Wpływ procesów wytwarzania energii na środowisko naturalne

Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu domostw czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla brunatnego, kamiennego, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych.
Kryzys energetyczny, który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw oraz względy ochrony środowiska zwiększyły zainteresowanie nowymi, niekonwencjonalnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii.

Wcześnie zaczęto wykorzystywać energię słoneczną, zamieniając ją na pracę mechaniczną, szczególnie energię wiatru, która jest pewną formą tej energii. Około 2000 lat przed Chrystusem pojawiły się na obszarze Morza Śródziemnego prymitywne żaglowce, które zbiegiem czasu rozwinęły się i udoskonaliły. Pierwsze żaglowe statki oceaniczne zostały zbudowane przed około 500 laty. Umożliwiły one odbywanie dalekich podróży morskich i odkrywanie nieznanych dotąd kontynentów, a przez to ożywiły wymianę handlową. Żegluga uprawiana przez tysiącletni okres jest żywym przykładem tego, w jak wysokim stopniu w dawnych czasach możliwe było wykorzystywanie energii słonecznej dla rozwoju cywilizacji, bez szkody dla środowiska naturalnego.

Energia jądrowa

Energia jądrowa stanowi główne źródło energii całego wszechświata. Wykorzystuje ona energię zawartą w jądrach atomów. W niektórych bowiem bardzo ciężkich atomach jądro może być rozbite na dwie mniejsze cząstki. W tym procesie rozszczepiania jądra wyzwala się ogromna ilość ciepła, które można użyć w elektrowni jądrowej do pozyskiwania energii elektrycznej.

Reakcja łańcuchowa

Reakcja rozszczepienia jądra uranu zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (ok. 2 km/s), zwany neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegną rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder rozszczepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej. W bombie atomowej pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by wszystkie powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony powodowały rozszczepienie innych jąder. Dlatego następuje bardzo gwałtowne przyspieszenie tempa reakcji owocując nagłym uwolnieniem wielkiej energii - eksplozją. W reaktorze natomiast część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor.

Materiały rozszczepialne

Jedynie kilka izotopów można wykorzystać jako paliwo jądrowe. Jądro musi być duże i ciężkie oraz rozpadać się pod wpływem powolnego neutronu, emitując przy tym inne neutrony. Materiały spełniające te kryteria to materiały rozszczepialne. Zdecydowanie najczęściej używanym materiałem rozszczepialnym jest izotop uranu o liczbie masowej 235 - U235. Jego jądro składa się z 92 protonów oraz 143 neutronów. Reakcja rozszczepienia jąder porcji uranu wydziela dwa miliony razy więcej energii niż spalenie węgla o tej samej masie.

Paliwo jądrowe

Niekiedy stosuje się paliwo jądrowe w postaci uranu metalicznego w specjalnych koszulkach ze stopu magnezowego. Jednak zwykle paliwem jest granulowany tlenek uranu zamknięty w długich metalowych rurach - prętach paliwowych. Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4 - 5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i nie spalony uran.


Energia wodna

Woda zawsze płynie z miejsca położonego wyżej do leżącego niżej. Taki jej ruch może być wykorzystywany do wytwarzania energii, przy czym może to być zarówno spokojny bieg rzeki, jak i gwałtowne spadanie wody z dużej wysokości, na przykład w wodospadzie czy zaporze. Do wytwarzania energii wykorzystuje się także nieustanny ruch fal morskich i przypływów. W przeciwieństwie bowiem do wielu innych źródeł energii woda nigdy się nie wyczerpuje i zawsze będziemy mieli na Ziemi tanią dostawę poruszającej się wody.

Energia spadków wód

Na podstawie wyników badań zasobów energii wodnej szacuje się ich potencjalną moc na 3 TW, z czego wykorzystuje się około jednej dziesiątej. Pobieranie takiej mocy wymagałoby jednak zalania dużych, niżej położonych obszarów żyznych gruntów i spowodowałoby zniszczenie środowiska naturalnego. Ale żadna z analiz nie obejmowała licznych, rozsianych po świecie miejsc nadających się do budowy małych elektrownii wodnych. Takie małe elektrownie wodne mają szanse powodzenia zwłaszcza w krajach rozwijających się, a także w wielu innych państwach.
Energia wód ma wiele cech dodatnich, m. in. z jej użytkowaniem nie wiążą się problemy magazynowania energii. Wprost przeciwnie użycie zapór jako urządzenia magazynującego energię może być najskuteczniejszym sposobem wypełnienia przerw w dostarczaniu energii przez inne źródła słonecznej. Ponadto hydroelektrownie mają wielką wydajność wynoszącą 85% lub więcej.

Energia pływów morskich

Pływy morsie i oceaniczne powstają dzięki przyciąganiu Księżyca i Słońca, przy czym znacznie większa jest siła grawitacji Księżyca, w wyniku tego przyciągania tworzą się dwa wały pływowe, z których jeden jest zwrócony do Księżyca, a drugi równoważący powstaje po przeciwnej stronie Ziemi. W skutek obrotu Ziemi wokół jej osi te spiętrzenia wody przesuwają się i powodują przy wybrzeżu dwa przypływy i dwa odpływy w ciągu każdej doby. W rzeczywistości obraz ten jest trochę bardziej skomplikowany przez oddziaływanie Słońca i nieregularny kształt Ziemi. Wysokość wspomnianych spiętrzeń wody nie jest wszędzie jednakowa. Na otwartym oceanie rzadko przekracza metr, natomiast w szelfie osiąga nawet 20m. Z ruchem tak olbrzymiej masy wody jest oczywiście związana energia, która w sumie wynosi około 2,4 . 104 TWh.
Uzyskane doświadczenia z już istniejących elektrowni wykorzystujących energię pływów wskazują jednak, że elektrownie takie powinny być budowane w miejscach, w których wysokość pływów nie jest mniejsza niż 5 m. Musi się tam jeszcze znajdować odpowiednia zatoka lub lejkowate ujście rzeki, gdzie można zbudować tamę. Takie warunki istnieją jedynie w 30 miejscach na świecie. Jeżeli każde z tych miejsc będzie dobrze wykorzystane, to przy wydajności 20% moc uzyskana z pływów na całym świecie wyniesie około 32 GW i może mieć znaczenie lokalne. Ujemną stroną tego źródła energii jest jego okresowość. Przypływy i odpływy występują regularnie co pewien czas w ciągu doby, przy czym ich moc szczytowa rzadko zbiega się ze szczytowym zapotrzebowaniem na energię.



Energia falowa

Fale oceaniczne potrafią przenosić wielkie strumienie energii. Kiedy spokojne morze, którego fale łagodnie uderzają o brzeg, przekształci się w burzliwy żywioł, jest w stanie roztrzaskać okręty, wyrzucać na brzeg głazy albo spiętrzyć wodę w wysoko położonym basenie, magazynując energię potencjalną. Woda w tych falach porusza się, atoli pojedyncze drobiny wody nie poruszają się zbyt daleko, są wprawione w ruch przez swych sąsiadów, kiedy nadchodzi fala i przekazuje swój ruch kolejnym drobinom wody. W ruchu falowym są powiązane ze sobą energia kinetyczna i energia potencjalna, przy czym jedna forma energii ciągle się zmienia w drugą, zaś obie przenoszone są z charakterystyczną prędkością rozchodzenia się fali. Źródłem energii większości fal oceanicznych jest wiatr, który je pędzi. Wiatr z kolei uzyskuje swą energię od ciepłego lądu. Źródłem pierwotnym jest światło słoneczne.
Fale dźwiękowe wędrując w powietrzu przekazują energię. Następuje kolejne zgęszczenie i rozrzedzanie powietrza to fale dźwiękowe. Ich rozchodzenie się pociąga zmiany w prędkości cząsteczek. Zmiany energii kinetycznej cząsteczek są przekazywane od jednej cząsteczki do drugiej, w miarę tego, jak fala wędruje; składają się one na mały wzrost energii cząsteczek na energię fali dźwiękowej.
Fale wodne posiadają energię kinetyczną poruszającej się wody i energię potencjalną w grzbietach wznoszących się ponad dolinami fal. Fale dźwiękowe mają energię kinetyczną małych zorganizowanych ruchów drgających cząsteczek - czasowe magazynowanie ciepła. Wydaje się, że fale elektromagnetyczne mają energię potencjalną w swych polach elektrycznych i energię kinetyczną w swych polach magnetycznych. Nie ma nic zaskakującego w tym, że energia kinetyczna związana jest z polem magnetycznym, powstaje ono bowiem w wyniku ruchu ładunków elektrycznych.

Energia wiatrów

Wiatry powstają w skutek nierównomiernego nagrzewania się lądów i mórz, równin i gór oraz rejonów podzwrotnikowych i podbiegunowych. Wiatr dawał człowiekowi energię już od kilku tysiącleci. Wiadomo, że w Egipcie pływano barkami żaglowymi po Nilu pięć tysięcy lat temu. Statki napędzane wiatrem panowały w żegludze do XIX wieku. W starożytnej Persji wiatraki służyły do mielenia ziarna i do pompowania wody. Szerokie wykorzystanie wiatraków w Europie zostało prawdopodobnie zapoczątkowane przez krzyżowców. W końcu XIX wieku Dania wykorzystała wiatraki także do wytwarzania energii elektrycznej.
Po pierwszej wojnie światowej tania energia wodna i paliwa kopalne zahamowały to szerokie wykorzystanie wiatraków na świecie, ale badania w tej dziedzinie nie zostały przerwane. W roku 1931 w Związku Radzieckim skonstruowano pierwszą dużą prądnicę napędzaną silnikiem wiatrowym. W roku 1941 zbudowano prądnicę wiatrową już o mocy 1,25 MW. W latach pięćdziesiątych w Wielkiej Brytanii zbudowano dwie turbiny wiatrowe.
Dopiero w latach siedemdziesiątych po powstaniu kryzysu naftowego powrócono do idei wykorzystania energii wiatrów na szerszą skalę. Opracowano wiele nowych rozwiązań technologicznych w tej dziedzinie, które coraz częściej wykorzystywane są w praktyce. Turbiny wiatrowe współpracujące z elektrowniami wodnymi, posiadającymi rezerwę mocy, powinny być tańsze od elektrowni konwencjonalnych. W czasie mniejszego obciążenia energia elektryczna mogłaby być użyta do pompowania wody do zbiorników na wyższym poziomie, skąd mogłaby być czerpana w czasie bezwietrznej pogody.
Na obszarach, gdzie względy estetyczne przemawiają przeciwko wiatrakom, można je instalować w miejscach mało widocznych, a nawet na morzu w odległości paru mil od brzegu. Można je także produkować tak, aby miały estetyczny wygląd.

Energia geotermiczna

Jako potencjalne źródło energii wymienia się także powierzchniową warstwę Ziemi. Energia pochodząca z tego źródła nazywana jest geotermiczną. Biorąc pod uwagę rozmiary ziemi możemy wnioskować, że zawiera ona ogromne ilości energii cieplnej. Część tej energii dochodzi do powierzchni Ziemi dzięki cieplnemu przewodnictwu skał oraz w niewielu miejscach - na skutek wypływu na powierzchnię gorących źródeł. Z powierzchni Ziemi ciepło to przechodzi następnie do atmosfery, przy czym ilość odpływającej masy wynosi aż 32,3 TW. Ogólna ilość odpływającego ciepła jest więc bardzo duża, ale energia ta jest bardzo rozproszona. Mimo utraty ciepła Ziemia nie oziębia się, ponieważ stale dochodzi nowe ciepło z rozpadu atomów promieniotwórczych, które znajdują się w całej jej objętości.
Energia geotermiczna może być wykorzystywana m. in. w dwóch następujących przypadkach. Pierwszy wiąże się z występowaniem w wielu rejonach wulkanicznych niezwykle gorących skał znajdujących się blisko powierzchni Ziemi. Wówczas niepotrzebne są głębokie wiercenia ani też zakładanie dużych ładunków wybuchowych, by stworzyć zadowalający sztuczny układ cyrkulacyjny dla krążącej wody. W drugim przypadku wykorzystuje się porowate, gorące skały rozmieszczone na głębokościach nie większych niż 3 km. Przepuszczają one wodę, a zatem stanowią coś w rodzaju zbiornika gorącej wody. Tę gorącą wodę i parę odprowadza się przez otwory wiertnicze i używa do wytwarzania energii elektrycznej.
Wpływ procesów wytwarzania energii na środowisko naturalne.

Elektrownie i elektrociepłownie mają znaczący wpływ na powietrze atmosferyczne, glebę i wody, a za ich pośrednictwem na rośliny, zwierzęta, ludzi i konstrukcje metalowe (korozja).
Na środowisko naturalne oddziałują przede wszystkim:
* produkty spalania paliw, należą do nich: spaliny, zawierające popiół lotny (pył), dwutlenek siarki, tlenki azotu, tlenek i dwutlenek węgla, żużel spod kotłów, odpady i ścieki z instalacji odsiarczania spalin.( pylenie występuje również w procesach transportu, składowania i rozładunku paliw)
* hałas towarzyszący przy rozładowaniu, kruszeniu węgla, wytwarzany przez wentylatory, sprężarki
* duży wpływ na środowisko naturalne mają ścieki przemysłowe, które wytwarzane są przy uzdatnianiu wody do obiegu parowego i do obiegu chłodzącego oraz z instalacji odsiarczania spalin, a także podgrzewanie wody w rzekach (jeziorach) w przypadku otwartego obiegu chłodzenia turbin. Chłodzenie w obiegu zamkniętym - wentylatorowe i kominowe jest źródłem hałasu i roszenia przyległych terenów.
* obieg elektryczny poprzez hałas transformatorów i silników oraz oddziaływanie pól elektromagnetycznych ma także niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Pluton -najbardziej śmiercionośna substancja stworzona przez człowieka - powinien być odizolowany od środowiska. Z elektrowni atomowych radioaktywne pary, które przedostają się do środowiska nawet podczas bezawaryjnej pracy, zawierają pierwiastki promieniotwórcze, krążące w przyrodzie przez tysiące lat i zabijające wielokrotnie. Do tego należy dodać wycieki radioaktywne z innych ogniw łańcucha obiegu paliwa jądrowego, bez którego elektrownia działać nie może.
Negatywne skutki ma także energia pary. Przy spalaniu węgla, drewna, ropy naftowej, benzyny powstaje dwutlenek węgla, który powoduje kwaśne deszcze. Spalanie surowców energetycznych i tym samym powstawanie dwutlenku węgla powoduje również tzw. efekt cieplarniany, którego następstwem jest topnienie śniegów, gór lodowych, zalewanie kontynentów, jak i również malejąca ochrona Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym.
Skutki zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego są wielorakie: choroby ludzi i zwierząt, niszczenie konstrukcji budowlanych, korozję metali, straty światła słonecznego i wynikające stąd zwiększenie zużycia energii elektrycznej na oświetlenie, straty transportu lotniczego i samochodowego w wyniku pogorszonej widoczności.
Wpływ elektrowni na wody powierzchniowe przejawia się zarówno w znaczeniu ilościowym jak i jakościowym. W elektrowni woda jest wykorzystywana w procesach produkcji energii elektrycznej do wytwarzania pary (obieg parowo wodny) oraz do ochładzania pary (obieg chłodzący skraplacze). Obieg parowo wodny wymaga uzupełnienia wodą o wysokiej jakości, natomiast obieg chłodzący potrzebuje dużej ilości wody. Woda chłodząca skraplacze odprowadza do otoczenia znaczne ilości ciepła. Ochładzanie wody podgrzanej powoduje powstawanie strat wody, wpływając na bilans wody w przyrodzie, oraz oddziałuje na środowisko, wprowadzając zmiany w ekosystemach wód powierzchniowych.
Użytkowanie wody przez elektrownie wpływa na organizmy żywe w sposób bezpośredni, w czasie ich przepływu wraz z wodą przez urządzenia obiegu chłodzącego, oraz w sposób pośredni w wyniku odprowadzania ciepła do wód powierzchniowych. Organizmy żywe przepływające przez urządzenia i przewody obiegu chłodzącego są narażone na: uszkodzenia mechaniczne, szok termiczny, działanie chemiczne.
Zanieczyszczenie atmosfery i tlenu wpływa pośrednio na rozwój lasu. Naruszona bowiem zostaje równowaga chemiczna i zmieniony odczyn pH w środowisku glebowym. Działanie bezpośrednie jak oparzenia tkanki roślinnej oraz ograniczenie intensywności fotosyntezy wskutek dużego zapylenia powierzchni liści, nie występuje , jeśli są stosowane elektrostatyczne odpylacze spalin (elektrofiltry) i wysokie kominy. W sposób pośredni na lasy oddziałuje dwutlenek siarki oraz tlenki azotu.