). Ήδη από το 1870, για τη μελέτη της θερμικής κατάστασης του εσωτερικού της γης χρησιμοποιούνταν κάποιες προχωρημένες για την εποχή επιστημονικές μέθοδοι, ενώ η θερμική κατάσταση που διέπει τη γη, η θερμική ισορροπία και εξέλιξή της κατανοήθηκαν καλύτερα τον 20 ο αιώνα, με την ανακάλυψη του ρόλου της «ραδιενεργής θερμότητας». Πράγματι, σε όλα τα σύγχρονα πρότυπα (μοντέλα) της θερμικής κατάστασης του εσωτερικού της γης πρέπει να συμπεριλαμβάνεται η θερμότητα που συνεχώς παράγεται από τη διάσπαση των μακράς διάρκειας ζωής ραδιενεργών ισοτόπων του ουρανίου (U 238, U 235 ), του θορίου (Th 232 ) και του καλίου (Κ 40 ), τα οποία βρίσκονται στο εσωτερικό της γης (Lubimova, 1968). Εκτός από τη ραδιενεργό θερμότητα, δρουν αθροιστικά, σε απροσδιόριστες όμως ποσότητες, και άλλες δυνητικές πηγές θερμότητας, όπως είναι η «αρχέγονη ενέργεια» από την εποχή δημιουργίας και μεγέθυνσης του πλανήτη. Μέχρι τη δεκαετία του 1980 τα μοντέλα αυτά δεν βασίζονταν σε κάποιες ρεαλιστικές θεωρίες. Τότε όμως αποδείχθηκε ότι αφενός δεν υπάρχει ισοζύγιο μεταξύ της ραδιενεργής θερμότητας που δημιουργείται στο εσωτερικό της γης και της θερμότητας που διαφεύγει από τη γη προς στο διάστημα, και αφετέρου ότι ο πλανήτης μας ψύχεται με αργό ρυθμό και στο εσωτερικό του. 34
Κεφαλαίο 2 ο τι είναι γεωθερμική ενεργεία Ως μια γενική ιδέα της φύσης και της κλίμακας του εμπλεκόμενου φαινόμενου, μπορεί να αναφερθεί η λεγόμενη «θερμική ισορροπία», όπως διατυπώθηκε από τους Stacey and Loper (1988). Σύμφωνα με αυτήν, η ολική ροή θερμότητας από τη γη (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία) εκτιμάται ότι ανέρχεται στα 42x10 12 W. Από αυτά, 8x10 12 W προέρχονται από το φλοιό, που αντιπροσωπεύει μόνο το 2% του συνολικού όγκου της γης αλλά είναι πλούσιος σε ραδιενεργά ισότοπα, 32,3x10 12 W προέρχονται από το μανδύα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 82% του συνολικού όγκου της γης, και 1,7x10 12 W προέρχονται από τον πυρήνα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 16% του συνολικού όγκου της γης και δεν περιέχει ραδιενεργά ισότοπα (βλέπε Σχήμα 1, ένα σχήμα της εσωτερικής δομής της γης). Αφού η ραδιενεργή θερμότητα του μανδύα εκτιμάται σε 22x10 12 W, η μείωση της θερμότητας στο συγκεκριμένο τμήμα της γης είναι 10,3x10 12 W. Σύμφωνα με πιο πρόσφατες εκτιμήσεις και υπολογισμούς, που βασίζονται σε μεγαλύτερο αριθμό δεδομένων, η ολική θερμική ροή της γης είναι περίπου 6% υψηλότερη από τις τιμές που χρησιμοποίησαν οι Stacey and Loper το 1988. Ούτως ή άλλως όμως, η διαδικασία ψύξης παραμένει αργή. Η θερμοκρασία του μανδύα δεν έχει μειωθεί περισσότερο από 300-350ºC τα τελευταία 3 δισεκατομμύρια χρόνια, παραμένοντας περίπου στους 4000ºC στη βάση του. Έχει υπολογιστεί ότι το συνολικό θερμικό περιεχόμενο της γης (για θερμοκρασίες πάνω από τη μέση επιφανειακή των 15ºC) είναι της τάξης των 12,6x10 24 MJ και του φλοιού 5,4x10 21 MJ (Armstead, 1983). Όπως λοιπόν προκύπτει από τα παραπάνω, 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 (νερό σε υγρή ή αέρια φάση) 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). Πιθανώς, στο άμεσο μέλλον, νέες πρωτοποριακές τεχνικές θα μας προσφέρουν καινούργιες προοπτικές στον τομέα αυτόν. Εικ.1.: Ο Φλοιός, ο Μανδύας και ο Πυρήνας της γης. τομή του φλοιού και του ανώτερου μανδύα 35
Κεφαλαίο 2 ο τι είναι γεωθερμική ενεργεία Σε πολλούς τομείς της ανθρώπινης ζωής οι πρακτικές εφαρμογές προηγούνται της επιστημονικής έρευνας και της τεχνολογικής ανάπτυξης. Η γεωθερμία αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα του φαινόμενου αυτού. Αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχόμενου των γεωθερμικών ρευστών γινόταν ήδη από τις αρχές του 19 ου αιώνα. Εκείνη την περίοδο, στην Τοσκάνη της Ιταλίας, και συγκεκριμένα στην περιοχή του Larderello, λειτουργούσε μια χημική βιομηχανία για την παραγωγή βορικού οξέος από τα βοριούχα θερμά νερά που ανέβλυζαν από φυσικές πηγές ή αντλούνταν από ρηχές γεωτρήσεις. Η παραγωγή του βορικού οξέος γινόταν με εξάτμιση των βοριούχων νερών μέσα σε σιδερένιους «λέβητες», χρησιμοποιώντας ως καύσιμη ύλη ξύλα από τα κοντινά δάση. Το 1827, ο Francesco Larderel, ιδρυτής της βιομηχανίας αυτής, αντί να καίγονται ξύλα από τα διαρκώς αποψιλούμενα δάση της περιοχής. ανέπτυξε ένα σύστημα για τη χρήση της θερμότητας των βοριούχων ρευστών στη διαδικασία εξάτμισης(εικ.2) Εικ.2: Η καλυμμένη «λιμνούλα» (covered lagoon), που χρησιμοποιούνταν κατά το πρώτο μισό του 19 ου αιώνα στην περιοχή του Larderello, για τη συλλογή των βοριούχων υδάτων και την παραγωγή βορικού οξέος. Η εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του φυσικού ατμού ξεκίνησε περίπου την ίδια περίοδο. Ο γεωθερμικός ατμός χρησιμοποιήθηκε για την ανέλκυση των ρευστών, αρχικά με κάποιους πρωτόγονους αέριους ανυψωτήρες και στη συνέχεια με παλινδρομικές και φυγοκεντρικές αντλίες και βαρούλκα. Ανάμεσα στο 1850 και 1875, οι εγκαταστάσεις του Larderello κατείχαν το μονοπώλιο παραγωγής βορικού οξέος στην Ευρώπη. Μεταξύ του 1910 και του 1940, στην περιοχή αυτή της Τοσκάνης ο χαμηλής πίεσης ατμός άρχισε να χρησιμοποιείται για τη θέρμανση βιομηχανικών κτιρίων, κατοικιών και θερμοκηπίων. Εν τω μεταξύ, ολοένα και περισσότερες χώρες άρχισαν να αναπτύσσουν τους γεωθερμικούς τους πόρους σε βιομηχανική κλίμακα. Το 1892, το πρώτο γεωθερμικό σύστημα Τήλε-θέρμανσης (district heating) τέθηκε σε λειτουργία στο Boise του Αίνταχο των Η.Π.Α.. Το 1928, μια άλλη πρωτοπόρος χώρα στην εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας, η Ισλανδία, ξεκίνησε επίσης την εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών (κυρίως θερμών νερών) για τη θέρμανση κατοικιών. 36