Zasoby energii na ziemi

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, Eu - energia użyteczna, Ed - 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 cm3 benzyny. Nad parowniczką zawieszono lejek
połączony z rurką wypełnioną watą szklaną. Rurkę połączyliśmy z trzema
płuczkami zawierającymi następujące roztwory:
I płuczka - AgNO3 -roztwór amoniakalny,
II płuczka - KMnO4,
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↓ +H2O +CO2
* 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.
2MnO4- + 3SO32- + H2O → 2MnO2 + 3SO42- + 2OH* w trzeciej płuczce woda wapienna zmętniała pod wpływem
tlenku węgla (IV).
CO2 + Ca2+ + 2OH- → CaCO3↓ + H2O
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 + O2 = SO2
Reaguje on z wodą zawartą
w atmosferze, co prowadzi do
kwaśnych deszczy.
SO2 + H2O = H2SO3



Spalamy siarkę w kolbie zawierającej pewną
ilość wody: S + O2 = SO2
Mierzymy pH wody w kolbie.
Stwierdzamy kwaśny odczyn, czyli
otrzymaliśmy kwas zgodnie z równaniem
reakcji: SO2 + H2O = H2SO3
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 = 3600000 J = 3,6 MJ
m = 1000 kg
cs = 29,3 MJ/kg
Obliczamy ilość energii otrzymanej ze spalenia 1 tony węgla
E = cs * m = 29300 MJ
Ilość energii elektrycznej stanowi 60% energii pozyskanej ze spalenia 1 tony
węgla
Eel = 60% * E = 17580 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