Analizowanie sposobów wytwarzania energii elektrycznej 311[08].O3.02

Transkrypt

1 MINISTERSTWO EDUKACJI i NAUKI Barbara Kapruziak Analizowanie sposobów wytwarzania energii elektrycznej 311[08].O3.02 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2005

2 Recenzenci: mgr inż. Henryk Kucharski dr inż. Gerard Lipiński Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Katarzyna Maćkowska Konsultacja: dr inż. Bożena Zając Korekta: mgr inż. Jarosław Sitek Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].O3.02 Analizowanie sposobów wytwarzania energii elektrycznej zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik elektryk. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

3 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 4 3. Cele kształcenia 5 4. Materiał nauczania Podstawowe pojęcia gospodarki energetycznej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Charakterystyka systemu elektroenergetycznego Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Sposoby wytwarzania energii elektrycznej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Elektrownie cieplne Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Elektrownie wodne Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów 5. Sprawdzian osiągnięć Literatura

4 1. WPROWADZENIE Poradnik, który Ci przekazujemy, będzie pomocny w przyswajaniu wiedzy o sposobach wytwarzania energii elektrycznej, a także w kształtowaniu umiejętności analizowania przemian energetycznych zachodzących podczas procesu wytwarzania energii elektrycznej w różnych rodzajach elektrowni. W Poradniku zamieszczono: wymagania wstępne określające umiejętności, jakie powinieneś posiadać, abyś mógł bez problemów rozpocząć pracę z poradnikiem, cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie opanujesz w wyniku kształcenia w ramach tej jednostki modułowej, materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne konieczne do opanowania treści jednostki modułowej, zestaw pytań sprawdzających, czy opanowałeś już podane treści, ćwiczenia, zawierające polecenia, sposób wykonania oraz wyposażenie stanowiska pracy, które pozwolą Ci ukształtować określone umiejętności praktyczne, sprawdziany postępów pozwalające sprawdzić Twój poziom wiedzy po wykonaniu ćwiczeń, sprawdzian osiągnięć opracowany w postaci testu, który umożliwi Ci sprawdzenie Twoich wiadomości i umiejętności opanowanych podczas realizacji programu jednostki modułowej, literaturę związaną z programem jednostki modułowej umożliwiającą pogłębienie Twej wiedzy z zakresu programu tej jednostki. 3

5 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Aby rozpocząć pracę z niniejszym Poradnikiem i tym samym przystąpić do realizacji programu jednostki modułowej Analizowanie sposobów wytwarzania energii elektrycznej powinieneś umieć: komunikować się i pracować w zespole, dokonywać oceny swoich umiejętności, korzystać z różnych źródeł informacji, wyszukiwać, selekcjonować, porządkować, przetwarzać i przechowywać informacje niezbędne do wykonywania zadań zawodowych, dokonywać jakościowej i ilościowej analizy zjawisk fizycznych, dokonywać klasyfikacji, porównań, poszukiwać analogii oraz dostrzegać związki przyczynowo-skutkowe między wielkościami i zjawiskami, interpretować założenia teoretyczne i stosować je w praktyce, przedstawiać graficznie zależności oraz interpretować wykresy, tabele i schematy, analizować treść działania, dobierać metody i plan rozwiązania, uzasadniać działanie na podstawie określonej teorii, planować czynności, tabele pomiarów, prezentować wyniki opracowań, rysować schematy, montować układy, wykonywać pomiary, interpretować wyniki doświadczeń i dokonywać uogólnień, samodzielnie podejmować decyzje, rozróżniać i charakteryzować różne surowce energetyczne, posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu elektroenergetyki, swobodnie posługiwać się językiem technicznym. 4

6 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej Analizowanie sposobów wytwarzania energii elektrycznej powinieneś umieć: zdefiniować pojęcie system elektroenergetyczny, rozpoznać elementy składowe systemu elektroenergetycznego, sklasyfikować urządzenia wchodzące w skład systemu elektroenergetycznego, sklasyfikować elektrownie ze względu na wykorzystywany nośnik energii, wyjaśnić różnice między elektrownią podstawową, podszczytową i szczytową, wyjaśnić przemiany energetyczne występujące w procesie wytwarzania energii elektrycznej w różnych rodzajach elektrowni i oszacować ich sprawność, określić funkcje urządzeń biorących udział w procesie wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni, wyjaśnić na schemacie proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni, objaśnić funkcjonowanie niekonwencjonalnych źródeł energii, scharakteryzować wpływ energetyki zawodowej na środowisko, wskazać sposoby ograniczenia ujemnego wpływu energetyki zawodowej na środowisko, skorzystać z literatury technicznej i technologii informacyjnej. 5

7 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Podstawowe pojęcia gospodarki energetycznej Materiał nauczania Energetyka jest to dział gospodarki obejmujący przetwarzanie, gromadzenie, przenoszenie i wykorzystanie energii, a także dziedzina nauki zajmująca się tymi zagadnieniami. Elektroenergetyka jest to dział energetyki zajmujący się problematyką wytwarzania, przesyłania, przetwarzania, dostarczania oraz użytkowania energii elektrycznej. System elektroenergetyczny jest to zbiór wszystkich współpracujących i wzajemnie powiązanych ze sobą urządzeń, służących do wytwarzania, przetwarzania, przesyłania, rozdzielania i odbierania energii elektrycznej (rys.1). Elektrownia Stacja transformatorowo- Sieć rozdzielcza przesyłowa Odbiorca Stacja transformatoroworozdzielcza Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy systemu elektroenergetycznego [ własne] Podział urządzeń elektroenergetycznych ze względu na funkcję pełnioną w systemie: 1. Urządzenia wytwórcze: generatory. 2. Urządzenia przetwórcze: transformatory, prostowniki, falowniki, przetworniki. 3. Urządzenia przesyłowe: linie napowietrzne, linie kablowe, szyny. 4. Urządzenia rozdzielcze: wyłączniki, rozłączniki, odłączniki, bezpieczniki. 6

8 5. Urządzenia odbiorcze: silniki, urządzenia oświetleniowe, urządzenia grzejne, inne. 6. Urządzenia pomocnicze: zabezpieczające, sygnalizacyjne, pomiarowe, sterownicze. Sieć elektroenergetyczna jest to zespół urządzeń uczestniczących w przekazywaniu energii elektrycznej od wytwórcy do użytkowników (służy do połączenia urządzeń wytwórczych, czyli elektrowni z dużą liczbą odbiorców energii elektrycznej). W skład sieci elektroenergetycznej wchodzą: linie przesyłowe (napowietrzne i kablowe), stacje transformatorowo-rozdzielcze, instalacje. Klasyfikacja sieci elektroenergetycznych ze względu na wartość napięcia znamionowego: 1) sieć ultrawysokich napięć (skrót: UWN) 750 kv, 2) sieć najwyższych napięć (skrót: NN) 400 kv, 220 kv, 3) sieć wysokich napięć (skrót: WN) 110 kv, 4) sieć średnich napięć (skrót: SN) od 1 kv do 60 kv (6; 10; 15; 30 kv; 60 kv rzadko), 5) sieć niskich napięć (skrót: nn) do 1 kv (230/400 V). Klasyfikacja sieci elektroenergetycznych ze względu na przeznaczenie: 1) sieci przesyłowe 220 kv; 400 kv; 750 kv, 2) sieci rozdzielcze do 110 kv, w tym: instalacje do 1 kv. Sieć przesyłowa jest to sieć elektroenergetyczna służąca do przesyłania energii elektrycznej na większe odległości. Sieć rozdzielcza jest to sieć elektroenergetyczna służąca do rozdzielania i doprowadzania energii elektrycznej do odbiorców. Instalacja jest to sieć rozdzielcza mieszcząca się wewnątrz pomieszczeń. Stacja transformatorowo-rozdzielcza jest to obiekt obejmujący zespół urządzeń służących do transformowania energii elektrycznej na inną wartość napięcia oraz do rozdzielania tej energii Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Czym zajmuje się elektroenergetyka? 2. Co to jest system elektroenergetyczny? 3. Do czego służy sieć elektroenergetyczna? 4. Co wchodzi w skład sieci elektroenergetycznej? 5. Jak dzielą się sieci elektroenergetyczne ze względu na wartość napięcia? 6. Jak można podzielić sieci elektroenergetyczne ze względu na przeznaczenie? 7

9 7. Jakie napięcia występują w sieciach przesyłowych? 8. Przy jakich napięciach pracują sieci rozdzielcze? 9. Do czego służy sieć przesyłowa? 10. Jakie jest przeznaczenie sieci rozdzielczych? 11. Co to jest instalacja? 12. Co to jest stacja transformatorowo-rozdzielcza? 13. Do jakiej grupy urządzeń elektroenergetycznych należy generator? 14. Które urządzenia należą do grupy urządzeń przetwórczych? 15. Jakie urządzenia wchodzą w skład urządzeń rozdzielczych? 16. Jakie mogą być przykłady urządzeń odbiorczych? 17. Które urządzenia zaliczane są do grupy urządzeń pomocniczych? 18. Jaką grupę urządzeń stanowią linie napowietrzne i kablowe? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dopasuj określenia podane w postaci opisu słownego do następujących pojęć: elektroenergetyka, system elektroenergetyczny, sieć elektroenergetyczna, sieć rozdzielcza, instalacja. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) przeczytać dokładnie opis słowny określonych pojęć i połączyć go w pary z właściwymi podmiotami tak, by powstała prawidłowa definicja danego pojęcia. Wyposażenie stanowiska pracy: pocięte, rozłożone bezładnie karteczki, w dwóch różnych kolorach, zawierające nazwę podmiotu (typ A kolor kartki, na przykład niebieski) i określenie, czyli opis słowny podmiotu (typ B kolor kartki, na przykład czerwony). Ćwiczenie 2 Wykonawca robót elektrycznych otrzymał do wyboru realizację trzech zleceń: I. sieć WN, II. sieć SN, III. sieć nn Postanowił wybrać propozycję nr I. Jaką sieć z punktu widzenia przeznaczenia będzie wykonywał? Do czego służy ta sieć? Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) podać, jakie są wartości liczbowe wartości napięć odpowiadających poszczególnym sieciom położyć na kartach zleceń I, II i III karteczki z właściwymi wartościami napięć, 2) wskazać, która z sieci o określonym przeznaczeniu może pracować przy danym napięciu, 3) dobrać kartkę z odpowiednim opisem słownym do wskazanego rodzaju sieci. 8

10 Wyposażenie stanowiska pracy: kartki zawierające numery zleceń I, II i III, kartki zawierające wybrane wartości napięć znamionowych, kartki z opisem słownym zawierającym definicję poszczególnych rodzajów sieci, literatura Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie system elektroenergetyczny? 2) zdefiniować, co to jest i do czego służy sieć elektroenergetyczna? 3) podać, co wchodzi w skład sieci elektroenergetycznej? 4) dokonać podziału sieci ze względu na wartość napięcia? 5) przyporządkować wartości napięć do poszczególnych typów sieci elektroenergetycznej? 6) dokonać podziału sieci ze względu na przeznaczenie? 7) zdefiniować pojęcie sieć przesyłowa? 8) zdefiniować pojęcie sieć rozdzielcza? 9) zdefiniować, co to jest instalacja? 10) zdefiniować pojęcie stacja transformatorowo-rozdzielcza? 11) podać przykłady urządzeń wytwórczych? 12) podać, które urządzenia należą do grupy urządzeń przetwórczych? 13) wymienić rodzaje urządzeń przesyłowych? 14) podać, które aparaty należą do grupy urządzeń rozdzielczych? 15) wymienić urządzenia wchodzące w skład urządzeń odbiorczych? 16) podać, jakie urządzenia należą do urządzeń pomocniczych? 9

11 4.2. Charakterystyka systemu elektroenergetycznego Materiał nauczania System elektroenergetyczny obejmuje zwykle obszar danego kraju i ze względów ekonomicznych jest centralnie sterowany. W Polsce za realizację procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom odpowiedzialny jest Krajowy System Elektroenergetyczny (KSE). Przesył energii elektrycznej wytworzonej w elektrowniach do ogromnej liczby odbiorców jest możliwy dzięki rozległej sieci linii i stacji elektroenergetycznych. W celu zmniejszenia strat przesyłu podwyższa się napięcie elektroenergetycznych linii przesyłowych, które w zależności od odległości, na jakie ma być przesyłana energia, będzie wynosić: 220 kv, 400 kv (NN) przy przesyłaniu energii na duże odległości, 110 kv (WN) przy przesyłaniu energii na odległości rzędu kilkudziesięciu kilometrów, 6 30 kv (SN) przy przesyłaniu energii w obrębie lokalnych sieci rozdzielczych. Najwyższe napięcie stosowane w polskim systemie elektroenergetycznym wynosi 750 kv (na linii Rzeszów Widełka Chmielnicka Elektrownia Atomowa na Ukrainie), przy czym polski odcinek ma długość 114 km. Napięcie podwyższone dla celów przesyłu musi być następnie obniżone do poziomu, na którym będzie możliwe zasilanie instalacji odbiorczych pracujących przy niskim napięciu 230/400 V. Wymaga to zastosowania stacji elektroenergetycznych: systemowych NN, rozdzielczych WN, transformatorowych zmieniających SN na nn. Sieć elektroenergetyczna zapewnia liczne połączenia pomiędzy elektrowniami, stacjami elektroenergetycznymi i odbiorcami energii elektrycznej. Im bardziej jest ona rozbudowana, tym większa jest niezawodność pracy całego systemu elektroenergetycznego. W Polsce właścicielem i gospodarzem sieci przesyłowej WN jest spółka akcyjna Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE). Sieć przesyłowa w Polsce (należąca do PSE) składa się z: 165 linii o napięciu 220 kv o łącznej długości 7895 km, 65 linii o napięciu 400 kv o łącznej długości 4832 km, 1 linii o napięciu 750 kv o łącznej długości 114 km. Węzły sieci przesyłowej stanowią 94 stacje energetyczne najwyższych napięć. PSE posiada również 14 linii o napięciu 110 kv i jednocześnie pełni operatywny nadzór nad całą siecią zamkniętą 110 kv (będącą najczęściej własnością spółek dystrybucyjnych). Często używa się określenia, że sieć 110 kv jest koordynowana przez PSE Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Dlaczego do przesyłu energii elektrycznej stosuje się podwyższone napięcie? 2. Jakie napięcie sieci elektroenergetycznej stosuje się przy przesyłaniu energii na bardzo duże odległości? 3. Kiedy do przesyłu energii elektrycznej stosuje się napięcie 110 kv? 4. W jakim przypadku można przesyłać energię elektryczną za pomocą sieci SN? 5. Kto w Polsce jest właścicielem sieci przesyłowej WN? 6. Co oznacza określenie, że sieć 110 kv jest koordynowana przez PSE? 10

12 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Na mapie sieci przesyłowej danego regionu zaznaczono pewne odcinki sieci, ale nie podano wartości napięć przesyłowych. Uzupełnij te braki (na przykład dla odcinków o następujących długościach: 650 km, 170 km, 35 km, 90 km). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zmierzyć na mapce zaznaczone odcinki będące elementami sieci przesyłowej, 2) przeliczyć te wartości na rzeczywiste odległości w terenie, 3) wybrać wartości napięć linii przesyłowych odpowiadające wyznaczonym odległościom zgodnie z przepisami. Wyposażenie stanowiska pracy: mapki z zaznaczonymi odcinkami sieci przesyłowej i podaną skalą, linijka, kalkulator, literatura. Ćwiczenie 2 Dokonaj analizy sytuacji Polski na tle Europy pod kątem stopnia rozbudowania i nowoczesności sieci przesyłowej. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) korzystając z różnych źródeł informacji wyszukać dane dotyczące: wartości napięć linii przesyłowych, długości linii sieci przesyłowej dla różnych poziomów napięć, liczby stacji elektroenergetycznych najwyższych napięć w Polsce i krajach Europy, 2) porównać te dane i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowiska komputerowe z dostępem do Internetu, materiały w postaci wydruków lub notatek przygotowanych przez ucznia w domu (jako praca domowa zadana wcześniej). 11

13 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) podać, dlaczego przesyłana energia musi mieć podwyższone napięcie? 2) wskazać wzajemne powiązania elementów systemu elektroenergetycznego? 3) przyporządkować wartości napięć sieci przesyłowej do jej długości? 4) podać, kiedy stosuje się sieci NN? 5) wymienić wartości najwyższych napięć? 6) podać, kiedy stosuje się sieci WN? 7) wymienić wartości napięć wysokich? 8) podać, kiedy można zastosować sieć SN? 9) wymienić wartości napięć średnich? 10) podać, kto w Polsce jest właścicielem sieci przesyłowej WN? 11) podać, jakie jest najwyższe napięcie stosowane w polskim systemie elektroenergetycznym? 12

14 4.3. Sposoby wytwarzania energii elektrycznej Materiał nauczania Surowce energetyczne Energia elektryczna (nazywana energią wtórną) jest wytwarzana metodami przemysłowymi w elektrowniach w wyniku przetwarzania tzw. energii pierwotnej. Do pierwotnych źródeł i postaci energii zalicza się: 1. Nieodnawialne źródła energii: paliwa konwencjonalne stałe, ciekłe i gazowe (węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny), paliwa rozszczepialne, energię MHD (magnetohydrodynamiczną), ogniwa paliwowe, energię biomasy. 2. Odnawialne źródła energii (ich zasoby same się odnawiają i z tego powodu są praktycznie niewyczerpalne): energię wód, energię wiatrów, energię słoneczną, energię geotermiczną, energię pływów morskich, energię fal morskich, energię cieplną oceanu. Klasyfikacja elektrowni I kryterium: w zależności od wykorzystanego surowca: 1. Elektrownie cieplne: parowe wykorzystują węgiel kamienny, brunatny, ropę naftową, gaz ziemny, jądrowe wykorzystują paliwa rozszczepialne. 2. Elektrownie wodne 3. Elektrownie niekonwencjonalne: wiatrowe, słoneczne, geotermiczne, generatory MHD, maremotoryczne (energia fal i prądów morskich), maretermiczne (energia cieplna oceanów). II kryterium: w zależności od przeznaczenia: 1. Elektrownie zawodowe przekazują energię do systemu elektroenergetycznego. 2. Elektrownie przemysłowe wytwarzają energię elektryczną dla potrzeb dużych zakładów przemysłowych. III kryterium: w zależności od czasu pracy elektrowni: 1. Elektrownie podstawowe pracują w sposób ciągły. 2. Elektrownie podszczytowe pracują w okresach, gdy zapotrzebowanie na energię jest większe niż to, jakie są w stanie zapewnić elektrownie podstawowe. 13

15 3. Elektrownie szczytowe włączane są do pracy w systemie elektroenergetycznym tylko w czasie trwania szczytów obciążenia. Odmianą elektrowni jest elektrociepłownia, która wytwarza energię cieplną (co najmniej 10% energii w postaci ciepła) w skojarzeniu z energią elektryczną. Charakterystyka polskiej energetyki Podstawowymi źródłami energii elektrycznej w Polsce są elektrownie cieplne opalane węglem kamiennym i brunatnym. Niewielki procent stanowią elektrownie wodne i elektrownie niekonwencjonalne. Rys. 2. Rozmieszczenie elektrowni cieplnych w Polsce [12] Legenda: dane pochodzą z 2004 r. 1. BOT Elektrownia Bełchatów S.A 4429 MW 2. Elektrownia Kozienice S.A MW 3. BOT Elektrownia Turów S.A MW 4. Elektrownia Połaniec S.A MW 5. Elektrownia Rybnik S.A MW 6. Elektrownia Dolna Odra S.A MW 7. Elektrownia Jaworzno S.A MW 8. BOT Elektrownia Opole S.A MW 9. Elektrownia Pątnów S.A MW 10. Elektrownia Łaziska S.A MW 11. Elektrownia Łagisza S.A. 840 MW 12. Elektrownia Siersza S.A. 786 MW 13. Elektrownia Adamów S.A. 600 MW 14. Elektrownia Ostrołęka S.A. 600 MW 15. Elektrownia Skawina S.A. 590 MW 16. Elektrownia Konin S.A. 523 MW 17. Elektrownia Stalowa Wola S.A. 341 MW 18. Elektrownia Halemba S.A. 200 MW 19. Elektrownia Blachownia S.A. 158 MW Wielkości charakterystyczne elektrowni: 1. moc zainstalowana jest to suma mocy znamionowych urządzeń wytwórczych, 2. moc osiągalna jest równa mocy zainstalowanej pomniejszonej o trwałe ubytki (na przykład wynikające z błędów montażowych, technologicznych), 14

16 3. moc netto jest to moc mierzona na zaciskach generatora pomniejszona o potrzeby własne, 4. sprawność jest to stosunek uzyskanej energii elektrycznej do energii wytwarzanej ze źródła pierwotnego. Przemiany energetyczne w procesie wytwarzania energii elektrycznej W elektrowniach konwencjonalnych (cieplnych) energia chemiczna paliwa (węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego) jest przetwarzana w energię cieplną pary. Następnie energia cieplna przetwarzana jest w energię mechaniczną, a ta z kolei w energię elektryczną (rys. 3.). Energia Energia Energia Energia chemiczna cieplna mechaniczna elektr. Kocioł Turbina Generator parowy parowa (paliwo) (para) Rys. 3. Schemat przemian energetycznych w elektrowni parowej [ własne] W elektrowniach jądrowych energia cieplna wytwarzana jest w wyniku reakcji rozszczepiania jąder atomowych. Energia cieplna zostaje przetworzona w energię mechaniczną, a następnie w energię elektryczną (rys. 4.) Energia Energia Energia Energia nuklearna cieplna mechaniczna elektr. Reaktor Turbina Generator jądrowy parowa Rys. 4. Schemat przemian energetycznych w elektrowni jądrowej [własne] W większości elektrowni w końcowym etapie przemian energetycznych w procesie wytwarzania energii elektrycznej energia mechaniczna jest przetwarzana na energię elektryczną. W zależności od typu elektrowni będą istniały różnice tylko we wcześniejszych etapach przemian i rozwiązaniach technicznych. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że we wszystkich przypadkach przemianom energetycznym towarzyszą straty energii (energia elektryczna otrzymana na zaciskach generatorów jest mniejsza od energii dostarczonej do układu. Skalę tych strat obrazuje nam jedna z wymienionych wcześniej wielkości charakterystycznych elektrowni, a mianowicie sprawność. W zależności od typu elektrownie mają różną sprawność, na przykład sprawność elektrowni wykorzystujących węgiel kamienny jest rzędu 37%, węgiel brunatny 30%, ropę naftową 40%, gaz ziemny 50%. Obciążenie polskiego systemu elektroenergetycznego Obciążenie systemu elektroenergetycznego, do którego przekazywana jest energia elektryczna z elektrowni, jest zmienne w czasie w zależności od pory dnia i roku. W ciągu roku oczywiste jest, że zapotrzebowanie mocy w miesiącach letnich jest najmniejsze 15

17 (ok.75% maksymalnego obciążenia szczytowego w roku), zaś w miesiącach zimowych gwałtownie rośnie. W ciągu doby również można wyróżnić pewne charakterystyczne okresy zapotrzebowania na energię: w godzinach nocnych (od godz. 23 do godz. 7 rano) występuje tzw. dolina obciążenia, czyli moc pobierana z systemu jest najmniejsza, w godzinach pracy większości zakładów przemysłowych następuje obciążenie szczytowe, w godzinach pracy zakładów wielozmianowych po włączeniu oświetlenia następuje wieczorne szczytowe obciążenie Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest elektrownia? 2. Które źródła energii zalicza się do źródeł nieodnawialnych? 3. Które źródła energii zalicza się do źródeł odnawialnych? 4. Jak dzielą się elektrownie ze względu na rodzaj wykorzystanego surowca? 5. Co to są elektrownie zawodowe? 6. Co to są elektrownie przemysłowe? 7. Jakie elektrownie zalicza się do elektrowni podstawowych? 8. Czym charakteryzują się elektrownie podszczytowe i szczytowe? 9. Co to jest elektrociepłownia? 10. Jaki rodzaj elektrowni dominuje w Polsce? 11. Jaka jest największa w Polsce elektrownia i jakiego rzędu ma moc? 12. Jakie wielkości charakteryzują pracę elektrowni? 13. Czym się różni moc osiągalna od mocy zainstalowanej? 14. Co to jest moc netto elektrowni? 15. Jak określamy sprawność elektrowni? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dokonaj porównania różnych źródeł energii pierwotnej w Polsce (węgiel kamienny, brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, energia wodna) pod kątem zasobów, zużycia, wartości energetycznej, sprawności. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) wyszukać dane dotyczące zasobów, zużycia, wartości energetycznej (wydajności energetycznej) i sprawności wybranych źródeł energii pierwotnej w Polsce, korzystając z różnych źródeł informacji (rocznik statystyczny, Internet), 2) zaprojektować odpowiednią tabelę i umieścić w niej zebrane informacje, 3) porównać zgromadzone dane i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, 16

18 roczniki statystyczne, wydruki zawierające wykresy, tabele, zestawienia statystyczne, czasopisma Energetyka i Wiadomości Elektrotechniczne. Ćwiczenie 2 Dokonaj analizy sytuacji elektroenergetycznej Polski i krajów Unii Europejskiej (na przestrzeni ostatnich 10 lat). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) wyszukać dane dotyczące parametrów pozwalających scharakteryzować sytuację elektroenergetyczną Polski i wybranych krajów Unii Europejskiej (należy wziąć pod uwagę: zasoby własne paliw, wielkość rocznej produkcji energii elektrycznej, udział poszczególnych rodzajów elektrowni w produkcji energii elektrycznej, zapotrzebowanie na energię elektryczną, moc zainstalowaną, roczne zużycie energii elektrycznej na 1 mieszkańca, koszty produkcji energii elektrycznej), korzystając z różnych źródeł informacji, 2) otrzymane dane przedstawić w postaci wykresów, 3) porównać je i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, roczniki statystyczne, przybory geometryczne, literatura Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) podać, co to jest elektrownia? 2) podać, co to jest elektrociepłownia? 3) wymienić wszystkie odnawialne źródła energii? 4) wymienić wszystkie nieodnawialne źródła energii? 5) dokonać klasyfikacji elektrowni ze względu na rodzaj wykorzystanego surowca? 6) podać, czym różni się elektrownia zawodowa od elektrowni przemysłowej? 7) wyjaśnić różnice między elektrownią podstawową, podszczytową i szczytową? 8) wskazać, jakiego rodzaju elektrownie dominują w Polsce? 9) podać, która elektrownia jest największa w Polsce? 10) wymienić wielkości charakterystyczne elektrowni? 11) zdefiniować pojęcie moc zainstalowana? 12) podać, co to jest moc osiągalna elektrowni? 13) podać, jak się określa sprawność elektrowni? 14) odnaleźć w Internecie dane dotyczące stanu elektroenergetyki w Polsce, w Europie i na świecie? 15) sformułować wnioski w oparciu o statystyczne dane liczbowe? 17

19 4.4. Elektrownie cieplne Materiał nauczania Przebieg procesu technologicznego w elektrowni parowej W elektrowni cieplnej w wyniku spalania paliwa organicznego lub paliwa jądrowego powstaje energia cieplna przekazywana czynnikowi roboczemu; w wyniku przemian energetycznych powstaje w efekcie energia elektryczna. Głównym przedstawicielem elektrowni cieplnej jest elektrownia parowa. Jako paliwo może być tu wykorzystywany: węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, ropa naftowa, gaz ziemny. W Polsce stosowany jest przede wszystkim węgiel kamienny i brunatny. W elektrowni węgiel przechowywany jest na wolnym powietrzu w tzw. składach węglowych. Do transportu węgla wykorzystuje się kolej. Przyjęto, że do wytworzenia 1kWh energii niezbędne jest ok. 0,45 kg węgla kamiennego i ok. 3 razy więcej węgla brunatnego (ze względu na jego mniejszą wydajność). W związku z powyższym, w celu ograniczenia kosztów transportu, elektrownie wykorzystujące węgiel brunatny budowane są w najbliższym sąsiedztwie kopalni (na przykład Elektrownia Bełchatów). Węgiel ze składowiska jest transportowany taśmociągami do zasobników nadkotłowych, a stamtąd poprzez młyny węglowe (by uzyskać odpowiedni granulat węgla) do komory paleniskowej kotła, gdzie zostaje spalony jako mieszanka paliwowo-powietrzna. Wytworzone w wyniku spalania ciepło powoduje podgrzanie doprowadzonego również do kotła czynnika roboczego - wody, odparowanie jej, a następnie kilkustopniowe przegrzewanie pary. W wyniku tego procesu para wychodząca z kotła jest parą wysokoprężną o temperaturze ok. 550º C i ciśnieniu ok. 170 atm. Para ta kierowana jest do turbiny, gdzie rozpręża się na kolejnych stopniach rozprężania zamieniając swoją energię cieplną w energię kinetyczną (przemiana energii cieplnej na mechaniczną). Wprowadzona w ruch turbina napędza generator synchroniczny, na zaciskach którego wytwarza się napięcie (przemiana energii mechanicznej na energię elektryczną). Rys. 5. Proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni parowej [4] 1 - zwałowarka, 2 - składowisko węgla, 3 - przenośnik, 4 - zbiornik nadkotłowy, 5 - podajnik węgla, 6 - młyn węglowy, 7 - kocioł, 8 - podgrzewacz wody, 9 - walczak, 10 - ekrany parownika, 11- przegrzewacz pary, 12 - turbina, 13 - generator, 14 - rozdzielnia potrzeb własnych,15 - pompa wody zasilającej, 16 - podgrzewacz regeneracyjny, 17 - skraplacz, 18 - chłodnia kominowa, 19 - wentylator podmuchu, 20 - podgrzewacz powietrza, 21- elektrofiltr, 22 - wentylator spalin, 23 - komin, 24 - urządzenie odpopielające, 25 - składowisko popiołu 18

20 W Polsce napięcie znamionowe na zaciskach generatorów wynosi: 6,3; 10,5; 15,75 kv. Wartość napięcia jest ograniczona wytrzymałością izolacji. Ze względu na ograniczoną wartość napięcia z generatora uzyskuje się bardzo duże prądy, co z kolei wiąże się z koniecznością ograniczenia do minimum odległości generatora od transformatora podwyższającego napięcie (do 20 m). Po transformacji napięcia na wyższe (110 kv lub 220 kv) wytworzona moc jest doprowadzana do przyelektrownianych rozdzielni. Z systemem elektroenergetycznym elektrownie są powiązane za pomocą transformatorów WN. Generatory mogą pracować w dwóch układach wytwarzania energii elektrycznej: blokowym, kolektorowym przyłączenie do wspólnych szyn (starsze typy elektrowni). Rys. 6. Układy wytwarzania energii elektrycznej: a) układ blokowy b) układ kolektorowy [4] Rys.7. Chłodnie kominowe [12] 19

21 Tymczasem zużyta energetycznie w procesie przemiany rozprężona para wodna zostaje skierowana do skraplacza, gdzie skrapla się i zostaje z powrotem przepompowana do kotła (praca w obiegu zamkniętym). Ciepło ze skraplacza odprowadza się za pomocą układu chłodzenia (chłodzenie kominowe). Powstałe w wyniku spalania paliwa spaliny odprowadzane są za pomocą wentylatora spalin do komina, a następnie do atmosfery. Przy wejściu do komina zainstalowane są filtry, czyli urządzenia odpylające, usuwające ze spalin ziarna pyłu. Wydzielający się przy spalaniu popiół i żużel zostaje usunięty z komory paleniskowej na składowisko popiołu. Wpływ elektrowni parowej na środowisko Elektrownie cieplne węglowe (parowe) w bardzo dużym stopniu zanieczyszczają środowisko, przy czym najbardziej szkodliwe są produkty spalania: żużel, popiół lotny, a także emitowane do atmosfery tlenki węgla, siarki i azotu. Pyły zawierają metale ciężkie (ołów, cynk, kadm) i są bardzo szkodliwe dla żywych organizmów. Tlenki azotu i siarki oprócz tego, że są trujące, wywołują kwaśne deszcze niszczące życie w akwenach, powodujące dewastację olbrzymich obszarów lasów, prowadzące do korozji metalowych konstrukcji i niszczenia budynków. Dwutlenek węgla z kolei wywołuje tzw. efekt cieplarniany, co wiąże się ściśle ze zmianami klimatycznymi na Ziemi. Sposoby ograniczania negatywnego wpływu elektrowni węglowych na środowisko: 1. Zastąpienie węgla ekologicznie czystym gazem ziemnym (niestety znacznie wyższe koszty). 2. Stosowanie filtrów, czyli urządzeń odpylających i pochłaniających. 3. Stosowanie kotłów z cyrkulacyjnym paleniskiem fluidalnym. 4. Stosowanie różnych metod odsiarczania spalin (suchej, wapniakowej mokrej, regeneracyjnej i lotnego amoniaku). 5. Odpowiednie zagospodarowanie odpadów w postaci żużla i popiołu: do utwardzania dróg, do wytwarzania materiałów budowlanych, do wypełniania wyrobisk kopalnianych. Elektrownie jądrowe W elektrowniach jądrowych wykorzystuje się energię cieplną wytworzoną w wyniku rozszczepienia jąder pierwiastków o dużej liczbie atomowej (masowej), głównie uranu 235 lub uranu 233. Paliwo wykonane jest w postaci pastylek (o średnicy 10 mm) osłoniętych koszulką ze stopu cyrkonu i umieszczonych w prętach o długości 2,5 3,5 m. Proces wyzwalania energii jest procesem kontrolowanym, zachodzącym w reaktorze jądrowym. Aby zachodził w sposób prawidłowy, energia neutronów (wyzwolonych w wyniku rozpadu izotopu uranu) musi być zmniejszona rolę spowalniacza odgrywa moderator, wykonany z materiału o małej masie atomowej, na przykład wody zwykłej, wody ciężkiej, grafitu. Aby reakcja rozszczepienia była w pełni kontrolowana, stosuje się materiały silnie pochłaniające neutrony w postaci kadmowych prętów regulacyjnych. Rodzaje reaktorów jądrowych: 1) reaktor wodno-ciśnieniowy (PWR), 2) reaktor wodny wrzący (BWR), 3) reaktor grafitowy (RBMK) stosowany dawniej. W reaktorze wodno-ciśnieniowym rdzeń reaktora umieszczony jest w zbiorniku ciśnieniowym, zaś woda pełni rolę chłodziwa i moderatora. Woda stykająca się z rdzeniem reaktora krąży w obiegu pierwotnym i w odpowiedniej wytwornicy pary ogrzewa wodę 20

22 obiegu wtórnego. Woda obiegu wtórnego wrze a wytworzona para nasycona napędza turbinę i generator. W reaktorze wodnym wrzącym występuje tylko jeden obieg wody. Woda jest podgrzewana w reaktorze, a następnie odparowywana. Parę nasyconą (o ciśnieniu rzędu 7 MPa) napędzającą turbinę otrzymuje się w górnej części zbiornika reaktora. Bezpieczeństwo elektrowni jądrowych Źródłem zagrożenia w elektrowniach jądrowych są promieniotwórcze produkty rozszczepienia powstające w prętach paliwowych w rdzeniu reaktora. W przypadku, gdyby wydostały się na zewnątrz do środowiska naturalnego (na przykład w przypadku awarii reaktora), stałyby się zagrożeniem dla zdrowia i życia. W celu zabezpieczenia przed niekontrolowanym wydostaniem się na zewnątrz materiałów promieniotwórczych, w elektrowniach jądrowych stworzono sześć barier bezpieczeństwa (rys. 8.): Rys. 8. Bariery bezpieczeństwa w elektrowni jądrowej [13] 1. Produkty rozpadu powstają we wnętrzu pastylek paliwowych wykonanych z dwutlenku uranu. 2. Szczelnie zamknięte koszulki prętów paliwowych nie przepuszczają żadnego materiału. 3. Trzecią barierę stanowi zbiornik ciśnieniowy reaktora. 4. Pomieszczenia zawierające źródła zagrożeń są otoczone grubymi ścianami betonowymi (grubość: 1,5 3 m). 5. Wszystkie wymienione wyżej urządzenia otacza zbiornik zabezpieczający ze stali. 6. Ostatnia bariera to osłona betonowa o grubości co najmniej 1 m. Powyższe bariery są gwarancją bezpieczeństwa zarówno w warunkach pracy normalnej, jak i pracy awaryjnej reaktora. Poza wymienionymi zabezpieczeniami stosuje się dodatkowo cały system środków ochronnych mających aktywnie zapobiegać awarii, a w przypadku jej wystąpienia ograniczać jej skutki. Do tych elementów bezpieczeństwa należą: układ regulacji (kontroluje moc reaktora), 21

23 układ prętów bezpieczeństwa (powoduje natychmiastowe wyłączenie reaktora przy przekroczeniu dopuszczalnych parametrów pracy), systemy awaryjnego chłodzenia reaktora (czynny i bierny), układ zraszania. Wpływ elektrowni jądrowych na środowisko Mimo zastosowania wszelkich środków ostrożności z elektrowni jądrowych do atmosfery i wody przedostaje się pewna ilość materiałów promieniotwórczych. Są to jednak znikome ilości, wielokrotnie niższe niż dawka szkodliwa dla zdrowia (i wielokrotnie niższe od dawki wchłanianej przez człowieka z naturalnych źródeł promieniowania, na przykład promieni kosmicznych). Elektrownie jądrowe odciążają środowisko naturalne ich wpływ na otoczenie jest zdecydowanie mniejszy niż wpływ innych elektrowni konwencjonalnych tej samej mocy. Elektrownia jądrowa nie produkuje popiołów ani pyłów i nie emituje do atmosfery szkodliwych gazów spalinowych, dwutlenku siarki, tlenków azotu i innych zanieczyszczeń. Wprowadza do środowiska mniejsze ilości substancji radioaktywnych niż elektrownia węglowa i to głównie w postaci gazów szlachetnych (krypton, ksenon). Problem stanowi jedynie składowanie odpadów promieniotwórczych, które mogą powodować zagrożenie dla środowiska, między innymi, z uwagi na ich trwałość i niemożność zneutralizowania. Postępowanie z odpadami promieniotwórczymi 1. Umieszczanie zużytych elementów paliwowych w zbiornikach z wodą (na 1 rok). 2. Przewiezienie po upływie roku (w specjalnych pojemnikach) tych elementów do centralnego składowiska przejściowego (na 10 lat). 3. Obróbka odpadów przeróbka prętów paliwowych w celu odzyskania paliwa jądrowego nadającego się do wykorzystania do produkcji nowych elementów paliwowych. 4. Oddzielenie odpadów radioaktywnych właściwych poddanie ich procesowi zeszkliwienia i umieszczenie w grubościennych beczkach ze stali nierdzewnej. 5. Złożenie zacementowanych beczek w tzw. mogilnikach, czyli w zaczopowanych otworach wiertniczych w podziemnych pokładach solnych, na głębokości 1000 m (składowisko ostateczne) Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie podstawowe urządzenia można wyróżnić w procesie wytwarzania energii elektrycznej i jakie są ich funkcje? 2. Jak przebiegają kolejne etapy procesu wytwarzania energii elektrycznej? 3. Jakie parametry charakteryzują parę wysokoprężną wychodzącą z kotła? 4. Jakie napięcia znamionowe występują na zaciskach generatorów w elektrowni? 5. Jakie są produkty spalania węgla i jak są usuwane? 6. Jaki jest wpływ elektrowni węglowej na środowisko? 7. Jakie są sposoby ograniczania negatywnego wpływu elektrowni węglowej na środowisko? 8. Jakie układy elektryczne występują w elektrowni parowej? 9. Jakie rodzaje reaktorów stosuje się w elektrowniach jądrowych? 10. Co to jest moderator? 11. Jaką rolę pełnią pręty regulacyjne? 12. Jakie bariery bezpieczeństwa stosuje się w elektrowniach jądrowych? 13. Jaki jest wpływ elektrowni jądrowych na środowisko? 14. Jakie są kolejne etapy postępowania z odpadami promieniotwórczymi? 15. Co to są mogilniki? 22

24 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dokonaj analizy emisji zanieczyszczeń powietrza spowodowanych pracą wybranych elektrowni węglowych w Polsce. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) sporządzić tabelkę, w której umieścisz dane liczbowe dotyczące emisji zanieczyszczeń powietrza spowodowanych pracą wybranych elektrowni węglowych (dwutlenek siarki, dwutlenek węgla, tlenki azotu, metan); dla porównania należy wziąć pod uwagę dane z ostatnich kilku lat, 2) sprawdzić, czy zaszły jakieś zmiany; jeśli tak, to wskazać przyczynę, 3) sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, roczniki statystyczne, czasopisma techniczne. Ćwiczenie 2 Dokonaj analizy wykorzystania energii jądrowej do produkcji energii elektrycznej na świecie. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zebrać dane dotyczące procentowego udziału energii jądrowej w produkcji energii elektrycznej, zainstalowanej mocy, liczby reaktorów, ewentualnych awarii reaktorów oraz stopnia zanieczyszczenia środowiska w wybranych krajach na świecie, korzystając z różnych źródeł informacji, 2) sformułować wnioski dotyczące związku stopnia zanieczyszczenia środowiska z rozwojem energetyki jądrowej w tych krajach. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, roczniki statystyczne, czasopisma techniczne, literatura Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) opisać funkcje głównych urządzeń biorących udział w procesie wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych? 23

25 2) podać kolejne etapy procesu wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni węglowej? 3) podać, jakie parametry ma para wysokoprężna po wyjściu z kotła? 4) podać, jakie napięcie występuje na zaciskach generatorów? 5) opisać wpływ elektrowni węglowych na środowisko? 6) podać, jaki jest mechanizm powstawania energii cieplnej? 7) podać, jak wygląda paliwo w elektrowni jądrowej? 8) podać, jaką funkcję pełni moderator? 9) podać, w jakim celu stosuje się pręty regulacyjne? 10) wymienić rodzaje reaktorów stosowanych w energetyce jądrowej? 11) wymienić wszystkie bariery bezpieczeństwa stosowane w elektrowniach jądrowych? 12) porównać wpływ elektrowni węglowych i jądrowych na środowisko? 13) wymienić kraje, w których dominuje energetyka jądrowa? 14) wskazać związek między eksploatacją elektrowni jądrowych a zanieczyszczeniem środowiska w wybranych krajach świata? 15) podać, jak postępuje się z odpadami promieniotwórczymi? 24

26 4.5. Elektrownie wodne Materiał nauczania Elektrownia wodna jest zakładem przemysłowym zamieniającym energię spadku wody na energię elektryczną, przy czym pod uwagę bierze się w tym przypadku energię wód śródlądowych. W elektrowniach wodnych energia potencjalna wody w górnym biegu zamieniana jest na energię kinetyczną wody spływającej w dół, napędzając turbinę wodną. Energia mechaniczna turbiny jest zamieniana w generatorze na energię elektryczną. Podział elektrowni wodnych ze względu na sposób wytworzenia przepływu wody: 1) przepływowe wykorzystują naturalne spady wód, nie posiadają zbiorników, więc nie mają możliwości regulowania przepływu, 2) zbiornikowe mają możliwość kumulowania energii wodnej, a więc nie są zależne od chwilowego dopływu wody. Podział elektrowni wodnych ze względu na rodzaj współpracy z systemem elektroenergetycznym: 1) podstawowe pracują w czasie doby w sposób ciągły, 2) podszczytowe pracują z przerwami w okresach doliny nocnej lub popołudniowej, 3) szczytowe pracują w okresach maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną, 4) szczytowo-pompowe magazynują energię: w okresie największego zapotrzebowania dostarczają energię elektryczną, zaś w okresie dolin pobierają ją. Działanie elektrowni szczytowo-pompowej Elektrownia szczytowo-pompowa znajduje się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi górnym i dolnym. Rys. 10. Schemat elektrowni szczytowo-pompowej [4] 1 elektrownia, 2 zbiornik górny, 3 zbiornik dolny 25

27 Jej zadaniem jest gromadzenie i magazynowanie energii w okresie jej nadwyżki i oddawanie energii do systemu elektroenergetycznego w okresie obciążenia szczytowego. W czasie doliny obciążenia systemu elektroenergetycznego (nocą) woda przepompowywana jest ze zbiornika dolnego do górnego(trwa to około 6 godzin) i tam zostaje zmagazynowana w postaci energii potencjalnej wody. W godzinach szczytowego poboru mocy woda kierowana jest rurami ze zbiornika górnego do dolnego, gdzie napędza turbinę połączoną z generatorem następuje zamiana energii potencjalnej w energię kinetyczną i w efekcie w energię elektryczną. W elektrowni szczytowo-pompowej stosowane są maszyny odwracalne: pompa - turbina oraz silnik generator. Charakterystyka hydroenergetyki w Polsce Największe zasoby hydroenergetyczne Polski przypadają na Wisłę (ponad 45 %), dorzecza Wisły i Odry (ponad 43 %), na Odrę (prawie 10 %) oraz na rzeki Pomorza (niecałe 2 %). Hydroenergetyka zapewnia oszczędność paliw i produkcję ekologicznie czystej energii, dzięki brakowi zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Jednocześnie zabezpiecza przed erozją gleb i spływem najwartościowszych cząstek gleby, a zbiorniki wodne można wykorzystać do rozwoju gospodarki rybnej, turystyki i rekreacji, a także do zapobiegania powodziom Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie przemiany energetyczne zachodzą w elektrowni wodnej? 2. Jak się dzielą elektrownie wodne z punktu widzenia sposobu wytwarzania przepływu wody? 3. Jak można podzielić elektrownie wodne ze względu na współpracę z systemem elektroenergetycznym? 4. Czym charakteryzują się elektrownie szczytowo-pompowe? 5. Na czym polega cykliczność pracy elektrowni szczytowo-pompowych? 6. Co to znaczy, że w elektrowni szczytowo-pompowej stosuje się maszyny odwracalne? 7. Gdzie w Polsce występują największe zasoby hydroenergetyczne? 8. Jakie zalety ma zastosowanie energii wodnej do produkcji energii elektrycznej? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Przeprowadź analizę danych dotyczących elektrowni wodnych w kraju i na świecie. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zebrać dane dotyczące wykorzystania zasobów hydroenergetycznych w Polsce i na świecie, uwzględniając procentowy udział hydroenergetyki w produkcji energii elektrycznej, rodzaje elektrowni wodnych, moc zainstalowaną w poszczególnych elektrowniach, korzystając z różnych źródeł informacji, 2) porównać uzyskane dane, 3) wskazać kraje wiodące w produkcji energii elektrycznej z energii spadku wód i uzasadnić, jakie czynniki mają wpływ na taką właśnie sytuację. 26

28 Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, rocznik statystyczny, atlas geograficzny Polski i świata, literatura. Ćwiczenie 2 Dokonaj wyboru najbardziej optymalnego miejsca na świecie na budowę elektrowni wodnej. Wyboru należy dokonać mając na względzie warunki geograficzne i gospodarcze, względy ekonomiczne i opinię organizacji ekologicznych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) przypomnieć sobie warunki konieczne do funkcjonowania elektrowni wodnej, 2) wybrać najdogodniejsze miejsce dla elektrowni wodnej w dowolnym punkcie kuli ziemskiej, 3) uzasadnić swój wybór, 4) przedstawić koncepcję działania elektrowni i użyć odpowiednich argumentów w piśmie skierowanym do organizacji ekologicznej z prośbą, by poparła ten projekt, 5) wykonać prezentację multimedialną na temat optymalnego miejsca na świecie na budowę elektrowni wodnej. Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, atlas geograficzny świata Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) podać, jakie przemiany energetyczne zachodzą przy produkcji energii elektrycznej w elektrowni wodnej? 2) wymienić rodzaje elektrowni wodnych zważywszy na sposób wytwarzania przepływu wody? 3) podać, jak dzielą się elektrownie wodne ze względu na współpracę z systemem elektroenergetycznym? 4) podać, jak działa elektrownia szczytowo-pompowa? 5) wyjaśnić zasadę odwracalności pracy maszyn w elektrowni szczytowo - pompowej? 6) wymienić największe elektrownie wodne w Polsce? 7) podać, które kraje dominują w produkcji energii elektrycznej z energii spadku wód? 8) uzasadnić usytuowanie elektrowni wodnych w kraju i na świecie? 9) wymienić zalety hydroenergetyki? 27

29 4.6. Niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej Materiał nauczania W związku ze stale rosnącym obciążeniem środowiska, wzrostem zaludnienia świata, a tym samym zwiększającym się zapotrzebowaniem na energię elektryczną, perspektywami poważnych niedoborów energii przy jednoczesnym zmniejszaniu się zasobów paliw kopalnych coraz większe znaczenie przypisuje się niekonwencjonalnym źródłom energii, ze szczególnym uwzględnieniem źródeł odnawialnych. Niezmiernie ważnym argumentem przemawiającym za zwrotem w kierunku niekonwencjonalnych źródeł energii jest brak ujemnego wpływu na środowisko naturalne. Energia słoneczna Słońce jest największym i niewyczerpywalnym źródłem, postrzeganym jako gigantyczny nuklearny kocioł, w którym wodór przemienia się w hel. Dzięki reakcjom termojądrowym Słońce emituje olbrzymie ilości energii i mimo, że do Ziemi dociera tylko jej część (reszta ulega odbiciu, rozproszeniu bądź pochłonięciu w atmosferze ziemskiej), to wielokrotnie przekracza ona światowe zapotrzebowanie na energię. Uzasadnione jest więc wykorzystanie energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej. Istnieją dwie podstawowe metody przetwarzania energii słonecznej: 1) metoda fotowoltaiczna (helioelektryczna), 2) metoda foto - termoelektryczna (heliotermiczma). Metoda fotowoltaiczna polega na bezpośredniej przemianie promieniowania fotonowego (energii promieniowania słonecznego) na energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych, czyli specjalnych przyrządów półprzewodnikowych wykonanych z krzemu, arsenku galu lub siarczanu kadmu. Ogniwa przemieniają w energię elektryczną nie tylko promieniowanie bezpośrednie, ale także promieniowanie rozproszone (na przykład przy zachmurzonym niebie). W praktyce budowane są kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych. Podstawowe cechy instalacji fotowoltaicznych: brak paliwa (wyeliminowanie kosztów transportu i magazynowania paliwa), możliwość lokalizacji na suchych obszarach, z dala od rzek (brak chłodzenia), możliwość stosowania nawet przy zachmurzonym niebie (przekształcanie również rozproszonego promieniowania słonecznego), stała wydajność (nie maleje z upływem czasu), duża żywotność (20 30 lat), nie wymagają części zamiennych ani konserwacji. Metoda heliotermiczna polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło doprowadzane do turbiny napędzającej generator. W metodzie tej duża liczba zwierciadeł zwanych heliostatami skupia światło słoneczne na odbiorniku ciepła ogrzewając krążący w nim czynnik roboczy (woda, sód, lit). W wyniku tego procesu powstaje para napędzająca turbinę parową połączoną z generatorem. 28

30 Rys. 11. Schemat elektrowni słonecznej 1 promienie słoneczne, 2 heliostaty, 3 odbiornik ciepła, 4 turbina parowa, 5 generator, 6 skraplacz, 7 pompa wodna [4] Moce największych elektrowni słonecznych nie przekraczają 20 MW. Energia wiatru Elektrownie wiatrowe budowane są w miejscach ciągłego występowania wiatrów o odpowiednio dużej prędkości (minimum 6 m/s). Są to zazwyczaj rejony nadmorskie i podgórskie. Podstawowe elementy elektrowni wiatrowej: silnik wiatrowy (posiadający wirnik z łopatkami), prądnica elektryczna (bocznikowa prądu stałego lub synchroniczna napędzana przez wirnik silnika wiatrowego), urządzenie do sterowania i regulacji (tzw. ster kierunkowy). Rodzaje silników wiatrowych 1. Silniki wolnobieżne posiadają dużą liczbę łopatek i charakteryzują się możliwością pracy przy słabym wietrze. 2. Silniki szybkobieżne posiadają małą liczbę łopatek i wymagają dużych prędkości wiatru. Moc największych elektrowni wiatrowych nie przekracza kilku MW. W budowie elektrowni wiatrowych przodują Niemcy i Dania. Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest czysta ekologicznie, ale budowa elektrowni wiatrowych wiąże się z zapotrzebowaniem na wielkie powierzchnie o małej gęstości zaludnienia, przy jednoczesnym zeszpeceniu krajobrazu. Ponadto do wad tych elektrowni należą: wysokie koszty, emisja hałasu (szum), ujemny wpływ na ptactwo (między innymi zachwianie szlaku ptaków). 29

31 Energia geotermiczna Energia geotermiczna jest to energia cieplna zawarta w powierzchniowej warstwie skorupy ziemskiej, której źródłem są przemiany radioaktywne, reakcje chemiczne i inne procesy zachodzące we wnętrzu Ziemi. Energia geotermalna zgromadzona jest w: tzw. gorących suchych skałach, parach wodnych i gorących wodach wypełniających porowate skały. Erupcje pary wodnej lub gorącej wody z wnętrza Ziemi (tzw. gejzery) wykorzystuje się do napędu turbin parowych. Elektrownie geotermiczne nie zanieczyszczają środowiska naturalnego, charakteryzują się niskimi kosztami eksploatacji (przy wysokich kosztach początkowych tzw. instalacyjnych). Ich stosowanie jest ograniczone do miejsc występowania zasobów energii geotermalnej. Moce elektrowni geotermicznych dochodzą nawet do kilku tysięcy MW (największa w USA 2000 MW). Energię geotermalną na szeroką skalę wykorzystuje się przede wszystkim w Islandii (w Polsce między innymi na obszarze Podhala). Energia biopaliw Elektrownie pracujące przy wykorzystaniu biomasy do produkcji energii elektrycznej przynoszą wiele korzyści, gdyż między innymi pozwalają na znaczne obniżenie kosztów produkcji energii elektrycznej, radykalne zmniejszenie zanieczyszczeń środowiska, a także efektywne zagospodarowanie bioodpadów bez konieczności ich utylizacji. Biopaliwa dzielą się na: stałe, płynne, biogaz. Biopaliwa stałe używane do celów energetycznych to: drewno i odpady drzewne, słoma, ziarna zbóż, rzepaku, słoma specjalnych roślin energetycznych, osady ściekowe, makulatura, inne odpady roślinne. Paliwa ciekłe uzyskiwane z biomasy to alkohol metylowy i etylowy dodawany do paliw tradycyjnych. Biogaz nadający się do celów energetycznych powstaje w wyniku fermentacji beztlenowej biomasy: odpadów zwierzęcych, osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków, odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci. Głównym składnikiem tego gazu jest metan (40 60 %), który wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w turbinach oraz do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych (elektrociepłowniach). Technologie energetyczne wykorzystujące biomasę obejmują: spalanie masy roślinnej (na przykład drewno opałowe z lasów, odpady drewna z tartaków, zakładów meblarskich, słoma, specjalne uprawy energetyczne), spalanie śmieci komunalnych, spalanie gazu palnego, 30