Sawa Józef

ZARZĄDZANIE ŚRODOWISKIEM I EKOLOGIĄ

    Energia wód
   Od at stosowane są sposoby pozyskiwania energii nagromadzonej w naturalnych zbiornikach wodnych. W tym celu budowane są tzw. turbiny wodne (dawniej koła młyńskie), w których wykorzystuje się energię przepływu wody ze specjalnie spiętrzonych zbiorników wodnych, przepływy prądów morskich, odpływy/przypłyvw w morzach i oceanach. Aktualnie turbiny wodne sprzęgane są z generatorem prądu, a wytworzona energia elektryczna odprowadzana jest do konsumentów.
   Zbiorniki wody wykorzystywane są również do magazynowania energii (nadmiarowej w danym momencie). Dwa zbiorniki (dolny i górny) są elementami składowymi elektrowni wodnych szczytowo-pompowych. Tego typu elektrownia działa na zasadzie zamiany energii elektrycznej w energię potencjalną wody, następnie energii potencjalnej w kinetyczną, która napędza turbinę wodną współpracującą z generatorem prądu. Zbiorniki wodne należy odpowiednio ukształtować, a zbiornik górny dodatkowo wyposażyć w specjalne tamy.

Energia wiatru
Technika wiatrakowa dawniej stosowana do zasilania młynów i odwadniania depresji w Niderlandach obecnie znajduje zastosowanie do wytwarzania prądu elektrycznego. Specjalnie skonstruowane siłownie wiatrowe (wiatraki) są sprzężone z generatorami prądotwórczymi wytwarzającymi prąd o napięciu około 400 V. Źródła te należą do źródeł o zmiennej stabilności czasowej — ilość wytwarzanej w nich energii elektrycznej zależy od warunków atmosferycznych. Stąd dla zapewnienia potrzeb w zakresie energii elektrycznej praca wiatraków powinna być wspierana przez inne stabilne w czasie źródła energii lub siłownie wiatrowe powinny być sprzężone z odpowiednimi magazynami energii.
    Szczegóły technologiczne, inwestycyjne, eksploatacyjne i w fazie poużytkowej siłowni wiatrowych są często bagatelizowane i krótkowzroczne. Przykładowo nie opracowano sposobu utylizacji materiału konstrukcyjnego skrzydeł (włókno szklane zespojone syntetycznymi żywicami) wycofanych z eksploatacji. Problem utylizacji dotyczy też wysokiej wieży konstrukcyjnej wykonanej z żelbetu. Wskazuje się kierunek wykorzystania jej do produkcji kruszywa drogowego. Trwałość takich instalacji szacowana jest na 20-30 lat, a zatem problemy związane z utylizacją siłowni wiatrowych będą obciążać przyszłe pokolenia.

Fotowoltaika
    Znaczny rozwój ogniw fotowoltaicznych wykorzystujących półprzewodniki (najczęściej krzem, german, selen) pozwolił na konstruowanie dużych ilości odpowiednich układów takich ogniw. Połączone szeregowo lub równolegle ogniwa tworzą panele fotowoltaiczne. Są one głównym elementem składowym instalacji fotowoltaicznych.    Najbardziej rozpowszechnione są instalacje fotowoltaiczne, które podłączone są do sieci elektroenergetycznej. Energia elektryczna wytwarzana jest przez odpowiednio skonstruowane panele. Panele pozwalają zamienić energię słoneczną na energię prądu stałego o napięciu do 14 V i mocy zbliżonej do 0,5 kW/m2 . Łącząc je szeregowo można uzyskiwać potrzebne parametry napięciowe, a przy zastosowaniu przetworników (falowników) można prąd stały zamienić na prąd zmienny stosowany w sieciach przesyłowych niskiego napięcia (napięcie 230 V, częstotliwość 50 Hz). Nadwyżki wyprodukowanej energii przesyłane są do sieci i możliwe są do odebrania w okresach zwiększonego zapotrzebowania na prąd.
   Instalacje fotowoltaiczne autonomiczne nie są podłączone do sieci elektroenergetycznej. Energia wytworzona w panelach fotowoltaicznych służy do zasilania wydzielonych układów lub przekazywana jest do akumulatorów fotowoltaicznych. Akumulatory stanowią rodzaj ogniw galwanicznych i służą do gromadzenia i przechowywania energii elektrycznej wytworzonej z promieniowania słonecznego. Utylizacja materiałów po eksploatacji instalacji fotowoltaicznych nastręcza szereg problemów zbliżonych do trudności związanych z utylizacją materiałów konstrukcyjnych siłowni wiatrakowych.

Kolektory ciepła
   Kolektory ciepła to urządzenia pochłaniające energię słoneczną przekazywaną stosownym instalacjom ogrzewającym pomieszczenia czy też inne obiekty o niskich wymaganiach energetycznych. Technika ta polega na budowie zwykle rur hermetycznie zamkniętych z bardzo obniżonym ciśnieniem wewnętrznym. Wewnątrz takiej rury znajduje się wymagana (niewielka) ilość cieczy.
   Podciśnienie (wewnętrzne) znacznie obniża temperaturę wrzenia danej cieczy, co umożliwia jej szybkie parowanie. Dolna część rury (zwanej ciepłowodem) odbiera ciepło z otoczenia, a pary cieczy kondensując się w jej górnej części oddają to ciepło ogrzewając elementy przylegające do tej górnej części ciepłowodu. Technika ta pozwala na wykorzystywanie energii wewnętrznej Ziemi.

Energia oparta na reakcjach jądrowych
    Energetyka jądrowa związana jest z dużymi kosztami inwestycyjnymi i dosyć skomplikowana techniką eksploatacyjną. Doświadczenia z awariami w takich instalacjach w ubiegłym wieku stawiają pytań, które należy rozważyć przed ich budową. Szczególnego rozważenia wymaga gospodarowanie odpadami poeksploatacyjnymi (reaktywnymi), zabezpieczenie załogi przed promieniowaniem przenikliwym, hermetyczność instalacji. Ze stanu obecnej wiedzy wynika, że problemy te można bezpiecznie rozwiązać. Nieznany jest natomiast wpływ energetyki jądrowej na ocieplenie klimatu. Energetyka jądrowa może mieć znaczenie, jako technika buforowa wobec technik wytwarzania energii z czasowo małą stabilnością energetyczną (fotowoltaika, wiatraki). Przy rezygnacji z paliw węglowych będzie stanowiła stabilne źródło energii użytkowej.
    Reaktory jądrowe oparte są na kinetyce neutronów. Rozpędzone neurony uderzając w jadra izotopów promieniotwórczych powodują emisję z tych jąder zwiększoną ilość neutronów, a te z kolei oddziałują na następne jądra. Tak realizowany jest proces łańcuchowy przemian egzotermicznych zamiany materii w energię.
   Procesy takie muszą być kontrolowane, aby w odpowiednim momencie je wyhamowywać. W tym celu stosuje się spowolnianie neutronów. Takie właściwości posiada grafit. Stosowany jest w elektrowniach w formie zawieszonych bloków z możliwością ich fizycznego przemieszczania. W elektrowni w Czarnobylu nastąpiła awaria transportu bloków grafitowych, co doprowadziło do wielkiej katastrofy.
    Niezwykle istotny jest również sposób odprowadzania energii z bloków (chłodzenie). Dlatego przy eksploatacji takich instalacji jest niezbędny dostęp do dodatkowych stałych źródeł energii elektrycznej napędzających system chłodzenia. W elektrowni jądrowej Fukushima (Japonia) fale tsunami uszkodziły takie źródła, co w efekcie doprowadziło do katastrofy.

2.4 MAGAZYNOWANIE ENERGII
    Proces magazynowania energii generalnie polega na przetwarzaniu energii kinetycznej (Ek) w energię potencjalną (Ep). Za energię kinetyczną przyjmuje się energię dynamiczną zwykle uzyskiwaną ze źródeł naturalnych lub stosownych procesów. Energia potencjalna — energia statyczna — jest związana z materią w różny sposób (ciepło, energia chemiczna przynależna substancjom chemicznym, w masach wody usytuowanej na stosunkowo wyższym poziomie niż poziom odniesienia itp.).
    Najstarszym magazynem energii jest układ zbiorników wodnych (stosowany zwykle na strumieniach wodnych i rzekach) usytuowanych na dwu różnych poziomach wysokościowych. Uzyskany czasowy (dzień-noc, wiatr-cisza) nadmiar energii elektrycznej wykorzystuje się do przepompowania (za pomocą systemu pomp) wody ze zbiornika dolnego do górnego. System ten określany jest mianem systemu przepompowo-wodnego.
    Jednym ze sposobów zamiany nadmiarowej energii elektrycznej na chemiczną jest proces produkcji gazowego wodoru przez elektrolizę roztworów wodnych, zarówno alkalicznych, jak i kwaśnych. W wyniku elektrolizy uzyskuje się równocześnie wodór (H2) i tlen (02). Wodór jest gazem palnym. W następstwie spalania tego gazu odzyskuje się około 40-50% energii zużytej do jego produkcji —jest to proces wybitnie nieekonomiczny.    Proces elektrolizy stosowany jest często do uzyskiwania bardzo czystego wodoru niezbędnego do zastosowań np. w przemyśle spożywczym.
   Wodór jest gazem o najmniejszej cząsteczce, dlatego wszelkiego rodzaju zbiorniki magazynujące ten gaz wymagają szczególnej szczelności. Posiada znaczną aktywność chemiczną, szczególnie do utleniaczy, co zwiększa jego zagrożenie wybuchowe. W wielu przypadkach inicjacja tego zjawiska może następować na licznych materiałach o tzw. powierzchniach aktywujących (katalizatory).
   Pewną ciekawostką jest zjawisko wnikania cząsteczek wodoru w strukturę metalicznego palladu (około 300 objętości gazu w jednej objętości metalu). Zjawisko to w technice stosowane jest do uzyskiwania czystego wodoru z mieszanin wielu gazów zawierających wodór.
   Systemem magazynowania nadmiarowej energii elektrycznej w energię chemiczną są systemy akumulatorów. W tych procesach za pomocą energii elektrycznej przeprowadza się reakcje redoks polegające na zmianach stopni utleniania reagentów na katodzie (zmniejszanie) i na anodach (zwiększanie stopni utleniania). Urządzenia takie znane są od ponad 140 lat.
    Obecnie znanych jest kilkanaście typów akumulatorów (ołowiowy, niklowo-kadmowy (Ni-Cd), niklowo-metalohalogenkowy (Ni-MH), wanadowy, litowy, polimerowe). Akumulatory to w zasadzie ogniwa odwracalne, co oznacza, że reakcje zachodzące w nich są całkowicie odwracalne. Nie oznacza to jednak, że ilość energii włożonej w ładowanie takiego ogniwa jest całkowicie odzyskiwana. Energia aktywacji charakterystyczna dla każdego procesu akumulatorowego jest stratą energii.
    Energia aktywacji występująca w procesach zachodzących w akumulatorach jest wyjątkowo niska. Stąd magazyny nadmiarowej energii oparte na bateriach akumulatorowych oraz z zastosowaniem falowników (przetworników prądu stałego na przemienny) wydają się najbardziej przydamymi. Główną charakterystykę poszczególnych akumulatorów przedstawiono w tabeli 2.2.

Energia właściwa akumulatora (tab. 2.2) to całkowita ilość energii w watogodzinach, którą można zgromadzić w akumulatorze o masie 1 kg. Cykle życia akumulatora to parametg który oznacza liczbę cykli ładowanie-rozładowanie zanim pojemność akumulatora osiagnie wartość 80% pojemności początkowej. W przypadki akulatora polimerowego po 150 cyklach ładowanie-rozładowanie pojemncă akumulatora obniżyła się do 99,1% jego pojemności początkowej.
    Z eksploatacją akumulatorów związane są pewne niedogodności i zagrożenia, na które należy zwracać uwagę przy podejmowaniu decyzji o ich zastosowaniu. Zagrożenia pożarowe i wybuchowe występują przy stosowaniu akumulatorów opartych na licie. Mogą mieć one miejsce przy rozszczelnieniu lub awarii takich akumulatorów. Aktualnie brak instrukcji przeciwpożarowych i medium gaśniczego. Wody do gaszenia nie można używać, bo wzmaga ona procesy niszczące i powstawanie silnie alkalicznych rozprysków.
   Baterie litowe zalecane są do zasilania napędów w samochodach elektrycznych, z uwagi na ich parametry elektryczne (moc) i masę. Kolizje drogowe oraz wypadki często związane są z pożarami aut. Na dzień dzisiejszy jedynym sposobem zabezpieczenia przed następstwami pożarów jest odizolowanie pożaru od otoczenia do momentu jego zakończenia.
   Ilość minerałów zasobnych w lit jest ograniczona w skorupie ziemskiej i należy przypuszczać, że to przyczyni się do zmniejszenia ilości dostępnych w przyszłości baterii niezbędnej dla motoryzacji i magazynowania nadmiarowej energii elektrycznej.
    Przy stosowaniu urządzeń niekonwencjonalnych do produkcji i magazynowania energii, w tym głównie elektrycznej należy uwzględniać kilka istotnych szczegółów:
    — koszty inwestycyjne i eksploatacyjne
    — trwałość w czasie eksploatacji urządzeń (20-30 lat)
    — zabezpieczenie materiałowe niezbędne do ich produkcji
    — dostępność surowców w skali światowej i na jaki czas ich wystarczy
    — utylizacja materiałów konstrukcyjnych po eksploatacji określonych urządzeń
    — bezpieczeństwo przeciwpożarowe i instrukcje zachowania się w czasie awarii.
   Niektóre z wymienionych problemów odczuwane są w energetyce wiatrowej. Ograniczona dostępność do materiałów do produkcji magnesów może limitować wielkość produkcji tych elementów. Do tej produkcji są niezbędne pierwiastki ziem rzadkich (lantanowców — neodym (Nd)). Z techniką wiatrakową związane są również problemy w zakresie gospodarki odpadami instalacji poużytkowych (żywotność 20-30 lat). Do trudnych odpadów należy zaliczyć podstawy żelbetowe instalacji, elementy lotek z włókna szklanego zestalonego żywicami syntetycznymi — materiał odporny na czynniki naturalne, ale też i na spalanie.

2.5 AKTUALNE PROBLEMYU ZWIĄZANE Z PRZESYŁEM
      ENERGII ELEKTRYCZNEJ
    Organizacja zaopatrzenia w energię elektryczną obejmuje zapewnienie przesyłu (dystrybucję) tej energii od producenta do użytkowników. Producent energii elektrycznej transformuje jej napięcie do wysokich i przekazuje ją do sieci przesyłowej wysokonapięciowej. Jest to sieć dalekiego zasięgu, ponadto zapewnia optymalne straty związane z procesem przesyłu energii. Do sieci przesyłowych wysokich napięć dołączone są niskonapięciowe sieci lokalne (w Polsce 230 V i 400 V). Sieci takie mają lokalny zasięg z określoną liczbą odbiorców o nie zawsze stabilnym zapotrzebowaniu na energię elektryczną.
    W generalnej sieci połączonych ze sobą linii wysokich i niskich napięć częściową stabilizację przepływu energii zapewniają stacje transformałorowe, określona zmienność mocy wytwórczej i szereg innych uwarunkowań podatnych na sterowanie. W układ ten jest włączany system źródeł niekonwencjonalnych (fotowoltaika, turbiny wiatrowe) produkujących energię w ilości zależnej od czynników lokalnych i czasowych (dzień, noc, pogoda, zachmurzenie, wiatr, cisza).
   Problemy związane z odbiorem energii elektrycznej czasowo nadmiarowej uzyskiwanej z farm fotowoltaicznych i wiatrakowych polegają na tym, iż energia wytwarzana w tych farmach posiada niskie napięcie, a mikrofarmy emitują niewielkie moce. Taką energię mogą odbierać sieci energetyczne niskonapięciowe (lokalne) o bardzo stabilnym zapotrzebowaniu na moc. Problemy te należy rozwiązywać aktualnie znanymi sposobami, ale też poszukiwać nowych sposobów. Jednym ze znanych sposobów jest stosowanie dynamicznych magazynów energii. Do takich magazynów należy zaliczyć:
    — baterie oparte na ogniwach galwanicznych
    — baterie elektrolizerów (rozkładających wodę) wykorzystywanych do produkcji gazowego wodoru i tlenu; gazy te mogą być stosowane do zasilania ogniw paliwowych czy też do innych zastosowań. Dla zewnętrznego obserwatora zagadnienie to wydaje się oczywiste. Po głębszym zastanowieniu się nad tymi trudnościami można stwierdzić, iż wymagają one nowych rozwiązań technicznych, których opracowanie wymaga czasu i funduszy.

    Tekst, tabele i szkice - dr Józef Sawa i dr Halina Marczak

    Korekta: mgr Krystyna Sawa