Chemia stosowana. Pośrednie skutki rozwoju cywilizacji

Transkrypt

1 DATA TEMAT Chemia stosowana Prof. UG, Ewa M. Siedlecka Chemia Stosowana Wykład: 15 godz./ 15godz. Wykładowcy: dr hab. Ewa Siedlecka, prof. UG, dr hab. Janusz Madaj, prof. UG, Literatura: Lewandowski W., Techniczno-technologiczne i aparaturowe aspekty ochrony powietrza, WPG Gdańsk Warych J., Oczyszczanie gazów. Procesy i aparatura, WNT Warszawa Łomotowski J., Szpindor A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Arkady. Warszawa, Taubman J., Węgiel i alternatywne źródła energii, PWN W- wa, 2011 Ali El Ali Speight, Handbook of Industrial Chemistry Organic Chemicals B. Burczyk,Zielona chemia. Zarys, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskie, 2006j Wprowadzenie. Zasady zaliczenia przedmiotu. Zasady zielonej chemii i zielonej inżynierii Odnawialne źródła energii klasyfikacja oraz wady i zalety Charakterystyka wody pitne i sposoby jej uzdatniania Charakterystyka ścieków miejskich i sposoby ich oczyszczania 8.11 Zanieczyszczenia powietrza. Technologie ochrony powietrza Zanieczyszczenia gleb i sposoby ich remediacji KOLOKWIUM I Wprowadzanie do tematyki dotyczącej materiałów budowlanych 6.12 Materiały budowlane przepisy i normy Szkło jako materiałużytkowy Podstawowe informacje o bezpieczeństwie stosowania farb i lakierów 3.1 Bezpieczeństwo w postępowaniu z żywnością 10.1 Bezpieczeństwo stosowania środków ochrony roślin 17.1 KOLOKWIUM II 24.1 Zaliczenie końcowe Bezpośrednie skutki rozwoju cywilizacji Ziemia nie jest bezkresnym, nie kończącym się terytorium, które można jeszcze odkrywać, bezkarnie eksploatować, czy zdobywać. Ocieplenie klimatu Zanieczyszczenie powietrza Dewastacja gleb Zanieczyszczenia wód Pośrednie skutki rozwoju cywilizacji ¾wszystkich chorób człowieka to choroby związane ze złym stanem środowiska naturalnego (Międzynarodowej Organizacji Zdrowia (WHO)) Najbardziej niebezpieczne są tzw. ekologiczne zachorowania: nowotwory złośliwe, astma oskrzelowa, upośledzenia wątroby, niektóre patologie odpornościowe i wewnątrz wydzielnicze, naruszenie zdrowia reprodukcyjnego jak i bezpłodność, poronienia, wady rozwoju Formuła Ehricha i Holderna opisuje wpływ rosnącej liczby ludzi oraz standardu życia na degradację środowiska: I = P x A x T gdzie: I -wpływ na środowisko P- wielkość populacja A- dochód na osobę T - zastosowana technologia Rozwój zrównoważony Termin sustainable development (zrównoważony rozwój, rozważny, trwały) użyto po raz pierwszy w Raporcie Brundflanda w 1987 roku na określenie pożądanego modelu dalszego rozwoju cywilizacji. Raport definiuje to pojęcie jako zaspokojenie potrzeb obecnych pokoleńbez naruszenia możliwości przyszłych pokoleń do zaspokojenia swoich potrzeb Zrównoważony rozwój musi pogodzićtrzy cele: ekonomiczny, środowiskowy i społeczny (3E; Economy, Environment, Equity). Chodzi o to aby planowaćprocesy chemiczne i kreowaćnowe substancje tak, by były one możliwie najmniej szkodliwe dla środowiska naturalnego i dla zdrowia człowieka. Chemia żywi, leczy, ubiera i truje (rozwój analityki). W zanieczyszczaniu środowiska dominuje transport i energetyka.

2 Zielona chemia 1. Ekologiczny powstrzymać degradację środowiska i eliminować zagrożenia. 2. Ekonomiczny wyrażający się w zaspokajaniu podstawowych potrzeb materialnych ludzkości przy zastosowaniu techniki i technologii nieniszczcych środowiska. 3. Społeczny i humanitarny kształtowanie takiego modelu stosunków społecznoekonomicznych, które pozwoliłyby na zracjonalizowanie gospodarki zasobami Ziemi z uwzględnieniem zmian wywołanych w środowisku przez działalność człowieka Synonimy Chemia przyjazna dla środowiska Chemia prośrodowiskowa Czysta chemia Chemia ekologiczna Ekonomia atomów Ekologiczna technologia chemiczna P.T. Anastas w 1991r. wprowadził pojęcie zielonej chemii P.T Anastas i J. Warner w 1998r. wprowadzili 12 zasad zielonej chemii N. Winterton w 2001r. Zasady zielonej technologii P.T. Anastas i J.B. Zimmerman 2003r. zasady zielonej inżynierii Zielona chemia - definicja Szukanie, projektowanie i wdrażanie chemicznych produktów i procesów umożliwiających redukcję lub eliminację używania i wytwarzania niebezpiecznych substancji. Anastas P.T., Warner J.C., Green Chemistry: Theory and Practice, 1998 Termin niebezpieczne substancje ma bardzo szerokie znaczenie: fizyczne (np. palność zagrożenie eksplozją), toksykologiczne (np. rakotwórczość, mutagenność), globalne (np. wpływ na zanikanie ozonu, zmiany klimatu, zagadnienia energetyczne, zasoby czystej wody, surowców. Definicja wg Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA): Zielona inżynieria jest to projektowanie i komercjalizacja procesów i produktów gotowych do użycia, spełniających oczekiwania ekonomiczne i minimalizujących skażenia u źródeł procesu oraz ryzyko dla zdrowia ludzi i dla środowiska naturalnego. Rozwój Zielonej Chemii W 1997 powołano w USA Instytut Zielonej Chemii, który ma 20 oddziałów w 20 krajach. Instytuty Zielonej Chemii powstały w Wielkiej Brytanii, Japonii i we Włoszech. Zorganizowano szereg konferencji i sympozjów dotyczących zielonej chemii: pierwsza konferencję w 1993 roku, pierwsza konferencję pod patronatem IUPAC w Wenecji w 1997 roku seminaria np. International Symposium of Green Chemistry (2001), Green Solvents for Catalysis (2002) i inne. pierwsza polska konferencja pt. Zielona Chemia odbyła sięwe Wrocławiu w 2003 roku. Powstały specjalistyczne czasopisma naukowe: Green Chemistry 1999r. wydawca UK Royal Society of Chemistry Journal of Clean Processes and Products r. wydawca Springer- Verlag szereg innych czasopism wprowadziło działy zielonej chemii np. w Accounts of Chemical Research, Catalysis Today W 2002 roku ukazała sięcenna monografia z zakresu zielonej chemii i technologi Zasada oszczędności atomowej Tabela 1. Współczynnik E w przemyśle chemicznym Rodzaj produktu Produkt tonaż E Rafinerie > 0,1 Chemikalia < < 1-5 Chemikalia Farmaceutyki E wyznacza ilość odpadów w kg/kg produktu

3 12 Zasad Zielonej Chemii 1. Lepiej zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać 2. Syntezy chemiczne powinny być projektowane w taki sposób, aby zmaksymalizować wbudowanie wszystkich materiałów użytych w procesie do produktu końcowego 3. Tam, gdzie to możliwe, syntezy chemiczne powinny być prowadzone z udziałem reagentów i materiałów nietoksycznych lub o nieznacznej toksyczności. 4. Powinno się dążyć do wytwarzania produktów alternatywnych, które zachowują swoje funkcje, będąc produktami nietoksycznymi 5. Substancje pomocnicze (np. rozpuszczalniki, czynniki separujące) powinny być wyeliminowane, a tam gdzie to niemożliwe należy stosować substancje nieszkodliwe 6. Konieczność minimalizowania nakładów energetycznych. Należy dążyć do prowadzenia syntez chemicznych w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia 12 Zasad Zielonej Chemii 7. Gdzie tylko jest to możliwe, powinno się dążyć do stosowania surowców odnawialnych 8. Ograniczenie procesów derywatyzacji stosowanie grup blokujących, ochronnych może stanowić źródło dodatkowych odpadów. 9. Reakcje katalityczne (szczególnie wysoce selektywne) powinny być preferowane. 10. Możliwość degradacji produkty chemiczne po okresie ich używania nie powinny stanowić zagrożeń dla środowiska. 11. Niezbędne jest rozwijanie metod analitycznych on line, umożliwiających ciągły monitoring produkcji w aspekcie zapobiegania powstawaniu niebezpiecznych substancji 12. Właściwy poziom bezpieczeństwa projektując proces należy dążyć do zminimalizowania niebezpieczeństwa wypadków Zielona chemie wnosi istotny wkład do zrównoważonego rozwoju ludzkości poprzez: opracowanie i wdrażanie do produkcji nowych metod oszczędnego przetwarzania surowców odnawialnych i wykorzystania w syntezach biomasy odpadowej, poszukiwanie nowych metod syntezy z zastosowaniem oryginalnych aktywnych i selektywnych katalizatorów oraz bezpiecznych reagentów, rozwijanie czystych i oszczędnych metod prowadzenia reakcji elektrochemicznych, fotochemicznych, sonochemicznych i wspomaganych mikrofalami, wykorzystanie w syntezie chemicznej nowych mediów reakcyjnych; cieczy jonowych, płynów pod- i nadkrytycznych i cieczy fluorowych, redukcja emisji szkodliwych dla środowiska odpadów gazowych, ciekłych i stałych, wykorzystanie w procesach chemicznych nowych źródeł energii, dostarczenie nowych bezpiecznych dla człowieka i środowiska produktów. Problem! Zielona Chemia Pomimo licznych spektakularnych osiągnięć, stosunkowo mało jest przykładów wdrożenia opracowanych syntez do praktyki przemysłowej. Stosowanie 12 zasad zielonej chemii równocześnie w procesie chemicznym nie jest łatwe, a nawet niemożliwe wymaga opracowania nowych technologii, nowego spojrzenia na chemię i proces technologiczny, choć wiele już w tym kierunku w praktyce robiono. Przyczyna Od opracowania syntezy na poziomie molekularnym, w skali doświadczalnej (często w skali mikro), do jej wdrożenia w skali półtechnicznej, a następnie technicznej, droga jest daleka. Najczęściej w takich opracowaniach brak jest danych, które są mało znaczące dla realizacji syntezy w skali laboratoryjnej, odgrywają zaś istotną rolę w realizacji procesu technologicznego. Zielona chemia powinna być integralną częścią tzw. zielonej inżynierii Przemysł chemiczny w Polsce Produkcja kwasu tereftalowego Kwas tereftalowy jest produktem pochodzenia petrochemiczego, Otrzymywanie: utlenianie p-ksylenu powietrzem w temp. 150 o C pod ciśnieniem 1,5 MPa. Reakcja zachodzi w fazie ciekłej, w środowisku lodowatego kwasu octowego w obecności homogenicznego katalizatora, np. octanu kobaltu: Rys. 1. Synteza kwasu tereftalowego w reakcji utleniania p-ksylenu metodą konwencjonalną Przychody w miliardach złotych ze sprzedaży osiągnięte przez największe polskie firmy z branży chemicznej i tworzywowej w 2009 r. i 2010 r. Na niebiesko zaznaczono dane finansowe z 2009 r., a na czerwono z 2010 r. Wybudowana dla Polskiego Koncernu Naftowego Orlen instalacja kwasu tereftalowego we Włocławku o zdolności 600 tys. ton rocznie. To pierwsza tak duża i nowa instalacja w branży chemicznej. Przemysł chemiczny w Polsce zalicza się od wielu lat do najbardziej innowacyjnych sektorów gospodarki, a jednocześnie jest nastawiony proekologicznie. Alternatywna metoda: katalityczne (MnBr 2 ) utlenieniu p-ksylenu w środowisku HCW, w temp o C, pod ciśnieniem MPa, za pomocą tlenu powstającego na skutek termicznej degradacji H 2 O 2. Zalety: nie powstają produkty uboczne, mniejsze zużycie energii, wynikające ze zmniejszenia liczby etapów pośrednich, selektywność reakcji jest porównywalna z rozwiązaniem konwencjonalnym. Rys. 2. Synteza kwasu tereftalowego w reakcji utleniania p-ksylenu w obecności SCW Rocznie na świecie wytwarza się go prawie 25 mln ton i przeznacza głównie do produkcji poli(tereftalanu etylenu) (PET). Tabela 1. Kierunki wykorzystania kwasu tereftalowego Zastosowanie kwasu tereftalowego Udział, % Włókna poliestrowe 75 Butelki 15 Folie 7 Elementy konstr. i powłoki (proszkowe) 3

4 Wiele tradycyjnych metod separacji wymaga zastosowania dużych ilości niebezpiecznych rozpuszczalników, podczas gdy inne metody wymagają dużej ilości energii w postaci temperatury bądź ciśnienia Prawidłowo zaprojektowany proces pozwala na samo-separację produktu wykorzystując wewnętrzne właściwości fizykochemiczne (rozpuszczalność, lotność) Akryloamid vs. N-winylo- formamid silnie toksyczny, uszkodzenie centralnego systemu nerwowego, ~1 $/kg Katalizator jest rozpuszczalny w jednym reagencie i pozostaje rozpuszczalny po dodaniu drugiego; podczas trwania reakcji powstaje produkt końcowy a katalizator wypada w postaci fazy olejowej,faza olejowa pozostaje aktywna reagenty sąw stanie ja penetrować, po całkowitej konwersji reagentów w produkt końcowy, katalizator jest w postaci lepkiego ciała stałego łatwego do separacji toksyczność ostra > 1400 mg/kg, nie jest neurotoksyną, ~4,50 $/kg Synteza akryloamidu Synteza N-winylo- formamidu Reakcja enzymatyczna podejście najnowsze i czysta technologia Proces zielony, produkt nie Produkt zielony, proces nie Ciecze jonowe alternatywne rozpuszczalniki Ciecze jonowe (ang. ionic liquids) są to substancje ciekłe składające się jedynie z jonów charakteryzujące siętemperaturątopnienia poniżej 100 C. Istnieją też ciecze jonowe, które topią się w temperaturach niższych niż pokojowa (20 C) i nazywane sąone "niskotemperaturowymi cieczami jonowymi". Stan ciekły w temp. pokojowej ciecze jonowe zawdzięczająstosunkowo niskiej energii sieciowej w związku z wysokim stopniem asymetrii tworzących je jonów. bardzo mała prężność par zielona alternatywa konwencjonalnych rozpuszczalników niepalność duża stabilność termiczna i elektrochemiczna szeroki zakres występowania w stanie ciekłym (rzędu 400 C) zdolność rozpuszczania szerokiej i różnorodnej gamy substancji organicznych i nieorganicznych niemieszalność z wieloma rozpuszczalnikami organicznymi niemieszalność z wodą (w przypadku cieczy hydrofobowych). Ciecze jonowe Cl - PF 6 - BF 4 - Kationy Aniony

5 Rozpuszczalniki w stanie pod- i nadkrytycznym CO 2 mała lepkość, wysoka dyfuzyjność,co umożliwia dogłębnąpenetracjęsubstratu stosunkowo niskie parametry krytyczne (304,2 K, 7,38 MPa), brak korozyjności, niepalność i nietoksyczność dużą lotnością, co ułatwia jego usuwanie z produktu po procesie ekstrakcji, niedrogi, ponieważ jest składnikiem powietrza H 2 O tani, łatwo dostępny nietoksycznym, niepalnym i nieszkodliwym dla środowiska zdolnym także do pełnienia roli katalizatora i reagenta w wielu reakcjach syntezy chemicznej Zastosowanie CO 2 W przemyśle spożywczym ekstrakcja nadkrytyczna stosowana jest do: ekstrakcji chmielu dekofeinacji kawy redukcji zawartości alkoholu Badania nad zastosowaniem ekstrakcji nadkrytycznej prowadzone są również w innych procesach: ekstrakcji naturalnych barwników (b-karoten) usuwaniu tłuszczu zwierzęcego (z mleka, z żółtka), deodoryzacji tłuszczu i oleju, rozdziale fosfatydów (lecytyna), ekstrakcji esencji olejowych (czosnek, oregano), ekstrakcji aromatów i smaków (owoce tropikalne i cytrusowe), ekstrakcji estrów kwasów tłuszczowych, ekstrakcji aromatów i substancji smakowych do drinków. Ekstrakcja w stanie nadkrytycznym w przemyśle spożywczym Aparatura do ekstrakcji w warunkach nadkrytycznych, wydzielanie składnika przez zmianęciśnienia i temperatury

6 bardzo mała prężność par zielona alternatywa konwencjonalnych rozpuszczalników niepalność duża stabilność termiczna i elektrochemiczna szeroki zakres występowania w stanie ciekłym (rzędu 400 C) zdolność rozpuszczania szerokiej i różnorodnej gamy substancji organicznych i nieorganicznych niemieszalność z wieloma rozpuszczalnikami organicznymi niemieszalność z wodą (w przypadku cieczy hydrofobowych). Ciecze jonowe Cl - PF 6 - BF 4 - Kationy Aniony Zastosowanie CO 2 W przemyśle spożywczym ekstrakcja nadkrytyczna stosowana jest do: ekstrakcji chmielu dekofeinacji kawy redukcji zawartości alkoholu Badania nad zastosowaniem ekstrakcji nadkrytycznej prowadzone są również w innych procesach: ekstrakcji naturalnych barwników (b-karoten) usuwaniu tłuszczu zwierzęcego (z mleka, z żółtka), deodoryzacji tłuszczu i oleju, rozdziale fosfatydów (lecytyna), ekstrakcji esencji olejowych (czosnek, oregano), ekstrakcji aromatów i smaków (owoce tropikalne i cytrusowe), ekstrakcji estrów kwasów tłuszczowych, ekstrakcji aromatów i substancji smakowych do drinków. Symbioza przemysłowa (Kalundborg) Sformułowanie symbioza przemysłowa oznacza wzajemne powiązania i koegzystowanie pomiędzy oddzielnymi przedsiębiorstwami, dzięki czemu każde z przedsiębiorstw odnosi znaczące korzyści z tej współpracy Przedsiębiorstwa wzajemnie wykorzystująswoje odpady oraz produkty uboczne, co prowadzi do znacznego zmniejszenia emisji zanieczyszczeń (np. CO 2, SO 2 ) do środowiska oraz mniejszego zużycia surowców naturalnych System symbiozy przemysłowej w Kalundborgu opiera się na SIEDMIU podstawowych partnerach: 1)DONG Energy Asnæs -> Elektrownia Asnaes największa elektrownia w Danii, opalana węglem, o wydajności 1500 megawatów; 2) Gyproc fabryka płyt gipsowych, produkująca ok. 14 milionów metrów kwadratowych płyt gipsowych rocznie; SO 2 + CaCO 3 --> CaSO 4 3) Novo Nordisk międzynarodowa firma zajmująca się biotechnologią, o rocznych obrotach ponad 2 miliardy dolarów. Fabryka w Kalundborgu to największe zakłady tej firmy, produkuje produkty farmaceutyczne (insulina) i enzymy przemysłowe; 4) Novozymes - Duńska firma biotechnologiczna Novozymes znalazła rozwiązanie jak pozbyć się szkodliwego akrylamidu z produktów żywnościowych takich jak ciastka, krakersy, chipsy, frytki. W tym celu naukowcy opracowali enzym Acrylaway, który redukuje powstawanie rakotwórczego akrylamidu w czasie smażenia i pieczenia produktów zawierających skrobię. 5) Rafineria Statoil największa w Danii, o wydajności do 4,8 miliona ton rocznie 6) Wysypisko odpadów Kara/Noveren (z m.in. piecami do spalania odpadków) i firmie odpowiedzialnej za remediację gleby zanieczyszczonej olejem RGS 90 7) Gmina Miasta Kalundborg dostawca wody i ciepła do 20 tys. mieszkańcow oraz do zakładów przemysłowych.

7 Korzyści z przemysłowej symbiozy Skąd wziąć energię? Odnawialne źródła energii Problemy gospodarki energetycznej: Problemy gospodarki energetycznej: Ograniczone zasoby paliw kopalnych Bezpieczeństwo i stabilność dostaw energii 60% światowych zasobów ropy naftowej Zmiana klimatu Zmiana klimatu 70% gazu ziemnego słoneczna wiatrowa W grudniu 2008 r. państwa UE przyjęły szereg celów w ramach pakietu na rzecz walki ze zmianami klimatu: zmniejszenie do 2020 r. całościowej emisji gazów cieplarnianych o 20% w porównaniu z poziomem z 1990 r. zwiększenie udziału zużycia energii odnawialnej do 20% w całej UE. Dostępne na świecie źródła energii wodna geotermalna (Źródło: W.B. Koldehoff, The Solar Thermal Market, Status-Technologies-Perspectives, Inter Solar 2009, San Francisco 2009)

8 Źródła energii na świecie w latach Konsumpcja energii, ExaJ/rok Słońce Geotermia Wiatr Biopaliwa Węgiel Olej Gaz Woda Energia jądrowa Inne rodzaje energii odnawialnej Zalety Nie zanieczyszcza środowiska Energia wiatrowa Wady Wysoki koszt inwestycji w porównaniu z uzyskaną mocą (żródło BP Statistical Review of World Energy 2010r.) rok Nie potrzebuje dostaw paliwa Nierównomierność dostaw energii (brak możliwości jej magazynowania) Korzysta z niewyczerpalnych źródeł energii Wzrost poziomu hałasu O energetyce wiatrowej Obecne tendencje światowe dążądo budowy dużych farm i dużych wiatraków (duże koszty planów budowlanych, przyłączeniem do sieci oraz lepsza efektywnośćwykorzystania wiatru). Czym większa ferma tym opłaty stałe związane z pozwoleniami, podatkami i podłączeniem do sieci, budową są mniej znaczące. Teoretycznie obecnie projektowane turbiny mogąwykorzystaćblisko 60% mocy wiatru. W praktyce prawie nigdy nie przekraczają50%, a za dobre projekty uważa sięjużte o wydajności 35%. Powodem sątu i rozwiązania konstrukcyjne turbiny jak i warunki terenowe. Największym mankamentem elektrowni wiatrowych jest kapryśnośćwarunków wietrznych. Na przykład na terenie Niemiec znajduje sięokoło 16 tys. wiatraków powinny one pokrywaćokoło 15% zapotrzebowania na prąd, w rzeczywistości pozwalająpokryćokoło 3% zapotrzebowania (maj 2005r.). Przyjmuje sięże średnia ilośćprodukowanej przez elektrownie wiatrowe energii rocznie wynosi około 20-30% zainstalowanej mocy. Elektrownie wiatrowe lokalizuje sięna terenach charakteryzujących sięwysokim i równym poziomem wietrzności (4m/s - 6m/s opt. 8-12m/s), co zapewnia dużą efektywność pracy. Podstawą działania jest turbina wiatrowa, która napędzana wiatrem generuje energię. Średniej wielkości park składający się z kilkunastu turbin wytwarza energię równą zapotrzebowaniu kilkudziesięciu tysięcy gospodarstw domowych (turbina o mocy 6MW może wyprodukować 20mln. kwh/rok energia dla 5000 gospodarstw domowych). Turbiny o mocy projektowej 1,5 MW 6MW, cała konstrukcja 198m, rozpiętość śmigła 126m Magazynowanie energii -elektroliza wody -próbne instalacje opracowane przez Norsk Hydro powstały w Norwegii na wyspie Utsira. Wykorzystanie ogniw paliwowych narazie jest bardzo drogie. Elektrownie szczytowo-pompowe, akumulatory? Energia słoneczna Konwersja fototermiczna pasywna to bezpośrednia zamiana energii promeniowania słonecznegona energięcieplnąbez wykorzystania dodatkowych źródeł energii (np. do napędu pomp), systemy te działają w oparciu o konwekcjęswobodną. aktywna to zamiana energii promieniowania słonecznego na inną formę energii. Wykorzystują ją specjalnie skonstruowane urządzenia (w przeciwieństwie do systemów pasywnych). Konwersja fotowoltaiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Konwersja fotochemiczna to fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną, czyli pozyskanie wodoru w fotokatalitycznym rozkładzie wody. Pod wpływem energii słonecznej woda rozkłada sięna tlen i wodór, który z kolei jest gromadzony, a następnie wykorzystywany jako paliwo. Wodór spalając sięz tlenem zamienia się w parę wodną, która jako produkt spalania gwarantuje ekologiczną czystość procesu. Jak dotąd na szerokąskalęproces zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niskąsprawność(ok. 1%) i nosi nazwęfotosyntezy, Kolektory słoneczne Dzięki zastosowaniu nowoczesnych kolektorów próżniowych można uzyskać oszczędności rzędu 50-60% w przygotowaniu c.w. i 20-40% w przygotowaniu gorącej wody do co.

9 Piece słoneczne 1. Wieża słoneczna Piece słoneczne 2. Reflektor paraboliczny lustrzany korytkowy lustra korytkowe odbijają 94% energii Syntetyczny olej C Elektrownia na pustyni kalifornijskiej Mojave w USA 3. Reflektor linearny lustrzany Fresnela Lustra płaskie odbijają 70% energii Kalifornia1982r. nośnik ciepła 60% azotan sodu 40% azotan potasu. Ciepło gorącej soli (565 0 C) wytwarzało parę wodną do napędzania turbin parowych i generatora prądu elektrycznego Elektrownia w Hiszpanii w Mauricia 2009r. Ogniwa fotowoltaiczne Konwersja fotowoltaiczna - ogniwa z materiałów nieorganicznych Poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Innymi słowy to mini-mini elektrownia, który generuje dla nas prąd. Stadion w Japonii 1839 odkrycie zjawiska fotowoltaicznego Aleksandre-Rdmond Becquarel 1883 pierwsze ogniwo słoneczne Se pokryty cienką warstwa złota 1% wydajność opatentowanie ogniwa słonecznego 1970 pierwsze fotoogniwo bazujace na arsenku galu Wzrost wydajności komercyjnych ogniw słonecznych: % GaAs z pojedynczym złączem % GaAs z podwójnym złączem % GaAs z potrójnym złączem % GaAs najlepsze ogniwo z potrójnym złączem Wydajność kwantowa % Rozwój energetyki fotowoltaicznej Główne trendy: Wzrost zainteresowania integracją budownictwa z energetyką fotowoltaiczną Rozwój ogniw cienkowarstwowych Budowa dużych elektrowni słonecznych Wydajność kwantowa potrójnego złącza InGaP/GaAs/InGaAs ogniwa słonecznego Długość fali (nm) Ogniwo z potrójnym złączem Każde z sub ogniw przetwarza inną część widma promieniowania słonecznego. Teoretyczna graniczna wydajność złącza wynosi 51,5-56,0%. Energia słoneczna Zalety brak wpływu na środowisko podczas eksploatacji po 20 latach pracy praktycznie nie obserwuje się spadku mocy (ogniwa fotowoltaiczne) minimalny koszt eksploatacji w instalacjach przydomowych oznacza ona zmniejszone uzależnienie od dostawców energii. Wady duży koszt inwestycyjny brak rozwiązańtechnicznych magazynowania tej energii

10 Konwersja fotowoltaiczna - ogniwa polimerowe elektroda Ogniwa fotowoltaiczne sensybilizowane barwnikami elektroda Proces konwersji energii świetlnej na elektryczną: 1 - absorpcja i formowanie ekscytonu 2 - dyfuzja ekscytonu 3- separacja ładunku 4- transport ładunku do elektrod elektrolit Barwnik Ekscyton - para elektron dziura związane przyciąganiem kulombowskim P3HT p PBBM - n Światło słoneczne