Energia

Alternatywne i dotychczasowe źródła energii

30 sierpień 2000


--------------------------------------------------------------------------------

Wstęp
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.
Te niekonwencjonalne źródła energii można podzielić na: źródła odnawialne i nieodnawialne :
1. odnawialne źródła energii elektrycznej: energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich i energia cieplna oceanów (maretermiczna)
2. źródła nieodnawialne: wodór, energia magneto-hydro-dynamiczna i ogniwa paliwowe. Energię wewnętrzną ziemi (geotermiczną) można zaliczyć do obu rodzajów źródeł: gejzery są źródłem nieodnawialnym, energia gorących skał zaś jest energią odnawialną.
Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu stanowią bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do konwencjonalnych źródeł.
Ograniczenia w ich stosowaniu mogą być rodzaju:
* technologicznego - ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania.
* ekonomicznego - związane z dużymi kosztami ich stosowania
* oraz politycznego lub prawnego - związanego z możliwościami dywersji w przypadku elektrowni jądrowych
Prognozy optymistyczne szacują udział niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej na 15% w 2000 roku, pesymistyczne na 5%.

Elektrownie i elektrociepłownie - energia elektryczna i cieplna
To, że energia elektryczna jest najcenniejszą postacią energii finalnej, że jest ekologicznie czysta, że łatwo ją przesyłać i przetwarzać w różne postacie energii użytkowej rozumie cały świat. Nic więc dziwnego, że zapotrzebowanie na nią wszędzie rośnie. W krajach rozwiniętych udział energii elektrycznej w energii finalnej wzrasta coraz szybciej. Wzrost produkcji energii elektrycznej w latach 1980-1990 wynosił średnio rocznie we Francji 5.0%, w Szwecji 4.3%, w Japonii 4.0%, w Norwegii 3.8%, w USA 2.8%, w Niemczech 1.6%, w Wielkiej Brytanii 1.1%. Z przytoczonych danych wynika, że nawet przy ustabilizowanym wzroście zapotrzebowania na energię elektryczną na poziomie 3.5% rocznie wszystkie kraje świata w 2010 roku będą zużywały o 70% więcej energii elektrycznej niż obecnie. Tak więc energia elektryczna i co za tym idzie elektrownie elektryczne są najbardziej pożądane.
Elektrownia, ogólnie mówiąc to zakład przemysłowy lub zespół urządzeń wytwarzający energie elektryczną z różnych form energii pierwotnej. Elektrownia oddająca na zewnątrz, na potrzeby odbiorców duże ilości ciepła nosi nazwę elektrociepłowni. Ze względu na postać energii pierwotnej elektrownie dzieli się ogólnie na: elektrownie cieplne klasyczne, elektrownie cieplne jądrowe tzw. jądrowe oraz wodne (w tym szczytowo-pompowe).
60% światowej energii elektrycznej dostarczają klasyczne elektrownie cieplne, 20% elektrownie jądrowe, zaś 16 % elektrownie wodne.

Oddziaływanie na środowisko
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.
Aby zapobiec znacznemu zagrożeniu środowiska ze strony energetyki, spowodowanemu wydzieleniem dużych ilości zanieczyszczeń gazowych (SO 2, NO X ) oraz pyłowych, są stosowane następujące środki działania:
* wzbogacanie paliw
* odpylacze o dużej skuteczności
* wysokie kominy i koncentracja spalin ( w jednym kominie ) w celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu
* instalacje do odsiarczania spalin
* ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji
* sieci kontrolno-alarmowe
* spalanie paliwa interwencyjnego ( w okresie niekorzystnych warunków meteorologicznych )
* utylizacja odpadów paleniskowych
* nowe technologie energetyczne jak np. energetyka jądrowa, kotły fluidalne, zagazowanie węgla.
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.

Elektrownie jądrowe
W elektrowni jądrowej następuje w procesie rozszczepiania jąder atomów uranu, plutonu lub toru wyzwolenie energii cieplnej, którą wykorzystuje się do wytworzenia pary wodnej. Energia cieplna tej pary zostaje przemieniona w energię mechaniczną w procesie rozprężania pary zachodzącego w turbinie, a dalej następuje przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną w napędzanym przez łopatki turbiny generatorze prądu.
Reakcja rozszczepienia jądra uranu, plutonu lub toru następuje wówczas gdy po zderzeniu neutronu z jądrem pierwiastka następuje pochłonięcie neutronu. W wyniku rozszczepienia jądra pierwiastka ciężkiego (jakim jest uran, pluton i tor) powstają dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wykorzystanie tej energii cieplnej jest celem eksploatacji reaktorów energetycznych,. Część pozostałej energii wydziela się w postaci promieniowania gama, dalsza jej część wydziela się z opóźnieniem jako promieniowanie beta i gama produktów rozszczepienia.
Obieg technologiczny elektrowni jądrowej dzieli się na:
* obieg pierwotny, który obejmuje rozszczepianie atomów, wytwarzanie energii cieplnej w reaktorze jądrowym i przekazanie jej w wymienniku do obiegu wtórnego
* obieg wtórny obejmuje wszystkie dalsze ogniwa procesu technologicznego wytwarzania energii elektrycznej
Podstawowym elementem obiegu pierwotnego jest reaktor. Najbardziej rozpowszechnione reaktory energetyczne to reaktory wodne i ciśnieniowe.
Awarie w elektrowniach jądrowych: amerykańskiej w Three Island w 1979 i radzieckiej w Czarnobylu 1986 wywołały wiele kontrowersji. Koncern ABB zaprojektował elektrownię jądrową z reaktorem PIUS, a koncern Westinghouse nazwał bezpieczny reaktor jądrowy kryptonimem AP-600. Oba reaktory charakteryzują się tym, że bezpieczeństwo ich pracy osiągnięto przez odwrócenie dotychczasowych zasad projektowania: zamiast powiększenia liczby urządzeń i stosowania wyrafinowanych układów bezpieczeństwa zastosowano tzw. pasywny (bierny system bezpieczeństwa). Polega on na tym, że reaktor jest bezpiecznie odstawiany przy jakimkolwiek zaburzeniu w jego pracy - bez działania urządzeń pomocniczych, a jedynie przez działanie sił grawitacji (np. naturalne chłodzenie powietrzne). Rozwiązania techniczne zastosowane przy projektowaniu elektrowni jądrowych z reaktorami PIUS i AP-600 wydają się tworzyć nową erę całkowicie bezpiecznej energetyki jądrowej.
Obiegi wtórne w elektrowni jądrowej to obieg parowy, wodny i elektryczny, które są w zasadzie identyczne jak w elektrowni konwencjonalnej. Dodatkowe wymagania co do elementów tych obiegów dotyczą zwiększonej niezawodności działania, wynikającej z specyfiki elektrowni jądrowej.

Wpływ na środowisko
W Polsce podstawowym aktem prawnym, normującym działalność w zakresie wykorzystywania energii jądrowej na potrzeby społeczno-gospodarcze kraju jest ustawa z dnia 10 kwietnia 1986 roku "Prawo atomowe".
Elektrownia jądrowa podczas eksploatacji wywiera wpływ na środowisko poprzez:
* wydzielenie produktów promieniotwórczych do atmosfery
* wydzielenie produktów promieniotwórczych do wód zrzutowych
* wydzielenie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
Kopalnie uranu i zakłady wzbogacania uranu są źródłem zanieczyszczeń środowiska substancjami radioaktywnymi. Radioaktywne są odpady z tych zakładów - hałdy ich powinny być pokrywane asfaltem lub chlorkiem poliwinylu. Podczas produkcji paliwa jądrowego również powstają odpady radioaktywne - ciekłe i w postaci aerozolu. Pierwszą barierą ochronną przed promieniotwórczymi produktami rozszczepiania są koszulki, w których umieszczane są tzw. pastylki paliwowe. Ich zadaniem jest odprowadzanie ciepła wytworzonego w paliwie do wody chłodzącej i uniemożliwienie przedostania się produktów rozszczepienia na zewnątrz.
Wypalone paliwo jądrowe wskutek swej promieniotwórczości jest niebezpieczne dla człowieka. Z tego względu musi być ono trwale usunięte do przestrzeni, gdzie jego promieniowanie jest niegroźne, bądź długo przechowywane w sposób bezpieczny, bądź wreszcie przerobione na produkty bezpieczne dla otoczenia.
Pierwszy sposób to gromadzenie wypalonego paliwa w głębokich, wyeksploatowanych kopalniach soli np. w Niemczech lub pod dnem mórz np. Szwecja.
Drugi sposób polega na przechowywaniu wypalonego paliwa w zbiornikach wodnych lub w zbiornikach betonowych, chłodzonych powietrzem. Przerób wypalonego paliwa jądrowego ma na celu usunięcie produktów rozszczepienia i odzyskanie niewypalonego uranu i plutonu, pozostałego w paliwie. Wypalone paliwo jest przerabiane w specjalnych zakładach przetwórczych, do których paliwo jest transportowane po jego wstępnym wystudzeniu na terenie elektrowni. Przerób wypalonego paliwa jądrowego w celu uzyskania uranu i plutonu jest procesem radioaktywnym. Głównym źródłem radioaktywności są produkty korozji pojemników, w których przechowuje się wypalone paliwo jądrowe przed jego przerobieniem.
Potencjalnym źródłem skażenia środowiska może być transport materiałów promieniotwórczych, takich jak wypalone elementy paliwowe i zestalone odpady wysoko aktywne. Transport koncentratów uranu i wypalonego paliwa jądrowego jest obwarowany szczegółowymi przepisami, mającymi na celu wyeliminowanie niebezpieczeństw ich promieniowania podczas drogi. Wypalone paliwo jądrowe jest dużo bardziej niebezpieczne niż koncentraty uranu - musi być przewożone w pojemnikach stalowych, które zapewniają eliminację promieniowania na zewnątrz pojemników i ich szczelność nawet przy bardzo ciężkich wypadkach drogowych i pożarze. Transport pojemników następuje koleją lub samochodami.
Działanie na rzecz ochrony środowiska wokół elektrowni jądrowej mają na celu zapobieżenie przedostaniu się na zewnątrz elektrowni jądrowej izotopów promieniotwórczych zarówno podczas normalnej eksploatacji elektrowni, jak i podczas potencjalnej awarii.
Nuklidy (tj. atomy określonego rodzaju scharakteryzowane przez skład jądra ) promieniotwórcze powstają w licznych procesach wewnątrz reaktora jądrowego. Powstają one w wyniku wzajemnego oddziaływania neutronów z materiałami reaktora. Większość powstałych nuklidów promieniotwórczych powstaje wewnątrz paliwa i w materiale reaktora. Większa część tych nuklidów promieniotwórczych ulega rozpadowi promieniotwórczemu albo pozostaje wewnątrz reaktora. Jedynie znikoma ich ilość dostaje się do atmosfery w postaci gazów i do zbiorników wodnych w postaci odpadów ciekłych. Natomiast nuklidy w postaci odpadów stałych są składowane w specjalnie do tego przygotowanych pomieszczeniach.
Poszczególne nuklidy promieniotwórcze różnią się okresem półrozpadu, a także ilościami które po wchłonięciu przez oddychanie lub przez przewód pokarmowy mogą być odłożone w różnych narządach ciała oraz szybkością wydalania ich z organizmu. W celu uwzględnienia rodzaju promieniowania i jego skutków biologicznych wprowadzono pojęcie równoważnika dawki. Operowanie równoważnikiem dawki pozwala dodawać dawki napromieniowania wywołane przez różne rodzaje promieniotwórczości, sprowadzać je do wspólnego mianownika pod względem skutków biologicznych.
Należy pamiętać, że aktywność odpadów z energetyki jądrowej maleje stukrotnie w ciągu 600 lat, podczas gdy naturalne pierwiastki promieniotwórcze mają czas połowicznego rozpadu rzędu miliardów lat. Można powiedzieć, że w skali tysięcy lat energetyka jądrowa, zużywając uran, a w przyszłości również tor, będzie obniżać, a nie zwiększać zagrożenie ludzkości promieniowaniem jonizującym. Warto w tym miejscu jeszcze raz przypomnieć, że w popiołach usuwanych rocznie na wysypiska z elektrowni węglowej o mocy 1000 MW(e) znajduje się średnio ponad 3 tony uranu oraz około 7 ton toru i substancje te nie są w żaden sposób zabezpieczone. Poza tym człowiek jest poddawany promieniowaniu kosmicznemu i ziemskiemu, a także promieniowaniu materiałów budowlanych w pomieszczeniach zamkniętych i promieniowaniu zawartych w jego ciele pierwiastków promieniotwórczych.
Wybór lokalizacji elektrowni jądrowej następuje na podstawie raportu bezpieczeństwa lokalizacji, zawierającego charakterystykę terenu lokalizacji pod względem demograficznym, meteorologicznym, geologiczno-inżynierskim, hydrogeologicznym, komunikacyjnym, hydrotechnicznym , sejsmologicznym itp. oraz dane o napromieniowaniu ludności w otoczeniu elektrowni spowodowane eksploatacyjnym odprowadzaniem materiałów promieniotwórczych z elektrowni.
Rodzaje awarii mogących wystąpić w elektrowni jądrowej są rozpatrywane w raporcie bezpieczeństwa. Są one dzielone na trzy kategorie:
- awarie przeciętne, prowadzące co najwyżej do wyłączenia reaktora, po usunięciu awarii reaktor wznawia pracę;
- awarie rzadkie, nie powodujące jednak utraty szczelności obiegu pierwotnego lub odbudowy bezpieczeństwa i nie stanowiące zagrożenia na obszarze leżącym poza strefą ochronną;
- maksymalna awaria projektowa, przy której może wystąpić wydzielenie maksymalnej określonej w raporcie bezpieczeństwa ilości produktów rozszczepienia, ale możliwe być musi wyłączenie i wychłodzenie reaktora.

Gospodarka odpadami stałymi
Odpady stałe powstające w czasie eksploatacji elektrowni jądrowej, ze względu na stężenie substancji promieniotwórczych dzieli się na:
- wysoko aktywne, do których należą części wewnętrzne reaktorów znajdujące się w strefie promieniowania neutronowego, zużyte filtry do oczyszczania gazu i powietrza
- średnioaktywne, do których zalicza się części konstrukcyjne obiegu pierwotnego takie jak: rurociągi, armatura, izolacja termiczna, wkłady filtracyjne niektórych układów wentylacyjnych, części pomp, odpady metalowe, wymienialne elementy układu pomiarów i automatyki
- niskoaktywne, którymi są części konstrukcyjne i drobne wyposażenie układów pomocniczych obiegu pierwotnego, skażona odzież i obuwie specjalne, drewno, tworzywo sztuczne, odpady budowlane.
Odpady stałe wysokoaktywne przechowuje się stale w przechowalnikach w pobliżu basenu wypalonego paliwa. Pozostałe odpady stałe średnio i niskoaktywne przekazuje się do budynku zestalania odpadów. W budynku tym są one przechowywane od 3 do 5 lat w celu obniżenia aktywności. Po tym okresie, dla zmniejszenia ich objętości odpady są cięte lub prasowane i zestalane w asfalcie lub w beczkach lub prostopadłościennych pojemnikach. W ten sposób przygotowane i opakowane odpady okresowo magazynuje się na terenie elektrowni, a następnie wywozi do składowiska odpadów promieniotwórczych.

Gospodarka odpadami ciekłymi
W wyniku pracy układów oczyszczania ścieków promieniotwórczych powstają następujące odpady ciekłe:
* koncentrat powyparny
* zużyte wysokoaktywne jonity
* zużyte niskoaktywne jonity
Odpady te przekazuje się do budynku zestalania odpadów i przechowuje przez okres 3 do 5 lat w celu zmniejszenia ich aktywności, a następnie odparowuje, zestala i miesza z asfaltem. Pozostają one na trenie elektrowni do czasu wywiezienia do składowiska odpadów promieniotwórczych.
Kryzys gospodarczy w latach 1989-1992 spowodował spadek zapotrzebowania na energię elektryczną, tak więc budowa nowych źródeł mocy stała się - przejściowo niepotrzebna. To sprawiło, że budowa elektrowni jądrowych w Polsce może być odłożona na okres po roku 2000. Planuje się budowę kilku elektrowni gazowych, które są mniej uciążliwe dla środowiska od cieplnych węglowych.
Jak dotąd nie produkujemy energii elektrycznej z ekologicznie czystego źródła jakim jest reakcja rozszczepienia uranu przeprowadzona w sposób kontrolowany w reaktorze jądrowym. Miernikiem naszego zacofania w tej dziedzinie jest fakt iż w 34 krajach świata funkcjonuje kilkaset bloków jądrowych (432 w 1995r.) dając średni udział 17% w całości dostawy energii. Aż w 15 krajach udział energii elektrycznej z elektrowni jądrowych stanowi co najmniej 30%.
- Japonia - ponad 50 reaktorów
- Szwajcaria nie posiada ani jednej elektrowni na węgiel! - cała energetyka oparta jest na elektrowniach wodnych i jądrowych. Poza tym istnieje 1 elektrownia konwencjonalna na olej.
- wszyscy nasi sąsiedzi (prócz Białorusi) posiadają elektrownie jądrowe


Kraj
Reaktory w eksploatacji

Reaktory w budowie
Liczba bloków
Energia elektryczna dostarczana przez elektrownie jądrowe w 1994r % Udziału w całości

Liczba bloków
Moc zainstalowana
(MW)


1. Argentyna
2. Armenia
3. Belgia
4. Brazylia
5. Bułgaria
6. Chiny
7. Tajwan
8. Czechy
9. Finlandia
10. Francja
11. Holandia
12. Hiszpania
13. Indie
14. Iran
15. Japonia
16. Kanada
17. Kazachstan
18. Korea Pd.
19. Kuba
20. Litwa
21. Meksyk
22. Niemcy
23. Pakistan
24. Rep. Pd. Afryki
25. Rosja
26. Rumunia
27. Słowacja
28. Słowenia
29. Szwecja
30. Szwajcaria
31. Ukraina
32. USA
33. Węgry
34. Wlk. Brytania
35. Włoch