ENERGETYKA

1. Pozyskiwanie oraz użytkowanie energii

1. Rola energii w rozwoju ludzkości - pojęcia podstawowe.

Podstawowe zadania gospodarki narodowej

Produkcja żywności

i

Pozyskiwanie nośników energii

W procesach proekologicznych

Pozyskiwanie i użytkowanie energii podstawą życia człowieka

Ciepło światło

Najstarsze postacie energii użytkowej

Energia wodna energia wiatru

Najstarsze formy energii napędowej

Żywność 8-10MJ/M doba

Punkty przełomowe

XVIII w. - zastosowanie udoskonalonej maszyny parowej J. Watt

XIX w. - turbina wodna, silnik spalinowy (Lenoir, Otto), turbina parowa (de Laval, Parsons)

XX w. - turbina gazowa

1939 - rozbicie jądra uranu (Hahn, Strassmann)

XX/XXI w. - fuzja jądrowa w wersji komercyjnej, ogniwa fotowoltaniczne?

Pojęcia podstawowe

Energia pierwotna - energia czerpana z przyrody w postaci nieodnawialnej i odnawialnej.

Energia nieodnawialna - energia chemiczna paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz energia paliw rozszczepialnych.

Energia odnawialna - energia słoneczna, energia wód, energia geotermiczna, energia wiatru, energia maremotoryczna i maretermiczna, energia biomasy.

Energia użytkowa - energia potrzebna człowiekowi do podtrzymywania życia i rozwijania aktywności. Wyróżnia się następujące postacie energii użytkowej: praca mechaniczna, ciepło, światło, dźwięk, energia chemiczna żywności i paszy, energia chemiczna materiałów, sprzętów i narzędzi.

Energia finalna (bezpośrednia) - energia będąca przedmiotem zakupu w celu zaspokojenia potrzeb człowieka na energię użytkową. Do energii bezpośredniej zalicza się zwykle energię elektryczną, ciepło grzejne, energię chemiczną paliw pierwotnych i przetworzonych zużywaną bezpośrednio.

1 t.p.u - jedna tona paliwa umownego

1 t.p.u = 29,3076 GJ = 0,7 t.o.e = 8,141 MWh

1 t.o.e - jedna tona oleju ekwiwalentnego

1 t.o.e = 41,86 GJ = 1,4286 t.p.u = 11,6278 MWh

Każdy produkt użyteczny, nieodzowny w życiu człowieka jest produkowany przy użyciu różnych rodzajów energii lub form jej przekazywania.

Źródła energii

• Nośniki energii pierwotnej

• Energia chemiczna paliw

• Węgiel kamienny i brunatny

• Ropa naftowa

• Gaz ziemny

• Drewno, torf

• Paliwa jądrowe

• Uran i tor

• Odnawialne źródła energii

• Energia słoneczna

• Energia geotermiczna

• Energia wód

• Energia wiatrów

• Energia biomasy

• Energia maremotoryczna

• Energia maretermiczna

• Krajowe i światowe rezerwy oraz zasoby energii pierwotnej

Krajowe i światowe rezerwy energii pierwotnej

Nośnik energii pierwotnej	Polska		Świat
		Rezerwy [EJ]	Udział [%]	Rezerwy [EJ]	Udział [%]
Węgiel kamienny	775	88,2	19600	43,9
Węgiel brunatny	87	10,2	2800	6,3
Ropa naftowa	0,1	0,0	6300	14,1
Gaz ziemny	4,2	0,5	4700	10,5
Energia wodna	9,4	1,1	5600	12,6
Uran	-	0,0	5600	12,6
Razem	855,7	100	44600	100




2. Schemat przemian między poziomem energii pierwotnej i użytkowej

Bilans strumienia energii słonecznej → Ziemia

173000 TW

krajowe elektrownie - 0,033 TW

~30% - promieniowanie odbite od atmosfery ziemskiej

~47% - pochłonięte przez lądy i morza (bezpośrednia zamiana na ciepło)

~23% - zużycie w obiegu hydrologicznym (parowanie, opady)

~0,2% (370TW) - ruch powietrza i fal morskich

~0,02% (40TW) - zużycie w procesie fotosyntezy




Naturalne zasoby energetyczne

Pozyskiwanie energii pierwotnej
Paliwa organiczne	Paliwa jądrowe	Odnawialne źródła energii

Przesyłanie

Uszlachetnianie i przetwarzanie
Sortowanie, wzbogacanie	Rafinerie	Koksowanie, zgazowanie

Przesyłanie

Energia finalna
Energia elektryczna	Para i gorąca woda	Energia chemiczna paliw zużywana bezpośrednio

Przesyłanie

Energia użytkowa
Praca mechaniczna	Ciepło	Światło	Dźwięk	Energia chemiczna żywności	Energia chemiczna materiałów

3. Użytkowanie energii

Porównanie zużycia energii pierwotnej i energochłonności produktu krajowego brutto w Polsce i w wybranych krajach 1989r.

Wielkość	Kraj
		Polska	Francja	Niemcy	USA
Zużycie energii pierwotnej GJ/M*a	135,1	164,4	184,6	330,3
Energochłonność krajowego produktu brutto MJ/USD	32,2	12,6	13,8	18,0

Struktura zużycia energii pierwotnej w Polsce i w krajach rozwiniętych Europy w 1990r.

	Polska	Rozwinięte kraje Europy
Węgiel	0,749	0,19
Ropa naftowa	0,149	0,44
Gaz ziemny	0,089	0,17
Energia jądrowa	-----	0,14
Energia wodna	0,001	0,03
Pozostałe paliwa	0,012	0,03

Zapotrzebowanie na nośniki energii pierwotnej oraz struktura pozyskania

	1997	2005	2010	2020
Zapotrzebowanie na energie pierwotną mln t.o.e	107,3	103,7	109,1	121,3
Struktura pozyskania %
Węgiel kamienny	55,7	48,7	48,7	38,0
Węgiel brunatny	11,4	12,0	11,4	10,1
Ropa naftowa	18,6	21,4	21,4	23,0
Gaz ziemny	9,2	12,3	13,7	22,6
Energia ze źródeł odnawialnych	5,1	5,6	5,7	6,3

4. Racjonalizacja użytkowania energii i środowiska

Droga do zmniejszenia energochłonności gospodarki narodowej → racjonalizacja użytkowania środowiska

• Optymalny sposób oszczędności

• Racjonalizacja strukturalna

• Racjonalizacja techniczna

• Zmiany w technologii

• Poprawa sprawności energetycznej

• Zmniejszenie strat ciepła

• Wykorzystanie energii odpadowej

• Racjonalizacja organizacyjna

Drogi racjonalizacji energetycznej

• Zmniejszenie udziału energochłonnych gałęzi przemysłu

• Wprowadzenie nowych mniej energochłonnych technologii w przemyśle

• Zwiększenie udziału paliw węglowodorowych

• Modernizacja ciepłownictwa

• Termo modernizacja w budownictwie

• Modernizacja transportu

• Opracowanie systemu taryf na energię stymulujących oszczędności

• Obniżenie materiałochłonności gospodarki narodowej

• Poprawa organizacji pracy

• Edukacja energetyczna społeczeństwa

Kierunki obniżenia energochłonności i zmniejszenia zagrożenia ekologicznego:

• Poprawa doskonałości termodynamicznej procesów produkcyjnych w energetyce

• Poprawa stanu eksploatacji urządzeń energetycznych

• Poprawa sprawności energetycznej odbiorników energii

• Poprawa stanu wykorzystania energii odpadowej

• Obniżenie materiałochłonności

• Zmniejszenie udziału produktów energochłonnych

• Poprawa wykorzystania surowców wtórnych

1. Aspekt ekologiczny pozyskiwania i użytkowania energii

Wpływ struktury pozyskiwania energii na szkodliwość ekologiczną energetyki

Energetyka węglowa

Przykład Polski - monokultura węglowa

„samowystarczalność energetyczna”

w imię źle pojętego „bezpieczeństwa energetycznego”

Efekty

• Zacofanie technologiczne

• 14% powierzchni kraju - obszar klęski ekologicznej

Rozwinięte kraje Europy

• przewaga energetyki węglowodorowej nad energetyką węglową

• wskaźnik samowystarczalności energetycznej 30-60%

Bezpieczeństwo energetyczne kraju, tzn.

• Zapewnienie ciągłości dostaw energii

• Uzasadnione społecznie ceny energii (równowaga interesów wytwórców i odbiorców energii)

• Minimalizacja negatywnych oddziaływań (przestrzeganie wymagań strategii ekorozwoju Polski)

Energetyka węglowodorowa

• Wyższe sprawności energetyczne konwersji energii

• Łatwość regulacji i automatyzacji

• Mniejsza szkodliwość ekologiczna

Ograniczona dostępność paliw węglowodorowych

oraz

Lokalizacja największych zasobów w rejonach świata o małej stabilizacji politycznej

↓

Proekologiczne

„czyste technologie energetyczne

czyste technologie węglowe

skojarzone układy cieplno-elektryczne

Aspekt ekologiczny pozyskiwania i użytkowania energii

Cele krajowe w zakresie ochrony środowiska

• Poprawa jakości węgla (wzbogacanie i odsiarczanie)

• Odsalanie wód kopalnianych

• Odsiarczanie spalin

• Zmniejszenie emisji NO_x

• Modernizacja i rekonstrukcja kotłowni

1. Kierunki polityki energetycznej Polski w świetle zasady zrównoważonego rozwoju.

Wg art. 15 ustawy Departamentu Energetyki założenia powinny być opracowane zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju kraju i określać m. in.

• Ocenę bezpieczeństwa energetycznego państwa

• Prognozę zapotrzebowania na paliwa i energię

• Prognozę importu i eksportu paliw i energii

• Prognozę zdolności wytwórczych źródeł paliw i energii

• Politykę inwestycyjną

• Działalność w zakresie ochrony środowiska

• Rozwój wykorzystania niekonwencjonalnych, w tym odnawialnych źródeł energii

• Politykę racjonalizacji użytkowania paliw i energii

• Propozycje zmian uregulowań prawnych

Ustawa o ochronie i kształtowaniu środowiska - zrównoważony rozwój

„Taki rozwój społeczno gospodarczy, w którym w celu równoważenia szans dostępu do środowiska poszczególnych społeczeństw jak ich obywateli - zarówno współczesnych, jak i przyszłych pokoleń - następuje proces integrowania działań politycznych, gospodarczych i społecznych z zachowaniem równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych.”

Szczyt ziemi - Rio de Janeiro 1992

Konferencja ONZ - „Środowisko i rozwój”

„Prawo do rozwoju musi być realizowane tak, aby w jednakowym stopniu były zaspokojone potrzeby rozwojowe i ekologiczne dzisiejszych i przyszłych pokoleń.”

„Dla osiągnięcia zrównoważonego rozwoju (ekorozwoju) ochrona środowiska będzie stanowiła integralną część procesu rozwoju i nie będzie traktowana oddzielnie.”

Zrównoważony rozwój kraju oznacza m. in.

• Racjonalne użytkowanie nieodwracalnych zasobów energii pierwotnej

• Ograniczenie uciążliwości dla środowiska i zapewnienie bezpieczeństwa ekologicznego

• Tworzenie warunków do uczciwej konkurencji w dostępie do ograniczonych zasobów i możliwości odprowadzania zanieczyszczeń

Cele społeczno-gospodarcze polityki energetycznej państwa:

• Tworzenie warunków do zrównoważonego rozwoju kraju (zdolność polityki energetycznej i ekologicznej)

• Zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego państwa

• Oszczędne i racjonalne użytkowanie paliw i energii

• Uwzględnianie wymogów ochrony środowiska

2. Krajowy system energetyczny

1. Cechy krajowego systemu energetycznego

System - celowo określony zbiór elementów oraz relacji zachodzących między tymi elementami i ich własnościami

„całość to więcej niż suma jej części” Arystoteles

OTOCZENIE

SYSTEM

OTOCZENIE

Własności systemów

• Struktura hierarchiczna - podsystemy

• Spójność - zmiana w jednym elemencie powoduje zmiany w pozostałych elementach

• Niezależność - brak powiązań (addytywność)

Pełna addytywność = zbiór niezależnych elementów

System

%spójności %niezależności

Klasyfikacja systemów:

• Rzeczywiste i abstrakcyjne

• Naturalne i sztuczne

• Proste -
  

• Złożone -
  

• Szczególnie złożona -
  

• Systemy otwarte - wymiana z otoczeniem materii, energii i informacji

• Systemy zamknięte - tylko wymiana informacji

• Systemy odosobnione - brak wymiany materii, energii i informacji

• Systemy statyczne i dynamiczne

Krajowy system energetyczny - „zbiór urządzeń i przedsięwzięć organizacyjnych mających na celu pozyskiwanie, przesyłanie, przetwarzanie, rozdzielanie i użytkowanie różnych rodzajów energii i form jej przekazywania.”

Krajowy system energetyczny

Duży system energetyczny typu

„człowiek - maszyny - środowisko”

Krajowy system energetyczny - system techniczny typu cybernetycznego

System techniczny

• Materialny charakter powiązań

• Znany opis matematyczny

• Człowiek jako operator

• Część sterowana - maszyny

System ekonomiczny

• Aktywna rola człowieka w części sterującej i sterowanej

• Brak ścisłego opisu matematycznego

• Szczególna rola środków socjalno-ekonomicznych

1. Powiązania wewnętrzne i zewnętrzne krajowego systemu energetycznego

Powiązania zewnętrzne

• Powiązania wynikające z przepływów międzygałęziowych między gospodarką energetyczną kraju, a pozostałymi gałęziami gospodarki narodowej

• Powiązania o charakterze ograniczeń dotyczących środków finansowych, terenów, siły roboczej

• Współzależność gałęzi energetycznych i nieenergetycznych gospodarki w procesie postępu technicznego

• Powiązania socjalno-ekonomiczne z gospodarką narodową

• Powiązania ze środowiskiem

• Powiązania międzynarodowe

Powiązania wewnętrzne

Krajowy system energetyczny

• Podsystem paliw stałych

• Podsystem paliw ciekłych

• Podsystem gazoenergetyczny

• Podsystem elektroenergetyczny

• Podsystem cieplnoenergetyczny

• Podsystem energetyki jądrowej - projekt wstrzymany

1. Podsystem paliw stałych

Węgiel kamienny

GZW 97,6% DZW 1,3% RZW 1,1%

130 mln t/rok(7 miejsce w świecie)

wartość opałowa:


zawartość siarki: S=0,35-0,45(1) g/MJ

Węgiel brunatny

Cele energetyczne - 97% wydobycia

Zagłębie Turoszowskie	2700MW
Zagłębie Konińsko-Pątnowski	1700MW
Zagłębie Bełchatowskie	Możliwość 6500MW Obecnie 4320MW

~60mln t/rok

W_d=8400 kJ/kg

S=0,6-1,6 g/MJ

Charakterystyka paliw stałych

Skład chemiczny (analiza pierwiastkowa): C, H, O, N, S, W (wilgoć), P (popiół)

Węgiel kamienny:

C=65,6%

H=4,2%

O=8,4%

N=1,2%

S=0,6%

W=4%

P=16%

Wartość opałowa - ilość ciepła odprowadzona z komory spalania po zupełnym i całkowitym spaleniu jednostki paliwa, jeżeli spalanie odbyło się pod stałym ciśnieniem, spaliny zostały ochłodzone do temperatury początkowej substratów, przy czym para wodna nie uległa skropleniu.




Węgiel brunatny

C=41,0%

H=2,9%

O=15,7%

N=1,9%

S=0,7%

W=32,4%

P=5,7%

W_d=7800 kJ/kg

Węgiel kamienny

• Od kilkudziesięciu lat obserwuje się stabilny udział ok. 27% węgla w światowym pozyskiwaniu energii pierwotnej

• Pokłady węgla są stosunkowo równomiernie rozłożone w świecie (konkurencyjne ceny)

• Węgiel nie znajduje się w rejonach niestabilnych politycznie

1. Podsystem paliw ciekłych

Import + szyby wiertnicze (350 tys ton - 1990), zespół rafinerii (przetwarzanie ropy na paliwa ciekłe - benzyny i oleje), rurociągi i cysterny, składowiska, elementy rozdziału.

Zalety paliw ciekłych

• Możliwość automatyzacji na etapach wydobycia, transportu, przetwarzania i użytkowania

• Brak popiołów

• Możliwość eliminacji związków siarki

• Praktycznie transport nie wpływa szkodliwie na środowisko

Prognoza zapotrzebowania na ropę

Rok	1997	2005	2010	2020
Zapotrzebowanie mln t.o.e	20	22	23,3	27,9

Podsystem paliw ciekłych

• Dywersyfikacja kierunków dostaw → bezpieczeństwo energetyczne kraju

• Zwiększenie zdolności produkcyjnych rafinerii co najmniej o 50%

1. Podsystem gazoenergetyczny

Sieci przemysłowe

• Gazu ziemnego wysokometanowego

• Gazu ziemnego zaazotowanego

• Gazu koksowniczego (odbiorcy przemysłowi)

Zaniżona pięciokrotnie objętość zbiorników

Gaz ziemny - W_d=34,3 MJ/m³

Źródła pozyskania:

• Krajowe złoża

• Import

• Gaz z odmetanowania

1. Podsystem elektroenergetyczny

Zbiór urządzeń służących do wytwarzania, przesyłania i rozdziału energii elektrycznej połączonych ze sobą funkcjonalnie do realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej do odbiorców.

Elementy podsystemu elektroenergetycznego

• Elektrownie

• Sieci elektroenergetyczne

Elektrownia

• Bloki energetyczne (kocioł, turbogenerator, transformator)

• Urządzenia potrzeb własnych (pompy, skraplacz, młyny węglowe, elektrofiltry)

Rodzaje elektrowni

• Parowe klasyczne

• Parowe jądrowe

• Gazowe

• Gazowo-parowe

• Wodne (zbiornikowe, przepływowe, szczytowo-pompowe)

• Akumulacyjne ze zbiornikiem sprężonego powietrza

• Pływowe

• Geotermiczne

• Wiatrowe

• Słoneczne

Krajowe elektrownie

• Parowe klasyczne (kondensacyjne) opalane węglem

• Wodne zbiornikowe

• Wodne przepływowe

• Wodne szczytowo-pompowe

• Gazowe - niskie moce

Podsystem elektro-energetyczny

Moc zainstalowana - 33GW

Elektrownie cieplne 31GW -


Bełchatów	4320MW
Kozienice	2600MW
Turów	2000MW
Rybnik	1600MW

Elektrownie wodne - 2GW (szczytowo-pompowe - 1,5GW)

Żarnowiec	680MW
Porąbka-Żar	500MW
Włocławek	160MW

Kraj	KWh/M*rok
Polska	3870
Niemcy	7120
Szwecja	16900
USA	11920

Sprawność energetyczna (brutto) elektrowni parowej klasycznej opalanej węglem




Najnowsze krajowe elektrownie


Sprawność energetyczna netto




Sprawność przesyłania i transformacji energii elektrycznej




Sieci elektroenergetyczne

• Sieci przesyłowe wysokiego napięcia 400; 220kW

• Sieć rozdzielcza wysokiego napięcia 110kW

• Sieć rozdzielcza średniego napięcia 15, 20, 30kW

• Sieć niskiego napięcia 0,4; 0,3; 0,22kW

1. Podsystem cieplno-energetyczny

Zbiór maszyn i urządzeń energetycznych oraz sieci ciepłowniczych, który w sposób scentralizowany zasila odbiorców w ciepło (za pośrednictwem gorącej wody lub pary)

Elementy podsystemu

• Elektrociepłownie i ciepłownie

• Sieci przesyłowe

• Węzły cieplne

• Instalacje użytkowe cieplno-wentylacyjne i gorącej wody

Przyczyny rozwoju scentralizowanego zasilania w ciepło

• Społeczne

• Zmniejszenie wysiłku ludzi

• Poprawa komfortu cieplnego

• Zmniejszenie niebezpieczeństwa pożarowego

• Zmniejszenie niebezpieczeństwa zatrucia

• Energetyczno-ekonomiczne

• Wprowadzenie gospodarki skojarzonej

• Poprawa sprawności urządzeń - mniejsze zużycie paliwa

• Możliwość spalania gorszego węgla

• Mniejsza materiałochłonność

• Zmniejszenie kosztów transportu

• Zmniejszenie kosztów obsługi

• Ekologiczne

Podsystem cieplno-energetyczny - scentralizowana dostawa ciepła

Gorąca woda 10-20km para wodna 2-3km

Elektrociepłownie (skojarzona gospodarka cieplna) ciepłownie + elektrownie

Rozdzielone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej

ciepłownia




elektrownia




Skojarzona gospodarka cieplno-energetyczna

elektrociepłownia




Oszczędność energii chemicznej paliwa dzięki gospodarce skojarzonej







Obniżenie SO₂

Udział gramowy siarki w węglu - 0,8%

Ilość SO₂




3. Energetyka, a środowisko naturalne człowieka

1. Wpływ działania krajowego systemu energetycznego na środowisko naturalne człowieka

Szkodliwe oddziaływanie

• Naruszenie równowagi ekologicznej na skutek emisji szkodliwych substancji

• Wyczerpanie nieodnawialnych zasobów bogactw naturalnych

Szacunkowe wartości emisji głównych zanieczyszczeń powietrza w 1998r.

Użytkownicy paliw	Emisja w tys t/rok
		SO2	NOx	Pyły
Elektroenergetyka	2164	580	861
Metalurgia	166	460	166
Inne przemysły	497			587
Sektor bytowo-komunalny	950	130	1000
Transport	110	450
Inne technologie	513	70
Razem	4400	1690	2614

Względne zmniejszenie szkodliwych emisji w porównaniu z 1989

Rok Zanieczyszczenia	1996	1996	1998
		Polska	Energetyka zawodowa
		%
SO2	60,6	59,7	51,8
NOx	77,9	78,1	57,7
CO2	77,9	98,8	90,2
Pyły	32,1	21,5	12,7

1. Zagrożenia ekologiczne w procesach pozyskiwania paliw pierwotnych

• Zagrożenie zdrowia i życia górników

• Szkody górnicze

• Zagrożenie odpadami kopalnianymi (pylenie hałd, zanieczyszczenie wód)

• Zasolenie wód kopalnianych

• Leje depresyjne w kopalniach odkrywkowych

• Ubytki zasobów węgla kamiennego (zasoby pozostawione w stanie zanieczyszczonym)

• Wycieki paliw ciekłych

• Zagrożenie wybuchowe - paliwa gazowe

• Zagrożenie radiacyjne - paliwa i odpady jądrowe

Oszczędność paliw pierwotnych = zmniejszenie zagrożenia

1. Zagrożenia ekologiczne w procesach przetwarzania paliw pierwotnych na energię elektryczną i ciepło.

Paliwa kopalne - 95% wykorzystania rezerw energii pierwotnej

Proces spalania - najczęściej spotykany sposób konwersji paliw kopalnych

Zanieczyszczenia

• Pyły

• Tlenki siarki i tlenki azotu

• CO, siarka, węglowodory, aldehydy

• CO₂

Ujemny wpływ ciepła chłodzenia w elektrowniach układów kondensacyjnych na życie biologiczne w akwenach

Ciepło chłodzenia z układu kondensacji elektrowni jest odprowadzane za pomocą wodnych obiegów otwartych lub zamkniętych. Odprowadzanie ciepła w wodą do zbiorników wodnych lub rzek może wpływać ujemnie na życie biologiczne. Wzrost temperatury wody wpływa na obniżenie zawartości tlenu w wodzie i oddziałuje hamująco na rozwój mikroorganizmów (oczyszczanie wody ze szkodliwych bakterii).

Duże straty bezzwrotne w chłodniach kominowych zwiększają deficyt wody. Chłodnie kominowe pogarszają mikroklimat w rejonie elektrowni (szczególnie zimą).

Przesyłanie energii elektrycznej za pomocą linii napowietrznych powoduje powstawanie pola elektromagnetycznego, które wpływa ujemnie na ludzi i zwierzęta.

Budowa zbiorników elektrownii wodnych również wpływa ujemnie na środowisko. Następuje podnoszenie poziomu wód podziemnych i podtapianie gruntów w sąsiedztwie zbiornika wodnego oraz podmywanie skarp

3,5 mln ton węgla/rok

(~8 wagonów/h)

Elektrownia cieplna (1000MW)

1mln ton popiołów/rok

75tys ton pyłów/rok

120tys ton SO₂/rok

20tys ton NO_x/rok

9mln ton CO₂/rok

1. Szkodliwość ekologiczna procesów energetycznych w skali lokalnej

Oddziaływanie lokalne

Pyły (cząstki sadzy, pierwiastki metaliczne, niemetaliczne)

• Schorzenia dróg oddechowych

• Zmiany w układzie nerwowym i krwi

• Oddziaływanie kancerogenne

• Hamowanie fotosyntezy

• Korozja metali

Tlenki siarki i tlenki azotu

• Schorzenia dróg oddechowych

• Oddziaływanie kancerogenne

• „Kwaśne deszcze” - deforestacja

• Korozja metali, niszczenie budynków

CO

• Obniżenie zdolności przenoszenia tlenu przez krew

• Wpływ na układ nerwowy

• Schorzenia dróg oddechowych

Węglowodory aromatyczne

• Działanie kancerogenne

Zanieczyszczenia organiczne

• Węglowodory

• Substancje smoliste

• Benzo(alfa)piren

Powstają w wyniku niezupełnego spalania paliw węglowodorowych lub zachodzenia procesu pirolizy paliwa w procesach spalania. Podwyższenie temperatury spalania wpływa na zmniejszenie emisji substancji organicznych. Wpływa jednak z kolei na zwiększenie emisji tlenków azotu.

Oddziaływanie globalne

CO₂

EFEKT CIEPLARNIANY - pochłanianie promieniowania podczerwonego Ziemi → podwyższenie temperatury atmosfery ziemskiej → przesunięcie ciepłych stref klimatycznych w kierunku biegunów → topnienie lodów polarnych

Sposoby przeciwdziałania

• Oszczędne gospodarowanie energią

• Zastępowanie węgla paliwami węglowodorowymi

• Zwiększenie udziału energetyki jądrowej

• Zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii

• Zmniejszenie deforestacji

• Wymywanie CO₂ i deponowanie go poza atmosferą

DZIURA OZONOWA

Przyczyna - emisja związków chemicznych zawierających chlor (np. CF₃Cl, CF₂Cl, stosowane w chłodziarkach)

Mechanizm tworzenia dziury ozonowej

Rozpad związków chlorofluorowęglowych pod wpływem promieniowania słonecznego prowadzi do utworzenia atomu chloru, który rozbija O₃ na O₂ i O. Tlen atomowy łączy się z Cl na ClO, który znowu ulega rozpadowi pod wpływem promieniowania słonecznego i atom Cl atakuje kolejną cząstkę O₃.

Efekt - warstwa ozonu w atmosferze staje się cieńsza nie stanowiąc ochrony przed promieniowaniem nadfioletowym (działanie kancerogenne)

1. Sposoby zmniejszenia ujemnych skutków ekologicznych

• Usuwanie zanieczyszczeń paliwa na drodze fizycznej, chemicznej, biologicznej przed spalaniem (usuwanie siarki pierwotnej i organicznej oraz zmniejszenie substancji mineralnej z węgla)

• Zastosowanie czystych technologii spalania (technika fluidalnego spalania oraz pierwotne metody ograniczenia emisji SO₂ i NO_x, palniki niskoemisyjne, organizacja procesu spalania)

• Oczyszczenie spalin po odpłynięcia z komorą spalania (odpylanie, odsiarczanie, odazotowanie)

• Wytwarzanie czystych paliw w procesach zgazowania, odgazowania lub upłynniania paliw pierwotnych

Charakterystyczne układy kombinowane z turbiną gazową

• Otwarty gazowy - zamknięty parowy - układ gazowo-parowy

• Dwa układy zamknięte - układ dinarowy

• Trzy układy zamknięte - układ trinarowy










Układ gazowo parowy z produkcją ciepła




sprawność 0,55-0,58(0,60)

Charakterystyczne układy energetyki węglowej z turbiną gazową.

Emisja CO₂

Gaz ziemny wysokometanowy




Węgiel kamienny




Rodzaje reaktorów i siłowni jądrowych

1. Reaktor wodny wrzący (BWR) - system jedno-konturowy - proces rozszczepiania ciężkich izotopów - reaktor emituje ciepło - pierwsza elektrownia 1952r. - energia produkowana 20%

2. Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) - system dwu-konturowy - synteza lekkich izotopów

Ogniwa paliwowe

Są to urządzenia elektrochemiczne, w których następuje w sposób ciągły bezpośrednia zamiana energii chemicznej paliwa - zwykle wodoru, na energie elektryczną. Zostały one odkryte przez W. Grove'a ponad 150 lat temu, jednak dopiero od półwiecza nastąpił gwałtowny ich rozwój wynikający z zastosowań specjalnych - badania kosmosu, technika militarna (produkcja energii elektrycznej w łodziach podwodnych).

Ogniwo paliwowe pracuje bez przerwy, jeśli tylko wodór i tlen są doprowadzane do elektrod.

Ogniwa paliwowe są kwalifikowane w zależności od rodzaju elektrolitu, który jest w nich używany. Z rodzajem elektrolitu wiążą się temperatury, w których zachodzą reakcje. W literaturze anglojęzycznej ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym, pracujące w temperaturze 80˚C, są oznaczane jako PEFC (Polymer Elektrolyte Fuel Cell), z elektrolitem alkalicznym (KOH), pracujące w temperaturze 100˚C, są oznaczane jako AFC (Alcaline Fuel Cell), z elektrolitem w postaci kwasu fosforowego (H₃PO₄), pracujące w temperaturze 200˚C, są oznaczane jako PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), z elektrolitem w postaci ciekłych węglanów litu i potasu (Li₂CO₃ i K₂CO₃), pracujące w temperaturze 650˚C, są oznaczane jako MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) i wreszcie z elektrolitem w postaci stałego utleniacza, pracujące w temperaturze 1000˚C, są oznaczane jako SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Elektrolitem jest dwutlenek cyrkonu (ZrO₂).

Energia pierwotna	Straty w przetwarzaniu	Przesyłanie	Wykorzystanie
	Elektrownia kondensacyjna (64%)	Elektryczność (36%)	34%
	Elektrociepłownia centralna (18%)	Elektryczność (27%)	26%	75%
					En. Cieplna (55%)	49%
			Elektrociepłownia blokowa - lokalna (10%)		Elektryczność (35%)	34%	87%
					En. Cieplna (55%)	53%


- wskaźnik skojarzenia

Energia źródeł odnawialnych

• Energia słoneczna

• Biomasa

Rodzaje konwersji EPS na użyteczne formy energii

• Fototermiczna - EPS → ciepło

• Fotowoltaniczną (lub fotoelektryczną) - EPS → energia elektryczna

• Fotochemiczną (w tym fotochemiczną, a w szczególności fotosyntezę) - EPS → energia związana z procesami chemicznymi (energia wiązań chemicznych cząstek)

Konwersje te mogą występować równolegle (jednocześnie).




Rodzaje kolektorów

• Kolektory płaskie cieczowe

• Kolektory płaskie powietrzne

• Instalacje pasywne

• Kolektory cieczowe magazynujące

• Kolektory skupiające

Biomasa

• Uprawy roślinne (specjalnie ukierunkowane)

• Leśne i rolnicze odpady (kora, trociny, słoma itd.)

• Odchody zwierzęce

• Organiczne części śmieci innych odpadów pochodzących z gospodarstw domowych i innych

Fotosynteza




składnik biomasy

Dzięki fotosyntezie rocznie generowane jest 10¹¹ ton węgla, które w formie energii chemicznej jest akumulowane lub przetwarzane. Sprawność tego procesu (generacji biomasy) jest stosunkowo niska. Trawa przekształca (generuje) 0,3% padającej energii słonecznej, lasy-1%, specjalne rośliny (trzcina cukrowa, burak cukrowy, kukurydza, wodorosty itd.) - 5%.

Tak np. w trawie tworzy się z 1kg substancji organicznej /m², w wodorostach zaś 25kg/m².

ENERGETYKA PRZYJAZNA DLA CZŁOWIEKA I ŚRODOWISKA

Kryterium efektywności społecznej - „Jakość życia”

• Swoboda wyboru miejsca zamieszkania

• Swoboda wyboru rodzaju i miejsca pracy

• Możliwość współuczestnictwa w podejmowaniu decyzji

• Prawo do twórczości

• Prawo do czystego powietrza i czystej wody

• Prawo do ciszy

• Itd.

Dodatni wpływ energetyki

• Poprawa komfortu mieszkań

• Oszczędność pracy w gospodarstwach domowych

• Uprawianie komunikacji zbiorowej

• Umożliwienie automatyzacji

Ujemny wpływ energetyki

• Zagrożenie środowiska naturalnego człowieka

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII (nadzieja ludzkości)

• Energia promieniowania słońca (w części przetwarzana na inne formy energii odnawialnej)

• Proces fotosyntezy: biomasa (~35%)

• Cykl hydrologiczny

• Energia wodna (~17%)

• Energia wiatrów (~17%)

• Energia fal i prądów morskich

• Energia słoneczna (konwersja lokalna) (~13%)

• Energia wnętrza Ziemi (energia geotermiczna) (~12%)

• Energia ruchów planetarnych (przypływy i odpływy)

ENERGETYKA WODNA

Udział w produkcji energii elektrycznej

Świat 20% Polska 1,1%

Wykorzystanie zasobów użytkowych

100% - 9800 TWh/rok 100% - 13,7 TWh/rok

Świat - 22,4% Polska - 12%

Elektrownie wodne - obiekty wielofunkcyjne

• Stabilizacja stosunków wodnych

• Źródła wody

• Poprawa komunikacji

• Nowe tereny rekreacyjne

Kaskada Dolnej Wisły - program budowy ciągu elektrowni (zbudowano jedynie elektrownię Włocławek 160 MW

Mała energetyka wodna - lata 50-te 6300 siłowni wodnych - obecnie ~300

Rodzaje elektrowni wodnych

• Elektrownie wodne przepływowe - nie mają zbiornika do magazynowania wody, lecz wykorzystują ciągły przepływ cieku wodnego

• Elektrownie wodne zbiornikowe - gromadzenie wody w okresach małego obciążenia systemu elektroenergetycznego lub w okresach powodziowych. Wykorzystywane głównie jako elektrownie szczytowe

• Elektrownie wodne pompowe - górne zbiorniki napełniane za pomocą pomp w okresach małego obciążenia systemu elektroenergetycznego. Wykorzystywane jako elektrownie szczytowe

Pozostałe funkcje gospodarcze elektrowni wodnych

• Stabilizacja stosunków wodnych

• Ochrona przed powodziami

• Źródła wody pitnej

• Gospodarka rybna i nawadnianie terenów rolniczych

• Tereny rekreacyjne

Moc elektrowni wodnej





- strumień wody

ΔH - różnica wysokości między poziomami wody




Największe elektrownie wodne

• 12000MW - Itapu (Brazylia/Paragwaj)

• 9700MW - Gran Coulec (USA)

• 9000MW - Guri (Wenezuela)

Polska

• 160MW - Włocławek

• 680MW - Żarnowiec

• 500MW - Porąbka Żar

Energetyka jest przyjaznym dla środowiska źródłem energii. Zastępuje, bowiem produkcję energii elektrycznej w elektrowniach węglowych ograniczając emisję szkodliwych substancji. Ale energetyka wodna nie pozostaje również bez ujemnego wpływu na środowisko. Podwyższenie poziomu wody powoduje podniesienie się poziomu wód gruntowych i konieczność odwodnień w okresach roztopów wzrasta niebezpieczeństwo awarii zapór wodnych.

4.3 ENERGETYKA SŁONECZNA

Moc wiązki promieniowania w kierunku Ziemi - 173000TW

Moc zainstalowana w polskich elektrowniach - 0,033TW

~30% - odbite od atmosfery

~47% - ciepło pochłonięte przez lądy i morza

~23% - obieg hydrologiczny (opady i parowanie

320TW - ruch powietrza

40TW - fotosynteza

Sposoby wykorzystania (konwersja lokalna)

• wykorzystanie promieniowania bezpośredniego i rozproszonego w procesach ogrzewania (układy pasywne i aktywne - kolektory słoneczne)

• wykorzystanie promieniowania bezpośredniego w procesach wysokotemperaturowych (piece i elektrownie słoneczne)

• ogniwa fotowoltaniczne (bezpośrednia zamiana energii słonecznej na energię elektryczną η_f 10-11%)

Struktura promieniowania słonecznego

• promieniowanie ultrafioletowe

• promieniowanie widzialne

• promieniowanie podczerwone

Warunki krajowe

Średnia gęstość energii słonecznej na obszarze Polski - 1000kWh/m² rok

Liczba godzin słonecznych - 1600 h/rok

80% energii słonecznej - okres wiosenno-letni

Okres ogrzewniczy - październik - kwiecień (50% obciążenia grudzień - luty)

Sposoby wykorzystania energii słonecznej w Polsce

• podgrzewanie wody użytkowej - płaskie kolektory słoneczne (promieniowanie bezpośrednie i rozproszone)

• podgrzewanie powietrza

• rolnictwo (suszarnie, tunele foliowe)

• podgrzewanie wody w basenach kąpielowych

Pasywny (bierny) system ogrzewania słonecznego polega na wykorzystaniu naturalnego dopływu i przekazywania promieniowania słonecznego we wnętrzu budynku o specjalnej konstrukcji. Rolę kolektorów (akumulatorów) ciepła spełniają określone elementy konstrukcji budynku.

W aktywnych systemach ogrzewania słonecznego wykorzystuje się kolektory płaskie lub koncentrujące.

Kolektory słoneczne

Zalety:

• zmniejszenie zużycia paliw konwencjonalnych

• spełnienie kryteriów budownictwa ekologicznego

Wady:

• przypadkowe zmiany strumienia EPS

• najmniejsza wydajność w okresie największego zapotrzebowania na ciepło grzewcze

• konieczność instalowania dodatkowych urządzeń grzewczych o małej bezwładności cieplnej w celu otrzymania stałej temperatury w budynku (najlepiej z automatyczną regulacją temperatury)

• konieczność dostosowania konstrukcji budynku do wykorzystania EPS

wykorzystanie promieniowania bezpośrednio w procesach wysokotemperaturowych jest realizowane za pomocą zwierciadeł tworzących heliostat (zwierciadło ukierunkowane na słońce)

przykład

Piec słoneczny w Odeillo (Pireneje)

180 posrebrzanych zwierciadeł

moc - 1MW

temperatura - 4000K

Stawy słoneczne

Są to baseny wypełnione wodą o różnej koncentracji soli, które spełniają rolę zarówno kolektorów i akumulatorów energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest pochłaniane przede wszystkim w głębszych warstwach stawu, gdzie koncentracja soli jest największa wskutek większego zasolenia dolna warstwa wody nie unosi się ku górze i pełni rolę akumulatora.

Ogniwo fotowoltaniczne jest zbudowane jako złącze dwóch przewodników o odmiennym typie przewodnictwa elektrycznego

Działanie ogniw fotowoltanicznych polega na generowaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika. Fotony o energiach większych niż progowa dla danego materiału półprzewodnikowego powodują uwalnianie części elektronów.

Najczęściej stosowany materiał półprzewodnikowy - krzem, a także german, arsenik galu, tellurek i siarczek kadmu, selen. Sprawność energetyczna 10-11%.

Odbiorniki satelitarne.

Baterie słoneczne umieszczone na sztucznym satelicie. Wytwarzanie ciągłe energii ze sprawnością 15-20%, przesyłanie na Ziemię za pomocą fal ultrakrótkich i zamiana na energię elektryczną ze sprawnością 70-80%.

4.4 ENERGIA GEOTERMICZNA

Ciepło wnętrza Ziemi (reakcje rozpadu ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K)

Zasoby energii geotermicznej

• hydrotermiczne (woda, para, mieszanina pary i wody)

• petrotermiczne (warstwy skalne)

Sposoby wykorzystania

• temperatura geopłynu powyżej 150˚C (elektrownie geotermiczne np. USA „The Geysers” 1000MW, 180˚C)

• temperatura poniżej 150˚C (cele ciepłownicze, klimatyzacyjne, rolnicze, leczniczo-rekreacyjne (np. Reykiavik (Islandia) 600MW - miejski system ciepłowniczy)

Warunki krajowe (temperatura wód 45-75˚C)

• ogrzewanie budynków, szklarni, ośrodków rekreacyjnych

• współpraca z miejskimi systemami ciepłowniczymi

Podhale, okręg szczeciński (Pyrzyce), okręg grudzińsko-warszawski

4.5 ENERGETYKA WIATROWA

Siłownie wiatrowe

Min 4-6m/s nom 10-12m/s

Moce kilkanaście kW - 3MW

System stabilizacji mocy i częstotliwości

Urządzenia akumulujące i rezerwowe

Kalifornia (1500MW), Dania

Możliwości krajowe

Znaczenie lokalne np. akumulacja energii potencjalnej wody

Moc wiatru




4.6 BIOMASA

Biomasa jako źródło paliw




Do biomasy zalicza się:

• odpady powstające przy produkcji i przetwarzaniu produktów roślinnych

• szybko rosnące rośliny hodowane na specjalnych plantacjach w celach energetycznych

• odpady komunalne i odchody zwierzęce do produkcji biogazu

---