ENERGETYKA
Pozyskiwanie oraz użytkowanie energii
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 |
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 |
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 |
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
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 NOx
Modernizacja i rekonstrukcja kotłowni
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
Krajowy system energetyczny
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
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
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
Wd=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%
Wd=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
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%
Podsystem gazoenergetyczny
Sieci przemysłowe
Gazu ziemnego wysokometanowego
Gazu ziemnego zaazotowanego
Gazu koksowniczego (odbiorcy przemysłowi)
Zaniżona pięciokrotnie objętość zbiorników
Gaz ziemny - Wd=34,3 MJ/m3
Źródła pozyskania:
Krajowe złoża
Import
Gaz z odmetanowania
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
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
Energetyka, a środowisko naturalne człowieka
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 |
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
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 NOx/rok
9mln ton CO2/rok
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)
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 NOx, 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
Reaktor wodny wrzący (BWR) - system jedno-konturowy - proces rozszczepiania ciężkich izotopów - reaktor emituje ciepło - pierwsza elektrownia 1952r. - energia produkowana 20%
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 ηf 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