1 tpu (tona paliwa umownego) = 0,7 t ropy naftowej lub 925 m3 gazu ziemnego
1 J = N· m = W· s (dżul) = 2,778 · 10-7 kWh
1 kWh (kilowatogodzina) = 3,6 MJ = 0,1 litra ropy naftowej
1 MJ (megadżul) = 0,2779 kWh
1 GJ (gigadżul) = 277,8 kWh
1 PJ (petadżul) = 34 121 tpu (ton paliwa umownego)
1 Mtoe = ekwiwalent miliona ton ropy naftowej
Dziedzina przemysłowa zajmująca się wytwarzaniem energii elektrycznej i cieplnej, tak z odnawialnych jak i nieodnawialnych nośników energii, nazywana jest energetyką. Pod pojęciem
energetyka konwencjonalna nalezy rozumieć procesy przetwarzania energii chemicznej zawartej
w paliwach naturalnych na:
energię cieplną (kotłownie, ciepłownie)
energię elektryczną (elektrownie) lub
energię elektryczną i cieplną (elektrociepłownie)
Ten ostatni sposób jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i cieplnej, pozwalający stosować
tzw. gospodarkę skojarzoną, jest najbardziej ekonomiczny. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej jest wysoce sprawnym i w związku z tym mniej szkodliwym dla środowiska sposobem konwersji energii chemicznej paliwa do finalnej postaci energii cieplnej i elektrycznej.
Skażenie środowiska wynikające z procesów spalania
Choć wydobywanie naturalnych zasobów paliw jest poważną ingerencją w środowisko, to
największym jednak dla niego zagrożeniem są produkty ich spalania stanowiące odpady w postaci
pyłów, popiołów i żużli oraz tlenków siarki, azotu i węgla. Do innych szkód powstających
w przyrodzie w wyniku oddziaływania tych odpadów zalicza się:
tzw. „dziurę ozonową” i nasilający się efekt cieplarniany,
tworzenie w aglomeracjach miejskich smogu wywołującego choroby układu oddechowego
(astma); powstaje on w wyniku dużej koncentracji tlenków azotu i węglowodorów oraz zachodzących
w atmosferze reakcji fotochemicznych,
zakwaszanie gleby i wód (kwaśne deszcze), generowane przez tlenki siarki i azotu,
zanieczyszczanie wód podskórnych ciężkimi metalami, wymywanymi z nieprawidłowo
składowanych popiołów i żużli, a także z odpadów powstających w procesach oczyszczania
spalin metodami mokrymi i suchymi,
toksyczne emisje typu WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), związków
chlorowcopodobnych, dioksyn, furfuroli itp., wywołujące choroby nowotworowe i uszkadzające
system immunologiczny.
Obowiązująca obecnie w Polsce norma dopuszczalnej emisji SO2 - na poziomie 200
g/GJ jest aż 6-krotnie ostrzejsza od tej jaka obowiązywała do roku 1997.
Godne uwagi są również wysiłki podejmowane w Polsce w zakresie zwiększania powierzchni
terenów chronionych (rezerwaty, parki i lasy), która wzrosła z 6.073 tys. ha w roku
1990 do 8.146 tys. ha w 1995 roku.
Obecność tlenków azotu w spalinach jest uwarunkowana nie tylko jego obecnością w paliwie,
ale również bezpośrednimi reakcjami syntezy tlenu i azotu atmosferycznego zachodzącymi
w podwyższonej temperaturze płomienia. Przy temperaturach spalania powyżej 2000 °C, udział
tlenków azotu (NOx) w spalinach wynosi od 1 do 5 %.
Najbardziej szkodliwy dla środowiska jest NO2, który jest gazem koloru brunatnego o trującym i Żrącym działaniu. W połączeniu z wodą tworzy kwas azotowy, stanowiący składnik „kwaśnych deszczów”. Obniżeniu emisji Nox służy spalanie niskotemperaturowe, występujące w nowoczesnych kotłach gazowych, a także w fluidalnych kotłach węglowych, w których emisja NOx nie przekracza 200 mg/m3 spalin.
Największy objętościowy udział w spalinach ma CO2, który choć nie jest gazem trującym
powoduje powstawanie efektu cieplarnianego, prowadzącego do zauważalnych zmian klimatycznych.
Wynikiem wzrostu zanieczyszczeń w powietrzu (w szczególności obecność CO2) jest
średni wzrost temperatury na Ziemi (rys.8). Na przestrzeni prawie 150 lat temperatura ta
wzrosła o 1,40C ale jest to na tyle odczuwalne, że niepokoi ekologów. Dalsze ocieplanie klimatu
może być przyczyną wielu zmian w środowisku naszej planety.
Energetyka konwencjonalna
W najstarszych, konwencjonalnych elektrowniach węgiel spalany jest na ruszcie kotła,
wytwarzającego parę wodną. Para napędza turbinę parową, sprzężoną z generatorem prądotwórczym.
Niska sprawność takiego procesu wytwarzania energii elektrycznej (39%) wynika
z niewykorzystywania cieplnej energii odpadowej, której elektrownie pozbywają się w chłodniach kominowych suchych lub mokrych.
Rozwiązanie z turbiną dwustopniową jest niewątpliwie bardziej nowoczesne nie tylko z uwagi na lepszą sprawność, ale również ze względu na zamknięte obiegi wody w układzie chłodzenia i w układzie napędu turbin. Jest to równoznaczne ze znacznie mniejszym ubytkiem wody
Jak już wspomniano, sprawność elektrowni parowych można podwoić, jeżeli tzw. ciepło
odpadowe nie zostanie przekazywane do otoczenia w chłodniach kominowych, a wykorzystane
do celów komunalnych lub przemysłowych (ogrzewania mieszkań, wody, hal fabrycznych
itp.). Mamy wówczas do czynienie z elektrociepłowniami, a środowisko zyskuje na tym podwójnie, bo możliwe jest dzięki temu zmniejszenie zużycie węgla, a przez to również zredukowanie obciążenia przyrody produktami jego spalania.
Elektrownie gazowe
Naturalne paliwa gazowe lub ciekłe umożliwiają pominięcie w produkcji energii elektrycznej
ogniwa o niskiej sprawności jakim jest kocioł parowy. Uzyskuje się dzięki temu wyższą
sprawność przetwarzania energii chemicznej gazu na energię elektryczną. Turbinę parową zastępuje turbina gazowa zasilana z wytwornicy gazu.
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 jest mniejsza
W nowszych rozwiązaniach stosuje się układy parowo-gazowe z kotłem fluidalnym, lub
gazowo-parowe ze zgazowaniem węgla i inne, z którymi związane są nadzieje na dalsze
zwiększenie sprawności i zmniejszenie szkodliwości produkcji energii elektrycznej i cieplnej
dla środowiska naturalnego.
Fluidyzacja polega na zawieszeniu rozdrobnionego (w młynach kulowych) ciała stałego
(węgla) w płynącym ku górze strumieniu gazu (powietrza), czyli na zetknięciu się fazy stałej z
fazą gazową. Stosując odpowiednie wymiary ziaren oraz właściwą prędkość ich ruchu można
uzyskać duże stężenie ciała stałego w układzie ciało stałe - gaz. W tych warunkach stwierdza
się intensywne mieszanie ciała stałego, co w połączeniu z bardzo rozwiniętą powierzchnią tego
ciała, stwarza doskonałe warunki dla przenikania ciepła oraz ruchu masy. Na skutek szybkiej
cyrkulacji ziarna utrzymują się w układzie warunki prawie stałej temperatury, chociaż
wydzielanie i pochłanianie ciepła przebiega bardzo nieregularnie. Dzięki temu proces fluidyzacji
stwarza bardzo korzystne warunki dla przebiegu reakcji chemicznych połączonych z dużymi
efektami cieplnymi. Po wypaleniu węgla pył kierowany jest do cyklonu 2 (rys.12) gdzie
siła odśrodkowa oddziela pył od spalin. Spaliny kierowane są do elektrofiltrów w celu ich
oczyszczenia.
Spalanie w piecach fluidalnych wykazuje szereg zalet w stosunku do procesu jaki przebiega
w zwykłych piecach pyłowych. Są to:
możliwość wykorzystania jako paliwa mułów popłucznych z instalacji wzbogacania węgla,
proste przygotowanie paliwa do spalania oraz proste doprowadzenie paliwa do komory paleniskowej,
znaczna (80%) redukcja emisji SO2 do atmosfery poprzez doprowadzenie do złoża związków
wiążących siarkę,
niska emisja dwutlenku azotu z uwagi na niską temperaturę złoża (8500C) i etapowe spalanie,
niska emisja węglowodorów,
bardzo dobry współczynnik wymiany ciepła w komorze paleniskowej,
wysoka sprawność spalania, ze względu na mieszanie turbulentne i długi czas przebywania
cząstek w złożu cyrkulacyjnym,
możliwość gospodarczego wykorzystania powstających w kotłach odpadów paleniskowych,
temperatura spalania nie przekracza temperatury mięknięcia popiołu zawartego w paliwie,
co wpływa na niewielkie zabrudzenie powierzchni kotłowych.
Spalanie fluidalne jest technologią czystego spalania, w której bezpośrednio w palenisku
uzyskuje się równoczesne zmniejszenie emisji wszystkich podstawowych zanieczyszczeń. Intensywność spalania w warstwie pozwala na zmniejszenie wymiarów komory paleniskowej, oraz na obniżenie temperatury spalania do 800÷900°C. Konsekwencją obniżenia temperatury spalania jest zmniejszenie się ilości wytwarzanych w procesie spalania tlenków azotu oraz ulatniania się cząstek innych pierwiastków. Tlenki azotu są groźne dla środowiska, a niektóre inne pierwiastki powodują korozję turbin gazowych napędzanych spalinami z paleniska fluidalnego. Dzięki idealnemu wymieszaniu ziaren węgla z powietrzem w warstwie fluidalnej oraz faktowi, że temperatura warstwy fluidalnej jest niższa niż temperatura topnienia popiołu zawartego w węglu, możliwe jest spalanie węgla niskokalorycznego, zawierającego bardzo dużo popiołu.
Energetyka jądrowa.
Jeżeli za kryterium przyjmie się naturalne pochodzenie paliwa jądrowego, to energetykę jądrową traktować można, analogicznie do tej, opartej na węglu i gazie, jako energetykę konwencjonalną. Niekonwencjonalny jest jednak proces spalania uranu, w którym nie energia chemiczna lecz jądrowa energia paliwa zamieniana jest na energię cieplną. Biorąc ten drugi aspekt za kryterium, energetykę jądrową zalicza się do energetyki niekonwencjonalnej. Źródłem energii w e. jądrowej jest jeden z trzech typów reakcji jądrowej:
Reakcje rozszczepienia. Nośnikiem energii rozszczepienia jest występujący w przyrodzie
uran 238 i tor 235.
Reakcje syntezy jądrowej. występuje podczas syntezy jąder pierwiastków z początku układu okresowego: trytu (izotop wodoru), helu, boru i litu. Jako podstawowe paliwo w reakcji syntezy jądrowej stosuje się deuter (izotop wodoru) i lit, z których otrzymuje się tryt. Energia uzyskiwana w reakcjach syntezy jądrowej jest czterokrotnie większa od tej uzyskiwanej z reakcji rozszczepienia uranu.
Synteza termojądrowa samoczynnie zachodzi na Słońcu, gdzie z czterech protonów syntetyzuje
się jądro helu. Podczas tej syntezy wydziela się ogromna ilość energii równa 700.000
kWh na każdy mol zsyntetyzowanego helu. Obiecujące są wyniki podejmowanych prób z tzw.
„zimną fuzją termojądrową”, przeprowadzaną w warunkach ziemskich. Prognozuje się, że tego
typu kontrolowane reakcje termojądrowe staną się w przyszłości znaczącym źródłem energii
dla ludzkości.
Groźba globalnego skażenia środowiska w przypadku awarii reaktora jądrowego, jak i kłopot z utylizacją i składowaniem radioaktywnych produktów odpadowych, to główne wady tej technologii produkcji energii elektrycznej.
Reasumując można stwierdzić, że do zalet konwencjonalnej energetyki, bazującej na nieodnawialnych źródłach energii, można zaliczyć: dostępność i różnorodność paliw naturalnych, ich stosunkowo niski koszt oraz opanowaną technologię stosowania. W kontekście stale rosnącego zapotrzebowania energetycznego światu zaczynają jednak w coraz większym
stopniu zagrażać konsekwencje ekologiczne, które tworzą zbiór wad konwencjonalnej energetyki. Najważniejsze z tych zagrożeń to:
skażenie powietrza produktami spalania (spalinami)
wyczerpywanie się zasobów naturalnych,
kłopoty z utylizacją produktów odpadowych, głównie radioaktywnych,
groźba globalnego skażenia środowiska w przypadku awarii siłowni jądrowej,
dewastacja środowiska, wynikająca z procesów wydobywczych.
Energetyka jądrowa jest dziś traktowana jako bardzo proekologiczna, gdyż nie wytwarza
pyłów ani szkodliwych dla środowiska gazów, a drobne ilości substancji radioaktywnych
uwalniane w czasie normalnej pracy reaktora są nieznacząco małe w porównaniu z ilościami
naturalnych pierwiastków promieniotwórczych rozsianych w naszym otoczeniu. Problemem
jest jednak zagospodarowanie odpadów z takich elektrowni problem energetyki jądrowej.
Działania mające na celu zahamowanie dalszej degradacji środowiska wynikającej z wytwarzania i konsumpcji energii sprowadzają się w zasadzie do trzech dziedzin:
a) do propagowania i wdrażania nowych niekonwencjonalnych źródeł energii, głównie odnawialnej,
które powinny być alternatywnymi źródłami energii w stosunku do węgla, ropy, i gazu.
b) wyeliminowania energochłonnych, szkodliwych dla środowiska, technologii oraz wszelkich
strat energii, a zwłaszcza jej marnotrawienia,
c) upowszechnienie nowego stylu życia poprzez rozpropagowanie proekologicznej filozofii