Energia 1-color

Fizyka procesów

przetwarzania energii

(1)

Fizyka procesów przetwarzania

energii

ródła energii

Przetwarzanie i produkcja energii

uŜytkowej

Oddziaływanie na środowisko

Perspektywy uzyskiwania energii

Nowy tytuł

: Energia w środowisku

Definicja energii

Kluczowe słowo tytułu wykładu:

Energia

Świat potrzebuje energii…

The terms energy, power and work have a

variety of meanings depending on the frame of

reference of the observer

Energia: skalarna wielkość fizyczna spełniająca

ściśle prawo zachowania, słuŜąca do ilościowego

określenia róŜnych procesów i rodzajów

oddziaływania.

Zdolność wykonywania pracy

Energia pierwotna

Substancje i zjawiska występujące w

przyrodzie, które mogą być wykorzystane

bezpośrednio lub pośrednio do

wytworzenia energii uŜytkowej:

Organiczne paliwa kopalne

Energia geotermalna

Ruda uranu, z której produkuje się paliwo

jądrowe

Promieniowanie słoneczne

Inne źródła energii odnawialnej

Energia pierwotna

Substancje (w skończonych ilościach) i

zjawiska występujące w przyrodzie:

(energia

odnawialna

i nieodnawialna)

Organiczne paliwa kopalne

Energia geotermalna

Ruda uranu, z której produkuje się paliwo

jądrowe

Promieniowanie słoneczne

Inne źródła energii odnawialnej

Energia finalna (u

ytkowa)

Energia finalna (u

ytkowa)

Jest to energia dostarczana do uŜytkownika

moŜe to być energia pierwotna (gaz

ziemny, węgiel kamienny, gorąca woda)

lub energia przetworzona (elektryczna z

węgla, benzyna z ropy naftowej, ciepła

woda

Energia elektryczna najwszechstonniejsza

forma energii uŜytkowej

Jednostki energii

Fizyka: 1J

Świat atomu: 1eV

1eV = 1.6 *10

Energetyka 1kWh

1kWh =1000W * 3600s = 3 600 000J

Jednostki energii cieplnej (fizyka 1cal = 4.184J)

Inne specyficzne jednostki

Jednostki mocy

Moc

–

zdolność wykonywania pracy w określonym

czasie

(Energia / jednostka czasu)

Fizyka: 1J/s = 1W (wat)

Energetyka

(teŜ wat ale częściej uŜywa się

pochodnych jednostek: moc elektrownii 100 MW,

moc Ŝarówki 60W)

Inne specyficzne jednostki mocy

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

energii

Cennik: zuŜycie 1kWh kosztuje około 40

groszy

Przykład 1

–

„herbata”

–

zagotowanie 1 litra wody

Przykład 2

–

„kapiel”

–

wanna ciepłej wody

Przykład 3

–

„ jazda windą”

–

podnoszenie ciał na pewną

wysokość

Przykład 4

–

„oświetlenie”

–

uŜywanie lamp w mieszkaniu

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

energii

–

„herbata”

Koszt zagotowanie 1l wody

Q=m(t

Do zagotowania 1 litra wody o

temperaturze 15

C potrzeba

Q = 1000g * (100

)

1cal/g C

= 8

000 cal = 3

000

0.1 kWh

Cennik: zuŜycie 1kWh kosztuje

około 40 groszy

Zagotowanie 1l wody kosztuje

ok. 4 grosze

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

energii

–

„k

piel w wannie”

„k

piel w wannie”

Koszt podgrzania wody od temperatury

15 do temperatury 40

Objętość wody: 110*45*20 cm

= 100l

Q=m(t

Do zagrzania 100 litrów wody od

temperatury 15

C do temperatury 40

potrzeba:

Q = 100

g * (

)

1cal/g

0 cal =

10 500 000

= 3

kWh

Zagrzanie wody na kąpiel kosztuje

około 1zł 20 groszy

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

energii

–

„o

wietlenie mieszkania”

„o

wietlenie mieszkania”

Oświetlenie mieszkania (pokoju)

przez 1 wieczór.

3 Ŝarówki o mocy 75W świecą przez

6 godzin

E = M * t

E = 75W * 6h * 3 = 1350 Wh = 1,35

kWh

Oświetlenie pokoju przez 1 wieczór

kosztuje około 55 groszy

Ziemia w nocy

Ile kosztuje energia elektryczna u

ywana do

Ile kosztuje energia elektryczna u

ywana do

podnoszenia ci

ęŜ

arów

podnoszenia ci

ęŜ

arów

Fizyka:

E = mgh

Energia potencjana samochodu na
podnośniku:
3000kg*g*2m = 60 000 J =
0.017 kWh

Praktyka:

E = M*t

= 2*2.4kW*45s =

4.8*0.0125 kWh = 0.06 kWh

Energia potrzebna do podniesienia
samochodu przez podnośnik kosztuje
około 2 grosze

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

Ile kosztuje energia elektryczna u

ytkownika

energii

Jak moŜna wykorzystać 1kWh energii, która kosztuje

obecnie około 40 groszy:

Zagotowanie 10 razy czajnika (1litr) wody

Oświetlenie mieszkania (3 Ŝarówki) przez prawie cały

wieczór

Transport na 1 piętro (h=3m) cięŜaru około 120 ton

Zagotowanie 1litra (1kg) wody kosztuje tyle samo ile

transport cieŜaru 12 ton na 1 piętro. Kosztowne oświetlenie

i ogrzewanie.

Energia zu

ywana w budynkach

Energia zu

ywana w budynkach

mieszkalnych w Polsce

4.5%

Urządzenia elektryczne

2.5%

Oświetlenie

Gotowanie

15%

Podgrzewanie wody

71%

Ogrzewanie i wentylacja

ródła energii pierwotnej

Hierarchia waŜności:

aktualne wykorzystywanie

zasoby czyli perspektywy wykorzystania w

przyszłości

Uwaga:

Wszystkie przedstawiane liczby wynikające ze

statystycznych informacji naleŜy traktować jako dane

orientacyjne. Brak jest jednolitych danych statystycznych

we wszystkich krajach. Poza tym dane statystyczne mówią

o energii ze sprzedaŜy komercyjnej. Szacuje się, Ŝe poza

statystyką pozostaje 12

15% całkowitego zuŜycia energii.

ródła energii pierwotnej

Aktualne (1999 rok) zuŜycie energii komercyjnej:

Źródło ZuŜycie [M toe] Procent

(

1999)

(1989)

Ropa naftowa 3 462 40.6%

39.7%

Gaz ziemny 2 064 24.2%

22.3%

Węgiel 2 129 24.9%

29.2%

Energia jądrowa 651 7.6%

6.5%

Hydroenergia

227

2.7%

2.3%

Całkowite zuŜycie energii w sprzedaŜy komercyjnej

Razem

8533 Mtoe

(W 1989 roku

7782 Mtoe

)

Jednostka [toe] to 1 tona wzorcowej ropy naftowej (ton of oil

equivalent)

1 toe = 42 GJ = 11.67 MWh

ródła energii: aktualnie wykorzystywane i

mog

ce by

wykorzystane w przyszło

mog

ce by

wykorzystane w przyszło

Kopalne paliwa organiczne:

Węgiel kamienny i brunatny

Ropa

Gaz ziemny

Łupki bitumiczne

Energia jądrowa

Wykorzystanie zjawiska rozszczepienia jąder

atomów

Wykorzystanie syntezy termojądrowej

Energia geotermalna (Rozpad radioaktywnych

izotopów we wnętrzu Ziemi)

ródła energii: aktualnie wykorzystywane i

mog

ce by

wykorzystane w przyszło

mog

ce by

wykorzystane w przyszło

Odnawialne źródła energii:

Biomasa

Hydroenergia

Energia wiatru

Energia maremotoryczna (fale i prądy morskie)

Energia maretermalna (ciepło oceanów)

Bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej

Energia geotermalna

Biomasa

Biomasa to drewno opałowe, słoma, nasiona i

inne części roślin a takŜe resztki zwierzęce i

odpadki komunalne.

Wartość opałowa:

Słoma Ŝółta 14,3 MJ/kg

Słoma szara 15,2 MJ/kg

Drewno opałowe 13,0 MJ/kg

Trzcina 14,5 MJ/kg

(Węgiel 29,3 MJ/kg

–

jeden kilogram

wysuszonej biomasy jest równowaŜny około

0,5 kg węgla

)

Biomasa

Tworzenie się biomasy to

naturalny (realizowany w

przyrodzie) sposób

magazynowania energii

słonecznej. W procesie tym

rośliny pobierają z

atmosfery CO

, który

podczas spalania biomasy

wraca do atmosfery.

Dlatego przyjmuje się, Ŝe

stosowanie biomasy nie

przysparza atmosferze

dodatkowego dwutlenku

węgla

Biomasa

Zastosowanie biomasy:

Bezpośrednie spalanie

(podnosi się argument, Ŝe

jest to wprowadzanie do atmosfery dwutlenku

węgla, który pochodzi z atmosfery. Proces ten nie

zwiększa koncentracji dwutlenku węgla bo to nie

jest spalanie węgla odłoŜonego przed milionami

lat. Jednak wydajność procesu spalania w

palenisku jest mała stąd spalanie w specjalnych

kotłowniach)

Przetwarzanie na paliwo płynne

lub gazowe (aby

ułatwić transport energii z miejsca wytworzenia

biomasy do miejsca wykorzystania energii

finalnej.)

Technologie wykorzystania

biomasy

Sposoby wykorzystania biomasy do

wytwarzania energii:

Spalanie

Gazyfikacja

Pyroliza

Kogeneracja

Procesy biochemiczne

Technologie wykorzystania

biomasy

spalanie

Spalanie wykorzystywane jest do produkcji energii

cieplnej i elektrycznej. Spalanie odbywa się przy

uŜyciu specjalnych kotłów.

Efektywne i przyjazne dla środowiska spalanie

powinno odbyć się w 3 fazach:

Suszenie i odgazowanie materiału drzewnego

(kawałki drewna, zrębki, trociny, słoma….)

Spalanie gazu drzewnego w temperaturze 1200

Dopalanie gazu i oddawanie ciepła w wymienniku

Wysoka temperatura, dostęp tlenu i długi czas

spalania powodują stosunkowo niską emisję CO,

węglowodorów i węglowodorów aromatycznych

Technologie wykorzystania

biomasy

spalanie

Specyfika spalania biomasy:

Nielotne związki węgla stanowią:

Ok. 20% masy drewna

60% masy węgla

brunatnego

80% masy węgla

kamiennego

Ponad 95% masy koksu

Kocioł do spalania drewna (biomasy) musi zapewnić warunki do

efektywnego spalania lotnych produktów rozpadu termicznego drewn

Niezupełne spalanie powoduje zwiększoną emisję szkodliwych

substancji do atmosfery i pogarsza sprawność procesu spalania.

Do spalania słomy stosuje się jeszcze inne specjalne kotły bo sł

oma

daje mało energii na jednostkę objętości (spalanie całych lub

rozdrobnionych bel słomy).

Urz

dzenia do spalania biomasy

Urz

dzenia do spalania biomasy

Przykłady kotłów dla indywidualnych gospodarstw rolniczych

Przykłady większych kotłownii (Trzcianka k. Wałcza – kotłownia
spalająca wierzbę z własnej plantacji, Borne Sulinowo – kotłownia
miejska spalająca zrębki drewna)

Biomasa

Koszt ogrzewania przy uzyciu biomasy:

Biomasa jest tanim źródłem energii cieplnej, jeśli jest uŜywana na miejscu,
bez konieczności transportu

Technologie wykorzystania

biomasy

gazyfikacja

Gazyfikacja biomasy to proces przetwarzania biopaliw stałych w g

az,

który poprzedza późniejsze spalanie w kotłach

Proces gazyfikacji przebiega dwustopniowo:

W komorze z niedoborem powietrza, w temperaturze 450

800

paliwo zostaje odgazowane. W wyniku powstaje gaz palny i

mineralna pozostałość (wegiel drzewny)

W drugim etapie w komorze dopalania w temperaturze około

1200

C w obecności nadmiaru tlenu spala się powstały gaz

Zaletą takiej technologii gazyfikacji jest wysoka efektywność ok

oło

35%. Kotły do jednostopniowego spalania biomasy mają

efektywność 15

20%.

Technologie wykorzystania

biomasy

pyroliza

Pyroliza biomasy to proces rozszczepienia cząstek związków

chemicznych o duŜej masie cząsteczkowej na cząsteczki mniejsze.

Prowadzony jest w temperaturze 600

C bez dostępu powietrza.

Produktem jest ciekłe biopaliwo zwane olejem pyrolitycznym

będącym mieszaniną utlenionych węglowodorów. Zaletą jest

późniejsza łatwość transportu tego ciekłego produktu. Technologi

produkcji oleju jest ciągle w stadium badań. Produktem

wyjściowym jest na ogół drewno.

W wyniku pyrolizy powstaje:

Produkt ciekły

–

olej pyrolityczny (do 75%)

Produkt stały

–

wegiel drzewny (ok..12%)

Mieszanina gazów palnych (ok.. 13%)

Technologia pyrolizy moŜe być pierwszym etapem przeróbki biomasy

Kolejne etapy to gazyfikacja i spalanie.

Technologie wykorzystania biomasy

–

procesy biochemiczne

Niektóre formy biomasy zawierają zbyt duŜo wody by moŜna je skut

ecanie

spalać. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest moŜliwe dzię

procesom biochemicznym

Fermentacja alkoholowa

–

proces rozkładu węglowodanów

zachodzący po dodaniu droŜdŜy bez dostępu tlenu. Surowce do

fermentacji to: zboŜa, winigrona, ziemniaki, buraki cukrowe.

Produktem jest alkohol

Estryfikacja oleju

–

przemiana oleju zawartego w roślinach (rzepak,

soja, gorczyca) w estry metylowe. Powstaje biodiesel.

Fermentacja metanowa

–

proces rozkładu wielkocząsteczkowych

substancji organicznych (białka, tłuszcze…) do alkoholi, kwasów

organicznych, metanu. Produktem jest biogaz (metan i CO

Wykorzystuje się odchody zwierzęce, odpady komunalne i odpady

przemysłu spoŜywczego

Produkcja biogazu i etanolu w Europie

Produkcja

biogazu

Produkcja

etanolu