2METODY GENEROWANIA ENERGII
Wprowadzenie
Generowanie energii stanowi podstawę funkcjonowania społeczeństw i rozwoju gospodarki światowej. W różnych krajach kluczowe technologie, na których opiera się energetyka, są inne, co zależy zarówno od historycznych podstaw rozwoju tego sektora, postępu technicznego, jak i uwarunkowań politycznych, a co za tym idzie - legislacyjnych.
W krajach Unii Europejskiej od wielu lat dominuje trend rozwoju energetyki opartej na źródłach odnawialnych. Jest to często trudne do pogodzenia z istniejącymi rozwiązaniami, gdy - tak jak w naszym kraju - przeważa energetyka oparta na węglu. W krajach wysoko rozwiniętych świadoma polityka państw zaowocowała rozwojem energetyki wiatrowej, słonecznej czy jądrowej. W bilansie niektórych krajów zagospodarowanie energetyczne odpadów stanowi nie tylko uzupełnienie niedoborów paliwowych, lecz także skuteczny sposób pozbycia się tego niewygodnego problemu. Wszystkie omówione w rozdziale technologie pozyskiwania energii elektrycznej i ciepła należy rozważać w ścisłym powiązaniu z polityką zrównoważonego rozwoju i ochroną środowiska, stanowi on więc niejako wprowadzenie do kolejnych rozdziałów.
Nośniki energii można podzielić na (rysunek 2.1):
- odnawialne, do których zaliczamy:
- promieniowanie elektromagnetyczne Słońca,
- energię wiatru,
- energię spadku wód,
- energię geotermalną,
- energię biomasy,
- energię pływów i fal,
- nieodnawialne (paliwa), takie jak:
- paliwa pierwotne organiczne (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, drewno),
- paliwa wtórne (benzyna, olej napędowy i opałowy, propan-butan),
- paliwa jądrowe (uran, tor).
Rysunek 2.1. Podział źródeł energii na paliwa kopalne i odnawialne źródła energii
2.1. Konwencjonalne źródła energii
Negatywnymi skutkami eksploatacji źródeł kopalnych są gwałtowny wzrost koncentracji zanieczyszczeń w atmosferze ziemskiej oraz globalne zmiany klimatu, przedstawione w postaci wyników badań, analiz i dyskusji, ujęte w ramach ONZ-owskiej konwencji zmian klimatycznych, podpisanej w1997 roku jako protokół z Kyoto. Najbardziej szkodliwe dla środowiska naturalnego są tlenki siarki i azotu, dwutlenek węgla, węglowodory oraz pyły, pochodzące z elektrowni cieplnych, transportu i przemysłu. Wzrost cen paliw konwencjonalnych oraz troska o ochronę środowiska naturalnego przyczyniły się do zintensyfikowania prac nad wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych.
Energetyka w Polsce opiera się na wykorzystaniu węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu ziemnego. Węgiel i ropa naftowa powstały kilkaset milionów lat temu ze szczątków organizmów żywych, drewna i innej materii organicznej osadzonej na dnie mórz i jezior. Pod wpływem energii słonecznej (temperatury i ciśnienia) zostały one przetworzone w paliwo stałe - węgiel kamienny i płynne - ropę naftową oraz w gaz naturalny, o średnich wartościach opałowych: 30 MJ/kg, 42 MJ/kg i 35 MJ/m3 [1].
Narastający z roku na rok problem zanieczyszczeń stanowi ogromne zagrożenie. Wpływ zanieczyszczeń związanych z eksploatacją paliw stałych, ciekłych i gazowych, na zdrowie i środowisko zależy głównie od stężenia produktów spalania znajdujących się w atmosferze, w wodzie i w ziemi. Największym zagrożeniem dla środowiska nie jest perspektywa wyczerpania się naturalnych zasobów paliw konwencjonalnych, lecz globalne skażenie środowiska naturalnego produktami ich spalania: pyłami, tlenkami siarki, azotu i węgla. W wyniku spalania paliw naturalnych, oprócz ciepła, powstają również gazy spalinowe oraz - w przypadku paliw stałych - popioły i żużle. Skład spalin jest różny w zależności od rodzaju paliwa i samego procesu spalania, który wbrew pozorom jest skomplikowany, zależy od temperatury, stosunku ilości powietrza do ilości paliwa, rodzaju palnika lub paleniska i wielu innych czynników.
Najważniejsze negatywne skutki oddziaływania produktów spalania paliw nieodnawialnych, głównie węgla kamiennego i brunatnego, to:
- pogłębienie się efektu cieplarnianego,
- powiększanie się stref występowania smogu,
- zakwaszenie atmosfery tlenkami siarki i azotu, wskutek czego giną lasy, zamiera życie w rzekach i jeziorach,
- brak tlenu w środowisku morskim, co jest następstwem emisji tlenków azotu, zaburza równowagę pokarmową w morzu ze szkodą dla żyjących w nim organizmów roślinnych i zwierzęcych,
- zanieczyszczenie wód zaskórnych metalami ciężkimi wymywanymi z nieprawidłowo składowanych popiołów i żużli, a także produktami ubocznymi powstającymi podczas oczyszczania spalin metodami mokrymi i suchymi,
- szkody górnicze, zasolenie rzek wodami z kopalń, skutki transportu paliw (węgla ze Śląska do elektrociepłowni, gazu i ropy rurociągami) i inne.
Działania zmierzające do sprostania wymogom ochrony środowiska w zakresie emisji substancji szkodliwych w energetyce opartej na węglu można podzielić na trzy rodzaje:
- wzbogacanie paliw energetycznych bądź zastąpienie ich czystszymi ekologicznie:
- górnicze zakłady wzbogacania i głębokiego odsiarczania węgla kamiennego,
- instalacje dwupaliwowe (węgiel, gaz), przejście na paliwa płynne niskosiarkowe bądź gaz (ziemny, koksowniczy),
- modernizacja urządzeń wytwórczych, przejście na skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła:
- poprawa sprawności wytwarzania energii z zachowaniem dotychczasowej technologii spalania w przypadku korzystania z paliw uszlachetnionych,
- modernizacja układu spalania i komory paleniskowej,
- wprowadzenie lub zwiększenie istniejącego współczynnika skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła,
- modernizacja, wymiana bądź budowa urządzeń ochronnych (elektrofiltry, instalacje odsiarczania, wtórne metody odazotowania).
W XXI wieku energetyka na świecie jest połączeniem wykorzystania różnych odnawialnych źródeł energii z zastosowaniem znacznie czystszych niż w poprzednich latach urządzeń na paliwa konwencjonalne, a wszystko to w celu ochrony coraz bardziej zdegradowanego środowiska naturalnego.
Warto poświęcić uwagę energetyce jądrowej. Ten temat jest od wielu lat stale obecny w Polsce, nie doczekał się jednak do tej pory realizacji, budząc wiele kontrowersji. Za energetyką jądrową przemawiają przede wszystkim względy ochrony środowiska (brak emisji SO2 i NOx) oraz szybsza budowa elektrowni jądrowej: w 5 lat w porównaniu do konwencjonalnej w 6 do 7 lat i tańszy transport paliwa. Problemami są zapewnienie bezpieczeństwa i likwidacja odpadów radioaktywnych, chociaż narażenie zdrowia ludności żyjącej w otoczeniu elektrowni węglowej jest dwu- lub trzykrotnie większe niż w przypadku elektrowni jądrowej (bez awarii), a wydobycie i transport węgla kosztują nieraz utratę życia i zdrowia wielu ludzi.
Nowa generacja elektrowni jądrowych, "bezpiecznych", czyli odpornych na ludzkie błędy, jest najczystszą środowiskowo technologią wytwarzania znaczącej w systemie energetycznym energii. Warunkiem jej stosowania jest jednak przyjęcie rozwiązań bezpiecznych pod względem technicznym i ekonomicznym.
2.1.1. Energetyka jądrowa
Znaczne ilości energii można uzyskać w egzoenergetycznych reakcjach jądrowych w reaktorach jądrowych na paliwo rozszczepialne, a w przyszłości także w reakcjach syntezy termojądrowej. Wykorzystując różne paliwa jądrowe, spowalniacze neutronów, systemy chłodzenia i sterowania oraz konstrukcje przestrzenne, można budować reaktory jądrowe kilku typów.
2.1.1.1. Proces rozszczepienia
Proces, w którym jądro ciężkie rozpada się na jądra lżejsze o porównywalnej liczbie atomowej, nazywa się rozszczepieniem, na przykład:
.
(2.1)
Jądro uranu nie musi się rozpadać na dwa ściśle określone pierwiastki, lecz może się rozpaść na dwa dowolne pierwiastki o liczbie atomowej Z, zmieniającej się od 30 do 63. W czasie rozszczepienia jąder uranu powstaje z różną wydajnością około 170 różnych jąder. Energię Q, która wydziela się podczas reakcji rozszczepienia, można obliczyć z różnicy mas uranu i produktów rozszczepienia. Na przykład dla reakcji (zilustrowanej na rysunku 2.2):
,
(2.2)
w tym:
masa molibdenu 97,905510 a j.m.
masa ksenonu 135,907221 a j.m.
masa neutronu 1,008665 a j.m.
masa 4 elektronów 4e- 0,002194 a j.m.
suma mas produktów rozszczepienia 234,823590 a j.m.
masa uranu 235,043933 a j.m.
- suma mas produktów rozszczepienia 234,823590 a j.m.
defekt masy ?m = 0,220343 a j. m
Ze wzoru Einsteina E = , wynika przy E = Q:
Q = ?m-931,5 MeV 205 MeV
(2.3)
Rysunek 2.2. Przebieg reakcji rozszczepienia jądra uranu U-235 za pomocą neutronu termicznego
Podczas rozszczepienia jednego jądra uranu wydziela się więc energia około 200 MeV. Ilość energii uzyskanej z rozszczepienia jąder 1 kg uranu wynosi 8,2.1013J, co odpowiada energii otrzymanej ze spalenia 2,8 tysięcy ton węgla. W celu porównania wielkości energii rozszczepienia w tabeli 2.1 przedstawiono energie cząstek biorących udział w różnych procesach fizycznych. Można oszacować trwałość jąder produktu rozszczepienia. Stosunek liczby neutronów N do liczby protonów Z wynosi dla uranu: . Dla pierwiastków trwałych w przedziale liczb atomowych od 30 do 63 stosunek ten wynosi od 1,3 do 1,5. Z tych względów produkty rozszczepienia mające nadmiar neutronów są nietrwałe. Przechodzą one w pierwiastki trwałe albo przez emisję cząstek b, albo przez emisję neutronów. Każde jądro powstające w wyniku rozszczepienia może w czasie krótszym niż 10-15 s emitować jeden lub dwa neutrony zwane natychmiastowymi. Neutrony emitowane w mierzalnym czasie po rozszczepieniu nazywa się opóźnionymi. Z jednej strony neutrony powodują rozszczepienia, a z drugiej powstają przy rozszczepieniu uranu, więc przy odpowiednio dobranych warunkach można wykorzystać neutrony powstałe podczas rozszczepienia do inicjowania następnych rozszczepień.
Liczba neutronów przypadających na jeden proces rozszczepień ma istotny wpływ na możliwość uzyskania reakcji łańcuchowej. Przy rozszczepieniu jednego jądra powstaje średnio 2,47?0,03 neutronów. Ten "nadmiar" neutronów umożliwia łańcuchową reakcję rozszczepienia. Widmo energetyczne neutronów zajmuje przedział energii od 0,05 do 17 MeV.
Stwierdzono, że wychwyt neutronów przez jądra powoduje rozszczepienie tych jąder, przy czym podczas rozszczepienia powstają nowe neutrony, które z kolei mogą wywoływać dalsze rozszczepienia.
Tabela 2.1. Energie cząstek biorących udział w różnych procesach fizycznych [3]
Cząstka
Energia
Średnia energia kinetyczna cząstki w temperaturze pokojowej
25 MeV
Foton widzialny
1,5÷3 eV
Foton ultrafioletowy
3÷100 eV
Foton twardych promieni X
0,1÷1 MeV
Foton gamma
1÷3 MeV
Rozpad radu
4,8 MeV
Rozpad
205 MeV
Cząstka promieniowania kosmicznego
1013 MeV
W zależności od stosunku powstawania neutronów w rozszczepieniach do zaniku neutronów (przez absorpcję nieprowadzącą do rozszczepienia lub ucieczkę neutronów poza obręb materiału) reakcja łańcuchowa może przebiegać przy stałym natężeniu, narastać lub zanikać. Możliwość regulowania przebiegu reakcji łańcuchowej ma decydujące znaczenie w praktycznym wykorzystywaniu energii jądrowej. To, czy zapoczątkowana reakcja łańcuchowa będzie narastać, zanikać lub utrzymywać się na stałym poziomie, zależy od współczynnika mnożenia k. Wielkość k jest określona jako stosunek liczby neutronów danej generacji do liczby neutronów generacji poprzedniej i uwarunkowana przez przekroje czynne, konstrukcję reaktora i jego rozmiary. Reaktor, dla którego k < 1, jest w stanie podkrytycznym i zapoczątkowana w nim reakcja szybko wygasa. Gdy k > 1, reaktor jest w stanie nadkrytycznym. Jeśli poziom strumienia neutronów w reaktorze nie ulega zmianie (k = 1), reaktor znajduje się w stanie krytycznym. W reaktorze stosuje się moderator, w którym neutrony rozszczepieniowe są spowalniane do energii termicznych, to znaczy mniejszych od 1 eV. Moderator to najczęściej woda, ciężka woda, beryl i grafit, a więc materiały o małej liczbie atomowej Z, z jądrami, których neutrony doznają zderzeń sprężystych, przy czym neutron traci ułamek energii tym większy, im mniejsza jest masa jądra pierwiastka, z którym się zderza. Ilustruje to tabela 2.2. Obszar reaktora zawierający materiał rozszczepialny nazywa się rdzeniem reaktora. Wokół rdzenia może być umieszczony materiał nieulegający rozszczepieniu, zwany ekranem odbijającym neutrony z powrotem do rdzenia reaktora. Zastosowanie ekranu zmniejsza masę krytyczną reaktora.
Tabela 2.2. Właściwości pierwiastków lekkich wykorzystywanych jako moderatory (spowalniacze neutronów) [3]
Pierwiastek
Przekrój czynny × 10-28 m2
Średnia strata energii na zderzenie (względna)
Średnia liczba zderzeń potrzebna
do termalizacji neutronów
na absorpcję?a
na rozpraszanie?s
Be
0,01
7
0,18
90
C
0,0032
4,8
0,14
114
B
755
4
0,17
98
W czasie zderzeń neutronu z jądrami spowalniacza neutron traci ułamek energii. Jeżeli En - energia neutronu, A - liczba masowa pierwiastka, z którego jądrem neutron zderza się sprężyście, to energia maksymalna Em jądra odrzutu wynosi:
.
(2.4)
Ze wzoru tego wynika, że im mniejsza liczba masy A, tym większa jest energia jąder odrzutu (do spowalniania najlepsze są pierwiastki o małej liczbie masowej). Beryl, jak widać w tabeli 2.2, ma mały przekrój czynny na absorpcję, jest ciałem stałym w 300 K, nadaje się więc jako spowalniacz. Do tego celu używa się również węgla w postaci grafitu.
Oprócz spowalniania neutronów moderator spełnia inną funkcję - wydłuża czas życia neutronu między kolejnymi rozszczepieniami do wartości 10-3÷10-1 s, przez co ułatwia sterowanie reakcją łańcuchową. Sterowania reaktorem dokonuje się przez wstawienie do rdzenia reaktora prętów materiału o dużym przekroju czynnym na absorpcję, na przykład z boru. Zanurzanie prętów do określonej głębokości rdzenia pozwala utrzymywać moc reaktora na żądanym poziomie. Moc reaktora zależy od natężenia strumienia neutronów wewnątrz reaktora. W celu ustawienia punktu pracy reaktora na żądanej mocy należy podnieść pręty kontrolne i zwiększyć współczynnik mnożenia neutronów. Gdy wymagana moc zostanie osiągnięta, zanurza się pręty sterownicze na taką głębokość, aby natężenie strumienia neutronów, a tym samym moc reaktora, zatrzymać na założonym poziomie. Podczas pracy ciągłej reaktora współczynnik k = 1. W miarę zużywania się materiału rozszczepialnego pręty sterownicze są podnoszone do góry, tak aby moc reaktora była stała.
Oprócz borowych prętów sterowniczych reaktor jest zaopatrzony w borowe pręty bezpieczeństwa, które są automatycznie opuszczane do wnętrza reaktora, jeżeli jego moc wzrasta z przyczyn wymykających się spod kontroli (w stanach awaryjnych). Istnieje również regulacja chemiczna mocy reaktora, na przykład zatrucie rdzenia kwasem borowym.
W przypadku pracy reaktora na neutronach powolnych pewną rolę odgrywają również neutrony opóźnione wysyłane przez produkty rozszczepienia. Pomiary wykazały, że około 0,4% wszystkich neutronów ma opóźnienie co najmniej 0,1 s, a 0,01% - opóźnienie co najmniej 1 minutę. Równanie opisujące narastanie liczby neuronów w funkcji czasu ma postać:
N = N0 exp ,
(2.5)
gdzie:
? - średni czas życia neutronów w reaktorze między rozczepieniem a pochłonięciem, (? = 10-9 s);
- reaktywność reaktora,
(2.6)
więc:
N = N0 exp .
(2.7)
Na przykład: dla m = 1 kg, k = 1,1, ? = 0,1 i po czasie t = 1?s, N = N0 × 1043 jest liczbą powstałych neutronów.
Każdemu elementowi paliwowemu odpowiada pewna reaktywność dodatnia, natomiast każdemu prętowi kompensacyjnemu lub bezpieczeństwa odpowiada reaktywność ujemna.
2.1.1.2. Energetyka jądrowa a środowisko
Istnieje graniczna moc reaktora uzasadniona ekonomicznie, która wynosi obecnie 1200-1300 MW mocy elektrycznej lub około 4000 MW mocy cieplnej. Wynika stąd, że ciepło, będące bezpośrednim efektem pracy reaktora, można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej ze sprawnością przetwarzania 30-33%. Paliwo jądrowe jest wykorzystywane w elektrowniach jądrowych już od 1954 roku. Energia jądrowa stanowiła w 1970 roku 0,6% całkowitej zużywanej na świecie energii, obecnie jest to już ponad 10%. Niestety, z rozwojem energetyki jądrowej wiąże się konieczność składowania odpadów promieniotwórczych oraz ryzyko sabotażu i katastrof o zasięgu globalnym; ze względu jednak na olbrzymią wartość opałową paliwa jądrowego - około 9 × 107 MJ/kg - paliwa jądrowe z energetycznego punktu widzenia są korzystne.
Elektrownie jądrowe zanieczyszczają środowisko naturalne przez:
- uwalnianie substancji promieniotwórczych do otoczenia,
- wodę powodującą cieplne zanieczyszczenie środowiska przez podgrzewanie rzek lub jezior, do których wpływa woda chłodząca skraplacze turbin w otwartym obwodzie chłodzenia.
W pracy elektrowni z reaktorem wodnym ciśnieniowym nie można uniknąć uwalniania do otoczenia niewielkich ilości substancji promieniotwórczych w postaci gazowej i ciekłej.
Wśród kilkunastu, a nieraz kilkudziesięciu tysięcy prętów paliwowych znajdujących się w rdzeniu reaktora może się zdarzyć pewna liczba prętów nie całkiem szczelnych, z których część gazowych produktów rozszczepienia przedostanie się do obiegu pierwotnego - wody chłodzącej rdzeń reaktora. Są to gazy promieniotwórcze: izotopy kryptonu (Kr-85) i jodu (I-129). Gazy promieniotwórcze magazynuje się przez jakiś czas, aby izotopy o krótkim czasie życia uległy rozpadowi, a następnie przez komin i filtry wypuszcza się stopniowo do atmosfery, kontrolując aktywność, tak aby nie stanowiły bezpośredniego zagrożenia dla środowiska. Poza tym woda chłodząca może zawierać produkty aktywacji neutronami cząstek powstających w wyniku korozji i erozji materiałów konstrukcyjnych obiegu pierwotnego. W przypadku nieszczelności pomp, zaworów i innych elementów w obiegu pierwotnym powstają wycieki wody z zawartością izotopów promieniotwórczych. Wielkość uwolnień produktów rozszczepiania z elektrowni jądrowej do otoczenia zależy od wielu czynników, między innymi poziomu mocy reaktora. Aktywność uwalnianych rocznie substancji gazowych i aerozoli w reaktorze BWR i PWR jest rzędu odpowiednio: 5?105 i 2?103 kiurów, a ciekłych 100 i 200 kiurów. Uwolnienia są tym mniej szkodliwe dla środowiska, im bardziej są rozcieńczane dużymi objętościami powietrza w atmosferze.
Budowa reaktorów energetycznych RBMK (takich jak w Czarnobylu) różni się znacznie od budowy i zasady działania reaktorów PWR i BWR, które stanowią 80% pracujących na świecie reaktorów energetycznych. Reaktory RBMK charakteryzuje znacznie niższy poziom bezpieczeństwa. Problem bezpiecznego usuwania odpadów radioaktywnych jest opanowany w odniesieniu do odpadów średnio- i mało aktywnych. Odpady wysokoaktywne stanowią natomiast zaledwie 1% objętości wszystkich, ale odpowiadają za 99,9% ich aktywności. Z paliwa dużej elektrowni jądrowej o mocy 1000 MW powstaje rocznie około 3 m3 odpadów wysokoaktywnych w postaci roztworów wodnych, które po kilkuletnim przechowywaniu w specjalnych zbiornikach (gdzie ich aktywność spada do 10% aktywności początkowej) przekształca się do postaci stałej i w szczelnych pojemnikach transportuje w miejsca ostatecznego składowania.
Cieplne zanieczyszczenie środowiska jest uwarunkowane ilością i temperaturą wody odprowadzanej z elektrowni. Podgrzaną o 7-14% wodę wypuszcza się do dużych akwenów. Powoduje to ich podgrzanie o około 2?C. W efekcie zahamowany zostaje rozwój niektórych gatunków flory i fauny, w miejsce których rozwijają się inne. Stwarza to możliwość intensyfikacji hodowli ryb, zakładania ferm hodowlanych nowych gatunków, ciepłolubnych.
W porównaniu z elektrownią cieplną (węglową lub gazową) ilość wymaganego powietrza do rozcieńczania emitowanych substancji promieniotwórczych przez elektrownię jądrową jest przeszło 100 000 razy mniejsza.
Wieloletnie obserwacje skażeń wskazują, że maksymalna dawka promieniowania w pobliżu elektrowni nie przekracza 1/100 wartości dawki granicznej. Ochrona radiologiczna jest dziedziną starszą niż energetyka jądrowa. Już krótko po odkryciu promieni rentgenowskich pojawiły się doniesienia o szkodliwości promieniowania dla organizmu ludzkiego, a ponieważ jest to nieodczuwalne przez ludzkie zmysły, niezwykle ważna jest sprawa detekcji, pomiaru promieniowania i oceny zagrożenia.
Rysunek 2.3. Objętości powietrza wymagane do rozcieńczenia stężeń dopuszczalnych uwalnianych w ciągu roku lotnych zanieczyszczeń energetycznych
Obecnie wyróżnia się kilka podstawowych wielkości pozwalających ocenić stopień zagrożenia:
- dawka i moc dawki pochłoniętej,
- dawka i moc dawki ekspozycyjnej (jonowej),
- dawka równoważna i moc dawki równoważnej,
- całkowita dawka zakumulowana.
Dopuszczalne roczne wchłonięcie graniczne wynosi 50 mSv (5 rem) lub 150 mSv w soczewkach oczu lub 500 mSv w innych tkankach. Dawka równoważna zagrożenia życia ludzkiego to odpowiednio: 0,5 Sv (50 rem) lub 3 Sv (300 rem). Już pierwsze objawy kliniczne u człowieka stwierdzono po jednorazowym napromieniowaniu dawką równoważną 0,5 Sv, a dawka 3 Sv może u 50% napromieniowanych spowodować śmierć w okresie kilku miesięcy.
Współczynnik jakości promieniowania Q, występujący jako jeden z czynników dawki równoważnej, uwzględnia względną skuteczność biologiczną różnego rodzaju promieniowania. Na podstawie znajomości dawki pochłoniętej D oraz rodzaju promieniowania (współczynnika Q) można obliczyć dawkę równoważną H (tabela 2.3).
Określenie dawek.
- Dawka energii D (według ICRU[1] dawka pochłonięta, ang. absorbed dose) jest stosunkiem ?E do ?m, gdzie ?E jest energią promieniowania jonizującego przeniesioną na substancję w objętości ?V oraz masie ?m = ??V, a ? to gęstość. Substancja odniesienia (o masie ?m) musi być określona, na przykład Dw - dawka energii (dawka pochłonięta) dla wody.
- Kerma K (ang. kinetic energy released in material) jest stosunkiem ?Ek do ?m, gdzie ?Ek jest sumą wartości początkowych energii kinetycznych wszystkich naładowanych cząsteczek, które z pośredniego promieniowania jonizującego (fotony, neutrony) zostaną uwolnione w objętości ?V i masie ?m = ??V.
Tabela 2.3. Wielkość dawki i jednostki promieniowania (opracowanie własne)
Wielkość
Definicja
Jednostka w układzie SI
Jednostka dawniej stosowana
Dawka pochłonięta
D = ?E/?m
?E - energia stracona na procesy jonizacji
1 grey (Gy)
(Gy) = (J/kg)
1 rad
1 rad = 0,001 Gy
Moc dawki pochłoniętej
D = dD/dt
Gy/s = W/kg
1 rad / 1 s = 001 Gy/s
Dawka ekspozycyjna (dawka jonowa)
X = ?q /?mpow.
?q - suma ładunków jednego znaku
?mpow. - masa powietrza, w której wytworzono ładunek ?q
C/kg
1 rentgen (R)
1R = 2,58 10-4 C/kg
1R = 0,88 rad absorb. - dla powietrza
1R = 0,97 rad absorb. - dla wody
1R = 1 rad absorb. - dla tkanin biologicznych
Moc dawki ekspozycyjnej
Px = dx/dt
(C/kg?s) = (A/kg)
(R/s)
Dawka równoważna
H = D × Q
Q (ang. quality factor) - dla rodzaju i natężenia promieniowania*
1 siwert (Sv)
(Sv) = (J/kg)
1 rema)
1 rem - 0,01
Sv = 10 mSv
a) 1 rem (ang. roentgen equivalent man) - dawka równoważna promieniowaniu, które wywołuje takie same skutki biologiczne jak jeden rentgen twardego promieniowania rentgenowskiego
* współczynnik Q wynosi [4]:
20 - dla promieniowania ?,
5÷20 - dla neutronów,
1 - dla promieniowania ?,
1 - dla promieniowania ? i rentgenowskiego
- Dawka jonowa (według ICRU dawka ekspozycyjna, ang. exposure) jest stosunkiem ładunku jonów ?q jednego znaku, które zostaną wytworzone w powietrzu w objętości ?V do masy ?mpow. = ppow.?V.
- Dawka równoważna (według ICRU, ang. dose equivalent) jest iloczynem dawki energii dla tkanki biologicznej i czynnika bezwymiarowego jakości promieniowania Q. Wartość czynnika Q ustala się dla różnych rodzajów promieniowania, energii oraz warunków napromieniowania tak, że dawka równoważna oznacza jednocześnie ryzyko napromieniowania.
- Dawka osobista lub miejscowa jest dawką równoważną H dla tkanki mierzoną w miejscu ciała reprezentowanym dla ekspozycji promieniowania.
- Dawka efektywna równoważna (ang. effective dose equivalent) jest sumą składników z różnymi czynnikami ważności WT średnich dawek równoważnych HT dla odpowiednich organów lub tkanki:
HE = STWT × HT
Czynniki ważności WT uwzględniają różne ryzyka napromieniowania poszczególnych organów w odniesieniu do stochastycznych działań promieniowania i ustalane są umownie.
Dawki graniczne określa Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 18 stycznia 2005 roku w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego [5] (akt ten uznany jest za uchylony, obecnie procedowany jest projekt rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie wskaźników pozwalających na wyznaczenie dawek promieniowania jonizującego stosowanych przy ocenie narażenia na promieniowanie jonizujące):
a) dla pracowników: 20 mSv w ciągu roku kalendarzowego,
b) dla ogółu ludności: 1 mSv w ciągu roku kalendarzowego,
c) dla uczniów, studentów i praktykantów w wieku od 16 do 18 lat: 6 mSv w ciągu roku kalendarzowego.
Określono dawkę graniczną wyrażoną jako dawkę równoważną dla:
- soczewek oczu: 150 mSv dla grupy a), 15 mSv i 50mSv dla grupy b) i c),
- skóry (odpowiednio): 500 mSv/1cm2, 150 mSv/1cm2 i 50 mSv/1cm2.
2.2. Odnawialne źródła energii
Zmniejszaniu się dostępnych zasobów surowców organicznych towarzyszy rosnące zapotrzebowanie na energię, a projekty budowy elektrowni jądrowych czy konwencjonalnych budzą sprzeciw licznych środowisk społecznych, więc obecnie najszerzej akceptowanym rozwiązaniem jest upowszechnienie energetyki wykorzystującej alternatywne źródła energii: Słońca, wiatru, wodospadów i rzek, ruchu wód oceanicznych, energii cieplnej wnętrza Ziemi oraz biomasy i wodoru.
W strukturze mocy zainstalowanej OZE w Polsce dominuje obecnie fotowoltaika. W styczniu 2022 roku moc zainstalowana instalacji słonecznych wyniosła ponad 8 GW, co stanowi 47% wszystkich mocy odnawialnych źródeł energii. Na drugim miejscu jest wiatr - moc zainstalowana to 7,1 GW, czyli 41% mocy OZE. Moc zainstalowana w elektrowniach OZE wynosi: fotowoltaika 8146,5 MW, elektrownie biogazowe 260,8 MW, elektrownie wiatrowe 7118,4 MW [2].
Często popełniany błąd polega na mylnym używaniu pojęć odnawialnych źródeł energii, nośników energii i urządzeń do konwersji energii ze źródła odnawialnego na energię użyteczną w postaci energii elektrycznej i ciepła (rysunek 2.4). Podstawowe pojęcia, które pozwalają opisywać przemiany energetyczne, to:
- energia pierwotna - energia, która nie uległa żadnej przemianie (konwersji, transformacji),
- energia wtórna - energia otrzymana w wyniku przemian energii pierwotnej,
- transformacja energii - przemiana energii, w której nie następuje zmiana nośnika, a jedynie parametrów energii (na przykład przemiana energii elektrycznej (napięcia i prądu elektrycznego) w transformatorze),
- konwersja energii - przemiana energii, której towarzyszy zmiana nośnika energii (na przykład przemiana energii promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną w ogniwie fotowoltaicznym).
Z punktu widzenia konsumenta energii dla prawidłowo wykonanego bilansu energetycznego i ekonomicznego instalacji wykorzystującej energię ze źródła odnawialnego istotnymi informacjami są:
- potencjał i dostępność energii ze źródła odnawialnego w danej lokalizacji (dla promieniowania słonecznego będzie to na przykład suma roczna energii promieniowania, dla wiatru: mapy wietrzności, dla wykorzystania energii pływów: moc pływów morskich i ich zmienność w czasie),
- koszt i sprawność urządzenia do konwersji energii,
- forma uzyskanej energii: wartość 1 kWh energii elektrycznej jest około 2,5 razy większa niż takiej samej ilości ciepła.
Rysunek 2.4. Schemat ideowy procesów wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych
2.2.1. Energia wiatru
Elektrownie wiatrowe są przeznaczone do przetwarzania energii wiatru na energię elektryczną. Są to najczęściej szybkoobrotowe elektrownie o osi poziomej. Trójłopatowy wirnik z nastawianymi automatycznie łopatami o odpowiednio dobranym profilu przez przekładnię zębatą napędza generator asynchroniczny lub synchroniczny.
Do wstępnego określenia mocy wiatraka o średnicy D można obliczyć moc wiatru przepływającego przez płaszczyznę omiataną łopatkami i pomnożyć ją przez współczynnik wykorzystania (?t) energii wiatru i sprawność wiatraka (?a, ?m). Moc będzie wówczas równa:
.
(2.8)
Dla szybkobieżnego silnika wiatrowego ?t = 0,593, ?a = 0,64, ?m = 0,8.
Zależność mocy elektrowni wiatrowej od prędkości wiatru określa krzywa mocy elektrycznej, która ma charakterystyczne punkty:
- punkt startu - prędkość wiatru, przy której zaczynają się obracać śmigła: od 3 do 5 m/s, w zależności od konstrukcji turbiny,
- punkt wyłączenia - prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie dla konstrukcji, około 23 do 27 m/s,
- prędkość znamionowa - prędkość wiatru v, przy której turbina osiąga moc znamionową, około 11 do 16 m/s.
Typowy generator wiatrowy składa się z 4 podstawowych elementów:
- wirnika przejmującego energię kinetyczną ruchu powietrza,
- przekładni,
- wieży lub podstawy,
- prądnicy z układem elektronicznym sterowania.
Wykorzystanie siły wiatru jest jedną z istotnych możliwości zasilenia polskiego systemu elektroenergetycznego tanią i zarazem ekologiczną energią elektryczną. Według danych Agencji Rynku Energii z końca stycznia 2022 roku moc zainstalowana farm wiatrowych wyniosła w Polsce 7118,4 MW, co daje udział energetyki wiatrowej w wykorzystaniu OZE na poziomie 41%. Pierwsze miejsce w rankingu farm wiatrowych w Polsce według mocy zajmuje FW Potęgowo (219 MW), oddana do użytku w grudniu 2020 roku. Zlokalizowana jest w województwach pomorskim i zachodniopomorskim. Składa się z 81 turbin firmy General Electric o mocach: 2,5 MW oraz 2,75 MW [6]. Według danych z raportu Banku Światowego jesteśmy w stanie zwiększać wykorzystanie energii wiatru o 4-5 PJ rocznie.
Przy projektowaniu instalacji wiatrowej w pierwszej kolejności niezbędne jest zbadanie charakterystyki wiatru na przeznaczonym dla niej terenie: obliczenie średniej rocznej prędkości wiatru i wyznaczenie jego dominujących kierunków. Aby poznać charakterystykę wietrzności wybranego obszaru, należy przeprowadzić na nim co najmniej 12-miesięczne pomiary na wysokości 30÷50 m. Najlepsze warunki wiatrowe, gdzie średnia prędkość wiatru na wysokości 30 m równa się 5÷6 m/s, występują na wybrzeżu i Suwalszczyźnie. Według danych Polskich Sieci Elektroenergetycznych w ostatnich 12 miesiącach rekord generacji wiatrowej padł 29 stycznia 2022 roku o godz. 18.15; farmy wiatrowe pracowały z mocą 6682,8 MW, a w godzinach 17.00-18.00 wyprodukowały 6646 MWh energii elektrycznej [7].
2.2.2. Energetyka wodna
Ważnym źródłem są zapasy energii zgromadzonej w wodzie (rysunek 2.5). Energię tę ludzie od dawna wykorzystywali dla własnych potrzeb. Historia kół wodnych sięga aż I wieku n.e. Służyły one najpierw do napędzania żaren w młynach, 1000 lat później ludzie zaczęli wykorzystywać energię wody do innych celów - napędzania miechów i ciężkich młotów w kuźniach, piły w tartakach i wielu podobnych urządzeniach. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych są wykorzystywane do napędzania potężnych generatorów elektrowni wodnych. Ta gałąź przemysłu nosi nazwę hydroenergetyki. Nowoczesne hydroelektrownie wykorzystują olbrzymie zapory oraz zbiorniki wodne, dzięki czemu powstaje duża różnica poziomów energii potencjalnej i masy wody, co gwarantuje spad wody. Energię można pozyskiwać również dzięki falowaniu morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą olbrzymią ilość energii, lecz pojawia się tu problem natury technicznej - nie istnieją jeszcze urządzenia pozwalające na ich efektywne wykorzystanie.
Rysunek 2.5. Ogólny podział możliwości wykorzystania energii wód
Przy całkowitym wykorzystaniu energii wód Ziemi można by uzyskać aż 2,25 mld kW zainstalowanej mocy elektrycznej. Niewykorzystywane zasoby energii wodnej znajdują się przede wszystkim w Afryce, Azji i Ameryce Południowej. Największe na świecie elektrownie wodne wybudowano na rzekach: Parana na granicy między Paragwajem a Brazylią (moc 12,6 mln kW), Kolumbia w USA oraz na Jenisej w Rosji.
2.2.2.1. Potencjał energetyczny rzek
Docierające do powierzchni Ziemi promieniowanie Słońca jest siłą napędzającą naturalny obieg wody w przyrodzie i sprawia, że płynące rzeki można uważać za odnawialne źródło energii. Szacuje się, że umożliwia to uzyskanie 2,8 TW mocy. Światowy potencjał hydroenergetyczny (zasoby techniczne) jest wykorzystywany średnio w 15%. Ministerstwo Środowiska szacuje, że Polska wykorzystuje około 17% potencjału technicznego rzek, jeśli chodzi o wykorzystanie wody do produkcji energii elektrycznej.
Urządzenia hydroenergetyczne klasyfikuje się pod względem wielkości i rodzaju. Wyodrębnia się: elektrownie przemysłowe, regulacyjne i małe elektrownie wodne. Małe elektrownie wodne - o mocy poniżej 5 MW - to przeważnie elektrownie przepływowe (w Skandynawii i Szwajcarii małymi elektrowniami nazywa się te poniżej 2 MW, a w Stanach Zjednoczonych poniżej 15 MW). Wody nie gromadzi się tam w dodatkowych zbiornikach, a turbina i generator mieszczą się w korycie rzeki. Małe elektrownie wodne wyróżnia się jako odrębną grupę w klasyfikacji, ponieważ ich wpływ na środowisko naturalne jest znikomy i dlatego nie dotyczą ich kontrowersje ekologiczne związane z budową dużych elektrowni. Elektrownie zbiornikowe korzystają natomiast z wody spiętrzonej przez zaporę (przy okazji stanowią zabezpieczenie przeciwpowodziowe i regulują przepływ, co jest korzystne dla żeglugi). Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują wodę zgromadzoną w dwóch zbiornikach - górnym i dolnym. Kiedy zapotrzebowanie na prąd jest małe (na przykład nocą), wodę z dolnego zbiornika pompuje się z powrotem na górę, żeby wypuścić ją w godzinach największego zapotrzebowania. Elektrownie przepływowe, budowane na rzekach nizinnych, dostarczają mocy równoważnej dopływowi w danej chwili. Elektrownie regulacyjne wymagają dużych zbiorników, od których wielkości zależy uniezależnienie produkcji energii od zmiennych warunków hydrologicznych i umożliwienie zwiększenia dostaw w okresie zapotrzebowania szczytowego. W celu regulacji przepływu rzeki poniżej elektrowni szczytowej budowane są dodatkowo zbiorniki wyrównawcze. Inne rozwiązanie techniczne jest stosowane w elektrowniach szczytowo-pompowych, gdzie w godzinach mniejszego poboru mocy stosuje się przepompowywanie wody ze zbiornika dolnego do górnego.
Szczytowe elektrownie pompowe mają za zadanie uzupełnianie mocy w okresach największego zapotrzebowania (okresach szczytu). Składają się one z dwóch zbiorników: górnego i dolnego (wyrównawczego), przy czym woda jest przepompowywana za pomocą pomp ze zbiornika dolnego do górnego w okresie niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną po to, aby w okresie szczytu, przepływając ze zbiornika górnego do dolnego, oddać energię do systemu energetycznego. Zbiornik górny jest tak umieszczony, aby istniejący dopływ pokrywał straty wody (wsiąkanie, parowanie). Moc zużywana na przepompowanie wody do górnego zbiornika jest tylko wtedy mniejsza niż uzyskana podczas jej spadu, gdy czas pompowania jest odpowiednio dłuższy od czasu przepływu w dół, chociaż energia zużywana na przepompowanie jest zawsze większa od energii uzyskanej, gdyż sprawność wynosi około 0,7. Bilans ekonomiczny pracy elektrowni pompowej jest jednak dodatni, ponieważ energia zużywana na pompowanie jest tańsza niż energia uzyskana w godzinach szczytu - pobiera się ją z sieci w czasie małego zapotrzebowania w systemie energetycznym.
Do właściwego wykorzystania potencjału dużych rzek celowa jest budowa kaskad elektrowni wodnych zasilanych ze wspólnego zbiornika przed pierwszą elektrownią kaskady. W Polsce, której ludność stanowi 0,5% ludności świata, a powierzchnia kraju około 0,21% lądów Ziemi, teoretyczne zasoby energii rzek oceniane są zaledwie na 0,05% zasobów światowych.
Potencjał hydroenergetyczny rzek określa się, zgodnie z wytycznymi Światowej Konferencji Energetycznej, w jednostkach zwanych katastrem sił wodnych. Dolną granicą teoretycznej użyteczności energetycznej rzeki lub jej odcinka jest 100 kW/km (100 kW - strumień energii wody przypadający na 1 km przepływu). Dla polskich rzek potencjał ten, oszacowany z uwzględnieniem katastru sił wodnych, jest niewielki i wynosi teoretycznie 23 TW.h/rok. Liczba elektrowni wodnych na europejskich rzekach wynosi 30 172, z czego: 21 387 już istnieje, planowana jest budowa 8507 nowych, a według danych z 2019 roku 278 było w budowie [8]. Historia energetyki wodnej w Polsce sięga lat 20. ubiegłego wieku (tabela 2.4). Zasoby hydroenergetyczne Polski do wykorzystania technicznego nie są duże, gdyż wynoszą tylko 12 TW.h rocznie, z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza. Zasoby te są wykorzystane jedynie w 12% [9]. Ich rozkład zaprezentowano w tabeli 2.5.
Tabela 2.4. Historia energetyki wodnej w Polsce [10]
Rok
Liczba obiektów
1925-1935
8100 obiektów (w tym młyny, tartaki, kaszarnie, elektrownie) - szacunki mówią o 25 000 spiętrzeń
1953
7230 obiektów (6330 w eksploatacji) (wg prof. A. Hoffmanna)
1982
2131 obiektów (300 w eksploatacji) + 863 potencjalnych miejsc instalacji na istniejących lub planowanych obiektach hydrotechnicznych, 1026 lokalizacji o potencjale 1000 GWh/a (200 MW), zalecenia rewitalizacji istniejących elektrowni lub budowy nowych obiektów (? 5 MW), rozporządzenie nr 184 Prezesa Rady Ministrów - zezwolenie na uruchomienie MEW przez osoby prywatne
2006
676 MEW (? 10 MW) o łącznej mocy 270 MW, od roku 1983 przybyło 370 obiektów o łącznej mocy około 120 MW
2012
750 elektrowni wodnych (informacja Urzędu Regulacji Energetyki z 31 marca 2012 roku)
Tabela 2.5. Potencjał hydroenergetyczny w Polsce [GWh/rok] [10]
Potencjał hydroenergetyczny
Teoretyczny
Techniczny
Wisła z dopływami, w tym
16 457
9270
Wisła
9305
6177
Dopływy lewobrzeżne
892
513
Dopływy prawobrzeżne
4914
2580
Odra z dopływami, w tym
5966
2400
Odra
2802
1273
Dopływy lewobrzeżne
1615
619
Dopływy prawobrzeżne
1540
507
Rzeki przymorza
582
280
Razem
23 005
11 950
w tym: MEW (? 10 MW)
23 005
11 950
Potencjał nieuwzględniony
około 1700
*? 100 kW/km
2.2.2.2. Energia fal morskich
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę Kaplana sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza, wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się do zbiornika na poziomie podstawy platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator.
Łączna moc fal morskich i oceanicznych jest oceniana na około 3 TW. Jest to moc charakteryzująca się dużym rozproszeniem i wybitną nieregularnością. Średnia moc fal Atlantyku wynosi 50 kW/m długości grzbietu fali, podczas gdy w czasie sztormu osiąga 2 MW/m. Moc fal w pobliżu Japonii jest oceniana na 17÷100 kW/m. Badania prowadzone w Wielkiej Brytanii pozwoliły określić zmiany mocy fal wraz z odległością od brzegu.
Sposoby wykorzystania energii fal są różnorodne. Jedna z klasyfikacji wyodrębnia urządzenia:
- mechaniczne - wykorzystanie ruchu elementów względem siebie,
- pneumatyczne - sprężone powietrze obraca turbinę napędzającą generator,
- hydrauliczne - napędzanie wodą turbiny i generatora,
- indukcyjne - wykorzystanie indukcji elektromagnetycznej.
2.2.2.3. Energia pływów morskich
Oddziaływanie grawitacyjne Słońca i Księżyca jest przyczyną występowania pływów morskich w postaci przypływów i odpływów (podnoszenia się i opadania poziomu wód). Pływy są źródłem energii o mniejszym potencjale niż prądy morskie, ale za to bezpieczniejszym i lepiej poznanym. Szacuje się, że możliwe do wykorzystania zasoby wynoszą 200 GW. Techniczne ograniczenia określają warunki fizyczne do wykorzystania energii pływów: wysokość fali pływowej przekraczająca 5 m i korzystne ukształtowanie brzegu (wąska zatoka, lejkowate ujście rzeki).
Elektrownie pływowe działają na podobnych zasadach jak elektrownie wodne na rzekach, jednak zamiast tamy spiętrzającej wodę stosuje się w nich zbiorniki napełniane podczas przypływu, gdy woda obraca turbiny. Następnie podczas odpływu przesącza się do oceanu [11].
Fale o największej wysokości obserwuje się w Zatoce Fundy w Ameryce Północnej, na wybrzeżu Francji u ujścia rzeki Rance, na zachodnim wybrzeżu Anglii, nad morzami Białym, Ochockim, Barentsa oraz na wybrzeżu Kimberley w północno-zachodniej Australii. Łączną moc prądów oceanicznych szacuje się na 5-7 TW. Są to zasoby charakteryzujące się małą gęstością, która ogranicza opłacalność inwestycji. Z 1 m2 poprzecznego przekroju prądu o prędkości 1 m/s można otrzymać około 600 W mocy elektrycznej.
Od kilkudziesięciu lat ludzie próbują wykorzystać do wytwarzania energii siłę fal pływowych. W latach 60. XX wieku Francuzi zainteresowali się wykorzystaniem powierzchniowych fal pływowych do wytwarzania prądu. U ujścia rzeki Rance do zatoki Saint-Malo w kanale La Manche, w pobliżu miejscowości Saint-Malo, rozpoczęto budowę pierwszej na świecie elektrowni wykorzystującej energię pływów morskich. Oddano ją do użytku w 1967 roku. Urządzenia pracują do dziś. Moc tej pierwszej na świecie elektrowni wykorzystującej siłę morskich pływów wynosi 240 MW [11].
Główne wady elektrowni pływowych to: zasalanie ujść rzek i negatywny wpływ na migrację ryb w górę rzeki. Z ekonomicznego punktu widzenia korzystny jest fakt, że elektrownie takie mogą być eksploatowane przed długi okres, około 100 lat.
2.2.2.4. Energia cieplna oceanu i różnic zasolenia
Od wielu lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem energii różnic temperatury i różnic zasolenia wód. Wykorzystanie energii cieplej oceanu opiera się na wykorzystaniu różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Na powierzchni milionów kilometrów kwadratowych oceanów temperatura powierzchniowych warstw wody nie spada poniżej 27,8?C, a na głębokości 600 m wynosi już tylko 1,7÷3,4?C. Na obszarach równikowych woda morska ma na powierzchni temperaturę około 30?C, a na głębokości 300÷500 m około 7?C. Wykorzystanie tej różnicy temperatury opiera się na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500 m. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.
Ilość energii, która może być uzyskana z tego źródła, szacuje się na 4?1014 kWh rocznie. Oznacza to, że różnice temperatury mogą dostarczyć około tysiąckrotnie więcej energii niż prądy morskie i prawie dwudziestokrotnie więcej niż fale. Dodatkowe zasoby energii kryją się w różnicach temperatur między wodą powierzchniową a powietrzem (na przykład arktycznym) albo między wodą denną a skałami dna oceanu. Pierwsza megawatowa instalacja doświadczalna powstała w Stanach Zjednoczonych w 1980 roku.
Przedmiotem zainteresowania specjalistów z wielu krajów, w tym japońskich, francuskich i izraelskich, od wielu lat są stawy słoneczne. Istotą stawu cieplnego jest występowanie warstw wody o różnym zasoleniu. Warstwa dolna, silniej zasolona, absorbująca promieniowanie słoneczne, jest akumulatorem energii cieplnej i osiąga temperaturę wyższą od warstwy powierzchniowej słabo zasolonej nawet o 90?C. Dolna warstwa, o znacznej gęstości, z trudem przewodzi ciepło ku górze. Ciepło tej warstwy za pomocą wymiennika ciepła może być wykorzystane do odparowania czynnika roboczego napędzającego turbinę i generator. Problem uzyskiwania energii użytkowej z różnic zasolenia jest nadal badany. Nieliczne są próby budowania instalacji przemysłowych. Bierze się przy tym pod uwagę możliwość wykorzystania:
- zjawisk osmotycznych, czyli różnicy ciśnień między roztworami o różnych stężeniach,
- zjawiska dializy, czyli różnic w przepuszczalności błon,
- potencjałów membranowych.
Najbardziej zaawansowane są próby wykorzystania zjawiska osmozy. Wtłaczając strumień 1 m3/s słodkiej wody do wody morskiej o zasoleniu 35%, można uzyskać 2 MW mocy.
2.2.3. Energia biomasy
Źródłem taniej i ekologicznej energii może być biomasa. Jest to sucha roślinność, na ogół słoma bądź drewno z roślin szybko rosnących, jak wierzba. Przy jej spalaniu emisja CO2 jest równa ilości tego związku, jaką pobrała roślina w czasie wzrostu, co w bilansie końcowym daje zero. Biomasa jako źródło energii przy racjonalnej gospodarce jest odnawialna (w przeciwieństwie do pokładów ropy czy gazu). Nie ma również problemu z utylizacją popiołu, będącego znakomitym nawozem.
Wartość kaloryczna biomasy jest prawie dwukrotnie niższa niż wartość kaloryczna węgla. Przyjmuje się, że 1 Mg węgla kamiennego jest równoważny energetycznie 2 Mg suchej biomasy. Przykładowe wartości opałowe biomasy są następujące: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg. Dla porównania wartość opałowa węgla kamiennego wynosi około 25 MJ/kg, gazu ziemnego 48 MJ/kg. Szacuje się, że w Polsce w samym tylko rolnictwie potencjał energetyczny niewykorzystanej biomasy wynosi 104 PJ/a, natomiast potencjał całkowity możliwej do zagospodarowania biomasy wynosi około 407,5 PJ (rolnictwo 195 PJ, leśnictwo 101 PJ, sadownictwo 57,6 PJ i przemysł drzewny 53,9 PJ) [12]. Paliwo to może być stosowane w systemach grzewczych, ale również do celów elektroenergetycznych po zamontowaniu turbiny i instalacji towarzyszącej, aby produkować prąd elektryczny.
2.2.4. Energia geotermalna
Olbrzymie zasoby energii geotermalnej są związane z wysoką temperaturą jądra Ziemi, utrzymującą się dzięki prądom konwekcyjnym w ciekłej strefie jądra zewnętrznego (grubość około 2080 km) mimo ciągłego odpływu ciepła. Możliwość eksploatacji tych zasobów energetycznych zależy od stanu techniki dla głębokości wierceń, przy czym minimalna głębokość wiercenia szybów jest uzależniona od minimalnej temperatury, przy której wykorzystanie ciepła można jeszcze uznać za opłacalne, oraz od gradientu geotermicznego, wynoszącego przeciętnie 30?C na kilometr głębokości. Stopień geotermiczny, czyli odległość w głąb Ziemi odpowiadająca wzrostowi temperatury o 1?C, wynosi w Europie średnio 33 m. Wielkość ta zależy głównie od przewodnictwa cieplnego skał, sposobu ich rozmieszczenia, nawodnienia i bliskości gorących źródeł. Istnieją obszary zwane hipertermicznymi, w których gradient geotermiczny przekracza 80?C na kilometr. Najczęściej wykorzystuje się zasoby hydrogeotermiczne w postaci pary wodnej lub wody gorących źródeł powierzchniowych i podziemnych o temperaturze 50-70?C.
Energia geotermalna występuje w formie ciepła we wnętrzu Ziemi. W modelu strefowym wnętrza Ziemi wyróżnia się 3 główne strefy: skorupę Ziemi, płaszcz Ziemi i jądro Ziemi. Zewnętrzna powłoka, skorupa ziemska, jest niejednorodna, sztywna i stosunkowo chłodna. Grubość skorupy na kontynentach wynosi 30-40 km, pod oceanami 10-20 km, a pod masywami górskimi (Alpy, Kaukaz) do 70 km. Na terenie Polski grubość skorupy zmienia się od 27 km do 47 km. Jako granicę płaszcza i jądra Ziemi przyjmuje się powierzchnię na głębokości 2900 km, na której obserwuje się gwałtowny spadek prędkości podłużnych fal sejsmicznych.
Jądro zewnętrzne ma charakter cieczy o temperaturze 4000÷4800?C i znacznej przewodności elektrycznej i cieplnej. Jądro wewnętrzne, o promieniu 1250 km, ma charakter ciała stałego o bardzo dużej sztywności i gęstości 12-13 g/cm3, gdzie ciśnienie, jak obliczono, wynosi 360 000 MPa [13].
Wykorzystanie ciepła geotermalnego wymaga nośnika do transportu ciepła z pewnej głębokości aż do powierzchni Ziemi. Transport ciepła odbywa się najpierw przez przewodnictwo, a następnie przez konwekcję za pomocą płynu geotermicznego jako nośnika. Tym płynem jest najczęściej woda deszczowa, która przenika do skorupy ziemskiej i ogrzewa się w kontakcie z gorącymi skałami do 300?C (przy wysokim ciśnieniu). W celu uzyskania gorącego płynu wierci się odpowiednie otwory po to, by wejść w rezerwuar ciepła (osadę gorących skał). O użyteczności płynu decyduje jego temperatura i ciśnienie.
Globalne wykorzystanie energii geotermalnej na świecie może być porównywalne z wykorzystaniem energii biomasy.
