Chemia środowiska
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Zagadnienia
�� Charakterystyka geoekosystemów
�� Rola atmosfery w bilansie cieplnym Ziemi
�� Reakcje zachodzące w atmosferze - obieg podstawowych
pierwiastków, kwaśne deszcze, smog, substancje niszczące warstwę
ozonową.
�� Rola wody w przyrodzie
�� Substancje organiczne i nieorganiczne w wodach naturalnych
�� Budowa, rola i właściwości litosfery
�� Substancje chemiczne w środowisku  systematyka, mikro- i
makroelementy
�� Podstawowe zanieczyszczenia organiczne i nieorganiczne w
środowisku
�� Krążenie pierwiastków chemicznych w środowisku - cykl węgla,
azotu, siarki i fosforu.
�� Zanieczyszczenie środowiska chemikaliami  samooczyszczanie i
usuwanie zanieczyszczeń metodami chemicznymi
Atmosfera
Rola atmosfery w bilansie cieplnym Ziemi
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Atmosfera
Atmosfera ziemska - cienka powłoka gazowa otaczającą kulę ziemską.
Brak wyraz
nych granic górnych i dolnych.
Powietrze koncentruje się w dolnych warstwach atmosfery (99% w warstwie 0-
35km).
Atmosfera jest niezbędnym warunkiem trwania życia na Ziemi.
Niektóre funkcje atmosfery:
�� Pochłania krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne szkodliwe dla
organizmów żywych (zwł. warstwa ozonowa).
�� Przepuszcza do powierzchni Ziemi życiodajne promieniowanie
elektromagnetyczne (400-700 nm), uruchamiające w komórkach proces
fotosyntezy.
�� Spala pył kosmiczny i większość meteorytów, uniemożliwiając im dotarcie do
powierzchni Ziemi.
�� Stabilizuje warunki termiczne na powierzchni Ziemi.
�� Jest z
ródłem tlenu dla organizmów żywych.
�� Jest z
ródłem azotu i ditlenku węgla dla roślin.
�� Umożliwia przebieg procesów (transport i krążenie wody) warunkujących
istnienie życia.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Atmosfera
Cechy atmosfery:
�� mały rozmiar w porównaniu z masą hydrosfery i litosfery
�� wrażliwość na zanieczyszczenia
�� krótki czas mieszania w atmosferze
�� szybkie mieszanie powoduje rozcieńczenie substancji
Składnik Stężenie, %obj
Para wodna 0,5 - 4%
Diazot (N2) 78,08% s. pow.
Ditlen (O2) 20,95% s. pow.
Argon (Ar) 0,93% s. pow.
Ditlenek węgla (CO2) 0,0378% s. pow.
Pozostałe (Ne, He, Kr, H2, Xe, O3) 0,0022% s. pow.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Skład atmosfery
�� Homosfera - do ok. 80 km -
stały skład chemiczny stałych
składników.
�� Heterosfera - powyżej 80
km  niejednorodny skład
chemiczny, dysocjacja N2, O2
�� Gazy śladowe nie
występują w atmosferze w
pobliżu powierzchni Ziemi w
stałych proporcjach.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery
Kryterium podziału atmosfery na
warstwy:
charakter zmian temperatury w miarę
wzrostu wysokości w atmosferze.
WARSTWY ATMOSFERY ZIEMSKIEJ:
Troposfera (0-15 km n.p.m.)  temperatura obniża się wraz z wysokością
Stratosfera (15-50 km n.p.m.)  temperatura rośnie wraz z wysokością homosfera
Mezosfera (50-85 km n.p.m.)  temperatura obniża się wraz z wysokością
Termosfera (85  500 km n.p.m.)  temperatura rośnie wraz z wysokością heterosfera
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery - troposfera
�� Zawiera ok. 80-85% ogólnej masy powietrza;
N2 i O2; H2O(g), Ar, CO2, NOx, SOx, CH4 i
inne; większość zanieczyszczeń.
�� Miejsce przebiegu procesów życiowych.
�� Energia słoneczna ogrzewa Ziemię.
Cieplejsze powietrze jest lżejsze i wznosi się
do położonego bezpośrednio nad nią
powietrza, powodując mieszanie
konwekcyjne.
�� Tropopauza - przejście do stratosfery, zanik
gradientu temperatury.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery - stratosfera
�� Główne składniki N2 i O2, NOx, H2O, O3
�� Ozonosfera - (20 50 km), zawiera
zwiększone stężenie ozonu.
�� Wzrost temperatury związany jest z
pochłanianiem promieniowania
nadfioletowego i rentgenowskiego przez
ditlen oraz ozon, którego najwięcej
znajduje się na wysokości 20-35 km.
�� Stratopauza - górna granica stratosfery.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery  stratosfera - ozonosfera
�� Ozonosfera  między 20 i 50 km, 95%
ozonu zawartego w atmosferze.
Maksymalna gęstość ozonu występuje
na wysokości ok. 25 km.
�� Gęstość stratosfery jest mniejsza niż
troposfery, dlatego cząsteczki narażone
są na bardziej intensywne
promieniowanie słoneczne.
�� Powstawanie O3 - w wyniku zderzania
się O2 z O wytwarzanym pod wpływem
UV <240nm)
�� Jednocześnie cząsteczki O3 rozpadają
się, pochłaniając promieniowanie
słoneczne o większej długości fali.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery - mezosfera
�� Główne składniki: N2 i O2, NOx, O3
�� Intensywne promieniowanie słoneczne
jonizuje małe cząsteczki do dodatnich
jonów i elektronów.
�� Spadek temperatury związany jest z
oddalaniem się od powierzchni Ziemi.
�� Mezopauza - warstwa przejściowa do
termosfery.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery - termosfera
�� Mieszanina jonów.
�� Wzrost temperatury jest związany z
pochłanianiem krótkich i ultrakrótkich fal
promieniowania elektromagnetycznego
Słońca przez zjonizowane gazy.
�� Egzosfera  strefa przejściowa do
przestrzeni międzyplanetarnej.
Powodem zmian składu atmosfery jest
różna ilość promieniowania słonecznego
na każdym jej poziomie. Cząsteczki
działają jak bardzo aktywne filtry światła.
Każda warstwa absorbuje część światła
słonecznego, chroniąc gazy poniżej przed
promieniowaniem, które pochłania.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Zależność gęstości i ciśnienia od wysokości atmosfery
Gęstość powietrza spada bardzo szybko wraz z wysokością:
0 m n.p.m. 1250 g/m3
20 km n.p.m. 87 g/m3
500 km n.p.m. <0,1 g/m3
M  średnia masa molowa powietrza (28,92 g/mol),
g = przyspieszenie ziemskie (9,78 m/s2),
h = wysokość (m)
R = stała gazowa (8,314 J/(mol deg),
T  temperatura (K)
Ph  ciśnienie na wysokości h
Po  ciśnienie na poziomie morza (1013,25 hPa)
http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/klimat/0202_sklad.html
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Stratyfikacja atmosfery
http://dc221.4shared.com/doc/hQlWm-wr/preview.html
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi
Większość energii dostępnej na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego.
Stała słoneczna - natężenie promieniowania słonecznego w górnej granicy
atmosfery = energia całkowita, którą otrzymuje górna powierzchnia atmosfery
(strumień promieniowania słonecznego) wynosi 1 368 W/m2.
Widmo promieniowania mieści się w granicach długości fal:
100 nm < < 3000 nm.
Dalszy ultrafiolet < 350 4,5% udziału widma
Bliski ultrafiolet 350< < 400 4,2%
Zakres widzialny VIS 400< < 700 38,2%
Bliska podczerwień 700< < 1000 22,6%
Dalsza podczerwień > 1000 30,5%
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi
Bilans cieplny - zestawienie ilości energii cieplnej otrzymywanej przez Ziemię z
zewnątrz i energii oddawanej w przestrzeń kosmiczną.
Strumień promieniowania słonecznego (stała słoneczna) = 1 368 W/m2 a" 100%
Część odbita (albedo), 31%:
- 6% - powierzchnia Ziemi,
-17% - chmury,
- 8% - aerozole.
Albedo - liczba określająca stosunek ilości
promieniowania odbitego we wszystkich
kierunkach do ilości promieniowania
padającego na daną powierzchnię Ziemi.
Część zaabsorbowana w atmosferze, 23%:
- 4% - w chmurach
-19% - w aerozolach.
Cześć pochłonięta przez lądy i wodę, 46%.
y
ródła: www.kera.net.pl
Chemia środowiska, G. vanLoon, PWN, Warszawa 2008
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi
�� Każdy rodzaj podłoża w odmiennym stopniu
Albedo
absorbuje i odbija promieniowanie słoneczne,
Rodzaj podłoża (w%)
czyli ma charakterystyczne dla siebie albedo.
Świeży śnieg 75-95
Lód morski 36-50
�� Każdy rodzaj podłoża w inny sposób pochłania
Granit 29-32
promieniowanie krótkofalowe, przekształca je w
Pustynia piaszczysta 25-30
ciepło i emituje to ciepło do otoczenia.
Zielona trawa 26
Zabudowa miejska 15-25
�� Lądy nagrzewają się szybko, jednak tylko do
Pola uprawne 15-25
małych głębokości; akumulują niewiele energii i
Las liściasty 10-20
szybko się oziębiają.
Las iglasty 5-15
Asfaltowa droga 5-10
�� Oceany i inne zbiorniki wodne nagrzewają się
Woda spokojna* 2-6
powoli do dużych głębokości, długo pozostając
względnie chłodne na powierzchni; akumulują
*przy kącie padania promieni słonecznych
powyżej 30�; w miarę nasilania się falowania
dużo energii, którą sukcesywnie oddają w
powierzchni wody jej albedo maleje.
okresach chłodniejszych.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Okna atmosferyczne i optyczne
Okna atmosferyczne - zakresy widma promieniowania elektromagnetycznego,
w których to promieniowanie dociera do powierzchni Ziemi w niewielkim
stopniu pochłaniane przez atmosferę. Dla atmosfery ziemskiej przypada on dla
fal o długości 8 - 14 m (w zakresie promieniowania podczerwonego). Okno
atmosferyczne umożliwia emisję promieniowania cieplnego z powierzchni i
atmosfery Ziemi w przestrzeń kosmiczną.
Okno optyczne - obejmuje fale o długości 300-2000 nm (0,3-2 m) - atmosfera
nie stwarza bariery dla światła widzialnego (jest dla niego przezroczysta),
dociera ono bez przeszkód do powierzchni Ziemi (lądów i oceanów).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi   efekt cieplarniany
�� Ziemia wypromieniowuje zaabsorbowaną energię w postaci promieniowania
cieplnego (IR).
�� Gdyby energia wyemitowana z Ziemi została całkowicie utracona w przestrzeni
kosmicznej, wówczas średnia globalna temperatura powierzchni byłaby równa
-19�C. W rzeczywistości średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi +17�C.
��  Efekt cieplarniany - intensyfikacja ocieplenia w wyniku absorbowania części
promieniowania wyemitowanego z Ziemi przez gazy w atmosferze.
�� Wzmocnienie radiacyjne ocieplenia - ilość dodatkowej energii dostarczanej Ziemi
przypadającej na 1 m2 powierzchni w wyniku wzrostu stężenia danego gazu w
atmosferze.
Energia słoneczna w zakresach nadfioletowym i widzialnym widma
elektromagnetycznego jest głównym z
ródłem energii dostępnej na
powierzchni Ziemi. Gdy zostanie ona zaabsorbowana, wówczas ulega
przekształceniu w promieniowanie o większych długościach fali
(podczerwone), które jest emitowane przez Ziemię. Pewna część tej energii
ulega absorpcji w niższych warstwach atmosfery.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi   efekt cieplarniany
 Efekt cieplarniany spowodowany jest przez promieniowanie zwrotne, które
rośnie wraz ze wzrostem zawartości H2O oraz gazów cieplarnianych (CO2,
N2O, O3, CH4).
Efekt cieplarniany jest zjawiskiem naturalnym, korzystnym dla kształtowania
klimatu na Ziemi.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane
��  Gazy cieplarniane - gazy znajdujące się w atmosferze, pochłaniając
częściowo IR zapobiegają jego wydostawaniu się z Ziemi; zatrzymują ciepło w
atmosferze, w wyniku czego następuje podwyższenie temperatury powierzchni
Ziemi.
�� Gazami cieplarnianymi nie są główne składniki atmosfery, takie jak azot, tlen i
gazy szlachetne.
�� Gazy cieplarniane charakteryzują się trwałością i biernością chemiczną; mają
długi czas przebywania (czas życia) w atmosferze.
�� Część z nich to naturalne składniki atmosfery, inne to wytwory działalności
człowieka (np. CFC-11 i CFC-12 to freony o wzorach CCl3F i CCl2F2).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane  para wodna
�� Brak wpływu aktywności antropogenicznej na stężenie pary wodnej w
atmosferze.
�� Udział pary wodnej w procesach sprzężenia zwrotnego:
- dodatnie sprzężenie zwrotne - globalne ocieplenie prowadzi do wzrostu
szybkości parowania z powierzchni oceanów i lądów, w wyniku czego
następuje wzrost stężenia wody w atmosferze, powodujący zwiększenie
ocieplenia (efekt supercieplarniany),
- ujemne sprzężenie zwrotne - większe zachmurzenie troposfery powoduje
wzrost odbicia i absorpcji promieniowania słonecznego. Z tego powodu
strumień promieniowania słonecznego osiągający powierzchnię lądową i
wodną Ziemi ulega zmniejszeniu.
Efekt cieplarniany związany z wodą  110 W/m2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane  CO2
�� y
ródła naturalne CO2:
- procesy oddychania zwierząt, roślin i mikroorganizmów,
- ich rozkład,
- spalanie biomasy podczas pożarów, {CH2O} + O2 "! CO2 + H2O
- wody oceaniczne.
�� y
ródła ujemne CO2 (zlewy):
- fotosynteza, CO2 + H2O "! {CH2O} + O2
- rozpuszczenie CO2 w wodzie morskiej,
- strącenie jonów węglanowych. CO32- (kalcyt - CaCO3)
�� Udział antropogeniczny:
- spalanie paliw kopalnych,
- wycinanie i spalanie lasów.
Co roku stężenie CO2 w atmosferze wzrasta o ok. 1,5  2 ppmv (385 ppm w
2008)
Efekt cieplarniany związany z CO2  50 W/m2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane  CH4
�� y
ródła CH4:
- eksploatacja złóż paliw kopalnych, ich transport i niepełne spalanie,
- uwalnianie z klatratów (CH4�6H2O), uwięzionych w kryształach lodu w
osadach arktycznych i glebach poniżej wiecznej zmarzliny,
- układy trawienne zwierząt przeżuwających (krów, owiec, kóz) oraz
termitów  metan biogenny,
- uprawa ryżu,
- rozkład martwej materii organicznej w warunkach beztlenowych,
- składowiska odpadów.
Szybkość wzrostu stężenia metanu spada od 1998 r.
�� Usuwanie CH4:
- utlenianie inicjowane przez rodniki hydroksylowe w troposferze
CH4 + *OH "! *CH3 + H2O
- zatrzymywanie przez glebę oraz przenikanie do stratosfery.
Efekt cieplarniany związany z CH4  1,7 W/m2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane - ozon
��  Zły ozon  w troposferze (składnik smogu fotochemicznego, niebezpieczny
dla żywych organizmów, niszczący dla materiałów).
y
ródła  złego O3:
- podczas burz,
- pod wpływem promieniowania UV,
- większa produkcja NOx.
��  Dobry ozon  w stratosferze (pochłania UV w zakresach niebezpiecznych
dla żywych organizmów).
Spadek stężenia ozonu w stratosferze umożliwia dostęp większej ilości
promieniowania UV do powierzchni Ziemi.
- Rozkład ozonu w stratosferze (N2O - emitowany podczas denitryfikacji):
N2O + O 2 NO
NO + O3 NO2 + O2
NO2 + O NO + O2
Efekt cieplarniany związany z O3  1,3 W/m2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane  N2O
�� y
ródła N2O:
- denitryfikacja  reakcje mikrobiologiczne, które przekształcają jony
azotanowe (V) w tlenek azotu (I) lub też inne połączenia zawierające azot,
zachodzi w glebach, jeziorach i oceanach,
- procesy przemysłowe (produkcja kwasu adypinowego i kwasu azotowego)
(udział antropogeniczny),
- nawozy azotowe; zwiększenie zapasów azotanów (V), które ulegają
denitryfikacji, prowadząc do produkcji tlenku azotu (I) (udział antropogeniczny),
- spalanie paliw w paleniskach stacjonarnych,
- z gleb o wysokiej temperaturze i wilgotności,
- z wysypisk odpadów i ścieków,
- z oceanów, w których znajduje się w wyniku odprowadzenia ścieków.
�� Usuwanie N2O:
- wolne przenikanie do stratosfery
- degradacja fotolityczna
N2O + O 2 NO
NO + O3 NO2 + O2
Efekt cieplarniany związany z N2O  1,3 W/m2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane  CFC, HCFC
Chloroflourowęglowodory (CFC), wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC)
i inne gazy zawierające halogeny.
Związki te nie występowały w atmosferze, pojawiają się w wyniku działalności
ludzkiej.
�� Działanie  rozkładu ozonu; gazy cieplarniane o długim okresie przebywania
(tysiące - dziesiątki tysięcy lat)
�� y
ródła:
- tetrafluorometan (CF4), heksafluoroetan (C2F6)  podczas elektrolizy Al2O3
w kriolicie (Na3AlF6) na elektrodach węglowych,
- heksafluorek siarki (SF6) - podczas produkcji magnezu.
Usuwanie:
W atmosferze Ziemi nie ma mechanizmów powodujących ich usuwanie z
atmosfery, a wyemitowane do atmosfery pozostają w niej długo i nagromadzają
się.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane - aerozole
�� Aerozole - ciekłe krople lub stałe cząstki pochodzenia naturalnego, albo
wytwarzane przez człowieka, rozproszone w fazie gazowej - mgły (cząstki ciekłe) i
dymy (cząstki stałe).
Cząstki aerozoli są większe niż cząsteczki gazów, mają zdolność rozpraszania
światła i utrudniają przenikanie promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi.
�� y
ródła:
- chmury - aerozol kondensacyjny powstający w wyniku kondensacji pary wodnej
zawartej w atmosferze,
- aerozol morski - krople słonej wody zawieszone w powietrzu,
- aerozol kontynentalny - pyły z erozji wietrznej gleb i skał,
- aerozol pustynny - drobinki piasku unoszonego przez wiatr,
- bioaerozol (pyłki roślin i strzępki grzybów pleśniowych),
- aerozol z aglomeracji miejskich.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Gazy cieplarniane - aerozole
Wpływ aerozoli na środowisko:
�� cząstki stałe aerozolu mogą katalizować reakcje, które bez udziału katalizatora
nie zachodzą; tworzą się nowe związki chemiczne (zanieczyszczenia wtórne),
�� cząstki ciekłe i stałe mogą rozpraszać fale o określonych długościach, czyli
ograniczać ilość światła słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi,
�� absorpcja promieniowana słonecznego przez aerozole może powodować
nadmierne ogrzewanie mas powietrza (potęgować globalne ocieplenie),
�� obecność aerozoli w powietrzu sprzyja powstawaniu większej ilości mniejszych
kropel wody, co utrudnia występowanie opadów; większa ilość długo zalegających
chmur daje niebo zachmurzone. Poduszka chmur odbija i załamuje promieniowanie
słoneczne, utrudniając ogrzewanie Ziemi.
�� Aerozole oparte na siarczanach  ochładzanie atmosfery poprzez rozpraszanie
promieniowania słonecznego,
�� aerozole z biomasy (drobny pył, sadza)  wzmacniają ocieplenie,
�� aerozole pochodzenia przemysłowego  efekt lokalny i krótkotrwały.
Aerozole mają dodatni lub ujemny wpływ na globalne ocieplenie (klimat) - przeważa
efekt ujemny. Aerozole raczej przeciwdziałają globalnemu ociepleniu, niż je
potęgują, a największy wpływ mają zanieczyszczenia pyłowe pochodzenia
antropogenicznego.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
 Efekt cieplarniany  IV Raport IPCC
Według IV Raportu IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), luty 2007:
�� następuje globalna zmiana klimatu,
�� prawdopodobieństwo, że zmiany te wywołane są przez czynniki naturalne,
wynosi ok. 5%, prawdopodobieństw, że zmiany te są spowodowane przez
antropogeniczną emisję gazów cieplarnianych, wynosi ponad 90%,
�� przewiduje się, że w XXI w. temperatura na świecie wzrośnie o 1,8-4oC (z tym,
ze możliwe są zmiany o 1,1-6,4oC),
�� poziom wód oceanu wzrośnie prawdopodobnie o 28-42 cm,
�� istnieje 90% prawdopodobieństwo, ze będą występowały upały i silne opady.
Czynniki antropogeniczne:
�� Stosowanie paliw opartych na węglu  emisja CO2.
Stosunek ilości wytworzonej energii do ilości uwolnionego CO2 maleje następująco:
gaz ziemny > ropa naftowa > biomasa > węgiel.
Biomasa daje możliwość pochłaniania atmosferycznego CO2 podczas wzrostu.
�� Rolnictwo przyczynia się do nadmiernej emisji CH4 i NOx.
�� Przemysł generuje gazy cieplarniane, które w naturalnych warunkach nie istniały
(CFC, HCFC, SF6).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Bilans cieplny Ziemi   globalne ocieplenie
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Możliwości przeciwdziałania globalnemu ociepleniu
�� Spośród czynników antropogenicznych największy wpływ na zmianę klimatu
mają procesy pozyskiwania energii, co dokonuje się przez spalanie paliw.
�� Spośród z
ródeł energii największe znaczenie mają paliwa kopalne, takie jak
węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa i gaz ziemny (surowce
nieodtwarzalne). Spalaniu paliw towarzyszy emisja do atmosfery gazów
spalinowych ubogich w tlen i bogatych w ditlenek węgla.
�� Zagadnieniami dotyczącymi zahamowania przyrostu stężenia CO2 w
atmosferze zajmują się specjaliści z różnych obszarów nauki i polityki
gospodarczej. Pozytywny efekt dadzą tylko działania skoordynowane i
prowadzone w sposób planowy przez całą światową społeczność.
�� Przyjęty w 2010 r. unijny pakiet energetyczno-klimatyczny ma na celu
ograniczenie emisji ditlenku węgla o 20% do 2020 r. Od 2013 r. elektrownie
muszą kupować uprawnienia do emisji CO2 na aukcjach.
�� Węgiel jako paliwo emitujące najwięcej CO2 będzie mniej opłacalny jako
surowiec energetyczny niż np. gaz ziemny. Dla polskiej energetyki skutki
finansowe tego uregulowania będą bardzo dotkliwe, gdyż w Polsce ok. 90%
energii elektrycznej pozyskuje się ze spalania węgla.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Przeciwdziałanie globalnemu ociepleniu
a) oszczędzanie energii,
b) alternatywne wykorzystywanie różnych paliw kopalnych,
c) poprawa efektywności wykorzystania paliw węglowych,
d) wykorzystanie biomasy jako alternatywnego paliwa w paleniskach
stacjonarnych,
e) wyodrębnianie CO2 z gazów odlotowych,  wyprowadzanie go ze
środowiska ,
f) poszukiwanie metod przerobu CO2 na produktu wielkotonażowe,
g) rozwijanie energetyki jądrowej,
h) wykorzystanie niekonwencjonalnych z
ródeł energii,
i) działania w obrębie motoryzacji na rzecz zmniejszenia emisji CO2,
j) eliminacja wysypisk śmieci.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Oszczędzanie energii
�� poprawa efektywności przekształcania energii pierwotnej na energię
użytkową,
�� poprawa efektywności ogrzewania i funkcjonowania (wentylacja,
klimatyzacja) budynków mieszkalnych i biur,
�� poprawa efektywności energetycznej procesów produkcyjnych, maszyn i
urządzeń, w tym sprzętu codziennego użytku AGD i RTV.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Alternatywne wykorzystanie różnych paliw kopalnych
�� Paliwa kopalne mają zróżnicowaną postać fizyczną, budowę i skład
chemiczny.
�� Wynika z tego zróżnicowana emisja CO2 przypadająca na jednostkę
pozyskiwanej energii.
�� Spalanie gazu ziemnego jest bardziej efektywne energetycznie w
porównaniu do spalania paliw węglowych, co pociąga za sobą mniejszą
emisję CO2 - podczas spalania węgla na 1GJ wytworzonego ciepła do
atmosfery uwalnia się 112 kg CO2, podczas gdy w przypadku spalania
metanu wartość ta wynosi 49 kg.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Poprawa efektywności wykorzystania paliw węglowych
�� Wprowadzenie do użytku w sektorze komunalno-bytowym, w małych
kotłowniach i ciepłowniach kotłów węglowych nowej generacji o retortowej
konstrukcji paleniska:
- sprawność energetyczna na poziomie 80-90%,
- lepsze wykorzystanie węgla to mniejsza emisja CO2 do atmosfery,
- zautomatyzowana praca i niewielkie zaangażowanie obsługi obniżają koszt
pozyskiwanego ciepła.
�� Wprowadzenie nowych palenisk wymaga produkcji i dystrybucji tzw. paliw
kwalifikowanych - są to węgle o ściśle określonych parametrach
fizykochemicznych (o małej zawartości siarki i popiołu, o niskiej spiekalności i
wysokiej wartości opałowej), które w sposób właściwy spalają się w
nowoczesnych kotłach, pozwalając osiągnąć maksymalną sprawność, oraz
spełniają obowiązujące standardy w zakresie emisji szkodliwych substancji.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Wykorzystanie biomasy jako alternatywnego paliwa
�� Biomasa jest odnawialna, przy jej spalaniu wydziela się tyle CO2 ile pobrała
roślina ze środowiska w procesie fotosyntezy (bilans CO2 w przypadku spalania
biomasy wynosi zero). Jest dostępna, tania i łatwa w użytkowaniu.
�� Biomasa to suche rośliny lub ich części, a także odpady rolnicze i
przemysłowe pochodzenia roślinnego i zwierzęcego - odpady drzewne (np. z
tartaków, przemysłu meblarskiego, oczyszczania lasów i zieleni miejskiej),
celowo uprawiane rośliny energetyczne (np. wierzba energetyczna), słoma
zbóż, makuchy po tłoczeniu oleju.
�� Dwie tony suchego surowca, np. odpadów drzewnych są równoważne
energetycznie 1 t węgla kamiennego, popiół nadaje się do celów nawozowych.
�� Wadą biomasy jest niska wartość energetyczna w przeliczeniu na jednostkę
objętości, co wpływa na wysoki koszt transportu, magazynowania i
przygotowania surowca oraz brak odporności na warunki atmosferyczne.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Wyodrębnienie CO2 z gazów odlotowych
�� W mieszaninach gazowych z procesów spalania tradycyjnych paliw CO2
występuje w stężeniu 5-15%.
�� Wprowadzenie CO2 pod ziemię (CCS  Carbon Capture and Storage).
Ditlenek węgla, odseparowany z mieszaniny gazowej jest sprężany lub
skraplany i zatłaczany rurociągiem do podziemnych miejsc stałego
magazynowania w strukturach geologicznych - mogą to być przesycone
solanką porowate skały położone między warstwami nieprzepuszczalnymi na
odpowiedniej głębokości albo stare odwierty po wydobyciu np. ropy naftowej lub
gazu ziemnego.
�� Zrzucenie CO2 do mórz i oceanów - Jeśli strumień czystego CO2 zostanie
wprowadzony pod ciśnieniem na głębokość ok. 3,5 km, gęstość gazu staje się
większa od gęstości wody morskiej i może on tam przebywać przez dłuższy
czas w stanie ciekłym lub w postaci hydratów.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Przerabianie CO2 na produkty wielkotonażowe
�� Jednym z naczelnych zadań technologii chemicznej jest znalezienie
efektywnych ekonomicznie metod przerobu odpadowego ditlenku węgla na
użyteczne pochodne.
�� Synteza mocznika wykorzystuje CO2 jako substrat:
CO2 + 2 NH3 CO(NH2)2 + H2O
Mocznik wykorzystywany jest jako nawóz, do syntezy melaminy, do produkcji
aminoplastów, a także w ochronie środowiska jako czynnik przeciwdziałający
przechodzeniu tlenków azotu do atmosfery w procesach spalania paliw.
�� Utylizacja CO2 w procesach biologicznych, mineralizacji nieorganicznej i
sztucznej fotosyntezy. Niektóre glony bardzo skutecznie rozwijają się
pochłaniając ten gaz w procesie fotosyntezy.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Rozwijanie energetyki jądrowej
�� Elektrownie jądrowe dostarczają w skali świata ok. 16% energii bez
zanieczyszczenia środowiska naturalnego i przy zerowej emisji CO2.
�� Technika jądrowa na świecie intensywnie się rozwija, powstają reaktory
nowych generacji.
�� Problemy przy wdrażaniu energetyki jądrowej to:
- wysokie koszty inwestycyjne,
- pozyskiwanie surowca z importu (uran o wzbogaceniu 3-4% w 235U),
- sposób zagospodarowania wypalonego paliwa (obecnie najbardziej
rozpowszechnioną metodą jest magazynowanie w składowiskach
geologicznych, kilkaset metrów pod ziemią, po dokładnej analizie poziomu wód
i struktury skał).
�� W przypadku elektrowni jądrowej potrzeba mniej surowców i powstaje mniej
odpadów w porównaniu do elektrowni węglowej. Z rocznej eksploatacji
elektrowni jądrowej o mocy 1000 MW otrzymuje się ok. 20 t wypalonego paliwa
oraz ok. 150 t odpadów o stosunkowo niewielkiej radioaktywności.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Wykorzystanie niekonwencjonalnych z
ródeł energii
�� Wykorzystanie energii wodnej, wód geotermalnych, siły wiatru, energii
słonecznej zapobiegają globalnemu ociepleniu.
�� W Polsce energetyka wodna ma udział 7,3% mocy zainstalowanej w
krajowym systemie energetycznym.
�� Duże elektrownie wodne o dużej mocy, ingerują w środowisko naturalne
żywych organizmów (ryb i ptactwa), przyczyniają się do zmiany struktury
hydrologicznej dużych obszarów wokół elektrowni, ale przede wszystkim
dewastują naturalne doliny rzek poprzez ich zatapianie. Duże elektrownie
wodne traktowane są jako konwencjonalne z
ródło energii (bo w dużym stopniu
ingerują w środowisko).
�� Małe elektrownie wodne stanowią tzw. małą energetykę wodną MEW.
MEW zaliczana jest do odnawialnych z
ródeł energii (OZE).
�� MEW korzystnie wpływa na środowisko, ponieważ:
- śluzy i zbiorniki zatrzymują wodę,
- reguluje się poziom wód gruntowych i retencja wód,
- uspokaja się nurt rzeki, co powstrzymuje procesy erozji dennej i bocznej.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Wykorzystanie niekonwencjonalnych z
ródeł energii
�� Udział energetyki wiatrowej w krajowym zużycie energii elektrycznej w
Polsce zbliża się do 1.0%.
�� Elektrownie wiatrowe składające się z wielu ustawionych blisko siebie
turbin to tzw. farmy wiatrowe. Najwięcej zainstalowanej mocy jest w płn-
zach. części Polski i w okolicach wybrzeża Bałtyku.
�� Duże elektrownie wiatrowe mają szanse powstać właśnie na rozległych,
niezamieszkanych terenach, gdzie praca wiatraków o dużej mocy nie jest
uciążliwa dla lokalnych społeczności.
�� Za największe zagrożenie ze strony elektrowni wiatrowych uważa się
hałas i tzw. efekt migotania cieni.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Wykorzystanie niekonwencjonalnych z
ródeł energii
�� Energię słońca w warunkach krajowych wykorzystuje się gł. poprzez
kolektory słoneczne umieszczone na dachach budynków. Wytworzone w nich
ciepło przenoszone jest przez czynnik roboczy do zbiornika wody użytkowej, w
którym zostaje zakumulowane. Kolektory słoneczne mają niewielką moc (rzędu
kilku kW).
�� Energia słońca wykorzystywana
jest w elektronice  ogniwa
fotowoltaiczne (o mocy od kilku
miliwatów do kilku watów) zasilają
zegarki, kalkulatory, komputery, radia i
telewizory. Przewiduje się, że energia
słoneczna będzie wykorzystywana w
motoryzacji (autonomiczne lub
hybrydowe (solarno-wiatrowe) stacje
do ładowania samochodów
elektrycznych), a także do zasilania
łodzi i samolotów.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Działania w obrębie motoryzacji
�� Samochody wytwarzają ok. 20% CO2 antropogenicznego.
�� Obniżenie emisji CO2 poprzez: zmniejszenie masy pojazdu, doskonalenie
kształtu, wprowadzenie małych pojazdów do ruchu po mieście, usprawnienie
ruchu ulicznego w miastach i przystosowanie wszelkich innych dróg do płynnej
jazdy.
�� Minimalizacja zużycia paliwa poprzez modernizację i doskonalenie układu
napędowego pojazdów:
- dokonanie zmian konstrukcyjnych w silnikach spalinowych w kierunku
zmniejszenia zużycia paliwa,
- wprowadzanie pojazdów hybrydowych: napęd hybrydowy stanowi
połączenie dwóch rodzajów napędu do poruszania jednego pojazdu,
najczęściej połączenie silnika spalinowego i silnika elektrycznego, które mogą
pracować jednocześnie lub na przemian. Celowe jest wykorzystywanie silnika
elektrycznego do wolnej jazdy po mieście (nie ma spalin), a silnika spalinowego
do szybkiej, płynnej jazdy po drogach szybkiego ruchu (równomierna,
niezakłócona jazda zapewnia małe zużycie paliwa i efektywne działanie
samochodowego katalizatora, czyli dopalacza spalin.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Działania w obrębie motoryzacji
�� Samochody elektryczne - napędzane tylko bateriami (akumulatory ładowane
prądem elektrycznym).
�� Na razie pojazdy te są stosunkowo drogie, jednak bardzo tania jest ich
eksploatacja (pięciokrotnie niższa niż w przypadku zasilania benzyną).
�� Zasięg jazdy samochodów elektrycznych jest niewielki (50-200 km), brak jest
powszechnie dostępnej sieci ładowania pojazdów, a czas ładowania baterii jest
zbyt długi.
�� Choć auta elektryczne podczas jazdy nie przekazują do atmosfery gazów
cieplarnianych, to jednak gazy te mogą powstawać przy produkcji zużywanego
przez nie prądu. Aby samochody elektryczne były jak najbardziej ekologiczne,
planuje się wykorzystywanie do ich zasilania energii elektrycznej pozyskiwanej
z paneli słonecznych.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Działania w obrębie motoryzacji
�� Wykorzystanie wodoru jako paliwa.
�� Spalanie wodoru przebiega z wydzieleniem bardzo dużej ilości ciepła 
ciepło spalania wynosi 120 MJ/kg:
H2 + � O2 H2O(g)
�� Wodór jest produkowany z surowców węglowych i węglowodorowych:
C + H2O CO + H2
CH4 + H2O CO + 3H2
�� Rozpatruje się możliwości jego otrzymywania z biomasy.
�� Aby wykorzystanie wodoru w motoryzacji było powszechne i uzasadnione
ekonomicznie, z
ródłem wodoru dla techniki powinna być woda, rozkładana z
wykorzystaniem taniej energii, np. energii Słońca, a nie z udziałem surowców
kopalnych.
�� Nierozwiązane problemy: sposób magazynowania wodoru na stacjach
paliwowych, sposób tankowania pojazdu (sprężonym czy skroplonym gazem),
nadal poszukiwane są też materiały konstrukcyjne odpowiednie do pracy z
wodorem, stworzenie pojazdu z jednostką napędową przystosowaną do
zasilania wodorem.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Działania w obrębie motoryzacji
�� Ogniwa paliwowe generują energię elektryczną w reakcji utleniania paliwa
dostarczanego do niego z zewnątrz. Ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej
ładowane, pracują tak długo, jak długo dostarczane jest do nich paliwo.
�� Wodorowe ogniwa paliwowe - do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje
się wodór i tlen.
�� Na elektrodach zachodzą następujące reakcje:
na anodzie: 2H2 4H+ + 4e
na katodzie: O2 + 4e 2O2-
Elektrony wydzielone na anodzie docierają do katody poprzez obwód
elektryczny, przez co powstaje prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Końcowym produktem procesu jest woda:
4H+ + 2O2- 2H2O
�� Zastosowanie ogniw paliwowych do napędu samochodów elektrycznych lub
hybrydowych jest działaniem sprzyjającym ograniczeniu globalnego ocieplenia.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Działania w obrębie motoryzacji
�� Wykorzystanie biopaliw (ciekłych paliw silnikowych pozyskiwanych z
biomasy, która przy spalaniu wydziela tyle CO2, ile pobrała roślina ze
środowiska w procesie fotosyntezy) do napędu pojazdów.
�� Stosowanie paliw węglowodorowych w postaci gazu (CNG (Compressed
Natura Gas) lub LPG (Liquefied Petroleum Gas)) - paliwa bardziej efektywne
energetycznie niż tradycyjne ciekłe paliwa węglowodorowe, wykazują obniżoną
emisję CO2 do atmosfery.
�� Strategia rozwoju europejskiego transportu do 2050 r. komisji Europejskiej
(marzec 2011 r.): zintegrowanie transportu i zerwanie z zależnością od
importowanej ropy naftowej, stopniowe wycofywanie z miast samochodów z
silnikami spalinowymi i zastępowanie ich pojazdami elektrycznymi, ograniczenie
udziału przewozów drogowych na rzecz kolei w transporcie na średnie
odległości (300 km i więcej), przewozy na dalszych trasach powinien
zdominować transport lotniczy i morski, z wykorzystaniem w jak największym
stopniu paliw o niskiej emisji CO2, np. biopaliw.
�� Międzynarodowe lotnictwo wytwarza ok. 3% CO2 antropogenicznego, lecz
jest najszybciej rosnącym z
ródłem emisji gazów cieplarnianych. Oszczędności w
zużyciu paliwa poprzez: usprawnienie ruchu powietrznego, wytyczenie bardziej
ekonomicznych tras, ułatwienie i przyspieszenie podejścia do lądowania, nowe
rozwiązania konstrukcyjne.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Eliminacja wysypisk śmieci
�� Wysypiska śmieci są ważnym z
ródłem emisji CH4 do atmosfery.
�� Likwidacja wysypisk równoważna jest likwidacji tego zagrożenia.
�� Rozwiązania w Szwecji: odpady są spalane, a składuje się tylko 3% odpadów.
W ponad 30 wielkich, nowoczesnych spalarni odpadów bardzo precyzyjnie
kontroluje się proces spalania i skład gazów odlotowych. W Polsce składuje się
95% odpadów.
�� Spalanie śmieci to nie tylko likwidacja problemu środowiskowego, ale korzyść w
postaci uzyskania energii, którą można wykorzystać do celów ciepłowniczych - z 2 t
odpadów komunalnych można uzyskać tyle energii, ile ze spalania 1 t węgla.
�� W Szwecji sieć cieplną zasilają odpady drzewne (38%), odpady komunalne
(15%), biomasa (8%), a w Polsce węgiel kamienny 97%.