3.1.5. Обновљиви извори енергије

Као што смо већ видели, обновљиви извори енергије користе природне процесе и ресурсе који су или готово неисцрпни или се релативно брзо и природно обнављају. Они укључују Сунчево зрачење, ветар, текућу воду, енергију плиме и топлоту земље. Све ове врсте енергије често се називају „алтернативним“ или „зеленим“ јер, за разлику од угљоводоничних горива, верује се да нису штетне за окружење и климу. У њих спада и биомаса, иако је она посебан случај, из различитих разлога.

Према подацима Међународне агенције за енергију, око 20% светске производње електричне енергије сада потиче из обновљивих извора. Стручњаци су припремили различите сценарије за развој обновљиве енергије у будућности. Према најповољнијем сценарију, до 2050. године до 60% целокупне електричне енергије може бити произведено из обновљивих извора,  не утичући на климу.

Пре више од сто година, Никола Тесла, велики проналазач и научник, предвидео је потребу за чистом и по животну средину безбедном електричном енергијом. Његов систем наизменичне струје је стандард електричне енергије у данашњем свету. Електрична енергија је ефикасна, лако преносива и доступна из обновљивих извора. Прва велика електрана на свету заснована на Теслином систему, изграђена на Нијагариним водопадима 1895. године,.производила је електричну енергију из обновљивих извора.

Сунце

Сунце је извор енергије коју је сама природа обезбедила за стварање живота на Земљи. Па зашто да не истражимо начине директне употребе Сунчеве енергије? Сунчево зрачење греје сваки квадратни метар Земље просечно снагом од око једног киловата.

Свака соба која има прозоре, постаје топла када сунце сија. Ако вам сунце сија кроз прозор, а унутра је прилично хладно, отворите завесе и обришите прашину са прозорског стакла и сунце ће унети мало више топлоте у вашу собу. Некада давно у европским селима користили су се дрвени капци за прозоре. Дању би се отварали прозори да светлост испуни просторије, а ноћу би се затварали капцима, како би се задржала топлота у кући.

Напретком науке, откривене су боље технике за „коришћење Сунца“. Постоје два главна начина коришћења Сунчеве енергије.

Соларни колектори користе топлоту сунца. Вода тече дуж цеви унутар колектора и греје се (уместо воде се понекад користи ваздух или антифриз). Такви колектори се могу користити за грејање зграда и за снабдевање топлом водом. Фотонапонски панели су још један од широко коришћених начина прикупљања и складиштења соларне енергије. Фотонапонске ћелије претварају Сунчеву светлост у електричну енергију. Свима су нам познати калкулатори који користе фотонапонске ћелије и баштенски лампиони, који током дана прикупљају енергију и ноћу дају светлост. Велике електране на соларну енергију – такозване „соларне фарме“- раде по потпуно истом принципу.

Фотонапонске ћелије се такође могу користити за напајање различитих превозних средстава: чамаца, аутомобила, па чак и авиона! У Италији и Јапану фотонапонске ћелије су инсталиране на крову возова и служе за за производњу електричне енергије за климатизацију, осветљење и алармне системе.

Главне предности соларне енергије су у томе што је она бесплатна и доступна, неисцрпна и сигурна. Соларне инсталације не емитују гасове са ефектом стаклене баште или загађујуће материје, тако да је овај начин добијања енергије безопасан за климу.

Недостаци соларне енергије су зависност од временских прилика и доба дана, као и високи трошкови изградње, због употребе ретких елемената приликом производње соларних панела. Међутим, нове технологије постепено смањују трошкове соларних инсталација и проширују сферу њихове примене. Постоје проблеми повезани са одлагањем искоришћених соларних ћелија, јер садрже неке отровне материје. Тржиште за рециклажу соларних панела још није оформљено, а панели имају рок употребе од неколико деценија. Други недостатак је потрошња енергије и велике количине чисте воде за производњу соларних панела. Дизајнери раде на новим соларним ћелијама које имају мањи негативан утицај на животну средину, а произвођачи се труде да развију системе за одлагање и рециклирање искоришћених панела.

Многи стручњаци виде соларну енергију као енергију будућности и као једну од главних алтернатива традиционалним угљоводоничним изворима енергије. Владе многих земаља подржавају развој соларне енергије, а приватне компаније улажу велике количине новца у изградњу соларних електрана. Иако није позната као сунчана земља, Кина је постала светски лидер у развоју соларне енергије. Остале водеће земље у овој области су САД, Јапан, Немачка, Индија, Италија и Аустралија.

Ветар

Ветар је још један од често коришћених обновљивих извора енергије. Принцип који стоји иза снаге ветра је да се механичка енергија (енергија покрета) може претворити у електричну. Минијатурне ветрењаче и играчке покретане ветром забавне су за игру, али ако изградите огромне ветрењаче и групишете их у ветровито подручје, ротација турбина може произвести електричну енергију за јавну употребу.

Ветрењаче су се користиле од давнина, али постале су посебно популарне у средњовековној Европи. Дуго су ветрењаче и водени млинови били једине машине познате човечанству. Ветрењаче су углавном коришћене за млевење кукуруза у брашно, прераду дрвета или за наводњавање. У Холандији су ветрењаче црпеле воду из земље која је добијена повлачењем мора, како би се могла користити за пољопривреду.

Савремене ветроелектране користе исти принцип као принцип ветрењача.

Ветрењаче се обично налазе у приобалним подручјима, где дувају стални ветрови, а недавно је постала могућа изградња таквих инсталација и на мору и на копну. Такозване „офшор ветроелектране“ сада се граде на удаљености од 10–12 km или више од обале. Торњеви ветрењача постављени су на темељима од шипова који су побијени у морско дно до дубине од 30 m. Најновије технологије усмерене су на изградњу ветротурбина инсталираних на плутајућим платформама.

Велика ветроелектрана може да се састоји од неколико стотина турбина, које се простиру на великој територији (до неколико стотина квадратних километара). Ветроелектране су повезане на електроенергетску мрежу земље и преносе струју на велике удаљености. Мање ветроелектране или самосталне ветротурбине могу се користити за снабдевање електричном енергијом у удаљеним окрузима или за напајање малих објеката. Снага ветра сада обезбеђује само 2,3% електричне енергије која се троши широм света, али то је брзо растући извор енергије јер су измишљене нове, напредније технологије које омогућавају ефикаснију употребу ветра. Стручњаци Међународне агенције за енергију предвиђају да би енергија ветра и сунца заједно могле да произведу до 18% светске електричне енергије до 2035. године.

Вода

Енергија текуће воде може се користити на више начина.

Најчешћа употреба воде за производњу енергије је путем хидроелектрана, које раде на истом принципу као и старе воденице: ток реке ротира турбину, која производи електричну енергију.

Ово звучи једноставно, али хидроелектране имају својих недостатака. Да бисте створили моћну и ефикасну хидроелектрану (ХЕ), морате изградити високу брану тако да се сва снага реке искористи за ротирање лопатица турбине. Изградња такве бране нарушава природни екосистем реке: може изменити микроклиму реке, уништити или наштетити животињама и биљкама које тамо живе. Дакле, изградњи хидроелектране мора се приступити веома пажљиво, посебно обраћајући пажњу на очување животне средине.

Одржавање великих брана такође захтева сталну пажњу: ако несрећа проузрокује пуцање зида бране, бујица која се ослобађа нагло ће испунити долину реке, бришући све на свом путу и ​​пробијајући обале реке километрима низводно. На пример, услед пуцања бране хидроелектране Бантсао, 1975. године у Кини, погинуло је више од 170.000 људи.

Мале хидроелектране могу радити без бране (сл. 3.1.9). Граде се на малим рекама или чак на потоцима и складиштите енергију у батеријама.

Оне имају ограничену снагу, али задовољавају потребе мале фарме или су од користи за обављање основних делатности у резерватима за дивље животиње, који се налазе поред тих река.

Хидроелектране су безбедније за климу од производње енергије у термоелектранама, а трошкови за производњу електричне енергије у једној хидроелектрани чине само отприлике половину трошкова у термоелектрани. Због тога  многе земље покушавају да повећају потенцијал њихових река за производњу енергије и постоје неке земље у којима хидроелектрана обезбеђује 90% или чак 100% све електричне енергије (Парагвај, Норвешка, Таџикистан, Уругвај, Уганда, Замбија, Камерун и Бразил).

Кина се снажно залаже за производњу струје у хидроелектранама: тамо је изграђена скоро половина од укупног светског броја малих хидроелектрана, као и највећа хидроелектрана на свету – постројење Три клисуре на реци Јангце, капацитета од 22,5 GW (Сл. 3.1.10). Изградња још веће хидроелектране, по имену Гранд Инга, капацитета 39 GW,  планирана је на реци Конго, у Демократској републици Конго у Африци.

Хидроелектране у Србији производе око 11.150 GWh годишње, што је око 32.5% од укупне годишње производње електричне енергије у 2018. Тај проценат је двоструко већи од светског просека од 15.9%.

Прва Српска хидроелектрана „Под градом“ у Ужицу на реци Ђетињи пуштена је у рад 1900. године. Производња је обустављена 1970. године, затим је поново покренута 2000. године, а чак и данас се по потреби прикључује на електричну мрежу. Ова хидроелектрана била је прва у Европи, а друга у свету која је започела производњу по Теслиним принципима наизменичних струја.

Највећа хидроелектрана (ХЕ) у Србији је ХЕ Ђердап 1 инсталираног капацитета 1.058 МW и годишње производње електричне енергије од око 5.200.000 MWh. Затим следи ХЕ Бајина Баста и ХЕ Ђердап 2.

Електране на таласе користе енергију таласа у океану, плутајући и љуљајући се горе-доле на мору. На тај начин је искоришћена снага океана, које су се морнари у прошлости толико плашили. Снага таласа је неколико десетина пута већа од снаге ветра, ако се може усмерити и искористити.

Електране на плиму користе необичан феномен плима. Све планете, звезде и друга небеска тела повезана су гравитацијом и утичу једна на друге. Земља се врти око Сунца и око своје осе, Месец се врти око Земље и међусобни положаји Сунца, Земље и Месеца се стално мењају. Ово утиче на океан. Брана се гради на месту где је плима врло изражена. У почетку она спречава улазак воде у залив, све док ниво воде не буде близу максимума. Онда се вентил отвара и океанска вода се стропоштава снажно покрећући ротор. У моменту када се ниво воде са обе стране бране изједначи, вентил се поново затвара. Када наступи период осеке и океан се потпуно повуче, заробљена вода тежи да изађе из залива и излазећи ка океану, поново окреће ротор.

Геотермална енергија

Геотермална енергија користи топлоту коју производи земља. Не може се строго назвати „обновљивом“, али залихе топлоте у дубинама наше планете су огромне. Доказ топлоте у земљи је видљива у подручјима вулканске активности, где се понекад уздиже топла, подземна вода кроз пукотине на Земљиној површини и повремено шикља у облику млазева воде и паре познатих као “гејзири”.

Бушотина се може избушити до врућих подводних језера и њихова вода се може користити за грејање или производњу електричне енергије, а такође и за снабдевање топлом водом (ако је хемијски састав воде погодан). Посебна тешкоћа код хидротермалне енергије је да се коришћена вода мора вратити у земљу, јер често садржи хемикалије које би биле штетне ако би се испустиле у реке и језера. Додатни проблем је то да употреба воде из подземних језера оставља шупљине, што може довести до пропадања површине.

Друга могућност је да се пумпа обична вода са површине, кроз бушотину до врућих зона под земљом, где се „природним котлом“ греје до тачке кључања и враћа се на површину кроз суседну бушотину, у облику паре. То се назива петротермална енергија. Петротермални пројекти развијени су у САД-у, Аустралији, Јапану, Немачкој и Француској.

На Филипинима и Исланду, земљама природно богатим великим, активним вулканима, геотермалне електране производе око једне четвртине електричне енергије. Нови Зеланд, Индонезија, Јапан и Италија такође у великој мери користе геотермалну енергију.

Процењена укупна количина топлоте која се налази у геотермалним водама Србије је двоструко већа од количине топлоте која би се добила сагоревањем свих наших резерви угља. Геотермални потенцијал такође показује постојање великог броја бања и природних извора са температуром воде већом од 30 °C. То је скоро двоструко више од европског просека и креће се од 80 до 120 mW/m². Извори са највишом температуром су Врањска Бања 96°C, Јошаничка 78°C, Сијаринска 72°C, Куршумлијска 68°C, Новопазарска 54°C. Међутим, снага свих постојећих геотермалних бушотина у Србији је само око 160 МW, од чега се тренутно користи око 100 МW.

Што се тиче регионалне поделе, региони Мачве и Врања показују највећи геотермални потенцијал.

Процене показују да је у региону Мачве могуће користити око 150 МW геотермалне енергије за производњу хране, цвећарству и примену у пољопривредној производњи топлинске. Хемијски састав геотермалне воде је повољан за директну употребу

Врањска Бања добија воду из већ постојећих бунара, који се налазе на дубини од 1.600 метара, а која досеже температуру до 120 ºC. Тренутно користи само десет процената те енергије, док остатак, чак деведесет процената топле воде одлази у Мораву. Врањска Бања има систем за дистрибуцију топле воде на који су повезани хотели, школа, здравствени дом и Центар за рехабилитацију и лечење.

Нискотемпературски извори топлоте

Постоји уређај који може претворити топлоту ниске у топлоту високе температуре. Блиски сродник овог уређаја – фрижидер, налази се у скоро сваком стану. Фрижидери раде на следећи начин: течно средство за хлађење (расхладно средство) апсорбује топлоту из унутрашњости фрижидера и испарава, а компресор га затим усисава и компресује га, па се апсорбована топлота емитује у ваздух у просторији у којој се чува фрижидер (у складу са законима физике). То је разлог зашто ако додирнемо задњи део фрижидера, установимо да је вруће. То је такође и разлог зашто фрижидер треба да стоји подаље од грејних уређаја, а не директно на сунцу – јер је важно да се топлота, коју емитује брзо распрши у околном ваздуху и не задржава на спољним зидовима фрижидера.

Сврха фрижидера је да задржи хладноћу и да се ослободи топлоте, али исти процес се може извести и обрнуто, тако да се задржава топлота, а хладноћа одбацује. Уређај који ово ради назива се топлотна пумпа. Топлотне пумпе могу да апсорбују топлоту од слабо загрејане течности, ваздуха или других супстанци. Оне такође могу „преузети“ топлоту

из повшинских слојева земље. Ако кроз топлотну пумпу зими пропустите топли ваздух који долази из вашег стана или употребљену топлу воду из купатила, значајан део топлоте може се вратити у ваш стан. Међутим, топлотна пумпа не може да загрева воду до веома високе температуре. Горња граница обично није већа од 50 или 60°С.

Топлотне пумпе постају све чешћи начин грејања зграда. Према ценама енергије у Србији, грејање топлотним пумпама је много економичније од грејања на електричну енергију, природни гас или пелет. Постоји неколико врста топлотних пумпи, од којих су најчешће:

Топлотне пумпе вода/вода: користе топлоту подземних вода па је неопходно бушити бар два бунара, чија дубина зависи од нивоа подземних вода. Ово решење није практично у градовима, или за мање објекте. Због високе ефикасности и значајних улагања, обично се примењује у већим зградама. Може се применити без помоћног система грејања.

Топлотне пумпе ваздух/вода: хладе спољни ваздух, користећи ову енергију за загревање воде која се може користити за грејање простора или санитарне воде. Овај систем је мање ефикасан од топлотних пумпи  вода/вода и мора се обезбедити помоћни вид грејања. Међутим,  лако га је инсталирати, може се применити и у градовима, а трошкови инсталације су мањи у односу на претходну категорију.

Топлотне пумпе ваздух/ваздух: хладе спољни ваздух и ту енергију користе за загревање ваздуха у кући. Познате су и као инвертер клима уређаји. Овај систем има исте недостатке као и топлотне пумпе ваздух/вода, јер се за наше климатске услове мора обезбедити помоћни вид грејања. Инвестиција је релативно мала, а систем је лако инсталирати.

Биомаса

Биљке које данас видимо око нас користе фотосинтезу за акумулирање Сунчеве енергије у својим телима. Логорска ватра или ватра у камину нас греје јер је дрво које је посечено за огрев провело године „хватајући“ Сунчеву енергију и сакупљајући угљен-диоксид из ваздуха. Дрвећа су радила за нас, чувајући енергију док су била жива, а дајући нам ту енергију када горе у ватри.

Природи је било потребно неколико стотина милиона година да створи фосилна горива, дакле она су необновљива у односу на брзину којом их ми користимо. Са друге стране, гориво из биомасе може се лако обновити: ако посечемо старо дрво за гориво, на његово место можемо посадити друго и за неколико деценија ће прерасти у ново дрво. Неке биљке и пољопривредне културе које се користе као гориво расту током једног лета или још брже.

Али, размислимо: многима од нас је било топло и пријатно док смо се седели око логорске ватре или гледали ватру која плеше у отвореној пећи, али колико смо дрвећа засадили да надокнадимо то дрво? Једноставно је посећи шуме и искористити дрво. Али колико често се ново дрвеће сади како би надокнадило посечена стабла? Од виталног је значаја да то радимо!

Нису само дрвећа та која се могу користити као гориво. Делови биљака који се генерално сматрају отпадом, такође су добри за гориво. На пример, љуске биљака памука, слама пшенице, и коштице воћа.

Током свог живота биљке апсорбују приближно исту количину угљен-диоксида колико испуштају приликом спаљивања. Ако би увенуле у природном окружењу, отприлике иста количина угљен-диоксида испуштала би се постепено, кроз процес труљења, као она емитована њиховим сагоревањем. Биомаса се сматра релативно сигурним извором енергије, али то није увек добра опција: на пример, има смисла користити остатке обраде дрвета као гориво, али ако сечемо здраво дрвеће за огрев, трошимо драгоцен природни ресурс.

У Србији је огревно дрво најчешћи енергент за грејање, и у енергетском билансу учествује са око 40 одсто. Нажалост,  већина домаћинстава користи огревно дрво на крајње неефикасан начин.

У оквиру програма “ГИЗ ДКТИ Одрживо тржиште биоенергије у Србији” у 12 домаћинстава спроведена су мерења ефикасности уређаја на чврста горива за грејање и кување, старости од 1-15 година. На основу резултата испитивања који су сакупљени из бројних мерења по уређају уз коришћење огревног дрвета са различитим садржајем влаге, дошло се до закључка да је ниво ефикасности шпорета и котлова мале снаге у реалним условима у распону од 20% до 40%.

Овако ниска ефикасност указује на непотпуно сагоревање, што има за последицу појаву дима. Дим из пећи на дрва и камина садржи преко 100 различитих хемијских једињења од којих су многа штетна и потенцијално канцерогена и могу узроковати низ респираторних и кардиоваскуларних проблема. Загађујуће материје које се налазе у диму укључују ситне честице, азотне и сумпорне оксиде, угљен моноксид, испарљива органска једињења, диоксине и фуране.

Највећи ризик за здравље од последица удисања дима је код одојчади, деце, трудница, старијих особа и особа које пате од алергија, астме, бронхитиса, емфизема, пнеумонија или других болести срца или плућа.

Загађење из пећи на дрва посебно је опасно зими када хладни, стајаћи ваздух и температурне инверзије ограничавају кретање ваздуха. Насеља смештена у долинама су најјаче погођена, а најбољи пример је Ужице. Како се током хладних, мирних дана дим не може подићи и распршити, највеће концентрације загађујућих материја су у близини земље па зато улазе у куће чак и када су врата и прозори затворени.

Побољшање ефикасности сагоревања пећи на дрва смањује количину дима и штетних загађујућих материја које се испуштају у ваздух. На ефикасност сагоревања утичу техничке карактеристике пећи, избор дрва и начин на који се пећ користи и одржава. Ево неколико начина за побољшање ефикасности сагоревања, што резултира смањеном количином дима и уштедом новца за огрев:

• Размислите о куповини нове, ефикасне пећи на дрва, са техничким карактеристикама које омогућавају потпуно сагоревање.
• Све пећи на дрва морају бити правилно уграђене како би се осигурала непропусност, сигурност, правилна промаја и ефикасност.
• Користите дрво сушено на ваздуху шест до осам месеци пре употребе, и чувајте га под надстрешницом или покривачем у циљу заштите од временских прилика.
• За ефикасно сагоревање дрва потребна је правилна потпала, добро снабдевање кисеоником и довољно високе температуре да би сагорели гасови који се ослобађају.
• Ватра која гори снажно без видљивог дима знак је доброг сагоревања. Претерани дим из димњака значи да гасови не сагоревају у ложишту, већ кроз димњак одлазе у ваздух.
• Изолацијом објекта и постављањем енергетски ефикасних прозора и врата смањићете губитке топлоте и уштедети на огреву.

Најлакши и најчешћи начин производње енергије из биомасе је спаљивањем. Али логорска ватра се може направити само од сувог и смоластог дрвета, а ви морате поставити дрва на начин који ће осигурати сагоревање. Зато научници раде на дизајнирању економичнијих технологија, који ће нам дозволити да сагоревамо сирову биомасу, која је влажна или има мешане састојке на ефикснији и по животну средину прихватљивији  начин.

Поред спаљивања биљних влакана ради директног добијања енергије, влакнa се такође могу трансформисати у универзално гориво, које је лакше транспортовати и користити у разним постојећим машинама и уређајима. Биљке које садрже уље могу се користити за производњу различитих течних дизела (биодизела).

Биљни производи који садрже сахарозу и скроб могу се користити за производњу алкохола (етанола), који се такође користи као гориво.

Ферментација је још један начин коришћења биомасе.

Домаће животиње, које једу и варе биљке, производе стајско ђубриво, који се такође може користити за производњу енергије. Ако се стајско ђубриво и отпад се сакупе заједно у затвореном контејнеру који се загрева на 50–60 °C, бактерије ће разградити органску материју и произвести гас метан, који се може сакупљати и користити као гориво.