Grupa chemiczna ZS Warzyce

 W przeprowadzonych przez nas rozważaniach będziemy posługiwać się pojęciem sprawności.  Sprawność –bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci, stosunek wartości wielkości wydawanej przez układ do wartości tej samej wielkości dostarczanej do tego samego układu.  Można to zapisać następująco:  gdzie: η - sprawność, E u - energia użyteczna, E d - energia dostarczona.

 Głównym źródłem energii na naszej planecie jest Słońce. Docierająca energia od Słońca stanowi 99% całej energii, jaka dociera do powierzchni Ziemi. Pozostały 1% to energia pochodząca z wnętrza naszej planety, a także energia naturalnych pływów morskich wynikających z ruchu Księżyca wokół Ziemi.

 Węgiel kamienny, brunatny, ropa naftowa i gaz ziemny są najczęściej stosowanymi paliwami kopalnymi.  Pochodzą również z energii słonecznej ponieważ powstały z obumarłych szczątków roślin i zwierząt, które zawdzięczały swój rozwój substancjom otrzymanym w wyniku fotosyntezy.

 Najczęściej spotykanym sposobem wykorzystania paliw kopalnych jest otrzymywanie energii elektrycznej w wyniku spalania tych paliw w zakładach zwanych elektrowniami.  Najczęściej wykorzystywanymi w elektrowniach paliwami są węgiel kamienny i brunatny. W Stanach Zjednoczonych popularne są elektrownie gazowe, zasilane gazem ziemnym.

Elektrownia węglowa jest elektrownią parową, w której głównymi podzespołami biorącymi udział w konwersji energii są: - kocioł parowy, - turbina parowa kondensacyjna, - generator - skraplacz, - pompa zasilająca. Energia elektryczna w elektrowni węglowej wytwarzana jest przez duże prądnice zwane generatorami. Generator napędzany jest przez turbinę parową. Parę natomiast wytwarza się w kotłach. Wytworzona w kotle para znajduje się pod wysokim ciśnieniem. Wysokociśnieniowa para trafia do turbiny parowej i napędza jej łopatki. Prąd uzyskany w generatorze kierowany jest do transformatorów, które podwyższają jego napięcie i przesyłany dalej przewodami wysokiego napięcia.

 Zanieczyszczenia powietrza wynikające z emisji gazów spalinowych oraz pyłów.  Hałas towarzyszący pracy elektrowni, szczególnie wentylatorów chłodzących i transformatorów.  Podnoszenie temperatury wody w naturalnych zbiornikach wodnych, które często wykorzystywane są jako część obiegu chłodzącego elektrowni.

 Na Politechnice Krakowskiej wykonaliśmy doświadczenie pozwalające poznać produkty spalania benzyny.  Do parowniczki wlaliśmy ok.4 cm 3 benzyny. Nad parowniczką zawieszono lejek połączony z rurką wypełnioną watą szklaną. Rurkę połączyliśmy z trzema płuczkami zawierającymi następujące roztwory:  I płuczka - AgNO 3 -roztwór amoniakalny,  II płuczka - KMnO 4,  III płuczka -wodę wapienna,  Ogrzewaliśmy benzynę aż do zapalenia się, następnie włączyliśmy pompkę wodną. Produkty spalania benzyny były wciągane do poszczególnych płuczek.

 * w pierwszej płuczce obserwujemy wytrącanie ciemnego osadu, w amoniakalnym roztworze azotanu (V) srebra utworzył się kompleks [Ag(NH3)2]+, pod wpływem tlenku węgla (II) ulega on rozkładowi a następnie tlenek reaguje z jonami srebra, redukując je. Z roztworu wytrąca się srebro (ciemny osad).  2Ag + +2OH - + CO → 2Ag↓ +H 2 O +CO 2  * w drugiej płuczce roztwór przybiera barwę brunatną, w roztworze manganianu (VII) potasu zachodzi reakcja z jonami siarczanowymi (IV), utworzonymi w reakcji tlenku siarki (II) z wodą. Roztwór zabarwił się na brunatno pod wpływem utworzonego tlenku manganu (IV). Doświadczenie potwierdza obecność tlenku siarki (II) w produktach spalania benzyny.  2MnO SO H 2 O → 2MnO 2 + 3SO OH -  * w trzeciej płuczce woda wapienna zmętniała pod wpływem tlenku węgla (IV).  CO 2 + Ca OH - → CaCO 3 ↓ + H 2 O

W węglu kamiennym można zauważyć substancję o kolorze złotym. Jest to piryt, czyli krystaliczna forma siarczku żelaza. Podczas spalania węgla siarka reaguje z tlenem i przedostaje się do atmosfery jako tlenek siarki (IV). S + O 2 = SO 2 Reaguje on z wodą zawartą w atmosferze, co prowadzi do kwaśnych deszczy. SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3

 Spalamy siarkę w kolbie zawierającej pewną ilość wody: S + O 2 = SO 2  Mierzymy pH wody w kolbie.  Stwierdzamy kwaśny odczyn, czyli otrzymaliśmy kwas zgodnie z równaniem reakcji: SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3

Tona węgla kosztuje 690 zł. Ciepło spalania węgla wynosi 29,3 MJ/kg. Sprawność elektrowni węglowej wynosi ok. 60%. Oblicz koszt otrzymania 1 kWh energii w elektrowni węglowej. 1 kWh = 1000 W * 3600 s = J = 3,6 MJ m = 1000 kg c s = 29,3 MJ/kg Obliczamy ilość energii otrzymanej ze spalenia 1 tony węgla E = c s * m = MJ Ilość energii elektrycznej stanowi 60% energii pozyskanej ze spalenia 1 tony węgla E el = 60% * E = MJ = 4883,3 kWh Dzieląc cenę tony węgla przez ilość uzyskanych kWh otrzymujemy cenę uzyskania 1 kWh. 690 zł : 4883,3 kWh = 0,14 zł/kWh

Spalanie biomasy to najstarszy i najbardziej typowy sposób jej wykorzystania. Niestety, jak w każdym procesie spalania, towarzyszy mu emisja zanieczyszczeń pyłowo-gazowych. Dlatego konieczne jest stosowanie odpowiednio przystosowanych urządzeń aby dzięki zapewnienie odpowiednich warunków spalania zmniejszać uciążliwość na środowisko tego procesu.

 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 atm. Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000 gospodarstw i pozwoli na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie.

 Elektrownia wykorzystująca do produkcji prądu półprzewodnikowe ogniwa fotoelektryczne.  Największą przeszkodą w budowie takich elektrowni jest wysoki koszt fotoogniw oraz to, że zajmują bardzo dużą powierzchnię.

W naszych warunkach klimatycznych kolektor słoneczny może jedynie wspomagać ogrzewanie naszych domów. Energia słoneczna ogrzewa płyn (najczęściej glikol etylenowy) zawarty w rurkach kolektora. Ruch płynu wymuszany jest przez pompę. Ciepło odebrane od kolektora przekazywane jest do wymiennika ciepła i służy do ogrzewania wody do celów grzewczych. Pomijając koszty budowy kolektora, jedynym kosztem jego działania jest cena energii elektrycznej wymuszającej przepływ płynu w instalacji kolektora.

 Określ średnioroczny koszt uzyskania 1kWh ciepła za pomocą kolektorów słonecznych. Do obliczeń przyjmij następujące dane: - 3 kolektory o powierzchni 1,8 m2 każdy, - sprawność kolektorów 75%, Napromieniowanie roczne w miejscu zainstalowania kolektorów 900 kWh/(m2 * rok). Usłonecznienie w miejscu zainstalowania kolektorów wynosi 1800 godzin. Pompa obiegowa pobiera moc 50W i pracuje 1600 godzin. Koszt 1kWh to 0,41zł.  Obliczamy przez jaką część roku kolektory pobierają energię słoneczną 1 rok = 8760 h 1800 h : 8760 h = 0,21 roku Ilość energii uzyskana w kolektorze: 3 *1,8 m2 * 900 kWh/(m2 * rok) * 0,21 roku * 75% = 765,45 kWh Obliczamy ilość energii zużytej przez pompę kolektora 50 W * 1600 h = 80 kWh Koszt pracy kolektora: 80 kWh * 0,41 zł/kWh = 32,80 zł Koszt 1 kWh uzyskanej w kolektorze słonecznym: 32,80 zł : 765,45 kWh = 0,04 zł

 Ilość zużywanej energii jest miarą rozwoju cywilizacyjnego danej populacji. Jednak z rosnącym zapotrzebowaniem na energię pojawiają się problemy negatywnych skutków jej otrzymywania.  Niekonwencjonalne źródła energii nie mają tyle negatywnych skutków, co tradycyjne. Koszty korzystania z odnawialnych źródeł są obecnie bardzo duże, tak więc jeszcze długo jesteśmy skazani na paliwa konwencjonalne.  Konieczność ochrony środowiska sprawia, że dostępne są coraz nowsze technologie nie wpływające tak negatywnie na przyrodę jak obecnie używane.

 Grupa chemiczna ZS Warzyce