Paliwa kopalne

Węgiel, ropa naftowa i gaz są najpowszechniej wykorzystywanymi źródłami energii. 80 % energii zużywanej na świecie pochodzi ze spalania tych właśnie paliw. Nazywane są często paliwami kopalnymi, gdyż występują w podziemnych złożach.

Uformowały się ok. 300 mln lat temu – jeszcze przed epoką dinozaurów – ze związków organicznych w wyniku zalegania przez kilkadziesiąt lub kilkaset milionów lat pod ziemią, gdzie były poddane wysokiemu ciśnieniu. Są surowcami nieodnawialnymi – naukowcy są podzieleni co do czasu na jaki wystarczą ludzkości – według różnych szacunków węgla starczy na ok 200 lat, ropy i gazu na ok 50. Obecnie opiera się na nich światowa gospodarka – i mimo intensywnych prac nad odnawialnymi źródłami energii wciąż nie ma dla nich alternatywy.

Węgiel

Skała osadowa powstała ze szczątków roślin, które bez dostępu powietrza uległy uwęgleniu. Obecnie jest najpowszechniej występującym paliwem. Niestety węgiel wydobywany w kopalniach zawiera zanieczyszczenia takie jak siarka i azot, które podczas spalania uwalniane są do atmosfery. Jest niekorzystne dla środowiska, gdyż te szkodliwe powracają na ziemię w formie tzw. kwaśnych deszczów. Innym niekorzystnym produktem spalania jest dwutlenek węgla. Powszechnie uważa się, że to właśnie emisja tego gazu jest odpowiedzialna za obserwowane ocieplenie klimatu.

Węgiel jest głównym paliwem dla elektrowni cieplnych, któe są największym konwencjonalnym źródłem energii elektrycznej. W ostatnich latach nastąpił znaczący postęp w technologii czystego spalania węgla, który umożliwia zatrzymanie w filtrach 99 % popiołów i 95 % siarki i azotu (http://www.fe.doe.gov/education/energylessons/coal/index.html)

Najwięksi producenci węgla kamiennego i brunatnego 2006r. Źródło: na podstawie danych z IEA

Polska posiada bogate złoża węgla brunatnego, wydobywanego w kopalniach odkrywkowych. Niestety, taka forma eksploatacji złoża pozostawia po sobie niemal księżycowy krajobraz. Zdjęcie: Kopalnia Węgla Brunatnego w Bełchatowie. Źródło: Wikipedia

Polska posiada bogate zasoby węgla. Dzięki temu jest on podstawowym surowcem energetycznym w Polsce. Ponad 90% energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce pochodzi z elektrowni spalających węgiel kamienny lub brunatny. W okolicach Legnicy istnieją największe w Europie i prawdopodobnie na świecie złoża węgla brunatnego.

Ropa naftowa

Prawdopodobnie powstała wskutek beztlenowych procesów gnilnych ze szczątków roślin i zwierząt sprzed milionów lat, zachodzących pod wysokim ciśnieniem. Tak przynajmniej twierdzi większość naukowców, ale są też alternatywne teorie zakładające że złoża węglowodorów powstały już podczas narodzin naszej planety lub stale się tworzą pod wpływem reakcji zachodzących głęboko pod skorupą ziemską.

Najwięksi producenci ropy naftowej 2006r. Źródło: na podstawie danych z IEA

Ropa jest podstawowym paliwem dla transportu – paliwa wyprodukowane z ropy napędzają samochody (benzyna), ciężarówki, statki, pociągi (diesel), samoloty (nafta lotnicza). Z ropy wytwarza się też oleje niezbędne dla prawidłowej pracy silników, plastiki, lekarstwa, nawozy sztuczne.

Ropa jest surowcem o olbrzymim znaczeniu strategicznym. „To smutne, że z powodów politycznych nie można wprost mówić tego, co wszyscy wiedzą – że wojna w Iraku toczy się głównie o ropę” – pisał w swoich wspomnieniach były szef banku centralnego USA, Alan Greenspan. Zdjęcie – samoloty USAF nad płonącymi szybami naftowymi w Kuwejce 1991; źródło: www.af.mil

Gaz ziemny

Gaz pochodzenia organicznego – zbierający się w przestrzeniach skorupy ziemnej, często towarzyszący pokładom węgla lub ropy. Jego głównym składnikiem jest metan – łatwo palny gaz, który spalając się nie wydziela prawie zanieczyszczeń. W naturalnej postaci nie posiada zapachu, ale firmy gazowe dodają do niego aromaty zapachowe, aby łatwiej można było zauważyć ewentualne ulatnianie się. Ze względu na łatwość przesyłu rurociągami i czyste spalanie jest szeroko wykorzystywany w gospodarstwach domowych do ogrzewania i gotowania.

Najwięksi producenci gazu ziemnego 2006r. Źródło: na podstawie danych z IEA

Elektrownie cieplne

Mimo, że węgiel, ropa i gaz świetnie się nadają do wytwarzania elektryczności najszersze zastosowanie w tej dziedzinie znalazł węgiel. Energię z paliw kopalnych produkuje się w wielkich zakładach przemysłowych – elektrowniach cieplnych.

Najpopularniejszym paliwem w elektrowniach cieplnych jest węgiel kamienny lub brunatny. Węgiel kamienny jest najczęściej dowożony do elektrowni transportem kolejowym. Z uwagi na mniejszą kaloryczność węgla brunatnego transport kolejowy jest mało opłacalny, dlatego elektrownie na węgiel brunatny buduje się w bezpośrednim sąsiedztwie kopalni (np. elektrownia Bełchatów) – urobek jest przesyłany bezpośrednio do elektrowni systemami przenośników. Węgiel zanim trafi do kotła jest osuszany i mielony w młynach węglowych. Pył węglowy jest wdmuchiwany do kotła, gdzie ulega spaleniu.

Elektrownia Łaziska, jedna z największych w Polsce zużywa rocznie 2,7 mln ton węgla. Daje to średnio 123 wagony węgla dziennie!

Kocioł jest stale zasilany wodą, paliwem i powietrzem. Produktem głównym kotła jest para wodna o określonych parametrach, produktami ubocznymi, które należy usunąć, są spaliny, popiół i żużel. Kotły parowe wykorzystywane w elektrowniach wytwarzają parę przegrzaną (zwaną także parą suchą). Jest to para mająca temperaturę wyższą niż temperatura wrzenia cieczy. Przykładowo: w kotłach używanych w największej Polskiej elektrowni na węgiel kamienny w Kozienicach (model AP-1650, Fabryka Kotłów RAFAKO SA) para wylotowa ma temperaturę 540 C i ciśnienie 17.2 Mpa. Zastąpienie pary mokrej parą przegrzaną podniosło sprawność maszyn parowych i turbin. Przegrzana para przepływa rurociągiem do turbiny. Wykorzystana skrapla się, jest chłodzona i przepompowywana spowrotem do kotła.

W turbinie parowej energia cieplna pary wodnej jest przekształcana w energię mechaniczną. Składa się z elementu wirującego (wirnika) oraz kadłuba. Układ łopatkowy turbiny jest złożony z nieruchomych wieńców łopatkowych (tzw. wieńce kierownicze, związane z kadłubem) oraz wieńców wirujących związanych z wirnikiem. Para przy odpowiedniej prędkości napływa na łopatki turbiny. Powstaje moc mechaniczna, która jest przenoszona na wał maszyny.

Wirnik turbiny parowej jest sprzęgnięty z generatorem elektrycznym. Stosuje się najczęściej trójfazowe prądnice synchroniczne dużej mocy – od kilkunastu do kilkuset MW. W zależności od konstrukcji (liczby biegunów) wirnik wiruje z prędkością 1500 lub 3000 obr/min. Prędkość ta musi być stała w celu utrzymania stałej częstotliwości prądu (50Hz). Napięcie na wyjściu ze względu na ograniczenia izolacji nie przekracza 30 kV. Nie jest to dużo w porównaniu z napięciami przesyłanymi liniami przesyłowymi, gdzie osiągają poziom 400 kV. Moce generatorów sięgają 750 MVA. Energia elektryczna wytwarzana w elektrowni przekazywana jest do systemu elektroenergetycznego, skąd pobierana jest przez odbiorców.

Schemat budowy elektrowni cieplnej, źródło: FM.T. Westra, S. Kuyvenhoven – Energy powering your world