Systemy energetyczne z wykorzystaniem OZE i energii odpadowej - opracowanie
1. Wymienić i krótko scharakteryzować dostępne w Polsce odnawialne źródła energii
Biomasa – to substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które są specjalnie produkowane dla celów energetycznych lub są odpadami po produkcyjnymi
Biogaz - powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. Biogaz powstaje w wyniku fermentacji:
-odpadów organicznych na wysypiskach śmieci,
-osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków,
-odpadów zwierzęcych i odpadów roślinnych w gospodarstwach rolnych,
Energia wiatrowa - turbiny wiatrowe przekształcają energię kinetyczną wiatru na energię mechaniczną, która w prądnicy zamieniana jest na energię elektryczną.
Energia wodna - to sektor energetyczny zajmujący się pozyskiwaniem energii zakumulowanej w wodach i przetwarzaniem jej na energię mechaniczną i elektryczną, przy użyciu turbin wodnych. Woda może być doprowadzana do turbin w różny sposób. Z tego względu istnieje kilka typów elektrowni wodnych. Podstawowy podział zakłada wytwarzanie energii elektrycznej z energii wód płynących (śródlądowe), z energii fal (morskie) i pływów (morskie).
Energia geotermalna – Polega na wykorzystywaniu cieplnej energii wnętrza Ziemi, szczególnie w obszarach działalności wulkanicznej i sejsmicznej. Woda opadowa wnika w głąb ziemi, gdzie w kontakcie z młodymi intruzjami lub aktywnymi ogniskami magmy, podgrzewa się do znacznych temperatur.
Energia słoneczna - wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. Metody konwersji promieniowania słonecznego:
a)Konwersja fotowoltaiczna, ogniwo fotowoltaiczne - jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n.
b)Konwersjo fototermiczna - to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.
2. Wypisać i omówić wady i zalety OŹE
Energia geotermalna:
Zalety:
- nieszkodliwa dla środowiska, nie powoduje bowiem żadnych zanieczyszczeń przy poprawnym działaniu
- pokłady energii geotermalnej są zasobami lokalnymi, tak więc mogą być pozyskiwane w pobliżu miejsca użytkowania,
- elektrownie geotermalne w odróżnieniu od zapór wodnych czy wiatraków nie wywierają niekorzystnego wpływu na krajobraz,
- zasoby energii geotermalnej są, w przeciwieństwie do energii wiatru czy energii Słońca dostępne zawsze, niezależnie od warunków pogodowych.
- instalacje oparte o wykorzystanie energii geotermalnej odznaczają się stosunkowo niskimi kosztami eksploatacyjnymi.
Wady:
-drogie instalacje,
-problemy techniczne przy utrzymaniu urządzeń,
-mała dostępność
-uwalnia się radon i siarkowodór.
- istnieje ryzyko przemieszczenia się złóż geotermalnych, które na całe dziesięciolecia mogą „uciec” z miejsca eksploatacji,
Elektrownie wodne:
- możliwość szybkiego zatrzymywania i uruchomiania elektrowni,
- małe problemy przy utrzymywaniu i eksploatacji elektrowni, niskie koszty eksploatacyjne
- sztuczne zbiorniki gromadzą wodę zmniejszając ryzyko powodzi, moga też być wykorzystane jako rezerwuar wody w przypadku pożarów
- Zależność od opadu deszczu,
- Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi,
- lokalne zmiany klimatyczne.
Energia wiatrowa:
- tereny koło elektrowni wiatrowej moga być wykorzystane jako tereny rolnicze
-
- wysokie koszty budowy i utrzymania,
- ingerencja w krajobraz,
- hałas,
- zależność od wiatru,
- zakłócają fale radiowe i TV.
Energia słoneczna:
- prosta i tania eksploatacja
- do budowy używa się pierwiastków toksycznych (Kadm, arsen),
- instalacja ogniw zajmuje duże obszary.
- niska sprawność
- dość droga inwestycja
3. Aktualne kryteria oceny stanu środowiska i ich wpływ na energetykę
4. Co to jest nasłonecznienie i jak zachowuje się promieniowanie w atmosferze Ziemi
nasłonecznienie, insolacja, stosunek energii promieniowania słonecznego padającego na daną powierzchnię (w jednostce czasu) do wielkości tej powierzchni; jednostką jest J/(m2 · s).
Ok. 40% energii emitowanej przez Słońce jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi.
Natężenie promieniowania jest niejednakowe dla całej powierzchni Ziemi i zależy od położenia geograficznego, ruchem Ziemi wokół Słońca i własnej osi, klimatu, zanieczyszczenia powietrza itd.
5. Wymienić i krótko charakteryzować kolektory słoneczne.
Podział ze względu na czynnik pośredniczący w odbiorze ciepła
- cieczowe
- powietrzne
Podział kolektorów ze względu na budowę:
Kolektory płaskie:
a) z absorberem pokrytym czarnym lakierem (mimo izolacji cieplnej, duże straty ciepła w porównaniu z innymi kolektorami);
b) z absorberem pokrytym powłoką selektywną (prawie całkowicie absorbują promieniowanie słoneczne – niewielkie straty, sprawność układu do 35%);
c) próżniowy (próżnia redukuje straty ciepła, sprawność układu do 45%),
d)zasobnikowy (wnętrze absorbera pełni także funkcje zasobnika – alternatywa dla zwykłego kolektora płaskiego)
Kolektory próżniowo-rurowe - próżnia wewnątrz rur zapobiega przepływowi powietrza i uniemożliwia niepożądaną wymianę ciepła między absorberem a szybą. Element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych strefy klimatycznej umiarkowanej
Kolektory skupiające: stosuje się różne układy luster, soczewek do zwiększenia gęstości strumienia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię pochłaniającą promieniowanie
6.Jak wpływa geometria ustawienia kolektora słonecznego na wartość nasłonecznienia?
Zaleca się, aby płyta kolektora słonecznego była ustawiona w kierunku południowym. Odchylenie od kierunku południowego na wschód lub zachód o kąt 1-45° także jest dopuszczalne, zaleca się jednak aby jeśli to możliwe wybrać kierunek południowo/zachodni, gdyż mamy w tym przypadku do czynienia zarówno z dużym nasłonecznieniem jak i wysoką temperaturą otoczenia występującą w godzinach popołudniowych.
Najskuteczniejsze przejmowanie promieni słonecznych ma miejsce wtedy, gdy padają one na kolektor pod kątem 90°. Teoretycznie podczas doboru odpowiedniej powierzchni kolektora należałoby uwzględnić obniżenie sprawności związane ze złym nachyleniem płyty. W praktyce wygląda to trochę inaczej. Systemy montażowe umożliwiają zmianę kąta nachylenia kolektora zarówno na tarasie jak i na dachu skośnym, co powoduje, że przy doborze wielkości płyty nie uwzględniamy w/w strat. Uwzględniając całoroczne warunki panujące w Polsce, zaleca się nachylenie α=45°. Kąt ten uwzględnia zarówno wysoką pozycje słońca latem, jak i niską w zimie. W przypadku instalacji pracujących okresowo, kąt nachylenia kolektora α należy dobierać indywidualnie.
7.Wymienić i opisać sposoby połączenia kolektorów.
Połączenie szeregowe jest połączeniem kolektorów w jednym szeregu ze wspólnym zasilaniem i powrotem
W jednym szeregu można łączyć do 7 kolektorów, jednak ze względu na znaczne opory przepływu, zalecana ilość to 5 sztuk.
Połączenie równoległe polega na tym, że każdy z kolektorów posiada własne zasilanie i powrót połączone z kolei z głównym przewodem powrotnym i zasilającym. Połączenie równoległe charakteryzuje się dużym zużycie materiału na wykonanie przewodów. Opory przepływu w polu kolektorów są równe oporom w jednym kolektorze
Połączenie kombinowane polega na szeregowo- równoległym połączeniu kolektorów. Pola kolektorów połączone szeregowo łączy się w całość w sposób równoległy. Tego typu metoda używana jest w instalacjach o powierzchni czynnej powyżej 16 m2.
Układ Tichelmana: rura zasilająca zasila każdy kolektor z osobna i rura zbiorcza która zbiera ciecz od każdego z kolektorów. Kolektor, który jest pierwszy w zasilaniu jest ostatni w odbiorze.
8) Co to jest skojarzona produkcja ciepła i energii?
Kogeneracja - można ją zdefiniować jako proces termodynamiczny konwersji energi chemicznej paliw pierwotnych do postaci nośników użytecznych - ciepła, zimna i energii elektrycznej, realizowany w pojedynczym urządzeniu lub w układzie
9) Dlaczego sprawność układu kogeneracyjnego jest wyższa?
- Wytwarzanie ciepła z wysoką sprawnością(przekraczającą 90%) nie stanowi problemu
- dość niska sprawność wytwarzania energii elektrycznej nie wynika z niedoskonałości technicznej silników i siłowni lecz z ograniczeń termodynamicznych tych procesów
10) Rozwiązania technicznych siłowni skojarzonych zasilanych biomasą.
11) Opisać układ trigeneracyjny z tłokowym silnikiem spalinowym.
Tłokowe silniki spalinowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami w układach skojarzonych małej mocy, ponieważ mają dużą sprawność (nawet w zakresie małych mocy) oraz dość niskie wskaźniki jednostkowego nakładu inwestycyjnego.
W układzie takim można wyróżnić niskotemperaturowe źródla ciepła( układ chłodzenia silnika i układ chłodzenia oleju 90C) oraz wysokotemperaturowe (spaliny wylotowe 380-550C)
12) Zasada działania sprężarki absorpcyjnej w układzie trigeneracyjnym:
w odróżnieniu od systemów sprężarkowych, czynnik roboczy nie jest sprężany mechanicznie w sprężarce, rolę sprężarki przejmuje pompa, która podnosi ciśnienie cieczy będącej mieszaniną czynnika roboczego i odpwiedniej cieczy pomocniczej (absorbenta). Czynnik chłodniczy krąży między absorberem (tutaj jest pochłaniany) a desorberem (warnik - tu wydziela się z roztworu), pobierane w ten sposób ciepło powoduje obniżenie temperatury w komorze chłodziarki.
13) Rozwiązanie techniczne sieci przesyłowych dla systemów trigeneracyjnych:
Układ trójgeneracyjny z decentralizowaną produkcją chłodu
Układ trójgeneracyjny scentralizowane:
14) Wpływ okresu letniego na pracę systemu ciepłowniczego:
Ograniczenie zapotrzebowania na ciepło od kwietnia do września powoduje koniczność pracy elektrociepłowni komunalnych w trybie kondensacyjnym. Pogarsza zatem w sposób znaczący parametry energetyczne i ekologiczne pracy systemu ciepłowniczego - wskaźnik emisji dwutlenku węgla.
Wprowadzenie w okresie letnim produkcji energii chłodniczej z ciepła produkowanego w skojarzeniu z energią elektryczną pozwala na częściową poprawę sytuacji. Możliwe jest to przy wykorzystaniu ciepła sieciowego w lecie do zasilania absorpcyjnych układów chłodniczych.
15) Co to jest system Building Cooling Heat and Power?
Jest to system do wytwarzania energii elektrycznej oraz nośników ciepła i zimna dla potrzeb ogrzewania i klimatyzacji. Są to zwykle układy małych mocy budowane z silnikami tłokowymi spalinowymi, mikroturbinami lub ogniwami paliwowymi. W tych układach znalazły zastosowanie ziębiarki bromolitowe zintegrowane z CHP.
16) Co to jest pompa ciepła opisać zasadę działania.
Pompa ciepła- to urządzenie grzewcze wymuszające przepływ ciepła za źródła o temperaturze niższej do źródła o temperaturze wyższej. Proces ten zachodzi dzięki dostarczeniu energii mechanicznej lub cieplnej i realizacji lewobieżnego obiegu termodynamicznego.
Zasada działania
W wymienniku ciepła zwanym parownikiem czynnik roboczy w postaci mieszaniny cieczy i gazu ulega procesowi odparowania. Odbiera w ten sposób energię cieplną z dolnego źródła [1]. Następnie czynnik zassany zostaje w postaci pary o niskim ciśnieniu do sprężarki gdzie wzrasta jego ciśnienie oraz temperatura. Kolejnym elementem obiegu, do którego trafia czynnik w postaci gazowej jest wymiennik ciepła zwany skraplaczem [4]. Gorący i sprężony czynnik oddaje tu energię cieplną do źródła górnego, co powoduje jego skroplenie. Na drodze do parownika czynnik napotyka zawór rozprężny [6]. Jest to ostatni z elementów zamykający obieg termodynamiczny, który racjonuje ilość czynnika trafiającą do parownika.
17. Wymienić i krótko scharakteryzować rodzaje pomp ciepła
Dolne źródło ciepła powietrze: Z instalacyjnego punktu widzenia najwygodniejsza jest powietrzna pompa ciepła, ponieważ nie wymaga większych ingerencji na poziomie fundamentów budowlanych. Powietrznapompa ciepła jest nie tylko najłatwiejsza w montażu, ale też najtańsza. Taka pompa ciepła działa przy użyciu wymiennika lamelowego, który wykorzystuje ciepłe powietrze zewnętrzne. Wewnątrz obiektu znajdują się zasobniki z wodą. Ciepło z powietrza jest wdmuchiwane do pomieszczenia poprzez nawiewy podobne do klimatyzacji lub przekazywane do instalacji wodnej (kaloryfery, klimakonwektory, ogrzewanie podłogowe). Niestety większość pomp tego typu działa bez wspomaganie jedynie do około -15/- 20⁰C). Poniżej tej temperatury pompa musi działać wespół z dodatkową grzałką elektryczną czy nawet zewnętrznym kotłem grzewczym, ponieważ spada jej wydajność.
Dolne źródło ciepła woda: Najczęściej ciepło z wody jest uzyskiwane przy pomocy systemu studni (w zależności od zapotrzebowania na ciepło dwóch lub więcej). Jedna ze studni jest zbiornikiem ciepłej wody czerpalnej, natomiast pozostałe studnie mają charakter "zrzutowy", czyli magazynują wodę schłodzoną. Odstępy pomiędzy studniami muszą wynosić kilkanaście metrów, by wody nie mieszały się. Woda gruntowa jest dosyć wymagającym dolnym źródłem dla pompy ciepła, ze względów geologicznych – nie każdy grunt posiada wody gruntowe na wymaganej głębokości (od ok. 6m do 30m).
Dolne źródło ciepła grunt: Na głębokości 10 m temperatura gruntu jest stała, równa średniorocznej temperaturze powietrza zewnętrznego, utrzymująca się w granicach 10-11°C. W głębszych warstwach, poniżej 20 m, akumulowana jest energia pochodząca zarówno od promieniowania słonecznego, jak i od wnętrza ziemi. Kolektor może być poziomy lub pionowy, o wyborze rozwiązana może decydować wielkość działki – do wykonania kolektora poziomego potrzeba kilkuset metrów kwadratowych, a na pionowe kolektory wystarczy kilkadziesiąt.
18. Współpraca biwalentno-równoległa i biwalentno-alternatywna pompy ciepła
· praca biwalentna równoległa, tj. pompa ciepła pokrywa zapotrzebowanie ciepła do pewnej określonej temperatury zewnętrznej, a przy niższej jest wspomagana kotłem gazowym czy olejowym. Jest to trudne do zautomatyzowania przy współpracy z kotłem na paliwo stałe.
· praca biwalentna alternatywna, tj. pompa ciepła pokrywa zapotrzebowanie ciepła do pewnej określonej temperatury zewnętrznej, a przy niższej całkowite obciążenie przejmuje kocioł gazowy czy olejowy. Przy kotłach na paliwo stałe zaleca się manualne przełączanie z pracy pompy na pracę kotła.
19. Wymienić i krótko scharakteryzować rodzaje wymienników gruntowych pomp ciepła
Wymiennik poziomy - Kolektor poziomy jest budowany z rur polietylenowych PE odpornych na nacisk o średnicy jednego cala. Rury są układane w wykopanych rowach na głębokości 1,5-1,8 m, co jest to uzależnione od strefy przemarzania gruntu. W rurach krąży płyn o niskiej temperaturze wrzenia. Rury kolektora są wypełnione roztworem wodnym glikolu.
Wymiennik poziomy spiralny - Układa się je na takiej samej zasadzie jak wymiennik poziomy, z tym, że rura ma kształt spirali. Do ich zainstalowania potrzeba mniej miejsca niż na wymiennik poziomy, a prace montażowe są mniej kłopotliwe niż przy wymienniku poziomym. Rury tego wymiennika układane są spiralnie w wykopach o szerokości min. 80cm odległość pomiędzy rowami nie może być mniejsza niż 3m. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o szerokości do 0,8-1m i długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie niemal dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki.
Wymiennik pionowy - Gdy dysponujemy jedynie niewielkim lub zadrzewionym terenem, lepiej zastosować wymiennik pionowy. W wykonany w gruncie pionowy otwór o małej średnicy wpuszcza się rurę kolektora. Do odwiertów głębokości 30 ÷ 150 m wkłada się sondy pionowe, czyli rury zgięte w kształcie litery U, w których krąży glikol. Ilość i długość sond głębinowych zależy od warunków geologicznych.
20. Opisać proces produkcji gazu w biogazowni
Produkcja biogazu w biogazowniach rolniczych przeprowadzana jest w komorach fermentacyjnych, wyposażonych w instalacje: do mieszania wsadu, grzewczą, dozującą biomasę, gazową. Surowiec ze zbiornika wstępnego dozowany jest do komory fermentacyjnej, skąd po rozłożeniu substancji organicznej jest transportowany do laguny lub zbiornika pofermentacyjnego. Odpad pofermentacyjny wykorzystywany jest do użyźniania pól uprawnych. Biogaz jest kierowany do modułu kogeneracyjnego, w którym energia chemiczna biogazu ulega konwersji na energię elektryczną oraz cieplną. Część energii zostaje zużyta na potrzeby biogazowni (głównie do ogrzania komór fermentacyjnych), nadmiar jest sprzedawany do sieci energetycznej; ciepło również może być sprzedawane odbiorcom zewnętrznym
· Pod wpływem enzymów znajdujące się w substracie złożone związki organiczne (białko, węglowodany, tłuszcze, celuloza) ulegają rozkładowi na związki prostsze (cukry, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, wodę).
· Bakterie tworzące kwasy przekształcają je w kwasy organiczne, dwutlenek węgla, siarkowodór i amoniak.
· Bakterie metanowe worzą metan, dwutlenek węgla i wodę. „Gotowy“ biogaz zawiera ok. 60-65% metanu, ok. 30 % dwutlenku węgla i tylko niewielkie ilości innych gazów, np. siarkowodoru.
21. Rozwiązania konstrukcyjne biogazowni dla układów mokrej fermentacji
Dwa typy zbiorników fermentacyjnych: stojące i leżące
Zbiorniki wykonane z żelbetu lub stali kwasoodpornej, ocynkowanej lub emaliowanej
Biogazownie z pojedynczym zbiornikiem lub 2-5 (fermentacja pierwotna i wtórna)
W nowszych instalacjach stosowane są również tzw. hydrolizery, czyli wydzielone komory do przeprowadzenia pierwszego etapu fermentacji, który powinien zachodzić w środowisku kwaśnym (reszta etapów w środowisku obojętnym).
3 typy mieszadeł: pneumatyczne (mieszanie biogazem), hydrauliczne (mieszanie przepompowywaną pulpą) oraz mechaniczne ( skośne, poziome i pionowe)
22. Opisać typy fermentacji beztlenowej stosowane w biogazowniach
23. Powstawanie gazu wysypiskowego
Odpady składowane na wysypisku są mieszaniną materiałów organicznych i nieorganicznych o różnej wilgotności. Jeżeli zostaną stworzone odpowiednie warunki składowania, tj. ugniatanie i szybkie przykrycie następną warstwą odpadów lub ziemi przesypowej, to okres, w którym podlegają one działaniu tlenu i światła jest bardzo krótki, co stwarza warunki do zachodzenia beztlenowego procesu rozkładu odpadów.
- I faza – w fazie tej powstaje dwutlenek węgla;- II faza – w fazie tej po wyczerpaniu tlenu zaczynają zachodzić procesy anaerobowe. Wzrasta wydzielanie się wodoru natomiast spada gwałtownie zawartość metanu;- III faza – w tej fazie pojawiają się warunki sprzyjające powstawaniu metanu. Ilość dwutlenku węgla zmniejsza się do wielkości odpowiadającej końcowemu stanowi równowagi, szybko wzrasta ilość metanu;- IV faza – w fazie tej rozkład metanogenny jest stabilny. Faza ta trwa zazwyczaj 10 - 20 lat z tendencją do spadku szybkości powstawania gazu
24. Opisać elementy systemu pozyskiwania gazu wysypiskowego
System pozyskiwania gazu składa się z pewnej ilości studni do pozyskiwania gazu wywierconych w bryle wysypiska wraz z niezbędnymi gazociągami ssącymi
25. Możliwości zagospodarowania odpadów komunalnych i ściekowych
Możliwości zagospodarowania odpadów komunalnych:
- składowanie
- przekształcenie termiczne
- recykling
- kompostowanie
Możliwości zagospodarowania osadów ściekowych:
- zastosowanie w rolnictwie
- do rekultywacji terenów, w tym gruntów na cele rolne
- zastosowanie do uprawy roślin przeznaczonych do produkcji kompostu
- przekształcanie termiczne
- magazynowanie czasowe
26. Hierarchia postępowania z odpadami w prawodawstwie UE
27. Opisać proces wytwórczy paliwa alternatywnego (RDF, SRF)
Produkcja paliw alternatywnych polega na rozdrobnieniu i wymieszaniu wysokoenergetycznych frakcji odpadów komunalnych i przemysłowych i obejmuje następujące etapy:
·...
hermiasta