Maciejewski Marcin kl.IIId
Alternatywne źródła energii
Wstęp
Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu domostw czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla brunatnego, kamiennego, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, zalety energii elektrycznej, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie.
Kryzys energetyczny, który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw oraz względy ochrony środowiska zwiększyły zainteresowanie nowymi, niekonwencjonalnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii.
Te niekonwencjonalne źródła energii można podzielić na: źródła odnawialne i nieodnawialne :
odnawialne źródła energii elektrycznej: energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich i energia cieplna oceanów (maretermiczna)
źródła nieodnawialne: wodór, energia magneto-hydro-dynamiczna i ogniwa paliwowe. Energię wewnętrzną ziemi (geotermiczną) można zaliczyć do obu rodzajów źródeł: gejzery są źródłem nieodnawialnym, energia gorących skał zaś jest energią odnawialną.
Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu stanowią bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do konwencjonalnych źródeł.
Ograniczenia w ich stosowaniu mogą być rodzaju:
technologicznego - ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania.
ekonomicznego - związane z dużymi kosztami ich stosowania
oraz politycznego lub prawnego - związanego z możliwościami dywersji w przypadku elektrowni jądrowych
społeczna akceptacja to najważniejszy problem energetyki jądrowej. Wiążą się z nim dodatkowe koszty i przedłużająca się budowa elektrowni, co tym samym jeszcze bardziej je zwiększa. W krajach takich jak Francja, gdzie energetyka jądrowa jest powszechnie akceptowana, elektrownie jądrowe budowane są szybko, co sprawia, że wygrywają bez trudu konkurencję z elektrowniami innych typów.
Prognozy optymistyczne szacują udział niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej na 15% w 2000 roku, pesymistyczne na 5%.
Elektrownie wiatrowe w Polsce
Najnowocześniejsze i najwydajniejsze elektrownie wiatrowe znajdują się na północy kraju niedaleko Lisewa. Pierwsza z nich powstała w 1991r. Produkcji duńskiej, wirnik o 3 łopatkach długości 12m umieszczony jest na wysokości 33m. Posiada moc 150kW - nie brzmi imponująco - można powiedzieć, że około 100 okolicznych domów ma prąd z powietrza. Ale imponuje tym, czego nie ma! W pierwszym roku uzyskano ok. 260 MWh. Gdyby tę samą wartość wytworzyć w elektrowni cieplnej, przyniosłoby to również skutki w postaci : 1200-2100kg dwutlenku siarki, 800-1550 kg tlenków azotu, 200-300 t dwutlenku węgla czy 10-18 t popiołu. I robi się o wiele ciekawiej. Obecnie pracują 3 takie elektrownie wiatrowe. Przy b. dużej ilości turbin (farmy) pojawia się inny problem - hałas.
Kolektory słoneczne
Uśredniony po szerokościach geograficznych, porach roku itp. strumień energii słonecznej na powierzchni
Ziemi wynosi około 164 W/m2 (w tym wypadku użyłem legalnych jednostek układu SI). Podkreślam, że jest to dobowa wartość średnia. Jeżeli uwzględnić tylko 8- godzinny „dzień pracy" Słońca od 8 rano do 4 po południu, to dla miejscowości na szerokości geograficznej 40 o wspomniana wartość ta wyniesie około 600 W/m2. W ciągu „dnia pracy" Słońce dostarczy wtedy 4.8 kWh/m 2 , co odpowiada mniej więcej energii 0.5 l benzyny na m 2 na dzień. Oczywiście, nieco większa jest ta wartość latem, a mniejsza zimą. No i, oczywiście, nocą nie otrzymujemy nic z owej darmowej energii.
Wyobraźmy sobie, że udało nam się zbudować domek jednorodzinny, którego powierzchnia dachu, nadająca się do zamontowania jakiegoś urządzenia przetwarzającego energię słoneczną w energię cieplną i elektryczną, wynosi 100 m 2 . Powiedzmy, że na początek chcemy Słońcem ogrzać nasz dom, wodę do kąpieli i zmywania naczyń. Ot, takie minimalistyczne wymagania cywilizacyjne.
Do ogrzania pomieszczeń potrzeba, podczas normalnej zimy, nie jakiejś zimy stulecia, około 100 kWh dziennie. Jeżeli przyjąć, że do naszego ogródka dociera 4.8 kWh/m 2 i podgrzewamy dom za pomocą płaskiego kolektora, w którym promieniowanie ogrzewa krążący w cienkich rurkach płyn niezamarzający, to przy około 50- procentowej sprawności potrzebujemy na to około 45 m 2 . Podobnie, aby podgrzać 400 l wody z 10 o do 50 o C, potrzeba dodatkowo 20 m 2 . Ponieważ urządzenie nasze nie będzie działać w nocy, dobrze by było zgromadzić zapas energii. Najefektywniejszym termodynamicznie sposobem jest jej magazynowanie w podgrzanej wodzie. Można oszacować, że potrzeba na to około 20 ton wody. Dwie duże cysterny na domek! A co z resztą cywilizacyjnych urządzeń?
Elektrownie jądrowe
W elektrowni jądrowej następuje w procesie rozszczepiania jąder atomów uranu, plutonu lub toru wyzwolenie energii cieplnej, którą wykorzystuje się do wytworzenia pary wodnej. Energia cieplna tej pary zostaje przemieniona w energię mechaniczną w procesie rozprężania pary zachodzącego w turbinie, a dalej następuje przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną w napędzanym przez łopatki turbiny generatorze prądu.
Reakcja rozszczepienia jądra uranu, plutonu lub toru następuje wówczas gdy po zderzeniu neutronu z jądrem pierwiastka następuje pochłonięcie neutronu. W wyniku rozszczepienia jądra pierwiastka ciężkiego (jakim jest uran, pluton i tor) powstają dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wykorzystanie tej energii cieplnej jest celem eksploatacji reaktorów energetycznych,. Część pozostałej energii wydziela się w postaci promieniowania gama, dalsza jej część wydziela się z opóźnieniem jako promieniowanie beta i gama produktów rozszczepienia.
Obieg technologiczny elektrowni jądrowej dzieli się na:
obieg pierwotny, który obejmuje rozszczepianie atomów, wytwarzanie energii cieplnej w reaktorze jądrowym i przekazanie jej w wymienniku do obiegu wtórnego
obieg wtórny obejmuje wszystkie dalsze ogniwa procesu technologicznego wytwarzania energii elektrycznej
Podstawowym elementem obiegu pierwotnego jest reaktor. Najbardziej rozpowszechnione reaktory energetyczne to reaktory wodne i ciśnieniowe.
Awarie w elektrowniach jądrowych: amerykańskiej w Three Island w 1979 i radzieckiej w Czarnobylu 1986 wywołały wiele kontrowersji. Koncern ABB zaprojektowały elektrownię jądrową z reaktorem PIUS a koncern Westinghouse nazwał bezpieczny reaktor jądrowy kryptonimem AP-600. Oba reaktory charakteryzują się tym, że bezpieczeństwo ich pracy osiągnięto przez odwrócenie dotychczasowych zasad projektowania: zamiast powiększenia liczby urządzeń i stosowania wyrafinowanych układów bezpieczeństwa zastosowano tzw. pasywny (bierny system bezpieczeństwa). Polega on na tym, że reaktor jest bezpiecznie odstawiany przy jakimkolwiek zaburzeniu w jego pracy - bez działania urządzeń pomocniczych, a jedynie przez działanie sił grawitacji (np. naturalne chłodzenie powietrzne). Rozwiązania techniczne zastosowane przy projektowaniu elektrowni jądrowych z reaktorami PIUS i AP-600 wydają się tworzyć nową erę całkowicie bezpiecznej energetyki jądrowej.
Obiegi wtórne w elektrowni jądrowej to obieg parowy, wodny i elektryczny, które są w zasadzie identyczne jak w elektrowni konwencjonalnej. Dodatkowe wymagania co do elementów tych obiegów dotyczą zwiększonej niezawodności działania, wynikającej z specyfiki elektrowni jądrowej.
Wpływ na środowisko
W Polsce podstawowym aktem prawnym, normującym działalność w zakresie wykorzystywania energii jądrowej na potrzeby społeczno-gospodarcze kraju jest ustawa z dnia 10. Kwietnia 1986 roku „Prawo atomowe”.
Elektrownia jądrowa podczas eksploatacji wywiera wpływ na środowisko poprzez:
wydzielenie produktów promieniotwórczych do atmosfery
wydzielenie produktów promieniotwórczych do wód zrzutowych
wydzielenie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
Kryzys gospodarczy w latach 1989-1992 spowodował spadek zapotrzebowania na energię elektryczną, tak więc budowa nowych źródeł mocy stała się - przejściowo niepotrzebna. To sprawiło, że budowa elektrowni jądrowych w Polsce może być odłożona na okres po roku 2000. Planuje się budowę kilku elektrowni gazowych, które są mniej uciążliwe dla środowiska od cieplnych węglowych.
Jak dotąd nie produkujemy energii elektrycznej z ekologicznie czystego źródła jakim jest reakcja rozszczepienia uranu przeprowadzona w sposób kontrolowany w reaktorze jądrowym. Miernikiem naszego zacofania w tej dziedzinie jest fakt iż w 34 krajach świata funkcjonuje kilkaset bloków jądrowych (432 w 1995r.) dając średni udział 17% w całości dostawy energii. Aż w 15 krajach udział energii elektrycznej z elektrowni jądrowych stanowi co najmniej 30%.
-Japonia - ponad 50 reaktorów
-Szwajcaria nie posiada ani jednej elektrowni na węgiel! - cała energetyka oparta jest na elektrowniach wodnych i jądrowych. Poza tym istnieje 1 elektrownia konwencjonalna na olej.
-wszyscy nasi sąsiedzi (prócz Białorusi) posiadają elektrownie jądrowe
Kraj |
Reaktory w eksploatacji |
|
Reaktory w budowie Liczba bloków |
Energia elektryczna dostarczana przez elektrownie jądrowe w 1994r % Udziału w całości |
|
Liczba bloków |
Moc zainstalowana (MW) |
|
|
1. Argentyna 2. Armenia 3. Belgia 4. Brazylia 5. Bułgaria 6. Chiny 7. Tajwan 8. Czechy 9. Finlandia 10. Francja 11. Holandia 12. Hiszpania 13. Indie 14. Iran 15. Japonia 16. Kanada 17. Kazachstan 18. Korea Pd. 19. Kuba 20. Litwa 21. Meksyk 22. Niemcy 23. Pakistan 24. Rep. Pd. Afryki 25. Rosja 26. Rumunia 27. Słowacja 28. Słowenia 29. Szwecja 30. Szwajcaria 31. Ukraina 32. USA 33. Węgry 34. Wlk. Brytania 35. Włoch |
2 - 7 1 6 3 6 4 4 56 2 9 9 - 50 22 1 10 - 2 2 21 1 2 29 - 4 1 12 5 14 109 4 34 - |
935 - 5570 626 3538 2092 4918 1552 2310 58283 508 7048 1800 - 39748 15446 135 8205 - 2500 1308 21810 125 1840 20246 - 1592 632 9999 3050 12264 99850 1640 11340 - |
1 - - 1 - 2 - 2 - 4 - - 5 2 4 - - 6 2 - - - 1 - 6 5 4 - - - 6 1 - 1 - |
14 - 56 0,01 46 1,5 32 28 30 75 5 35 1 - 31 19 1 35 - 76 3 30 1 6 13 - 49 38 51 36 34 22 44 26 - |
Dane na rok 1996
Elektrownie wodne w Polsce
Energetykę wodną można podzielić na dwa rodzaje :
- wodne wykorzystujące potencjał energetyczny
- wodne szczytowo-pompowe przechowujące energię wytworzoną w innych elektrowniach (w Polsce elektrowniach cieplnych - węglowych) w okresach małego zapotrzebowania (w nocy) by oddać ją w okresach zapotrzebowania szczytowego.
Potencjał energetyczny naszych wód ocenia się na 12 TWh rocznie. Wykorzystywany jest obecnie w ok. 15%. Uwzględniając prawie całkowity brak ujemnego wpływu na środowisko, ten margines energetyki jest dla gospodarki b. ważny.
<DIV align="center">
Stopień wykorzystania energetycznego rzek w wybranych krajach Europy |
|
1. Szwajcaria 2. Francja 3. Hiszpania 4. Norwegia 5. Szwecja 6. Austria 7. POLSKA |
92% 82% 79% 63% 63% 49% 14-15% |
</DIV>
Warto spojrzeć na wykorzystanie tego potencjału w innych krajach europejskich.
<DIV align="center">
Udział elektrowni wodnych w krajowej mocy zainstalowanej w wybranych krajach Europy |
|
1.Norwegia 2.Austria 3.Portugalia 4.Szwecja 5.Włochy 6. POLSKA |
99,8% 66,7% 48,0% 47,3% 31,5% 7,3% |
</DIV>
<DIV align="center">
Moc ważniejszych elektrowni wodnych w Polsce w MW |
|
ZEW - zespół elektrowni wodnych EW - elektrownia wodna ESP - elektrownia szczytowo pompowa |
|
1. ESP Żarnowiec 2. ZEW Porąbka - Żar - Tresna 3. EW Włocławek 4. ESP Żydowo 5. ZEW Solina - Myczkowice 6. ZEW Dychów 7. ZEW Rożnów - Czchów 8. ZEW Koronowo - Tryszczyn - Smukała 9. ZEW Płoty 10.EW Dębe 11.ZEW Straszyn 12.ZEW Jastrowice 13.ZEW Żur- Grodek 14.EW Wały 15.ZEW Pilichowice 16.POLSKA |
716 533,6 160,2 150 144,3 100,9 64 33,3 33 20 13,7 12,9 11,9 10,8 9,2 1813,8 |
Elektrownia w Żarnowcu
Kilka słów o największej w Polsce elektrowni szczytowo pompowej w Żarnowcu. W początkowych planach miała współpracować z elektrownią jądrową. Jej moc wynosi 800/716MW. Sztuczny zbiornik na szczycie wzgórza morenowego o pojemności prawie 14 mln metrów sześciennych i powierzchni 135 hektarów (bardziej obrazowo - 130 boisk piłkarskich) znajduje się 100 metrów powyżej Jeziora Żarnowieckiego, do którego spuszczana jest woda 4 rurami (średnica pozwalająca na wjazd autobusu). Dno zbiornika górnego jest wysłane asfaltem. Przecieki z niego mogłyby zakończyć się tragicznie!
Zasada działania: woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół; na końcu trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd; trwa to około 4,5-5 godzin. Najczęściej nocą, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny radykalnie spada - przeprowadza się cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci - o tej porze jest jej nadmiar i należałoby odstawić bloki w elektrowniach cieplnych, co jest i nieekonomiczne, i kłopotliwe technicznie, elektrownia szczytowo-pompowa akurat odbiera nadmiar mocy. W ciągu 6 godzin zbiornik górny jest ponownie napełniony.
Inne
-Walijska firma Dulas produkuje słoneczne układy zasilania lodówek i wyposażenia szpitalnego - wiele szpitali w Erytrei może dzięki nim pracować.
-Angielski inżynier Baylis zbudował proste radio zasilane ręcznie napędzanym dynamem - wystarczy 25s nakręcania na godzinę pracy radia. W RPA pewna firma produkuje 20tys. takich odbiorników miesięcznie.
-Samochody na prąd elektryczny ? Tradycyjne nie mają większego sensu, ale... Kilka miesięcy temu amer. firma ADL ujawniła swój silnik samochodowy oparty na ogniwie paliwowym tzn. na takim w którym energia chemiczna zamieniana jest bezpośrednio na elektryczną. (wodór + tlen = woda + prąd ze sprawnością 70-80%)
-idea zaspokojenia naszych potrzeb poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej „tu i teraz" nie daje spokoju marzycielom. W połowie sierpnia br. w Montrealu zebrali się entuzjaści kosmicznej elektrowni słonecznej. Byłoby to gigantyczne urządzenie zawieszone na orbicie geostacjonarnej, przez całą dobę przetwarzające energię słoneczną w mikrofale, których strumień skierowany byłby do odbiornika na Ziemi i następnie przetworzony w energię elektryczną. Delegacja NASA przedstawiła na konferencji aż 30 pomysłów. W tzw. realistycznym wariancie stacja kosmiczna miałaby „zaledwie" 50 km2, a stacja odbiorcza na ziemi 70 km2. Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się wspaniały. Ale jaka byłaby „maksymalna" sprawność takiego urządzenia? Okazuje się, że każdy z etapów przetwarzania energii w tym urządzeniu, z energii słonecznej w elektryczną, następnie w mikrofale i znowu, już na ziemi, w elektryczność, ma sprawność poniżej 30%. Tak więc zaledwie 3% energii słonecznej dotrze w ten sposób z orbity do odbiorcy na ziemi.
- ogrzewanie mikrofalami
Zakończenie
Rozwój tak znienawidzonej przez skrajne ruchy ekologiczne cywilizacji energochłonnej przeniósł do lamusa historii wielkoprzemysłową klasę robotniczą i uwolnił człowieka od ciężkiej pracy fizycznej. Było to możliwe, ponieważ wyczerpywaniu się prymitywnie dostępnej energii słonecznej towarzyszyły odkrycia naukowe pozwalające wykorzystywać nowe źródła energii, zdeponowane w ziemi. Nie ulega wątpliwości, że proces wyczerpywania się paliw kopalnych stanie się prędzej czy później dramatycznym problemem cywilizacji. Oszczędniejsze zużywanie energii, próby racjonalizacji jej zużycia, sięganie po dostępne w małej skali lokalne źródła, jak choćby wspomniane wcześniej bezpośrednie ogrzewanie domów słońcem, wszystko to może odrobinę opóźnić ten problem, ale go nie rozwiąże. Na razie zużywamy depozyt energii z przeszłości, który jest jednak skończony. Ludzkość, by się rozwijać, musi sięgnąć po inne, nie związane z strumieniem energii słonecznej źródła energii. A Polska?
Sytuacja energetyczna Polski prowadzi do wniosku, że pilnym problemem jest zastępowanie węgla, jako źródła energii finalnej, energią elektryczną i gazem ziemnym, co oznacza, że do 2010 roku należy co najmniej podwoić wytwarzanie energii elektrycznej oraz znacznie zwiększyć dostawy gazu ziemnego. Do tego czasu należy przeprowadzić modernizację elektrowni i elektrociepłowni węglowych, a przede wszystkim zainstalować systemy oczyszczania gazów odlotowych. Sprawność usuwania szkodliwych gazów powinna przy tym wzrosnąć z obecnych 3% do 80-90%. W przeciwnym razie presja sąsiednich krajów europejskich wynikająca z umów międzynarodowych dotyczących poszanowania środowiska naturalnego będzie tak wielka, że zostaniemy zmuszeni do rezygnacji z elektrowni węglowych.
Musimy budować elektrownie gazowe, a także gazowo-parowe, które są o wiele bardziej proekologiczne od węglowych. Niestety, ich funkcjonowanie zależeć będzie od importu gazu, co uzależni naszą energetykę od Rosji, jeżeli nie zapewnimy jego dostaw z innych rejonów świata. Trzeba więc podjąć działania w sprawie budowy w Polsce pierwszej elektrowni jądrowej i opracować program dalszego rozwoju energetyki jądrowej. W moim przekonaniu rozwój energetyki jądrowej i stopniowa likwidacja siłowni węglowych jest wariantem nie tylko najlepszym ze względów ekologicznych, ale również opłacalnym ekonomicznie. Te względy, j a k również wyczerpywanie się zasobów paliw organicznych, spowodują, że XXI wiek będzie wiekiem energetyki jądrowej.
Literatura:
„Energetyka a ochrona środowiska” J.Kucowski, D.Laudyn. M.Przekwas, W-wa 1994
„Energia. Jak oszczędzać energię. Poradnik użytkownika” 6/19 lipiec 1996
„Wiedza i życie” 11/1998 - „Energetyczne dylematy” - Łukasz A.Turski
„Wiedza i życie” 12/1997 - „Energia i my” - Łukasz A.Turski
„Wiedza i życie” 11/1996 - „Czy Polska potrzebuje energetyki jądrowej” - Andrzej Z. Hrynkiewicz
„Świat nauki” 11/1998 - „Termiczne ogniwa fotowoltaiczne” - T.Coutts, M.Fitzgerald
„Inteligentny dom” 1/1998-11-22
„Energetyka jądrowa, człowiek i środowisko” - Centrum Informatyki Jądrowej W- wa 1998
„Energetyka jądrowa a środowisko” H.J. Czosnowscy W-wa 1975