docEnergia jest podstawową cechą materii. Energia to podstawowa
download 
Reklamacja Transkrypt
Energia jest podstawową cechą materii. Energia to podstawowa
ENERGETYKA I EKOLOGIA Energia jest podstawową cechą materii. Energia to podstawowa wielkość fizyczna, opisująca potencjalną zdolność danego ciała materialnego do wykonania określonej pracy Energia (z greckiego ενεργός, energos, "aktywność, działanie" Ekologia - nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody, zajmująca się badaniem oddziaływań pomiędzy organizmami, a ich środowiskiem. Ekologia (z greckiego οίκοσ + λογοσ oikos + logos = dom + nauka) 0 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Gospodarka Energetyczna Dział Nauki zajmujący się problemami racjonalnego pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii oraz planowania zapotrzebowania na energię w przyszłości. Podstawowe definicje i jednostki w energetyce Energia użytkowa – energia potrzebna człowiekowi do podtrzymywania życia i rozwijania aktywności; wyróżnia się następujące postacie energii użytkowej: ü praca mechaniczna ü ciepło ü światło ü dźwięk ü energia chemiczna żywności i paszy ü energia chemiczna materiałów (surowce energetyczne i paliwa przetworzone). Energia pierwotna – energia czerpana z przyrody w postaci odnawialnej i nieodnawialnej. Energia nieodnawialna – energia chemiczna paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz energia paliw rozszczepialnych. Energia odnawialna – energia słoneczna, energia wód, energia geotermiczna, energia wiatru, energia maremotoryczna i maretermiczna, energia biomasy. 1 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Praca: A = P * t [J] Energia charakteryzuje stan ciała pod względem jego zdolności do wykonania pracy 1J=1W⋅1s 1kWh=1000W⋅3600s=3,6MJ A P= [W] t moc: Tablica 1. Wielokrotności jednostek exa peta tera giga mega kilo hekto deka E P T G M k h d 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 2 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Wartość opałowa – ilość energii, jaką można praktycznie uzyskać przy spalaniu paliw. Paliwo umowne – wysokowartościowy węgiel o wartości opałowej 29.3GJ/t tp.u. – tona paliwa umownego to.e – tona oleju ekwiwalentnego 1 tp.u.=29,3076 GJ=8,141 MWh=0,7 to.e. 1 to.e.=41.86 GJ=11,6278 MWh=1,4286 tp.u. Strata energii – jest to różnica między energią doprowadzoną A1 a energią oddawaną A2. ∆A = A1 – A2 Sprawność pracy - A2 ηA = A1 Sprawność mocy - ηP = P2 P1 Sprawność mocy jest wielkością charakterystyczną dla danego urządzenia. 3 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA η 1,0 Wielka prądnica w elektrowni Wielki kocioł parowy Duży silnik elektryczny 0,9 0,8 0,7 0,6 Kotłownia c.o. opalana gazem ziemnym Akumulator samochodowy Mały silnik elektryczny Kotłownia c.o. opalana węglem 0,5 Piec węglowy indywidualny Największa sprawność elektrowni cieplnej 0,4 Silnik wysokoprężny (Diesel) Średnia sprawność elektrowni w Polsce 0,3 Silnik gaźnikowy (Otto) 0,2 0,1 Świetlówka Lokomotywa parowa Żarówka oświetleniowa 0 Rys. 1. Sprawności urządzeń energetycznych 4 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA 10 36 [J] 10 33 10 30 10 27 10 24 21 10 1EJ=10 1PJ=10 Energia wypromieniowana przez Słońce w ciągu doby 3*10 J Energia słoneczna kierowana na Ziemię w ciągu doby 1,49*10 J Zużycie energii pierwotnej na świecie w 1978r. 2,86*10 J Zużycie energii pierwotnej w Polsce w 1983r. 4,9*10 J 32 22 20 18 18 15 12 1TJ=10 1GJ=10 1MJ=10 1kJ=10 9 6 3 1J *100 1t paliwa umownego 2,93*10 J Roczna ilość energii w żywności na 1. osobę 4*10 J 10 9 6 1 kilowatogodzina 3,6*10 J 1 kaloria 4,184 J 1 dżul = 1W * 1s 1J Rys. 2. Wartości energii spotykane w świecie 5 Instytut Maszyn Cieplnych ~880 USA ENERGETYKA I EKOLOGIA 1000 2 3 Prymitywne rolnictwo z użyciem siły zwierząt 700 300 200 100 0 Myśliwy, początki używania ognia 400 Człowiek prymitywny, bez użycia ognia MJ/M*24h 600 500 8 ~1 mln Rolnictwo, początek używania siły wiatru i wody 800 17 17 17 12 8 ~100 000 4 ~5 000 1400r. 242 ~510 RFN 1 ~430 Polska 900 343 100 48 170 218 251 200 4 29 50 25 131 33 1980r. 44 40 1980r. 1980r. p.n.e Rys. 3. Dobowe zapotrzebowanie na energię 1 - żywność i pasze 2 - gospodarstwa domowe 3 - przemysł i rolnictwo 4 - transport 6 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Źródła energii i jej podstawowe przemiany Rezerwy i zasoby energii pierwotnej Źródła energii pierwotnej a) paliwa pierwotne ü węgiel kamienny ü węgiel brunatny ü ropa naftowa ü gaz ziemny b) paliwa jądrowe (materiały rozszczepialne) c) woda d) wiatr e) gorące skały i woda z zewnątrz Ziemi f) inne. Obecnie ciągle jeszcze zasadniczym rodzajem wykorzystywanej energii jest energia chemiczna paliw pierwotnych. Zasoby – to całkowita ilość danego surowca w skorupie ziemskiej. Zasoby dzielą się na: - zasoby udokumentowane i rozpoznane, jako możliwe do pozyskania w przyszłości przy obecnych i przewidywanych warunkach technicznych i ekonomicznych. - zasoby dodatkowe, wstępnie rozpoznane na podstawie informacji geologicznych, jako możliwe do eksploatacji w przyszłości. Rezerwy – to część zasobów udokumentowanych nadających się do eksploatacji w obecnych warunkach technicznych i ekonomicznych (nadające się aktualnie do ekonomicznej eksploatacji). 7 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Tablica 2. Światowe rezerwy i zasoby energii pierwotnej. Stan na koniec 2001r.1 Źródła energii 1. Paliwa kopalne - ropa naftowa - gaz ziemny - węgiel 2. Energia jądrowa Rezerwy Zasoby udokumentowane szacunkowe ilość ilość lat *) ilość lat *) ilość lat **) Gtoe 778 143 41 125 ∼200 138 64 210 ∼400 506 251 360 ∼700 55 82 ∼300 >10 000 (19. Kongres Światowej Rady Energetycznej, 05-09.09.2004r.) 1 ) Ilość lat przy obecnym zużyciu 2 ) Ilość lat z uwzględnieniem dotychczasowego tempa wzrostu prognozowanego zużycia. Dla energii jądrowej teoretyczna ilość lat w przypadku zastosowania reaktorów powielających Wg szacunków autorów w/w raportu, w stosunku do rezerw zasoby: ü węgla są większe półtora do trzech razy ü ropy naftowej trzykrotnie do pięciu razy ü gazu ziemnego trzy i pół do sześciu razy Paliwa pierwotne, paliwa rozszczepialne – zasoby stopniowo wyczerpujące się stanowią tzw. nieodnawialne źródła energii. Energia słoneczna, energia wód, energia mórz, energia wiatru, itd. – zasoby praktycznie nie wyczerpują się stanowią tzw. odnawialne źródła energii). 1 Word Energy Assesment - Owerview 2004 Update UN Development Programme, World Energy Council 8 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Szacowane wielkości rezerw i zasobów poszczególnych paliw pierwotnych Węgiel kamienny Tablica3 Światowe rezerwy w złożach do głębokości 1500m Światowe zasoby w złożach do głębokości 2000m 481 mld tp.u. 7 728 mld tp.u. Rezerwy w Polsce w złożach do głębokości 1000m 12 mld tp.u. Zasoby w Polsce 121 mld tp.u. w złożach do głębokości 2000m Węgiel brunatny Tablica 4 Światowe rezerwy w złożach do głębokości 600m Światowe zasoby w złożach do głębokości 1500m 144 mld tp.u. 2 394 mld tp.u. Rezerwy w Polsce w złożach do głębokości 1000m Zasoby w Polsce 0,5 mld tp.u. w złożach do głębokości 2000m 5 mld tp.u. Ropa naftowa Tablica 5 Światowe rezerwy średnia wartość opałowa 159 mld tp.u. Światowe zasoby 42,3 GJ/t 432 mld tp.u. Najwięksi wydobywcy: Środkowy Wschód, Afryka Płn. WNP, Chiny Gaz ziemny Światowe rezerwy Światowe zasoby Największe złoża Rezerwy w Polsce Tablica 6 przeliczeniowa wartość opałowa 751,1 MJ/nm3 104 mld tp.u. 269 mld tp.u. Bliski Wschód, WNP 0,15 mld tp.u. Gaz ziemny wysokometanowy (93-95% CH4) – Podkarpacie wartość opałowa ok. 33,5 MJ/nm3 Gaz ziemny zaazotowany (30-45% N2) – Niż środkowo-Polski i Pomorze Zachodnie, wartość opałowa ok. 19 MJ/nm3 9 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Energia wód Tablica 7 Światowe rezerwy 1000 mld MWh Światowe zasoby 1000 mld MWh Wykorzystanie światowych rezerw ~30% Wykorzystanie krajowych rezerw ~15% Największe możliwości budowy elektrowni wodnych Ameryka Płd. Kanada, Syberia, Afryka Paliwa jądrowe Tablica 8 Światowe rezerwy uranu Rudy o zawartości powyżej 0,02% U Światowe zasoby uranu Rudy o zawartości powyżej 0,005-0,02% U oraz łupki bitumiczne o zawartości 0,01-0,03% U Największe zasoby rudy uranu Tor Rosja, USA, RPA, Australia, Kanada, Niger, Francja Głównym źródłem Toru jest monacyt (zawiera 3-9% Th) wspólnie z pierwiastkami ziem rzadkich (Tor otrzymywany jest jako produkt uboczny) Największe zasoby monacytu Rosja, Indie 10 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA a) Udział poszczególnych krajów w światowych rezerwach węgla kamiennego i brunatnego Niemcy Pozostałe kraje 7% 8% Indie 9% USA 23% USA Rosja Chiny Australia Indie Australia 12% Rosja 25% Chiny 16% b) Niemcy Pozostałe kraje Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach ropy naftowej Azja 5,9% Ameryka Płd. 8,3% Ameryka Płn. 8,0% Europa 6,6% Europa Środkowy Wschód Oceania Afryka 7,0% Afryka Ameryka Płn. Oceania 0,3% Środkowy Wschód 63,9% Ameryka Płd. Azja c) Udział poszczególnych kontynentów w światowych rezerwach gazu Ametryka Płd. 4,0% Ameryka Płn. 6,2% Azja 10,9% Europa 36,9% Europa Środkowy Wschód Oceania Afryka 6,8% Afryka Oceania 1,1% Ametryka Płd. Ameryka Płn. Środkowy Wschód 34,1% Azja Rys. 4. Rozłożenie surowców energetycznych na kuli ziemskiej 11 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Racjonalizacja użytkowania energii „Racjonalizm w potocznym znaczeniu to postawa polegająca na porządkowaniu i poddawaniu logicznej krytyce docierających do nas wiadomości i odrzucanie tych, które nie pasują do wcześniej przyjętych ogólnych założeń.” Wikipedia Ograniczona dostępność paliw pierwotnych wywołuje konieczność racjonalnego gospodarowania nimi, a także poszukiwania nowych źródeł energii. - Racjonalizacja strukturalna polega na zmniejszeniu udziału produkcji energochłonnej w gospodarce narodowej i zwiększeniu produkcji o niskiej energochłonności skumulowanej. - Racjonalizacja techniczna obejmuje zmiany w technologii, poprawę sprawności energetycznych urządzeń, zmniejszenie strat ciepła i wykorzystanie energii odpadowej. - Racjonalizacja organizacyjna dotyczy poprawy organizacji i eksploatacji urządzeń energetycznych i energotechnologicznych oraz poprawy organizacji przewozów. 12 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Użytkowanie energii Wg Elektroenergetyka Polska 2005 Jan Popczyk Elektroenergetyka nr 7 2005 Rys. 5. Rozwój systemów zaopatrzenia świata w energię 13 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Światowe zużycie energii pierwotnej w 2001 r. wyniosło 10 mld to.e. (przez 6.1 mld mieszkańców globu ziemskiego). Strukturę zużycia energii pierwotnej przedstawiono w tabeli Tablica 9 Udział procentowy Pochodzenie energii Ropa naftowa 35,1 Węgiel 22,6 Gaz ziemny 21,7 Jądrowa i odnawialne 20,6 i na rysunku Światowe zużycie energii pierwotnej Jądrowa i odnawialne 20,60% Ropa naftowa 35,10% Ropa naftowa Gaz ziemny 21,70% Węgiel Węgiel 22,60% Gaz ziemny Jądrowa i odnawialne Rys. 6 Udział poszczególnych rodzajów paliw w energii pierwotnej 14 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Zużycie energii w poszczególnych regionach geograficznych jest bardzo nierównomierne Rozwinięte kraje OECD zamieszkałe przez 1/6 ludności świata zużywają prawie 60% energii pierwotnej i 63% energii elektrycznej. Kraje rozwijające się zamieszkałe przez 5/6 światowej populacji zużywają około 40% energii pierwotnej i 37% energii elektrycznej. Zużycie energii przez mieszkańców w krajach najbiedniejszych jest kilkadziesiąt razy niższe niż w krajach wysokorozwiniętych. Tabela 10. Zużycie energii pierwotnej i elektrycznej w wybranych krajach świata w 2000 r. Kraje Energia pierwotna to.e. /osobę Energia elektryczna kWh/osobę USA 8,35 13 843 Australia 5,75 10 052 Kanada 8,16 16 967 Polska 2,33 3 224 Etiopia 0,29 24 Sudan 0,52 67 Bangladesz 0,14 102 Senegal 0,32 129 Jeden pasażer podczas lotu Europa USA „produkuje” 2,5 t CO2 tyle samo „produkuje” w ciągu roku 1 Hindus na własne potrzeby. 15 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA energia pierwotna przesyłanie lub przetwarzanie ostateczne w odbiornikach energetycznych wtórne nośniki energii przetwarzanie energii na postacie pochodne energia użyteczna Rys. 7 Schemat przemian energii Energia pierwotna Ogrzewanie pomieszczeń 30% Inne cele nieprodukcyjne 10% Transport 10% Przemysł, rolnictwo, budownictwo 50% Rys. 8. Cele użytkowania energii pierwotnej 16 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Zużycie paliw pierwotnych Bezpośrednio w odbiornikach energetycznych Surowce przemysłowe Przetworzone w: - elektrowniach - elektrociepłowniach - ciepłowniach - koksowniach - gazowniach - rafineriach na wtórne nośniki energii: Przetworzone w: - energię elektryczną - ciepło grzejne - koks - gazy opałowe - produkty przerobu ropy naftowej zasilają odbiorniki energetyczne, źródła światła, siły, ciepła i zimna Rys. 9. Sposoby „zużywania” energii pierwotnej 17 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Rys. 10S. Schemat przemian energii Bioenergia 18 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Legenda do rys. 10S • • • • • • • • EA - elektrownia jadrowa EWa - elektrownia wiatrowa EWd – elektrownia wodna EK - elektrownia kondensacyjna EC – elektrociepłownia C- ciepłownia Ch – zakład karbochemii G – gazownia • • • • • • • • K- koksownia R – rafineria PS – przemysł spożywczy a – produkcja elementów paliwowych b – suszenie c – brykietowanie d - wzbogacanie e - odazotowywanie 19 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Bioenergia 20 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Rys. 10B Schemat przemian energii 21 Instytut Maszyn Cieplnych ENERGETYKA I EKOLOGIA Legenda do rys. 10B • • • • • • • • • • • • • • • • EA - elektrownia jądrowa EWa - elektrownia wiatrowa EWd – elektrownia wodna EK - elektrownia kondensacyjna EC – elektrociepłownia C- ciepłownia Ch – zakład karbochemii G – gazownia K- koksownia R – rafineria PS – przemysł spożywczy a – produkcja elementów paliwowych b – suszenie c – brykietowanie d - wzbogacanie e - odazotowywanie 22 Instytut Maszyn Cieplnych
