Spis treści. Wstęp 13

Transkrypt

1 Ogniwa paliwowe, wodór, metanol i biomasa szansą rozwoju obszarów wiejskich i zurbanizowanych / Wiesław Ciechanowicz, Stefan Szczukowski. Olsztyn, 2015 Spis treści Wstęp 13 Rozdział 1 Środowisko naturalne pierwotne Biosfera Energia słoneczna Energia kinetyczna wiatrów, wnętrza oceanów i fal morskich jako konsekwencja działania promieniowania słonecznego Atmosfera Energia wnętrza skorupy ziemskiej Energia pływów morskich Energia rzek Fotosynteza Biomasa Paliwa kopalne Ekosystem Cykle biogeochemiczne Cykl węgla Cykl azotu Cykl fosforu Cykl siarki Uwagi końcowe 36 Literatura 36 Rozdział 2 Zasoby energii Źródła energii, nośniki energii, energia pierwotna Energia pierwotna - historia i perspektywy Zasoby energii źródeł odnawialnych Raport o inwestycjach w źródła odnawialne w skali świata Zasoby energii źródeł nieodnawialnych Paliwa kopalne Węgiel Ropa naftowa Gaz ziemny Paliwa jądrowe energii rozszczepiania Paliwa jądrowe energii syntezy 44

2 Historia pozyskiwania paliw kopalnych Zasoby paliw kopalnych Przewidywane zapotrzebowanie na energię w skali świata Biomasa źródłem węgla biologicznego w rozwoju cywilizacji Problemy o wymiarze globalnym 55 Literatura 59 Rozdział 3 Cywilizacja - rozwój i zagrożenia Cywilizacja Rozwój cywilizacji ery agrarnej i przemysłowej Era cywilizacji agrarnej Era cywilizacji przemysłowej Uwagi wstępne Zanieczyszczenia wody Zanieczyszczenia powietrza Zanieczyszczenie środowiska naturalnego przez transport Kwaśne deszcze Dziury ozonowe Efekt cieplarniany Zagrożenie systemu rozrodczego człowieka Wpływ zanieczyszczeń powodowanych spalaniem paliw kopalnych na zdrowie ludzkie Promieniotwórczość - skażenie środowiska Gospodarka gruntami Odpady komunalne Technologie energii ery cywilizacji przemysłowej Uwagi wstępne Technologie przemiany paliw kopalnych w energię elektryczną lub ciepło Elektrownie konwencjonalne Układ mieszany turbiny gazowej i parowej Uwagi końcowe Energia jądrowa rozszczepienia Uwagi wstępne Rys historyczny rozwoju fizyki jądrowej Właściwości jąder atomowych Względne odchylenie masy Promieniotwórczość Oddziaływanie promieniowania z materią Biologiczne efekty promieniowania jonizującego Energia wiązania Defekt masy Reakcje jądrowe Energia reakcji jądrowych 94

3 Oddziaływania neutronów z jądrami Proces rozszczepienia Warunki utrzymywania reakcji łańcuchowej Współczynnik mnożenia Ogólne zasady działania reaktorów jądrowych Reaktory jądrowe rozszczepienia Wprowadzenie Reaktory termiczne lekkowodne Reaktor termiczny ciężkowodny Reaktor termiczny grafitowy Reaktory wysokotemperaturowe Reaktory prędkie powielające Reaktory pracujące na uranie U Reaktory generacji o pasywnym układzie samozabezpieczania się Uwagi końcowe Powrót do gospodarowania w biosferze Myślenie ekologiczne i edukacja ekologiczna 114 Literatura 115 Rozdział 4 Wyzwania cywilizacji Cywilizacja i jej wyzwania Zapobieganie kryzysowi wynikającemu z niestabilnych dostaw oraz nieprzewidywalnych cen ropy ze złóż arabskich Zachowanie klimatu ziemskiego dla przyszłych pokoleń Nowoczesność ery cywilizacji zrównoważonego rozwoju 124 Literatura 126 Rozdział 5 Ogniwa paliwowe Czy ogniwa paliwowe mogą być początkiem pożądanego przełomu w skali świata? Rys historyczny rozwoju ogniw paliwowych Zasada działania Ogniwa paliwowe elektrochemiczne Ogniwo paliwowe polimerowe bezpośrednio zasilane wodorem - PEFC Ogniwo ceramiczne (SOFC), w którym zastosowano tlenki metali Ceramiczne ogniwo paliwowe, budowa i zasada działania Ceramiczne ogniwa paliwowe zasilane gazem naturalnym Ceramiczne ogniwa paliwowe integrowane z produktem zgazowania węgla Ceramiczne ogniwa paliwowe z anodą w postaci ciekłej cyny - LTA-SOFC Modyfikacja ogniwa paliwowego SOFC - eliminacja reformatora

4 oraz odsiarczania Udział konsorcjum państw Unii Europejskiej w rozwoju elektrowni SOFC o dużej mocy Ogniwo paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem - DMFC Ogniwo paliwowe węglanowe - MCFC Zasada działania i rozwój prac nad MCFC Ogniwo paliwowe węglanowe DFC jako modyfikacja ogniwa typu MCFC Węglanowe ogniwo paliwowe integrowane z fermentacją beztlenową ciekłych ścieków komunalnych Węglanowe ogniwo paliwowe zasilane produktem beztlenowej fermentacji odpadów zwierzęcych Ogniwo paliwowe zasadowe - AFC Zasada działania i rozwój Ogniwa paliwowe zasilane wodorem pozyskiwanym ze stałych odpadów komunalnych i przemysłowych Ogniwo paliwowe fosforowe - PAFC Ogniwo paliwowe zasilane etanolem Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe Uwagi wstępne Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe przetwarzające ścieki organiczne bezpośrednio do elektryczności Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe zasilane wodorem uzyskiwanym w wyniku przetwarzania glukozy przez mikroorganizmy Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe wytwarzające elektryczność lub wodór z odpadów organicznych Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe wytwarzające wodór z celulozy Mikrobiologiczna fotosynteza produkcji wodoru Mikrobiologiczna konwersja biomasy lignocelulozowej do metanolu Uwagi końcowe Rola firm, nauki i państwa w rozwoju i wdrażaniu ogniw paliwowych jako generatorów energii w transformacji do gospodarowania w biosferze Firmy wdrażające ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe bezpośrednio zasilane wodorem FuelCell Energy POSCO Power - firma południowokoreańska Tognum, MTU CFC Solutions UTC Power - fosforowe ogniwa paliwowe typu PAFC Ogniwa paliwowe typu SOFC Ogniwa zasilane paliwami węglowodorowymi Toyota Motor Corporation Ceres Power Holdings Ceramic Fuel Cells Ltd Ceramic Fuel Cells - NetGenPlus i BluGen Rola nauki w rozwoju ogniw paliwowych 177

5 5.9. Rola państwa w rozwoju technologii ogniw paliwowych Finansowanie i zarządzanie USA Kanada Europa Australia Brazylia Chiny Indie Izrael Japonia Korea Południowa Republika Południowej Afryki, Singapur, Tajwan Stan rozwoju ogniw paliwowych Wartość sprzedaży i moc zainstalowanych ogniw paliwowych Zastosowania stacjonarne Podręczne bezprzewodowe urządzenia elektroniczne Transport samochodowy Transport autobusowy Transport szynowy Transport lotniczy Transport morski Ogniwa paliwowe w armii USA Uwagi końcowe 212 Literatura 213 Rozdział 6 Wodór i metanol nośnikami energii ogniw paliwowych Wodór Wodór w rozwoju cywilizacji Historia i teraźniejszość Wodór jako pierwiastek chemiczny i jako źródło energii Technologie produkcji wodoru Rozkład elektrolityczny - energia elektryczna Rozkład termochemiczny - bezpośredni rozkład wody Cykle termochemiczne - energia jądrowa rozszczepienia Rozkład termochemiczno-elektrolityczny Rozkład radiolityczny - energia jądrowa syntezy Rozkład termochemiczno-radiolityczny Mikrobiologiczne przetwarzanie związków organicznych do wodoru Pozyskiwanie wodoru ze sztucznej fotosyntezy Dotychczas opracowane technologie pozyskiwania wodoru Projekty badawcze prowadzone w Niemczech Wodór z energii kinetycznej wiatrów - elektroliza wody 225

6 Wodór z paliw kopalnych - koncepcje rozwoju po 2002 roku Wodór z gazu naturalnego Wodór wytwarzany z metanolu w procesie parowego reformingu Wodór z gazu naturalnego Wodór z węgla kopalnego Separacja i oczyszczanie gazu Sekwestracja CO Transport i dystrybucja wodoru Perspektywy produkcji i sposoby wykorzystania Metanol Uwagi wstępne Metanol jako paliwo teraźniejszości i przyszłości Metanol jako paliwo w układach mieszanych turbiny gazowej i parowej Metanol jako nośnik wodoru w ogniwach paliwowych zasilanych bezpośrednio metanolem Produkcja metanolu z węgla Produkcja metanolu z biomasy i węgla kopalnego z udziałem mionowo-katalitycznej syntezy jądrowej Uwagi wstępne Mionowo-katalityczna synteza deuter-tryt Biomasa w produkcji metanolu Węgiel w produkcji metanolu Mionowo-katalityczna zimna" synteza jądrowa typu deuter-tryt w produkcji metanolu Ekonomiczny aspekt transportu biomasy na duże odległości Ekonomiczne uzasadnienie skali produkcji metanolu z biomasy Bieżące koszty uprawy, pielęgnacji i pozyskiwania biomasy Problem uwodorniania biogazu do gazu syntezowego Uwagi końcowe Scenariusze rozwoju Uwagi końcowe 257 Literatura 267 Rozdział 7 Biomasa źródłem węgla biologicznego Informacje ogólne o uprawie biomasy Korzyści ekonomiczne wynikające z pozyskiwania i przetwarzania biomasy Wpływ stosowania biomasy jako paliwa na środowisko Zasoby biomasy Technologie uprawy i pozyskania biomasy Informacje o planach rozwoju bioenergii opublikowane w końcu lat dziewięćdziesiątych XX wieku oraz na początku XXI wieku Stany Zjednoczone 285

7 Szwecja Holandia Unia Europejska Transformacja gospodarki Polski z ery paliw kopalnych do ekonomii wodoru i metanolu 291 Literatura 294 Rozdział 8 Transformacja cywilizacji z ery ognia do ekonomii wodoru i metanolu Transformacja gospodarki świata do ekonomii wodoru Źródła energii w transformacji cywilizacji do ekonomii wodoru Energia kinetyczna wiatrów Energia światła słonecznego Elektrolityczna zimna synteza jądrowa Technologie źródeł energii w transformacji cywilizacji do ekonomii wodoru Integracja technologii energii kinetycznej wiatrów z polimerowymi ogniwami paliwowymi Beztlenowa fermentacja ścieków komunalnych integrowana z węglanowymi ogniwami paliwowymi jako odnawialne źródło energii na terenach zurbanizowanych Gazyfikacja stałych odpadów komunalnych bezpośrednio zasilająca wodorem ogniwa paliwowe jako odnawialne źródło energii na terenach zurbanizowanych Zintegrowany układ procesu zgazowywania węgla, turbiny gazowej i ceramicznego ogniwa paliwowego jako odnawialne źródło energii na terenach zurbanizowanych Integracja turbin wodnych z małą retencją wodną jako źródło energii o zerowej emisji CO Polimerowe ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio wodorem w transporcie autobusowym Sztuczna fotosynteza źródłem wodoru w słonecznej domowej stacji wodorowej Sztuczna fotosynteza źródłem wodoru w słonecznej stacji wodorowej na autostradzie wodorowej Ogniwa paliwowe generatorami energii w transporcie szynowym Transformacja gospodarki świata do ekonomii metanolu Metanol ciekłym paliwem węglowodorowym w ogniwach paliwowych Nośniki i źródła energii w transformacji cywilizacji do ekonomii metanolu Technologie w transformacji cywilizacji do ekonomii metanolu Technologia produkcji metanolu z węgla kopalnego Technologia układu mieszanego turbiny gazowej i parowej zasilanej metanolem 320

8 Integracja ceramicznego ogniwa paliwowego oraz układu mieszanego turbiny gazowej i parowej Ceramiczne ogniwo paliwowe zasilane metanolem źródłem napędu statków morskich Metanol jako źródło wodoru pozyskiwanego przez jego parowy reforming Ogniwo paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem Metanol uzyskiwany z biomasy, z węgla kopalnego z udziałem neutronów o wysokich energiach, którego produkcja i użytkowanie byłyby neutralne wobec efektu cieplarnianego 324 Literatura 324 Rozdział 9 Prekursorzy transformacji cywilizacji z ery ognia do ekonomii wodoru i metanolu Wspólnoty wodorowe Autostrady wodorowe USA - główny prekursor transformacji Plany inwestycyjne w zakresie odnawialnych źródeł energii Zapobieganie kryzysowi wynikającemu z niestabilnych dostaw ropy ze złóż arabskich oraz z nieprzewidywalnych jej cen Dążenie do zachowania klimatu ziemskiego dla przyszłych pokoleń Program Departamentu Energii USA z 17 stycznia 2007 roku dotyczący sprawności energetycznej, energii odnawialnej, wodoru, ogniw paliwowych, technologii i infrastruktury Program Departamentu Energii USA dotyczący rozwoju technologii wodorowych - H2A Program Departamentu Energii USA dotyczący badań nad wodorem i pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi - FY Traktor nieemitujący zanieczyszczeń Projekt programu Departamentu Energii USA Wodór i ogniwa paliwowe" Rynek ogniw paliwowych według Departamentu Energii USA Wspólnoty wodorowe w USA Autostrady wodorowe Kanada - wspólnota wodorowa na Wyspie Księcia Edwarda Kraje Oceanii Australia Popyt i podaż energii w Australii" - raport końcowy dla Ministerstwa Energii Australijski plan Czysta energia - energią przyszłości" Propozycja współpracy Australii z Polską Wspólnoty wodorowe w Australii Nowa Zelandia Wybrane kraje Ameryki Południowej, Azji i Afryki 349

9 9.7. Transformacja Europy z ery ognia do ekonomii wodoru Uwagi końcowe 375 Literatura 376 Rozdział 10 Problemy rozwoju polskiej wsi i kraju oraz możliwości ich rozwiązywania Problem bezrobocia na wsi Problem wzrostu PKB odniesionego do hektara uprawy użytków rolnych Mała retencja wodna Uwagi wstępne Dylematy przyszłości - woda Znaczenie małej retencji wodnej Zadłużenie państwa polskiego Węgiel kopalny szansą rozwoju obszarów wiejskich i Górnego Śląska Przyszłość energetyki jądrowej w Polsce Przyszłość gazu łupkowego w Polsce Udział odnawialnych źródeł energii w rozwoju wsi i kraju Rozwój wspólnot wodorowych na terenie Polski Strategia rozwoju obszarów wiejskich Wspólnoty wodorowe na terenach wiejskich Wspólnoty wodorowe na terenach miejskich Znaczenie wspólnot wodorowych dla polskiej gospodarki Dotychczasowa działalność konsorcjum Bioenergia na rzecz Rozwoju Wsi 421 Literatura 429 Rozdział 11 Transformacja cywilizacji do ekonomii wodoru i metanolu szansą rozwoju wsi i miast Transformacja Polski do ekonomii wodoru Uwagi wstępne Technologie transformacji Polski do ekonomii wodoru w programie konsorcjum Bioenergia na rzecz Rozwoju Wsi Transformacja gospodarki z ery ognia do ekonomii wodoru Integracja energii wiatrów z polimerowymi ogniwami paliwowymi szansą rozwoju regionów zlokalizowanych w pobliżu brzegów morskich Ceramiczne ogniwa paliwowe zasilane produktem zgazowania węgla Węglanowe ogniwa paliwowe zasilane produktem beztlenowej fermentacji ciekłych ścieków komunalnych Węglanowe ogniwa paliwowe zasilane produktem beztlenowej fermentacji odpadów zwierzęcych 439

10 Polimerowe ogniwa paliwowe zasilane wodorem pozyskiwanym ze stałych odpadów komunalnych i przemysłowych Sztuczna fotosynteza źródłem wodoru bezpośrednio zasilającego ogniwo paliwowe Elektrolityczna zimna synteza jądrowa Priorytetowe technologie transformacji Polski do ekonomii wodoru w programie konsorcjum Bioenergia na rzecz Rozwoju Wsi Transformacja Polski do ekonomii metanolu Uwagi wstępne Metanol strategicznym paliwem XXI wieku Transformacja gospodarki Polski do ekonomii metanolu w programie konsorcjum Bioenergia na rzecz Rozwoju Wsi Transformacja do ekonomii wodoru i metanolu Rola państwa w transformacji Państwo zapewniające ustawodawstwo wspierające rozwój paliw i energii XXI wieku Państwo wspomagające tworzenie warunków wodnych na gruntach upraw rolnych Państwo udzielające poparcia firmom mającym uczestniczyć we wspólnym przedsięwzięciu na przyszłych rynkach paliw i energii Rola nauki w transformacji cywilizacji do ekonomii wodoru i metanolu Grupy zagadnień naukowych centralnego programu rozwoju kraju Tematy programu Edukacja Transformacja obecnej struktury wsi do struktury zrównoważonej produkcji konsumpcyjnej i energetycznej Lokalizacja przestrzenna plantacji i przedsiębiorstw produkcji metanolu w regionach Mała retencja wodna Monitoring satelitarny jako czynnik zapobiegania nieurodzajowi roślin Uprawa roślin i pozyskiwanie biomasy Przetwarzanie biomasy lignocelulozowej, jej termiczna konwersja do substancji łatwej do transportu i magazynowania Zagadnienia termicznej konwersji biomasy Uwagi wstępne Termiczny rozkład biomasy lignocelulozowej Rodzaje konwersji termicznej Znaczenie poszczególnych technologii konwersji biomasy dla gospodarki Polski Procesy uzupełniające produkcję gazu syntezowego Mionowo-katalityczna synteza jądrowa Technologie ogniw paliwowych Konwencjonalne stacjonarne układy energetyczne zasilane

11 Biomasą Niekonwencjonalne stacjonarne układy energetyczne biomasa-ogniwa paliwowe Środki transportu miejskiego napędzane ogniwami paliwowymi Internet Ośrodek badawczo-rozwojowy Krajowe Stowarzyszenie Producentów Metanolu Regionalne stowarzyszenia producentów metanolu Przedsiębiorstwo produkcji kwalifikowanych sadzonek, ich aklimatyzacji, zakładania plantacji i żniw biomasy Międzynarodowe przedsiębiorstwo wspólnot wodorowych 483 Literatura 484 Podsumowanie 487 oprac. BPK