Niekonwencjonalne źródła

energii

Ekologia i zarządzanie

środowiskiem

KLASYFIKACJA ŹRÓDEŁ ENERGII

Źródła nieodwracalne stanowią:

•Paliwa stałe: węgiel kamienny i brunatny, łupki
bitumiczne, torf,

•Paliwa ciekłe; ropa naftowa oleje,

•Paliwa gazowe: gaz ziemny, metan,

•Paliwa rozszczepialne: uran 235

Zasoby wyżej wymienionych substancji szacuje się
na ~36 10

9

TJ czyli ~1200 10

12

kg.p.u. Przy obecnym

tempie wzrostu zużycia energii wystarczy tych
zasobów na ~40 lat.
Paliwo umowne to paliwo o wartości opałowej
~30 MJ/kg.

Do najważniejszych źródeł przyszłościowych zalicza się
niekonwencjonalne źródła energii, z których energia
uzyskiwana jest bez spalania. Są to przede wszystkim
reakcje termojądrowe oraz reakcje chemiczne.

Podstawowe źródła niekonwencjonalne to:

•Energia promieniowania słonecznego,

•Energia wiatru,

•Energia rzek i wód morskich,

•Energia geotermalna,

•Energia z paliw niekonwencjonalnych (biogaz, biopaliwa
uzyskiwane z biomasy),

•Energia jądrowa (termojądrowa).

Wśród źródeł niekonwencjonalnych wyróżnia się
energie odnawialne, które charakteryzują się:

•Małą gęstością w z energia konwencjonalną,

•Silne uzależnienie od warunków lokalnych (wiatr,
słońce, cieki wodne),

•Na ogół jest to energia czysta, gdyż proces jej
wytwarzania nie zanieczyszcza środowiska.

Źródłami energii odnawialnej są:

•Technologie bez spalania (energetyka wodna, siłownie
wiatrowe, geotermia, technika solarna),

•Technologie ze spalaniem lub zgazowaniem biomasy
(odpady leśne, słoma, siano, rzepak, ekogaz
pochodzący z gnojówki, śmieci lub ścieków miejskich},

•Odzysk ciepła z procesów technologicznych lub stałych
odpadów przemysłowych (zrzucanej ciepłej wody, spalin
wylotowych, gorących żużli i popiołów.

Wg danych USA ciepło odpadowe stanowi 36 – 39 %
zapotrzebowania na przemysłu na energie pierwotną.
 
W Polsce udział energii odnawialnej wynosi ~5%.

Zasoby energetyczne mórz i oceanów:

•Energia pływów (przypływów i odpływów), powstaje
na skutek przyciągania Księżyca (głównie) i Słońca),
obecnie tą energie można wykorzystać gdy
minimalna wysokość pływu wynosi 5m (może
wynosić nawet 20 m)
Energia fal, powstaje w wyniku wzajemnego
oddziaływania wiatru i wody, i ma swoje źródło w
energii słonecznej , która wywołuje wiatry (rys. 2.1 –
str. 18).

•Energia prądów morskich, które powstają w wyniku
oddziaływania Słońca i ruchu wirowego Ziemi
(rys.2.2 – str. 19)

•Energia wynikająca z różnic zasolenia, jest to
najmniej poznana rodzaj energii. U podstaw jej
pozyskania leży zjawisko ciśnienia osmotycznego
występującego między dwoma dążącymi do
równowagi roztworami o różnej gęstości. W
przypadku wody morskiej o zasoleniu 35

o

/

oo

ciśnienie

osmotyczne wynosi około 2,4 MPa (240 mm słupa
wody). Mieszając strumień wody słodkiej w ilości 1
m

3

/s z wodą morską o zasoleniu 35

o

/

oo

można

uzyskać moc ~2MW. Pierwsza konstrukcja takiej
elektrowni powstała w 1978 r. (Rys. 2.3 str.19)

•Energia termiczna wynikająca z różnicy temperatury
wody przy powierzchni i na dużych głębokościach; ocenia
się że różnica temperatury wody na powierzchni i
głębokości ~400 m wynosi 12 – 20 stopni, co można
wykorzystać w maszynach cieplnych (rys. 2.4; 2.5 – str.
21); ciepła woda oceaniczna doprowadzana jest do
wymiennika ciepła, w którym następuje odparowanie
czynnika pośredniego (amoniak, freon, pr. Pary
czynnika pośredniego po przejściu przez turbinę ulegają
skropleniu w drugim wymienniku ciepła, w którym
czynnikiem chłodzącym jest woda czerpana z dna
oceanu.

•Efekt zapamiętywania kształtu (EZK) polega na
tym, ze odkształcone elementy wykonane z pewnych
stopów powracają do swojej pierwotnej formy pod
wpływem ciepła (np.. mononikiel tytanu – TiNi). Można
sobie

wyobrazić

zastosowanie

tego

stopu

w

charakterze stałego ciała roboczego maszyny cieplnej
wykorzystującej

gradient

temperatury

oceanów

(zamiast

NH

3

czy

freonów.

Atrakcyjność

przekształcenia energii oceanów zwiększa dodatkowo
odkryty niedawno efekt podwójnej pamięci
polegający

na

tym,

że

elementy

poddane

wielokrotnym cyklom deformacji zapamiętywały swój
„zimny kształt” tj. przyjmowały skomprymowana
formę bez doprowadzenia dodatkowej pracy, a jedynie
pod wpływem zetknięcia się z zimnym medium.
Według niektórych badaczy silnik z elementami EZK
będzie wkrótce przekształcał energie cieplną z
większą sprawnością niż fotoelementy.

ENERGIE ODNAWIALNE

Energia słoneczna

Cechy energii słonecznej w Polsce:

•Moc promieniowania: 930 – 11163 kW/m

2

,

•Duży udział promieniowania rozproszonego (~50%),

•średnio 1600 godzin słonecznych w ciągu roku.

Kierunki rozwoju techniki solarnej

•techniki kolektorów słonecznych dla celów suszarnictwa
rolniczego, ogrzewania powietrznego oraz przygotowania
ciepłej wody użytkowej w gospodarstwach domowych i
obiektach sportowych np. pływalniach,

•termicznych elektrowni solarnych,

•fotowoltaicznych elektrowni solarnych,

•systemów solarno – wodorowych.

Kolektory słoneczne

Są to urządzenia absorbujące promieniowanie słoneczne.
W polskich warunkach klimatycznych mogą być
stosowane

urządzenia

absorbujące

zarówno

promieniowanie bezpośrednie jak i dyfuzyjne – czyli
płaskie kolektory słoneczne. Dzielą się one na mokre, w
których czynnikiem odbierającym ciepło od kolektora jest
ciecz (zwykle woda, olej lub płyn niezamarzający) i
kolektory suche, w których czynnikiem odbierającym jest
ciepło od kolektora jest gaz – najczęściej powietrze.
Schemat kolektora przedstawia rys. 3.1. – str.25.

Aktywny

system

słoneczny

dla

domu

jednorodzinnego przedstawiono na rys. 5.10. –
str.66. Atrakcyjność instalacji słonecznej do
celów grzewczych rośnie istotnie w przypadku
wyposażania ich w akumulatory ciepła. Schemat
obiegu siłowni małej mocy pracującej na czynnik
niskowrzący i ze zbiornikiem magazynujący
nadmiar ciepła. pokazano na rys. 5.11 – str. 68. ,
a schemat siłowni freonowej na rys. 5.12 – str. 68.

Stawy słoneczne
Są to baseny wypełnione wodą o różnej
koncentracji soli, spełniające równocześnie rolę
kolektorów i akumulatorów energii słonecznej.
Padające

promieniowanie

słoneczne

jest

pochłaniane przede wszystkim w dolnych
warstwach gdzie koncentracja soli jest większa i
mimo podgrzania nie unosi się ku górze.
Wierzchnia warstwa wody pełni role izolatora.
Temperatura w dolnej warstwie może podnieść się
nawet 90 – 100

o

C. (Rys. 3.2).

Ogniwa słoneczne
Są to urządzenia, w których energia słoneczna
jest bezpośrednio zamieniana na energie
elektryczną . Największe znaczenie maja do tej
pory ogniwa fotowoltaiczne (fotoogniwa)
Pomysłem z pogranicza fantastyki jest budowa
satelitarnych

siłowni

słonecznych,

które

przesyłałyby na ziemie energie w postaci fal.

Komórki fotoprzewodnościowe 
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (zjawisko
fotoprzewodnictwa) odkryte w 1873 r. przez Smith'a
polega na wzroście przewodnictwa elektrycznego ciał pod
wpływem promieniowania elektromagnetycznego (a także
korpuskularnego) jest podstawą działania urządzeń
zwanych komórkami fotoprzewodnościowymi
(fotoopornikami). Komórka włączona szeregowo do
obwodu elektrycznego wywołuje zmiany natężenia prądu
w takt zmian natężenia padającego na nią
promieniowania.

Ogniwa fotowoltaiczne
Zjawisko fotowoltaiczne polega na powstawaniu
napięcia elektrycznego na styku dwóch różnych
materiałów pod wpływem padającego na styk
promieniowania elektromagnetycznego Ogniwo
fotowoltaiczne (fotoogniwo, ogniwo
fotoelektryczne, komórka fotowoltaiczna,
fotodioda półprzewodnikowa) jest zbudowane
jako złącze dwóch półprzewodników o
odmiennym typie przewodnictwa elektrycznego
(Rys. 8.24. – str. 118). Jest to urządzenie
niskonapięciowe (do 0,6 V), z którego np. przy
mocy na wejściu ~800 W/m

2

otrzymuje się ~130

W/m

2

mocy użytecznej. Jego sprawność sięga

13%.

Przez łączenie ogniw można zwiększyć sprawność
do ~16% ). Ostatnio osiągnięto sprawność 22%
przy ~100 mW/cm

2

natężeniu promieniowania

słonecznego. Główną zaletą fotoogniw jest to, ze
nie mają części ruchomych, nie produkują
zanieczyszczeń i nie wymagają żadnego paliwa.
Wadą są wysokie koszty produkcji. Stosowane
materiały to np. : krzem krystaliczny i amorficzny
(a-Si), telurki kadmowe, arsenki galu, selenki
miedziowo – indowe (CIS). Zastosowanie: zasilają
urządzenia pokładowe sztucznych satelitów,
telewizorów, zegarków czy zabawek.

Generator termoelektronowy
Wykorzystuje zjawisko termoemisji elektronów
zaobserwowane przez Edisona (1883 r.). Schemat
generatora termoelektrycznego przedstawiono na
rys. 8.28 – str. 8.28 . Jego sprawność jest
ograniczona zasadą Cornota bo konwertor pracuje
jako maszyna cieplna pomiędzy temperaturami T

h

i T

c

.

Generator termoelektryczny

Pracuje na zasadzie Seebeck’a (1821), że w obwodzie
złożonym z dwóch różnych metali o różnej temperaturze
płynie prą elektryczny (Rys. 8.29 i 8.30 – str. 121). Efekt
Seebeck’a można wyjaśnić tym, ze elektrony w
przewodniku o wyższej temperaturze mają większą
energie kinetyczną niż w przewodniku o wyższej
temperaturze. Stąd większa dyfuzja elektronów w
kierunku niższej temperatury co prowadzi do powstania
różnicy potencjałów 300 – 400mV. Celem zwiększenia
uzyskiwanego napięcia łączy się obwody
termoelektryczne w szereg. Sprawność termogeratora
wynika ze sprawności obiegu Carnota i wynosi w praktyce
~7%. Sprawność układu złożonego z kolektora
słonecznego i generatora termoelektrycznego wynosi 0,75
– 1,4 %.

Generatory termoelektryczne

znalazły ostatnio zastosowanie jako tzw.
przetworniki termowodorowe do wytwarzania
wodoru z wody morskiej. Źródłem energii jest w
tych

urządzeniach

Słońce,

którego

promieniowanie jest skupiane na gorących
spoinach termoelementów (bizmut – telur ), a ich
temperatura osiąga ~200

o

C. Temperatura

zimnych końców jest chłodzona wodą morska
(~30

o

C). Powstający w obwodzie prąd rozkłada

wodę morska na tlen i wodór (elektroliza

)

Generator magnetohydrodynamiczny (MHD)

Jest to urządzenie do wytwarzania energii
elektrycznej bezpośrednio z energii cieplnej (rys.
8.33 – str.124). Doprowadzone paliwo ulega
spaleniu w komorze spalania w wyniku powstają
gazy o temperaturze ~2500

o

C. W tej

temperaturze atomy gazu wskutek zderzeń
ulęgają jonizacji i powstaje plazma. Intensywność
tego procesu zwiększa się dodając obok paliwa
sód lub potas. Przepływającą przez kanał plazmę
poddaje się działaniu pola elektromagnetycznego
(elektromagnesy), co powoduje segregacje jonów
i elektronów w otoczeniu elektrod (zjawisko Hala
– rys.8.34 – str. 125).

Wytwarza się różnica potencjałów i przepływa
prąd elektryczny. MHD jest urządzeniem w
którym energia chemiczna paliwa zostaje
przekształcona w energie cieplną plazmy a
następnie w jej energię kinetyczną i ostatecznie w
energie pola elektrycznego prądu stałego, którą
następnie

za

pomocą

falownika

można

przekształcić w energie elektryczną prądu
zmiennego. Sprawność generatora MHD może
osiągać 60%.

Wodór ze Słońca
Od wielu lat trwają badania nad wykorzystaniem
nowego źródła energii, które może stać się
paliwem XXI wieku. Paliwem tym jest wodór
uzyskiwany

z

elektrolizy

wody,

której

przeprowadzenie umożliwia prąd wytworzony za
pomocą promieni słonecznych w fotoogniwach.
Wodór można transportować na duże odległości i
w dużym zakresie mógłby zastąpić ropę naftową.
Gdyby udało się wykorzystać promieniowanie
słoneczne na powierzchni 1% Arabii Saudyjskiej,
to można by tą drogą uzyskać taką samą ilość
energii jaka w postaci ropy naftowej jest przez ten
kraj eksportowana. Rys.3.3 – str. 27.

Mała energetyka wodna
Udział energetyki wodnej w świecie wynosi 6,7%; w Polsce
~7%. Cechą Krajowego Systemu Energetycznego jest
duża zmienność zapotrzebowania mocy. Elektrownie
cieplne nie są elastyczne, a wyłączanie bloków
energetycznych zmniejsza ich żywotność.. Dlatego lepiej
jest wykorzystać do celów regulacyjno interwencyjnych
elektrownii wodnych, które charakteryzują się:

•dużą sprawnością (0,7 – 0,9),

•krótkim czasem uruchomienia (2 - 5 min) i wyłączenia (6
– 8 min),

•zdolność do zmiany obciążenia w szerokich granicach
( 40 – 100 %),

•niskim kosztem wytwarzania i małym zużyciem energii
na własne potrzeby (0,77 % - wyprodukowanej energii).

W Polsce mamy 119 zawodowych elektrowni wodnych (16
o mocy powyżej 5 MW) i 200 innych nie należących do
zakładów Energetycznych. Przewiduje się następujące
przyrosty mocy w energetyce wodnej w Polsce:

•w latach 1990 – 2000, 1350 MW,

•w latach 2000 – 2010, 2190 MW,

•w latach 2010 – 2020, 2660 MW.
W planach rozwoju małej energetyki wodnej przewiduje
się budowę 1000 elektrowni o łącznej mocy 200 MW
(spad do 7 m., prędkość przepływu wody do 10 m/s),
głównie przez inwestorów prywatnych.

Energia wiatru
Szacuje się, że energia wiatru może tylko w 5%
pokryć globalne zapotrzebowanie świata na
energię. Przy czym optymalne warunki jej
pozyskiwania są na słabo zaludnionych
obszarach. Optymalne warunki to:

•średnia prędkość wiatru 8 – 12 m/s,

•posadowienie siłowni wirowej na pojedynczym
niezbyt wysokim ( do 1000 m.), ze względu na
szybko zmieniającą się gęstość powietrza wraz z
wysokością.

W chwili obecnej za realne uważa się
wykorzystanie

energii

do

150

m.

nad

powierzchnia Ziemi. W Polsce średnia roczna
prędkość wiatru wynosi 3,4 m/s. Najsilniejsze
wiatry powyżej 10 m/s wieją w Karkonoszach
wzdłuż szczytów Tatr i na pobrzeżu Bałtyku.
Rodzaje silników wiatrowych przedstawiono na
rys. 3.5 – str. 33. Zalety elektrowni wiatrowych:
pełna

odnawialność

energii,

„czystość”

wytwarzania energii i niskie koszty jednostkowe
wytwarzanej energii. Wady to głośna praca
silników, możliwość występowania zakłóceń
odbioru fal UKF w najbliższym otoczeniu siłowni,
brak lokalnego odbiorcy.

Energia geotermiczna
Po raz pierwszy zastosowano energie geotermalna
do produkcji elektryczności w 1904 roku w Ladarello
(Włochy). W 1958 roku W Nowej Zelandii
uruchomiono elektrownie o mocy 50 MW. W roku
1994 - 95 moc wszystkich zainstalowanych energii
wynosiła w świecie 25 000 MW i wówczas
przewidywano, ze w roku 2000 wzrośnie ona do 70
000 MW. Z polskich zasobów geotermalnych , na
obecnym poziomie techniki, można eksploatować
tylko ~4 miliony ton p.u. Z uwagi na niski poziom
energetyczny płynów geotermalnych (T = 40 – 70

o

C) można je będzie wykorzystywać głównie w

ciepłownictwie, ogrodnictwie, rekreacji oraz hodowli
ryb. Schemat binarnej siłowni geotermalnej
przedstawiono na rys. 3.8 – str. 39.

Geopłyn wydobywa się na powierzchnie przy
użyciu pomp umieszczonych poniżej punktu
wrzenia w przypadku studni
samowypływającej. Wypływająca ciecz
oddaje ciepło do izobutanu w wymienniku
ciepła. Przegrzana para izobutanu kierowana
jest do turbiny, a następnie w skraplaczu
pierwszego obiegu oddaje ciepło
wykorzystywane dalej na wytworzenie par
propanu w drugim obiegu siłowni binarnej. Ta
dwustopniowa siłownia zasilana płynem
geotermalnym o temperaturze 182

o

C i

stosunkowo wysokiej temperaturze dolnego
źródła 27

o

C uzyskuje sprawność

wykorzystania źródła ciepła 52%.

Turbina w obiegu izobutanowym osiąga sprawność
wewnętrzną 77%, natomiast turbina w obiegu
propanowym posiada sprawność 86%. Przy
eksploatacji źródeł geotermalnych zwykle wydziela
się siarkowodór H

2

S, który trzeba pochłaniać

(utylizować), co powiększa koszty eksploatacji
elektrowni. Pomimo to wg danych USA elektrownie
geotermalne (1977 r.) produkowały najtaniej energie
elektryczną.

Na znacznej części Polski występują bogate

źródła termalne o zasobach ponad 12 mld t p.u. przy
jej wykorzystaniu do celów grzewczych w miejsce
tradycyjnych kotłowni węglowych. Po węglu, wody
geotermalne stanowią drugi co do wielkości nośnik
zasobów energetycznych w Polsce.

BIOMASA JAKO ŹRÓDŁO PALIWA

Biomasa jest terminem określającym wytworzoną
w sposób naturalny masę organiczną zawierającą
węgiel: lasy, rośliny hodowlane,,, drewno, odpady
roślinne, odchody zwierzęce. Powstawanie
biomasy jest wynikiem złożonych procesów
biochemicznych, w których decydującym
ogniwem jest proces fotosyntezy, określany jako
konwersja energii słonecznej na energię zawartą
w produkcie fotosyntezy:
CO

2

+ H

2

O h związek organiczny + O

2

Rośliny w procesach fotosyntezy wykorzystują
promieniowanie słoneczne o długości fali 400 –
700 nm, co odpowiada ~50% całkowitego
promieniowania słonecznego. Miejscem
fotosyntezy są chloroplasty – zielone ciałka roślin,
zawierające głównie zielony barwnik chlorofil i w
znacznej ilości karoten.
Rys..9.1. Poglądowe przedstawienie procesu
fotosyntezy.
Biomasa w procesach konwersji mikrobiologicznej
może być przetworzona na paliwa ciekłe i
gazowe a także na energię cieplną i elektryczną.
Przykładem takiego procesu jest fermentacja
metanowa, w wyniku której uzyskuje się gaz
biologiczny: biogaz lub agrogaz.

Pierwszą instalację biogazową zbudowano w
1985 r. w Anglii, natomiast w Polsce już w 1928
roku wykorzystano biogaz w oczyszczalni ścieków
w Poznaniu. Z fermentacji 1 tony biomasy można
uzyskać paliwo gazowe w ilości 350 – 500 m

3

o

cieple spalania 18 000 – 24 000 kJ/nm

3

. Schemat

produkcji biogazu w gospodarstwie rolnym
przedstawia rys. 9.2 – str. 130.

Kierunki rozwoju produkcji i wykorzystania
biomasy to:

•Beztlenowa fermentacja (metanowa), jest to
redukcyjny

proces

rozkładu

substancji

organicznych bez dostępu powietrza. Pod
wpływem działania różnych mikroorganizmów
substancje organiczne rozkładają się ostatecznie
do dwutlenku węgla i metanu.

•Piroliza biomasy - Rozkład za pomocą energii
słonecznej w temperaturze 310 – 750

o

C,

materiały wyjściowe: celuloza, lignina, kaczany
kukurydzy,

trociny

,

odpady

drzewne;

objętościowy skład gazu po odrzuceniu azotu
wynosi: CO : 34 –54,5%, H

2

: 10- 22%, CO

2

: 6 –

26%, CH

4

: 8 – 32%, C

2

H

6

: 0,1 – 1%, C

2

H

4

: 4 – 6%,

C

3

H

8

: 0,3 0 2% zależnie od składu materiału

wyjściowego.

•Spalanie i magazynowanie biomasy, jednym
ze

sposobów

wykorzystania

reakcji

fotochemicznych jest magazynowanie energii w
związkach

chemicznych

a

następnie

wydobywanie jej przez spalanie; odpowiedni
dobór roślin (trzcina cukrowa, wierzba, topola,
trzcina itp.) umożliwia uzyskanie zbiorów rzędu
20 kg/m

2

, a z 1 kg biomasy ~6 kWh energii, co

odpowiadałoby

wykorzystaniu

6%

energii

słonecznej, a przy uwzględnieniu wszystkich strat
sprawność globalna wytwarzania energii
elektrycznej 2%

•Biokonwersja energii słonecznej obejmuje:
biokatalityczną produkcję paliw (np. produkcja
wodoru

za

pomocą

bakterii)

sztucznymi

membranami chlorofilowymi, które mogą być
wykorzystane bezpośrednio do produkcji energii
elektrycznej lub do wytwarzania wodoru,
biofitolizę ( wykorzystanie bakterii do produkcji
wodoru),

•Biopaliwa (np. oleje rzepakowe, lub biopaliwa z
drewna (las)); biopaliwa z rzepaku są jeszcze
obecnie za drogie do powszechnego stosowania.

Akumulacja energii
W większości przypadków zapotrzebowanie na
energię jest zmienne w czasie, stąd istotnego
znaczenia nabiera problem magazynowania
energii. Energię mechaniczna ( np. kinetyczno
potencjalna) magazynuje się w kołach
zamachowych. Energia elektryczna i
elektromagnetyczna (energie polowe) mogą być
zmagazynowane w postaci zmiany zasobu
energii elektrycznej. Energia chemiczna istnieje
tylko w postaci zmagazynowanej, a jej
konwersja na energie cieplną i odwrotnie
odbywa się podczas reakcji egzo i
endotermicznych. Obecnie energia chemiczna
zmagazynowana w kopalinach jest
podstawowym źródłem energii cieplnej i
elektrycznej.

Energia jądrowa podobnie jak chemiczna,
występuje w postaci zmagazynowanej. Jest to
energia wiązań atomowych a jej wyzwalanie
następuje w wyniku rozpadu (rozszczepiania)
jąder pierwiastków ciężkich lub syntezy jąder
pierwiastków lekkich. Wszystkie wymienione
energie mogą być zamienione na energię
cieplną.

Jednak

proces

odwrotny

jest

ograniczony

przez

drugą

zasadę

termodynamiki i jest związana ze znacznymi
stratami.

ENERGETYKA JĄDROWA

Rozszczepianie ciężkich jąder
W pracujących dotychczas reaktorach stosuje się:
izotop uranu o masie atomowej 235, izotopy
plutonu o masach atomowych 239 i 241 oraz
izotop uranu o masie atomowej 235. Spośród
wyżej wymienionych tylko uran o masie
atomowej 235 występuje w przyrodzie (0,74%).
Pozostałą cześć stanowi izotop uranu o masie
atomowej 238, z którego przez napromieniowanie
uzyskuje się pluton. Schemat siłowni nuklearnej
przedstawiono na rys. 7.5 – str. 86.

Synteza termojądrowa
Jak dotychczas syntezę termojądrową zrealizowano w
bombie wodorowej, a więc w sposób niekontrolowany.
Źródłem energii pierwotnej jest bomba atomowa, której
działanie polega na rozszczepianiu plutonu – 239. Wciąż
jednak podejmowane są próby realizacji syntezy
termojądrowej w warunkach pokojowych. Takim
przypadkiem może być zjawisko „pinchu”. Polega ono na
tym, że powoduje się silne wyładowanie prądowe w
zjonizowanym gazie (plazmie). Wskutek przepływu prądu i
obecności pola magnetycznego plazma zostaje
skomprymowana (zagęszczona) do postaci sznura
plazmowego o szerokości 1 mm. W warunkach wysokiej
temperatury i wystarczająco silnej kompresji (zwiększenia
gęstości) może dojść do syntezy.

Problem polega jednak na tym, że sznur
plazmowy jest niestabilny i rozpada się.
Dlatego dotychczas syntezy nie
zrealizowano. Największe nadzieje wiąże się
z syntezą w tzw. „Tokamakach” czyli
gigantycznych transformatorach, w których
obwodem wtórnym jest sznur plazmowy
(rys.7.2 – str.81). Synteza zachodzi w nich w
wyniku tzw. pułapki magnetycznej
wytwarzanej przez bardzo silne pole
magnetyczne, generowane przez uzwojenie
umieszczone na obwodzie kanału (o kształcie
torusa), w którym znajduje się sznur
plazmowy.

Czas dla pułapek magnetycznych wynosi o,1 –
1,0 s, co oznacza, że wymagana gęstość plazmy,
aby zaszła w niej synteza wynosi 10

14

– 10

15

cząstek /cm

3

. Dla porównania ilość atomów w

ciele stałym w 1 cm

3

wynosi 5 . 10

22

. Do

nagrzewania plazmy używa się miedzy innymi
laserów o energiach rzędu 10

10

J, a czynnikiem

utrzymującym plazmę w stanie skupienia są siły
inercji. Sposób wykorzystania energii wynikającej
z syntezy termojądrowej pokazano na rys. 7.3 –
str. 83. Jednak dotychczas z syntezy dokonywanej
w „Tokamakach” uzyskiwano mniej energii, niż jej
doprowadzono.

Tym

niemniej

kontrolowana

synteza termojądrowa może rozwiązać wszelkie
problemy energetyczne świata, a w dodatku jest
procesem „czystym”.

NOWE URZĄDZENIA ENERGETYCZNE

Pompy ciepła
Są to urządzenia, które służą do transformacji
(pompowania) ciepła z niższego poziomu energetycznego
(o niższej temperaturze) kosztem wkładu pracy
mechanicznej, ciepła lub energii elektrycznej. Pompa
ciepła jest jedynym urządzeniem umożliwiającym
wykorzystanie energii cieplnej źródeł o niskich
temperaturach (małej egzergii). Istnieją znaczne rezerwy
takiej energii zarówno w źródłach naturalnych (np.
energia słoneczna, powietrze atmosferyczne, wody
powierzchniowe) jak i sztucznych (zrzuty ciepła
przemysłowego). Jest to energia bardzo tania, albo wręcz
bezpłatna.

W praktyce stosuje się wiele rodzajów pomp.
Schemat sprężarkowej pompy ciepła
przedstawiono na rys. 8.2 – str. 90. Para czynnika (o
stanie 1) wpływa do sprężarki z parownika
stanowiącego ujecie dolnego źródła pompy ciepła.
Po sprężeniu para (o stanie 2) wpływa do
skraplacza , stanowiącego ujęcie źródła ciepła
górnego pompy. Para kondensuje się przy stałym
ciśnieniu i temperaturze. Po kondensacji ciecz (o
stanie 3) ulega rozprężeniu w zaworze 3 (osiągając
stan 4). Rozprężona mieszanina dwufazowa
wpływa do parownika, gdzie ponownie zostanie
odparowana.

Para czynnika (o stanie 1)
wpływa do sprężarki z parownika
stanowiącego ujecie dolnego
źródła pompy ciepła. Po
sprężeniu para (o stanie 2)
wpływa do skraplacza ,
stanowiącego ujęcie źródła
ciepła górnego pompy. Para
kondensuje się przy stałym
ciśnieniu i temperaturze. Po
kondensacji ciecz (o stanie 3)
ulega rozprężeniu w zaworze 3
(osiągając stan 4). Rozprężona
mieszanina dwufazowa wpływa
do parownika, gdzie ponownie
zostanie odparowana.

Do oceny termodynamicznej pompy ciepła, będącej
podstawą analizy ekonomicznej jej zastosowania
wprowadzono współczynnik efektywności (wydajności).
W analizowanym przypadku:
 
 

L

L

L

d

g













Pompy ciepła nadają się idealnie do współpracy z
kolektorami słonecznymi. Umożliwiają bowiem
wykorzystanie niskotemperaturowej energii
podnosząc jej potencjał kosztem nieznacznego
nakładu energii elektrycznej. Schemat układu
pompy ciepła z kolektorem słonecznym
przedstawiono na rys. 8.16 – str. 108. Krajem, w
którym zastosowanie pomp ciepła można uznać za
powszechne jest Szwecja. Zainstalowano ich już
tam 300 000. Instalacja z pompą ciepła to
najwyższy stopień komfortu. Nie wymaga pracy
palacza czy obsługi, ma bowiem pełną
automatykę sterowania, pracuje cicho i jest
idealnie czysta. Jej żywotność sięga 25 lat.

Ogniwa paliwowe

Są to urządzenia elektrochemiczne, w których następuje
w sposób ciągły bezpośrednia zamiana energii chemicznej
paliwa (zwykle wodoru) na energię elektryczną – zostało
ono odkryte przez W. Grove’a ponad 150 lat temu. Jego
schemat przedstawiono na rys.8.19 – str. 112.
Na elektrodach (zawierających katalizatory) zachodzą
następujące reakcje :
Anoda:
H

2

O + 2OH

(-)

2H

2

O + 2e

-

Katoda:
 2e

-

+ ½ O

2

+H

2

O  2OH

(-)

Reakcja całkowita:
 H

2

+ ½ O

2

 H

2

O

Czyli jest to reakcja odwrotna do elektrolizy. Ogniwa
paliwowe dzieli się na niskotemperaturowe (do 250

o

C)

oraz wysokotemperaturowe (~ 1000

o

C). Wytwarzane

napięcie 0,5 – 1,0 V w zależności od natężenia
pobieranego

prądu.

Modułowa

budowa

zapewnia

uzyskiwanie mocy ok. 50 MW. Wybrane dane wybranych
ogniw paliwowych przedstawiono w Tabeli *.3 – str. 115.
Podstawowe zalety ogniw to:

•duża sprawność przetwarzania energii (stabilność
charakterystyk); siłownia o mocy 38 MW (typ SOFC)
osiąga sprawność ~65%

•niezawodność działania przy żywotności ok. 10 000
godz.

•mała masa,

•niskie koszty eksploatacji.
Dalszy rozwój ogniw paliwowych zależy od pozyskiwania
do nich paliwa (szczególnie wodoru).