Marcin Pietrzak IM rok II
Temat: „Źródła energii”
Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię. Stąd światowa produkcja surowców energetycznych od czasu pierwszej rewolucji przemysłowej systematycznie wzrasta.
Źródła energii - nazywane inaczej nośnikami energii - dzieli się na:
nieodnawialne, czyli surowce energetyczne, tj.: węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, torf, łupki i piaski bitumiczne, pierwiastki promieniotwórcze (uran, tor i rad);
odnawialne, do których należy siła spadku wody, energia wiatru, energia słoneczna, energia wody morskiej (prądów, fal, pływów, różnic temperatury), energia geotermiczna i energia biomasy.
Wprawdzie przez środki oszczędzania energii z jednej strony i przez polepszenie współczynnika sprawności przy przetwarzaniu energii z drugiej strony, udało się w krajach wysoko rozwiniętych utrzymać na stałym poziomie, a nawet zmniejszyć, zużycie energii to sytuacja ta w innych krajach wygląda inaczej. Według przewidywań do pokrycia tego zapotrzebowania wybieranych będzie wiele dróg:
umocni się korzystanie z kopalnych źródeł energii, przy czym okazało się, że ich zasoby są o wiele większe niż wcześniej podejrzewano
w coraz szerszym zakresie korzystać się będzie z alternatywnych źródeł energii
Klasyczne źródła ropy naftowej wystarcza na 100 lat, ale złoża ropy w piaskach i łupkach wystarczą na kolejne 100 lat. Ziemskie złoża węgla kamiennego mogą być eksploatowane przez 1000 lat. Na świecie coraz częściej wykorzystywać się będzie energię wody. Na wykorzystanie energii słonecznej w skali przemysłowej nie ma co liczyć. Po pierwsze energia ta jest wciąż za droga a po drugie tereny o największym nasłonecznieniu leżą daleko od wielkich ośrodków odbiorczych.
Do tej pory wykorzystywano głównie energię poprzez spalanie węgla, dziś wiemy, iż istnieją inne źródła energii, z których możemy korzystać.
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii w latach dziewięćdziesiątych i w konsekwencji doprowadziły do dużego wzrostu ich zastosowań w kilku krajach. Od roku 1990 ilość energii (ciepła i energii elektrycznej) wytwarzanej z energii promieniowania słonecznego wzrosła ponad dwukrotnie, a z energii wiatru czterokrotnie. Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 roku odnawialne źródła energii weszły w nowy i ważny etap rozwoju.
Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Odnawialne źródła energii są źródłami lokalnymi, toteż mogą zwiększyć poziom bezpieczeństwa energetycznego zmniejszając eksport paliw kopalnych, stworzyć nowe miejsca pracy, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach, promować rozwój regionalny. Moduł o wy charakter większości technologii odnawialnych źródeł energii pozwala na ich stopniowe rozszerzanie w miarę potrzeb, co ułatwia ich finansowanie. Pamiętać należy również o olbrzymich korzyściach dla środowiska naturalnego człowieka płynących ze stosowania tych technologii.
Energia słoneczna
Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą. Jego promieniowanie wpływa na całą naszą przyrodę. Bez Słońca nie byłoby planet ani nie powstałoby życie na Ziemi. Pod względem rozmiarów i promieniowania Słońce należy do przeciętnych gwiazd typu widmowego G2V. Masa Słońca jest równa l,989 x 1030 kg, średnica 1 391 960 km. W porównaniu z Ziemią jest ono 335 000 razy bardziej masywne i ma 109 razy większą średnicę. Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Słońca wynosi 274,96 m/s2, prędkość ucieczki - 618,67 km/s. W porównaniu z Ziemią wartości te są odpowiednio 28,1 i 55,4 razy większe.
Słońce jest właściwie olbrzymią obracającą się kulą gazową, przy czym przeciętna gęstość jego materii wynosi 1,410 g/cm3, a zatem tylko niewiele więcej niż gęstość wody (1 g/cm3). Temperatura we wnętrzu Słońca sięga 19x106 K, a gęstość aż 130 g/cm3. Tak duża gęstość w centrum Słońca powstaje na skutek olbrzymiego ciśnienia górnych warstw słonecznych, wynoszącego 4x1010 MPa (około 400 miliardów atmosfer). Gęstość w miarę oddalania się od środka spada i przy powierzchni wynosi już tylko 0,001 g/cm3.
Według naszej współczesnej wiedzy o wewnętrznej budowie gwiazd, Słońce przedstawia się jako gigantyczny nuklearny kocioł, w którym wodór przemienia się w hel. Przy tej przemianie pierwiastków uwalniają się olbrzymie ilości energii. Z 1 g wodoru powstaje nie tylko hel, ale ponad 1012 J energii. W ciągu każdej sekundy 4 miliony ton wodoru przemieniają się w Słońcu w hel. Przez wypromieniowanie uwolnionej energii Słońce traci 0,1% swojej masy w ciągu 16 miliardów lat. Źródło energii promienistej Słońca, przemiana wodoru w hel, produkuje tę energię już pięć miliardów lat i będzie ją produkować jeszcze przynajmniej drugie tyle, dopóki nie wyczerpią się wszystkie zapasy wodoru w tych rejonach Słońca, gdzie panuje wystarczająco wysoka temperatura do podtrzymania reakcji termojądrowych. Każdy metr kwadratowy powierzchni słonecznej wypromieniowuje w ciągu sekundy w przestrzeń 62,86x106 J energii, cała zaś powierzchnia Słońca aż 3,826x1026 J. Z tej energii dociera do Ziemi w każdej sekundzie 2x1017 J, co odpowiada 200x1012 kW. Blisko połowa dochodzącej energii ulega odbiciu, rozproszeniu i pochłonięciu w atmosferze ziemskiej.
Prace nad wykorzystaniem bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną metodą fotowoltaiczną prowadzone są w Polsce od 1973 roku. Polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu wykorzystania tego zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo, aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle aby uzyskać niezbędną moc.
Wiatry o największej prędkości występują w Polsce w pasie wybrzeża morskiego, na Podhalu, na północnym Mazowszu i w północnej części Suwalszczyzny. Oznacza to, że na jednej trzeciej obszaru Polski występują korzystne warunki wiatrowe i uzasadnione jest eksploatowanie elektrowni wiatrowych. Na pozostałym obszarze Polski na znacznych wzniesieniach instalowanie elektrowni wiatrowych również może być uzasadnione. Pompownie i silniki uniwersalne wolno i średniobieżne można instalować praktycznie na całym obszarze Polski w miejscach odsłoniętych zapewniających swobodny przepływ wiatru.
Najważniejszym czynnikiem jest duża prędkość wiatru, gdyż zwiększenie średnicy łopatek jest ograniczone względami konstrukcyjnymi do 100m. Nie mniej ważna niż prędkość wiatru jest jego stałość występowania w danym miejscu, gdyż od niej zależy ilość wyprodukowanej przez silnik wiatrowy energii elektrycznej w ciągu roku - a to decyduje o opłacalności całej inwestycji. Z tego względu elektrownie wiatrowe są budowane w miejscach ciągłego występowania wiatrów o odpowiednio dużej prędkości, zwykle większej niż 6m/s. Są to zazwyczaj rejony nadmorskie i podgórskie. Roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowej wynosi 1000-2000h/a i rzadko kiedy przekracza 2500h/a.
Energia wodna
Pobieranie tej energii jest bardzo korzystne zarówno ze względu na ekologiczny, jak i ekonomiczny charakter, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii i reguluje stosunki wodne zwiększając retencję wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę.
Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu. Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę.
Energia elektryczna produkowana w elektrowniach wodnych zazwyczaj wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu energii.
Elektrownie wodne można podzielić na:
elektrownie z naturalnym dopływem wody;
o elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn. , że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;
o elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie;
elektrownie szczytowo - pompowe: Znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi - tzn. górny i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.
Inny podział elektrowni, tym razem ze względu na wielkość to:
elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej
elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW - 10 MW
mikroelektrownie wodne poniżej 200 kW mocy
Energia geotermalna możliwa w najbliższej perspektywie do pozyskania dla celów praktycznych ( głównie w ciepłownictwie ) zgromadzona jest w gorących suchych skałach, parach wodnych i wodach wypełniających porowate skały. Technologia pozyskiwania energii geotermalnej z gorących skał została obecnie udoskonalona przez najbardziej rozwinięte kraje świata ( USA, Wielka Brytania, Francja, Niemcy, Japonia ). Przewiduje się, że będzie ona dostępna i opłacalna pod koniec pierwszego ćwierćwiecza XXI wieku.
Energetyka jądrowa była do niedawna najszybciej rozwijającą się dziedziną produkcji energii. Wynikało to głównie z ogromnej wydajności pierwiastków promieniotwórczych, a więc niskich kosztów wytwarzania energii. Przykładem niech będzie tu następujące porównanie: z 1 grama uranu 235 uzyskuje się tyle samo energii elektrycznej, ile w tradycyjnej elektrowni cieplnej z 2,5 tony paliwa umownego.
Dynamiczny rozwój energetyki jądrowej potwierdzają liczby. W 1960 r. w elektrowniach tych wyprodukowano 0,01% wytwarzanej na świecie energii, w 1985 r. już ponad 14%. W ostatnich latach rozwój energetyki jądrowej uległ zahamowaniu, a jej udział w produkcji energii elektrycznej utrzymuje się na poziomie około 17%. Buduje się coraz mniej elektrowni atomowych, a w wielu krajach rozważa się nawet ich zamykanie.
Powodów obserwowanej tendencji jest kilka:
bardzo wysoki koszt budowy elektrowni;
zapewnienie intensywnego chłodzenia reaktorów (kilkakrotnie większego niż w elektrowniach cieplnych);
faktyczny brak technologii zapewniających bezawaryjność reaktorów;
problem zabezpieczenia okolicy przed promieniowaniem na wypadek awarii elektrowni;
problem składowania radioaktywnych odpadów.
Ropa naftowa , mieszanina węglowodorów, kwasów karboksylowych, fenoli, tioalkoholi, pochodnych tiofenu, azotowych związków heterocyklicznych, żywic, związków metaloorganicznych. Skład ropy naftowej jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Głównymi zanieczyszczeniami są nieorganiczne sole i woda. Ropa naftowa jest przerabiana metodami: destylacji frakcyjnej (destylacja), rafinacji, ekstrakcji selektywnymi rozpuszczalnikami, krystalizacji i in. Z ropy naftowej otrzymuje się: eter naftowy, ligroinę, benzynę, naftę, oleje mineralne, mazut oraz surowce dla przemysłu chemicznego, np. benzen, toluen, ksyleny (hydrokraking, kraking, reforming katalityczny).
Ropa naftowa jest obecnie najważniejszym surowcem energetycznym, często określanym mianem surowca strategicznego. W bilansie energetycznym świata wysunęła się na pierwsze miejsce w latach 60 - tych i pozostaje na nim do dziś, mimo rosnącej roli innych nośników energii. Jej znaczenie jako surowca energetycznego wynika z:dużej kaloryczności (10 000 - 11 500 kcal/kg);
niskich kosztów wydobycia i transportu (tankowce, rurociągi);
rosnącego znaczenia jako paliwa dla rozwijającej się motoryzacji;
stosunkowo taniej destylacji.
Szacuje się, że największe zasoby ropy naftowej występują w basenie Zatoki Perskiej ok. 67% wszystkich rezerw, głównie w prowincji Al-Hasa w Arabii Saudyjskiej, w prowincji Chuzestan w Iranie, w okolicach Mína'al-Ahmadí w Kuwejcie, w rejonie Kirkuk w Iraku oraz w rejonie Abu Zabí w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.
Inne ważniejsze obszary roponośne to:
Rosja i kraje WNP - środkowa część Niziny Zachodniosyberyjskiej. Zagłębie Wołżańsko-Uralskie, północny Kaukaz, rejon Morza Kaspijskiego, Kotlina Fergańska, Sachalin;
rejon Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego - obszary Stanów Zjednoczonych leżące nad Zatoką Meksykańską, prowincja Chiapas w Meksyku, Półwysep Jukatan, basen Jeziora Maracaibo w Wenezueli, delta rzeki Orinoko;
północna Afryka - Libia, Algieria, Tunezja, Egipt;
basen Zatoki Gwinejskiej - niziny nadmorskie i szelf zatoki w Nigerii, Gabonie, Kongo Demokratycznym, Kamerunie, Angoli;
Alaska - rejon Przyl. Barrow;
Morze Północne;
wschodnia i południowo-wschodnia Azja - Mandżuria, szelf Morza Żółtego i Wschodnio chińskiego, Borneo, Sumatra, Jawa.
Gaz ziemny jest paliwem znacznie droższym od węgla, ale równocześnie o wiele czystszym ekologicznie. Budowa elektrowni gazowych trwa krócej i wymaga mniejszych nakładów niż elektrowni węglowych. Sprawność elektrowni gazowo-parowych jest prawie o 20% wyższa i wobec tego mniejsze jest zużycie wody niezbędnej do chłodzenia. W porównaniu z elektrownią węglową emisja szkodliwych substancji przez elektrownię gazową, przy wytwarzaniu tej samej ilości energii elektrycznej, jest mniejsza. Oparcie rozwoju polskiej elektroenergetyki na gazie ziemnym wymagałoby kilkakrotnego zwiększenia jego importu.
Największe złoża tego surowca występują w:
Rosji - północna część Niziny Zachodniosyberyjskiej (Tiumeń, Urengoj, Płw. Jamał), południowy Ural (Orenburg), północny Kaukaz (Stawropol), dorzecze Leny, rejon Morza Kaspijskiego i Morza Barentsa;
rejonie Zatoki Perskiej i północnej Afryce;
rejonie Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego;
Węgiel kamienny jest surowcem, który zapoczątkował produkcję energii na wielką skalę, a wraz z nią rewolucję przemysłową. Jego kaloryczność waha się od 5 000 kcal/kg do 7 500 kcal/kg, w zależności od zawartości pierwiastka C (antracyt 93-98% C, węgiel kamienny 80-90% C).
Zasoby węgla kamiennego szacuje się na kilka bilionów ton, z których większość znajduje się na półkuli północnej. Największe, obecnie eksploatowane, złoża położone są w:
Chinach - Zagłębia: Datong, Hegang, Fushun, Fuxin, Huainan i kilkadziesiąt innych;
Stanach Zjednoczonych - Zagłębie Appalaskie (Północne, Centralne i Południowe), Wewnętrzno-Wschodnie, Przedgórze Gór Skalistych;
Rosji i krajach WNP - Zagłębie Donieckie, Kuźnieckie, Peczorskie, Karagandzkie, Irkuckie;
Indiach - Zagłębie Damodar;
Australii - Zagłębia Newcastle i Brisbane;
RPA - Okręg Witwatersrand.
Do tradycyjnych okręgów węglowych należy Zagłębie Górnośląskie w Polsce, Ruhry i Saary w Niemczech oraz Angielsko-Szkockie, Południowowalijskie i Yorkshire. W zagłębiach tych wydobycie węgla znacznie ograniczono.
W drugiej połowie XX w. węgiel kamienny przestał być głównym źródłem energii w krajach wysoko rozwiniętych. Zastąpiły go tańsze nośniki energii - ropa naftowa, gaz ziemny oraz tzw. źródła alternatywne. Z czasem doszedł także inny powód, a mianowicie względy ekologiczne. Węgiel bowiem, w trakcie spalania, powoduje największe ze wszystkich nośników energii zanieczyszczenie środowiska, emitując do atmosfery szkodliwe związki siarki.
Węgiel brunatny ze względu na niewielką kaloryczność (1500-3000 kcal/kg), odgrywa niewielka rolę w światowej gospodarce energetycznej. Najczęściej eksploatowany jest metoda odkrywkową i spalany w pobliskich elektrowniach (ponad 90% pozyskiwanego surowca), ponieważ nie opłaca się go transportować z uwagi na małą kaloryczność i dużą zawartość wody. Dla celów opałowych w gospodarstwach domowych bywa brykietowany.
Produkcja węgla brunatnego koncentruje się głównie w Europie (Niemcy, Czechy, Polska), Rosji oraz w Stanach Zjednoczonych. Największymi rejonami wydobycia węgla brunatnego są zagłębia:
- w Niemczech - Nadreńskie (Kolonia - Akwizgran - Monchengladbach, Dolnołużyckie (Cottbus), Środkowoniemieckie (Halle - Lipsk);
- w Rosji - Podmoskiewskie (Tuła), Uralskie (Czelabińsk), Kańsko-Aczyńskie (Wschodnia Syberia), rejon Jakucka nad Leną;
- w Czechach, Stanach Zjednoczonych, Bułgarii, Grecji, Słowenii, Bośni i Hercegowinie;
- w Polsce - Bełchatowskie, Turoszowskie i Konińskie.