Atsinaujinantys energijos šaltiniai

„Elektronika.lt“ pastaba: nors šis darbas rašytas 2002 metais, alternatyvieji energijos šaltiniai darosi kasdien vis labiau aktualūs (referatą taip pat galite atsisiųsti iš portalo archyvo).

Įvadas

Šiais laikais, kai visame pasaulyje elektros energijos poreikis vis didėja, o tradiciniai jos gavimo būdai vis labiau kenkia gamtai, labai svarbūs tampa alternatyvieji energijos šaltiniai. Pavyzdžiui, JAV nuo 1949 metų iki 2000 metų elektros energijos suvartojimas padidėjo nuo 0,3•10¹² kWh iki 3,8•10¹² kWh. Šiuo metu pasaulyje suvartojama apie 14•10¹² kWh, o 2020 metais planuojama, kad bus suvartota 17•10¹² kWh. Pasaulinė statistika [2] teigia, jog kasmet elektros energijos suvartojimas padidėja apie 1,6 %. Lietuva šiuo metu suvartoja apie 10¹⁰ kWh, t. y. 0,7 % visos pasaulio elektros energijos [1]. Elektros energijos poreikis vis didėja, todėl reikia vis naujų elektrinių ir naujų jos gavimo būdų.

JAV, suvokdamos, kad reikia ne tik ieškoti alternatyvių būdų gaminti elektrai, tačiau taip pat stengiasi ją taupyti. Bandoma net stengtis negaminti daugiau elektros, o priversti įmones ir žmones ją taupyti, metami pinigai į naujus mokslinius tyrimus. Dabar ypatingai skiriamas dėmesys šviesos diodams, kurie jau artimoje ateityje turėtų pakeisti kaitinamąsias lemputes. Čia lemiamą vaidmenį vaidina naudingumo koeficientas, kuris kaitinamajai lemputei yra apie 2 %. Net taip vadinamos energiją taupančios lemputės naudingumo koeficientas yra apie 10 %, tuo tarpu kuriamų šviesos diodų naudingumo koeficientas jau dabar siekia 35 %. Pagrindinė alternatyvių apšvietimo elementų problema yra jų baltos šviesos kokybė.

Dabartinės tradicinės elektrinės toli gražu nėra tobulos. Šiluminės elektrinės pagrįstos kuro deginimu. Visų pirma, tai labai kenkia gamtai, visų antra, toks kuras nėra nemokamas ir begalinis. Nafta ar mediena kažkada gali baigtis, jei jos netausosime. Nors atominių elektrinių statoma vis daugiau, tačiau jos taip pat turi savų trūkumų. Visų pirma, jų labai statyba brangi, kyla daug problemų dėl atliekų šalinimo, be to, jų saugumas nėra lygus 100 %. Anot britų vyriausybės paruoštos ataskaitos, „susirūpinimas dėl radioaktyvių atliekų, avarijų, terorizmo bei branduolinio ginklo plitimo gali labai apriboti jos naudojimą ar net vesti prie jos visiško uždraudimo.“ Šioje ataskaitoje pateikta tokia elektros energijos gavybos prognozė (žr. 1 pav.). Kaip matome egzistuoja du scenarijai, labai prieštaringi vienas kitam. Vienas jų, pavadintas „pasauliniu išsilaikymu“ (global sustainability), daro prielaidą, kad, dėl vyriausybės įsikišimo, atsinaujinantys šaltiniai duos apie 30 % energijos ir leis 60 % sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą. Alternatyvus scenarijus, vadinamas „pasaulio rinkos“ (world markets), numato didelį naftos ir dujų suvartojimo, iššaukto vartotojų poreikių, padidėjimą, dėl ko tarša anglies junginiais išaugs 20 %.

Dėl visų šitų priežasčių atsiranda alternatyvių energijos šaltinių poreikis. Jų pagrindą sudaro atsinaujinantys energijos šaltiniai, t. y. tokie, kurie niekada nesibaigia ir yra praktiškai nemokami: Saulės energija, vėjo energija, potvynių energija, upių energija ir t. t. Tereikia šiuo šaltinius „pažaboti“.

Šio darbo tikslas – trumpai apžvelgti jau naudojamus atsinaujinančios energijos šaltinius bei jų panaudojimą Lietuvoje.

Atsinaujinantys energijos šaltiniai

Kaip žinome, energija iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta, taigi kas tie „nesibaigiantys ir nemokami“ energijos šaltiniai? Pagal energijos kilmę šaltinius galime klasifikuoti taip: Saulė, Žemės geoterminė energija, gravitacinė energija.

Atsinaujinantys energijos šaltiniai yra labai svarbūs, kadangi dažniausiai jie yra daug švaresni už tradicinį kurą, kuris ne tik kad nėra ekologiškas, bet dar ir kažkada baigsis. Tokių šaltinių gaminama elektros energijos kaina nepriklauso nuo tarptautinės ekonominės situacijos ar vyriausybės nutarimų, nes nei upės tėkmė, nei Saulės aktyvumas nuo to nepriklauso.

1996 metais pasaulyje buvo instaliuota 13538 MWe atsinaujinančios energijos šaltiniais paremtų jėgainių (geoterminė, vėjo, Saulės, potvynių-atoslūgių), tame skaičiuje geoterminė energija sudarė – 7049 MWe, tai yra 52 %.

Tiesiogiai panaudojama Saulės energija

Iš tikrųjų Žemė gauna neįsivaizduojamą energijos kiekį iš Saulės. Saulė, kaip vidutinio dydžio žvaigždė, yra didžiulis branduolinis reaktorius, kurio veikimo trukmė apie 4 mlrd. metų. Ji per vieną minutę išspinduliuoja tiek energijos, kad visam pasauliui užtektų metams, per vieną dieną – tiek energijos, kad mūsų visai populiacijai užtektų 27 metams, o per tris dienas išspinduliuotas energijos kiekis yra lygus energijai, kurią gautume iš visų Žemėje esančių iškasenų. Saulė yra nemokamas ir nesibaigiantis energijos šaltinis, tačiau, kaip bebūtų keista, Saulės energijos panaudojimo technologijos yra gana naujos (žr. 2 pav.). Nemanykime, kad Saulės energija panaudojama vien Saulės elementuose. Iš tikrųjų, Saulė skirtingai šildydama įvairias Žemės vietoves, priverčia susidaryti skirtingos temperatūros oro masėms, kurios pradeda judėti ir susidaro vėjas. Taigi vėjo energija atsiranda būtent dėl Saulės. Saulės energija atsiranda dėl branduolinės sintezės Saulės branduolyje.

Ši energija gali būti surenkama ir verčiama elektra įvairiais būdais. Tiesiogiai Saulės energija panaudojama šilumos siurbliuose ir Saulės baterijose. Deja, nei vienas iš šių būdų negali pilnai aprūpinti elektros energija modernios visuomenės.

Iš pradžių buvo sugalvota naudoti Saulės energiją tik šildymui. Šveicarų mokslininkas H. Soseras (Horace de Saussure) pagamino pirmą terminį Saulės kolektorių 1767 metais, kuris buvo panaudotas vandens šildymui ir maisto gaminimui.

Dabartinė šilumos siurblio sistema (žr. 3 pav.) veikia pagal tokį principą: energija iš šilumos šaltinio (dėl Saulės įkaitusios Žemės) pernešama šilumnešiu (antifrizu) į šilumos siurblį, kur ji paverčiama šaltnešiu, galinčiu sugerti ir išskirti šilumą. Didindamas slėgį, šilumos siurblys didina šaltnešio temperatūrą, o pastarasis perduoda šilumą į pastato šildymo arba karšto vandens sistemas. Žemėje vamzdis pripildomas antifrizo, kuris iš aplinkos sugeria šilumos energiją. Žemės temperatūra gali būti palyginus žema, tačiau, net jei ji nukrenta žemiau nulio, aplinkui vis dar yra energijos, kurią galima surinkti. Be abejo, Žemę įkaitina ne kas kitas, o Saulė.

Šilumos siurblį galima panaudoti ir elektrai gaminti, tada prireiks dar garo turbinos. Beje, tokių garo turbinų efektyvumas pakankamai didelis – 30–50 %, o tai yra daugiau negu Saulės baterijų.

Saulės elementams teorinį pagrindą davė prancūzų fizikas E.Bekerelis (Edmund Becquerel), kuris 1839 metais suprato, kad šviesos energiją galima paversti elektros energija. Apie 1880 metus buvo sukurti fotoelementai iš seleno, kurių naudingumo koeficientas vos 1–2 %, tačiau vis dar nebuvo suprantama pati reiškinio esmė. Tik XX amžiaus pradžioje A.Einšteinas (Albert Einstein) paaiškino fotoefektą. Tuo ir remiamasi Saulės elementuose, kur Saulės energija tiesiogiai verčiama elektros energiją. Šie elementai dabar naudojami daug kur: pradedant kalkuliatoriais, baigiant jūrose esančiose bujose.

Saulės elementų technologijos tobulėjo negreitai, apie 1950 metus buvo pasiektas vos 4 % naudingumo koeficientas. Technologijoms tobulėti labai padėjo kosmoso tyrinėjimo programos, nes Saulės elementai ypatingai gerai tinka naudojimui kosmose – jie yra lengvi, niekada nenusėda, be to, generuoja elektros daugiau negu reikia.

Saulės energija turi didžiulį potencialą, tačiau ilgai į ją nebuvo kreipiama dėmesio, nes energija iš iškasenų buvo ir yra pigesnė. Didžiausias šuolis buvo padarytas Saulės elementuose, kai buvo atrasti puslaidininkiai. Jų kaina krito nuo 200 $ vatui 1950 metais iki 5 $ vatui 1998 metais, t. y. 40 kartų. Šiuo metu naudingumo koeficiento rekordas yra 18,8 % (1999 metai). Šiandieniniai fotoelementai yra gaminami iš silicio, antro labiausiai Žemėje paplitusio elemento, tačiau ateityje juos numatoma gaminti iš GaAs, GaSb, CdTe ir kt. Didžiosios valstybės skiria nemažus pinigus tyrimams. Net ir Lietuvoje tiriamas galis arsenidas, pasiekti šiokie tokie rezultatai. Prognozuojama, kad jau greitu laiku bus gaminami Saulės elementai iš GaAs bei GaSb, kurių naudingumo koeficientas siektų 35 %, o tai jau yra nemažai. Šiuo metu problema yra tame, kad sunku sukurti pakankamai didelius elementus.

Beje, lyginant šilumos siurblius ir Saulės elementus, pastarieji turi nemažai privalumų: nėra naudojamos jokios judančios dalys, todėl ilgesnis tarnavimo laikas, nereikia nuolatinės priežiūros. Lyginant su kitais energijos šaltiniais Saulės elementai turi daug svarbių pranašumų, todėl jie yra vieni svarbiausių atsinaujinančių energijos šaltinių:

Saulės elementai neteršia gamtos (neskaitant jų gamybos).
Neturi judančių dalių, kurios galėtų sulūžti, todėl reikalauja mažai priežiūros.
Patikimai dirba 20–30 metų, o palaikymo sąnaudos labai mažos.
Nereikia didelių instaliacijų, kaip sakykim, hidroelektrinei ar vėjo jėgainei, sumontuoti galima greitai ir lengvai.
Veikia saugiai ir tyliai.
Lengva padidinti generuojamos energijos kiekį tiesiog padidinus plotą.
Negadino gamtovaizdžio, nes yra gana maži.

Saulės elementus praktiška naudoti atokiose vietovėse (žr. 4 pav.), galima lengvai pasigaminti elektros energijos savo poreikiams tiek, kiek reikia, todėl nereikia vedžioti elektros linijų, kurios kainuoja, be to, gadina gamtovaizdį. Saulės elementai yra įtaisomi ant nuosavų namų, mokyklų bei kitų pastatų, jų instaliavimas yra labai paprastas, o dirba jie absoliučiai saugiai ir tyliai. Be to, didėjant energijos suvartojimui, labai lengva padidinti ir Saulės elementų kiekį, ko negalima pasakyti apie šilumines elektrines, o tuo labiau atomines elektrines.

Nors Saulės elementus naudoti praktiškiau atokiose vietovėse, tačiau net ir tankiai apgyvendintose vietose juos naudoti apsimoka, nes vidutinis namas turi daugiau nei reikia stogo ploto, kad užtektų elektros savo poreikiams patenkinti. Galima papildomai naudoti akumuliatorius arba prisijungti prie elektros tinklų. Prisijungus prie tinklų dieną naudojama elektra iš Saulės elementų, o perteklių paima elektros tinklai. Naktį vyksta atvirkščias procesas, taip galima sutaupyti pinigų.

Kad ir kiek žmonės montuoja Saulės elementus ant savo namų stogų, daugiausiai Saulės energijos panaudojama industrijoje: telekomunikacijų ir naftos kompanijos, greitkelių saugos įranga pasikliauja Saulės elementais ten, kur elektros linijos yra toli. Pakelės telefono aparatai bei apšviesti ženklai greitkeliuose naudoja Saulės energiją, todėl nereikia po žeme kloti kabelių, kas brangiai kainuoja, ar naudoti dyzelinius variklius, kurie nėra ekologiški ir reikalauja nuolatinės priežiūros. Įvairios automatinės navigacinės sistemos, tokios kaip bujos jūroje (žr. 5 pav.), ar įranga kalnuose, esanti nuošaliose vietovėse, kur neįmanoma atvesti elektros linijų, reikalauja labai patikimų energijos šaltinių, o tam Saulės elementai labai tinka. Gerai šie elementai tinka ir kaimo vietovėse, jie statomi ant namų, ligoninių, fermų ar pavienių apšvietimo stulpų.

Saulės elementų parduodama vis daugiau ir daugiau, pardavimai didėja po maždaug 15 % kasmet. Jei 1990 metais jų bendras galingumas buvo 40 MW elektros, tai 1998 metais jau 120 MW. Tikimasi, kad padidėjus jų efektyvumui, Saulės elementai dar labiau paplis.

Pagrindiniai du Saulės elementų trūkumai yra šie:

Gaunamas Saulės šviesos kiekis.
Įrangos kaina.

Gaunamos šviesos kiekis priklauso nuo geografinės vietovės, paros laiko, metų laiko bei debesuotumo. Šiuo požiūriu geriausios vietos pasaulyje yra JAV pietvakariai, Azija, Afrika ir Lotynų Amerika. Tačiau reikia pripažinti, kad žmogus, gyvenantis Sibire gautų išties nedaug iš šio atsinaujinančio energijos šaltinio. Trūkumas yra ir tai, kad naudojant Saulės elementus visada prireikia papildomų akumuliatorių, nes Saulės aktyvumas nėra vienodas.

Nors Saulės energetika per pastaruosius metus nemažai pažengė, tačiau jis vis dar yra brangesnė už tradicinę energiją. Saulės elementai atsiperka per 2–5 metus, priklausomai nuo vietovės. Tačiau tada vartotojas jau turės praktiškai nemokamą energijos šaltinį 20–30 metų. Manoma, kad ateities patobulinimai sumažins atsipirkimo laiką iki 1–3 metų.

Vis dėlto Saulės elementų kaina kris, o įprastinio kuro kaina kils, todėl šie elementai vis labiau populiarės ir gali tapti puikia energijos alternatyva gamtinėms medžiagoms.

Saulės energetika Lietuvoje

Lietuvoje Saulės elementai visai nėra paplitę, tačiau iš tikrųjų be reikalo. Lietuvos teritorija apima 65 200 km² plotą. Įvairiose Lietuvos vietovėse per metus į horizontalaus paviršiaus kvadratinį metrą patenka nuo 926 kWh/m² metus (Biržuose) iki 1042 kWh/m² metus (Nidoje) Saulės spindulinės energijos. Vidutiniškai Lietuvoje ši krintanti energija sudaro ~1000 kWh/m² į metus. Tuo būdu į Lietuvos teritoriją patenka 6,54•10¹³ kWh/metus. Lietuvoje yra ~150 km² namų stogų, kurie gali būti panaudoti fotoelektros Saulės jėgainėms įrengti. Į juos krinta 1,5•10¹¹ kWh/metus Saulės spindulinės energijos. Esant Saulės elementų efektyvumui 15 %, iš jėgainių, įrengtų ant stogų, galima gauti 2,25•10¹⁰ kWh/metus. Šiuo metu Lietuvos elektros energijos galingumai leidžia pagaminti 2,27•10¹⁰ kWh/metus. Taigi, įrengtos ant visų namų stogų fotoelektrinės Saulės jėgainės turėtų galią lygią Lietuvos elektros jėgainių galiai. Krintanti į žemės paviršių Saulės spindulinė energija kinta priklausomai nuo metų laikų, paros laiko ir meteorologinių sąlygų. Taip, energija krintanti lapkričio, gruodžio, sausio mėnesiais sudaro tik 10 % energijos, krintančios gegužį, birželį, liepą. Naktį energija artima nuliui, stipriai apniūkusią dieną – sudaro tik kelis procentus nuo giedrą dieną krintančios energijos. Fotoelektrinė Saulės energija, kaip vienintelis nuolatinis energijos šaltinis gali būti panaudojama tik turint galimybę ją akumuliuoti, tokiu būdu perdengiant energijos nepakankamumą, sukeltą sezoninių, paros ir meteorologinių kitimų. Šiuo metu naudojami trys akumuliavimo būdai: elektros akumuliatoriuose, vandens akumuliaciniuose baseinuose, jungiantis prie valstybinio elektros tinklo per reversinius skaitiklius. Perspektyvus kompensacijos būdas – jungimas su vėjo jėgaine. Esama atvejų, kai akumuliacija nereikalinga (pvz., tiltų, požeminių įrengimų katodinė apsauga).

Šiuo metu 1 W galingumo Saulės elemento kaina yra ~8 –12 Lt, 1 W instaliuota galia Saulės jėgainėje siekia 20–40 Lt.

Dabar Lietuvoje fotoelektrinių jėgainių nėra. Nepaisant to, kad fotoelektros potencialas nepalyginamai didesnis už kitų atsinaujinančių energijos rūšių potencialą kartu sudėjus, kad ji yra ekologiškiausia, jos plėtrą stabdo didžiausia instaliuoto vato kaina, kuri kol kas keletą kartų viršija įprastinės elektros energijos kainą. Šį rodiklį galima pagerinti dviem būdais: didinti Saulės elementų efektyvumą, iš to paties ploto gaunant didesnį elektros energijos kiekį ir mažinant elemento kainą.

Lietuva yra sukūrusi monokristalinio silicio Saulės elementų gamybos technologiją, kuri leidžia gaminti 13 % efektyvumo Saulės elementus. Ji yra pajėgi sukurti naują, formavimosi principais pagrįstą technologiją, didinančią Saulės elementų efektyvumą (15 %) ir mažinančią jų gamybos kaštus trečdaliu. Lietuva yra pajėgi gaminti šiuo metu plačiausiai pasaulyje naudojamus (iki 85 %) monokristalinio silicio Saulės elementus iki 1–2 MW per metus. Tai aprūpintų ne tik Lietuvos reikmes, bet taptų vienu iš aukštųjų technologijų gaminiu eksportui. Lietuva gali gaminti Saulės modulius tiek Lietuvos reikmėms, tiek eksportui, panaudojant vietoje gaminamus Saulės elementus.

Šiandien fotoelektra yra keletą kartų brangesnė, nei atominės ar šiluminių elektrinių gaminama elektra. Tačiau, senkant iškasamojo kuro ištekliams, pastaroji brangs. Perėjimas prie atsinaujinančios energetikos reikalaus kardinalių pokyčių tiek energetikoje, tiek pramonėje, tiek buityje. Todėl, jeigu nenorima prarasti turimo mokslinio, technologinio bei gamybinio potencialo, galinčio kurti naujas darbo vietas, tam Lietuva turi ruoštis jau šiandien.

Dėl Saulės spinduliuojamosios energijos sezoninio, paros, meteorologinio kitimo negalima tikėtis visą reikiamą elektros energiją gauti iš fotoelektros. Tačiau fotoelektrinės energijos panaudojimas gali iš esmės sumažinti importuojamo iškasamojo kuro (urano, naftos, dujų, akmens anglies) reikmes. Situacija gali pasikeisti tolimesnėje perspektyvoje, panaudojus Saulės energiją vandeniliui ir deguoniui gaminti iš vandens ir išmokus juos naudoti kaip pagrindinį kurą ūkyje.

Lietuvoje gerai išvystytas valstybinis elektros tinklas. Todėl čia fotoelektrą derėtų gaminti jungiamose prie tinklo nedidelėse modulinėse Saulės jėgainėse – nuo kelių kilovatų sodybai ar namui, iki kelių šimtų kilovatų įmonei ar gyvenvietei. Perspektyvu būtų statyti fotoelektrines ir vėjo jėgaines kartu.

Planuojama įrengti demonstracinę fotoelektrinę Saulės jėgainę (komplekse su vėjo jėgaine) Lietuvos jūros muziejuje, turistų gausiai lankomoje zonoje. Jėgainė aprūpintų delfinariumo reikmes. Numatoma taip pat įrengti įvairios paskirties fotoelektrines Saulės jėgaines:

150 W vandeniui tiekti, vasarnamių energetikai, besikuriančių ūkininkų minimalioms reikmėms,
3–5 kW autonomines bei jungiamas prie elektros tinklų jėgaines,
3–5 kW požeminių įrenginių ar tiltų katodinėms apsaugoms,
15 W ženklams keliuose apšviesti (žr. 6 pav.).

Lietuvai verta pamąstyti ir apie Saulės šiluminę energetiką. Kaip minėjome, per metus žemės paviršių Lietuvoje pasiekia apie 1000 kWh/m² Saulės energijos. Daugiau kaip 80 % šios energijos tenka 6 mėnesiams (nuo balandžio iki rugsėjo). Realiai šiuo metu Saulės energija šiluminiams tikslams gali būti naudojama įrengiant Saulės kolektorius vandeniui šildyti, Saulės kolektorius žemės ūkio produkcijai džiovinti ir įrengti patalpų šildymo Saulės energija sistemas.

Lietuvoje yra sumontuota tik keletas vandens šildymo Saulės kolektoriais sistemų, kurių suminis plotas sudaro apie 100 m². Lietuvoje yra gamyklų, kurios gamina Saulės kolektorius štampuotų plieninių šildymo radiatorių pagrindu. Tokio kolektoriaus kaina apie 300 Lt/m², energetinis efektyvumas – apie (250–290) kWh/m² per sezoną. Dabartinėmis sąlygomis, nesant valstybės skatinimo ir rėmimo naudoti Saulės kolektorius vandeniui šildyti daugeliu atveju ekonomiškai neapsimoka.

Neseniai buvo sukurti ir šalies žemės ūkyje produkcijos džiovinimui pradėti naudoti plėveliniai Saulės kolektoriai. Jų energetinis sezoninis našumas – iki 200 kWh/m². Jie atsiperka per 1–2 metus. Tačiau tokius kolektorius nepatogu montuoti ir sandėliuoti, o plėvelė – neilgaamžė. Tokius kolektorius galėtų naudoti smulkūs ūkininkai. Suminis kolektorių žemės ūkio produkcijos džiovinimui plotas šiuo metu sudaro apie 180 m².

Šiuo metu pradėti tyrimo darbai siekiant pagrįsti Saulės energijos naudojimo būdus patalpoms šildyti. Lietuvoje jau yra įmonių, kurios įrenginėja tokias sistemas individualių namų apšildymui bei karšto vandens poreikiams tenkinti. Nacionalinėje energijos vartojimo efektyvumo didinimo programoje Saulės energijos naudojimo šiluminiams reikalams potencialas įvertintas priėmus, kad ši energija tenkins 10 % šildymo ir apie 30 % karšto vandens ruošimo reikmių t. y. 3,0 TWh per metus.

Lietuvoje vien gyvenamųjų namų bendri metiniai šilumos nuostoliai 1995 metais sudarė 23,2 TWh. Preliminarūs skaičiavimai rodo, kad naudojant pasyviąsias patalpų šildymo Saulės energija sistemas esant palankiai pastato padėčiai ir orientacijai galima energijos sąnaudas šildymui sumažinti 20 %. Be to, tokios Saulės šildymo pasyviosios sistemos gali būti panaudotos vandeniui ir orui technologiniams reikalams šildyti.

Vėjo energija

Kaip buvo paminėta anksčiau, vėjo atsiradimo priežastis yra Saulė. Vėjas atsiranda dėl skirtingo Žemės paviršiaus įšilimo. Ši energija gali būti naudojama gaminti elektrai, tačiau reikalauja plataus išdėstymo ant Žemės paviršiaus, jei norima pagaminti pakankamai energijos.

Iš tikrųjų, vėjo energija buvo panaudojama jau nuo labai senų laikų. Egiptiečiai 5000 metais pr. Kr. naudojo bures plaukiodami po Nilą. Persai naudojo vėjo malūnus vandeniui pumpuoti ir drėkinti žemei. Pirmoji didesnė vėjo jėgainė buvo pastatyta JAV 1888 metais, ji buvo 12 kW galingumo (žr. 7 pav.).

Bendras vėjo jėgainių galingumas 1999 metais buvo 10 000 MW. Su šiuolaikinėmis technologijomis vėjo jėgainės galėtų pagaminti apie 20 % elektros energijos reikalingos JAV (t. y. maždaug tiek pat, kiek pagamina atominės elektrinės), jei padengtume tokiomis jėgainėmis 1 % teritorijos. Svarbu suprasti, kad 1 % teritorijos reiškia, kad įranga joje užims tik 5 % žemės, tiesiog vėjo jėgainės turi būti išdėstomos tam tikru atstumu viena nuo kitos.

Nors vėjo turbinos ekologiškos, gamina pakankamai daug elektros, tačiau turi ir nemažai trūkumų:

Ne visur jas naudoti apsimoka, nes ne visur vėjo intensyvumas yra vienodas.
Naudojama daug judančių dalių, todėl jėgainės įrengiamos ten, kur jas patogu prižiūrėti.
Dėl judančių dalių, jų tarnavimo laikas neilgas, o palaikymo sąnaudos gana didelės.
Labai gadina peizažą ir užstoja Saulę.
Jas labai apgadina audros.
Jos kelia triukšmą.

Vis dėlto siekiant pagerinti gamtosaugines sąlygas, Vakarų Europos šalyse (Danija, Vokietija, Olandija ir t. t.) plačiai naudojama vėjo energija (žr. 8 pav.). Šiuolaikinėse jėgainėse vėjo energija verčiama į elektros energiją, kuri naudojama buityje, o perteklius atiduodamas į tinklą. UAB „Vėjas“ 1991 metais suprojektavo pirmąją vėjo jėgainę Lietuvoje, kuri buvo pastatyta Prienų rajone. Buvo suprojektuotos kelios 60 kW galios jėgainės, viena iš jų pastatyta Kaune. Klaipėdos universitete buvo suprojektuota 10 kW galios vėjo jėgainė, kuri pastatyta Klaipėdos rajone. Visų šių suprojektuotų ir pastatytų vėjo jėgainių darbas nebuvo sėkmingas. Iškilo visa eilė techninių problemų dėl vėjo jėgainių efektyvumo, jų darbo patikimumo ir t. t. Šių problemų sprendimui buvo būtini vėjo energijos klimatiniai tyrimai, žinios apie vėjo energijos pasiskirstymą priklausomai nuo vėjo greičių profilių ir kt. Šie uždaviniai sėkmingai sprendžiami Danijoje, Vokietijoje, Austrijoje ir kitose šalyse.

Lietuvoje, įsisavinant vėjo energiją, jau atliktas pirminis vėjo energijos išteklių įvertinimas, naudojant meteorologinių stočių daugiamečius duomenis, sudarytos jų skaičiavimo metodikos. Jo būtinos, nes reikia tinkamai parinkti vėjo jėgainių agregatus, sudaryti jų darbo grafiką, prognozuoti energijos išdirbį, nustatyti ekonominius rodiklius. Taip pat būtina ištyrinėti vėjo parametrų kitimą, gūsių susidarymą, vėjo greičio profilius, atsižvelgiant į žemės paviršiaus šiurkštumą ir teritorijos užstatymo laipsnį, bei vėjo srautų susidarymą už gamtinių ir urbanistinių kliūčių.

Lietuvos energetikos instituto ir meteorologinių stočių vėjo greičio matavimo rezultatai rodo, kad tinkamiausias didelės galios (keleto šimtų kW) šiuolaikinių vėjo jėgainių statybai yra 5–10 km pločio Lietuvos pajūrio ruožas, kuriame vidutinis vėjo greitis jau dešimties metrų aukštyje nuo žemės paviršiaus yra 5–6 m/s (didėjant aukščiui vėjo greitis didėja). Deja, kitoje Lietuvos teritorijoje vidutinis vėjo greitis daug mažesnis, vos 3–4,5 m/s, todėl čia tikslinga statyti tik nedidelės galios (keleto dešimčių kW) vėjo jėgaines, kurių indėlis į elektros energijos gamybą Lietuvoje būtų nedidelis. Jei minėtame pajūrio ruože pastatytume keletą didelės galios vėjo jėgainių, jų pagamintos energijos savikaina gali būti artima šiluminių jėgainių energijos savikainai. Vidutiniškai vėjo jėgainės elektros gamybos kaina pajūrio regione svyruoja nuo 13 iki 20 ct/kWh. Kadangi likusioje teritorijoje dėl mažo vėjo greičio galima statyti tik nedidelės galios vėjo jėgaines, o jos santykinai yra labai brangios, tad investicijos į jų statybą vargu ar atsipirktų.

Vėjo jėgainės gali dirbti autonominiu režimu arba įjungiamos į bendrą regiono arba valstybės elektros tiekimo sistemą. Apie 90 % visų pasaulyje veikiančių vėjo jėgainių yra įjungtos į šias sistemas.

Parenkant statybos aikštelę, būtina įvertinti regiono elektros tiekimo tinklų struktūrą, nes įjungti vėjo jėgaines į bendrą šalies elektros tiekimo sistemą labai brangu.

Įvairiose šalyse vis daugiau vėjo jėgainių statoma jūros pakrantėje arba jūroje (žr. 9 pav.). Neužimami brangūs pajūrio žemės plotai, o vėjo greitis virš vandens yra didesnis ir mažiau pulsuojantis negu sausumoje. Dėl to galima statyti žemesnes vėjo jėgaines, pailgėja ir jų tarnavimo laikas. Tačiau beveik visas Lietuvos pajūris yra poilsio zona, Kuršių neriją kerta paukščių migracijos keliai, tad artimiausiais dešimtmečiais didelės galios vėjų jėgainių bus įmanoma pastatyti tik kelias dešimtis, o ateityje – maždaug 150, kurios per metus galėtų pagaminti apie 0,15 TWh elektros energijos.

Šiuo metu netoli Būtingės naftos terminalo, 1 km nuo jūros kranto ir už kelių šimtų metrų nuo galingos elektros pastotės jau yra parinkta aikštelė šešių 600 kW galios vėjo jėgainių statybai. Per artimiausius 10 metų, t. y. iki 2010 metų, gali būti pastatyta 30 vėjo jėgainių. Vėjo jėgainių statybą riboja ne tik palyginti maža elektros energijos kaina Lietuvoje, bet ir laisvų žemės plotų trūkumas, ir elektros tinklų galia pajūrio zonoje. Didėjant elektros energijos kainai, atsiras vis daugiau firmų, norinčių statyti vėjo jėgaines, todėl nuo 2010 iki 2020 metų vėjo jėgainių gali padvigubėti.

Dauguma vėjo jėgainių komponentų gali būti sėkmingai gaminami Lietuvoje. Tačiau gamybos pradžiai reikalingos didžiulės investicijos ir kelios dešimtys aukštos kvalifikacijos darbuotojų.

Tyrimai rodo, kad vėjo energijos panaudojimas mūsų šalyje galimas ir ekonomiškai pateisinamas. Tačiau paminėtų problemų sprendimui būtini fundamentalūs tyrimai, užtikrinantys vėjo jėgainių efektyvų darbą ir aptekamų konstrukcijų patikimumą. Vakarų Europoje, o taip pat ir mūsų šalyje prieš pradedant statyti vėjo jėgaines, privaloma ne mažiau kaip 6–12 mėnesių laikotarpyje duotame regione atlikti vėjo energijos parametrų matavimus su tam tikslui skirta aparatūra.

Šiuo metu šalyje yra pastatytos kelios savos gamybos vėjo jėgainės, tačiau susiduriama su techninių žinių stoka parenkant statybos aikštelių vietą ir techninius vėjo jėgainių parametrus. Šalyje būtina įsteigti pavyzdinį vėjo jėgainių parką, kur veiktų pavyzdinės jėgainės ir būtų atliekami jų tyrimai bei įvertinimai.

Žemės geoterminė energija

Žemės geoterminė energija – viena iš atsinaujinančios energijos rūšių, kuri jau įsisavinta Lietuvoje iš negiliai (iki 100 m) slūgsančių vandeningų horizontų Vilniuje ir Klaipėdoje (instaliuotas galingumas 0,114 MWt). Geoterminės energijos šaltinis yra Žemės gelmėse ir pastoviai atnaujinamas radioaktyviųjų elementų (urano, radžio, torio ir kt.) skilimo energija bei mantijos šiluma iš vidaus ir Saulės energija iš viršaus.

Žemės energijos panaudojimas yra labai įvairus – gali tenkinti centralizuotų ir pavienių vartotojų poreikius, suteikti jiems komfortą ir nekenkia aplinkai. Žemės energiją galima paversti šiluma arba elektra, rasti būdų kompleksiškam hidrosferos išteklių pritaikymui, ypač gydymo, poilsio ir sveikatos profilaktikos srityje, žemės ūkyje, pramonėje, kelių, lėktuvų nusileidimo takų sniego – ledo tirpinimui ir kitur.

Žemės energijos išteklių išgavimas susijęs su:

karštomis sausomis uolienomis;
karštu požeminiu vandeniu (žr. 10 pav.);
žemos temperatūros požeminiu ir gruntiniu vandeniu;
gruntu (dirvožemiu).

Dėl radioaktyviųjų elementų skilimo kai kuriose Žemės vietose susidaręs geoterminis gradientas (temperatūros didėjimas priklausomai nuo gylio), yra labai aukštas, kad galima būtų gaminti elektros energiją. Tačiau šį energijos gavimo būdą apriboja nemažai techninių problemų. Kai kuriose vietose labai arti Žemės paviršiaus yra karštos lavos, kurią taip pat galima panaudoti, tačiau mokslininkai baiminasi, kad lavos atšaldymas gali sukelti Žemės drebėjimus.

Dėl kasmetinio Žemės paviršiaus įkaitimo atsiradusią energiją panaudoti lengviau. Tokia energijos rūšis galėtų būti naudojama, kad palaikyti namuose norimą temperatūrą: vasarą vėsinti, žiemą – šildyti. Tačiau šis būdas nelabai gali būti naudojamas elektrai gaminti.

Žematemperatūrinę Žemės šilumą galima naudoti, taikant šilumos siurblius: šaltinis – šilumokaitis – šilumos siurblys – vartotojas. Aukštatemperatūrinę Žemės šilumą galima naudoti per šilumokaičius tiesiogiai: šaltinis – šilumokaitis – vartotojas.

Geoterminę elektros energiją galima gauti iš karštų sausų uolienų, slūgsančių Vakarų Lietuvoje 2,5–4,5 km gylyje, kurių temperatūra turėtų būti 100–145 ºC. Geoterminę elektros energiją taip pat galima gauti ir pritaikant jau minėtus šilumos siurblius.

Lietuvoje yra įrenginėjamos kelios demonstracinės jėgainės, naudosiančios hidrogeoterminius kambro išteklius.

Hidroenergija

Hidroenergijai gauti naudojami keli būdai:

Gravitacinė energija iš kylančio-slūgstančio vandens.
Upių tekėjimo energija.

Upių tėkmės energija panaudojama ganai seniai ir jos plačiau čia nenagrinėsime (žr. 11 pav.). Apsiribosime tuo, kad jos turi trūkumų: užtvankų kiekis yra ribotas, trukdo plaukti laivams, trukdo žuvims, be to, jos nėra ypatingai ekologiškos.

Energiją iš kylančio-slūgstančio vandens galima panaudoti, pastačius užtvankas. Deja, jos nėra labai ekologiškos. Be to, buvo paskaičiuota, kad vandens aukščio pokytis nėra toks jau didelis, kad apsimokėtų jį išnaudoti, turint omeny brangiai kainuojančias užtvankas.

Be abejo, galima hidroenergiją išgauti ir nestatant užtvankų, tiesiog statyti turbinas prie tekančio vandens. Ir nors tai būtų daug ekologiškiau, jų naudingumo koeficientas yra daug mažesnis už tų sistemų, kurios naudoja užtvankas.

Išvados

Šiame darbe plačiau buvo aptarti tik pagrindiniai atsinaujinantys energijos šaltiniai: Saulės elementai, vėjo jėgainės bei geoterminė Žemės energija. Iš tikrųjų, egzistuoja ir kitų atsinaujinančių energijos šaltinių. Biomasės energiją taip pat galėtume priskirti prie atsinaujinančios, tačiau medžiai ir augalai per lėtai užauga, kad ši energija būtų begalinė. Prie beveik atsinaujinančių energijos šaltinių galime priskirti ir kuro elementus, kuriuose deginamas vandenilis, o šios reakcijos rezultatas yra tik vanduo, taigi jis būtų absoliučiai ekologiškas. Vandenilis yra Visatoje labiausiai paplitęs elementas. Tačiau vandenilį sunku sandėliuoti, jo suskystinimas yra gana brangus, o vandenilio gamyba apskritai yra labai sudėtinga ir brangi. Teoriškai egzistuoja ir tokie atsinaujinantys energijos šaltiniai, kurie remiasi vandens bangų energija, slėgio pokyčiu atmosferoje, branduoline sinteze, vandenynų šilumine energija (vanduo skirtingame gylyje yra skirtingos temperatūros).

Apžvelgę jau naudojamus atsinaujinančius energijos šaltinius, galime drąsiai teigti, jog šių šaltinių technologijos sparčiai vystosi, o poreikis vis didėja, kadangi dabar naudojami elektros energijos gavybos būdai nėra ekologiški. Belieka tik tikėtis, kad ateis toks laikas, kai sugebėsime pasigaminti sau pakankamai elektros energijos iš Saulės ar kitų atsinaujinančių šaltinių neteršdami gamtos ir nekeldami pavojaus žmonijai.

Literatūra

Elektros energijos suvartojimo statistika pagal pasaulio valstybes. – (2002 11 11)
Elektros energijos suvartojimas 1990–2020 metais pasaulyje. – (2002 11 11)
Ryšių ir technikos naujienos. – (2002 11 11)
Atsinaujinanti energetika Lietuvoje. – (2002 11 11)
Thermia – Šilumos siurbliai, Saulės baterijos. – (2002 11 11)
Alternative Energy. – (2002 11 11)
Kosminiai Saulės elementai, kurių naudingumo koeficientas 35 %. – (2002 11 12)
Saulės elementų efektyvumo lentelės. – (2002 11 12)
JAV energijos vartojimo ataskaita. – (2002 11 12)
Kuro elementų ateitis. – (2002 11 12)