2. Ekologiczne konsekwencje pozyskiwania energii.
Historia ludzkości – pozyskiwanie energii.
Dzieje przetwarzania energii są starsze niż dzieje cywilizacji.
Energia była i jest podstawowym czynnikiem rozwoju cywilizacji,
- przemysł,
- transport,
- prąd elektryczny: ogrzewanie domów, oświetlenie.
Czym jest energia ?
Energia – wielkość fizyczna.
Energia (z greckiego – aktywność, działanie).
Energia – zdolność ciała do wykonywania pracy lub spowodowania przepływu ciepła.
Prawo zachowania masy i energii: całkowita ilość masy i energia nie zmienia się w czasie przemian E=mc2.
- energia (jednostka międzynarodowa):
1J, jest to energia = pracy wykonanej na drodze 1m przez siłę 1N w kierunku jej działania, 1J = 1N * 1m = 1m2 *kg*s2
- energia cieplna:
kaloria (cal), 1kcal = 1 000cal, 1Mcal, itd.
1kWh – energia elektryczna ilość energii jaką zużywa urządzenie o mocy 1kW w ciągu godziny, ilość zużytej energii (kWh) = moc urządzenia (kW) x czas pracy urządzenia (h).
Przeliczanie.
Jednostki energii można wzajemnie przeliczać według poniższych:
1J = 0,2389cal, 1 cal = 4,1856J
1kWh = 3 600 kJ = 3,6MJ
1kWh = 0,86Mcal
Schemat przemian energii.
Energia pierwotna – energia czerpana z przyrody w postaci odnawialnej i nieodnawialnej (energia paliw organicznych i jądrowych, wiatru, geotermalna, słoneczna).
Przetwarzanie energii na pochodne
(elektrownie, ciepłownie, gazownie,
rafinerie, itp.)
Wtórne nośniki energii (energia finalna) – przedmiot zakupu – prąd elektryczny. Ciepło, benzyna, gaz, itd.
Przesyłanie (sieci elektryczne, gazowe,
cieplne, sieci paliw ciekłych i
przetwarzanie ostateczne w
odbiornikach elektrycznych (silniki,
grzejniki, żarówki).
Energia użytkowa – energia mechaniczna, ciepło, światło, dźwięk.
Energia elektryczna.
Energia finalna – energia będąca przedmiotem zakupu celu zaspokojenia potrzeb człowieka na energię użytkową, do energii bezpośredniej zalicza się zwykle energię elektryczną, ciepło grzejne.
Energia elektryczna – wartość rynkowa jako towar (pieniądze) + cechy zdecydowanie odróżniające od innych towarów na rynku.
- brak możliwości obserwacji bezpośredniej za pomocą zmysłów,
- brak możliwości magazynowania (przy praktycznie jednoczesnej produkcji i konsumpcji energii elektrycznej),
- szczególne warunki transportu bez użycia zwykłych środków przewozowych lecz przy użyciu środków specjalnych (sieć elektryczna),
- wszechstronność zastosowania, do celów przemysłowych, militarnych, naukowych, itp. w rolnictwie i gospodarstwach domowych.
Źródła energii pierwotnej.
Energia pierwotna – energia czerpana z przyrody w postaci odnawialnej i nieodnawialnej.
a) paliwa pierwotne:
- węgiel kamienny
- węgiel brunatny
- ropa naftowa
- gaz ziemny
---------- > energia nieodnawialna
b) paliwa jądrowe (materiały rozszczepialne):
c) woda
d) wiatr
d) gorące skały i oda zewnątrz Ziemi
f) słońce
---------- > energia odnawialna
Obecnie ciągle jeszcze zasadniczym rodzajem wykorzystywanej energii jest energia chemiczna paliw pierwotnych.
Pozytywne i negatywne strony przetwarzania energii nośników pierwotnych.
NOŚNIK ENERGII
CECHY POZYTYWNE
CECHY NEGATYWNE
Węgiel.
Obfitość zasobów,
Wyzwania dla ograniczenia
bezpieczeństwo, łatwy w
emisji CO2
transporcie i magazynowaniu.
Ropa.
Łatwa do transportu i
Emisja CO2 , zmienność cen,.
magazynowania, brak
Niestabilność polityczna,
substytutu w wykorzystywaniu
koncentracja zasobów.
w transporcie.
Gaz.
Wydajny, wygodny.
Emisja CO2 , zmienność cen,
niestabilność polityczna,
koncentracja zasobów.
Paliwo jądrowe.
Brak emisji.
Akceptacja społeczna, odpady,
kapitałochłonność.
Odnawialne.
Niskie emisje na bazie cyklu
Wysokie koszty, nieciągłe
życia.
zasoby, problem z lokalizacją.
Rozłożenie surowców energetycznych na kuli ziemskiej.
Udział poszczególnych krajów w światowych rezerwach węgla kamiennego i brunatnego.
a) Pozostałe kraje 7%
b) Niemcy 8%
c) Indie 9%
d) Australia 12%
e) Chiny 16%
f) Rosja 25%
g) USA 23%
Rozłożenie surowców energetycznych na kuli ziemskiej.
1. Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach ropy naftowej a) Ocenia 0,3%
b) Azja 5,9%
c) Europa 6,6%
d) Afryka 7,0%
e) Ameryka Płn. 8,0%
f) Ameryka Płd. 8,3%
g) Środkowy Wschód 63,9%
2. Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach gazu: a) Ocenia 1,1%
b) Ameryka Płd. 4,0%
c) Ameryka Płn. 6,2%
d) Afryka 6,8%
e) Azja 10,9%
f) Środkowy Wschód 34,1%
g) Europa 36,9%
Produkcja elektryczności w podziale na paliwa.
- źródła odnawialne 2%
- ropa 7%
- energia wodna 16%
- energia jądrowa 16%
- gaz 20%
- węgiel 40%
Udział węgla w produkcji elektryczności jest znacząco coraz większy, niż w całości energii, użytkowanie ropy do produkcji elektryczności jest marginalne, jej wykorzystanie dominuje za to w transporcie.
Węgiel jako paliwo kopalne.
Antracyt (ok. 96%) – Ukraina, USA, Czechy, Chiny, stosowany jako pawio i do produkcji elektrod; Węgiel kamienny (78%-92% C) – paliwo energetyczne i surowiec chemiczny; Węgiel brunatny (65%-78% C)- tanie paliwo opałowe, surowiec chemiczny, w ogrodnictwie; Torf (ok. 60%) – w medycynie (jako borowina), ogrodnictwie (wyrób doniczek torfowo-ziemnych) i rolnictwie (w produkcji nawozu organicznego, ściółki torfowej).
Wysokotemperaturowy rozkład węgla, bez dostępu powietrza – pirolizą (suchą destylacją węgla): koks, smoła pogazowa, woda pogazowa, gaz świetlny.
Koks – stała, porowata substancja, zawiera około 90% C ora wodę, siarkę, małe ilości fosforu, składniki mineralne (popiół) i gazowe. Koks jest również materiałem opałowym.
Zagrożenia wynikające z wydobywania i spalania węgla.
1. Wydobycie – emisja metanu do atmosfery, obniżenie poziomu wód gruntownych.
Kopalnie odkrywkowe – degradacja środowiska.
Legnica – 3000ha terenu (wykop, zwałowisko, place zagospodarowania, przenośniki, drogi), likwidacja okolicznych wsi i przesiedleniem ok. 1500 mieszkańców. Aby dostać się do surowca trzeba zdjąć wierzchnią, przeważnie kilkudziesięciometrową warstwę nakładu. W efekcie powstanie dziura w ziemi powierzchni ok. 700ha i głębokości nawet 200m.
Kopalnie głębinowe – szkody górnicze.
Zagrożenia wynikające ze spalania węgla.
Węgiel – ze względu na sposób zachowania się w procesie spalania przyjęło się umownie dzielić substancje tworzące węgiel na substancję palną oraz balast. Do balastu zalicza się wilgoć i części mineralne, z który powstaje popiół.
Spośród pierwiastków budujących węgiel za palne uważa się tylko C, H, S oraz N.
CxHy
Tlenki siarki
So2, SO3
Tlenki azotu
NO, NO2, N2O
Emisje
ze
spalania
paliw
Tlenki węgla
CO, CO2
Para wodna
H2O
Popiół, sadza, koksik ,
Cząstki stałe
pierwiastki śladowe
Kogeneracja – racjonalne wykorzystanie energii.
Elektrownie konwencjonalne, szczególnie węglowe, wykorzystują energię paliwa bardzo nieefektywnie. W energię elektryczną zamieniane jest często tylko 1/3 energii zawartej w paliwie, reszta energii nie jest wykorzystywana i jako ciepło podgrzewa atmosferę.
Dobrym sposobem na lepsze wykorzystanie energii paliwa jest produkcja prądu z jednoczesnym wykorzystaniem ciepła, np. do ogrzewania mieszkań, jest to tak zwana KOGENEREACJA – elektrociepłownia produkuje prąd, a ciepło jest produktem ubocznym, (należy jedynie doliczyć koszt instalacji zbierających i sieci ciepłowniczej rozprowadzającej ciepło na odległość wieli kilometrów).
Promowanie kogeneracji o wysokiej sprawności stanowi priorytet Unii Europejskiej.
Znaczenie węgla.
‘Nie ma się bo łudzić, węgiel musi pozostać głównym surowcem energetycznym ze względów politycznych, ekonomicznych i społecznych. Trzeba tylko umiejętnie wdrażać nowoczesne, proekologiczne technologie w myśl zrównoważonego rozwoju’ – dr inz. Aureliusz Miklaszewski z Polskiego Klubu Ekologicznego.
Węgiel brunatny ma dziś strategiczne znaczenie dla polskiej elektroenergetyki.
Ok. 30% produkowanej energii elektrycznej pochodzi z elektrowni opalanych węglem brunatnym. Ok. 30%
tańsza energia niż z węgla kamiennego.
Złoża Legnica.
W I etapie zagospodarowania złoża ‘Legnica’ przewiduje się eksploatację o zdolności wydobywczej ok. 25-30mln ton rocznie,. Zakłada się, po 7 latach od rozpoczęcia budowy, w zależności od koniunktury i potrzeb energetycznych kraju podwojenie wydobycia. Łącznie może ono osiągnąć poziom ok. 50-60mln ton rocznie (największa na świecie kopalnia węgla brunatnego), w pełni zastępując po roku 2030 obecne elektrownie pracujące w Polsce w oparciu o węgiel brunatny,
Kolejne kroki:
- uwzględnienie kopalni w planach zagospodarowania przestrzennego
- wyznaczenie inwestora strategicznego
- zdobycie środków finansowych na opracowanie programu rozpoznania zasobów praz nowych ekologicznych technologii przetwarzania węgla na bezemisyjną energię elektryczną.
Sposoby minimalizacji działalności górniczej na otaczające środowisko.
Czyste technologie węglowe – procesy i technologie, prowadzące do zmniejszenia negatywnego wpływu spalania węgla na trzech etapach: przed spalaniem, w trakcie spalania oraz po spalaniu.
- ogranicza emisje SO2, zmniejsza ilość odpadów produkowanych przed elektrownię oraz poprawia sprawność termiczną procesu (przez do redukuje emisję CO2).
Wzbogacanie węgla.
Węgiel surowy
(niesort) cele
wzbogacania
Ograniczenie
Przygotowanie
zawartości substancji
Ograniczenie
odpowiedniej klasy
balastowych (sub.
substancji szkodliwych
ziarnowej na potrzeby
mineralna)
, związki siarki
odbiorcy
Etap II. nowoczesne efektywne technologie spalania:
- we współczesnych elektrowniach węgiel spalany jest pod postacią pyłu węglowego – poprawa sprawności z 25% do ok. 40%.
Spalanie w cyklu kombinowanym ze zgazowaniem – węgiel nie jest spalany bezpośrednio, ale uprzednio reaguje z O2 i parą wodną, wytwarzając gaz syntetyzowany (CO, H2). Gaz ten jest oczyszczany i spalany wytwarzając energię el. oraz parę wodną – znaczna poprawa sprawności (do ok. 50%). Obniżenie emisji gazów – do ok. 90%.
Etap III. technologie redukcji emisji:
Odpylanie – usuwanie popiołów z gazów spalinowych – odpylacze mechaniczne, filtry.
Odsiarczanie – metody mokre, suche, półsuche. Absorbenty SO2, np. wodne zawiesiny wapna –
produkt końcowy siarczanu wapnia, gips – do wykorzystania!
Redukcja tlenków azotu – emisja NOx zależy głównie od technologii spalania, dodatkowo metody specjalne, metody katalityczne.
Ograniczenie emisji CO2 ….
5% redukcji – poprawa jakości węgla
20% redukcji – poprawa sprawności elektrowni
25% redukcji – zaawansowane technologie, np. spalanie w cyklu kombinowanym ze zgazowaniem
– usuwanie CO2 przed spalaniem. Usuwanie z gazów, np. absorpcja chemiczna, fizyczna.
Karbon dioxide Capture and Storage
Jedną z bardziej obiecujących technologii skupiających się na redukcji emisji CO2 powstającego podczas wytwarzania energii z paliw kopalnych jest technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS).
CCS = wychwytywanie CO2, transportowanie i wtłaczanie do pod ziemię (miejsca po złożach ropy i gazu, ‘nie nadające się do eksploatacji’ pokłady węgla, aby odizolować go od atmosfery.
Jednym z elementów Pakietu Klimatyczno Energetycznego UE jest projekt Dyrektywy zakładającej obowiązek stosowania CCS.
Potencjalne rozwiązania.
- niekonwencjonalne źródła ropy naftowej – złoża piasków bitumicznych
- paliwa z węgla
- biopaliwa