Niekonwencjonalne źródła energii

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

TJ czyli ~1200 10

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

ciśnienie

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

/s z wodą morską o zasoleniu 35

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

charakterze stałego ciała roboczego maszyny cieplnej
wykorzystującej

gradient

temperatury

oceanów

(zamiast

czy

freonów.

Atrakcyjność

przekształcenia energii oceanów zwiększa dodatkowo
odkryty niedawno efekt podwójnej pamięci
polegający

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

•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

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

otrzymuje się ~130

W/m

mocy użytecznej. Jego sprawność sięga

13%.

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

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

i T

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

C. Temperatura

zimnych końców jest chłodzona wodą morska
(~30

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

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

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

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

150

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

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

C i

stosunkowo wysokiej temperaturze dolnego
źródła 27

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

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

+ H

O h związek organiczny + O

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

cieple spalania 18 000 – 24 000 kJ/nm

. 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

materiały wyjściowe: celuloza, lignina, kaczany
kukurydzy,

trociny

odpady

drzewne;

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

: 10- 22%, CO

: 6 –

26%, CH

: 8 – 32%, C

: 0,1 – 1%, C

: 4 – 6%,

: 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

następnie

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

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

odpowiadałoby

wykorzystaniu

energii

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

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

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

– 10

cząstek /cm

. Dla porównania ilość atomów w

ciele stałym w 1 cm

wynosi 5 . 10

. Do

nagrzewania plazmy używa się miedzy innymi
laserów o energiach rzędu 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.

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













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

O + 2OH

(-)

2H

O + 2e

Katoda:
2e

+ ½ O

O  2OH

(-)

Reakcja całkowita:
H

+ ½ O

 H

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

oraz wysokotemperaturowe (~ 1000

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).

Document Outline