Kierunki i perspektywy rozwoju odnawialnych źródeł energii. Wybrane aspekty

Kierunki i perspektywy rozwoju odnawialnych źródeł energii. Wybrane aspekty

Zwycięzca w konkursie TECHNICUS 2023 na najlepszą książkę szerzącą wiedzę techniczną oraz wyróżnienie specjalne dla Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej

rok wydania: 2022, wydanie pierwsze
ISBN: 978-83-7193-874-0
ilość stron: 194

Przedmowa

Konsekwentna polityka Unii Europejskiej w kwestii powstrzymania niekorzystnych zmian klimatu, związanych z emisją dwutlenku węgla, wymusiła na krajach członkowskich różnorodne działania, między innymi rozwój sektora odnawialnych źródeł energii. Obecna sytuacja geopolityczna sprawia, że ceny surowców gwałtownie rosną, a niezależność energetyczna staje się obecnie głównym celem Europy.
Nie ulega wątpliwości, że kluczową rolę w tej energetycznej transformacji odegrają odnawialne źródła energii. Dużym i trwałym efektem będzie znaczne przyspieszenie inwestycji w energię odnawialną przy znacznie większej ilości energii słonecznej i wiatrowej zarówno na lądzie, jak i na morzu. Fakt, że ekoenergetyczne rozwiązania gwarantują zerową emisję, był zwykle postrzegany jako główna zaleta energii odnawialnej. Od tej chwili kraje importujące energię będą również przywiązywać dużą wagę do energii odnawialnej traktowanej jako energia lokalna.

Książka obejmuje zagadnienia dotyczące szeroko rozumianych odnawialnych źródeł energii.

W rozdziale 1 Krajowy System Elektroenergetyczny omówiono takie zagadnienia, jak: wytwarzanie i struktura produkcji energii elektrycznej, także w małych instalacjach, sieć przesyłowa i dystrybucyjna, kierunki innowacji w obszarze dystrybucji, straty energii w sieciach dystrybucyjnych.

Rozdział 2 Podstawy wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii omawia podstawowe informacje związane z procesami oraz instalacjami znajdującymi swoje miejsce podczas wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Zaprezentowano podstawy zjawiska fotoelektrycznego oraz konwersji energii kinetycznej płynów na energię elektryczną, a także omówiono skrótowo systemy energetyki wiatrowej, słonecznej i wodnej.

W rozdziale 3 Energetyka wiatrowa przedstawiono przegląd różnych podejść projektowych i omówiono takie kwestie, jak historyczny rozwój energetyki wiatrowej, podstawy teoretyczne konwersji energii wiatru, klasyfikacja i budowa turbin wiatrowych, a także aktualny stan rozwoju energetyki wiatrowej na świecie, w Europie i w Polsce.

Rozdział 4 Instalacje fotowoltaiczne opisuje źródło energii słonecznej, przedstawia wartości natężenia promieniowania słonecznego na terenie Polski. Prezentuje rodzaje promieniowania słonecznego oraz strukturę produkcji energii elektrycznej w Polsce w 2021 roku z wyszczególnieniem energetyki słonecznej. Omawia rodzaje modułów fotowoltaicznych oraz falowników i sposoby podłączenia instalacji fotowoltaicznej do sieci elektroenergetycznej.

Rozdział 5 Podstawy zwiększenia efektywności wytwarzania energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych zawiera takie zagadnienia, jak: wytwarzanie energii w systemach fotowoltaicznych czy też systemy wykorzystane w panelach fotowoltaicznych.

Rozdział 6 Spalanie palm kernel schell w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej przedstawia wyniki kompleksowych badań procesu spalania biomasy stałej – palm kernel shell (PKS), w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej. Wykonano analizę techniczną i elementarną paliwa, badano skład gazów spalinowych powstających ze spalania PKS, wykonano również badania procesu narastania osadów na tzw. sondzie do foulingu. Energetyczne wykorzystanie PKS minimalizuje ryzyko wystąpienia problemów eksploatacyjnych, takich jak popielenie, żużlowanie czy też korozja. PKS może stanowić wartościowe paliwo dla energetyki i ciepłownictwa.

Rozdział 7 Magazynowanie energii elektrycznej prezentuje przegląd elektrochemicznych systemów magazynowania energii elektrycznej. Omawia zasadę ich działania oraz sposoby wykorzystania w kompleksowych systemach energetyki odnawialnej. Wskazuje zalety i wady najbardziej rozpowszechnionych akumulatorów elektrycznych. Zaproponowano również teoretyczne podejścia do wykonywania obliczeń systemów akumulatorowych dla elektrowni słonecznych i wiatrowych.

Rozdział 8 Niezawodność systemu dystrybucji energii w aspekcie elektromobilności zawiera ogólną ocenę poziomu niezawodności krajowego systemu dystrybucyjnego oraz przedstawia wybrane problemy związane z rozwojem elektromobilności w Polsce.

W rozdziale 9 Systemowe aspekty rozwoju OZE omówiono prognozy krajowe rozwoju i wykorzystania OZE w systemie elektro-energetycznym, aspekty prawne przyłączy OZE, systemy ekonomiczne wsparcia OZE, nowoczesne technologie wspierające produkcję energii elektrycznej z OZE –magazyny energii, rynek usług regulacyjnych w systemie elektroenergetycznym w sytuacji zwiększającego udziału OZE, efektywność ekonomiczną instalacji OZE, efektywność ekonomiczną technologii OZE – analiza przypadku, grid parity technologii OZE w Polsce.

W rozdziale 10 Cyfryzacja w energetyce: nowe możliwości i wyzwania pokazano sposoby i środki cyfrowej transformacji przedmiotowego sektora gospodarki. Zwrócono uwagę na rolę odnawialnych źródeł energii, co złagodzi zmiany klimatyczne, jednak będzie wymagać nowych podejść do ich integracji z systemem energetycznym. Nowoczesne technologie, przede wszystkim takie jak Internet Rzeczy, będą miały szerokie zastosowanie w energetyce, tj. w produkcji, dostawach, transporcie, dystrybucji i zapotrzebowaniu na energię. Technologie cyfrowe mają potencjał do wykorzystania w budowie inteligentnych sieci elektroenergetycznych, zwiększenia efektywności energetycznej, zwiększenia udziału energii odnawialnej w sektorze energetycznym oraz zmniejszenia wpływu zużycia energii elektrycznej na środowisko. Ponadto rozpatrzono możliwe problemy wdrożenia technologii cyfrowych w energetyce, obejmujące m.in. poufność i bezpieczeństwo. Ustalono, że w celu maksymalizacji potencjału cyfrowej transformacji energetyki konieczne jest wypracowanie wspólnych podejść i systemowej wizji cyfryzacji, która byłaby jasna i wspólna dla wszystkich podmiotów w branży.

Rozdział 11 Aspekty formalnoprawne OZE obejmuje problematykę: międzynarodowe organizacje i dokumenty normatywne, dokumenty UE w zakresie OZE, polskie dokumenty w zakresie OZE.

Książka będzie pomocna pracownikom naukowo-dydaktycznym zajmującym się tematyką hybrydowego zasilania systemu elektroenergetycznego oraz przedstawicielom szczebla zarządzającego przedsiębiorstw funkcjonujących w sektorze energetycznym.

Spis treści

Przedmowa / 7

1. Krajowy System Elektroenergetyczny / 9
1.1. Wprowadzenie / 9
1.2. Wytwarzanie energii elektrycznej / 9
1.3. Struktura produkcji energii elektrycznej w małych instalacjach / 13
1.4. Sieć przesyłowa / 15
1.5. Sieci dystrybucyjne / 18
1.6. Kierunki innowacji w obszarze dystrybucji / 22
1.7. Straty energii w sieciach dystrybucyjnych / 22
Literatura / 27

2. Podstawy wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii / 29
2.1. Wprowadzenie / 29
2.2. Wady i zalety odnawialnych źródeł energii / 29
2.3. Wytwarzanie energii elektrycznej z OZE / 33
2.4. Konwersja energii wiatrowej na energię elektryczną / 33
2.5. Konwersja energii wodnej na energię elektryczną / 35
2.6. Konwersja energii słonecznej na energię elektryczną / 37
2.7. System PV typu off-grid i on-grid / 40
Literatura / 41

3. Energetyka wiatrowa / 43
3.1. Wprowadzenie / 43
3.2. Rys historyczny rozwoju energetyki wiatrowej / 44
3.2.1. Wytwarzanie energii mechanicznej / 44
3.2.2. Wytwarzanie energii elektrycznej / 46
3.3. Podstawy konwersji energii wiatru / 48
3.4. Klasyfikacja i budowa turbin wiatrowych / 52
3.4.1. Turbiny wiatrowe typu HAWT / 52
3.4.2. Turbiny wiatrowe typu VAWT / 55
3.5. Aktualny stan rozwoju energetyki wiatrowej / 56
3.5.1. Energetyka wiatrowa na świecie / 56
3.5.2. Energetyka wiatrowa w Europie / 57
3.5.3. Energetyka wiatrowa w Polsce / 58
Podsumowanie / 59
Literatura / 59

4. Instalacje fotowoltaiczne / 61
4.1. Wprowadzenie / 61
4.2. Promieniowanie słoneczne / 61
4.3. Produkcja energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznych w Polsce / 63
4.4. Panele fotowoltaiczne / 65
4.5. Falowniki / 70
4.6. Przyłączenie instalacji fotowoltaicznej do sieci elektroenergetycznej / 72
Podsumowanie / 73
Literatura / 73

5. Podstawy zwiększenia efektywności wytwarzania energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych/ 74
5.1. Wytwarzanie energii w systemach fotowoltaicznych / 74
5.2. Systemy wykorzystywane w panelach fotowoltaicznych / 79
Podsumowanie / 87
Literatura 88

6. Spalanie palm kernel schell w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej / 89
6.1. Wprowadzenie / 89
6.2. Metodyka badań / 90
6.3. Wyniki badań / 93
6.4. Profil temperatury / 95
6.5. Skład gazów spalinowych i emisje substancji zanieczyszczających / 96
6.6. Badania procesu foulingu / 98
6.7. Skład chemiczny popiołów / 99
Wnioski / 100
Literatura / 101

7. Magazynowanie energii elektrycznej/ 102
7.1. Wprowadzenie / 102
7.2. Elektrochemiczne akumulatory energii elektrycznej i ich charakterystyka / 103
7.3. Hermetyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe, technologia dryfit / 106
7.4. Nowe typy akumulatorów elektrochemicznych i systemów
magazynowania energii elektrycznej / 109
7.5. Obliczanie systemów magazynowania energii / 116
Podsumowanie / 120
Literatura / 120

8. Niezawodność systemu dystrybucji energii w aspekcie elektromobilności / 122
8.1. Wprowadzenie / 122
8.2. Niezawodność systemu dystrybucyjnego / 123
8.3. Rozwój elektromobilności w Polsce / 128
8.4. Wsparcie rozwoju elektromobilności w Polsce / 132
Podsumowanie / 134
Literatura / 134

9. Systemowe aspekty rozwoju OZE / 136
9.1. Prognozy krajowe rozwoju i wykorzystania OZE w systemie elektroenergetycznym / 136
9.2. Aspekty prawne przyłączy OZE / 140
9.3. Systemy ekonomiczne wsparcia OZE / 141
9.4. Nowoczesne technologie wspierające produkcję energii elektrycznej
z OZE – magazyny energii / 144
9.5. Rynek usług regulacyjnych w systemie elektroenergetycznym w sytuacji zwiększającego się udziału OZE / 145
9.6. Efektywność ekonomiczna instalacji OZE / 147
9.6.1. Metoda wartości zaktualizowanej netto NPV / 147
9.6.2. Niepewność dotycząca stopy dyskonta – ryzyko rynkowe inwestowania / 149
9.6.3. Uwagi do metod wyznaczania kosztu wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach / 151
9.7. Efektywność ekonomiczna technologii OZE – analiza przypadku / 154
9.8. Grid parity technologii OZE w Polsce / 156
Literatura / 158

10. Cyfryzacja w energetyce: nowe możliwości i wyzwania / 160
10.1. Wprowadzenie / 160
10.2. Prognozy rozwoju energetyki światowej i polskiej / 161
10.3. Perspektywy cyfryzacji w energetyce / 165
10.4. Wyzwania związane z cyfryzacją w energetyce / 170
Podsumowanie / 171
Literatura / 172

11. Aspekty formalnoprawne OZE / 174
11.1. Międzynarodowe organizacje i dokumenty normatywne / 174
11.2. Dokumenty UE w zakresie OZE / 176
11.2.1. Charakterystyka dokumentów prawnych UE / 176
11.2.2. Dokumenty UE / 177
11.3. Polskie dokumenty w zakresie OZE / 181
11.3.1. Charakterystyka dokumentów prawnych / 181
11.3.2. Dokumenty Polski w sprawie OZE / 182
11.3.3. Wykaz najważniejszych polskich aktów prawnych dotyczących OZE / 187

Literatura / 188
Spis rysunków / 189
Spis tabel / 193