WYKŁAD Gospodarka zasobami energetycznymi - Energetyka (30 godzin) I. Wstęp Plan wykładu Pozyskanie i wykorzystanie zasobów energetycznych wszelkiego rodzaju jest podstawowym elementem rozwoju każdego kraju. Staje się podstawą wyodrębnieniem pewnej gałęzi gospodarki zwanej energetyką. Do głównych zagadnień gospodarki zasobami energetycznymi należą: - pozyskiwanie, przetwarzanie i dostawa paliw i energii - wykorzystanie zasobów energetycznych - eksploatacja urządzeń energetycznych - planowanie rozwoju infrastruktury energetycznej - zarządzanie i racjonalizacja produkcji i wykorzystania energii Opracowany obecnie wykład zajmuje się głównie podstawami fizycznymi pierwszego z wymienionych wyżej zagadnień, mianowicie zasadnicza część wykładu jest poświęcona tematowi produkcji użytecznej energii mechanicznej i elektrycznej oraz odnawianym żródłem energii. Ponadto, chociaż w niektórych krajach energia jądrowa nie jest akceptowana jako jeden z sposobów produkcji energii elektrycznej, to źródło energii powinno być opisane i zyzyko związane z jej eksploatacją powinno być omówione ze względu na to, że istniejące elektrownie jądrowe na długo pozostaną w naszym bliższym lub dalszym sąsiedztwie. Niektóre istniejące elektrownie jądrowe znajdują się w odległości zaledwie kilkudziesięciu kilometrów od naszej granicy. Ponadto jak podkreślano niżej, energia jądrowa jest ważnym czynikiem w osiągnięciu samowystarczalności energetycznej Polski, więc zrozumienie podstaw fizycznych tej energii, w szcgólności problemu bezpieczeństwa jądrowego jest nie zwykle ważne, zwłaszcza Polska już zdecydowała rozwijać energię jądrową w najbliższych latach. 13 stycznia 2008 rząd przyjął uchwałę w sprawie rozwoju energetyki jądrowej. W celu zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, w Polsce mają powstać co najmniej dwie elektrownie jądrowe. W pierwszej z nich prąd ma popłynąć już w 2020 roku. W obliczu przemian gospodarczych i społecznych samowystarczalność energetyczna Polski jest kwestią niezwykle istotną, co było podkreślane często zarówno przez naukowców, polityków jak i specjalistów z dziedziny energetyki. Z wiarygodnych źródeł samowystarczalność energetyczna kraju podlega systematycznemu zmniejszeniu. W 1975 sięgała ona 113%, dziś sięga 80%. Według prognoz długoterminowych, samowystarczalność energetyczna Polski nie przekroczy nawet 60% w 2020 roku. Oznacza to, że Polska nieuchronie uzależni się, jak nigdy dotąd, od zewnętrznych dostaw energetycznych oraz od tego, czy będziemy wprowadzali energię jądrową czy nie. Wykład obecny pokazuje również, że każda metoda produkcji energii użytecznej stwarza pewne problemy i ma swoją cenę. Jednak każdy śłuchacz powinien wiedzieć, że ryzyko i
strategia to nieodłączone cechy wyborów, jakich musi dokonywać społeczeństwo w każdej dziedzinie gospodarczej, nie tylko w dziedzinie energetyki. 10 listopada 2009 roku Rada Ministrów przyjęła przygotowany w Ministerstwie Gospodarki dokument Polityka energetyczna Polski do 2030 roku. Dokument zawiera długoterminową strategię rozwoju sektora energetycznego, prognozę zapotrzebowania na paliwa i energię oraz program działań wykonawczych do 2030 roku. Strategia odpowiada na najważniejsze wyzwania stojące przed polską energetyką w perspektywie krótko- i długoterminowej. Jednym z największych wyzwań, przed którymi stoi każdy kraj rozwijający gospodarczo, zwłaszcza w przypadku Polski, która stara się dostosować do normy rozwoju Unii Europejskiej, jest pogodzenie wzrostu gospodarczego z ochroną Środowiska. W lisropadzie ubiegłego roku Ministerstwo Gospodarki opracował kolejny ważny dokument pt. Strategia Bezpieczeństwa Energetyczne i Środowisko (BEiŚ). Każdego dnia gospodarka do sprawnego funkcjonowania potrzebuje ogromnych ilości energii, która w instalacjach energetycznych produkowana jest z paliw kopalnych, wody, słońca,a więc z zasobów środowiska. Wydobycie kopalin, korzystanie z wód, zanieczyszczenie powietrza, przeciwdziałanie zmianom klimatu i adaptacja do tych zmian są podstawowymi zagadnieniami tej strategii. BEiŚ jest pewnym pomostem pomiędzy Środowiskiem i Energetyką stanowiąc jednocześnie impuls do bardziej efektywnego i racjonalnego prowadzenia polityki w obu tych obszarach. Wyżej wymienione dokumenty będą omawiane skrótowo we wstępie do wykładu (1 godz.) Polska gospodarka należy do najbardziej energochłonnych w Europie. Obecnie w Polsce 95% energii pochodzi z węgla. Te zasoby energetyczne szacowane są na 29,5 mld ton węgla kamiennego oraz 11,6 mld ton węgla brunatnego. Jak widać, mimo iż największe w Europie, nie wystarczą na więcej niż 30 lat (biorąc pod uwagę obecne tempo rozwoju i energochłonność gospodarki). Elektrociepłownia wykorzystująca węgiel spowodowała i spowoduje zanieczyszczenie środowiska na ogromną skalę. Ogólnie mówiąc, środowisko zostanie zanieczyszczone gdy każde źródło energii zostaje zamienione na energię mechaniczną lub elektryczną. Ten problem będzie poruszony w dalszej części wykładu (3 godziny), gdzie jako przykład przedstawiono problem zanieczyszczenia atmosfery i zasotosowanie fizyki w postaci nowych urządzeń jak lidary w analizie tego zanieczyszczenia. Głównym żródłem energii nadal są paliwa kopalne. Aby dobrze zrozumieć podstawy procesów wykorzystania tego źródła energii, trzeba opanować dobrze termodynamikę, która opisuje zmianę ciepła na energię i na odwrót. Podstawowe zasady tej gałęzi fizyki i różne sposoby wymiany ciepła będą omówione w dalszej części wykładu (6 godzin). W dokumencie resort gospodarki stworzył również podstawy do przygotowania programu polskiej energetyki jądrowej. Wskazane zostały działania, jakie należy podjąć w najbliższych latach, aby możliwie szybko uruchomić w Polsce pierwsze instalacje tego typu. Chodzi tu o przygotowanie odpowiedniej infrastruktury prawnej i organizacyjnej oraz zapewnienie warunków do wybudowania i uruchomienia elektrowni jądrowych w oparciu o sprawdzone, bezpieczne technologie. Ze względu na ważność tego żródła energii jak podkreślano wyżej i gorącą dyskusję społeczną część wykładu o energii jądrowej będzie największa (10
godzin). Kolejnym zagadnieniem energetyki jest rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE wiatr, woda, słońce, w Polsce z naciskiem na biomasę i energetykę wiatrową) i rozwoju tej gałęzi energetyki. Najważniejszym przedsięwzięciem w tym obszarze będzie wypracowanie ścieżki dochodzenia do realizacji celów zawartych w pakiecie klimatycznym, w podziale na poszczególne rodzaje OZE i związane z nimi technologie (8 godzin). Ostatnia część wykładu (2 godzin) zawiera wnioski końcowe i zakończenie, w którym podkreślano konieczność wprowadzenia energii jądrowej w Polsce. I.1. Polityka energetyczna Polski do 2030 r. Dnia 10 listopada 2009r. Rada Ministrów przyjęła Uchwałę nr 202/2009 pod tym tytułem. Dokument zawiera najważniejsze zagadnienia energii polskiej do roku 2030, wskazuje działania, których realizacja doprowadzi do rozwiązania takich podstawowych problemów jak rosnące zapotrzebowania na energię, różne aspekty infrastruktury wytwórczej i transportowej, ochrona środowiska i zobowiązania względem Unii Europejskiej. Ponadto Uchwała opisuje szczegółowo uzależnienie Polski od zagranicznych dostaw gazu i ropy. Nowa polityka energetyczna zawiera następujące zagadnienia: 1. Kluczowa i priorytetowa rola poprawy efektywności energetycznej dla wszystkich założeń strategii energetycznej Polski. 2. Kwestia bezpieczeństwa energetycznego. W Uchwale zakłada się stworzenie stabilnych perspektyw dla inwestowania w infrastrukturę przesyłkową i dystrybucyjną. 3. Wprowadzenie programu polskiej fizyki jądrowej. 4. Wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE). 5. Zwiększenie konkurencji na rynku energii. 6. Ograniczenie oddziaływania energetyki na Srodowisko. I.2. Strategia Bezpieczeństwa Energetyczne i Środowisko Po etapie konsultacji społecznych i międzyresortowych, w dniu 4 lipca 2012 kierownictwo Ministerstwa Gospodarki przyjęło projekt strategii i zarekomentowało skierowanie dokumentu pod obrady Komitetu Stałego Rady Ministrów (nie ma jeszcze planowego terminu przyjęcia projektu). Omówione będą skrótowo cele Strategii i ewentualne działania realizujące te cele. Oto główne zagadnienia: 1. Zrównoważone gospodarowanie zasobami środowiska 1.1 Racjonalne i efektywne gospodarowanie zasobami kopalin 1.2 Gospodarowanie wodami dla ochrony przed powodzią, suszą i deficytem wody 1.3 Zachowanie bogactwa rónorodności biologicznej, w tym wielofunkcyjna gospodarka leśna 1.4 Uporządkowanie zarządzania przestrzenią
2. Zapewnienie gospodarce krajowej bezpiecznego i konkurencyjnego zaopatrzenia w energię 2.1 Lepsze wykorzystanie krajowych zasobów energii 2.2 Poprawa efektywności energetycznej 2.3 Zapewnienie bezpieczeństwa dostaw importowanych surowców energetycznych 2.4 Modernizacja sektora elektroenergetyki zawodowej, w tym przygotowania do wprowadzenia energetyki jądrowej 2.5 Rozwój konkurencji na rynkach paliw i energii oraz umacnianie pozycji odbiorcy 2.6 Wzrost znaczenia rozproszonych, odnawialnych źródeł energii 2.7 Rozwój energetyczny obszarów podmiejskich i wiejskich 3. Poprawa stanu środowiska 3.1 Zapewnienie dostępu do czystej wody dla społeczeństwa i gospodarki 3.2 Racjonalne gospodarowanie odpadami, w tym wykorzystanie ich na cele energetyczne 3.3 Ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko 3.4 Wspieranie nowych i promocja polskich technologii energetycznych i środowiskowych 3.5 Promowanie zachowań ekologicznych oraz tworzenie warunków do powstawania zielonych miejsc pracy II. Zanieczyszczenie atmosfery i lidary (Załącznik 1) 1. Atomy i fotony 2. Widmo absorsyjne i emisyjne 3. Lasery właśności 4. Atmosfera Ziemska Skomplikowany Układ Dynamiczny 5. Lidar Light Detection And Ranging 6. Aerozolowy Lidar Jednoczęśtościowy 7. Lidar absorpcji różnicowej DIAL Differential Absorption Lidar 8. Lidar depolaryzacyjny 9. Aerozol w atmosferze 10. Cavity Ring-Down Spectroscopy CRDS 11. Inne czułe deteltory III. Paliwa kopalne (załącznik 2) III.1. Proces wymiany ciepła III.1.1. Przewodzenie ciepła III.1.2. Konwekcja III.1.3. Promieniowanie III.1.4. Równanie dyfuzji ciepła III.1.5. Dobowe zmiany temperatury III.1.6. Półprzezroczysta izolacja cieplna III.1.7. Nagła zmiana temperatury III.1.8. Wymiana ciepła przez żebra III.2. Zasady termodynamiki. Silniki cieplne
III.2.1. I zasada termodynamiki III.2.2. II zasada termodynamiki III.2.3. III zasada termodynamiki III.2.4. Zamiana ciepła na pracę i na odwrót. Sprawność cieplna III.2.5. Sprawność rzeczywistego silnika cieplnego III.2.6. Egzergia III.2.7. Silniki cieplne III.2.8. Elektryczność III.2.9. Zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska IV. Energia jądrowa (załącznik 3) 1. Kwantowy opis atomu Stany związane w atomach. Liczby kwantowe Zasada Pauliego Model powlokowy atomu. Okresowy układ pierwiastków 2. Fizyka jądrowa Jądro atomowe kwarki Jednostki w fizyce jądrowej Własności nukleonów i jąder Izotopy, izotony i izobary Stany związane w jądrach Energia wiązania Defekt masy Ścieżka trwałości jąder Modele jądra: model kroplowy i model powłokowy Liczby magiczne Prawo rozpadu Rozpady Alpha, beta i gamma Zderzenia i reakcje jądrowe Mikroskopowe przekroje czynne 3. Energia jądrowa Rozszczepienie jąder Neutrony termiczne i opóżnione Lawinowa reakcja rozszczepienia Masa krytyczna Kontrolowana reakcja jądrowa Reaktor jądrowy Schematy bloków energetycznych Schemat elektrowni jądrowej Fuzja jądrowa Oddziaływania promieniowań różnych typów z materią
Promieniowanie i życie Źródła naturalne i sztuczne promieniowania środowiska Śmiertelność i dawka śmiertelna V. Odnawialne źródła energii (załącznik 4) V.1. Słońce źródłem ciepła i elektryczności V.1.1. Kolektory słoneczne V.1.2. Ogniwa słoneczne V.2. Energia wiatru warunek graniczny Betza V.3. Energia wody V.3.1. Fale V.3.2. Elektrownie wodne VI. Wnioski i zakończenie (załącznik 5) Literatura