Energia jest podstawową cechą materii.

Transkrypt

1 Energia jest podstawową cechą materii. Energia to podstawowa wielkość fizyczna, opisująca potencjalną zdolność danego ciała materialnego do wykonania określonej pracy Energia (z greckiego ενεργός, energos, "aktywność, działanie" Ekologia - nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody, zajmująca się badaniem oddziaływań pomiędzy organizmami, a ich środowiskiem. Ekologia (z greckiego οίκοσ + λογοσ oikos + logos = dom + nauka) 0

2 Gospodarka Energetyczna Dział Nauki zajmujący się problemami racjonalnego pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii oraz planowania zapotrzebowania na energię w przyszłości. Podstawowe definicje i jednostki w energetyce Energia użytkowa energia potrzebna człowiekowi do podtrzymywania życia i rozwijania aktywności; wyróżnia się następujące postacie energii użytkowej: praca mechaniczna ciepło światło dźwięk energia chemiczna żywności i paszy energia chemiczna materiałów (surowce energetyczne i paliwa przetworzone). Energia pierwotna energia czerpana z przyrody w postaci odnawialnej i nieodnawialnej. Energia nieodnawialna energia chemiczna paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz energia paliw rozszczepialnych. Energia odnawialna energia słoneczna, energia wód, energia geotermiczna, energia wiatru, energia maremotoryczna i maretermiczna, energia biomasy. 1

3 Praca: A = P * t [J] Energia charakteryzuje stan ciała pod względem jego zdolności do wykonania pracy 1J=1W 1s 1kWh=1000W 3600s=3,6MJ moc: P = A t [W] Tablica 1. Wielokrotności jednostek exa E peta P tera T giga G 10 9 mega M 10 6 kilo k 10 3 hekto h 10 2 deka d

4 Wartość opałowa ilość energii, jaką można praktycznie uzyskać przy spalaniu paliw. Paliwo umowne wysokowartościowy węgiel o wartości opałowej 29.3GJ/t tp.u. tona paliwa umownego to.e tona oleju ekwiwalentnego 1 tp.u.=29,3076 GJ=8,141 MWh=0,7 to.e. 1 to.e.=41.86 GJ=11,6278 MWh=1,4286 tp.u. Strata energii jest to różnica między energią doprowadzoną A 1 a energią oddawaną A 2. DA = A 1 A 2 Sprawność pracy - A η 2 A= A 1 Sprawność mocy - η = P P P 2 1 Sprawność mocy jest wielkością charakterystyczną dla danego urządzenia. 3

5 1,0 0,9 η Wielka prądnica w elektrowni Wielki kocioł parowy Duży silnik elektryczny 0,8 Kotłownia c.o. opalana gazem ziemnym 0,7 Akumulator samochodowy 0,6 Mały silnik elektryczny Kotłownia c.o. opalana węglem 0,5 Piec węglowy indywidualny 0,4 Największa sprawność elektrowni cieplnej Silnik wysokoprężny (Diesel) 0,3 0,2 Średnia sprawność elektrowni w Polsce Silnik gaźnikowy (Otto) Świetlówka 0,1 Lokomotywa parowa 0 Żarówka oświetleniowa Rys. 1. Sprawności urządzeń energetycznych 4

6 [J] Energia wypromieniowana przez Słońce w ciągu doby 32 3*10 J Energia słoneczna kierowana na Ziemię w ciągu doby 22 1,49*10 J Zużycie energii pierwotnej na świecie w 1978r. 20 2,86*10 J 1EJ= PJ=10 15 Zużycie energii pierwotnej w Polsce w 1983r. 18 4,9*10 J 1TJ= GJ=10 9 1t paliwa umownego Roczna ilość energii w żywności na 1. osobę 10 2,93*10 J 9 4*10 J 1MJ= kilowatogodzina 3,6*10 J 1kJ= kaloria 4,184 J 1J * dżul = 1W * 1s 1 J Rys. 2. Wartości energii spotykane w świecie 5

7 ~880 USA MJ/M*24h Człowiek prymitywny, bez użycia ognia Myśliwy, początki używania ognia Prymitywne rolnictwo z użyciem siły zwierząt Rolnictwo, początek używania siły wiatru i wody ~430 Polska ~510 RFN ~1 mln ~ ~ r. 1980r. 1980r. 1980r. p.n.e Rys. 3. Dobowe zapotrzebowanie na energię 1 - żywność i pasze 2 - gospodarstwa domowe 3 - przemysł i rolnictwo 4 - transport 6

8 Źródła energii i jej podstawowe przemiany Rezerwy i zasoby energii pierwotnej Źródła energii pierwotnej a) paliwa pierwotne węgiel kamienny węgiel brunatny ropa naftowa gaz ziemny b) paliwa jądrowe (materiały rozszczepialne) c) woda d) wiatr e) gorące skały i woda z zewnątrz Ziemi f) inne. Obecnie ciągle jeszcze zasadniczym rodzajem wykorzystywanej energii jest energia chemiczna paliw pierwotnych. Zasoby to całkowita ilość danego surowca w skorupie ziemskiej. Zasoby dzielą się na: - zasoby udokumentowane i rozpoznane, jako możliwe do pozyskania w przyszłości przy obecnych i przewidywanych warunkach technicznych i ekonomicznych. - zasoby dodatkowe, wstępnie rozpoznane na podstawie informacji geologicznych, jako możliwe do eksploatacji w przyszłości. Rezerwy to część zasobów udokumentowanych nadających się do eksploatacji w obecnych warunkach technicznych i ekonomicznych (nadające się aktualnie do ekonomicznej eksploatacji). 7

9 Tablica 2. Światowe rezerwy i zasoby energii pierwotnej. Stan na koniec 2001r. 1 Źródła Rezerwy udokumentowane Zasoby szacunkowe energii ilość Gtoe ilość lat * ) ilość lat * ) ilość lat ** ) 1. Paliwa kopalne ropa naftowa gaz ziemny węgiel Energia jądrowa > (19. Kongres Światowej Rady Energetycznej, r.) 1 ) Ilość lat przy obecnym zużyciu 2 ) Ilość lat z uwzględnieniem dotychczasowego tempa wzrostu prognozowanego zużycia. Dla energii jądrowej teoretyczna ilość lat w przypadku zastosowania reaktorów powielających Wg szacunków autorów w/w raportu, w stosunku do rezerw zasoby: węgla są większe półtora do trzech razy ropy naftowej trzykrotnie do pięciu razy gazu ziemnego trzy i pół do sześciu razy Paliwa pierwotne, paliwa rozszczepialne zasoby stopniowo wyczerpujące się stanowią tzw. nieodnawialne źródła energii. Energia słoneczna, energia wód, energia mórz, energia wiatru, itd. zasoby praktycznie nie wyczerpują się stanowią tzw. odnawialne źródła energii). 1 Word Energy Assesment - Owerview 2004 Update UN Development Programme, World Energy Council 8

10 Szacowane wielkości rezerw i zasobów poszczególnych paliw pierwotnych Węgiel kamienny Światowe rezerwy w złożach do głębokości 1500m Tablica3 481 mld tp.u. Światowe zasoby w złożach do głębokości 2000m mld tp.u. Rezerwy w Polsce w złożach do głębokości 1000m 12 mld tp.u. Zasoby w Polsce w złożach do głębokości 2000m 121 mld tp.u. Węgiel brunatny Tablica 4 Światowe rezerwy w złożach do głębokości 600m 144 mld tp.u. Światowe zasoby w złożach do głębokości 1500m mld tp.u. Rezerwy w Polsce w złożach do głębokości 1000m 0,5 mld tp.u. Zasoby w Polsce w złożach do głębokości 2000m 5 mld tp.u. Ropa naftowa Tablica 5 Światowe rezerwy średnia wartość opałowa 159 mld tp.u. Światowe zasoby Najwięksi wydobywcy: 42,3 GJ/t 432 mld tp.u. Środkowy Wschód, Afryka Płn. WNP, Chiny Gaz ziemny Tablica 6 Światowe rezerwy Światowe zasoby przeliczeniowa wartość opałowa 751,1 MJ/nm mld tp.u. 269 mld tp.u. Największe złoża Rezerwy w Polsce Bliski Wschód, WNP 0,15 mld tp.u. Gaz ziemny wysokometanowy (93-95% CH 4 ) Podkarpacie wartość opałowa ok. 33,5 MJ/nm 3 Gaz ziemny zaazotowany (30-45% N 2 ) Niż środkowo-polski i Pomorze Zachodnie, wartość opałowa ok. 19 MJ/nm 3 9

11 Energia wód Tablica 7 Światowe rezerwy 1000 mld MWh Światowe zasoby 1000 mld MWh Wykorzystanie światowych rezerw ~30% Wykorzystanie krajowych rezerw ~15% Największe możliwości budowy elektrowni wodnych Ameryka Płd. Kanada, Syberia, Afryka Paliwa jądrowe Tablica 8 Światowe rezerwy uranu Rudy o zawartości powyżej 0,02% U Światowe zasoby uranu Największe zasoby rudy uranu Rudy o zawartości powyżej 0,005-0,02% U oraz łupki bitumiczne o zawartości 0,01-0,03% U Rosja, USA, RPA, Australia, Kanada, Niger, Francja Tor Głównym źródłem Toru jest monacyt (zawiera 3-9% Th) wspólnie z pierwiastkami ziem rzadkich (Tor otrzymywany jest jako produkt uboczny) Największe zasoby monacytu Rosja, Indie 10

12 a) b) c) Australia 12% Udział poszczególnych krajów w światowych rezerwach węgla kamiennego i brunatnego Niemcy 8% Indie 9% Ameryka Płd. 8,3% Ameryka Płn. 8,0% Afryka 7,0% Oceania 0,3% Pozostałe kraje USA 7% 23% USA Rosja Chiny 16% Rosja 25% Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach ropy naftowej Azja 5,9% Europa 6,6% Środkowy Wschód 63,9% Chiny Australia Indie Niemcy Pozostałe kraje Europa Środkowy Wschód Oceania Afryka Ameryka Płn. Ameryka Płd. Azja Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach gazu Ametryka Płd. 4,0% Ameryka Płn. 6,2% Afryka 6,8% Oceania 1,1% Środkowy Wschód 34,1% Azja 10,9% Europa 36,9% Europa Środkowy Wschód Oceania Afryka Ameryka Płn. Ametryka Płd. Azja Rys. 4. Rozłożenie surowców energetycznych na kuli ziemskiej 11

13 Racjonalizacja użytkowania energii Racjonalizm w potocznym znaczeniu to postawa polegająca na porządkowaniu i poddawaniu logicznej krytyce docierających do nas wiadomości i odrzucanie tych, które nie pasują do wcześniej przyjętych ogólnych założeń. Wikipedia Ograniczona dostępność paliw pierwotnych wywołuje konieczność racjonalnego gospodarowania nimi, a także poszukiwania nowych źródeł energii. - Racjonalizacja strukturalna polega na zmniejszeniu udziału produkcji energochłonnej w gospodarce narodowej i zwiększeniu produkcji o niskiej energochłonności skumulowanej. - Racjonalizacja techniczna obejmuje zmiany w technologii, poprawę sprawności energetycznych urządzeń, zmniejszenie strat ciepła i wykorzystanie energii odpadowej. - Racjonalizacja organizacyjna dotyczy poprawy organizacji i eksploatacji urządzeń energetycznych i energotechnologicznych oraz poprawy organizacji przewozów. 12

14 Użytkowanie energii Wg Elektroenergetyka Polska 2005 Jan Popczyk Elektroenergetyka nr Rys. 5. Rozwój systemów zaopatrzenia świata w energię 13

15 Światowe zużycie energii pierwotnej w 2001 r. wyniosło 10 mld to.e. (przez 6.1 mld mieszkańców globu ziemskiego). Strukturę zużycia energii pierwotnej przedstawiono w tabeli Pochodzenie energii Tablica 9 Udział procentowy Ropa naftowa 35,1 Węgiel 22,6 Gaz ziemny 21,7 Jądrowa i odnawialne 20,6 i na rysunku Światowe zużycie energii pierwotnej Jądrowa i odnawialne 20,60% Ropa naftowa 35,10% Gaz ziemny 21,70% Węgiel 22,60% Ropa naftowa Węgiel Gaz ziemny Jądrowa i odnawialne Rys. 6 Udział poszczególnych rodzajów paliw w energii pierwotnej 14

16 Zużycie energii w poszczególnych regionach geograficznych jest bardzo nierównomierne Rozwinięte kraje OECD zamieszkałe przez 1/6 ludności świata zużywają prawie 60% energii pierwotnej i 63% energii elektrycznej. Kraje rozwijające się zamieszkałe przez 5/6 światowej populacji zużywają około 40% energii pierwotnej i 37% energii elektrycznej. Zużycie energii przez mieszkańców w krajach najbiedniejszych jest kilkadziesiąt razy niższe niż w krajach wysokorozwiniętych. Tabela 10. Zużycie energii pierwotnej i elektrycznej w wybranych krajach świata w 2000 r. Kraje Energia pierwotna to.e. /osobę Energia elektryczna kwh/osobę USA 8, Australia 5, Kanada 8, Polska 2, Etiopia 0,29 24 Sudan 0,52 67 Bangladesz 0, Senegal 0, Jeden pasażer podczas lotu Europa USA produkuje 2,5 t CO 2 tyle samo produkuje w ciągu roku 1 Hindus na własne potrzeby. 15

17 energia pierwotna wtórne nośniki energii przesyłanie lub przetwarzanie ostateczne w odbiornikach energetycznych przetwarzanie energii na postacie pochodne energia użyteczna Rys. 7 Schemat przemian energii Energia pierwotna Ogrzewanie pomieszczeń 30% Inne cele nieprodukcyjne 10% Transport 10% Przemysł, rolnictwo, budownictwo 50% Rys. 8. Cele użytkowania energii pierwotnej 16

18 Zużycie paliw pierwotnych Bezpośrednio w odbiornikach energetycznych Surowce przemysłowe Przetworzone w: - elektrowniach - elektrociepłowniach - ciepłowniach - koksowniach - gazowniach - rafineriach na wtórne nośniki energii: Przetworzone w: - energię elektryczną - ciepło grzejne - koks - gazy opałowe - produkty przerobu ropy naftowej zasilają odbiorniki energetyczne, źródła światła, siły, ciepła i zimna Rys. 9. Sposoby zużywania energii pierwotnej 17

19 Rys. 10S. Schemat przemian energii Bioenergia 18

20 Legenda do rys. 10S ENERGETYKA I EKOLOGIA EA - elektrownia jadrowa EWa - elektrownia wiatrowa EWd elektrownia wodna EK - elektrownia kondensacyjna EC elektrociepłownia C- ciepłownia Ch zakład karbochemii G gazownia K- koksownia R rafineria PS przemysł spożywczy a produkcja elementów paliwowych b suszenie c brykietowanie d - wzbogacanie e - odazotowywanie 19

21 Bioenergia 20

22 Rys. 10B Schemat przemian energii 21

23 Legenda do rys. 10B EA - elektrownia jądrowa EWa - elektrownia wiatrowa EWd elektrownia wodna EK - elektrownia kondensacyjna EC elektrociepłownia C- ciepłownia Ch zakład karbochemii G gazownia K- koksownia R rafineria PS przemysł spożywczy a produkcja elementów paliwowych b suszenie c brykietowanie d - wzbogacanie e - odazotowywanie 22