Problemy energii
Struktura zużycia energii w gospodarstwach domowych Ogrzewanie pomieszczeń Ogrzewanie wody Przygotowywanie posiłków Oświetlenie Chłodzenie, mrożenie Pranie RTV Inne
Jednostki energii 1 J = 1 kg m 2 /s 2 1 Ws = 1J 1 Wh = 3 600 J 1 kwh = 3 600 000 J 1 cal = 4,19 J 1 kcal = 4,19 kj = 4 190 J 1 ev = 1,6 10-19 1 tpu = 29,3 GJ (tpu tona paliwa umownego)
Moc P = E/t 1 W = 1J/s = 1 kg m 2 /s 3
Po co alternatywne źródła energii? - wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych - rosnące zapotrzebowanie na energię - degradacja środowiska - efekty zewnętrzne gospodarki
Wyczerpywanie się paliw kopalnych surowiec znane zasoby [Pg] przypuszczalne rok wyczerpania znanych wszystkich węgiel 600 16 400 po 2060 po 2200 ropa 82 193 2020 2050 gaz 6,5* 34* 2012 po 2060 uran 1,02 1,08 2060 2200 * jednostka Tm 3
Degradacja środowiska - skażenie powietrza (CO 2, CO, SO 2, NO x, WWA, pył, sadza) - skutki skażenia powietrza (efekt cieplarniany, smog, zakwaszenie, deficyty tlenu w morzach) - skażenie metalami ciężkimi wymywanymi z popiołów i żużli - szkody górnicze
Koszty zewnętrzne gospodarki Szacunkowe koszty zewnętrzne w Niemczech zakres szkody zdrowie ludzi wartości materialne fauna flora razem mln DEM/a 2 300-5 800 2 300 1 000 6 500-9 800 12 100-18 900 Szacunkowe koszty szkód w środowisku [USD/kWh] rodzaj szkody węgiel ropa gaz ziemny en. jądrowa zdrowie ludzi 0,7-4,0 0,7-4,0 0,1-0,2 0,03 uprawy, leśnictwo 0,17-1,5 1,6-1,7 0,08-0,09 - budynki 0,15-5,0 0,2-5,0 0,05-0,18 - klęski żywiołowe - - - 0,11-2,5 glob. ocieplenie 0,5-24 0,5-1,3 0,3-0,7 0,02 razem 2,05-34,5 3,0-12,8 0,53-1,17 0,16-2,55
Energetyka konwencjonalna - siłownie parowe - siłownie gazowe - siłownie mieszane
spaliny oczyszczone do komina Schemat siłowni parowej produkty uboczne węgiel redukcja emisji zanieczyszczeń spaliny piec ciepło popiół, żużel surowce energia kocioł (woda) woda ze skroplenia pary para wys. ciśn. turbina/ generator energia elektryczna para nisk. ciśn. skraplacz woda chłodnicza woda woda pochłodnicza pochłodnicza rzeka, jezioro
spaliny oczyszczone do komina Schemat siłowni parowej produkty uboczne węgiel redukcja emisji zanieczyszczeń spaliny piec ciepło popiół, żużel surowce energia kocioł (woda) woda ze skroplenia pary para wys. ciśn. turbina/ generator energia elektryczna para nisk. ciśn. skraplacz woda pochłodnicza woda chłodnicza powietrze, para wodna chłodnia kominowa powietrze
Formy energii występujące przy konwencjonalnej produkcji energii elektrycznej energia chemiczna ciepło praca mechaniczna energia magnetyczna energia elektryczna
Ogrzewanie: 1 kg wody od 20 C do 100 C c = 4,2 kj/(kg K) Q ogrz = 336 kj Parowanie (produkcja pary): 1 kg wody o temp. 100 C r = 2256 kj/kg Q ev. = 2256 kj 7 razy więcej!
Sprawność elektrowni węglowej: energia elektryczna energia chem. paliwa 33% (średnio) Spaliny i ciepło odpadowe 2/3 energii węgla Nasze rachunki za energię za co płacimy? Czysta energia?
UŻYWAJ POKRYWKI! skraplanie parowanie parowanie
Trendy w energetyce konwencjonalnej - wykorzystywanie paliw czystszych - wzbogacanie paliw (głębokie odsiarczanie węgla) - instalacje dwupaliwowe (węgiel i paliwo płynne) - skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej sprawność elektrowni 35% sprawność ciepłowni 86 % sprawność elektrociepłowni 85% - stosowanie coraz sprawniejszych urządzeń do redukcji emisji (metody na końcu rury ) - złoża (kotły) fluidalne - spalanie pyłu węglowego - zgazowanie węgla
Typy reakcji jądrowych: Energetyka jądrowa - rozszczep jądra atomowego rozpad ciężkich jąder (np. 235 U ) na lżejsze (np. 98 Mo, 136 Xe) 235 U + 1 n 98 Mo 136 + Xe + 1 2 n + 0 4 92 0 42 54 0-1e + 212 MeV 1 ev = 1,6 x 10-19 J z 1 g 235 U powstaje 83,4 GJ energii odpowiada to około 2,5 t węgla - synteza jądrowa łączenie się jąder lekkich (np. 2 H) w jądra cięższe (np. 4 He) 1 4 0 4 1 H 2 He + 2 +1 e + 2ν e + 2hν + 26,7 MeV
Schemat siłowni jądrowej powietrze, para wodna uran reaktor ciepło odpady radioaktywne kocioł (woda) woda ze skroplenia pary para wys. ciśn. turbina/ generator energia elektryczna para nisk. ciśn. skraplacz woda pochłodnicza woda chłodnicza chłodnia kominowa powietrze
Energetyka jądrowa w porównaniu z węglową Zalety: - wyższa sprawność - brak emisji gazów spalinowych (SO 2, NO x, CO 2 ) - brak emisji pyłów - niższe koszty eksploatacyjne (niższy koszt energii) - niska awaryjność, duże możliwości regulacyjne Wady: - odpady radioaktywne - problemy w fazie planowania lokalizacji (protesty) - poważne zagrożenie w przypadku awarii (terroryzm)
Alternatywne źródła energii - odpady (odzysk ciepła) - rozszczep jądra (źródło konwencjonalne?) - synteza termojądrowa (źródło przyszłości?) - kolektory słoneczne - ogniwa fotowoltaiczne - energia geotermalna - energia spadku wody - energia pływów - energia fal - energia prądów morskich - energia wiatru - spalanie biomasy - ogniwa paliwowe
Odnawialne źródła energii Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. i Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 30 maja 2003 r.: obowiązek (od 1.7 03) zakupu energii elektrycznej i cieplnej z odnawialnych źródeł energii oraz wytwarzanych w skojarzeniu Ustawa z dnia 2 października 2003 r. i Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 10 stycznia 2004 r.: minimalne ilości biokomponentów wprowadzanych do paliw ciekłych; biopaliwa
Energetyka słoneczna - systemy aktywne - systemy pasywne - konwersja energii słonecznej w pracę - ogniwa fotowoltaiczne Najczęstsze trudności: - zależność od czynników geograficznych - wysoka nieprzewidywalność - wysoki koszt jednostkowy wyprodukowanej energii
Promieniowanie słoneczne
Konwersja energii słonecznej
Energia wiatru Źródło energii - słońce - różne układy geometryczne (pozioma/pionowa oś obrotu) - osiągana moc - koszt elektrowni - okres zwrotu inwestycji Najczęstsze trudności: - zależność od czynników geograficznych - wysoka nieprzewidywalność - wysoki koszt jednostkowy wyprodukowanej energii
Energia wiatru Wiatr
Źródło energii - słońce Energia wody wody - przepływ rzeczne: - różnica poziomów oceaniczne: - prądy - pływy - fale Duże elektrownie wodne - MEW Rola elektrowni szczytowo-pompowych
Energia wody OŹE 1970 2025, USA
Energia geotermalna Częste problemy: - konieczność wykonania głębokich odwiertów - zasolenie wód podziemnych - niska temperatura wody (pompy ciepła) - ograniczona wielkość pozyskanej energii - zależność od warunków geologicznych
Paliwa odnawialne stałe: Spalanie paliw odnawialnych - drewno (np. wierzba energetyczna) - słoma (i ziarna zbórz) - osady ściekowe - makulatura - pozostałości przetwórstwa (m.in. spożywczego) - obornik, gnojowica ciekłe: - oleje roślinne - bioetanol - biogaz gazowe:
Spalanie paliw odnawialnych Bilans węgla atmosfera (333 ppm CO 2 ) CO 2 energia słoneczna CO 2 fotosynteza biomasa 48 % C odzysk energii przez spalenie
Technologia OZE, zainstalowana moc elektryczna ( el ) lub cieplna ( th ) Kolektor słoneczny do podgrzewania powietrza 42 kw th 1,8 20,2 Ręcznie obsługiwany kocioł na drewno małej mocy 80 kw th 3,1 25,0 Ręcznie obsługiwany kocioł na słomę małej mocy 65 kw th 2,6 20,2 Mała elektrownia wodna zbudowana na istniejącym jazie 45kW el 4,1 0,23 Wykorzystanie gazu wysypiskowego do produkcji energii elektrycznej 400 kw el Kolektor słoneczny do podgrzewania wody 4kW th Prosty okres zwrotu [lata] 147,3 Biogazownia komunalna na osad ściekowy do produkcji 6,7 0,32 skojarzonej Ciepłownia energii elektrycznej na słomę i ciepła 1 000 kw 320 kw el i 540 kw th th 7,6 29,1 Ciepłownia na zrębki drzewne 500 kw th 9,7 33,2 Elektrownia wiatrowa sieciowa 2x600 kw el 12 0,51 Mała elektrownia wodna z jazem zbudowana od podstaw 90 kw el 14 0,55 Biogazownia rolnicza na gnojowicę 15 kw th 14 57,1 Ciepłownia geotermalna 7 500 kw th 20 61,8 System fotowoltaiczny do zasilania lampy ulicznej 0,12 kw el 200 8,89 4,7 7,3 Koszt 1GJ lub 1kWh energii 0,22
Redukcja emisji zanieczyszczeń Oczyszczanie gazów spalinowych emisja SO 2 emisja NO X emisja pyłu Oczyszczanie ścieków oczyszczanie mechaniczne oczyszczanie chemiczne oczyszczanie biologiczne usuwanie związków troficznych Gospodarka odpadami
Redukcja emisji SO 2 instalacje odsiarczania spalin przykład: technologia mokra wapienno gipsowej spaliny w przeciwprądzie z zawiesiną CaCO 3 (kamienia wapiennego) SO2 + CaCO 3 + ½O 2 = CaSO 4 + CO 2 zalety: skuteczność odsiarczania > 90% stosunkowo niskie koszty eksploatacyjne szybka reakcja na duże różnice zawartości SO 2 - od 2 do 10 g/nm 3 duża niezawodność technologii i urządzeń dostępność sorbentu i jego niskie koszty możliwość zagospodarowania gipsu jako odpadu wysokiej jakości powszechność metody
Redukcja emisji NO x Zapewnianie odpowiednich parametrów spalania
Redukcja emisji pyłu - cyklony - filtry workowe - elektrofiltry
Schemat blokowy oczyszczalni ścieków ścieki bytowe część mechaniczna część biologiczna usuwanie związków N i P ścieki ścieki oczyszczone oczyszczone ścieki przemysłowe część chemiczna odbiornik
Źródła Tomasz Żylicz, Ekonomia środowiska i zasobów naturalnych, PWE, 2004 Podstawy ekonomii środowiska i zasobów naturalnych, red. Bogusław Fiedor, C.H. Beck, 2002 Encyklopedia WIEM (Popularna Encyklopedia Powszechna Wydawnictwa Fogra) THE PEAK OF WORLD OIL PRODUCTION - Richard C. Duncan, Pardee Keynote Symposia, Geological Society of America, Summit 2000, Reno, Nevada, November 13, 2000, dieoff.org Vincent R. Gray, Atmospheric Carbon Dioxide, Greenhouse Bulletin No. 120 Feb 1999 http://www.icsg.org, http://www.money.pl, http://www.wnp.pl, http://www.teberia.pl, http://www.biomasa.org, http://www.astronet.pl Wskaźniki ekonomiczne instalacji OZE, www.energia-odnawialna.net Witold Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2006.