Energia jest niezbędna człowiekowi w wielu dziedzinach życia. Wykorzystuje się ją przede wszystkim podczas produkcji przemysłowej, w transporcie, do ogrzewaniu domów czy do oświetlenia. Od dawna człowiek czerpał większość energii z zasobów naturalnych środowiska, takich jak drewno, węgiel brunatny, kamienny, ropa naftowa czy gaz. Jednak ciągle wzrasta zapotrzebowanie na energię, a zasoby paliw kopalnianych ulegają stopniowemu wyczerpaniu. Spalanie paliw powoduje ponadto emisję do środowiska wielu szkodliwych substancji. Oba czynniki powoduję, iż obserwuje się stopniowy wzrost zainteresowania pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych takich jak: Słońce, woda, ciepło wnętrza Ziemi.

ENERGIA SŁONECZNA

Słońce jest gwiazdą, w której nieustannie zachodzą różnego rodzaju reakcje termojądrowe. Jednym z produktów tych reakcji są ogromne ilości energii emitowane w postaci promieniowania. Pewna część tego promieniowania docierają każdej sekundy do powierzchni Ziemi, a jego ilość zależy od takich czynników jak kąt padania promieni słonecznych, zachmurzenie, zanieczyszczenia atmosfery.

Energia słoneczna może być bezpośrednim źródłem energii elektrycznej, dzięki zastosowaniu tzw. ogniw fotowoltaicznych. Głównym surowcem wykorzystywanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem krystaliczny. Ogniwo słoneczne jest zwykle z dwóch warstw składających się z materiałów półprzewodnikowych, tworzących tzw. złącze p-n. Padające promieniowanie słoneczne, powoduje przepływ prądu w obwodzie. Prąd ten jest następnie przesyłany do obwodów elektrycznych, albo magazynowany w akumulatorach.  Pojedyncze ogniwo jest w stanie wygenerować prąd o mocy 1-6,97 W. Wykorzystuje się je  przeze wszystkim w technice kosmicznej. Są również powszechnie stosowane jako źródło zasilania drobnych samodzielnych urządzeń np. kalkulatorów, świateł drogowych itp.

Wśród ważniejszych cech instalacji fotowoltaicznych należy wymienić przede wszystkim:

  1. Ogniwa słoneczne nie potrzebują do działania jakiegokolwiek paliwa, więc nie ma problemów związanych z pozyskiwaniem, transportem i magazynowaniem paliwa.
  2. Ogniwa fotowoltaiczne nie wymagają stosowania odpowiedniego chłodzenia.
  3. Ogniwa solarne przekształcają w energię elektryczną nawet promieniowanie rozproszone.

Wydajność ogniw słonecznych nie zmniejsza się z czasem w przeciwieństwie do innych ogniw. Ze względu na to, iż większość ogniw nie posiada żadnych ruchomych części, nie wymagają konserwacji i części zamiennych.

W ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania ogniwami słonecznymi stosowanymi do zasilania pojedynczych budynków, a nawet całych osiedli, zwłaszcza tych bardzo oddalonych od sieci energetycznych. Główną zaletą instalacji fotowoltaicznych jest to, że mogą być one dokładnie dostosowywane do zapotrzebowania na moc, co powoduje redukcje niektórych kosztów, związanych między innymi z magazynowaniem i transportem energii. Badania naukowe nad ogniwami solarnymi skupione są obecnie na skonstruowaniu ogniw charakteryzujących się jednocześnie bardzo dużą wydajnością i niskimi kosztami produkcji.

Energia słoneczna może być również wykorzystywana do pozyskiwania energii cieplnej. Odbywa się to zwykle przez pochłanianie promieniowania przez różnego rodzaju rozbudowane, wysokopowierzchniowe układy. Promieniowanie to wykorzystywane jest do następnie do ogrzewania np. wody. W ten właśnie sposób ogrzewane są między innymi pojedyncze mieszkania, domy, a nawet całe dzielnice.

ENERGIA WODNA

Woda, szczególnie ta płynąca jest już od dawna wykorzystywana przez człowieka. W dawnych czasach siła spadającej, czy płynącej wody była wykorzystywana między innymi do poruszania młynów, warsztatów sukienniczych, garbarni, itp.  Z czasem zaczęto ją wykorzystywać również jako źródło energii elektrycznej. Szczególnie opłacalnie jest wykorzystanie energii płynącej wody w krajach, w których warunki terenowe są wystarczająco korzystne (duża różnica wzniesień). Obecnie energia wodna, należąca oczywiście do zasobów odnawialnych, ma coraz większe znaczenie, szczególnie w krajach pozbawionych „klasycznych” surowców energetycznych (węgla i ropy naftowej). Funkcjonujące powszechnie elektrownie wodne, wykorzystujące naturalny dopływ wody, można ogólnie podzielić na dwie główne kategorie:

  •   Elektrownie regulacyjne, zwane również elektrowniami inaczej zbiornikowymi. Przed elektrownią znajduje się zbiornik, który ma za zadanie wyrównywać w miarę możliwości różnice sezonowe w ilości płynącej wody.
  •   Elektrownie przepływowe, nie posiadające zbiornika. Ilość wytworzonej przez nie energii zależy od ilości płynącej wody w rzece w danej chwili.

Działanie elektrowni wodnych  można w schematyczny sposób przedstawić następująco. Woda spływa zawsze z terenów położonych wyżej do zbiorników wodnych (jezior lub mór) znajdujących się niżej. Przepływ wody w rzece wynika z różnicy potencjalnej wody w górnej i w dolnej części rzeki. Energia potencjalna, wraz z płynięciem wody zamienia się stopniowo w energię kinetyczną. Właśnie energia kinetyczna płynącej wody wprawia w ruch turbiny elektrowni wodnej, co prowadzi bezpośrednio do wytworzenia energii elektrycznej. Szczególnym przykładem elektrowni wodnych są tzw. elektrownie szczytowo - pompowe, które umiejscowione są dokładnie pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi (górnym i dolnym). Podstawową zaletą tego typu elektrowni jest możliwość kumulacji energii w okresie małego zapotrzebowania, poprzez przepompowywanie wody z dolnego zbiornika do zbiornika górnego. W okresie zwiększonego zapotrzebowania na energię, wyzwalana jest ona poprzez spuszczanie wody z górnego zbiornika do zbiornika dolnego. Woda ze zbiornika górnego spuszczana jest w dół rurami, na końcu których trafia na turbinę z generatorem, co powoduje wytworzenie prądu. Szacuje się, że energia rzek zaspokaja średnio około 3% światowego zapotrzebowania na energię. Dalszy rozwój i rozbudowa elektrowni wodnych jest ograniczony jedynie poprzez wymogi odpowiednich warunków otoczenia, a także od ilości środków, jakie mogą być przeznaczone przez inwestora na budową takiego obiektu. Pobieranie w ten sposób energii jest bardzo korzystne z wielu względów. Jest to energia uzyskiwana w sposób całkowicie ekologiczny, nieszkodliwy dla środowiska naturalnego. Regulowane są przy okazji stosunki wodne, co niejednokrotnie polepsza warunki uprawy roślin, a także zaopatrzenie w wodę ludności oraz przemysłu. Duża elektrownia wodna może zasilać nawet całe miasto, a nawet skupiska miejscowości. Małe elektrownie wodne stosowane są przeważnie do zasilania niewielkich obszarów. Mogą one być instalowane nawet na małych rzekach, w wielu miejscach jednocześnie. Również koszt ich budowy jest stosunkowo niewielki, podobnie jak szybkość budowy i dostępność wyposażenia. Nie potrzebują one licznego personelu, a nawet mogą być zdalnie sterowane. W Polsce niestety energia płynących rzek nie jest w wystarczającym stopniu wykorzystana. Najlepszym chyba przykładem jej dobrego wykorzystania jest Norwegia, gdzie elektrownie wodne pokrywają niemal 100% zapotrzebowania na energię elektryczną.

Energia pływów morza

W niektórych miejscach Świata, woda wykorzystywana jest również w inny sposób jako źródło energii. Jedną z metod jest wykorzystanie energii pływów, jednak w Polsce nie jest ono możliwe. W miejscach o szczególnie korzystnych warunkach topograficznych, możliwe jest praktyczne wykorzystanie przypływów i odpływów morza, czy oceanu. Metoda ta polega na wybudowaniu zapory u ujścia rzeki wpadającej do morza lub oceanu. Pozwala ona na wpływanie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu oraz wypływanie jej z powrotem do morza w czasie odpływu. Wypływająca woda jest przepuszczana przez specjalne turbiny, które poruszając się produkuję energię elektryczną. Największa na świecie elektrownia tego typu pracuje we Francji, przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche. Elektrownia ta została uruchomiona w roku 1967 i posiada 24 turbiny wodne o mocy po 10 MW każda. Całkowita moc wynosi więc 240 MW. Maksymalna amplituda pływów możliwa do wykorzystania wynosi 13,5m, a minimalna 5m. Elektrownie wykorzystujące energię pływów morskich działają również między innymi w Kanadzie, Chinach oraz w Rosji. Szacuje się, iż okres ich eksploatacji wynosi około 100 lat.

Energia fal morskich

Od dawnych czasów próbuje się również wykorzystać energię fal morskich. Pierwszy patent z tej dziedziny zarejestrowano już w roku 1799 w Anglii. W latach dwudziestych ubiegłego stulecia uruchomiona została pierwsza elektrownia tego typu w Bouchaux-Praceique we Francji. Do dnia dzisiejszego zarejestrowanych zostało ponad tysiąc patentów z tej dziedziny. Ze względu na lokalizację, elektrownie wykorzystujące energię ruchów fal morskich, można podzielić się na trzy grupy:

  •   Elektrownie nadbrzeżne,
  •   Elektrownie przybrzeżne – zwykle osadzony na dnie płytkich wód (mniej więcej na głębokości 10-20m)
  •   Elektrownie morskie (umieszczone niejednokrotnie na głębokości ponad 40m).

Istnieją dwa sposoby wykorzystania energii fal morskich:

  •   Turbiny wodne,
  •   Turbiny powietrzne.

W przypadku turbin wodnych, woda morska pchana kolejnymi falami wpływa poprzez zwężającą się sztolnię do zbiornika położonego w górze. Gdy w zbiorniku tym znajdzie się wystarczająco duża ilość wody, wówczas przelewa się ona przez specjalny upust,  napędzając jednocześnie turbinę rurową, która jest sprzężoną z generatorem. Po przejściu przez turbinę, woda powraca z powrotem do morza. Tego typu instalacja pracuje między innymi na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen od roku 1986, dając moc około 350 kW. W przypadku turbin powietrznych, zbiornik zbudowany jest zwykle na specjalnej platformie na brzegu morza. Fale, które wlewają się na podstawę platformy, wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Po jakimś czasie sprężone w wystarczającym stopniu powietrze wprawia w ruch turbinę, która napędza generator. Bardzo często zdarza się, że tego typu instalacje mają nawet kilkadziesiąt kilometrów długości. Dzięki temu, w pewnych sytuacjach, pełnią one również inną ważną funkcje, ochraniając brzeg morski przed niszczycielskim działaniem fal. Oprócz tych dwóch rozwiązań znane są jeszcze metody, wykorzystujące zarówno pionowy, jak i poziomy ruch wody morskiej.

ENERGIA WIATRU

Coraz większym zainteresowaniem cieszy się w ostatnich czasach wykorzystanie energii wiatru jako źródła energii elektrycznej. Najważniejszą zaletą jest w tym przypadku to, iż wiatr stanowi niewyczerpywalne źródło czystej ekologicznie Początki stosowania metod wykorzystujących energię wiatru sięgają już starożytnego Babilonu, gdzie wykorzystywano ją między innymi do osuszania bagien, Egiptu, gdzie służyła w procesach mielenia zboża, Chin, gdzie przy jej pomocy odbywało się pompowanie wody na pola ryżowe. W Europie technika ta pojawiła się w stuleciu XII, lecz nowoczesne technologie zaczęto stosować dopiero w XX stuleciu, po wynalezieniu energii elektrycznej, oraz coraz większego na nią zapotrzebowania. Ocenia się, że elektrownie wiatrowe mogą powstawać na obszarach, gdzie prędkość wiatru jest większa niż 4,5 m/s. Mogą one współpracować z konwencjonalną siecią energetyczną, lub być układami całkowicie autonomicznymi. Obecnie coraz częściej tworzone są również tzw. farmy wiatrowe, będące zespołami elektrowni o szeregu urządzeń wspólnych dla całego układu. Najwięcej tego typu elektrowni znajduje się przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych. W Europie, najwięcej energii z wiatru produkowane jest w Danii, Niemczech, Wielkiej Brytanii oraz Holandii. Elektrownia wiatrowa o największej mocy na Świecie (3MW), znajduje się na terenie Niemiec. Elektrownia Aeolus II pracuje właśnie na jednej z farm wiatrowych (Wilhelshaven). Produkuje ona rocznie około 7mln kWh energii i zaopatruje w nią około 2000 gospodarstw domowych. Według danych z końca roku 1993r, w Europie zainstalowane wówczas był siłownie wiatrowe o mocy 1400MW. Szacuje się, że rocznie na naszym kontynencie instalowane są kolejne elektrownie wiatrowe o mocy około 200MW. Szacuje się, że łącznie na całym Świecie pracuje już ponad 20 tysięcy elektrowni wiatrowych. Niestety podstawową wadą wykorzystania energii wiatru jako źródła energii elektrycznej jest wciąż wysoka cena budowy nowoczesnej elektrowni wiatrowej. Należy jednak zaznaczyć, iż koszt eksploatacji tego typu elektrowni jest prawie znikomy. Korzyści ekonomiczne i ekologiczne zależą przede wszystkim od właściwej lokalizacji. Wymaga to zawsze kompleksowej i szczegółowej analizy i to zarówno aspektów technicznych, jak i ekologicznych oraz finansowych. Energetyka wiatrowa spełnia wszelkie niezbędne warunki by zakwalifikować ją do całkowicie ekologicznie czystych metod wytwarzania energii. Do podstawowych zalet tej metody należą przede wszystkim:

  •   Brak emitowanych zanieczyszczeń do środowiska. Nie ma ani emisji szkodliwych substancji do atmosfery, ani nie powstają jakiekolwiek szkodliwe odpady.
  •   Wykorzystuje się odnawialne, całkowicie niewyczerpywalne źródło energii. Zapewnia to oszczędność wszelkiego rodzaju paliw, procesu ich wydobywania oraz transportu.
  •   Teren w najbliższym sąsiedztwie elektrowni wiatrowej może być w dalszym ciągu wykorzystywany do innych celów, np. rolniczych.
  •   Koszt uzyskiwanej energii jest stały i w miarę upływu czasu staje się coraz bardziej konkurencyjny w stosunku do energii otrzymywanej metodami konwencjonalnymi.
  •   Zminimalizować można koszty przesyłu energii, gdyż siłownie wiatrowe mogą być budowane bezpośrednio u użytkownika lub w najbliższej odległości.
  •   Obsługa systemu elektrowni wiatrowych jest stosunkowo prosta, a eksploatacja jest bardzo tania.

ENERGIA GEOTERMALNA

Na świecie wykorzystuje się różne źródła energii pochodzącej z wnętrza Ziemi. Jest to tzw. energia geotermalna. Energie tę można wykorzystywać na różne sposoby. Z gruntów oraz skał do głębokości około 2500m, ciepło dla celów grzejnych pobierane jest z wykorzystaniem pomp ciepła przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła. Źródłem ciepła mogą być wody gruntowe, wykorzystywane między innymi do celów grzejnych. Wody gorące i ciepłe znajdujące się we wnętrzu Ziemi, niekiedy na znacznych wysokościach mogą być wydobywane przy pomocy specjalnie wywierconych otworów eksploatacyjnych. Czasami wody tego typu są po wykorzystaniu ciepła z powrotem wtłaczane do złoża. Para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych znajduje zastosowanie między innymi w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej. Energia może być również odbierana bezpośrednio od gorących skał, przez wodę cyrkulującą pod wysokim ciśnieniem przez złożony system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w szczelinach skalnych, niekiedy na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest między innymi do celów grzejnych, oraz do wytwarzania energii elektrycznej. Istnieją również sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła wytwarzane w suchych i gorących skałach na skutek utworzenia systemu specjalnych szczelin podczas eksplozji dużych materiałów wybuchowych. Szacuje się, iż w najbliższym czasie możliwe będzie pozyskanie energii geotermalnej dla celów praktycznych, przede wszystkim w ciepłownictwie. Technologie eksploatacji tego typu energii są stopniowo udoskonalane przez coraz większą liczbę krajów na całym Świecie.

ENERGIA BIOMASY

Biomasa to po prostu wysuszone, martwe szczątki przede wszystkim roślin. Na ogół jest to słoma lub drewno z drzew rosnących w szybkim tempie. Przy spalaniu tych produktów emitowane ilości CO2 są równe ilości tego związku, jaka została pobrana przez roślinę podczas wzrostu. Jako źródło energii, biomasa również jest  źródłem odnawialnym, ze względu na to, iż rośliny po prostu odrastają. Nie występuje również problem z utylizacją popiołu gdyż jest on stosowany jako wysokiej jakości nawóz. Szacuje się, że wydajność tego źródła również jest dość wysoka, gdyż dwie tony suchej biomasy, czy to słomy czy drewna, są równoważne energetycznie tonie węgla kamiennego. Poza tym, ogrzewanie biomasą jest również tańsze o około 200 do 300%. Zwrot kosztów tego typu inwestycji waha się od około 2 do 4 lat. Również dużo biomasy ciągle się marnuje. Paliwo tego typu może być wykorzystywane zarówno w gospodarstwach indywidualnych, jak i zbiorczych systemach grzewczych. Po zamontowaniu specjalnych urządzeń i instalacji można również z biomasy produkować prąd.

Powyżej przedstawiono najważniejsze alternatywne źródła energii, które stopniowo zyskują coraz większe zainteresowanie w wielu krajach świata. Szczególnie ważne staje się to zagadnienie w momencie, kiedy coraz bardziej przybliża się moment, w którym nieodnawialne surowce energetyczne, takie jak węgle kopalne i ropa naftowa ulegną wyczerpaniu. Konieczne jest więc zapewnienie innych źródeł pozyskiwania energii, szczególnie energii elektrycznej. Poza tym konwencjonalne metody pozyskiwania energii, niejednokrotnie przyczyniają się do znacznego zanieczyszczenia środowiska, podczas gdy omówione powyżej metody alternatywne są dla środowiska nieszkodliwe.