Dane oryginału:

RENEWABLE ENERGY: A VERY SHORT INTRODUCTION, FIRST EDITION was originally published in English in 2020. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Polish Scientific Publishers PWN is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.

© Nick Jelley 2020

The moral rights of the author have been asserted

First edition published in 2020

Wydanie polskie:

Tłumaczenie: Agnieszka Adamczyk

Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Ilustracja na okładce: off/123RF

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN: Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w intrenecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN: 978-83-01-22251-2

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (wyd. I)

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Podziękowania

Wykaz skrótów

Rozdział 1. Czym są odnawialne źródła energii?

Energia ze źródeł odnawialnych

Wczesne źródła energii

Energia wiatrowa

Energia wodna

Rozkwit paliw kopalnych

Odrodzenie odnawialnych źródeł energii

Działania wspierające źródła odnawialne

Znaczenie energii w społeczeństwie

Globalne zużycie energii

Rozdział 2. Dlaczego potrzebujemy źródeł odnawialnych?

Niebezpieczeństwa związane z paliwami kopalnymi

Efekt cieplarniany a globalne ocieplenie

Zmiana klimatu

Emisja dwutlenku węgla musi spaść

Odnawialne źródła energii jako alternatywa dla paliw kopalnych

Ekonomika energetyki odnawialnej

Obszar lądowy lub morski niezbędny dla odnawialnych źródeł energii

Zmienność energii odnawialnej

Alternatywne źródła niskoemisyjne

Rozdział 3. Biomasa, energia słoneczna i wodna

Biomasa

Biomasa tradycyjna

Biopaliwa

Wpływ na środowisko i zaawansowane biopaliwa

Potencjał biomasy

Energia słoneczna

Ciepło słoneczne do wytwarzania energii

Perspektywy dotyczące ciepła słonecznego

Energia wodna

Wpływ energetyki wodnej na środowisko i społeczeństwo

Potencjał energetyki wodnej

Rozdział 4. Energetyka wiatrowa

Nowoczesne turbiny wiatrowe

Rozmieszczenie turbin wiatrowych

Farmy wiatrowe

Morskie farmy wiatrowe

Oddziaływanie na środowisko

Koszt energii wiatrowej

Globalny potencjał wiatru

Perspektywy dla energetyki wiatrowej

Rozdział 5. Fotowoltaika

Produkcja krzemowych ogniw słonecznych

Działanie krzemowych ogniw słonecznych

Rozwój technologii ogniw słonecznych

Oddziaływanie na środowisko

Ekonomika krzemowych ogniw słonecznych

Globalny potencjał fotowoltaiki

Rozwój fotowoltaiki

Perspektywy dla fotowoltaiki

Rozdział 6. Inne technologie niskoemisyjne

Energia pływów

Potencjał energii pływowej

Energia fal

Perspektywy dla energii fal

Energia geotermalna

Perspektywy dla energii geotermalnej

Rozwój technologii hot-dry-rock

Energia jądrowa

Nowoczesne reaktory

Perspektywy dla energetyki jądrowej

Wychwytywanie (sekwestracja) dwutlenku węgla

Przyszłość sekwestracji dwutlenku węgla

Całkowity potencjał niskoemisyjny

Rozdział 7. Energia elektryczna ze źródeł odnawialnych i magazyny energii

Sieci elektryczne

Energia elektryczna przede wszystkim ze źródeł odnawialnych

Magazynowanie energii elektrycznej

Technologia vehicle-to-grid

Akumulatory przepływowe

Technologia power-to-gas i inne metody magazynowania

Rozdział 8. Dekarbonizacja przemysłu grzewczego i transportu

Pompy ciepła

Czyste paliwa – bioenergia i wodór

Ciepłownictwo przemysłowe

Dekarbonizacja transportu: pojazdy elektryczne

Koszt i perspektywy pojazdów elektrycznych

Ogniwa paliwowe

Rozdział 9. Przejście na odnawialne źródła energii

Globalna emisja dwutlenku węgla

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię

Cele dla energii odnawialnej

Redukcja paliw kopalnych

Zwiększanie energii odnawialnej

Działania, które należy podjąć

Literatura uzupełniająca

Weblinks

Przypisy

Podziękowania

Za wszystkie dyskusje na temat energii odnawialnej pragnę podziękować następującym osobom: Johnowi Andrewsowi, Conyersowi Davisowi oraz kolegom ze Schwarzenegger Institute w Los Angeles, Nickowi Eyre’owi, Chrisowi Goodallowi, Mike’owi Masonowi, Moritzowi Riede, Gerardowi van Busselowi i Simonowi Watsonowi. Jestem również bardzo wdzięczny Lathi Menon za jej cenne spostrzeżenia oraz całemu zespołowi Oxford University Press za pomoc w przygotowaniu manuskryptu do publikacji.

Przede wszystkim chcę podziękować mojej żonie Jane, której wsparcie i uwagi były bezcenne, a także Johnowi, Tessie i Piernicoli za doping i mobilizację do pracy.

Wykaz skrótów

AC – prąd zmienny

AI (SI) – sztuczna inteligencja

CHP – kongeneracja (ogrzewanie + energia)

CO_2 – dwutlenek węgla

DC – prąd stały

eV – elektronowolt, jednostka energii stosowana w fizyce

GDP (PKB) – produkt krajowy brutto

Gt CO_2 – gigatona dwutlenku węgla

GW – gigawat, tysiąc megawatów

GWp – gigawatopik, tysiąc milionów watopików

HVAC – prąd zmienny wysokiego napięcia

HVDC – prąd stały wysokiego napięcia

kW – kilowat (tysiąc watów), jednostka mocy

kWh – kilowatogodzina, jednostka mocy

kWp – kilowatopik, tysiąc watopików

kV – kilowolt

LED – dioda elektroluminescencyjna

MW – megawat, tysiąc kilowatów

MWh – megawatogodzina, tysiąc kilowatogodzin

PV – fotowoltaika

TW – terawat, tysiąc gigawatów

TWh – terawatogodzina, tysiąc milionów (bilion) kilowatogodzin

Wp – watopik, jednostka mocy modułu solarnego

Rozdział 1

Czym są odnawialne źródła energii?

W życiu codziennym wykorzystujemy energię przez cały czas: gdy rozmawiamy przez telefon, gotujemy wodę lub prowadzimy samochód. Dostęp do energii ma wpływ na wysoką jakość życia: zapewnia ciepło, produkcję żywności i technologię zasilania; w ostatnich 200 latach do jej produkcji coraz bardziej wykorzystywaliśmy paliwa kopalne. Jednak spalanie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego powoduje uwalnianie ogromnych ilości dwutlenku węgla (CO_2) do atmosfery, a także wytwarza niezwykle szkodliwe dla naszego zdrowia i dla środowiska naturalnego zanieczyszczenia. Mimo to najprościej byłoby dalej je użytkować, tym bardziej że zasoby paliw kopalnych wystarczą na kolejnych kilkaset lat. Jednak dalszy wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze, który już obecnie poważnie zaburza równowagę klimatyczną, spowodowałby dramatyczne zmiany związane z globalnym ociepleniem i naraziłby na niebezpieczeństwo wiele milionów istnień ludzkich jeszcze przed końcem XXI w. W tej chwili zanieczyszczenie powietrza powoduje co roku 7 mln przedwczesnych zgonów.

Energia ze źródeł odnawialnych

Na szczęście wykorzystanie niektórych źródeł energii, w szczególności użytkowanie energii słonecznej, wiatrowej i wodnej, nie wiąże się z tymi szkodliwymi konsekwencjami. W wielu częściach świata generatory energii słonecznej i wiatrowej stają się obecnie najtańszymi źródłami zasilania i są realną alternatywą dla paliw kopalnych. Co więcej, te źródła energii są odnawialne, ponieważ mogą się samoistnie uzupełniać w ciągu od paru dni lub do kilku dekad. Jeśli produkowana energia jest przystępna cenowo, a jej wytwarzanie nie jest szkodliwe dla ludzi ani dla środowiska (co może się zdarzyć np. wtedy, gdy lasy są wycinane pod uprawy energetyczne[1]), to dostawy energii odnawialnej są zrównoważone. Taka zrównoważona energia przynosi wiele natychmiastowych korzyści. Może zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza, które jest plagą wielu miast, zapewnić tańszą energię oraz sporo nowych miejsc pracy, a także zagwarantować niedrogie bezpieczeństwo energetyczne milionom ludzi.

Jeszcze kilka lat temu rezygnacja z paliw kopalnych w walce z globalnym ociepleniem byłaby bardzo trudna z powodu tradycyjnego podejścia do tej kwestii zakorzenionego w społeczeństwie, a każda alternatywa była bardzo kosztowna. Ponadto ponieważ zmiany klimatyczne wydawały się jedynie stopniowym i odległym zagrożeniem, niewywołującym gwałtownych emocji ani chęci do natychmiastowej reakcji, wiele osób i rządów było niechętnych podejmowaniu działań. Teraz jednak zagrożenie jest znacznie bliższe, więc odejście od paliw kopalnych na rzecz źródeł odnawialnych stało się krokiem koniecznym.

Słońce jest najważniejszym źródłem energii odnawialnej. Jego promieniowanie zapewnia światło do oświetlenia, ciepło do ogrzewania i gotowania. Może być również przekształcane w energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Różnice w absorpcji promieni słonecznych powodują zróżnicowanie w temperaturach na powierzchni Ziemi, dzięki czemu powstaje wiatr, który można wykorzystywać do napędzania turbin wiatrowych. Rzeki są źródłem energii wodnej; są także częścią naturalnego cyklu, w którym opady deszczu z chmur spływają ciekami do morza, a parowanie wody do atmosfery, wywołane ciepłem promieni słonecznych, powoduje powstawanie chmur. Rośliny czerpią energię z fotosyntezy, podczas której dwutlenek węgla i woda są przekształcane w węglowodany dzięki światłu słonecznemu. Rośliny dostarczają pożywienia, a także mogą być źródłem paliwa do ogrzewania i napędzania silników. Słońce i wiatr są w stanie dostarczyć całą energię, której potrzebuje świat, a nawet wielokrotnie więcej, niż jest to konieczne.

Wczesne źródła energii

Aż do XVIII w. prawie wszystkie źródła energii były źródłami odnawialnymi. Rośliny i zwierzęta były źródłem żywności i surowców, takich jak drewno, nawóz, olej i tłuszcz, służących do gotowania, ogrzewania, oświetlenia i budowy schronienia; są one obecnie określane mianem biomasy tradycyjnej. W epoce brązu węgiel drzewny, wytwarzany przez spalanie drewna przy ograniczonym dopływie powietrza, spalający się w wyższej temperaturze, umożliwił oczyszczanie rud różnych metali. Przez wiele stuleci zwierzęta ułatwiały wiele zadań, a konie i woły zapewniały energię i transport.

Podstawowym zastosowaniem energii słonecznej, oprócz jej znaczenia dla uprawy żywności, było ogrzewanie i oświetlenie domostw. Starożytni Grecy i Chińczycy budowali domy z głównymi pokojami wychodzącymi na południe, aby były jak najbardziej nasłonecznione, a Rzymianie stosowali szklane szyby, które pomagały zatrzymać ciepło wewnątrz pomieszczeń. W gorącym i suchym klimacie zwykle budowano domy o bardzo grubych ścianach, aby nie dopuścić do nagrzewania się wnętrz w ciągu dnia i zatrzymać ciepło w nocy. Ciepło słoneczne było również wykorzystywane do suszenia materiałów, np. gliny na cegły, oraz do konserwowania żywności.

Do ogrzewania i oświetlania wykorzystywano czasami węgiel, torf i ropę naftową, choć ich użycie było zwykle ograniczone. W nielicznych miejscach dostępna była energia geotermalna pod postacią gorących źródeł. Jest to odnawialne źródło energii, ponieważ pochodzi z ciepła wydzielanego z wnętrza Ziemi. Starożytni Rzymianie wykorzystywali gorące źródła w niektórych łaźniach, co można nadal zobaczyć w Pompejach.

Przypisy

[1] Uprawy energetyczne – uprawy roślin w celu pozyskania biomasy z przeznaczeniem na cele energetyczne, czyli do produkcji energii cieplnej, energii elektrycznej oraz paliwa gazowego (biogazu) lub ciekłego (wszystkie przypisy w tekście pochodzą od tłumaczki).