1

ekoen.doc

EKOLOGICZNE KONSEKWENCJE POZYSKIWANIA ENERGII

0. Repetytorium

Jednostki energii, współczynniki konwersji

1 tpu (tona paliwa umownego) = 0,7 t ropy naftowej lub 925 m

3

gazu ziemnego

1 J = N· m = W· s (dżul)

= 2,778 · 10

-7

kWh

1 kWh (kilowatogodzina)

= 3,6 MJ = 0,1 litra ropy naftowej

1 MJ (megadżul)

= 0,2779 kWh

1 GJ (gigadżul)

= 277,8 kWh

1 PJ (petadżul)

= 34 121 tpu (ton paliwa umownego)

1 Mtoe

= ekwiwalent miliona ton ropy naftowej

1. Struktura i zapotrzebowanie na energię w Polsce i na świecie

Rozwój przemysłu, motoryzacji, lotnictwa oraz indywidualnej konsumpcji dóbr, związa-

ny nie tylko ze wzrastającą stale liczbą ludności ale także z systematycznym podnoszeniem
standardu życiowego, spowodował na przestrzeni ostatniego stulecia gwałtowny wzrost zapo-
trzebowania na energię. Tempo tego wzrostu ma charakter wykładniczy i nie nastraja optymi-

stycznie. Jeżeli nie podejmie się
kroków mających na celu oszczę-
dzanie energii, eliminowania ener-
go- i materiałochłonnych technolo-
gii i nie zastąpi się tradycyjnych
nośników energii innymi, bardziej
przyjaznymi środowisku, niekon-
wencjonalnymi jej formami, to
trudno będzie zahamować dalszą
degradację środowiska. Również w
Polsce do roku 1985 rosło gwał-
townie zużycie energii elektrycznej
zarówno w gospodarstwach do-
mowych, jak i w przemyśle. Po ro-
ku 1985 w przemyśle, a po roku
1990 w gospodarstwach indywidu-

alnych nastąpił znaczny spadek tego zużycia, w wyniku
czego obniżyło się także zużycie energii elektrycznej na
jednego mieszkańca w gospodarstwie domowym, co ob-
razuje tabela 1. Zużycie indywidualne na jednego miesz-
kańca zobrazowano też w formie wykresu na rys. 1. Z
ekstrapolacji linii wykresu po roku 1990 (linia kreskowa)
wynika, że zużycie to powinno dalej wzrastać, w wyniku
załamania się gospodarki jednak zaczęło spadać.

Szacuje się, że nasza cywilizacja zużyła do tej pory

energię, która odpowiada około 500 mld tpu (tona paliwa
umownego), przy czym 2/3 tej energii skonsumowano w
ubiegłym stuleciu. Udział poszczególnych nośników
energii pierwotnej w ogólnym bilansie energetycznej kon-
sumpcji i prognozę dalszego ich światowego zużycia
przedstawiono na rys. 2.

Z

u

zy

ci

e

en

er

g

ii

k

W

h

1970

1965

0

200

100

300

1980

1975

rok

1985

1990

700

500

400

600

1995

Rys. 1. Zużycie energii na osobę w

gosp. domowym w Polsce

wykład nr
ekoen.doc

Tabela 1. Zużycie energii elektrycznej w Polsce (1965-1995)

Rok

Ludność
Polski

Zużycie
całkowite

Zużycie przez
gosp. domowe

Zużycie w
gosp. domo-
wym na jedne-
go mieszkańca

mln.

TWh

TWh

%

kWh

1965

31,55

30,26

2,62

8,7

83

1975

34,18

72,59

6,95

9,6

203

1985

37,34

109,94

14,92

13,6

400

1990

38,18

102,51

20,60

20,1

539

1991

38,24

96,40

19,33

20,0

505

1992

38,42

91,59

18,43

20,1

480

1993

38,52

92,41

18,28

19,8

475

1994

38,59

93,56

18,22

19,5

472

1995

38,61

96,24

17,98

18,7

465

2

W początkowym okresie rozwoju cywilizacyj-

nego, gdy energia była głównie potrzebna do spo-
rządzania posiłków i ogrzewania, wykorzystywano
wyłącznie drewno, czyli naturalne paliwo odna-
wialne. Wzrastające zapotrzebowanie na energię,
związane z rozwojem miast i przemysłu, zmusiło
do poszukiwań innych nośników energii i rozwoju
górnictwa surowców paliwowych w postaci węgla
kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu
ziemnego, a w późniejszych latach paliwa jądro-
wego jakim jest najczęściej uran. Wymienione pa-
liwa zaliczamy do naturalnych, ale nieodnawial-
nych źródeł energii. Zawarta w nich energia che-
miczna lub jądrowa zamieniana jest na energię
elektryczną, mechaniczną lub cieplną. Poglądowo
ilustruje to dla Polski rys. 3.

Dziedzina przemysłowa zajmująca się wytwa-

rzaniem energii elektrycznej i cieplnej, tak z od-
nawialnych jak i nieodnawialnych nośników energii, nazywana jest energetyką. Pod pojęciem
energetyka konwencjonalna należy rozumieć procesy przetwarzania energii chemicznej za-
wartej w paliwach naturalnych na:

•

energię cieplną (kotłownie, ciepłownie)

•

energię elektryczną (elektrownie) lub

•

energię elektryczną i cieplną (elektrociepłow-
nie)
Ten ostatni sposób jednoczesnej produkcji ener-

gii elektrycznej i cieplnej, pozwalający stosować
tzw. gospodarkę skojarzoną, jest najbardziej eko-
nomiczny. Aktualnie w Polsce udział elektrocie-
płowni w produkcji energii elektrycznej wynosi
18,1% i ma wzrosnąć w 2020 roku do poziomu
34%. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej
i cieplnej jest wysoce sprawnym i w związku z tym
mniej szkodliwym dla środowiska sposobem kon-
wersji energii chemicznej paliwa do finalnej posta-
ci energii cieplnej i elektrycznej.

Różnica zużycia paliwa na korzyść układu skojarzonego jest znacząca i sięga 50%. Wy-

nika to z małej sprawności (

η

= 0,39) elektrowni kondensacyjnych w porównaniu ze sprawno-

ś

cią elektrociepłowni wynoszącą

η

= 0,85. Elektrociepłownie zawodowe w Polsce zużywają

około 12,5 mln ton węgla rocznie. Dla wytworzenia takiej samej ilości energii w układzie roz-
dzielonym należałoby spalić około 6,7 mln ton węgla więcej. Obok żużla i popiołu, którego
ilość przekracza z reguły 10% masy paliwa, oznaczałoby to dla środowiska wyemitowanie ok.
12.4 mln. ton CO

2

, 110 tys. ton SO

2

i ponad 50 tys. ton CO. Z tego to powodu w polityce kra-

jów europejskich energetyka skojarzona uważana jest za istotne narzędzie obniżania poziomu
emisji gazów cieplarnianych.

Strukturę dotychczasowego zapotrzebowania na nośniki energii w Polsce i prognozę jej

rozwoju na najbliższe lata przedstawiono na rys. 4. Wyrażoną zaś w liczbach prognozę krajo-
wego zużycia paliw w Polsce do 2020 roku, opracowaną przy założeniu że światowy rozwój

1985

1990

1995

2000

2005

2010

100

90

%

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Węgiel kamienny

Węgiel brunatny

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Inne

5

2

1

0

2

0

1

3

5

rok

Rys.2. Dotychczasowe i prognozowane zuży-

cie głównych nośników energii pierwot-
nej w Polsce

Elektryczna

Gaz ziemny

Gazowe

Płynne

Węgiel kamienny
Węgiel brunatny

Uran 235

Nośniki energii

Mechaniczna

Stałe

Torf

Olej napędowy

Olej opałowy

Benzyna

Ropa

Cieplna

Energia

Gaz koksowniczy

Biogaz

Rys. 3 Nieodnawialne nośniki energii i

sposoby ich zagospodarowania.

3

gospodarczy utrzyma się na dotychczasowym
poziomie, a średnioroczne tempo wzrostu
PKB w Polsce wyniesie 4%, przedstawiono w
tabeli 2.

O pewnym spadku zużycia energii pier-

wotnej w pierwszym dziesięcioleciu naszego
wieku informują dane zawarte w dolnym
wierszu tabeli 2. W dalszych latach przewidu-
je się jednak umiarkowany wzrost zapotrze-
bowania na energię, przy wyraźnie zaznacza-
jącym się spadku zużycia węgla i wzroście
zużycia gazu i ropy oraz energii odnawialnej
(wodnej, wiatrowej, geotermalnej, biomasy,
oleju rzepakowego i etanolu). Ostatnio jednak
coraz częściej mówi się o konieczności pozy-
skiwania energii z elektrowni jądrowych,
choć opory społeczeństw w tym względzie są

nadal ogromne.

Tabela 2. Stan i prognoza krajowego zużycia paliw (tempo PKB 4%)

Nośnik

Rok

Jednostka

1997

2005

20010

2015

2020

Węgiel kamienny

mln ton

104,7

85,7

82,1

83,8

80,7

Węgiel brunatny

mln ton

65,6

65,2

66,1

66,1

62,7

Ropa naftowa

mln ton

18,5

18,7

20,0

21,0

22,3

Gaz

mln m

3

11,5

19,7

21,3

22,7

28,4

Energie odnawialne

Mtoe

5,0

5,7

6,0

6,3

6,5

Globalne zużycie krajowe

Mtoe *)

106,5

102,7

105,7

109,2

113,2

*) 1 Mtoe = ekwiwalent miliona ton ropy naftowej

W tabeli 3. zestawiono ogólnoświatowe zapasy paliw naturalnych oraz orientacyjny rok

ich wyczerpania.

Tabela 3. Ogólnoświatowe zasoby paliw naturalnych

Zapasy

Rok wyczerpania

Energia

znane

przypuszczalne

jednostka

znanych

całkowitych

Węgiel

600

16400

Pg

po 2100

po 2200

Ropa naftowa

82,4

192,6

Pg

2045

2055

Gaz ziemny

65

33,9

Tm

3

2060

po 2060

Uran

1,02

1,08

Pg

2060

po 2060

Rok wyczerpania nieodnawialnych paliw naturalnych oszacowano przy założeniu, że ich

wydobycie utrzymane będzie na dotychczasowym poziomie. Zgodnie z raportem Polskiego
Komitetu Światowej Rady Energetyki, zaprezentowanym we wrześniu 1999 roku, zasoby wę-

1990

10

0

1985

40

20

30

80

70

60

50

%

90

100

Ciepło

2

0

1995

2000

2010

rok

2005

Paliwa gazowe

Paliwa ciekłe

Energia elektryczna

1

8

1

7

1

5

2

7

Inne

3

Paliwa stałe

Rys. 4. Rozwój i prognoza struktury zapotrze-

bowania na paliwa i energię w Polsce

4

gla w Polsce wynoszą 54.700 milionów ton, co przy obecnym wydobyciu na poziomie ponizej
100 mln rocznie zapewni Polsce pokrycie potrzeb na to paliwo na ponad 500 lat. Jest to hory-
zont czasowy dwukrotnie dalszy od wyznaczonego w skali światowej.
2. Skażenie środowiska wynikające z procesów spalania

Choć wydobywanie naturalnych zasobów paliw jest poważną ingerencją w środowisko, to

największym jednak dla niego zagrożeniem są produkty ich spalania stanowiące odpady w po-
staci pyłów, popiołów i żużli oraz tlenków siarki, azotu i węgla. Do innych szkód powstają-
cych w przyrodzie w wyniku oddziaływania tych odpadów zalicza się:

•

tzw. „dziurę ozonową” i nasilający się efekt cieplarniany,

•

tworzenie w aglomeracjach miejskich smogu wywołującego choroby układu oddechowego
(astma); powstaje on w wyniku dużej koncentracji tlenków azotu i węglowodorów oraz za-
chodzących w atmosferze reakcji fotochemicznych,

•

zakwaszanie gleby i wód (kwaśne deszcze), generowane przez tlenki siarki i azotu,

•

zanieczyszczanie wód podskórnych ciężkimi metalami, wymywanymi z nieprawidłowo
składowanych popiołów i żużli, a także z odpadów powstających w procesach oczyszcza-
nia spalin metodami mokrymi i suchymi,

•

toksyczne emisje typu WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), związków
chlorowcopodobnych, dioksyn, furfuroli itp., wywołujące choroby nowotworowe i uszka-
dzające system immunologiczny.

Poza bezpośrednim oddziaływaniem wymienionych czynników na organizmy żywe i śro-

dowisko roślinne, obserwuje się szybsze niż dawniej niszczenie dorobku kultury materialnej
(korozja konstrukcji żelazobetonowych, mostów, hal przemysłowych i sportowych itp.), za-
bytkowych pomników, w szczególności tych wykonanych z piaskowca lub marmuru. Dowody
negatywnego oddziaływania produktów odpadowych z procesu spalania węgla brunatnego
można spotkać w Karkonoszach, gdzie w wyniku kwaśnych deszczów i emitowanych popio-
łów wymarły iglaste lasy na powierzchni kilku tysięcy hektarów. W samej tylko RFN szacuje
się roczne koszty szkód wynikających z zanieczyszczenia środowiska na poziomie 6.000 -
6.600 mld Euro. W Polsce łączne straty spowodowane zanieczyszczeniem środowiska szacuje
się na poziomie 3,4-4,2 mld dolarów rocznie, bo aż 97% energii elektrycznej uzyskuje się w
wyniku procesu spalania różnego typu paliw naturalnych.

W Polsce na potrzeby energetyczne wykorzystuje się głównie paliwa stałe, co nie ulegnie

poważniejszej zmianie w ciągu najbliższych lat. Całkowite roczne zużycie energii w przeli-
czeniu na jednego mieszkańca w Polsce nie różni się znacznie od krajów rozwiniętych. Taka
struktura jest dla Polski wyjątkowo niekorzystna; bowiem ponad 37% energii dostarczanej do
odbiorców pochodzi z węgla. To znaczy, że oprócz węgla spalanego jako paliwo pierwotne w
elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych (gdzie łatwo można ograniczyć emisję py-
łów, SO

2

i NOx, ale nie CO

2

), olbrzymie jego ilości są zużywane w różnych gałęziach prze-

mysłu, spalane w ponad milionie małych, rozproszonych kotłowni i w 15 milionach indywi-
dualnych pieców i kuchni węglowych. W przypadku rozproszonych kotłowni i indywidual-
nych palenisk praktycznie nie sposób ograniczyć tej emisji. Tymczasem źródła te są odpowie-
dzialne za emisję 25% SO

2

. Zwalczyć tę tzw. niską emisję rozprzestrzeniającą się lokalnie,

przede wszystkim w miastach, można jedynie przez zmianę struktury energii finalnej, przez
zastąpienie energii z węgla energią elektryczną i gazem ziemnym. Zwrócić należy uwagę, że
w krajach europejskich węgiel stanowi tylko 8,7% energii finalnej i jego udział stale maleje.

By chronić środowisko, zaostrzane są stale przepisy dotyczące poziomu dopuszczalnych

emisji. Obowiązująca obecnie w Polsce norma dopuszczalnej emisji SO

2

- na poziomie 200

g/GJ jest aż 6-krotnie ostrzejsza od tej jaka obowiązywała do roku 1997. Zwiększona troska o
ś

rodowisko ze strony polskiej energetyki i przemysłu datuje się od początku lat 90-tych, kiedy

5

rozpoczęto proces modernizowania kotłowni, elektrowni i elektrociepłowni. Szczególnie zna-
czące efekty osiągnięto w redukcji emisji pyłów i w zakresie oczyszczania ścieków. W ujęciu
ilościowym efekty tych zabiegów ilustruje zestawienie podane w tablicy 4.

Godne uwagi są również wysiłki podejmowane w Polsce w zakresie zwiększania po-

wierzchni terenów chronionych (rezerwaty, parki i lasy), która wzrosła z 6.073 tys. ha w roku
1990 do 8.146 tys. ha w 1995 roku.

Obecność tlenków azotu w spalinach jest uwarunkowana nie tylko jego obecnością w pali-

wie, ale również bezpośrednimi reakcjami syntezy tlenu i azotu atmosferycznego zachodzącymi
w podwyższonej temperaturze płomienia. Przy temperaturach spalania powyżej 2000 °C, udział
tlenków azotu (NO

x

) w spalinach wynosi od 1 do 5 %. Najbardziej szkodliwy dla środowiska

jest NO

2

, który jest gazem koloru brunatnego o trującym i żrącym działaniu. W połączeniu z

wodą tworzy kwas azotowy, stanowiący składnik „kwaśnych deszczów”. Obniżeniu emisji NO

x

służy spalanie niskotemperaturowe, występujące w nowoczesnych kotłach gazowych, a także w
fluidalnych kotłach węglowych, w których emisja NO

x

nie przekracza 200 mg/m

3

spalin.

Tabela 4. Zanieczyszczenia wprowadzone do środowiska w Polsce

Rodzaj zanieczyszczenia

Jednostka

1990

1995

Zmiana w %

SO

2

NO

x

CO

2

Pyły

Ś

cieki nieoczyszczone

Odpady przemysłowe

Odpady miejskie

mln ton

mln ton

mln ton

mln ton

bln m

3

mln ton

mln m

3

3,21

1,28

407

1,95

1,34

143,9

42,7

2,52

1,13

366

1,15

0,7

122,7

43,7

- 21,5

- 11,2

- 10,1

- 41,0

- 47,8

- 14,7

+ 2,3

Największy objętościowy udział w spalinach ma CO

2

, który choć nie jest gazem trującym

powoduje powstawanie efektu cieplarnianego, prowadzącego do zauważalnych zmian klima-
tycznych. Poprzez podejmowanie różnorodnych przedsięwzięć, wymuszanych między innymi
ograniczeniami określonymi w międzynarodowych konwencjach (protokół z Kyoto), dąży się
do istotnego zmniejszenia emisji CO

2

bez uszczerbku dla wzrostu gospodarczego tak krajów

rozwiniętych jak i rozwijających się. Prognozy w tym zakresie obrazuje histogram pokazany
na rys. 5. Natomiast zmianę stężenia dwutlenku węgla w powietrzu (w ppm) na przestrzeni
ostatnich 150 lat przedstawiono na rys.6.

C

O

0

2000

2

4000

6000

8000

2025

1985

2050

Ropa

3

1

2

1

2

3

Węgiel

1

2

3

Gaz

mln. t/r

Rys. 5. Pro-
gnozy rocznej
emisji CO

2

(1

- kraje uprze-
mysłowione, 2 -
kraje rozwija-
jące się, 3 -
ś

wiat)

6

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

1 9 8 8

1 9 9 0

1 9 9 2

1 9 9 4

1 9 9 6

1 9 9 8

S O2

Pyły

N 0 x

C O2 (x 1 0 0)

tys. ton

Rys. 7. Całkowita wielkość zanieczyszczeń atmosfery w Polsce w latach 1988-1998 (źró-

dło: roczniki statystyczne GUS)

W Polsce zmniejszenie emisji gazów odlotowych i pyłów z elektrowni nastąpiło głównie w

latach 90-tych i było w początkowym okresie wynikiem ograniczenia produkcji najbardziej
energochłonnych i uciążliwych dla środowiska zakładów przemysłowych (np. huty aluminium
w Skawinie). Równolegle zastosowano w Polsce w latach 90-tych szereg skutecznych bodź-
ców prawno-ekonomicznych oraz finansowych mechanizmów wspierania inwestycji sprzyja-
jących ochronie środowiska, które dały rezultat przedstawiony na wykresie rys. 7.

Wynikiem wzrostu zanieczyszczeń w powietrzu (w szczególności obecność CO

2

) jest

ś

redni wzrost temperatury na Ziemi (rys.8). Na przestrzeni prawie 150 lat temperatura ta

wzrosła o 1,4

0

C ale jest to na tyle odczuwalne, że niepokoi ekologów. Dalsze ocieplanie kli-

matu może być przyczyną wielu zmian w środowisku naszej planety.

Rys.6. Stężenie dwu-

tlenku węgla w po-
wietrzu w latach
1845-1995 w ppm
(milionowe części)

7

3. Energetyka konwencjonalna

W najstarszych, konwencjonalnych elektrowniach węgiel spalany jest na ruszcie kotła,

wytwarzającego parę wodną. Para napędza turbinę parową, sprzężoną z generatorem prądo-
twórczym. Niska sprawność takiego procesu wytwarzania energii elektrycznej (39%) wynika
z niewykorzystywania cieplnej energii odpadowej, której elektrownie pozbywają się w chłod-
niach kominowych suchych lub mokrych. Uproszczone schematy takich elektrowni przedsta-
wiono na rys. 9 i 10.

Rys.9. Schemat technologiczny

elektrowni węglowej z mo-
krą chłodnicą kominową

1 - turbina parowa, 2 - generator, 3 -
chłodnica kominowa, 4 - kocioł parowy, 5
- skraplacz, 6 - pompa zasilająca, 7 pompa
wody chłodzącej.

Rozwiązanie z turbiną dwustopniową jest niewątpliwie bardziej nowoczesne od przed-

stawionego na rys. 9, nie tylko z uwagi na lepszą sprawność, ale również ze względu na za-
mknięte obiegi wody w układzie chłodzenia i w układzie napędu turbin. Jest to równoznaczne
ze znacznie mniejszym ubytkiem wody w układzie.

Rys.10. Schemat technologicz-

ny elektrowni węglowej z
suchą

chłodnicą kominową
i z turbiną dwustopniową

1 - turbina wysokoprężna, 2 - turbina

niskoprężna, 3 - generator, 4 - kocioł,

5 - chłodnica kominowa sucha, 6 -

skraplacz natryskowy, 7 - pompy zasi-

lające

Jak już wspomniano, sprawność elektrowni parowych można podwoić, jeżeli tzw. ciepło

odpadowe nie zostanie przekazywane do otoczenia w chłodniach kominowych, a wykorzysta-
ne do celów komunalnych lub przemysłowych (ogrzewania mieszkań, wody, hal fabrycznych
itp.). Mamy wówczas do czynienie z elektrociepłowniami, a środowisko zyskuje na tym po-
dwójnie, bo możliwe jest dzięki temu zmniejszenie zużycie węgla, a przez to również zredu-
kowanie obciążenia przyrody produktami jego spalania.

5

6

7

4

1

GS

3~

2

3

GS

3~

4

1

6

3

7

5

7

2

Rys.8. Zmiana średniej

temperatury powietrza
w ciągu ostatnich 140
lat

8

Pozyskiwanie węgla i przetwarzanie go na energię elektryczną powoduje także inne nega-

tywne skutki, oprócz wymienionych wyżej, w tym również skutki śmiertelne. Wydobycie 3
mln ton węgla, spalanych rocznie w elektrowni o mocy 1 GW, powoduje średnio śmierć 3
górników pod ziemią, zdarzają się wypadki śmiertelne podczas jego transportu. Można po-
wiedzieć, że jest to ryzyko zawodowe. Ile jednak osób umiera rocznie z powodu zanieczysz-
czenia środowiska produktami spalania węgla? Według danych zebranych w różnych krajach
szacuje się, że typowa elektrownia węglowa o mocy 1 GW powoduje przedwczesną śmierć
100-500 osób rocznie. Liczba zgonów zależy od wielu czynników, takich jak jakość spalane-
go węgla, stopień oczyszczania spalin, gęstość zaludnienia w pobliżu elektrowni i warunki
meteorologiczne. W USA liczbę ofiar śmiertelnych energetyki węglowej ocenia się na 25.000
osób, a w Wielkiej Brytanii na 2.000 osób rocznie. Największe masowe zatrucia spalinami
wydarzyły się w Dolinie Mozy (Belgia, 1952 r.), w Donora (Pensylwania, 1948 r.), w Londy-
nie (1952 r.) oraz w Nowym Jorku (lata 1953, 1963, 1966). W Londynie w grudniu 1952 roku
z powodu szczególnie niekorzystnych warunków meteorologicznych (inwersja temperatury),
w ciągu kilku dni zmarło 3.900 osób.

O szkodliwości tlenków azotu wiedziano od dawna. W szczególności znana była zależność

między jego stężeniem a zachorowalnością na nowotwory złośliwe. Dopiero stwierdzenie ra-
kotwórczych nitrozoamin w powietrzu w miastach o dużym ruchu samochodowym wyjaśniło
tę zależność. Usuwanie pyłów, dwutlenku siarki i tlenków azotu ze spalin elektrowni węglo-
wych jest koniecznym warunkiem ratowania ludzkiego zdrowia i środowiska naturalnego.
Stanowi najważniejszy i najbardziej palący problem energetyki światowej, opartej na węglu.
Do usuwania pyłów najczęściej stosuje się elektrofiltry. Technologia usuwania pyłów została
dostatecznie opanowana i powinna być powszechnie stosowana. Odsiarczanie spalin jest trud-
niejsze i droższe. Szczególnie kosztowne jest instalowanie urządzeń usuwających szkodliwe
gazy w starych, od lat pracujących, elektrowniach oraz elektrociepłowniach. Koszty instalacji
oczyszczających, ich eksploatacja i usuwanie ubocznych produktów, na przykład gipsu, trzeba
oceniać uwzględniając przy tym porównanie ceny energii elektrycznej otrzymywanej z róż-
nych paliw. Warto przy tym pamiętać, że oczyszczanie gazów odlotowych nie dotyczy dwu-
tlenku węgla, którego emisja grozi, jak powszechnie wiadomo, przykrymi konsekwencjami w
skali globalnej. Często mówi się i pisze o innych niż oczyszczanie spalin sposobach zmniej-
szania szkodliwości energetyki węglowej. Jednym z nich jest przedprocesowe oczyszczanie
węgla. Można w tym celu stosować udoskonaloną flotację, oczyszczanie chemiczne lub mi-
krobiologiczne. Drugi sposób to zastosowanie nowoczesnych technologii spalania, do których
należą spalanie fluidalne lub cyklonowe. Daleko jednak do tego, żeby je można było wprowa-
dzić w Polsce. Warto również przypomnieć, że spalany węgiel zawiera znaczne domieszki
substancji radioaktywnych, w szczególności uranu i toru. W 1 mln ton węgla znajduje się oko-
ło 1 tony uranu 238U i 2 tony toru 232Th, które w procesie spalania wydostają się do atmosfe-
ry i powodują skażenie otoczenia siłowni węglowej. Należy także pamiętać, że wydobyciu
węgla towarzyszy wypompowywanie kolosalnych ilości wód kopalnianych zawierających sole
różnych szkodliwych pierwiastków, między innymi radu. Z Górnośląskiego Zagłębia Węglo-
wego do zlewni Wisły oraz Odry odprowadza się dziennie około 1 mln m

3

tych wód.

4. Elektrownie gazowe

Naturalne paliwa gazowe lub ciekłe umożliwiają pominięcie w produkcji energii elektrycz-

nej ogniwa o niskiej sprawności jakim jest kocioł parowy. Uzyskuje się dzięki temu wyższą
sprawność przetwarzania energii chemicznej gazu na energię elektryczną. Turbinę parową za-
stępuje turbina gazowa zasilana z wytwornicy gazu. Na rys. 11 przedstawiono uproszczony
schemat układu prądotwórczego napędzanego turbiną gazową. Również w tych układach wy-
stępują różne rozwiązania technologiczne wykorzystujące lub nie zasadę regeneracji ciepła
odpadowego.

9

Gaz ziemny jest paliwem znacznie droż-

szym od węgla, ale równocześnie o wiele
czystszym ekologicznie. Budowa elektrow-
ni gazowych trwa krócej i wymaga mniej-
szych nakładów niż elektrowni węglowych.
Sprawność elektrowni gazowo-parowych
jest prawie o 20% wyższa i wobec tego
mniejsze jest zużycie wody niezbędnej do
chłodzenia. W porównaniu z elektrownią
węglową emisja szkodliwych substancji
przez elektrownię gazową - przy wytwa-
rzaniu tej samej ilości energii elektrycznej -
jest mniejsza: CO

2

o 50%, SO

2

o 99,9%,

NOx o 75%, pyłów o 99,6%.

Niestety, krajowe zasoby gazu ziemnego

są nieduże. Maksymalne wydobycie w

1970 roku wyniosło 7,5 mld m

3

. W 1994 roku wydobyto 4,6 mld m

3

gazu, w tej ilości gaz wy-

sokometanowy stanowił tylko 42%. Z Rosji importowaliśmy 5,8 mld m

3

. Zużycie bezpośred-

nie wyniosło 9,3 mld m

3

, z czego połowę spaliliśmy w gospodarstwach domowych. Z liczb

tych wynika, że oparcie rozwoju polskiej elektroenergetyki na gazie ziemnym wymagałoby
kilkukrotnego zwiększenia jego importu. W tym kontekście należy zwrócić uwagę na problem
energetycznego bezpieczeństwa kraju. Umowa z Rosją o budowie przez Polskę tranzytowego
rurociągu z półwyspu Jamal do Europy Zachodniej stwarza możliwość otrzymywania rocznie
14 mld m

3

gazu ziemnego. Ale nie można rozbudowywać polskiej elektroenergetyki, opartej

jedynie na elektrowniach gazowych co uzależniłaby Polskę od władz na Kremlu. Zresztą bu-
dowa gazociągu po dnie Bałtyku z ominięciem Polski uwidacznia ten problem.

W nowszych rozwiązaniach stosuje się układy parowo-gazowe z kotłem fluidalnym, lub

gazowo-parowe ze zgazowaniem węgla i inne, z którymi związane są nadzieje na dalsze
zwiększenie sprawności i zmniejszenie szkodliwości produkcji energii elektrycznej i cieplnej
dla środowiska naturalnego.

Fluidyzacja polega na zawieszeniu rozdrobnionego (w młynach kulowych) ciała stałego

(węgla) w płynącym ku górze strumieniu gazu (powietrza), czyli na zetknięciu się fazy stałej z
fazą gazową. Stosując odpowiednie wymiary ziaren oraz właściwą prędkość ich ruchu można
uzyskać duże stężenie ciała stałego w układzie ciało stałe – gaz. W tych warunkach stwierdza
się intensywne mieszanie ciała stałego, co w połączeniu z bardzo rozwiniętą powierzchnią te-
go ciała, stwarza doskonałe warunki dla przenikania ciepła oraz ruchu masy. Na skutek szyb-
kiej cyrkulacji ziarna utrzymują się w układzie warunki prawie stałej temperatury, chociaż
wydzielanie i pochłanianie ciepła przebiega bardzo nieregularnie. Dzięki temu proces fluidy-
zacji stwarza bardzo korzystne warunki dla przebiegu reakcji chemicznych połączonych z du-
ż

ymi efektami cieplnymi. Po wypaleniu węgla pył kierowany jest do cyklonu 2 (rys.12) gdzie

siła odśrodkowa oddziela pył od spalin. Spaliny kierowane są do elektrofiltrów w celu ich
oczyszczenia. Olbrzymi postęp w budowie kotłów fluidyzacyjnych na świecie spowodował
zainteresowanie fluidalną technologią spalania węgla krajowych producentów kotłów, a także
energetyki zawodowej i przemysłowej. Szereg krajowych firm prowadzi modernizację cie-
płowni opartą na technice fluidalnego spalania.

Spalanie w piecach fluidalnych wykazuje szereg zalet w stosunku do procesu jaki przebie-

ga w zwykłych piecach pyłowych. Są to:

•

możliwość wykorzystania jako paliwa mułów popłucznych z instalacji wzbogacania węgla,

GS

3~

1

3

2

6

4

5

Spaliny

Paliwo

Rys. 11. Schemat układu prądotwórczego z

turbiną gazową

1 - turbina, 2 - sprężarka, 3 - zawór, 4 - komora spalania, 5
- pompa, 6 - generator

10

•

proste przygotowanie paliwa do spalania oraz proste doprowadzenie paliwa do komory pa-

leniskowej,

•

znaczna (80%) redukcja emisji SO

2

do atmosfery poprzez doprowadzenie do złoża związ-

ków wiążących siarkę,

•

niska emisja dwutlenku azotu z uwagi na niską temperaturę złoża (850

0

C) i etapowe spalanie,

•

niska emisja węglowodorów,

•

bardzo dobry współczynnik wymiany ciepła w komorze paleniskowej,

•

wysoka sprawność spalania, ze względu na mieszanie turbulentne i długi czas przebywania

cząstek w złożu cyrkulacyjnym,

•

możliwość gospodarczego wykorzystania powstających w kotłach odpadów paleniskowych,

•

temperatura spalania nie przekracza temperatury mięknięcia popiołu zawartego w paliwie,

co wpływa na niewielkie zabrudzenie powierzchni kotłowych.
Spalanie fluidalne jest technologią czystego spalania, w której bezpośrednio w palenisku

uzyskuje się równoczesne zmniejszenie emisji
wszystkich podstawowych zanieczyszczeń. Inten-
sywność spalania w warstwie pozwala na zmniej-
szenie wymiarów komory paleniskowej, oraz na ob-
niżenie temperatury spalania do 800÷900°C. Konse-
kwencją obniżenia temperatury spalania jest zmniej-
szenie się ilości wytwarzanych w procesie spalania
tlenków azotu oraz ulatniania się cząstek innych
pierwiastków. Tlenki azotu są groźne dla środowi-
ska, a niektóre inne pierwiastki powodują korozję
turbin gazowych napędzanych spalinami z paleniska
fluidalnego. Dzięki idealnemu wymieszaniu ziaren
węgla z powietrzem w warstwie fluidalnej oraz fak-
towi, że temperatura warstwy fluidalnej jest niższa
niż temperatura topnienia popiołu zawartego w wę-
glu, możliwe jest spalanie węgla niskokalorycznego,
zawierającego bardzo dużo popiołu. Schemat oma-
wianego pieca pokazano na rys.12.

W palenisku fluidyzacyjnym możliwe jest spala-

nie węgla o wartości opałowej począwszy od około 6,3 MJ/kg do około 13 MJ. Pomyślnie
wypadły próby ze spalaniem w palenisku fluidyzacyjnym również węgla brunatnego, mułów i
przerostów węgla kamiennego, torfu, łupków bitumicznych, pozostałości z przeróbki ropy
naftowej, a także odpadów komunalnych.

5. Energetyka jądrowa

Jeżeli za kryterium przyjmie się naturalne pochodzenie paliwa jądrowego, to energetykę

jądrową traktować można, analogicznie do tej, opartej na węglu i gazie, jako energetykę kon-
wencjonalną. Niekonwencjonalny jest jednak proces spalania uranu, w którym nie energia
chemiczna lecz jądrowa energia paliwa zamieniana jest na energię cieplną. Biorąc ten drugi
aspekt za kryterium, energetykę jądrową zalicza się do energetyki niekonwencjonalnej.

Ź

ródłem energii w energetyce jądrowej jest jeden z trzech typów reakcji jądrowej: rozsz-

czepienie, synteza jądrowa lub synteza termojądrowa.

Reakcje rozszczepienia. Nośnikiem energii rozszczepienia jest występujący w przyrodzie

uran 238 i tor 235. Uran uzyskuje się z ubogiej 0,7% rudy uranowej U

3

O

8

. Tor natomiast wy-

stępuje w przyrodzie w postaci ThO

2

, w złożach torytu, oranzytu i piaskach monacytowych

oraz wodach oceanicznych. Rozszczepienie 1 g uranu, który zawiera 2,46 x 10

21

jąder, na dwa

powietrze 2

powietrze 1

5

1

3

rys10_30_a

2

do filtra
i komina

4

sorbent
(paliwo)

Rys.12. Schemat pieca fluidalnego: 1) ko-

mora paleniskowa, 2) cyklon, 3) układ
nawrotu z syfonem, 4) walczak (wo-
da+para), 5) ruszt

11

jednakowe jądra izotopu uranu

235

U, wyzwala energię 80 GJ (22.000 kWh). Jest to energia,

która odpowiada spaleniu w elektrowni konwencjonalnej ok. 2,5 ton węgla.

Reakcje syntezy jądrowej. Druga możliwość uzyskania energii jądrowej występuje pod-

czas syntezy jąder pierwiastków z początku układu okresowego: trytu (izotop wodoru), helu,
boru i litu. Jako podstawowe paliwo w reakcji syntezy jądrowej stosuje się deuter (izotop wo-
doru) i lit, z których otrzymuje się tryt. Energia uzyskiwana w reakcjach syntezy jądrowej jest
czterokrotnie większa od tej uzyskiwanej z reakcji rozszczepienia uranu. Pierwszą tego typu
reakcję przeprowadzili w roku 1952 Amerykanie w sposób wybuchowy, był to sposób niekon-
trolowany (bomba wodorowa).

Synteza termojądrowa samoczynnie zachodzi na Słońcu, gdzie z czterech protonów syn-

tetyzuje się jądro helu. Podczas tej syntezy wydziela się ogromna ilość energii równa 700.000
kWh na każdy mol zsyntetyzowanego helu. Obiecujące są wyniki podejmowanych prób z tzw.
„zimną fuzją termojądrową”, przeprowadzaną w warunkach ziemskich. Prognozuje się, że te-
go typu kontrolowane reakcje termojądrowe staną się w przyszłości znaczącym źródłem ener-
gii dla ludzkości.

5.1. Reaktory i elektrownie jądrowe

Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w Chicago, w 1942 roku. Jako paliwo stosuje się

uran, pluton lub tor. Rozróżnia się dwa typy reaktorów: termiczne lub bardziej nowoczesne
zwane reaktorami prędkimi.

W reaktorach termicznych (rys. 13) chłodzonych

wodą lub gazem (CO

2

) prędkość reakcji reguluje się

prętami kadmowymi, a moderatorem jest grafit lub
ciężka woda. W reaktor tego typu miała być wyposa-
ż

ona elektrownia w śarnowcu. W elektrowniach z

takimi reaktorami osiąga się gęstość mocy rzędu 100
i więcej MW/m

3

objętości rdzenia, przy parametrach

pary napędzającej wielostopniowe turbiny wynoszą-
cych odpowiednio t = 300-350 °C i p = 4-6 MPa.
Sprawność takich siłowni leży w granicach

η

= 30-

33%

W reaktorach prędkich zachodzi powielanie pa-

liwa i powstaje strumień energii o dużej gęstości -
kilkuset MW na m

3

objętości rdzenia. Chłodziwem

nie jest woda, lecz ciekły sód, o temperaturze wrze-
nia t

w

= 883°C. W siłowniach wyposażonych w tego

typu reaktory wprowadza się, ze względów bezpie-
czeństwa, aż trzy obiegi chłodzenia: dwa obiegi sodu
(radioaktywnego i nieradioaktywnego) oraz obieg pa-
rowo-wodny. Przy wyższych niż w zwykłych reakto-
rach termicznych parametrach pary, wynoszących
około 500°C i ciśnieniu kilkunastu MPa, siłownie takie osiągają sprawność

η

= 40%.

Energetyka jądrowa była, w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych minionego wieku,

nadzieją na zaspakajanie wciąż rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną. Z upły-
wem kolejnych dziesięcioleci rodziły się coraz większe opory w jej rozwijaniu. W dużej mie-
rze przyczyniły się do tego katastrofy elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii w marcu
1979 roku i elektrowni w Czarnobylu (1986) a także szereg mniejszych awarii w innych elek-
trowniach atomowych. Groźba globalnego skażenia środowiska w przypadku awarii reaktora
jądrowego, jak i kłopot z utylizacją i składowaniem radioaktywnych produktów odpadowych,

achim.doc

6

5

4

2

3

1

Rys. 13. Schemat reaktora termicznego

:

1 -pręty regulacyjne, 2 - chłodziwo, 3 - mo-
derator, 4 - pręty paliwowe, 5 - osłona ter-
miczna, 6 -

osłona betonowa

12

to główne wady tej technologii produkcji energii elektrycznej. Z wyjątkiem Francji, w której
siłownie jądrowe zaspakajają ponad 60% krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną,
w większości krajów europejskich nie buduje się już nowych elektrowni atomowych. Uru-
chamiana w 2001 roku elektrownia w czeskim Temelinie wyzwoliła falę protestów i sprzeci-
wu, daleko wybiegającego poza granice Czech. Pomimo tego w ostatnim półwieczu liczba
elektrowni jądrowych i uzyskiwana z nich moc ciągle wzrastały. Przyrost mocy uzyskiwanej
na świecie w elektrowniach jądrowych pokazuje rys. 14. Szczególnie intensywne tempo tego
wzrostu miało miejsce w latach 1970 – 1990.

Reasumując można stwierdzić, że do zalet kon-

wencjonalnej energetyki, bazującej na nieodnawial-
nych źródłach energii, można zaliczyć: dostępność i
różnorodność paliw naturalnych, ich stosunkowo ni-
ski koszt oraz opanowaną technologię stosowania. W
kontekście stale rosnącego zapotrzebowania energe-
tycznego światu zaczynają jednak w coraz większym
stopniu zagrażać konsekwencje ekologiczne, które
tworzą zbiór wad konwencjonalnej energetyki. Naj-
ważniejsze z tych zagrożeń to:

•

skażenie powietrza produktami spalania (spalina-
mi)

•

wyczerpywanie się zasobów naturalnych,

•

kłopoty z utylizacją produktów odpadowych, głównie radioaktywnych,

•

groźba globalnego skażenia środowiska w przypadku awarii siłowni jądrowej,

•

dewastacja środowiska, wynikająca z procesów wydobywczych.
Energetyka jądrowa jest dziś traktowana jako bardzo proekologiczna, gdyż nie wytwarza

pyłów ani szkodliwych dla środowiska gazów, a drobne ilości substancji radioaktywnych
uwalniane w czasie normalnej pracy reaktora są nieznacząco małe w porównaniu z ilościami
naturalnych pierwiastków promieniotwórczych rozsianych w naszym otoczeniu. Problemem
jest jednak zagospodarowanie odpadów z takich elektrowni. Budowa elektrowni jądrowych to
stosunkowo kosztowna inwestycja i trwa długo, a inwestor musi się liczyć z ryzykiem, że
opór społeczeństwa może spowodować wstrzymanie budowy, a nawet rezygnację z wykorzy-
stania gotowego obiektu, jak to się stało na przykład w Austrii. Społeczna akceptacja to naj-
ważniejszy problem energetyki jądrowej. Wiążą się z nim dodatkowe koszty i przedłużająca
się budowa elektrowni, co tym samym jeszcze bardziej je zwiększa. W krajach takich jak
Francja, gdzie energetyka jądrowa jest powszechnie akceptowana, elektrownie jądrowe bu-
dowane są szybko, co sprawia, że wygrywają bez trudu konkurencję z elektrowniami innych
typów.

Dziś energetyka jądrowa pokrywa około 5,5% światowego zapotrzebowania na energię, a

17% na energię elektryczną. W 31 krajach świata pracują 432 reaktory energetyczne o łącznej
mocy 340 GW. W budowie jest 48 reaktorów o mocy 39 GW. Doświadczenie eksploatacyjne
energetyki jądrowej wyraża się iloczynem liczby reaktorów i lat ich pracy i wynosi 7330 (licz-
ba reaktorów x liczba lat pracy). Najwięcej reaktorów energetycznych pracuje w USA - 109 o
mocy 99 GW. Na drugim miejscu jest Francja z 56 reaktorami o łącznej mocy 58,6 GW. Naj-
więcej nowych elektrowni jądrowych budują obecnie "tygrysy" gospodarcze Dalekiego
Wschodu: Korea Południowa oraz Japonia.

Działania mające na celu zahamowanie dalszej degradacji środowiska wynikającej z wy-

twarzania i konsumpcji energii sprowadzają się w zasadzie do trzech dziedzin:
a) do propagowania i wdrażania nowych niekonwencjonalnych źródeł energii, głównie odna-

wialnej, które powinny być alternatywnymi źródłami energii w stosunku do węgla, ropy, i gazu.

1995

341,9

M

o

c

[G

W

]

326,9

1955

0,5

0

150

50

100

250

200

300

1975

1965

1960

1970

1985

1980

1990

71,75

5,28

1,14

16,42

140,0

249,7

350

Lata

energetyka'jadrowa

Rys.14. Przyrost mocy w elektrowniach

jądrowych na świecie

13

b) wyeliminowania energochłonnych, szkodliwych dla środowiska, technologii oraz wszelkich

strat energii, a zwłaszcza jej marnotrawienia,

c) upowszechnienie nowego stylu życia poprzez rozpropagowanie proekologicznej filozofii,

która zrywając z dotychczasowym hedonizmem, nie powinna jednak oznaczać powrotu do
ascetyzmu.

ekoen.doc