Notatki z wykładów prof. dr hab. inż. Krzysztofa Badydy
Środowisko- ogół elementów przyrodniczych- w tym tych przekształconych przez człowieka. Zalicza się do niego ogół wód, powietrza, powierzchnię ziemi (w tym gleby), kopaliny, zwierzęta i rośliny, krajobraz (walory estetyczne) oraz klimat.
Ochrona środowiska- podjęcie lub zaniechanie pewnych działań, umożliwiające zachowanie lub przywrócenie (rekultywację) równowagi przyrodniczej (stanu właściwego dla danego obszaru- równowagi czynników kształtujących dany obszar). Na ochronę środowiska składa się:
Racjonalne kształtowanie i gospodarowanie środowiskiem
Przeciwdziałanie emisji zanieczyszczeń
Rekultywacja
Zanieczyszczenie- emisja, która jest szkodliwa dla stanu środowiska bądź zdrowia ludzi, powoduje szkody materialne czy obniża walory estetyczne danego obszaru.
Ochrona środowiska w Polsce- regulowana przez setki aktów prawnych (z konstytucją na czele), zarówno na poziomie krajowym, jak i unijnym. Podstawą jest Prawo Ochrony Środowiska z 27 kwietnia 2001 roku wraz ze wszystkimi późniejszymi zmianami, rozporządzeniami regulującymi konkretne kwestie (np. określającymi dozwolony poziom zanieczyszczeń w gazach emitowanych przemysłowo; mówiącymi o wartościach odniesienia dla niektórych substancji znajdujących się w powietrzu oraz ich dozwolonych stężeniach na konkretnych obszarach) czy obwieszczeniami (mówiącymi np. o stawkach opłat za „korzystanie ze środowiska” w danym roku- płaceniu za emisję do atmosfery spalin takich jak CO, CO2, tlenków azotu i siarki, wodoru itp./ emisję zanieczyszczeń do wód opadowych czy kanalizacji). Wszelkie decyzje wydane z naruszeniem przepisów z zakresu ochrony środowiska są decyzjami nieważnymi.
Aspekty regulowane przez dokumenty związane z ochroną środowiska:
Ochrona powietrza: Prawo Ochrony Środowiska + wszystkie inne akty wykonawcze związane z tą dziedziną (obwieszczenia, rozporządzenia, regulacje)
Ochrona wód: ustawa Prawo wodne + akty wykonawcze;
Ochrona gleb i lasów
Ochrona przyrody
Eksploatacja kopaliny oraz ochrona złóż: Prawo geologiczne i górnicze
Ochrona przed hałasem, wibracjami, promieniowaniem
Gospodarka odpadami i ochrona przed ich importowaniem.
Organy zajmujące się ochroną środowiska w Polsce:
Ministerstwo Środowiska
Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska („policja środowiskowa”)
Dyrekcje Ochrony Środowiska (Generalna, Rejonowe)
Państwowa Rada Ochrony Środowiska- organ podejmujący decyzje o sprawach ochrony środowiska („rada mędrców”)
Fundusze ekologiczne działające na różnych szczeblach
Regulacje na szczeblu unijnym: traktat akcesyjny oraz dyrektywy unijne zobowiązują członków UE do ochrony środowiska, przed wstąpieniem do wspólnoty Polska była jednym z największych producentów zanieczyszczeń (do roku '89 wyprzedzały nas tylko ZSRR oraz NRD), wstąpienie do UE oraz zmiany ustrojowe w Polsce zmieniły tą sytuację- wpływ na środowisko został uregulowany.
Idea wszystkich regulacji oraz opłat za korzystanie ze środowiska: kto powoduje zanieczyszczenie środowiska- płaci za koszty usunięcia jego skutków; kto może powodować zanieczyszczenie środowiska- płaci za zapobieganie temu zanieczyszczeniu.
Gałęzie gospodarki mające największy wpływ na stan środowiska: energetyka, transport, gospodarka morska, gospodarka wodna, gospodarka komunalna, budownictwo, rolnictwo.
Przemysł energetyczny- ogromny wpływ na środowisko naturalne. Od początku XX wieku wzrost konsumpcji energii stale rośnie (zastraszające tempo zarówno wzrostu liczby ludności, jak i konsumpcji energii per capita- łącznie daje to 20-krotny wzrost na przestrzeni 100 lat; szacuje się, że konsumpcja energii elektrycznej podwaja się co każde 10 lat), przez co konieczne jest stałe zwiększanie wydobycia surowców energetycznych oraz jej produkcji (szczególnie: po II Wojnie Światowej, odkąd faktem stała się powszechna elektryfikacja). Zjawisko to zostało zahamowane przez I kryzys naftowy, nie zmienił on jednak samej tendencji, a jedynie- tempo jej zmian.
Największy konsument energii na świecie- USA (gaz, jądrowa oraz ropa), później- Europa (gaz i jądrowa). Największe wydobycie węgla- Chiny (niemal połowa wydobycia światowego, 3650mln ton rocznie, i jeszcze importują!), najszybszy rozwój przemysłu na świecie (trzy razy tyle, co USA), w ciągu 10 lat ich konsumpcja energii wzrosła z 1356TWh rocznie do 4127TWh, obecnie- doganiają one USA.
Jednostka miary wartości energetycznej surowców: tona oleju ekwiwalentnego (tona metryczna ropy naftowej) = 10000kcal = 4,41 GJ. Kaloryczność surowców: tona węgla kamiennego = 2 tony węgla brunatnego (metryczna tona węgla umownego: 29.3MJ/kg, tylko węgiel kamienny o bardzo wysokiej zawartości węgla ma taką wartość opałową, zwykle jest to około 22MJ/kg), gaz ziemny i ropa naftowa mają wyższą kaloryczność, ale ich spalanie nie zawsze jest tańsze. 1 tona węgla brunatnego: 50% wody, 23-25% czystego węgla, reszta- odpady. Emisyjność: z każdej tony węgla brunatnego powstaje około jednej tony CO2. Emisyjność węgla kamiennego: około 2,5 emisyjności węgla brunatnego, metan i węglowodory- 3 razy większa.
Energetyka w Polsce: paliwo dominujące to węgiel (do 90% całej wytwarzanej energii elektrycznej z węgla), możemy podzielić ją na trzy sektory:
Energetykę zawodową (elektrownie, elektrociepłownie, ciepłownie zawodowe), której podstawową działalnością jest produkcja ciepła lub energii elektrycznej. Około 100 przedsiębiorstw, 300 kotłów generujących energię elektryczną o mocy przekraczającej 33000MW.
Największe zakłady (wyróżnione ich największe bloki energetyczne):
Bełchatów: 12 bloków 370-90MW + jeden blok nadkrytyczny 850MW
Opole: 4 bloki po 360MW (węgiel kamienny)
Kozienice: 2 bloki 500MW (węgiel kamienny)
El. Łagisza: jeden blok 460MW
Pątnów II: 460MW
Turów/Bogatynia: 10 bloków 200 MW (węgiel brunatny)
Elektrociepłownie przemysłowe: około 700 mniejszych elektrociepłowni + kilka tysięcy ciepłowni niezawodowych. Ich zadaniem jest zaspokajanie potrzeb zakładów macierzystych, ewentualnie- również potrzeb okolicznych miast. Moc energetyki przemysłowej szacuje się na 3000 MW, paliwo: odpady przemysłowe będące paliwami oraz węgiel.
Energetyka lokalna- tysiące kotłowni (kotły gazowe, ciepłownie komunalne i osiedlowe), których moc szacowana jest na 7000MW, mają one duży wpływ na ilość zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery (przestarzałe technologie, często- kotły węglowe emitujące do atmosfery ogromne ilości pyłów)
Wpływ energetyki na środowisko: energetyka jest gałęzią gospodarki odpowiadającą za emisję bardzo dużej części zanieczyszczeń dostających się do atmosfery- są to przede wszystkim tlenki siarki (SO2), tlenki azotu (NOX) oraz pyły. Na początku lat 90-tych Polska była jednym z europejskich liderów w dziedzinie ilości zanieczyszczeń dostarczanych do atmosfery, jednak w ciągu ostatnich 25 lat udało się znacząco obniżyć emisję tych związków przez sektor energetyczny. Związane było to z postępującym rozwojem techniki i nowymi regulacjami prawnymi (m.in. związanymi ze wstąpieniem do UE)- stosowanie instalacji służących do odsiarczania czy usuwania pyłów znacząco wpłynęło na statystyki, dzięki czemu udział energetyki w ilości dostarczanych zanieczyszczeń zmalał (w niektórych przypadkach zarówno bezwzględnie, jak i procentowo- szczególnie w dziedzinach, w których coraz większy wpływ ma transport, zaś w innych- tylko bezwzględnie, ze względu na równie szybki rozwój analogicznych instalacji w innych sektorach gospodarki). W roku 1991 energetyka odpowiadała za około 80% emisji dwutlenku siarki, 50% emisji tlenków azotu i ponad 70% emisji pyłów, obecnie wartości te obniżyły się w sensie bezwzględnym kilka razy (w szczególności w energetyce zawodowej, w mniejszym stopniu- również w przemysłowej oraz lokalnej), procentowo zaś zmiany te są mniejsze (zwiększał się za to wpływ transportu). Polska cały czas jest jednak dużym producentem gazów cieplarnianych: należymy do pierwszej dwudziestki na świecie, odpowiadamy za 1,5% całkowitej emisji, co jest wartością nieproporcjonalnie dużą do naszych rozmiarów oraz liczby ludności.
Emisja pyłów: związana również z emisją metali ciężkich. Energetyka ma tu miażdżącą przewagę w stosunku do innych gałęzi przemysłu. Odpowiada również za emisję około 6mln ton odpadów stałych rocznie, co jest istotnym procentem całej rocznej emisji odpadów stałych w Polsce. Zmiany prawne w systemie klasyfikacji odpadów oraz rozwój technik utylizacji pozwalają obecnie na sprawne zarządzanie odpadami stałymi, cały czas jednak są one dużym problemem (dobry przykład to Elektrownia Kozienice- zużywa rocznie około 4mln ton węgla, gdzie ilość popiołu otrzymanego w wyniku tych procesów szacuje się na 20% masy spalonego węgla- cały ten popiół musi zostać zagospodarowany).
Wpływ energetyki na hydrosferę: sektor paliwowo-energetyczny odpowiada za około 80% poboru wód na cele produkcyjne (bez rolnictwa). Dodatkowo, jest producentem bardzo dużego (kilkadziesiąt) procenta ścieków- duże zapotrzebowanie na wodę oraz duża ilość oddawanych substancji wymusza rozważne lokowanie wielkich zakładów energetycznych.
Krajowy System Elektroenergetyczny: infrastruktura oparta jest głównie na sieciach o napięciu 400 oraz 220kV, mamy tylko krótkie odcinki sieci 450kV (pomorze) oraz 750kV (idąca z Ukrainy, miał nią być przesyłany prąd z tamtejszych elektrowni jądrowych, nie jest używana). 90% polskiej energetyki opiera się na węglu (monokultura węglowa, elektrownie cieplne dominują), około 55-60%: elektrownie na węgiel kamienny, 30-35%- elektrownie na węgiel brunatny. Wypuszcza on do atmosfery około 300mln ton (a dawniej: do 500), co ze względu na ustanowione przez UE limity emisji skutkuje koniecznością stałego ograniczania emisji (podlega im głównie energetyka zawodowa, ze względu na wysoką koncentrację emisji w niewielkiej liczbie dużych obiektów). Szacuje się, iż cena za podobną ilość energii otrzymanej z węgla brunatnego jest 2 razy niższa niż cena energii uzyskanej z węgla kamiennego, zaś energia uzyskana z innych surowców jest jeszcze wyższa (głównie ze względu na brak dużych złóż na terenie Polski i konieczność importu odpowiednich substancji). Udział źródeł odnawialnych (np. elektrowni wodnych i wiatrowych) w całkowitej mocy produkowanej w Polsce jest znikomy, szczególnie, że w naszych szerokościach geograficznych nie jest to opłacalne (mniejszy średni realny czas pracy elektrowni w ciągu roku w porównaniu do elektrowni cieplnych).
Elektrownie na węgiel brunatny- szacuje się, iż paliwa tego starczy do około 2030roku.:
Elektrownia Bełchatów: największa w Europie (a prawdopodobnie też na świecie) elektrownia na węgiel brunatny, 12 bloków klasy 390 MW oraz jeden blok na parametry nadkrytyczne pary klasy 850MW (ale realna moc najprawdopodobniej na poziomie 758MW). Elektrownia ta zużywa rocznie około 40mln ton węgla, uwalniając do atmosfery podobne ilości CO2. Bloki klasy 390 MW mają kominy (zaś zużyta woda przesyłana jest do chłodni), natomiast z bloku na parametry nadkrytyczne zanieczyszczenia wyprowadzane są przez chłodnię kominową.
Turów/Bogatynia- druga elektrownia na węgiel brunatny w Polsce, 10 bloków klasy 200MW
Konin, Pątnów, Adamów
Elektrownie na węgiel kamienny:
Elektrownia Kozienice: 2600MW (w tym dwa bloki klasy 500MW)
Elektrownia Opole: 4 bloki klasy 360MW
Połaniec
Dolna Odra
Wiele mniejszych elektrowni zlokalizowanych na Śląsku
Elektrownia Ostrołęka: 3 bloki klasy 200MW oraz planowany blok na parametry nadkrytyczne klasy 1000MW (jedyna tej wielkości elektrownia na północy)
Elektrownia Żarnowiec: elektrownia szczytowo-pompowa, która jest „magazynem” energii wyprodukowanej w nocy, którą można potem uwolnić w okresie większego zapotrzebowania. Miała tam powstać również elektrownia jądrowa, jednak plany te nie doszły do skutku. Szacuje się, że pierwsza elektrownia jądrowa w Polsce powstanie najwcześniej do 2024 roku.
Zużycie paliw przez energetykę zawodową w Polsce: węgiel kamienny: 41,7 mln ton (średnia wartość opałowa: około 21,6 MJ/kg, średnia zawartość siarki: 0,87%, średnia zawartość popiołu: 20,4%; dużo pobiera też energetyka przemysłowa i lokalna), węgiel brunatny: 62,2 mln ton (średnia wartość opałowa: około 8,6 MJ/kg, średnia zawartość siarki: 0,69%, średnia zawartość popiołu: 10%; tylko energetyka zawodowa). Udział energetyki zawodowej w rynku energetycznym: produkcja energii elektrycznej: 94%, produkcja ciepła: 30%. Czas pracy elektrowni konwencjonalnej w ciągu roku: około 5000 godzin (z 8760), czyli dwa razy więcej, niż pracować mogą elektrownie oparte o źródła odnawialne (tylko elektrownie jądrowe mają lepsze parametry).
Zgodnie z dokumentem Polityka Energetyczna Polski do 2030 następować ma stopniowe ograniczanie udziału węgla kamiennego i węgla brunatnego w rynku, rosnąć ma zaś procent energii uzyskiwanej ze źródeł odnawialnych (do nawet 20% w latach 20-25) oraz elektrowni jądrowych (dokument ten zakłada wybudowanie pierwszej polskiej elektrowni jądrowej do roku 2020, co jest niewykonalne).
Na tle innych państw energetyka polska ma bardzo mały udział źródeł odnawialnych w rynku, szczególnie w momencie, kiedy nie mamy również infrastruktury opartej o oleje czy gaz oraz elektrowni jądrowych- podobną sytuację na świecie ma tylko RPA, gdzie węgiel również jest surowcem dominującym na rynku energetycznym (również ponad 90% udziału węgla w rynku). Dla przykładu, Niemcy na skutek licznych inwestycji w źródła odnawialne zdołali ograniczyć konsumpcję węgla jak i gazu ziemnego, co umożliwiło obniżenie emisji oraz redukcję czasu pracy elektrowni konwencjonalnych (nie muszą one pracować „na pełnych obrotach”- pełnią funkcję rezerwową), zaś Francja od wielu lat stawiająca na energetykę jądrową oparła swoją gospodarkę na tej właśnie formie pozyskiwania energii.
Energia odnawialna: energia pozyskiwana z tzw. źródeł ekologicznych- siły wiatru, prądu rzek, natężenia światła słonecznego itp. Charakteryzuje się małą przewidywalnością realnego czasu pracy na przestrzeni danego czasu (ilość wygenerowanej energii jest zależna od warunków atmosferycznych), sporych nakładów finansowych na wybudowanie oraz utrzymanie elektrowni (co przekłada się na wyższe koszty energii), bywa również związana z negatywnymi skutkami dla społeczeństwa (głównie elektrownie wodne: budowa tam wymaga zalewania pewnych obszarów- czasami zamieszkiwanych przez ludzi- co spotyka się z protestami mieszkańców, tak jak to miało miejsce np. w przypadku budowy tamy w Czorsztynie- większość tam nie pełni jednak roli energetycznej, a ma za zadanie chronić obszary położone niżej akumulując nadmiar wody).
Zasobność Polski w wodę: Polska ma gorsze stosunki wodne niż Egipt (trzy razy gorsze niż średnio w Europie i pięć razy gorsze niż średnio na świecie). Przychody stanowią głównie opady, za rozchody odpowiadają głównie parowanie i transpiracja- zasobność wód powierzchniowych charakteryzuje się więc dużą zmiennością w zależności od pory roku oraz warunków atmosferycznych. Problem stanowi również nierównomierność opadów- obszary o małej zasobności wody to pas nizin, który stanowi około 38,5% powierzchni kraju.
Elektrownia parowa (obieg otwarty: wymaga obfitego źródła wody, np. rzeki) :
Kocioł to czynnik roboczy dla turbiny, generowana w kotle para idzie do turbiny, ma około 540-600oC i 16MPa ciśnienia. Kocioł (klasy 200MW) wytwarza około 650 ton pary/godzinę, strumień paliwa idącego do kotła to równowartość 450MW, zaś wytworzona energia- 200MW (sprawność cyklu to około 40-kilku %). Kocioł pobiera setki do tysiąca ton na godzinę. Do kotła dostarczana jest woda o temperaturze 200oC oraz ciśnieniu 20MPa, po wyjściu- jest to para 500oC oraz 15MPa, przechodzi przez turbinę którą napędza rozprężając się (produkcja energii), wraca do skraplacza, który zamienia parę w ciecz, która ponownie przejdzie cykl podnoszenia ciśnienia. Ze względu na wysoką temperaturę pary oraz wody do jej chłodzenia muszą zostać wykorzystane liczne mechanizmy: strumień wody chłodzącej to kilkadziesiąt razy więcej niż masa pary za turbiną, zaś np. do rzeki można oddać wodę maksymalnie 10-12K cieplejszą niż woda pobrana (a kondensacja 1kg pary za turbiną to wydatek około 50kg wody, której temperatura podniesie się o owe 10-12 stopni- dlatego potrzebne są monstrualne ilości wody chłodzącej w energetyce). W przypadku braku dostępności wody z rzeki na danym obszarze konieczne jest stosowanie innych instalacji, np. chłodni z basenem jak w przypadku Bełchatowa.
Nowe bloki (takie jak blok 14. Bełchatowa; blok 13. nie istnieje, bo byłby pechowy): spalany jest węgiel w postaci pyłu/miału (doprowadzanego do kotła przez młyn), spaliny usuwane są przez elektrofiltry i układy odsiarczania o wysokiej sprawności, a następnie- uwalniane przez chłodnię kominową (z normalnej chłodni uchodzi tylko para wodna, zaś z chłodni kominowej- również CO2). W przypadku starszych bloków zanieczyszczenia odprowadza się kominami, zaś woda wędruje do chłodni.
Sprawność siłowni parowej: realna: dochodzi do 45%, cykl- około 65%, do 75% przy bardzo wysokich temperaturach. Ze względu na produkcję ogromnych ilości pary kotły mają równie pokaźne rozmiary- kocioł BP-1150 z elektrowni w Bełchatowie ma 108,4 m wysokości, wydajność 1150t/h, produkuje parę wodną o ciśnieniu 16,5MPa oraz temperaturze 570oC. Blok 14. jest nawet większy- 170m wysokości, tunele na spaliny mają do ośmiu metrów średnicy.
Turbina- wykorzystuje parę do uzyskania momentu obrotowego, dzięki doborowi odpowiednich profilów łopatek uzyskiwane są zoptymalizowane parametry umożliwiające wygenerowanie jak największej ilości energii.
Systemy sterowania elektrownią: szereg systemów nadzorujących pracę elektrowni oraz zbierających o niej dane, często składa się nań ponad 1000 czujników przekazujących parametry każdego z elementów elektrowni, co umożliwia kadrze inżynierskiej nadzorowanie jej pracy i reagowanie na nieprawidłowości (każdy istotny element ma własnego specjalistę zajmującego się nadzorem, nad nimi wszystkimi czuwa zaś naczelny inżynier).
Turbozespół ciepłowniczy: turbina, generator + prądnica.
Turbinowy silnik lotniczy (turbina gazowa): samolot dalekiego zasięgu w ciągu roku potrafi wygenerować nawet 70 ton zanieczyszczeń, w tym- tlenków azotu, które uwalniane na dużej wysokości natychmiast łączą się z ozonem, przyczyniając się do zmniejszenia jego warstwy w atmosferze. Ilość zanieczyszczeń generowanych przez transport lotniczy jest niewielka w porównaniu do ilości zanieczyszczeń generowanych np. przez energetykę, jednak w skali świata jest to istotny procent, a ilości zanieczyszczeń uwalnianych każdego roku są ogromne. Poza zanieczyszczeniami samoloty mają negatywny wpływ na środowisko również poprzez hałas- startujący samolot to dźwięk o natężeniu 130dB (granica bólu dla człowieka), zaś przekroczenie prędkości dźwięku powoduje wytworzenie stożka Macha, któremu towarzyszy nagły skok ciśnienia zabijający organizmy żywe (dlatego samoloty mogą przekraczać tą barierę jedynie nad morzem/oceanem, na określonej wysokości- tam, gdzie nie stanowi to zagrożenia).
Gaz ziemny- paliwo kopalne o emisyjności dwukrotnie mniejszej niż węgla (w przeliczeniu na jednostkę energii, nie masy), produktami spalania metanu są CO2 oraz H2O, jednak pomimo wysokiej średniej wartości opałowej m3 gazu- w Polsce jego wykorzystanie w energetyce jest nieopłacalne (brak własnych dużych złóż: cena GJ energii z węgla to od 12 do 14 zł, a z importowanego gazu- do 40zł). Polska sama zaspokaja 1/3 swojego zapotrzebowania na gaz, gdzie energetyka stanowi jedynie 3% całości potrzeb (było to 8%, ale ograniczenie dopłat spowodowało zmniejszenie konsumpcji gazu w energetyce). Na świecie wskaźniki te są zgoła inne- 30% światowej energetyki oparta jest o gaz, gospodarki takie jak Niemcy czy Japonia są w dużej mierze oparte właśnie na gazie.
Turbiny gazowe: od zawsze były technologiami o charakterze strategicznym, pierwszy odrzutowiec oparty o turbinę gazową wyprodukowany został w 1937, a pierwsza turbina energetyczna- zamontowana w 1939 roku (moc 4MW, kilkanaście procent sprawności, Neuchatel). Zasada działania: sprężarka tłoczy powietrze o ciśnieniu do 2MPa, w komorze spalania jego temperatura zostaje podniesiona z 400 do 1000oC, a następnie powietrze to przechodzi do turbiny, w której rozpręża się aż do osiągnięcia temperatury atmosfery. Turbina dzięki uzyskaniu momentu obrotowego napędza prądnicę + wyrzuca powietrze dając siłę ciągu, zaś większość energii wyprodukowanej w ramach procesu wraca do sprężarki, aby umożliwić kontynuowanie cyklu. Sprawność turbiny gazowej to około 40% (w lotnictwie: więcej; turbiny lotnicze bywają wykorzystywane w energetyce), moc- do 460MW (realnie- 320-40MW), możliwe jest sprzężenie tego układu z układem odzyskiwania ciepła: powstaje wtedy układ gazowo-parowy, który z użyciem pary o temperaturze 600 stopni generuje za turbiną parę, którą można wykorzystać w turbinie parowej uzyskując jeszcze kilkanaście MW mocy oraz podnosząc sprawność cyklu o kilka procent (nie więcej, gdyż wymagałoby to zbytniego obniżenia temperatury i ciśnienia, co groziłoby kondensacją pary w turbinie- zjawisko to jest bardzo niepożądane).
Przykład zakładu opartego o turbinę gazową z kotłem odzyskownicowym: Elektrociepłownia Gorzów, Elektrociepłownia Lublin (największa w Polsce turbina z systemem ożebrowanych rur- wymiennikiem ciepła).
Energetyka jądrowa- kontrowersje związane z bezpieczeństwem. Największe zagrożenie w historii: próbne eksplozje jądrowe w latach 60', które prowadzone były w USA (stan Nevada) oraz ZSRR (tereny dzisiejszego Kazachstanu, dużym zagrożeniem były też prowadzone przed rokiem 1960 próby związane z otrzymywaniem niezbędnych substancji). Szacuje się, że do roku 1960 ZSRR wyemitowało około 1000MCi (równowartość aktywności 1000ton radu), a w latach 60' ZSRR oraz USA odpowiedzialne były za emisję około 5000MCi. Są to dawki ogromne, setki razy większe niż te związane z jakimikolwiek awariami w energetyce jądrowej w historii.
Największa katastrofa w przemyśle energetycznym: ZSRR, 1986, Czarnobyl: emisja około 50 ton jodu 131 oraz cezu 137. Druga największa awaria: Fukushima, 2011, emisja około 5t powyższych związków (skutkowała regulacjami w Niemczech oraz Japonii: ograniczenie ilości elektrowni jądrowych poprzez zaprzestanie budowy nowych).
Awaria w elektrowni Three Mile Island (USA, 1971): stopienie rdzenia i konieczność wypuszczenia części cząstek do atmosfery (emisja na poziomie dziesięciotysięcznych części MCi) oraz ewakuacji mieszkańców spowodowało łańcuch protestów w Stanach i głośny sprzeciw wobec energetyki jądrowej.
Sytuacja Polski: nie mamy ani jednej elektrowni jądrowej, próba zbudowania pierwszej zaowocowała jedynie „utopieniem” ogromnej ilości pieniędzy w przygotowania, które i tak spełzły na niczym. Wokół Polski znajduje się jednak ponad 70 europejskich elektrowni jądrowych.
Schemat cieplny elektrowni jądrowej: energia odzyskiwana jest w formie ciepła, grzeje wodę energia cieplna używana jest do otrzymania energii elektrycznej. Reaktor pełni więc rolę bardzo podobną do roli kotła w elektrowni cieplnej, przy czym sprawność cyklu dla elektrowni jądrowej szacowana jest na około 30%. Paliwo jest podawane w postaci pastylek paliwowych zawierających uran, regulacja mocy wychwytująca neutrony: np. węglik boru, czy jak w przypadku reaktorów radzieckich: grafit.
Systemy bezpieczeństwa (cztery bariery): koszulki cyrkonowe, zbiorniki reaktorowe, obudowa bezpieczeństwa, wykorzystanie naturalnych rozwiązań (np. siły ciężkości do odcięcia zasilania w przypadku awarii- pręty bezpieczeństwa wiszą przymocowane elektromagnesami, awaria- odcięcie prądu, pręty spadają; rozstawienie bloków lodu/ beczek z wodą jako zabezpieczenie w przypadku awarii- pochłoną one ciepło rozprężającej się pary).
Technologie radzieckie: mniej bezpieczne, charakteryzowały się gorszymi parametrami budynków szczelnych, było większe ryzyko nadużyć czy zaniedbań (jak w Czarnobylu- doszła do tego również kwestia technologii, tzn. w tej technologii- przy grzaniu wody moc rosła, co doprowadziło do reakcji łańcuchowej- wprowadzenie prętów bezpieczeństwa jeszcze podwyższyło moc; nie było tam obudowy bezpieczeństwa).
PWR (reaktor wodny ciśnieniowy)/WWER (nazwa radziecka): obieg reaktorowy: woda pod ciśnieniem 16MPa, pełni jednocześnie rolę chłodziwa dla reaktora oraz paliwa, podgrzewana jest do 280-320oC, a następnie trafia na wytwornicę pary, gdzie oddaje ciepło wodzie pod niższym ciśnieniem- ta zamienia się w parę wodną (278oC, 6MPa), a następnie rozpręża się w turbinie. Ze względu na parametry pary zużycie wody na jednostkę energii jest około 2 razy większe niż w przypadku tradycyjnej elektrowni cieplnej, co skutkuje koniecznością tworzenia odpowiednio dużych zbiorników oraz sprawnego układu chłodzenia (chłodnie kominowe). Plusem PWR jest zamknięcie i odizolowanie całego obiegu reaktorowego w budynku szczelnym, który połączony jest z częścią służącą do wytwarzania energii poprzez wytwornicę pary- nie ma mieszania substancji, para dochodząca do turbiny nie jest poddawana wpływowi reaktora). Odizolowanie obiegu reaktorowego umożliwia zwiększenie bezpieczeństwa: ze względu na parametry wody w tym obiegu ewentualne rozszczelnienie skutkowałoby eksplozją i ryzykiem uwolnienia substancji promieniotwórczym, dzięki czemu budynki reaktorowe są odpowiednio trwałe, aby zahamować taki wybuch i nie dopuścić do rozprzestrzenienia się skażenia.
BWR (reaktor wrzący wodny): woda będąca czynnikiem chłodzącym dla reaktora trafia do turbiny (otrzymywanie pary na reaktorze), może więc być promieniotwórcza.
RBMK, technologia Związku Radzieckiego (taki reaktor zamontowany był m.in. w Czarnobylu)- bardzo ekonomiczna, umożliwiająca również produkcję plutony, jednak bardzo trudna do opanowania (ryzyko utraty stabilności). Zasada działania analogiczna do BWR, wykorzystany jest moderator grafitowy.
Reaktor prędki: reaktor chłodzony sodem ciekłym, zagrożeniem jest jego reakcja z wodą, w której wydziela się wodór- rozszczelnienie obiegu powoduje więc wielkie ryzyko eksplozji. Plusem reaktorów prędkich był fakt, iż możliwa była w nich produkcja pluton- zagrożenie było jednak przeważające, przez co jeszcze w XX wieku wycofano się ze stosowania tej technologii (szczególnie, że konieczne było mocniejsze wzbogacanie uranu- a nie tylko o 2-3% jak w przypadku BWR czy PWR).
Reaktory PWR trzeciej generacji: EWR, dopiero w budowie, najnowocześniejsza klasa reaktorów. Energetyka jądrowa wymaga bardzo dużych nakładów finansowych na rozpoczęcie działalności, ale jest stosunkowo tania (niskie koszty eksploatacji, duża liczba godzin roboczych/rok- biorąc pod uwagę również koszty budowy, cena za jednostkę energii wychodzi niższa niż w przypadku elektrowni „ekologicznych”, ale wyższa niż np. w przypadku elektrowni węglowych) i nie produkuje dużo zanieczyszczeń- mimo tego, strach przed ewentualnymi nadużyciami sprawia, iż spotyka się ona z oporem społeczeństwa (np. w przypadku planów budowy w Żarnowcu czy Gąskach).
Optymalizacja procesu spalania: procesy spalania zawsze optymalizowane były ze względu na ilość otrzymanej w ich wyniku energii oraz substancji będących skutkami ubocznymi spalania (np. w przypadku węgla- poza CO oraz dwutlenkiem węgla- pojawiają się tlenki azotu oraz siarki)- substancje te mogą być bardzo groźne nawet w niewielkich stężeniach, działając jak trucizny.
Popiół jako produkt spalania: stanowią go niepalne mineralne części w paliwie, jego zawartość stanowi nawet do 60% związków spalanych w celach energetycznych. Popioły zawierają dwie zasadnicze grupy cząstek: przynależne, czyli te powstałe ze składników roślinnych paliw, oraz obce- te, które dostały się z zewnątrz, np. poprzez odkładanie pyłów czy weszły do struktury przez szczeliny, rysy lub pęknięcia.
Główne cząsteczki stanowiące odpady stałe (odzyskiwane np. przy odpylaniu): Al2O3, SiO2, TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O. Skład popiołu zależy od paliwa- szczególnie węgiel brunatny ma bardzo zróżnicowany skład.
Popiół jako produkt spalania występuje w trzech zasadniczych formach:
Żużla- spieczonych brył lub pyłu gromadzącego się pod komorą paleniskową, ewentualnie: granulatu w kotłach z płynnym odprowadzaniem żużla.
Popiołu drobnego- ziarna o niewielkich wymiarach i „lotny koksik”- cząstki niespalonego paliwa; popiół drobny początkowo unosi się ze strumieniem spalin, a następnie- wytrąca się.
Popiołu lotnego- drobniutkich cząstek unoszących się ze strumieniem spalin, częściowo (najchętniej: w jak największym stopniu) wytrącanych w instalacjach odpylających.
Kotły rusztowe: kotły pobierające tlen od dołu, węgiel się nie zsypuje i jest dotleniany, ruszty to np. poruszające się taśmy- węgiel przechodzi przez kocioł wypalając się, aby uzyskać maksimum energii.
Kotły pyłowe: węgiel podawany jest w postaci miału, spalany jest w kotle (żużel spada do wanny żużlowej). Powstaje wtedy dużo więcej popiołu lotnego, z tego względu w kotłowni panuje obniżone ciśnienie w stosunku do reszty elektrowni- aby zanieczyszczenie nie rozprzestrzeniały się przy wchodzeniu.
Odpylanie cyklonowe: odpylanie z gazu, układy hydrauliczne: wykorzystanie wody do zbierania zanieczyszczeń.
Pylenie wtórne- ponowne „odlatywanie” popiołu, tylko nie na skutek spalania, ale- ze składowiska.
Wykorzystanie produktów spalania paliw energetycznych:
Żużel i popioły: produkcja betonu, cegieł, materiałów budowlanych, również- do wysypywania dróg (w szczególności w przeszłości).
Mikrosfery (krzemionki w postaci pustych w środku sfer)- wykorzystywane jako materiał izolacyjny, wykorzystywane są nawet do produkcji pokryć promów kosmicznych ze względu na lekkość oraz dobre parametry.
Cechy charakteryzujące pyły:
Ziarna mogą wchodzić w skład aerozolu (faza rozproszona) bądź w skład warstwy pyłu osadzonego
Ziarna mogą mieć różnorodne kształty i rozmiary (struktura polidyspersyjna)
Ziarna pyłu są często porowate, mogą mieć zróżnicowane cechy.
Skutki parametrów ziaren: małe ziarna opadają wolniej, prędkość opadania wymaga wyznaczenia masowych bądź objętościowych stopni udziału różnych wielkości odpadów.
Odpylanie:
Suche:
Grawitacyjne (np. komory osadcze, półkowe- zwykle mało skuteczne)
Inercyjne, inercyjno-grawitacyjne: (np. żaluzjowe)
Odśrodkowe (np. cyklony, multicyklony- skuteczność cyklonów nowej generacji jest o około 20% wyższa niż przy starszych, osiąga nawet do 85% skuteczności dla bardzo małych cząstek- poniżej 5 mikrometrów- i blisko 100% dla większych)
Filtracyjne (np. ziarniste, tkaninowe, siatkowe, włókninowe)
Elektrostatyczne (np. elektrofiltry)
Mokre:
Cyklony mokre
Kolumny ociekowe
Rozprzestrzenianie się pióropusza dymu: ma znaczenie zarówno wysokość geometryczna komina, jak i jego wysokość skuteczna (czyli biorąca pod uwagę również prędkość cząsteczek wydobywających się z komina). Wysokie kominy ograniczają ilość zanieczyszczeń w bezpośrednim sąsiedztwie źródła emisji, ale wiatr i czynniki atmosferyczne mogą sprawiać, iż cząstki opadną w dużej odległości od źródła.
Kategorie jednostek emisji:
Pośrednia (masa zanieczyszczeń odniesiona do strumienia energii)
Masowo-objętościowa (masa odniesiona do objętości zanieczyszczeń)
Stężeniowa I i stężeniowa II (liczba cząstek na milion masowo i liczba cząstek na milion- objętościowo)
Strumień masy (ilość emitowanej substancji w jednostce czasu)
Decyzja o przydziale emisji/pozwolenie zintegrowane: dokument pozwalający na emisję zanieczyszczeń do atmosfery (trzeba płacić za emisję owych substancji niebezpiecznych)