OCHRONA ATMOSFERY

Wykład 4

Dr hab. inż. Krzysztof GOSIEWSKI

Profesor AJD

Światowa produkcja energii,

alternatywne źródła energii a efekt cieplarniany

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Obecnie jako alternatywne

źródła energii najczęściej

wymienia się:

• energię wodną;
• energię wiatru;
• energię słoneczną;
• energię uzyskiwaną ze spalania biomasy;
• energia ze spalania biogazu
• energię geotermalną;
• energię uzyskiwaną z tzw. pomp ciepła;
• energię falowania wód i przypływów morskich;
• energię ogniw paliwowych (głównie zasilanych

wodorem jako paliwem);



Energię jądrową (?)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Orientacyjny udział różnych źródeł energii w

produkcji globalnej i ich wpływ na efekt

cieplarniany

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energia odnawialna ?

• „Energy obtained from sources that

are essentially inexhaustible...”,”....
that can keep producing indefinitely
without being depleted”

zużywane w procesach biosyntezy

Ziemia

Biopaliwo

SPALANIE

emitowane

do atmosfery

Energia sloneczna

zużywane w procesach biosyntezy

Ziemia

Biopaliwo

SPALANIE

emitowane

do atmosfery

Energia sloneczna

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA

• NIE MYLIĆ POJĘĆ MOCY I ENERGII !!!
• Pojęcie energii związane jest z wykonaną

pracą.

• ENERGIA = PRACA

Jednostki energii:

dżul [J],
kilowatogodzina

[kWh].

MOC
określa zdolność do wykonania pracy w określonym
czasie:

czyli Wat

 

sek



 



Jednostki mocy:

lub jednostki pochodne [kW], [MW] i inne.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Jeśli elektrownia ma moc 250 MW to oznacza, że ma

ona zdolność dostarczania do systemu w ciągu

sekundy 250 [MJ] (tzn. 250 x 106 [J]) energii, ale

bynajmniej nie przesądza to tego, że stale tę ilość

energii dostarcza.

RÓŻNE RODZAJE (DEFINICJE) MOCY

STOSOWANE W ENERGETYCE:

      Moc zainstalowana,
      Moc dyspozycyjna,
      Moc osiągalna,
      Moc szczytowa,
      Moc średnia.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

PRODUKCJA ENERGII MA DLA

SPOŁECZEŃSTW PRZEDE WSZYSTKIM

ISTOTNE ZNACZENIE WÓWCZAS, GDY

JEST ONA PRODUKOWANA W FORMIE

ENERGII NADAJĄCEJ SIĘ DO

TRANSPORTU NA DUŻE ODLEGŁOŚCI!

TEN POSTULAT SPEŁNIA:

 Energia elektryczna prądu

przemiennego

o wysokim napięciu (możliwy transport

na bardzo duże odległości).

 Energia cieplna, której nośnikiem jest

wysokoprężna para wodna lub woda o

wysokim ciśnieniu (na odległości do

kilkunastu kilometrów).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Znaj proporcją Mocium

Panie!

„Zemsta”

Aleksander hr. Fredro

•

Bazą dla dokonywania porównań

alternatywnych  źródeł  energii  z  tradycyjną
energetyką  cieplną,  bazującą  na  paliwach
kopalnych  może  być  informacja  dotycząca
naszego  kraju.  W  Polsce  moc  zainstalowana
cieplnych  elektrowni  węglowych  w  r.  2005
wynosiła

29 158 MW

. Natomiast łączna moc

zainstalowana polskich elektrowni zawodowych
to

34 637 MW

•

Źródła alternatywne będą miały istotne

znaczenie

tylko

wówczas,

gdy

ich

wykorzystanie

pozwoli

zmniejszyć

produkcję energii z tych źródeł w stopniu,
przynajmniej zauważalnym.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Moc zainstalowana w elektrowniach na koniec 2005 roku

Moc zainstalowana [MW]

Udział [%]

Elektrownie zawodowe na węgiel kamienny

20 352

58,7%

Elektrownie zawodowe na węgiel brunatny

8 806

25,4%

Elektrownie zawodowe gazowe

769

2,2%

Elektrownie zawodowe wodne

2 193

6,3%

Elektrownie przemysłowe

2 553

7,4%

Ogółem

34 673

100%

Źródło: PSE-Operator SA

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Orientacyjny udział różnych źródeł

energii w produkcji globalnej

(inne źródło niż podano na poprzednim

wykładzie)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

„Scenariusz” udziału źródeł

energii w globalnej produkcji

Źródło: U.S. Gas & Energy 773-743-3000
Future Energy Development

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

„Scenariusz” zużycia

różnych rodzajów energii

Źródło: U.S. Gas & Energy 773-743-3000
Future Energy Development

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Elektrownie cieplne dziś są

podstawowym procesem

produkcji energii

elektrycznej !

Blokowy schemat elektrowni cieplnej

 E

energia cieplna (termiczna) (z którą wiąże

się moc
termiczna P

 E

energia elektryczna (lub moc elektryczna

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

SPRAWNOŚĆ UKŁADU KOCIOŁ TURBINA GENERATOR

100%

40%

paliwa

h =

�

Wiele energii cieplnej rozpraszane jest w
układach

chłodzących (zwykle są to chłodnie

kominowe).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Znacznie wyższą sprawność można

osiągnąć przy produkcji energii

elektrycznej skojarzonej z produkcją

energii cieplnej ! Wówczas sprawność

sięga 80%

Schemat przedstawiający przemianę
energii pierwotnej rozdzielnie i w
skojarzeniu

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA

ENERGII

Energetyka wodna



Elektrownie z naturalnym dopływem

wody (Moce zainstalowane do kilkuset kW)

 Elektrownie szczytowo – pompowe (Moce

zainstalowane do 1000 i więcej MW)

 Elektrownie pracujące w reżymie

mieszanym (na naturalnym dopływie i na

w reżymie szczytowo – pompowym)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Widok elektrowni szczytowo -

pompowej w Tresnej

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energetyka wodna

• W Polsce moc zainstalowana w głównych

elektrowniach wodnych wynosi
1 848 MW, co stanowi ok. 6 % mocy
zainstalowanej elektrowni węglowych.

• Udział w ogólnej produkcji energii wynosi

około 1.5%.

• W Polsce udział hydroenergetyki w

produkcji energii mógłby wzrosnąć
maksymalnie do ok. 5% (Źródło: Praca
magisterska M Kowalskiego AJD 2005)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energia wiatru (wiatrowa)

Moc zainstalowana
agregatu na
pojedynczym wiatraku
zwykle ma do kilkuset
kW, maksymalnie do
ok. 2 MW.

Moc średnia w roku jest
znacznie mniejsza
(zależy od ilości dni
„wiatrowych”)

Energia wiatrowa nie jest bynajmniej energią darmową! Koszt instalacji
i utrzymania w ruchu jest wysoki a moc pojedynczego wiatraka niewielka.

W wielu krajach energia wiatrowa jako

„ekologiczna”

jest dofinansowywana z budżetu państwa.

Cena energii wiatrowej spadła od ok. 30 centów USA w latach

80-tych do poniżej 5 centów obecnie, czyli do poziomu

porównywalnego z cenami energii z paliw kopalnych.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energia słoneczna

ENERGIA SŁONECZNA =

= OGNIWA FOTOWOLTAICZNE

Czy foto-ogniwo jest rzeczywiście jedynym

sposobem wykorzystania energii słonecznej?

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

• Jeden moduł o niewielkiej mocy ok. 120W i

rozmiarach ok. 1 m

kosztuje ok. 650 $.

(W Polsce moduł ok. 0,5 m

o mocy 50 W

ok. 1300 zł brutto, zaś moduł 2,5 m

ok.

3300 zł brutto).

• Dach o rozmiarach np. 100 m

pozwala na

zainstalowanie mocy ok. 12 kW.

Najpierw o ogniwach:

Wady: Foto-ogniwo produkuje energię

elektryczną prądu stałego. Do magazynowania

tej energii trzeba zainstalować baterie

akumulatorów o odpowiednio dużej pojemności.

Jeśli chcemy zasilać tą energią tradycyjne

odbiory prądu zmiennego (telewizory, lodówki

itp.) musimy dodatkowo zainwestować w

przetworniki prądu stałego w przemienny.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Czas zwrotu inwestycji w USA

(dane: październik 2004)

(Aktualna cena instalacji; 5$/W. Średnia cena energii

z sieci komercyjnej ok. 9,5 centa/kWh)

W Polsce przy cenie energii 0,33 zł/kWh czas zwrotu

nakładu na same ogniwa wyniósłby od 20 do 40 lat

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

CZY KONIECZNIE FOTO-

OGNIWO?

• Znacznie tańsze jest grzanie energią słoneczną

wody przepływającej przez kolektor słoneczny bez

produkcji energii elektrycznej w foto-ogniwie!

• Koszt takiej instalacji dla jednego budynku wynosi

aktualnie 1000 do 3500$ (ok. 2700 do

9 500 zł) w zależności od mocy cieplnej instalacji.

• Czas zwrotu nakładów inwestycyjnych od 4 do 7

lat w zależności od rodzaju nośnika energii, którą

taka instalacja zastępuje (energia elektryczna,

spalanie gazu, oleju napędowego

i tp.) oraz lokalnych cen tych nośników energii.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Grzanie wody jest więc kosztowo
racjonalną alternatywą! Jak to działa?

• Systemy bezpośrednie:

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Systemy pośrednie:

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Wieże słoneczne (solar towers)

•Osiągane
moce do ok.
200 MW

•Obecnie
stosuje się
zwykle 2 typy
wież.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Układ z akumulacją ciepła w cieczach o

dużej pojemności cieplnej (stopione sole) i
produkcją pary na zewnątrz wieży:

566

288

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Układ z turbiną wewnątrz

wieży:

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energia ze spalania biomasy i

biopaliw

 Bezpośrednie spalanie suchych roślin lub

ich pozostałości (np. słoma, drzewa szybko

rosnące) lub spalanie odpadów stałych.

 Spalanie płynnych paliw biologicznych

otrzymywanych na bazie oleju

rzepakowego lub etanolu.

• ZALETY: Duży stopień recyklu CO

powstającego podczas spalania.

• Możliwy znaczący udział w globalnym

bilansie energii.

• Obecnie spalanie

biomasy

jest źródłem

alternatywnym cenowo

konkurencyjnym na rynku energii!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA ZE SPALANIA
BIOGAZU

Fermentacja beztlenowa Metan (i inne gazy)

Typowy skład biogazu:

   metan 45-65 % objętości;
   dwutlenek węgla, 25- 35% objętości;
   azot 7-10 % objętości;
   tlen < 3% objętości;
   pozostałe domieszki stanowią tylko ok.1%, a są to:

o   siarkowodór 0-100 ppm;
o   amoniak  0-100 ppm;
o   merkaptan etylowy 0-120 ppm;
o   aldehyd octowy 0-150 ppm;
o   etan 0-30 ppm;
o   aceton 0-100 ppm
o   węglowodory 0-50 ppm;

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA ZE SPALANIA
BIOGAZU

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA ZE SPALANIA

BIOGAZU

Utylizacja biogazu
na wysypisku w
Gliwicach

Zespół prądotwórczy turbina
- generator o mocy 0,4 MW

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA GEOTERMALNA

Nośnikiem tej energii jest być ciepła

woda wydobywana z nisko położonych
warstw Ziemi (np. do ok. 1000 m).
Zastosowanie lokalne przeważnie do
celów grzewczych. Jeśli eksploatacja
gorących źródeł nie jest połączona z
emisją z otworów związków
szkodliwych (np. związków siarki), co
czasami się zdarza, to jest to energia
„ekologiczna”.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Ojciec Rydzyk dostał z

Funduszu Ochrony Środowiska

12 mln zł na jeden otwór

geotermalny

(

na głębokość ok.

3000m !!!

ale koszta mu

wzrosły i zażądał dalszych

15mln zł na dokończenie prac.

Darmowa energia???

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

POMPY CIEPŁA

• Urządzenie pozwalające przenosić energię

ze środowiska o niższej temperaturze do
środowiska o temperaturze wyższej.

• Zasada działania taka sama jak w zwykłej

lodówce, czy urządzeniu
klimatyzacyjnym.

• Mało reklamowane, ale bardzo

interesujące rozwiązanie techniczne dla
małych obiektów (np domków
jednorodzinnych) !!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

POMPY CIEPŁA

Lodówka:

Agregat
wyprowadza ciepło
na zewnątrz, z
punktu o
temperaturze
niższej do wyższej
(?).

Dzieje się to
kosztem energii
dostarczonej do
napędu agregatu
chłodniczego.

Druga zasada

termodynamiki jest więc

zachowana!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

SCHEMAT I ZASADA DZIAŁANIA POMPY
CIEPŁA

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA FALOWANIA I

PRZYPŁYWÓW MORSKICH.

• Teoretycznie może to być olbrzymie

źródło energii. Nie znane są jednak
urządzenia, które na większą skalę
pozwalałyby na wykorzystywanie
tych energii. Prowadzone były tylko
eksperymenty.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA Z OGNIW PALIWOWYCH

• W ogniwie paliwowym przebiega proces odwrotny do procesu

elektrolizy.

Reakcja w ogniwie paliwowym:

Szkic ogniwa paliwowego:

Przepływ O

(utleniacz)

Przepływ prądu

Dwustronna płytka

separatora

Anoda

Elektrolit matrycowy

Katoda

Dwustronna płytka

separatora

Anoda

Przepływ H

( paliwo)

Anoda: 2 (H

 2 H

+ 2 e

)

Elektrolit: H

(anoda)  H

(katoda)

Katoda: O

+ 4 H

+ 4 e

 2 H

Reakcja sumaryczna: 2 H

+ O

 2

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energetyka wodorowa

Paliwo, którym jest wodór w stanie

wolnym w środowisku ziemskim
prawie w ogóle nie występuje –
trzeba go po prostu wyprodukować:

 Z wody (H

O) drogą elektrolizy.

 Z węglowodorów (C

) w procesach

tzw. reformingu lub półspalania

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ELEKTROLIZA WODY:

2 H



2 H

+ O

Wymaga dostarczenia energii elektrycznej !!

REFORMING PAROWY WĘGLOWODORÓW:

+ n H



n CO + (n + m/2) H

Zużywa paliwa kopalne, a w dodatku jest to reakcja
endotermiczna, więc również wymaga dostarczenia
energii

Sposoby produkcji wodoru

Czy energetyka wodorowa

ma sens ?

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Co z tlenkiem węgla (CO)?

•Poddaje się go jednej z 2 reakcji:

CO + H

O  CO

+ H

-41 kJ/mol (słabo

egzotermiczna)

lub: CO + ½ O

 CO

-283 kJ/mol

(egzotermiczna)

Energii w obu metodach produkcji wodoru trzeba
dostarczyć więcej, niż się później odzyska w ogniwie
paliwowym.
Zasad termodynamiki oszukać się nie da!

W obu przypadkach produkuje się CO

. Nieprawdą jest więc

twierdzenie, że energetyka wodorowa w ogóle nie produkuje
gazów cieplarnianych!!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Produkcja

wodoru

wody

(metodą

elektrolizy?) jest najmniej efektywna z
wszystkich możliwych!

• „

Wierzę, że pewnego dnia woda zostanie

wykorzystana jako paliwo, a wodór i tlen -

z których się składa - użyte razem lub

osobno, staną się niewyczerpalnym

źródłem ciepła i światła o wydajności,

jakiej węgiel nie jest w stanie zapewnić.

Wierzę, że gdy zasoby węgla się

wyczerpią, powinniśmy opalać i ogrzewać

wodą. W przyszłości, woda zastąpi
węgiel.”

Jules Verne :”The Mysterious Island”, 1874r

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

CZY STOSOWANIE PALIWA

WODOROWEGO MA SENS???

• Paliwo wodorowe nie jest rewelacyjnym

paliwem emitującym do atmosfery tylko

parę wodną, ale pozwala na znacznie lepsze

wykorzystanie energii z paliw kopalnych !!

Właściwie wodór nie jest paliwem pierwotnym.
Jest tylko interesującym nośnikiem energii!!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Sprawność całego ciągu od paliwa
do energii mechanicznej w
samochodzie z ogniwem
paliwowym

Nie jest to bardzo duży wzrost
sprawności, ale zawsze coś w
porównaniu z < 0,4 dla elektrowni
cieplnych!

Źródło:
Praca magisterska AJD
Przemysław Pabich
2006 r.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Analiza wybranych sposobów przetwarzania energii z paliw kopalnych

Wyszczególnione

Energia paliwa

[kJ /mol]

Energia

użyteczna

[kJ /mol]

Straty energii

[kJ /mol]

Sprawność

[%]

Spalanie metanolu w

silniku spalinowym

727

291

436

Spalanie metanolu w

ogniwie paliwowym

727

451

273

Spalenie wodoru w

ogniwie paliwowym

242

121

Spalenie węgla w

elektrowni zawodowej

410

143,5

266,5

Spalanie węgla w

elektrociepłowni

410

328

Spalanie wodoru w

elektrowni z ogniwem

paliwowym

242

128

114

obejmuje energię mechaniczną lub elektryczną

sprawność ta nie uwzględnia etapu produkcji

sprawność ta uwzględnia etap produkcji

dotyczy skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej

Źródło:
Praca magisterska AJD
Przemysław Pabich
2006 r.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Źródło:
Praca magisterska AJD
Przemysław Pabich
2006 r.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA JĄDROWA

Jest to bardzo poważna metoda

pozyskiwania energii pozwalająca się

uniezależnić od tradycyjnych paliw

kopalnych

• WADY:
 Tworzenie radioaktywnych odpadów i problemy z

ich składowaniem.

 Awaria może mieć zasięg znacznie groźniejszy

niż w innych metodach pozyskiwania energii.

 Niekorzystna atmosfera społeczna w stosunku do

tego źródła (po katastrofie w Czarnobylu).

 Zachęcający cel dla ataku terrorystycznego!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA JĄDROWA

• ZALETY:
Niewielkie zużycie surowca energetycznego

w stosunku do jego światowych zasobów.

Aktualnie praktycznie jedyny sposób

pozyskiwania energii w ilościach mogących

znacząco wpływać na potrzeby

energetyczne globu.

Przy bezawaryjnej produkcji i właściwym

składowaniu odpadów jest to bardzo

ekologiczny sposób produkcji energii !

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ENERGIA JĄDROWA

• Dotychczasowe elektrownie jądrowe wykorzystują

procesy rozszczepiana

• Ostatnio coraz częściej mówi się o wykorzystaniu w

energetyce

procesów fuzji (syntezy)

jądrowej.

Dotychczas jeszcze nie buduje się tego typu

instalacji, choć prace badawcze trwają.

Prowadzenie procesów syntezy w kontrolowanych

warunkach jest obecnie niezmiernie trudne. Jednak

jeśli te prace zakończyłyby się powodzeniem to

ludzkość otrzymałaby praktycznie

niewyczerpywalne

źródło energii.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

BIOPALIWA

• alkohol etylowy (etanol) – dodatek do

benzyn;

• estry z estryfikacji oleju rzepakowego-

dodatek do oleju napędowego

 Dlaczego nie mówi się o oleju

opałowym

opałowym z rzepaku ?

 Na ile biopaliwa są rzeczywiście
ekologiczne?

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Bilans energetyczny pozyskiwania biopaliwa rzepakowego (RME)

Energia dostarczona:

- uprawa rzepaku od zaorania. siewu. zbioru
aż do otrzymania nasion

21.6 GJ/ha

- tłoczenie oleju

7.9 GJ/ha

- trans estryfikacja

6.8 GJ/ha

Suma energii dostarczonej (bez energii słonecznej) 36.3 GJ/ha

Energia pozyskana:

- 1,3 m

biopaliwa RME ma wartość energetyczną 42.5 GJ/ha

- wartość energetyczna słomy rzepakowej

59.4 GJ/ha

- wartość energetyczna wytłoków z nasion (śruty) 10.6 GJ/ha
- wartość energetyczna pozyskanej gliceryny

11.2 GJ/ha

Suma energii pozyskanej

123.7 GJ/ha

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Procent produkowanych w Brazylii

samochodów zasilanych 100%

etanolem

Document Outline

Slide 1
Slide 2
Slide 3
Slide 4
Slide 5
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
Slide 13
Slide 14
Slide 15
Slide 16
Slide 17
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
Slide 22
Slide 23
Slide 24
Slide 25
Slide 26
Slide 27
Slide 28
Slide 29
Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
Slide 39
Slide 40
Slide 41
Slide 42
Slide 43
Slide 44
Slide 45
Slide 46
Slide 47
Slide 48
Slide 49
Slide 50
Slide 51
Slide 52
Slide 53