NIECH MOC BĘDZIE Z WAMI - PROBLEMY ENERGETYCZNE

Prof. dr hab. inż. Krzysztof Krawczyk

Wykład dotyczy sposobów pozyskiwania energii wykorzystywanej w gospodarstwach domowych i w przemyśle. Celem wykładu jest przedstawienie roli energii elektrycznej i paliw płynnych w życiu człowieka i gospodarce oraz uświadomienie, jakie są możliwości współczesnej techniki w zakresie ich pozyskiwania.

Zwięzły opis treści wykładu.

1. Reakcja chemiczna, jako główne źródło energii w przemyśle i w gospodarstwach domowych.

2. Źródła energii wykorzystywanej w gospodarstwach domowych i w przemyśle. Odnawialne źródła energii.

3. Produkcja energii, jako główne źródło zanieczyszczeń powietrza.

4. Elektrownie węglowe - problem ekologów.

5. Jak można manipulować opinią społeczną na temat energii jądrowej?

6. Benzyna z węgla - alternatywa dla drożejącej ropy naftowej.

Już w czasach prehistorycznych człowiek potrafił rozniecać ogień i w ten sposób wykorzystywał energię pochodzącą ze spalania drewna. Umiejętność rozniecania ognia, który był źródłem ciepła, światła, umożliwiał przygotowanie potraw i zapewniał ochronę przed dzikimi zwierzętami stanowił najważniejszy wynalazek epoki prehistorycznej. W czasach starożytnych energię ze źródeł naturalnych wykorzystywano również w żegludze.

Wynalazek maszyny parowej przez Jamesa Watta w 1763 roku, w której energia pary wodnej (energia cieplna) zamieniana jest na energię mechaniczną służącą do napędu urządzeń technicznych pozwolił na intensywny rozwój przemysłu i poziomu życia ludzkości. W pierwszym samochodzie skonstruowanym przez Cugnota wykorzystano maszynę parową. Do napędu wykorzystano energię cieplną pary wodnej otrzymywanej w kotle parowym umieszczonym w tylnej części samochodu. Współcześnie do napędu samochodów stosuje się inny rodzaj paliwa tj. produkty destylacji ropy naftowej i gaz.

Przełomowe znaczenie dla postępu cywilizacyjnego miało skonstruowanie prądnicy prądu przemiennego (Pixii 1832). Wcześnie stosowano prąd elektryczny uzyskiwany z ogniw chemicznych oraz maszyn elektrostatycznych. Wytwarzany w ten sposób prąd był bardzo drogi. Obecnie w gospodarstwach domowych wykorzystuje się energię elektryczną w wielu urządzeniach. Rozwój cywilizacji i postęp techniczny powoduje, że zużycie energii elektrycznej stale rośnie. Związane jest to ze stosowaniem coraz większej ilości urządzeń, które zużywają znaczne ilości energii. Do najbardziej energochłonnych urządzeń należą: klimatyzacja, przepływowy podgrzewacz wody, lodówko-zamrażarka, zmywarka, komputer, telewizor i kuchenka mikrofalowa. Udział energii zużywanej w źródłach światła jest obecnie niewielki. W Polsce średnie zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych wynosi ok. 540 kWh w ciągu roku na jedną osobę. Jest ono znacznie niższe niż średnia w Unii Europejskiej. Największe zużycie energii występuje w państwach skandynawskich. Wynika to z niskiej ceny energii elektrycznej produkowanej głównie w elektrowniach wodnych. Nośniki energii w gospodarstwach domowych wykorzystywane są również w kuchenkach gazowych i do ogrzewania. Źródła energii dzieli się na: paliwa stałe, ciekłe, gazowe, paliwa jądrowe i odnawialne źródła energii. Wszystkie wymienione paliwa stosowane są do produkcji energii elektrycznej a paliwa ciekłe i gazowe stosowane są również w komunikacji i transporcie. Produkcja energii elektrycznej polega na przetworzeniu dowolnego rodzaju energii w energię mechaniczną, która doprowadzana jest do generatora prądu. W turbinie mogą być wykorzystane różne formy energii. W elektrowniach węglowych, gazowych i jądrowych jest to energia cieplna (ze spalanie węgla kamiennego, brunatnego, gazu lub energia rozpadu ciężkich jąder). Energia cieplna wykorzystywana jest w silniku parowym, silniku Diesla, turbinie parowej i silniku Sterlinga. Do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się również energię kinetyczną (turbina wiatrowa i wodna) i energię potencjalną (turbina wodna). Największy udział w produkcji energii elektrycznej mają obecnie elektrownie wykorzystujące paliwa stałe, ciekłe, gazowe i wykorzystujące paliwo jądrowe. Udział elektrowni wodnych i wykorzystujących inne źródła energii w całkowitej produkcji energii elektrycznej jest niewielki. Światowa konsumpcja energii (elektryczność, komunikacja, transport) w ok. 39% pochodzi z ropy naftowej, po 23% z gazu i węgla, 6,5% z paliwa jądrowego i ok. 8,5% ze źródeł odnawialnych. W Polsce podstawowym źródłem energii jest węgiel kamienny i brunatny, z którego pochodzi ponad 60% energii, podczas gdy średnio w państwach Unii Europejskie jest to ok. 15%. W Polsce udział energii wytworzonej z gazu i ropy naftowej wynosi odpowiednio ok. 12% i 22%. W państwach Unii Europejskiej jest on ponad dwukrotnie więcej. W Polsce udział paliw stałych w produkcji energii elektrycznej wynosi 97% i jest najwyższy w Europie. Stosowanie w Polsce, jako źródła energii elektrycznej węgla ma niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Spalanie ok. 110 milionów ton węgla kamiennego i brunatnego wiąże się z ogromną emisją dwutlenku węgla oraz związków siarki i azotu. Poważnym problemem jest również emisja związków uranu i toru, których zawartość w węglu jest niewielka, lecz biorąc pod uwagę ogromne zużycie tego paliwa całkowita emisja jest duża. Poważnym problemem jest również emisja metali ciężkich głównie rtęci, kadmu i ołowiu, emisja pyłów oraz odpadów stałych - popiołu, żużla i gipsu. Emisja dwutlenku węgla przypadająca na jednostkę wyprodukowanej energii podczas spalania gazu i ropy naftowej stanowi odpowiednio 55% i 75% emisji CO₂ gdy stosowany jest węgiel. Emisja NO_x i SO_x (na jednostkę energii) w procesie spalania gazu i ropy naftowej jest również znacznie niższa niż w przypadku stosowania węgla.

Na ogrzanie 1 litra wody od 25 do 100ºC należy dostarczyć ok. 320 kJ energii. Taka ilość energii powstaje, gdy spalamy ok. 10 g najbardziej kalorycznego węgla, czyli antracytu (zawierającego 92-96 % węgla).

Emisja dwutlenku węgla ze spalania tej ilości węgla wynosi ok. 36g. W Polsce spala się ok. 110 mln ton węgla, co wiąże się z emisją ponad 300 mln ton dwutlenku węgla. Znacznie korzystniejszym paliwem od węgla kamiennego i brunatnego jest paliwo ciekłe i gazowe. Zalety paliwa ciekłego i gazowego w stosunku do węgla to:

• większa wartość opałowa,

• można je łatwo przesyłać na duże odległości za pomocą rurociągów i gazociągów,

• paliwo to nie wymaga dodatkowego przygotowania przez użytkownika,

• spaliny zawierają znikome ilości popiołów lotnych,

• nie występuje też problem odsiarczania gazów spalinowych,

• na jednostkę uzyskiwanej energii wytwarza się mniej CO2 niż przy spalaniu węgla.

Polsce wydobycie ropy naftowej jest niewielkie, a głównym jej dostawcą jest Rosja. Zużycie gazu ziemnego w Polsce wynosi ok. 13,3 mld m³. Udział produkcji krajowej wynosi zaledwie 28% (5,5 mld m³). Pozostała ilość importowana jest z Rosji (49%), krajów Azji Środkowej (17%) i Niemiec (6%).

Poważnym problemem w energetyce jest zmniejszanie się zasobów nośników energii. Szacunkowe dane wskazują, że węgla wystarczy na około 200 lat, ropy naftowej na 40 lat a gazu ziemnego na 60 lat. Największe rezerwy nośników energii występują w paliwach jądrowych. Dla elektrowni z reaktorami LWR (cykl otwarty) paliwa wystarczy na ok. 700 lat pracy, a w reaktorach prędkich (FBR) pracujących w cyklu zamkniętym na 35000 lat. Korzystną alternatywą dla produkcji energii z węgla jest energetyka jądrowa, w której nie występuje problem z emisją zanieczyszczeń. Dodatkowym argumentem jest cena energii elektrycznej, która jest niższa od uzyskiwanej innymi metodami. W energetyce jądrowej energia wytwarzana jest w wyniku reakcji rozpadu ciężkich jąder (rozczepienie uranu 235). Obecnie największymi producentami energii jądrowej są: Stany Zjednoczone Ameryki Północnej (29,2%), Francja (16,3) i Japonia (11%). Polska nie posiadając elektrowni jądrowych ma w sąsiedztwie, w odległości do ok. 310 km od swych granic, 9 pracujących elektrowni jądrowych (26 bloków - reaktorów energetycznych) o łącznej mocy elektrycznej ok. 17 000 MW.

Argumenty przemawiające za rozwojem energetyki jądrowej to:

1. tania, czysta i bezpieczna energia

2. nie emituje do atmosfery praktycznie żadnych zanieczyszczeń,

3. odpady radioaktywne składowane są w bezpiecznym miejscu,

4. elektrownie posiadają zabezpieczenia uniemożliwiające przedostanie się paliwa do środowiska,

5. elektrownia jądrowa (1000 MW) potrzebuje 30 ton paliwa a węglowa o tej samej mocy 3*10⁶ ton,

6. elektrownie mogą pracować bez obawy szybkiego zużycia paliwa, elektrownie jądrowe nie emitują trujących substancji do atmosfery

7. Z 1 kg uranu można wyprodukować 50 tys. kWh energii, z 1 kg nafty -
   4 kWh, z 1 kg węgla 3 kWh a z 1 kg drewna - 1 kWh.

Oprócz argumentów za rozwojem energetyki jądrowej pojawiają się często opinie przeciwne ich budowie. Krytyka koncepcji rozwoju energetyki jądrowej wynika z nieznajomości nowoczesnych technologii produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych oraz z sytuacji panującej w branży produkującej tę energię (awaria w Czarnobylu i Fukuszimie).

Argumenty krytyków koncepcji budowy elektrowni jądrowych:

1. energetyka jądrowa jest najdroższym źródłem energii i produkuje najbardziej toksyczne odpady i stwarza największe zagrożenia,

2. ryzyko awarii,

3. użyte paliwo przez długi czas pozostaje aktywne,

4. transport materiałów radioaktywnych jest niebezpieczny,

5. oddziaływanie na środowisko na każdym etapie produkcji.

Rozwój nowoczesnych technologii produkcji energii jądrowej w najbliższych latach doprowadzi do budowy bardzo małych generatorów energii moc ok. 10 MW w systemie 4S (super-safe, small, simple (TOSHIBA I HITACHI).

Alternatywą do technologii opartych na węglu kamiennym i brunatnym może być w przyszłości technologia polegająca na zgazowaniu podziemnym (w złożu) węgla kamiennego i wykorzystywaniu (na powierzchni) otrzymanego wodoru i tlenku węgla. Otrzymane w ten sposób gazy można odpowiednio oczyszczać, co pozwoli wyeliminować problem emisji dwutlenku węgla, popiołów i metali ciężkich.

Innym sposobem wykorzystania węgla i jednocześnie ograniczenia emisji szkodliwych gazów jest zgazowanie węgla na powierzchni i wykorzystywanie otrzymanych gazów do produkcji energii elektrycznej, metanolu i węglowodorów. W procesie produkcji węglowodorów wykorzystana będzie znana i stosowana, głównie w RPA przez firmę SASOL, metoda Fischera-Tropscha.

Jedną z najnowocześniejszych koncepcji jest wykorzystanie do produkcji energii fuzji jąder trytu i deuteru. Projekt ITER (Międzynarodowy Termonuklearny Eksperymentalny Reaktor) realizowany jest przez państwa Unii Europejskiej, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej, Chiny, Japonia, Korea Płd. i Rosję. Planuje się, że energię z tego źródła można będzie otrzymywać za ok. 30-50 lat.

Podręcznik dla nauczyciela

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

4

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---