Fizyka procesów przetwarzania energii (1) 2013

Fizyka procesów przetwarzania energii Źródła energii Przetwarzanie i produkcja energii użytkowej Oddziaływanie na środowisko Perspektywy uzyskiwania energii Nowy tytuł: Energia w środowisku

Definicja energii Kluczowe słowo tytułu wykładu: Energia Świat potrzebuje energii… The terms energy, power and work have a variety of meanings depending on the frame of reference of the observer Energia: skalarna wielkość fizyczna spełniająca ściśle prawo zachowania, służąca do ilościowego określenia różnych procesów i rodzajów oddziaływania. Zdolność wykonywania pracy

Energia pierwotna Substancje i zjawiska występujące w przyrodzie, które mogą być wykorzystane bezpośrednio lub pośrednio do wytworzenia energii użytkowej: Organiczne paliwa kopalne Energia geotermalna Ruda uranu, z której produkuje się paliwo jądrowe Promieniowanie słoneczne Inne źródła energii odnawialnej

Energia pierwotna Substancje (w skończonych ilościach) i zjawiska występujące w przyrodzie: (energia odnawialna i nieodnawialna) Organiczne paliwa kopalne Energia geotermalna Ruda uranu, z której produkuje się paliwo jądrowe Promieniowanie słoneczne Inne źródła energii odnawialnej

Energia finalna (użytkowa) Jest to energia dostarczana do użytkownika może to być energia pierwotna (gaz ziemny, węgiel kamienny, gorąca woda) lub energia przetworzona (elektryczna z węgla, benzyna z ropy naftowej, ciepła woda Energia elektryczna najwszechstronniejsza forma energii użytkowej

Jednostki energii Fizyka: 1J Świat atomu: 1eV 1eV = 1.6 *10-19 J Energetyka 1kWh 1kWh =1000W * 3600s = 3 600 000J Jednostki energii cieplnej (fizyka 1cal = 4.184J) Inne specyficzne jednostki

Jednostki mocy Moc – zdolność wykonywania pracy w określonym czasie (Energia / jednostka czasu) Fizyka: 1J/s = 1W (wat) Energetyka (też wat ale częściej używa się pochodnych jednostek: moc elektrownii 100 MW, moc żarówki 60W) Inne specyficzne jednostki mocy

Ile kosztuje energia elektryczna użytkownika energii Cennik: zużycie 1kWh kosztuje około 40 groszy (?) Przykład 1 – „herbata” – zagotowanie 1 litra wody Przykład 2 – „kąpiel” – wanna ciepłej wody Przykład 3 – „ jazda windą” – podnoszenie ciał na pewną wysokość Przykład 4 – „oświetlenie” – używanie lamp w mieszkaniu

Ile kosztuje energia elektryczna użytkownika energii – „herbata” Koszt zagotowanie 1l wody Q=m(tk-tp)cw Do zagotowania 1 litra wody o temperaturze 15oC potrzeba Q = 1000g * (100-15)C *1cal/g C = 85 000 cal = 357 000 J = 0.1 kWh Cennik: zużycie 1kWh kosztuje około 40 groszy Zagotowanie 1l wody kosztuje ok. 4 grosze

Ile kosztuje energia elektryczna użytkownika energii – „kąpiel w wannie” Koszt podgrzania wody od temperatury 15 do temperatury 40oC Objętość wody: 110*45*20 cm3 = 100l Q=m(tk-tp)cw Do zagrzania 100 litrów wody od temperatury 15oC do temperatury 40oC potrzeba: Q = 100 000g * (40-15)oC *1cal/goC = 2 500 000 cal = 10 500 000 J = 3 kWh Zagrzanie wody na kąpiel kosztuje około 1zł 20 groszy

Ile kosztuje energia elektryczna użytkownika energii – „oświetlenie mieszkania” Oświetlenie mieszkania (pokoju) przez 1 wieczór. 3 żarówki o mocy 75W świecą przez 6 godzin E = M * t E = 75W * 6h * 3 = 1350 Wh = 1,35 kWh Oświetlenie pokoju przez 1 wieczór kosztuje około 55 groszy

Ziemia w nocy

Ile kosztuje energia elektryczna używana do podnoszenia ciężarów Fizyka: E = mgh Energia potencjalna samochodu na podnośniku: 3000kg*g*2m = 60 000 J = 0.017 kWh Praktyka: E = M*t = 2*2.4kW*45s = 4.8*0.0125 kWh = 0.06 kWh Energia potrzebna do podniesienia samochodu przez podnośnik kosztuje około 2 grosze

Ile kosztuje energia elektryczna użytkownika energii Jak można wykorzystać 1kWh energii, która kosztuje obecnie około 40 groszy: Zagotowanie 10 razy czajnika (1litr) wody Oświetlenie mieszkania (3 żarówki) przez prawie cały wieczór Transport na 1 piętro (h=3m) ciężaru około 120 ton Zagotowanie 1litra (1kg) wody kosztuje tyle samo ile transport ciężaru 12 ton na 1 piętro. Kosztowne oświetlenie i ogrzewanie.

Energia zużywana w budynkach mieszkalnych w Polsce Ogrzewanie i wentylacja 71% Podgrzewanie wody 15% Gotowanie 7% Oświetlenie 2.5% Urządzenia elektryczne 4.5%

Źródła energii pierwotnej Hierarchia ważności: aktualne wykorzystywanie zasoby czyli perspektywy wykorzystania w przyszłości Uwaga: Wszystkie przedstawiane liczby wynikające ze statystycznych informacji należy traktować jako dane orientacyjne. Brak jest jednolitych danych statystycznych we wszystkich krajach. Poza tym dane statystyczne mówią o energii ze sprzedaży komercyjnej. Szacuje się, że poza statystyką pozostaje 12-15% całkowitego zużycia energii.

Źródła energii pierwotnej Zużycie energii komercyjnej: Źródło Zużycie [M toe] Procent (1999) (1989) Ropa naftowa 3 462 40.6% 39.7% Gaz ziemny 2 064 24.2% 22.3% Węgiel 2 129 24.9% 29.2% Energia jądrowa 651 7.6% 6.5% Hydroenergia 227 2.7% 2.3% Całkowite zużycie energii w sprzedaży komercyjnej Razem 8533 Mtoe (W 1989 roku 7782 Mtoe) Jednostka [toe] to 1 tona wzorcowej ropy naftowej (ton of oil equivalent) 1 toe = 42 GJ = 11.67 MWh

Źródła energii: aktualnie wykorzystywane i mogące być wykorzystane w przyszłości Kopalne paliwa organiczne: Ropa naftowa Węgiel kamienny i brunatny Gaz ziemny Łupki bitumiczne Energia jądrowa: Wykorzystanie zjawiska rozszczepienia jąder atomów Wykorzystanie syntezy termojądrowej Energia geotermalna (Rozpad radioaktywnych izotopów we wnętrzu Ziemi)

Odnawialne źródła energii: Źródła energii: aktualnie wykorzystywane i mogące być wykorzystane w przyszłości Odnawialne źródła energii: Biomasa Hydroenergia Energia wiatru Energia maremotoryczna (fale i prądy morskie) Energia maretermalna (ciepło oceanów) Bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej Energia geotermalna

Źródła energii: aktualnie wykorzystywane wykorzystane w przeszłości Drewno – wiek XIX Węgiel – 1 połowa XX wieku Paliwa ciekłe – 2 połowa XX wieku Źródła energii odnawialnej ? Proces zamiany jednego energii źródła na inne trwa dziesięciolecia

Kiedy pojawia się nowe źródło energii ? Dlaczego drewno zostało zastąpione przez węgiel? Większa wartość opałowa Lepsze własności eksploatacyjne Możliwość uzyskania wyższej temperatury (hutnictwo) Słaba podaż drewna Nowe źródła energii wprowadzane w XX wieku: Nowe potrzeby – motoryzacja wymaga źródeł płynnych Łatwość produkcji energii elektrycznej z energii wodnej Łatwa eksploatacja elektrownii jądrowych Konkurencyjne ceny energii Odnawialne źródła energii nie są konkurencyjne dla obecnie wykorzystywanych źródeł: Energia ze źródeł odnawialnych jest droższa Myślenie o przyszłości Troska o środowisko Metody administracyjne propagowania źródeł energii. Polityka światowa i polityka poszczególnych krajów

Polityka energetyczna Tania energia daje przewagę ekonomiczną krajowi (sukcesy gospodarcze USA w XX wieku przypisuje się taniej energii) Cena energii – dostęp do źródła energii, koszt uzyskania i polityka podatkowa państwa Konkurencja państw (?) – wyrównywanie podatków w górę Inicjatywy międzynarodowe pod hasłami ochrony środowiska – pakiet klimatyczny Lobbing producentów energii – przykład gazu łupkowego Zachowanie społeczności lokalnych

Ziemia w nocy

Biomasa Biomasa to drewno opałowe, słoma, nasiona i inne części roślin a także resztki zwierzęce i odpadki komunalne. Wartość opałowa: Słoma żółta 14,3 MJ/kg Słoma szara 15,2 MJ/kg Drewno opałowe 13,0 MJ/kg Trzcina 14,5 MJ/kg (Węgiel 29,3 MJ/kg – jeden kilogram wysuszonej biomasy jest równoważny około 0,5 kg węgla )

Biomasa Tworzenie się biomasy to naturalny (realizowany w przyrodzie) sposób magazynowania energii słonecznej. W procesie tym rośliny pobierają z atmosfery CO2, który podczas spalania biomasy wraca do atmosfery. Dlatego przyjmuje się, że stosowanie biomasy nie przysparza atmosferze dodatkowego dwutlenku węgla

Biomasa Zastosowanie biomasy: Bezpośrednie spalanie (podnosi się argument, że jest to wprowadzanie do atmosfery dwutlenku węgla, który pochodzi z atmosfery. Proces ten nie zwiększa koncentracji dwutlenku węgla bo to nie jest spalanie węgla odłożonego przed milionami lat. Jednak wydajność procesu spalania w palenisku jest mała stąd spalanie w specjalnych kotłowniach) Przetwarzanie na paliwo płynne lub gazowe (aby ułatwić transport energii z miejsca wytworzenia biomasy do miejsca wykorzystania energii finalnej.)

Technologie wykorzystania biomasy Sposoby wykorzystania biomasy do wytwarzania energii: Spalanie Gazyfikacja Pyroliza Kogeneracja Procesy biochemiczne

Technologie wykorzystania biomasy - spalanie Spalanie wykorzystywane jest do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Spalanie odbywa się przy użyciu specjalnych kotłów. Efektywne i przyjazne dla środowiska spalanie powinno odbyć się w 3 fazach: Suszenie i odgazowanie materiału drzewnego (kawałki drewna, zrębki, trociny, słoma….) Spalanie gazu drzewnego w temperaturze 1200oC Dopalanie gazu i oddawanie ciepła w wymienniku Wysoka temperatura, dostęp tlenu i długi czas spalania powodują stosunkowo niską emisję CO, węglowodorów i węglowodorów aromatycznych

Technologie wykorzystania biomasy - spalanie Specyfika spalania biomasy: Nielotne związki węgla stanowią: Ok. 20% masy drewna 45-60% masy węgla brunatnego 60-80% masy węgla kamiennego Ponad 95% masy koksu Kocioł do spalania drewna (biomasy) musi zapewnić warunki do efektywnego spalania lotnych produktów rozpadu termicznego drewna. Niezupełne spalanie powoduje zwiększoną emisję szkodliwych substancji do atmosfery i pogarsza sprawność procesu spalania. Do spalania słomy stosuje się jeszcze inne specjalne kotły bo słoma daje mało energii na jednostkę objętości (spalanie całych lub rozdrobnionych bel słomy).

Urządzenia do spalania biomasy Przykłady kotłów dla indywidualnych gospodarstw rolniczych Przykłady większych kotłownii (Trzcianka k. Wałcza – kotłownia spalająca wierzbę z własnej plantacji, Borne Sulinowo – kotłownia miejska spalająca zrębki drewna)

Biomasa Koszt ogrzewania przy uzyciu biomasy: Biomasa jest tanim źródłem energii cieplnej, jeśli jest używana na miejscu, bez konieczności transportu

Technologie wykorzystania biomasy - gazyfikacja Gazyfikacja biomasy to proces przetwarzania biopaliw stałych w gaz, który poprzedza późniejsze spalanie w kotłach Proces gazyfikacji przebiega dwustopniowo: W komorze z niedoborem powietrza, w temperaturze 450-800oC paliwo zostaje odgazowane. W wyniku powstaje gaz palny i mineralna pozostałość (wegiel drzewny) W drugim etapie w komorze dopalania w temperaturze około 1200oC w obecności nadmiaru tlenu spala się powstały gaz Zaletą takiej technologii gazyfikacji jest wysoka efektywność około 35%. Kotły do jednostopniowego spalania biomasy mają efektywność 15-20%.

Technologie wykorzystania biomasy - pyroliza Pyroliza biomasy to proces rozszczepienia cząstek związków chemicznych o dużej masie cząsteczkowej na cząsteczki mniejsze. Prowadzony jest w temperaturze 600oC bez dostępu powietrza. Produktem jest ciekłe biopaliwo zwane olejem pyrolitycznym będącym mieszaniną utlenionych węglowodorów. Zaletą jest późniejsza łatwość transportu tego ciekłego produktu. Technologia produkcji oleju jest ciągle w stadium badań. Produktem wyjściowym jest na ogół drewno. W wyniku pyrolizy powstaje: Produkt ciekły – olej pyrolityczny (do 75%) Produkt stały – wegiel drzewny (ok..12%) Mieszanina gazów palnych (ok.. 13%) Technologia pyrolizy może być pierwszym etapem przeróbki biomasy. Kolejne etapy to gazyfikacja i spalanie.

Technologie wykorzystania biomasy – procesy biochemiczne Niektóre formy biomasy zawierają zbyt dużo wody by można je skutecanie spalać. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest możliwe dzięki procesom biochemicznym Fermentacja alkoholowa – proces rozkładu węglowodanów zachodzący po dodaniu drożdży bez dostępu tlenu. Surowce do fermentacji to: zboża, winigrona, ziemniaki, buraki cukrowe. Produktem jest alkohol Estryfikacja oleju – przemiana oleju zawartego w roślinach (rzepak, soja, gorczyca) w estry metylowe. Powstaje biodiesel. Fermentacja metanowa – proces rozkładu wielkocząsteczkowych substancji organicznych (białka, tłuszcze…) do alkoholi, kwasów organicznych, metanu. Produktem jest biogaz (metan i CO2). Wykorzystuje się odchody zwierzęce, odpady komunalne i odpady przemysłu spożywczego

Produkcja biogazu i etanolu w Europie Produkcja biogazu etanolu

Produkcja energii elektrycznej z biomasy w Europie

Ile energii biomasy zużywa ludzkość w postaci żywności Normalna dieta dzienna człowieka to 2400 kcal 2400 kcal równoważne jest energii około 10 000 000 J Na Ziemi żyje około 6 mld ludzi Zapotrzebowanie roczne na energię w postaci żywności wynosi: 10 MJ * 6 109 * 365 dni = 2.2 * 1019 J Energia biomasy, która zapewniałaby żywność dla 6 mld ludności świata, powinna wynosić rocznie 2.2 * 10 19 J czyli 520 Mtoe. Energia biomasy przeznaczanej na żywność stanowi około 6% energii zużywanej obecnie przez ludzi na wszystkie inne potrzeby