1
ekoen.doc
EKOLOGICZNE KONSEKWENCJE POZYSKIWANIA ENERGII
0. Repetytorium
Jednostki energii, współczynniki konwersji
1 tpu (tona paliwa umownego) = 0,7 t ropy naftowej lub 925 m
3
gazu ziemnego
1 J = N· m = W· s (dŜul)
= 2,778 · 10
-7
kWh
1 kWh (kilowatogodzina)
= 3,6 MJ = 0,1 litra ropy naftowej
1 MJ (megadŜul)
= 0,2779 kWh
1 GJ (gigadŜul)
= 277,8 kWh
1 PJ (petadŜul)
= 34 121 tpu (ton paliwa umownego)
1 Mtoe
= ekwiwalent miliona ton ropy naftowej
1. Struktura i zapotrzebowanie na energię w Polsce i na świecie
Rozwój przemysłu, motoryzacji, lotnictwa oraz indywidualnej konsumpcji dóbr, związa-
ny nie tylko ze wzrastającą stale liczbą ludności ale takŜe z systematycznym podnoszeniem
standardu Ŝyciowego, spowodował na przestrzeni ostatniego stulecia gwałtowny wzrost zapo-
trzebowania na energię. Tempo tego wzrostu ma charakter wykładniczy i nie nastraja optymi-
stycznie. JeŜeli nie podejmie się
kroków mających na celu oszczę-
dzanie energii, eliminowania ener-
go- i materiałochłonnych technolo-
gii i nie zastąpi się tradycyjnych
nośników energii innymi, bardziej
przyjaznymi środowisku, niekon-
wencjonalnymi jej formami, to
trudno będzie zahamować dalszą
degradację środowiska. RównieŜ w
Polsce do roku 1985 rosło gwał-
townie zuŜycie energii elektrycznej
zarówno w gospodarstwach do-
mowych, jak i w przemyśle. Po ro-
ku 1985 w przemyśle, a po roku
1990 w gospodarstwach indywidu-
alnych nastąpił znaczny spadek tego zuŜycia, w wyniku
czego obniŜyło się takŜe zuŜycie energii elektrycznej na
jednego mieszkańca w gospodarstwie domowym, co ob-
razuje tabela 1. ZuŜycie indywidualne na jednego miesz-
kańca zobrazowano teŜ w formie wykresu na rys. 1. Z
ekstrapolacji linii wykresu po roku 1990 (linia kreskowa)
wynika, Ŝe zuŜycie to powinno dalej wzrastać, w wyniku
załamania się gospodarki jednak zaczęło spadać.
Szacuje się, Ŝe nasza cywilizacja zuŜyła do tej pory
energię, która odpowiada około 500 mld tpu (tona paliwa
umownego), przy czym 2/3 tej energii skonsumowano w
ubiegłym stuleciu. Udział poszczególnych nośników
energii pierwotnej w ogólnym bilansie energetycznej kon-
sumpcji i prognozę dalszego ich światowego zuŜycia
przedstawiono na rys. 2.
Z
u
zy
ci
e
en
er
g
ii
k
W
h
1970
1965
0
200
100
300
1980
1975
rok
1985
1990
700
500
400
600
1995
Rys. 1. ZuŜycie energii na osobę w
gosp. domowym w Polsce
wykład nr
ekoen.doc
Tabela 1. ZuŜycie energii elektrycznej w Polsce (1965-1995)
Rok
Ludność
Polski
ZuŜycie
całkowite
ZuŜycie przez
gosp. domowe
ZuŜycie w
gosp. domo-
wym na jedne-
go mieszkańca
mln.
TWh
TWh
%
kWh
1965
31,55
30,26
2,62
8,7
83
1975
34,18
72,59
6,95
9,6
203
1985
37,34
109,94
14,92
13,6
400
1990
38,18
102,51
20,60
20,1
539
1991
38,24
96,40
19,33
20,0
505
1992
38,42
91,59
18,43
20,1
480
1993
38,52
92,41
18,28
19,8
475
1994
38,59
93,56
18,22
19,5
472
1995
38,61
96,24
17,98
18,7
465
2
W początkowym okresie rozwoju cywilizacyj-
nego, gdy energia była głównie potrzebna do spo-
rządzania posiłków i ogrzewania, wykorzystywano
wyłącznie drewno, czyli naturalne paliwo odna-
wialne. Wzrastające zapotrzebowanie na energię,
związane z rozwojem miast i przemysłu, zmusiło
do poszukiwań innych nośników energii i rozwoju
górnictwa surowców paliwowych w postaci węgla
kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu
ziemnego, a w późniejszych latach paliwa jądro-
wego jakim jest najczęściej uran. Wymienione pa-
liwa zaliczamy do naturalnych, ale nieodnawial-
nych źródeł energii. Zawarta w nich energia che-
miczna lub jądrowa zamieniana jest na energię
elektryczną, mechaniczną lub cieplną. Poglądowo
ilustruje to dla Polski rys. 3.
Dziedzina przemysłowa zajmująca się wytwa-
rzaniem energii elektrycznej i cieplnej, tak z od-
nawialnych jak i nieodnawialnych nośników energii, nazywana jest energetyką. Pod pojęciem
energetyka konwencjonalna naleŜy rozumieć procesy przetwarzania energii chemicznej za-
wartej w paliwach naturalnych na:
•
energię cieplną (kotłownie, ciepłownie)
•
energię elektryczną (elektrownie) lub
•
energię elektryczną i cieplną (elektrociepłow-
nie)
Ten ostatni sposób jednoczesnej produkcji ener-
gii elektrycznej i cieplnej, pozwalający stosować
tzw. gospodarkę skojarzoną, jest najbardziej eko-
nomiczny. Aktualnie w Polsce udział elektrocie-
płowni w produkcji energii elektrycznej wynosi
18,1% i ma wzrosnąć w 2020 roku do poziomu
34%. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej
i cieplnej jest wysoce sprawnym i w związku z tym
mniej szkodliwym dla środowiska sposobem kon-
wersji energii chemicznej paliwa do finalnej posta-
ci energii cieplnej i elektrycznej.
RóŜnica zuŜycia paliwa na korzyść układu skojarzonego jest znacząca i sięga 50%. Wy-
nika to z małej sprawności (
η
= 0,39) elektrowni kondensacyjnych w porównaniu ze sprawno-
ś
cią elektrociepłowni wynoszącą
η
= 0,85. Elektrociepłownie zawodowe w Polsce zuŜywają
około 12,5 mln ton węgla rocznie. Dla wytworzenia takiej samej ilości energii w układzie roz-
dzielonym naleŜałoby spalić około 6,7 mln ton węgla więcej. Obok ŜuŜla i popiołu, którego
ilość przekracza z reguły 10% masy paliwa, oznaczałoby to dla środowiska wyemitowanie ok.
12.4 mln. ton CO
2
, 110 tys. ton SO
2
i ponad 50 tys. ton CO. Z tego to powodu w polityce kra-
jów europejskich energetyka skojarzona uwaŜana jest za istotne narzędzie obniŜania poziomu
emisji gazów cieplarnianych.
Strukturę dotychczasowego zapotrzebowania na nośniki energii w Polsce i prognozę jej
rozwoju na najbliŜsze lata przedstawiono na rys. 4. WyraŜoną zaś w liczbach prognozę krajo-
wego zuŜycia paliw w Polsce do 2020 roku, opracowaną przy załoŜeniu Ŝe światowy rozwój
1985
1990
1995
2000
2005
2010
100
90
%
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Węgiel kamienny
Węgiel brunatny
Ropa naftowa
Gaz ziemny
Inne
5
2
1
0
2
0
1
3
5
rok
Rys.2. Dotychczasowe i prognozowane zuŜy-
cie głównych nośników energii pierwot-
nej w Polsce
Elektryczna
Gaz ziemny
Gazowe
Płynne
Węgiel kamienny
Węgiel brunatny
Uran 235
Nośniki energii
Mechaniczna
Stałe
Torf
Olej napędowy
Olej opałowy
Benzyna
Ropa
Cieplna
Energia
Gaz koksowniczy
Biogaz
Rys. 3 Nieodnawialne nośniki energii i
sposoby ich zagospodarowania.
3
gospodarczy utrzyma się na dotychczasowym
poziomie, a średnioroczne tempo wzrostu
PKB w Polsce wyniesie 4%, przedstawiono w
tabeli 2.
O pewnym spadku zuŜycia energii pier-
wotnej w pierwszym dziesięcioleciu naszego
wieku informują dane zawarte w dolnym
wierszu tabeli 2. W dalszych latach przewidu-
je się jednak umiarkowany wzrost zapotrze-
bowania na energię, przy wyraźnie zaznacza-
jącym się spadku zuŜycia węgla i wzroście
zuŜycia gazu i ropy oraz energii odnawialnej
(wodnej, wiatrowej, geotermalnej, biomasy,
oleju rzepakowego i etanolu). Ostatnio jednak
coraz częściej mówi się o konieczności pozy-
skiwania energii z elektrowni jądrowych,
choć opory społeczeństw w tym względzie są
nadal ogromne.
Tabela 2. Stan i prognoza krajowego zuŜycia paliw (tempo PKB 4%)
Nośnik
Rok
Jednostka
1997
2005
20010
2015
2020
Węgiel kamienny
mln ton
104,7
85,7
82,1
83,8
80,7
Węgiel brunatny
mln ton
65,6
65,2
66,1
66,1
62,7
Ropa naftowa
mln ton
18,5
18,7
20,0
21,0
22,3
Gaz
mln m
3
11,5
19,7
21,3
22,7
28,4
Energie odnawialne
Mtoe
5,0
5,7
6,0
6,3
6,5
Globalne zuŜycie krajowe
Mtoe *)
106,5
102,7
105,7
109,2
113,2
*) 1 Mtoe = ekwiwalent miliona ton ropy naftowej
W tabeli 3. zestawiono ogólnoświatowe zapasy paliw naturalnych oraz orientacyjny rok
ich wyczerpania.
Tabela 3. Ogólnoświatowe zasoby paliw naturalnych
Zapasy
Rok wyczerpania
Energia
znane
przypuszczalne
jednostka
znanych
całkowitych
Węgiel
600
16400
Pg
po 2100
po 2200
Ropa naftowa
82,4
192,6
Pg
2045
2055
Gaz ziemny
65
33,9
Tm
3
2060
po 2060
Uran
1,02
1,08
Pg
2060
po 2060
Rok wyczerpania nieodnawialnych paliw naturalnych oszacowano przy załoŜeniu, Ŝe ich
wydobycie utrzymane będzie na dotychczasowym poziomie. Zgodnie z raportem Polskiego
Komitetu Światowej Rady Energetyki, zaprezentowanym we wrześniu 1999 roku, zasoby wę-
1990
10
0
1985
40
20
30
80
70
60
50
%
90
100
Ciepło
2
0
1995
2000
2010
rok
2005
Paliwa gazowe
Paliwa ciekłe
Energia elektryczna
1
8
1
7
1
5
2
7
Inne
3
Paliwa stałe
Rys. 4. Rozwój i prognoza struktury zapotrze-
bowania na paliwa i energię w Polsce
4
gla w Polsce wynoszą 54.700 milionów ton, co przy obecnym wydobyciu na poziomie ponizej
100 mln rocznie zapewni Polsce pokrycie potrzeb na to paliwo na ponad 500 lat. Jest to hory-
zont czasowy dwukrotnie dalszy od wyznaczonego w skali światowej.
2. SkaŜenie środowiska wynikające z procesów spalania
Choć wydobywanie naturalnych zasobów paliw jest powaŜną ingerencją w środowisko, to
największym jednak dla niego zagroŜeniem są produkty ich spalania stanowiące odpady w po-
staci pyłów, popiołów i ŜuŜli oraz tlenków siarki, azotu i węgla. Do innych szkód powstają-
cych w przyrodzie w wyniku oddziaływania tych odpadów zalicza się:
•
tzw. „dziurę ozonową” i nasilający się efekt cieplarniany,
•
tworzenie w aglomeracjach miejskich smogu wywołującego choroby układu oddechowego
(astma); powstaje on w wyniku duŜej koncentracji tlenków azotu i węglowodorów oraz za-
chodzących w atmosferze reakcji fotochemicznych,
•
zakwaszanie gleby i wód (kwaśne deszcze), generowane przez tlenki siarki i azotu,
•
zanieczyszczanie wód podskórnych cięŜkimi metalami, wymywanymi z nieprawidłowo
składowanych popiołów i ŜuŜli, a takŜe z odpadów powstających w procesach oczyszcza-
nia spalin metodami mokrymi i suchymi,
•
toksyczne emisje typu WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), związków
chlorowcopodobnych, dioksyn, furfuroli itp., wywołujące choroby nowotworowe i uszka-
dzające system immunologiczny.
Poza bezpośrednim oddziaływaniem wymienionych czynników na organizmy Ŝywe i śro-
dowisko roślinne, obserwuje się szybsze niŜ dawniej niszczenie dorobku kultury materialnej
(korozja konstrukcji Ŝelazobetonowych, mostów, hal przemysłowych i sportowych itp.), za-
bytkowych pomników, w szczególności tych wykonanych z piaskowca lub marmuru. Dowody
negatywnego oddziaływania produktów odpadowych z procesu spalania węgla brunatnego
moŜna spotkać w Karkonoszach, gdzie w wyniku kwaśnych deszczów i emitowanych popio-
łów wymarły iglaste lasy na powierzchni kilku tysięcy hektarów. W samej tylko RFN szacuje
się roczne koszty szkód wynikających z zanieczyszczenia środowiska na poziomie 6.000 -
6.600 mld Euro. W Polsce łączne straty spowodowane zanieczyszczeniem środowiska szacuje
się na poziomie 3,4-4,2 mld dolarów rocznie, bo aŜ 97% energii elektrycznej uzyskuje się w
wyniku procesu spalania róŜnego typu paliw naturalnych.
W Polsce na potrzeby energetyczne wykorzystuje się głównie paliwa stałe, co nie ulegnie
powaŜniejszej zmianie w ciągu najbliŜszych lat. Całkowite roczne zuŜycie energii w przeli-
czeniu na jednego mieszkańca w Polsce nie róŜni się znacznie od krajów rozwiniętych. Taka
struktura jest dla Polski wyjątkowo niekorzystna; bowiem ponad 37% energii dostarczanej do
odbiorców pochodzi z węgla. To znaczy, Ŝe oprócz węgla spalanego jako paliwo pierwotne w
elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych (gdzie łatwo moŜna ograniczyć emisję py-
łów, SO
2
i NOx, ale nie CO
2
), olbrzymie jego ilości są zuŜywane w róŜnych gałęziach prze-
mysłu, spalane w ponad milionie małych, rozproszonych kotłowni i w 15 milionach indywi-
dualnych pieców i kuchni węglowych. W przypadku rozproszonych kotłowni i indywidual-
nych palenisk praktycznie nie sposób ograniczyć tej emisji. Tymczasem źródła te są odpowie-
dzialne za emisję 25% SO
2
. Zwalczyć tę tzw. niską emisję rozprzestrzeniającą się lokalnie,
przede wszystkim w miastach, moŜna jedynie przez zmianę struktury energii finalnej, przez
zastąpienie energii z węgla energią elektryczną i gazem ziemnym. Zwrócić naleŜy uwagę, Ŝe
w krajach europejskich węgiel stanowi tylko 8,7% energii finalnej i jego udział stale maleje.
By chronić środowisko, zaostrzane są stale przepisy dotyczące poziomu dopuszczalnych
emisji. Obowiązująca obecnie w Polsce norma dopuszczalnej emisji SO
2
- na poziomie 200
g/GJ jest aŜ 6-krotnie ostrzejsza od tej jaka obowiązywała do roku 1997. Zwiększona troska o
ś
rodowisko ze strony polskiej energetyki i przemysłu datuje się od początku lat 90-tych, kiedy
5
rozpoczęto proces modernizowania kotłowni, elektrowni i elektrociepłowni. Szczególnie zna-
czące efekty osiągnięto w redukcji emisji pyłów i w zakresie oczyszczania ścieków. W ujęciu
ilościowym efekty tych zabiegów ilustruje zestawienie podane w tablicy 4.
Godne uwagi są równieŜ wysiłki podejmowane w Polsce w zakresie zwiększania po-
wierzchni terenów chronionych (rezerwaty, parki i lasy), która wzrosła z 6.073 tys. ha w roku
1990 do 8.146 tys. ha w 1995 roku.
Obecność tlenków azotu w spalinach jest uwarunkowana nie tylko jego obecnością w pali-
wie, ale równieŜ bezpośrednimi reakcjami syntezy tlenu i azotu atmosferycznego zachodzącymi
w podwyŜszonej temperaturze płomienia. Przy temperaturach spalania powyŜej 2000 °C, udział
tlenków azotu (NO
x
) w spalinach wynosi od 1 do 5 %. Najbardziej szkodliwy dla środowiska
jest NO
2
, który jest gazem koloru brunatnego o trującym i Ŝrącym działaniu. W połączeniu z
wodą tworzy kwas azotowy, stanowiący składnik „kwaśnych deszczów”. ObniŜeniu emisji NO
x
słuŜy spalanie niskotemperaturowe, występujące w nowoczesnych kotłach gazowych, a takŜe w
fluidalnych kotłach węglowych, w których emisja NO
x
nie przekracza 200 mg/m
3
spalin.
Tabela 4. Zanieczyszczenia wprowadzone do środowiska w Polsce
Rodzaj zanieczyszczenia
Jednostka
1990
1995
Zmiana w %
SO
2
NO
x
CO
2
Pyły
Ś
cieki nieoczyszczone
Odpady przemysłowe
Odpady miejskie
mln ton
mln ton
mln ton
mln ton
bln m
3
mln ton
mln m
3
3,21
1,28
407
1,95
1,34
143,9
42,7
2,52
1,13
366
1,15
0,7
122,7
43,7
- 21,5
- 11,2
- 10,1
- 41,0
- 47,8
- 14,7
+ 2,3
Największy objętościowy udział w spalinach ma CO
2
, który choć nie jest gazem trującym
powoduje powstawanie efektu cieplarnianego, prowadzącego do zauwaŜalnych zmian klima-
tycznych. Poprzez podejmowanie róŜnorodnych przedsięwzięć, wymuszanych między innymi
ograniczeniami określonymi w międzynarodowych konwencjach (protokół z Kyoto), dąŜy się
do istotnego zmniejszenia emisji CO
2
bez uszczerbku dla wzrostu gospodarczego tak krajów
rozwiniętych jak i rozwijających się. Prognozy w tym zakresie obrazuje histogram pokazany
na rys. 5. Natomiast zmianę stęŜenia dwutlenku węgla w powietrzu (w ppm) na przestrzeni
ostatnich 150 lat przedstawiono na rys.6.
C
O
0
2000
2
4000
6000
8000
2025
1985
2050
Ropa
3
1
2
1
2
3
Węgiel
1
2
3
Gaz
mln. t/r
Rys. 5. Pro-
gnozy rocznej
emisji CO
2
(1
- kraje uprze-
mysłowione, 2 -
kraje rozwija-
jące się, 3 -
ś
wiat)
6
0
1 0 0 0
2 0 0 0
3 0 0 0
4 0 0 0
5 0 0 0
1 9 8 8
1 9 9 0
1 9 9 2
1 9 9 4
1 9 9 6
1 9 9 8
S O2
Pyły
N 0 x
C O2 (x 1 0 0)
tys. ton
Rys. 7. Całkowita wielkość zanieczyszczeń atmosfery w Polsce w latach 1988-1998 (źró-
dło: roczniki statystyczne GUS)
W Polsce zmniejszenie emisji gazów odlotowych i pyłów z elektrowni nastąpiło głównie w
latach 90-tych i było w początkowym okresie wynikiem ograniczenia produkcji najbardziej
energochłonnych i uciąŜliwych dla środowiska zakładów przemysłowych (np. huty aluminium
w Skawinie). Równolegle zastosowano w Polsce w latach 90-tych szereg skutecznych bodź-
ców prawno-ekonomicznych oraz finansowych mechanizmów wspierania inwestycji sprzyja-
jących ochronie środowiska, które dały rezultat przedstawiony na wykresie rys. 7.
Wynikiem wzrostu zanieczyszczeń w powietrzu (w szczególności obecność CO
2
) jest
ś
redni wzrost temperatury na Ziemi (rys.8). Na przestrzeni prawie 150 lat temperatura ta
wzrosła o 1,4
0
C ale jest to na tyle odczuwalne, Ŝe niepokoi ekologów. Dalsze ocieplanie kli-
matu moŜe być przyczyną wielu zmian w środowisku naszej planety.
Rys.6. StęŜenie dwu-
tlenku węgla w po-
wietrzu w latach
1845-1995 w ppm
(milionowe części)
7
3. Energetyka konwencjonalna
W najstarszych, konwencjonalnych elektrowniach węgiel spalany jest na ruszcie kotła,
wytwarzającego parę wodną. Para napędza turbinę parową, sprzęŜoną z generatorem prądo-
twórczym. Niska sprawność takiego procesu wytwarzania energii elektrycznej (39%) wynika
z niewykorzystywania cieplnej energii odpadowej, której elektrownie pozbywają się w chłod-
niach kominowych suchych lub mokrych. Uproszczone schematy takich elektrowni przedsta-
wiono na rys. 9 i 10.
Rys.9. Schemat technologiczny
elektrowni węglowej z mo-
krą chłodnicą kominową
1 - turbina parowa, 2 - generator, 3 -
chłodnica kominowa, 4 - kocioł parowy, 5
- skraplacz, 6 - pompa zasilająca, 7 pompa
wody chłodzącej.
Rozwiązanie z turbiną dwustopniową jest niewątpliwie bardziej nowoczesne od przed-
stawionego na rys. 9, nie tylko z uwagi na lepszą sprawność, ale równieŜ ze względu na za-
mknięte obiegi wody w układzie chłodzenia i w układzie napędu turbin. Jest to równoznaczne
ze znacznie mniejszym ubytkiem wody w układzie.
Rys.10. Schemat technologicz-
ny elektrowni węglowej z
suchą
chłodnicą kominową
i z turbiną dwustopniową
1 - turbina wysokopręŜna, 2 - turbina
niskopręŜna, 3 - generator, 4 - kocioł,
5 - chłodnica kominowa sucha, 6 -
skraplacz natryskowy, 7 - pompy zasi-
lające
Jak juŜ wspomniano, sprawność elektrowni parowych moŜna podwoić, jeŜeli tzw. ciepło
odpadowe nie zostanie przekazywane do otoczenia w chłodniach kominowych, a wykorzysta-
ne do celów komunalnych lub przemysłowych (ogrzewania mieszkań, wody, hal fabrycznych
itp.). Mamy wówczas do czynienie z elektrociepłowniami, a środowisko zyskuje na tym po-
dwójnie, bo moŜliwe jest dzięki temu zmniejszenie zuŜycie węgla, a przez to równieŜ zredu-
kowanie obciąŜenia przyrody produktami jego spalania.
5
6
7
4
1
GS
3~
2
3
GS
3~
4
1
6
3
7
5
7
2
Rys.8. Zmiana średniej
temperatury powietrza
w ciągu ostatnich 140
lat
8
Pozyskiwanie węgla i przetwarzanie go na energię elektryczną powoduje takŜe inne nega-
tywne skutki, oprócz wymienionych wyŜej, w tym równieŜ skutki śmiertelne. Wydobycie 3
mln ton węgla, spalanych rocznie w elektrowni o mocy 1 GW, powoduje średnio śmierć 3
górników pod ziemią, zdarzają się wypadki śmiertelne podczas jego transportu. MoŜna po-
wiedzieć, Ŝe jest to ryzyko zawodowe. Ile jednak osób umiera rocznie z powodu zanieczysz-
czenia środowiska produktami spalania węgla? Według danych zebranych w róŜnych krajach
szacuje się, Ŝe typowa elektrownia węglowa o mocy 1 GW powoduje przedwczesną śmierć
100-500 osób rocznie. Liczba zgonów zaleŜy od wielu czynników, takich jak jakość spalane-
go węgla, stopień oczyszczania spalin, gęstość zaludnienia w pobliŜu elektrowni i warunki
meteorologiczne. W USA liczbę ofiar śmiertelnych energetyki węglowej ocenia się na 25.000
osób, a w Wielkiej Brytanii na 2.000 osób rocznie. Największe masowe zatrucia spalinami
wydarzyły się w Dolinie Mozy (Belgia, 1952 r.), w Donora (Pensylwania, 1948 r.), w Londy-
nie (1952 r.) oraz w Nowym Jorku (lata 1953, 1963, 1966). W Londynie w grudniu 1952 roku
z powodu szczególnie niekorzystnych warunków meteorologicznych (inwersja temperatury),
w ciągu kilku dni zmarło 3.900 osób.
O szkodliwości tlenków azotu wiedziano od dawna. W szczególności znana była zaleŜność
między jego stęŜeniem a zachorowalnością na nowotwory złośliwe. Dopiero stwierdzenie ra-
kotwórczych nitrozoamin w powietrzu w miastach o duŜym ruchu samochodowym wyjaśniło
tę zaleŜność. Usuwanie pyłów, dwutlenku siarki i tlenków azotu ze spalin elektrowni węglo-
wych jest koniecznym warunkiem ratowania ludzkiego zdrowia i środowiska naturalnego.
Stanowi najwaŜniejszy i najbardziej palący problem energetyki światowej, opartej na węglu.
Do usuwania pyłów najczęściej stosuje się elektrofiltry. Technologia usuwania pyłów została
dostatecznie opanowana i powinna być powszechnie stosowana. Odsiarczanie spalin jest trud-
niejsze i droŜsze. Szczególnie kosztowne jest instalowanie urządzeń usuwających szkodliwe
gazy w starych, od lat pracujących, elektrowniach oraz elektrociepłowniach. Koszty instalacji
oczyszczających, ich eksploatacja i usuwanie ubocznych produktów, na przykład gipsu, trzeba
oceniać uwzględniając przy tym porównanie ceny energii elektrycznej otrzymywanej z róŜ-
nych paliw. Warto przy tym pamiętać, Ŝe oczyszczanie gazów odlotowych nie dotyczy dwu-
tlenku węgla, którego emisja grozi, jak powszechnie wiadomo, przykrymi konsekwencjami w
skali globalnej. Często mówi się i pisze o innych niŜ oczyszczanie spalin sposobach zmniej-
szania szkodliwości energetyki węglowej. Jednym z nich jest przedprocesowe oczyszczanie
węgla. MoŜna w tym celu stosować udoskonaloną flotację, oczyszczanie chemiczne lub mi-
krobiologiczne. Drugi sposób to zastosowanie nowoczesnych technologii spalania, do których
naleŜą spalanie fluidalne lub cyklonowe. Daleko jednak do tego, Ŝeby je moŜna było wprowa-
dzić w Polsce. Warto równieŜ przypomnieć, Ŝe spalany węgiel zawiera znaczne domieszki
substancji radioaktywnych, w szczególności uranu i toru. W 1 mln ton węgla znajduje się oko-
ło 1 tony uranu 238U i 2 tony toru 232Th, które w procesie spalania wydostają się do atmosfe-
ry i powodują skaŜenie otoczenia siłowni węglowej. NaleŜy takŜe pamiętać, Ŝe wydobyciu
węgla towarzyszy wypompowywanie kolosalnych ilości wód kopalnianych zawierających sole
róŜnych szkodliwych pierwiastków, między innymi radu. Z Górnośląskiego Zagłębia Węglo-
wego do zlewni Wisły oraz Odry odprowadza się dziennie około 1 mln m
3
tych wód.
4. Elektrownie gazowe
Naturalne paliwa gazowe lub ciekłe umoŜliwiają pominięcie w produkcji energii elektrycz-
nej ogniwa o niskiej sprawności jakim jest kocioł parowy. Uzyskuje się dzięki temu wyŜszą
sprawność przetwarzania energii chemicznej gazu na energię elektryczną. Turbinę parową za-
stępuje turbina gazowa zasilana z wytwornicy gazu. Na rys. 11 przedstawiono uproszczony
schemat układu prądotwórczego napędzanego turbiną gazową. RównieŜ w tych układach wy-
stępują róŜne rozwiązania technologiczne wykorzystujące lub nie zasadę regeneracji ciepła
odpadowego.
9
Gaz ziemny jest paliwem znacznie droŜ-
szym od węgla, ale równocześnie o wiele
czystszym ekologicznie. Budowa elektrow-
ni gazowych trwa krócej i wymaga mniej-
szych nakładów niŜ elektrowni węglowych.
Sprawność elektrowni gazowo-parowych
jest prawie o 20% wyŜsza i wobec tego
mniejsze jest zuŜycie wody niezbędnej do
chłodzenia. W porównaniu z elektrownią
węglową emisja szkodliwych substancji
przez elektrownię gazową - przy wytwa-
rzaniu tej samej ilości energii elektrycznej -
jest mniejsza: CO
2
o 50%, SO
2
o 99,9%,
NOx o 75%, pyłów o 99,6%.
Niestety, krajowe zasoby gazu ziemnego
są nieduŜe. Maksymalne wydobycie w
1970 roku wyniosło 7,5 mld m
3
. W 1994 roku wydobyto 4,6 mld m
3
gazu, w tej ilości gaz wy-
sokometanowy stanowił tylko 42%. Z Rosji importowaliśmy 5,8 mld m
3
. ZuŜycie bezpośred-
nie wyniosło 9,3 mld m
3
, z czego połowę spaliliśmy w gospodarstwach domowych. Z liczb
tych wynika, Ŝe oparcie rozwoju polskiej elektroenergetyki na gazie ziemnym wymagałoby
kilkukrotnego zwiększenia jego importu. W tym kontekście naleŜy zwrócić uwagę na problem
energetycznego bezpieczeństwa kraju. Umowa z Rosją o budowie przez Polskę tranzytowego
rurociągu z półwyspu Jamal do Europy Zachodniej stwarza moŜliwość otrzymywania rocznie
14 mld m
3
gazu ziemnego. Ale nie moŜna rozbudowywać polskiej elektroenergetyki, opartej
jedynie na elektrowniach gazowych co uzaleŜniłaby Polskę od władz na Kremlu. Zresztą bu-
dowa gazociągu po dnie Bałtyku z ominięciem Polski uwidacznia ten problem.
W nowszych rozwiązaniach stosuje się układy parowo-gazowe z kotłem fluidalnym, lub
gazowo-parowe ze zgazowaniem węgla i inne, z którymi związane są nadzieje na dalsze
zwiększenie sprawności i zmniejszenie szkodliwości produkcji energii elektrycznej i cieplnej
dla środowiska naturalnego.
Fluidyzacja polega na zawieszeniu rozdrobnionego (w młynach kulowych) ciała stałego
(węgla) w płynącym ku górze strumieniu gazu (powietrza), czyli na zetknięciu się fazy stałej z
fazą gazową. Stosując odpowiednie wymiary ziaren oraz właściwą prędkość ich ruchu moŜna
uzyskać duŜe stęŜenie ciała stałego w układzie ciało stałe – gaz. W tych warunkach stwierdza
się intensywne mieszanie ciała stałego, co w połączeniu z bardzo rozwiniętą powierzchnią te-
go ciała, stwarza doskonałe warunki dla przenikania ciepła oraz ruchu masy. Na skutek szyb-
kiej cyrkulacji ziarna utrzymują się w układzie warunki prawie stałej temperatury, chociaŜ
wydzielanie i pochłanianie ciepła przebiega bardzo nieregularnie. Dzięki temu proces fluidy-
zacji stwarza bardzo korzystne warunki dla przebiegu reakcji chemicznych połączonych z du-
Ŝ
ymi efektami cieplnymi. Po wypaleniu węgla pył kierowany jest do cyklonu 2 (rys.12) gdzie
siła odśrodkowa oddziela pył od spalin. Spaliny kierowane są do elektrofiltrów w celu ich
oczyszczenia. Olbrzymi postęp w budowie kotłów fluidyzacyjnych na świecie spowodował
zainteresowanie fluidalną technologią spalania węgla krajowych producentów kotłów, a takŜe
energetyki zawodowej i przemysłowej. Szereg krajowych firm prowadzi modernizację cie-
płowni opartą na technice fluidalnego spalania.
Spalanie w piecach fluidalnych wykazuje szereg zalet w stosunku do procesu jaki przebie-
ga w zwykłych piecach pyłowych. Są to:
•
moŜliwość wykorzystania jako paliwa mułów popłucznych z instalacji wzbogacania węgla,
GS
3~
1
3
2
6
4
5
Spaliny
Paliwo
Rys. 11. Schemat układu prądotwórczego z
turbiną gazową
1 - turbina, 2 - spręŜarka, 3 - zawór, 4 - komora spalania, 5
- pompa, 6 - generator
10
•
proste przygotowanie paliwa do spalania oraz proste doprowadzenie paliwa do komory pa-
leniskowej,
•
znaczna (80%) redukcja emisji SO
2
do atmosfery poprzez doprowadzenie do złoŜa związ-
ków wiąŜących siarkę,
•
niska emisja dwutlenku azotu z uwagi na niską temperaturę złoŜa (850
0
C) i etapowe spalanie,
•
niska emisja węglowodorów,
•
bardzo dobry współczynnik wymiany ciepła w komorze paleniskowej,
•
wysoka sprawność spalania, ze względu na mieszanie turbulentne i długi czas przebywania
cząstek w złoŜu cyrkulacyjnym,
•
moŜliwość gospodarczego wykorzystania powstających w kotłach odpadów paleniskowych,
•
temperatura spalania nie przekracza temperatury mięknięcia popiołu zawartego w paliwie,
co wpływa na niewielkie zabrudzenie powierzchni kotłowych.
Spalanie fluidalne jest technologią czystego spalania, w której bezpośrednio w palenisku
uzyskuje się równoczesne zmniejszenie emisji
wszystkich podstawowych zanieczyszczeń. Inten-
sywność spalania w warstwie pozwala na zmniej-
szenie wymiarów komory paleniskowej, oraz na ob-
niŜenie temperatury spalania do 800÷900°C. Konse-
kwencją obniŜenia temperatury spalania jest zmniej-
szenie się ilości wytwarzanych w procesie spalania
tlenków azotu oraz ulatniania się cząstek innych
pierwiastków. Tlenki azotu są groźne dla środowi-
ska, a niektóre inne pierwiastki powodują korozję
turbin gazowych napędzanych spalinami z paleniska
fluidalnego. Dzięki idealnemu wymieszaniu ziaren
węgla z powietrzem w warstwie fluidalnej oraz fak-
towi, Ŝe temperatura warstwy fluidalnej jest niŜsza
niŜ temperatura topnienia popiołu zawartego w wę-
glu, moŜliwe jest spalanie węgla niskokalorycznego,
zawierającego bardzo duŜo popiołu. Schemat oma-
wianego pieca pokazano na rys.12.
W palenisku fluidyzacyjnym moŜliwe jest spala-
nie węgla o wartości opałowej począwszy od około 6,3 MJ/kg do około 13 MJ. Pomyślnie
wypadły próby ze spalaniem w palenisku fluidyzacyjnym równieŜ węgla brunatnego, mułów i
przerostów węgla kamiennego, torfu, łupków bitumicznych, pozostałości z przeróbki ropy
naftowej, a takŜe odpadów komunalnych.
5. Energetyka jądrowa
JeŜeli za kryterium przyjmie się naturalne pochodzenie paliwa jądrowego, to energetykę
jądrową traktować moŜna, analogicznie do tej, opartej na węglu i gazie, jako energetykę kon-
wencjonalną. Niekonwencjonalny jest jednak proces spalania uranu, w którym nie energia
chemiczna lecz jądrowa energia paliwa zamieniana jest na energię cieplną. Biorąc ten drugi
aspekt za kryterium, energetykę jądrową zalicza się do energetyki niekonwencjonalnej.
Ź
ródłem energii w energetyce jądrowej jest jeden z trzech typów reakcji jądrowej: rozsz-
czepienie, synteza jądrowa lub synteza termojądrowa.
Reakcje rozszczepienia. Nośnikiem energii rozszczepienia jest występujący w przyrodzie
uran 238 i tor 235. Uran uzyskuje się z ubogiej 0,7% rudy uranowej U
3
O
8
. Tor natomiast wy-
stępuje w przyrodzie w postaci ThO
2
, w złoŜach torytu, oranzytu i piaskach monacytowych
oraz wodach oceanicznych. Rozszczepienie 1 g uranu, który zawiera 2,46 x 10
21
jąder, na dwa
powietrze 2
powietrze 1
5
1
3
rys10_30_a
2
do filtra
i komina
4
sorbent
(paliwo)
Rys.12. Schemat pieca fluidalnego: 1) ko-
mora paleniskowa, 2) cyklon, 3) układ
nawrotu z syfonem, 4) walczak (wo-
da+para), 5) ruszt
11
jednakowe jądra izotopu uranu
235
U, wyzwala energię 80 GJ (22.000 kWh). Jest to energia,
która odpowiada spaleniu w elektrowni konwencjonalnej ok. 2,5 ton węgla.
Reakcje syntezy jądrowej. Druga moŜliwość uzyskania energii jądrowej występuje pod-
czas syntezy jąder pierwiastków z początku układu okresowego: trytu (izotop wodoru), helu,
boru i litu. Jako podstawowe paliwo w reakcji syntezy jądrowej stosuje się deuter (izotop wo-
doru) i lit, z których otrzymuje się tryt. Energia uzyskiwana w reakcjach syntezy jądrowej jest
czterokrotnie większa od tej uzyskiwanej z reakcji rozszczepienia uranu. Pierwszą tego typu
reakcję przeprowadzili w roku 1952 Amerykanie w sposób wybuchowy, był to sposób niekon-
trolowany (bomba wodorowa).
Synteza termojądrowa samoczynnie zachodzi na Słońcu, gdzie z czterech protonów syn-
tetyzuje się jądro helu. Podczas tej syntezy wydziela się ogromna ilość energii równa 700.000
kWh na kaŜdy mol zsyntetyzowanego helu. Obiecujące są wyniki podejmowanych prób z tzw.
„zimną fuzją termojądrową”, przeprowadzaną w warunkach ziemskich. Prognozuje się, Ŝe te-
go typu kontrolowane reakcje termojądrowe staną się w przyszłości znaczącym źródłem ener-
gii dla ludzkości.
5.1. Reaktory i elektrownie jądrowe
Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w Chicago, w 1942 roku. Jako paliwo stosuje się
uran, pluton lub tor. RozróŜnia się dwa typy reaktorów: termiczne lub bardziej nowoczesne
zwane reaktorami prędkimi.
W reaktorach termicznych (rys. 13) chłodzonych
wodą lub gazem (CO
2
) prędkość reakcji reguluje się
prętami kadmowymi, a moderatorem jest grafit lub
cięŜka woda. W reaktor tego typu miała być wyposa-
Ŝ
ona elektrownia w śarnowcu. W elektrowniach z
takimi reaktorami osiąga się gęstość mocy rzędu 100
i więcej MW/m
3
objętości rdzenia, przy parametrach
pary napędzającej wielostopniowe turbiny wynoszą-
cych odpowiednio t = 300-350 °C i p = 4-6 MPa.
Sprawność takich siłowni leŜy w granicach
η
= 30-
33%
W reaktorach prędkich zachodzi powielanie pa-
liwa i powstaje strumień energii o duŜej gęstości -
kilkuset MW na m
3
objętości rdzenia. Chłodziwem
nie jest woda, lecz ciekły sód, o temperaturze wrze-
nia t
w
= 883°C. W siłowniach wyposaŜonych w tego
typu reaktory wprowadza się, ze względów bezpie-
czeństwa, aŜ trzy obiegi chłodzenia: dwa obiegi sodu
(radioaktywnego i nieradioaktywnego) oraz obieg pa-
rowo-wodny. Przy wyŜszych niŜ w zwykłych reakto-
rach termicznych parametrach pary, wynoszących
około 500°C i ciśnieniu kilkunastu MPa, siłownie takie osiągają sprawność
η
= 40%.
Energetyka jądrowa była, w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych minionego wieku,
nadzieją na zaspakajanie wciąŜ rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną. Z upły-
wem kolejnych dziesięcioleci rodziły się coraz większe opory w jej rozwijaniu. W duŜej mie-
rze przyczyniły się do tego katastrofy elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii w marcu
1979 roku i elektrowni w Czarnobylu (1986) a takŜe szereg mniejszych awarii w innych elek-
trowniach atomowych. Groźba globalnego skaŜenia środowiska w przypadku awarii reaktora
jądrowego, jak i kłopot z utylizacją i składowaniem radioaktywnych produktów odpadowych,
achim.doc
6
5
4
2
3
1
Rys. 13. Schemat reaktora termicznego
:
1 -pręty regulacyjne, 2 - chłodziwo, 3 - mo-
derator, 4 - pręty paliwowe, 5 - osłona ter-
miczna, 6 -
osłona betonowa
12
to główne wady tej technologii produkcji energii elektrycznej. Z wyjątkiem Francji, w której
siłownie jądrowe zaspakajają ponad 60% krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną,
w większości krajów europejskich nie buduje się juŜ nowych elektrowni atomowych. Uru-
chamiana w 2001 roku elektrownia w czeskim Temelinie wyzwoliła falę protestów i sprzeci-
wu, daleko wybiegającego poza granice Czech. Pomimo tego w ostatnim półwieczu liczba
elektrowni jądrowych i uzyskiwana z nich moc ciągle wzrastały. Przyrost mocy uzyskiwanej
na świecie w elektrowniach jądrowych pokazuje rys. 14. Szczególnie intensywne tempo tego
wzrostu miało miejsce w latach 1970 – 1990.
Reasumując moŜna stwierdzić, Ŝe do zalet kon-
wencjonalnej energetyki, bazującej na nieodnawial-
nych źródłach energii, moŜna zaliczyć: dostępność i
róŜnorodność paliw naturalnych, ich stosunkowo ni-
ski koszt oraz opanowaną technologię stosowania. W
kontekście stale rosnącego zapotrzebowania energe-
tycznego światu zaczynają jednak w coraz większym
stopniu zagraŜać konsekwencje ekologiczne, które
tworzą zbiór wad konwencjonalnej energetyki. Naj-
waŜniejsze z tych zagroŜeń to:
•
skaŜenie powietrza produktami spalania (spalina-
mi)
•
wyczerpywanie się zasobów naturalnych,
•
kłopoty z utylizacją produktów odpadowych, głównie radioaktywnych,
•
groźba globalnego skaŜenia środowiska w przypadku awarii siłowni jądrowej,
•
dewastacja środowiska, wynikająca z procesów wydobywczych.
Energetyka jądrowa jest dziś traktowana jako bardzo proekologiczna, gdyŜ nie wytwarza
pyłów ani szkodliwych dla środowiska gazów, a drobne ilości substancji radioaktywnych
uwalniane w czasie normalnej pracy reaktora są nieznacząco małe w porównaniu z ilościami
naturalnych pierwiastków promieniotwórczych rozsianych w naszym otoczeniu. Problemem
jest jednak zagospodarowanie odpadów z takich elektrowni. Budowa elektrowni jądrowych to
stosunkowo kosztowna inwestycja i trwa długo, a inwestor musi się liczyć z ryzykiem, Ŝe
opór społeczeństwa moŜe spowodować wstrzymanie budowy, a nawet rezygnację z wykorzy-
stania gotowego obiektu, jak to się stało na przykład w Austrii. Społeczna akceptacja to naj-
waŜniejszy problem energetyki jądrowej. WiąŜą się z nim dodatkowe koszty i przedłuŜająca
się budowa elektrowni, co tym samym jeszcze bardziej je zwiększa. W krajach takich jak
Francja, gdzie energetyka jądrowa jest powszechnie akceptowana, elektrownie jądrowe bu-
dowane są szybko, co sprawia, Ŝe wygrywają bez trudu konkurencję z elektrowniami innych
typów.
Dziś energetyka jądrowa pokrywa około 5,5% światowego zapotrzebowania na energię, a
17% na energię elektryczną. W 31 krajach świata pracują 432 reaktory energetyczne o łącznej
mocy 340 GW. W budowie jest 48 reaktorów o mocy 39 GW. Doświadczenie eksploatacyjne
energetyki jądrowej wyraŜa się iloczynem liczby reaktorów i lat ich pracy i wynosi 7330 (licz-
ba reaktorów x liczba lat pracy). Najwięcej reaktorów energetycznych pracuje w USA - 109 o
mocy 99 GW. Na drugim miejscu jest Francja z 56 reaktorami o łącznej mocy 58,6 GW. Naj-
więcej nowych elektrowni jądrowych budują obecnie "tygrysy" gospodarcze Dalekiego
Wschodu: Korea Południowa oraz Japonia.
Działania mające na celu zahamowanie dalszej degradacji środowiska wynikającej z wy-
twarzania i konsumpcji energii sprowadzają się w zasadzie do trzech dziedzin:
a) do propagowania i wdraŜania nowych niekonwencjonalnych źródeł energii, głównie odna-
wialnej, które powinny być alternatywnymi źródłami energii w stosunku do węgla, ropy, i gazu.
1995
341,9
M
o
c
[G
W
]
326,9
1955
0,5
0
150
50
100
250
200
300
1975
1965
1960
1970
1985
1980
1990
71,75
5,28
1,14
16,42
140,0
249,7
350
Lata
energetyka'jadrowa
Rys.14. Przyrost mocy w elektrowniach
jądrowych na świecie
13
b) wyeliminowania energochłonnych, szkodliwych dla środowiska, technologii oraz wszelkich
strat energii, a zwłaszcza jej marnotrawienia,
c) upowszechnienie nowego stylu Ŝycia poprzez rozpropagowanie proekologicznej filozofii,
która zrywając z dotychczasowym hedonizmem, nie powinna jednak oznaczać powrotu do
ascetyzmu.
ekoen.doc