Wykład 16.11.2012r
Zanieczyszczenia powierza związkami organicznymi (LZO) w postaci par i gazów staje się coraz poważniejszym problemem w inżynierii ochrony środowiska.
Szkodliwość LZO (lotne związki organiczne) wynika z tego, że często są one:
-prekursorami ozonu troposferycznego
-substancjami toksycznymi (np. węglowodory aromatyczne jedno- i wielopierścieniowe, chloroorganiczne..)
-uciążliwe zapachowo (odory)
Źródła LZO:
-powstają głównie podczas malowania i lakierowania (wykończania elementów czy produktów) preparatami na bazie rozpuszczalników organicznych
-są emitowane w gazach odlotowych różnych technologii przemysłowych, np.:
*produkcji tworzyw sztucznych
*środków farmaceutycznych
*chemii organicznej
*chemii gospodarczej
*przemyśle gumowym
*przemyśle spożywczym
Innymi źródłami LZO są:
-przeróbka i dystrybucja paliw
-transport (spaliny silnikowe)
-składowanie, przeróbka i utylizacja odpadów i ścieków
-produkcja i stosowanie asfaltów
-spalanie paliw w paleniskach domowych
-chów zwierząt (odory!!)
Główne grupy LZO:
-węglowodory alifatyczne (alkany, alkeny, alkiny, np. etan, etylen, acetylen, izobutan)
-węglowodory pierścieniowe (cykloalkany) w/w są prekursorami ozonu, z reguły małotoksyczne
-węglowodory aromatyczne (np. benzen, toluen, etylobenzen, ksyleny=BTEX; rakotwórcze. UWAGA:WWA nie są lotne! W powietrzu występują jako aerozole)
-chlorowcowane węglowodory (np. chlorometan, trichloroetan)-toksyczne!
-nitrowane węglowodory (np. nitrobenzen)-rakotwórcze
-alkohole i fenole (metanol, etanol, propanole, butanole, fenol, krezole)
-karbonylowe pochodne (np.formaldehyd-rakotwórczy!; acetaldehyd, akroleina, aceton)
-kwasy karboksylowe i estry (np. kwas mrówkowy, octowy, masłowy, octan etylu, maślan metylu)
W/w są dość drażniące lub silnie zapachowe, są także prekursorami ozonu troposferycznego
-heterocykliczne związki organiczne zawierające m.in. azot, tlen, siarkę (np. indol, skatol, pirydyna)- ODORY
-alifatyczne związki siarki (np. merkaptany)- silne ODORY
-aminy alifatyczne (np. trietyloamina)- silne ODORY
-aminy aromatyczne (np. anilina- toksyczna)
Usuwanie LZO
LZO charakteryzują się złożonością składu chemicznego- nie ma jednej uniwersalnej metody oczyszczania
Usuwanie związków organicznych z gazów odlotowych można dokonać wykorzystując następujące procesy:
-utlenianie (głównie do CO2, H2O)
-adsorpcję
-absorpcję
-kondensacją (skraplanie par)
Utlenianie- najlepszy proces (wykorzystująca samą adsorpcję bądź absorpcję ze strumienia gazów odlotowych izolowane są tylko związki organiczne, z którymi potem coś trzeba będzie zrobić).
Utlenienie związków organicznych można przeprowadzić kilkoma sposobami:
1.spalanie w płomieniu (temp.̴1500 K)
2.spalanie termiczne (900-1400 K)
3.utlenianie katalityczne (500-900 K)
4.metody biologiczne (280-330 K, opt. 310 K)
Produkty utlenienia:
-CO2,
Oraz w zależności od układu i przebiegu procesu:
-HCL, SO2, NOX, inne LZO, sadza i in.
1.bezpośrednie spalanie w płomieniu
W praktyce stężenia zanieczyszczeń w gazach odlotowych są niewielkie, dlatego metody spalania bezpośredniego są rzadko stosowane. W takich mieszaninach powietrza z zanieczyszczeniami zawartość tlenu wielokrotnie przewyższa jego zapotrzebowanie wynikające ze stechiometrii reakcji.
Zastosowanie- spalanie odpadowych gazów palnych:
-w rafineriach
-na polach naftowych
2.spalanie termiczne
Stosuje się gdy:
-stężenie LZO jest zbyt małe, aby podtrzymywać płomień lub/i
-nie można wykorzystać metod katalitycznych (mieszanina gazów zawiera składniki, które mogą powodować szybką dezaktywację katalizatora)
*w pierwszym przypadku, aby uzyskać pożądaną temperaturę rzędu 900-1400 K, należy użyć dodatkowego paliwa, w drugim natomiast- niekoniecznie
Zastosowanie:-niektóre procesy
-lakierowania i emaliowania
-suszenie powłok malarskich
-żelowania PCV
-wędzenia
-przeróbki asfaltów (oksydacja)
3.utlenianie (spalanie) katalityczne
Szybkość reakcji chemicznej (w tym utleniania) można zwiększyć, prowadząc reakcję w obecności katalizatorów.
KATALIZA polega na obniżeniu energii aktywacji reakcji, przez co rośnie znacznie wartość stałej szybkości reakcji.
4.metody biologiczne
W przyrodzie istnieje wielka różnorodność mikroorganizmów mających zdolność przyswajania materii organicznych. Efektem tego jest m.in. oczyszczanie i odnawianie środowiska.
Niektóre szczepy bakterii potrafią przystosować się do rozkładu substancji organicznych nie spotykanych w naturalnym środowisku.
Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych opiera się na dwóch głównych procesach, którymi są:
-absorpcja zanieczyszczeń w wodzie
-biologiczny rozkład pochłoniętych zanieczyszczeń.
Efekt wspólnego oddziaływania w/w procesów jest taki, że:
-wskutek absorpcji gazy zostają oczyszczone
-wskutek biologicznego rozkładu zanieczyszczeń zachodzi regeneracja sorbentu.
Warunki i ograniczenia prowadzenia procesu biologicznego oczyszczania gazów:
-usuwanie z gazów odlotowych zanieczyszczenia muszą być podatne na rozkład biologiczny
-zanieczyszczenia muszą być rozpuszczalne, choćby tylko słabo, w wodzie stanowiącej środowisko życia mikroorganizmów.
-temperatura oczyszczanych gazów musi się mieścić w zakresie aktywności biologicznej mikroorganizmów (0-55 oC, optimum 37-40oC)
-oczyszczane gazy nie mogą zawierać substancji trujących dla mikroorganizmów, np. związków metali ciężkich czy oparów kwasów.
W praktyce gazy są oczyszczane biologicznie przede wszystkim w takich instalacjach jak:
-biofiltry (filtry biologiczne)
-biopłuczki (płuczki biologiczne)
Biopłuczki
Specyfiką płuczek biologicznych jest to, że medium roboczym jest wodna zawiesina mikroorganizmów.
LZO rozpuszczają się w wodzie, a następnie rozkładane są przez bakterie tlenowe, podobnie jak to ma miejsce w biologicznych oczyszczalniach ścieków
Biofiltry
-głównym elementem filtra biologicznego jest warstwa materiału filtracyjnego (porowatego wypełnienia), który zasiedlony jest przez heterotroficzne mikroorganizmy tlenowe
-materiałem filtracyjnym mogą być np. torf, kompost, żyzna warstwa gleby i inne materiały organiczne
Dobry materiał filtracyjny powinien mieć:
-dużą porowatość
-duża powierzchnię właściwą
-małe opory przepływu gazu
-dużą zdolność zatrzymania wody
-słaby zapach własny
-niskie koszty pozyskania
-dostępność
-duża gęstość zasiedlenia mikroorganizmów
Zastosowanie:
-DEZODORYZACJA gazów odlotowych (kompostowanie, oczyszczalnie ścieków, zakłady przetwórstwa odpadów zwierzęcych i rybnych, chlewnie oraz fermy drobiu)
-usuwanie LZO podatnych na biorozkład w lakierowniach, odlewniach lub drukarniach
Dezodoryzacja
-inaczej-proces odwaniania (nie mylić z odwadnianiem!)
-polega na usuwaniu z gazów odlotowych substancji o charakterze zapachowym (odorów) lub przekształcenie ich w bezwonne formy
-można ewentualnie zamaskować ich nieprzyjemny zapach, innym przyjemnym
Spośród metod biologicznego oczyszczania gazów odlotowych z LZO najczęściej stosowane są biofiltry ze względu na to, że są prostsze konstrukcyjne i tańsze w eksploatacji niż biopłuczki
Biofiltry
Ze względu na stan skupienia zanieczyszczeń gazów odlotowych, urządzenia do oczyszczania dzielimy na:
1.urządzenia do oddzielania z gazu rozdrobnionych zanieczyszczeń stałych (pyłu) zwane odpylaczami
2.urządzenia do oddzielania kropelek cieczy (mgieł)
3. urządzenia do redukcji zanieczyszczeń gazowych
Usuwanie pyłów i mgieł:
(Odpylacze mogą być suche i mokre)
Odpylacze dzielimy według wykorzystania w nich zjawisk:
-siły ciążenia
- siły odśrodkowej
-zjawisk elektrostatycznych
-zjawisk filtracji
Urządzenia odpylające
*Komory osadcze- wykorzystane jest tutaj zjawisko opadania ziaren w polu ciężkości
Zalety komór osadczych:
-niskie koszty wykonania
-małe opory przepływu
-małe zapotrzebowanie mocy
-możliwość zastosowania do odpylania gazów gorących bez ich uprzedniego ochładzania.
*Odpylacze odśrodkowe- cyklony
Zalety:
-prosta budowa
-niewielkie gabaryty
-niskie koszty inwestycyjne
Wady:
-znaczne opory przepływu
-stosunkowo szybkie zużywanie się wyniku erozji
-niska skuteczność w zakresie ziaren poniżej 10-20 mikrometrów
*Odpylacze elektrostatyczne (elektrofiltry)
Ilość pyłu odbierana w czasie godziny 40-140 ton (7 wagonów towarowych)
Zalety:
-wysoka skuteczność, nawet dla pyłów o rozdrobnieniu koloidalnych (99%)
-możliwość odpylania gazów gorących
-niewielkie opory przepływu oraz niskie zapotrzebowanie energii
Wady:
-wysokie koszty inwestycyjne
-duże gabaryty
-niebezpieczeństwo wybuchu pyłów palnych
*odpylacze filtracyjne- zakładają przepuszczanie strumienia zapylonego gazu przez filtry tkaninowe, papierowe, ceramiczne lub bibuły, gdzie ziarna pyłu są wychwytywane. Ich skuteczność jest duża (99,9%)
Wady: duże powierzchnie filtracji, bardzo wysoki koszt, duże opory przepływu, proces cykliczny
*odpylacze mokre (skrubery lub płuczki)- są bardzo skuteczne-sprawność 90%
Podział urządzeń odpylających ze względu na środowisko pracy: odpylacze suche, odpylacze mokre.
Podział urządzeń odpylających ze względu na zachodzące zjawiska:
-grawitacyjne (komory osadcze),
-bezwładnościowe,
-odśrodkowe (cyklony),
-elektrostatyczne (elektrofiltry),
-filtracyjne (tkaninowe)
Elektrofiltry są jednymi z najstarszych urządzeń odpylających, których zasady działania opracował w 1910 roku Cottrell, polegają one na:
-ładowaniu elektrostatycznym cząstek z pola elektrycznego,
-wydzielania naładowanych cząstek z pola elektrycznego,
-usuwaniu cząstek pyłu z powierzchni wydzielania,
Urządzenia te wykorzystują działanie sił pola elektrycznego
-proces odpylania odbywa się w przestrzeni pomiędzy dwiema elektrodami, przez którą przepływa strumień odpylonego gazu
Zasada działania elektrofiltru:
-zapylony gaz przepływa z małą prędkością między elektrodami zbiorczymi
-po przyłączeniu do elektrod napięcia wydzielają one duże ilości elektronów
-elektrody przyciągane są przez dodatnie elektrody zbiorcze i poruszają się w ich kierunku
-w czasie swojego ruchu elektrony uderzają w neutralne cząstki gazu, wytrącając z nich dalsze elektrony, które z kolei powodują wytrącanie elektronów z innych cząstek gazu
-dochodzi do uwolnienia dużych ilości wolnych elektronów
-cząsteczki gazu zostają naładowane dodatnio
-powstałe elektrony osadzają się na neutralnych cząstkach gazu, ładując je ujemnie
-wytworzone w ten sposób ujemne jony gazowe osadzają się z kolei na zawartych w gazie ziarnach pyłu i przekazują im swój ładunek
-naładowane ujemnie ziarna pyłu poruszają się na skutek działania sił pola elektrostatycznego w kierunku dodatniej elektrody zbiorczej i osadzają się na niej
-ziarna pyłu osadzone na elektrodzie zbiorczej na skutek mechanicznego wstrząsania elektrodą opadają do zbiornika pyłu
Warunki pracy elektrofiltru:
-utrzymanie wszystkich urządzeń mechanicznych w dobrym stanie technicznym,
-utrzymanie odpowiedniego czasu miedzy cyklami,
-regularne odprowadzenie pyłu z lejów zsypowych,
-utrzymanie szczelności komory odpylania,
-utrzymanie termoizolacji w dobrym stanie,
-nie przekraczanie dopuszczalnych parametrów pracy,
-wykonywanie zgodnie z zaleceniami DTR obsług technicznych
Czynniki warunkujące skuteczność elektrofiltru:
-obciążenia gazowe,
-wielkość cząsteczek i koncentracja pyłu,
-oporność właściwa pyłu,
-wymiary pola elektrycznego i rodzaj elektrod,
-wielkości elektryczne,
-równomierność rozkładu prędkości gazu w komorze elektrofiltru,
Obecnie zainteresowanie użytkowników elektrofiltrów skupia się na następujących zagadnieniach:
-ekonomicznych aspektach różnych opcji podwyższania skuteczności odpylania,
-wpływie instalacji odsiarczania i odazotowania (w tym części palnych) na pracę elektrofiltrów,
-usuwaniu cząstek poniżej 10um oraz poniżej 2,5um w elektrofiltrze,
-usuwaniu związków toksycznych (np. rtęci),
-możliwości stosowania mokrych elektrofiltrów,
-stosowania nowych systemów zasilania energią elektryczną
(Biotechnologia , a środowisko
Zintegrowane zastosowanie wiedzy z zakresu biochemii, mikrobiologii i nauk inżynierskich w celu racjonalnego wykorzystania możliwości drobnoustrojów, hodowanych komórek zwierzęcych i roślinnych lub ich części dla celów przemysłowych, w rolnictwie, ochronie zdrowia i ochronie środowiska.
Rodzaje:
Biotechnologia zielona- zastosowanie metod w rolnictwie
Biotechnologia czerwona- zastosowanie metod w ochronie zdrowia
Biotechnologia biała- wykorzystanie systemów biologicznych w produkcji przemysłowej i ochronie środowisk.)tego nie było.
Biotechnologia: ekologia, mikrobiologia, biologia komórki, genetyka, biochemia, biologia molekularna, chemia, inżynieria, informatyka, matematyka, fizyka, ekonomia, ochrona zdrowia, ochrona środowiska, rolnictwo, przemysł spożywczy, przemysł chemiczny, surowce, nośniki energii, analityka, inne.
Metody biotechnologiczne:
ochrona środowiska
A. oczyszczanie ścieków
-unieszkodliwianie odpadów
-oczyszczanie gazów odlotowych
-biomonitoring środowiska
B. procesy biohydrometalurgiczne
-Produkcja biopolimerów
-Wytwarzanie biopaliw
-„Czyste” technologie
odnowa środowiska
A.bioremediacja
BIOMONITORING
Bioindykatory- organizmy używane jako wskaźniki stanu środowiska
Biomarkery- składniki materii ożywionej (najczęściej biomakromolekuły) używane jako elementy składów analizujących stan środowiska. Przykłady: 1.drobnoustroje zawierające gen kodujący GFP pod kontrolą genu, którego ekspresja jest zależna od stanu środowiska. 2. Bakterie luminescencyjne jako elementy testów toksyczności i mutagenności
Biosensory- wyizolowane biomarkery wbudowane w układy pomiarowe
Biologiczne oczyszczanie ścieków- zastosowanie drobnoustrojów do eliminacji ze ścieków związków organicznych, związków azotu (sole amonowe , azotany, azotyny) nieorganicznych związków fosforu. Oczyszczalnie działające technologią sadu czynnego.
(Oczyszczanie gazów odlotowych
Bioskrubery, biofiltry i reaktory membranowe z immobilizawaną biocenozą bakteryjno- grzybową. )- nie było tego
Bioremediacja- polega na zastosowaniu drobnoustrojów aktywnie rozkładających zanieczyszczenia (główne ropa naftowa i substancje ropopochodne) do przywracania właściwego stanu gleby i wód gruntowych.
Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów
związki proste wytwarzane przez drobnoustroje
- etanol
- glicerol
- aceton
- butanol
-1,3-propandiol
- kwas mlekowy
- kwas cytrynowy
- kwas octowy
- kwas fumarowy
-akrylamid
-biosurfaktanty
biopolimery
*polisacharydy
- kurdlan
- dekstran
- gellan
- pullan
- ksantan
- Skleroglukan
*Biodegradowalne tworzywa plastyczne - polihydroksykwasy
Procesy biohydrometarulgiczne:
pozyskiwanie metali z rud
odsiarczanie paliw
ługowanie metali z popiołów i odpadów przemysłowych
ługownie z osadów ściekowych.
Fermentacyjne technologie utylizacji odpadów komunalnych i przemysłowych
Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów i enzymów w procesach przemysłowych:
-odsiarczanie ropy naftowej i węgla. Usuwanie związków azotu i ropy
-zastosowanie enzymów do produkcji proszków do prania
-zastosowanie drobnoustrojów i enzymów do biotransformacji związków organicznych
-zastosowanie drobnoustrojów i białek ekstremofilnych w przemyśle spożywczym
-wykorzystanie enzymów proteolitycznych i hydrolaz polisacharydów w przemyśle tekstylnym, papierniczym i skórzanym
Zastosowanie GMO w ochronie środowiska
-wprowadzenie do organizmu genu nadającego nową cechę; Przykład: oporność roślin użytkowanych na herbicydy; zdolność drobnoustrojów do wykorzystania polisacharydów jako źródła węgla; konstrukcja drobnoustrojów zdolnych do metabolizmu ksenobiotyków;
-zmiana działania istniejącego genu na sposób który zmienia cechy organizmu; Przykład: przedłużenie trwałości pomidorów metodą technologii antysensowej (zmniejszenie aktywności genu kodującego poligalaktouronazę);
-wprowadzenie genu w celu uzyskania możliwości wytwarzania nowego produktu GMO jako bioreaktor; Przykład: produkcja białek terapeutycznych przez komórki drobnoustrojów, roślin i zwierząt trans granicznych)
ENERGIA GEOTERMALNA- energia zakumulowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Jest niewyczerpalna
Źródła:
Stan skupienia nośnika ciepła, a także wysokość temperatur, dzielą się na:
grunty i skały do głębokości 2500m z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem pomp ciepła pobierana jest przy pomocy specjalnych sond zwanych sondami ciepła
wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów grzejnych
wody gorące i ciepłe wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych (wtłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym)
para wodna wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych) znajdujące zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej
wysady solne z których odprowadzana jest energia przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów
gorące skały z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wpływem ciśnienia przez systemy szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych na dużych głębokościach. Wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej oraz celów grzejnych
Zasoby energii geotermalnej w Polsce:
- możliwość wykorzystania energii wnętrza Ziemi istnieje na ponad 60% powierzchni Polski;
- ich temperatura jest w granicach 30-120OC co czyni je przydatne raczej do pozyskania energii cieplnej niż elektrycznej;
- wg Polskiej Akademii Nauk, potencjał techniczny zasobów geotermalnych wynosi 302 000 PJ (peta dżul=1015JWh);
Ciepłownie geotermalne w Polsce: Pomimo znacznego potencjału energetycznego wód geotermalnych w Polsce dopiero 10lat temu rozpoczęła się ich techniczna eksploatacja jak ekologicznego źródła ciepła. Od początku lat 90tych XXw wody termalne wykorzystwane były przede wszystkim w balneologii i rekreacji. W latach 1993-2003 zbudowano w Polsce 6 instalacji ciepłowniczych bazujących na energii gorących wód podziemnych.
Bańska- Biały Dunajec:
-Rok uruchomienia: 1994
-Temperatura wody w złożu: 86
-Głębokość złoża [m]: 2000-3000
-Mineralizacja [g/l]:3
-Wydatek [m3/h]:120
-Całkowita moc cieplna:9
Mszczonów:
-Rok uruchomienia:1999
-Temperatura wody w złożu:40
-Głębokość złoża [m]:1600-1700
-Mineralizacja [g/l]:0,5
-Wydatek [m3/h]:60
-Całkowita moc cieplna:12
Uniejów:
-Rok uruchomienia:2001
-Temperatura wody w złożu:76-80
-Głębokość złoża [m]:2500
-Mineralizacja [g/l]:3
-Wydatek [m3/h]:550
-Całkowita moc cieplna:125
Bańska Niżna- Biały Dunajec:
-Rok uruchomienia:2001
-Temperatura wody w złożu:76-80
-Głębokość złoża [m]:2500
-Mineralizacja [g/l]:3
-Wydatek [m3/h]:550
-Całkowita moc cieplna:125
Wykorzystanie energii geotermalnej na świecie: Z zasobów geotermalnych korzysta obecnie prawie 80krajów (30w Europie). Pierwsza siłowania wykorzystująca energię geotermalną do produkcji energii elektrycznej powstała we Włoszech w 1904r. Światowym potentatem w produkcji energii elektrycznej w oparciu o geotermalne zasoby energetyczne są Stany Zjednoczone. W wielu krajach wykorzystuje się energię geotermalną do produkcji energii elektrycznej (Filipiny, Włochy, Meksyk, Japonię, Nową Zelandię i Islandię)
POMPY CIEPŁA- nowoczesne urządzenia grzewcze- wykorzystują energię cieplną (niskotemperaturową) pochodzącą ze środowiska naturalnego, przetwarza ją i oddaje energię cieplną (wysokotemperaturową) do górnego źródła , czyli układu grzewczego- centralnego ogrzewania oraz wymiennika ciepłej wody użytkowej.
Zasada działania: urządzenie transportuje energię cieplną z obiegu dolnego źródła do obiegu górnego, ciepło z dolnego przekazuje do parownika, gdzie dochodzi do wrzenia czynnika ziębniczego, w przebiegu wymiany ciepła między dolnym źródłem, a parownikiem powstaje gaz który ulega sprężeniu do odpowiedniego wysokiego ciśnienia powodując jego skraplanie.
Pomiary ze stanu gazowego wciekły wydziela się znaczna ilość ciepła która zostaje przekazana do obiegu grzewczego, ciecz przepływa przez zawór rozprężny gdzie następuje rozprężenie, w parowniku następuje ponowne rozpoczęcie procesu.
POZIOMY WYMIENNIK CIEPŁA
Wady: potrzebna duża powierzchni gruntu
Zalety: zrównoważona temperatura gruntu w ciągu roku, możliwość długiego nagromadzenia ciepła, łatwość wykonania, niski koszt
PIONOWY GRUNTOWY WYMIENNIK CIEPŁA
Wady: koszt odwiertu wysoki
Zalety: zrównoważona temperatura gruntu w ciągu roku, możliwość długiego nagromadzenia ciepła, łatwość wykonania
PODSUMIWANIE:
najlepszy efekt ekonomiczny
efektywność ekonomiczna źródeł geotermalnych będzie wzrastać nawet w przypadku cen paliw kopalnych
okres amortyzacji (zwrot kosztów) jest krótszy niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii czystej krótszy
ELEKTROWNIA WODNA
Wykorzystanie energii wody od bardzo dawna, kiedyś do napędzania kół wodnych w młynach, później do młotów w kuźniach czy pil w tartakach. Obecna energia głównie do produkcji energii elektrycznej.
1882r.- pierwsza elektrownia w Appleton (Wisconsin) (USA) na rzecze Fox.
1888r.- pierwsze elektrownie w Polsce: Struga na rzece Słupi oraz Kamienna na Drwie.
W okresie międzywojenny, istniało około 8000 obiektów hydroenergetycznych na terenie Polski.
Energia wodna w energetyce nazywana jest ,,białym węglem”. W Polsce wykorzystuje spadek wody na rzekach. Na świecie oprócz tego korzysta się z energii fal morskich, pływów morskich oraz energii różnic temperatur między powierzchniowymi a głębinowymi warstwami oceanu. Przepływająca woda wprawia w ruch turbiny które napędzają generator prądotwórczy i energia przesyłana jest do sieci
ENERGIA WÓD ŚRÓDLĄDOWYCH
najczęściej wykorzystywana
sprzyjają rzeki o dużym natężeniu przepływu i o dużym spadzie np. rzeki górskie
większość elektrowni wykorzystujących tę formę energii wody powstaje jednak na terenach równinnych i w związku z tym wymaga zapory wodnej.
ENERGIA PRZYWÓW WODNYCH
energia przypływów i odpływów morza lub oceanów spowodowana przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i mniejszym stopniem Słońca oraz ruchem obrotowym Ziemi
wykorzystywana tylko w około 20 rejonach świata na między innymi angielskim, francuskim, hiszpańskim wybrzeżu Atlantyku
ENERGI FAL MORSKICH (maremotoryczna):
trudne do wykorzystania ze względu na duże rozproszenie i uzależnienie od pogody
zasoby energii fal są wiele tysięcy razy większe od potencjału energetycznych pływów morskich
wykorzystywana we Francji, Wielkiej Brytanii i Norwegii, równierz w Rosji nad Morzem Białym i w Stanach Zjednoczonych na Alasce
ENERGIA RÓŻNIC TEMPERATUR
w strefie równikowej występowanie mniej więcej stała, niezależnie od pory roku i dnia różnica temperatur między warstwami morza: warstwy powierzchniowe są ciepłe, głębinowe zimne, różnica ta wykorzystywana do wytwarzania energii
wykorzystywana na Hawajach (40MW), Japonia (10MW)
potencjał tego rodzaju energii jest znaczny, w Indiach mogłyby powstać instalacje o mocy 10tys. MW
Technologie w hydroelektrowniach
spiętrzona woda spływając do zbiornika wodnego porusza turbiną wodną, która zamienia energię kinetyczną na energię mechaniczną
wyprodukowana przez turbinę energia wprawia w ruch wirnik generatora który obracając zmienia energię mechaniczną na energię elektryczną
energią elektryczna jest transmitowana na miejsce odbioru przez linie przesyłowe
Zapora
budowla przegradzająca dolinę rzeki i spiętrzająca jej wody, niezbędna część w hydroelektrowni
jest wyposażona w regulujące przepływ wody przelewy umożliwiające żeglugę śluzy, pozwalające przepływać tratwom przepusty, oraz pozwalające wędrować w górę rzeki rybom przepławki
buduje się zapory ziemne i betonowe, rzadziej kamienne. W Polsce głównie betonowe.
Turbina wodna
zwana silnikiem wodnym rotodynamicznym lub turbiną mechaniczną,
jest to silnik przetwarzający mechaniczną energię przepływające przez niego wody na użyteczną pracę mechaniczną
rodzaje turbin: osiowa, diagonalna, promieniowe i styczne, a także akcyjne (przetwarzające energię kinetyczną) i reakcyjne (przetwarzające energię kinetyczna i energię cisnienia)
Generator
zwany prądnicą opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej (gdy zmienia się pole magnetyczne otaczające przewodnik, w przewodniku jest indukowana siła elektromagnetyczna)
PODZIAŁELEKTROWNI WODNYCH
DUŻE |
MAŁE |
|
- mikro-energetyka >70kW - makro-energetyka >100kW - mała energetyka <50 MW
- derywacyjne - pływające po rzece - nisko-spadowe 2-20[m] - średnio- spadowe <150[m] - wysoko-spadowe >150[m] |
Elektrownia przepływowa
Nie posiada zbiornika wodnego
Jest zlokalizowana w korycie rzeki, w specjalnie skonstruowanym budynku będącym przedłużeniem jazu
Wykorzystuje stosunkowo niewielkie spiętrzenie , rzędu kilkunastu metrów
Może pracować prawie bez przerwy
Ilość produkowanej przez niej energii jest uzależniona od ilości wody przepływającej w danej chwili w rzece
Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna)
Posiada zbiornik regulacyjny
Może magazynować wodę i regulować jej przepływ w okresie dobowym, tygodniowym, miesięcznym lub dłuższym
Może produkować energię o większej mocy niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi
Dostosowuje się do zmian w zapotrzebowaniu na energię i sezonowych wahań ilości przepływającej wody
Elektrownia szczytowo- pompowa
Posiada dwa zbiorniki dolny i górny
Gromadzi potencjalną energię, wykonując pracę pompową (silnikową) polegającej na przepompowywaniu wody ze zbiornika dolnego do górnego
Gdy zapotrzebowanie wzrasta podejmuje pracę turbinową (generatorową) woda z górnego zbiornika jest uwalniana i spływając napędza turbinę która przetwarza prąd
W Polsce ponad polowa takich elektrowni
Elektrownia pływowa
Wykorzystuję energię pływów, ujście rzek przegradza się zaporami wyposażonymi w turbiny
Woda porusza turbiny wpływając do zbiornika wodnego w czasie przepływu i wypływając z niego w czasie odpływu
Pierwsza elektrownia Francja 1967, druga w Kanadzie 17MW
DUŻE ELEKTROWNIE WODNE
W celu zwiększenia mocy elektrownie wodne buduje się na jeziorach jazy, i zbiorniki wodne które spiętrzając wodę i zwiększają energię potencjalną
Duży sztuczny obiekt nie pozostanie bez wpływu na lokalne środowisko np. uniemożliwia on założenie przez ryby ikry w górnych częściach rzeki
Służą jako regulator biegu rzeki, zbiornik przeciwpożarowy, zbiornik wody pitnej, tereny do rekreacji i wypoczynku
ZALETY I WADY ELEKTROWNI WODNYCH
ZALETY
|
WADY
|
MAŁA ELEKTROWNAI WODNA
Nie posiadają wad ich większych odpowiedników
Wykorzystują energię pływających wód
Są zlokalizowane przy spadku rzeki (jazy, zapory)
Energia produkowana przy ich pomocy może zasilać lokalne społeczności
Zalety:
nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych
Ingerencja w środowisko jest znacznie mniejsza a ich liczebność poprawia bilans hydrologiczny i hydrobiologiczny kraju
Żywotność małej elektrowni wodnej to ponad 100lat
Nie wymaga licznego personelu i mogą być stosowane zdalnie
Szybki zwrot inwestycji 3-6lat
Wpływa korzystnie na poziom wód gruntowych i retencję, uspakajają nurt rzeki i zatrzymują zjawiska erozji dennej i bocznej
Niski koszt eksploatacji i remontów
Zaprojektowanie i wybudowanie w niecały rok
W Polsce zasoby hydroenergetyczne szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza.
Obecnie w Polsce wykorzystuje się zasoby hydroenergetyczne w 12% co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie elektroenergetycznym
Większe elektrownie wodne w Polsce:
Elektrownia wodna Włocławek 160MW, regulacyjna
Elektrownia przepływowa w Porąbce
Elektrownia wodna Żarnowiec (szczytowo- pompowa), 716MW Największa w Polsce
Porąbka - Żar (szczytowo- pompowa)500MW
Zespół elektrowni wodnych Solina- Myczkowce (szczytowo- pompowa) 200MW
Żydowo (szczytowo- pompowa) 156 MW, pierwsza w Polsce
Energia wodna na świecie:
Stanowi około 30% potencjału wytworzenia energii elektrycznej
Norwegia- elektrownie wodne pokrywają zapotrzebowanie na energię elektryczną prawie w 100% (99,6%)
Największą pod względem ilości produkowanej energii elektrownia na świecie jest wybudowana w 1983 roku elektrownia na zaporze Itaipu na Paranie na granicy państw Brazylii i Paragwaju. Elektrownia ma maksymalną moc 14GW a jej największa produkcja roczna wynosiła 94,7TWh (w 2008r.). Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy w Chinach (ok. 85 TWh rocznie) i zapora Guri na rzece Caroni w Wenezueli (ok. 47TWh rocznie).
Energia wodna- czysta energia? Do lat 80 ubiegłego wieku panował powszechny pogląd, że elektrownie wodne są źródeł „czystej” energii. Ostatnie badania pokazują, że zbiorniki zaporowe mogę być źródłem emisji metanu. Ilość emitowanego metanu w zależności od lokalnych warunków może się znacznie różnić. Jezioro Turawskie emituje ok. 42 mg metanu w przeliczeniu na powierzchnię 1m2 podczas gdy Jezioro Włocławskie ponad 400mg. Zbiorniki elektrowni wodnych uważane są za istotne źródło gazów cieplarnianych. Uznaje się, że emisja metanu jest duża w nowo powstałych zbiornikach, gdzie znajduje się dużo materii organicznej z zalanej roślinności, a następnie wraz z jej wyczerpywaniem się na skutek rozkładu spada.
Gaz łupkowy:
.
.
.
.
.
.
.
Wykład
Biomasa do produkcji energii
Redukcja CO2
Swiat 5, 2 %
Europa 8%
*Krajowe zasoby biomasy potrzebna do procesów wspołspalania
Źródła biomasy:
-leśnictwo
-rolnictwo: odpady i półodpady z produkcji rolniczej, uprawy energetyczne
-inne :przemysł chemiczny , papierniczy, osady ściekowe
-Biomasy jako paliwo -bale, palety, pył, osad papierniczy, trociny, zrębki
-wierzba energetyczna
-słoma pozyskiwana z uprawy zbóż
*Problemy związane z produkcją energii z biomasy
Problemy wymagają rozwiązania aby biomasę użyć jako paliwo wynikają z jej właściwości fizyko chemicznej tj, niska gęstość i wilgotność stwarzają problemy ekonomiczne z transportem i magazynowaniem
-Problem wymaga rozwiązań - rozdrobnienie biomasy i doprowadzenie jej do kotłów lub generatorów.
*Krajowe zasoby biomasy potrzebne do procesu półspalania
1. Konkurencja o biomase
*zapotrzebowanie na biomase przez różne sektory
-transport
-przemysł, elektroenergetyka, ciepłownictwo
*złożoność problematyki
-strona podażowa : leśnictwo i rolnictwo
-konkurencja po stronie popytu
-uwarunkowanie :środowisko, przestrzeń produkcyjna , infrastruktura techniczna
*konieczność indywidualnego ( regiolanlego)…
2.uprawy energetyczne
-wieloletni charakter upraw
-skład fizyko-chemiczny (uprawy lignocelulozowe)
-rentowność produkcji (priorytet dla produkcji
-polityka rolna(dopłaty, wspólna polityka UE)
-wykorzystanie gruntów
- grunty nie uprawiane (odłogi i ugory)
- struktura własnościowa
-warunki (klasy bonitacyjne, rolnicza, przestrzeń produkcyjna)
-produktywność
-Podejście wielofunkcyjne
rekultywacja
- ochrona wód (fitoremadiacja, strefy buforowe)
3. Zagadnienia organizacyjne
-łańcuch dostaw
- skup (standaryzacja, pomiar)
-przetworzenie( technologia współspalania)
- przechowywanie
4. organizacja producentów
-rozproszona, scentralizowana
- grupy producenckie
-mechanizacja producenckie
*Fermentacja Biogazu
Techniczny potencjał biogazu, obliczny dla wartości opałowej 23 MJ/m3 gazu w beztlenowej fermentacji odchodów zwierzęcych wynosi 37, 5 PJ
- W Polsce funkcjonuje ok. 1,8 przemysłów, 1, 470 komunalnych oczyszczalni ścieków a ich liczba stale rośnie.
w skład biogazu wchodzi
-metan 55-70%
-wodór 1-3%
-tlen 0,5-1%
-CO2-do 40%
-różne gazy 1-5%
Fermentacja metanowa wykazuje dwa razy większą wydajność gazu przy temp 30-35ºC-bakterie mezofile
52-55ºC-bark bakteri termofilnych
*gaz wysypiskowy
* elektrownie wiatrowe
Elektrownie wiatrowe buduje się w Polsce:
-wyspa Wolin
-Suwalszczyzna
-Środkowa Wielkopolska
-Mazowsze
-Beskid Śląski i Żywiecki
-Bieszczady i Pogórze Dynowskie
W Polsce w latach XX nastąpił dynamiczny rozwój energetyki wiatrowej. W 2002 Polska znajduje się na 13 miejscu pod względem mocy elektrowni wiatrowych.
-skupienie turbin pozwala na ograniczanie kosztów
*Wady elektrowni wiatrowej
-halas
-integracja w środowisko
-zależność od pogody
-wysoki koszt budowy
-zagrożenia dla ptaków
-zakłócenie fal radiowych i telefonicznych
*zalety
-czyste źródło energi
*energetyka jądrowa
Budowa elektrowni jądrowej - ciepło to produkcja rozproszenia jąder uranu zachodzą w reaktorze
*rodzaje reaktorów
1. PWR- wodno-ciśnieniowy - moderatorem jest zwykła Woda pod ciśnieniem 15 MPa. Woda stanowi również chłodziwo . Te reaktory są bezpieczne i najbardziej rozpowszechnione. Ok. 65% energii wytwarzana w efekcie powstaje w tym typie
2. WWER
Zagadnienia:
Antropogeniczne źródła zanieczyszczeń powietrza . możliwości ich ograniczania i eliminacje
Metody usuwania z powietrza azotu, siarki, i pyłu.(metody, redukcja, , rodzaje filtrów->skuteczność
Lotne związki organiczne. ( charakter, w jaki sposób niebezpiecznie wpływają, jak eliminować
Wykorzystywane źrodła energii (jakie możliwości, wady , zalety, przeciwwskazania)
Wykład RODZAJE I ŹRÓDŁA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA.
Do zanieczyszczen powietrza naleza:
-gazy i pary zwiazkow chemicznych (np. tlenki węgla -CO, CO2; siarki- SO i SO2; azotu; amoniak (NH3); fluor; węglowodory (łańcuchowe i aromatyczne) i ich chlorowe pochodne ; fenole.
-czastki stale nieorganiczne i organiczne (pyły- np.popiół lotny, sadza, pyły z produkcji cementu, pyły metalurgiczne, zwiazki ołowiu, zwiazki miedzi, chromu, kadmu i innych metali ciezkich.
-mikroorganizmy- wirusy, bakterie, grzyby, których rodzaj i ilosc odbiega od skladu naturalnej mikroflory powietrza;
-kropelki cieczy (kwasow, zasad, rozpuszczalnikow).
Wartosc emisji zanieczyszczen to ilosc zanieczyszczen wydalana do atmosfery w jednostce czasu, wyrazona w g/s, kg/h lub t/rok.
Charakterystyka poszczególnych zwiazkow chemicznych zanieczyszczajacych atmosfere:
-zwiazki siarki: SO, SO2, SO3, H2S, H2SO4, siarczany różnych metali. SO2 -bezbarwny, silnie toksyczny gaz o duszacym zapachu. Wolno rozprzestrzenia się w atmosferze (duzy ciezar wlasciwy 2,93 kg/m3). Powstaje miedzy innymi w wyniku spalania paliw stalych i plynnych zanieczyszczonych siarką (wegiel, ropa naftowa). Najwiekszy udzial w emisji SO2 ma przemysl paliwowo- energetyczny. Opalana węglem elektrownia o mocy 1000 MW emituje do atmosfery w ciagu roku 140 tys. ton siarki (głównie SO2). Dwutlenek siarki utrzymuje się w powietrzu przez 2-4 dni i może być przenoszony na duze odleglosci. SO2 utlenia się do SO3, który reagujac z woda przechodzi w kwas siarkowy (H2SO4)- jeden ze skladnikow kwaśnych deszczy.
-związki azotu: NO (tlenek azotu) -bezbarwny i bezwonny. NO2 (dwutlenek azotu)- brunatny o duszacej woni. Obydwa mogą utleniac się do pięciotlenku azotu (N2O5), który w obecnosci pary wodnej tworzy kwas azotowy (HNO3) -jeden ze skladnikow kwasnych deszczy.
-związki węgla: CO (tlenek węgla) - powstaje w wyniku niezupelnego spalania węgla lub jego zwiazkow. Glownym zrodlem CO sa: *spaliny z silnikow (glownie benzynowych) pojazdow mechanicznych; *przemysl metalurgiczny, elektromaszynowy, materialow budowlanych; *elektrociepłownie, elektrownie cieplne; *koksownie, gazownie, paleniska domowe. Tlenek wegla jest gazem silnie toksycznym, nie posiada smaku, zapachu ani barwy- zmysly ludzkie nie ostrzegają przed nim. CO2 (dwutlenek wegla) - powstaje w procesach spalania paliw stalych, cieklych i gazowych oraz w procesach oddychania organizmow zywych. CO2 w atmosferze nie stanowi bezpośredniego zagrożenia pod warunkiem ze nie nastapi naruszenie równowagi biologicznej spowodowanej jego nadmierna iloscia. Pelni funkcje naturalnej izolacji termicznej (efekt cieplarniany) oraz bierze udzial w procesie fotosyntezy.
-wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA): zwiazki zbudowane z wegla i wodoru, zawierajace w czasteczce kilka pierscieni aromatycznych. W powietrzu znajduja się w wyniku: *parowania lub spalania paliw (glownie wegla, ropy naftowej i ropopochodnych); *palenia tytoniu. Jednym z najbardziej niebezpiecznych jest 3-4-benzopiren kancerogenny.
Źródła zanieczyszczen powietrza:
Zrodla naturalne :
Wulkany (ok.450 czynnych), emituja popioly i gazy (CO2, SO2, H2S i inne);
Pożary lasów, sawann i stepów (CO2, CO i pyly);
Bagna (CH4 -metan, CO2, H2S, NH3);
Gleby i skały ulegajace erozji, burze piaskowe (globalnie do 700 mln ton pyłów w roku);
Tereny zielone z których pochodza pylki roslinne;
Źródła antropogeniczne (powstaja w wyniku dzialalnosci czlowieka) :
Energetyczne -spalanie paliw;
Przemysłowe- procesy technologiczne w zakladach chemicznych, rafineriach, hutach, kopalniach, cementowniach;
Komunikacyjne- glownie transport samochodowy, wodny, lotniczy i koleje;
Komunalne - gospodarstwa domowe oraz gromadzenie i utylizacja odpadow i sciekow (np.wysypiska);
Zalezne od zasiegu źródła zanieczyszczeń mogą być: punktowe (komin), liniowe (szlak komunikacyjny), powierzchniowe (otwarty zbiornik z lotna substancja).
Zjawiska w atmosferze zwiazane z zanieczyszczeniem powietrza:
*smog -gromadzenie się duzych ilosci zanieczyszczen w obnizeniach terenu, na niewielkiej powierzchni, przy bezwietrznej pogodzie.
* efekt cieplarniany- zatrzymywanie w atmosferze nadmiernych ilosci ciepla; wywoluja go wystepujace w atmosferze gazy (CO2, NH3, NO, freony) absorbujace promieniowanie podczerwone odbite od powierzchni Ziemi;
* kwasne deszcze- wywoluja zwiazki siarki i azotu;
*dziura ozonowa- ubytki w warstwie ozonowej wywolane tlenkami azotu, freonu.
Sposoby ograniczenia emisji zanieczyszczen powietrza ze źródeł antropogenicznych:
-wzbogacanie paliw, np.odsiarczanie węgla energetycznego;
-zmiana stosowanych surowców, np.spalanie paliw o wyzszej jakosci w okresie niekorzystnych warunkow meteorologicznych;
-zmiana procesow technologicznych;
-hermetyzacja procesow technologicznych i oczyszczanie gazow odlotowych;
-oczyszczanie gazow spalinowych (odpylanie i odsiarczanie spalin);
-utylizacja odpadow przemyslowych i komunalnych, wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł energii (np.energia słoneczna, energia wiatru);
Jeden przelot nad Atlantykiem samolotu pasażerskiego pochlania 60 tys. litrow paliwa (wiecej niż 1 kierowca zuzyje w ciagu 50 lat). Samoloty pasażerskie niszczą atmosfere w stopniu 4 razy wiekszym niż czynia to zaklady przemysłowe.
Metody oczyszczania gazow odlotowych:
1procesy fizyczne: adsorpcja, absorpcja, kondensacja, separacja membranowa
2procesy chemiczne - procesy, w których przebiegają reakcje chemiczne;
* procesy spalania bezpośredniego i termicznego ,
*Metody katalityczne - spalanie (utlenianie katalityczne), redukcja katalityczna, rozkład katalityczny
3metody biologiczne
Podstawowe pojecia:
Absorpcja- proces pochlaniania gazu przez absorbent (ciecz, rzadziej cialo stale) zachodzacy w calej jego objetosci.
Absorbat- skladnik gazowy, który usuwany jest w drodze absorpcji;
Absorber- aparat do przeprowadzania procesu absorpcji;
Adsorpcja- proces wiazania skladnikow (tzw. Adsorbatu) z plynu (mieszaniny gazowej lub cieklej) na powierzchni porowatego ciala stalego (adsorbenta);
Adsorber- aparat do przeprowadzania procesu adsorpcji
Etapy procesu adsorpcji:
Dyfuzja cząstek z wnętrza fazy gazowej do powierzchni zewnętrznej
Dyfuzja cząstek w porach adsorbenta do jego powierzchni zewnętrznej?
Adsorpcja fizyczna cząstek na powierzchni adsorbenta
Zwiększenie czynności adsorpcji:
- zwiększenie powierzchni międzyfazowej
-zwiększenie burzliwości przepływu
Adsorbenty
Węgiel aktywny- powierzchnie właściwe węgli aktywnych sięga 1000 m2/g, stosowany w procesach oczyszczania gazów musi mieć postać ziarnistą
Absorbenty krzemowe- silikożel, ziemia Fullera, tl. Glinu
Absorbenty glinowo krzemianowe - sita molekularne zeolity syntetyczne o strukturze, w której wolne przestrzenie tworzą komory i kanały o ściśle określonych kształtach i wymiarach Mx/n (Alo2)x (SiO2)yI, z H2O
Absorpcja zastosowanie:
Stężenie zanieczyszczeń wynosi kilka procent
Gazy rozcieńczone, gdy zanieczyszczenia są łatwo rozpuszczane w absorbencie
Absorbenty: woda, roztwory kwasów, zasad, soli o właściwościach utleniających lub redukujących, zw. Organiczne
Punkt absorpcji:
1 zwiększenie powierzchni międzyfazowej
2 zwiększenie szybkości dyfuzji
3absorpcja z reakcją chemiczną np. z reakcją utleniania- roztwory utl tj: chlor, dwutlenek chromu, podchloryn sodowy, nadmanganian potasu oraz obecnie najbardziej popularny ozon
4.wprowadzane do układu absorpcyjnego gaz-ciecz, cząstek stałych; elementy obojętne chemicznie zwiększające burzliwość układu, katalizatory, subst. Reaktywne chemicznie, sorbenty naturalne i syntetyczne orazsubst biologicznie czynne.
Ścieki
Odpady płynne
Odpady ściekowe
Odpady komunalne
Odpady z przemysłu rolno- spożywczego
Fermentacja
metanowa
Ścieki oczyszczone
Osady ustabilizowane
BIOGAZ