1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
Διερεύνηση Δυνατοτήτων Εγκατάστασης Μικρών Ανεμογεννητριών σε ολόκληρη την Ελληνική Επικράτεια
Investigation of Small Wind Turbine Installation Capabilities throughout the Greek territory
ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ Κ. ΝΑΣΟΣ
4420
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Επιβλέπων Καθηγητής: Φαντίδης Ιάκωβος
Καβάλα, Μάιος 2013
2
3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
Διερεύνηση Δυνατοτήτων Εγκατάστασης Μικρών Ανεμογεννητριών σε ολόκληρη την Ελληνική Επικράτεια
Investigation of Small Wind Turbine Installation Capabilities throughout the Greek territory
ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ Κ. ΝΑΣΟΣ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Επιβλέπων Καθηγητής: Φαντίδης Ιάκωβος
Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την: .../.../ 2013 Καβάλα
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ον/μο Καθηγητής
Ον/μο Καθηγητής
Ον/μο Καθηγητής
4 Ευχαριστίες
Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου κύριο Φαντίδη Ιάκωβο, για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου δύο φορές μάλιστα αναθέτοντας μου για ακόμη μια φορά το ίδιο θέμα, γιατί λόγο υγείας ενός στενού μου οικογενειακού προσώπου δεν μπόρεσα να τηρήσω την ημερομηνία παράδοσης, καθώς και για την δυνατότητα που μου πρόσφερε να παρουσιάσω ένα τόσο ενδιαφέρον αντικείμενο. Τον καθηγητή μου κύριο Ποτόλια Κωνσταντίνο για τις γνώσεις που μου χάρισε πάνω στον τομέα των Α.Π.Ε. και μου ήταν πολύ χρήσιμες για την υλοποίηση αυτής της εργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ και τους φίλους μου για την συμπαράσταση τους.
5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Σελ.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΤΡΟΦΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 8
1.2 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 8
1.3 ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ Ή ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ... 9
1.3.1 ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ή ‘’ΚΑΡΒΟΥΝΟ’’... 9
1.3.2 ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ... 10
1.3.3 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ... 11
1.4 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 12
1.5 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 13
1.5.1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 13
1.5.2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 14
1.5.3 ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 15
1.5.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ... 16
1.5.5 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 17
1.6 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 18
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 22
2.2 ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 22
2.3 ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ... 23
2.4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ... 25
2.5 ΙΣΧΥΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ – ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ... 25
2.6 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ... 27
2.7 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ... 29
2.8 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΚΑΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ... 31
6 Σελ.
2.9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 33
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΗΟΜΕR 3.1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ... 34
3.1.1 RETScreen... 34
3.1.2 WindRose... 35
3.2 ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΗΟΜΕR... 36
3.3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ - ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ HOMER... 38
3.4 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΤΩΝ ΥΠΟ ΕΞΕΤΑΣΗ ΠΕΡΙΟΧΩΝ... 46
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΛΕΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 4.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ 30 KW... 48
4.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ 100 KW... 196
4.3 ΠΙΝΑΚΕΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ 30 ΚΑΙ 100 KW... 344
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 348
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 350
7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η παρούσα πτυχιακή εργασία, έχεις ως αντικείμενο της την διερεύνηση των δυνατοτήτων εγκατάστασης μικρών ανεμογεννητριών σε ολόκληρη την Ελληνική επικράτεια και την αξιολόγηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικού δυναμικό των διάφορων πόλεων.
-Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνετε μια σύντομη περιγραφή των διαφόρων πυγών ενέργειας ανανεώσιμων και μη.
-Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνετε μια εκτενέστερη περιγραφή της αιολικής ενέργειας, των ανεμογεννητριών και των αιολικών πάρκων.
-Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση υπολογιστικών προγραμμάτων και κυρίως του HOMER που με την χρήση του οποίου θα γίνει η μελέτη του βέλτιστου συστήματος εγκατάστασης ανεμογεννητριών.
-Τέλος έχουμε τα αποτελέσματα της μελέτης καθώς και τα συμπεράσματα που απορρέον από αυτήν.
ABSTRACT
This thesis has the purpose of exploring the possibilities of installation of small wind turbines throughout the Greek territory and evaluation of the generated electricity from a wind potential of various cities.
- In the first chapter, there is a brief description of the various renewable energy sources or not.
- In the second chapter become a more extensive description of wind energy, wind turbines and wind parks.
- In the third chapter there is a presentation of computational programs and mainly HOMER's that the use of which will be the study of the optimal wind turbine installation system.
- Finally we have the results of the study and the conclusions derived from it.
8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΤΡΟΦΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Δεδομένου ότι ο παγκόσμιος πληθυσμός αναμένεται να φτάσει τα εννέα δισεκατομμύρια έως το 2050 και λόγω των πεπερασμένων φυσικών πόρων, η Ευρώπη χρειάζεται ανανεώσιμες βιολογικές πηγές ενέργειας για ασφαλή και υγιεινά τρόφιμα και ζωοτροφές, καθώς και για υλικά, ενέργεια και άλλα προϊόντα.
Έτσι, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή ενέκρινε μια στρατηγική για να μετατοπίσει την ευρωπαϊκή οικονομία προς μεγαλύτερη και πιο βιώσιμη χρήση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Η στρατηγική και το σχέδιο δράσης της Επιτροπής “Καινοτομία για βιώσιμη ανάπτυξη” έχει ως στόχο μια περισσότερο καινοτόμο οικονομία χαμηλών εκπομπών, που θα συμφιλιώνει τις απαιτήσεις για αγαθά και ενέργεια με παράλληλη διασφάλιση της προστασίας του περιβάλλοντος.
Η χώρα μας, προικισμένη από τη φύση στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, πάσχει από έλλειψη πόρων για την αξιοποίησή τους. Πέρα από τον αέρα και τον ήλιο, που μας χάρισε άφθονα η φύση, διαθέτει και πλούσια γεωθερμία, μπορεί να αξιοποιήσει τα απορρίμματα, τη βιομάζα και σε μικρότερη κλίμακα το βιοαέριο και τις λοιπές μορφές ανανεώσιμων πηγών.
Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει δεσμευθεί ως προς το 20.20.20, δηλαδή μέχρι το 2020 το 20% της ενέργειάς της να καλύπτεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που σημαίνει ότι το 30% και πλέον της ζήτησης για ηλεκτρικό ρεύμα θα πρέπει να καλύπτεται από ανανεώσιμες πηγές και εκτός τούτου θα πρέπει να μειώσει τους εκπεμπόμενους ρύπους κατά 20% σε σχέση με το 1990 και να επιτευχθεί εξοικονόμηση ενέργειας κατά 20%.
Σήμερα η συμφερότερη μονάδα ΑΠΕ είναι η ανεμογεννήτρια, διότι είναι φθηνότερη, καταλαμβάνει μικρότερο χώρο, τοποθετείται κυρίως σε απρόσιτα σημεία μακριά από καλλιεργημένες περιοχές και το κυριότερο έχει υψηλό βαθμό απόδοσης [11], [28].
1.2 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Οι πηγές ενέργειας με βάση τον τρόπο ανανέωσης τους διακρίνονται σε μη ανανεώσιμες όπως: συμβατικά ή ορυκτά καύσιμα, στερεά καύσιμα ή κάρβουνο, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και
9 πυρηνική ενέργεια και σε ανανεώσιμες πυγές ενέργειας όπως: ηλιακή ενέργεια, αιολική ενέργεια, υδροδυναμική ενέργεια (προερχόμενη από μικρά υδροηλεκτρικά εργοστάσια), ενέργεια από βιομάζα και γεωθερμική ενέργεια για τα οποία θα μιλήσουμε εκτενέστερα παρακάτω.
1.3 ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ Ή ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ
Τα ορυκτά καύσιμα είναι καύσιμα προερχόμενα από φυσικές πηγές όπως αναερόβια αποσύνθεση νεκρών θαμμένων οργανισμών. Η ηλικία των νεκρών οργανισμών που με την εναπόθεσή τους σχηματίζουν τα ορυκτά καύσιμα κυμαίνεται από μερικά εκατομμύρια μέχρι 650 εκατομμύρια χρόνια. Στα ορυκτά καύσιμα ανήκουν το κάρβουνο, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.
Τα υλικά των ορυκτών καυσίμων μπορεί να είναι ελαφρά αέρια όπως το μεθάνιο ή σκληρά στερεά σώματα όπως ο ανθρακίτης. Αυτά σχηματίζονται από αποθέσεις νεκρών θαλάσσιων οργανισμών, ζώων ή φυτών της ξηράς τα οποία εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις στο εσωτερικό της γης για εκατομμύρια χρόνια.
Τα ορυκτά καύσιμα δεν είναι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας γιατί χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστούν και έτσι εξαντλούνται με πολύ ταχύτερο ρυθμό από τον ρυθμό με τον οποίο σχηματίζονται. Η κατανάλωσή τους ενισχύει το περιβαλλοντικό πρόβλημα [22], [4], [27].
1.3.1 ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ή ‘’ΚΑΡΒΟΥΝΟ’’
Ο όρος Κάρβουνο μπορεί να αναφέρεται: Σε οποιαδήποτε μορφή του Άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμη ύλη. Ο γαιάνθρακας ή κάρβουνο είναι κατηγορία στερεών καυσίμων τα οποία προέρχονται από εξόρυξη σε αντιδιαστολή με τα κοινά κάρβουνα ή ξυλοκάρβουνα.
Οι γαιάνθρακες έχουν σχηματιστεί από δάση, τα οποία καταπλακώθηκαν από πετρώματα και υπέστησαν ενανθράκωση από το αναερόβιο βακτήριο του άνθρακα. Ανάλογα με το χρόνο που το καταπλακωμένο ξύλο έμεινε στο φλοιό της Γης σχηματίσθηκαν οι διάφοροι τύποι γαιανθράκων, των οποίων η περιεκτικότητα σε άνθρακα ποικίλλει. Οι κυριότερες μορφές
10 γαιανθράκων, κατατασσόμενοι από τους παλαιότερους προς τους νεότερους, ως προς το σχηματισμό, είναι:
Γραφίτης: Περιέχει 96-98% καθαρό άνθρακα. Ανήκει στην κατηγορία των μεταμορφωσιγενούς προελεύσεως ορυκτών, αν και η αρχική του μορφή οφείλει τη γένεσή της στα ίδια αίτια με τους υπόλοιπους. Είναι η μοναδική κρυσταλλική μορφή γαιάνθρακα. Δεν χρησιμοποιείται ως καύσιμο, αλλά στην παραγωγή μολυβιών, σε ανάμιξη με έλαια ως λιπαντικό και ως επιβραδυντής νετρονίων στους ατομικούς αντιδραστήρες.
Ανθρακίτης: Περιέχει 92-96% καθαρό άνθρακα. Είναι σκληρός και λείος και έχει μαύρο χρώμα. Αφήνει ελάχιστο υπόλειμμα κατά την καύση του και χρησιμοποιείται κυρίως σε μεταλλουργικές εργασίες αλλά και ως καύσιμο σε ατμομηχανές, ατμοτουρμπίνες κτλ.
Λιθάνθρακας: Περιέχει 80-92% καθαρό άνθρακα. Είναι μαύρος ή σκούρος καφέ, σκληρός και γυαλιστερός και χρησιμοποιείται κυρίως αρχικά για την παραγωγή φωταερίου με ξηρή απόσταξη και το υπόλειμμά του, που ονομάζεται κωκ, χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία του σιδήρου και ως καύσιμο.
Λιγνίτης: Περιέχει 50-65% καθαρό άνθρακα. Έχει σκούρο καφέ χρώμα, δεν είναι γυαλιστερός και αφήνει σημαντικό υπόλειμμα κατά την καύση του. Χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε εργοστάσια παραγωγής ενέργειας.
Τύρφη: Περιέχει κάτω από 50% καθαρό άνθρακα. Έχει καφετί χρώμα και η υφή του ξύλου είναι έντονα αποτυπωμένη επάνω της. Δεν χρησιμοποιείται ως καύσιμο, αλλά ως συστατικό εμπλουτισμού καλλιεργήσιμων εδαφών [22], [4], [27].
1.3.2 ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ
Το πετρέλαιο, που μερικές φορές στην καθημερινή γλώσσα αποκαλείται και μαύρος χρυσός είναι παχύρρευστο, μαύρο ή βαθύ καφετί ή πρασινωπό υγρό πέτρωμα, που αποτελεί και τη σπουδαιότερη σήμερα φυσική πηγή ενέργειας.
Το αργό πετρέλαιο είναι υγρό πέτρωμα, μίγμα υδρογονανθράκων, δηλαδή ουσιών που περιέχουν άνθρακα και υδρογόνο, κατά ένα μεγάλο μέρος της σειράς των αλκανίων, που όμως περιέχει και αρκετούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, καθώς και άλλες οργανικές ενώσεις και
11 το οποίο βρίσκεται μέσα σε πορώδη πετρώματα στα ανώτερα στρώματα μερικών περιοχών τού φλοιού της Γης.
Για την ερμηνεία της δημιουργίας του πετρελαίου, υπάρχουν πολλές και μάλιστα αλληλοσυγκρουόμενες θεωρίες. Παλαιότερα οι χημικοί και γεωλόγοι ερευνητές παραδέχονταν ότι το πετρέλαιο σχηματίσθηκε από ανθρακομεταλλικές ενώσεις, τα λεγόμενα καρβίδια.
Σήμερα η θεωρία αυτή που ανάγει την δημιουργία του πετρελαίου από ανόργανες πρώτες ύλες έχει τελείως εγκαταλειφθεί.
Δύο από τους ισχυρότερους λόγους που αποτελούν τα επίμαχα και ισχυρά επιχειρήματα υπέρ της ακολουθούμενης σύγχρονης θεωρίας είναι η παρουσία αζωτούχων ενώσεων αφενός, και η εμφάνιση οπτικής στροφικής ικανότητας ορισμένων πετρελαίων αφετέρου. Η δεύτερη αυτή θεωρία ανάγει την δημιουργία του πετρελαίου σε αποσύνθεσης ζωικών και φυτικών οργανισμών που εγκλείστηκαν μέσα στα πετρώματα σε μεγάλο βάθος στη Γη. Οι εν λόγω οργανισμοί ήταν κυρίως θαλάσσιοι, ανάλογοι με εκείνους που αποτελούν το πλαγκτόν. Τα υπολείμματα αυτών των οργανισμών παρασύρθηκαν από θαλάσσια ρεύματα και συγκεντρώθηκαν κατά μεγάλες ποσότητες στους πυθμένες θαλασσίων λεκανών. Οι λεκάνες αυτές στη συνέχεια από διάφορες αναστατώσεις της επιφάνειας της Γης αποκλείσθηκαν και καταχώθηκαν. Έτσι προέκυψε με αποσύνθεση του υλικού αυτού, υπό την επίδραση αναερόβιων βακτηρίων, το πετρέλαιο [22], [4], [27], [29].
1.3.3 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ
Το φυσικό αέριο είναι ένα μείγμα από υδρογονάνθρακες σε αέρια μορφή και αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο. Το φυσικό αέριο το βρίσκουμε στις περισσότερες περιπτώσεις στο υπέδαφος. H δημιουργία του οφείλετε σε υπολείμματα φυτικής και ζωικής ύλη που θάφτηκαν στο εσωτερικό της για πολύ καιρό κάτω από τεράστιες ποσότηρες λάσπης και άλλων ιζημάτων, τα οποία άσκησαν τεράστια πίεσης. Η Θερμοκρασία και η πίεση που ασκήθηκε πάνω σε αυτά τα υπολείμματα έχουν ως αποτέλεσμα να σπάζουν οι δεσμοί των ατόμων του άνθρακα μεταξύ της ζωικής και φυτικής ύλης για να παραχθεί το ‘’θερμογενές μεθάνιο’’ βασικό συστατικό του αερίου στα έγκατα της γης. Το φυσικό αέριο παράγεται όταν η ύλη που προέρχεται από διαφόρους ζωντανούς οργανισμούς διασπάται με τη μεσολάβηση των λεγόμενων μεθανιογόνων μικροοργανισμών και προκύπτει μεθάνιο. Αυτοί οι μικροοργανισμοί βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια της γης όπου έχουμε έλλειψη οξυγόνου, αλλά και στο πεπτικό σύστημα των περισσότερων ζώων και του ανθρώπου.
12 Ένας άλλος τρόπος παραγωγής μεθανίου ενεργείται μέσω αβιογενών διαδικασιών. Πολύ βαθιά κάτω από την επιφάνεια της γης υπάρχουν αέρια πλούσια σε υδρογόνο και μόρια άνθρακα, και καθώς ανέρχονται προς την επιφάνεια συναντώντας διάφορα μεταλλικά στοιχεία παράγονται πρώτα άζωτο, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα, αργό και νερό και στη συνέχεια κάτω από την επίδραση της τεράστιας πίεσης δίνουν τελικά το μεθάνιο. Το ελαφρό αυτό αέριο όπως είναι αναμενόμενο ανεβαίνει προς τα επάνω και τελικά βγαίνει στην ατμόσφαιρα. Εκτός και αν συναντήσει τα κατάλληλα πετρώματα, κυρίως πορώδεις σχιστόλιθους, όπου εγκλωβίζεται και μένει εκέι [22], [4], [27], [5].
1.4 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Πυρηνική ενέργεια ή ατομική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Είναι δηλαδή η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλεισμένη στους πυρήνες των ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που τα συνιστούν. Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη σχάση ή σύντηξη των πυρήνων και εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες.
Πυρηνική σχάση είναι η ιδιότητα κάποιων ατόμων να διασπόνται παράγοντας μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Όλα τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων. Αυτός ο πυρήνας περιέχει και άλλα δύο είδη σωματιδίων σε διάφορους αριθμούς. Τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Αυτά τα σωματίδια αλληλοσυγκρατούνται με μια ισχυρή δύναμη που οι φυσικοί ονομάζουν ‘ενέργεια σύνδεσης’. Στη φύση, οι περισσότεροι ατομικοί πυρήνες είναι σταθεροί. Όμως υπάρχει μόνο ένας πυρήνας που μπορεί να διασπασθεί συγκρουόμενος με ένα νετρόνιο και απελευθερώνοντας ένα μέρος της συνδετικής τους ενέργειας. Πρόκειται για τον πυρήνα του ουρανίου και άλλα στοιχεία κατασκευασμένα από τον άνθρωπο, όπως το πλουτώνιο μπορεί επίσης να διασπασθεί. Η σχάση του ουρανίου δεν είναι αυθόρμητη. Για να διασπασθεί ένα νετρόνιο πρέπει να συγκρουσθεί με τον πυρήνα του ουρανίου. Τότε ο πυρήνας διασπάται, απελευθερώνει ενέργεια μαζί με δύο ή τρία άλλα νετρόνια. Καθώς διαφεύγουν, αυτά τα νετρόνια μπορούν να συγκρουστούν με άλλους πυρήνες ουρανίου προκαλώντας πάλι σχάση κ.ο.κ. [22].
13 Σχήμα 1: Πυρηνική σχάση ουρανίου
1.5 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές που τροφοδοτούνται συνεχώς με ενέργεια από τον ήλιο με τέτοιους ρυθμούς, ώστε να θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες και ικανές να υποκαταστήσουν πολλές από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον είναι καθαρές πηγές ενέργειας.
1.5.1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται στον πυρήνα του ήλιου από σύντηξη του υδρογόνου και η μετατροπή σε ήλιο που ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις. Φτάνει σχεδόν αμετάβλητη στο ανώτατο στρώμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας, διαμέσου του διαστήματος, και στη συνέχεια κατά τη διέλευσή της από την ατμόσφαιρα υπόκειται σε σημαντικές αλλαγές, που οφείλονται στην σύσταση της ατμόσφαιρας. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα σημείο στην επιφάνεια της γης μια δεδομένη χρονική στιγμή χαρακτηρίζεται από την ένταση και την διεύθυνση πρόσπτωσης. Στην επιφάνεια της γης φτάνει μόνο ένα μέρος της ακτινοβολίας που προέρχεται άμεσα από τον ήλιο (άμεση ηλιακή ακτινοβολία), ειδικότερα:
Το ~31% ανακλάται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης
• Το ~47% φθάνει μέχρι την επιφάνεια της γης
• Το ~23% συμβάλει στην δημιουργία των ανέμων, των κυμάτων και γενικά ρυθμίζει το κλίμα
• Οι ωκεανοί απορροφούν το 33% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης
• Η ξηρά απορροφά το 14% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης
14
• Το 0.1% της ηλιακής ενέργειας απορροφάτε από τα φυτά.
Η ηλιακή ενέργεια είναι πρωτογενής, ήπια και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία έμμεσα δίνει γένεση σε άλλες τρεις ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την υδραυλική, την αιολική και την ενέργεια της βιομάζας. Η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για:
Την άμεση παραγωγή θερμότητας, με ενεργητικά και παθητικά ηλιακά συστήματα. Αν η παραγόμενη θερμότητα είναι υψηλής θερμοκρασίας, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατμού και στη συνέχεια μηχανικής ενέργειας (με ατμοστρόβιλους). Η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή τη περίπτωση αναφερόμαστε σε θερμική παραγωγή ηλεκτρισμού από την ηλιακή ενέργεια.
Την άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με την εκμετάλλευση του φωτοβολταϊκού φαινομένου με την χρήση των φωτoβoλταϊκών συστήματα.
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο δημιουργείτε με την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας (φωτόνια) σε μια ημιαγωγική διάταξη δύο στρωμάτων. Από την απορρόφηση του φωτονίου ένα ηλεκτρόνιο (αρνητικό φορτίο) απωθείται από ένα άτομο πυριτίου. Η πρόσθετη ενέργεια δίνει τη δυνατότητα να μεταπηδούν στη περιοχή αγωγιμότητας αφήνοντας πίσω μια θετικά φορτισμένη οπή, δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού το αποτέλεσμα ροή ηλεκτρονίων μόνο προς τη μία κατεύθυνση. Όταν οι ηλεκτρικές επαφές συνδέονται μέσω ενός κυκλώματος, τα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια κατευθύνονται στο θετικά φορτισμένο πυρίτιο, παράγοντας κατά συνέπεια το ρεύμα [22], [4], [27], [26].
1.5.2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Όταν μία μάζα αέρα θερμαίνεται γίνεται πιο αραιή και πιο ελαφριά από τις άλλες μάζες που βρίσκονται γύρω της και τείνει να ανέβει ψηλότερα από εκείνες (ανοδικά κίνηση). Επομένως, άλλες, πιο ψυχρές και βαριές αέριες μάζες θα κινηθούν και θα πάρουν τη θέση της. Αντίθετα, όταν μια μάζα αέρα ψύχεται γίνεται πιο πυκνή και πιο βαριά και τείνει να κατέβει (καθοδική κίνηση). Για να το πετύχει «σπρώχνει» τις άλλες τις πιο θερμές και πιο αραιές μάζες του αέρα και παίρνει τη θέση τους. Στοιχεία που προσδιορίζουν τον άνεμο είναι η διεύθυνση και η ταχύτητά του. Δυο βασικά φαινόμενα συντελούν στη δημιουργία των ανέμων, η ηλιακή ακτινοβολία και η περιστροφή της γης. Λόγω της θέσης της ως προς τον ήλιο, η γη είναι πιο ζεστή γύρω από τον ισημερινό παρά κοντά στους πόλους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να
15 πνέουν ψυχροί επιφανειακοί άνεμοι από τους πόλους προς τον ισημερινό για να αντικαταστήσουν τον θερμό αέρα μικρότερης πυκνότητας των τροπικών ζωνών που ανεβαίνει σε ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα και από εκεί κινείται προς τους πόλους. Επίσης η περιστροφή της γης επιδρά στις κινήσεις της ατμόσφαιρας. Η αδράνεια τείνει να στρέψει τον ψυχρό αέρα που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της γης προς τα δυτικά και τον θερμό των ανωτέρω στρωμάτων προς τα ανατολικά. Αποτέλεσμα της κίνησης του αέρα στη επιφάνεια της γης, λόγω των περιοχών υψηλής και χαμηλής πίεσης είναι η μεταβολή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου κατά τη διάρκεια του έτους.
Η κίνηση αυτή του ανέμου περιέχει ένα ποσό μηχανικής ενέργειας. Γενικά αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές, όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους [22], [4], [27], [19].
1.5.3 ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Υδροδυναμική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που περικλείει το νερό με την κίνηση του από τις υδατοπτώσεις. Οι υδατοπτώσεις προκαλούνται από τη βαρύτητα με τη μεταφορά του ύδατος από ένα σημείο με μεγαλύτερο υψόμετρο σε ένα με χαμηλότερο. Αυτό το φαινόμενο είναι μέρος του κύκλου ζωής του νερού. Δηλαδή ο ήλιος αυξάνει την θερμοκρασίας στις θάλασσες και τις λίμνες, κατά συνέπεια το νερό εξατμίζετε στην ατμόσφαιρα και μεταφέρετε με την βοήθεια των ανέμων σε περιοχές με μεγαλύτερο υψόμετρο. Σε αυτές τις περιοχές πέφτουν οι βροχές και χιόνια τα οποία δημιουργούν τους ποταμούς. Στα ποτάμια το νερό αποκτά την κινητική του ενέργεια, την οποία χρησιμοποίησε ο άνθρωπος από τα αρχαία χρόνια για να καλύψει τις ανάγκες του.
Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια βασίζονται στην αρχή των υδραυλικών τροχών, αλλά με τη διαφορά ότι τη θέση του τροχού καταλαμβάνει ο υδροστρόβιλος που μεταφέρει τη κινητική του ενέργεια στην ηλεκτρογεννήτρια. Αυτός ο τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ αποδοτικός και καθαρός διότι έχει μηδενικές εκπομπές ρύπων αφού δεν εξαρτάται από ορυκτά καύσιμα. Είναι μια αξιόπιστη τεχνολογία με χαμηλά κόστη συντήρησης, μεγάλη διάρκεια ζωής και ποιοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
16 Η ανάγκη της αδιάλειπτης τροφοδοσίας των υδροηλεκτρικών εγκαταστάσεων με νερό οδήγησε στη δημιουργία των φραγμάτων. Τα φράγματα είναι μία τεχνητή αποθήκη ενέργειας, κατασκευάζεται σε σημεία που υπάρχουν ποταμοί και η μορφολογία του εδάφους το επιτρέπει.
Επίσης βοηθούν στον έλεγχο των ποταμών με τον έλεγχο της ροής που τα διασχίζει, άρα μπορούν να αποφευχθούν πλημμύρες σε περιόδους έντονων βροχοπτώσεων [22], [4], [27].
1.5.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ
Βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Σ’ αυτήν περιλαμβάνονται οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα, όπως π.χ.
τα αυτοφυή φυτά και δάση, είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες γεωργικών και δασικών ειδών, όπως π.χ. το σόργο, τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, όπως π.χ. τα άχυρα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα, τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, όπως π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα, καθώς και 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 μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς και νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. Η καύση της Βιομάζας δεν προκαλεί ρύπανση στο περιβάλλον γιατί όσο διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνετε κατά την καύση τόσο δεσμεύετε από το φυτό κατά την διάρκεια της ζωής του το γνωστό ως Ενεργειακό ισοζύγιο.
Από τη στιγμή που σχηματίζεται η βιομάζα, μπορεί πλέον κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική, ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλλει σημαντικά στην ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.ά.). Η χρήση της βιομάζας ως πηγής ενέργειας δεν είναι νέα. Σ’ αυτήν, εξάλλου, συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες που, μέχρι το τέλος
17 του περασμένου αιώνα, κάλυπταν το 97% των ενεργειακών αναγκών της χώρας [1], [22], [4], [27], [9].
1.5.5 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμφανίζεται με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού. Η ενέργεια αυτή σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής.
Είναι μια ήπια και σχετικά ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, που με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. Οι γεωθερμικές περιοχές συχνά εντοπίζονται από τον ατμό που βγαίνει από σχισμές του φλοιού της γης ή από την παρουσία θερμών πηγών. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμό σε μια περιοχή πρέπει να υπάρχει κάποιος υπόγειος ταμιευτήρας αποθήκευσης του κοντά σε ένα θερμικό κέντρο. Στην περίπτωση αυτή, το νερό του ταμιευτήρια που συνήθως είναι βρόχινο νερό που έχει διεισδύσει στους βαθύτερους ορίζοντες της γης, θερμαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια. Τα θερμικά αυτά ρευστά εμφανίζονται στην επιφάνεια είτε με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού όπως προαναφέρθηκε είτε αντλούνται με γεώτρηση και αφού χρησιμοποιηθεί η θερμική τους ενέργεια, γίνεται επανέγχυση του ρευστού στο έδαφος με δεύτερη γεώτρηση. Έτσι ενισχύεται η μακροβιότητα του ταμιευτήρια και αποφεύγεται η θερμική ρύπανση του περιβάλλοντος.
Υπάρχουν πολλές εφαρμογές της γεωθερμική ενέργειας όπως:
Χρήση της θερμότητας της γης για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος.
Χρήση της θερμότητας της γης για τη θέρμανση θερμοκηπίων.
Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στις υδατοκαλλιέργειες, δεδομένου ότι πολλά είδη υδροβίων οργανισμών, όπως χέλια, γαρίδες ή φύκια αναπτύσσονται γρηγορότερα σε αυξημένες θερμοκρασίες(25 έως 30οC).
Άλλη διαδεδομένη χρήση της γεωθερμίας είναι η θέρμανση οικισμών. Η θερμική ενέργεια που δεσμεύεται από τη γεωθερμική πηγή διοχετεύεται προς τους χρήστες με την βοήθεια ενός δικτύου αγωγών (τηλεθέρμανση).
Στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές, μια άλλη εφαρμογή μπορεί να είναι θερμική αφαλάτωση θαλασσινού νερού, ενώ στις περιπτώσεις γεωθερμικών
18 ρευστών υψηλής θερμοκρασίας (>150οC) μπορεί να γίνει παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με την εκτόνωση ατμού.
Άλλη εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας εκμεταλλεύεται τις θερμές μάζες εδάφους ή υπογείων υδάτων για να κινήσουν θερμικές αντλίες για εφαρμογές θέρμανση και ψύξης [22], [4], [27], [25].
1.6 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Εφόσον αλλάξουμε συνήθειες και μάθουμε να ζούμε χωρίς σπατάλη και υπερβολές, υπάρχουν μεγάλα περιθώρια εξοικονόμησης, ιδιαίτερα στους παρακάτω τομείς:
- Στις μεταφορές
Η κατανάλωση ενέργειας στον τομέα των μεταφορών έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Το 60% της παγκόσμιας κατανάλωσης πετρελαιοειδών απορροφάται στις μεταφορές.
Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μέσο μεταφοράς είναι το αυτοκίνητο και ακολουθεί με μεγάλη διαφορά το αεροπλάνο, μετά το τρένο και το λεωφορείο. Η εξοικονόμηση ενέργειας στις μεταφορές υπόσχεται καλύτερη ποιότητα ζωής σε πόλεις πιο ανθρώπινες, καθαρές και ήσυχες.
Στα ιδιωτικά αυτοκίνητα, ο περιορισμός των άσκοπων μετακινήσεων και της επιθετικής οδήγησης, οι βελτιώσεις στην απόδοση του κινητήρα, η χρήση σύνθετων υλικών ελαφρότερων και ανθεκτικότερων του χάλυβα για να μειωθεί το μέγεθος και το βάρος τους, ακόμη η χρήση μικρών ηλεκτρικών αυτοκινήτων στις πόλεις μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας.
Στις συλλογικές μετακινήσεις, η προώθησή τους με την ενίσχυση του στόλου των μέσων μαζικής μεταφοράς, την αύξηση της ελκυστικότητάς τους, τη χρήση μέσων σταθερής τροχιάς, την ανάπτυξη και εκσυγχρονισμό των σιδηροδρόμων, και την ορθολογικότερη χρήση των μεταφορικών μέσων, ιδιαίτερα της μεταφοράς εμπορευμάτων μέσω των σιδηροδρόμων αντί των οδικών μέσων, θα συμβάλλουν θετικά στην κατεύθυνση αυτή.
Στον πολεοδομικό σχεδιασμό και στις κυκλοφοριακές συνθήκες, όπου η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με τη χωροθέτηση περιοχών όπου θα. απαγορεύεται ή θα περιορίζεται η κυκλοφορία των Ι.Χ. αυτοκινήτων, θα ενθαρρύνεται η χρήση του ποδηλάτου και
19 θα υπάρχουν χώροι ελεύθεροι για το παιχνίδι των παιδιών αλλά και την επικοινωνία των ανθρώπων.
Στη μείωση των μετακινήσεων με χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας, όπου αποφεύγονται πολλές μετακινήσεις και εξυπηρετούνται οι πολίτες στις σχέσεις τους με τις δημόσιες υπηρεσίες και στις εμπορικές συναλλαγές χρησιμοποιώντας τηλεπικοινωνιακά συστήματα.
- Στα κτίρια
Για τη θέρμανση, την ψύξη και το φωτισμό των κτιρίων στις σύγχρονες κοινωνίες καταναλώνεται περίπου το 1/3 της συνολικής ενέργειας και παράγεται το 40% του διοξειδίου του άνθρακα. Η σπατάλη που γίνεται στην ενέργεια είναι μεγάλη και μπορεί να περιορισθεί σημαντικά αν ληφθούν τα μέτρα όπως:
1. Η Βελτίωση της θερμομόνωσης των σπιτιών με τη χρήση δομικών υλικών.
2. Η ρύθμιση των θερμοστατών στους 18-19οC, η τακτική συντήρηση και ρύθμιση του καυστήρα και η αντικατάσταση παλιών λεβήτων με άλλους σύγχρονης τεχνολογίας.
3. Αποφυγή της χρήσης ηλεκτρικών θερμαντικών σωμάτων και θερμοσυσσωρευτών που καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια.
4. Για το δροσισμό των κτιρίων το καλοκαίρι, μπορούμε να χρησιμοποιούμε φυσικούς τρόπους όπως τοποθέτηση σκιάστρων, ανοιχτόχρωμα χρώματα στους εξωτερικούς τοίχους, ώστε να εξασφαλίζουμε περισσότερη δροσιά και να αποφεύγουμε τη χρήση των κλιματιστικών που καταναλώνουν ενέργεια.
5. Με την επιλογή των πιο ενεργειακά αποδοτικών οικιακών ηλεκτρικών συσκευών που εξασφαλίζει η σύγχρονη τεχνολογία.
6. Ειδικά για το φωτισμό των κτιρίων, σβήνοντας όσα φώτα δεν χρειάζονται και αντικαθιστούμε τους κοινούς λαμπτήρες με λαμπτήρες χαμηλής κατανάλωσης.
7. Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική με τις παρεμβάσεις της στο σχεδιασμό, στον τρόπο και στα υλικά κατασκευής, ικανοποιεί τις ανάγκες των κτιρίων για θέρμανση, φωτισμό και δροσισμό, τα εναρμονίζει με το φυσικό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας στοιχεία από αυτό, και εξασφαλίζει την εξοικονόμηση ενέργειας.
20 - Στη βιομηχανία
Στη βιομηχανία με τους διάφορους κλάδους της καταναλώνονται τεράστια ποσά ενέργειας, τόσο για την παραγωγή, τη διακίνηση και τη διαφήμιση των προϊόντων, όσο και για την παραγωγή των πρώτων υλών και τη μεταφορά τους στον τόπο επεξεργασίας. Σε βιομηχανίες που χρειάζονται στην παραγωγική τους διαδικασία μεγάλες ποσότητες ζεστού νερού ή ατμού, η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως κεντρικά ηλιακά συστήματα είτε για παραγωγή νερού χαμηλής θερμοκρασίας (< 50οC) για απευθείας χρήση είτε για προθέρμανση νερού - ατμού μέσης ή υψηλής θερμοκρασίας, μπορεί να προσφέρει σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας. Επίσης ως πηγή ενέργειας για αυτή την διαδικασία μπορεί να αξιοποιηθεί η βιομάζα.
Ένας άλλος τρόπος εξοικονόμησης ενέργειας είναι η ανακύκλωση των απορριπτόμενων προϊόντων, αφού η ενέργεια που απαιτείται για την κατεργασία των υλικών προς ανακύκλωση είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίστοιχη ενέργεια που απαιτείται για τις πρώτες ύλες.
Τα πρακτικά μέτρα για την εξοικονόμηση ενέργειας στη βιομηχανία επιτυγχάνονται κυρίως σε τρία επίπεδα: χωρίς κόστος, με χαμηλό κόστος και υψηλό κόστος. Τα μέτρα αυτά συνοψίζονται στον πίνακα 1 [17], [18].
21 Πίνακας 1: Πρακτικά μέτρα για την εξοικονόμηση ενέργειας στην βιομηχανία.
Μέτρα Παραδείγματα Έμφαση Ποσοστό
εξοικονόμησης
Μηδενικού κόστους
(¨Καλό νοικοκύρεμα¨)
Επαναρύθμιση των συστημάτων ελέγχου. Κλείσιμο
των διακοπτών όταν δεν λειτουργούν. Επισκευή
διαρροών.
Επαναπρογραμματισμός των φορτίων.
Ανθρώπινη συμπεριφορά με
τη χρήση της υπάρχουσας τεχνολογίας
10%
Χαμηλού κόστους
Συντήρηση. Μέτρα παρακολούθησης και στοχοθεσία. Απλά συστήματα ελέγχου. Μόνωση. Εκπαίδευση
τελικών χρηστών.
Συνδυασμός επενδύσεων χαμηλού κόστους
και ανθρώπινης συμπεριφοράς
10-15%
Υψηλού κόστους
Συστήματα ανάκτησης θερμότητας. Συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού.
Μετατροπή καυσίμων.
Συστήματα ενεργειακής διαχείρισης.
Επενδύσεις σε τεχνολογίες υψηλού κόστους
και μερική εμπλοκή ατόμων
20%
22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του ανέμου, που οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία και αποτελεί το 2% της προσπίπτουσας στην γη ακτινοβολίας του ηλίου. Αποτελεί, δηλαδή μια μορφή μηχανικής ενέργειας, που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος αξιοποιώντας την κίνηση του ανέμου. Κύριο πλεονέκτημα της είναι η αστείρευτη παροχή ενέργειας με αξιόλογο δυναμικό, αλλά και με μια εναλλακτική και προπαντός δωρεάν διαθέσιμη πρώτη ύλη, τον άνεμο. Φιλική προς το περιβάλλον με μοναδικές αρνητικές επιπτώσεις σε αυτό, τις οπτικές και ακουστικές οχλήσεις στην περιοχή λειτουργίας του αιολικού πάρκου.
2.2 ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Αρχικά η αιολική ενέργεια αξιοποιήθηκε στη ναυσιπλοΐα μετατρέποντας την ενέργεια του ανέμου σε κίνηση των πλοίων. Στην συνέχεια έκαναν την εμφάνιση τους οι πρώτοι ανεμόμυλοι που χρησιμοποιήθηκαν για άλεσμα δημητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεμόμυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6ο έως τον 9ο αιώνα μ.Χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 13ο αιώνα μ.Χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεμόμυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 13ο αιώνα και πιθανόν οι νερόμυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους. Το 17ο αιώνα η ‘τεχνολογία’
μεταφέρεται στην Αμερική όπου οι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού.
Στην χώρα μας (ειδικότερα στο Αιγαίο) η χρήση ανεμόμυλων χρονολογείται από το 13ο αιώνα.
Χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά ανεμόμυλοι κυρίως στην Ανατολική Κρήτη για την άντληση ποτιστικού νερού από πηγάδια. Οι ανεμόμυλοι αυτοί είναι σιδερένιοι με υφασμάτινα πανιά, και αναφέρονται συγκεντρωμένοι κύρια στο οροπέδιο του Λασιθίου. Την εποχή της άνθησής τους, πριν το 1940, υπήρξαν χιλιάδες ανεμόμυλοι ενώ σήμερα λειτουργούν περίπου χίλιοι. Παράλληλα στη Σητεία αναφέρθηκε μια ενδιαφέρουσα μέθοδος αντλιοταμίεσης, η οποία διερευνάται ως προς την οικονομικοτεχνική ελκυστικότητα της και σήμερα. Στην περίπτωση αυτή της Σητείας, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται για την άντληση νερού με την βοήθεια ανεμόμυλων, το οποίο αποθηκεύεται σε υψηλή δεξαμενή. Στη συνέχεια η διαθέσιμη υδατόπτωση χρησιμοποιείται κατά βούληση σε προσκείμενους νερόμυλους. Σημαντικός
23 αριθμός ανεμόμυλων βρέθηκε και στις Κυκλάδες, στη Ρόδο, στη Χίο και γενικότερα στα νησιά του Αιγαίου ειδικότερα το 1960 υπήρχαν 10.000 ανεμόμυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 2.500 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 600 στη Ρόδο. Ο τύπος του ανεμόμυλου που αναπτύχθηκε στη πατρίδα μας είναι οριζοντίου άξονα, σε πέτρινο κτίσμα με πάνινα πτερύγια (Μεσογειακός ανεμόμυλος).
Στις αρχές του αιώνα μας πρώτοι οι Δανοί παράγουν ηλεκτρισμό από τον άνεμο, ενώ στην Αμερική ανεμόμυλοι μεταλλικής κατασκευής χρησιμοποιούνται επίσης για ηλεκτροδότηση.
Έτσι το 1891 λειτούργησε στο Askov της Δανίας πειραματικός ανεμοκινητήρας με δύο ηλεκτρικές γεννήτριες (2Χ9ΚW) με διάμετρο 22.8 m κάτω από την επίβλεψη του καθηγητή P.La Cour. Αντίστοιχα τη δεκαετία του 1930 κατασκευάσθηκε στη βαλτική μηχανή 100 KW, με σχεδιαστική επίβλεψη του Sabanin και Υuriev. Τέλος το 1940 κατασκευάζεται στο Vermont των Η.Π.Α. ένας πειραματικός δίπτερος ανεμοκινητήρας (ανεμογεννήτρια) σημαντικής ισχύος.
Πριν 30 χρόνια, μια τυπική ανεμογεννήτρια ήταν της τάξης των 25 kW. Σήμερα, οι αιολικές μηχανές που κατασκευάζονται είναι της τάξης των 750-2.500 kW. Σήμερα η Δανία χώρα πλούσια σε αιολικό δυναμικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεμογεννητριών [30], [19].
2.3 ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ
Ο άνεμος σαν πηγή ενέργειας έχει το μειονέκτημα ότι είναι μεταβλητός, επομένως για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος να απαιτείται ο συνδυασμός της με άλλες πηγές ενέργειας. Σήμερα οι πλέον ανεπτυγμένες ανεμογεννήτριες είναι οριζοντίου άξονα με 2 ή 3 πτερύγια. Μία σύγχρονη ανεμογεννήτρια αποτελείται από τον πύργο στήριξης, τον ανεμοκινητήρα και την άτρακτο, μέσα στην οποία βρίσκονται ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης, η γεννήτρια και το σύστημα σύνδεσης της γεννήτριας με το δίκτυο. Στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα στην άτρακτο υπάρχει και το σύστημα προσανατολισμού τους, ανάλογα με τη διεύθυνση του ανέμου. Επίσης έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί κατάλληλα συστήματα ελέγχου και μετατροπείς ισχύος ώστε να είναι δυνατή η αυτόματη εκκίνηση ή παύση της ανεμογεννήτριας, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεφύγει από τα επιθυμητά όρια.
24 Διακρίνονται, όπως φαίνεται και στο σχήμα, τα εξής βασικά στοιχεία σε μία
ανεμογεννήτρια: [19], [8], [6], [30].
Σχήμα 2: Μέρη ανεμογεννήτριας.
(1) ελεγκτής ανέμου (11) Φορέας λεπίδας (2) γερανός συντήρησης (12) Λεπίδα
(3) ανώτερος ταχυτήτων (13) Σύστημα κλειδώματος δρομέα
(4) γεννήτρια (14) Υδραυλική μονάδα
(5) κύλινδρος ελέγχου (15) Διαφορικό
(6) Ψύκτρες νερού και λαδιού (16) Έδραση μηχανής
(7) Κιβώτιο (17) Δισκόφρενο
(8) Βασικός άξονας (18) Γρανάζι παρεκκλίσεων
(9) Σύστημα ελέγχου (19) Σύνθετος βραχίονας σύζευξης δίσκων
(10) Βάση λεπίδων
25 2.4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ
Περιγράφοντας συνοπτικά τη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας, αρχικά η κινητική ενέργεια του ανέμου προσκρούει στην φτερωτή μετατρέπεται σε στρεφόμενη μηχανική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια διοχετεύεται μέσω του άξονα στο ρότορα της γεννήτριας. Σε κάποιες περιπτώσεις, μεταξύ του δρομέα και της γεννήτριας, παρεμβάλλεται κιβώτιο ταχυτήτων, που πολλαπλασιάζει τις στροφές του άξονα χαμηλών στροφών. Στο ρότορα της γεννήτριας, η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και αποδίδεται στο δίκτυο, ενώ συνηθίζεται να παρεμβάλλεται και ένας μετασχηματιστής ανύψωσης για την προσαρμογή της τάσης σε αυτή του δικτύου.
Προκειμένου να επιτυγχάνεται καλύτερη λειτουργία της ανεμογεννήτριας, χρησιμοποιούνται μηχανισμοί ελέγχου τόσο του μηχανικού όσο και του ηλεκτρικού τμήματός της. Ο μηχανισμός περιστροφής και προσανατολισμού (yaw control) περιστρέφει την άτρακτο και την έλικα, ώστε το επίπεδο περιστροφής του δρομέα να είναι συνεχώς κάθετο προς την κατεύθυνση του ανέμου ώστε ο δρομέας να εκμεταλλεύεται στο μέγιστο την ενέργεια του. Βέβαια, τα στρεφόμενα πτερύγια, έχοντας μεγάλες σταθερές αδράνειας, παράγουν υψηλές γυροσκοπικές ροπές κατά τη διάρκεια του προσανατολισμού, που συχνά έχουν ως αποτέλεσμα υψηλό θόρυβο, ο οποίος υπερβαίνει τα τοπικά αποδεκτά όρια.
Ο έλεγχος της γωνίας βήματος πραγματοποιείται μέσω ενός σερβομηχανισμού, που αλλάζει τη γωνία των πτερυγίων, με σκοπό την ελεγχόμενη εκμετάλλευση ισχύος σε διάφορες ταχύτητες ανέμου. Στις περισσότερες συνδεσμολογίες ανεμογεννητριών χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά ισχύος, τα οποία παρεμβάλλονται μεταξύ της γεννήτριας και του δικτύου, μέσω των οποίων ελέγχεται η ισχύς που ανταλλάσσεται μεταξύ της γεννήτριας και του δικτύου.
Τέλος, διατάξεις αντιστάθμισης είναι απαραίτητες για τη βελτίωση της παραγόμενης ισχύος, ενώ διατάξεις, όπως το σύστημα ομαλής εκκίνησης και ο διακόπτης αποσύνδεσης, διασφαλίζουν την ομαλή ζεύξη αλλά και απόζευξή της, όταν αυτό είναι απαραίτητο, όπως σε περίπτωση βραχυκυκλώματος [7].
2.5 ΙΣΧΥΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ – ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ
Τρεις είναι οι βασικοί νόμοι για τον υπολογισμό της ισχύος που παράγει μια ανεμογεννήτρια είναι οι εξής:
26 1. Η παραγόμενη από τον άνεμο ισχύς είναι ανάλογη της τρίτης δύναμης της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι αν για παράδειγμα τριπλασιαστεί η ταχύτητα του ανέμου τότε η ισχύς γίνεται 27 φορές μεγαλύτερη.
2. Η παραγόμενη από τον άνεμο ισχύς είναι ανάλογη της επιφάνειας που σαρώνουν οι πτέρυγες της ανεμογεννήτριας. Καθώς η επιφάνεια αυτή είναι ένας κυκλικός δίσκος τελικά προκύπτει ότι η ισχύς είναι ανάλογη του τετραγώνου της ακτίνας της πτέρυγας. Μια ανεμογεννήτρια δηλαδή η οποία διαθέτει πτερύγια διπλάσιας ακτίνας θα παράγει τετραπλάσια ισχύ σε σχέση με κάποια άλλη ανεμογεννήτρια.
Υπολογισμός αιολικής ενέργειας
• Η χρήσιμη κινητική ενέργεια του ανέμου είναι
2
2 1mu
Ek (i) m pAVt (ii)
• V= Ταχύτητα ανέμου(m/sec)
• p= Πυκνότητα (Kg/m2)
• A= Επιφάνεια m2 (προσβαλλόμενη)
• t= Χρόνος (sec)
3. Υπάρχει ένα ανώτερο όριο στη μέγιστη απόδοση μιας ανεμογεννήτριας. Ο Albert Betz υπολόγισε ότι το μέγιστο που μπορούμε να μετατρέψουμε από την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ενέργεια με την κίνηση ενός ρότορα (όπως σε μια ανεμογεννήτρια) είναι 59,3%.
Γενικά οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται έτσι ώστε να λειτουργούν ανάμεσα σε συγκεκριμένες ταχύτητες ανέμου. Το κατώτερο όριο λειτουργίας ονομάζεται ταχύτητα εμπλοκής και είναι 4-5 m/s. Κάτω από αυτές τις ταχύτητες ανέμου η ανεμογεννήτρια τίθεται εκτός λειτουργίας καθώς η ενέργεια που παράγει δεν αρκεί για να υπερκεραστούν οι απώλειες του συστήματος. Τέλος η ανώτερη ταχύτητα ανέμου που μπορεί να αντέξει η ανεμογεν