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 (?)

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”

CO

2

zużywane w procesach biosyntezy

Ziemia

Biopaliwo

SPALANIE

CO

2

emitowane

do atmosfery

Energia sloneczna

CO

2

zużywane w procesach biosyntezy

Ziemia

Biopaliwo

SPALANIE

CO

2

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

 

J

W

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

Znaj proporcją Mocium

Panie!

Panie!

„Zemsta”

„Zemsta”

Aleksander hr. Fredro

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

t

energia cieplna (termiczna) (z którą wiąże

się moc
termiczna P

t

),

 E

e

energia elektryczna (lub moc elektryczna

P

e

).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

SPRAWNOŚĆ UKŁADU KOCIOŁ TURBINA GENERATOR

100%

40%

e

paliwa

E

E

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

2

kosztuje ok. 650 $.

(W Polsce moduł ok. 0,5 m

2

o mocy 50 W

ok. 1300 zł brutto, zaś moduł 2,5 m

2

ok.

3300 zł brutto).

• Dach o rozmiarach np. 100 m

2

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

1)

Układ z akumulacją ciepła w cieczach o

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

566

o

C

288

o

C

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

2)

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

2

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???

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

2

(utleniacz)

Przepływ prądu

Dwustronna płytka

separatora

Anoda

Elektrolit matrycowy

Katoda

Dwustronna płytka

separatora

Anoda

Przepływ H

2

( paliwo)

Anoda: 2 (H

2

 2 H

+

+ 2 e

- 

)

Elektrolit: H

+

(anoda)  H

+

(katoda)

Katoda: O

2

+ 4 H

+

+ 4 e

-

 2 H

2

O

Reakcja sumaryczna: 2 H

2

+ O

2

 2

H

2

O

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Energetyka wodorowa

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

2

O) drogą elektrolizy.

 Z węglowodorów (C

n

H

m

) w procesach

tzw. reformingu lub półspalania

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

ELEKTROLIZA WODY:

2 H

2

O



2 H

2

+ O

2

Wymaga dostarczenia energii elektrycznej !!

REFORMING PAROWY WĘGLOWODORÓW:

C

n

H

m

+ n H

2

O



n CO + (n + m/2) H

2

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

Sposoby produkcji wodoru

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

2

O  CO

2

+ H

2

-41 kJ/mol (słabo

egzotermiczna)

lub: CO + ½ O

2

 CO

2

-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

2

. Nieprawdą jest więc

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

Ochrona Atmosfery -
Wykład 4

Produkcja

wodoru

z

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

1)

[kJ /mol]

Straty energii

[kJ /mol]

Sprawność

[%]

Spalanie metanolu w

silniku spalinowym

727

291

436

40

Spalanie metanolu w

ogniwie paliwowym

727

451

273

62

2)

Spalenie wodoru w

ogniwie paliwowym

242

121

121

50

3)

Spalenie węgla w

elektrowni zawodowej

410

143,5

266,5

35

Spalanie węgla w

elektrociepłowni

410

328

82

80

4)

Spalanie wodoru w

elektrowni z ogniwem

paliwowym

242

128

114

53

1)

obejmuje energię mechaniczną lub elektryczną

2)

sprawność ta nie uwzględnia etapu produkcji

3)

sprawność ta uwzględnia etap produkcji

4)

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

3

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