Skąd się wziął węgiel?

Energia, którą czerpiemy z węgla jest pochodną energii słonecznej zaabsorbowanej przez rośliny sprzed milionów lat w procesie fotosyntezy. W sprzyjających warunkach (bagienne podłoże, małą ilość tlenu) nie zaszedł proces rozkładu obumarłych roślin – szczątki zostały przykryte warstwą mułów i osadów. Na skutek aktywności tektonicznej skorupy ziemskiej na przestrzeni milionów lat osady te zostały poddane działaniom wysokiej temperatury i ciśnienia przeobrażając się najpierw w torf a potem w węgiel. Proces ten, polegający na wzbogacaniu materii roślinnej w węgiel pierwiastkowy (wzrost zawartości węgla w węglu:) jest nazywany uwęgleniem lub karbonizacją. Można go przedstawić za pomocą prostego równania:

Węgiel w służbie ludzkości

Prawdopodobnie najwcześniej węgiel jako paliwo był wykorzystywany w Chinach ok 1000 lat przed naszą erą. W europie szacuje się, że węgiel mógł być używany przez Rzymian, którzy w pierwszych stuleciach po Chrystusie opanowali Wyspy Brytyjskie. Świadczą o tym znalezione w ruinach rzymskich budowli ślady popiołu węglowego. W źródłach pisanych węgiel pojawił się powszechnie w XIII wieku – był wykorzystywany w metalurgii (kowalstwie). Do ogrzewania i gotowania używały go już wówczas także niektóre plemiona w Ameryce północnej. Przełom nastąpił w wraz z nastaniem rewolucji przemysłowej. Na początku XVIII wieku Abraham Darby opracował technologię wytopu surówki w wielkim piecu przy użyciu węgla kamiennego (zastępując węgiel drzewny), kilkadziesiąt lat później zbudowano maszynę parową (za jej wynalazcę uważa się Jamesa Watta). Te dwa wydarzenia spowodowały skokowy wzrost popytu na węgiel i uczyniły go surowcem o znaczeniu strategicznym.

Rodzaje węgla

Węgiel jest obecnie najbardziej dostępnym źródłem energii na świecie. Szacuje się, że występuje w 70 krajach a w 50 jest wydobywany. W zależności od czasu i warunków w których się formował (ciśnieniem, temperatura )węgiel może występować pod różną postacią.

1. Torf – zawiera mniej niż 60% węgla – obecnie bardzo rzadko używany jako opał, znajduje zastosowanie w medycynie (kąpiele lecznicze) i rolnictwie (produkcja nawozów, ziemi ogrodniczej)
2. Węgiel brunatny – niska klasa ze względu na niską kaloryczność i wysoką wilgotność. Złoża te są stosunkowo młode, nie poddane wysokim wartością ciśnienia i temperatury. Wykorzystywany  w elektrowniach cieplnych zlokalizowanych w pobliżu miejsca wydobycia – transport na większe odległości byłby nieopłacalny. Zalegają na stosunkowo niewielkiej głębokości dlatego eksploatowane są metodą odkrywkową.
3. Węgiel kamienny – wysoka kaloryczność, wykorzystywana w elektrowniach cieplnych i hutnictwie.
4. Antracyt – najbardziej przeobrażona odmiana węgla, bardzo kaloryczna. Stosowany jako wysokogatunkowe paliwo. W przeciwieństwie do pozostałych odmian przewodzi prąd elektryczny.

W dokumentach ekonomicznych i raportach stosuje się przeważnie następujący podział:

1. węgiel brunatny (kaloryczność mniejsza niż 23,9 MJ/kg),
2. węgiel kamienny (kaloryczność większa niż 23,9 MJ/kg),

W jaki sposób wydobywamy węgiel?

W zależności od warunków geologicznych węgiel można wydobywać metodą odkrywkową lub głębinową.

Metoda odkrywkowa. Jest stosowany dla płytko umieszczonych złóż, zazwyczaj do 60 m. Polega na usunięciu wierzchniej części gleby oraz pozostałej części nadkładu przykrywającego złoże. Używa się do tego specjalnych maszyn, takich jak ogromne koparki i ciężarówki. Zazwyczaj w bezpośrednim sąsiedztwie odkrywki zlokalizowana jest elektrownia odbierająca urobek za pomocą przenośników taśmowych. Eksploatowany w ramach odkrywki obszar zajmuje często powierzchnie kilkuset  a nawet kilku tysięcy hektarów. Prawdziwym wyzwaniem jest więc przywrócenie mu później wartości przyrodniczych i użytkowych . Proces ten nazywa się rekultywacją.

Kopalnia odkrywkowa - diagram

Metoda głębinowa – komorowo-filarowa. Polega na drążeniu siatki stosunkowo wąskich komór, pozostawiając filary nietkniętego złoża podtrzymujące strop. Do urabiania calizny węglowej (odrywania brył węgla) używa się specjalnych kombajów lub materiałów wybuchowych (technika strzelnicza). Metoda ta umożliwia wykorzystanie złoża na poziomie 40-60%.

Wydobycie węgla metodą kombajnową - diagram

Metoda głębinowa – strugowa (ścianowa). Polega na całkowitym wybraniu wydzielonego prostokątnego pokładu o szerokości kilkuset metrów, ograniczonego wyrobiskami chodnikowymi. Używa się w tym celu kombajnu ścianowego. Pozostałą pustkę poeksploatacyjną likwiduje się poprzez kontrolowany zawał ścian stropowych lub wypełnienie materiałem podsadzkowym.

Wydobycie węgla metodą strugową - diagram

Zastosowanie węgla

O roli węgla w gospodarce światowej decyduje następujące czynniki:

• zasoby węgla są bogate i występują na całym świecie,
• cena węgla jest stabilna, odporna na kryzysy polityczne,
• międzynarodowy rynek węgla jest dobrze zaopatrzony, konkurencyjny,
• węgiel można bezpiecznie przechowywać i transportować,
• elektrownie węglowe są bezpieczne i niezawodne,
• wydobycie węgla nie zależy od pogody.

Węgiel jest w skali światowej najbardziej znaczącym źródłem energii elektrycznej elektrycznej,  jest też kluczowym surowcem w przemyśle hutniczym, cementowym oraz chemicznym.  Ponad 40% energii elektrycznej na świecie pochodzi z elektrowni cieplnych opalanych węglem.

Produkcja energii elektrycznej na świecie wg paliwa - źródło IEA 2006

Węgiel a w szczególności koks i odgrywa kluczową rolę w hutnictwie jako paliwo w procesie wielkopiecowym. Koks jest produkowany z naturalnego węgla poprzez wygrzewanie w temperaturze ponad 600-1200 stopni celsjusza bez dostępu powietrza. Jest bardziej kaloryczny i zapewnia spokojniejsze spalanie.

Szacuje się,  że wobec rosnących cen ropy naftowej rola węgla w światowej gospodarce będzie rosnąć.  Światowe zasoby wystarczą na ok 200 lat.  Dla porównania ropa i gaz mogą wyczerpać się już w połowie obecnego stulecia.

Benzyna z węgla

Galopujące ceny ropy naftowej, na której opiera się światowy transport skłaniają do refleksji, że węgiel jest zbyt cenny aby go spalać w elektrowniach – powinien być przetwarzany w wysokiej jakości paliwo dla silników spalinowych.

Zasoby węgla w porównaniu do ropy naftowej są stosunkowe duże – dlatego coraz szerzej się mówi o przetwarzaniu węgla w paliwo płynne.  Zagadnienie to nie jest nowością – już w latach 40 Niemcy posiadali kilka takich instalacji dostarczających paliwo na potrzeby wojenne.  Po wojnie, wobec obfitości i niskich cen ropy temat porzucono. Wyjątkiem było RPA, które obłożone sankcjami na dostawę ropy rozwinęło przemysł upłynniania węgla.

Znane są dwie metody upłynniania wegla:

1. Bezpośrednia – polega na rozpuszczeniu węgla w rozpuszczalniku w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Tak uzyskany produkt wymaga dalszego ulepszenia w celu uzyskania wysokiej jakości paliwa.
2. Pośrednia - wykorzystuje syntezę Fischera-Tropscha – skomplikowany proces tworzenia węglowodorów z gazu syntezowego, który z kolei można otrzymać w procesie gazyfikacji węgla.  Otrzymane paliwo jest bardzo wysokiej jakości (niska zawartość tlenków azotu, brak siarki) lecz niestety wciąż droższe od tradycyjnej ropy.

Ochrona środowiska

Niestety węgiel wydobywany w kopalniach zawiera zanieczyszczenia takie jak siarka i azot, które podczas spalania uwalniane są do atmosfery. Mogą powracać 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.  Szansą dla węgla jest rozwój tzw czystych technologii węglowych: wychwytywania i magazynowania CO2 (tzw. CCS) oraz zgazowania węgla (tzw. IGCC).

źródła:
1) http://www.worldcoal.org

Ropa, pochodząca z wycieków powierzchniowych byłą znana człowiekowi od tysięcy lat. Sporadycznie była wykorzystywana jako lekarstwo, paliwo (np. do nasączania pochodni) czy materiał budowlany (asfalt). W połowie XIX wieku Ignacy Łukasiewicz, polski chemik farmaceuta, opracował metodę otrzymywania nafty w procesie destylacji ropy naftowej. Nowe paliwo w połączeniu z lampą naftową stanowiła bardzo wydajne i tanie źródło światła, które weszło do powszechnego użytku i zapoczątkowało intensywny rozwój przemysłu naftowego.

Z chemicznego punktu ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów – związków chemicznych zawierających w swojej strukturze wyłącznie atomy wodoru i węgla. Łańcuchy węglowodorowe mogą przybierać różne formy – proste, rozgałęzione lub pierścieniowe. Najprostszym węglowodorem jest metan (1 atom węgla i 4 atomy wodoru) – gaz lżejszy od powietrza. Dłuższe łańcuchy posiadają ciekłe węglowodory (np nafta – 5-9 atomów węgla), a najdłuższe mają formę ciał stałych np wosk, smoła. Przez chemicznie sieciowania łańcuchów węglowodorowych można dostać mnóstwo pożytecznych materiałów: od gumy syntetycznej do nylonu i plastiku. Jednak największe znaczenie ropa posiada jako paliwo.

Ropa w złożach konwencjonalnych uwięziona jest w skałach zbiornikowych charakteryzujących się dużą porowatością i przepuszczalnością. Towarzyszy jej często gaz ziemny. Wydobywa się ją za pomocą odwiertów zwanych szybami naftowymi. Średnia głębokość odwiertu to obecnie 1500 m, ale są i takie które sięgają 6000 m. Ropa wypływa na powierzchnie samoistnie pod wpływem własnego ciśnienia lub wspomaga się ten wypływ np. poprzez wtłaczanie gazów.  Złoża tego typu,  ze względu na łatwość eksploatacji są najbardziej pożądane  - największe występują w rejonie Zatoki Perskiej (Arabia Saudyjska, Irak, Kuwejt). Bardziej skomplikowana jest eksploatacja złóż zlokalizowanych pod dnem morskim. W tym celu używa się platform wydobywczych. Są to konstrukcje najczęściej wsparte na dnie morskim (rzadziej pływające) przeznaczone do wydobycia, wstępnej przeróbki oraz przesyłu rurociągiem lub załadunku na tankowiec.

Obecnie coraz częściej sięgamy  po złoża niekonwencjonalne, takie jak ropę uwięzioną w piaskach (piaski bitumiczne). Roponośne piaski, wydobywane są metodą odkrywkową, za pomocą ogromnych koparek i wywrotek, następnie poddawana procesom oczyszczania. Największe zasoby tego typu posiada Kanada. Ze względu na duże nakłady energii i małe tempo przerobu jest to najdroższa metoda wydobycia, która dodatkowo wzbudza największe protesty ekologów.

Wydobycie, przetwarzanie i transport ropy

Surowa ropa sama w sobie jest mało wartościowa, ponieważ zawiera setki rodzajów węglowodorów, o różnych długościach szkieletu węglowego (tym samym różnych właściwościach). Dlatego w rafineriach poddaje się ją obróbce mającej na celu wydzielenie bardziej jednorodnych substancji. Ponieważ wraz ze wzrostem długości szkieletu węglowego rośnie temperatura wrzenia można wydzielić poszczególne składniki przez ich odparowanie (destylacja).

Najważniejszymi produktami otrzymywanymi w rafineriach są:

1. Gaz płynny (LPG) – używany do ogrzewania, gotowania, do produkcji plastików, jako paliwo do silników. Szkielet węglowy składa się z 1-4 atomów
2. Nafta – głównie jako półprodukt do produkcji benzyny
3. Benzyna – paliwo do silników o zapłonie iskrowym.
4. Kerozyna – paliwo do lotniczych silników odrzutowych.
5. Oleje napędowy (diesel) – paliwo do silników z zapłonem samoczynnym.
6. Smary i oleje, używane w do smarowania maszyn, silników, itp
7. Ciężki olej opałowy (mazut) – używany jako paliwo do okrętowych wolnoobrotowych silników tłokowych, parowych kotłów okrętowych, pieców przemysłowych.
8. Pozostałości – koks, asfalt, smoła, woski – materiały wyjściowe do produkcji innych produktów.

Przerób i zużycie ropy według sektora gospodarki

Ropa jest podstawowym paliwem dla transportu – paliwa wyprodukowane z ropy napędzają samochody (benzyna), ciężarówki, statki, pociągi (olej napędowy, ciężki olej), samoloty (nafta lotnicza). Z ropy wytwarza się też oleje niezbędne dla prawidłowej pracy silników, plastiki, lekarstwa, nawozy sztuczne. Mało kto zdaje sobie sprawę jak bardzo produkcja żywności zależy od ropy – wytwarza się z niej środki ochrony roślin (pestycydy), napędza maszyny rolnicze i ciężarówki dystrybuujące produkty spożywcze, które zapakowane są najczęściej w plastik wyprodukowany z … ropy.

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

Nieodłącznym produktem spalania paliw ropopochodnych jest dwutlenek węgla, który jest powszechnie uważany za gaz cieplarniany. Obok węgla to właśnie ropa powoduje emisję największej ilości CO2. Dewastujące dla środowiska są też wypadki podczas wydobycia i transportu ropy droga morską. W 2010 roku do Zatoki Meksykańskiej ze zniszczonej platformy BP wyciekło ok. 5 mln baryłek ropy, co uważa się za największą katastrofę ekologiczną w historii USA.

W 1989 r. supertankowiec Exxon Valdez wpadł na skały u wybrzeży Alaski. Do Zatoki Księcia Williama wyciekło co najmniej 50 mln litrów ropy, które skaziło ok 1900 km linii brzegowej Alaski. Była to jedna z największych katastrof ekologicznych w historii.

Gaz ziemny (zwany też naturalnym) coraz częściej uznawany jest za paliwo XXI wieku. Świetnie nadaje się do wytwarzania ciepła, elektryczności, może też zastąpić ropę naftową jako paliwo transporcie. Proces spalania gazu jest łatwy do kontrolowania i automatyzacji. Przy tym w porównaniu z węglem i ropą jest o wiele bardziej czysty, co jest szczególnie istotne w dobie polityki redukcji emisji CO2 i walki globalnym ociepleniem. Na zużywaną jednostkę energii metan, najważniejszy składnik gazu ziemnego emituje do atmosfery od 40 do 50% mniej dwutlenku węgla niż spalany węgiel kamienny i o 25% mniej niż ropa naftowa. Trudno się więc dziwić, że zużycie gazu od dziesięcioleci utrzymuje stabilną tendencję wzrostową.

Polska zużywa rocznie 14mld m3 gazu ziemnego. Jednak tylko 30% ma pokrycie w krajowym wydobyciu – resztę kupujemy za granicą – głównie od Gazpromu – rosyjskiego państwowego koncernu będącego największym na świecie wydobywcą błękitnego paliwa. Takie uzależnienie od jednego dostawcy stawia nas niekomfortowej sytuacji dostarczając wschodniemu sąsiadowi wygodne narzędzie politycznego nacisku. W tej sytuacji eksploatacja nowych złóż byłaby wielką szansą na zwiększenie bezpieczeństw energetycznego.

Gaz ziemny w Polsce w pigułce - struktura dostaw, zużycie i zasoby, struktura sprzedaży, kopalnie

Trudno więc się dziwić euforii jaką wywołały prognozy opublikowane przez Wood Mackenzie. Ta amerykańska firma konsultingowa oszacowała, że w niekonwencjonalnych złożach możemy posiadać 1,4 bln m3 gazu. Jeszcze wyżej zalicytowali doradcy z Advanced Resources International: 3 bln m3. Oznaczałoby to gazową samowystarczalność nawet na 200 lat. Ale wszystkie te szacunki przebiła w kwietniu 2011 amerykańska Agencja ds. Energii (EIA) – złoża gazu łupkowego w Polsce oszacowała na 5,3 bln m3. Geologowie pozostaje jednak sceptyczni – podkreślają, że prognozy opierają się tylko na wielkości formacji łupków ilastych oraz danych dotyczących statystycznej akumulacji gazu pochodzących z USA. Miarodajnych informacji mogą tylko dostarczyć odwierty, które dopiero się rozpoczynają. A jedna studnia to koszt 20-30mln zł.

obszary potencjalnego występowania gazu niekonwencjonalnego w Polsce

Gaz naturalny znajduje się w podziemnych złożach. Najłatwiejsze do eksploatacji są złoża konwencjonalne – gaz uwięziony w porowatych strukturach geologicznych uszczelnionych przez warstwy nieprzepuszczalne. Po wykonaniu odwiertu samoistnie wypływa na powierzchnie. Gaz może znajdować się też w złożach niekonwencjonalnych. Ponieważ z takich złóż nie wypływa samoistnie konieczne są specjalne zabiegi umożliwiające ich eksploatacje. Wyróżniamy tu gaz uwięziony w skałach ilastych (gaz w łupkach – shale gas), gaz izolowany w zamkniętych porach skalnych (gaz zamknięty – tight gas), gaz towarzyszący pokładom węgla. Złoża takie znane są geologom od XIX w., jednak ich eksploatacje uważano za nieopłacalną. Wzrost cen gazu oraz rozwój technik wiertniczych w ostatnich latach, w szczególności wiercenia poziome spowodowały, spowodowały prawdziwy bum na niekonwencjonalne źródła gazu.

Rodzaje złóż gazu

Prekursorem w eksploatacji gazonośnych łupków są Stany Zjednoczony. Tamtejsze firmy opracowały i wdrożyły  na skale przemysłową technologię poziomych wierceń i szczelinowania hydraulicznego. W efekcie w latach 2004-2008 potroiły jego wydobycie i obecnie ok 10% zużywanego gazu pochodzi ze złóż łupkowych. Prognozy mówią o wzroście tego udziału do 20-30% w ciągu najbliższych 10 lat. Pozwoliło to obniżyć ceny i przede wszystkim uniezależnić się od importu – terminale projektowane do odbioru skroplonego gazu LNG stoją niewykorzystane. Obecnie USA stały się największym producentem gazu na świecie prześcigając Rosję.

Do eksploatacji niekonwencjonalnych źródeł gazu przymierza się PGNiG – największa polska spółka zajmująca się poszukiwaniem i wydobywaniem gazu ziemnego i ropy naftowej. Pierwszy próbne wiercenie na głębokość 4,5 tys. metrów odbyło się w Markowali niedaleko Kozienic. W procesie szczelinowania hydraulicznego w podziemne złoża zostało wtłoczone 77 ton piasku i i 680 metrów sześciennych wody i specjalnych chemikaliów. Prace odbywają się przy wsparciu technologicznym amerykańskiego potentata – koncernu Halliburton. Pierwsze rezultaty pozwalają na ostrożny optymizm – są ślady gazu – potwierdził dyrektor biura poszukiwań w PGNiG Andrzej Maksym.

Potencjalne zyski już obliczają politycy. We wrześniu 2011 próbny odwiert w okolicach Wejherowa odwiedził premier Donald Tusk, oświadczając przy okazji, że do 2035 Polska zupełnie uniezależni się od importu gazu. Rząd pracuje też nad specustawą zakładającą opodatkowanie wydobycia gazu z łupków.

Czy uda się u nas powtórzyć amerykański sukces? Warunki wydobycia są w Polsce dużo trudniejsze – gazonośne łupki ukryte są głębiej. Trzeba sprostać bardziej surowym obostrzeniom związanym z ochroną środowiska. Większa gęstość zaludnienia może oznaczać protesty społeczności lokalnych i trudności ze znalezieniem odpowiednich działek pod wiercenia. Może to generować dodatkowe koszty i postawić pod znakiem zapytania rentowność przedsięwzięcia.

Szczelinowanie hydrauliczne

Kluczową technologią przy eksploatacji niekonwencjonalnych źródeł gazu jest szczelinowanie hydrauliczne. Proces ten polega na wtłaczaniu w warstwę skał łupkowych setek ton wody, piasku i substancji chemicznych. Powoduje to powstanie i ustabilizowanie sieci spękań poprzez które uwalnia się gaz.

Szczelinowanie hydrauliczne

Szczelinowanie hydrauliczne jest procesem wymagającym użycia dużej ilości wody, oraz bliżej nieznanych związków chemicznych. Ich skład jest pilnie strzeżoną tajemnicą, co wzbudza wiele kontrowersji i podejrzeń. Trudno więc kompleksowo oszacować wpływ tej metody na środowisko naturalne. Doświadczenia ze Stanów Zjednoczonych wskazują, na zagrożenia związane z zanieczyszczenia wód gruntowych. Gazonośne złoża położone są ok. 2 000 metrów pod ziemią a najgłębsze ujęcia wody sięgają 200 metrów – nie ma więc obawy bezpośredniego przedostania się zanieczyszczeń. Kluczowe jest jednak odpowiednie uszczelnienie szybu, który stanowi drogę dla potencjalnych wycieków. Znane są przypadki zanieczyszczenia ujęć wody gazem z odwiertu. W rezultacie w niektórych domostwach wodę płynącą z kranu można było podpalić zapalniczką.

Kontrowersje związane z negatywnym oddziaływaniem szczelinowania na środowisko naturalne są wykorzystywane przez silne lobby przeciwników gazu łupkowego w UE. We Francji, pod naciskiem organizacji ekologicznych oraz partii zielonych parlament zakazał używania metod kruszenia hydraulicznego.  Francja, będąca atomowym mocarstwem (59 reaktorów pokrywa w  80%  całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną) może sobie na to pozwolić. Niepokoją jednak próby rozszerzenia zakazu na całą Unie.

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.

Najwięksi producenci węgla kamiennego i brunatnego 2006r, IEA

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)

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: 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.

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: 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

Z 1 kg uranu w reakcji rozszczepienia można uzyskać tyle energii, co ze spalenie 300 ton węgla

W latach 30 ubiegłego wieku naukowcy przeprowadzali eksperymenty polegające na bombardowaniu atomów uranu neutronami. Okazało się, że jądro uranu 235 po przechwyceniu neutronu staje się niestabilne co skutkuje jego rozpadem – powstają dwa lżejsze jądra, pewna liczba neutronów (średnio 2,5) oraz duża ilość energii. Neutrony te mogą wnikać do następnych jąder uranu uwalniając kolejne neutrony. Otworzyła się więc teoretyczna mozliwośc zainicjowania jądrowej reakcji łańcuchowej której skutkiem byłoby uwolnienie ogromnych ilości energii.

W 1940 roku fizycy conajmniej 6 krajów pracowali już nad praktycznym wykorzystaniem tego odkrycia – głównie w celach wojskowych. Dwa lata później w Stanach Zjednoczonych dysponujących największym potencjałem naukowym (zaangażono wielu wybitnych fizyków – uchodźców z ogarniętej wojną europy) i przemysłowym ruszył projekt Manhattan. Jego celem była budowa bomby jądrowej. 6sierpnia 1945 amerykański bombowiec B29 zrzucił pierwszą bombę uranową na Hiroszimę wprowadzając świat w erę wykorzystania energii jądrowej.

Reakcja rozszczepienia ciężkiego jądra

Wraz z zakończeniem II wojny światowej energia jądrowa znalazła zastosowanie cywilne – naukowcy nauczyli się przeprowadzać kontrolowaną reakcję rozszczepienie w reaktorach atomowych. Ciepło uzyskane z reaktora służy do wytwarzania pary – która z kolei jest wykorzystywana analogicznie jak w innych elektrowniach cieplnych do napędzania turbozespołów (turbina + prądnica elektryczna). Pierwsza taka elektrownia została wybudowana w 1954 r. w Obnińsku w ZSRR. Wydawało się, że przyszłość energetyki jądrowej jest świetlana – w latach siedemdziesiątych uruchamiano kilkanaście reaktorów rocznie. Jednak dwie poważne awarię (Three Mile Island w 1979 r. oraz Czarnobyl w 1986 r.) spowodowały wątpliwości co do bezpieczeństwa elektrowni, wybuch światowej radiofobii wzrost poparcia dla organizacji proekologicznych (Greenpeace, partie polityczne „Zielonię). Rządy niektórych krajów Europy Zachodniej (Niemcy) podjęły deczyje o całkowitzm wycofaniu się z energetyki jądrowej. Obecnie na świecie pracuje około 400 elektrowni atomowych dostarczających 17% elektryczności zużywanej globalnie.

Najwięksi producenci energii atomowej na świecie (źródło: IEA, 2005 r.)

Z dzisiejszej perspektywy regres energetyki atomowej wydaje się nieuzasadniony. Doniesienia o setkach tysięcy ofiar katastrofy czarnobylskiej okazały się medialną histerią. Najnowszy raport „Forum Czarnobylskiego” (Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA), Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), Agencje ONZ oraz rządy Białorusi, Rosji i Ukrainy) liczbę ofiar śmiertelnych szacuje na 50, oraz dalsze 4 tysiące które jeszcze umrą w jej wyniku. Jeszcze bardziej sceptyczna w swoich osądach jest UNSCEAR (Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego) który liczbę ofiar szacuje na 31. W obliczu wyczerpujących się zasobów paliw kopalnych i ocieplenia klimatu w wyniku emisji dwutlenku węgla do atmosfery nowoczesna elektrownia atomowa stanowi źródło czystej (brak emisji CO2) i bezpiecznej energii.

Ruiny bloku nr 4 elektrowni w Czarnobylu po wybuchu reaktora 26 kwietnia 1986 r.

Porównanie liczby ofiar katastrof przemysłowych

Liczba ofiar	Katastrofa	Rok
0	Awaria reaktora jądrowego (Three Mile Island, USA)	1979
0	Przeciek chemiczny (Soveso, Włochy)	1976
0	Pożar reaktora (Windscale, Wielka Brytania)	1957
31	Pożar reaktora (Czarnobyl, ZSRR)	1986
300	Awaria w zakładach broni biologiczno-chemicznej (Nowosybirsk, ZSRR)	1979
421	Zniszczenie zapory rzecznej (Frejus, Francja)	1959
431	Wybuch w kopalni (Chasnala, Indie)	1975
452	Wybuch gazu naturalnego (Mexico City, Meksyk)	1984
562	Wybuch nawozów sztucznych (Teras City, USA)	1947
1 100	Wybuch dynamitu (Cali, Kolumbia)	1956
1 572	Wybuch pyłu węglowego w kopalni (Honkeiko, Chiny)	1947
2 600	Awaria zapory wodnej (Vaiont, Francja)	1963
15 000	Wyciek trującego gazu (Bhopal, Indie)	1984
110 000	Trzęsienie ziemi w Turkmenistanie, ZSRR	1948
138 000	Cyklon i powódź w delcie Gangesu (Bangladesz)	1991
295 000	Tsunami (Ocean Indyjski)	2004
400 000	Cyklon i powódź w delcie Gangesu (Bangladesz)	1970

Budowa elektrowni Atomowej

Sercem każdej EJ jest reaktor, w którym ciepło uzyskuje się z kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów paliwa (np. uranu-235) przy udziale wodnego, grafitowego lub berylowego moderatora spowalniającego powstałe neutrony, dzięki czemu zwiększa się prawdopodobieństwo zainicjowania przez nie kolejnej reakcji rozszczepienia. Przebieg reakcji reguluje się przez wsuwanie lub wyciąganie z rdzenia (zawierającego paliwo jądrowe) tzw. prętów sterujących wykonanych z materiałów pochłaniających neutrony (izotopy boru lub kadmu). Przez rdzeń przepływa chłodziwo, które chłodząc rdzeń samo silnie nagrzewa się. Woda jest bardzo dobrym chłodziwem z uwagi na jej duże ciepło właściwe, ale musi być utrzymana pod dużym ciśnieniem dla uniknięcia wrzenia w temperaturze rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Ciepło pobrane w reaktorze zostaje oddane w wymienniku ciepła wodzie obiegu wtórnego lub wodzie w wytwornicy pary, która zasila turbogenerator. Temperatura tej pary i jej ciśnienie muszą być odpowiednio wysokie, aby zapewnić wysoką sprawność turbiny. Po przejściu przez turbinę para jest chłodzona i skroplona wraca do wytwornicy pary.

Schemat budowy elektrowni atomowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym

Paliwo

Paliwem dla większości elektrowni jądrowych jest Uran. Jest najcięższym pierwiastkiem występującym naturalnie na ziemi. Występują w nim głównie dwa izotopy: 238 U (ok 99,3%) i 235 U (ok 0,7%) mogący ulegać rozszczepieniu pod wpływem neutronów – a więc mogący być paliwem dla reaktora atomowego. Uran wydobywa się z rud uranowych, a następnie poddaje się go wzbogaceniu – obróbce zwiększającej zawartość izotopu 235 U. Światowe zasoby uranu szacowane są na około 3, 3 mln ton. W ostatnim okresie wydobywano około 40 tys. ton tego paliwa rocznie. Do potentatów w tej dziedzinie należą Kanada, Australia, Kazachstan oraz Rosja, które to kraje posiadają około 50 proc udokumentowanych światowych zasobów uranu.

Graniczną mocą jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1 367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do 1000 W/m2.

Ludzie od wieków wykorzystywali słońce – np. starożytni Grecy potrafili rozniecić ogień za pomocą szklanej kuli wypełnionej wodą skupiającej promienie słoneczne. W 212 r.p.n.e. Archimedes miał rzekomo użyć wklęsłych luster do podpalenia drewnianych okrętów oblegających Syrakuzy. Prawdziwość tego podania wydaje się raczej wątpliwa, chociaż w 1973 roku grecka marynarka przeprowadziła doświadczenie potwierdzające działanie lustra Archimedesa; źródło

Paliwa kopalne takie jak ropa, węgiel tworzyły się przez miliony lat dzięki promieniowaniu słonecznemu. Nawet energia wiatrowa jest również pochodną energii słonecznej. Dzięki postępowi technologicznemu obecnie jesteśmy w stanie w coraz większym stopniu wykorzystywać energię która dociera do nas bezpośrednio ze słońca. A jest o co walczyć – w warunkach polskich w ciągu roku potencjał napromieniowania wynosi 1000 kWh/m2, co odpowiada energii jaką można uzyskać ze 100 litrów oleju napędowego.

Energię promieniowania słonecznego można wykorzystywać na dwa podstawowe sposoby:

• zamieniać ją bezpośrednio w energie elektryczną w ogniwach fotowoltanicznych (konwersja fotowoltaniczna),
• zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody użytkowej, lub w elektrowniach słonecznych do wytwarzanie energii elektrycznej.

Konwersja fotowoltaniczna

Konwersja fotowoltaniczna umożliwia bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego (światła) na prąd elektryczny. Zachodzi ona w fotoogniwach półprzewodnikowych. Do ich budowy wykorzystuje się najczęściej najczęściej: krzemu (Si), german (Ge) lub selen (Se). Wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa nie jest imponująca – zazwyczaj 0,5 V – aby urządzenie było więc użyteczne ogniwa łączy się szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy. W ten sposób powstaje bateria słoneczna.

Krajem przodującym w świecie pod względem wykorzystania energii słonecznej są Niemcy. W ostatnich latach oddano do użytku szereg instalacji które można już określić mianem elektrowni słonecznych. Jedną z największych jest plantacja baterii fotowoltanicznych zlokalizowana w miejscowości Pocking w Bawarii kosztem 40 mln euro. Zajmuje powierzchnie 32 ha i osiąga moc 10MW. Twórca projektu Martin Bucher twierdzi, że oszczędzi on środowisku 10 tys ton zanieczyszczeń każdego roku jednocześnie zaopatrując w energię 3 tys. Gospodarstw domowych

Największa na świecie podłączona do sieci elektrownia z ogniwami fotowoltanicznymi - widok z lotu ptaka (10 MW, 32 ha) (źródło: martin-bucher.de).

Ekologia ponad wszystko - teren zajmowany przez baterie słoneczne można wykorzystać do wypasu owiec (źródło: martin-bucher.de).

Ogniwa fotowoltaniczne, mimo że nie mogą konkurować pod względem wydajności i ekonomiki z tradycyjnymi formami wytwarzania energii elektrycznej znalazły szereg zastosowań. Używa się ich powszechnie do zaopatrywania w prąd sztucznych satelitów i stacji kosmicznych. Na orbicie okołoziemskiej ogniwa są bardziej wydajne, gdyż promieniowanie słoneczne nie jest tam pochłaniane i rozpraszane przez atmosferę. Ogniwa nadają się też świetnie do zasilania odbiorników o bardzo małej mocy – np. kalkulatorów. Oczywiście zastosowań można znaleźć dużo więcej – zbudowano samochód zasilany energią słoneczną a nawet samolot (Solar Challenger – odbył udany lot przez kanał La Manche), jednak za sprawą ograniczeń technologicznych wynalazki te mogą być traktowane co najwyżej jako ciekawostki naukowe – energia słoneczna jeszcze długo nie będzie konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych źródeł.

Konwersja fototermiczna

W większości współczesnych elektrowni ciepło uzyskane ze spalania paliw kopalnych (węgiel, gaz, paliwa rozszczepialne) wykorzystywane jest do wytworzenia pary, która z kolei napędza turbiny wprawiające w ruch prądnice elektryczne. Dlaczego więc w takim procesie nie zastosować innego źródła ciepła – skoncentrowanych promieni słonecznych? Okazuje się, że jest to możliwie – prototypowe instalacje już działają. Słoneczne elektrownie cieplne (thermal solar systems) są uważane za jedne z najbardziej perspektywicznych alternatywnych źródeł energii. Możemy wśród nich wyróżnić trzy koncepcje:

• układy paraboliczne (rynnowe),
• układy luster z silnikiem cieplnym (silnik Stirlinga),
• układy luster z centralną wieżą.

Układy paraboliczny

Zbudowane są w postaci długich rynien powlekanych wewnątrz srebrem bądź polerowanym aluminium. Wzdłuż rynny biegnie rurka wypełniona zazwyczaj olejem, na której skupiają się odbite promienie słoneczne. Umieszczona jest ona wewnątrz większej, próżniowej szklanej rury, celem ograniczenia strat ciepła. Olej podgrzewa się w ten sposób nawet do 400 ºC i jest używany do produkcji pary wodnej. Rynny ustawia się najczęściej wzdłuż osi północ południe, a wzdłuż osi wschód-zachód mają możliwość zmiany kąta nachylenia aby podążać za słońcem.

Technologia ta wydaje się najbardziej obiecująca – w porównaniu z innymi opartymi zarówno na konwersji fototermicznej i fotowoltanicznej oferuje najniższe koszty i najwyższe moce.

Rząd paneli parabolicznych z elektrowni Nevada Solar One

Widok na elektrownie Nevada Solar One (powierzchnia 360 tys m2, moc 64 MW, temperatura czynnikia roboczego: 390 stopni)

Układy z silnikiem Stirlinga

W 1816 roku szkocki duchowny opatentował ciekawy model silnika, który zamienia energię cieplną na mechaniczną ale bez procesu wewnętrznego spalania jak w tradycyjnym silniku spalinowym. Aby pracował należało tylko dostarczyć do niego ciepło z zewnątrz. Nie posiada wydechu, rozrządu – może więc pracować praktycznie bezgłośnie (dzięki tej zalecie znalazł praktyczne zastosowanie w szwedzkich okrętach podwodnych). Pod koniec ubiegłego wieku narodziła się koncepcja wykorzystania takiego silnika (zwanego silnikiem Stirlinga), gdzie źródłem ciepła były skupione przez układ luster promienie słoneczne. Silnik napędzał generator elektryczny, tworząc tym samym elektrownie. Szacuje się że przy średnim nasłonecznieniu 1000 W/m2 silnik o mocy 25 kW wymaga lustra o średnicy 10 m. Sprawnośc konwersji energii promieniowania słonecznego na elektryczną przy tej technologii może osiągać nawet 30%.

Zwierciało słoneczne z silnikiem stirlinga

Zwierciadło słoneczne z silnikiem cieplnym (silnikiem Stirlinga) opracowane przez Stirling Energy Systems, Inc. oraz Sandia National Laboratories (USA) o mocy 25 kW. Koszt jego budowy wyniósł 150 000 dolarów, ale producenci zakładają, że przy produkcji seryjnej można go zredukować trzykrotnie. Źródło: http://www.sandia.gov

Kto wie, może za kilkadziesiąt lat w naszych gniazdkach popłynie prąd z takich farm słonecznych. Na dzień dzisiejszy to tylko wizja artystyczna (źródło: sandia.gov)

Układy luster z centralną wieżą

Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Ruchome lustra zajmujące dużą powierzchnie odbijają promienie słoneczne w jeden punkt – umieszczony na szczycie wieży piec. Wypełniony jest on substancją posiadającą dobre parametry gromadzenia ciepła (np. ciekły sód – metal o dużej pojemności cieplnej). Dzięki temu elektrownia może pracować przez kilka godzin także po zachodzie słońca. Dalszy proces technologiczny jest taki sam jak konwencjonalnej elektrowni – ciepło służy do wytworzenia pary wodnej.

Eksperymentalne elektrownie tego typu powstały min. w Kalifornii (1926 luster (heliostatów), moc 10MW) oraz w Hiszpanii (okolice Sevilli, 624 lustra, moc 11MW)

Pierwsza na świecie komercyjna elektrownia słoneczna w technologii z centralną wieżą PS 10 w Hiszpanii. Składa się z 624 luster, każde o powierzchni 120 m2. Odbiornik ciepła umieszczony na szczycie 100 metrowej wieży wytwarza parę o temp 250 stopni i ciśnieniu 40 bar. Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000 gospodarstw i pozwoli na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie.

Pierwsza na świecie komercyjna elektrownia słoneczna w technologii z centralną wieżą PS 10 w Hiszpanii. Składa się z 624 luster, każde o powierzchni 120 m2. Odbiornik ciepła umieszczony na szczycie 100 metrowej wieży wytwarza parę o temp 250 stopni i ciśnieniu 40 bar. Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000 gospodarstw i pozwoli na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie (źródło: solarpaces.org)

elektrownia PS10 w czasie pracy (źródło: solarpaces.org)

]]> http://postcarbon.pl/2008/02/elektrownie-sloneczne/feed/ 22 http://postcarbon.pl/2008/02/synteza-jadrowa/ http://postcarbon.pl/2008/02/synteza-jadrowa/#comments Thu, 21 Feb 2008 11:48:17 +0000 admin http://www.postcarbon.pl/archives/39 1 Listopada 1952 r. miał miejsce pierwsza próbna eksplozja termojądrowa. Bomba nazwana „Mike” wykorzystująca deuter i tryt spowodowała wybuch o sile 700 razy większej niż bomba zrzucona Hiroszimę. Tak potężna ilość energii wydzieliła się w wyniku reakcji syntezy jądrowej. Gdyby udało się przeprowadzać ją w sposób kontrolowany ludzkość uzyskałaby niemal nieskończone, bezpieczne dla środowiska źródło alternatywnej energii.

Deuter i tryt są izotopami wodoru – czyli jego „krewniakami” wzbogaconymi o odpowiednio jeden i dwa dodatkowe neutrony. Deuter jest dostępny niemal w nieograniczonych ilościach w wodzie mórz i oceanów. W wyniku połączenia się jąder deuteru i trytu powstaje jądro helu, neutron oraz duża ilość energii. Oczywiście można postawić pytanie – skąd ta energia się bierze? Otóż okazuje się że masa jądra helu jest mniejsza niż suma mas jego składników przed syntezą (zjawisko to nosi nazwę „defektu masy” lub „deficytu masy”). Ta brakująca masa zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc2 została przekształcona w energię.

reakcja syntezy jądrowej

Aby nastąpiło połączenie dwóch dodatnie naładowanych jąder musi zostać pokonana siła odpychania elektrostatycznego (siła kulombowska). Możliwe jest to tylko w bardzo wysokiej temperaturze – dlatego reakcja syntezy często nazywana jest reakcją termojądrową. We wszechświecie jest ona źródłem energii gwiazd. Z kilograma deuteru w reakcji syntezy można uzyskać energię porównywalną z uzyskaną ze spalenia 3,5 tys. ton węgla.

Fuzja jądrowa jest źródłem energii Słońca, które umożliwia istnienie wszelkich form życia na Ziemi. W przeciwieństwie do reakcji rozszczepienia jądra atomowego, w której energia uzyskiwana jest poprzez podział bardzo ciężkich atomów, fuzja jądrowa wyzwala energię w procesie syntezy lekkich atomów, takich jak wodór, które łączą się ze sobą i tworzą atom helu. We wnętrzu Słońca proces ten zachodzi w niezwykle wysokich temperaturach (około 15 milionów ºC) i pod ogromnym ciśnieniem grawitacyjnym. W każdej sekundzie 600 milionów ton wodoru ulega syntezie i przekształca się w hel.

Na Ziemi fuzja jądrowa będzie źródłem energii na skalę dużo mniejszą niż w Słońcu! Ale ta mniejsza skala oznacza, że temperatura niezbędna do tego, aby fuzja jądrowa była praktycznym źródłem energii, musi być dużo większa (nawet dziesięciokrotnie). Jest to największe wyzwanie, przed którym stoją naukowcy i inżynierowie z całego świata.

ITER

ITER jest międzynarodowym projektem badawczo-rozwojowym mającym na celu zbadanie możliwości wykorzystanie reakcji syntezy jądrowej do produkcji energii. Zakłada on budowę doświadczalnego tokamaka – urządzenia do przeprowadzania i kontrolowania fuzji jądrowej. Tokamak posiada komorę w kształcie obwarzanka. Wewnątrz komory znajduje się gaz – mieszanina deuteru i trytu. Pod wpływem pola generowanego przez elektromagnesy następują wyładowania elektryczne w gazie które doprowadzając gaz do stanu gorącej plazmy. Dzięki silnemu polu magnetycznemu plazma jest utrzymywana w kształcie wąskiego strumienia – z dala od ścian komory.

Projekt tokamaka opracowany na potrzeby programu ITER - rozmiar człowieka na dole obrazka świadczy o rozmiarach urządzenia.

Aby zainicjować reakcję fuzji jądrowej deuter i tryt trzeba podgrzać do temperatury rzędu 150 milionów ºC. W takiej temperaturze wszelka materia jest w stanie plazmy – gazu przewodzącego prąd elektryczny. Aby uwalnianie energii fuzji zachodziło w sposób ciągły plazma musi być stale podgrzewana, ograniczana za pomocą silnych pól magnetycznych oraz kontrolowana.

Doświadczalny reaktor termonuklearny zostanie zbudowany na południu Francji w miejscowości Cadarache (w pobliżu Marsylii). Skala przedsięwzięcia jest bezprecedensowa – program ma trwać 30 lat i kosztować 10 mld euro. Pierwszy zapłon planowany jest na 2019 rok. Zaangażowane w projekt są: Unia Europejska , USA, Rosja, Japonia, Chiny, Indie i Korea Płd.

ITER będzie tokamakiem generującym w sposób ciągły 500 milionów watów (MW) energii z reakcji fuzji jądrowej, przez okresy czasu trwające do 10 minut. Jego moc będzie więc trzydzieści razy większa od mocy urządzenia JET (największy dotychczas zbudowany tokamak) i prawie taka, jak moc elektrowni przemysłowych w przyszłości. Projekt ITER pozwoli naukowcom na zbadanie, po raz pierwszy w historii tych badań, fizyki samopodgrzewającej się plazmy, czyli plazmy, która jest nagrzewana głównie w wyniku reakcji fuzji jądrowej, a nie za pomocą źródeł zewnętrznych. ITER zademonstruje kluczowe technologie fuzji jądrowej jako bezpiecznego dla środowiska źródła energii i pozwoli na ich udoskonalenie.

Wnętrze największego dotychczas zbudowanego tokamaka JET - po prawej stronie tokamak podczas pracy.

ITER dostarczy podstaw do budowy prototypowej elektrowni generującej prąd. Jest to kolejny, zasadniczy krok na drodze do osiągnięcia celu jakim jest opanowanie fuzji jądrowej jako źródła energii na skalę przemysłową.

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym, które zamienia energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczna z wysoką sprawnością. Składa się z dwóch elektrod – anody i katody oddzielonych elektrolitem polimerowym, który przepuszcza jony protonowe (H+) i blokuje przepływ elektronów. Wodór dopływa do anody, tam uwalniane są elektrony, tworząc dodatnie jony wodorowe. Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny, jony zaś dyfundują przez elektrolit. Na katodzie elektrony rekombinują z jonami wodorowymi i w reakcji z pobieranym z otoczenia tlenem wytwarzana jest woda, która jest produktem ubocznym.

Ogniwo nie posiada ruchomych części i jego działanie jest zbliżone do zwykłej baterii. Z tą różnicą, że baterie trzeba okresowo ładować, a ogniwo oddaje energię tak długo, dopóki jest zasilane paliwem (wodorem). Produktami reakcji zachodzących w ogniwie jest prąd, ciepło i para wodna – jest to więc urządzenie bezpieczne dla środowiska.

Budowa i działanie ogniwa paliwowego(źródło: http://rpifuelcell.eventurestudio.com)

Zastosowanie praktyczne ogniwa paliwowe znalazły już w latach 50-tych. NASA używała ogniw w programie kosmicznym zamiast akumulatorów. Za wynalazcę ogniwa uważa się Sir Williama Roberta Grove – pierwsze tego typu urządzenie opracował w 1839 r.

Astronauta Charles M. Duke Jr podczas spaceru księżycowego, misja Apollo 16, 1972 r. NASA już w latach 60-tych stosowała ogniwa w swoich programach kosmicznych. (źródło: http://www.nasa.gov)

Aby używać wodoru go najpierw wytworzyć. Można to zrobić na dwa sposoby:

1. Odzyskiwać z paliw kopalnych (np. z metanu) w procesie reformacji. Obecnie w ten sposób wytwarza się 96% wodoru (pozostałe 4 % należy do elektrolizy). Sens takiego rozwiązania jest mocno problematyczny. Prowadzi do uwolnienia dużych ilości dwutlenku węgla odpowiedzialnego za ocieplenie klimatu.
2. Odzyskiwać z wody w procesie elektrolizy. W ty celu zużywa się więcej energii elektrycznej niż jest później w stanie oddać wodór. Mamy więc do czynienia z procesem zużywania energii elektrycznej do wytworzenia wodoru który potem znowu zamieniany jest w ogniwach paliwowych na prąd. Jeżeli jednak energia, potrzebna do elektrolizy pochodzi ze źródła odnawialnego (np. z elektrowni wiatrowej) mamy co prawda drogie, ale naprawdę czyste źródło energii.

Przechowywanie i transport wodoru.

Przechowywanie wodoru stanowi wciąż bardzo poważne wyzwanie dla naukowców. W normalnych warunkach (temperatura i ciśnienie) posiada bardzo małą gęstość (0,08376 kg/m3). Aby osiągnąć większą gęstość zmagazynowanej w wodorze energii

• schłodzić go do temperatury poniżej –252 ºC (temperatura wrzenia wodoru) – następuje wtedy jego skroplenie; niestety skroplenie i utrzymanie niskiej temperatury wodoru samo w sobie jest energochłonne,
• sprężyć do wysokiego ciśnienia,
• przechowywać w postaci wodorków metali – związków absorbujących wodór.

Samochód wodorowy – autopia?

Pojazdy elektryczne budowane są od dziesięcioleci. Nigdy jednak nie mogły stanowić konkurencji dla samochodów z silnikami spalinowymi z powodu poważnego ograniczenia: brak było sposobu na zmagazynowanie dużej ilości energii elektrycznej wewnątrz samochodu. Używane baterie akumulatorowe miały ograniczoną pojemność, duże wymiary i masę oraz bardzo długi czas ładowania. W latach dziewięćdziesiątych przemysł motoryzacyjny zainteresował się na poważnie koncepcją samochodu z silnikiem elektrycznym czerpiącym energię z wodoru.

Wodór w motoryzacji może być wykorzystany na dwa sposoby:

1. Jako paliwo dla ogniwa paliwowego.
2. Jako paliwo dla silnika spalinowego przystosowanego do spalania wodoru.

Silnik spalinowy na wodór

Drogę ta wybrał koncern BMW. W 2006 roku zaprezentował model 760 Hydrogen – seryjne auto (100 sztuk) o napędzie wodorowym. 12 cylindrowy silnik o pojemności 6l przystosowany jest do spalania zarówno tradycyjnej benzyny (bak o pojemności 74l)oraz wodoru (8 kg ciekłego wodoru). Ta hybrydowa konstrukcja daje bawarskiej limuzynie zasięg 700 km (500 km na benzynie i 200 km na wodorze). Brzmi niezwykle obiecująco, jednak bliższe przyjrzenie się konstrukcji studzi nieco emocje. Silnik osiąga moc 260 KM – niezbyt imponującą jak na jego pojemność skokową oraz rozmiary i ciężar auta (2,5 tony). Bagażnik posiada objętość 225 l – wszystko przez zbiornik na wodór wykonany przez Magna Steyr, który aby pomieścić 8 kg skroplonego wodoru sam zajmuje 170 litrów. Aby utrzymać wodór w stanie ciekłym, jego temperatura nie może przekroczyć –253 ºC, zbiornik jest więc super wydajnym skrzyżowaniem termosu i lodówki. Inżynierowie BMW zapewniają, że gdyby napełnić go gorącą kawą jeszcze po trzech miesiącach miałaby temperaturą optymalną do spożycia. Niestety wodór z czasem się ogrzewa i paruje – jest wtedy wypuszczany na zewnątrz przez zawory bezpieczeństwa – średnio po dziewięciu dniach z pełnego zbiornika ulatuje połowa paliwa.

Tankowanie BMW Hydrogen przypomina tankowanie bolidu Formuły 1 albo promu kosmicznego tuż przed wystrzeleniem.

Póki co ekologia wiąże się z wieloma wyrzeczeniami – auto jest o wiele cięższe od zwykłej benzynowej odmiany, a bagażnik ze względu na zbiornik wodoru ma mocno ograniczoną pojemność.

Silnik elektryczny zasilany energią z ogniw paliwowych.

Rozwiązanie takie wybrał miedzy innymi koncern Honda konstruując na początku wieku samochód oznaczony FCX Clarity. Obecnie zaprezentowano już drugą generację tego modelu. Według producenta auto ma zasięg 440 km i rozwija prędkość maksymalną 160 km/h. Rozpoczęcie sprzedaży w USA i Japonii planuje się na 2008 rok. Do napędu FCX zastosowano trzy silniki elektryczne. Pierwszy z nich, o mocy 80 kW umieszczono z przodu – współosiowo ze skrzynią biegów. Pozostałe dwa silniki o mocy 25 kW (każdy) napędzają tylne koła (płaskie silniki o niewielkich rozmiarach umieszczono współosiowo z kołami). Wielką zaletą silników elektrycznych jest fakt, że posiadają stały moment obrotowy, niezależnie od prędkości.

Umieszczenie podstawowych podzespołów Hondy FCX Clarity (źródło: http://automobiles.honda.com/fcx-clarity)

Honda posiada zbiornik na wodór o pojemności 171 litrów (umiejscowiony za tylnymi fotelami). Ogniwo paliwowe zwane PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) produkuje energię, która jest magazynowana w baterii litowo-jonowej.

Wnętrze jest równie nowoczesne i futurystyczne jak reszta auta (źródło: http://automobiles.honda.com/fcx-clarity)

Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez człowieka energią odnawialną. Pierwsze wiatraki były wykorzystywane przez ludzi do mielenia ziarna, oraz pompowania wody. Pierwszy opis użycia wiatraków do pompowania wody powstał około 400 r. p.n.e. w Indiach. W Chinach oraz krajach basenu Morza Śródziemnego wiatraki pojawiły się na początku naszej ery. Stosowano je głównie do przepompowywania wody (nawadnianie i osuszanie pół) oraz mielenia zboża. W VIII wieku w całej Europie pojawiły się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła. Specjalistami w budowie tego typu wiatraków byli Holendrzy. Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego.

Olbrzymią popularność wiatraki uzyskały w Holandii – w XIX wieku ich liczbę szacowano na 10 tys. Pełniły rolę młynów zbożowych, tartaków, oraz dawały napęd pompom odwadniającym.

Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.

Budowa elektrowni wiatrowej

Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej

Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży. Najważniejszą częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.

Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) 1) sterownik piasty 2) cylinder systemu sterowania łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z konwerterem 7) hamulec postojowy dźwig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora.

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.

Elektrownie wiatrowe a szczególnie ich skupisko wywierają znaczący wpływ na krajobraz. Nowoczesne siłownie wiatrowe to olbrzymie konstrukcje, których wysokość może przekraczać 100 metrów. Obracające się śmigła mogą wywoływać intrygujące wrażenie, nie wspominają o efektach świetlnych (efekt stroboskopowy). Nie powinno się ich lokalizować w parkach narodowych i terenach atrakcyjnych krajobrazowo. Powinny być lokalizowane z dala od zamieszkałych budynków, aby nie wpływały niekorzystnie na psychikę pobliskich mieszkańców.

Nowoczesna siłownia wiatrowa to konstrukcja o naprawdę imponujących rozmiarach. Przykładowo: wiatrak Vestas 2 MW posiada wirnik o średnicy 80m posadowiony na wieży o wysokości od 60m do 100m. Fot. Benn Faulkner

Lokalizacja

Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji w terenie. Na wydajność siłowni zasadniczy wpływ ma ukształtowanie terenu (podłużne wzgórza, pojedyncze wzgórza i góry, skarpy zagłębienia, przełęcze), przeszkody (budynki, drzewa). Płaski obszar porośnięty trawą jest typowym przykładem terenu o jednolitej szorstkości. Na tym obszarze prędkość wiatru na wybranej wysokości jest prawie jednakowa. Przeszkody terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedyncze drzewa), znajdujące się na drodze przesuwających się mas powietrza, powodują gwałtowne zmniejszenie prędkości wiatru i wzrost turbulencji w jej pobliżu.Zaburzenie w przepływie wywołane przeszkodą ma niezwykle negatywny wpływ na trwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek współczesne obiekty charakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością.

Zmienność wiatru w ujęciu przestrzennym to także uzależnienie od wysokości. Średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi. Im wyżej tym wiatr ma coraz bardziej stały charakter (mniejsze turbulencje spowodowane ukształtowaniem terenu). Z drugiej strony wraz ze wzrostem wysokości względem poziomu morza zmniejsza się gęstość powietrza a to oznacza mniejszą proporcjonalnie moc wiatru.

Budowa elektrowni wiatrowej wymaga dużej, otwartej przestrzeni. Stanowi to poważny problem szczególnie dla farm wiatrowych, w których muszą być zachowane odpowiednie odległości między samymi wiatrakami. Jednak obszar faktycznie zajmowany przez siłownie jest niewielki. Szacuje się, że 99 % gruntów leżących w strefie oddziaływania parku wiatrowego nadaję się użytku rolniczego, zarówno do uprawy ziemi jak i hodowli zwierząt, a dzierżawa gruntu pod elektrownie może być dodatkowym źródłem dochodu dla rolników. Znane są również przypadki lokalizacji elektrowni wiatrowych na wysokich hałdach (np. zwałowisk kopalnianych), co stanowi pewien sposób ich zagospodarowanie.

Morze wydaje się optymalną lokalizacją dla farm wiatrowych – zapewnia stałe wiatry o dużych prędkościach. Niestety koszty takiego rozwiązania znacznie przewyższają lokalizację lądową – droższe są fundamenty, podwodna linia kablowa wyprowadzająca moc, trudniejszy montaż. Na zdjęciu duńska farma Middelgrunden – 20 wiatraków po 2 MW. Największa morska farma wiatrowa Horns Rev (również duńska) składa się z 80 takich wiatraków – osiąga więc moc 160 MW.

W Polsce

Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce są bardzo obiecujące, na co wskazują uzyskane wyniki badań prowadzonych w IMGW, na podstawie wieloletnich obserwacji kierunków i prędkości wiatru prowadzonych na profesjonalnej sieci meteorologicznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod względem zasobów wiatru w mezoskali są następujące:

• środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina
  po Hel,
• rejon wyspy Wolin,
• Suwalszczyzna,
• środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
• Beskid Śląski i Żywiecki,
• Bieszczady i Pogórze Dynowskie.

Strefy energetyczne wiatru w Polsce (źródło: IMGW).

Rozkład prędkości wiatru mocno zależy od lokalnych warunków topograficznych. Znane są liczne inne mikro-rejony kraju o korzystnych bądź doskonałych warunkach wiatrowych. Godne uwagi są również wysokie partie gór, gdzie średnie roczne prędkości wiatru miejscami przekraczają 10 m/s (grzbiet główny Karkonoszy). Jeżeli udałoby się pokonać problemy z dostępnością (słaba sieć dróg w górach), z podłączeniem do sieci elektroenergetycznej czy rozwiązać wątpliwości związane np. z ochroną krajobrazu, wówczas rejony te powinny doczekać się kompleksowej oceny zasobów wiatru i ich wykorzystania.

Biogaz może być wytwarzany celowo – dokonuje się tego w biogazowniach. Na instalacje biogazowni składa się zazwyczaj:

• układ podawania biomasy,
• komora fermentacyjnej,
• zbiornik magazynowy przefermentowanego substratu,
• zbiornik biogazu,
• agregat kogeneracyjny.

Kluczowym elementem instalacji jest komorę fermentacyjna, w której zachodzi proces fermentacji beztlenowej. Jest to proces biologiczny rozkładu substancji organicznych przeprowadzany w warunkach bez dostępu powietrza przez bakterie anaerobowe (beztlenowe). Produktem tego rozkładu są związki proste – głównie metan i dwutlenek węgla oraz niewielkie ilości wodoru, siarkowodoru, amoniaku i innych gazów śladowych. Skład biogazu i tempo jego wytwarzania zależy od składu surowca i temperatury w komorze. Zbiornik jest ogrzewany – optymalna temperatura to 35-40 ºC (fermentacja mezofilowa). W celu przyspieszenia procesu, komory posiadają urządzenia mieszające. Pozostałość pofermentacyjna może być wykorzystywana jako nawóz.

Biogaz jest najczęściej wykorzystywany na miejscu do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Dokonuje się tego w systemie konegeracyjnym na który składa się silnik tłokowy spalający biogaz sprzęgnięty z prądnicą synchroniczną produkującą energię elektryczną. Na skutek spalania gazu w silniku powstaje ciepło, które jest odprowadzane i wykorzystywane jako ciepło użytkowe.

Sprężony i oczyszczony biogaz może również służyć jako paliwo dla pojazdów silnikowych (jako zamiennik dla paliwa CNG – sprężonego gazu ziemnego). Może też być wprowadzony do sieci gazowniczej.

Produkcja biogazu jest przyjazna ekologicznie. W jej wyniku z odpadów odzyskiwany jest metan, który jest silnym gazem cieplarnianym i jego spalanie jest znacznie bardziej korzystne od uwolnienia do atmosfery. Spaliny są przy tym są czystsze niż powstające podczas spalania węgla czy oleju opałowego.

Wydajnośc energetyczną produkcji biogazu z jednego hektara, wynosi w przypadku kukurydzy 5 tys. m3. Szacuje się, że ze względu na postęp technologicznie wzrośnie ona do 8 tys. m3 w 2020 r. Statystycznie rocznie na jednego Polaka przypada zużycie 0,3 tys. m3. Zatem jeden hektar wystarcza do pokrycia ponad 15-krotnego zapotrzebowania na gaz ziemny w całej gospodarce (procesy przemysłowe, energetyka zawodowa, zużycie w sektorze usług, zużycie przez ludność) przypadającego na statystycznego Polaka. Z kolei na rynku paliw transportowych (samochody CNG) jeden hektar przeznaczony pod uprawę kukurydzy wystarcza obecnie do pokrycia zapotrzebowania 10 Polaków. (źródło: prof. dr hab. inż Jan Popczyk – Stabilizacja bezpieczeństwa energetycznego Polski w okresie 2008-2020)