Sprawozdanie_NEwE_v2.1 - Strona główna

Transkrypt

Konferencja Naukowo-Techniczna
pod patronatem
Ministerstwa Gospodarki Rzeczypospolitej Polskiej
oraz Dyrektora Instytutu Techniki Cieplnej
Politechniki Warszawskiej
`
Koło Naukowe Energetyków PW
i
Studenckie Koło Naukowe Energetyki
Niekonwencjonalnej PW
Sponsorzy Konferencji:
REDAGOWAŁ: Krzysztof Zabrzycki
2
Koło Naukowe Energetyków PW | NEwE - 2008
Patronat Honorowy Ministerstwa Gospodarki
Rzeczpospolitej Polskiej
Sponsorzy główni NEwE – 2008
Sponsorzy NEwE – 2008
3
Komitet naukowy
Nad naukowymi aspektami referatów czuwał komitet naukowy składający się z pracowników
naukowych Politechniki Warszawskiej oraz wybranych studentów z wysokimi średnimi ocen:
1. prof. dr hab. inż. Józef Portacha – przewodniczący Komitetu, opiekun naukowy Koła
Naukowego Energetyków Politechmiki Warszawskiej
2. dr inż. Karolina Błogowska – adiunkt w Zakładzie Termodynamiki Instytutu Techniki Cieplnej
3. Adam Dominiak – wiceprezes Koła Naukowego Energetyków Politechniki Warszawskiej
4. inż. Adam Rajewski – prezes Koła Naukowego Energetyków Politechniki Warszawskiej,
redaktor materiałów konferencyjnych
5. Łukasz Sznajder – członek Koła Naukowego Energetyków Politechniki Warszawskiej
4
Komitet organizacyjny
Funkcja
Osoby odpowiedzialne
1. Przewodniczący
Adam Rajewski, Adam Dominiak
2. Zastępca przewodniczącego, Sekretarz
Damian Stępieo
3. Skarbnik
Katarzyna Matwiejewa
4. Koordynatorzy techniczni
Michał Deuszkiewicz, Adam Rajewski
5. Koordynator finansowy
Adam Dominiak
6. Koordynatorzy logistyczni
Jan Kucowski, Michał Spirzewski
7. Koordynator ds.personalnych
Adam Rajewski
8. Koordynator kulturalno-oświatowy
Marcin Wołowicz
9. Tłumacze j. niemieckiego
Paweł Mazgaj, Michał Szwajewski
10. Tłumacz j. angielskiego
Adam Rajewski
11. Biblioteka
Małgorzata Matysek, Szymon Suchcicki
12. Redaktor Sprawozdania
Krzysztof Zabrzycki
13. Śpiewnik, gitara
Michał Szwajewski
14. Konkurs na najlepszy referat
Gabriel Grabski, Mariusz Kozelski
15. Gospodyni Konferencji
Marzena Lasocka
16. Zespół ds. przygotowania wystawy
Mariusz Kozelski, Cezary Misiopecki,
Mariusz Perkowski, Kacper Samul
Kami Futyma, Eleonora Grodzicka,
Jakub Łuszcz, Michał Szwajewski,
Anna Trendewicz, Filip Grochowina,
Piotr Brzezioski
17. Sekretariat
5
1.
Spis treści
18. Komitet Naukowy.........
19. Komitet Organizacyjny.........
20. Spis treści.........
21. Portacha J., Błogowska K.: O Konferencji NEwE.........
22. SKNEN, Podziękowania za współorganizacje NEwE…….
23. Program Konferencji.........
24. Uczestnicy Konferencji.........
25. Streszczenia referatów………
26. dr inż. Błogowska Karolina: Ekologia w życiu i energetyce:
przykład Szwajcarii…….
27. inż. Deuszkiewicz Michał: Instalacje fotowoltaiczne w obiektach użyteczności
publicznej………
28. Dominiak Adam: Problemy cieplne w eksploatacji reaktorów
energetycznych………
29. Futyma Kamil: Elektrociepłownie z akumulatorami ciepła
– Linz i Siekierki………
30. Grabski Gabriel: Duże silniki tłokowe dla energetyki………
31. Grodzicka Eleonora: Przyłączanie do sieci elektroenergetycznej odbiorców
z zasilaniem indywidualnym (wytwórców)………
32. Kozelski Mariusz: Energetyka jądrowa i energetyka termojądrowa.
Porównanie………
33. Kucowski Jan: Sekwestracja dwutlenku węgla………
34. inż. Marzena Lasocka: System ciepłowniczy Warszawy i Wiednia………
35. Łuszcz Jakub:Elektrownie wodne. Szwajcaria – Polska, próba porównania………
36. Matwiejewa Katarzyna: Wpływ małych dawek promieniowania jonizującego
na organizmy żywe………
37. Matysek Małgorzata:Japooska energetyka jądrowa………
38. Mazgaj Paweł:Zarys Szwajcarskiej energetyki jądrowej. Elektrownie jądrowe
typu BWR na przykładzie EJ Leibstadt………
39. Misiopecki Cezary: Energetyka jądrowa Niemiec, ze szczególnym zwróceniem
uwagi na elektrownię Gundremmingen………
40. mgr inż. Polanowski Sławomir: 59 lat działalności
„Energoprojekt-Warszawa” S.A.………
41. mgr inż. Polanowski Sławomir: Studium wykonalności budowy odnawialnego
źródła energii w trzech technologiach…….
42. prof. dr hab. inż. Józef Portacha: Energetyka jądrowa nie tylko do produkcji
6
4
5
6
10
14
15
21
27
28
34
45
51
54
65
73
75
77
79
86
96
101
103
105
107
energii elektrycznej………
43. prof. dr hab. inż. Józef Portacha: Układy cieplne nowoczesnych elektrowni
węglowych………
44. inż. Rajewski Adam: Awarie elektrowni jądrowych – przekaz medialny a
rzeczywistośd………
45. Różacki Paweł: Wykorzystanie alkoholu etylowego jako paliwa silnikowego
na przykładzie Brazylii i USA………
46. Samul Kacper: Analiza typowych turbin upustowo-przeciwprężnych
stosowanych w ciepłownictwie………
47. Skowrooski Wojciech: Tendencje rozwoju energetyki w Europie………
48. Spirzewski Michal: Modelowanie elektrociepłowni………
49. Stępieo Damian: Mechanizmy prawne wspierające kogenerację………
50. Sznajder Łukasz: Intensyfikacja procesów wymiany ciepła………
51. Szwajewski Michał: Silniki tłokowe czterosuwowe………
52. Trendewicz Anna: Generatory magnetohydrodynamiczne………
53. Wiśniewski Kamil: Zasilanie awaryjne obiektów przemysłowych
i użyteczności publicznej………
54. Włoch Mikołaj: Analiza dokładności obliczeo układu cieplnego elektrowni
jądrowej………
55. Zabrzycki Krzysztof: Problemy i bezpieczeostwo energetyczne Polski………
56. Trasa przejazdu podczas NEwE wraz z mapą………
57. Charakterystyka zwiedzanych zakładów energetycznych.........
58. Linz-Mitte………
59. EJ Leibstadt………
60. EW Bieudron………
61. EJ Gundremmingen………
62. Irsching………
63. Schwarze Pumpe………
64. Informacja turystyczna, odwiedzone miasta (Wiedeo,Innsbruck, Berno,
Zurych, Monachium, Drezno, Wrocław) ………
65. inż. Adam Rajewski: Podsumowanie Konferencji NEwE.........
109
111
113
131
142
147
161
166
175
184
201
204
206
208
217
219
220
224
228
231
233
235
241
253
7
8
2. O Konferencji NEwE
9
Prof. dr hab. inż. Józef Portacha
Opiekun naukowy KNE
NEWE-08 TO BYŁA CIEKAWA POŻYTECZNA I DOBRZE ZORGANIZOWANA KONFERENCJA
Z racji ok. 40-letniej pracy dydaktyczno-naukowej na Uczelni i wieloletniej funkcji opiekuna
naukowego KNE/od 1971r./, uczestniczyłem w ponad stu konferencjach krajowych, kilkunastu
zagranicznych, w kilku kongresach światowych oraz w wielu sympozjach i seminariach sesjach
studenckiego ruchu naukowego w ośrodkach: krakowskim, łódzkim, gliwickim i warszawskim. Mam
więc wyrobioną skalę do ich oceny. Tematyka referatów konferencji NEWE-08 była ciekawa,
dotyczyła wielu najważniejszych problemów energetyki tak w kraju jak i w Europie. Wymienię tu
chodby referat o bezpieczeostwie elektrowni jądrowych inż. Adama Rajewskiego (studenta kursu
magisterskiego), o rozwoju siłowni węglowych na parametry nadkrytyczne Wojtka Skowrooskiego czy
o kogeneracji i ochronie środowiska Damiana Stępnia. Osobną grupę stanowiły interesujące referaty
w których studenci prezentowali wyniki własnych prac badawczych. Np. referat Mikołaja Włocha
dotyczył analizy błędów obliczeo strumieni masy i energii w układzie cieplnym elektrowni jądrowych.
Z dużym zainteresowaniem spotkały się referaty wygłaszane przez przedstawicieli sponsorujących
nas firm – pracowników EC Żerao i EC Siekierki oraz Energoprojektu Warszawa o tematyce związanej
z ich pracą zawodową. Dyskusje po wygłoszonych referatach często przekraczały planowany na nie
limit czasu, a niekiedy czas prezentacji samego referatu, co najlepiej świadczyło o dużym
zainteresowaniu uczestników konferencji poruszaną tematyką. Obrady, podzielone były na 10 sesji
tematycznych odbywały się w wygodnym autokarze wyposażonym w standardowe konferencyjne
pomoce audiowizualne, zapewniające w czasie jazdy korzystanie programu Power Point,
wyświetlanie na ekranach własnych materiałów, korzystanie z mikrofonu przy dobrym nagłośnieniu i
organizowanie herbaciano-kawowych przerywników. Każdą sesję prowadziły dwie osoby, przy każdej
inne. W czasie konferencji odbywał się konkurs na najlepszy referat w dwóch kategoriach: pod
względem merytorycznym i sposobu prezentacji. Przydałyby się takie konkursy na wielu
konferencjach w których uczestniczyłem. Większośd sesji miała bardzo dobre uzupełnienie poprzez
wizyty techniczne w nowoczesnych zakładach przemysłowych-energetycznych. Tak np. sesję
,,Kogeneracja sposobem na oszczędzanie energii pierwotnej i ochronę środowiska, uzupełniała wizyta
w EC Linz-Mitte (Austria) z blokiem opalanym biopaliwem, referaty dotyczące nowych rozwiązao w
elektrowniach węglowych – wizyta w El. Schwarze Pumpe (Niemcy) łącznie z instalacją sekwestracji
dwutlenku węgla. Wspaniałym uzupełnieniem tematyki dotyczącej energetyki jądrowej szeroko
prezentowanej i dyskutowanej na konferencji były wizyty techniczne w elektrowniach jądrowych:
EJ Leibstadt (Szwajcaria) oraz EJ Gundremmingen (Niemcy). Szwajcarzy zapewnili nam czterech
dobrych fachowców na czas prawie pięciu godzin, obecnych lub byłych pracowników EJ, którzy
oprowadzili nas w grupach po elektrowni, w tym również szczegółowo w budynku reaktora i
gospodarki paliwowej. Najpierw odbył się pokaz filmowy połączony z dyskusją, do której uczestnicy
byli merytorycznie przygotowani dzięki dobrej organizacji konferencji. Odpowiednie referaty
10
wysłuchane przed wizytą (jeden z nich dotyczył zwiedzanych EJ) zapewniły aktywnośd i dobrą
prezentację grupy podczas rozmów w elektrowni.
Bogaty był program kulturalny konferencji. Wspaniałe zabytki Drezna, Wiednia,
Innsbrucku, Berna, Zurychu i Monachium były doskonałymi przerywnikami w programie naukowotechnicznym konferencji. Wystartowaliśmy 1-go listopada. O zmroku dotarliśmy na pola wielkiej
bitwy trzech cesarzy, pod Austerlitz (2.12.1805r.). W bitwie toczonej na niewielkim obszarze
trwającej jeden dzieo od wschodu do zachodu słooca, głównie na bagnety, zginęło ponad
dwadzieścia tysięcy żołnierzy. Armią austro-rosyjską dowodził Car Aleksander I. Zwyciężył Napoleon.
Straty po jego stronie były pięd razy mniejsze. W bitwie zginęło wielu Polaków. To był czas zaborów.
Walczyli o Polskę po obu stronach barykady. Swoja obecnością w tym dniu świątecznym, tam na tym
pobojowisku, uczciliśmy ich pamięd. Konferencja zakooczyła się 11-go listopada, też w dnu
świątecznym. Tym razem zatrzymaliśmy się w Trzebnicy koło Wrocławia, którą założył w XIII w. książę
piastowski Henryk Brodaty. Jego syn – Henryk Pobożny – zginął w bitwie z Tatarami na Legnickim
Polu w 1241r. W pięknym barokowym kościele zakonu Cysterek które należycie pielęgnują pamiątki
polskości tych ziem już od ponad siedmiu wieków, odwiedziliśmy mauzoleum Piastów Śląskich oraz
wysłuchaliśmy ciekawej prelekcji stosownej do święta narodowego w tym dniu i tego miejsca.
Konferencja była pożyteczna .W uzupełnieniu do programu studiów uczestnicy mogli
znacznie pogłębid posiadaną wiedze teoretyczną o praktyczne jej wykorzystanie w nowoczesnych
rozwiązaniach technicznych maszyn i urządzeo energetycznych. Mając na uwadze toczącą się w kraju
dyskusję na temat budowy pierwszej w Polsce elektrowni atomowej oraz naciski UE na zmniejszenie
emisji CO2 wiedzę tę będą mogli wykorzystad już w najbliższym czasie. Można również powiedzied, że
uczestnicy posmakowali działalności naukowo-badawczej, radości z uzyskanych wyników, ale też
dodatkowej żmudnej i uciążliwej pracy przy poszukiwaniu i usuwaniu błędów. Dotyczy to głównie
tych, którzy prezentowali w referatach wyniki własnych prac badawczych. Doświadczenia pozostałych
przy opracowywaniu referatów i przygotowaniu prezentacji też były pożyteczne. Dla niektórych był
to tej skali pierwszy występ, połączony ze sporą emocją. co dało się zauważyd. Realizacja konferencji
nie była by możliwa bez współsponsorowania jej przez Dziekana Wydziału MEiL, Dyrektora ITC,
Samorząd Studencki oraz firmy Vattenfall Heat Poland oraz Energoprojekt Warszawa. Za tę pomoc
w imieniu uczestników konferencji. serdecznie dziękuje. Jako opiekun KNE i przewodniczący
Komitetu Naukowego Konferencji wystąpię do Władz Uczelni z prośbą o udzielenie pochwał z wpisem
do indeksu dla wyróżniających się jej organizatorów.
11
dr inż. Karolina Błogowska
Konferencja Nowoczesna Energetyka w Europie
Konferencja , która odbyła się w dniach 1 – 11 listopada 2008 miała na celu przybliżenie studentom
różnych aspektów energetyki na przykładzie elektrowni i elektrociepłowni w Austrii, Szwajcarii i
Niemczech. Program Konferencji obejmował 6 różnorodnych obiektów energetycznych, zaś jego
celem głównym była elektrownia atomowa w Leibstadt, gdzie możliwe było wejście do budynku
reaktora.
Wizyta w każdym z obiektów poprzedzona była referatami przybliżającymi daną problematykę.
Sukcesem Konferencji było zrealizowanie całości programu, zarówno pod względem poznawczym, jak
i naukowym. Prezentacje były prowadzone w programie Power Point głównie przez studentów,
którzy po raz pierwszy mieli okazję wystąpid przed większą liczbą słuchaczy. Taka forma wypowiedzi
sprawdziła się już na poprzednich Konferencjach ETE. Możliwośd wystąpienia na takiej Konferencji z
własna prezentacją pozwala studentom oswoid się z tą formą wypowiedzi, przy stosunkowo
niewielkim stresie, ponieważ audytorium stanowili przede wszystkim studenci. Referaty były w
większości dobrze przygotowane merytorycznie i czytelnie przedstawione. Niektóre z referatów
stanowiły fragmenty większych programów badawczych, inne stanowiły prezentację odwiedzanych
obiektów. Podczas tej Konferencji udało się zmobilizowad większośd studentów do napisania pełnych
treści artykułów, a nie tylko obowiązkowych streszczeo. Fakt ten można zaliczyd do niewątpliwych
sukcesów Konferencji.
Podczas Konferencji NEwE prowadzony był konkurs na najlepsze prezentacje. Konkurencję w
kategorii merytorycznej, opiniowaną przez komitet naukowy Konferencji wygrała inż. Marzena
Lasocka, natomiast w kategorii ogólnej prezentacji – Jan Błaszczyk, student II roku, który z racji
początkowego stadium studiów był zwolniony z obowiązku prezentowania referatu i robił to na
własną prośbę.
Dodatkowym aspektem tego rodzaju Konferencji jest związanie studentów z kierunkiem kształcenia i
zapoznanie z obiektami, jakie mogą byd w przyszłości celem ich projektów i miejscem pracy. W części
praktycznej zapoznanie się z prezentowanymi obiektami pozwoliło na skonfrontowanie wiedzy
książkowej oraz uzyskanej w dyskusjach z rzeczywistością. Moim zdaniem proporcjonalnie najwięcej
dały nam wizyty w elektrowniach szwajcarskich: Leibstadt i kompleksie: Nendaz - Bieudron
(elektrownie wodne). Z tych ostatnich jedna przechodzi remont, co pozwoliło nam wejśd do miejsc
normalnie zalanych wodą, w drugiej, działającej, mieliśmy okazję obserwowad 2 wirniki w trakcie
konserwacji.
12
Konferencja NEWE zorganizowana została w całości przez studentów i była przykładem dobrego
planowania. Jedyne trudności na jakie natrafili organizatorzy związane były z nierzetelnością
potencjalnych sponsorów i nie były zawinione przez studentów. Rozwiązanie kłopotów było możliwe
jedynie dzięki pomocy Dziekana oraz Dyrektora ITC. Studenci pracujący przy organizacji Konferencji
są w większości członkami Koła Naukowego Energetyków i brali już udział w podobnych
przedsięwzięciach, co skutkowało sprawnością organizacji. co wiedza wykładowa może stad się
bardziej zrozumiała i łatwiejsza do przyswojenia.
Konferencja NEwE pozwoliła na kontynuację edukacji pozauczelnianej przyszłej kadry polskich
energetyków, nie tylko w obszarze merytorycznym, ale również w obszarze planowania i organizacji
przedsięwzięcia o dużym , jak na możliwości Koła Naukowego rozmachu.
Zakład Termodynamiki
Instytut Techniki Cieplnej
13
Podziękowania od Studenckiego Koła
Naukowego Energetyki Niekonwencjonalnej
Warszawa, 17.11.2008
Koło Naukowe Energetyków
Studenckie Koło Naukowe Energetyki Niekonwencjonalnej
Szanowne Koleżanki i Koledzy
Chcielibyśmy podziękowad za zaproszenie do współpracy przy organizacji
Konferencji „Nowoczesna Energetyka w Europie”. Jesteśmy pod wrażeniem
zaangażowania i profesjonalizmu, jakim wykazali się organizatorzy. Mamy
nadzieję, że jest to początek owocnej współpracy nie tylko przy organizacji
Konferencji, ale również w sferze projektów naukowych.
Z poważaniem
14
3. Program Konferencji NEwE
15
Plan szczegółowy części naukowej
Sesja 1 – 1 listopada
Otwarcie Konferencji:
Adam Rajewski – Powitanie, kilka słów o Konferencji, przedstawienie uczestników –
studentów, kadry naukowej i gości.
Temat sesji:
Komisja:
Energetyka europejska wczoraj, dziś i jutro
Adam Rajewski
Damian Stępieo
Wystąpienia:
Tendencje rozwoju energetyki w Europie – Wojciech Skowrooski, KNE PW
Układy cieplne nowoczesnych elektrowni węglowych – prof. Józef Portacha, ITC
PW
Ekologia w życiu i w energetyce – przykład Szwajcarii – dr Karolina Błogowska,
ITC PW
59 lat działalności Energoprojektu-Warszawa S.A. –
– mgr inż. Sławomir Polanowski, Energoprojekt Warszawa S.A.
Sekwestracja dwutlenku węgla – Jan Kucowski, KNE PW
Problemy i bezpieczeostwo energetyczne Polski – Krzysztof Zabrzycki
Temat sesji:
Komisja:
Kogeneracja sposobem na oszczędzanie energii
Łukasz Sznajder
Michał Szwajewski
Wystąpienia:
Kogeneracja i mechanizmy prawne wspierające ją – Damian Stępieo, KNE PW
Elektrociepłownie z akumulatorami ciepła – Linz i Siekierki – Kamil Futyma, KNE
PW
Systemy ciepłownicze Warszawy i Wiednia – inż. Marzena Lasocka, KNE PW
Analiza typowych turbin upustowo-przeciwprężnych stosowanych w
ciepłownictwie –
– Kacper Samul, KNE PW
16
Temat sesji:
Komisja:
Studenckie badania naukowe w dziedzinie energetyki
prof. Józef Portacha
Kamil Wiśniewski
Wystąpienia:
Metody intensyfikacji procesów wymiany ciepła – Łukasz Sznajder, KNE PW
Problemy wymiany ciepła w reaktorach jądrowych – Adam Dominiak, KNE PW
Modelowanie turbiny parowej – Michał Spirzewski, KNE PW
Analiza dokładności obliczeo bilansowych układu cieplnego elektrowni jądrowej
–
– Mikołaj Włoch, KNE PW
Temat sesji:
Komisja:
Energia jądrowa – znowu w modzie
Adam Dominiak
Michał Spirzewski
Wystąpienia:
Energetyka jądrowa – nie tylko do produkcji energii elektrycznej – prof. Jóżef
Portacha
Elektrownie jądrowe z reaktorem BWR – Paweł Mazgaj, KNE PW
Japooska energetyka jądrowa – Małgorzata Matysek
Niemiecka energetyka jądrowa – Cezary Misiopecki
Temat sesji:
Komisja:
Energetyka przyjazna środowisku – odnawialne źródła energii
dr Karolina Błogowska
Małgorzata Matysek
Wystąpienia:
Elektrownie wodne Szwajcarii i Polski – próba porównania – Jakub Łuszcz
Studium wykonalności OZE w trzech technologiach –
– mgr inż. Sławomir Polanowski, Energoprojekt Warszawa S.A.
Instalacje fotowoltaiczne na obiektach użyteczności publicznej –
– Michał Deuszkiewicz, SKNEN
Wykorzystanie alkoholu etylowego jako paliwa silnikowego na przykładzie
Brazylii i USA
– Paweł Różacki, KNE PW
17
Temat sesji:
Komisja:
Bezpieczeostwo elektrowni jądrowych
Krzysztof Zabrzycki
Wystąpienia:
Układy zabezpieczeo w elektrowniach jądrowych – Szymon Suchcicki
Awarie elektrowni jądrowych – przekaz medialny a rzeczywistośd –
– inż. Adam Rajewski, KNE PW
Wpływ małych dawek promieniowania jonizującego na organizmy żywe –
– Katarzyna Matwiejewa, KNE PW
Temat sesji:
Komisja:
Technologie przyszłości – czy znajdą zastosowanie w praktyce?
Marzena Lasocka
Katarzyna Matwiejewa
Wystąpienia:
Generatory magnetohydrodynamiczne – Anna Trendewicz
Energetyka jądrowa a energetyka termojądrowa – Mariusz Kozelski
Sesja 8 – 7/8 listopada
Temat sesji:
Komisja:
Źródła szczytowe i awaryjne
Adam Rajewski
Kacper Samul
Wystąpienia:
Elektrownie szczytowe – Mariusz Perkowski
Zasilanie awaryjne obiektów przemysłowych – Kamil Wiśniewski, KNE PW
Silniki tłokowe czterosuwowe – Michał Szwajewski, KNE PW
Duże silniki tłokowe dla energetyki – Gabriel Grabski, KNE PW
Temat sesji:
Komisja:
Czyste technologie węglowe
Adam Dominiak
Łukasz Sznajder
Wystąpienia:
Elektrownia Schwarze Pumpe – Jan Błaszczyk
Instalacje odsiarczania spalin w EC Siekierki – Michał Bieokowski, Vattenfall
Heat Poland
Systemy nawęglania – Jerzy Nowicki, Energoprojekt Warszawa S.A.
18
Temat sesji:
Komisja:
Sesja zamykająca
dr Błogowska
Jakub Łuszcz
Wystąpienia:
Problem przyłączenia do sieci elektroenergetycznej użytkownika indywidualnego
z własnym zasilaniem – Eleonora Grodzicka
Piotr Brzezioski, Filip Grochowina
Podsumowanie Konferencji NEwE –
– prof. Józef Portacha, Adam Dominiak, Adam Rajewski
19
20
4. Uczestnicy Konferencji
21
prof. dr hab. inż. JÓZEF PORTACHA
dr inż. KAROLINA BŁOGOWSKA
mgr inż. Michał Bieokowski (VHP)
mgr inż. Marcin Muzaj (VHP)
mgr inż. Jerzy Nowicki(Energoprojekt)
JAN BŁASZCZYK
22
mgr inż. Sławomir Polanowski(Energoprojekt)
PIOTR BRZEZIOSKI
PIOTR CEPIOSKI
inż. MICHAŁ DEUSZKIEWICZ
ADAM DOMINIAK
KAMIL FUTYMA
GABREIL GRABSKI
MALWINA GRADECKA
FILIP GROCHOWINA
ELEONORA GRODZICKA
23
MARIUSZ KOZELSKI
JAN KUCOWSKI
Inż. MARZENA LASOCKA
JAKUB ŁUSZCZ
KATARZYNA MATWIEJEWA
MAŁGORZATA MATYSEK
PAWEŁ MAZGAJ
CEZARY MISIOPECKI
24
MARIUSZ PERKOWSKI
inż. ADAM RAJEWSKI
PAWEŁ RÓŻACKI
KACPER SAMUL
WOJCIECH SKOWROOSKI
MICHAŁ SPIRZEWSKI
DAMIAN STĘPIEO
SZYMON SUCHCICKI
25
ŁUKASZ SZNAJDER
MICHAŁ SZWAJEWSKI
ANNA TRENDEWICZ
KAMIL WIŚNIEWSKI
MIKOŁAJ WŁOCH
KRZYSZTOF ZABRZYCKI
26
5. Materiały konferencyjne
Abstrakty referatów uczestników Konferencji
27
EKOLOGIA W ŻYCIU I ENERGETYCE: PRZYKŁAD SZWAJCARII
Karolina BŁOGOWSKA
Adiunkt w Instytucie Techniki Cieplnej PW, dr inż.
Członek Komitetu Naukowego KN-T NEwE
Streszczenie
Praca dotyczy wpływu energetyki na środowisko i edukacji ekologicznej społeczeostwa. Pokazano
kilka paradoksów związanych z ekologią oraz obiegowych opinii wprowadzających w błąd
społeczeostwo. Porównano systemy informacji i edukacji ekologicznej w Szwajcarii i w Polsce.
Podkreślono rolę informacji w Internecie i dostępności wiedzy na różnych poziomach
zaawansowania. Wskazano na potrzebę rozwoju szeroko pojętej edukacji ekologicznej w Polsce.
Motto
„Istnieją rozmaite odruchy ekologiczne, nie ma ekologicznego rozumu”
(Umberto Eco, Ile drzew wyrzucam co roku do kosza.)
Rozdział 1 Paradoksy ekologii
Już na początku lat dziewięddziesiątych ubiegłego wieku Umberto Eco – literat i felietonista, a więc
humanista przede wszystkim, zauważył, że moda na ekologię pociąga za sobą zadziwiające skutki.*6+
We Włoszech istniała na przykład grupa ekologów zwalczających wszelkie oznaki postępu, w tym
szczególnie komputery. Dziś, gdy nie wyobrażamy sobie bez nich życia, używamy ich do pracy,
korespondencji i zabawy, zdajemy sobie sprawę, że dzięki komunikacji internetowej zużywa się mniej
papieru i paliwa, więc pośrednio służą one ochronie naszej planety. Dlatego podobne ruchy nie
brzmią dla nas poważnie. Ale przecież miały one miejsce zaledwie 15 lat temu! Problem z ekologią
polega na tym, że właściwie nie bardzo wiadomo, czemu ona ma służyd. Ochronie Ziemi: to jest
oczywiste. Ale ochronie Ziemi przed czym? Przed zmianami klimatu? Ale zmiany klimatu istniały na
Ziemi od czasów jej powstania…. Przed wpływem działalności ludzi? Też jest to niewykonalne. Ludzie
od czasu wynalezienia ognia wycinali lasy, aby się ogrzad, potem – budowad domy i uprawiad pola.
Oczywiście, teraz nasz wpływ na środowisko jest znacznie większy. Ale czy to faktycznie ludzkośd jest
odpowiedzialna za obecne zmiany klimatu? Rysunek 1 daje wiele do myślenia *7+. Niewątpliwie rację
miał prof. Jerzy Buzek, który stwierdził, że jeśli nie jesteśmy pewni, czy cos ma zły wpływ na klimat, to
ostrożnośd nakazuje postępowad tak, jakby miało. Jednak nie należy tracid z oczu zdrowego rozsądku,
bo wkrótce ktoś może dojśd do wniosku, że najlepszym sposobem uniknięcia antropogennego
wpływu na środowisko jest pozbycie się ludzkości..
Rozdział 2 Energetyka a ochrona środowiska
Świadomośd wpływu szeroko pojętej energetyki na środowisko istnieje od wielu lat.*9+. Jednakże,
poza specjalistami, niewiele osób orientuje się jak wielki i zróżnicowany jest ten wpływ. W
świadomości przeciętnego człowieka istnieje szkodliwy wpływ pyłów, ścieków i ostatnio – gazów
cieplarnianych. W rzeczywistości stanowi to jedynie niewielki wycinek oddziaływania energetyka –
środowisko. Schemat oddziaływania elektrowni konwencjonalnej na środowisko przedstawia rys. 2
[8]
28
Rysunek 1. Wybrane czynniki wpływające na zmiany klimatu.
Rysunek 2. Schemat oddziaływania elektrociepłowni na środowisko.
29
Trzeba zdawad sobie również sprawę, że energetyka odnawialna, która stała się ostatnio niezwykle
popularna
i jest promowana jako przyjazna środowisku, ma również znaczący wpływ na nasze otoczenie.
Niekontrolowane zużycie biomasy prowadzi do wycinki lasów lub wyjaławiania gleby. Farmy
wiatrowe,
poza
zmianami
w krajobrazie i zagrożeniem dla ptaków produkują duży hałas. Energetyka wodna (zarówno
śródlądowa,
jak
i oparta na pływach morskich) powoduje zmiany w krajobrazie i bilansie wodnym regionu. Duża
energetyka słoneczna , podobnie jak energetyka wodna powoduje zmiany w bilansie wodnym,
krajobrazie i klimacie okolicy, również za sprawą zmian temperatury w jej otoczeniu. Ponadto każdy
rodzaj energetyki wymaga maszyn i urządzeo, których produkcja i składowanie po zużyciu nie są
obojętne dla środowiska. Należy też zwrócid uwagę, że nawet docelowy poziom energetyki osiągany
ze źródeł odnawialnych stanowi zaledwie 20% globalnego zużycia energii w Europie. W skali Polski
odpowiada to udziałowi w produkcji energii elektrowni Bełchatów.
Myśląc o rozwoju energetycznym Europy musimy brad pod uwagę czynniki ekologiczne, nie tracąc
jednak z oczu głównego celu: zapewnienia bezpieczeostwa energetycznego jej mieszkaoców. A biorąc
pod uwagę zależnośd współczesnego człowieka od prądu elektrycznego (czyli sektorów takich jak:
oświetlenie, konserwacja żywności, przekaz informacji, bankowośd, medycyna) – mówiąc o
bezpieczeostwie
energetycznym
mówimy
w
rezultacie
o bezpieczeostwie fizycznym całych narodów.
Rozdział 3 Planowanie energetyczne
Przez ostatnie kilkadziesiąt lat Szwajcaria, w przeciwieostwie do wielu innych krajów Europy,
wydawała się rajem energetycznym. Energii nie brakowało, jednocześnie jej produkcja pochodziła z
wielu źródeł „czystych ekologicznie” jak woda, czy, wbrew pozorom, energetyka jądrowa. Niestety
ruchy ekologiczne nastawione głównie przeciw energetyce jądrowej właśnie spowodowały, że
elektrownia w Leibstadt jest ostatnią tego typu wybudowaną w tym kraju. Paradoksalnie, braki
energetyczne wynikające z niedomiaru produkcji krajowej zaspokajane były właśnie przez
energetykę jądrową. Prąd elektryczny sprowadzany jest na podstawie długoletnich kontraktów z
Francji i produkowany przez tamtejsze elektrownie jądrowe. Niestety nagle okazało się, że takie,
satysfakcjonujące ekologów rozwiązanie może spowodowad kryzys energetyczny w Szwajcarii już za 2
lata [1b]. Aktualne kontrakty na zakup energii we Francji kooczą się w 2010 roku i ze względu na braki
energii odczuwane niekiedy w tym kraju, istnieje obawa, że nie zostaną przedłużone. Jeśli tak się
stanie, Szwajcaria po raz pierwszy w swojej historii stanie przed poważnym kryzysem energetycznym.
Naukowcy i biznesmeni Szwajcarscy zastanawiają się dziś nad przyszłością energetyczną swojego
kraju. Pytania o energetykę budzą żywe dyskusje:



Czy potrzebna są nowe elektrownie wielkiej mocy?
Jaki jest naprawdę potencjał energetyki odnawialnej?
Jak najlepiej uzyskad energię w sposób ekonomiczny i ekologiczny?
To tylko główne z zadawanych pytao. Dyskusje na ten temat toczą się w gronie specjalistów, ale
społeczeostwo jest na bieżąco informowane o problemach, dylematach i rozwiązaniach. Serwisy
internetowe, istniejące we wszystkich językach federacji, dają możliwośd zdobycia rzetelnej
30
informacji z różnych źródeł *1,2,3,4+ nie tylko sponsorowanych przez poszczególne firmy
energetyczne. Istnieje w Szwajcarii zgoda na budowanie kolejnych elektrowni wodnych, jak również
turbin gazowych.[1a]
Dyskusja toczy się nad kolejnymi elektrowniami jądrowymi, których budowę wstrzymały protesty
ekologiczne, ale jeśli podjęta zostanie decyzja na „tak”, to cała infrastruktura prawna, przygotowanie
techniczne i zasoby ludzkie są gotowe, aby niezwłocznie wprowadzid ją w życie.
Rozdział 4 Edukowanie społeczeństwa
Edukowanie społeczeostwa to przede wszystkim dostęp do informacji. Z jednej strony informacji o
działaniach podejmowanych przez sektor energetyczny *1,2+, z drugiej – informacji rządowej o
sytuacji polityki energetycznej Szwajcarii i jej pozycji w ocenie Międzynarodowej Agencji Energii *3+.
Romaoska Federacja dla Energii prowadzi szeroko zakrojony program informacyjny dla społeczności
francuskojęzycznej. Na stronach federacji *1+ można znaleźd artykuły naukowe i popularno –
naukowe dotyczące planów, problemów i zagrożeo szwajcarskiej energetyki, ale również
rozwiązywania problemów energetycznych dnia codziennego, zdania ekologów i byłych ekologów,
nowoczesnych rozwiązao technicznych… Podsumowując; strona stanowi francuskojęzyczny zbiór
artykułów i tłumaczeo tekstów mogących zainteresowad ludzi związanych z energetyką , lub po
prostu nią zainteresowanych. Podobne strony istnieją również w języku niemieckim. Ciekawostkę
stanowi strona internetowa „energia – środowisko”*9+ istniejąca w obu wersjach językowych. Na
stronie korzystając z metody obrazkowej zrozumiałej nawet dla małych dzieci można znaleźd nie tylko
opis przedmiotów codziennego użytku przyjaznych środowisku, ale również np zestaw podręczników
do nauki o energii i ochronie środowiska od poziomu szkoły podstawowej.
Rozdział 5 Promocja zachowań proekologicznych - porównanie z Polską
Szwajcaria jest krajem ludzi zdyscyplinowanych. W praktyce oznacza to, że segregacja śmieci jest
problemem od dawna rozwiązanym, zakazy dotyczące np. hałasu są przestrzegane, podobnie jak
nakazy oszczędzania energii w miejscach publicznych. Jednak aby osiągnąd cele proekologiczne
należy uświadomid ludziom korzyści płynące z zachowao promujących ekologię. Tu również znaczącą
rolę odgrywa Internet *4+. To z niego przeciętny Szwajcar może się dowiedzied , jakie korzyści
przyniesie mu kupno energooszczędnej pralki i ile dobrego przyniesie to środowisku. Tam znajdą
również informację ekolodzy - amatorzy, w jaki sposób mogą ratowad Ziemię w życiu codziennym,
jakie zachowania, czy urządzenia są przyjazne środowisku. Bez problemu dotrzed można też
dowiedzied się, że używanie produktów klasy energetycznej A++ pozwoliłoby na ograniczenie emisji
CO2 o 2/3, a jedna lodówka tej klasy w ciągu 15 lat pozwala zaoszczędzid 700 CHF.
To co najbardziej zaskakujące w porównaniu z Polską to łatwośd dostępu do informacji, przystępnośd
jej prezentacji i poważne traktowanie czytelnika, niezależnie od poziomu profesjonalizmu, czy stopnia
popularności portalu.
Do informacji podobnych do prezentowanych powyżej w polskim Internecie w ogóle nie udało mi się
znaleźd. Po wpisaniu podobnych haseł ‘energetyka, ekologia” dotarłam jedynie do stron
reklamowych różnych firm oraz starych artykułów z pisma „Fakt”. Z poważniejszych stron oferujących
informację trafiłam na portal o nazwie: Wirtualny Nowy Przemysł, gdzie na stronach dotyczących
energetyki można się zapoznad z politycznymi i ekonomicznymi skutkami europejskich pakietów
ekologicznych i ich wpływie na sektor energetyczny. W jednym z artykułów *5+ znaleźd m.in.
informację: „W ramach działao edukacyjnych skierowanych do dzieci i młodzieży grupa Vattenfall,
31
w tym również w Polsce, ogłosiła wspólnie z National Geographic konkurs dla uczniów szkół średnich
"Pokonajmy zmiany klimatu".” Myślę, że podejmując tak potrzebną w naszym kraju ekologiczną akcję
edukacyjną należałoby zadbad o precyzję informacji: zmian klimatu nie można pokonad, można je
jedynie ograniczyd, wpływając na ich antropoidalne przyczyny. Artykuł zachęca też do innych działao
proekologicznych: wymiany żarówek na energooszczędne. ”Obliczono, że w typowym budynku
biurowym o powierzchni 2 tys. mkw., mieszczą cym 100 pracowników, taka operacja przyniesie
w skali roku 12 tys. zł oszczędności oraz zmniejszy emisję CO2 o 15 tys. kg.”
Ciekawym zbiegiem okoliczności na podobny temat trafiłam na szwajcarskim portalu energetycznym
*1a+. Tam jednak rozważania posunięto o krok dalej. Tytuł artykułu (przedruk z dziennika) brzmi
”Wielka bajka o żarówkach energooszczędnych”. W artykule zwrócono uwagę, na fakt, że żarówki
zużywają mniej prądu, ale i nie grzeją, wobec tego pomieszczenia należy dodatkowo dogrzewad, co
niweluje oszczędności, a nawet powoduje zwiększenie produkcji CO2. Ponadto na oświetlenie
w Szwajcarii zużywane jest zaledwie 3 do 4% energii elektrycznej, w skali zużycia krajowego, co
marginalizuje cały problem.
Nie dyskutując z postawionymi tezami, ani ich nie popierając warto się zastanowid, czy nieśmiałe
wprowadzanie edukacji ekologicznej w polskim społeczeostwie nie jest już na wstępie ograniczone do
odgórnie narzuconych schematów i czy o taką edukację ekologiczną powinniśmy zabiegad.
Dlatego też niezwykle ważne są wyważone wypowiedzi mówiące o polskiej energetyce jako całości.
Taką wypowiedzią są niewątpliwie wielokrotnie powtarzane słowa prof. Jerzego Buzka, tu
przytoczone za portalem Wirtualny Nowy Przemysł *10+:
„Potrzebny jest rozwój odnawialnych źródeł energii. Nie zastąpią one jednak klasycznych źródeł
wytwarzania prądu - mówi eurodeputowany prof. Jerzy Buzek.
Unia Europejska chce by kraje UE inwestowały w OZE. W roku 2020 z takich źródeł ma pochodzid
20 proc. produkowanego prądu (w Polsce 15 proc. całości produkcji energii).
- Czysta energia jest potrzebna. Jednak nawet jeśli uda się wypełnid założenia UE dotyczące takich
źródeł to nie oznacza to rezygnacji z klasycznej energii, a w przypadku Polski z energetyki opartej na
węglu - uważa nasz rozmówca. Dlaczego? - Bo spodziewamy się w następnych latach wzrostu
zapotrzebowania na energie elektryczną. Wzrost może byd nawet na poziomie 30-40 proc. Jeżeli więc
wypełnimy zobowiązania dotyczące OZE i nawet wybudujemy elektrownię jądrową to i tak będzie
potrzebne utrzymanie klasycznych siłowni. To wynika z prognoz wzrostu zapotrzebowania energii
elektrycznej - mówi europoseł. Jego zdaniem w tych regionach gdzie mogą byd wykorzystane OZE
należy to robid. - Skoro inni to stosują, to dlaczego my nie mamy pójśd tym tropem - mówi
prof. Buzek”.
Podsumowanie
Niech za podsumowanie przedstawionego artykułu posłuży kolejny cytat z Umberto Eco, z początku
lat 90tych ubiegłego wieku: „Racjonalnośd ekologiczna wsparta doświadczeniem naukowym to
umiejętnośd wyważenia, przy dokonywaniu wyboru, wszystkich za i przeciw, przy jednoczesnym
zdaniu sobie sprawy, że nie powrócą czasy sprzed dinozaurów (wytępionych zresztą przez naturę, nie
zaś człowieka), ale że trzeba dążyd do równowagi znośnej dla wszystkich synów Matki Gei”
(Umberto Eco, „Tutaj potrzebny jest kompromis ekologiczny”)
32
Bibliografia
1. Serwis internetowy http://www.frenergie.ch/
a/.Bommer J-P „La grande fable des lampes froides” 24 HEURES 25.04.2007
b/.Bommer J-P „ Pénurie électrique dès 2012 en Suisse? ” ,Le Temps, 2008
2. Futur énergétique en Suisse http://www.hti.bfh.ch/index.php?id=5253&L=1
3. „L'AIE se penche sur la politique énergétique de la Suisse”
http://www.news.admin.ch/message/index.html?lang=fr&msg-id=15890
4. le WWF - Efficacite energetique http://www.wwf.ch/fr/lewwf/notremission/climat
/campagne/efficacite_energetique.cfm
5. Ciepiela.D - „Energia i społeczna odpowiedzialnośd” 2008-07-19
http://www.wnp.pl/artykuly/energia-i-spoleczna-odpowiedzialnosc,4778_0_0_0_0.html
6. Eco Umberto „Drugie zapiski na pudełku od zapałek 1991 – 1993” wyd. Historia I Sztuka,
Poznao, 2005
7. Lean J., Rind D. „Climate Forcing by Changing Solar Radiation”, Journal of Climate,
Vol. II, pp. 3069-3094
8. Kucowski J Laudyn D, Przekwas M. „Energetyka a ochrona środowiska” Wyd.IV, WNT,
Warszawa 1997
9. Un site des Services cantonaux de l'énergie et de l'environnement
http://www.energie-environnement.ch/
10. Malinowski D. „Prof. Jerzy Buzek: OZE są potrzebne. ” Wirtualny Nowy Przemysł,
a. Energetyka 21-10-2008
b. http://energetyka.wnp.pl/prof-jerzy-buzek-oze-sa-potrzebne,63166_1_0_0.html
33
INSTALACJE FOTOWOLTAICZNE W OBIEKTACH UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ
Michał DEUSZKIEWICZ
Student Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW
Prezes ds. naukowych SKNEN
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Karolina Błogowska, ITC PW
Streszczenie
Niniejszy artykuł w krótki sposób opisuje historię powstania i ewolucji ogniw fotowoltaicznych oraz
ich działanie. Mówi o problemach energochłonności budynków i pokazuje jedno z rozwiązao, które
mogą zmniejszyd energochłonnośd i pomóc wypełnid zobowiązania protokołu Kioto. Opisany jest
nowy typ aplikacji ogniw tzn. BIPV – Building integrated photovoltaics tzn. zintegrowane z budynkiem
fotoogniwa. Na koocu znajduje się krótka analiza ekonomiczna wykonana przy Narodowym Instytucie
Standardów i Technologii w Maryland.
Historia
Większośd ludzi jest zaskoczonych słysząc, że ta technologia ma 160 lat. Hisotria została opisana w
krótkich punktach:
1839 Dziewiętnastoletni Francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel eksperymentując z
metalową elektrodą i elektrolitem zauważył, że oświetlone dają napięcie.
1883 Charles Fritts, Amerykaoski odkrywca, opisał pierwsze ogniwo fotoelektryczne zrobione z
płytek selenowych
1888
Edward Weston otrzymuje pierwszy Amerykaoski patent na ogniwo słoneczne
Albert Einstein także ma swoje dokonania w tym polu. W 1905 roku napisał pracę na temat produkcji
i transportu światła. Opisuje w niej teoretyczne podstawy efektu fotowoltaicznego.
1916
Robert Millikan eksperymentalnie udowadnia teorię Alberta Einsteina
1922 Einstein dostaje nagrodę Nobla za opisanie efektu fotowoltaicznego
Zaczyna się era komercyjnych ogniw słonecznych…
Laboratoria Bella, w czasie pracy nad krzemowymi półprzewodnikami, odkrywają, że krzem ma
właściwości fotoelektryczne. Szybko zbudowano, używane we wczesnych satelitach, krzemowe
ogniwo słoneczne osiągające 6% sprawności.
1954
Bell Labs wystawiają pierwsze krzemowe ogniwo o dużej mocy
1955 Western Electric sprzedaje licencje komercyjne na ogniwa krzemowe. Wczesne zastosowania
to – zasilane ogniwami urządzenia do rozmieniania bilonu oraz urządzenia do dekodowania kart
pracy
1958
Ogniwa zasilają radian a satelicie Vanguard I
1963
Japonia instaluje 242 W ogniwo na latarni morskiej – jest to największy układ na świecie
34
1966
NASA wysyła Orbitujące Astronomiczne Obserwatorium z ogniwem o mocy 1kW
1970s Badania zmniejszają cenę ogniw o 80%, pozwalając na zastosowania w nawigacji morskiej,
światłach ostrzegawczych, latarniach, przejazdach kolejowych itp – miejscach gdzie dociąganie sieci
jest nieopłacalne
1973
Solarex Corp zostaje załozona przez dwóch inżynierów z NASA
1974
Japonia tworzy “Projekt Światło Słoneczne”
1976
Kyocera Corp zaczyna produkowad krzemowe taśmowe krystaliczne moduły solarne
1977
US Dept. of Energy zakłada US Solar Energy Research Institute w Golden, CO
lata 80. Dalsze zwiększanie sprawności oraz zmniejszanie ceny ogniw fotowoltaicznych sprawia, że
ogniwa pojawiają się w kalkulatorach, zegarkach, radiach itp.
Niemcy i Japonia stosują dopłaty w celu ożywienia rynku ogniw fotowoltaicznych
1990
Niemcy uruchamiają program 100 000 dachów słonecznych.
1991 Prezydent George H. W. Bush zarządza powstanie Narodowego Laboratorium Energii
Odnawialnej 1994
Japonia uruchamia program 70 000 dachów słonecznych
1998
kW
California uruchamia program refundacji inwestycji w odnawialne źródła energii poniżej 30
2002 CA Public Utilities Commission uruchamia program refundacji inwestycji w odnawialne źródła
energii powyżej 30kW
2004 Pięciu producentów — Sharp, Kyocera, Shell Solar, BP Solar i RWE SCHOTT Solar — posiadają
60% rynku ogniw fotowoltaicznych
2006
W Kaliforni powstaje 3 miliardowy plan dopłat
Przegląd informacji na temat ogniw fotowoltaicznych
Ocenia się, że budynki konsumują ponad 40% energii (UE). Istnieje potencjał zmniejszenia konsumpcji
do ok. 22%. Podpisując protokół z Kioto Unia Europejska zobowiązała się do zmniejszenia emisji
gazów cieplarnianych o 8% do 2012 roku w stosunku do roku 1990. Zmiany w energochłonności
budynków muszą odegrad ważną rolę w wypełnieniu tego zobowiązania. Dyrektywa Unii Europejskiej
o Energochłonności Budynków z 2002 roku jest próbą zmuszenia do powstania odpowiednich
regulacji i standardów w tej kwestii.
Zużycie energii różni się pomiędzy regionami geograficznymi/paostwami. W Niemczech gdzie 44%
energii konsumowanej jest przez budynki, 32% jest potrzebne na grzanie. 5% na grzanie wody., 2% na
światło i ok. 5% na pozostałe potrzeby. Taki profil zużycia spowodowany jest przez słabą izolację
budynków.
Budynki biurowe mają podobne zużycie energii na ogrzanie jak budynki mieszkalne, lecz większośd
ma większe zużycie energii elektrycznej. Według Przeglądu Konsumpcji Energii w Baden-
35
Wuerttemberg średnie zużycie energii na ogrzanie to 217 kWh/m2a, a zużycie prądu 54 kWh/m2a.
Podobnie jest w Wielkiej Brytanii.
Rysunek 1. Wykres rocznej konsumpcji energii i kosztu eksploatacji budynków użyteczności publicznej w BadeniiWirtembergii.
Rysunek 2. Zróżnicowanie zużycia energii.
Rysunek 3. Udział w kosztach.
Jak widad na powyższych wykresach największa częśd energii zużywana jest na ogrzewanie.
Największe oszczędności można poczynid zmniejszając straty ciepła bądź montując OZE (zmniejszając
pobór energii z sieci). Nie należy jednak zapominad o redukcji poboru energii elektrycznej.
Szczególnie, że nie wszędzie zużywa się tak dużo energii na ogrzewanie.
Konsumpcja energii elektrycznej może zostad zmniejszona nawet o 50% (nawet do ok. 33 kWh/m²a
w zoptymalizowanym domu pasywnym). W rzeczywistości w większości budynków nie da się
zmniejszyd zużycia tak diametralnie.
36
Rysunek 4. Wielkośd konsumpcji energii po optymalizacji.
Powstaje pytanie w jaki sposób można obniżyd zużycie energii elektrycznej?
Niestety ciężko jest zmniejszyd zużycie energii elektrycznej w dzisiejszych czasach. Mimo
iż korzystamy z coraz bardziej energooszczędnych urzadzeo, faktem jest, że tych urządzeo mamy
coraz więcej. Wszelkie prognozy mówią, że zużycie energii elektrycznej w UE wzrośnie o ok. 50% do
2020 roku. Pytanie postawione powyżej należy zmienid na :
Jak produkowad energię elektryczną w sposób przyjazny środowisku?
Odpowiedzią jest zastosowanie między innymi ogniw fotowoltaicznych.
Ogniwo fotowoltaiczne to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii
promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego.
Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si),
germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie
ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymad baterie słoneczne.
Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.
Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na
złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują
powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością
złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury
do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego
napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają
nieskooczony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo
elektryczne.
Oczywiście autor referatu jest świadom, że ogniwami fotowoltaicznymi nie da się zastąpid elektrowni,
lecz są one z pewnością jedną z kilku przyszłościowych metod zmniejszenia emisji gazów
cieplarnianych.
Na corocznym European Union Sustainable Energy Week rozmawiano m.in na temat instalacji
fotowoltaicznych na budynkach mieszkalnych, biurowcach i szkołach itp. Dobre warunki, dla
fotowoltaiki na rynku niemieckim i hiszpaoskim, spowodowały szybki wzorst mocy zainstalowanej
w PV. Głównie w formie niezintegrowanych systemów fotowoltaicznych. Na spotkaniu poruszono
temat integrowania takich systemów w projekty budynków. Tworzenie tzw. Building Integrated
37
Photovoltaic (BIPV). BIPV jest to architektoniczne, strukturalne i estetyczne zintegrowanie ogniw
z budynkiem. Według zwolenników jest to najlepsza szansa na sukces ogniw fotowoltaicznych
w Europie. Jest wiele przykładów zintegrowanych systemy fotowoltaiczne, lecz nadal wiele systemów
to „dokładki” psujące wygląd budynków. Powodują tworzenie ubogiej architektury oraz zniechęcają
ludzi do PV. Problem wynika z tego, iż producenci ogniw widząc tak duże zapotrzebowanie przestali
zwracad uwagę na wygląd budynków i nie współpracowali z architektami. Poza tym sektor
budowniczy jest stosunkowo konserwatywny i nie otwarty na nowe, potencjalnie ryzykowne
pomysły. W celu zwiększenia zainteresowania i inwestycji w BIPV wielu krajach, takich jak Niemcy,
Hiszpania, Francja, Włochy czy Grecja stosuje się dodatkowe opłaty do prądu wyprodukowanego
właśnie w tego typu instalacjach. Dośd dużym przełomem może byd możliwośd zastosowania szyb
z ogniwami – krystalicznymi bądź cienkowarstwowymi. Szczególnie biorąc pod uwagę, że wielkie
połacie szkła to norma w nowoczesnym budownictwie. Pomysł ten można połączyd
z samoczyszczącymi się szybami oraz z antyrefleksyjnymi szybami.
Rysunek 5. Schemat budowy szkła solarnego.
Ogniwa cienkowarstwowe posiadają niższą sprawnośd, lecz mogą byd dopasowane kształtem
w zasadzie do każdej części budynku. Ogniwami krystalicznymi mogą byd pokryte na przykład
dachówki. Kolejnym ciekawym pomysłem jest CPV – concentrating photovoltaics, czyli ogniwa
fotowoltaiczne z koncentratorem promieni słonecznych. Dzięki odpowiednim soczewkom i lustrom
koncentrator kieruje większą ilośd energii na mniejsze ogniwo. Dzięki temu można zastosowad
mniejsze i sprawniejsze ogniwo za tą samą cenę.
Ogniwa w fasadach budynków mogą odegrad ważną rolę jako generatory prądu a także zastępując
drogie materiały używane do ozdoby fasad (granit itp.) Dobrym przykładem takiej instalacji jest CIS
Solar Tower Manchester. W 2005 roku CIS chcąc połączyd swoje działania „z naturą” zleciło
zastosowanie w swojej, odnawianej, centrali zintegrowanego z fasadą systemu fotowoltaicznego.
Powstała największa w Europie fasada z PV oraz największy system solarny w UK. Ten projekt
pokazuje z jaką łatwością można zastąpid konwencjonalne materiały budowlane ogniwami.
Nominalna moc ogniw w tym budynku to 391 kW.
38
Rysunek 6. Centrala CIS w Manchesterze.
Jedną z najbardziej popularnych aplikacji BIPV są okna solarne i świetliki. Ostatnio otwarta stacja
kolejowa
w Berlinie posiada 180kW system okiennych modułów. Ponieważ dach budynku jest zaokrąglony,
każdy moduł musiał byd specjalnie robiony by pasowad. Dach o powierzchni 1870 m2 mieści 780
modułów. System produkuje 160 MWh rocznie. Jest to największy system solarny w Berlinie.
Rysunek 7. Stacja Lehrter w Berlinie.
Także w Niemczech w mieście Herne jest jeden z największych systemów BIPV na świecie.
Zaprojektowany przez francuskiego architekta Jourda et Perraudina kompleks – akademia, hotel,
biblioteka i biura – ma instalacje fotowoltaiczną o mocy 1 MW rozpiętą na powierzchni 10 000 m2.
Moduły fotowoltaiczne są umieszczone tak by w optymalny sposób przysłaniad światło słoneczne
w pomieszczeniach.
39
Rysunek 8. Kompleks w Herne.
Kolejną ciekawą aplikacją BIPV jest stacja Stillwell Avenue na Coney Island w Nowym Jorku. Tutaj
postanowiono w czasie przebudowy wykorzystad dach, o powierzchni ponad 7000 m², do budowy
instalacji fotowoltaicznej. Ma ona 210 kW mocy. Zbudowana jest z amorficznych krzemowych
cienkowarstwowych modułów.
Centrum Madrid-2 La Vaguada to centrum komercyjno-wypoczynkowe na dachu, którego został
umieszczony system fotowoltaiczny o łącznej mocy 100 kW. System ten jest w pełni zintegrowany
z budynkiem. System podzielony jest na 3 niezależne podsystemy. Pierwszy znajduje się na płaskim
dachu budynku – 90 kW opartych na podpórkach zrobionych w 100% z plastiku z odzysku. Drugi
podsystem znajduje się na pochylonej ścianie 4,9 kW. Są to półprzepuszczalne okna solarne. Trzeci
podsystem to daszek – 5,2 kW. Dodatkowo w celach edukacyjnych odwiedzający mogą poznad
parametry systemu.
Rysunek 9. Madrid-2 La Vauada.
Solarna fasada „Schott Iberica” w Barcelonie. Projekt został zrealizowany w 2005 roku jako
odnowienie pięciopiętrowej klatki schodowej i przyległych do niej części budynku cierpiących na
przegrzanie z powodu niewystarczającej wentylacji, braku cienia oraz ogólnie nieprawidłowej
wymiany ciepła. Wielofunkcyjna podwójnie przeszklona kurtyna zawierająca kombinację
nowoczesnych przeźroczystych ogniw fotowoltaicznych i kolorowych okien została stworzona jako
substytut starej. System ogniw fotowoltaicznych zawiera 27 modułów o mocy 50 W każdy co daje
w sumie 1,35 kW. Fasada ustawiona jest na południowy zachód. Została zastosowana
40
zoptymalizowana naturalna wentylacja jako przejście między klimatyzowanymi pomieszczeniami
biurowymi a otoczeniem.
Rysunek 10. Solarna fasada „Schott Iberica” w Barcelonie.
Ekonomia
Ekonomia została omówiona na przykładnie 35 kW układu fotowoltaicznego zamontowanego na
dachu Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Maryland. Układ został uruchomiony w
2001 roku. Pod panelami ogniw znajduje się dodatkowa izolacja, dzięki czemu oprócz zmniejszania
zużycia prądu z sieci, zmniejszone zostały także straty cieplne budynku.
Rysunek 11. Natężenie promieniowania słonecznego.
Jak widad wartości natężenia są dośd podobne (troszkę lepsze) do warunków polskich. Przy takim
natężeniu układ uzyskiwał sprawności:
41
Rysunek 12. Średniomiesięczne sprawności systemu.
Liczone ze wzoru:
Gdzie:
A – powierzchnia
H – natężenie promieniowania słonecznego W/m2
P – moc układu
Roczny profil sprawności:
42
Należy zwrócid uwagę na skomplikowanie taryfy. Jest ona podzielona na letnią i zimową oraz na
dystrybucję, transmisję i generację prądu oraz na szczyty i doliny poboru energii:
Układ dał oszczędności w wysokości:
Jak widad oszczędności poczynione dzięki ogniwom słonecznym są małe w stosunku do poniesionych
kosztów na uruchomienie takiej instalacji (230000$). Należy jednak pamiętad, że do tego typu
instalacji są dofinansowania np. z Unii Europejskiej sięgające nawet 50% wartości projektu. Nie należy
także zapominad o zielonych certyfikatach. Dzięki temu systemowi nie wyemitowano do atmosfery
ok. 5000 kg dwutlenków siarki, 5000 kg tlenków azotu i ok. 560 ton dwutlenku węgla.
Wnioski
Z analizy wynika, że stosowanie ogniw fotowoltaicznych nie jest opłacalne z punktu widzenia ekonomi. Taki stan
rzeczy nie potrwa jednak długo, ponieważ sprawności ogniw są coraz wyższe a ich cena spada. Ogniwa
słoneczne pokonują taką samą drogę jak każda inna technologia – na początku bardzo drogie i stosowane tylko
w wyjątkowych wypadkach z czasem stają się produktem komercyjnym stosowanym na szeroką skalę. Nie
inwestowanie w rozwój ogniw fotowoltaicznych wydawałby się dużym błędem gdyż mają naprawdę duży
potencjał.
43
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
44
www.pvdatabase.org
A. Hunter Fanney, E.R Weise, K.R. Henderson, „Measured performance of 35 kilowatt roof top
photovoltaic system”
Ursula Eicker – „Solar Technologies for buildings”
Materiały konferencyjne – SOLPOL 2008, Warszawa
Magazyn Polska Energetyka Słoneczna
PROBLEMY CIEPLNE W EKSPLOATACJI REAKTORÓW ENERGETYCZNYCH
Adam DOMINIAK
Wiceprezes Koła Naukowego Energetyków PW
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Maciej Jaworski, ITC PW
Streszczenie
W artykule przedstawiono podstawowe problemy jakie występują przy eksploatacji i projektowaniu
reaktorów energetycznych. Przedstawiono różnego typu współczynniki pomagające określid procesy
zachodzące w reaktorze a także sposób ich wykorzystania w optymalizacji pracy i zagadnieniach
bezpieczeostwa pracy reaktora. Ponadto przedstawiono wyniki ciekawych badao jakie w ostatnich
latach przeprowadzono w kierunku usprawnienia pracy elektrowni jądrowych.
Wstęp
Jądrowy reaktor energetyczny jest źródłem ciepła, które najczęściej jest używane do produkcji energii
elektrycznej w elektrowni jądrowej. Chociaż jak możemy przekonad się z referatów na naszej
Konferencji można używad ich także do produkcji ciepła w kogeneracji i bez. W związku z generacją
dużych ilości ciepła zagadnienia wymiany ciepła i przepływu chłodziwa w reaktorze odgrywają istotną
rolę w trakcie projektowania i eksploatacji reaktorów jądrowych.
Gęstośd mocy cieplnej w rdzeniu reaktora jądrowego jest ograniczona ze względu na możliwośd
odbioru ciepła przez chłodziwo przy jednoczesnym nieprzekroczeniu dopuszczalnych temperatur
różnych elementów rdzenia reaktora. Jest to bardzo istotne ograniczenie, gdyż z punktu widzenia
reakcji rozszczepienia nie ma ograniczenia na gęstośd mocy reaktora. Reaktor mógłby wytwarzad
dowolnie wielką moc, gdyby mogła byd ona odebrana przez chłodziwo.
W celu odebrania możliwie największej mocy cieplnej z reaktora, należy wybrad odpowiednie
chłodziwo i zapewnid odpowiednio duże jego masowe natężenie przepływu przez rdzeo. Konieczne
jest również zapewnienie odpowiednio dużej wymiany ciepła pomiędzy elementami paliwowymi
a chłodziwem. Stąd rdzeo reaktora składa się z dużej liczby elementów paliwowych.
Analiza wymiany ciepła i przepływu chłodziwa pozwala na dobór parametrów geometrycznych
i materiałowych siatki elementów paliwowych w rdzeniu reaktora. W rdzeniu reaktora jądrowego
mają miejsce różne mechanizmy wymiany ciepła. Tak więc w samym elemencie paliwowym
występuje przewodzenie ciepła. Z elementu paliwowego do chłodziwa jest ono przenoszone
w wyniku konwekcji. Chłodziwem może byd czynnik jednofazowy (PWR) lub dwufazowy (BWR).
Cele, dla których przeprowadzamy analizę
Istnieje kilka oczywistych celów, do których dąży się przeprowadzając analizę cieplno-przepływową
reaktora. Należy się starad osiągnąd możliwie największą gęstośd mocy w rdzeniu reaktora. Dzięki
temu można zmniejszyd wymiary rdzenia i wsad paliwa. Należy się także starad osiągnąd możliwie
wysoką temperaturę chłodziwa na wylocie z reaktora, co wpływa na zwiększenie sprawności cieplnej
elektrowni. Z tego powodu prowadzi się badania i analizy w różnych dziedzinach mając na celu
usprawnienie działania danych elementów i mechanizmów.
45
Ograniczenia związane z paliwem
Jednym z ograniczeo nałożonych na procesy zachodzące w reaktorze jest wymaganie, aby
maksymalna temperatura paliwa w reaktorze była niższa od jego temperatury topnienia.
W reaktorach energetycznych materiałem paliwowym jest dwutlenek uranu UO2, którego
temperatura topnienia wynosi około 2800°C. Z tego ograniczenia wynika maksymalna moc cieplna
przypadająca na jednostkę długości elementu paliwowego – dla UO2 wynosi ona 66kW/m dla
standardowych średnic elementu paliwowego tj. 12-14mm.
Niska przewodność cieplna dwutlenku uranu (UO2)
Pastylka paliwowa jest najczęściej wykonana z dwutlenku uranu UO2. Przewodnośd cieplna jest jedną
z najważniejszych właściwości pastylek jako, że bezpośrednio wpływa na temperatury jakie występują
w paliwie a w efekcie na osiągi i zachowanie reaktora podczas pracy. Szczególnie jeśli chodzi o
wydzielanie gazów podczas reakcji rozpadu oraz pęcznienie pastylek. Przewodnośd cieplna dwutlenku
uranu jest bardzo niska, jeżeli ją porównywad z czystym uranem czy związkami uranu z azotem lub
węglem, jednakże poczyniono wiele starao aby zwiększyd ten współczynnik.
Technologia wykonywania pastylek pozwala na wykonanie ich o porowatości około 5%. Jako, że jest
to materiał ceramiczny (tlenek) ma niską przewodnośd cieplną. W związku z tym różnice temperatury
występujące w pastylkach pomiędzy wnętrzem a brzegiem są bardzo duże – dochodzą nawet do
1400°C.
Rysunek 1. Rozkład temperatury w elemencie paliwowym.
Znane są metody pozwalające zwiększyd przewodnośd cieplną materiałów ceramicznych (a takim jest
dwutlenek uranu). W tym celu wykorzystywany jest tzw. cermet uranowo-molibdenowy, gdzie metal
46
(tu: molibden) jest spoiwem dla tlenku uranu podtrzymuje kowalnośd, przewodnośd cieplną,
odpornośd na zmiany temperatury i wstrząsy. Na zdjęciu przedstawiono mikrostrukturę tlenku uranu
i jego 3- i 5% spieków z MoO3
Rysunek 2. Mikrostruktura UO2 i UO2 spiekanego z MoO3 w mieszaninie CO2/CO w proporcjach 19/1.
Poniżej przedstawiono wyniki badao południowokoreaoskich naukowców nad współczynnikiem
przewodności cieplnej czystego tlenku uranu oraz cermetu tlenku uranu z tlenkiem molibdenu.
Wyniki pokazują, że współczynnik przewodności cieplnej cermetu jest większy od UO2, rośnie wraz
z zawartością tlenku molibdenu w pastylkach, jednak różnica ta maleje wraz ze wzrostem
temperatury.
47
Rysunek 3. Zależnośd współczynnika przewodności cieplnej tlenku uranu o różnej zawartości molibdenu od temperatury.
Ograniczenia związane z koszulką
Podstawowym zadaniem koszulki elementu paliwowego jest niedopuszczenie do wydostania się
produktów rozszczepienia, wytwarzanych w paliwie, do chłodziwa, a następnie na zewnątrz obiegu
chłodzenia reaktora. Koszulka elementu paliwowego pracuje w trudnych warunkach. Z obydwu stron
działa na nią ciśnienie: od zewnątrz jest to chłodziwo a od wewnątrz ciśnienie produktów
rozszczepienia. Wynikiem tego są naprężenia w koszulce. W koszulce obok naprężeo odciśnieniowych
występują także termiczne oraz wynikłe z pęcznienia i pękania pastylek paliwowych. W związku ze
wszystkimi tymi procesami określa się maksymalną, dopuszczalną temperaturę koszulki powyżej
której może dojśd do uszkodzenia koszulki.
Rysunek 4. Kaseta paliwowa. Wewnątrz elementów paliwowych znajdują się pastylki paliwowe, gdzie zachodzi reakcja
rozszczepienia. Wokół koszulek znajduje się chłodziwo.
W reaktorach jądrowych występuje pojęcie krytycznego strumienia ciepła (CHF – critical heat flux).
Jest on bezpośrednio związany z kryzysem wrzenia. Temperatura koszulki może wzrosnąd nawet
o kilkaset stopni Celsjusza co może doprowadzid do uszkodzenia elementu. W trakcie normalnej
eksploatacji reaktora strumienie ciepła w reaktorach chłodzonych wodą muszą byd mniejsze od
strumieni krytycznych co stanowi jedno z istotniejszych ograniczeo mocy reaktorów PWR i BWR.
W związku z tym wprowadza się DNBR (Departure from Nucleate Boiling Ratio):
48
Reaktor powinien byd tak zaprojektowany, aby wartośd DNBR nie spadła poniżej dopuszczalnej
wartości w najbardziej niekorzystnych warunkach. Aktualnie do wyznaczania tego współczynnika
wykorzystywane są coraz częściej techniki obliczeniowe oparte na sieciach neuronowych, które
reagując na aktualne warunki występujące w reaktorze określają bezpieczny współczynnik. Na
przykład dla amerykaoskich reaktorów PWR w literaturze można znaleźd wartośd minimalną DNBR
1,3 przy mocy reaktora równej 115% mocy nominalnej.
Ograniczenia związane z chłodziwem
W rdzeniach reaktorów dążymy do utrzymania niskiego wzrostu temperatury czynnika chłodzącego
w celu zmniejszenia naprężeo termicznych przy wyłączeniu awaryjnym oraz zmniejszeniu strat
egzergetycznych podczas normalnej eksploatacji reaktora. Dlatego przyrost temperatury wynosi ok.
30°C na jeden obieg.
Przeprowadzono badania mające na celu sprawdzenie optymalnej konfiguracji elementów
paliwowych
w reaktorze, tak aby chłodziwo mogło odbierad od nich możliwie maksymalną moc. Jako wyznacznik
przyjęto współczynnik skoku siatki do średnicy elementu paliwowego (P/D). Poniżej przedstawiono
rezultaty badao:
Rysunek 5. Zależnośd osiągalnej mocy cieplnej (górna krzywa) i elektrycznej (dolna krzywa) od współczynnika P/D.
Maksymalną moc cieplną uzyskujemy przy współczynniku P/D równym 1,64 a moc elektryczną przy
współczynniku 1,62. Odpowiednio 240MW i 98 MW. Moc osiągalna spada dla większych
współczynników z powodu zmniejszenia współczynnika wymiany ciepła pomiędzy koszulką a
chłodziwem ze względu na zmniejszenie prędkości czynnika chłodzącego i turbulencji chłodziwa w
okolicach prętów paliwowych.
Źródło ciepła w reaktorze
Generalnie reakcje zachodzące w reaktorze powodują powstawanie źródeł ciepła we wszystkich
elementach reaktora. Jednak przeważająca jej częśd jest generowana w paliwie (ok. 90%). Nie jest to
jednak, jak by się mogło wydawad, rozkład równomierny w całym elemencie. Na zmianę w czasie
rozkładu źródeł ciepła w rdzeniu wpływa wiele czynników. M.in. nierównomierne wypalanie się
paliwa, załadowanie rdzenia paliwem o różnym wzbogaceniu czy elementy regulacyjne np. pręty
regulujące reakcję.
Zmiana przewodności cieplnej gazów w szczelinie
W elementach paliwowych szczelinę pomiędzy koszulką a pastylką wypełnia się helem (jako gaz
antykorozyjny o wysokiej przewodności cieplnej). W trakcie pracy reaktora szczelina wypełnia się
49
gazowymi produktami rozszczepienia – głównie kryptonem i ksenonem. Przewodnośd cieplna takiej
mieszaniny gazów jest kilkadziesiąt razy mniejsza od przewodności cieplnej czystego helu. W takim
razie w trakcie eksploatacji następuje wzrost różnic temperatury pomiędzy brzegami szczeliny, który
potrafi sięgad 300°C lub znacznie więcej. Dla przykładu w temperaturze 520°C przewodnośd cieplna
helu wynosi 0,3 a mieszaniny produktów rozszczepienia 0,014 W/mK.
Wnioski
Jak wspomniano już kilkakrotnie moc reaktora jądrowego jest ograniczona przez możliwości odbioru
ciepła z jego rdzenia. Dlatego bardzo ważną rolę odgrywają obliczenia cieplno-przepływowe.
Prowadzi się analizy dla pęczków elementów paliwowych, kaset paliwowych, rdzenia i całego obiegu
reaktora. Przeprowadza się je głównie dla stanu ustalonego tak, aby można było dobrad takie
parametry cieplno-przepływowe pozwalające na osiągnięcie maksymalnej mocy odbieranej z
reaktora przy jednoczesnym nieprzekroczeniu istniejących ograniczeo.
Prowadzone są także obliczenia dla stanów nieustalonych, które mogą wystąpid przy zwykłej
eksploatacji reaktora jak i dla stanów awaryjnych.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
50
Kiełkiewicz Marian, Teoria reaktorów jądrowych, PWN, Warszawa 1987.
Jezierski Grzegorz, Energia jądrowa wczoraj i dziś, WNT, Warszawa 2005.
Si-Hyung Kim, Fabrication method and thermal conductivity assessment of molybdenum-precipitated
uranium dioxide pellet [w:] Journal of Nuclear Materials 352, 2006.
Arnaud Susplugas, Ehud Greenspan, ENHS reactor power level enhancement possibilities [w:] Progress
in Nuclear Energy 50, 2008.
ELEKTROCIEPŁOWNIE Z AKUMULATOREM CIEPŁA – LINZ I SIEKIERKI
Kamil FUTYMA
Student wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW
Członek Koła Naukowego Energetyków PW
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Paweł Skowrooski, ITC PW
Streszczenie
W referacie poruszony został temat budowy i wykorzystania akumulatorów ciepła pracujących
w elektrociepłowniach. Pokrótce przedstawione zostały zalety systemów akumulacji ciepła oraz
scharakteryzowano działanie akumulatora w elektrociepłowni Linz.
Zalety systemów akumulacji ciepła
Głównym zadaniem elektrociepłowni jest produkcja ciepła. Energia elektryczna produkowana jest
wynikowo, a jej ilośd zależy od ilości wyprodukowanego ciepła. Latem, szczyt zapotrzebowania na
energię elektryczną często mija się ze szczytem zapotrzebowania na ciepło. Ponieważ elektrycznośd
w czasie szczytowego zapotrzebowania jest najdroższa logiczne jest, że dąży się do możliwie
największej jej produkcji w tym okresie. W przypadku bloku z turbiną przeciwprężną, możliwości
zwiększenia produkcji energii elektrycznej w szczycie jej zapotrzebowania są bardzo ograniczone,
sprowadzają się głównie do przegrzewania sieci ciepłowniczej. Do zwiększenia produkcji energii
elektrycznej wykorzystuje się systemy akumulacji ciepła. To dzięki nim, elektrociepłownia może
wytwarzad więcej energii elektrycznej w szczycie, mimo niskiego zapotrzebowania na ciepło, którego
nadwyżka gromadzona jest w akumulatorze. Nie jest to jedyna zaleta akumulatorów. Akumulatory
ładowane są w dolinach nocnych – okresach niższego obciążenia cieplnego. Rozładowywane są
w okresach szczytu i jeśli zmiana zapotrzebowania na ciepło przekracza wartośd, przy której
konieczne byłoby uruchomienie kolejnej jednostki, to akumulatory redukują czas pracy tych
jednostek i innych urządzeo. Kolejną korzyścią płynącą z zastosowania akumulatorów ciepła może
byd lepsze wykorzystanie paliwa, w wyniku tego zmniejszona zostaje emisja dwutlenku węgla, co jest
istotne
w dobie walki z globalnym ociepleniem.
Budowa akumulatora ciepła
Konstrukcja akumulatora ciepła nie jest zagadnieniem skomplikowanym. Jest to zbiornik w kształcie
walca, największe dochodzącej do 50 metrów średnicy i kilkudziesięciu metrów wysokości.
Akumulator
zbudowany
jest
z
blach
spawanych.
Izolacja
takich
zbiorników
zapewnia
zminimalizowanie strat ciepła. Czynnikiem akumulującym ciepło jest najczęściej woda. Istotne jest
aby przepływ czynnika przez akumulator był możliwie laminarny – tak aby nie następowało mieszanie
warstw wody o różnych temperaturach. Operację ładowania i rozładowywania akumulatora
przedstawiają rysunki poniżej.
51
Q
Q
Q
Rys. 1 Ładowanie akumulatora.
Q
Q
Q
Rys. 2 Rozładowywanie akumulatora.
Instalacja w EC Linz
Jednym z obiektów, gdzie pracuje akumulator ciepła jest gazowo – parowa elektrociepłownia w Linz,
w Austrii. Tamtejszy magazyn ma 65 metrów wysokości, 26 metrów średnicy i pojemnośd cieplną
1300 MWh. Pokryty jest pięddziesięciocentymetrową warstwą izolatora o przewodności cieplnej
0,05 W/m2K. Maksymalna temperatura wody to 97°C. Akumulator został zaprojektowany do pracy
w cyklu tygodniowym. Zimą ładowanie dobywa się nocą (od około 22 do około 6 rano),
a rozładowywanie podczas dnia. Latem akumulator jest ładowany od poniedziałku do piątku,
rozładowywanie odbywa się w czasie weekendu, kiedy to zapotrzebowanie na energię elektryczną
spada. Wiosną i jesienią praca akumulatora uzależniona jest od cen energii i zapotrzebowania na
ciepło. Wtedy wykorzystanie akumulatora umożliwia zaspokojenie zapotrzebowania na ciepło
w szczycie porannym, bez potrzeby uruchamiania kotłów szczytowych.
52
Instalacja w EC Siekierki
Jedną z takich instalacji w Polsce będzie akumulator budowany w EC Siekierki. Będzie to zbiornik
bezciśnieniowy o pojemności brutto około 22 600m3, średnicy 27 metrów i wysokości 40 metrów.
Układ akumulacji ciepła będzie podłączony bezpośrednio w system bloków ciepłowniczych BC-100.
Pojemnośd cieplna akumulatora przy maksymalnej temperaturze wody w zbiorniku 95 oC będzie
wynosiła około 4200 GJ. Maksymalna moc ładowania lub rozładowywania akumulatora wyniesie 260
MW.
Wnioski
Efekty modernizacji elektrociepłowni Linz, której jednym z elementów była budowa akumulatora ciepła,
pokazują, że układy akumulacji ciepła mogą przynosid korzyści ekonomiczne i związane z ochroną środowiska.
Optymalizują i uelastyczniają pracę elektrociepłowni. Zwiększenie efektywności wykorzystania paliwa zachęca
do budowy tego typu układów. Obostrzenia dotyczące emisji dwutlenku węgla, duża różnica cen energii
elektrycznej w szczycie i poza nim dodatkowo stymulują do stosowania takich rozwiązao.
Bibliografia
1. Johann Gimmelsberger. Efficient energy supply for city of Linz .
2. Dane z firmy Linz Strom GmbH.
3. Dane z firmy Vattenfall Heat Poland.
4. Centrum Informacji o Rynku Energii. [www.cire.pl]
53
DUŻE SILNIKI TŁOKOWE DLA ENERGETYKI
Gabriel GRABSKI
Opiekun naukowy referatu: prof. Andrzej Teodorczyk, ITC PW
Wytwarzanie podstawowych nośników energii, a więc energii elektrycznej, ciepła i zimna, opiera się
ciągle głównie na procesach cieplnych z wykorzystaniem energii chemicznej paliw. Zamiana Energii
Chemicznej może byd dokonywana w tłokowych silnikach spalinowych, są one w stanie konkurowad
na rynku z turbinami gazowymi dzięki swej niezawodności i wysokim sprawnością . Na świecie
pracują tysiące instalacji energetycznych opartych na silnikach spalinowych, ciągle są budowane
nowe. Pozwala nam to dojśd do wniosku, że jeszcze przez długi czas silniki spalinowe będą zajmowały
w naszym życiu ważną role.
1. Budowa i podstawowe parametry dużych silników tłokowych.
Każdy silnik tłokowy zbudowany jest z kadłuba, głowicy, mechanizmu korbowego, mechanizmu
rozrządu, układu smarowania, układu chłodzenia, układu zasilania, układu zapłonowego. Głównymi
wielkościami jakie charakteryzują silnik spalinowe są:
Pojemnośd skokowa – różnica pomiędzy minimalną a maksymalną objętością cylindra w silniku
spalinowym wyrażana w centymetrach sześciennych = cm³.
Stopieo sprężania – stosunek objętości powietrza w cylindrze silnika na koocu suwu ssania do
objętości powietrza na koocu suwu sprężania.
Prędkośd obrotowa – wielkośd określająca ilośd obrotów wału korbowego na minutę.
Maksymalny moment obrotowy – maksymalny moment obrotowy przekazywany z wału silnika do
układu napędowego. Moc silnika – stosunek wykonywanej przez silnik pracy do czasu jej wykonania.
Objętościowy wskaźnik mocy – stosunek mocy silnika do objętości skokowej.
Jednostkowe zużycie paliwa – określa masową lub objętościową ilośd paliwa potrzebną do wykonania
określonej pracy w określonej jednostce czasu.
Na rynku oferowane są 4 rodzaje dużych silników tłokowych:
1.Silniki diesla na paliwa ciekłe. Silniki te mogą pracowad na różnych paliwach: lekkim i ciężkim oleju
napędowym, biopaliwach ciekłych , ale także nierafinowanej ropie naftowej.
2. Silniki gazowe o zapłonie iskrowym. Takie silniki mogą byd zasilane gazem o odpowiedniej
wartości opalowej (powyżej 24 MJ/m³), oraz liczbie metanowej. Liczba metanowa określa odpornośd
54
gazu ziemnego na spalanie stukowe zmienia się wraz ze zmianą składu gazu.
3. Silniki dwupaliwowe. Te silniki mogą pracowad w dwóch trybach. Standardowo są zasilane gazem,
ale muszą mied do zapłonu dawkę pilotującą paliwa ciekłego (lekkiego oleju napędowego) - ok. 5%
energetycznie. Ta dawka powoduje zapłon gazu (niejako "zamiast" świecy zapłonowej). Drugi tryb to
praca wyłącznie na oleju - np. na wypadek przerwania dostaw gazu. Silnik może przełączyd się
pomiędzy tymi trybami automatycznie pod obciążeniem.
4. Silniki wysokoprężne gazowe - Gas Diesel. To jest specyficzny rodzaj silnika, może pracowad tak
samo jak DF, ale ma tez możliwośd pracy na mieszance olejowo-gazowej o różnych proporcjach,
w dodatku płynnie zmiennych (w określonym zakresie). To jest np. rozwiązanie dla instalacji
naftowych, gdzie spalany jest gaz wydobywany "przy okazji" i nigdy nie wiadomo ile go akurat będzie.
2 Kierunki rozwoju dużych silników tłokowych.
Są prowadzone ciągle badania nad zmniejszeniem jednostkowego zużycia paliwa. Na diagramie są
przedstawione jak rozwijane technologie pozwoliły na zwiększenie sprawności a tym samym
zmniejszaniem jednostkowego zużycia paliwa. Założenia na następne lata są takie aby obniżyd je
jeszcze o kolejne 10%
Kolejnym kierunkiem rozwoju dużych silników tłokowych jest zmniejszenie emisji NO x. Jest to
spowodowana wprowadzaniem coraz to ostrzejszych przepisów związanych z ochroną środowiska.
Aby firmy produkujące silniki tłokowe mogły wypuszczad na rynek swe produkty muszą spełniad
wszelkie normy co do emisji.
55
Hałas jaki wydobywa się z pracującego silnika jest dośd uciążliwy, dlatego w tym kierunku są też
prowadzone badania, powstały już nawet osłony redukujące hałas które redukują go o 96%
3 Zastosowanie silników tłokowych w energetyce
Energetyka to nie tylko duże elektrownie napędzane turbinami, to także mniejsze lokalne źródła
ciepła, energii w których zamiana energii chemicznej na energie mechaniczna następuje w silnikach
tłokowych które są bardziej opłacalne przy mocach od kilku kW do kilkunastu MW.
I tak silniki tłokowe są stosowane do:
Napędu układów kogeneracyjnych
Są to układy o mocach od kilkunastu kW do
kilkunastu MW, charakteryzują się bardzo dobrą
sprawnością ogólną dochodzącą do 90%, elektryczną
do 45%, co sprawia ze na tle małych turbin wypadają
naprawdę dobrze. Są to urządzenia kompaktowe, nie
zajmujące dużo miejsca. Mogą byd one zasilane
nietypowymi paliwami zarówno gazowymi jak
i ciekłymi.
Agregatów prądotwórczych (przenośnych i stacjonarnych)
Silniki tłokowe znalazły zastosowania w różnego rodzaju agregatach
prądotwórczych zarówno przenośnych jak i stacjonarnych. Są one
używane wszedzie tam gdzie nie ma dostępu do sieci elektrycznej
56
Napędu urządzeń chłodniczych i grzewczych
Coraz częściej obok produkcji energii elektrycznej jest
produkowany chłód który jest używany do układów
klimatyzacyjnych. Odebranie ciepła z układu chłodzenia silnika
i układu odprowadzania spalin pozwala na wykorzystanie owego
ciepła do napędu chłodziarki absorpcyjnej.
Układów trójgeneracyjnych
Wszędzie
tam,
gdzie
występuje
zapotrzebowanie na energie elektryczną,
ciepło i zimno celowa jest instalacja układu
CHP
połączonego
z
urządzeniem
chłodniczym. W układach CHP instaluje się
najczęściej chłodziarki absorpcyjne zasilane
ciepłem odbieranym ze spalin i układu
chłodzenia silnika. Dzięki zastosowaniu
chłodziarek absorpcyjnych możliwe jest
bardzo efektywne wykorzystanie ciepła
generowanego w układzie (np. w sezonie grzewczym do produkcji ciepła a w sezonie letnim do celów
klimatyzacyjnych). Stosuje się również układy wyposażone w chłodziarki sprężarkowe, ale wtedy
wykorzystanie ciepła z układu pozostaje zazwyczaj na niezmienionym poziomie.
Zasilania awaryjnego lotnisk
Duże korporacje jak i zakłady przemysłowe
potrzebują ciągłego zasilania. Aby zapewnid to
zasilanie montowane są dodatkowe źródła energii
które w razie przerwania dostaw prądu sieci są
załączane. Zazwyczaj tego typu układy awaryjne
stanowią silniki tłokowe ponieważ ich czas rozruchu
jest bardzo krótki. Na rys. obok jest przedstawiony
schemat takiego silnika zainstalowanego na lotnisku
który służy do produkcji energii, chłodu i ciepła. Jego
sprawnośd ogólna wynosi 74%.
Zasilania awaryjnego elektrowni jądrowych
Awaryjnym źródłem zasilania elektrowni atomowej a dokładniej układu chłodzenia reaktora są silnik
spalinowe które w bardzo krótkim czasie musza zostad uruchomione aby zapewnid zasilanie pomp
wody chłodzącej reaktor. Przerwanie pracy owych pomp doprowadziło by do stopienia reaktora .
57
Lokalnych systemów ciepłowniczych
Do niedawna podstawowymi układami kogeneracyjnymi były dużej mocy elektrociepłownie
komunalne (>50 MW) i zawodowe. Obecnie coraz częściej alternatywnym źródłem energii stają się
małe układy oparte na tłokowych silnikach spalinowych lub turbinach gazowych – tzw. układy CHP
(Combined Heat and Power). Moce tych układów zawierają się w zakresie wysokimi kosztami zakupu
energii elektrycznej i ciepła z sieci.
Stosowanie małych układów skojarzonych daje możliwośd efektywnego wykorzystania energii
chemicznej paliwa wszędzie tam, gdzie występuje odpowiednio duże zapotrzebowanie na ciepło
i energię elektryczną, a inwestowanie w duży układ elektrociepłowni jest nieopłacalne bądź też
z różnych przyczyn niemożliwe.
Małe układy kogeneracyjne ponadto charakteryzuje :
•
•
•
•
•
•
wysoka sprawnośd,
kompaktowa budowa, dzięki czemu łatwa jest ich instalacja i eksploatacja,
możliwośd stosowania paliw gazowych i ciekłych,
wprowadzenie nowoczesnych technologii,
duża niezawodnośd,
mniejsze koszty inwestycyjne w porównaniu z rozbudową lub modernizacją istniejących układów parowych.
Spalanie gazów odpadowych, kopalnianych
Bardzo dobrym paliwem do napedu silników spalinowych mogą byd gazy odpadowe, kopalniane.
Spalanie tego typu gazów zmniejsza zanieczyszczenie środowiska a zarazem pozwala na pokrycie
częściowych potrzeb mocy elektrycznej zakładu.
Jedną z kopalni o dużym zagrożeniu klimatycznym i bardzo dużym zagrożeniu metanowym jest
kopalnia “Pniówek” (IV i III kategoria zagrożenia metanowego). Z analizy wynika, że dla otrzymania
odpowiednich warunków pracy konieczne jest zastosowanie urządzeo chłodniczych o mocy 5 MW
(na poziomie 830 m) i 10 MW (na poziomie 1000 m). Metanowośd kopalni “Pniówek” kształtuje się
na poziomie 232,0 m³ CH4/min, z czego około 42% ujmowane jest do sieci odmetanowania,
a pozostała częśd odprowadzana jest z powietrzem wentylacyjnym do atmosfery. Ujmowany gaz
kopalniany jest paliwem zasilającym silnik w instalacji skojarzonej produkcji energetyczno klimatyzacyjnej. Dzięki temu emisja metanu do atmosfery obniży się do 8,0 mln m 3 rocznie.
Zainstalowana w zakładzie tym aparatura jest układem skojarzonej produkcji energii elektrycznej,
ciepła i chłodu. Składa się on z dwóch modułów o mocy chłodniczej 2,5 MW każdy, co daje łącznie
moc 5 MW.
58
W układzie tym zimna woda na potrzeby klimatyzacji jest wytwarzana w połączonych szeregowo
dwóch chłodziarkach absorpcyjnych i jednej chłodziarce sprężarkowej. Zasilane są one przez silnik
tłokowy, na gaz ziemny, o mocy elektrycznej 3,2 MW i cieplnej 3,5 MW.
Ziębiarki absorpcyjne zasilane są ciepłem odzyskiwanym ze spalin oraz ciepłem odzyskiwanym
z układu chłodzenia silnika. Medium przenoszącym ciepło zasilające ziębiarki jest woda. Woda
doprowadzana do instalacji chłodniczej ma temperaturę 18°C. W pierwszym etapie jest ona
chłodzona w ziębiarce absorpcyjnej zasilanej ciepłem chłodzenia silnika do osiągnięcia temperatury
14,5°C. Następnie w drugiej ziębiarce absorpcyjnej, zasilanej ciepłem odzyskiwanym od spalin,
osiągana jest temperatura wody 4,5 °C. Ostatecznemu ochłodzeniu do temperatury 1,5°C woda ulega
w ziębiarce sprężarkowej. Tak schłodzona woda podawana jest do instalacji kopalnianej.
4. Porównanie układów do skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej z silnikami
tłokowymi lub turbinami gazowymi.
Wytwarzanie przez energetykę przemysłową i zawodową podstawowych nośników energetycznych
(energii elektrycznej i cieplnej) realizowane jest przy pomocy procesów cieplnych wykorzystujących
energię chemiczną lub jądrową paliw kopalnych.
Sprawnośd przetwarzania energii paliwa dla rozwiązao konwencjonalnych (układy rozdzielone)
rzadko przekracza 40% (ograniczenia termodynamiczne), stąd koniecznośd wdrażania rozwiązao
kogeneracyjnych lub trójkogeneracyjnych, umożliwiających konwersję chemiczną paliw
w pojedynczym urządzeniu do skojarzonych nośników (prąd, ciepło, zimno) przy sprawności bliskiej
90%.
Do zalet układów kogeneracyjnych można zaliczyd:
- korzystne wskaźniki ekonomiczne,- optymalny dobór układu do potrzeb odbiorcy,
- niskie wskaźniki emisji i wysokie sprawności energetyczne oraz niskie straty,
- bezobsługowa eksploatacja,
- małe rozmiary elektrociepłowni,
- wykorzystanie lokalnych paliw.
Tłokowe silniki spalinowe stanowią najczęściej stosowane urządzenia w układach siłowni
i elektrociepłowni małej mocy, co między innymi wynika z ich wysokiej sprawności (nawet w zakresie
małych mocy), oraz ze stosunkowo niskich wskaźników jednostkowego nakładu inwestycyjnego.
59
Układy CHP z tłokowymi silnikami gazowymi są stosowane najczęściej do produkcji gorącej wody,
(chociaż spotyka się rozwiązania w których wytwarzana jest para wodna). W przypadku silnika ciepło
odzyskuje się na kilku różnych poziomach temperatury. Najczęściej więc silniki gazowe instalowane
są w systemach grzewczych współpracujących z siecią cieplną niskotemperaturową (np. 110/70ºC lub
90/50ºC). W celu umożliwienia produkcji energii elektrycznej w sytuacjach gdy brak jest
zapotrzebowania na ciepło, układ wyposaża się w rezerwowe (najczęściej wentylatorowe) chłodnice
cieczy chłodzącej, oleju smarnego oraz powietrza za turbosprężarką
W układzie prostym CHP z silnikiem tłokowym wytwarzana jest energia elektryczna oraz nośnik ciepła
w postaci gorącej wody. Układ taki jest najczęściej przeznaczony do pracy jako klasyczna
elektrociepłownia komunalna lecz o małej mocy. W praktyce spotyka się szeroką gamę innych
zastosowao i konfiguracji układów. Jednym z ciekawszych zastosowao jest wykorzystanie spalin
bezpośrednio w procesie technologicznym np. do celów suszarniczych (zakłady papiernicze,
produkcja materiałów ceramicznych, przemysł spożywczy, itp.). Technologia ta jest również coraz
częściej wykorzystywana w rolnictwie i ogrodnictwie. Zaletą takiego rozwiązania jest bardzo wysoki
stopieo wykorzystania entalpii spalin wylotowych z silnika.
Podstawowe warianty modułów kogeneracyjnych:
- Układy z silnikami zasilanymi biogazem pofermentacyjnym
- Układy CHP z silnikami zasilanymi gazem wysypiskowym
- Układy CHP z silnikami zintegrowane ze zgazowaniem biomasy
- Układy CHP z silnikami zasilanymi gazami odpadowymi z procesów technologicznych
- Układy CHP z silnikami zasilanymi ropa nierafinowana
- Układy CHP z silnikami zasilanymi emulsji olejową (może byd olej rafinowany jak i również nie
rafinowany)
W małych układach skojarzonych pracują również turbiny gazowe. W stacjonarnych systemach
skojarzonych stosuje się generalnie dwa typy turbin gazowych. Pierwszy z nich to odpowiednio
dostosowane jednostki lotnicze, charakteryzujące się wysoką sprawności (nawet do 40%), niewielką
masą oraz względnie cichą pracą. Turbiny lotnicze to przeważnie najmniejsze jednostki w systemach
skojarzonych (moc rzędu 1 MW i poniżej).
Drugim typem są stacjonarne turbiny gazowe. Rozwój ich konstrukcji wynika z wymagao stawianych
przez odbiorcę przemysłowego. Stąd te stacjonarne turbiny gazowe charakteryzują się przede
wszystkim większymi mocami, większą masą, niższymi prędkościami obrotowymi i mniejszymi
sprawnościami w stosunku do jedno-stek lotniczych. Należy zwrócid uwagę, iż ich zastosowanie
60
w zakresie małych mocy ograniczone jest znacznymi kosztami inwestycyjnymi. Najczęściej stosowane
jest spalanie dodatkowego paliwa w kotle odzysknicowym. Dodatkowa dawka paliwa wprowadzona
do kotła wymaga zmniejszonej ilości powietrza do spalania (zawartośd tlenu w spalinach za turbiną
wynosi 12-14%) bądź też spalana jest wyłącznie przy użyciu tlenu ze spalin, co wyraźnie poprawia
sprawnośd całkowitą układu. Dalsze podwyższanie sprawności odbywa się przy zastosowaniu
połączenia turbiny gazowej z turbiną parową w układzie hybrydowym.
Rys 1. Prosty układ skojarzony z turbiną gazową do produkcji pary średnioprężnej.
Mikroturbina to stacjonarny turbo zespół gazowy, charakteryzujący się niewielką mocą elektryczną
rzędu 25-500 kW, składający się ze sprężarki i turbiny promieniowej oraz regeneracyjnego
podgrzewacza powietrza zintegrowanego z całym układem. Ponieważ biogaz musi byd wprowadzony
do komory spalania mikroturbiny, w której panuje nadciśnienie rzędu kilku barów, biogaz musi byd
uprzednio sprężony. Zanieczyszczenia zawarte w biogazie mogą uszkodzid mikroturbiny, dlatego
biogaz musi byd wcześniej oczyszczony i osuszony. Mikroturbiny gazowe spalają biogaz o zawartości
metanu od 35 do 100%. Wskutek ciągłego spalania z nadmiarem powietrza i niskimi ciśnieniami
w komorze spalania, mikroturbiny wykazują w stosunku do silników spalinowych wyraźnie mniejsze
wartości emisji spalin. Umożliwia to rozwój nowych dróg wykorzystania spalin (np. w suszarniach
rolniczych lub wykorzystanie CO2 w szklarniach). Odzyskane ciepło dostępne jest na względnie
wysokim poziomie temperaturowym i transportowane jest tylko przez spaliny.
Wykorzystanie mikroturbin posiada następujące zalety:
- mała liczba elementów wirujących i ruchomych,
- kompaktowa budowa, mała waga i gabaryty,
- łatwy montaż i konserwacja,
- niska emisja zanieczyszczeo i niski poziom hałasu.
Z uwagi na ww. zalety mikroturbiny gazowe znajdują zastosowanie do zasilania w nośniki energii
małych obiektów (biura, mieszkania czy domki jednorodzinne) i dzięki temu stają się podstawą do
budowy małych systemów elektryczno-chłodniczo-grzewczych, tzw. BCHP (Building Cooling Heat and
Power).
61
Główne zalety które przemawiają na korzyśd silników tłokowych:
- mniejsza wrażliwośd na zmiany temperatury otoczenia,
- mniejsza wrażliwośd na instalację na dużej wysokości,
- szybkie osiąganie mocy znamionowej - na ogoł silniki maja odrobinę wyższa sprawnośd elektryczna
niż turbina gazowa,
- w układach w których pracuje kilka silników spalinowych jest większy zakres regulacji mocą,
62
- silniki w wersji skonteneryzowanej dają się bardzo łatwo zainstalowad,
- większa elastycznośd paliwowa.
5. Przegląd producentów dużych silników tłokowych.
Głównym producentem dużych silników spalinowych dla energetyki jest firma Wärtsilä, oferująca
pełen wachlarz silników wraz z oprzyrządowaniem.
Oferuje silniki czterech kategorii.
1.Silniki diesla na paliwa ciekłe: Wärtsilä 20, Wärtsilä 32, Wärtsilä 46 oraz Wärtsilä 46F. Liczba
oznacza średnicę cylindra w cm. Silniki te mogą pracowad na różnych paliwach: lekkim i ciężkim oleju
napędowym, biopaliwach ciekłych (jest np. elektrownia na olej palmowy), ale także nierafinowanej
ropie naftowej. Zakres mocy to od 1,0 MW w najmniejszym 6L20 (6L oznacza sześciocylindrowy,
rzędowy) do 22,3 MW dla silnika 20V46F (20-cylindrowy, widlasty, średnica cylindra 460 mm).
2. Silniki gazowe o zapłonie iskrowym - silniki Wärtsilä 34SG. Takie silniki mogą byd zasilane gazem
o odpowiedniej wartości opalowej (powyżej 24 MJ/m3, ale to wymaganie będzie obniżane) oraz
liczbie metanowej. Dostępne są w trzech "rozmiarach" 9L34SG - 3,9 MW, 16V34SG - 7,0 MW oraz
20V34SG - 8,7 MW.
3. Silniki dwupaliwowe - Wärtsilä 32DF oraz Wärtsilä 50DF. Te silniki mogą pracowad w dwóch
trybach. Standardowo są zasilane gazem, ale muszą mied do zapłonu dawkę pilotującą paliwa
ciekłego (lekkiego oleju napędowego) - ok. 5% energetycznie. Ta dawka powoduje zapłon gazu
(niejako "zamiast" świecy zapłonowej). Drugi tryb to praca wyłącznie na oleju - np. na wypadek
przerwania dostaw gazu. Silnik może przełączyd się pomiędzy tymi trybami automatycznie pod
obciążeniem. Zakres mocy od 3,9 MW (9L34DF) do 16,6 MW (18V50DF).
4. Silniki wysokoprężne gazowe - Gas Diesel - Wärtsilä 32GD. To jest specyficzny rodzaj silnika, może
pracowad tak samo jak DF, ale ma tez możliwośd pracy na mieszance olejowo-gazowej o rożnych
proporcjach, w dodatku płynnie zmiennych (w określonym zakresie). Może to byd dobre rozwiązanie
dla instalacji wydobycia ropy naftowej, gdzie spalany jest gaz wydobywany "przy okazji" i nigdy nie
wiadomo ile go akurat będzie. Dostępne są silniki 16V32GD o mocy 6,5 MW oraz 20V32GD o mocy
8,1 MW.
GE-Jenbacher
GE-Jenbacher oferuje tylko silniki gazowe od 330 kW (serii 2) do 4 MW (największy silnik serii 6 J624GS, jedyny w branży silnik 24-cylindrowy). Mogą spalad rożnego rodzaju gazy, nie tylko ziemny,
63
ale także różne biogazy, gazy wysypiskowe oraz metan z odmetanowania kopalo. To zresztą jeden
z głównych kierunków rozwoju branży - dostosowanie silników do spalania gazu o niższej jakości niż
standardowy gaz ziemny.
Deutz
Zakres działaności firmy obejmuje: produkcję silników dieslowskich i gazowych, kompletny zakres
mocy od 4 do 4000 kW, silniki stosowane w różnych dziedzinach gospodarki,
Caterpillar
Moce agregatów od 12,5 do 3000 kW.
Wnioski:
Pierwsze silniki powstały w połowie XIX wieku dając początek erze silników spalinowych. Dziś silniki
znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu. Energetyka jest jedną z tych gałęzi. Są
one wykorzystywane nie tylko do produkcji energii, ale także do wytwarzania ciepła i niekiedy
jeszcze i chłodu. Układy oparte na silniku spalinowym mają sprawnośd ogólną dochodzącą do 90%
i elektryczną dochodząca do 45%, nie są wrażliwe na zmianę temperatury otoczenia, wysokośd na
jakiej są montowane. Dzięki tym zaletą duże silniki tłokowe cieszą się dużą popularnością wśród
małej energetyki.
Bibliografia:
1. T. Chmielniak, J. Kotowicz: Techniczno ekonomiczna efektywnośd małych układów do
skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej z silnikami tłokowymi lub turbinami
gazowymi.
2. Gazeta „Energetyka i Ekologia”
3. Materiały firmy Wärtsilä
4. T. Chmielniak „Technologie Energetyczne”
5. A. Teodorczyk „Silniki tłokowe”
64
PRZYŁĄCZANIE DO SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ ODBIORCÓW Z ZASILANIEM
INDYWIDUALNYM (WYTWÓRCÓW)
Eleonora GRODZICKA
Studentka Wydzialu MEiL PW
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Jan Szymczyk, ITC PW
Streszczenie
Referat dotyczy przyłączenia do sieci elektroenergetycznej odbiorców, zasilających własne odbiorniki
bądź sprzedających energię na rynku, którzy wytwarzają energię w OZE (odnawialnych źródłach
energii). Praca zawiera opis prawny sytuacji przyłączenia w przypadku wytwórcy, związane z tym
przepisy i normy. W koocowej części referatu znajduje się przykład i sposób działania urządzenia
( generatora fotoelektrycznego) korzystającego z energii odnawialnej.
Wstęp
Przyłączenie do sieci odbiorców z zasilaniem własnym odbywa się na tych samych prawnych zasadach
jak przyłączenie innego rodzaju odbiorców. Zasilanie własne, które oznacza wykorzystanie energii
słonecznej, wiatrowej, wodnej(baterie fotoogniw, ogniwa paliwowe, generatory turbiny wodnej,
generatory napędzane silnikiem zasilanym biogazem, mikroturbiny, siłownie wiatrowe) itp. może nie
zapewniad 100% zapotrzebowania odbiorcy na energię elektryczną. W takim wypadku niedobór
energii musi byd uzupełniony przez firmę sprzedającą energię. Od dnia 01 lipca 2007 roku Prawo
Energetyczne reguluje sprawę wytwarzania, przesyłania i obrotu energią poprzez rozdział
dystrybutora i sprzedawcy energii co daje możliwośd wyboru odbiorcom korzystniejszego, taoszego
rozwiązania. Skutkiem tego były zmiany w dotychczasowym prawie mówiącym o przyłączeniu
odbiorców do istniejącej sieci elektroenergetycznej.
Przepisy regulujące proces przyłączeniowy
Warunki przyłączenia odbiorców do sieci elektroenergetycznych są regulowane przepisami, które
dotyczą nie tylko samej procedury przyłączenia, ale również zarządzeo związanych z tematem jak np.
wymaganych standardów jakościowych dostarczonej energii elektrycznej. Przepisy ulegają zmianom
z czego wynika koniecznośd dostosowywania całości zagadnieo objętych tematem przyłączania do
aktualnych wymagao prawnych. Regulujące je ustawy oraz prawa to Prawo Energetyczne,
rozporządzenie Ministra Gospodarki zwane rozporządzeniem przyłączeniowym, rozporządzenie
Ministra Gospodarki – rozporządzenie taryfowe oraz Prawo Budowlane. Rozporządzenie
przyłączeniowe opisuje szczególne warunki przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznej,
mówi także o świadczeniu usług przesyłowych, ruchu sieciowym, eksploatacji sieci, standardach
jakościowych obsługi odbiorców. O zasadach kalkulacji taryf oraz rozliczaniu w obrocie energią
traktuje drugie rozporządzenie Ministra Gospodarki - rozporządzenie taryfowe. Prawo Budowlane
dotyczy regulacji zagadnieo przyłączenia związanych z wymogami zaprojektowanego obiektu
budowlanego zapewniające mu warunki użytkowe zgodne z przeznaczeniem obiektu w zakresie
zaopatrzenia w energię elektryczną.
Grupy odbiorców
Rozporządzenie taryfowe określa szczegółowe zasady kalkulowania stawek opłat za przyłączenie, oprócz tego
reguluje podział odbiorców na grupy przyłączeniowe. Wyróżnia się VI grup odbiorców, grupa I – podmioty,
65
których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączane bezpośrednio do sieci przesyłowej, II – podmioty przyłączane
bezpośrednio do sieci rozdzielczej, napięciu znamionowym 110 kV, III – podmioty, których urządzenia, instalacje
i sieci są przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym powyżej 1 kV lecz niższym niż
110 kV, IV – podmioty, których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej
o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV oraz o mocy przyłączeniowej większej niż 40 kW lub prądzie
znamionowym zabezpieczenia przedlicznikowego w torze prądowym większym niż 63 A, V – podmioty, których
urządzenia, instalacje i sieci są przyłączane bezpośrednio do sieci o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV
oraz mocy przyłączeniowej nie większej niż 40 kW i prądzie znamionowym zabezpieczenia przedlicznikowego nie
większy niż 63 A, VI – podmioty, których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączane do sieci poprzez
tymczasowe przyłącze, które będzie, na zasadach określonych w umowie, zastąpione przyłączem docelowym,
lub podmioty, których urządzenia, instalacje i sieci są przyłączane do sieci na czas określony, lecz nie dłuższy niż
rok.
Ryc. 1. Schemat przyłączenia do sieci elektroenergetycznej źródeł wytwórczych, schemat 1 i 2 grupa odbiorców - III,
schemat 3 i 4 grupa odbiorców – III.
Zagadnienia procedury przyłączeniowej
Rozporządzenie przyłączeniowe określa drogę jaką musi przejśd odbiorca wyrażający chęd przyłączenia się do
sieci elektroenergetycznej. Cały proces dzieli się na etapy gdzie uzgadnianie przyłączenia polega na : złożeniu
wniosku, określeniu warunków przyłączenia, podpisaniu umowy o przyłączenie, podpisaniu umowy o sprzedaż
energii.
Prawa i rozporządzenia regulują następujące problemy zasadnicze takie jak : obowiązek przyłączenia, sposób
jego realizacji, finansowanie nakładów przyłączenia, standardy jakościowe dostarczonej energii. Są to kluczowe
zagadnienia, które należy uwzględnid podczas procedury przyłączeniowej. Przedsiębiorstwo energetyczne, które
66
zajmuje się przesyłaniem, dystrybucją paliw gazowych lub ciepła jest zobligowane do zawarcia umowy
o przyłączenie, sprzedaż paliw albo energii, umowy przesyłowej z odbiorcami lub podmiotami ubiegającymi się
o przyłączenie do sieci elektroenergetycznej. Oczywiste jest, że podmiot ubiegający się o przyłączenie musi
zrealizowad w wyznaczonym terminie warunki przyłączeniowe (warunki przyłączenia do sieci i odbioru) zawarte
w umowie przyłączeniowej. Dziś ze względu na rozdział przedsiębiorstwa sprzedającego energię oraz
dystrybutora zawieranie poszczególnych umów nie odbywa się z jednym przedsiębiorstwem energetycznym,
lecz oddzielnie z odrębnymi firmami zajmującymi się przesyłaniem oraz samą sprzedażą. Dlatego też umowę
o przyłączenie oraz umowę przesyłową odbiorca spisuje z przedsiębiorstwem dystrybutorskim, zaś umowę
o sprzedaż paliw lub energii elektrycznej z samym przedsiębiorstwem energetycznym, które zajmuje się
handlem energią. Konieczne jednak jest, aby odbiorca przekazał spółce dystrybutorskiej kopię umowy sprzedaży
spisaną z przedsiębiorstwem zwanym „sprzedawcą energii”, ponieważ wtedy może odbyd się sfinalizowanie
umowy przyłączeniowej, jeżeli będzie oczywiście będzie miał miejsce pobór energii (co nie zawsze w przypadku
wytwórcy np. OZE ma miejsce). Wzór wniosku o przyłączenie i wzór warunków przyłączeniowych ustala
przedsiębiorstwo energetyczne, wniosek określa : lokalizację i tytuł prawny do obiektu, rodzaj obiektu,
przeznaczenie pobieranej energii elektrycznej i jej przewidywane zużycie, charakterystykę odbiorników,
wyszczególnienie odbiorników zakłócających, wymagane parametry energii, odmienne od standardowych,
wnioskowany termin przyłączenia obiektu. Prawidłowe zgłoszenie we wniosku odbiorników zakłócających oraz
wymagao jakościowych jest i będzie podstawą do właściwego określenia warunków przyłączenia, oczywiście
przy uwzględnieniu aktualnej wersji standardów jakościowych. Na podstawie wniosku wydawane są warunki
przyłączenia, do których dołącza się projekt umowy o przyłączenie, której zawartośd określało rozporządzanie
przyłączeniowe. Po podpisaniu umowy przez obie strony następuje realizacja przyłączenia w terminie
określonym w umowie. Warunki są ważne dwa lata od dnia ich wydania.
Szczególny przypadek. Odmowa lub brak przyłączenia.
Omawiając procedurę przyłączenia warto wspomnied o problemie określenia opłacalności
przyłączenia odbiorcy. Może nastąpid odmowa przyłączenia, gdy z punktu widzenia operatora
(dystrybutora) wydaje się to nieopłacalne lub nieekonomiczne (według opłat przyłączeniowych
zawartych w taryfie), o czym poinformowany musi zostad Prezes Urzędu Regulacji Energetyki, który
dokonuje analizy podstaw odmowy i może zgłosid zastrzeżenia, które skutkują zastosowaniem
standardowych opłat. Z drugiej strony dla samego podmiotu przyłączanego przyłączenie do sieci
elektroenergetycznej może byd niepotrzebne lub też niekorzystne, głównie chodzi tu o jednostki
wytwórcze, które zajmują się generacją własnej energii OZE i decydują się na spożytkowanie
wytworzonej energii własnymi odbiornikami. Przedsiębiorstwo robi najpierw analizę (uwzględniają
perspektywę dalszych przyłączeo), zgodnie z prawem brak porozumienia między stronami jest
podstawą odmowy przyłączenia.
Finansowanie nakładów przyłączenia
Przedsiębiorstwa przesyłowe są obciążone finansowo ( to nazywamy nakładem, który nie jest
jednoznaczny
z kosztami) jeżeli chodzi o budowę oraz rozbudowę sieci. Oznacza to, że dystrybutor musi zrealizowad
utworzenie nowych linii, które umożliwią podmiotowi przyłączanemu korzystanie z energii. Opłata
realizacji przyłączenia dla OZE o mocy nieprzekraczającej 5MW wynosi ½ nakładów potrzebnych do
rozbudowy sieci elektroenergetycznej do miejsca przyłączenia podmiotu zainteresowanego.
Koncesja na wytwarzanie energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii
Koncesjonowaniu podlega każda działalnośd gospodarcza w zakresie wytwarzania energii elektrycznej
w odnawialnych źródłach energii bez względu na wielkośd mocy zainstalowanej źródła, czy też ilośd
energii wyprodukowanej w takim źródle. Obowiązkiem uzyskania koncesji na wytwarzanie energii
67
elektrycznej objęte zostały zatem wszystkie przedsiębiorstwa energetyczne produkujące energię
w odnawialnych źródłach energii. Źródła nieposiadające koncesji nie mogą wnioskowad o wydanie
świadectw pochodzenia oraz nie przysługuje im prawo żądania zakupu wytworzonej energii
elektrycznej przez sprzedawcę z urzędu, a do czasu jego wyłonienia przez operatora systemu
dystrybucyjnego, do którego sieci dystrybucyjnej są przyłączone. każdy kto zamierza prowadzid
działalnośd polegającą na: wytwarzaniu, przetwarzaniu, magazynowaniu, przesyłaniu, dystrybucji
oraz obrocie paliwami i energią, podlegającą koncesjonowaniu, może ubiegad się o wydanie promesy
koncesji, która stanowi swego rodzaju przyrzeczenie udzielenia koncesji. W okresie ważności
promesy nie można odmówid udzielenia koncesji na działalnośd określoną w promesie, chyba że uległ
zmianie stan faktyczny lub prawny podany we wniosku o wydanie promesy. Promesa koncesji nie
daje prawa do prowadzenia działalności w zakresie, w którym wymagane jest posiadanie koncesji.
Przedsiębiorcy występujący z wnioskami o udzielenie koncesji muszą spełniad przesłanki, Prezes URE
udziela koncesji wnioskodawcy, który:
1) ma siedzibę lub miejsce zamieszkania na terytorium paostwa członkowskiego Unii Europejskiej lub
paostwa członkowskiego Europejskiego Porozumienia o Wolnym Handlu (EFTA) - strony umowy o
Europejskim Obszarze Gospodarczym;
2) dysponuje środkami finansowymi w wielkości gwarantującej prawidłowe wykonywanie działalności
bądź jest w stanie udokumentowad możliwośd ich pozyskania;
3) ma możliwości techniczne gwarantujące prawidłowe wykonywanie działalności;
4) zapewni zatrudnienie osób o właściwych kwalifikacjach zawodowych, o których mowa w art. 54
ustawy – Prawo energetyczne;
5) uzyskał decyzję o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu.
Zgodnie z art. 33 ust. 3 ustawy – Prawo energetyczne, nie może byd wydana koncesja wnioskodawcy:
1) który znajduje się w postępowaniu upadłościowym lub likwidacji;
2) któremu w ciągu ostatnich 3 lat cofnięto koncesję na działalnośd określoną ustawą z przyczyn
wymienionych w art. 58 ust. 2 ustawy z dnia 2 lipca 2004 r. o swobodzie działalności gospodarczej
(Dz. U. z 2004 r. Nr 173, poz. 1807 z późn. zm.), zwanej dalej „ustawą o swobodzie działalności
gospodarczej”, lub którego w ciągu ostatnich 3 lat wykreślono z rejestru działalności regulowanej z
przyczyn, o których mowa w art. 71 ust. 1 ustawy o swobodzie działalności gospodarczej;
3) skazanemu prawomocnym wyrokiem sądu za przestępstwo mające związek z przedmiotem
działalności gospodarczej określonej ustawą – Prawo energetyczne.
Opłata za wydanie zezwolenia (koncesji) – 616 zł (częśd III pkt 44 załącznika do ustawy o opłacie
skarbowej).
Przedsiębiorcy zajmujący się wytwarzaniem energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii
o łącznej mocy elektrycznej nieprzekraczającej 5 MW, zwolnieni są z wnoszenia:
- opłaty skarbowej za wydanie koncesji – zgodnie z art. 9e ust 18 pkt 3 ustawy – Prawo energetyczne;
68
- corocznej opłaty wnoszonej do budżetu paostwa, określonej w art. 34 ust. 1 ww. ustawy – zgodnie
z art. 34 ust. 4 ww. ustawy.
Świadectwo pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w OZE
Potwierdzeniem wytworzenia energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii jest świadectwo
pochodzenia tej energii, zwane dalej „świadectwem pochodzenia”. Świadectwo pochodzenia zawiera
w szczególności:
1) nazwę i adres przedsiębiorstwa energetycznego zajmującego się wytwarzaniem energii
elektrycznej w odnawialnym źródle energii;
2) określenie lokalizacji, rodzaju i mocy odnawialnego źródła energii, w którym energia elektryczna
została wytworzona;
3) dane dotyczące ilości energii elektrycznej objętej świadectwem pochodzenia i wytworzonej
w określonym odnawialnym źródle energii;
4) określenie okresu, w którym energia elektryczna została wytworzona, z uwzględnieniem podziału
na kwartały kalendarzowe. Świadectwo pochodzenia wydaje Prezes Urzędu Regulacji Energetyki na
wniosek przedsiębiorstwa energetycznego zajmującego się wytwarzaniem energii elektrycznej
w odnawialnych źródłach energii, złożony za pośrednictwem operatora systemu
elektroenergetycznego (w terminie 14 dni od dnia otrzymania wniosku).
Kontrakty
Kolejną ważną kwestią dla wytwórcy jest to, aby posiadał świadomośd rozliczania się za sprzedaż
zielonej energii. Po przyłączeniu się do sieci elektroenergetycznej wytwórca zawiązuje kontrakt
z wyznaczonym w tym kontrakcie odbiorcą wytworzonej przez niego energii za pośrednictwem
podmiotu odpowiedzialnego za bilansowanie. Odbiorca zielonej energii musi byd z góry określony,
w innym wypadku wytwórca nie otrzyma za swój produkt zapłaty, ponieważ dystrybutor
zobowiązany jest wprowadzid do sieci jedynie energię, która jest objęta kontraktem ze
sprecyzowanym odbiorcą. Kontrakt taki dokładnie opisuje, ile energii zdecydowany jest pobrad
kupujący zieloną energię (rozliczenie kontraktowe). W przypadku gdy wytwórcy nie uda się
wytworzyd ilości energii zapisanej w kontrakcie, a ilośd energii dostarczonej przez wytwórcę odbiorcy
nie satysfakcjonuje, resztę niedoboru energii rekompensuje OSD (operator sieci dystrybucyjnej).
Dostarcza odbiorcy zamiast energii zielonej energię czarną, zaś kosztami za niedotrzymanie
warunków kontraktu obciąża wytwórcę. Koszt tego obciążenia jest równy iloczynowi dopełnienia do
kontraktowej ilości energii i stawki dotyczącej energii z odnawialnego źródła energii. W przypadku
odwrotnym gdy wytwórca przekroczy kontraktową ilośd wytworzonej energii OSD deklaruje kupno
zielonej energii, lecz stawka za nadwyżkę nie jest już opłacana zgodnie ze stawką odnoszącą się do
zielonej energii, staje się stawką energii czarnej. Nie występuje pośrednictwo między wytwórcą
a odbiorcą zielonej energii, w tym przypadku sprzedawcą jest wytwórca.
Przypadek przyłączenia wytwórcy do istniejącej sieci elektroenergetycznej.
W czasie przebytych praktyk w firmie Stoen Operator miałam okazję zetknąd się z przypadkiem,
w którym do sieci należało przyłączyd wytwórcę posiadającego 11 kW ogniwo fotowoltaiczne. Istnieje
grupa źródeł, które muszą współpracowad z siecią ze - względów technicznych ich praca
autonomiczna nie jest możliwa. Są to generatory indukcyjne (często stosowane są tu po prostu silniki
indukcyjne pracujące w reżimie prądnicowym) oraz falowniki (urządzenia zmieniające prąd stały na
69
prąd przemienny) wymagające oddziaływania (komutacji) sieci. W tym przypadku konieczne było
przyłączenie do sieci elektroenergetycznej, ponieważ wytwórca zadeklarował brak poboru z sieci
elektroenergetycznej, co oznacza, że wytwórca będzie pełnił rolę sprzedawcy handlującego zieloną
energią. W prawie wytwórca nie jest równoważny odbiorcy dlatego też niektóre przepisy
przyłączeniowe odróżniają się ( w prawdzie nieznacznie) od ustaw dotyczących przyłączenia odbiorcę
pobierającego energię. W przypadku, z którym miałam okazję się zapoznad nie było potrzeby
rozbudowy sieci elektroenergetycznej, dlatego też przychód związany z nakładami jakimi była
obciążona firma dystrybutorska, był równy zeru tak również jak koszty, które musiałby ponieśd
inwestor OZE. Licznik, czyli układ pomiarowy według prawa znajduje się po stronie podmiotu
przyłączanego (wytwórcy), obciążony jest on kosztami zakupu danego układu pomiarowo –
rozliczeniowego. Ze względu na to, że wytwórca generuje napięcie we własnym źródle konieczne są
zabezpieczenia, które będą chroniły sied przed ewentualnym porażeniem pracowników technicznym
usuwających awarię sieci lub uszkodzenie sieci ze względu na cofnięcie napięcia do sieci
dystrybutorskiej ze źródła generującego. Wytwórca musi się zadeklarowad, czy będzie jednocześnie
odbiorcą wygenerowanej przez siebie energii, w innym przypadku niezbędne (właściwie
bezsprzecznie konieczne) są zabezpieczenia, które usytuowane są po stronie podmiotu
przyłączanego. Są to zabezpieczenia : pod i nad napięciowe, pod i nad częstotliwościowe oraz
zabezpieczenia zerowo napięciowe ( te ostatnie szczególnie ważne). Mają one za zadanie w czasie
przerw planowanych, awaryjnych lub też awarii sieci bądź po stronie sieci dystrybutorskiej bądź sieci
związanej ze źródłem wytwórczym odłączyd zasilanie. Można określid dwa przypadki, gdy do sieci
elektroenergetycznej przyłączany ma byd wytwórca (OZE). W pierwszym przypadku mamy do
czynienia z wytwórcą, który nie wytwarza energii całkowicie na własne potrzeby, co oznacza, że
energię „czystą” przeznacza on do sprzedaży na rynku. W drugim przypadku wytwórca staje się
własnym odbiorcą (zwykle małe OZE do 5MW) co oznacza, że wytwórca generowaną przez siebie
energię przeznacza w pełnia na działanie odbiorników własnych. W tym przypadku należy podłączyd
dwa liczniki, licznik po stronie dystrybutora oraz układ pomiarowy po stronie wytwórcy w celu
pomiaru wytworzonej energii zielonej. Jeżeli wytwórca będzie miał charakter „wyspy” wtedy
teoretycznie urządzenia zabezpieczające nie są potrzebne, jednakże dystrybutor nie ma w 100%
pewności czy wytwórca całośd wytworzonej energii będzie zużywał na potrzeby własne. Tu mamy do
czynienia z ryzykiem w trakcie awarii, ze względu na co zabezpieczenia są konieczne. Kolejną
przyczyną powodującą koniecznośd zainstalowania liczników jest generacja mocy biernej, która
negatywnie wpływa na jakośd energii odbieranej z sieci przez innych odbiorców. W szczególności
praca wiatraków generuje szereg zakłóceo opisywanych w specjalistycznej literaturze (wahania
napięcia, zapady napięcia, efekt migotania światła). Zależy to od miękkości sieci w miejscu
przyłączenia OZE, czyli od impedancji sieci. Zależnośd ta przedstawia się następująco,
w elektroenergetyce mówi się o wartości mocy zwarciowej, która roście wraz ze spadkiem
impedancji sieci, do której przyłączane jest odnawialne źródło energii. Nieskooczona jej wartośd
(w rzeczywistości jest to skooczona wartośd) jest jednoznaczna z zerową impedancją sieci, co dalej
wiąże się z brakiem podatności na jakiekolwiek zakłócenia pochodzące od OZE. Brak kontroli może
mied skutek taki, że sprzedawca może byd obciążony sankcją za złamanie prawa ( jakośd energii
dostarczanej do odbiorców). W momencie gdy wytwórca generuje zakłócenia i wprowadza je do sieci
na drodze prawa, może zostad odcięty przez dystrybutora od sieci elektroenergetycznej.
70
Generatory fotoelektryczne
Generator fotoelektryczny, inaczej fotoogniwo (ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo słoneczne), jest
przetwornikiem, w którym przy wykorzystaniu efektu fotoelektrycznego zachodzi bezpośrednia
przemiana energii promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną. Jeżeli źródłem
promieniowania jest (jak zresztą bywa najczęściej) Słooce, generator fotoelektryczny jest zwykle
nazywany ogniwem słonecznym. Działanie generatora fotoelektrycznego oparte jest na
wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego (odkryte przez A. H. Becquerela w 1839 r.),
polegającego na uwalnianiu elektronów z sieci krystalicznej ciała poddanego działaniu
promieniowania świetlnego, a także na powstawaniu na złączu metalu i półprzewodnika (w starszych
rozwiązaniach) lub złączu dwu różnych półprzewodników (w obecnych rozwiązaniach) siły
fotoelektromotorycznej (SFEM). Najczęściej w ogniwach fotoelektrycznych stosuje się złącza
półprzewodnikowe p-n, uzyskiwane przez różne domieszkowanie dwóch obszarów tego samego
półprzewodnika (zwykle krzemu). Krzem z domieszką boru stanowi bazę (warstwę p), natomiast
warstwę n stanowi druga strona tego półprzewodnika wzbogacona fosforem. W półprzewodniku,
w wyniku działania na niego promieniowania optycznego, następuje przejście elektronów z pasma
podstawowego do pasma przewodnictwa: pojawiają się elektrony swobodne w paśmie
przewodnictwa i dziury w paśmie podstawowym. Tworzą się zatem jednocześnie ładunki: ujemny
i dodatni, które wystarczy rozdzielid i odprowadzad, zanim ulegają rekombinacji, aby uzyskad źródło
prądu elektrycznego. Jeżeli dwa kawałki materiału półprzewodnikowego typu p i typu n połączy się ze
sobą, to w wyniku dyfuzji wolnych nośników (elektronów do obszaru p i dziur do obszaru n)
powstaną w nich różnoimienne warstwy nieskompensowanych nośników, tworząc tzw. warstwę
zaporową. W wyniku pochłaniania w materiale półprzewodnikowym fotonów promieniowania
powstaną nowe pary nośników elektron-dziura. Powstające elektrony dyfundują przez złącze
(elektrony z obszaru p do n, a dziury z n do p), podczas gdy nośniki większościowe są zatrzymywane
przez barierę potencjału. Sprawnośd przetwornika jest stosunkiem energii wykorzystanej w ogniwie
do energii promieniowania słonecznego. Różnice w wartościach sprawności (max i rzeczywistej)
wynikają z wielu przyczyn. Do najważniejszych należą straty związane z następującymi zjawiskami:
- częśd padającego promieniowania ulega odbiciu od powierzchni przetwornika;
- nie wszystkie fotony promieniowania generują pary nośników elektron-dziura (W < Wg) lub
z efektem tym związane jest wydzielanie nadmiaru energii w postaci ciepła (W >> Wg);
- częśd wygenerowanych nośników ulega rekombinacji na powierzchni przetwornika, w jego
materiale lub w samym złączu;
- materiał przetwornika, jak również połączenia półprzewodnik-elektroda mają pewną rezystancję
własną.
Generatory fotoelektryczne są obecnie bezkonkurencyjne, jeśli chodzi o efektywnośd przemiany
energii promieniowania Słooca w energię elektryczną. Stosunkowo duża ich sprawnośd wynika z
faktu, że w wykorzystywanym efekcie fotoelektrycznym energia promieniowania słonecznego nie
ulega przemianie w ciepło przed ostateczną zmianą na energię elektryczną. W ten sposób sprawnośd
procesu nie jest ograniczona sprawnością Carnota, charakterystyczną dla wszystkich maszyn
cieplnych.
71
Ryc. 2. Porównanie sprawności ogniw fotowoltaicznych *%+.
Wnioski
Przyłączenie do sieci elektroenergetycznej wytwórców energii elektrycznej w odnawialnych źródłach
energii, których działalnośd ma byd skoncentrowana na handlu, jest nieopłacalne na skalę wytwórcy
małej mocy ( do 5 MW). Jedynym rozsądnym rozwiązaniem według mnie w obecnej sytuacji jest
wykorzystanie promieniowania słonecznego poprzez ciepło na ogrzanie prywatnego obiektu.
Pomimo, że ze strony Unii Europejskiej mamy coraz silniejsze naciski, aby wprowadzad większą ilośd
odnawialnych źródeł energii na rynek energetyczny, nie zmienia to faktu, że koszty instalacji na
przykład ogniwa fotowoltaicznego przewyższają konwencjonalne instalacje osiemdziesięciokrotnie.
Bibliografia
1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo Budowlane,
2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 30 czerwca 2004 roku w sprawie
szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci ciepłowniczych oraz eksploatacji
tych sieci (Dz. U. z 2004 r. Nr 184 poz. 1902), zwanego dalej rozporządzeniem
przyłączeniowym,
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 30 lipca 2004 roku w sprawie
szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeo w obrocie ciepłem (Dz.U.
z 2004 r. Nr 184, poz.1902), zwanego dalej rozporządzeniem taryfowym,
4. Prof. dr hab. inż. Piotr Kacejko, Problemy przyłączania do sieci elektroenergetycznej
odnawialnych źródeł małej mocy, Wydział Elektrotechniki i Informatyki Politechniki
Lubelskiej, http://www.oze.bpp.lublin.pl/dokumenty/konf/ref/04.P.K.pdf,
5. Piotr Lentyoski, Uwagi na temat umów stosowanych w dostawach energii elektrycznej,
Energetyka, marzec 2008,
6. Grzegorz Barzyk, Wybrane problemy związane z przyłączeniem elektrowni wiatrowych do
sieci
energetycznej,
Instytut
Elektrotechniki
Politechniki
Szczecioskiej,
http://www.sep.krakow.pl/kjee/pdf/publikacje/barzyk-wybrane_problemy.pdf ,
7. Urząd Regulacji Energetyki, www.ure.gov.pl,
8. prof. nzw. dr hab. inż. Józef Płaska, PW, Energetyka, sierpieo 2006.
72
ENERGETYKA JĄDROWA I ENERGETYKA TERMOJĄDROWA. PORÓWNANIE
Mariusz KOZELSKI
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż . Józef Portacha, ITC PW
Streszczenie
1. Wyjaśnienie procesu fizycznego dla reakcji jądrowych i termojądrowych,
2. Energetyka jądrowa – możliwości pozyskania energii,
3. Energetyka termojądrowa - możliwości pozyskania energii,
4. Problemy z energetyką jądrową i termojądrową,
5. Wizja rozwoju obu rodzajów energetyki,
Referat ma na celu wyjaśnienie w prosty i przystępny sposób charakter zjawiska fizycznych
zachodzących
w reaktorach elektrowni jądrowych i specjalnych komorach utrzymujących plazmę. Dzięki
zrozumieniu istoty zjawisk będzie można porównad korzyści energetyczne płynące z obu rodzajów
reakcji, tzn. czy w momencie gdy fuzja jądrowa będzie możliwa do przeprowadzenia w sposób ciągły
na ziemi, energetyka jądrowa będzie miała szansę się utrzymad.
Przedstawione zostaną również najbardziej typowe rozwiązania konstrukcji reaktorów elektrowni
jądrowych oraz dośd futurystyczne wizje pozyskiwania energii cieplnej z reakcji fuzji.
Rysunek 2. ITER Tokamak [http://www.iter.org]
73
Rysunek 2. Schemat budowy elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym
Wnioski
Nasz ludzka populacja w dośd znacznym stopniu zajmująca tę planetę i wciąż się rozrasta a co za tym idzie
pochłania coraz większe ilości energii. Niestety produkcja energii niesie za sobą szereg niekorzystnych dla nas
zjawisk m. In. intensywna eksploatacja złóż naturalnych, zanieczyszczenie środowiska. Niestety większośd
surowców pozyskiwanych do celów energetycznych jest znacznie wyczerpana i dlatego jedyne wyjście to
poszukanie takiego źródła energii, które zapewni nam przetrwanie przez następne wieki. Tu wspaniałym
rozwiązaniem może byd fuzja termojądrowa. Pozostaje tylko pytanie czy jest to w ogóle możliwe ?
Rysunek 3. Fuzja i rozszczepienie
Bibliografia
1. Podstawy teorii reaktorów jądrowych – S.Glasstone,
2. Elektrownie jądrowe – M. Lech,
3. Fizyka reakcji jądrowych – Z. Wilhelmi,
4. Physics – Raymond Serway
5. Fizyka wokół nas – Paul Hewitt,
6. Internet,
7. Inne materiały udostępnione przez opiekuna naukowego referatu.
74
SEKWESTRACJA DWUTLENKU WĘGLA
Jan KUCOWSKI
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż. Józef Portacha, ITC PW
Plan wypowiedzi
 Czym jest sekwestracja
 Sposoby wychwytywania dwutlenku węgla
 Możliwości składowania CO2 w Polsce
 Istniejące i planowane obiekty CCS
Streszczenie
Sekwestracja – proces polegający na przechwyceniu, przetransportowaniu i zatłoczeniu CO2 pod
ziemię. W ostatnich latach mocno rozwinęły się prace badawcze dotyczące sekwestracji.
Spowodowane to jest zauważeniem negatywnego wpływu tego gazu cieplarnianego na klimat Ziemi.
Pomimo, że hipoteza ta nie jest w pełni potwierdzona podejmowanych jest coraz więcej prób
redukcji emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Do metod wychwytywania CO2 można zaliczyd
spalanie paliwa w czystym tlenie, wychwytywanie przez absorber przed spalaniem wodoru oraz
absorbowanie po spaleniu paliwa.
Rysunek 3. Metody wychwytywania CO2 *źródło: www.vattenfall.com+
Nie wszystkie rejony Polski są zdolne do przyjęcia pod sobą zatłoczonego dwutlenku węgla.
Województwo Łódzkie, na terenie którego znajduje się elektrownia Bełchatów, największy emiter
CO2, praktycznie nie ma takiej możliwości. Pierwsza na świecie pilotażowa elektrownia węglowa
z systemem CCS – Schwarze Pumpe, ostatnio otwarta nowa instalacja w Centrum Gazowym w Risavik
w Norwegii. Wprowadzanie instalacji CCS do elektrowni spowoduje wzrost cen produkowanej energii
elektrycznej. Obecnie przy stosowaniu wychwytywania dwutlenku węgla nie udaje się osiągnąd
sprawności elektrowni na poziomie zbliżonym do tego w zakładach bez CCS.
75
Wnioski

Stosowanie sekwestracji obniża sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej.

Nie we wszystkich regionach naszego kraju możliwe jest zatłaczanie CO2 pod ziemię.

Sama sekwestracja nie jest w stanie zapobiec problemowi emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Nawet drastyczne obniżenie ilości emitowanego dwutlenku węgla w Europie nie przyczyni się do
znaczącego obniżenia emisji w skali całego świata.

Zbyt wolny proces wprowadzania nowych instalacji CCS oraz praktycznie brak (na chwilę obecną)
elektrowni dużych mocy stosujących sekwestrację CO 2.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
76
Balcewicz J. Podziemna sekwestracja dwutlenku węgla. [w:] Energia Gigawat, 02/2006.
Gąsiorowska E., Piekacz J., Surma T. Pakiet klimatyczno-energetyczny jako strategia zrównoważonego
rozwoju gospodarki europejskiej. [w:] Energetyka, 08/09/2008.
Tarkowski R., Uliasz-Misiak B. Emisja CO2 w Polsce w 2004 roku w aspekcie podziemnego składowania.
[w:] Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23/2007
Stopa J., Wojnarowski P., Rychlicki S., Kosowski P. Prognoza wpływu podziemnego składowania
dwutlenku węgla na koszty wytwarzania energii elektrycznej. [w:] Polityka Energetyczna, 10/2007
Portal internetowy Paostwowego Instytutu Geologicznego *http://www.pgi.gov.pl+
Portal internetowy Przedsiębiorstwa Badao Geofizycznych *http://www.pbg.com.pl+
Portal internetowy projektu CO2SINK [http://www.co2sink.org]
Portal internetowy Wirtualny Nowy Przemysł *http://www.wnp.pl+
SYSTEM CIEPŁOWNICZY WARSZAWY I WIEDNIA
Marzena LASOCKA
Studentka Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW, inż
Plan wypowiedzi
*System ciepłowniczy – zasada działania, omówienie poszczególnych elementów systemu
*Warszawski system ciepłowniczy
*Wiedeoski system ciepłowniczy
Streszczenie
System ciepłowniczy to szereg elementów, które mają na celu dostarczenie ciepła do odbiorcy,
poczynając od jego wytworzenia w źródłach aż po wykorzystanie w instalacji odbiorcy.
Ważne jest prawidłowe połączenie i eksploatacja poszczególnych części systemu, by w ostatecznym
etapie odbiorca mógł otrzymad ilośd ciepła na jaką złożył zamówienie, o parametrach stosownych do
jego potrzeb.
System ciepłowniczy zatem powinien działad skutecznie, niezawodnie i oszczędnie a przez to
zapewnid wysoką efektywnośd wytwarzania, przesyłu i dostawy ciepła.
Na poprawną pracę systemu składają się:
-źródła ciepła
-sied przesyłowa (ciepłownicza)
-przepompownie sieciowe
-węzły cieplne
-instalacje wewnętrzne
Poniższy poglądowy rysunek 1 przedstawia zależności pomiędzy elementami systemu.
Rys. 1. Schemat elementów systemu cipłowniczego – wzajemne powiązania.
77
Warszawski i Wiedeński system ciepłowniczy
Warszawski system ciepłowniczy to jeden z największych tego typu systemów na Świecie. Zasilany
jest z 5 źródeł: EC Żerao Q=1561 MW Pel=350 MW, EC Siekierki Q=2081 MW Pel=622 MW, C Wola
Q=465 MW, C Kawęczyn Q=605 MW oraz spalarnia śmieci Zusok Q=10 MW, które wspólnie pracują
na cały system. WSC charakteryzuje się pierścieniowo – promienistą strukturą, która zapewnia
wszechstronne możliwości zasilania. Przez wspólną (dla większości obszaru Warszawy na obszarze
136 km2) sied ciepłowniczą o łącznej długości rurociągów (Dn 32- 1100mm) ok. 1600 km dostarcza
ciepło do prawie 19 tys. odbiorców (budynków) o łącznej kubaturze ponad 230 mln m3. WSC
zaspokaja ok. 80%potrzeb cieplnych miasta.
Rys. 3. Schemat wiedeoskiego systemu
ciepłowniczego
Rys. 2. Schemat warszawskiego systemu
ciepłowniczego
Wiedeoski system ciepłowniczy zasilany jest z 9 małych źródeł.
Zakład
Moc cieplna [MW]
Paliwo
SPITTELAU
FLOETZERSTEIG
DONAUSTADT
SIMMERING
LEOPOLDAU
OMV
KAGRAN
ARSENAL
INZERSDORF
460
50
250
630
340
170
175
325
340
śmieci/gaz
śmieci/gaz
gaz
gaz/olej/śmieci
gaz/olej
gaz/olej
gaz/olej
gaz/olej
gaz/olej
Sied ciepłownicza nie tworzy jednego wspólnego systemu lecz kilka mniejszych o strukrurze w
większości rozgałęźnej.
Bibliografia
1. Smyk A., Modernizacja Sieci Przesyłowych Warszawskiego Rynku Ciepłowniczego, SPEC S.A. –
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Ciepłownictwa
2. SPEC S.A. – Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Ciepłownictwa
3. Smyk A., Sikora S. Możliwośd dostarczania ciepła z systemu ciepłowniczego dla potrzeb
pozyskiwania chłodu w okresie letnim. Ciepłownictwo w Polsce i na świecie. Rocznik VII
(2000), zeszyt 5-6,
4. SPEC S.A. :Opis pracy i analiza warszawskiej sieci ciepłowniczej, Warszawa 2007
78
ELEKTROWNIE WODNE. SZWAJCARIA - POLSKA, PRÓBA PORÓWNANIA.
Jakub ŁUSZCZ
Opiekun naukowy referatu: dr Karolina Błogowska
Streszczenie
Elektrownia wodna to zespół turbin i urządzeo z nimi współpracujących zamieniających energię wody
(potencjalną, pływów) na energię mechaniczną. Można wyróżnid dwa główne typy hydroelektrowni,
duże oraz małe. Ze względu na ukształtowanie powierzchni, występowanie wielu rodzajów cieków
wodnych w różnych krajach spotykamy odmienne sieci elektrowni wodnych. I tak, w Polsce dominują
MEW, w Szwajcarii duże kombinaty hydroenergetyczne.
1. Ogólna charakterystyka hydroenergetyki
Energię wód można ogólnie podzielid na energię wód śródlądowych oraz energię mórz. Powstanie
energii wód śródlądowych jest związane z cyklem krążenia wody w przyrodzie. Źródłem tej energii
jest w istocie energia słoneczna. Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej
(w elektrowni wodnej) w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych
następuje zamiana energii potencjalnej na energię kinetyczną, a ta następnie w prądnicach
elektrycznych jest zamieniana na energię elektryczną.
1.1. Światowe zasoby wody oraz potencjał hydroenergetyczny świata
Hydrosfera naszej planety zawiera około 1,370*109km3 wody. Największy udział jak można się
domyślid maja w niej morza i oceany (97,25%). 2,14% zawiera woda w stanie stałym. Pozostałe czyli:
wody gruntowe, jeziora, chmury, deszcz oraz rzeki zawierają około 0.62% całości. Te ostanie raptem
jedną dziesięciotysięczną procenta. Światowy potencjał hydroenergetyczny szacuje się na 2,857 TW,
w chwili obecnej z całej puli wykorzystuje się nie więcej niż 0,152 TW, co stanowi 5,5% ogółu.
2. Rodzaje elektrowni wodnych
Elektrownie wodne można podzielid na:
a) Elektrownie z naturalnym dopływem wody
- elektrownie regulacyjne tzw. zbiornikowe (przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny
wyrównujący sezonowe różnice w ilości płynącej wody);
- elektrownie przepływowe (nie posiadają zbiornika, ilośd wyprodukowanej energii zależy od ilości
wody płynącej w rzece w danym momencie).
b) Elektrownie szczytowo – pompowe
Znajdują się one pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi tzn. górny i dolnym. Elektrownie te
umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze
zbiornika dolnego do górnego. Z kolei w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest
przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.
79
c) Podział elektrowni ze względu na wielkośd:
- mikroelektrownie wodne poniżej 200 kW mocy;
- elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW - 10 MW;
- elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej.
2.1. Pozostałe typy energii możliwe do wykorzystania (pływów, fal, prądów morskich)
Elektrownia pływowa
To elektrownia wodna wykorzystująca do produkcji energii elektrycznej przypływy i odpływy morza
bądź oceanu, spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i – w mniejszym stopniu - Słooca
oraz ruchem obrotowym Ziemi. By wykorzystad energię pływów, ujścia rzek przegradza się zaporami,
wyposażonymi
w turbiny, poruszane przez wodę, wpływającą w czasie przypływu do zbiornika, a w czasie odpływu
wypływającą (uwalnianą) z niego z powrotem do morza.
Energię pływów można wykorzystywad jedynie w około 20 rejonach świata, w niektórych miejscach
jednak jej zasoby są całkiem spore: na przykład Wielka Brytania, wykorzystując energię pływów
mogłaby pokryd około 20% swoich potrzeb energetycznych. Zaletą elektrowni pływowych jest także
stuletni okres eksploatacji.
Elektrownia maremotoryczna
Zwana inaczej falowo-wodną, produkuje energię elektryczną z energii fal lub prądów morskich bądź
oceanicznych. Pierwszy zakład tego typu uruchomiono w drugiej połowie XX wieku w Bouchaux Praceique we Francji, poza tym elektrownie maremotoryczne pracują między innymi w Rosji nad
Morzem Białym i w Stanach Zjednoczonych na Alasce.
Z kolei stosowane w elektrowniach maremotorycznych turbiny to:
turbiny wodne, napędzane przelewającą się przez upust zbiornika wodą, która wcześniej wpływa do
zbiornika zwężającą się sztolnią, a po przepłynięciu przez turbinę wraca do morza, bądź też turbiny
powietrzne, wprawiane w ruch powietrzem, sprężonym w górnej części zbiornika przez zalewające
dno zbiornika fale. Zbiornik taki zbudowany jest na platformie, zlokalizowanej na brzegu morza.
Ponieważ instalacje, wyposażone w turbiny powietrzne mają często nawet kilkadziesiąt kilometrów
długości, mogą chronid brzeg morski przed zniszczeniem, czyli pełnid rolę falochronu.
Elektrownia maretermiczna
Nazywana również oceanotermiczną, produkuje energię elektryczną z energii cieplnej, której źródłem
jest różnica temperatur miedzy ciepłymi warstwami powierzchniowymi a zimnymi warstwami
głębinowymi morza.
Elektrownie maretermiczne wykorzystują jako czynnik roboczy amoniak, freon bądź propan, które
parują w wynoszącej około 30 st. C temperaturze wody powierzchniowej i następnie są skraplane
przy pomocy wody o temperaturze około 7 st. C, czerpanej z głębokości 300-500 m. Zakłady
maretermiczne pracują na Hawajach (40 MW), w Japonii (10 MW), na Bali i Tahiti (po 5 MW).
80
3. Klasyfikacja elektrowni wodnych
Najważniejszymi parametrami elektrowni wodnej są: moc zainstalowana, przełyk elektrowni, spad
użyteczny czas pracy w ciągu doby, tygodnia itp. Przełyk elektrowni ma zasadniczy wpływ na wielkośd
budowli hydrotechnicznych doprowadzających wodę do elektrowni, wymiary turbin, oraz wielkośd
budynku elektrowni. Dobór tej wielkości jest trudny, ponieważ ściśle zależy ona od wartości,
zmieniających się w poszczególnych porach roku, przepływów w rzece oraz od charakteru pracy
elektrowni. Spad użyteczny elektrowni zależy od warunków topograficznych cieku oraz od sposobu
rozwiązania stopnia wodnego.
3.1. Duże oraz małe elektrownie wodne, ich wady i zalety.
Jak wcześniej zostało wspomniane elektrownie wodne można podzielid na duże, małe
i mikroelektrownie. Te trzecie nie zostaną przedstawione w owym referacie.
Duże elektrownie wodne. Najczęściej i na największą skalę energia wody wykorzystywana jest
właśnie w tych elektrowniach. Budowane są one na rzekach, sprawnośd przetwarzania w nich energii
jest dwukrotnie wyższa niż w elektrowniach węglowych. Rozróżnia się dwa podstawowe typy
elektrowni tego typu: przepływowe i regulacyjne. Pierwsze budowane są na rzekach nizinnych
o małym spadku. Nie maja one możliwości regulacji spadku, a co za tym idzie regulacji wytwarzanej
energii elektrycznej. Elektrownie regulacyjne natomiast mają owe udogodnienie, mogą magazynowad
energię wód i przetwarzad ją na energie elektryczną w dowolnym czasie.
Najczęściej spotykane typy elektrowni wodnych to:
Przepływowe bez zbiornika - nie mają możliwości regulacji przepływu
Regulacyjne z dużym zbiornikiem wodnym - możliwośd regulacji cyklu istnieje, dodatkowo zbiornik
może stanowid zabezpieczenie przeciwpowodziowe.
Zbiornikowe z małym zbiornikiem - umożliwiają krótkoterminową regulację.
Pompowo - Szczytowe: służą do przetwarzania i magazynowania energii w okresie nocnym
i oddawaniu jej w okresach szczytowego obciążenia sieci.
Zalety:
- nie zanieczyszczają środowiska pyłami i spalinami
- nie zużywają paliw naturalnych
- wytwarzanie w nich energii jest około 10 razy taosze niż w konwencjonalnych
- są taosze w eksploatacji i mają większą sprawnośd niż elektrownie konwencjonalne
Wady:
- ingerują w środowisko
- nakłady inwestycyjne są 2 - 3 razy większe niż nakłady na elektrownie konwencjonalne
- przyczyniają się do zmiany struktury hydrologicznej
- są przyczyną zamulania zbiorników
81
Małe elektrownie wodne. Stosowana najczęściej do produkcji prądu na potrzeby lokalne, ale
wykorzystuje się również energię mechaniczną do mielenia zbóż, napędu kuźni (dawniej). W małych
elektrowniach wodnych możemy wyróżnid elektrownie pracujące „na” następujących turbinach:
Francisa, Kaplana, Peltona, Bankl - Michella.
Turbina Francisa jest turbiną reakcyjną wynalezioną w 1849 roku. Najwydajniej pracuje ona na
spadku od 5 do 500 m. Składa się z wirnika na który za pośrednictwem łopatek kierownicy
doprowadzany jest strumieo wody. Na łopatkach wirnika następuje konwersja energii wody na
energie mechaniczna wirnika.
Turbina Kaplana została skonstruowana w 1912 roku. Ona również jest turbiną rekacyjną. Różni się
jednak od turbiny Francisa gdyż w przeciwieostwie do niej ma możliwośd regulacji nie tylko
kierownicy, ale również kąta ustawienia łopatek w wirniku jak i w kierownicy.
Turbina Kaplana jest turbiną akcyjną stosowaną przy dużych spadach. Została zbudowana w 1880
roku. Może ona pracowad w układzie pionowym jak i poziomym.
Turbina Banki - Michella. Twórcami owej konstrukcji byli niezależnie Michell z Austrii oraz Banka
z Węgier. Turbina ma cylindryczny wirnik oraz palisadę łopatek (pobocznicę). Woda kierowana przez
ruchomą, regulowaną kierownicę wpływa na łopatki na całej szerokości wirnika. Turbina dzięki
prostocie swojej budowy jest niezawodna, trwała i tania przy niewiele mniejszej sprawności
w porównaniu z innymi, znacznie droższymi.
Sprawnośd MEW waha się od 30% dla bardzo prostych konstrukcji, przez 60% - 80% dla konstrukcji
typowych i 86% - 90% dla konstrukcji zaawansowanych. Małe elektrownie wodne są inwestycjami
długoterminowymi i może dlatego nie przyciągają zbyt wielu potencjalnych nabywców.
Zalety:
- Oszczędnośd paliw kopalnianych
- Zmniejszenie importu paliw płynnych
- Rozwój małej gospodarki
- Rozbudowa systemu energetycznego
- Ochrona środowiska
Wady:
- Długoterminowośd inwestycji
4. Charakterystyka wybranych elektrowni wodnych
Elektrownie wodne cechuje wyjątkowa różnorodnośd rozwiązao, wynikająca z konieczności każdorazowego
dostosowania się do istniejących warunków lokalnych. Elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych
można podzielid na grupy według następujących kryteriów: wartości spadu, sposobu pokrywania obciążeo
w układzie elektroenergetycznym i sposobu gospodarowania zasobami wodnymi. Podział według wartości
spadu jest najbardziej istotny, ale dośd dowolny. Rozróżnia się elektrownie niskospadowe, średniospadowe
i wysokospadowe. W warunkach polskich najsłuszniejszy jest podział na elektrownie o niskim spadzie nie
przekraczającym 15 m, średnim spadzie 15 ¸ 50 m oraz wysokim spadzie przekraczającym 50 m.
82
W aspekcie ekonomicznym elektrownie wodne w systemie elektroenergetycznym realizują: pracę programową,
tj. wyrównanie obciążeo dobowych pokrywanie obciążeo szczytowych i obciążanie elektrowni podstawowych
w dolinie obciążeo, pracę regulacyjną, tj. pokrywanie szybkich zmian obciążenia w czasie, pracę interwencyjną
w przypadku nagłych zmian obciążenia w systemie. Z punktu widzenia sposobu gospodarowania przepływem
wody rozróżnia się elektrownie przepływowe, zbiornikowe, zbiornikowe z członami pompowymi i pompowe.
Elektrownie przepływowe nie mają zbiornika do magazynowania wody, wykorzystują ciągły przepływ cieku
wodnego. Elektrownie przepływowe mogą byd budowane jako pojedyncze obiekty wykorzystujące pewien
odcinek rzeki lub jako szereg elektrowni wykorzystujących całą lub częśd rzeki. Wykorzystanie rzeki przez
budowę szeregu elektrowni wzajemnie powiązanych ze sobą (kaskada rzeki) ma wiele zalet: stwarza duże
możliwości wyrównywania przepływów, co pozwala na zmniejszenie urządzeo do przepuszczania fal
powodziowych (zbędna jest budowa dużych zbiorników wyrównawczych) oraz umożliwia lepsze wykorzystanie
zasobów energetycznych rzeki. Pojemności zbiorników powstałych przed zaporami spiętrzającymi mogą byd
wystarczające do regulacji dobowej. Elektrownie te mogą pracowad w tzw. systemie ruchu przewałowego
i mogą byd źródłem znacznej energii szczytowej. Pod pojęciem pracy przewałowej rozumie się jednoczesne
uruchamianie i zatrzymywanie na wszystkich stopniach turbin o tym samym przełyku.
Przepływy w elektrowniach przepływowych nie są wyrównywane, ulegają więc dużym wahaniom w czasie
odpowiednio do występujących opadów i innych zmiennych warunków klimatycznych. W celu lepszego
wyzyskania cieku wyposaża się elektrownie wodne w zbiorniki wody, o ile pozwala na to ukształtowanie terenu.
Są to tzw. elektrownie zbiornikowe. Zadaniem zbiorników jest gromadzenie wody w okresach małego
obciążenia systemu elektroenergetycznego lub niewspółmiernie dużych, w stosunku do przełyku
zainstalowanych turbin, przepływów wody w okresach powodziowych, co umożliwia wykorzystanie jej
w bardziej odpowiednim czasie. Oprócz tego zbiorniki mogą jednocześnie spełniad inne, nie energetyczne
zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulację przepływu ze względu na żeglugę tzw. zbiorniki
wielozadaniowe. Zbiorniki mają wolną od wody warstwę retencyjną (przeciwpowodziową), służącą do
magazynowania fali powodziowej, warstwę energetyczną i pod nią energetycznie nieużyteczną warstwę
martwą. Warstwa retencyjna i energetyczna tworzą warstwę użyteczną energetycznie. Warstwa martwa służy
do celów żeglugowych. Pojemnośd zbiorników może byd różna; buduje się zbiorniki dobowe, tygodniowe,
sezonowe, roczne i wieloletnie. Gromadzą one energię w postaci wody w celu wyrównania zapotrzebowao na
energię elektryczną w okresach doby, tygodni itp. Elektrownie zbiornikowe pracują przeważnie szczytowo.
Elektrownie wodne szczytowe ze zbiornikiem wyrównania dobowego mają dobowy cykl pracy, składający się
z okresu pracy turbin oraz okresu postoju turbin.
W elektrowniach zbiornikowych z członami pompowymi zbiorniki górne są napełniane częściowo przez dopływy
naturalne, a częściowo uzupełniane wodą tłoczoną przez pompy ze zbiorników dolnych w okresach małych
obciążeo w systemie elektroenergetycznym.
W elektrowniach pompowych, zwanych również szczytowo pompowymi, woda ze zbiornika górnego
w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół. Na koocu trafia na turbinę z generatorem
i wytwarza prąd (trwa to około 5 godzin). Gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny
radykalnie spada, najczęściej nocą, zachodzi cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu
pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci. W ciągu 6 godzin zbiornik górny jest ponownie
napełniony. W zależności od sposobu doprowadzania wody do turbiny rozróżnia się elektrownie przyzaporowe
oraz derywacyjne, w których woda jest doprowadzona kanałami i rurociągami ciśnieniowymi.
4.1. Energetyka wodna w Polsce
Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii, w warunkach naszego kraju, największy udział w
produkcji energii elektrycznej mają i będą miały elektrownie wodne, wśród których do tzn. małej
energetyki zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 500 kW (5 MW) - jest to moc umowna. Takie
samo kryterium stosuje się w większości paostw Europy zachodniej poza krajami Skandynawskimi,
Szwajcarią i Włochami gdzie za "małe" uznaje się elektrownie do 2 MW. Mogą byd one zlokalizowane
na niedużych rzekach.
83
Mała energetyka wodna ma długą historie. Po drugiej wojnie światowej na terenie Polski istniało koło
6330 zakładów wykorzystujących energię wody. Na początku lat 80-tych liczba małych elektrowni
wynosiła ok.100 i od tego czasu się zwiększa. W Polsce działa około 424 małych elektrowni wodnych,
z czego 320 jest prywatnych, o łącznej mocy około 410 MW i produkcji rocznej 410 GWh. Większośd
obiektów energetyki wodnej zlokalizowana jest na terenach wiejskich. Łączna moc elektrowni
wodnych wynosi ponad 2040 MW. Zaledwie kilkanaście o mocy większej, niż 5 MW.
W Polsce największe elektrownie, które odgrywają decydującą rolę wśród elektrowni wodnych,
osiągają moce: Żydowo - 152 MW, Porąbka-Żar - 500 MW (4x125 MW), Żarnowiec - 680 MW (4x170
MW), Włocławek - 160 MW, Solina - 136 MW i Czorsztyn - 93 MW i w przyszłości Młoty 750 MW
(3x250 MW).
4.2. Energetyka wodna w Szwajcarii
Szwajcaria w 57% pokrywa zapotrzebowanie na energię elektryczną za pomocą hydroenergetyki. Na
wynik ten składają się bardzo sprzyjające ukształtowanie terenu, duża ilośd odpowiednich cieków
wodnych oraz zaawansowanie technologiczne. Jeszcze 120 lat temu w Szwajcarii było nie więcej niż
30 elektrowni wodnych, 23 lata temu już ponad 1000. Dziś Szwajcaria może się pochwalid
hydroelektrowniami takimi jak: Bieudron, Fionnay, Nendaz, Chanrion, czy też Innertkirchen I, lub
Innertkirchen II. Wszystkie produkują łącznie 2283MW energii elektrycznej. Wytworzenie tak dużych
mocy jest możliwe dzięki potężnym tamom spiętrzającym: Grande Dixence, Mauvoisin. Z przepływu
wody przez te dwie tamy Szwajcarzy otrzymują 3 Twh energii rocznie.
4.3. Porównanie energetyki wodnej Szwajcarii i Polski.
Patrząc na opis hydroenergetyki dwóch wymienionych w tytule krajów możemy śmiało stwierdzid iż
Szwajcaria jest zdecydowanym liderem w wykorzystaniu energii wód. Nie tylko w Europie, ale i na
świecie. Kraj ten przetwarza na energie elektryczna około 90 procent swych zasobów wodnych.
Stanowi to 57% procent całej energetyki. Resztę dopełniają elektrownie atomowe i nieliczne innych
rodzajów. Szwajcaria posiadając bardzo dobre ukształtowanie terenu oraz duża ilośd cieków
wodnych. Nie może byd praktycznie porównana do Polski, której obszar jest obszarem głównie
nizinnym nie nadającym się do gromadzenia energii w wodach.
Szwajcaria należy do krajów posiadających bardzo dobrze rozwinięta duża energetykę wodną. Patrząc
chociażby na tamę Grand Dixance za której to ulokowane są trzy potężne elektrownie Bieudron
84
(1,269 MW), Fionnay (321 MW) i Nendaz (408 MW), które mogą się równad z całą hydroenergetyką
Polski. Wydaję się to zabawne, trzy stację przeciw prawie 500, a to ułamek potencjału Szwajcarii.
5. Wnioski.
W dniu dzisiejszym Szwajcaria przewyższa Polskę na całym polu energetyki wodnej: ilośd
przetworzonych zasobów, wielkośd elektrowni, moc produkowana przez te monstra.
5.1. Przewidywana przyszłość hydroenergetyki.
Szwajcaria w przyszłości będzie dalej rozwijad się na polu hydroenergetyki, może nie tak gwałtownie
jak przez ostanie dziesięciolecia, ale ruch nie ustanie. Szwajcarii pozostaje ulepszad swoje maszyny
i inwestowad w nowe, może wydajniejsze technologie. Polska natomiast powinna zająd się rozwojem
i ulepszaniem MEW, jest to przyszłośd hydroenergetyki tego kraju, duże elektrownie mogą powstad
jedynie w niewielu miejscach, jest ich raptem kilkanaście (licząc już powstałe).
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
„Wytwarzanie energii elektrycznej", Józef Paska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
Warszawa 2005
"Odnawialne źródła energii przykłady obliczeniowe", Ewa Klugmann-Radziemska Wydawnictwo
Politechniki Gdaoskiej. Gdaosk 2006
„Odnawaialne źródła energii i pojazdy proekologiczne", Grażyna Jastrzębska. Wydawnictwo NaukowoTechniczne. Warszawa 2007
"Proekologiczne odnawialne źródła energii", Witold M.Lewandowski. Wydawnictwo NaukowoTechniczne. Warszawa 2001, 2007.
http://www.grande-dixence.ch/energie/hydraulic.html
http://www.industcards.com/hydro-switzerland.htm
http://www.ekologika.pl/modules.php?name=News&file=article&sid=1023
http://www.imgw.pl/internet/otkz/elektr_w/mapa1.htm
http://www.biomasa.org/index.php?d=artykul&kat=31&art=24
85
WPŁYW MAŁYCH DAWEK PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO
NA ORGANIZMY ŻYWE
Katarzyna MATWIEJEWA
Studentka Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. Ludwik Dobrzyoski (Instytut Problemów Jądrowych im. A. Sołtana)
Streszczenie
Wiele wiadomo o niebezpieczeostwie, jakie niosą za sobą duże dawki promieniowania jonizującego, natomiast
niewiele wiemy o działaniu małych dawek na organizmy żywe. Okazuje się, że mogą one działad odpornościowo
na układ immunologiczny. W tym referacie chcę zapoznad Paostwa z ciekawymi odkryciami naukowców,
związanymi z pozytywnym działaniem promieniowania na organizmy żywe. Mam nadzieję, że te informacje,
chod czasami brzmiące niewiarygodnie, spotkają sie z Paostwa zainteresowaniem.
Wstęp
W związku z planami rozbudowy energetyki jądrowej w Polsce, powraca problem związany
z promieniowaniem. Wiele wiadomo o niebezpieczeostwie, jakie niosą za sobą duże dawki
promieniowania jonizującego, natomiast w tym referacie chciałabym skupid uwagę na małych
dawkach, których działanie jest zdecydowanie słabiej rozpoznane.
Czym jest dawka?
Dawka pochłonięta jest to stosunek energii przekazanej przez promieniowanie jonizujące materii
w elemencie objętości do masy materii zawartej w elemencie objętości. Jednostką dawki
pochłoniętej jest grej *J/kg+. Ta definicja nie jest wystarczająca dla określenia skutków biologicznych
i dla tego też wprowadza się pojęcie równoważnika dawki lub dawki równoważnej, zdefiniowanej,
jako
D·wR
gdzie niemianowany współczynnik wR zależy od rodzaju promieniowania, a także od jego energii. Aby
wiadomo było, że mówimy właśnie o równoważniku dawki, tę dawkę podajemy w siwertach *Sv+.
My żyjemy w środowisku, w którym promieniowanie jest wszechobecne, w związku, z czym nasze
organizmy musiały się do niego przystosowad. Poziom promieniowania naturalnego wynosi ok 2, 5
mSv / rok. Niezależnie, średnio człowiek dostaje dawkę 0.9 mSv pochodzącą z procedur medycznych łącznie 3.4 mSv, co stanowi poziom odniesienia. Trzeba jednak mied świadomośd, że na świecie
poziom promieniowania może się zmienid nawet stukrotnie ( np. piaski rodonośne, złoża
monazytowe). Dobrym tego przykładem jest Iran – Ramzar- 700 mSv/rok.
Do tej pory nie stwierdzono, aby ludzie zamieszkujący w terenie o podwyższonym promieniowaniu
chorowali czy umierali. Np.:
86

Roczna śmiertelnośd na raka w USA w przeliczeniu na 100 mieszkaoców okazała się
zdecydowanie mniejsza w miejscowościach o podwyższonym poziomie promieniowania (rys.
1)
Rys. 1. Roczna śmiertelnośd na raka w USA/ 100 000 mieszkaoców w latach 1950 – 1967 [2].

U mieszkaoców Nagasaki napromieniowanych dawką poniżej 0,1 Sv stwierdzono
zmniejszenie zapadalności na białaczki, raka płuc i raka jelita grubego (rys. 2)
Rys. 2. Ryzyko względne zapadalności na białaczkę wśród kobiet - ofiar wybuchu jądrowego nad Nagasaki w 1945 r.
87

W obszarach o podwyższonym (10x lub więcej) poziomie promieniowania naturalnego nie
obserwuje się zwiększenia zapadalności na choroby nowotworowe i inne

śmiertelnośd z powodu nowotworów wszystkich rodzajów wśród ratowników pracujących
podczas awarii reaktora w Czarnobylu jest o 13% niższa niż oczekiwana na podstawie
hipotezy liniowej bezprogowej, a w przypadku guzów litych o 17%

Generalnie odpowiedź układu odpornościowego na promieniowanie mierzona zarówno In
vitro,
jak
i In vivo wykazuje efekt hormetyczny w obszarze małych dawek (rys. 3)
Rys. 3 Odpowiedź układu immunologicznego na działanie dawek *5+.
I najciekawszy wg mnie przykład: niedawno podano do wiadomości wyniki badao znaczącej liczby ok.
10 tys. mieszkaoców Tajwanu, którzy przez 9 do 20 lat mieszkali w osiedlu 180 domów zbudowanych
z betonu, w którym stal zbrojeniowa została, oczywiście nieświadomie, zanieczyszczona stopionym
wspólnie silnym źródłem kobaltowym ( okres połowicznego zaniku to 5,3 lat). W domach tych, ale
także w miejscach użytecznych, jak szkoła i małe przedsiębiorstwa, panowało wyraźne podwyższone
promieniowanie, a mieszkaocy, nie wiedząc o tym, otrzymali średnio 0, 4 Sv. Gdy odkryto ten fakt
przebadano mieszkaoców osiedla i porównano wyniki z wynikami badao grupy kontrolnej
o podobnych charakterystykach osobowych. Przede wszystkim dokonano możliwie dokładnej oceny
dawek otrzymanych przez mieszkaoców. Jak się okazało ok. 10% mieszkaoców osiedla otrzymało
w roku 1983 dawkę 525 mSv, a łączną w latach 1983-2003 aż 4 Sv. (9 % mieszkaoców otrzymało
dawki 60mSv w roku 1083 i łącznie 420 mSv, pozostałe 80% grupy otrzymało dawki 18mSv i 1983
i dawkę łączną 120mSv. Chod jak widad, wielu rezydentów otrzymało stosunkowo wysokie dawki,
u żadnego z nich nie wystąpiły objawy ostrej choroby popromiennej, tak jak to było np. u ofiar
bombardowania, czy u ratowników w Czarnobylu. Natomiast okazało się, że promieniowanie
w sposób znaczący obniżyło śmiertelnośd na nowotwory w grupie poddanej napromieniowaniu (rys.
4). O ile w okresie badanych 20 lat średnia śmiertelnośd z powodu nowotworów złośliwych wynosiła
na Tajwanie 116 na 100 000 osobo-lat, w grupie poddanej podwyższonym dawkom wynosiła ona 3,5.
88
Na spodziewane w ciągu 20 lat ( na podstawie hipotezy liniowej bezprogowej) 302 przypadki
śmiertelnych nowotworów, z których 70 głównie białaczek, miało powstad w wyniku
napromieniowania, stwierdzono zaledwie 7 przypadków a więc 3% oczekiwanych zgonów. Również
w wypadku defektów płodowych, których spontaniczna częstotliwośd na Tajwanie wynosi 23/ 1000
dzieci, zanotowano jedynie 1,5 przypadku na 1000 dzieci poniżej 19 lat, urodzonych przez osoby
„napromieniowane”. Ze spodziewanych 67 przypadków, z których 21 miało byd wywołanych
napromieniowaniem, stwierdzono w sumie tylko 3 przypadki. W grupie badanych osób nie
zanotowano także aberracji chromosomalnych, chod obserwowano drobne zmiany na poziomie
komórkowym. Zmiany te jednak ewidentnie nie prowadzą do efektów szkodliwych dla zdrowia.
Rys. 4. Śmiertelnośd z powodu nowotworów (na 100 000 osobo-lat) wśród rezydentów osiedla domów z
promieniotwórczą stalą w porównaniu z grupą kontrolną w latach 1983 – 2001. Trend wzrostowy w grupie kontrolnej
Tajwaoczyków autorzy tłumaczą powiększającą się długością życia.
W najbardziej konserwatywnym podejściu można powiedzied, że w zakresie dawek 100 -200mSv/rok,
dostarczanych w sposób ciągły, nie mamy danych na temat ich szkodliwości. W zasadzie nie mamy
również danych, które pokazałyby, że jednorazowo dostarczone dawki do 100-200 mSv miały
szkodliwe skutki. W związku z tym, wiedząc o tym, że duże dawki promieniowania jonizującego mogą
wywoływad nowotwory należy się zapytad, dlaczego w obszarze małych dawek sprawa wydaje się
odmienna? Otóż:
1. Efekty( prawdopodobieostwo zaistnienia efektów szkodliwych) są na tyle niewielkie, że aby
sprawdzid te efekty potrzeba przebadad ogromne populacje ludzi idące w setki tys.
2. Po prostu tych efektów może nie byd ze względu na działanie naszego układu odpornościowego.
Liczba uszkodzeo DNA rośnie liniowo z dawką, natomiast okazuje się, z badao na myszach
w szczególności, że dostarczenie małej dawki działa w sposób pobudzający układ immunologiczny do
obrony. Badania te pokazują, że
89

Napromieniowanie ciała małą dawką rozłożoną w czasie może zwiększyd siłę odpowiedzi
immunologicznej, chod zastosowanie większej dawki ma działanie przeciwne.
Stwierdzono np., że napromienienie myszy dawką 0, 2 Sv zaowocowało znacznym
wzrostem poziomu przeciwciał w surowicy. Napromieniowanie myszy dawką 0, 5 -1 Gy
przyniosło dwukrotne zmniejszenie częstości występowania raków i mięsaków

Czas życia myszy napromieniowanych małymi dawkami wyraźnie wzrósł (rys. 5, rys. 6)
2
Rys. 5. Przeżywalnośd myszy MRL-lpr/lpr napromienianych (137-Cs) przez 5 tygodni z mocą dawki 0, 35 lub 1, 2
mGy/godz w porównaniu z grupą kontrolną (z prezentacji Kazuo Sakai, Low Dose Radiation Research Centre, Central
Research Institute of Electric Power Industry).
90
Rys. 6. Wygląd myszy po 90 dniach: napromienionych (moc dawki 0,70 mGy/godz) i nie poddanych napromienieniu. U
tych ostatnich efekt starzenia (chodby widok sierści) jest wyraźny.

Liczba raków skóry u myszy w funkcji czasu od podania rakotwórczego
metylocholantrenu, jest znacznie mniejsza u myszy, które wcześniej zostały poddane
wstępnemu promieniowaniu (rys. 7)
Rys. 7. Zapadalnośd na indukowanego metylocholantrenem (MC) raka skóry u myszy nienapromienianych
i eksponowanych na promieniowanie gamma o małej mocy dawek.
91

Generalnie rozwój nowotworów u myszy poddanych działaniu małych dawek
promieniowania rentgenowskiego wykazuje na zmniejszającą się liczbę raków
w stosunku do grupy kontrolnej (tabela 1)
Tabela 1. Rozwój nowotworów u myszy poddanych działaniu małych dawek promieniowania rentgenowskiego *4+.
Maksimum tego pobudzenia okazuje się leżed w granicach 150 mSv. Jeżeli więc max aktywnośd
obronna jest w stanie przezwyciężyd potencjalne uszkodzenia DNA nie widad powodu by uszkodzenia
DNA mogły mied konsekwencje. (wykresy)
Rys. 8. Liczba dobowych uszkodzeo w każdej komórce z naturalnych przyczyn oraz stosunek liczby tych uszkodzeo do
uszkodzeo radiacyjnych spowodowanych dawką 1 mSv.
92
Rys. 9. Krzywa dawka -efekt typu U wskazująca na efekt hormezy (z lewej) oraz reakcja z progiem (z prawej). Punkt
NOAEL oznacza dawkę, poniżej której nie obserwuje się negatywnych skutków.
Rys. 10. W obszarze małych dawek uszkodzenia DNA są skutecznie neutralizowane przez reakcje naprawcze
i immunologiczne organizmu. W wyniku można uzyskad efekt hormetyczny (linia ciągła).
Szczegółowe wykazanie ze jest to w pełni możliwe i zgodne z toksykologią działania toksyn, kiedy
działa identyczny mechanizm - na to istnieje b. wiele dowodów doświadczalnych, w tym mamy
również polskich. Najbardziej interesującym w tym kontekście przykładem jest zastosowanie małych
dawek w terapii. W szczególności, napromieniowanie całego ciała lub połowy ciała małymi dawkami
przyniosło pozytywne skutki w eksperymentalnym leczeniu niektórych nowotworów. Spośród
93
pacjentów chorych na białaczkę po 9 latach od kuracji z zastosowaniem chemioterapii przeżyło 50%,
podczas, gdy przeżywalnośd leczonych małymi dawkami wyniosła 84%. Mechanizm hormezy to
mechanizm dynamiczny- rozwija się w czasie.
Wnioski
Myśląc o ryzyku związanym z promieniowaniem jonizującym jest rzeczą sensowną przyjęcie do
wiadomości, że niemal każde działanie człowieka związane jest z jakimś ryzykiem. Przechodzimy przez
jezdnię, pijemy alkohol, palimy papierosy, pracujemy w warunkach szkodliwych dla zdrowia w każdym z tych przypadków istnieje skooczone prawdopodobieostwo zejścia śmiertelnego. Jak
wielkie jest to prawdopodobieostwo? Przyjmijmy pojęcie George’a Marxa- mikroryzyka, tj. ryzyka, że
wśród miliona ludzi wykonujących daną czynnośd jedna umrze wskutek tej działalności. Wiadomą
rzeczą jest, że ryzyko jest nieodłączną częścią codziennych działao. Jesteśmy jednak tak bardzo
przyzwyczajeni do większości czynników ryzyka, że zazwyczaj albo o nich nie pamiętamy, albo po
prostu akceptujemy dane ryzyko np. przyjemnośd palenia papierosa równoważy świadomośd
możliwości powstania raka płuc. Jest to tzw. ryzyko akceptowane. Z definicji jest to pojęcie
subiektywne, gdyż dla palaczy ryzyko związane z paleniem jest akceptowane, dla innych nie. Tak
samo jest w rzeczywistości: ludzie nie chcą mieszkad blisko lotniska, gdzie lądują samoloty, natomiast
akceptują fakt ryzykownego lądowania. Czasem ludzie mieszkający stosunkowo daleko od elektrowni
atomowych bardziej nie akceptują ryzyka posiadania elektrowni niż mieszkający blisko niej ludzie, np.
personel.
Narażenie na promieniowanie pojawia się podczas stosowania niektórych procedur medycznych.
Należy jednak rozróżnid dwie zasadniczo odmienne sytuacje. Gdy promieniowanie jest użyte do
celów diagnostycznych- ogranicza się dawkę do poziomu pozwalającego na dokładną obserwację.
Dawki stosowane są względnie niewielkie. Natomiast w radioterapii jedynym celem lekarza jest
zwalczenie nowotworu, a dawki stosowane mogą byd b. wysokie, chod stosowane lokalnie, aby nie
zagrażały zdrowej części organizmu. Pojawiające się w wyniku radioterapii komplikacje nie są rzadkie,
są one jednak na ogół wyleczalne.
Kilka lat temu na Uniwersytecie w Pittsburgu, USA przeprowadzono badania ankietowe, które miały
na celu wykazanie obaw społecznych w stosunku do rzeczywistych zagrożeo związanych
z promieniowaniem jonizującym. Odpowiedziało 211 os (pracowników instytutu oraz członków
Towarzystwa medycznego). 70 os powiedziało, że obawy społeczne są bez porównania większe niż w
rzeczywistości, 104, że znacznie większe niż w rzeczywistości, 18 os, że nieco ponad realne, 9znacznie mniejsze niż realne, 8- realne, a 2 bez porównania mniejsze niż realne. Zdawad by się mogło,
że można było oczekiwad krytycyzmu od ludzi posiadających dużą wiedzę naukową. Czego zatem
możemy oczekiwad od zwykłych ludzi? Ich opinia tworzy się głównie na podstawie informacji
mediów, a większośd mediów wyolbrzymia ryzyko. Dalej informacja jest przefiltrowywana przez
osobistą niechęd podejmowania ryzyka, jak również oczekiwanych korzyści. Ten ostatni czynnik
wyjaśnia, dlaczego ludzie oceniają ryzyko związane z prześwietleniami rentgenowskimi za niższe niż
jest w rzeczywistości.
Sam problem ryzyka jest problemem trudnym, gdyż trudno go określid ilościowo, szczególnie
w obszarze małych dawek, z którymi szczególnie mamy do czynienia. W istocie rzeczy, lata
traktowania promieniowania jonizującego jako” niewidzialnego wroga” spowodowały strach, który
94
nie pozwala na racjonalne podejście do ryzyka, takim, jakie ono jest. Chod, jak pokazałam, jest ono
często znacznie niższe niż ryzyko związane z innymi czynnikami.
Można żywid nadzieję, że obecna opinia na temat promieniowana jądrowego z czasem poprawi się.
Jeśli to zagadnienie będzie można rozważad jedynie w oparciu o przesłanki naukowe, bez wpływu
czynników politycznych lub ekonomicznych, istnieje szansa, że promieniowanie jądrowe będzie
traktowane na równi z innymi czynnikami ryzyka. Ryzyko wydaje się tym większe, im bardziej się go
boimy. Ale im bardziej się go boimy, tym więcej wysiłku trzeba włożyd w zrozumienie tego, czego się
boimy i czy nasz strach ma racjonalne podstawy. Jeśli pojawia się on jedynie na podkładzie
emocjonalnym, jest więcej niż prawdopodobne, że poddani panice będziemy działad przeciwko sobie.
A tego powinniśmy unikad.
Bibliografia
1. „Energia jądrowa i jej wykorzystanie” Ludwik Dobrzyoski (Instytut Fizyki Doświadczalnej,
Uniwersytet w Białymstoku oraz Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana, Świerk),
Andrzej Strupczewski (Instytut Energii Atomowej, Świerk ); rozdział 14;
[http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/ej/14.pdf]
2. Frigero and Soft, IAEA Publication, 1976
3. Ina and Sakai, Radiat. Res. 161 (2004) 168
4. Ju et al., 1995
5. Pollycove, Environ. Health Perspect. (1998)
6. G. Marx “People and Risk” w “Atoms in Our Hands”, Roland Eotvos Physical Society,
Budapest (1995) 51-71
95
JAPOŃSKA ENERGETYKA JĄDROWA
Małgorzata MATYSEK
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż. Roman Domaoski, ITC PW
Wprowadzenie
Typy reaktorów
PWR - Pressurized Water Reactor = reaktor wodny ciśnieniowy
BWR - Boiled Water Reactor = reaktor wodny wrzący
ABWR - Advanced Boiled Water Reactor = udoskonalony reaktor wodny wrzący
GCR - Gas Cooled Reactor = reaktor chłodzony gazem
AGR - Advanced Gas Cooled Reactor = udoskonalony reaktor chłodzony gazem
PHWR - Pressurized Heavy Water Reactor = reaktor ciężkowodny ciśnieniowy
RBMK - Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj = reaktor kanałowy wysokiej mocy
WWER - Wodno-Wodianoj Energeticzeskij Reaktor = reaktor wodny ciśnieniowy (radziecki
odpowiednik PWR)
FBR - Fast Breeder Reactor = reaktor powielający prędki
CANDU - Canadian Deuterium Uranium = reaktor jądrowy ciężkowodny
Japonia jest krajem niewiele większym od Polski (372,3 tys. km kw.), ale liczącym znacznie więcej
mieszkaoców – ok. 126,5 mln. Położona jest na czterech głównych wyspach: Honshu, Kyushu,
Shikoku i Hokkaido oraz na prawie czterech tysiącach mniejszych wysepek. Wszystkie wyspy
rozciągające się z północnego wschodu na południowy zachód na przestrzeni ok. 3 tys. km kw., są
górami pochodzenia wulkanicznego, niektóre z nich przekraczają wysokośd 3 tys. m. Archipelag ten
ciągnie się w rejonie zwiększonej aktywności sejsmicznej i częstych trzęsieo ziemi. Nie licząc energii
wodnej niesionej przez liczne górskie rzeki, kraj ten jest całkowicie pozbawiony surowców
energetycznych. Niedostatek własnych źródeł energii, a jednocześnie duże zapotrzebowanie na
energię elektryczną dynamicznie rozwijającej się po II wojnie światowej gospodarki japooskiej,
spowodował zainteresowanie się energią pochodzącą z rozszczepienia jąder uranu.
Eksploatacja elektrowni jądrowych w Japonii znacząco zmniejsza zależnośd tego kraju od
importowanych nośników energii. Dzisiaj Kraj Kwitnącej Wiśni zajmuje trzecie miejsce w świecie pod
względem liczby czynnych elektrowni jądrowych, eksploatując 56 bloków z zainstalowaną w nich
łączną mocą 49 860 MW. Elektrownie te dostarczyły w 2001 r. 321,9 TWh energii elektrycznej, co
stanowiło 35 proc. udział w ogólnie wytworzonej energii elektrycznej. Japonia szczyci się również
największą elektrownią jądrową w świecie, którą jest Kashiwazaki Kariwa (5 bloków z reaktorami
BWR i 2 bloki z reaktorami ABWR o łącznej mocy 8212 MW).
96
Historia rozwoju energetyki jądrowej w Japonii
Pierwszym krokiem na drodze rozwoju energetyki jądrowej było uruchomienie 26 października 1963
r. reaktora demonstracyjnego JPDR (Japan Power Demonstration Reactor) typu BWR o mocy 15 MWe
w Tokai. Dwa lata później, czyli w 1965 r., uruchomiono pierwszy w kraju reaktor energetyczny Tokai
1 (166 MWe) typu Calder Hall – GCR (General Electric). W 1998 r., po przepracowaniu 32 lat, reaktor
ten został wyłączony z eksploatacji. Nastąpiło to nie tyle z powodów technicznych, ale z racji jego
niekonkurencyjności w stosunku do eksploatowanych pozostałych reaktorów wodnych. Obecnie
został on rozładowany z paliwa, by za 5 do 10 lat poddad go procesowi całkowitej likwidacji.
W latach 1970. rozpoczął się w Japonii intensywny rozwój energetyki jądrowej. Już w 1970 r. koncern
energetyczny Japan Atomic Power Company (JAPCO) uruchomił reaktor Tsuruga 1 (BWR) o mocy 341
MWe a z kolei koncern Kansai Electric Power Co. reaktor Mihama1 (PWR) – 320 MWe. Pierwsze dwie
jednostki typu ABWR o mocy 1315 MWe Kashiwazaki-Kariwa 6 i 7 powstały kolejno w 1996r i 1997r.
W Japonii w 1996r. działało już 50 komercyjnych elektrowni jądrowych, 26 BWR, 22 PWR, 1 Tokai-1
i 1 ciężki wodny reaktor. Dla ścisłości należy wspomnied, iż energetyka jądrowa do Japonii przyszła ze
Stanów Zjednoczonych. To właśnie Westinghouse, General Electric i inne firmy amerykaoskie
budowały pierwsze bloki jądrowe w Japonii.
Warto podkreślid, iż japooskie społeczeostwo w większości akceptuje rozwój energetyki jądrowej.
Jest to tym bardziej godne podkreślenia, iż Japonia jest jedynym krajem na świecie, który doznał
skutków działania promieniowania jonizującego wskutek wybuchu dwóch bomb atomowych.
Znamienne, iż w Japonii ludzie nie doszukują się związku między bronią jądrową, a technologiami
jądrowymi. Oceny długoterminowych skutków ataków jądrowych na Hiroszimę i Nagasaki nie są
jednoznaczne. Według części szacunków w ciągu kolejnych 6 lat na chorobę popromienną umarło
jeszcze 60 tysięcy ludzi. Oszacowanie rzeczywistych strat (zabici i zmarli w ciągu pierwszego dnia po
wybuchu) jest niemożliwe. Szacunki tuż po 1945 roku mówiły o 45.000 śmiertelnych ofiar. Później
liczba ta stopniowo rosła, co jednak należy przypisad chorobie popromiennej i skażeniu
radioaktywnemu. Najbardziej prawdopodobna ilośd zabitych jest mniejsza niż wspomniane 80.000
ludzi.
W wyniku badania prowadzonego przez wspólną komisję japoosko-amerykaoską, które objęły ponad
86 tys. ludzi i trwały do lat 60. udało się bezsprzecznie udowodnid związek tylko 800 zgonów
z wybuchem. Badacze zadawali ludziom bardzo szczegółowe pytania (np. "na jakim przedmieściu,
jakiej ulicy, w którym domu znajdował się pan, gdy bomba detonowała?") i na tej podstawie starali
się wyliczyd dawkę promieniowania jaka przypadła każdej osobie oddzielnie. Śledząc dalsze losy tych
osób ustalono że: 87 zachorowało na nowotwory krwi, 440 zmarło na guzy nowotworowe, 250 padło
ofiarą popromiennych zawałów serca, 30 noworodków przyszło na świat z upośledzeniem
umysłowym.
Lokalizacja i parametry pracy bloków jądrowych w Japonii
Biorąc pod uwagę uwarunkowania geologiczne Japonii, tj. możliwośd występowania trzęsieo ziemi,
elektrownie jądrowe lokalizuje się tam, gdzie istnieje podłoże z litej skały. Same elektrownie są
budowane tak, aby wytrzymały trzęsienia ziemi, stąd często zagłębiane są one znacznie poniżej
poziomu ziemi. Wszystkie elektrownie jądrowe zlokalizowane zostały nad brzegiem Morza
Japooskiego lub Oceanu Spokojnego, co czyni je atrakcyjnymi z uwagi na łatwy morski transport
97
ciężkich urządzeo, do których zaliczyd należy zbiornik reaktora czy wytwornice pary (masa tych
urządzeo dochodzi do 800 t). Również transport świeżego paliwa do elektrowni, a także paliwa
wypalonego odbywa się drogą morską. Do chłodzenia obiegu parowego używa się wody morskiej,
stąd specyficzny wygląd elektrowni japooskich, bez charakterystycznych chłodni kominowych.
Reaktory pracujące w Japonii z wyjątkiem dwóch reaktorów prototypowych to reaktory
wodne ciśnieniowe typu PWR - 23 oraz wodne wrzące typu BWR - 32. Oddawane ostatnio reaktory
do eksploatacji, np. Kashiwazaki Kariwa, to tzw. reaktory udoskonalone typu ABWR . Reaktory ABWR
o mocy rzędu 1200-1500 MWe projektowane są przy następujących założeniach: czas budowy
elektrowni 48 miesięcy, okres eksploatacji 60 lat, wyłączenia awaryjne poniżej 1 na 7000 h pracy,
współczynnik dyspozycyjności 90 proc. planowane odstawienia poniżej 20 dni na rok, długośd
kampanii paliwowej 18-24 miesięcy.
Średnia moc bloku jądrowego w Japonii wynosi nieco ponad 850 MWe, średnia dyspozycyjnośd
wszystkich bloków jądrowych w 1996 r. wynosiła 80,8 proc., ale były i takie, które pracowały np.
w 1995 r. z dyspozycyjnością 100 proc., np. Kashiwazaki 3, Ikata 3. Elektrownie pracują w sieci
z częstotliwością 50 Hz (północ kraju) oraz 60 Hz (na południu), stąd turbozespoły obracają się
z prędkością odpowiednio 1500 i 1800obr./min. Mniej więcej w połowie wyspy Honshu znajduje się
linia podziałowa pomiędzy częstotliwością sieci 50 Hz i 60 Hz.
Elektrownia jądrowa Kashiwazaki-Kariwa
Elektrownia jądrowa Kashiwazaki-Kariwa zajmująca 4,2 km. kw. jest zlokalizowana w odległości
zaledwie 7 km od centrum Kashiwazaki, miasta liczącego 88 tys. mieszkaoców, nad Morzem
Japooskim, skąd czerpie wodę do układu chłodzenia. Elektrownia jest własnością TEPCO (The Tokyo
Electric Power Company).
Elektrownia składa się z 7 bloków:
Tabela 4. Dane bloków KK
98
Wykres 5. Moc KK na przestrzeni lat
Jak można zauważyd na wykresie 1. w 2002 roku dochodzi do załamania. Jest to wynik skandalu:
umyślnego sfałszowania danych pochodzących z rutynowej inspekcji bloków KK i zatajeniu informacji
o incydentach w systemie bezpieczeostwa elektrowni. Firma TEPCO przeżyła wtedy jeden
z najpowazniejszych kryzysów. Po zmianie zarządu, który poniósł odpowiednie konsekwencje
i przeprowadzeniu odpowiedniej kontroli uruchomiono ponownie zamknięte jednostki.
Gospodarka odpadami promieniotwórczymi
Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT) oraz Ministerstwo Ekonomii
Handlu
i Przemysłu (METI) są władne w podejmowaniu decyzji w zakresie bezpieczeostwa jądrowego
w Japonii. Wprowadzają one w życie politykę jądrową uwzględniając opinie organów doradczych
jakimi są Komisja Energii Atomowej (Atomic Commission Energy) oraz Komisja Bezpieczeostwa
Nuklearnego (Nuclear Commission Safety). Oba ciała doradcze składają się z ekspertów fizyki
i energetyki jądrowej. Do zadao METI należą także oprócz problemów z bezpieczeostwem urządzeo
przemysłowych, regulacje cyklu paliwowego w japooskiej energetyce jądrowej oraz
odpowiedzialnośd za składowanie odpadów promieniotwórczych
Japonia posiada mocno rozwinięty przemysł związany z całym prawie cyklem paliwowym
w energetyce jądrowej. Posiada własne zakłady wzbogacania uranu w Ningyo Toge zarządzane przez
JNC oraz w Rokkasho zarządzane przez prywatne konsorcjum Japan Nuclear Fuel Limited (JNFL).
Zakłady przerobu wypalonego paliwa znajdują się w Tokaimura (JNC) oraz Rokkasho (JNFL). Ten
ostatni zakład aktualnie jest jeszcze w stadium testów – jego docelowa wydajnośd ma wynieśd 800
t/rok. Nadal częśd wypalonego paliwa z japooskich elektrowni jądrowych przerabiana jest Europie,
we Francji lub w Wielkiej Brytanii. Na terenie Rokkasho znajduje się również centralne składowisko
niskoaktywnych odpadów promieniotwórczych (o pojemności 200 tys. m sześc., co jest równoważne
1 mln beczek 200 l), składowisko wypalonego paliwa jądrowego (aktualnie znajduje się tam 779 t
paliwa z reaktorów typu BWR i PWR) oraz składowisko zestalonych odpadów promieniotwórczych
powstałych z przeróbki wypalonego paliwa. Większośd wypalonego paliwa znajduje się nadal
w basenach przechowalnikowych na terenie elektrowni jądrowych.
99
Ciekawostki
Dzieo 26 października zapisano w japooskim kalendarzu jako „Dzieo atomu” - uruchomienie 26
października 1963 r. pierwszego reaktora w Japonii.
Energetyka jądrowa w Japonii należy do bezpieczniejszych w świecie. Potwierdzeniem tego może byd
ciągle zmniejszający się wskaźnik obrazujący dodatkowy wpływ promieniowania jonizującego
w MW/rok wyprodukowanej energii. W 1985 r. wynosił on 6 osobo-mSv/MW/rok, podczas gdy w
1996 r. obniżył się do wartości 2 osobomS/MW/rok. Liczba incydentów w obiektach jądrowych
wynosiła
w 1996 r. piętnaście, przy czym wszystkie zostały zakwalifikowane do poziomu 0 według
Międzynarodowej Skali Zdarzeo Jądrowych (INES), a więc bez znaczenia dla bezpieczeostwa. Dla
ścisłości należy jednakże wspomnied, iż w 1999 r. w zakładach konwersji paliwa jądrowego
w Tokaimura miała miejsce poważna awaria jądrowa, w wyniku której śmierd poniosły dwie osoby.
Trzęsienie ziemi, jakie np. miało miejsce w listopadzie 1993 r. w północnej części wyspy Honshu o sile
5,8
w skali Richtera, nie spowodowało żadnych zakłóceo w pracy w elektrowni Onagawa 1 (497 MWe,)
zlokalizowanej w odległości 30 km od epicentrum trzęsienia. Podobnie trzęsienie ziemi w 1995 r.
z epicentrum na wyspie Awaji, nie wpłynęło na pracę elektrowni jądrowej Takahama (2 × 720 MWe
i 2 × 830 MWe) i Ohi (2 × 1120 MWe i 2 × 1127 MWe) odległych o 130 km od epicentrum oraz
Mihama (320 MWe, 470 MWe i 780 MWe) odległej 180 km od epicentrum. Podczas trzęsienia ziemi
w lipcu 2007 r. w Japonii nie stwierdzono żadnych istotnych uszkodzeo EJ Kashiwazaki - Narwa,
położonej tylko 16 km od epicentrum trzęsienia.
Podsumowanie
Japonia wyrosła na trzecią potęgę światową w energetyce jądrowej po USA i Francji dzięki
konsekwentnej realizacji polityki energetycznej z 1996 r., której jednym z głównych celów jest
dywersyfikacja źródeł wytwarzania energii elektrycznej i zmniejszenie uzależnienia od importu
węglowodorów poprzez rozbudowę potencjału EJ. Obecnie 30% energii elektrycznej w tym kraju jest
wytwarzane w EJ ze znacznie niższymi kosztami wytwarzania energii w porównaniu z innymi
technologiami. Dzięki przedsięwzięciom technicznym mającym na celu przedłużenie okresu
eksploatacji EJ z reaktorami termicznymi z 40 do 60 lat, znacznie obniżą się jednostkowe koszty
wytwarzania. Rozpoczęto tam budowę zamykających ogniw cyklu paliwowego, w tym zakładu
przerobu paliwa wypalonego i składowiska odpadów wysoko-aktywnych, a także reaktora
powielającego na bazie będącego w eksploatacji eksperymentalnego reaktora prędkiego. Umożliwi
to Japonii posiadanie pełnego cyklu paliwowego poza wydobyciem rudy uranowej. Już obecnie
zakład pilotowy przerobu paliwa wypalonego w Rokkasho produkuje uzupełniające paliwo dla
reaktorów termicznych, tzw. MOX. Docelowo 80% paliwa wypalonego w reaktorach termicznych
będzie ulegało przeróbce.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
100
Celioski Z., Energetyka jądrowa, PWN, 1991
Jezierski G., Energia jądrowa wczoraj i dziś, WNT, 2006
Międzynarodowe Seminarium: Nowe Generacje Elektrowni Jądrowych, wrzesieo 25-27, 1996
Nuclear Engineering International: World Nuclear Industry Handbook 2007
http://www.japannuclear.com/
http://www.japonia.org.pl/japonskie-reaktory-jadrowe-zrodla-energii-elektrycznej
http://www.gengikyo.jp/english/index.html
ZARYS SZWAJCARSKIEJ ENERGETYKI JĄDROWEJ
ELEKTROWNIE JĄDROWE TYPU BWR NA PRZYKŁADZIE EJ LEIBSTADT
Paweł MAZGAJ
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. Józef Portacha, ITC PW
Streszczenie
W Szwajcarii energia elektryczna otrzymywana jest w zasadzie tylko w elektrowniach wodnych (60%)
i jądrowych (40%). Wobec czego Szwajcaria produkuje bardzo małe ilości CO2 w procesie
przetwarzania różnych rodzajów energii na energię elektryczną. Szwajcarski Bundesrat w lutym
2007r. wyraził się pozytywnie odnośnie budowy nowej elektrowni jądrowej, mającej zastąpid dwie
najstarsze elektrownie jądrowe. Jednakże ich budowa ma się rozpocząd najwcześniej po roku 2012.
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych, w zawodowej energetyce jądrowej, są reaktory typu
BWR. Elektrownia Jądrowa Leibstadt jest jednym ze sztandarowych przykładów rozwiązao
technicznych elektrowni tego typu z początku lat osiemdziesiątych.
Rys. 1 Widok na elektrownię Leibstadt
Elektrownie BWR są rozwijane już od początku lat sześddziesiątych należą do najbardziej sprawdzonej
grupy reaktorów. Ich rozwój obejmował głównie zwiększenie niezawodności systemów
bezpieczeostwa (rozwój pasywnych systemów bezpieczeostwa), zwiększenie wypalenia paliwa (co
wiązało się z zwiększeniem wzbogacenia z 2,8% do ok. 4%) oraz uproszczeniu i większej elastyczności
pracy całej elektrowni.
Wnioski
Szwajcarska energetyka wodna i jądrowa zaspokaja potrzeby na kraju energię elektryczną. W wyniku
czego Szwajcaria prawnie nie emituje CO2, co zważywszy na światowe tendencje ograniczania emisji
gazów cieplarnianych jest bardzo przyszłościowe.
101
Rozwój światowej energetyki jądrowej ruszył na dobre, co jest wynikiem coraz to wyższych cen
surowców energetycznych, jak i rosnącym wzrostem zużycia energii. Współczesne reaktory jądrowe
typu ABWR są tego najlepszym przykładem. W planach są już następne generacje reaktorów BWR,
np.: SWR 1000.
Bibliografia
1. „Podstawy energtyki jądrowej” Z.Celioski, A.Strupczewski WNT 1984
2.
3.
4.
5.
6.
7.
102
„Energia jądrowa wczoraj i dziś” G. Jezierski WNT 2006
Dane techniczne reaktora strona internetowa: www.kkl.ch
Informacje oraz dane techniczne na temat ABWR strona internetowa:
www.nuc.berkeley.edu/designs/abwr/abwr.html oraz
www.gepower.com/prod_serv/products/nuclear_energy/en/new_reactors/abwr.htm
Informacje oraz dane techniczne na temat ESBWR strona internetowa:
www.gepower.com/prod_serv/products/nuclear_energy/en/new_reactors/esbwr.htm oraz
http://www.npjonline.com/NPJMain.nsf/504ca249c786e20f85256284006da7ab/9080904f799797ac8
62569f4007a81cb?OpenDocument
Informacje oraz dane techniczne na temat The SWR 1000 - Project strona internetowa: www.arevanp.com/scripts/info/publigen/content/templates/show.asp?P=1417&L=US
Informacje na temat energetyki Szwajcarskiej „Die 26 meistgestellten Fragen zur Kernenergie” wyd.
2006
ENERGETYKA JĄDROWA NIEMIEC
ZE SZCZEGÓLNYM ZWRÓCENIEM UWAGI NA ELEKTROWNIĘ GUNDREMMINGEN
Cezary MISIOPECKI
Streszczenie
W swojej prezencji omawiam energetykę jądrową Niemiec. Swoją analizę rozpoczynam od zestawienia danych
liczbowych dotyczących energetyki atomowej Niemiec na tle Europy i Świata. Ponieważ społeczeostwo naszych
zachodnich sąsiadów jest negatywnie nastawione do pozyskiwania energii z rozszczepiana atomów, analizuje
historie jej rozwoju, aby znaleźd przyczynę tego zjawiska. Przed omówieniem struktury niemieckiej energetyki,
skupiam się na ustawie dotyczącej zamknięcia wszystkich reaktorów przed rokiem 2021 i analizuje jakie będę
tego skutki. Następnie zestawiam elektrownie jądrowe Niemiec i omawiam dokładnie jednostkę
w Gundremmingen. Na koocu referatu analizuje czy obecna sytuacja na świecie może mied wpływ na decyzje
Niemieckiego rządu odnośnie energetyki atomowej. Jako dodatek wykraczający poza temat referatu
przygotowałem procedurę demontażu bloku atomowego ze szczególnym zwróceniem uwagi na ekonomiczne
i techniczne aspekty tego przedsięwzięcia.
Rysunek 6. Niemieckie elektrownie jądrowe
Rys 2. Demontaż wytwornicy pary
103
Rysunek 3. Elektrownia jądrowa Gundremmingen
Wnioski
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Niemcy są na 3 miejscu w europie pod względem produkcji energii elektrycznej techniką atomową.
Ponad 30% energii elektrycznej w tym niezwykle uprzemysłowionym kraju pochodzi z rozszczepiania
atomów.
Nasi zachodni sąsiedzi posiadają bardzo duże doświadczenie w konstruowaniu reaktorów atomowych
Na terenie Niemiec nigdy nie miała miejsca poważna awaria atomowa, która szkodziłby
społeczeostwu, jednakże większośd obywateli jest przeciwna rozwojowi tej technologii
Istnieją przesłanki ze decyzja z 2002 roku, o zamknięciu i zdemontowaniu wszystkich reaktorów
atomowych może ulec zmianie
Elektrownia Gundremmingen jest największym kompleksem atomowym działającym na Świecie.
Stanowi bardzo ważną jednostkę w systemie energetycznym Bawarii.
Demontaż wyłączonej elektrowni atomowej jest niezwykle pracochłonny i drogi
Bibliografia
1.
2.
European Nuclear Society, http://www.euronuclear.org
Artykuł: Nuclear Power in Germany: A Chronology, http://www.dwworld.de/dw/article/0,2144,2306337,00.html
3. Oficjalna strona firmy E-ON, http://www.eon-kernkraft.com
4. Artykuł: „Niemiecka energetyka”, http://www.gigawat.net.pl/
5. Artykuł: „Nuclear Power's Comeback in Germany”, www.businessweek.com
6. http://ec-cnd.net/eudecom/eudecomprj_krba.php
7. Co-ordination Network on Decommissioning of Nuclear Installations, http://eccnd.net/eudecom/eudecomprj_krba.php
8. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Gundremmingen_Nuclear_Power_Plant
104
59 LAT DZIAŁALNOŚCI „ENERGOPROJEKT-WARSZAWA” S.A.
Sławomir POLANOWSKI
Pracownik firmy „ENERGOPROJEKT-WARSZAWA” S.A., mgr inż.
Biuro Studiów i Projektów Energetycznych „ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. istnieje od 1949 r.
Jest jednym z większych biur konsultingowo – projektowo – realizacyjnych w Polsce świadczącym
usługi, przede wszystkim dla sektora energetycznego. W okresie 59 lat działalności zaprojektowano
obiekty o łącznej mocy zainstalowanej 25 640 MWe i 12 895 MWt, obejmującej ponad 200 bloków
energetycznych, kotłów i turbozespołów w elektrowniach, elektrociepłowniach i ciepłowniach,
w kraju i zagranicą. Największe z nich to: El.Turów, El. PAK, El.Kozienice, El.Ostrołęka, El.Połaniec,
El.Bełchatów, EC Siekierki, EC Żerao, EC Kawęczyn, EC Łódź, EC Gdaosk, EC Gdynia.
Większośd dużych krajowych systemów ciepłowniczych zrealizowano według koncepcji i projektów.
„ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A., który jest również wiodącą, w skali kraju, firmą projektującą
kompleksowo obiekty dla energetyki wodnej. Około 85% mocy zainstalowanej w polskiej energetyce
wodnej, zaprojektowane zostało przez „ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. Największe z nich to:
EW Żydowo (152 MWe), EW Porąbka-Żar (500 MWe), EW Żarnowiec (680 MWe), EW Solina (200
MWe).
„ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. pełnił funkcję generalnego projektanta EJ Żarnowiec.
W ostatnich latach „ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. aktywnie uczestniczy, jako wykonawca
dokumentacji technicznej, zarówno w realizacji najnowocześniejszych, wysokosprawnych, na
parametry nadkrytyczne źródeł energii elektrycznej (np. przekazywany do eksploatacji blok o mocy
464 MW w El. Pątnów oraz aktualnie w budowie blok o mocy 858 MW w El. Bełchatów), jak
i wstępnych koncepcji nowych elektrowni: np. El.Ostrołęka, El.Kozienice, El.Opole, El.Łęczna. Biuro
wykonuje dokumentację projektową dla szeregu proekologicznych przedsięwzięd, jak liczne instalacje
odsiarczania spalin i odnawialne źródła energii oraz bloki gazowo-parowe.
Od wielu lat firma z powodzeniem kontynuuje działalnośd w charakterze generalnego realizatora
inwestycji, przede wszystkim w zakresie elektrowni wodnych i wiatrowych.
Zakres usług „ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. obejmuje:
Projektowanie (nowych i modernizacja istniejących):






elektrownie cieplne,
elektrociepłownie i ciepłownie,
elektrociepłownie przemysłowe (także współspalajace biomasę),
elektrownie wodne,
elektrownie wiatrowe,
sieci i systemy ciepłownicze.
105
Doradztwo:



konsulting techniczno – ekonomiczny
konsulting finansowy
konsulting ochrony środowiska
Realizacja Inwestycji:



elektrownie wodne,
elektrownie wiatrowe,
gospodarki pomocnicze i elektroenergetyczne elektrowni i elektrociepłowni.
W chwili obecnej „ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. zatrudnia ok. 210 pracowników – w tej
liczbie blisko 160 inżynierów i techników. Firma dysponuje bogatym oprogramowaniem
specjalistycznym w zakresie prac konsultingowych i kompleksowego projektowania.
Biuro stwarza możliwości odbycia praktyk studenckich oraz dalszego kształcenia np. studia
podyplomowe, udział w konferencjach i seminariach.
„ENERGOPROJEKT–WARSZAWA” S.A. jest zainteresowany zatrudnieniem absolwentów Wydziału
MEiL, szczególnie w specjalności cieplno-mechanicznej.
106
STUDIUM WYKONALNOŚCI BUDOWY ODNAWIALNEGO ŹRÓDŁA ENERGII W TRZECH
TECHNOLOGIACH
Sławomir POLANOWSKI
Pracownik firmy „ENERGOPROJEKT-WARSZAWA” S.A., mgr inż.
Opracowanie wykonano dla niedużego zakładu przemysłowego, spalającego wyłącznie odpady
drzewne powstające w procesach technologicznych. W Studium dokonano doboru mocy cieplnej
OZE, które na potrzeby ogrzewania i co, suszenia i parzenia drewna wynosi 4,2 MW, zaś roczne
zużycie ciepła wynosi 72 TJ. Parametry wody gorącej: 95°C/ ~70°C. Parametry pary do technologii:
para wodna nasycona ~114°C. W opracowaniu przeanalizowano możliwości pozyskania paliwa.
Paliwo własne: buczyna (udział 20%), sosna (80%). Rodzaj biomasy: trociny suche (8% wilgoci, 18,3
MJ/kg), trociny mokre (65%, 5 MJ/kg), zrzyny i okorki (10%,18 MJ/kg). Roczna dostępnośd biomasy
odpowiednio:16,2 TJ, 19,2 TJ, 186,1 TJ. Biomasa możliwa także do pozyskania od dostawców
zewnętrznych oraz z upraw roślin energetycznych np.: ślazowiec pensylwaoski, miskant ,wierzba
energetyczna, topola.
W Studium rozważona następujące technologie:
1.Zgazowanie biomasy w reaktorze w celu wytworzenia gazu pirolitycznego o temperaturze około
850˚C, wartości opałowej około 12 MJ/Nm3 i składzie: H2 -30÷45% (objęt.), CO -20÷ 30%, CO215÷25%, CH4 8÷12, N2 -3÷5% (schematy w załączeniu). Po schłodzeniu i oczyszczeniu gaz spalany
będzie w silniku napędzającym generator prądu. Parametry instalacji: moc reaktora w paliwie 8 MW,
moc elektryczna 2 MW, moc cieplna użyteczna 4,5 MW, sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej
brutto 25%. Instalacja taka pracuje od 2001r. w Austrii.
2.Spalanie biomasy w kotle rusztowym i przekazywanie tak uzyskanego ciepła poprzez układ
pośrednich wymienników ciepła do układu generacji energii elektrycznej i ciepła przy wykorzystaniu
tzw. Organicznego Cyklu Rankina (ORC) (schemat w załączeniu). Czynnikiem rozprężanym w turbinie
są opary oleju (~270°C, 9 bar). Z typoszeregu urządzeo dobrano układ: moc w paliwie 7,8 MW, moc
elektryczna 1,1 MW, moc cieplna użyteczna 4,9 MW,
sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej brutto
15%. Około 40 takich instalacji pracuje w Europie, a w
Polsce w Ostrowie Wlkp.
3.Spalanie biomasy w kotle rusztowym i zasilanie parą
wodną turbiny parowej (upustowo- kondensacyjnej)
dla wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Dane
kotła: wydajnośd pary 12 Mg/h, 35 bar,430°C
.Parametry instalacji: moc kotła w paliwie 11,5 MW,
moc elektryczna 2,26 MW, moc cieplna użyteczna 4,2
MW , sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej
brutto 20%.
107
W ramach każdego wariantu opracowano: układ przygotowania i podawania biomasy, dyspozycję
zabudowy, wyprowadzenie energii elektrycznej.
Oszacowano także nakłady inwestycyjne (stan 03.207): wariant1- 8,5 mln €, wariant2 – 4,8 mln €,
wariant 3 – 8,9 mln €.
108
ENERGETYKA JĄDROWA NIE TYLKO DO PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Józef PORTACHA
Pracownik Instytutu Techniki Cieplnej PW
Opiekun Koła Naukowego Energetyków PW
Przewodniczący Komitetu Naukowego KN-T NEwE
Plan wypowiedzi:
1. Struktura energii użytecznej
2. Pierwsze ciepłownie jądrowe
3. Energia jądrowa dla celów przemysłowych
4. Badania nad wyborem układu cieplnego elektrociepłowni zawodowych
5. Elektrociepłownia jądrowa dla Warszawy
Streszczenie:
Zużycie energii pierwotnej na cele grzewcze w warunkach Polski jest większe niż na produkcję energii
elektrycznej. W pierwszej części referatu omówiono korzyści wynikające z wykorzystania energii
jądrowej do produkcji ciepła tak dla celów komunalnych jak i przemysłowych. Następnie
przedstawiono układy cieplne tak ciepłowni jak i elektrociepłowni. Koocowa częśd zawiera propozycję
elektrociepłowni jądrowej dla Warszawy
Wniosek:
Jądrowe źródła ciepła są bardziej ekologiczne dla środowiska niż konwencjonalne z kogeneracją.
Rys. 1. Uproszczony schemat cieplny EC
z reaktorem typu BWR
1. Reaktor WK-300 typu BWR
2. Para zasilająca turbinę, 70b./285ºC
3. Turbina – 150MW/250MW
250MW przy pracy tylko na
kondensację
4. Woda zasilająca wytwornicę pary
72b./1900C
5. Obieg pośredni wody chłodzącej
6. Obieg wody sieciowej
16b./150ºC/70ºC
109
Rys. 2. ECJ – Warszawa.
Literatura:
1. Andrzejewski St., Archutowski M., Cwiertnia K., Hardajewski R., Portacha J.: The problem of
intercorporating nuclear heat and power plants into electrical power system. X Światowa
Konferencja Energetyczna, Stambuł, wrzesieo 1977 r.
2. Portacha J.: Ciepłownie, elektrociepłownie i reaktory energetyczne. Postępy Techniki
Jądrowej, 24, s. 429-435, 1980.
3. Portacha J.: Jądrowe źródła ciepła. Krajowa Konferencja N-T. Wykorzystanie energii jądrowej
dla celów grzejnych w gospodarce komunalnej i przemyśle. 25-27 kwiecieo 1986. Materiały
konferencyjne, Gdynia 1986.
4. Portacha J., Smyk A., Szymczyk J.: The Influence of Thermodynamic Parameters of the Heat
Cogeneration System on Performance of the Nuclear Heat and Power Plant.
27 th Unichal Congress, June 12-14, 1995, Stockholm. Individual Reports. Paper 212E.
5. Smyk A.: Wpływ parametrów członu ciepłowniczego elektrociepłowni jądrowej na
oszczędnośd paliwa w systemie paliwowo-energetycznym. Rozprawa doktorska
z wyróżnieniem (promotor - prof. J. Portacha) Politechnika Warszawska, Warszawa, 1999.
6. Chmielniak T.J.: Technologie energetyczne. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.
7. Kuznetsov Yu.N., Gabaraev B.A.: Non-electricity application of Nuclear Energy: Some general
issues and prospects. IAEA Conference. Oarai, 2007.
110
UKŁADY CIEPLNE NOWOCZESNYCH ELEKTROWNI WĘGLOWYCH
Józef PORTACHA
Pracownik Instytutu Techniki Cieplnej PW
Opiekun Koła Naukowego Energetyków PW
Przewodniczący Komitetu Naukowego KN-T NEwE
Plan wypowiedzi:
1. Wzrost zużycia energii elektrycznej - kierunki rozwoju elektrowni.
2. Układy cieplne elektrowni na parametry nadkrytyczne z kotłami pyłowymi
2.1. Struktura układu cieplnego
2.2. Parametry termodynamiczne
2.3. Model matematyczny do obliczeo bilansowych
2.4. Metody obliczeo numerycznych strumieni masy, energii i egzergii
(El. Schwarze Pumpe, El. Niederauβem, El. Bełchatów II)
3. Układy cieplne elektrowni na parametry nadkrytyczne z kotłami fluidalnymi
(El. Łagisza, El. Varten – Szwecja)
4. Elektrownie węglowe ze zgazowaniem węgla – El. Puetolano (Hiszpania)
5. Siłownie węglowe na parametry ultranadkrytyczne i z układami poligeneracyjnymi.
111
Streszczenie:
W referacie omówiono czynniki zapewniające rozwój produkcji energii elektrycznej a tym samym
elektrowni. Szczegółowo omówiono układy cieplne elektrowni węglowych na parametry
nadkrytyczne – pyłowych i ze spalaniem fluidalnym. Na zakooczenie pokrótce przedstawiono
projekty elektrowni ze zgazowaniem węgla, na parametry ultranadkrytyczne oraz z układami
poligeneracyjnymi.
Wnioski:
1. Postęp w metalurgii pozwolił dopiero na przełomie XX i XXI wieku budowad elektrownie na
parametry nadkrytyczne z dyspozycyjnością zapewniającą ekonomiczną ich przydatnośd.
2. Przejście z parametrów podkrytycznych na nadkrytyczne połączone z modernizacją elementów
układu cieplnego pozwala zwiększyd sprawnośd netto o nawet ponad 6 punktów procentowych.
3. W układach cieplnych elektrowni na parametry nadkrytyczne znaczne zmiany obserwuje się
w zakresie odzysku ciepła spalin.
4. Ze względu na bardzo wysokie koszty badao, prace nad opracowaniem układów cieplnych na
parametry ultranadkrytyczne prowadzone są w zespołach międzynarodowych.
Przyrosty sprawności przy przejściu z parametrów podkrytycznych na nadkrytyczne połączone z modernizacją układu
cieplnego
Literatura:
1. Kotowski W.: Budowa elektrowni wg. technologii „General Electric”, Czysta Energia, Styczeo
2007
2. www.energetyka.e-bmp.pl - Coraz bliżej poligeneracji (06.10.2008)
3. Olszowiec P.: Bloki ultranadkrytyczne, Gigawat Energia nr 5 2003
4. Alstom Steam Generator Plant PS Niederauβem, Unit K, 950MW
5. Pawlik M.: Konwencjonalne elektrownie parowe u progu XXI wieku. V Konferencja NITElektrownie cieplne, Słok 2001
112
AWARIE ELEKTROWNI JĄDROWYCH – PRZEKAZ MEDIALNY A RZECZYWISTOŚĆ.
Adam RAJEWSKI
Prezes Koła Naukowego Energetyków PW
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż. Józef Portacha
Streszczenie
W momencie, gdy energetyka jądrowa zdaje się powracad do łask w wielu krajach świata, podnoszą
się liczne głosy przeciwko budowie nowych elektrowni jądrowych, ze względu na rzekome zagrożenia
dla ludności. Niniejszy artykuł jest próbą prezentacji rzeczywistych zagrożeo stwarzanych przez
jądrowe obiekty energetyczne oraz porównania powszechnego mniemania na ich temat ze stanem
faktycznym.
Wstęp
U progu drugiej dekady XX wieku w Polsce (i nie tylko zresztą) powraca temat budowy elektrowni
jądrowych. Wiąże się to ze wzmożoną debatą publiczną dotyczącą tego zagadnienia, w której często
uczestniczą osoby nieprzygotowane merytorycznie. Jak zwykle przy takich okazjach aktywizuje się
ruch przeciwników energetyki jądrowej, posługujący się nierzadko argumentami niemającymi
pokrycia w rzeczywistości, za to żerującymi na ludzkim strachu wynikającym z niewiedzy. Dlatego
stosowne wydaje się publiczne poruszanie kwestii związanych z energetyką jądrową przez
fachowców, którzy będą w stanie objaśnid obywatelom naszego kraju skutki czerpania energii ze
źródeł jądrowych oraz szczególnie kwestie bezpieczeostwa elektrowni jądrowych. Kiepski stan wiedzy
– tak wśród społeczeostwa, jak i wpływających na nastroje społeczne dziennikarzy – daje się co jakiś
czas zaobserwowad przy okazji różnego rodzaju zdarzeo awaryjnych w pracujących blokach
jądrowych. Najświeższym chyba przykładem była awaria w elektrowni jądrowej Krško, gdy
kompletnie niegroźne uszkodzenie zaworu postawiło na nogi całą Europę i wywołało reakcje
graniczące z paniką.
Awarie elektrowni jądrowych
Awarie w energetyce jądrowej zdarzały się, zdarzają się i będą się zdarzad nadal, tak jak w każdej
instalacji technicznej – co do tego nie ma żadnych wątpliwości. Kluczowe jest jednak zrozumienie
istoty tych zdarzeo, realne oszacowanie związanych z nimi zagrożeo i obiektywne porównanie ich
z awariami mającymi miejsce w innych dziedzinach gospodarki, w tym w zakładach przemysłowych
związanych z pozyskiwaniem energii z innych źródeł. Przyjrzyjmy się zatem kilku przypadkom awarii
elektrowni jądrowych. Warto też zwrócid uwagę na relacje medialne z tych zdarzeo – nie zawsze
adekwatne do rzeczywistości.
Czarnobyl
Awaria czarnobylska to bez wątpienia najsłynniejsze zdarzenie związane z energetyką jądrową, chod
„najsłynniejsze” nie oznacza „najlepiej poznane”. Wprost przeciwnie – eksplozja w reaktorze
w Czarnobylu bywa często wykorzystywana jako argument przeciwko całej energetyce jądrowej przez
ludzi, którzy nie mają pojęcia, co tak naprawdę wydarzyło się w ukraioskiej elektrowni, ani czym
113
różnił się ten obiekt od przytłaczającej większości jądrowych bloków energetycznych, pojawiają się
nawet absurdalne twierdzenia, że w Czarnobylu nastąpił wybuch jądrowy.
Czarnobylska Elektrownia Jądrowa im. Władimira Iljicza Lenina (Чернобыльская Атомная
Электростанция им. В.И. Ленина) została wybudowana w latach 70. XX wieku. Pracę na rzecz sieci
elektroenergetycznej Ukraioskiej SRR rozpoczęła w roku 1977. Była to trzecia elektrownia
wyposażona w reaktory typu RBMK (ros. Реактор Большой Мощности Канальный – Reaktor
Kanałowy Dużej Mocy). W elektrowni wzniesiono cztery bloki energetyczne, każdy z reaktorem
RBMK-1000 o mocy cieplnej 3200 MWt i dwoma turbogeneratorami po 500 MWe.
Na 25 kwietnia 1986 roku personel Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej zaplanował przeprowadzenie
szczególnego rodzaju próby. Chodziło o sprawdzenie możliwości chłodzenia reaktora w przypadku
zaniku zasilania pomp obiegowych chłodziwa (zdarzenie takie, na szczęście bez groźnych skutków,
miało miejsce w Kurskiej Elektrowni Jądrowej eksploatującej takie same bloki 6 lat wcześniej) *6+.
Odpowiednio zmodyfikowany układ technologiczny miał za zadanie zapewnid napęd pomp od
turbogeneratorów pracujących na wybiegu – przez 1 minutę, jakiej potrzebowały lokalnie
zainstalowane awaryjne agregaty prądotwórcze dla osiągnięcia wymaganej mocy. Okazją dla
przeprowadzenia próby miało stad się wyłączenie bloku nr 4 Czarnobylskiej EJ dla planowanego
remontu w koocu kwietnia 1986 r. W ramach przygotowao do próby o godzinie 01:00 25 kwietnia
przystąpiono do obniżania mocy reaktora. O 03:47 osiągnięto 50% mocy znamionowej – 1600 MWt1.
Próbę oryginalnie zaplanowano na popołudnie 25 kwietnia. O 13:05 odłączono od systemu
elektroenergetycznego pierwszy turbogenerator bloku – TG-7. Wyłączono również system
awaryjnego chłodzenia reaktora. Dalsze prowadzenie testu powstrzymał operator Kijowskiego
Okręgu Energetycznego. Moc drugiego turbogeneratora bloku nr 4 była niezbędna dla pokrycia
zapotrzebowania na energię elektryczną w szczycie wieczornym. Reaktor pracował zatem przez całe
popołudnie przy 50% mocy, co powodowało wzmożone zatrucie ksenonem 137 (należy pamiętad, że
i tak mogło byd ono spore, jako że reaktor od dłuższego czasu pracował bez przerwy). Dopiero po
godzinie 23 operator systemu elektroenergetycznego wyraził zgodę na odłączenie bloku od sieci.
Przystąpiono zatem do zmniejszania mocy reaktora do 720 MWt, przy której planowano
przeprowadzid eksperyment. Poza dodatkowym zatruciem reaktora pochłaniającym neutrony
ksenonem (co znacząco utrudnia sterowanie), skutkowało to zmianą ekipy obsługującej blok w czasie
próby. Operatorzy przygotowani do prowadzenia testu zakooczyli pracę ustępując miejsca mniej
doświadczonym kolegom. Tymczasem przygotowania kontynuowano – o godzinie 00:28 przy mocy
obniżonej do 500 MWt dokonano przełączenia systemu sterowania – ze strefowego na ogólny, który
w założeniu miał zapewniad lepszą kontrolę reaktora pracującego z niewielką mocą. W tym czasie
nastąpił jednak nieplanowany i niekontrolowany spadek mocy reaktora do zaledwie 30 MWt
spowodowany nadmiernym zatruciem ksenonem. Mimo to personel zdecydowany był na
przeprowadzenie testu. W celu podniesienia mocy reaktora usunięto z rdzenia pręty regulacyjne –
pozostawiono jedynie 18, chod dopuszczalne minimum wynosiło 30 *6+. O godzinie 01:03 moc
reaktora ustabilizowała się na poziomie 200 MWt i ostatecznie w takich warunkach postanowiono
przeprowadzid doświadczenie. W istocie rdzeo reaktora znajdował się już w stanie skrajnie
niestabilnym. Wzrostowi mocy chwilowo zapobiegał jedynie nagromadzony w rdzeniu ksenon, jednak
możliwości kontrolowania reakcji ze strony operatorów były – ze względu na podniesione pręty
regulacyjne – bardzo małe. Operatorzy włączyli dodatkowe pompy cyrkulacyjne *26+, zwiększając
1
Mowa o mocach cieplnych reaktora, a nie mocach elektrycznych turbogeneratora.
114
przepływ chłodziwa przez rdzeo i obniżając jego temperaturę przed rozpoczęciem eksperymentu –
ale również obniżając reaktywnośd rdzenia. Ponieważ przy tak zmienionych warunkach pracy systemy
zabezpieczeo spowodowałyby automatyczne wyłączenie reaktora, operatorzy odłączyli je. Do godziny
01:16 odłączono też od sieci turbogenerator TG-8. Uznano, że reaktor jest gotów do
przeprowadzenia próby.
Eksperyment rozpoczął się o godzinie 01:23:04 od zamknięcia zaworów regulacyjnych na turbinie
zespołu TG-8. W założeniu pracująca na wybiegu turbina powinna zapewnid zasilanie pompom
cyrkulacyjnym, które przez minutę pracowałyby z nieco mniejszą wydajnością, jednak bez zagrożenia
dla pracy reaktora. Jednakże przy tak niestabilnych warunkach pracy niewielkie nawet obniżenie
przepływu wody chłodzącej było fatalne w skutkach. Temperatura rdzenia zaczęła gwałtownie
rosnąd, powodując szybsze parowanie wody w kanałach chłodzących. W reaktorze RBMK wzrost
temperatury prowadzi do wzrostu mocy reaktora (jest to tzw. dodatni temperaturowy współczynnik
reaktywności – mówiąc w uproszczeniu wynika to z faktu, że przy wyższej temperaturze woda, która
chłodzi reaktor, ale również pochłania częśd neutronów – paruje, natomiast grafitowy moderator
pozostaje w miejscu). Nastąpił zatem bardzo gwałtowny wzrost mocy – nadmiarowe neutrony, które
dotychczas pochłaniała woda, spowodowały gwałtowny rozwój reakcji łaocuchowej i dalszy wzrost
temperatury. W około 40 sekund po zamknięciu zaworów turbin moc cieplna generowana w rdzeniu
reaktora sięgnęła 30 000 MW – dziesięd razy ponad wartośd znamionową *26+. Operatorzy usiłowali
wyłączyd reaktor, jednak przy większości prętów regulacyjnych wyciągniętych z rdzenia okazało się to
niemożliwe. Dodatkowo dała o sobie znad wada konstrukcyjna tych prętów – ich zakooczenia były
wykonane z grafitu, co w pierwszym momencie opuszczania prętów spowodowało intensyfikację
reakcji, zamiast zahamowania. Wysoka temperatura spowodowała deformację rdzenia
i odkształcenie kanałów, w których poruszały się pręty regulacyjne, co uniemożliwiło ich pełne
opuszczenie. Tymczasem ogromna moc cieplna rdzenia wywołała zjawisko znane jako kryzys wrzenia,
które spowodowało uszkodzenie konstrukcji prętów paliwowych. O 01:24 nastąpiły dwa wybuchy –
najpierw doszło do wybuchu pary wodnej, a następnie do gwałtownego samozapłonu wodoru (pod
wpływem bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia woda znajdująca się w rdzeniu uległa rozkładowi).
W ich wyniku zniszczona została konstrukcja budynku reaktora (obudowy bezpieczeostwa
w rozumieniu znanym z reaktorów PWR nie było, zresztą tak silnej eksplozji zapewne i tak by nie
wytrzymała), a grafitowy rdzeo zapalił się. Do atmosfery zaczął unosid się dym zawierający silnie
radioaktywne produkty rozpadu uranu, które wydostały się ze zniszczonych elementów paliwowych.
Pożar zagrażał pozostałym blokom elektrowni, szczególnie blokowi nr 3. Mimo to kierownictwo
elektrowni wydało polecenie utrzymania ich w ruchu, podając operatorom jedynie proste środki
ochrony radiologicznej. Około godziny 5 rano szef zmiany na bloku nr 3 zdecydował jednak
samowolnie o wyłączeniu jednostki i zwolnił ze stanowisk cały personel, który nie był niezbędny dla
dalszych czynności eksploatacyjnych. Mniej więcej w tym samym czasie ekipom gaśniczym udało się
opanowad ogieo, chod pozostałości rdzenia reaktora nr 4 paliły się nadal. Strażacy, nieświadomi
sytuacji (nie wiedzieli nawet, że płonący obiekt to reaktor jądrowy!), otrzymali jednak ogromne dawki
promieniowania. Pożar gaszony był wodą, co mogło dodatkowo zwiększyd unoszenie substancji
radioaktywnych. Ogieo wewnątrz zniszczonego rdzenia ugaszono dopiero 10 maja po trudnej
operacji związanej z zasypywaniem go różnymi materiałami oraz pompowaniem pod gruzy azotu.
Udało się zapobiec przedostaniu stopionego rdzenia do wody zgromadzonej pod reaktorem, co
groziłoby kolejnym wybuchem parowym i jeszcze większym rozproszeniem substancji
radioaktywnych.
115
Rysunek 7. Czarnobylska EJ po katastrofie. Widoczny zniszczony budynek reaktora bloku nr 4 oraz przyległy budynek
reaktora bloku nr 3. W dolnej części zdjęcia widoczna maszynownia.
Dla zapobieżenia dalszemu skażeniu zdecydowano się nakryd zniszczony blok specjalną betonową
konstrukcją, znaną pod nazwą sarkofagu. Wzniesiono go w rekordowym tempie do listopada 1986 r.
W tej postaci obiekt pozostaje do dziś.
Władze radzieckie dośd szybko zdecydowały się na ewakuację ludności cywilnej z terenów
otaczających elektrownię. Jako pierwszych przesiedlono mieszkaoców pobliskiego miasta Pryped oraz
wioski Janowo – w sumie ok. 50 tysięcy ludzi. Chod dawki docierające do tych rejonów same w sobie
nie stanowiły poważnego zagrożenia, to wciąż istniało niebezpieczeostwo, że stopiony rdzeo
przedostanie się do zgromadzonej w basenie pod nim wody, powodując kolejny wybuch. Następnie
zdecydowano się także na przesiedlenie do 7 maja kolejnych 170 tysięcy mieszkaoców okolicznych
miejscowości, chod podstawy ku temu nie były jednoznaczne. Przyjętym kryterium było skażenie
cezem-137 na poziomie wyższym niż 37 kBq/m², które w efekcie generuje dawki promieniowania
rzędu jedynie 0,2 mSv/a. Dla porównania naturalne dawki promieniowania w Polsce to ok. 2,2 mSv/a
(po uwzględnieniu czynników zewnętrznych, głównie promieniowania pochodzenia medycznego –
3,3 mSv/a). Działania te od razu spotkały się z krytyką ze strony sowieckich naukowców, jednak mimo
to wysiedlenia przeprowadzono. Kolejne działania tego typu prowadzono aż do roku 1992. Czasami
dochodziło nawet do kuriozalnych sytuacji, kiedy ludnośd przesiedlano w rejony, w których
promieniowanie naturalne było wyższe niż efekt skażenia w miejscu, z którego ją wywożono *6+. Tak
więc akcja ewakuacyjna – skądinąd prowadzona sprawnie – była w wielu przypadkach
marnotrawstwem sił i środków, które można było spożytkowad rozsądniej. Do innych działao
zapobiegawczych przystąpiono z dużym opóźnieniem – ograniczenia w spożyciu mleka i innych
skażonych produktów wprowadzono dopiero 23 maja – niemal miesiąc po katastrofie! Jeszcze
później – ok. 25 maja – rozpoczęto profilaktykę jodową *6+.
Ustalenie ilości ofiar katastrofy czarnobylskiej jest niezwykle trudne. Jedyną liczbą, jaką można ustalid
bez żadnych wątpliwości jest liczba 31 ofiar „bezpośrednich”. 3 osoby zginęły od czynników
116
niezwiązanych
z promieniowaniem (dwóch wskutek obrażeo fizycznych, jeden najprawdopodobniej na zakrzepicę)
[3], natomiast kolejnych 28 pracowników elektrowni oraz członków ekip ratunkowych zmarło
wkrótce po katastrofie na ostrą chorobę popromienną. Niedawny raport Forum Czarnobylskiego *3+
wspomina także o kolejnych 19 (spośród 106) zmarłych pracownikach i ratownikach – jednak biorąc
pod uwagę czas jaki upłynął od zdarzenia, trudno określid, czy śmierci te mają jakikolwiek związek
z przyjętymi dawkami promieniowania. Najbardziej dyskusyjna jest jednak kwestia wpływu
promieniowania na innych ludzi. Na pewno wiadomo, że u osób nieprzebywających bezpośrednio na
terenie elektrowni nie stwierdzono choroby popromiennej [1]. Raport Forum Czarnobylskiego
podaje, że możliwa jest śmierd maksymalnie dalszych 4 tysięcy osób z powodu wywołanych
napromieniowaniem nowotworów *3+, chod nie podaje sposobu otrzymania takiej liczby. W opinii
pracowników polskiego Instytutu Problemów Jądrowych *6+ liczba wynika z zastosowania tzw.
liniowej bezprogowej hipotezy skutków promieniowania, której stosowalnośd dla niewielkich dawek
jest dyskusyjna, a zatem jest to szacunek pesymistyczny. Na pewno wiadomo, że do roku 2002
zdiagnozowano ponad 4000 przypadków raka tarczycy na obszarze uznawanym za objęty skutkami
katastrofy *1+, jednak w ogromnej większości przypadków (ok. 99%) są to przypadki w pełni
uleczalne, a poza tym nie jest w pełni jasne ile z nich należy przypisad katastrofie. Wiadomo tylko, że
odnotowano co najmniej dziewięd śmiertelnych przypadków raka tarczycy wśród dzieci *1+. Z drugiej
strony zdaniem różnych organizacji, najczęściej przeciwników energetyki jądrowej w ogóle (np.
Greenpeace, europejskie partie „zielonych”), liczba ofiar śmiertelnych katastrofy sięgnąd może nawet
60 tysięcy *9+. Do dnia dzisiejszego nie ma nawet zgody na temat możliwości zaobserwowania
wpływu promieniowania na zdrowie mieszkaoców Ukrainy i Białorusi – niektóre raporty stwierdzają
ogromny wzrost zachorowao na nowotwory, inne – wprost przeciwnie. Raporty organizacji takich jak
WHO czy MAEA wskazują na niewielki wpływ promieniowania pochodzącego od katastrofy na
śmiertelnośd, jednak wielu komentatorów wskazuje na fakt, że wpływ na te raporty mają naciski
polityczne. Z drugiej strony z takim samym zarzutem spotykają się szacunki władz ukraioskich
z początku lat 90. mówiące o znaczących skutkach zdrowotnych – krytycy twierdzą, że miały one na
celu zwiększenie pomocy zagranicznej. Dodatkowo od czasu katastrofy czarnobylskiej wzrosło także
promieniowanie emitowane przez inne źródła, przede wszystkim medyczne, co dodatkowo utrudnia
„przypisanie” konkretnych zachorowao zdarzeniu w elektrowni. Ustalenie liczby ofiar katastrofy
czarnobylskiej w sposób zadowalający różne środowiska zapewne nie będzie nigdy możliwy. Istnieje
tu zbyt wiele niewiadomych. Główne problemy to nasza wciąż niewielka wiedza na temat wpływu
relatywnie niewielkich dawek promieniowania na organizm ludzki2 oraz kiepski stan opieki
zdrowotnej w rejonie Czarnobyla przed katastrofą (co utrudnia wszelkie porównania). Należy jednak
pamiętad także o ogromnych skutkach, jakie katastrofa miała dla ludzkiej psychiki – i to na całym
świecie.
2
Warto zwrócid uwagę, że dawki promieniowania pochodzące od katastrofy czarnobylskiej nie były w istocie duże. Jeśli zsumowad dawkę,
jaką otrzymał w ciągu całego życia mieszkaniec rejonu Czarnobyla z dawką otrzymaną przez niego w wyniku katastrofy, suma i tak będzie
niższa od dawki otrzymywanej od tła naturalnego przez statystycznego mieszkaoca Finlandii – wyjątek stanowi tu tylko grupa ludzi
pracujących bezpośrednio na terenie elektrowni, a i tutaj nadwyżka ponad fioską naturą nie jest wielka. Problem polega na tym, że nie
potrafimy jednoznacznie określid jaki wpływ ma fakt, że promieniowanie to działało nierównomiernie w czasie. Z pewnością szkodliwe dla
zdrowia mogło byd nagłe akumulowanie radioaktywnego jodu-131 w tarczycach, stąd obserwowany wzrost zachorowao na raka tarczycy.
117
Rysunek 8. Porównanie dawek, jakie mogliby otrzymad przez całe życie mieszkaocy rejonu Czarnobyla z dawkami
otrzymywanymi w ciągu 70 lat przez mieszkaoców różnych krajów Europy wg *6+
Bardzo istotnym czynnikiem katastrofy czarnobylskiej była polityka informacyjna władz sowieckich.
Otóż początkowo nie podano informacji o katastrofie do wiadomości publicznej. Radzieckie służby
bezpieczeostwa skutecznie odizolowały rejon elektrowni od reszty terytorium zapobiegając
przeciekowi informacji. Sowieckie władze nie powiadomiły nikogo o zaistniałej sytuacji. Przez ponad
dwie doby katastrofa pozostawała tajemnicą. Dopiero 28 kwietnia rano stacje radiologiczne w Polsce
i Skandynawii zarejestrowały podwyższony poziom promieniowania. Jako pierwsza zaobserwowała
wzrost mocy dawki promieniowania w powietrzu stacja pomiarowa w Mikołajkach. Na początku
podejrzewano zarówno awarię urządzeo pomiarowych, jak i wybuch jądrowy. Wczesnym
popołudniem przeprowadzono analizę pyłu radioaktywnego zgromadzonego na filtrze
w Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej – wykazała ona, że charakterystyka skażenia jest
typowa dla awarii reaktora jądrowego, a nie wybuchu jądrowego *6+. O godzinie 17 informację
o zagrożeniu przekazano Sekretarzowi Naukowemu PAN, który z kolei miał zawiadomid rząd PRL.
O godzinie 18 brytyjska stacja radiowa BBC podała pierwszą informację o katastrofie. Późnym
wieczorem tego samego dnia pojawiła się pierwsza oficjalna informacja ze strony radzieckiej –
podana przez agencję prasową TASS. Ogólną informację o wypadku w czarnobylskiej elektrowni
podały ostatnie polskie dzienniki radiowe i telewizyjne. Decyzję o poinformowaniu polskiej opinii
publicznej o obserwowanym skażeniu poprzez radio i telewizję KC PZPR podjął 29 kwietnia nad
ranem. w ciągu dnia opublikowano krótkie informacje o przejściu poprzedniego dnia nad Polską
radioaktywnego obłoku – zapewniano, że sytuacja jest pod kontrolą. 30 kwietnia media podały
informacje nieprawdziwą – społeczeostwo poinformowano, że zaobserwowano jedynie przejściowy
wzrost stężenia radioaktywnego jodu, jednak szybko informację skorygowano z obaw o wpływ
podawania niewiarygodnych informacji na eksport polskiej żywności. Od tego momentu polskie
władze informowały społeczeostwo w sposób rzetelny. Wydanie Expressu Wieczornego z 5 maja
1986 zawierało komunikat Komisji Rządowej z podanymi zmierzonymi wartościami skażeo. Na tym tle
– o dziwo – kiepsko prezentowały się informacje podawane w krajach zachodnich. Wiadomości
118
podawano tam z dużym opóźnieniem. Rzetelnośd informacji polskich została zresztą dostrzeżona w
publikacjach zachodnich, w tym amerykaoskich i zachodnioniemieckich *6+.
Poza w miarę przejrzystą polityką informacyjną, polskie władze prowadziły działania z zakresu
ochrony zdrowia ludności. 29 kwietnia o 11 rano zadecydowano o wprowadzeniu profilaktyki
jodowej – podawaniu przede wszystkim dzieciom nieradioaktywnego jodu, który „blokuje” tarczycę
tak, by nie mogła akumulowad izotopu radioaktywnego, co mogłoby prowadzid do raka tarczycy.
Ministerstwo Zdrowia zdecydowało się przy tym zastąpid powszechnie stosowane w tym celu tabletki
jodku potasu tzw. płynem Lugola, który był łatwiej dostępny w dużych ilościach. Akcja rozpoczęła się
wieczorem i w ciągu doby objęła 75% dzieci z najbardziej narażonych województw północnowschodnich. W świetle dzisiejszej wiedzy była to wręcz reakcja przesadnie ostrożna. Warto przy tym
podkreślid, że została przeprowadzona niezwykle sprawnie. W Związku Sowieckim profilaktykę
jodową rozpoczęto dopiero 25 maja. Nawet w USA po awarii w EJ Three Mile Island wprowadzenie
podobnych działao zajęło aż 8 dni. Łączna dawka przyjęta przez mieszkaoców Polski okazała się niska
– zgodnie z ustaleniami Komitetu UNSCEAR było to średnio 0,3 mSv w ciągu pierwszego roku od
zdarzenia. Komitet w roku 1988 szacował, że w ciągu następnych 70 lat wpływ katastrofy ograniczy
się do dawki łącznej 0,9 mSv, co można uznad za wartośd wręcz pomijalną *6+
Oryginalna blokada informacyjna ze strony władz sowieckich oraz dalsze działania mediów
światowych miały bardzo daleko idące konsekwencje. Do dziś Czarnobyl pozostaje w powszechnej
opinii symbolem zagrożenia ze strony energetyki jądrowej. Sporo ludzi jest wręcz przekonanych, że
w ukraioskiej elektrowni doszło do wybuchu jądrowego, co jest oczywistą nieprawdą. Powszechnie
sądzi się też, że wypadek typu czarnobylskiego może powtórzyd się w każdej elektrowni jądrowej.
Jest to rezultat z jednej strony właśnie polityki informacyjnej, a z drugiej braku wiedzy o podstawach
funkcjonowania elektrowni jądrowej. W krótkim czasie po katastrofie czarnobylskiej nasilające się
ruchy przeciwników energetyki jądrowej doprowadziły do zaniechania użytkowania tej formy energii
lub przerwania dalszego jej rozwoju w kilku krajach, m.in. w Polsce, ale także np. we Włoszech, które
zamknęły wszystkie użytkowane elektrownie jądrowe, mimo że były to obiekty całkiem nowe.
Warto zdad sobie sprawę, że zdarzenie czarnobylskie było od początku do kooca dziełem ludzkiej
niefrasobliwości i braku wyobraźni. W czwartym bloku nie zawiodło żadne urządzenie, zawiedli
jedynie ludzie. Bezpośrednimi przyczynami katastrofalnej w skutkach eksplozji były: błędy obsługi
bloku, zdeterminowanej, by przeprowadzid eksperyment za wszelką cenę, wątpliwy plan samego
eksperymentu, błąd konstrukcyjny prętów regulacyjnych, błędna koncepcja systemów zabezpieczeo,
które można było odłączyd oraz wreszcie specyficzna konstrukcja reaktora kanałowego z grafitowym
moderatorem o dodatnim temperaturowym współczynniku reaktywności, z prętami regulacyjnymi
poruszającymi się w kanałach oraz niewyposażonego w obudowę bezpieczeostwa.
Three Mile Island
Wypadek jaki miał miejsce w 1979 roku w amerykaoskiej elektrowni jądrowej Three Mile Island to
najpoważniejsze po Czarnobylu zdarzenie w energetyce jądrowej i jednocześnie najpoważniejszy
wypadek związany z reaktorem lekkowodnym, czyli jednostką reprezentatywną dla światowej
energetyki jądrowej.
Elektrownia Jądrowa Three Mile Island (Three Mile Island Nuclear Generating Station), zlokalizowana
jest na rzece Susquehanna niedaleko Harrisburga w Pensylwanii (USA). Została wybudowana na
przełomie lat 60. i 70. XX wieku. Pierwszy blok rozpoczął pracę w roku 1974, drugi – w 1978. Każdy z
119
nich posiadał jeden reaktor wodny ciśnieniowy firmy Babcock and Wilcox i rozwijał moc elektryczną
netto 786 MWe [17].
Rysunek 9. Schemat bloku TMI-2 wg [8].
28 marca 1979 roku o 04:00 doszło do awarii obu pomp wody zasilającej we wtórnym obiegu bloku
TMI-2. Spowodowało to naturalnie natychmiastowe awaryjne wybicie turbiny. Napływająca
z wytwornic para świeża została zrzucona do skraplacza. Skraplacz był zaprojektowany w niefortunny
sposób tak, że nagły napływ pary ze stacji redukcyjno-schładzającej trafiał prosto w jego smoczki
powodując utratę próżni. Tak właśnie się stało i wskutek braku odbioru pary przez skraplacz została
ona skierowana do atmosfery przez zawory bezpieczeostwa na dachu maszynowni. Ponieważ w ten
sposób została przerwana ciągłośd obiegu wtórnego, został zakłócony odbiór ciepła z obiegu
pierwotnego poprzez wytwornice pary. Spowodowało to skok temperatury w obiegu pierwotnym
i automatyczne wyłączenie reaktora (co samo w sobie nie było zjawiskiem nieoczekiwanym, jako że
wada projektowa skraplacza była już znana). Równocześnie uruchomione zostały rezerwowe pompy
wody zasilającej i wody uzupełniającej, dla dostarczenia wody do obiegu wtórnego, który wciąż
musiał – poprzez wytwornice pary – odbierad ciepło powyłączeniowe z reaktora. Pomimo
uruchomienia tych pomp, woda nie była jednak uzupełniana, bowiem zamknięte były zawory na
rurociągach wody uzupełniającej. Zawory te powinny byd zawsze otwarte, jednak zapomniano je
otworzyd po sprawdzeniu kilka dni wcześniej.3 Lampka sygnalizująca zamknięcie zaworów w nastawni
bloku była natomiast zasłonięta przywieszką znajdującej się powyżej dźwigni i nie została zauważona
przez operatorów, którzy odnotowali jedynie włączenie pomp (!) *12+.
Tymczasem w obiegu pierwotnym, od którego nie było odbierane ciepło, wzrosła temperatura,
a więc także ciśnienie. Spowodowało to otwarcie zaworu nadmiarowego (PORV) na stabilizatorze
ciśnienia obiegu pierwotnego. Operatorzy mogli spodziewad się takiego zjawiska – zrzucenie pary „na
3
Po zakooczeniu postępowania przeciwawaryjnego FBI przez jakiś czas prowadziło śledztwo mające na celu sprawdzenie, czy nie był to akt
sabotażu.
120
dach” musiało spowodowad pewien skok temperatury w obiegu pierwotnym i była to naturalna
reakcja. Po obniżeniu ciśnienia w obiegu pierwotnym zawór ten powinien się samoczynnie zamknąd,
ale wskutek jego wadliwej konstrukcji tak się nie stało. Operatorzy nie byli jednak tego świadomi ze
względu na bezsensownie zaprojektowany system sygnalizacji. Otóż kontrolka w nastawni
sygnalizowała nie położenie zaworu, a jego nastawę – nie było sprzężenia zwrotnego. Tak więc
lampka zgasła, chod zawór w istocie się nie zamknął, powodując ciągły odpływ chłodziwa z obiegu
pierwotnego do zbiornika schładzającego w obudowie bezpieczeostwa reaktora. Poziom wody
w stabilizatorze – zgodnie z oczekiwaniami – zaczął opadad, co spowodowało automatyczne
załączenie pomp wody uzupełniającej obieg pierwotny. Poziom wody na chwilę ustabilizował się,
jednak następnie nieoczekiwanie zaczął rosnąd – ze względu na otwarty wciąż zawór nadmiarowy
i spadające ciśnienie. Operatorzy zmuszeni byli wyłączyd pompy wody uzupełniającej – w 4,5 minuty
po rozpoczęciu zdarzenia. W tym momencie zaczęli oni otrzymywad sprzeczne i niezrozumiałe
informacje. W obiegu pierwotnym następował jednoczesny spadek ciśnienia i wzrost temperatury –
zestaw zjawisk niemożliwy w obiegu zamkniętym. Spadek ciśnienia był wywołany wciąż otwartym
zaworem nadmiarowym, natomiast wzrost temperatury – brakiem odbioru ciepła z wytwornic pary.
O obu tych zjawiskach operatorzy nie mieli pojęcia. Co najbardziej istotne byli oni przekonani, że
poziom wody w obiegu pierwotnym jest stały, podczas gdy w rzeczywistości woda była przez zawór
nadmiarowy szybko tracona. W nastawni nie było jednak wskaźnika poziomu wody w reaktorze –
ilośd wody w obiegu pierwotnym była oceniana poprzez pomiar poziomu wody w stabilizatorze
ciśnienia – jedynym miejscu w obiegu pierwotnym, w którym miała prawo występowad poduszka
gazowa. Jednak w zaistniałej sytuacji szybko przepływająca przez stabilizator woda wytworzyła w nim
turbulencje i spowodowała błędne odczyty poziomu. Zdezorientowani operatorzy wskutek błędnych
wskazao poziomu wody odnieśli wrażenie, że w istocie poziom (ciśnienie) wody rośnie (logicznie –
wraz z temperaturą), w związku z czym otworzyli dodatkowe zawory upustowe w obiegu
pierwotnym, potęgując tylko utratę chłodziwa. Nadal zdezorientowani przeprowadzili sprawdzenie
wszystkich elementów układu, podczas którego odkryli wreszcie, że zawory wody uzupełniającej
w obiegu wtórnym są zamknięte. Po ich otwarciu – w 8 minut od rozpoczęcia awarii – woda
ponownie zaczęła dopływad do wytwornic pary, wznawiając odbiór ciepła z obiegu pierwotnego.
Wzrost temperatury w reaktorze został spowolniony, jednak nie powstrzymany. Wskutek
postępującego spadku ciśnienia i wzrostu temperatury woda w obiegu pierwotnym zaczęła wrzed
i w konsekwencji parowad. Pęcherze parowe zaczęły krążyd w obiegu docierając do pomp
cyrkulacyjnych, które wpadły w poważne wibracje. Operatorzy w obawie przed rozszczelnieniem
obiegu pierwotnego wyłączyli o godzinie 5:20 pierwsze dwie pompy, a ostatnie dwie o 5:40,
pozostawiając chłodzenie rdzenia konwekcji naturalnej. To jednakże było niemożliwe ze względu na
tworzące się bąble i poduszki parowe – temperatura rdzenia nadal rosła. Woda w reaktorze zaczęła
odparowywad, powodując – około godziny 6:15 – odsłonięcie prętów paliwowych – a w konsekwencji
ich przegrzanie i stopienie. W tym czasie zbiornik, do którego odprowadzana była para z zaworu
nadmiarowego uległ przepełnieniu i jego membrana została przerwana. Woda z obiegu pierwotnego,
zanieczyszczona produktami rozszczepienia wydostającymi się z uszkodzonych prętów, zaczęła
wylewad się na dno obudowy bezpieczeostwa, skąd była odpompowywana do budynku
pomocniczego – nikt nie wyłączył bowiem systemu odwadniania. Około godziny 6 rano jeden
z inżynierów dziennej zmiany, którzy zaczęli przybywad do elektrowni wyciągnął wnioski ze
zdawałoby się sprzecznych odczytów i wywnioskował wreszcie, że zawór nadmiarowy jest otwarty.
Położony szeregowo z nim zawór rezerwowy został zamknięty o godzinie 6:20, ostatecznie
powstrzymując ucieczkę chłodziwa z reaktora. Około 06:45 woda, która zdążyła wydostad się z obiegu
121
pierwotnego dotarła do detektorów promieniowania wywołując alarm radiacyjny. O godzinie 7
ogłoszono tzw. Site Area Emergency, czyli stan awaryjny drugi „od góry” w klasyfikacji
amerykaoskiego nadzoru jądrowego NRC. O 7:24 ogłoszono najwyższy stopieo alarmu – General
Emergency. Obsługa bloku wciąż nie zdawała sobie sprawy z faktu odsłonięcia części rdzenia. Stało
się to jasne dopiero po zbadaniu próbek wody z obiegu pierwotnego i dokonaniu dodatkowych
pomiarów temperatury prętów paliwowych, co wymagało obejścia normalnych systemów
pomiarowych (w których skooczyła się skala). Około godziny 13 zaczęto podawanie świeżej wody do
obiegu pierwotnego. Rozpoczęto też obniżanie ciśnienia w obiegu niezbędne dla przywrócenia
normalnej cyrkulacji wody – wiązało się to z kontrolowanym upuszczaniem radioaktywnej pary do
atmosfery. Około godziny 20 przywrócono pracę pomp cyrkulacyjnych obiegu pierwotnego, co
ostatecznie rozwiązało problem odprowadzania ciepła powyłączeniowego *8+*12+*19+.
30 marca, dwa dni po awarii, odkryto nowy problem. Poza parą wodną w obiegu pierwotnym pojawił
się wodór. Pochodził on z reakcji chemicznych zachodzących w wysokiej temperaturze w stopie
cyrkonu, z którego wykonane były koszulki paliwowe. Sam wodór nie stwarzał jeszcze zagrożenia,
gdyż dla jego zapłonu konieczny był tlen. Jednakże obawiano się, że zajśd może zjawisko radiolizy
wody – przy odpowiednio dużym stężeniu tlenu istniało ryzyko samozapłonu wodoru. Częśd wodoru
zresztą wydostała się – razem z parą – przez niedomknięty zawór nadmiarowy zanim zdążono
uszczelnid obieg oraz później w procesie obniżania ciśnienia w obiegu pierwotnym i spowodowała
około godziny 13 28 marca niewielki wybuch wewnątrz obudowy bezpieczeostwa – w tym momencie
niezauważony (!) *12+*19+. Solidna budowla wytrzymała to zdarzenie bez problemu, jednak eksplozja
wewnątrz zbiornika reaktora z pewnością spowodowałaby rozerwanie obiegu pierwotnego i groziła
poważnym uwolnieniem substancji radioaktywnych do otoczenia. Gdy odkryto obecnośd wodoru,
uznano ryzyko jego eksplozji za bardzo poważne. Poza tym rosnący w zbiorniku bąbel gazu zagrażał
ponownym odsłonięciem prętów paliwowych i przegrzaniem rdzenia. Wodór był przemieszczany
z górnej części zbiornika reaktora do stabilizatora ciśnienia poprzez delikatne zmiany ciśnienia w
obiegu, następnie upuszczany zaworem nadmiarowym do obudowy bezpieczeostwa i poddawany
rekombinacji z tlenem z użyciem instalacji specjalnie zbudowanej w budynku pomocniczym
i odizolowanej ołowianymi blokami od otoczenia *19+. Zagrożenie zażegnano do 1 kwietnia [8].
Pomimo poważnego zagrożenia stopieniem rdzenia (dwukrotnie) oraz rozerwaniem obiegu
pierwotnego, awaria nie miała poważnych skutków środowiskowych. Ograniczyły się one do
uwolnienia pewnych ilości radioaktywnych gazów. Wydostały się one na zewnątrz w procesie
redukcji ciśnienia w obiegu pierwotnym oraz poprzez budynek pomocniczy, do którego wydostała się
skażona woda na początku awarii. Łącznie w czasie awarii bloku TMI-2 uwolniono radioaktywne gazy
szlachetne niosące dawkę promieniowania 480 PBq, jednak uznano to za mniejsze zło w stosunku do
ryzyka niekontrolowanego stopienia rdzenia lub eksplozji wewnątrz obiegu pierwotnego. Pełną
kontrolę nad sytuacją odzyskano do 6 kwietnia. Eksperci ocenili, że uwolnienie substancji
radioaktywnych nie powinno mied żadnego negatywnego wpływu ani na okolicznych mieszkaoców,
ani nawet na pracowników elektrowni. Blok TMI-2 został po wypadku wycofany z eksploatacji,
a dekontaminacja terenu potrwała do roku 1993 *8+. Blok pierwszy jednakże eksploatowany jest do
dzisiaj, chod po awarii bloku drugiego jego praca została zawieszona do roku 1985 (w chwili wypadku
w TMI-2 blok pierwszy nie pracował – trwała wymiana paliwa) *17+. Obecnie operator posiada
licencję na jego eksploatację do roku 2014, jednak już wystąpił do NRC o jej przedłużenie do roku
2034.
122
Awaria w Three Mile Island miała bardzo poważne skutki społeczne w Stanach Zjednoczonych.
Społeczeostwo
o sytuacji awaryjnej było informowane nie w pełni rzetelnie i z opóźnieniami. Pierwszą wiadomośd
o awarii nadało lokalne radio WKBO z Harrisburga o 8:25, czyli w godzinę po ogłoszeniu najwyższego
stopnia zagrożenia oraz 4,5 godziny po rozpoczęciu zdarzenia. Agencja prasowa Associated Press
podała tę informację o godzinie 9. Krajowy nadzór jądrowy został powiadomiony o zakłóceniach w
pracy nieco wcześniej – regionalna delegatura otrzymała informację o godzinie 7:45. Informacja
dotarła do Białego Domu dopiero o 9:15, czyli – inaczej niż w przypadku Czarnobyla – prasa podała
informację wcześniej, niż dotarła ona do najwyższych władz paostwowych. O godzinie 11 podjęto
pierwsze działania ewakuacyjne – zwolniono wszystkich pracowników elektrowni Three Mile Island,
którzy nie byli w danym momencie niezbędni *8+. Nie podjęto jednak żadnych działao mających na
celu ewakuację ludności cywilnej – władze uznały, że proces ewakuacji mógłby stworzyd większe
zagrożenie dla ludności, niż sama awaria. Pojawiały się sprzeczne relacje dotyczące zarówno
potencjalnych zagrożeo, jak i emisji radioaktywnych gazów. Gubernator stanu Pensylwania nie
dysponował rzetelnymi informacjami ze strony operatora elektrowni – te, które otrzymywał były
niekompletne, spóźnione, a czasami nawet sprzeczne. Po naradzeniu się z NRC gubernator zalecił
tylko ewakuację dzieci poniżej wieku szkolnego oraz ciężarnych kobiet z obszaru w promieniu 5 mil
od elektrowni *22+. Chłodnemu osądowi sytuacji ze strony władz sprzyjał zapewne fakt, że
gubernator był z wykształcenia inżynierem i nie poddał się łatwo panice. Do 1 kwietnia trwał jednak
chaos informacyjny związany z pęcherzem wodoru. Okoliczni mieszkaocy nie mieli pojęcia na temat
funkcjonowania elektrowni, nie mówiąc już o jej aktualnym stanie – tak więc wielu z nich obawiało
się np. wybuchu jądrowego, nie wiedząc, że jest on fizycznie niemożliwy w energetycznym reaktorze
jądrowym. Dodatkowym akcentem wzbudzającym niepokój społeczny był fakt, że w Harrisburgu
właśnie wyświetlano w kinach film „Chioski syndrom” opowiadający o fikcyjnej katastrofie
w elektrowni jądrowej, podczas której dochodzi do stopienia rdzenia i wydostania się go przez
obudowę bezpieczeostwa. W materiałach reklamowych filmu stwierdzono, że takie zdarzenie
mogłoby skazid obszar „rozmiaru Pensylwanii”… *121+ Warto dodad, że po dziś dzieo podawane są
sprzeczne informacje dotyczące awarii, np. na temat tego kiedy dokonywano upuszczenia gazów
radioaktywnych, oraz czy rzeczywiście istniało zagrożenie wybuchem wodoru (tj. czy stwierdzono
w poduszce gazowej obecnośd tlenu) *8+*12+.
Wypadek w Three Mile Island miał poważne skutki dla amerykaoskiej energetyki jądrowej. Rozwój tej
branży został praktycznie wstrzymany, chod udział w tym zjawisku w latach 80. miał też chwilowy
nadmiar mocy w systemie spowodowany spadkiem zapotrzebowania po kryzysie naftowym.
Niemniej poparcie dla energetyki jądrowej w USA spadło, a budowy bloków jądrowych nie
wznowiono po dziś dzieo, chod zapotrzebowanie na moc w latach 90. wzrosło. Dopiero w 2008 roku
pojawiły się konkretne plany budowy nowych bloków jądrowych w USA. Wypadek ten miał tez wpływ
na energetykę jądrową w innych krajach. Do roku 1979 obserwowano rosnącą liczbę budowanych
bloków jądrowych, po wypadku TMI entuzjazm znacząco osłabł. Stan ten został pogłębiony przez
katastrofę w Czarnobylu – opinia publiczna przestała postrzegad energetykę jądrową jako zjawisko
bezpieczne.
Krško
Kontrastem dla obu powyższych – niewątpliwie poważnych – zdarzeo, może byd drobna awaria
w słoweoskiej elektrowni jądrowej z czerwca 2008 roku. W tym przypadku zdarzenie całkiem błahe,
wskutek rzec można zbyt szybkiego przepływu informacji, ale także uprzedzeo społecznych
123
wywołanych wypadkami omówionymi powyżej, spowodowało niemalże panikę na kontynencie
europejskim.
Elektrownia Jądrowa Krško (Nuklearna Elektrarna Krško) to jedyna elektrownia jądrowa na terenie
byłej Jugosławii. Wybudowano ją na przełomie lat 70. i 80. XX wieku (normalną eksploatację
rozpoczęto w styczniu 1983 r.) jako wspólne przedsięwzięcie republik Chorwacji i Słowenii
wchodzących w skład Federacyjnej Socjalistycznej Republiki Jugosławii. Po rozpadzie FSRJ
elektrownia znalazła się na terenie niepodległej Republiki Słowenii, jednak pozostała wspólną
własnością Chorwacji i Słowenii. Elektrownia posiada jeden blok i zbudowana jest w oparciu
o technologie zachodnie – reaktor wodny ciśnieniowy dostarczyła firma Westinghouse. Blok rozwija
moc elektryczną 632 MWe[17].
4 czerwca 2008 r. w elektrowni Krško doszło do awarii w układzie chłodzenia obiegu pierwotnego.
Uszkodzona uszczelka spowodowała ograniczony wyciek chłodziwa – ok. 3 m³/h (normalne wartości
eksploatacyjne to poniżej 0,01 m³/h). W nastawni bloku ubytek chłodziwa zaobserwowano o godzinie
15:07. Po zweryfikowaniu wskazao i stwierdzeniu, że rejonu przecieku nie można odizolowad,
o godzinie 15:56 operatorzy ogłosili alarm najniższego stopnia. O 16:07 powiadomiono paostwową
agencję nadzoru jądrowego. O godzinie 16:39 kontrolę nad blokiem przejął osobiście dyrektor
techniczny elektrowni. Rozpoczęto przygotowania do wyłączenia reaktora poprzez stopniowe
zmniejszanie jego mocy – o 5 MWe/min (czyli zgodnie ze standardowymi procedurami
eksploatacyjnymi – ubytek chłodziwa był na tyle powolny, że nie było konieczne wdrażanie procedur
awaryjnych). O godzinie 19:30 generator bloku został odłączony od krajowego systemu
elektroenergetycznego. Reaktor osiągnął stan podkrytyczny o 19:50. O 19:55 do budynku reaktora
weszli pierwsi pracownicy elektrowni. Ustalili oni, że przeciek miał miejsce w rejonie pompy
cyrkulacyjnej nr 2, na jednym z zaworów. Dla przeprowadzenia napraw konieczne było schłodzenie
rdzenia i obniżenie ciśnienia w obiegu. Proces ten zakooczono w godzinach południowych 5 czerwca.
Stan awaryjny został odwołany o godzinie 12:40 tego dnia. Naprawy uszkodzonego zaworu oraz
sprawdzenie pozostałych potrwały do 8 czerwca. 9 czerwca o 15:38 ponownie zsynchronizowano
blok z siecią, a pełną moc osiągnięto 10 czerwca rano. Warte podkreślenia jest, że podczas całego
zdarzenia nie nastąpiło żadne skażenie środowiska. Cała woda, która wyciekła z pierwotnego obiegu
chłodzenia, zebrała się w dolnej części obudowy bezpieczeostwa reaktora. Została ona następnie
wypompowana do stacji uzdatniania nie powodując żadnego skażenia *5+.
To zdawałoby się drobne zdarzenie wywołało niewspółmierną reakcję na arenie międzynarodowej.
Zgodnie
z Artykułem 1 Konwencji w sprawie Wczesnego Powiadamiania o Awarii Jądrowej jeśli nie zachodzi
uzasadnione ryzyko uwolnieo substancji promieniotwórczych, paostwo w którym doszło do wypadku
nie ma obowiązku powiadamiania o nim, jednak zgodnie z Artykułem 3 tejże Konwencji ma taką
możliwośd *4+. Mimo że od początku zdawano sobie sprawę, iż zagrożenie uwolnieniem do otoczenia
substancji radioaktywnych jest znikome, słoweoskie władze zdecydowały się z tej możliwości
skorzystad i wykorzystad europejski system powiadamiania o awariach jądrowych ECURIE. Stosowna
wiadomośd dotarła do Brukseli o godzinie 16:38. Zgodnie z obowiązującymi procedurami ostrzeżenie
zostało następnie przekazane do wszystkich krajów członkowskich Wspólnoty Europejskiej.
Informację niemal natychmiast podchwyciły media. Reakcja mediów była bardzo gwałtowna.
Informacyjne stacje telewizyjne uczyniły ze zdarzenia temat dnia. Na paskach informacyjnych
kanałów takich jak TVN24 podawano w alarmistycznym tonie informację o awarii – mniej więcej
124
w taki sam sposób, jak parę miesięcy później doniesienia o rosyjskiej inwazji na Gruzję. Dziennikarze
kompletnie nierozumiejący istoty problemu rozdmuchali sprawę do niebotycznych rozmiarów
(czemu sprzyjał zapewne brak innych poważnych zdarzeo tym samym czasie). Zaproszeni do studiów
eksperci starali się tonowad nastroje, co nie zmienia faktu, że bardzo drobnemu zdarzeniu, którego
wpływ na środowisko był żaden i które nie spowodowało u nikogo kompletnie żadnego uszczerbku
na zdrowiu nadano rangę zagrożenia na skalę co najmniej kontynentu, wywołując – kompletnie bez
żadnej przyczyny – obawy wśród ludności. Austriacka telewizja otwarcie spekulowała, czy
ewentualna chmura radioaktywna może doprowadzid do skażenia terytorium tego kraju – nie mając
przy tym żadnych podstaw, by przypuszczad, że jakakolwiek „chmura” w ogóle powstanie!
Warto dodad, że po zbadaniu zdarzenia Międzynarodowa Agencja Energetyki Atomowej
zaklasyfikowała zdarzenie jako „poziom 0” w Międzynarodowej Skali Zdarzeo Jądrowych (czyli
zdarzenie było zbyt błahe, by w ogóle „załapad” się na skali!) *25+.
Zapobieganie awariom
Generalnie rzecz biorąc awaria jest zjawiskiem w świecie techniki powszechnym. W praktyce ludzkośd
nie potrafi zaprojektowad obiektu technicznego, który byłby na awarie odporny. Nawet przy
najstaranniejszym projektowaniu zawsze może dojśd np. do niezauważonego błędu wykonawczego,
może też np. wystąpid wada materiałowa. Zatem rzec można, że awarie są zjawiskiem zupełnie
naturalnym w eksploatacji skomplikowanej instalacji przemysłowej, składającej się z tysięcy urządzeo
i innych elementów. Kluczem do bezpiecznej eksploatacji nie jest zatem dążenie do zapobieżenia
wszystkim możliwym awariom – co jest niewykonalne – a takie zaprojektowanie procesu, aby
możliwe awarie nie stwarzały niebezpieczeostwa ani dla załogi zakładu, ani dla okolicznych
mieszkaoców. Taka właśnie niegroźna w skutkach awaria miała miejsce w elektrowni jądrowej Krško.
Mimo powstania sytuacji potencjalnie groźnej dla reaktora – utraty chłodziwa z obiegu pierwotnego
– zastosowane rozwiązania techniczne i procedury sprawiły, że nie istniało praktycznie żadne
zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, a skutki zdarzenia usunięto niezwykle szybko. Z drugiej strony
zdarzenie w Three Mile Island pokazuje, jak drobna awaria (w tym przypadku pompy) może –
wskutek kilku połączonych błędów projektowych oraz kolejno popełnianych błędów obsługi –
przerodzid się w zdarzenie bardzo poważne. Niezwykle istotne znaczenie – szczególnie w wypadku
reaktorów jądrowych – ma takie projektowanie procesu technologicznego, aby pewne zdarzenia były
fizycznie niemożliwe. Prawa fizyki są bowiem jedyną metodą gwarantowania, że dane zjawisko nie
wystąpi. W pierwszym rzędzie należy podkreślid, że wbrew obawom licznych laików, w reaktorze
jądrowym fizycznie nie może nastąpid wybuch jądrowy. Również dzięki fizyce w reaktorze wodnym,
nawet w wypadku silnego przegrzania rdzenia, niemożliwy jest jego pożar taki jak
w Czarnobylu, a to z bardzo prostego powodu: w rdzeniu nie ma materiałów palnych. Co więcej,
rdzenie współczesnych reaktorów jądrowych projektowane są tak, by w przypadku nieplanowanego
wzrostu temperatury, reakcja wygaszała się sama (ujemny temperaturowy współczynnik
reaktywności). Tak jest we wszystkich reaktorach lekkowodnych – gwarantuje to właśnie fizyka.
W razie wzrostu temperatury, paruje woda, która jest jednocześnie chłodziwem i moderatorem. Para
wodna ma znacznie niższą gęstośd, a więc nie spełnia dobrze funkcji moderatora – reakcja wygasa
samoczynnie z braku neutronów o właściwej energii. Innym przykładem są pręty regulacyjne
poruszające się dośd „luźno” w zbiorniku, wyciągane w kierunku do góry i utrzymywane w położeniu
podniesionym elektromagnesami. Powoduje to, że nawet przy poważnych zakłóceniach pracy i braku
zasilania, mogą one swobodnie „wpaśd” do reaktora pod wpływem własnego ciężaru i zatrzymad
reakcję. Warto zwrócid uwagę, że w opartym o technologię PWR bloku TMI w ogóle nie zaistniał
125
problem wyłączenia reaktora – reakcja rozszczepiania uranu została automatycznie zatrzymana w
ciągu kilkunastu sekund po pierwszych objawach awarii – podczas gdy w Czarnobylu to właśnie
niekontrolowana intensyfikacja reakcji jądrowej spowodowała eksplozję. Oczywiście nawet jeśli
reaktor nie pracuje, pozostaje kwestia odprowadzenia ciepła powyłączeniowego, będącego wynikiem
dalszych rozpadów krótkożyciowych produktów rozszczepienia uranu. Jednak nawet w przypadku
problemów, jest tu znacznie więcej czasu na reakcję – w istocie operatorzy TMI mieli całe godziny na
znalezienie sposobu schłodzenia rdzenia. W przypadku czarnobylskim decydowały sekundy.
Inną istotną kwestią jest czynnik ludzki – w zaawansowanej technice często będący najsłabszym
ogniwem w kontrolowaniu procesu. To właśnie błędne decyzje ludzi doprowadziły do wybuchu
w Czarnobylu. W Three Mile Island z kolei kumulacja prostych błędów projektowych (sygnalizacja
zamknięcia zaworu) oraz niewłaściwych decyzji operatorów sprawiła, że całkowicie niegroźne
zdarzenie prawie przerodziło się w katastrofę. Jedynie przytomnośd ludzkich umysłów (innych niż te,
które popełniły błędy) zapobiegła daleko idącym skutkom zdarzenia, ale – warto to jeszcze raz
podkreślid – możliwe było to tylko dlatego, że przy odpowiednio zaprojektowanym procesie fizyka
dała im czas na rozwiązanie problemu.
Oczywiście operatorzy oraz projektanci bloków jądrowych wyciągnęli wnioski z obu
najpoważniejszych awarii. Wnioski z Czarnobyla są w zasadzie proste – nie należy projektowad
reaktorów o dodatnim temperaturowym współczynniku reaktywności i nie robi się tego. Na 11
pozostających w eksploatacji reaktorach RBMK-1000 oraz pojedynczym RBMK-1500 wprowadzono
istotne zmiany, 5 z 17 zbudowanych reaktorów tego typu już wycofano z eksploatacji. Wprawdzie
Rosjanie kontynuują projektowanie reaktorów kanałowych (MKER-1000) planowanych do
zastosowania w Leningradzkiej4 oraz Kurskiej EJ, jednak mają one byd istotnie zmodyfikowane,
między innymi charakteryzowad się silnie ujemnym temperaturowym współczynnikiem reaktywności
oraz posiadad pełnowartościową obudowę bezpieczeostwa *10+*14+. Drugi oczywisty wniosek to
uniemożliwienie operatorom samowolnego wyłączania systemów zabezpieczających. Wnioski ze
zdarzenia w Three Mile Island to niewątpliwie koniecznośd staranniejszego projektowania systemów
sygnalizacji i sterowania oraz koniecznośd stosowania pasywnych systemów zapewniających
chłodzenie rdzenia. Systemy takie w razie potrzeby działają samoczynnie, niezależnie od operatora,
na ogół w oparciu o prawa fizyki, a nie systemy automatyki, co czyni je odpornymi na uszkodzenia
oraz całkowicie uniemożliwia ich wyłączenie.
Obecnie projektowane elektrownie jądrowe są wyposażane w kilka niezależnych od siebie systemów
bezpieczeostwa. Systemy bezpieczeostwa to układy mające za zadanie minimalizowad skutki awarii.
Tak więc każdy obecnie eksploatowany reaktor musi byd wyposażony w instalację zapewniającą
awaryjne chłodzenie rdzenia na wypadek awarii typu LOCA (Loss-of-Coolant Accident – wypadek
utraty chłodziwa). Nowoprojektowane reaktory mają po kilka niezależnych systemów tego rodzaju,
zapewniających bezpieczne odprowadzenie całego ciepła powyłączeniowego. Na tym jednak nie
koniec – np. inżynierowie europejskiej Arevy zastosowali w swoim najnowszym reaktorze EPR nawet
układ „wyłapywania rdzenia”. W przypadku, gdy zawiodłyby wszystkie układy zabezpieczające oraz
układy bezpieczeostwa zapewniające odprowadzenie ciepła z rdzenia istnieje zagrożenie stopieniem
całego rdzenia – z jakim zmagali się zarówno ratownicy w Czarnobylu, jak i operatorzy w TMI.
Stopiony, rozgrzany do temperatury kilku tysięcy stopni Celsjusza rdzeo mógłby przepalid zbiornik
4
Mimo zmiany nazwy miasta na Sankt Petersburg, elektrownia wciąż nosi nazwę Leningradzkiej EJ.
126
reaktora oraz podstawę obudowy bezpieczeostwa i spowodowad istotne skażenie. Projektanci
reaktora EPR tak zaprojektowali dno budynku reaktora, aby wytrzymało ono kontakt z roztopionym
rdzeniem i pozwoliło mu na bezpieczne schłodzenie się – mimo iż zdarzenie stopienia rdzenia jest
skrajnie nieprawdopodobne. Oczywiście reaktor musi też posiadad solidną obudowę bezpieczeostwa
ze sprężonego betonu, która nie tylko zabezpiecza otoczenie przed ewentualnymi zdarzeniami
wewnątrz, ale także ochrania reaktor przed potencjalnymi zagrożeniami zewnętrznymi. Konstrukcje
tego rodzaju muszą byd odporne np. na upadek samolotu – celowy, bądź przypadkowy.
Przeprowadzano zresztą praktyczne testy tego rodzaju *11+.
Trzeba zdad sobie sprawę, że dzisiejsze elektrownie jądrowe są projektowane według zasad wręcz nie
do pomyślenia w innych gałęziach przemysłu. Wymaga się od nich zachowania pełnego
bezpieczeostwa
w wypadku najpoważniejszej fizycznie możliwej awarii, bez względu na jej skrajnie niskie
prawdopodobieostwo. Wyobraźmy sobie na chwilę, że podobnego rodzaju wymagania przyłożymy
do samochodu osobowego. Oznaczałoby to, że konstrukcja samochodu i jego systemów sterowania
powinna w pierwszym rzędzie nie dopuszczad do przekroczenia prędkości przez nieodpowiedzialnego
kierowcę, ale powinna też zapewniad, że w wypadku ich niesprawności kierowca przetrwa bez
szwanku powiedzmy zderzenie z betonową ścianą przy maksymalnej osiągalnej przez dany pojazd
prędkości (nawet przy jeździe z górki) także, jeśli przez swoją lekkomyślnośd nie zapnie pasów
bezpieczeostwa. Jeśli to jeszcze można sobie w jakiś sposób wyobrazid, to na pewno nie da się
przyłożyd tego rodzaju kryteriów do lotnictwa – samolot z ułamanym skrzydłem spadnie
i praktycznie na pewno zabije swoich pasażerów. I nikt nie oczekuje niczego innego – przechodzimy
do porządku dziennego nad tysiącami ofiar katastrof lotniczych, następujących nawet po niewielkich
usterkach technicznych. Tymczasem elektrownia jądrowa musi zapewnid pełne bezpieczeostwo przy
zniszczeniu praktycznie dowolnego elementu i to połączonej z niesprawnością części systemów
zaprojektowanych dla zaradzenia tej awarii!
Wydawad by się mogło, że wymagania takie podyktowane są szczególnymi zagrożeniami niesionymi
przez energetykę jądrową. W koocu nie każda gałąź przemysłu grozi awarią na skale Czarnobyla. Jest
to jednak rozumowanie złudne, wywołane głównie niewiedzą oraz strachem przed niezrozumiałymi
procesami jądrowymi. W istocie w kategoriach ofiar (przynajmniej jeśli rozpatrujemy skutki fizyczne
i medyczne, a nie psychologiczne) wypadek czarnobylski nie był niczym niezwykłym. Nawet jeśli
przyjmiemy, że istotnie Czarnobyl przyniósł 4 tysiące ofiar, to nie jest to wypadek odosobniony
w historii techniki. Jeden z najpoważniejszych miał miejsce 3 grudnia 1984 roku w Bhopalu w Indiach.
Doszło tam do uwolnienia trujących substancji z fabryki pestycydów, która doprowadziła do niemal
natychmiastowej śmierci 3800 osób; liczba ofiar śmiertelnych powikłao szacowana jest na 15 tysięcy
[6]. Greenpeace nazwał to zdarzenie „największą katastrofą przemysłową w dziejach”. Mimo to nikt
nie postuluje likwidacji przemysłu chemicznego! 26 kwietnia 1942 r. z kolei miała miejsce katastrofa
w chioskiej kopalni węgla – eksplozja pyłu i metanu zabiła 1549 górników. Pęknięcie amerykaoskiej
zapory South Fork w 1889 roku z kolei spowodowało śmierd przeszło 2200 osób *13+,
a osunięcie ziemi w rejonie francuskiej zapory Vajont w roku 1963 – 1909 ofiar. Nie jest to jednak
argument przeciwko energetyce węglowej czy wodnej. Wreszcie w 1990 roku w Mekce 1426 osób
zginęło w tunelu w wyniku niewłaściwego kontrolowania ruchu tłumu pielgrzymów. Warto też
zsumowad liczby ofiar mniej spektakularnych, a częstszych wypadków. Przykładowo w Polsce
w jednym tylko 2007 roku w wyniku wypadków drogowych śmierd poniosły 5583 osoby, a rany
odniosło przeszło 63 tysiące! *24+ Na całym świecie liczba ofiar śmiertelnych wypadków drogowych
127
to ok. 1,2 miliona *6+. Ofiary te są jednak na ogół niezauważane – wypadek drogowy jest traktowany
jako zjawisko „normalne”. Jesteśmy też przyzwyczajeni do wypadków przemysłowych – panikę
społeczną wywołują w zasadzie tylko zdarzenia awaryjne w elektrowniach jądrowych
i – w mniejszym stopniu – zakładach chemicznych. Jednak obiektywnie rzecz biorąc należy uznad, że
panika ta wywołana jest nie tyle szczególnym zagrożeniem stamtąd płynącym, co niedostatecznym
stanem wiedzy i niezrozumieniem zachodzących w tych zakładach procesów.
Jeśli chodzi o samą energetykę, ryzyko związane z możliwymi katastrofami można oszacowad
odnosząc liczbę śmiertelnych ofiar wypadków do wyprodukowanej energii elektrycznej. Nawet dla
samych elektrowni RBMK wskaźnik ten wynosi 0,16 wczesnych zgonów na gigawatorok. Dla
wszystkich pozostałych elektrowni jądrowych jest to 0. Można te liczby porównad do wskaźnika dla
węgla (0,69), ciekłych paliw ropopochodnych (0,44) czy gazu ziemnego (0,09) *6+. Dla gazu
skroplonego wskaźnik ten wynosi nawet 1,80 *21+. Tak więc wypadki w elektrowniach jądrowych nie
stanowią szczególnie wysokiego zagrożenia. Wiele raportów wskazuje, że najbardziej niebezpieczne
są instalacje związane z wykorzystaniem gazu ziemnego, szczególnie w postaci skroplonej *20+*21+.
Jeśli zaś chodzi o zgony opóźnione, to po pierwsze nie ma zgody co do tego jaka ich liczba jest lub
będzie skutkiem katastrofy czarnobylskiej, po drugie nie podobnie nie jesteśmy w stanie oszacowad
wpływu na zdrowie ludzkie np. rosnącej emisji promieniowania jonizującego ze źródeł medycznych,
którego wszak nikt się nie boi, po trzecie natomiast instalacja czarnobylska nie jest w żadnym stopniu
reprezentatywna dla energetyki jądrowej (reaktorów typu RBMK zbudowano 17 na przeszło 500
wszystkich jądrowych reaktorów energetycznych). Wreszcie warto zwrócid uwagę na fakt, że nigdy
dotychczas – nawet przed wprowadzeniem tak zaawansowanych systemów bezpieczeostwa, jakie są
stosowane obecnie – nie doszło do uwolnienia niebezpiecznej dla zdrowia dawki promieniowania
z reaktora jądrowego innego niż RBMK. Żadna awaria elektrowni jądrowej innej niż czarnobylska nie
spowodowała ofiar śmiertelnych. Można pokusid się też o twierdzenie, że najbardziej niebezpieczna
w elektrowni jądrowej jest jej częśd wcale nie związana z techniką jądrową – w maszynowni bloku
jądrowego na pracowników czyhają takie same zagrożenia, jak w każdej innej takiej instalacji. Jednak
ryzyka drobnych wypadków związanych z pracą w zakładzie przemysłowym wyeliminowad się nie da,
niezależnie od technologii.
Wszystko to nie przeszkadza jednakże rozmaitym ludziom (w tym osobom cieszącym się autorytetem
społecznym) głosid informacji na temat rzekomo ogromnego zagrożenia związanego z energetyką
jądrową. Czasami zjawisko to jest potęgowane wskutek niewiedzy dziennikarzy, którzy są
wykorzystywani do rozpowszechniania nieprawdy. Nie tak dawno rzecznik polskiego oddziału
organizacji Greenpeace stwierdził, że „prawdopodobieostwo wystąpienia wielkiej awarii
w elektrowni jądrowej wynosi aż 16%”. Na szczęście częśd prasy odpowiednio skomentowała te
rewelacje jako „całkowicie wyssane z palca”*18+. Niestety jednak tego rodzaju opinie padają często
na podatny grunt – Greenpeace jako międzynarodowa organizacja pozarządowa cieszy się całkiem
sporym zaufaniem społecznym. Dla wielu ludzi taka opinia, mimo iż niepoparta żadną naukową
argumentacją, jest warta więcej niż zapewnienia inżynierów-atomistów, czy naukowców
z paostwowych ośrodków badawczych którzy przecież mogliby mied interes w ukrywaniu danych
o ryzyku.
Wnioski
Jedynym lekarstwem na społeczne obawy przed energetyką jądrową, a szczególnie przed potencjalnymi
skutkami awarii, wydaje się byd edukacja. Naukowcy i inżynierowie powinni dążyd do podniesienia poziomu
128
wiedzy społeczeostw na temat energetyki jądrowej i obniżenia nieuzasadnionego strachu. W pierwszej
kolejności należałoby jednak zadbad o zapewnienie odpowiedniej wiedzy dziennikarzom, którzy w dzisiejszych
czasach decydują o tym w jakim tonie jakaś informacja zostanie podana społeczeostwu, jak zostanie
skomentowana oraz kto zostanie do roli komentatora. Musimy niestety zmagad się z wypaczonym
„dziedzictwem” dwóch poważnych zdarzeo, które wskutek niewiedzy i 20 lat informacji niepełnych lub jawnie
błędnych urosły do rangi mitu, nieodpowiadającego rzeczywistości. Zagadnienie to jest tym trudniejsze, że
mówimy o procesach trudnych do zrozumienia dla statystycznego obywatela, a strach przed skutkami
promieniowania potęguje świadomośd, że nie można się przed tym niewidzialnym zagrożeniem uchronid.
Niemniej naukowcy i inżynierowie powinni zmierzyd się z tym problemem – im szybciej tym lepiej.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Bennett B., Carr Z., Repacholi M. (red.), Health Effects of the Chernobyl Accident and Special Health
Care Programmes. Report of the UN Chernobyl Forum Expert Group „Health”, Genewa 2006.
[http://www.who.int/ionizing_radiation/chernobyl/WHO%20Report%20on%20Chernobyl%20Health%
20Effects%20July%2006.pdf]
Chernobyl: The True Scale of the Accident: 20 Years Later a UN Report Provides Definitive Answers and
Ways to Repair Lives. Press Release, International Atomic Energy Agency, World Health Organization,
United Nations Development Programme, Londyn, Wiedeo, Waszyngton, Toronto, 5 września 2005.
Chernobyl’s Legacy: Health, Environmental and Socio-Economic Impacts and Recommendations to the
Governments of Belarus, the Russian Federation and Ukraine. The Chernobl Forum 2003-2005, Second
revised version.
Convention on Early Notification of a Nuclear Accident, OJ L 314, 30 listopada 2005, ss. 22-26.
http://ec.europa.eu/energy/nuclear/legislation/doc/l_31420051130en00220026_en.pdf
Description of the event at the Krško NPP on 4 June 2008. Slovenian Nuclear Safety Administration,
Ministry of the Environment and Spatial Planning, 26 czerwca 2008.
[http://www.ursjv.gov.si/en/splosno/cns/news/article/4597/5400/a63aecb869/]
Dobrzyoski L., Droste E., Trojanowski W., W 20-tą rocznicę awarii czarnobylskiej elektrowni jądrowej.
Opracowanie Działu Szkolenia i Doradztwa Instytutu Problemów Jądrowych. 4 maja 2006 r.
[http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/matedu/czernobyl20.htm]
Fact Sheet on the Accident at the Chernobyl Nuclear Power Plant. United States Nuclear Regulatory
Commission, grudzieo 2000.
[http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/fschernobyl.html]
Fact Sheet on the Three Mile Island Accident. United States Nuclear Regulatory Commission, 20 lutego
2007.
[http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html]
Fairlie I., Summer D., The Other Report on Chernobyl, Greens/EFA in the European Parliament, Berlin, ,
Bruksela, Kijów, 6 kwietnia 2006. [www.chernobylreport.org]
Gabaraev B.A., Gmyrko V.E. i in., Многопетлевые канальные энергетические реакторы (МКЭР) –
Концетрация опыта создания отечественных канальных реакторов. Międzynarodowa
Konferencja „Reaktory Kanałowe. Problemy i rozwiązania. FGUP NIKIET im. N.A. Dolleżala, 20
października 2004.
[http://www.nikiet.ru/rus/conf/19oct2004/presentations/session2/32_Finiakin_NIKIET.ppt]
Jezierski G., Energia jądrowa wczoraj i dziś. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.
Johnson S., Inside TMI: Minute By Minute, maj 2008. [http://kd4dcy.net/tmi]
Johnstown Flood National Memorial, Pennsylvania. Serwis internetowy National Park Service, US
Department of the Interior. [http://www.nps.gov/jofl]
LNPP Replacing Capacities. Serwis internetowy Leningradzkiej Elektrowni Jądrowej.
[http://www.lnpp.ru/new_lnpp/eng-htm/cont/proizv/perspek/dolgo/dolgo.htm]
N.A. Dollezhal Research and Development Institute of Power Engineering (NIKIET), Department of
Pressure-Tube Power Reactors
Pilgrims killed in Mecca stampede. BBC News, 5 marca 2001.
[http://news.bbc.co.uk/2/hi/middle_east/1203108.stm]
Power Reactor Information System. Baza danych Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej. Stan na
październik 2008. *http://www.iaea.org/programmes/a2/+
129
18. Rotkiewicz M., Elektrownie jądrowe. Atom w atom. [w:] Polityka nr 2 (2537) z dnia 14 stycznia 2006 r.,
s. 90.
Wydanie internetowe: [http://www.polityka.pl/archive/do/registry/secure/showArticle?id=3337177]
19. Stencel M., A Nuclear Nightmare in Pennsylvania [w:] Washingtonpost.com, 27 marca 1999 r.
[http://www.washingtonpost.com/wp-srv/national/longterm/tmi/tmi.htm]
20. Strupczewski A., Analiza Korzyści i zagrożeo związanych z różnymi źródłami energii elektrycznej. Polskie
Towarzystwo Nukleoniczne – Raport PTN 3/1999, Warszawa 1999.
21. Strupczewski A., Bezpieczeostwo elektrowni jądrowych. Polskie Towarzystwo Nukleoniczne, Świerk, 11
marca 2005. [http://www.ptbr.org.pl/Bezpieczenstwo%20elektrowni.pdf]
22. Thornburgh D., Some Reflections on Three Mile Island. The Clarke Center for Interdisciplinary Study of
Contemporary Issues, Dickinson College, wrzesieo 1999.
[http://www.threemileisland.org/downloads//309.pdf]
23. Three Mile Island Emergency, strona internetowa Dickinson College.
[http://www.threemileisland.org/index.html]
24. Wypadki drogowe w latach 1985-2007. Statystyka Komendy Głównej Policji, Warszawa 2008.
[http://www.policja.pl/portal/pol/8/160/Wypadki_drogowe_w_latach_1985__2007.html]
25. Zdarzenie w elektrowni Krsko – poziom 0 w skali INES. Aktualności w serwisie internetowym
Paostwowej Agencji Atomistyki, 5 czerwca 2008. [http://nowa.paa.gov.pl/?news=!20080606]
26. ГСП Чернобыльская АЭС – oficjalny serwis internetowy Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej
[http://new.chnpp.gov.ua]
130
WYKORZYSTANIE ALKOHOLU ETYLOWEGO JAKO PALIWA SILNIKOWEGO NA
PRZYKŁADZIE BRAZYLII I USA.
Paweł RÓŻACKI
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. Inż. Andrzej Teodorczyk, ITC PW
Streszczenie
Niniejsze opracowanie stanowi swego rodzaju raport dotyczący wykorzystania etanolu jako paliwa do
silników tłokowych w Brazylii, gdzie obecnie tego paliwa używa się powszechnie, oraz w USA, gdzie
z roku na rok przybywa stacji benzynowych, które mają w ofercie biopaliwo z etanolu. W Europie
taka tendencja się dopiero rozwija i bardzo możliwe, że w najbliższej przyszłości, etanol stanie tak
powszechny jak w USA. Przykład Ameryki zarówno północnej jak i południowej może jej posłużyd jako
wzór do odpowiedniego wykorzystania cukrów z roślin do stworzenia alternatywnego paliwa. Jest to
w szczególności ważne dziś, kiedy to cena benzyny jest wysoka, a tendencja jej wzrostu się wciąż
utrzymuje. Podobny problem miała kiedyś Brazylia…
Jest ona przykładem kraju, który będąc jednym z największych importerów ropy naftowej, stała się jej
znaczącym eksporterem i obecnie posiada rezerwy tego czarnego złota przekraczające 1 %
światowych rezerw. Jak to się stało?
USA, posiadające duże plantacje kukurydzy po kryzysie paliwowym w latach 70-tych, również
poszukiwało alternatywnych paliw dla benzyny. Nie działo się to jednak we wszystkich stanach. Prym
wiodła cały czas Kalifornia, na którą w tym opracowaniu niejednokrotnie zwracałem szczególną
uwagę.
Opracowanie to również zawiera omówienie technicznych zmian jakie muszą byd wykonane, aby
przekształcid normalny samochód w taki, który jest przystosowany do spalania dowolnej mieszanki
benzyny z etanolem. Nie są to jednak dane bardzo szczegółowe, ponieważ dostęp do nich jest
zamknięty dla pracowników koncernów motoryzacyjnych.
Co to jest alkohol etylowy?
Cechy i właściwości alkoholu etylowego
Alkohol etylowy, którego synonimem jest etanol, wyraża się wzorem C2H5OH. Do podstawowych
danych tego związku chemicznego należą:




Temperatura topnienia wynosi 158,8 K (-114,3oC)
temperatura wrzenia wynosi 351,5K (78,4oC),
Gęstośd w warunkach normalnych wynosi 0.789 g/cm³,
etanol jest bezbarwną cieczą o wyższej niż benzyna
lepkości i wysokiej palności.
W temperaturze pokojowej jest to bezbarwna, palna ciecz
o charakterystycznej woni i piekącym smaku. Miesza się z wodą w dowolnym stosunku i jako taki jest
stosowany jako rozpuszczalnik organiczny. Istnieje również możliwośd rozpuszczenia z benzyną w
131
dowolnym stosunku, ale przy niskiej zawartości alkoholu ilośd wody nie powinna byd za duża, bo
wtedy substancja taka przestaje byd jednorodna.
Mieszanina 95,6% etanolu z wodą jest popularnie nazywana spirytusem. Jest to mieszanina
azeotropowa i dlatego nie można uzyskad przez prostą destylację etanolu 100%. Etanol 100% jest
nazywany alkoholem absolutnym, a jego otrzymanie wymaga jego ekstrakcji ze spirytusu przy
pomocy eteru dietylowego lub benzenu i ponownej destylacji.Częściej stosowana jest destylacja
azeotropowa w układzie: etanol-woda-benzen w wyniku dodania niewielkiej ilości benzenu
i oddestylowaniu tworzących się azeotropów. Najpierw wrze potrójny azeotrop: benzen-etanol-woda
, później azeotrop: etanol-benzen na koocu zaś (po wydestylowaniu benzenu w układzie benzenetanol) destyluje czysty bezwodny etanol. Możliwe jest też związanie wody z 95,6% etanolu przez
dodanie tlenku wapnia lub bezwodnego siarczanu(VI) magnezu lub siarczanu(VI) sodu. Bezwodny
etanol jest higroskopijny i pochłaniając wodę z powietrza po pewnym czasie przechodzi w 95,6%
etanol. Należy więc przechowywad go w pojemnikach szczelnie zamkniętych przed dostępem
powietrza.
Produkcja etanolu
Etanol może zostad zrobiony
między innymi w wyniku
fermentacji następujących
składników:








Trzcina cukrowa,
Kukurydza,
Odpowiednie rodzaje traw
(switchgrass),
Bagassa,
Buraki cukrowe,
Sorgo,
Ziemniaki,
I wiele innych.
Najpowszechniejsze ( jeśli chodzi o produkcje paliwa) są jednak pierwsze trzy rośliny. Aby otrzymad
etanol należy powyższe rośliny poddad następującym procesom:




132
Fermentacja cukrów,
Destylacja,
Dehydratacja,
Denaturyzacja,
Etanol- paliwo silnikowe
Etanol, który obecnie używany jest przede wszystkim jako paliwo samochodowe, może byd również
wykorzystane w rolnictwie do napędu traktorów lub innych urządzeo napędzanych silnikami
spalinowymi lub nawet i w lotnictwie. Spalanie etanolu ( E100 ) w silniku jest około 34% większe
w porównaniu do benzyny (ponieważ energia na jednostkę objętości jest około 34% mniejsza).
Jednakże uzyskiwany większy spręż, pozwala silnikowi spalającemu etanol, uzyskanie większej mocy
i momentu obrotowego.
Mieszaniny etanolu
Aby uniknąd problemów ze spalaniem paliwa, musi ono byd jednorodne i dobrze wymieszane. Przy
niskich zawartościach etanolu w paliwie musi byd zachowana odpowiednia proporcja między
etanolem a benzyną oraz ilośd wody powinna mieścid się w danym przedziale np. dla E30 może byd
do 2% wody- w przeciwnym razie fazy w paliwie nie będą jednorodne. Jeżeli będzie więcej niż 71 %
etanolu, nie ma już różnicy jaka będzie proporcja benzyny i wody, bo nie odseparuje się i tak druga
faza w tym paliwie. Jednakże oczywistym jest, że wzrost ilości wody pogorszy ekonomikę jazdy. Ilośd
wody w mieszance jest również zależna od temperatury- im niższa temperatura tym górna granica
dopuszczalnej zawartości wody będzie maled. W wielu krajach samochody są przystosowane do jazdy
na różnej zawartości etanolu tzw. Flex Fuel Vehicle np. w Brazylii samochody powinny byd
przystosowane do paliwa z 25% dodatkiem etanolu, w USA w zależności od stanu- do 10% ( więcej
informacji na ten temat znajdzie się w dalszej części tego opracowania).
Dwupaliwowe samochody FFV
W dobie szerzącej się komputeryzacji i coraz to większych możliwości i osiągów
obliczeniowych, możliwe stało się konstruowanie samochodów spalających więcej niż jedno paliwo
z baku tzw. flexible fuel vehicle w skrócie FFV. Sterowanie spalaniem w cylindrach tych samochodów
jest skomplikowaną operacją, wymagającą szybkich obliczeo dostosowujących jakośd paliwa do
momentu spalania, otwarcia zaworów itp. W chwili obecnej (2008) na świecie jest blisko 13 milionów
takich samochodów- z czego 6,8 mln w USA, 6 mln w Brazylii i 116 tys. w Szwecji.
133
Samochody FFV przystosowane są do jazdy na etanolu, benzynie i tzw. gazoholu
wymieszanych w tym samym zbiorniku paliwa. Pomimo, że istnieje technologia silników
przystosowanych do jazdy na czystym etanolu, to i tak w USA i Europie pojazdy zoptymalizowane są
do jazdy z co najwyżej E85. Wynika to z problemu powstałego przy niskich temperaturach w czasie
zim- wtedy emisje spalin są znacznie wyższe, przekraczające dopuszczalne normy. Dlatego też w USA
redukuje się zawartośd etanolu w paliwie do E70, a w Szwecji do E75. Taki problem nie pojawia się
w Brazylii, gdzie klimat jest znacznie cieplejszy i dzięki temu można spokojnie stosowad paliwa E100.
Czysta benzyna w zasadzie jest już nie sprzedawana. Aktualnie samochody FFV są przystosowane do
paliwa między E20-E25 a E100.
Historia FFV
Pierwszym samochodem FFV sprzedawanym na rynku był Ford model T, produkowany od 1908 aż do
1927 roku. Był to samochód wyposażony w gaźnik i miał możliwośd spalania benzyny, etanolu lub
kombinacji obydwu. Henry Ford kontynuował prace nad etanolem nawet w czasie prohibicji.
Jednakże, taoszy olej przezwyciężył benzynę aż do kryzysu w 1973 roku. Ten kryzys spowodował
większe zainteresowanie alternatywnymi paliwami, takimi jak etanol, czy metanol, gaz ziemny CNG
lub LPG, oraz wodór.
Od połowy lat 70-tych z powodu kryzysu olejowego, brazylijski rząd wprowadził narodowy program
proalkoholowy- Pró-Álcool, aby uniezależnid się od paliw takich jak benzyna i wykorzystad etanol
wytwarzany z trzciny cukrowej. Od tego czasu zaczęto stosowad mieszaniny alkoholu z benzyną i dziś
powszechnie używa się benzyny z 25 % dodatkiem etanolu ( tzw.gasohol lub E25). W lipcu 1979 roku
w odpowiedzi na drugi kryzys olejowy, został skonstruowany pierwszy samochód na czysty etanolFiat 147. Brazylijski rząd wprowadził wtedy trzy podstawowe postulaty: gwarancja zakupu etanolu
przez paostwową firmę Petrobras, niskie podatki dla firm zajmujących się produkcja etanolu,
odpowiednia cena benzyny i etanolu. Ten program spowodował, że do kooca lat 80-tych w Brazylii
jeździło blisko 9 mln samochodów spalających czysty etanol. Później ta liczba spadła z powodu
wzrostu cen za trzcinę cukrową. Kolejna fala przypływu tych samochodów nadeszła w maju 2003
roku, kiedy to koncern Volkswagen zaczął produkcję pierwszego samochodu FFV, który był w stanie
spalad każdą mieszankę benzyny z etanolem- Gol 1.6 Total Flex. Kilka miesięcy później inne koncerny
takie jak Chevrolet, Fiat, Ford, Peugeot, Renault, Honda, Mitsubishi, Toyota i Citroen zaczęły również
wprowadzad na rynek samochody FFV. Popularnośd tego typu samochodów przyrastała tak szybko,
że od 40000 samochodów w 2003 przybyło do 2007 roku aż do 1,7 mln.
W USA rząd również rozpoczął działania związane z alternatywnymi paliwami po kryzysie olejowym
i później do polepszenia tanich połączeo lotniczych. Bardzo popularne były płynne paliwa, nie tylko
z powodu większej energii zgromadzonej w danej jednostce objętości, ale również dlatego, że nie
wymagało to odpowiedniej infrastruktury, technologii napełniania zbiornika tym paliwem. Kalifornia
rozpoczęła badania nad wykorzystaniem alternatywnego paliwa samochodowego- metanolu.
Koncern samochodowy Ford w 1981 dostarczył 40 Escortów mogących spalad paliwo M100 ( czysty
metanol ) do Los Angeles, ale problemem były tylko cztery istniejące stacje paliwowe, gdzie można
było zatankowad. Największym wyzwaniem w rozwoju samochodów na alkohol było zastosowanie
odpowiednich materiałów przystosowanych do większej reakcyjności chemicznej paliwa. Metanol był
nawet większym wyzwaniem niż etanol, ale rozwiązania, które się sprawdziły w Brazylii były w miarę
możliwości przenoszone na metanol. Sukces tego eksperymentu doprowadził do tego, że zamawiano
coraz to więcej tych samochodów. W 1983 roku Ford zbudował 582 M100 samochodów, z czego 501
134
poszło do Kalifornii, a pozostałe do Nowej Zelandii, Szwecji, Norwegii, Wielkiej Brytanii, czy też do
Kanady. W odpowiedzi na brak infrastruktury związanej z tankowaniem samochodów, Ford rozpoczął
badania na FFV w 1982 roku i między 1985 a 1992 705 prototypów FFV zostało zbudowanych
i dostarczonych do Kalifornii i Kanady- wśród nich znalazł się Escort 1.6L, Taurus 3.0L, Crown Victoria
5.0L. Te samochody mogły funkcjonowad na benzynie lub metanolu. Odpowiednie uchwały
ustawodawcze zachęcały przemysł motoryzacyjny do produkcji samochodów FFV. W 1996 roku Ford
Taurus został przystosowany do jazdy na mieszance etanolu lub metanolu z benzyną. Ta wersja
samochodu weszła na rynek komercyjny jako pierwszy model E85 FFV.
Spalanie
Wszystkie paliwa silnikowe cechują się odpowiednią ekonomiką liczoną np w USA jako ilośd
przejechanych mil przy wykorzystaniu galonu paliwa- w skrócie MPG. Etanol posiada około 34 %
mniejszą energię na jednostkę objętości niż benzyna, dlatego też jego MPG będzie o 34% mniejsze.
Dla paliwa E10, czyli zawartości 10% etanolu i 90 % benzyny, MPG jest około 3% słabszy niż w
przypadku benzyny. Można te wartośd obniżyd do około 1-2%, gdy dodamy odpowiednie dotleniające
dodatki. Jednakże dla paliwa E85 efekt ten jest już znacząco zauważalny. Stosowanie tego paliwa
będzie wymuszało na nas częstsze postoje na stacji. W jakim stopniu MPG się pogarsza silnie zależy
od samochodu i technologii w jakiej został on zrobiony. Więcej na ten temat będzie można się
dowiedzied w dalszej części pracy.
Jeśli chodzi o koszty paliw (dla stanu z lipca 2007) sytuacja w USA wyglądała następująco; za E85
musieliśmy zapłacid 2,62 $/Gallon, a za benzynę 3,03. W Brazylii etanolu z trzciny cukrowej (100%
etanolu) kosztował 3,88 $ przeciwko 4,91$ za E25.
Wykorzystanie etanolu w brazylijskim sektorze paliwowym
Dwudziesto dziewięcioletni program wykorzystania etanolu jako paliwa silnikowego w Brazylii,
został wprowadzony dzięki wykorzystaniu taniej trzciny cukrowej- przede wszystkim w formie
bagassy. Dzięki temu dostępna jest ~ 22 %-25% mieszanka etanolu zużywana w całym kraju oraz 100
% mieszanka dla ponad sześciu milionów samochodów. W ramach brazylijskiego programu
wykorzystania etanolu zatrudniono niemal 700.000 pracowników w 2003, i w latach 1975 – 2002
znacząco zmniejszono import ropy naftowej. Brazylijski rząd położył nacisk na trzy następujące sfery:
gwarancja zakupu etanolu przez paostwową firmę Petrobras, niskie podatki dla firm zajmujących się
produkcja etanolu, odpowiednia cena benzyny i etanolu
W ostatnich latach, brazylijska nieopodatkowana cena detaliczna wodnego etanolu była niższa niż
benzyny. Musi ona byd niższa o przynajmniej 30%, ponieważ wtedy opłaca się stosowad paliwo E100.
Dlatego też rząd brazylijski stara się tak sterowad podatkami, aby zachęcad konsumentów do
wlewania do swojego baku etanolu bez dodatków benzyny.
Krajowy Program pro-alkoholowy
Z powodu kryzysu na rynku paliwowym w roku 1973, brazylijski rząd pod przewodnictwem Ernesto
Geisel, zainicjował w 1975 pro-alkoholowy program (Pró-Álcool.)
Program Pró-Álcool był narodowym programem finansowanym przez rząd w celu wycofania
paliw opartych o paliwa kopalne ( takie jak benzyna ) i w miarę możliwości zastąpienie ich etanolem.
Początkowo tworzono mieszaniny bezwodnego alkoholu z benzyną. Od tego czasu mieszanina taka
jest dostępna na stacjach i w chwili obecnej udział etanolu jest 24-25% a benzyny 75-76% (gazohol).
135
Program ten zredukował liczbę samochodów spalających benzynę o 10 milionów, dzięki czemu
Brazylia nie była tak uzależniona od dostaw drogiego oleju.
Decyzja dotycząca produkcji etanolu ze sfermentowanej trzciny cukrowej bazowała na niskiej cenie
trzciny. Inne źródła fermentacji węglowodanów były testowane np. maniok. Sprzedaż samochodów
spalających tylko alkohol od późnych latach osiemdziesiątych do początku lat dziewięddziesiątych
spadła w wyniku niedoboru alkoholu i niskiej ceny gazu na rynku.
Program w statystyce
Większośd samochodów w Brazylii jeździ na alkoholu lub gazoholu; ostatnio dwupaliwowe silniki
("flex-fuels") na etanol i mieszaninę etanolu z gazoholem są coraz popularniejsze i podbijają
brazylijski rynek samochodowy. W 2005 roku wykorzystanie w Brazylii etanolu jako paliwo
samochodowego- jako czysty etanol lub gazohol - zastępuje benzynę w ilości około 27,000 metrów
sześciennych dziennie, albo około 40 % paliwa, które byłoby potrzebne do samodzielnego spalania
czystej benzyny. Jednakże efekt programu paliwowego nie był tak duży jak zamierzano( w 2005
dziennie zużywano 2 000 000 baryłek oleju i zaledwie 280 000 baryłek etanolu) . Pomimo że Brazylia
jest jednym z głównych producentów ropy naftowej na świecie ( eksportuje blisko 19 000 m³ benzyny
dziennie ) to i tak musi importowad paliwo z powodu brakujących produktów rafinacji ropy- przede
wszystkim oleju napędowego ( który nie może byd zastąpiony etanolem).
Zgodnie ze statystyką zrobioną przez brazylijski rząd w 2006 wyprodukowano 17 471 miliardów litrów
etanolu
i wciąż jest przewidywany wzrost produkcji tego paliwa.
Wpływ na środowisko
W latach osiemdziesiątych odnotowano znaczną poprawę jakości powietrza z powodu użycia na
szeroką skalę etanolu. Natomiast w latach dziewięddziesiątych zauważono spadek jakości powietrza,
przede wszystkim z powodu częściowego powrotu do benzyny, bo cena trzciny cukrowej wzrosła
wtedy znacząco.
Jednakże program paliwowy nie był idealny i powodował mnóstwo społecznych i środowiskowych
problemów. Pola trzciny cukrowej tradycyjnie były spalane tuż przed zbiorami, aby usunąd liście,
pozbyd się szkodliwych wężów i użyźnid pola popiołem. Dym produkowany każdego sezonu emituje
tyle dwutlenku węgla ile by wytwarzała pozostawiona, gnijąca trzcina cukrowa. Należy również
nadmienid, że owy dym negatywnie wpływa rozwój trzciny cukrowej i powoduje, że niebo staje się
szare. Wiatr przenosi zanieczyszczone powietrze w stronę miast i powoduje wśród ludzi i zwierząt
poważne problemy z układem oddechowym. Obecnie brazylijskie prawo zabroniło spalania pól
trzciny i nakazało zastąpienie przy zbiorach ludzi maszynami. To nie tylko rozwiązuje problem emisji
szkodliwych substancji, ale również powoduje wzrost efektywności pracy skuteczniejszymi od ludzi
maszynami.
Społeczne kontrowersje
Trzcina cukrowa w istotny sposób wpływa na życie najbiedniejszych ludzi w Brazylii. Przede
wszystkim dzięki wielu miejscom pracy, które pozwalają przeżyd najniższej klasie społecznej.
Jednak automatyka wytwarzania trzciny cukrowej jest coraz bardziej zaawansowana i wymaga coraz
to mniejszej liczby pracowników ( np. w jednym z najbogatszych stanów São Paulo). W wyniku tego
koszty związane z płacami dla pracowników maleją i inne stany mogą to wykorzystad przy analizie
136
ekonomicznej (czy bardziej będzie się opłacało zainwestowad w maszyny, czy też zatrudniad
pracowników).
Powstają pytania, czy można zamienid całkowicie benzynę i ropę naftową, trzciną cukrową. Rodzi to
jednak pewne nieuzasadnione obawy, że w wyniku upraw powyższego surowca marnuje się teren,
który mógłby byd wykorzystany na inne uprawy powodując zmniejszenie głodu. Jednakże w chwili
obecnej istnieje około 45000 km2 upraw trzciny cukrowej, co stanowi około połowy procenta
całkowitej powierzchni Brazylii (8,5 mln km²). Jednak faktem jest to, że ludziom przestaje się opłacad
wytwarzad żywnośd, bo z upraw trzciny cukrowej mogą znacznie więcej zarobid.
Niektórzy komentatorzy, tacy jak George Monbiot uważają, że uprawy trzciny będą przeznaczane na
paliwo dla bogaczy, a biedni będą głodowad i biopaliwa będą powodowad poważne skutki
w środowisku.
Eksport brazylijskiego etanolu
Można wymienid kilka podstawowych i najważniejszych odbiorców Brazylii:




19 grudnia 2005 paostwowa spółka Petrobras ogłosiła podpisanie kontraktu z Japonią na
dostawy etanolu z Brazylii.
Eksport etanolu z Brazylii do USA w 2006 przyniósł przychodu rzędu miliarda $, co
oznacza wzrost o 1020% w porównaniu do 2005 ( około 98$ obrotu).
USA, potencjalnie największy importer biopaliw z Brazylii, nakłada coraz to większe
restrykcje na jakoś branego paliwa, aby doprowadzid do stopniowej zmiany brazylijskich
upraw z trzciny cukrowej lub soi na bardziej efektywne wykorzystanie kukurydzy z USA.
Szwecja również jest dużym importerem etanolu z Brazylii, przede wszystkim z powodu
dużego udziału (~5% ) etanolu w zużyciu paliw.
FFV w Brazylii
Kilka lat od początku kryzysu olejowego w latach 79-tych, Brazylia zaczęła sprzedawad etanol jako
paliwo do samochodów przystosowanych do E100. Samochód taki różni się od zwykłego samochodu
spalającego benzynę następującymi cechami:

dostosowaniem charakterystyki silnika do spalania etanolu poprzez ustalenie odpowiedniego
sprężu, ilości paliwa wprowadzanego do cylindra,
 zamianą materiałów, które mogą korodowad w kontakcie z etanolem,
 odpowiednim systemem do zimnego startu poprzez zastosowanie z oddzielnego małego
zbiornika benzyny.
Jednakże rozwój samochodów typu FFV przypada przede wszystkim na koniec lat 90-tych. Wtedy to
brazylijskie samochody tego typu mogły byd tankowane do jednego zbiornika. Sonda Lambda,
używana do pomiaru efektywności spalania w typowych silnikach jest również stosowana jako ECU
(Engine Control Unit), czyli jednostka do kontroli pracy silnika używana do analizy typu i jakości
spalanego paliwa. To zadanie jest osiągnięte przez zastosowanie odpowiedniego software’u
wynalezionego przez brazylijskich konstruktorów i nazywa się on Software Fuel Sensor ( SFS ).
Technologia została odkryta przez firmę Bosch w 1994 roku, ale późnie była ona udoskonalana
i powszechnie stosowana od 2003 roku. Także kontrolka reguluje ilośd wtryskiwanego paliwa
i moment zapłonu: kiedy używana jest benzyna strumieo paliwa musi byd zmniejszony
i również należy uniknąd możliwości samozapłonu, ponieważ silniki spalające etanol mają spręż rzędu
12:1, co jest za wysoką wartością dla benzyny.
137
Brazylijskie samochody FFV mogą jeździd na dowolnej kombinacji etanolu i benzyny od 20-25%
domieszki (co jest nakazane przez paostwo ) do czystego etanolu E100 lub czystej benzyny.
Konsument ma do wyboru, które paliwo wleje do swojego samochodu. Zależne to jest od ceny paliw
na stacji. Trzeba mied jednak na uwadze, że ilośd km przejechanych na etanolu jest mniejsza od
benzyny. Media brazylijskie zachęcają do jeżdżenia na czystym etanolu, gdy jego cena jest
o przynajmniej 30% niższa od ceny benzyny. Nie zawsze tak jest ponieważ ceny są zależne od zbiorów
trzciny cukrowej w danym roku, także gdy jest ona za wysoka wtedy należy mieszad oba paliwa.
W maju 2003 roku koncern Volkswagen zbudował pierwszy FFV samochód- Gol 1.6 Total Flex. Dwa
miesiące później Chevrolet wprowadził Corsę 1,8 Flexpower. Do roku 2008 popularnośd samochód
FFV wymusiła na światowych koncernach nowe konstrukcje. Samochody FFV osiągnęły 22% sprzedaż
w roku 2004, 73% w 2005 i osiągnęła 87,6% w lipcu 2008. Do września 2008 roku sprzedano blisko 6
mln nowych samochodów FFV. Sukces tego typu samochodów i wprowadzenie nakazu używania
domieszkowanej benzyny w przynajmniej 25% etanolem spowodowało, że konsumpcja etanolu jest
o 50% wyższa od benzyny, co dla porównania w 2006 wynosiło 18.
Wiadomości wstępne
Obecne zainteresowanie etanolem w Stanach Zjednoczonych opiera się na bio-etanolu, powstałym
z kukurydzy. Powstaje wiele dyskusji, debat na temat zastąpienia paliw płynnych właśnie etanolem.
Odbywa się ona na różnych płaszczyznach, również tych moralnych, etycznych, które wynikają
z zastąpienia pól uprawnych służących do wytwarzania żywności, polami do produkcji paliwa. Czy w
dobie tak dużego światowego głodu, można sobie pozwolid na ograniczenie jej produkcji kosztem
paliwa?
Etanol w USA
W roku 1826 naukowiec Samuel Morey przeprowadził serię badao dotyczących spalania etanolu
z odpowiednimi domieszkami w silniku spalinowym. W tamtych czasach odkrycie to było przeoczone
przede wszystkim z powodu dużego sukcesu silników parowych. Tak jak etanol znany był od lat, to
jako paliwo zwrócono na niego uwagę dopiero po eksperymentach Nicholas’a Otto’a w roku 1860,
który to przeprowadzał badania nad spalaniem paliwa w silnikach.
W 1859 w Pensylwanii został odkryty olej, który zaspokajał potrzeby USA. Do czasu odkrycia ropy
naftowej paliwo to było bardzo popularne. Było ono mieszaniną alkoholu i terpentyny zwaną
„camphene” o wzorze C10H16.
Benzyna zawierająca do 10% etanolu stawała się coraz popularniejsza od lat siedemdziesiątych. W
2006 roku około 50% zużywanej benzyny w USA, a nawet i 85% na Hawajach, zawierała domieszki
etanolu.
Wykorzystanie etanolu w kalifornijskim sektorze paliwowym
Obecne trendy
Do roku 2007 produkcja etanolu odbywała się w 115 wytwórniach pracujących w 19 stanach. Blisko 7
miliardów galonów wyprodukowanych w tym roku stanowi 38% procentowy wzrost w porównaniu
do roku poprzedniego. Wiele wytwórni jest rozwijanych i budowanych, aby rozpocząd swoją pracę
w roku 2008 i 2009, żeby spełnid zapotrzebowanie na blisko 12 miliardów galonów.
138
Produkcja etanolu daje możliwośd pracy wielu ludziom, dzięki czemu dochodzi do znacznego wzrostu
PKB . Wiele osób, firm decyduje się na swój rozwój w tej dziedzinie tworząc odpowiednie farmy,
zakłady przerabiania kukurydzy w etanol. Warto również podkreślid aktywną rolę władz USA
w szczególności poprzez zachęty podatkowe…
Stosunek władz do etanolu
Na specjalnej Konferencji 31 stycznia 2006 prezydent USA George W. Bush w następujący sposób
odniósł się do wykorzystania alternatywnego paliwa:”(…) Sponsorujemy również badania produkcji
etanolu nie tylko z kukurydzy, ale również z wiórów, łodyg czy odpowiednich rodzajów traw. Naszym
celem jest produkcja tego nowego typu etanolu praktycznie i fachowo przez najbliższe sześd lat.”
Departament ds. energii wypuścił 7. lipca 2006 roku raport z nowymi aspektami dotyczącym rozwoju
etanolu jako alternatywy dla benzyny. Dwustustronicowa mapa naukowa powołuje się na obecne
badania w biotechnologii, które zachęcają do oszczędnej metody pozyskiwania etanolu z celulozy lub
niejadalnych włókien. Raport ten wskazuje szczegółowy plan badao rozwoju nowych technologii
transformacji etanolu- odnawialnego, ekologicznego alternatywnego w stosunku do benzyny paliwa.
Departament ds. energii inwestuje olbrzymie pieniądze w badania nad enzymami, termochemią,
kwaśną lub hybrydową, hydrolizą i wieloma innymi gałęziami w celu osiągnięcia sukcesów
w odkryciu efektownej i oszczędnej metody konwersji celulozy w etanol.
Prezydent Bush zatwierdzając budżet na 2007 przeznaczył 150 mln dolarów na badania konwersji
celulozy, czyli ponad dwukrotnie więcej niż w roku 2006.
Ponadto podatnicy i konsumenci wzięli na swoje ramiona częśd kosztów związanych alternatywnym
paliwem: każdy galon etanolu jest dotowany 51 centami federalnego podatku. Te dotacje, w formie
odpowiednich programów, kosztują obywateli blisko 2 miliardy rocznie.
FFV w USA
E85 samochody typu FFVs w latach 1998-2008*
Rok
Całkowita
E85 FFVs
produkcja
E85 FFVs
wzrost
1998
261,165
171,422
171,422
1999
426,724
357,450
528,872
2000
600,832
528,315
1,057,187
2001
581,774
533,458
1,590,645
2002
834,976
793,575
2,384,220
2003
859,261
837,357
3,221,577
2004
674,678
670,794
3,892,371
liczba
E85 FFVs
w użyciu
139
W roku 2007 było blisko 6 mln
2005
735,693 735,693 4,628,064
samochodów FFV mogących spalad benzynę E85.
2006
866,194 866,194 5,494,258
Dwa lata wcześniej było ich o milion mniej.
Amerykaoskie samochody tego typu są
2007
974,095 974,095 6,468,353
przystosowane do spalania benzyny z domieszką
od 0% do 85% etanolu. W porównaniu do winter-2008* 324,698* 324,698* 6,793,051
Brazylii górną granicą nie jest etanol E100
z powodu zimnego startu. Poza tym gdy Uwaga: * Dane do lutego 2008.
temperatura spada poniżej 12 stopni mrozu Źródło: National Renewable Energy Laboratory[1]
zimą, to ta domieszka spada do E70.
Samochód pocztowy jadący na E85 i przy okazji promujący FFV.
Paliwo E85 staje coraz powszechniejsze w USA, głównie w środkowo-zachodniej części, gdzie są
plantacje kukurydzy. Trzeba też podkreślid, że rosnącej popularności sprzyja różnorodnośd FFV, do
których należą sedany, vany, SUVy i również pick-up. Poza tym nie ma różnicy cenowej między takim
samochodem a zwykłym na benzynę. Problemem jest wciąż nie tak duża liczba stacji, ale to się
z miesiąca na miesiąc zmienia. Do lipca 2008 było 1706 takich stacji, z czego 353 w Minnesocie, 181
w Illinois i 114 w Wiscaonsin. Problemem z rozwojem tego typu stacji jest zbiornik na etanol, który
musi byd wykonany z trochę innego materiału, niepodatnego na reakcyjnośd alkoholu.
Wnioski
Trzcina cukrowa z Brazylii jest znacznie bardziej efektywna niż kukurydza z USA. Brazylijskie
destylatory są w stanie produkowad etanol za 22 centy za litr, a amerykaoskie na bazie kukurydzy za
30 centów. Trzcina cukrowa wymaga jednak odpowiedniego, tropikalnego klimatu, w którym roczne
opady powinny byd na poziomie 600 mm. Jako ciekawostkę można zauważyd dużą rolę trzciny
cukrowej w procesie fotosyntezy, bo blisko 2% energii słonecznej jest przetwarzana w produkcję
biomasy. Etanol jest produkowany z drożdży w procesie fermentacji cukru powstałego w trzcinie.
Produkcję wyżej wspomnianej rośliny można również zauważyd w USA w takich stanach jak Floryda,
Luizjana, Hawaje i Texas. W głównych regionach( np. Hawajach) produkcja trzciny cukrowej wynosi
około 20 kg na każdy m2.
Kukurydza z USA daje droższy o blisko 30% etanol niż brazylijska, ponieważ musi byd ona najpierw
przekształcona w cukier a dopiero potem można destylowad ją w alkohol. Mimo tego USA nie
importuje brazylijskiego etanolu z powodu ścisłych barier handlowych ( odpowiednich taryf )
związanych z 54 centowym podatkiem za każdy galon etanolu.
140
USA i Brazylia prowadzą prym w produkcji etanolu na świecie. 9 marca 2007 prezydenci tych Paostw
( Georg Bush i Luiz Inacio Lula da Silva ) zdecydowali o ujawnieniu własnych technologii związanych
z otrzymywaniem etanolu.
Trzeba jednak zauważyd i podkreślid jeden bardzo ważny aspekt porównując trzcinę cukrową
z kukurydzą- mianowicie równowagę energii. Obecna technologia otrzymywania etanolu z kukurydzy
wymaga dostarczenia jednostkowo 1 Joula energii pobranej z innych paliw lub po prostu przy
wykorzystaniu prądu elektrycznego. W efekcie jednak otrzymujemy około 0,7 Joula energii
w etanolu( przy wykorzystaniu powyższego założenia). Powstają różne koncepcje wykorzystania
źródeł odnawialnych do tej produkcji, ale i tak musimy włożyd więcej energii niż sami otrzymamy.
Natomiast z trzciny cukrowej możemy otrzymad znacznie więcej energii, bo około 8 Jouli przy
wykorzystaniu 1 Joula na produkcj.
Bibliografia
1. National Renewable Energy Laboratory USDoE (2007-09-17). "Data, Analysis and Trends:
Light Duty E85 FFVs in Use (1998-2008)". Alternative Fuels and Advanced Vehicles Data
Center. Retrieved on 2008-08-19. Trend of total FFVs in use from 1998-2008, based on FFV
production rates and life expectancy (Excel file)
2. "Veículos flex somam 6 milhões e alcançam 23% da frota" (in Portuguese). Folha Online
(2008-08-04). Retrieved on 2008-08-12.
3. Eric Kroh (August 2008). "FFVs flourish in Sweden". Ethanol Producer Magazine. Retrieved on
2008-08-22
4. Clean Cities (June 2008). "Flexible Fuel Vehicles: Providing a Renewable Fuel Choice (Fact
Sheet)" (PDF). U.S. Department of Energy. Retrieved on 2008-08-24.
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol
6. Goettemoeller, Jeffrey; Adrian Goettemoeller (2007), Sustainable Ethanol: Biofuels,
Biorefineries, Cellulosic Biomass, Flex-Fuel Vehicles, and Sustainable Farming for Energy
Independence, Praire Oak Publishing, Maryville, Missouri, pp. 56-61, ISBN 978-0-9786293-0-4
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel
8. http://www.fueleconomy.gov EPA Mileage
9. http://en.wikipedia.org/wiki/Corn_ethanol
10. GovTrack: S. 2817 [109th]: Text of Legislation
11. http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel_in_Brazil
12. http://www.e85fuel.com/news/090407_2008_ffv_release/090407_2008_ffv_release.htm
13. http://pl.wikipedia.org/wiki/Alkohol_etylowy
14. http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel_in_the_United_States
15. "2007 Brazilian Energy Balance: Executive Summary" (in English). Ministério de Minas e
Energia do Brasil. Retrieved on 2008-05-10. Table 2. Report is based in 2006 data
16. http://en.wikipedia.org/wiki/Common_ethanol_fuel_mixtures
17. http://en.wikipedia.org/wiki/Flexible-fuel_vehicle
141
ANALIZA TYPOWYCH TURBIN UPUSTOWO-PRZECIWPRĘŻNYCH STOSOWANYCH W
CIEPŁOWNICTWIE
Kacper SAMUL
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Grzegorz Niewioski, ITC PW
Streszczenie
Niniejszy referat zawiera informacje dotyczące turbin jak i obiegów stosowanych w ciepłownictwie.
Pierwszy rozdział stanowi informacje o podziale turbin ze względu na zastosowanie pary wylotowej.
Drugi rozdział opisuje rodzaje elektrociepłowni, podstawowe obiegi ciepłownicze wraz z niektórymi
ich elementami.
Podział turbin ze względu na zastosowanie pary wylotowej
Ze względu na parametry pary wylotowej turbiny dzielimy na: kondensacyjne, przeciwprężne,
upustowo-kondensacyjne i upustowo-przeciwprężne.
Turbiny kondensacyjne charakteryzują się maksymalną mocą mechaniczną otrzymywaną na wale
z energii cieplnej zawartej w parze. Realizuje się to przez uzyskanie jak największego spadku entalpii.
Moc mechaniczna przekazywana jest przez wał do generatora połączonego poprzez sprzęgło z
turbiną, który następnie zamienia ją na energię elektryczną. Para rozpręża się do takiej próżni jaka
panuje w skraplaczu. Próżnia ta zależy od temperatury wody chłodzącej w skraplaczu. Turbiny
kondensacyjne rzadko pracują jako ciepłownicze, co związane jest ze zbyt niskimi parametrami
(temperatura i ciśnienie) pary wylotowej.
Rysunek: Kadłub średnioprężny turbiny kondensacyjnej 18K360
Turbiny przeciwprężne są to typowe turbiny stosowane w ciepłownictwie. Ich głównym zadaniem
jest obniżenie parametrów pary, wytworzonej w kotle, do potrzeb technologicznych. Odebrana
nadwyżka energii cieplnej, zamieniana jest na energię mechaniczną, która przetwarzana jest w prąd
elektryczny. Ciepło odbierane jest z pary wylotowej poprzez wymiennik ciepła zainstalowany za
turbiną, albo jest kierowana bezpośrednio do odbiorcy. Niepełne rozprężenie czynnika roboczego
zapewnia prostszą budowę niż w turbinie kondensacyjnej.
142
Rysunek: Przekrój turbiny upustowo-przeciwprężnej typu 9UP25
Konstrukcja turbiny upustowo-kondensacyjnej umożliwia odbieranie pary z upustów do celów
grzewczych, technologicznych, oraz do zasilania regeneracyjnych podgrzewaczy wody. Para
kierowana jest z wylotu do skraplacza identycznie jak w przypadku turbin kondensacyjnych.
W turbinach upustowo-przeciwprężnych para pobierana z upustów dostarczana jest do odbiorców
technologicznych albo do wymienników regeneracyjnych, a para z wylotu turbiny oddaje ciepło
poprzez wymiennik ciepła, lub kierowana jest do celów technologicznych. Ciśnienie pary pobieranej
z turbiny jest uzależnione od potrzeb odbiorcy.
Nomenklatura nazewnictwa turbin w Polsce:
Przy oznaczanie turbiny pierwsza liczba oznacza ciśnienie pary dolotowej do turbiny w MPa, litera
oznacza odpowiednio K - turbina kondensacyjna, C - turbina ciepłownicza, P - turbina przeciwprężna,
U - turbina upustowa, natomiast ostatnia liczba odpowiada mocy osiągalnej przez turbinę w MW. Np.
13K215 oznacza turbinę kondensacyjną o ciśnieniu pary dolotowej 13 MPa i mocy osiągalnej 215
MW, a oznaczenie 9UC100 turbinę upustowo-ciepłowniczą o ciśnieniu pary dolotowej 9 MPa i mocy
osiągalnej 100 MW.
Typowe obiegi ciepłownicze
Elektrociepłownie dzielą się zazwyczaj na przemysłowe
i zawodowe (komunalne, miejskie).
Elektrociepłownie
miejskie zapatrujące mieszkania i domy w ciepło,
charakteryzują się zmiennym obciążeniem sezonowym
i w miarę równomiernym obciążeniem dobowym. Nośnikiem
ciepła w tym przypadku jest woda. Dla małych aglomeracji
miejskich schematycznie obieg ciepłowniczy można
przedstawid jako kocioł wodny (KW) i wymiennik ciepła
symbolizujący odbiorców (O). Kocioł wodny jest to
kocioł który służy tylko do podgrzewania wody, która
następnie dostarczana jest do odbiorców. Obieg taki
jest bardzo prosty. Jeśli mamy do czynienia z dużymi
miastami obieg jest nieco bardziej skomplikowany.
W kotle (KP) przygotowywana jest para która
następnie kierowana jest do wymiennika ciepła, który
przekazuje ciepło do wody. Wadą jest bardziej
skomplikowany obieg, oraz duży i kosztowny
143
wymiennik ciepła (WC). W wymiennikach występują dwa czynniki: oddający ciepło, czyli para wodna,
oraz pobierający ciepło, czyli woda. Wymiana ciepła zazwyczaj następuje poprzez ścianki rurek,
wówczas nazywają się wymiennikami powierzchniowymi, które dodatkowo dzielą się na
współprądowe (oba czynniki wpływają do wymiennika w tym samym kierunku), albo
przeciwprądowe (przepływ czynników odbywa się w przeciwnych kierunkach). Zaletą takiego
rozwiązania jest fakt, że jeśli w drugim obiegu wystąpią nieszczelności to woda użyta do uzupełnienia
strat nie musi byd specjalnie przygotowywana tak jak woda użyta do napełniania kotła. Woda
kotłowa musi byd odsolona i odmulona ponieważ związki zawarte w wodzie mogą byd przyczyną
tworzenia kamienia i mułu (powodują zmniejszenie przekroju rury, a co za tym idzie zmniejszenie
wydatku i ciepła przejmowanego przez ścianki), oraz korozji.
Elektrociepłownie przemysłowe charakteryzują się obciążeniem cieplnym zmiennym dobowo.
Nośnikiem ciepła jest w tym przypadku para wodna. Ze względu na zapotrzebowanie pary wodnej
przez odbiorców w elektrociepłowniach przemysłowych stosuje się głównie turbiny przeciwprężne,
z których uzyskiwana moc elektryczna jest ściśle zależna od obciążeo cieplnych. Jeśli natomiast
odbiorca potrzebuje pary o różnych parametrach to w turbinie można stosowad upusty.
Jeśli mamy do czynienia z przemysłem bardzo energochłonnym a przy tym rozbitym na wiele małych
zakładów to wtedy elektrociepłownia dostarcza ciepło nie tylko na potrzeby grzania pomieszczeo
biurowych, ale też do zasilania zakładu w parę do celów technologicznych. Wtedy jest to zakład
energetyczny który stanowi elektrociepłownię pomiędzy przemysłową, a miejską.
Elektrociepłownie przemysłowe wymagają pewnej rezerwy kotłowej, a elektrociepłownie miejskie
charakteryzuję się duża zmiennością obciążeo ciepłowniczych co powoduje że znaczna częśd
zakładów energetycznych pracuje w układzie kolektorowym. Znaczy to, że para wytwarzana
w kotłach jest podawana na wspólny kolektor, a następnie dalej kierowana jest na turbinę. Układ
kolektorowy dodatkowo wyrównuje ciśnienie wytwarzanej pary w kotłach i zapewnia równomierne
obciążenie wszystkich kotłów. Przykładem może byd częśd kolektorowa EC Siekierki w której skład
wchodzą: w kotłowni 4 kotły parowe OP-230 pracujące na wspólny kolektor o ciśnieniu pary 8,83
MPA i 3 kotły wodne WP-120 pełniące rolę szczytowych źródeł ciepła, a w maszynowni turbina
kondensacyjna TK-50 (na schemacie Tz1) i 4 turbiny ciepłownicze TC-30 (na schemacie Tz2, TZ3, Tz5
i Tz6). Patrząc od strony ciepłowniczej (za turbinami) pierwszy stopieo podgrzewu wody sieciowej
realizowany jest poprzez kondensatory turbozespołów Tz3, Tz5, Tz6. Drugi stopieo realizowany jest
poprzez wymienniki B1, B2, B4 zasilane z regulowanych upustów turbin Tz2, Tz3 i Tz6. Podczas
zapotrzebowao szczytowych pracują 3 kotły wodne WP-120 albo wymienniki S1, S2, S3 zasilane przez
stacje redukcyjno-schładzające z kolektora pary 9MPa. Stacja redukcyjno-schładzająca ma za zadanie
obniżenie parametrów pary do wymaganych. Zazwyczaj pokrywają deficyty pary przy okresach gdy
zapotrzebowanie na parę jest większe niż maksymalny strumieo pary przepływający przez turbinę
(szczyt), albo podczas postojów turbin.
144
Rysunek: Częśd kolektorowa EC Siekierki.
Możliwa jest również praca blokowa. Oznacza to że każdy kocioł pracuje na swoją turbinę.
Przykładem może byd blok BC-100 składający się z kotła parowego o wydajności 120 kg/s oraz
turbozespoły ciepłowniczego o mocach wytwarzanym: elektrycznej 107 MWe oraz ciepłowniczej 195
MWq. Moc szczytowa najczęściej wytwarzana jest w kotłach wodnych 140 MJ/s i 200 MJ/s.
Rysunek: Schemat układu cieplnego bloku ciepłowniczego BC-100 z turbozespołem 13UC-100
Wnioski
Turbiny stosowane w ciepłownictwie nie muszą tylko oznaczad wykorzystania turbin przeciwprężnych
i upustowo-przeciwprężnych. Przykłady pokazują, że istnieją elektrociepłownie wykorzystujące
145
turbiny kondensacyjne oraz upustowo-kondesacyjne. Dobór turbiny zależy głównie od przeznaczenia
elektrociepłowni. W elektrociepłowniach przemysłowych, które pracują z miarę równomiernym
obciążeniem ciepłowniczym opłaca się stosowad turbiny przeciwprężne, z których otrzymywana moc
elektryczna jest bardziej traktowana jako „produkt uboczny” i oddawana jest do sieci
elektroenergetycznej. W elektrociepłowniach miejskich, gdzie okres ciepłowniczy wypada głównie w
zimę stosowanie turbin kondensacyjnych jest bardzo uzasadnione. Wytwarzają one energię
elektryczną a w okresach gdzie jest duże zapotrzebowanie na ciepło pracują równolegle ze stacjami
redukcyjno-schładzającymi.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
146
T. Nikiel „Turbiny parowe”
S. Andrzejewski „Podstawy projektowania siłowni cieplnych”
D. Laudyn „Elektrownie”
Instrukcja do dwieczenia z laboratorium z przedmiotu MiUE II
Power Electric:http://www.powerelectric.com.pl/
wnp.pl|Energetyka: http://energetyka.wnp.pl/kotly_i_turbiny/turbiny-parowe,4495_2_0_0.html
Magazyn Elektrownie: http://www.elektrownie.com.pl/
TENDENCJE ROZWOJU ENERGETYKI W EUROPIE
Wojciech SKOWROOSKI
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Paweł Skowrooski, ITC PW
Wprowadzenie
W referacie omówiono czynniki wpływające na rozwój energetyki w Europie a w szczególności
w Polsce. W tym kontekście scharakteryzowano współczesne technologie energetyczne i ich
perspektywy: wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych, w elektrowniach
zasilanych paliwami kopalnymi i w oparciu o odnawialne źródła energii.
Szczególną uwagę zwrócono na technologie czystego węgla i obiegi parowe na parametry
ultranadkrytyczne, reaktory jądrowe IV generacji i ogniwa paliwowe.
Uwarunkowania rozwoju energetyki
Rozwój elektroenergetyki jest uzależniony od wielu czynników, ale do najistotniejszych należy zaliczyd
zmiany zapotrzebowania na energię elektryczną, dostępnośd i ceny paliw oraz wymogi ochrony
środowiska i związane z nimi mechanizmy ekonomiczne. Wzrost zapotrzebowania na energię
elektryczną obserwowany jest w większości krajów i wynika z rozwoju ich gospodarek. Należy jednak
zaznaczyd, że w niektórych krajach wysoko rozwiniętych przewiduje się zmniejszenie
zapotrzebowania na energię elektryczną, spowodowane zmniejszeniem energochłonności
użytkowania energii elektrycznej i zwiększeniem sprawności jej przetwarzania.
Publikowane są różne prognozy zmian zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce. Na
rys. 1 przedstawiono za *9+ prognozy koocowego zużycia energii elektrycznej w kraju. Wszystkie te
prognozy przewidują istotny wzrost zapotrzebowania.
Rysunek 1. Prognozy koocowego zużycia energii elektrycznej w Polsce w *TWh/a+, za *9+.
147
Duża częśd elektrowni europejskich, również polskich pracuje już ok. 30 lat a wiek niektórych
przekroczył 50 lat. Starsze elektrownie cieplne, ze względu na niskie parametry termodynamiczne,
niskie sprawności turbozespołów i zwykle niskie sprawności kotłów charakteryzują się niskimi
ogólnymi sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej. Pozostają zwykle w gorszym stanie
technicznym i nie są tak niezawodne jak nowe instalacje energetyczne. Z powyższych powodów ich
konkurencyjnośd jest niższa niż nowych elektrowni. Niektóre elektrownie nie są wyposażone
w instalacje oczyszczania spalin gwarantujące wymagane standardy emisji.
W związku z akcesją Polski do Unii Europejskiej dla części polskich bloków energetycznych ustalone
zostały dopuszczalne okresy ich eksploatacji, w których mogą one pracowad mimo nie spełnienia
standardów emisji. Po tym czasie muszą zostad jednak trwale wyłączone z eksploatacji. Do roku 2020,
w wyniku derogacji, w Polsce wyłączone zostaną z eksploatacji bloki o łącznej mocy około 9850MW,
a w latach 2020÷2025 kolejne – o mocy blisko 5000MW.
Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczna i przewidywane wyłączenia starszych bloków
energetycznych skutkuje pilną potrzebą budowy w Polsce nowych mocy wytwórczych i sprzyja
rozwojowi nowoczesnych technologii energetycznych.
Kolejnym czynnikiem warunkującym rozwój technologii jest dostępnośd paliw. Przewiduje się
wzrastającą zależnośd Europy i Polski od importu podstawowych nośników energii pierwotnej.
Prognozę zmian udziału importu paliw dla Europy podano poniżej na diagramie.
Rysunek 10. Udział importowanych nośników energii w ich łącznym zużyciu w Unii Europejskiej – prognoza za [8].
Polityka ochrony środowiska i polityka klimatyczna Unii Europejskiej jest realizowana między innymi
przez wprowadzanie radykalnych standardów emisji zanieczyszczeo, opłat za użytkowanie
środowiska, opłat za emisję CO2, wymogów zakupu i sprzedaży określonej ilości energii elektrycznej
wytwarzanej ze źródeł odnawialnych lub w kogeneracji i systemu certyfikatów tej energii
Wprowadzone mechanizmy – różne w różnych krajach europejskich – skutkują między innymi
poprawą konkurencyjności energetyki opartej na odnawialnych źródłach energii oraz energetyki
jądrowej w odniesieniu do energetyki opartej o paliwa kopalne. W Polsce, opłaty za emisję CO2 i
wysoka cena zielonych certyfikatów ma istotne znaczenie dla opłacalności użytkowania biomasy do
148
celów energetycznych i budowy farm wiatrakowych. Nie wyklucza to jednak rozwoju technologii
wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o paliwa kopalne, szczególnie o węgiel. Opracowywane są
technologie podwyższające sprawnośd elektrowni węglowych oraz technologie wychwytu CO2.
Wspomniane wyżej wymagania odnośnie emisji przez elektrownie szkodliwych dla środowiska gazów
są nieustannie podwyższane. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, dla dużych instalacjach
energetycznych obowiązują następujące poziomy dopuszczalnej zawartości zanieczyszczeo
w spalinach:
3
200 mg/m w przypadku dwutlenku siarki,
3
200 mg/m w przypadku tlenków azotu,
3
30 mg/m w przypadku pyłów.
Stosowane technologie energetyczne i ich rozwój
W elektroenergetyce europejskiej wykorzystywane są różne technologie produkcji energii
elektrycznej. Elektrownie cieplne o obiegach parowych zasilane są paliwem jądrowym, węglem,
rzadziej olejem. Elektrownie zasilane gazem pracują zwykle zgodnie z obiegami, gazowymi oraz
gazowo-parowymi. W niektórych krajach szczególnie rozwinięta jest energetyka wodna (np.
w Norwegii), energetyka wiatrowa (np. w Niemczech i w Hiszpanii), wytwarzanie energii elektrycznej
w kogeneracji (np. w Danii).
Energetyka jądrowa
Pod koniec 2002 roku na świecie w 31 krajach pracowało 441 bloków jądrowych o łącznej mocy
zainstalowanej 357688 TWe, 35 bloków było w budowie. Elektrownie jądrowe w roku 2002
wyprodukowały 2544 TWh energii elektrycznej. Dla porównania było to więcej niż światowa
produkcja energii w 1960 roku.
Obecnie energetyka jądrowa wytwarza 16% światowego zapotrzebowania na energie elektryczną.
Z czego aż 43% wytwarza Europa, 20% Stany Zjednoczone i 12% Kanada. Obserwuje się nieustanny
wzrost udziału energetyki jądrowej na Dalekim Wschodzie.
Z zastosowania energetyki jądrowej wynikają następujące korzyści:

olbrzymia koncentracja energii rozszczepienia około milion razy większa niż przy
spalaniu, co pozwala na zmniejszenie masy i objętości potrzebnego paliwa.

elektrownie jądrowe zmniejszają istotnie uzależnienie energetyki od ewentualnych
zakłóceo w dostawach i cenach gazu ziemnego, co zwłaszcza dla krajów europejskich może mied duże
znaczenie;

paliwo jądrowe jest powszechnie dostępne na rynku światowym i nie jest
przedmiotem praktyk monopolistycznych, ponadto udział kosztu paliwa jądrowego w 1KWh wynosi
5% lub w przypadku importu już przetworzonego paliwa 10 – 20%, podczas gdy w energetyce
węglowej udział kosztu paliwa w 1kWh wynosi ok. 35%, a w gazowej sięga 70%

energetyka jądrowa nie emituje CO2
Energetyka jądrowa nie jest wolna od wad. Głównym problemem związanym z energetyką jądrową
są odpady promieniotwórcze, powstające podczas pracy elektrowni. Wyróżniamy odpady
promieniotwórcze w postaci gazowej, ciekłej i stałej.
Odpady gazowe to produkty uboczne reakcji jądrowych. Są to głównie gazy szlachetne, takie jak
izotopy ksenonu i kryptonu. Ich ilośd i rodzaj zależą od rodzaju reaktora. W reaktorach PWR czy BWR
149
promieniotwórcze skażenie pochodzi głównie od trytu, a w reaktorach chłodzonych dwutlenkiem
węgla oprócz trytu są wytwarzane znaczne ilości promieniotwórczego węgla C-14 oraz argonu Ar-41.
Gazy te przedostają się przez nieszczelności i wylatują do atmosfery. Dla bloku 1000MW jest to nie
więcej niż 5,9 * 105GBq kryptonu i ksenonu oraz 5,6 GBq jodu. Ich łączna aktywnośd odpowiada około
0,01 części promieniowania tła naturalnego. Ilości te są na tyle nie wielkie, że rocznie wystarcza 5,5 *
105 m3 powietrza do ich rozcieoczenia. Dla porównania by rozcieoczyd do dopuszczalnego poziomu
dwutlenek siarki z elektrowni węglowej potrzeba 100tys. razy więcej powietrza, zakładając, że nie ma
instalacji odsiarczania spalin oraz elektrownie są o podobnych mocach.
Odpady ciekłe powstają głównie z upustów oraz przecieków, oczywiście w ilościach dopuszczalnych,
z obiegu chłodzenia rdzenia reaktora. Są one ściśle kontrolowane i nie powodują zagrożenia dla
środowiska naturalnego.
Elektrownia atomowa produkuje również promieniotwórcze odpady stałe. Są to zużyte jonity,
odpady palne czyli szmaty, papier, elementy drewniane oraz niepalne elementy wyposażenia
elektrowni. Zalicza się je do grupy odpadów nisko i średnio-aktywnych, które stanowią 95% objętości
odpadów stałych, a ich udział w aktywności powstającej w reaktorze wynosi 1%. Odpady te są
składowane na terenie elektrowni na przykład w płytkich składowiskach ziemnych. Natomiast
wypalone paliwo, które należy do odpadów stałych wysokoaktywnych o udziale aktywnośd
powstającej w reaktorze równej 99% jest specjalnie składowana. Składowiska znajdują się na dużych
głębokościach, w formacjach uznanych za geologicznie i hydrologicznie stabilne. Dla przykładu Wieka
Brytania, o rocznej produkcji odpadów na poziomie 116mln m3, produkuje 20tys. m3 odpadów
promieniotwórczych, które stanowią 0,02% całości. Zaledwie 40 m3 jest wysokoaktywna.
W Wielu krajach europejskich, nawet w tych, w których elektrownie jądrowe istnieją od lat,
energetyka jądrowa nie jest akceptowana społecznie. Wynika to głównie z obaw co do
bezpieczeostwa i bezawaryjności pracy elektrowni. Wielu ludzi obawia się promieniowania
jonizującego i odpadów promieniotwórczych. W prawidłowo funkcjonującej elektrowni
promieniowanie jonizujące jest dużo mniejsze od promieniowania tła, któremu ludzie zostają
poddawani codziennie. Natomiast odpady wysokoaktywne są składowane głęboko pod ziemią,
w specjalnych zbiornikach i nie stwarzają zagrożenia.
Wydaje się, że społeczna ocena ryzyka związanego z energetyką jądrową nie jest właściwa. Należy
zwrócid uwagę, że średnia oczekiwana utrata długości życia, jest szacowana dla życia w ubóstwie na
3000dni, dla nadwagi na 900dni, dla przekroczenie prędkości jazdy samochodem o 15km/h na 40dni,
a dla zamieszkania w pobliżu elektrowni jądrowej tylko na 0,04dnia.
Energetyka jądrowa IV generacji
Grupa krajów podjęła intensywne prace nad nowymi reaktorami dla energetyki jądrowej. Grupa ta
działa pod patronatem Międzynarodowej Federacji Generacji IV. Jej celem jest opracowanie
reaktorów jądrowych, które będą dostarczad energię po konkurencyjnych cenach, przy optymalnym
wykorzystaniu surowców, wysokim poziomie bezpieczeostwa, niezawodności i odporności na
wykorzystanie materiałów do produkcji broni jądrowej. Rozważanych jest sześd technologii
jądrowych:
-
150
prędki reaktor chłodzony gazem
prędki reaktor chłodzony ołowiem
-
reaktor na chłodzony stopionymi solami
szybki reaktor chłodzony sodem
nadkrytyczny reaktor wodny
reaktor wysokotemperaturowy
Cele oraz kryteria rozwoju reaktorów IV generacji to:
1.
2.
3.
4.
zrównoważony rozwój
bezpieczeostwo i niezawodnośd
ekonomia
odpornośd na proliferację oraz fizyczna ochrona
Poniżej krótko omówiono technologie generatorów IV generacji
Reaktor prędki chłodzony gazem - GFR
Jest to reaktor o prędkim spektrum neutronów, chłodzony helem. Charakteryzuje się wydajnym
powielaniem paliwa oraz zagospodarowaniem aktynowców. GFR minimalizuje powstawanie
długożyciowych izotopów radioaktywnych. System ten dostał najwyższą ocenę w kategorii
zrównoważenia. Został oceniony dobrze w obszarze w pozostałych kryteriach. Oszacowano , że GFR
będzie mógł byd budowany od około 2025rou.
Reaktor prędki chłodzony ołowiem – LFR
Podobnie do GFR reaktor LFR ma szybkie spektrum neutronów oraz zamknięty cykl paliwowy.
Reaktor chłodzony jest ołowiem lub stopem ołowiu z bizmutem. Paliwo stosowanym w tym reaktorze
jest w postaci metalicznej lub azotków i zawiera rodny uran oraz transuranowce. Do plusów tej
technologii należy zaliczyd małe rozmiary, zmniejszone koszty oraz pełny serwis cyklu paliwowego.
LFR dostał najwyższe oceny w obszarze zrównoważenia i odporności na proliferację i fizyczną
ochronę. Został oceniony, jako dobry w zakresie bezpieczeostwa i ekonomi.
Reaktor chłodzony stopionymi solami – MSR
W tym systemie paliwo to ciekła mieszanka fluorków sodu, cyrkonu i uranu. Cechuje się zamkniętym
cyklem paliwowym oraz doskonałą gospodarką aktynowcami. Reaktor MSR został oceniony bardzo
dobrze w obszarze zrównoważenia, dobrze w obszarze bezpieczeostwa i odporności na proliferację
i fizyczną ochronę. Został oceniony neutralnie w obszarze ekonomi ze względu na dużą ilośd
podzespołów. Stwierdzono możliwośd budowy reaktora MSR od około 2025 roku.
Reaktor chłodzony sodem – SFR
System o prędkim spektrum neutronów oraz zamkniętym cyklu paliwowym. Jego zasadniczym celem
jest gospodarka aktynowcami, a w szczególności plutonem. Reaktor ten działa na dwa rodzaje paliwa
w zależności od mocy. Dla małych mocy ma byd stosowane paliwo w postaci stopów metalicznych
151
uran – pluton + niewielka domieszka aktynowców z cyrkonem. Większe układy stosowały by paliwo
w postaci mieszanki tlenków uranu i plutonu. System SFR otrzymał najwyższą ocenę
w zagospodarowaniu oraz bardzo dobre oceny w reszcie kryteriów. Przewiduje się możliwośd
budowy takiego reaktora już w 2015 roku.
Nadkrytyczny reaktor wodny – SCWR
SCWR jest reaktorem wysokotemperaturowym i wysokociśnieniowym chłodzonym wodą. Parametry
pary świeżej mają byd na poziomie 374°C i 22,1MPa. Bloki energetyczne z takimi reaktorami
osiągałyby sprawnośd brutto 44%. Dla porównania blok energetyczny z reaktorem IV generacji LFR
osiągałby sprawnośd 33 – 34%. SCWR zostały one ocenione bardzo wysoko w obszarze
ekonomicznym oraz dobrze dla pozostałych kryteriów. Możliwośd ich budowy przewiduje się na rok
2025.
Reaktor z bardzo wysoką temperaturą (VHTR)
VHTR jest moderowanym grafitem, chłodzonym helem reaktorem o termicznym spektrum
neutronów. Osiągałby on temperaturę na wyjściu rzędu 1000°C. Tak wysoka temperatura umożliwia
wydajne wytwarzanie wodoru lub wykorzystanie ciepła do procesów technologicznych. Możliwe staje
się osiągnięcie sprawności rzędu 50%. VHTR został wysoko oceniony w obszarze ekonomicznym,
bezpieczeostwa i niezawodności. Oceniono go jako dobry z punktu widzenia odporności na
proliferację i fizyczną ochronę oraz neutralny z punktu widzenia zrównoważenia. Szacuje się, iż
możliwe będzie stawianie takich bloków już w 2020 roku.
Rozwój systemów IV generacji będzie wymagał znacznych środków finansowych. Oszacowano,
że wyniosą one około miliard dolarów na każdą technologię. W celu zmniejszenia nakładów
inwestycyjnych realizacja projektów została zaplanowana w trzech fazach wykonalności, na pewnym
etapie planowane jest porzucenie badao nad technologiami najmniej perspektywicznymi.
Międzynarodowe Forum Generacji IV będzie przeprowadzał licencjonowanie, budowę i eksploatację
prototypów w partnerstwie z przemysłem lub innymi krajami.
Wytwarzanie energii elektrycznej w oparciu o paliwa kopalne
W elektroenergetyce opartej o paliwa kopalne praktyczne znaczenie mają obecnie następujące
technologie:
1.
2.
3.
4.
parowym
5.
węgla
152
klasyczny blok parowy z kotłem pyłowym
bloki parowe z kotłami fluidalnym, w tym układy na parametry nadkrytyczne
układy gazowo-parowe dwupaliwowe
klasyczny blok węglowy z turbiną czołową
sprzężone równoległe układy gazowo-parowe
technologie węglowe w układach z turbinami gazowymi
ciśnieniowe spalanie węgla w kotłach fluidalnych
całkowite lub częściowe zgazowanie węgla zintegrowane z układem gazowo wysoko temperaturowe ogniwa paliwowe zintegrowane z układami zgazowania
Rozwój tych technologii uzależniony jest od cen węgla i gazu, wymogów związanych z ekologią oraz
ich niezawodności i elastyczności eksploatacyjnej.
Istotną cechą współczesnych układów parowych są bardzo wysokie, nadrytyczne parametry pary
świeżej. Ta technologia jest już powszechnie stosowana w blokach dużej mocy. Poniżej w tabelach
podano liczbę bloków na parametry nadkrytyczne zainstalowanych obecnie w wybranych krajach, ich
moc zainstalowaną i dane ilustrujące rozwój tej technologii w USA i w Japonii.
Liczba bloków nadkrytycznych i moc zainstalowana
USA
Liczba
bloków
Moc, GW
156
Japonia
108
Rosja
128
Niemcy
31
Korea
24
Chiny
23
Inne
97
106,6
68,2
49,2
14,8
13,5
13,3
37,6
Moc zainstalowana [GW] w USA i Japonii
Lata
56-60
61-65
1,0
0,0
USA
2,5
Japonia 0,0
66-70
34,8
3,0
71-75
49,9
16,2
76-80
13,9
9,2
81-85
1,9
7,8
86-90
1,3
8,3
91-95
1,3
8,5
96-00
0,0
5,4
>2001
0,0
9,8
Liczba instalacji nadkrytycznych i moc zainstalowana w różnych krajach w ostatnim dziesięcioleciu
Japonia
Liczba bloków
Moc, GW
26
20,9
Korea
24
13,5
Chiny
15
9,9
Niemcy
12
8,7
Rosja
4
2,7
Inne
17
8,9
W kolejnej tabeli podano parametry wybranych bloków nadkrytycznych. Są to bloki opalane węglem
brunatnym i kamiennym. W tabeli ujęto też nowy blok energetyczny w Pątnowie i blok budowany
w Łagiszy.
Parametry bloków nadkrytycznych
Parametry
Węgiel
Schwarz
e
Jedn
Pumpe
.
(Niemcy
)
brunatn
y
Lippendo
rf
1,2
(Niemcy)
Niederausse
Pątnów Esbjerg
m
Blok A
K(BoA)
(Polska) (Dania)
(Niemcy)
brunatny
Brunatny
brunatn kamienn
kamienny
y
y
Kamienn
y
Nordjyllan Łagisza
d
(Dania)
(Polska)
Moc brutto
MW 800
936
1012
460
415
411
460(koci
oł fluid.)
Temperatur
a pary
świeżej
przed
turbiną
o
550
575
540
560
580
560
C
544
153
Ciśnienie
pary świeżej
prze turbiną
Temperatur
a pary
wtórnie
przegrzanej
Temperatur
a wody
zasilającej
Ciśnienie w
skraplaczu
Sprawnośd
energetyczn
a netto
Rok
uruchomieni
a
MPa 26,0
26,0
26,4
25,8
25,0
29,0
27,5
o
C
562
582
599
565
560
580/580
580
o
C
274
270
295
275
275
kPa
35/46
38,0
36
45/50
23
23
45/50
%
41,0
42,3
45,2
41,0
45,0
47,0
43,0
-
1997/98 99/00
2002
2004
1992
1998
2005
300
290
Ważnym parametrem elektrowni jest jej dyspozycyjnośd. Dotychczasowe doświadczenia wykazują, że
dla bloków parowych jest ona rzędu 90 – 94%.
Wysokosprawne bloki węglowe charakteryzują się istotnie niższą jednostkową emisją CO2 niż bloki
starszych generacji. Zastosowanie palenisk fluidalnych pozwala zmniejszyd emisję NOx oraz tlenków
siarki dzięki oczyszczaniu spalin jeszcze wewnątrz komory spalania.
Bloki na parametry ultrakrytyczne
Do przyszłościowych technologii węglowych zaliczyd należy bloki na parametry ultrakrytyczne.
Parametry pary świeżej w tych blokach sięgają 35MPa oraz 700°C. Przewiduje się, iż będą one miały
sprawności przekraczające 50% netto, natomiast jeśli zastosuje się chłodzenie wodą morską sięgnąd
one mają wysokości 55%. Tak wysoko sprawne elektrownie zmniejszają zużycie paliwa, a przez to
przyczyniają się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Przewiduje się, iż technologia ta będzie
osiągalna do 2025 roku dla elektrowni komercyjnych.
Bloki gazowe
Do zalet bloków gazowych należy zaliczyd:








154
wysoką niezawodnośd działania (>99%)
dużą elastycznośd cieplną – możliwośd pełnego obciążenia już po 20 minutach po rozruchu ze
stanu zimnego.
znaczną żywotnośd sięgająca aż 200 000h
lekkośd oraz zwartośd budowy - w porównaniu z siłowniami parowymi wykazują się ponad
dwukrotne mniejszym współczynnikiem powierzchni do zainstalowanej mocy.
niewielkie zużycie wody
korzystne charakterystyki ekologiczne
łatwośd obsługi i automatyzacji procesów eksploatacji
możliwośd pracy w różnych układach technologicznych, jak również różnym czynnikiem
roboczym
Układy gazowe charakteryzują się jednak sprawnością nie przekraczającą 40%. Wyższą sprawnośd
można uzyskad rozbudowując je do układów gazowo-parowych, których sprawnośd przekracza
zwykle 55%, a bloki gazowo-parowe dużej mocy (400 MW) mają sprawnośd zbliżoną do 60%.
Układy gazowe dzieli się na:




otwarte
zamknięte
częściowo zamknięte
kombinowane
Ze względu na wysokie ceny gazu, mimo podanych powyżej zalet, siłownie gazowe i gazowo-parowe
nie zawsze charakteryzują się dostateczną rentownością. Szacuje się, że koszt paliwa stanowi około
obecnie około 70% kosztów produkcji.
Ogniwa paliwowe – rozwój energetyki niekonwencjonalnej
Do interesujących technologii zaliczyd należy ogniwa paliwowe stosowane w energetyce. Rozwój
ogniw paliwowych rozpoczął się po roku 1960 i trwa do dziś. W ogniwach paliwowych zachodzi
bezpośrednia konwersja energii chemicznej w energię elektryczną. Jest ona znacznie bardziej
efektywna niż konwersja zachodząca w blokach energetycznych.
Ogniwa paliwowe dzieli się na ogniwa bezpośredniego oraz pośredniego wykorzystywania paliwa. Do
pierwszej grupy zaliczanie są ogniwa zasilane wodorem i tlenem, a do drugiej doprowadza się metan
lub biogaz oraz utleniacz.
Ogniwa paliwowe można podzielid ze względu na rodzaj elektrolitu, temperaturę pracy oraz kryteria
konstrukcyjne i technologiczne.
Pojedyncze ogniwo paliwowe ma niewielką moc i zakres jego zastosowao jest ograniczony. W celu
uzyskania większych mocy łączy się ogniwa paliwowe w tak zwane stosy. Wyróżnia się dwa rodzaje
konstrukcji stosów: jednobiegunowe (monopolarne) oraz dwubiegunowe (bipolarne). Zaletą ogniw
monopolarnych jest możliwośd pracy przy wadliwym funkcjonowaniu ogniw składowych, natomiast
bipolarnych możliwośd budowy stosów większej mocy.
Rodzaje niektórych ogniw paliwowych
Ogniwa alkaiczne to ogniwa, w których stosuje się roztwór KOH jako elektrolit. Pierwsza instalacja
zbudowana w latach 50 z użyciem tego typu ogniw osiągnęła moc 5kW. Pracowała ona przy
temperaturze 200°C i ciśnieniu 5MPa. Ogniwa alkaiczne wykorzystuje się w transporcie, aeronautyce
oraz przy misji Apollo.
Ogniwa fosforowe to pierwsze seryjnie produkowane ogniwa. Już w latach 80 XX wieku powstała
demonstracyjna instalacja o mocy 11MW uruchomioną przez Toshiba Tokyo Electric Power. Ogniwa
te pracują w temperaturze zbliżonej do 200°C, dzięki czemu można wykorzystad ciepło
odprowadzane przy chłodzeniu ogniwa. Elektrolitem stosowanym w tych ogniwach jest prawie
wyłącznie H3PO4
155
Z ogniwami węglanowymi związane są nadzieje na osiągnięcie wysokich sprawności ze względu na
pracę ogniwa w temperaturze sięgającej 650°C. Dane zbierane z instalacji doświadczalnych służą do
opracowania ogniwa węglowego dużej mocy. Istnieją projekty elektrowni o mocy 100MW.
Rozwojem ogniw paliwowych zainteresowane są głównie Japonia ora Stany Zjednoczone.
Wysoko sprawne ogniwa paliwowe działają przy bardzo wysokich temperaturach. Rozważa się
stosowanie układów połączonych z turbiną gazową, których sprawnośd sięgała by nawet 70%.
Odnawialne źródła energii
W efekcie wprowadzenia takich mechanizmów rynkowych jak świadectwa pochodzenia („zielone
certyfikaty”) i opłat za emisję CO2, obserwuje się dynamiczny rozwój energetyki opartej na
odnawialnych źródłach energii. Do technologii odnawialnych zaliczane są: siłownie wiatrowe,
energetyczne wykorzystanie biomasy, energetyka słoneczna, wodna i geoenergetyka. Za zaletę
odnawialnych źródeł energii uznaje się niemal zerową emisję gazów cieplarnianych i ograniczoną
emisję innych substancji szkodliwych. Przy spalaniu biomasy, przyjmuje się, że wyemitowany
dwutlenek węgla został wcześniej pochłonięty przez rośliny i emisja netto jest zerowa. Aktualny stan
rozwoju technologii odnawialnych nie umożliwia jednak zaspokojenia wszystkich potrzeb
energetycznych świata.
Wadą siłowni wiatrowych oraz energetyki słonecznej jest niemożnośd produkcji energii elektrycznej
w sposób ciągły ze względu na uzależnienie od warunków środowiska, na przykład wiatru.
Energetyka wodna wykorzystała już w 95% światowe możliwości naturalne dla budowy dużych
siłowni. Jej dużym plusem jest jednak elastycznośd w produkcji energii elektrycznej. Elektrownia
wodna może zostad uruchomiona w przeciągu zaledwie 2min.
Sprawności technologii źródeł odnawialnych kształtują się na różnym poziomie.
Siłownie wiatrowe są w stanie przetworzyd blisko 60% energii kinetycznej wiatru na energię
mechaniczną.
Dzisiejsze ogniwa fotowoltaiczne osiągają sprawności przekraczające 20%, co jest znaczną poprawą,
w stosunku do lat 50, kiedy osiągały one sprawności rzędu 5%.
Najwyższą sprawnośd, jaką się udaje osiągnąd, mają elektrownie wodne. Wynosi ona 85%.
Geoenergetyka stosowana jest głównie do produkcji ciepła. Sprawnośd ciepłowni geotermalnej jest
na poziomie 60%.
Układy wykorzystujące biomasę mają różnorakie sprawności. Różnice wynikają z faktu, iż biomasa
może byd stosowana jako domieszka do paliwa podstawowego w energetyce węglowej. Może byd też
stosowana w układach turbin gazowych z zewnętrznym spalaniem lub zgazowaniem. Sprawności
brutto dla technologii spalania biomasy są z przedziału 25 – 29%, a dla układów gazowo – parowych
z zintegrowanym zgazowaniem mogą osiągnąd sprawności netto wynoszącą 42%.
156
Nowoczesne technologie: CCS
Wysokie koszty emisji CO2 stymulują rozwój technologii CCS wychwytu i składowania dwutlenku
węgla (Carbon dioxide Capture and Storage). Wyróżnia się dwie podstawowe metody
wychwytywania dwutlenku węgla ze spalin. Są to:


separacja CO2 po procesie spalania (post combiustion), ramach której rozróżnia się metody
przeznaczone do wychwytu CO2 po spalaniu w powietrzu i wychwytu CO2 ze spalin po
spalaniu w tlenie. Technologia oxy-fuel jest często wyróżniana jako oddzielna grupa.
separacja przed procesem spalania (pre combustion) połączona z technologią IGCC
(integrated gasification combined cycle) czyli technologia gazowo – parowa
ze zintegrowanym zgazowaniem paliwa. Obecnie rozwijają się obie technologie.
Poniżej zostały wymienione niektóre projekty pilotażowe i demonstracyjne:
Post combustion
1.
2.
3.
4.
5.
S&SE, Wlk. Bryt., Ferrybridge, 500 MW, węgiel, retrofit, 2011
Enel, Włochy, Brindisi, 220 MW, węgiel, retrofit, 2012
E.ON, Wlk. Bryt., Kingsnorth, 300-400 MW, węgiel, 2014
E.ON, Niemcy, Wilhelmshaven, 500 MW, węgiel, 700°C, 2014
RWE, Wlk. Bryt., węgiel, retrofit, Tilbury, 2016
Pre combustion
1. Nuon, Niderlandy, Buggenum, wychwycenie 2,5% CO2 z gazu węglowego, 2009
2. Nuon, Niderlandy, Magnum, 3 x 400 MW, węgiel/biomasa/gaz ziemny, IGCC, 2011/13?
3. RWE, Niemcy, 450 MW, węgiel, IGCC, 2014
Oxy-fuel
1. Vattenfall, Niemcy, Schwarze Pumpe, 30 MWt, węgiel, 2008; instalacja demonstracyjna 250350 MW, 2015
2. Total, Francja, Lacq, 30 MW, paliwo płynne, retrofit, 2008
3. Enel, Włochy, Brindisi, 50 MWt, węgiel, 2010; instalacja demonstracyjna 35 MW, 2012
4. Endesa, Hiszpania, 500 MW, węgiel, kocioł fluidalny, 2015
Na poniższym schemacie widad, jakie urozmaicenie daje instalacja IGCC – CCS.
157
elastyczność pod
względem paliw
elastyczność pod
względem produktów
gaz
węgiel
CO2
zgazowanie
oczyszczanie
gazu
separacja
CO2
CCGT
biomasa
odpady
energia el.
ciepło
H2
alternatywnie
lub
dodatkowo
metanol
paliwa napędowe (CtL)
W przypadku technologii post-combustion prowadzone są prace nad doborem najbardziej
efektywnych absorberów dwutlenku węgla. Poniżej przedstawiono dwa różne procesy oczyszczania
spalin z CO2:


amina 2 MEA + CO2 ⇌ MEA+ + MEACOO- + (ciepło) oraz
chilled ammonia (NH4)2CO3 + CO2 + H2O ⇌ 2 NH4HCO3 + (ciepło)
gdzie skrót MEA = monoetanoloamina =
= HOCH2CH2NH2
Obie instalacje separacji CO2 wyglądają bardzo podobnie. Ich schemat został zaprezentowany
poniżej. System separacji CO2 pochłania blisko 10 punktów procentowych ze sprawności elektrowni.
Ma to znaczący wpływ na opłacalnośd inwestycji, z powodu wysokiej ceny energii elektrycznej
z elektrowni z separacją CO2. Pracuje się nad poprawieniem sprawności wychwytu CO2, w tym
również zastosowanie innych metod absorbcji Przewiduje się, iż do roku 2020 będzie możliwe
stosowanie instalacji CCS w energetyce zawodowej.
158
Usuwanie CO2 w metodach pre-combustion to w istocie konwersja paliwa do wodoru z wydzieleniem
wytwarzanego dwutlenku węgla przed skierowaniem generowanego gazu do wykorzystania w celach
energetycznych.
Podsumowanie
Europejska polityka klimatyczna wymusiła zmianę konkurencyjności różnych technologii
energetycznych, promując energetykę związaną ze źródłami odnawialnymi oraz energetykę jądrową.
Wprowadzono ścisłe limity emisji substancji szkodliwych. Promowany jest rozwój technologii
odnawialnych, wzrosła konkurencyjnośd związanych energetyki jądrowej oraz czystych technologii
węglowych.
Rozwój Europy wiąże się z istotnym zwiększaniem zapotrzebowania na energie elektryczną w
większości krajów. Koniecznośd zastąpienia starszych elektrowni instalacjami spełniającymi stawiane
wymogi ekologiczne i o wyższej sprawności, tworzy warunki do zmiany dotychczasowych struktur
zasilania energią elektryczną. Można przewidywad, że paliwa kopalne pozostaną istotnym źródłem
energii pierwotnej, ale stale wzrastad będzie znaczenie energetyki odnawialnej i jądrowej.
Technologie energetyczne należy oceniad biorąc pod uwagę różne kryteria. Podstawowe z nich mają
charakter techniczno-ekonomiczny i ekologiczny. W podanym poniżej zbiorze kryteriów
uwzględniono również akceptację społeczną poszczególnych technologii oraz wpływ rynku paliw na
koszty wytwarzania energii elektrycznej.
159
Rozwój poszczególnych technologii zależy od wielu, również lokalnych, czynników, w tym
wymienione niżej akceptacja społeczna, dostępnośd paliw i innych źródeł energii, wymagania
ekologiczne etc. Stąd w różnych krajach europejskich rozwój ten może byd realizowany z różną
dynamiką.
Bibliografia:
1. Chmielniak Tadeusz. „Technologie energetyczne”. WNT Warszawa 2008.
2. Jezierski Grzegorz. „Energia jądrowa wczoraj i dziś”. WNT warszawa 2005.
3. R. Grundlach Władysław. „Podstawy maszyn przepływowych i ich systemów
energetycznych”. WNT Warszawa 2008.
4. Badyda Krzysztof, Lewandowski Janusz. „Uwarunkowania rozwoju w Polsce energetyki
wykorzystującej węgiel”. „Energetyka” marzec 2008
5. Jaworski Bronisław. „Nowe elektrownie węglowe jako substytut elektrowni jądrowych”
6. Chmielak Tadeusz. „Perspektywy technologiczne wykorzystania węgla w energetyce”
7. Heithoff Johannes.“ Strategie RWE odnośnie redukcji CO2 w nowoczesnych elektrowniach
opalanych węglem oraz sekwestracji CO2” Kraków czerwiec 2008.
8. Duda Mirosław. „Renesans energetyki jądrowej – Świat, Europa, Polska” Agencja Rynku
Energii
9. Bolesław Jankowski, i inni, Wpływ proponowanych regulacji unijnych w zakresie
wprowadzenia europejskiej strategii rozwoju energetyki wolnej od emisji CO2 na
bezpieczeostwo energetyczne Polski (…), Energsys, na zlecenie PKEE, Warszawa, czerwiec
2008
160
MODELOWANIE ELEKTROCIEPŁOWNI
Michał SPIRZEWSKI
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Grzegorz Niewioski, ITC PW
Streszczenie
Niniejszy tekst obrazuje zagadnienie modelowania. Względnie zarysowuje zakres możliwości, jego
cele
i rodzaje.
Wstęp
Znaczenie modelowanie w technice jest szczególnie istotne. W projektowaniu, opracowywaniu
metod wytwarzania, czy określaniu zachowania powstających w wyobraźni inżyniera obiektów,
modele matematyczne stanowid mogą podstawę przewidywania własności budowanego urządzenia,
przebiegu, skutków analizowanego procesu itp. Modele zarówno matematyczne jak i fizyczne,
budowane są przede wszystkim do prowadzenia testów, które byłyby zbyt drogie, niebezpieczne lub
trudne, bądź niemożliwe do przeprowadzenia w warunkach rzeczywistych. W energetyce z uwagi na
wielkośd budowanych instalacji oraz skalę ryzyka związaną z możliwością powstania ich
ewentualnych uszkodzeo ma to znaczenie bardzo istotne.
Ostatnia dekada dwudziestego wieku została zdominowana pod względem rozwoju w sferze techniki
cyfrowej – a konkretniej mocy obliczeniowej. Owe jednostkowe moce obliczeniowe, do niedawna
zarezerwowane jedynie dla super komputerów, zostały wprowadzone do naszych pecetów. Osiągi
współczesnych maszyn cyfrowych umożliwiają zastępowanie badao doświadczalnych metodami
symulacji, jak również rozszerzenie zakresu badao naukowych w ogóle, gdyż istnieje wiele zagadnieo,
nie poddających się eksperymentom. Jednak na dzieo dzisiejszy imponującej, wydawałoby się, mocy
obliczeniowej, od której zależy bezpośrednio czas obliczeo, jest i jeszcze długo będzie
niewystarczająca w stosunku do złożoności zjawisk fizycznych, które byśmy chcieli symulowad.
Stanowi to również poważne ograniczenie, wymuszające bliżej lub dalej idące uproszczenia modeli
i ich opisów matematycznych. Zwłaszcza, że w większości przypadków celem symulacji
zamodelowanego obiektu jest uzyskanie wyników w czasie krótszym niż by to miało miejsce
w przypadku przeprowadzania eksperymentu.
Cele modelowania
Wobec znacznej różnorodności zadao modelowania celowym jest wskazanie pewnej ich klasyfikacji.
Z uwagi na cel realizacji tego zadania można przyjąd następujący podział:


Poszukiwanie najlepszego rozwiązania spośród gamy wariantów możliwych do wybrania
w celu realizacji określonego zadania (optymalizacja lub analiza wielowariantowa)
Badanie własności nowych technologii (w naszym szczególnym przypadku energetycznych)
poprzez poszukiwanie ich osiągów i charakterystyk w znamionowych warunkach pracy
(modelowanie w celu określenia maksymalnych osiągów), jak i w warunkach od nich różnych
(poszukiwanie charakterystyk, ocenie przydatności oraz własności eksploatacyjnych).
161
W przypadku ostatnim analiza zjawisk zachodzących w projektowanych (rozważanych)
obiektach, dotyczy zwykle:



a)
procesów zachodzących w trakcie rozruchów i odstawieo bloków energetycznych
b)
pracy urządzeo w warunkach ustalonej pracy lecz zmienionych w stosunku do stanu
znamionowego
c)
analizy procesów szybkozmiennych w czasie, w tym stanów awaryjnych
d)
procesów zachodzących w trakcie kontrolowanych zmian obciążenia oraz pod wpływem
zakłóceo wolnozmiennych w czasie
Bieżąca kontrola działania instalacji energetycznych pod kątem bezpieczeostwa pracy oraz
uzyskiwania osiągów – na przykład poprzez porównywanie nadzorowanego obiektu z
obiektem modelowym
Sterowanie procesem technologicznym w instalacji dla uzyskania najbardziej korzystnych
wartości określonych wskaźników – ostatecznym celem może byd na przykład uzyskanie
oszczędności finansowych
Wspomaganie szkolenia poprzez symulację w celu opanowania kontroli eksploatacji
złożonych instalacji (jako środek treningowy)
Modelowanie – założenia, rodzaje, przykład
Różne stopnie uśrednienia oraz uproszczeo w opisie matematycznym zjawisk cieplno-przepływowych
prowadzą do gamy modeli matematycznych o parametrach rozłożonych czy dyskretnych
w przestrzeni. Wzrost mocy obliczeniowej współczesnych komputerów pozwala na coraz dalsze
przesuwanie granicy uzasadnionego z uwagi na koszt implementacji i obliczeo poziomu uśrednieo.
Możliwości najlepszych współczesnych komputerów, mimo ogromnego postępu w ostatnich latach,
nadal okazują się jednak dalece niewystarczające do stosowania w modelowaniu pełnego układu
równao zachowania w maszynach i urządzeniach energetycznych. Modele dyskretne w przestrzeni,
mimo istotnych braków wynikających z wysokiego poziomu uśrednienia pozostają w pełni
użytecznym narzędziem w modelowaniu matematycznym instalacji złożonych z większej liczby
elementów.
Przy modelowaniu, dla przykładu, przepływu pary przez turbinę, oprócz wyżej wspomnianej mocy
obliczeniowej, ma miejsce jeszcze jedno istotne ograniczenie. Jest nim szeroko rozumiana
komercjalizacja całego procesu powstawania jakiegokolwiek wyrobu – patenty, ochrona praw
autorskich i własności intelektualnej, tajemnica handlowa itp. Skutkiem tego jest niedostępnośd
szczegółowych danych konstrukcyjnych, niezbędnych przy budowie modeli, przy czym ilośd
potrzebnych danych rośnie wraz ze złożonością (ilością wymiarów) modeli.
Założenia
Najbardziej złożonym i rozbudowanym modelem przepływu jest model trójwymiarowy. Do jego opisu
wykorzystuje się równania zachowania masy, pędu i energii czynnika roboczego. Są to równiania
różniczkowe czątkowe pierwszego rzędu względem czasu których ogólna forma przy dużej ilości
wariantów warunków brzegowych i początkowych ma postad :
162
 X X X  2 X  2 X  2 X

X
 f 
,
,
, 2 , 2 , 2 , X ,W , t 
t
z
 x y z x y

Poziom przestrzenny uśredniania określa ilośd zmiennych przestrzennych używanych w modelu. Na
podstawie obserwacji zachowania obiektu oraz wyznaczonych interesujących zjawisk poszukuje się
formy opisu zachowania będącej źródłem dostatecznie dokładnej informacji. Równania bilansowe
wynikające
z podstawowych w opisie maszyn i urządzeo energetycznych praw zachowania mają postad dającą
pełny opis trój wymiarowy. Jakikolwiek opis z użyciem mniej niż trzech współrzędnych
przestrzennych osiągalny jest przez uśrednienie zmian parametrów wzdłuż odpowiedniej
współrzędnej, a to oznacza uśrednienie odpowiednich członów równiao względem tej współrzędnej.
Postępowanie takie powoduje utratę informacji o uśrednionych zmiennych przestrzennych.
W przypadku modelowania elementów takich jak wieniec łopatkowy, stopnie i kaskady turbiny
redukuje się opis tych obiektów do jednowymiarowych przepływów ustalonych. Ogólna forma tego
zapisu przyjmuje postad :
 X  2 X

X
 f 
, 2 , X ,W , t 
t
 x x

Jest on dużo prostszy, a jego podstawową zaletą jest możliwośd ciągłego opisu nieustalonego
przepływu przez cały układ przepływowy turbiny. Mimo, że dany model jest, wydawałoby się, prosty,
wymaga on jednak maszyn o dużej mocy obliczeniowej jak na razie nie osiągalnych na dzieo
dzisiejszy.
Najbardziej uproszczony z modeli, opartych na prawach zachowania jest model dyskretny. Do tego
opisu stosuje się równania bilansu czynnika roboczego, będące równaniami różniczkowymi
zwyczajnymi, a jego ogólna postad to:
dX
 f  X ,W , t 
dt
Częśd dynamiczna modelu ograniczona jest do akumulacji masy i energii czynnika roboczego
w przestrzeniach typu komory, tzn. wyłączone są z niej procesy zachodzące w układzie łopatkowym
(w tym rozprężanie czynnika). Znacznie mniejsza jest ilośd niezbędnych danych konstrukcyjnych,
szczególnie tych specjalnie chronionych, jak np. dotyczących profili łopatkowych. Do
przeprowadzenia obliczeo nie są wymagane super komputery, a czasy obliczeo pozwalają myśl
o zastosowaniu w symulatorach turbin, działających w trybie bieżącym.
Zauważamy więc, że w czasach obecnych przy dzisiejszych mocach obliczeniowych procesy
modelowania są „okrojone” poprzez uproszczenia jakie się na nie nakłada aby mogły byd stosowane
w praktyce. Układ trój wymiarowy zamienia się na podejście przepływu jednowymiarowego lub/i
dyskretnego.
Rodzaje
Uogólniając treśd poprzedniego rodzaju, można powiedzied, że w modelowaniu w większości
przypadków mamy do czynienia z modelowaniem statycznym lub dynamicznym. Modelowanie
statyczne jest w najogólniejszym przypadku badanie danego obiektu w czasie pracy w stanie
ustalonym ale warunkach zmiennych od znamionowych. Proces ten polega na stworzeniu pewnego
163
modelu matematycznego, którego równania bilansowe nie będą zależały od czasu. Obliczenia te
stosuje się w przypadku gdy nie wiemy jak się zachowa urządzenie podczas pracy innej niż
znamionowej oraz jakie uzyska się parametry czynnika roboczego – w naszym przypadku pary (lub
spalin w przypadku turbiny gazowej). Ten rodzaj modelowania wykorzystuje się w przypadkach
o których nadmieniłem w poprzednim rozdziale między innymi: Badanie własności nowych
technologii poprzez poszukiwanie ich osiągów i charakterystyk w znamionowych warunkach pracy
jak i w warunkach od nich różnych.
Drugim rodzajem modelowania jest modelowanie dynamiczne. Jest ono znacznie bardziej
wymagające pod względem mocy obliczeniowej ze względu na swoje wyżej wymieniane równania
różniczkowe po czasie. Z tegoż powodu niemożliwe jest aby takowe symulacje miały miejsce w czasie
rzeczywistym. Nie mówiąc już o czasach krótszych niż rzeczywiste, na których nam de facto
najbardziej zależy. Ten rodzaj modelowania najczęściej jest wykorzystywany w badaniu
charakterystyk dynamicznych. Innymi słowy, w momentach, w których chcemy poznad jak się
zachowa dany układ przy skokowej zmianie obciążenia lub co się zacznie dziad z turbiną
w awaryjnej sytuacji zadziałania zaworu szybko zamykającego czyli odcięciu dopływu pary do turbiny
i odłączeniu obciążenia.
Przykład
Model wymiennika regeneracyjnego jest rozwinięciem modelu przestrzeni akumulacyjnej, w której
wymiana ciepła pomiędzy metalowymi ściankami a czynnikiem roboczy ma decydujący wpływ na
jego stan. Dodatkowo, po stronie parowo wodnej wymiennika regeneracyjnego należy uwzględnid
zmianę stanu skupienia czynnika. Para wodna w wymienniku ulega schłodzeniu i kondensacji
w przestrzeni miedzy rurowej, a następnie kondensat może połączyd się ze skroplinami
dopływającymi z wymiennika o wyższym ciśnieniu pracy. Woda zasilająca, która płynie rurkami
traktowana jest jako czynnik nieściśliwy, o zmiennej w czasie entalpii.
W opisie matematycznym wymiennika regeneracyjnego założone ze po stronie parowej, we wspólnej
przestrzeni znajduje się kondensująca para wodna i skropliny w ilości wyznaczonej przez aktualny
bilans masy. W bilansie energii uwzględnia się zarówno schładzanie pary, jak i akumulację ciepła
w płaszczu i wkładzie rurowym wymiennika. Dodatkowo, w celu uproszczenia modelu założono, że
para wodna ulega schładzaniu i kondensacji we wspólnej przestrzeni, bez rozdziału na strefy. Takie
podejście umożliwia zastąpienie rozwiązywania pięciu równao różniczkowy po stronie parowej
dwoma równaniami (bilansu masy i bilansu energii). Tak przyjęte założenia w niewielkim stopniu
zmieniają ilośd przekazywanej energii, a znacząco upraszczają i przyspieszają proces obliczeniowy.
W danym opisie modelowania mamy następujące równania które tworzą dany model:








164
równanie bilansu masy po stronie obiegu parowego
równanie bilansu energii po stronie obiegu parowo-wodnego
równanie bilansu masy po stronie wody zasilającej
równanie bilansu energii po stronie wody zasilającej
równanie opisujące zmianę ciśnienia pary wypełniającą przestrzeo parową wymiennika
równanie opisujące zmianę uśrednionej temperatury ścianki wkładu rurowego wymiennika
równanie opisujące zmianę uśrednionej temperatury płaszcza wymiennika
zmiana entalpii wody zasilającej na wyjściu z wymiennika
(wszystkie powyższe równania są równaniami różniczkowymi)
Czynniki robocze po obu stronach chłodnicy skroplin można traktowad jako nieściśliwe. Pozwala to
zamodelowad proces wymiany ciepła statycznie, z pominięciem procesu akumulacji energi
w czynniku roboczym i ściance metalu. W tym celu masa wkładu rurowego i płaszcza wymiennika
regeneracyjnego, a także objętości komory wodnej oraz parowej zostały powiększone o odpowiednie
wartości pochodzące z chłodnicy skroplin. Tak przyjęte założenia umożliwiają zastąpienie w opisie
matematycznym równao różniczkowych zwyczajnych prostym układem algebraicznym.
Aby ten model był prawidłowo obliczony potrzeba jest znad odpowiednie dane wejściowe. Są to:
objętości wymiennika po stronie paro-wodnej i wody zasilającej, masa i grubośd ścianki, ciepło
właściwe i powierzchnia wymiany ciepła dla wkładu grzejnego oraz powierzchnia wymiany ciepła
płaszcza wymiennika. Dodatkowo niezbędna jest znajomośd zależności określających współczynniki
wnikania i przewodzenia ciepła.
Bibliografia
1. Wybrane modele matematyczne w diagnostyce I symulacji procesów cieplno-przepływowych
w instalacjach energetycznych - Praca zbiorowa pod redakcją Rafała Laskowskiego, Janusza
Lewandowskiego
2. Methodologies and applications of virtual power plant - Tomasz Barszcz Piotr Czop.
3. Wpływ sposobu dyskretyzacji układu przepływowego turbiny parowej na wyniki
zachodzących w niej procesów nieustalonych - Nikolaj Uzunow.
165
MECHANIZMY PRAWNE WSPIERAJĄCE KOGENERACJĘ
Damian STĘPIEO
Student energetyki na wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej,
członek Koła Naukowego Energetyków,
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Wojciech Bujalski, ITC PW
Streszczenie
Artukuł prezentuje działające w Polsce mechanizmy wspierania produkcji energii elektrycznej
i ciepła w kogeneracji, jako oszczędnej formie konwersji energii. Dokumentem implikującym zmiany
w polskim prawie jest Dyrektywa 2004/8/WE zwana „kogeneracyjną”. Określa ona ogólne zasady
promocji, jednak poszczególne kraje samodzielnie dopasowują akty prawne i stosują różne
rozwiązania. Jak działają rozwiązania polskie i na jakie problemy natrafiają producenci i inwestorzy?
Co wprowadziła Dyrektywa 2004/8/WE?
W związku z analizą wielu wcześniejszych dokumentów, założeniami wspólnej polityki
energetycznej, ochrony środowiska i działao prowadzących do oszczędnego wykorzystania zasobów
energetycznych, Parlament Europejski stworzył dokument nazywany Dyrektywą kogeneracyjną.
Wprowadzone w polskim prawie regulacje dotyczące wspierania kogeneracji są skutkiem jej
wprowadzenia. Celem Dyrektywy jest stworzenie jednolitych ram dla wspierania skojarzonego
wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz wykorzystanie potencjału kogeneracji w każdym
paostwie członkowskim w maksymalnym możliwym stopniu poprzez:
- zdefiniowanie jednostek kogeneracyjnych, produktów skojarzenia oraz paliw stosowanych
w elektrociepłowniach,
- zdefiniowanie wysokosprawnej kogeneracji,
- wymaganie od paostw członkowskich, aby: umożliwiły certyfikację wysokosprawnej
kogeneracji i dokonały analizy jej potencjału oraz zarysowały ogólną strategię wykorzystania
potencjalnych możliwości rozwoju kogeneracji.
Podstawowe definicje dot. produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu:
kogeneracja oznacza równoczesne wytwarzanie energii cieplnej i energii elektrycznej i/lub
mechanicznej w trakcie tego samego procesu.
wydajnośd ogólna oznacza sumę rocznej produkcji energii elektrycznej i mechanicznej oraz ciepła
użytkowego podzieloną przez ilośd paliwa zużytego do produkcji ciepła w procesie kogeneracji oraz
do produkcji brutto energii elektrycznej i mechanicznej
jednostka kogeneracji oznacza jednostkę, która może działad w trybie kogeneracji
166
jednostka mikrokogeneracji oznacza jednostkę kogeneracji o maksymalnej zdolności poniżej 50 kWe
kogeneracja na małą skalę oznacza jednostki kogeneracji z zainstalowaną zdolnością poniżej 1Mwe
produkcja kogeneracyjna oznacza sumę energii elektrycznej i mechanicznej oraz ciepła użytkowego z
kogeneracji.
Dyrektywa określa także technologie kogeneracyjne
a) turbina gazowo-parowa z odzyskiwaczami ciepła
b) turbina parowa przeciwprężna
c) turbina parowa upustowo-kondensacyjna
d) turbina gazowa z odzyskiwaczami ciepła
e) silnik spalinowy
f) mikroturbiny
g) silniki Stirlinga
h) ogniwa paliwowe
i) silniki parowe
j) organiczny
obieg
Rankine’a
oraz
wszystkie
inne, których
użycie
pozwala na
produkcję
energii
zgodnie z
definicją
kogeneracji.
Oszczędnośd energii chemicznej w gospodarce skojarzonej
Czym jest kogoneracja wysoko sprawna?
Sens stosowania kogeneracji określa oszczędnośd energii pierwotnej, która wg Dyrektywy
powinna wynosid minimum 10% w porównaniu z wartościami referencyjnymi dla rozdzielonej
produkcji ciepła i energii elektrycznej. W jednostkach kogeneracji na małą skalę i mikrogeneracji
wystarczy, że stosowanie skojarzenia zapewni oszczędnośd.
167
Wielkośd oszczędności w energii pierwotnej oblicza się zgodnie z wzorem:
gdzie:
PES
oznacza oszczędności w energii pierwotnej.
CHP Hη oznacza wydajnośd cieplną produkcji kogeneracyjnej definiowaną jako roczna produkcja
ciepła użytkowego podzielona przez wsad paliwa wykorzystany do wyprodukowania sumy
ciepła użytkowego i energii elektrycznej z kogeneracji.
Ref Hη oznacza wartośd referencyjną wydajności dla produkcji ciepła w układzie rozdzielonym
CHP Eη oznacza wydajnośd elektryczną produkcji kogeneracyjnej definiowaną jako roczna produkcja
energii elektrycznej z kogeneracji podzielona przez wsad paliwa wykorzystany do
wyprodukowania sumy ciepła użytkowego i energii elektrycznej z kogeneracji. Jeżeli dana
jednostka kogeneracji wytwarza energię mechaniczną, roczna produkcja energii elektrycznej
z kogeneracji może zostad zwiększona o dodatkowy element stanowiący ilośd energii
elektrycznej równą ilości tej energii mechanicznej. Ten dodatkowy element nie uprawnia do
wydania gwarancji pochodzenia zgodnie z art. 5 Dyrektywy.
Ref Eη oznacza wartośd referencyjną wydajności dla produkcji energii elektrycznej
w układzie rozdzielonym.
Nowa metodyka obliczania kogeneracji pozwala na zaliczenie części wyprodukowanej energii
elektrycznej jako kogeneracji nawet, kiedy osiągnięta sprawnośd wytwarzania energii elektrycznej i
ciepła jest łącznie niższa niż sprawności graniczne. W takim przypadku ilośd energii uznawana jako
wyprodukowana w kogeneracji jest obliczana jako iloczyn ciepła użytkowego w kogeneracji i
współczynnika określającego stosunek energii elektrycznej co ciepła wyznaczonego na podstawie
pomiarów rzeczywistych parametrów technologocznych jednostki kogeneracji. Dla jednostek
produkujących ze sprawnością co najmniej równą wartości granicznej całkowitą produkcję zalicza się
do kogeneracji. Warunkiem, którego nie można pominąd jest oczywiście wymagana oszczędnośd
energii pierwotnej.
Istnieją pewne problemy z obliczaniem kogeneracji wysoko sprawnej, kiedy trzeba określid granice
bilansowe jednostki. Niezbędne jest do tego określenie granicy bilansowej jednostki oraz
podstawowych danych:
- ilości wytworzonej energii elektrycznej
- ilości ciepła użytkowego oraz ciepła poza kogeneracją
- energii chemicznej paliw łącznie oraz zużytej na produkcję ciepła poza kogeneracją.
Zagadnienie to komplikuje się, kiedy produkcja występuje poza kogeneracją lub dla jednostek
będących tylko częścią źródła energii, w którego skład wchodzą różne jednostki. Względnie proste
obliczenia występują tylko dla niepodzielnych jednostek.
Potencjał i promocja kogeneracji
Głównym przesłaniem stosowania gospodarki skojarzonej jest jej wyższa efektywnośd co
odzwierciedla się w oszczędności paliwa i korzyściach w ochronie środowiska. W tej chwili w Polsce
168
produkcja w skojarzeniu wynosi ok. 24 TWh. Szacowane, możliwe do uzyskania wartości to ok. 50-55
TWh, co oznacza koniecznośd podwojenia ilości produkowanej w ten sposób energii.
Korzyści płynące z kogeneracji powinny zaistanied także w świadomości odbiorców. Wykorzystanie
mniejszych źródeł w lokalizacji bliskiej klientom koocowym powoduje zauważenie wpływu energetyki
na środowisko, zwiększenie świadomości użytkowania energii, a w efekcie kształtuje postawy
energooszczędne. Na obszarach perferyjnych mała kogeneracja zwiększa pewnośd zasilania
odbiorców. Ponadto przy zastosowaniu małej kogeneracji mniejszymi stają się skutki awarii dużych
jednostek, są lepsze możliwości dopasowania do występującego zapotrzebowania, często są
stosowane źródła na paliwa o mniejszej emisji np. zasilane gazem ziemnym.
Według założeo Unii Europejskiej rynek energii powinien byd wolny od regulacji cen i wspomagania
producentów. Sektor elektrociepłowni i produkcji skojarzonej jest jednak specyficzny ze względu na
duże koszty inwestycyjne i zależności między produkcją ciepła, a energii elektrycznej. Subsydiowanie
kogeneracji jest wyjątkiem mającym na celu uzyskanie ogólnych korzyści w zużyciu paliw i ochoronie
środowiska. W przypadku źródeł rozproszonych zaletami są także mniejsze straty sieciowe.
Należy się zastanowid, czy stosowane regulacje są w stanie zachęcid wytwórców do zwiększania mocy
w źródłach kogeneracyjnych.
Gwarancje pochodzenia.
Dyrektywa kogeneracyjna wprowadziła system gwarancji pochodzenia energii elektrycznej.
„Czerwone certyfikaty” mają na celu zapewnienie odbiorcom pochodzenia energii z danego sposobu
wytwarzania, a producentom pozwalają na korzystanie z subsydiowania danej produkcji – w tym
wypadku kogeneracji. Dotychczas w prawie polskim istniał jedynie obowiązek zakupu energii
elektrycznej pochodzącej z produkcji skojarzonej. W chwili obecnej, po nowelizacji, wprowadzono
także świadectwa pochodzenia i handel nimi. Zgodnie z art. 9e ust. 1 ustawy – Prawo energetyczne,
potwierdzeniem wytworzenia energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii jest świadectwo
pochodzenia tej energii. Jednocześnie w myśl art. 9l ust. 1 ustawy – Prawo energetyczne,
potwierdzeniem wytworzenia energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji jest świadectwo
pochodzenia tej energii. Ponadto zgodnie z § 5 ust. 1 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 19
grudnia 2005 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do
umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i
ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii, w jednostce wytwórczej, w której są spalane
biomasa lub biogaz wspólnie z innymi paliwami, do energii wytwarzanej w odnawialnych źródłach
energii zalicza się częśd energii elektrycznej lub ciepła odpowiadającą procentowemu udziałowi
energii chemicznej biomasy lub biogazu w energii chemicznej paliwa zużywanego do wytwarzania
energii.
Przedsiębiorstwa energetyczne sprzedające energię do odbiorcy koocowego są zobowiązane do
uzyskania i umorzenia prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki świadectwa pochodzenia dla energii z
kogeneracji lub uiszczenia opłaty zastępczej, a w gestii producentów jest uzyskanie świadectw w celu
wykorzystania wyższych stawek cenowych.
Wprowadzone zostały dwa rodzaje czerwonych świadectw:
1. dla jednostek o mocy do 1 MW lub opalanych gazem,
2. dla jednostek o mocy po wyżej 1 MW innych niż opalane gazem.
Warunek uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectwa pochodzenia z kogeneracji lub
uiszczenia opłaty zastępczej uznaje się za spełniony, jeżeli za dany rok kalendarzowy udział ilościowy
sumy energii elektrycznej wynikających z uzyskanych i umorzonych świadectw pochodzenia z
kogeneracji lub z uiszczonej opłaty zastępczej, w wykonanej całkowitej rocznej sprzedaży energii
elektrycznej przez dane przedsiębiorstwo energetyczne odbiorcom koocowym, wynosi nie mniej niż:
1. Dla jednostek kogeneracji o mocy do 1 MW lub opalanych gazem
a) 2,5 % w II po ło wie 2007 r.,
169
b) 2,7 % w 2008 r.,
c) 2,9 % w 2009 r.,
d) 3,1 % w 2010 r.,
e) 3,3 % w 2011 r.,
f) 3,5 % w 2012 r.
2. Dla jednostek kogeneracji o mocy powyżej 1 MW innych niż opalane gazem:
a) 16,5 % w II po ło wie 2007 r.,
b) 19,0 % w 2008 r.,
c) 20,6 % w 2009 r.,
d) 21,3 % w 2010 r.,
e) 22,2 % w 2011 r.,
f) 23,2 % w 2012 r.
W przypadku niespełnienia tego wymogu ustala się opłatę zastępczą obliczaną wg stawek podanych
przez prezesa URE zgodnie z wzorem:
Ozs = Ozg Eog + Ozk Eok, (1)
gdzie:
Ozs – opłata zastępcza wyrażona w zło tych,
Ozg – jednostkowa opłata zastępcza, nie niższa niż 15% i nie wyższa niż 110% średniej ceny sprzedaży
energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym, wyrażona w złotych za 1 MWh,
Eog – ilośd energii elektrycznej równa różnicy pomiędzy ilością energii elektrycznej wynikającą z
obowiązku określonego w przepisach dla jednostek kogeneracji i ilością energii elektrycznej
wynikającą ze świadectw po chodzenia z kogeneracji, umorzonych przedsiębiorstwu energetycznemu
w termi nie do 31 marca danego roku kalendarzowego, wyrażona w MWh,
Ozk – jednostkowa opłata zastępcza, nie niższa niż 15% i nie wyższa niż 40% śred niej ceny sprzedaży
energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym, wyrażona w złotych za 1 MWh,
Eok – ilośd energii elektrycznej równa różnicy pomiędzy ilością energii elektrycznej wynikająca z
obowiązku określonego w przepisach wydanych na podstawie ust. 10, dla jednostek kogeneracji i
ilością energii elektrycznej wynikająca ze świadectw pochodzenia z kogeneracji, umorzonych
przedsiębiorstwu energetycznemu w terminie do 31 marca danego roku kalendarzowego, wyrażona
w MWh.
Opłaty, które zgodnie z rozporządzeniem prezesa URE mają oowiązywad w 2009 roku:
Ozg = 128,80 *zł/MWh+, tj. 100,00 % średniej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku
konkurencyjnym;
Ozk = 19,32 *zł/MWh+, tj. 15,00 % średniej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku
konkurencyjnym.
„Czerwone certyfikaty” są potrzebne i producentom, którzy otrzymują wyższe ceny za energię
elektryczną i w oczywisty sposób chcą z tego skorzystad, i dystrybutorom, którzy są zobowiązani do
sprzedaży określonej ilości energii o pochodzeniu z kogeneracji lub wniosienia opłat za
niedotrzymanie tego obowiązku.
System wydaje się dośd skutecznie działad na rynek i skutecznie zachęca (lub zmusza) do produkcji
skojarzonej.
Łączenie certifikatów
Jak wiadomo polskie przepisy prawne, a konkretnie ustawa z 10 kwietnia 1997 r. Prawo
energetyczne, zawiera mechanizm wsparcia wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych
w postaci tzw. zielonych certyfikatów oraz mechanizm wsparcia dla energii elektrycznej wytwarzanej
w kogeneracji w formule czerwonych certyfikatów. Często mechanizmy wspierania produkcji zderzają
się ze sobą. Jest tak w instalacjach CHP (combined heat & power) opartych na wykorzystaniu
odnawialnych źródeł energii. Prezes Urzęd Regulacji Energetyki wydał 31 maja 2007 r. komunikat w
170
sprawie możliwości jednoczesnego uzyskiwania świadectw pochodzenia za tę samą ilośd
wytworzonej energii elektrycznej z tytułu wytworzenia energii elektrycznej w odnawialnych źródłach
energii oraz z tytułu wytworzenia energii elektrycznej w kogeneracji. Napisano w nim tak:
W związku z pojawiającymi się pytaniami przedsiębiorstw energetycznych, dotyczącymi
możliwości jednoczesnego uzyskiwania świadectw pochodzenia dla energii elektrycznej
wytworzonej w odnawialnych źródłach energii oraz świadectw pochodzenia z kogeneracji za tę
samą ilośd energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii, będących
jednocześnie jednostkami kogeneracji, uprzejmie informuję, że w przypadku jednoczesnego
spełnienia przez przedsiębiorstwo energetyczne warunków uprawniających do uzyskania
świadectw pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii oraz
świadectw pochodzenia z kogeneracji, nie jest możliwe uzyskanie obu rodzajów świadectw za tę
samą ilośd wytworzonej energii elektrycznej.
W uzasadnieniu podano, że:
- ustawodawca przewidział odrębne mechanizmy wsparcia dla energii elektrycznej wytworzonej w
kogeneracji i oddzielne dla wytwarzania w odnawialnych źródłach energii. Wg interpretacji prezesa
URE regulacje dotyczące tych rozwiązao nie przewidują uzyskiwania świadectw w ramach obu
systemów,
- jednoczesne zakwalifikowanie zakupu tej samej ilości energii, jako wypełnienia obydwu obowiązków
stanowiłoby zafałszowanie rzeczywistego obrazu produkcji danego rodzaju energii.
W Dyrektywach UE dotyczących wspiernia kogeneracji i źródeł odnawialnych istnieją odwołania do
przepisów dotyczących ochony środowiska, a te z kolei zawierają postanowienia dotyczące zakazu
kumulowania pomocy. Dodatkowo wytyczne UE zastrzegają, że pomoc operacyjna może tu byd
uzasadniona w celu pokrycia różnicy między kosztami produkcji z odnawialnych źródeł energii lub
kogeneracji (oddzielne zapisy) i ceną rynkową takiej energii w przypadku, gdy koszty produkcji takiej
energii elektrycznej lub ciepła przekraczają cenę rynkową.
Po tym komunikacie rozpoczęła się dyskusja na temat łączenia certyfikatów, ponieważ ustawa Prawo
energetyczne w żadnym stopniu nie wskazuje na takie ograniczenia. W Ministrerstwie Gospodarki
przeprowadzono analizę komunikatu prezesa URE. Opinii zasięgnięto m.in.w Urzędzie Ochrony
Konkurencji i Konsumentów w odniesieniu do kwestii pomocy publicznej. We wnioskach
stwierdzono, że nie ma żadnych przeciwskazao do wydawania łącznie zielonych i czerwonych
świadectw pochodzenia.
Obecnie nie ma jeszcze oficjalnego stanowiska i zmian ze strony prezesa Urzędu Regulacji Energetyki,
zatem nadal dozwolone jest korzystanie tylko z jednego rodzaju wsparcia.
Handel emisjami
Ważnym aspektem ograniczającym w pewnym stopniu rozwój elektrociepłowni jest
wprowadzony handel emisjami CO2. Obowiązuje on wszystkie jednostki o mocy powyżej 20 MW, a
więc wszystkie elektrociepłownie zawodowe i większośd przemysłowych w Polsce. Oznacza to, że
będą zmuszone one do zakupu pozwoleo na emisje. Kolejnym krokiem będzie dotrzymanie
standardów emisji tlenków siarki, a następnie pyłów po 2016 roku. Wszystkie te ograniczenia będą
wiązały się z inwestycjami i wydatkami, a zatem obniżą rentownośd zakładów produkcyjnych.
Problem jest dośd poważny biorąc pod uwagę konkurencyjnośd elektrociepłowni, mających takie
obciążenia finansowe, z małymi instalacjami grzewczymi (kotły wodne, gazowe) produkującymi tylko
ciepło użytkowe. Podstawą do rozwijania sieci ciepłowniczych i zwiększania udziału w rynku ciepła i
energii elektrycznej jest ich konkurencyjnośd cenowa, która poprzez koszty obowiązkowych
inwestycji może byd naruszona. Bardzo dobrym rozwiązaniem wydaje się tutaj, stosowana już w tej
chwili w Portugalii, premia za niską emisję CO2, która może załagodzid skutki zakupu pozwoleo
emisyjnych. Wspomiana wcześniej specyfika sektora elektrociepłowni i duże nakłady związane z
produkcją powinny byd w ten sposób dotowane.
171
Rozwój sieci ciepłowniczych
Kolejnym ważnym aspektem pominiętym tak naprawdę w systemach wsparcia kogeneracji są
sieci ciepłownicze. Zmiany wprowadzone w Prawie energetycznym mające dostosowad ten
dokument do wymagao UE nie uwzględniają aspektów rozwoju ciepłownictwa sieciowego, bez
którego nie można rowijad kogeneracji. Środki z opłat zastępczych świadectw kierowane są do
Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska, a następnie finansowane są z nich wyższe ceny energii
czerwonej dla producentów. Częśd tych środków powinna byd przeznaczona dla zakładów
ciepłowniczych celem budowy nowoczesnych sieci ciepłowniczych i modernizacji starych sieci.
Ponadto ceny ciepła sieciowego powinny byd ustalane na takim poziomie, aby w interesie
społecznym było korzystanie ze źródeł skojarzonych, a nie energii elektrycznej i ciepła wytworzonych
w procesie rozdzielonym.
Konieczne wydaje się także zapewnienie pewności zwrotu inwestycji, jaką jest budowa sieci cieplnej.
Jest to przedsięwzięcie o długim czasie zwrotu nakładów. Ciekawym rozwiązaniem jest
wprowadzenie Planów Zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe na kształt Planów
Zagospodarowania Przestrzennego. Pozwoliłoby to na kontrolę i nakłanianie odbiorców do
korzystania z usług ciepłownictwa sieciowego oraz ograniczyłoby organizowanie indywidualnych,
małosprawnych źródeł ciepła.
Przykład duński
172
Przykładem kraju, w którym kogeneracja jest bardzo dobrze rozwinięta jest Dania. Dominuje
tam generacja rozproszona. Rynek ciepła sieciowego zaopatruje ponad 60% gospodarstw domowych
w kraju i pokrywa 50% zapotrzebowania na ciepło. Przyjęta w latach 80-tych polityka subsydiowania
energii elektrycznej z kogeneracji doprowadziła do rozwoju tego sektora. Uzyskane gwarancje dla
produkowanej energii zachęcały do budowy nowych jednostek oraz likwidacji istniejących kotłów
wodnych. Budowano zarówno duże jednostki, jak i małe o mocach rzędu 0,5-10 MWe. W wielu
wypadkach źródła były zastępowane nowymi, sprawniejszymi. Po 20 latach istnienia takiej sytuacji w
Danii powstał dobrze rozbudowany system elektrociapłowni, w porównaniu do 1980 r. zużycie
energii pierwotnej na jednostkę PKB zmniejszyło się o 30%, a Dania stała się krajem o największym
udziale ciepłownictwa sieciowego i kogeneracji w Europie. Całkowity udział energii elektrycznej
wytworzonej w skojarzeniu w całkowitej produkcji energii wyniósł w 2004 r. już 55%. Straty przesyłu
energii eletrycznej w Danii wynoszą tylko 4,7%, podczas gdy w Polsce jest to 9,5%. Negatywnym
skutkiem takiego rozwoju był wzrost cen do poziomu przekraczającego ceny w innych krajach Unii
Europejskiej. Obecnie wprowadzone przepisy prowadzą do całkowitego urynkowienia sektora
wytwarzania energii elektrycznej.
Porównanie liczby elektrociepłowni funkcjonujących w Danii w latach 80-tych oraz obecnie
Cechą charakterystyczną prawnych mechanizmów wsparcia w duoskiej energetyce jest ich
spójnośd i przemyślana struktura obejmująca wszelkie aspekty prowadzonej działalności przez
podmioty wytwarzające energię elektryczną i ciepło. Do najważniejszych mechanizmów należą:
- obowiązek odbioru i przesyłu energii elektrycznej z kogeneracji oraz odnawialnych źródeł energii,
- dopłaty do ceny energii elektrycznej (vs wielkośd MWe, rodzaj paliwa i technologii),
- uprzywilejowany dostęp do sieci energetycznych dla jednostek kogeneracyjnych i źródeł
odnawialnych
- brak regulacji cen ciepła w formie taryf
- własnośd społeczna ciepłownictwa.
Ważny wkład wniosły władze samorządowe, które inicjowały budowę lokalnych źródeł
kogeneracyjnych i sieci ciepłowniczych.
173
Wnioski
Polskie prawo zmuszne jest do aktualizowania przepisów zgodnie z wymaganiami Wspólnoty Europejskiej w
różnych dziedzinach. Wprowadzone systemy wsparcia dla energii elektrycznej ze skojarzonych źródeł
wytwarzania mają na celu promocję tego efektywnego sposobu konwersji energii. Zarówno system
certyfikatów, jak i sytuacja całej branży, której pomoc dotyczy, do tej pory jest niejasna. Wiele inwestycji jest
wymuszonych ze względu na ochronę środowiska i wiążą się one z dużymi nakładami, a o wielu innych ważnych
problemach zapomniano i pozbawiono pomocy. System wsparcia dla produkcji czerwonej energii i cała
otoczenie elektrociepłowni łącznie z sieciami cieplnymi nadal wymaga wiele uwagi i pracy.
Źródła
1. Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego I Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania
kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii
2. Skojarzone wytwarzanie energii. www.ure.gov.pl
3. Prokop K., Podleś M., Rola kogeneracji w energetyce duoskiej. Departament Strategii i Analiz Vattenfall
4.
5.
6.
7.
8.
9.
174
Heat Poland S.A.
Wojciechowski H., Działania wspierające skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej I ciepła w
unormowaniach prawnych do I połowy 2007 roku.
Dreżewski J., Czerwone certyfikaty – mechanizm wsparcia dla energii elektrycznej wyprodukowanej w
skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. [w:] Wokół energetyki, 2/2006
Dreżewski J., Możliwośd poprawy efektywności energetycznej Polski. [w:] Infrastruktura – Środowisko –
Energia – dodatek do Rzeczpospolitej, 11 września 2006 r.
Cherubin W., Zaopatrzenie krajów europy środkowo-wschodniej w ciepło i kogeneracja – stan obecny i
perspektywy rozwoju. [w:] Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki, 2/2006
Ustawa z 12 stycznia 2007 r. o zmianie ustawy – Prawo Energetyczne, ustawy – Prawo ochrony
środowiska oraz ustawy o systemie zgodności (DzU z 2007 r. nr 21, poz. 124).
Szymczyk J. Czy możliwe jest zbudowanie nowoczesnej energetyki w Polsce bez modernizacji i rozwoju
ciepłownictwa sieciowego? [w:] Rynek Energii, 6/2007
INTENSYFIKACJA PROCESÓW WYMIANY CIEPŁA
Łukasz SZNAJDER
Student wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW
Członek Koła Naukowego Energetyków
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Maciej Jaworski, ITC PW
Streszczenie
Tematem mojego referatu są zagadnienie związane z intensyfikacją wymiany ciepła. W pracy
starałem się opisad główne cele intensyfikacji oraz określid jej role w technice. Przybliżyłem też
czytelnikowi najnowsze trendy w tej dziedzinie nauki o wymianie ciepła.
Informacje ogólne
Wymiana ciepła jest jednym ze sposobów transportu energii. Zachodzi wtedy, gdy wewnątrz danego
układu występuje różnica temperatur. Możemy określid strumieo ciepła jaki przepływa od obszaru
o temperaturze wyższej do obszaru o temperaturze niższej. Istnieją trzy podstawowe sposoby
wymiany ciepła:
 Przewodzenie (dyfuzja)
 Unoszenie (konwekcja)
 Promieniowanie
Dla każdego z tych mechanizmów, możliwośd intensyfikacji procesu wymiany ciepła jest różna. Jest
ona zależna od wielu czynników, takich jak: parametry fizyczne czynnika czy geometria ośrodka, w
którym zachodzą badane procesy.
Zagadnienia związane z wymianą ciepła towarzyszą nam w bardzo wielu dziedzinach. Obecne są
m.in. w motoryzacji, energetyce, przemyśle spożywczym, elektronice czy w budownictwie. W dużej
liczbie zagadnieo interesuje nas, aby procesy transportu energii zachodziły jak najszybciej, dlatego
problem intensyfikacji wymiany ciepła stanowi bardzo istotne zagadnienie. Rozwój tej dziedziny jest
ściśle związany z ogólnym postępem nauk technicznych. Przykładem tego procesu może byd
równoległy rozwój energetyki jądrowej czy techniki rakietowej z nowymi działami nauki o wymianie
ciepła. Należy też dodad, iż modelowanie procesu wymiany ciepła jest często bardzo złożoną
czynnością. Do ich rozwiązania wykorzystuje się wyszukane techniki analityczne oraz numeryczne
symulacje. Trudności wiążą się również z dokonywaniem badao eksperymentalnych np. w przypadku,
gdy mamy do czynienia z małymi różnicami temperatur i wysokimi współczynnikami przewodzenia
ciepła. To wszystko sprawia, że ta dziedzina nauki daje duże pole do popisu dla badaczy.
Cele intensyfikacji wymiany ciepła
Podstawowymi celami intensyfikacji procesów wymiany ciepła jest zmniejszenie różnic temperatury
w wymiennikach ciepła co przekłada się na wzrost efektywności konwersji energii oraz zwiększenie
intensywności odprowadzania ciepła, co jest istotne jeżeli chodzi np. o chłodzenie elementów.
W przeszłości jedną z głównych idei przyspieszania procesów wymiany ciepła było zmniejszenie
gabarytów urządzeo (aktualne w zagadnienie w lotnictwie). Obecnie, w dobie drogiej energii, zależy
nam na jej oszczędzaniu. Szybka konwersja energii ma wpływ na sprawnośd urządzenia, co przekłada
175
się na jej zużycie oraz niższe koszty. Ważnym czynnikiem jest również ochrona środowiska, poprzez
ograniczanie zużycia paliw i mniejszą emisje spalin. W latach 90 XX wieku w Wielkiej Brytanii
przeprowadzono szereg prac, mających na celu oszacowanie możliwej do zaoszczędzenia energii
w tym kraju, m.in. dzięki metodom intensyfikacji wymiany ciepła. Obliczono, iż dzięki tym metodom
można zaoszczędzid 74 PJ energii na rok (1PJ=1015J).To tyle energii ile uzyskalibyśmy ze spalenia 400
ton węgla kamiennego na godzinę(dla cp=22000kJ/kg)!
Klasyfikacja różnych mechanizmów wymiany ciepła
Tak, jak wspomniano wcześniej możliwośd odprowadzania ciepła dla różnych mechanizmów jest
różna. Zależy ona od rodzaju czynnika, jego parametrów fizycznych czy stanu skupienia. Zjawiskiem,
przy którym notuje się największy współczynnik przejmowania ciepła jest proces wrzenia (wrzenie
pęcherzykowe). Za procesami , w których zachodzi zmiana fazy znajduje się konwekcja wymuszona
i swobodna. Przykładowe zakresy wartości współczynników przejmowania ciepła, dla różnych
czynników i mechanizmów są zilustrowane w tabeli nr 1.
Tabela nr 1. Intensywnośd odprowadzania ciepła dla różnych mechanizmów.
Główne metody intensyfikacji wymiany ciepła
Techniki intensyfikacji możemy sklasyfikowad jako pasywne i aktywne. Istnieje też możliwośd łączenia
dwóch lub więcej technik, mamy wtedy do czynienia ze złożoną intensyfikacją. Z czasem stworzono
klasyfikacje, określającą kolejne generacje sposobów wzmagania wymiany ciepła:
I.
II.
III.
IV.
176
Gładkie powierzchnie wymiany ciepła,
Powierzchnie użebrowane: żebra proste (2D),
Powierzchnie użebrowane: żebra o złożonej strukturze przestrzennej (3D) – rozwinięcie
powierzchni + zwiększenie turbulencji przepływu, inne metody modyfikacji powierzchni
wymiany ciepła,
Jednoczesne stosowanie różnych technik intensyfikacji: żebra + pole elektryczne,
żebra+ zawiesiny jako czynniki robocze.
Metody pasywne
Metody intensyfikacji wymiany ciepła, w których nie dostarczamy dodatkowej energii z zewnątrz
np. poprzez zastosowanie urządzenia wzmacniającego przepływ płynu, nazywamy metodami
pasywnymi.
Przykłady metod pasywnych:
 podawanie powierzchni wymiany ciepła obróbce chemicznej lub cieplnej
 zwiększenie chropowatości powierzchni wymiany ciepła ( ważne m.in. w przemyśle
chemicznym i spożywczym, gdzie mamy do czynienia z płynami lepkimi)
 rozwijanie powierzchni wymiany ciepła (różnego rodzaju użebrowanie- np. wzdłużne,
poprzeczne;najwyższa efektywnośd żeber w obszarze przejścia między przepływem
laminarnym a turbulentnym; kilkukrotny wzrost wymiany ciepła w porównaniu z rurami
gładkimi )
 zastosowanie przestawnych elementów wzmacniających wymianę ciepła
 stosowanie zawirowywaczy
 zastosowanie rur zwiniętych np. w postaci wężownicy
 zastosowanie elementów wspomagających wymianę ciepła drogą wykorzystania sił napięcia
powierzchniowego
 stosowanie dodatków do płynów- tzw. „nanofluids”
Jedną z najnowocześniejszych metod intensyfikacji wymiany ciepła jest stosowanie tzw. nanopłynów.
Są to ciecze, do których dodano cząstki innych substancji o rozmiarach rzędu 1-100 nm. Mają one
duży potencjał, pod względem wzmagania procesu wymiany ciepła. Już mała domieszka (poniżej 1%)
miedzianych nanocząstek do glikolu etylenowego, powoduje wzrost przewodności cieplnej o 40 %.
Stosuje się również dodatki z węglowych nanorurek, które wzmagają przewodnośd cieplną nawet
o 160%.
Ta metoda jest najmniej poznana co powoduje, że badacze napotykają na szereg problemów.
Trudności sprawia opis nowych zjawisk, często niezidentyfikowanych, występujących w nanoskali.
Kolejnymi czynnikami utrudniającymi dokładne zbadanie tej techniki są m.in. małe wymiary,
prędkości czy efekty kapilarne. Bardzo duże możliwości związane z wykorzystaniem „nanofluids”
powodują, że jest to bardzo prężnie rozwijająca się dziedzina nauki o wymianie ciepła.
(Sposoby intensyfikacji związane z wymianą ciepła w rurach zostały opisane dokładniej w rozdziale
nr 5)
a) Metody aktywne
Istnieją takie sposoby intensyfikacji wymiany ciepła, w których stosujemy dodatkowe urządzenia,
wspomagające procesy transportu energii. Są to tzw. metody aktywne. Należy dodad, iż za ich
pomocą można uzyskad bardzo dobre rezultaty.
Przykłady metod aktywnych:
 wspomaganie mechaniczne
 drgania powierzchni wymiany ciepła
 wibracje płynu uczestniczącego w procesie wymiany ciepła ( np. poprzez ultradźwięki)
 zasysanie lub wtryskiwanie płynu
 stosowanie napływu strugowego na powierzchnie wymiany ciepła
 zastosowanie pola elektrycznego
177
Elektro-hydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła jest to jedna z najnowocześniejszych
i obiecujących metod, efektywna głównie przy skraplaniu oraz przy konwekcji naturalnej. W wyniku
oddziaływania natężenia pola elektrycznego powstaje siła elektro-hydrodynamiczna. Oddziaływując
na skropliny siłą pola elektrycznego, automatycznie następuje wzmożony ich spływ z powierzchni
wymiany ciepła, co skutkuje jednoznaczną poprawą warunków wnikania ciepła przy skraplaniu.
Pierwsi badacze uzyskali wzrost współczynnika wnikania ciepła na poziomie 100-200%. Według
aktualnych informacji dostępnych w literaturze, maksymalne zwiększenie współczynnika wnikania
ciepła wynosi 20 razy.
Można wyróżnid trzy stopnie intensyfikacji:
•
•
•
dla niskich napięd intensyfikacja wnikania ciepła jest nieznaczna lub nie ma jej wcale;
powyżej pewnego napięcia mamy do czynienia z gwałtownym wzrostem wartości
współczynnika wnikania ciepła w funkcji napięcia;
przy zbyt dużym napięciu mamy do czynienia z zahamowaniem procesu intensyfikacji, a
nawet z pogorszeniem warunków wnikania ciepła.
Wpływ na intensyfikację ma kształt oraz konfiguracja elektrod, wytwarzających pole elektryczne.
Wielu badaczy twierdzi, że elektrody powinny byd tak rozmieszczone, aby siły elektryczne
wspomagały siły hydrodynamiczne w redukcji warstwy skroplin spływających po ściankach rur np.
skraplacza. Wynikają z tego różne konfiguracje elektrod, oddzielne dla rur poziomych i pionowych.
W przypadku skraplania wewnątrz pionowej rury za najbardziej optymalne położenie elektrody
można uznad oś rury. Inne przykłady rozmieszczenia elektrod są pokazane na rysunku poniżej.
Rys.1. Przykładowe konfiguracje elektrod przy intensyfikacji skraplania na zewnątrz rury pionowej
Dla rur poziomych spotyka się następujące konfiguracje:
Rys.2. Przykładowe konfiguracje elektrod przy intensyfikacji skraplania na zewnątrz rury poziomej
Wprowadzenie pola elektrycznego przy wrzeniu, również daje korzyści- powoduje zlikwidowanie
zjawiska histerezy wrzenia. Chwilowe przyłożenie pola elektrycznego, o dośd wysokim natężeniu
może spowodowad przeskok z dolnej charakterystyki w górną(na krzywej wrzenia). Bardzo ważnym
178
wnioskiem jest również to, że poprzez zastosowanie pola elektrycznego można w zasadniczy sposób
zmniejszyd wymagane przegrzanie do zapoczątkowania procesu wrzenia pęcherzykowego.
Przykład zastosowania tej metody: w skraplaczu płaszczowo – rurowym pionowym o wydajności
cieplej 60 kW użytym w obiegu pompy ciepła, moc pobierana na wytworzenie pola elektrycznego
wynosi zaledwie 1,4 W, jednak współczynnik wnikania ciepła wzrósł trzy krotnie. [źródło- Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 6-7 2001 -„Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła”]
Metody kombinowane:
 np. zastosowanie chropowatości powierzchni oraz wkładki turbulizujące
 rurka cieplna (ang. Heat pipe):
Rurka cieplna zawiera parującą i skraplającą się ciecz służącą do transportu ciepła. Jest to zazwyczaj
miedziana rurka o średnicy 3-15 mm zawierająca odpowiednio dobraną do zastosowania ciecz. Rurka
jest zazwyczaj wewnątrz pokryta substancją porowatą pełniącą rolę knota. Podgrzewanie od jednego
kooca rurki wywołuje parowanie cieczy, pobierające ciepło. Para przenosi się do zimniejszej części
rurki, gdzie skrapla się na chłodniejszych ściankach rurki, oddając ciepło. Skroplona ciecz przepływa
do cieplejszej części po ściankach grawitacyjnie lub w wyniku przesiąkania w knocie (porowatej
substancji) pokrywającej ścianki rurki. Efektywnośd przenoszenia ciepła w wyniku konwekcji
połączonej z parowaniem jest znacznie wydajniejsza od przewodzenia ciepła przez ciała stałe.
Stosowana jest w celu poprawienia efektywności radiatora. Instalowana jest m.in. w systemach
chłodzenia w laptopach.
Intensyfikacji wymiany ciepła w energetyce- wybrane zagadnienia
Metody intensyfikacji wymiany ciepła w rurach.
Ze względu na charakter moich studiów, w tym rozdziale chciałem skupid się na opisaniu metod
intensyfikacji wymiany ciepła w kotłach energetycznych.
Elementem, który ma istotne znaczenie dla całego układu siłowni energetycznej, jest wymiennik
ciepła znajdujący się w kotle. Ma on duży wpływ na sprawnośd realizowanego procesu, a co się z tym
wiąże, na oszczędności zużytego paliwa. Poprawę efektywności możemy osiągnąd w dwojaki sposób:
zwiększając powierzchnię wymiany ciepła lub intensyfikując to zjawisko.
Uwzględniając to, iż nie zawsze możemy pozwolid sobie na rozbudowanie instalacji, dużo uwagi
poświęca się poszukiwaniu nowych metod wzmagających wymianę ciepła – szczególnie w rurach.
Prace naukowe dowodzą, że dzięki użyciu rur, w których zastosowano nowe technologie, można
zmniejszyd dwukrotnie rozmiar wymiennika ciepła z rur gładkich przekazującego tą samą ilośd ciepła.
Warto dodad, że koszt instalacji nowych wymienników ciepła nie przekracza 5% wyników
ekonomicznych nowoprojektowanego kotła.
Przykłady rozwiązao intensyfikujących wymianę ciepła w rurach:
 Taśma z odgięciami delta
179
Rys.3. Rury z wkładkami turbulizującymi z odgięciami delta.
 Taśma z podwójnymi odgięciami w kształcie równoległoboków
Rys.4. Rury z wkładkami turbulizującymi w kształcie równoległoboków.
 Wkładka w kształcie stożka
Rys.5. Rury z wkładkami turbulizującymi w kształcie stożków.
 Zgnioty turbulizujące
Rys.6. Rury ze zgniotami.
 Zawirowywacz na wejściu do rury
180
Rys.7. Rury z zawirowywaczem na wejściu.
Wykazano, iż w wyniku zastosowania wyżej wymienionych technik, możliwe jest zmniejszenie
gabarytów pęczka w stosunku do pęczka z rur gładkich nawet o 50%. Ponadto stwierdzono,
że najkorzystniejsze jest zastosowanie lokalnych przewężeo przekroju przepływowego w postaci na
przemian ległych zgniotów lub zwężeo pierścieniowych. Dobre wyniki otrzymuje się także przy
zastosowaniu wkładek zawirowujących, przy których jednak występują większe opory przepływu.
Stosowanie wkładek zawirowujących ma też inne plusy. Mogą one powodowad wzrost radiacyjnej
wymiany ciepła, gdyż wkładka po nagrzaniu do temperatury spalin, promieniuje intensywniej od nich.
Spowodowane jest to wyższą emisyjnością ciała stałego .
W sytuacji, gdy możemy powiększyd obszar zajęty przez wymiennik stosuje się różne układy rur
gładkich. Charakteryzują się one dobrą wymianą ciepła, lecz znacznie ustępują metodom opisanym
wcześniej. Spotkad można następujące konfiguracje rur:
 Układ korytarzowy i przestawny
 Przestawne pęczki rur z ożebrowaniem wzdłużnym (szczególnie korzystne w przypadku
małych prędkości spalin)
Rys.8. Różne układy rur z ożebrowaniem wzdłużnym.
 Rury trój-żebrowe (stosowane jako pęczki lub jako pojedyncze rzędy rur stanowiące
turbulizatory przepływu)
Rys.9. Rura trój-żebrowa.
181
 Diagonalne pęczki membranowe (mają większy współczynnik wnikania ciepła oraz mniejszą
skłonnośd do powstawania osadów popiołowych niż klasyczne pęczki membranowe)
Rys.10. Diagonalne pęczki membranowe
 Pęczki rur bimetalicznych ożebrowanych poprzecznie (duży stopieo rozwinięcia powierzchni ,
słaba sprawnośd przy omywaniu pęczka przez spaliny o dużej zawartości popiołu, odporne na
korozje)
Rys.11. Pęczki rur bimetalicznych z ożebrowaniem poprzecznym
Analiza obliczeo cieplnych kotła wyposażonego w nowe wkładki turbulizujące lub w nowe układy
pęczek rur, wykazały wzrost sprawności kotła. Jednak wiąże się z tym pewien spadek efektywności,
spowodowany wzrostem oporów przepływu. Ewentualne zastosowanie musi byd poprzedzone
gruntowną analizą techniczno- ekonomiczną.
182
Wnioski
W swojej pracy poruszyłem kwestie związane z intensyfikacją wymiany ciepła oraz przybliżyłem
niektóre z metod ich zastosowania. Jest to temat, nad którym prowadzone są liczne prace badawcze
na całym świecie. Jak wspomniałem we wstępie, rozwój nauki o wymianie ciepła jest ściśle związany
z rozwojem techniki w ogóle. Z tego powodu ważne jest aby mied podstawowe pojęcie o najnowszym
stanie wiedzy w tym zakresie.
Bibliografia
1. M. Jaworski, Seminarium ITC PW: „Problemy intensyfikacji wymiany ciepła”, Warszawa,
2007.
2. B. Staniszewski, „Wymiana ciepła, podstawy teoretyczne”, Paostwowe Wydawnictwo
Pedagogiczne, Warszawa, 1979.
3. A.E. Bergles, „ExHFT for fourth generation heat transfer technology”, Experimental Thermal
and Fluid Science, New York, 2001.
4. M. Pronobis, „Modernizacja kotłów energetycznych”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa, 2002.
5. S. Choi, “NANOFLUID TECHNOLOGY: CURRENT STATUS AND FUTURE RESEARCH”, the KoreaU.S. Technical Conference on Strategic Technologies, Vienna, 1999.
6. D. Piotrowski, “Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła”, seminarium
z wybranych zagadnieo z wymiany ciepła i masy, Politechnika Gdaoska, Gdaosk, 2007.
7. D.Reay, „The role of process intensification in cutting greenhouse gas emissions”, Applied
Thermal Engineering, Edinburgh, 2008.
8. W.Y. Lai, B. Duculescu, & P.E. Phelan, “A Review of Convective Heat Transfer with Nanofluids
for Electronics Packaging”, Arizona State University, Tempe, 2006.
183
SILNIKI TŁOKOWE CZTEROSUWOWE
Michał SZWAJEWSKI
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż. Roman Domaoski, ITC PW
Streszczenie
Silniki tłokowe są nieodzownym elementem współczesnego świata - zaczynając od silników
modelarskich mieszczących się w dłoniach, poprzez silniki wprawiające w ruch nasz pojazd do
ogromnych silników okrętowych. Taka różnorodnośd i rozrzut wielkości wymusił rozwój konstrukcji
silników tłokowych. Referat będzie traktował głównie o silnikach tłokowych czterosuwowych, gdyż
w ostatnich latach głównie ta konstrukcja była zainteresowaniem rozwoju inżynierów. Podział ten
wymusił odrzucenie z treści referatu zagadnienia silników okrętowych, które są silnikami głównie
dwusuwowymi. Rozpoczynając rozważania należy zacząd od przeanalizowania obiegów
teoretycznych, które dały zaczątek dla nowych konstrukcji. Przybliżyd należy obieg Otto realizowany
w silniku o zapłonie iskrowym, obieg Diesla w silniku o zapłonie samoczynnym oraz obieg Sabathe,
mieszany. Kolejnym krokiem do zrozumienia przemian zachodzących w silniku jest analiza obiegów
rzeczywistych i wyjaśnienie przyczyn takiego stanu rzeczy. Patrząc wstecz na rozwój konstrukcji
silników należy zauważyd, że głównym elementem zainteresowania inżynierów był układ zasilania
paliwem oraz system spalania. Wał korbowy i korbowód niewiele odbiega od pierwszych konstrukcji.
W mojej pracy chciałbym przybliżyd najnowsze osiągnięcia i technologie w dziedzinie silników
tłokowych.
I.
Pierwsze wynalazki
Pierwszą konstrukcją silnika tłokowego był silnik „wybuchowy” Christiana Huygensa 1673. Paliwem
wykorzystanym w tej maszynie był proch strzelniczy, który po wybuchu wytwarzał podciśnienie
wykorzystywane do ponoszenia ciężarów.
W 1860 roku J.J.E. Lenoir skonturował silnik gazowy o zapłonie iskrowym którego sprawnośd η= ok.
2-5%, moc 1 KM. Został on wyprodukowany w kilkuset egzemplarzach i zamontowany do napędu
pojazdu według własnej konstrukcji. Był to pierwowzór silnika z obiegiem Otto.
Następnie rok później Nikolaus Otto stworzył koncepcje cyklu 4-suwowego, aby w 1876 r. zbudowad taki silnik
o mocy 3 KM. Po zainicjowaniu myśli technicznej w dziedzinie silników rozwój konstrukcji zaczął rozwijad się
gwałtownie. W 1883 r. Gottlieb Daimler wspólnie z W. Maybachem zabudowali silnik benzynowy 4-suwowy
z zapłonem żarowym. Dwa lata później czyli w roku 1885 Daimler z Benzem skonstruowali trójkołowy pojazd
z silnikiem benzynowym jednocylindrowy.
W 1879 roku Rudolf Diesel tworzy koncepcje silnika o zapłonie samoczynnym i buduje silnik o pojemności
3
19,635 dm η=0,22 , 18KM. W 1892 otrzymuje patent „ Maszyna ze spalaniem o dużej sprawności”.
II.
Obiegi teoretyczne
Obiegi teoretyczne są obiegami wzorcowymi, służącymi do przedstawienia przemiany energii cieplnej w energię
mechaniczną. Są one zbudowane wyłącznie z przemian termodynamicznych, którym jest poddawany
184
niezmienny czynnik roboczy, znajdujący się w obiegu, czyli gaz doskonały. Obiegi teoretyczne możemy rozważad
przy przyjęciu założeo:
-ilośd czynnika w obiegu jest stała
-sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo
-przemiany odbywają się nieskooczenie powoli, przez co cały czynnik w przestrzeni roboczej pozostaje
w jednakowym stanie termodynamicznym
Po przyjęciu tych założeo możemy rozpocząd rozważad obiegi teoretyczne.
Obieg Otto –obieg teoretyczny z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości. Składa się z dwóch izochor
dostarczania 1-2 i odprowadzania ciepła 3-4. W tym obiegu wprowadza się taki parametr jak stopieo sprężania
. Sprawnośd teoretyczna obiegu wynosi:
Obieg Diesla- obieg z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu. Obieg składa się z izobary 1-2
doprowadzania ciepła, izochory 4-1 odprowadzania ciepła, oraz dwóch izentrop sprężania 1-2 i rozprężania 3-4.
Stopieo sprężania definiujemy podobnie jak w obiegu Otto, dodatkowo w obiegu Diesla mówimy również o
stopniu rozprężania:
Pomocne jest wprowadzenie współczynnika stopnia obciążenia , który wskazuje przy jakiej zmianie objętości
jest doprowadzanie ciepło:
Korzystając z powyższych zależności oraz z równad izentrop i izobary możemy wyprowadzid wzór na sprawnośd
teoretyczną obiegu Diesla.
Obieg Sabathe- obieg z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości i ciśnieniu. Jest to obieg który ma cechy
obiegu Otto jak i obiegu Diesla. Oprócz parametrów wprowadzonych w powyższych obiegach, wprowadza się
tutaj parametr izochorycznego przyrostu ciśnienia:
Korzystając z parametrów przyjętych powyżej wyprowadzamy wzór na sprawnośd teoretyczną obiegu Sabathe:
Powyższy wzór jest najogólniejszym wyrażeniem na sprawnośd. Po przyjęciu:
Φ=1 otrzymamy wzór na sprawnośd obiegu Otto
αv=1 otrzymamy wzór na sprawnośd obiegu Diesla
Analizując powyższe wzory na sprawnośd teoretyczną, przy założeniu jednakowego stopnia sprężania,
wyciągamy wniosek, że obieg Otto ma najwyższą sprawnośd teoretyczną.
Jak to się ma na przełożenie praktyczne?
Otóż technicznie rzecz ujmując lepiej rozpatrywad ten problem zakładając wspólna izentropę sprężania lub
rozprężania. W takim przypadku sprawnośd obiegu Diesla jest większa niż obiegu Otta. Obieg Diesla pracuje przy
większych sprężach. Dlaczego więc nie zastosowad takich w obiegu Otto?
Aby odpowiedzied na to pytanie należy zmienid tok myślenia i spojrzed na obiegu teoretyczne przez pryzmat
rzeczywistości. Dominujący wpływ na sprawnośd ma przebieg zjawisk fizykochemicznych, które składają się na
roboczy cykl silnika, a które nie są uwzględniane w obiegach teoretycznych.
III. Od pomysłu do urzeczywistnienia.
185
Patrząc na wykresy obiegów, potrzebny nam jest mechanizm umożliwiający cykliczną zmianę objętości
przestrzeni roboczej. Najpowszechniej stosowanym układem do tego celu jest tłok przemieszczający się
w cylindrze. Jego ruch postępowo-zwrotny jest zamieniany na ruch obrotowy wału za pomocą mechanizmu
korbowego. W obiegach teoretycznych do obiegu dostarczane było ciepło, nie było mowy o jego pochodzeniu.
W rzeczywistości w silniku tłokowym ciepło dostarczane jest przez proces spalania w przestrzeni roboczej .
Różnice miedzy kształtem wykresu teoretycznego i wykresu indykatorowego rzeczywistego silnika są szczególnie
widoczne w trzech elementach: podczas procesu spalania, w czasie procesu rozprężania oraz w fazie wymiany
ładunku. Te odchylenia obiegu rzeczywistego od obiegu teoretycznego są wywołane następującymi
zasadniczymi czynnikami:
-skooczona prędkośd spalania-podczas procesu wywiązywania się ciepła zmiana ciśnienia w cylindrze następuje
w wyniku zwiększania temperatury ładunku oraz równocześnie w wyniku ruchu tłoka.
-wymiana ciepła ze ściankami- strumieo ciepła wymieniony ze ściankami przestrzeni roboczej jest na tyle duży,
że ma istotny udział w ogólnym bilansie energetycznym silnika.
-wymiana ładunku- proces napełniania cylindra świeżym ładunkiem i opróżniania cylindra ze spalin jest
procesem dynamicznym, zależnym od bezwładności czynnika w przewodach dolotowych i wylotowych oraz od
oporów przepływu.
-inne czynniki- na przykład wymiana masy z otoczeniem, w praktyce nie da się zapewnid idealnej szczelności
przestrzeni roboczej.
Wszystkie te i ogrom innych czynników sprawiają, że obieg rzeczywisty silnika tłokowego jest procesem
ogromnie złożonym i każda próba jego teoretycznego opisu prowadzi do zbudowania modelu wielce
niedoskonałego.
a)Spalanie w silnikach tłokowych
Wyróżniamy dwa rodzaje silników z ZI zapłonem iskrowym, oraz ZS zapłonem samoczynnym. Obieg silnika
z zapłonem iskrowym realizuje obieg teoretyczny OTTO, natomiast z zapłonem samoczynnym obieg DIESLA.
Realizacja procesu spalania ZI
Mieszanka paliwowo-powietrza zostaje zassana do cylindra, następnie zostaje sprężona i za pomocą iskry
zostaje zapalona, przy czym jak wiadomo następuje to przy teoretycznej stałej objętości. Po tym następuje suw
pracy i wydechu.
Realizacja procesu spalania ZS
Do komory cylindra zostaje zassane samo powietrze, a nie jak w silniku z ZI mieszanka paliwowo-powietrzna.
Powietrze następnie zostaje sprężane, należy wiedzied, że ciśnienie w tym przypadku jest ponad dwukrotnie
większe niż w silniku o ZI. Przy koocu suwu sprężania zostaje wtryśnięte paliwo. Następuje samozapłon paliwa
i rozpoczyna się suw pracy a następnie wydechu.
Czynniki wpływające na proces spalania
Ruch ładunku w cylindrze jest jednym z głównych czynników wpływających na przebieg procesu spalania
w komorze spalania silnika. W cylindrach silników mogą występowad dwa rodzaje zawirowao makroskalowych:
- wir płaski- uporządkowana rotacja ładunku wokół osi cylindra. Zjawisko takie otrzymujemy po ukształtowaniu
przewodu dolotowego w taki sposób, aby ładunek skierowany był możliwie stycznie do ścianek cylindra, po
czym trwający sów dolotu rozciąga ten wir na całą długośd skoku tłoka. Wiry płaskie występują głównie
w konwencjonalnych silnikach o pojedynczych przewodach dolotowych.
-wir beczkowy- wytwarzany wokół osi prostopadłej do osi cylindra. Wiry beczkowe zaczęto powszechnie
stosowad w nowoczesnych silnikach o podwójnych zaworach dolotowych w cylindrze.
b)Systemy dolotowe ulegają bardzo często modyfikacji, gdyż seryjne silniki pozostawiają w tej sferze wiele
niedoskonałości wynikających z masowej produkcji jednostek. Indywidualni użytkownicy wykorzystują to
modyfikując systemy dolotowe według warunków użytkowania jednostek. Takim podstawowym zakresem
będzie zmniejszenie oporów przepływu powietrza dolotowego z wykorzystaniem elementów doładowania
186
dynamicznego czy bezwładnościowego, czyli bez użycia sprężarek. Podstawowym elementem jest zmniejszenie
oporów przepływu powietrza. Bardzo ważnym czynnikiem jest też dobór długości dolotu, a także jego
pojemności, przy czym ideałem byłaby zmienna zarówno długośd, jak i pojemnośd, co zastosowano już
w niektórych silnikach japooskich do motocykli i samochodów. W warunkach warsztatowych warto pokusid się
jedynie o dobór optymalnej długości dolotu , czyli dostosowanej do prędkości istotnych dla warunków
eksploatacyjnych danego pojazdu. Dobranie optymalnej pojemności dolotu jest sprawą trudną i warto jedynie
wiedzied, że turystyczno-sportowej charakterystyce silnika sprzyja raczej ta mniejsza pojemnośd, natomiast
stosowanie odpowiednio dobranej tak zwanej dodatkowej pojemności umożliwia bardziej ekonomiczną pracę
silnika. Oprócz dobrania długości i pojemności dolotu trzeba też zastosowad filtr powietrza o zmniejszonych
oporach przepływu, które to warunki spełniają te urządzenia ze specjalnej włókniny - filtry sportowe. Do celów
turystyczno-sportowych stosuje się wkłady do komory filtracyjnej, natomiast filtry stożkowe lub cylindryczne
typu x-tremum o jeszcze mniejszych oporach przepływu stosuje się raczej do sportu.
Ważnym elementem dynamizowania przepływu są strumienice dolotu.
Rezultatem działania strumienic jest znaczna poprawa elastyczności silnika z przesunięciem optymalnych
obrotów jego pracy o 1000-1500 obrotów niżej. Skutkuje to poprawą przyspieszeo i zdolności pokonywania
wzniesieo na wyższych przełożeniach przy odczuwalnie niższym zużyciu paliwa.
c) Silniki z doładowaniem
Doładowanie polega na wytworzeniu w przestrzeni roboczej zwiększonego ciśnienia w chwili rozpoczęcia
sprężania. Łatwo to dostrzec na wykresie obiegów teoretycznych. Przykładowo na obiegu teoretycznym
mieszanym widad, że doładowanie powoduje rozpoczęcie sprężania od ciśnienia p d wyższego od ciśnienia
atmosferycznego 1. To z kolei prowadzi do znacznie większych maksymalnych wartości ciśnienia i temperatury
w obiegu 3’. Doładowanie silnika powoduje więc przyrost pracy obiegu nawet po odliczeniu pracy zużytej na
wstępne sprężanie świeżego ładunku do ciśnienia pd. Celem doładowania jest uzyskanie większych mocy
z silnika przy nie zmienionej przestrzeni roboczej.
187
Patrząc na to ze strony technicznej chodzi nam o zwiększenie objętości powietrza dostarczonego do cylindra.
Przykładowo w silniku czterosuwowym o pojemności 1 litra przy 6000 obr/min, ruch tłoków pobiera 50 litrów
powietrza na sekundę. Dla uzyskania doładowania wydajnośd sprężarki musi przekraczad tę wartośd.
W praktyce stosowane są dwa rodzaje doładowania: mechaniczne oraz turbodoładowanie.
-doładowanie mechaniczne- w którym do zwiększenia ciśnienia początku sprężania w przestrzeni roboczej,
użyta jest cześd pracy wykonanej w tej przestrzeni.
Objaśnienie powyższego stwierdzenia zobrazuje na przykładzie sprężarki wyporowej. Sprężarki wyporowe to
sprężarki napędzane mechanicznie od wału korbowego silnika za pośrednictwem paska klinowego lub
zębatego. Najbardziej rozpowszechnione sprężarki wyporowe na rynku, to sprężarki typu ROOTS, lub ich
pochodne z wirnikami śrubowymi.
188
Sprężarka wyporowa typu Roots montowana w samochodzie Lancia Trevi
1.skrzynia korbowa
2.wirnik krzywkowy
Silnik Mercedesa Benza C200 i C230 Kompresor – wyposażony w sprężarkę krzywkową (Roots) firmy Eaton,
zmodyfikowana przez Mercedesa.
Sprężarka odśrodkowa
Sprężarka odśrodkowa, charakteryzuje się wyższą ogólną sprawnością od sprężarki wyporowej, wytwarza
ciśnienie proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej wirnika. Oznacza to, że w zasadzenie nie ma
ograniczeo w zakresie maksymalnego ciśnienia. Główną i decydującą jej wadą jest to, że mechanizm
189
napędzania wymaga dużych przełożeo przekładni, co wpływa na wysoki poziom hałasu. W przeszłości
stosowano je w silnikach lotniczych oraz samochodach wyścigowych.
Sprężarka łopatkowa
1-skrzynia korbowa
2-wirnik
3-łopatki
Sprężarka wyporowa G-Lader w wersji G-60 montowana przez firmę VW w modelu Corrado, napędzana
paskiem klinowym z wału korbowego.
-turbodoładowanie
Turbodoładowanie realizuje sprężarka odśrodkowa napędzana gazami spalinowymi- turbosprężarka. Sprężarka
ma na tej samej osi zamontowane dwa wirniki nie wymagające żadnego zewnętrznego napędu mechanicznego.
Turbina jest w stanie przekazad pewną moc tylko przy dużej prędkości obrotowej, stanowi to przyczynę pewnej
zwłoki, która była w starszych silnikach wyczuwalna tzw. Turbo dziura. Dziś istnieją już różne sposoby na
ograniczenie tej wady. Najlepszym z nich jest dobranie tak turbiny, aby mogła działad już przy małych
prędkościach obrotowych. Stosuje się też zmniejszenie średnic, co spowoduje mniejszą bezwładnośd wirnika.
190
Zabieg ten pociąga za sobą rezygnacje z wyższych ciśnieo przy dużej prędkości obrotowej. W ten sposób
podwyższa się przede wszystkim moment obrotowy, odpowiadający za elastycznośd jazdy. Układ dolotowy do
turbiny został wyposażony w zawór waste-gate, czyli przepustnicę spalin przed turbiną. Gdy ciśnienie
doładowania przekracza pożądane wartości, nadmiar powietrza zostaje usunięty. Współczesna elektronika
pozwala na precyzyjne sterowanie ciśnieniem doładowania wytworzonego przez sprężarkę.
Przykład silnika z turbosprężarką napędzaną gazami spalinowymi VOLVO 850 T-5
A-turbosprężarka B- zawór regulacyjny ciśnienie doładowania waste-gate 4- przepływomierz powietrza
5- czujnik temperatury silnika 9- czujnik spalania stukowego 23- zawór sterowania doładowaniem
Lancia Thema Turbo- przekrój turbosprężarki
191
Przekrój turbosprężarki TOYOTA podłączonej do układu smarowania i chłodzenia silnika
Koocząc zagadnienie dotyczące turbodoładowania, należy powiedzied o chłodzeniu międzystopniowym. Gdy
ciśnienie doładowania jest wysokie (na ogół 0,5 bar nadciśnienia użytecznego dla silników ZI oraz 1 bar dla
silników z ZS) sprężone gazy przed ich dostaniem się do cylindra przepływają przez intercooler. Efekt chłodzenia
jest dwojaki: zwiększa masę powietrza wprowadzanego do cylindrów i obniża jego temperaturę. Zmniejszenie
o
temperatury powietrza wpływającego do cylindrów o 10 C, powoduje wzrost mocy od 3,5% do 5%.
Układ doładowania z chłodzeniem pośrednim (intercooler) typu powietrze- powietrze Fiat Punto 1,4 turbo
Obieg czarny- obieg sprężonego powietrza Obieg biały – obieg zasysanego powietrza
2-obudowa przepustnicy 3-zawór biegu jałowego 4- elektrozawór trójdrożny 5-waste-gate, zawór regulacji
ciśnienia doładowania 6- intercooler 7- siłownik zaworu waste-gate 8-turbosprężarka 9- filtr powietrza 10czujnik temperatury kolektora dolotowego
W rozważaniach teoretycznych, które dotyczyły różnych obiegów silników tłokowych, nie narzucano
jakichkolwiek ograniczeo wartości parametrów obiegu. Przy realizacji praktycznej musimy już wziąd pod uwagę
192
możliwości techniczne realizacji obiegów. Temperatura maksymalna nie przekracza 3000K. Względy
konstrukcyjne określają maksymalne ciśnienie około 12 MPa. Obrazują te parametry poniższe wykresy. Do
praktycznego wykorzystania zostaje powierzchnia wewnątrz zakreskowanego obszaru.
d) geometria komory spalania:
-silników ZI
Kryterium nadrzędnym doboru komory spalania jest zapewnienie jak skuteczniejszego przebiegu procesu
spalania. Rozmieszczenie zaworów dolotowych oraz świecy zapłonowej z uwzględnieniem jej
najkorzystniejszego położenia, powoduje znaczne odchylenia kształtu komory od idealnego kulistego
charakteru. Ponadto musi uwzględniad ruch makroskopowy ładunku, turbulencje, warunki wymiany ciepła za
ściankami ładunku.
-komory półkoliste- umożliwiają uzyskanie szybkiego procesu spalania, zwłaszcza gdy uda się umieścid świecę
zapłonową na promieniu kuli.
-komory klinowe- zapewniają prawidłowy przebieg procesu spalania i nie wymagaja rozbudowanego układu
rozrządu.
-komory wanienkowe- wygodne z punktu konstrukcyjnego i technologicznego, są one umieszczone całkowicie
w głowicy, a ich główna oś pokrywa się z osią cylindra.
-komory umieszczone w tłoku- mają cechy komory półkolistej przy zmniejszonych komplikacjach konstrukcyjnotechnologicznych.
Ogólna tendencją jest umieszczanie świecy zapłonowej w pobliżu zaworu wylotowego. Ma to tę zaletę, że
ładunek zostaje spalony najpierw w okolicy gorącego zaworu wylotowego, co w innym przypadku mogłoby
prowadzid do niekontrolowanego zapłonu w tym rejonie.
-silników ZS
Od komór spalania silników z ZS wymaga się w szczególności skutecznego wymieszania paliwa z powietrzem,
oraz możliwe skrócenie okresu opóźnienia zapłonu. Komory spalania silników ZS dzieli się dwie grupy:
- komory jednoczęściowe - których objętośd tworzy jedną całośd, a dostarczanie paliwa odbywa się poprzez
wtrysk bezpośredni. Z reguły usytuowane są całkowicie w denku tłoka, a ich kształt dobrany stosownie do pola
przepływu i rodzaju wtryskiwanej strugi paliwa. W większości komory takie wymagają stosowania
wielootworowych rozpylaczy paliwa, wprowadzających do komory kilka strug paliwa podawanego przez
wtryskiwacz umieszczony zazwyczaj centralnie.
-komory dwuczęściowe- w których całkowita objętośd podzielona jest na dwie części, a wtrysk paliwa następuje
do jednej z nich. Stosowane w małych silnikach szybkoobrotowych. Komora wstępna zajmuje około 30%
całkowitej objętości komory spalania, połączona jest z komora główną kilkoma otworkami, ten typ komory był
stosowany przez firmę Mercedes. Komora wirowa zajmuje 50% objętości komory spalania, usytuowana jest na
brzegu komory głównej, połączona z nią stycznym kanałem. Ten typ komór stosowany był w silnikach ZS
produkowanych w UK, Francji i Japonii.
Wtrysk i początek spalania mają miejsce w komorze wstępnej lub wirowej, po czym paliwo wraz ze spalinami
przedostaje się do komory głównej, gdzie kontynuowany jest proces spalania. Duża koncentracja paliwa w małej
przestrzeni umożliwia łatwy zapłon przy małych obciążeniach i dużych prędkościach obrotowych. Komory
dwuczęściowe powodują większe straty ciepła i większe straty przepływu. Obecnie, wobec dużego postępu
w układach wtryskowych, komory dwuczęściowe nie są stosowane.
e)zasilanie i systemy spalania
Zasilanie wtryskowe silników ZI.
Mówiąc o wtrysku benzyny w silnikach ZI należy rozróżnid trzy zasadnicze systemy takiego zasilania silnika
w paliwo.
193
System wtrysku jednopunktowego to system, polegający na wtrysku paliwa do przewodu dolotowego za
pomocą wtryskiwacza umieszczonego w miejscu, gdzie kiedyś montowany był gaźnik. Dławienie przepływu
powietrza dokonuje się za pomocą przepustnicy w przewodzie dolotowym.
System wtrysku wielopunktowego to system, w którym każdemu cylindrowi odpowiada osobny
wtryskiwacz, umieszczony blisko przewodu dolotowego tego cylindra.
System wtrysku bezpośredniego, w tym systemie wtrysk paliwa następuje wprost do poszczególnych
cylindrów.
GDI- Gasoline Direct Injection , pol. Bezpośredni Wtrysk Benzyny
GDI jest jednym z wariantów wtrysku paliwa stosowanym w nowoczesnych dwu- i czterosuwowych silnikach
benzynowych. Benzyna pod wysokim ciśnieniem jest wtryskiwana bezpośrednio do komory spalania lub
wstępnej komory każdego cylindra, inaczej niż to się dzieje w konwencjonalnym silniku z wtryskiem
wielopunktowym, gdzie podanie mieszanki odbywa się podczas suwu ssania. GDI umożliwia spalanie ładunku
uwarstwionego (spalanie mieszanki ubogiej), co zmniejsza zużycie paliwa i utrzymuje poziom emisji cząsteczek
szkodliwych na niskim poziomie.
Koncern Mitsubishi jako pierwszy (1995 r.) seryjnie wprowadził silnik z bezpośrednim wtryskiem paliwa do
komory spalania. Twórcy silnika GDI z dumą podkreślają, że łączy on w sobie właściwości dwóch jednostek: dużą
moc benzynowej z wysokim momentem obrotowym, i małym zużyciem paliwa charakterystycznym dla silników
wysokoprężnych. Obliczyli, że w stosunku do konwencjonalnego silnika benzynowego GDI zużywa o 20% mniej
paliwa, o tyleż samo procent emituje mniej dwutlenku węgla i ma o 10% większą moc.
W GDI podczas suwu ssania powietrze jest doprowadzane do cylindra przez prawie pionowy kanał dolotowy,
"odbijając" się od specjalnie ukształtowanego denka tłoka zostaje silnie zawirowane. Gdy tłok przesuwa się do
GMP, wykonując suw sprężania, następuje wtrysk benzyny bezpośrednio do cylindra. W ten sposób utworzona
mieszanka zapalana jest od iskry elektrycznej świecy zapłonowej. Silne zawirowane powietrze łatwiej łączy się
z benzyną, tym samym spalana jest uboga mieszanka i silnik pracuje w cyklu oszczędnym. Prędkośd obrotowa
silnika jest kontrolowana przez engine management system(EMS) (pol. system zarządzania silnikiem), który
reguluje operacją wtrysku paliwa i czasem zapłonu, polepszając przepustowośd strugi powietrza przez
przepustnicę. Jeśli mocniej naciśniemy pedał gazu, system przestawi tryb pracy dla bardziej obciążonego silnika.
Rośnie wtedy zapotrzebowanie na paliwo, które wtryskiwane jest w dwóch porcjach; pierwsza już podczas suwu
ssania, natomiast druga jak w pierwszym przypadku, czyli podczas suwu sprężania. Ten sposób wtrysku
umożliwił podniesienie stopnia sprężania do 12,5 i tym samym uzyskanie większej mocy.
Dwa różne tryby pracy, zależnie od obciążenia silnika powodują, że podczas jednostajnej, spokojnej jazdy
spalamy ubogą mieszankę, oszczędzając paliwo, natomiast przy dynamicznej jeździe, dysponujemy większą
mocą silnika, ale spalamy więcej paliwa.
W silniku GDI zastosowano wiele interesujących rozwiązao technicznych, np. dwie pompy paliwa wysokociśnieniową (5 MPa) i niskociśnieniową do dostarczania paliwa tej wysokociśnieniowej, a także świece
zapłonowe z platynowymi elektrodami, które wymienia się dopiero po przejechaniu 90000 km. Ponad 200
nowych rozwiązao zastosowanych w silniku chronią patenty, najważniejsze z nich dotyczą: pionowego kanału
dolotowego powietrza, wysokociśnieniowej pompy paliwa, wysokociśnieniowego wtryskiwacza i kształtu denka
tłoka.
We wszystkich wymienionych wyżej sytuacjach chwilami rozpoczęcia wtrysku i czasem jego trwania steruje
układ elektroniczny według zadanej charakterystyki. Należy dodad, że coraz częściej poddaje się badaniom nowe
propozycje rozwiązao, które nie mieszczą się w powyższej klasyfikacji.
HCCI
Firma GM po raz pierwszy zademonstrowała proces spalania formalnie zwany HCCI (homogeneous charge
compression ignition – zapłon samoczynny mieszanki jednorodnej) w dwóch jeżdżących samochodach
prototypowych: w Saturnie Aura, model 2007, i w Oplu Vectra. W połączeniu z zaawansowanymi technikami
umożliwiającymi realizację tej metody, tj. wtryskiem bezpośrednim, elektryczną zmianą faz rozrządu, zmiennym
wzniosem zaworu i pomiarem ciśnienia w cylindrze, HCCI pozwala na 15-procentowe zmniejszenie zużycia
paliwa, spełniając równocześnie przyszłe normy emisji spalin. W koncepcji silnika zintegrowanego system HCCI
194
wraz z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi pozwala zbliżyd się do sprawności silnika
wysokoprężnego, jednakże bez konieczności stosowania kosztownych systemów usuwania tlenków azotu ze
spalin. Sprawnośd jest efektem spalania paliwa w niższych temperaturach i zmniejszenia strat energii cieplnej
w trakcie procesu spalania. W efekcie powstaje też mniej dwutlenku węgla, gdyż w trybie HCCI samochód ma
wyższą sprawnośd. Prototypowe samochody napędzane silnikiem HCCI – oparte na seryjnych modelach Saturna
Aura i Opla Vectra, napędzanych czterocylindrowym silnikiem Ecotec o pojemności 2,2 litra – jeżdżą tak jak
pojazdy z konwencjonalnym napędem, ale zużywają do 15% mniej paliwa w stosunku do porównywalnego
silnika z wtryskiem paliwa. Te nadające się do jazdy prototypy są jednymi z pierwszych namacalnych przykładów
zastosowania techniki HCCI poza laboratorium. HCCI, wtrysk bezpośredni, zmienne fazy rozrządu i regulowany
wznios zaworu oraz system Active Fuel Mangement prowadzą do lepszego wykorzystania paliwa i poprawy
osiągów naszych silników o spalaniu wewnętrznym.
Najważniejsze cechy systemu HCCI to:
•Sprawnośd podobna jak w silniku wysokoprężnym przy zdecydowanie niższych kosztach oczyszczania spalin.
•Wykorzystanie sprawdzonych układów bezpośredniego wtrysku benzyny i regulacji faz rozrządu oraz wzniosu
zaworu.
•Możliwośd dostosowania do konwencjonalnych konstrukcji silników benzynowych.
•Wymaga tylko standardowego samochodowego systemu oczyszczania spalin.
•Zasilanie wszystkimi dostępnymi w handlu rodzajami benzyny i paliwa etanolowego E85.
Działanie systemu HCCI
W silniku HCCI zapłon mieszanki paliwa z powietrzem następuje poprzez jej sprężenie w cylindrze.
W przeciwieostwie do silników z zapłonem iskrowym lub samoczynnym, w silniku HCCI wyzwolenie energii
odbywa się w niskotemperaturowym, bezpłomieniowym procesie, obejmującym całą komorę spalania. Całe
paliwo w komorze spala się równocześnie. W efekcie wytwarzana moc jest podobna do dostępnej we
współczesnych silnikach spalinowych, jednak potrzebne jest do tego mniej paliwa.
Czynnikiem niezbędnym do zainicjowania procesu HCCI jest ciepło, dlatego przy uruchamianiu zimnego
silnika stosowany jest tradycyjny zapłon iskrowy, wytwarzający ciepło w cylindrach i pozwalający szybko nagrzad
katalizator, by następnie przejśd na tryb HCCI. Przy pracy w systemie HCCI mieszanka jest stosunkowo uboga, co
oznacza, że ma większą procentową zawartośd powietrza. Dzięki pracy na ubogiej mieszance system HCCI
podnosi sprawnośd silnika do poziomu silników wysokoprężnych, ale w przeciwieostwie do nich tutaj do
oczyszczenia spalin wystarczają standardowe układy powszechnie stosowane w samochodach. W silnikach
wysooprężnych konieczne jest stosowanie bardziej skomplikowanych i droższych rozwiązao zmniejszających
poziom emisji spalin.
System HCCI wykorzystuje integrację innych zaawansowanych konstrukcji stosowanych w silnikach –
niektóre z nich są już produkowane i mogą byd zaadaptowane do istniejących silników benzynowych. Stopieo
sprężania jest zbliżony do stosowanego w konwencjonalnych silnikach benzynowych z wtryskiem bezpośrednim
i ma wartośd właściwą dla wszystkich dostępnych w handlu typów benzyny i paliw E85.
GM zademonstrowała adaptację systemu HCCI do jeżdżących samochodów prototypowych, opartych na
konstrukcji konwencjonalnych, seryjnie produkowanych modeli Saturn Aura i Opel Vectra. Aura posiada
automatyczną skrzynię biegów, a przeznaczona na rynek europejski Vectra – manualną.
Oba samochody są napędzane 2,2-litrowym silnikiem Ecotec (180 KM, moment obrotowy 230 Nm)
z centralnym wtryskiem bezpośrednim, regulowanym wzniosem zaworów wlotowych i wylotowych, podwójnym
elektrycznym mechanizmem zmiany faz rozrządu i przetwornikami ciśnienia w poszczególnych cylindrach, co
pozwala kontrolowad przebieg spalania i zapewnia płynne przejście od jednego trybu spalania do drugiego.
Wyrafinowany sterownik, wykorzystujący czujniki ciśnienia w cylindrach i opracowane w GM algorytmy
sterujące, kieruje procesem spalania HCCI oraz przejściem pomiędzy spalaniem HCCI a konwencjonalnym
spalaniem inicjowanym iskrą. W zademonstrowanych prototypach przejście od jednego procesu spalania do
drugiego jest wyczuwalne, ale w wersjach produkcyjnych ma się ono odbywad niezauważalnie podczas jazdy,
podobnie jak odłączanie cylindrów przez skonstruowany w GM system Active Fuel Management.
195
Obecnie prototypy demonstracyjne GM mogą korzystad z trybu HCCI do prędkości około 90 km/h, a przy
szybszej jeździe oraz przy dużych obciążeniach silnika przechodzą na zapłon iskrowy. Przewiduje się, że po
udoskonaleniu systemu sterowania i konstrukcji silnika zakres pracy w trybie HCCI ulegnie poszerzeniu.
Zasilanie wtryskowe silników ZS
Zaostrzające się przepisy dotyczące emisji toksycznych składników spalin oraz wymagania dużej sprawności
stawiają coraz większe wymagania dla układów wtryskowych silników ZS. Regulacja obciążenia i prędkości
obrotowej silnika ZS polega na dozowaniu ilości paliwa bez dławienia przepływu zasysanego powietrza.
Rzędowe pompy wtryskowe mają odrębną dla każdego cylindra parę precyzyjną składającą się z cylinderka
i tłoczka. Tłoczek poruszany jest przez napędzany od silnika wałek krzywkowy w kierunku tłoczka, a cofany przez
sprężynę powrotną.
Rozdzielaczowe pompy wtryskowe mają mechaniczny regulator prędkości obrotowej lub regulator
elektroniczny z wbudowanym przestawiaczem wtrysku. Mają tylko jedną parę precyzyjną, wytwarzającą
wysokie ciśnienie dla wszystkich cylindrów.
Indywidualne zespoły wtryskowe (PF) nie mają własnego wałka krzywkowego, podstawowa ich zasada jest
taka jak rzędowych pomp wtryskowych . Wielkośd dawki ustalana przez regulator jest realizowana za pomocą
mechanizmu cięgnowego.
Common Rail (w wolnym tłumaczeniu: wspólna szyna) - nowoczesna wersja systemu bezpośredniego
wtrysku paliwa w silnikach wysokoprężnych. W tradycyjnym układzie wtrysku paliwa w tych silnikach, pompa
sekcyjna wytwarza tylko w określonych dla poszczególnych cylindrów momentach ciśnienie, które otwiera
wtryskiwacz i paliwo zostaje rozpylone w cylindrze lub komorze spalania. Ten system wymaga korektora dawki
paliwa (przy pompie sekcyjnej), gdyż dawka paliwa rośnie w funkcji obrotów (bez tego silnik charakteryzowałby
się niestatecznością obrotów). Nowszym rozwiązaniem jest pompa rozdzielaczowa, nie wymagająca już
korektora dawki. W systemie Common Rail pompa wytwarza cały czas ciśnienie, akumulator ciśnienia
wyrównuje ciśnienie, zaś wtryskiwacze otwierane są elektronicznie. W systemie tym wtrysk odbywa się pod
znacznie wyższym ciśnieniem (nawet o około 10 razy wyższym niż ma to miejsce w klasycznych układach
wtryskowych).
Idea zasilania ze wspólnego zbiornika (nazywano to systemem akumulatorowym) była znana od dawna.
Jednakże silnik wysokoprężny z klasycznym układem wtrysku charakteryzował się niestatecznością obrotów dawka paliwa rosła w nim w miarę wzrostu obrotów - co sprawiało, iż system ten sprawdzał się jedynie do
silników stacjonarnych o stałych obrotach (np. do zasilania generatora prądotwórczego). Dopiero rozwój
elektroniki umożliwił praktyczne wykorzystanie systemu akumulatorowego nazwanego Common Rail.
Sterowanie elektroniczne oraz szybkie otwieranie i zamykanie wtryskiwacza (znikomy czas zwłoki) pozwala
na podział dawki paliwa na 3 etapy: dawka pilotująca, dawka właściwa oraz dawka dopalająca. W kolejnych
generacjach silnika Common Rail jak np. MultiJet Fiata liczba etapów wtrysku może byd większa niż 3 i nie musi
byd stała - może się zmieniad w zależności od takich czynników jak obciążenie silnika, obroty itp.
196
Silniki Common Rail charakteryzują się:
* lepszym spalaniem paliwa,
* wysoką sprawnością termodynamiczną,
* mniejszym wydzielaniem ciepła,
* mniejszym hałasem,
* mniejszą emisją spalin,
* łatwością uzyskania wysokich parametrów użytkowych (moc, moment obrotowy).
Wiele wspomnianych zalet wynika z podziału dawki paliwa na kilka etapów. Ponieważ wszystkie rodzaje paliw
do silników wysokoprężnych charakteryzują się tzw. zwłoką zapłonu - zastosowanie małej dawki pilotażowej
przed GMP pozwala na podanie dawki właściwej w obszar zapłonu dawki pilotażowej - przez co praca silnika jest
bardziej miękka i cicha - przy zachowaniu wysokiej sprawności termodynamicznej silnika.
Silniki zasilane systemem Common Rail (lub też pompowtryskiwaczami) wymagają dobrej jakości oleju
napędowego, wtryskiwacze pracują pod dużym ciśnieniem, każde zanieczyszczenie paliwa może przyczynid się
do powstania uszkodzeo.
Silniki Common Rail zostały po raz pierwszy zastosowane w aucie osobowym przez Fiata w modelach Alfa
Romeo w 1997 roku, a technologia jest powszechnie używana przez Fiata pod nazwą JTD oraz MultiJet.
Różni ich nie tylko oznaczenie producenta (JTD, HDI, DCI, CDI, TDCI, CRDI, CDTI, CTDI czy TDI w modelach
koncernu VW, który również zdecydował się na stosowanie systemu CR, także w jednostkach skonstruowanych
jako silniki z pompowtryskiwaczami, np. 2.0TDI), ale także generacja systemu. Obecnie najpowszechniej
stosowany jest system Common Rail tzw. II generacji. Charakteryzuje się on ciśnieniem 1600 bar
i wielofazowością wtrysku (do 7 faz, najczęściej 5). Powoli wchodzi do sprzedaży III generacja systemu zasilania
CR, jednak obecnie (maj 2007) jeszcze rzadko stosowany (np. Audi w silniku 3.0 TDI - silnik ten jako pierwszy
z grupy VW nie wykorzystuje pompowtryskiwaczy ze względu na twardą pracę i wysoki poziom hałasu oraz
niższą kulturą pracy jednostek zasilanych za pomocą pompowtryskiwaczy potocznie oznaczanych jako TDI-PD,
Renault 2.0dCi 175KM a także 1.5 dCi 105KM, silnik koncernu PSA 1.6 (HDI, TDCI czy D - takie oznaczenie
stosuje Volvo)). Również firma Toyota opracowała zaawansowany silnik oznaczony D4D. I generacja CR już jest
praktycznie niestosowana w nowych samochodach osobowych. Jednak na rynku wtórnym powszechnie spotyka
się silniki ZS zasilane tym systemem. Charakteryzuje się on ciśnieniem wtrysku rzędu 1350 bar.
Common-Rail Direct Injection - CDI - osobliwością nowych silników CDI firmy Daimler-Benz jest tak zwany
wtrysk pilotowy. Następuje on na ułamek sekundy przed właściwym wtryskiem głównym, a jego zadaniem jest
wstępne nagrzanie przestrzeni spalania. Dzięki temu następuje szybszy zapłon paliwa, co pociąga za sobą
powolniejszy wzrost ciśnienia i temperatury. Wpływa to korzystnie na poziom hałasu przy spalaniu. Dzięki
wtryskowi pilotowemu poziom hałasu nowych silników CDI kształtuje się znacznie poniżej wartości dla
porównywalnych silników wysokoprężnych z bezpośrednim wtryskiem, a nawet poniżej wartości dla dzisiejszych
silników z komorą wstępna.
f) Mechanizm Rozrządu
We współczesnych czterosuwowych silnikach spalinowych stosuje się rozrząd górnozaworowy, czyli zawory
umieszczone są w głowicy silnika OHC( Over Head Camschaft). Wałek rozrządu napędzany jest za pomocą
zębatego paska lub łaocuchem. Należy nadmienid, że łaocuch był stosowany do jednostek o większej mocy.
Powszechnie używanym rozwiązaniem konstrukcyjnym jest zastosowanie podwójnego wałka rozrządu DOHCDouble Over Head Camshaft.
197
Konstrukcja silnika DOHC, umożliwia zmiany fazy rozrządu,
w zależności od prędkości obrotowej. Zawory umieszczone są pod kątem naprzeciw siebie, dają tym samym
większą swobodę w kształtowaniu komory spalania. Silnik DOHC umożliwia także zwiększenie ilości zaworów
przypadających na cylinder, co wpływa na powiększenie sprawności napełniania cylindra i umożliwia uzyskanie
wyższego stopnia sprężania i zmniejszenie oporów przepływu. Wadą tego rozwiązania jest możliwośd
rozsynchronizowania wałków (np. wskutek pęknięcia łaocucha/paska rozrządu), czego konsekwencją może byd
zniszczenie głowicy silnika. Ponadto często obserwuje się zwiększone zużycie oleju silnikowego, zwłaszcza przy
dużych przebiegach.
MiVEC- Mitsubishi Innovation Valve timing and lift electronic Control system- silnik DOHC z elektronicznie
sterowanym systemem zmiennych faz rozrządu, które zaprojektowano w Japonii, a produkcję uruchomiono
w nowych zakładach Mitsubishi Motors Corporation. Zmniejsza się przez to zużycie paliwa i poprawia się
dynamika silnika, gdyż zawory otwierają się bez opóźnieo. Stosowany obecnie m.in. w modelu Lancer Evolution
IX.
Ti-VCT-Twin Independent Variable Camshaft Timing- system zmiennych faz rozrządu wprowadzony przez firmę
Ford, w którym niezależnie od siebie steruje się położeniem wałków rozrządu dla zaworów dolotowych
i wylotowych. Powoduje to zmianę położenia momentów otwarcia i zamknięcia zaworów w stosunku do
położenia wału korbowego. Zastosowanie tego systemu w silniku poprawia charakterystykę momentu
obrotowego na niskich obrotach, zwiększa moc i redukuje zużycie paliwa.
Dla każdego cylindra silnika pracują sekcje złożone co najmniej z dwóch zaworów (dolotowego i wylotowego),
coraz częściej trzech, czterech lub pięciu oraz ich napędów, umożliwiających otwarcie zaworów przy
odpowiednim położeniu tłoka w cylindrze. Konstrukcja silnika i jego szybkobieżnośd decydują o rodzaju
zastosowanego mechanizmu. Jednym z kryteriów jest koniecznośd ograniczenia do minimum wpływu
bezwładności elementów ruchomych na precyzję otwarcia zaworów.
198
T-Jet- rodzina turbodoładowanych, rzędowych, czterocylindrowych silników benzynowych o rozrządzie DOHC i 4
zaworami na cylinder produkowanych przez koncern samochodowy Fiat. Silniki T-Jet mają pojemnośd 1,4 l.
Słabszy ma 120 KM, natomiast mocniejszy - 150 KM oraz funkcję Overboost która przy nagłym, dużym otwarciu
przepustnicy chwilowo dopuszcza zwiększone ciśnienie turbodoładowania. Gama silników T-Jet weszła do
produkcji w 2007 r. W planach jest także wersja o mocy 180 KM, taki silnik ma byd montowany w Fiacie Grande
Punto Abarth SS. Wkrótce do produkcji wejdzie także turbodoładowany silnik 1.8 tej serii.
VTEC- Variable valve Timing and lift Electronic Control system- system kontroluje czas i wznios zaworów
w zależności od obrotów silnika, stopnia otwarcia przepustnicy. Wałki rozrządu mają po jednej "zwykłej"
krzywce dla każdego zaworu silnika, dodatkowo dla każdej pary zaworów występuje dodatkowa krzywka
o "większym" profilu. Po przekroczeniu danego zakresu obrotów i przy spełnionych podstawowych warunkach
(właściwa temperatura i poziom oleju) system przełącza sterowanie zaworami na krzywki wałków rozrządu
o dłuższym czasie otwarcia i większym wzniosie. Najnowszym produktem Hondy jest silnik i-VTEC, który
dodatkowo steruje wyprzedzeniem wałka ssącego (VTC). System VTEC jako pierwsza zastosowała Honda. Do
dziś firma Honda specjalizuje się w systemie zmiennych faz rozrządu i jest w tej kategorii motoryzacji na
1 miejscu w świecie. System VTEC włącza się przy 5200 obr./min i właśnie wtedy odczuwalny jest tzw. "kop" jeśli
chodzi o przyspieszenie.
Valvetronic- jest to system sterowania zmiennym skokiem zaworu ssącego w rozrządzie silników benzynowych
stosowany w samochodach BMW. W systemie 'Valvetronic' wielkośd zasysanego ładunku nie jest regulowana
przepustnicą, lecz jest regulowana przez zmienny skok zaworu ssącego. Zakres regulacji skoku zaworu wynosi od
0,25 mm do 9,8 mm. W ten sposób zawory ssące przejmują funkcję przepustnicy, która wprawdzie nadal jest
montowana, lecz jest stosowana tylko w szczególnych przypadkach. Ustawianie skoku zaworu ssącego jest
uzupełnieniem układu płynnej regulacji faz rozrządu, zwanego przez BMW jako system VANOS (niem. Variable
Nocken-Steuerung). System ten znany jest z różnych jednostek napędowych marki BMW i umożliwia osiąganie
wysokiego momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych silnika.
16V
Każdy kierowca widząc ten znaczek na tyle samochodu wie z jakim autem ma do czynienia. Krótko mówiąc
4 zawory na cylinder. Konstrukcję tą zaczęto stosowad od późnych lat 80. Rozwiązanie Multi-valve, pozwala
zmniejszyd opory ssania i wydechu, a co za tym idzie zwiększyd moc i osiągi. 4 zawory na cylinder mają nieco
bardziej wysokoobrotową charakterystykę. W źródle napisano, że niekorzystnie wpływa to na ekonomikę jazdy
przy niskich obrotach, ale po co kupowad auto 16V i jeździd na niskich obrotach. To zagadnienie pozostawiam do
rozważenia i nie będę się poruszał go w dalszej części referatu.
g) Układy wydechowe
System recyrkulacji spalin (EGR–(en)Exhaust Gas Recirculation) – jeden z kilku stosowanych systemów
oczyszczania spalin powszechnie stosowany w nowoczesnych pojazdach z silnikami spalinowymi tłokowymi.
Zasada działania układu polega na ponownym wprowadzaniu do komory spalania pewnej ilości spalin.
Zastosowanie takiego rozwiązania powoduje:
* przyspieszenie odparowania paliwa (poprzez jego podgrzanie)
* obniżenie temperatury spalania ubogiej mieszanki paliwowo-powietrznej
199
* utlenienie pozostałych w spalinach niespalonych węglowodorów (HC)
Skutkiem działania układu jest obniżenie emisji tlenków azotu (NOx) – spowodowane obniżeniem
temperatury spalania ubogiej mieszanki oraz obniżenie emisji HC poprzez ich utlenienie.
Do optymalnej pracy systemu niezbędne jest odpowiednie dawkowanie ilości spalin dostarczanych do
komory spalania, które jest zależne od aktualnego obciążenia silnika (możliwości zubożenia mieszanki).
W silnikach o zapłonie iskrowym z powrotem wprowadza się do 25% objętości spalin o temperaturze blisko
650°C. Natomiast w silnikach o zapłonie samoczynnym objętośd ta wynosi do 50%, a temperatura jest
ograniczana do 400–450°C. W związku z tym wymagane bywa stosowanie dodatkowej chłodnicy spalin. W celu
osiągnięcia zadanych parametrów system współpracuje z układem wtryskowym oraz zapłonowym, a także
wykorzystuje odczyty z sond tlenu oraz czujników temperatury.
Występują dwa rodzaje rozwiązao konstrukcji systemów EGR
* rozwiązania wykorzystujące recyrkulację wewnętrzną – w trakcie suwu ssania opóźnione zostaje
zamknięcie zaworów wylotowych, przy pozostawieniu otwartych zaworów dolotowych. Takie rozwiązanie
powoduje pozostanie części spalin w komorze spalania, jednakże wymaga zastosowania zaawansowanych
rozwiązao konstrukcyjnych układu rozrządu oraz jest mniej skuteczne od układów zewnętrznych. Dlatego
rozwiązania takie występują w silnikach, dla których ważne jest utrzymanie parametrów zewnętrznych pracy
(silniki szybkoobrotowe i wysilone). Rozwiązanie z wewnętrzną recyrkulacją spalin jest też stosowane w
dwusuwowych, wolnoobrotowych silnikach wielkiej mocy (silniki okrętowe czy stacjonarne generatory prądu).
Zabieg podnosi energię spalin, obniżający emisję NOx oraz niedopalonych węglowodorów. Zastosowany tam
zabieg konstrukcyjny polega na zmniejszeniu przekroju okien dolotowych a tym samym zmniejszeniu ilości
powietrza przepłukującego.
* zewnętrzne układy recyrkulacji – spaliny pobierane są z kolektora wylotowego, a następnie kierowane do
układu ssącego. Za odpowiednie dawkowanie odpowiedzialny jest zawór recyrkulacji. Nowoczesne zawory
wyposażone są w czujnik temperatury oraz układy określające ich stopieo otwarcia.
Wnioski
Jak widzimy zagadnienia techniczne w silnikach tłokowych nie zostały jeszcze rozwiązane. Producenci cały
czas udoskonalają swoje jednostki lub wprowadzają nowatorskie rozwiązania. Rynek silników tłokowych daje
pole do działania przyszłej kadry inżynierskiej.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
200
Rychter T., Teodorczyk A.: Teoria silników tłokowych, WKiŁ 2006
Staniszewski B.: Termodynamika, PWN 1982
www.gm-press.com
www.wikipedia.de
www.wikipedia.pl
GENERATORY MAGNETOHYDRODYNAMICZNE.
Anna TRENDEWICZ
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Jan Szymczyk, ITC PW
Streszczenie
W poniższym artykule zaprezentowana zostanie technologia magnetohydrodynamiczna, zasada
działania generatorów MHD, przykłady zastosowania tej technologii, przy czym wskazane zostaną jej
zalety oraz problemy technologiczne z nią związane. Zaprezentowane zostaną również perspektywy
zastosowania tych generatorów w przyszłości.
Wstęp
Obecnie dążymy do podniesienia sprawności przetwarzania energii pierwotnej na energię
elektryczną. Jednym ze sposobów jest skrócenie łaocucha przemian energetycznych przez
stosowanie tak zwanych urządzeo bezpośredniej przemiany, do których należą między innymi
generatory magnetohydrodynamiczne zamieniające energię cieplną na elektryczną. Generatory MHD
nie są konkurencją dla klasycznych elektrowni, mogą byd ich uzupełnieniem poprawiającym
sprawnośd. Sprawnośd elektrowni z generatorem MHD wynosiłaby 50-60%.
Zasada działania generatora MHD.
Działanie generatora MHD jest oparte na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Na ładunki
elektryczne poruszające się w polu magnetycznym działa siła Lorenza, która powoduje ruch
elektronów w kierunku jednej elektrody, a jonów dodatnich w kierunku drugiej, przez co powstaje
różnica potencjałów między elektrodami. W przypadku, gdy obwód jest zamknięty, nastąpi przepływ
prądu.
Koncepcja elektrowni MHD-parowej.
Sprawnośd generatora MHD może sięgad 30% ze względu na wysoką temperaturę spalin
opuszczających jego kanał. Ciepło to można wykorzystad na przykład do produkcji pary dla elektrowni
konwencjonalnej lub w układach gazowo-parowych.
Schemat elektrowni MHD-parowej widoczny jest poniżej. Obok schematu przedstawione są
procesy termodynamiczne idealne w elektrowni MHD-parowej na wykresie T-s. Sprawnośd takiego
układu zależy od sprawności generatora MHD i sprawności elektrowni parowej. Na przykład, jeśli
sprawnośd elektrowni parowej wynosi 40% a sprawnośd generatora MHD 25% to sprawnośd układu
wyniesie n =0,25+(1-0,25)*0,4=0,55=55%.
Przykładem takiego układu może byd elektrownia w Riazaniu.. Paliwo- gaz ziemny, moc generatora
MHD-250 MW, moc turbiny parowej-300MW, sprawnośd układu-50%. (parametry pary-p=25MPa,
t=545/545 C).
201
Projekt układu MHD-turbina gazowa.
W Rosyjskim Centrum Badawczym-Instytucie Kurczatowa opracowano projekt układu MHD-turbina
gazowa. Zaprojektowano elektrownię, której masa i wymiary pozwalają na jej instalację na
platformach morskich. Ma ona moc 16 GW, sprawnośd 58%. Energia elektryczna jest przesyłana
podwodną linią kablową. Według koncepcji, konwersja energii chemicznej na elektryczną na miejscu
wydobycia i jej przesył są bardziej opłacalne niż przesył gazu.
Koncepcja układu MHD-gazowo-parowego z koncentratorem słonecznym.
Inną ciekawą koncepcją jest układ MHD-gazowo-parowy, dla którego źródłem ciepła będzie
promieniowanie słoneczne. Możliwości technologiczne pokazują, ze realna jest konwersja
promieniowania słonecznego na ciepło o temperaturze 2000K ze sprawnością 90%. Koncentrator taki
pełniłby rolę komory spalania. Sprawności układów MHD-gazowo-parowych są szacowane na 70%.
Perspektywy rozwoju technologii i przyszłe zastosowania.
Obecnie rozważa się również zastosowanie generatorów MHD w układzie, w którym źródło ciepła
stanowi reaktor jądrowy, do generacji energii elektrycznej na promach kosmicznych ze względu na
jego wysoką sprawnośd, prostą konstrukcję i dużą gęstośd mocy, co przyczynia się do mniejszych
rozmiarów i masy układu.
System taki może osiągnąd sprawnośd na poziomie 55%. Na sprawnośd tą wpływają głównie: ilośd
stopni sprężania, sprawnośd wymiennika regeneracyjnego i temperatura oddawania ciepła do
otoczenia. Ważną rolę odgrywa tutaj masa układu i trzeba ją brad pod uwagę przy projektowaniu
statku kosmicznego.
Interesująca wydaje się również koncepcja elektrowni MHD-jądrowej. Składałaby się ona z reaktora
jądrowego, generatora MHD, turbiny gazowej pracującej w obiegu zamkniętym z helem i turbiny
parowej. Sprawnośd takiego układu wynosi 70%. Na chwilę obecną jest to projekt wyłącznie
teoretyczny.
Wnioski
Główną zaletą układów z członem MHD, która czyni je atrakcyjnymi, jest brak ruchomych części,
który pozwala generatorowi MHD na pracę przy znacznie wyższych temperaturach niż inne systemy
generacji, co przyczynia się do podwyższenia sprawności, a tym samym zmniejszenia zużycia paliwa i
emisji zanieczyszczeo (elektrownie z generatorami MHD 2,5 raza mniej zanieczyszczają środowisko).
202
Kolejną zaletą członów MHD jest możliwośd ich szybkiego włączenia i wyłączenia co sprawia, że mogą
one pracowad jako instalacje szczytowe i podszczytowe. Ponadto elektrownie z generatorami MHD
potrzebują 1,5 raza mniej wody od elektrowni konwencjonalnych.
Niestety istnieją również poważne wady technologiczne, które spowodowały, że nie nastąpiła
komercjalizacja tej technologii. Mowa tu o problemach związanych z chłodzeniem nadprzewodzących
magnesów znajdujących się w pobliżu gorących gazów, jak również problemach związanych
z opracowaniem materiałów o długiej wytrzymałości na wysokie temperatury,
wysokotemperaturowych wymiennikach ciepła oraz opłacalnym odzysku posiewu.
Na chwilę obecną układy z członem MHD to projekty teoretyczne i ich wprowadzenie w życie
będzie zależed od rozwoju technologii MHD i aspektów ekonomicznych.
Bibliografia
1. Generatory magnetohydrodynamiczne. Wyższa wydajnośd MHD, dr Mariusz Filipowicz (Nafta
& Gaz Biznes – wrzesieo 2004)
2.
Urządzenia bezpośredniej przemiany energii pierwotnej w elektryczną, prof. nzw. dr hab. inż. Józef
Paska, artykuł z czasopisma Energetyka, sierpieo 2006
3. Elektrownie, Damazy Laudyn, Maciej Pawlik, Franciszek Strzelczyk, WNT, Warszawa 2000
4. Closed cycle MHD Power generation system driver by nu clear reactor for space exploration,
dept. Electrical Engineering, Nagaoka University of Technology, 2004
5. Vapor-Gas Core Nuclear Power Systems with Superconducting Magnets, Samim Anghaie,
6. Innovative Nuclear Space Power & Propulsion Institute, University of Florida 2002
203
ZASILANIE AWARYJNE OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH I UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ
Kamil Wiśniewski
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Jacek Szymczyk, ITC PW
Streszczenie
Artykuł ukazuje problematykę projektowania zasilania awaryjnego dla obiektów przemysłowych
i użyteczności publicznej. Przedstawia jak powinno się dobierad rodzaje zasilania i jakich systemów
używad aby zapewnid bezpieczeostwo dostaw energii dla kluczowych odbiorników w obiektach.
Również ukazuje, które odbiorniki muszą byd zabezpieczane dodatkowym zasilaniem. Artykuł ukazuje
też jak obliczyd zapotrzebowanie mocowe danego obiektu.
Definicja zasilania awaryjnego
Jest to taka cześd systemu zasilania, która zabezpiecza ciągłośd dostaw energii elektrycznej dla
wyselekcjonowanej części odbiorników.
Przedstawienie różnych rodzajów zasilania awaryjnego
Zasilanie awaryjne można podzielid na parę różnych kategorii.
Ze względu na moc
1. małych mocy - do 50kW
Rysunek 11. GE 8031i06.30
2. średnich mocy - od 50kW do 500MW
Rysunek 12. GE CURSOR 400E
204
3. dużych mocy – od 500kW
Rysunek 13. GE VECTOR 720E
Wady i zalety poszczególnych typów zasilania awaryjnego
Do ogólnych zalet zasilania awaryjnego na pewno trzeba zaliczyd bezpieczeostwo dostaw energii do
kluczowych odbiorników. Wiąże się z tym możliwośd zabezpieczenia przed stratami spowodowanymi
brakiem tej energii
Dobór zasilania awaryjnego do obiektu
Na dobór zasilania ma wpływ wiele czynników takich jak: rodzaj odbiorników, ich pobór mocy,
prawdopodobieostwo zapotrzebowania na zasilanie awaryjne, ilośd miejsca na zasilanie awaryjne,
możliwości rynkowe itp.
Instalacja zasilania awaryjnego
Problem ten dotyczy głównie obiektów już istniejących, w których potrzeba rezerwowania mocy
z przyczyn różnych uległa zwiększeniu, a dotychczasowy sprzęt nie jest w stanie zaspokoid tych
potrzeb, jednak prawidłowa instalacja w obiektach nowobudowanych jest równie istotna.
Eksploatacja zasilania awaryjnego
Jak każde urządzenie wymaga odpowiedniego serwisu, aby zapewnid 100% sprawnośd. W zależności
od wybranego typu zasilania awaryjnego jego serwisowanie wymaga innych działao i środków
finansowych.
Wnioski
Zasilanie awaryjne w dzisiejszych czasach jest potrzebnym elementem układu zasilania aby zabezpieczyd życie
i zdrowie ludzkie jak również mienie. Nie bez znaczenia są korzyści płynące z ciągłości procesów zachodzących
w obiektach zabezpieczanych przez takie instalacje.
Bibliografia
1.
2.
3.
praca zbiorowa ”elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków” WNT Warszawa 2007
doświadczenie zdobyte w firmie TEZANA
Portal internetowy firmy MEDCOM [http://www.medcom.com.pl/index.php]
205
ANALIZA DOKŁADNOŚCI OBLICZEŃ UKŁADU CIEPLNEGO ELEKTROWNI JĄDROWEJ
Mikołaj WŁOCH
Opiekun naukowy referatu: prof. Józef Portacha, ITC PW
Plan wypowiedzi
1. Wstęp
2. Przegląd metod numerycznych
3. Błędy spowodowane niedokładnością obliczeo
4. Przykład obliczenia z pokazaniem wielkości błędu
5. Wnioski
Streszczenie
Prezentowany referat jest częścią grantu rektorskiego realizowanego
przez studentów KNE PW pt. „Elektrownia jądrowa dla Polski”. W pracy
zawarty jest przegląd najczęściej używanych metod numerycznych
wykorzystywanych przy obliczeniach układu bilansowego elektrowni.
Pokazana jest również na przykładzie zmiana normy residuum przy
wykorzystaniu jednej z metod, ale przy różnych wariantach
przepływów użytych do obliczeo.
Wnioski
Po wykonaniu obliczeo przy wykorzystaniu programu BMQ okazuje się
że norma residuum przy podstawianiu różnych wariantów (przepływów
bazowych) dla jednego układu bilansowego nie jest jednakowa, spowodowane jest to
niedoskonałością metody numerycznej i błędami zaokrągleo.
206
Norma residuum
3,50E+00
3,00E+00
2,50E+00
2,00E+00
Norma residuum
1,50E+00
1,00E+00
28
33
38
43
48
53
Nr wariantu
Rysunek 14. Różne wartości normy residuum dla poszczególnych wariantów
Bibliografia
1. Portacha J. Badania energetyczne układów cieplnych elektrowni i elektrociepłowni OWPW
Warszawa 2002
2. Dryja M; Jackowscy J. i M Przegląd metod i algorytmów numerycznych WNT Warszawa 1988
3. Wilkinson Błędy zaokrągleo w procesach algebraicznych PWN Warszawa 1967
4. Misioski Paweł Elektrownia Jądrowa „Żarnowiec 2008” 1600 MW, praca dyplomowa inżynierska,
promotor prof. J. Portacha, MEiL PW 2008
207
PROBLEMY I BEZPIECZEŃSTWO ENERGETYCZNE POLSKI
Krzysztof ZABRZYCKI
Opiekun naukowy referatu: prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski, ITC PW
Streszczenie
Doskonale zdajemy sobie sprawę z faktu, że motorem napędowy dzisiejszej gospodarki jest dobrze
rozwinięta polityka energetyczna. Rozwój energetyki w Polsce zawsze budził pewne obawy lub
niepożądane reakcje społeczeostwa. Możemy się o tym przekonad właśnie teraz, gdy coraz głośniej
mówi się, że w przyszłości czeka nas niedobór energii. Poniżej znajdą Paostwo kilka szczegółów
dotyczących działania polskiego sektora energetycznego, podstawowe problemy związane z jego
rozwojem, co oznacza bezpieczeostwo energetyczne dla Polski oraz jakich zmian możemy się
spodziewad w nadchodzących latach.
Dywersyfikacja dostaw
W dniu 4.01.2005 roku Rada Ministrów przyjęła dokument zatytułowany „Polityka Energetyczna Polski
do 2025 r.”, w którym bezpieczeostwo energetyczne zdefiniowane jest jako: „stan gospodarki
umożliwiający pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa
i energię, w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy minimalizacji negatywnego
oddziaływania sektora na środowisko i warunki życia społeczeostwa". W skrócie możemy powiedzied,
że bezpieczeostwo zależy głównie od zróżnicowania krajowego bilansu paliwowego, dywersyfikacji
źródeł dostaw energii oraz od dostępu do całego systemu magazynowania, przesyłu i dystrybucji
energii oraz paliw. Z punktu widzenia naszego kraju, mamy dosyd dobrze zróżnicowany bilans
energetyczny.
Gaz Ziemny
Jedyny problem w dywersyfikacji paliw na chwilę obecną ma fakt, że jedynym liczącym się dostawcą
gazu dla Polaków jest Rosja, która według danych z 2008 roku posiada 44,65 bln m3 złóż gazu
ziemnego, co daje 25,2% potwierdzonych zasobów z całej kuli ziemskiej i stawia ją na pierwszym
miejscu, jeśli chodzi o ilośd rezerw tego surowca. Gdy weźmiemy pod uwagę wydobycie gazu w Rosji,
które sięga 607,4 mld m3, czyli 20,6% światowej produkcji gazu ziemnego, to również w tej dziedzinie
Rosja będzie na miejscu pierwszym.
Rys. 1. Polska na tle wybranych paostw pod względem zasobów i produkcji gazu ziemnego (dane z czerwca 2008 roku).
Źródło: Cedigaz.
208
Dla porównania Polska posiada złoża gazu na poziomie 0,11 bln m3 gazu ziemnego, z czego czerpie
zaledwie 4,3 mld m3 rocznie. Daje to zaledwie 0,1% złóż na całym świecie i tyle samo czyli 0,1%
produkcji w stosunku do całego świata. I właśnie to jest głównym powodem dla którego Polska jest
uzależniona od ciągłych dostaw gazu z zagranicy. Jak wynika z raportu Cedigaz, Polacy importują
rocznie 9,3 mld m3, z czego 6,2 mld m3 pochodzi właśnie z Rosji, 0,8 mld m3 z Niemiec i 2,3 mld m3
z innych krajów Europy i Euroazji.
Ropa naftowa
Spójrzmy teraz na zasoby ropy naftowej. Widzimy, że Polska nie ma prawie żadnych wpływów
zarówno, jeśli chodzi o rezerwy, jak i produkcję ropy naftowej. Jedyne miejsca w których możemy
wydobywad ropę to Zagłębie Pomorskie: Kamieo Pomorski, Wolin; na szelfie, na północ od przylądka
Rozewie, z platformy wiertniczej spod dna Bałtyku; w karpackim zagłębiu roponośnym (Jasło, Krosno,
Gorlice, złoża są na wyczerpaniu) oraz w Barnówku, k. Dębna. Stawia to nas w bardzo niekorzystnej
sytuacji dotyczącej ropy naftowej, ponieważ wydobywana przez nas ropa starczy jedynie na 1-2%
naszego zapotrzebowania, zmuszeni jesteśmy do niemalże całkowitego importu tego surowca, a co
za tym idzie uzależnieni jesteśmy od kontrahentów. W 2005 r. import ropy naftowej z Rosji wyniósł
ok. 17,5 mln ton. Import z pozostałych krajów takich jak: Kazachstan, Ukraina, Norwegia, Wielka
Brytania, wyniósł w sumie ok. 446 tys. ton. Wstępne dane za 2006 r. ukazują wzrost importu ropy
naftowej w stosunku do roku poprzedniego o ok. 7,2%. Mimo, że formalnie nie istnieją bariery
importowe, to od wielu lat sytuacja zmienia się powoli i podstawowymi importerami są PKN Orlen SA
i Grupa Lotos SA.
Rys. 2. Konsumpcja ropy naftowej przez Polskę na tle wybranych paostw pod względem zasobów i produkcji ropy
naftowej (dane z czerwca 2008 roku). Źródło: Cedigaz.
Węgiel kamienny i węgiel brunatny
Węgiel jest głównym paliwem energetycznym w Polsce i pokrywa 75% całościowego zużycia zasobów
energetycznych oraz 95% zapotrzebowania naszej energetyki, przede wszystkim dlatego, że
posiadamy dosyd spore złoża zarówno węgla brunatnego jak i kamiennego; są to jedyne wartościowe
zasoby energetyczne w naszym kraju. W Polsce złoża węgla brunatnego posiadamy w obszarach
Zagłębia Konioskiego (Konin, Koło, Turek); Zagłębia Turoszowskiego (Turów, Bogatynia); Zagłębia
Bełchatowskiego (Bełchatów) oraz Sieniawy Lubuskiej. Oprócz tego Polska posiada złoża
perspektywiczne węgla brunatnego znajdujące się w rejonach Legnicy-Prochowicy-Ścinawy (jest to
prawdopodobnie największe złoże węgla brunatnego Europie, przypuszczalnie również na świecie);
Gubina-Mosty-Brody; Kozienic – Głowaczowa; Trzcianki. Wydobycie w Polsce na 1999 r. to 63 mln
ton, a na 2001 aż 59,5 mln ton. Jeżeli chodzi o węgiel kamienny, to jego wydobycie 1999 r. wyniosło
112 mln ton, a w 1994 r. było to 132 mln ton. Najwięcej węgla kamiennego wydobyto
w 1980 roku (ponad 160 mln ton). Polskie zasoby tego minerału należą do jednych z największych na
świecie; przez wiele lat Polska zajmowała miejsca w pierwszej piątce krajów o największym
wydobyciu węgla kamiennego. Według danych z 2000 roku, Polska spadła na 7 miejsce, dostarczając
209
ogólnie 2,8% światowego wydobycia tej kopaliny. W roku 2002 w Polsce wydobyto 104 mln ton tego
surowca energetycznego. Główne przyczyny, które stoją za zmniejszaniem wydobycia to: zamykanie
nierentownych kopalo (Dolny Śląsk – Wałbrzych); stosowanie technologii energooszczędnych
i surowcooszczędnych oraz przechodzenie na inne źródła energii; przyczyny polityczno-populistyczne;
względy ekologiczne (redukcja emisji dwutlenku węgla) i wyczerpywanie złóż. Główne punkty
wydobycia węgla kamiennego to w województwie małopolskim Libiąż – KWK "Janina", Brzeszcze –
KWK "Brzeszcze", Trzebinia – KWK "Siersza" (zamknięta), Krzeszowice – KWK "Krystyna" (zamknięta).
W województwie śląskim na pierwszym miejscu Jaworzno, następnie Górnośląski Okręg
Przemysłowy, Rybnicki Okręg Węglowy, Zagłębie Dąbrowskie, w których zaprzestano wydobycia oraz
Zagłębie Lubelskie (Bogdanka koło Łęcznej). Nie wolno nam zapomnied także o antracycie, który jest
specjalną odmianą węgla kamiennego, charakteryzującą się największą zawartością węgla (90-97%),
a co za tym idzie najwyższą wartością energetyczną ze spalania. Antracyt był w Polsce wydobywany
w latach 1993-1998 z jedynego, udokumentowanego w kraju złoża Wałbrzych-Gaj. Po likwidacji
kopalo KWK Wałbrzych i KWK Victoria skreślono antracyt z listy zasobów geologicznych Polski.
Rys. 3. Tylko handlowe paliwa stałe, np. węgiel bitumiczny i antracyt (węgiel kamienny), węgiel brunatny i węgiel
brązowy (podbitumiczny) – zasoby, konsumpcja i produkcja (dane z czerwca 2008 roku). Źródło: Cedigaz.
Perspektywy rozwoju energetyki w Polsce
Sądząc po danych podanych w poprzednim rozdziale, nie trudno jest stwierdzid, iż Polska potrzebuje
zainwestowad w nowe technologie dotyczące otrzymywania energii ze źródeł innych niż węgiel.
Problem stwarza fakt, że struktura zużycia energii w Polsce jest ściśle powiązana z posiadanymi
znacznymi zasobami surowców energetycznych, głównie węgla kamiennego i brunatnego oraz
w znacznie mniejszym stopniu gazu ziemnego. Nasza struktura bilansu energetycznego w roku 2004
wskazywała 48% węgla kamiennego, 14% węgla brunatnego, 20% ropy naftowej oraz 13% gazu
ziemnego oraz 5% wkład innych nośników energii. Rok później, tzn. w roku 2005, struktura tego
bilansu praktycznie się nie zmieniła. Patrząc od sektora elektroenergetycznego węgiel kamienny
i brunatny posiadają ogromny, bo aż 95%, udział w produkcji energii elektrycznej w Polsce.
Problemem może się jedynie wydawad wydobycie tego węgla. Węgiel kamienny
210
wraz z upływem czasu staje się wydobywany w coraz mniejszych ilościach, natomiast wydobycie
węgla brunatnego ustabilizowało się na poziomie 61 mln ton rocznie. Natomiast ropa naftowa z roku
na rok wydobywana jest w coraz większych ilościach, lecz nie jest to ilośd która mogła by zaspokoid
nawet najmniejsze potrzeby kraju na to paliwo. Wydobycie gazu ziemnego również wzrasta, ale to
ciągle mało. Na chwile obecną pokrywa ono jedynie jedną trzecią zapotrzebowania. Zasoby tzw.
zielonej energii są w Polsce ograniczone, co powoduje zaledwie 20% zużycie w stosunku do średniej
z innych paostw UE. Wszystkie te czynniki mają bezpośredni wpływ na decyzje wiążące zwiększenie
importu surowców energetycznych zza granicy. Przykładem może byd gazo port, który decyzją
zarządu PGNiG z dnia 15 grudnia 2006 roku ma powstad w Świnoujściu. Gazoport, jak się go
potocznie nazywa, jest terminalem służącym do odbioru skroplonego gazu (LNG)
z tankowców. Budowa tego terminalu nie wpłynie jednak bezpośrednio na krajowy wzrost wydobycia
gazu, głównie ze względu na zwiększenie zapotrzebowania na ten surowiec w kraju. Węgiel kamienny
dalej będzie odgrywał pierwszoplanową rolę w naszej energetyce, ale planuje się zwiększyd udział
źródeł odnawialnych i właśnie gazu. Na mocy postanowieo protokołu w Kioto kraje, które
zdecydowały się na jego ratyfikację, zobowiązały się do redukcji do 2012 roku własnych emisji o 5,2%
dwutlenku węgla, metanu, tlenku azotu, HFC i PFC - gazów powodujących efekt cieplarniany.
W przypadku niedoboru bądź nadwyżki emisji tych gazów, sygnatariusze umowy zobowiązali się do
zaangażowania się w „wymianę handlową”, polegającą na odsprzedaży lub odkupieniu limitów od
innych krajów. Ograniczyd ją można jedynie stosując odpowiednie instalacje ochronne, które
znacznie zwiększają koszty wytworzenia energii. Jedynym pozytywnym aspektem wykorzystywania
węgla jako głównego surowca energetycznego jest nasza niezależnośd, jeśli chodzi o jego dostawy
oraz wydobycie, które tworzy nowe miejsca pracy.
Plany rządu na najbliższe lata. Polityka do roku 2030.
Energetyka jądrowa
Dnia 24 października 2008 roku premier Donald Tusk spotkał się z prezydentem Korei Południowej
Lee Myung-Baka i poprosił o pomoc w zmniejszeniu uzależnienia naszego kraju od węgla, czyli
o pomoc w budowie elektrowni jądrowej. Według prezydenta Korei Płd. pierwsze takie obiekty
miałyby stanąd już w roku 2012. Polski rząd jednak sugeruje, że 2012 rok ma zapaśd tylko ostateczna
decyzja dotycząca budowy reaktora jądrowego na terenie kraju. Jak możemy przeczytad w projekcie
dokumentu:
„W dłuższej perspektywie, przekraczającej horyzont 15 lat, nie jest możliwe pokrycie krajowymi
mocami wytwórczymi rosnącego zapotrzebowania, przy wykorzystaniu stosowanych obecnie
w Polsce technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym możliwego do wykorzystania potencjału
rozwoju kogeneracji oraz wytwarzania w oparciu o odnawialne źródła energii. Aby spełnid wymogi
ekologiczne oraz przyczynid się do osiągnięcia ambitnych celów zrównoważonego rozwoju w zakresie
relatywnego zmniejszenia emisji zanieczyszczeo w Unii Europejskiej, Polska ma dwie opcje do wyboru:
uzależnienie sie od dostaw energii elektrycznej spoza UE lub rozwój energetyki jądrowej w kraju.
W naszych uwarunkowaniach lokalizacyjnych racjonalny ekonomicznie import energii elektrycznej
spoza UE możliwy byłby jedynie z kierunku wschodniego. Jest to wariant rozważany, jednak całkowite
oparcie dalszego rozwoju gospodarczego Polski na imporcie energii spoza UE jest trudne do
zaakceptowania, nie tylko ze względu na zmniejszenie wpływu na bezpieczeostwo dostaw, ale przede
wszystkim ze względów ekologicznych, gdyż produkowana energia poza UE niejednokrotnie
w relatywnie wyższym stopniu przyczynia się do globalnego zanieczyszczenia środowiska. Z tego
względu Rząd RP rozważył wszystkie dostępne argumenty i jako priorytet traktuje rozpoczęcie
przygotowao do budowy elektrowni jądrowej w Polsce.”
Możemy mied tylko nadzieje, że te obietnice nie spełzną na niczym i wreszcie poczynimy jakieś kroki
w celu wprowadzenia w naszą energetykę reaktorów jądrowych.
211
Odnawialne źródła energii
Polska poza chęcią rozwijania energetyki jądrowej planuje także zwiększyd wkład źródeł
odnawialnych. Jednym z takich rozwiązao jest między innymi przyjęty w dniu 16 września 2008r.
przez Radę Ministrów raport za 2007r. dla Komisji Europejskiej w sprawie wspierania użycia
w transporcie biopaliw lub innych paliw odnawialnych. Dokument zawiera informacje na temat
realizowanych w Polsce działao promujących stosowanie biokomponentów i biopaliw ciekłych
w transporcie. Według autorów raportu, ważnym elementem promocji stosowania biopaliw jest
mechanizm wsparcia obejmujący m.in. system ulg i zwolnieo akcyzowych. Ustawa z dnia 11 maja
2007 r. o zmianie ustawy o podatku akcyzowym oraz o zmianie niektórych innych ustaw umożliwia
wprowadzenie obniżonej stawki podatku akcyzowego dla biokomponentów stanowiących samoistne
paliwa. Regulacja ta zmniejsza ponadto akcyzę dla benzyny silnikowej i oleju napędowego,
zawierających powyżej 2 proc. biokomponentów. Biokomponenty stanowiące samoistne paliwa
zostały wyłączone z grupy wyrobów podlegających opłacie paliwowej.
Dodatkowymi zachętami dla rozwoju wykorzystania odnawialnych źródeł energii są:
- obniżenie o 50% kosztów przyłączenia źródeł odnawialnych do sieci elektroenergetycznej,
- obowiązek zapewnienia przez operatora systemu elektroenergetycznego pierwszeostwa
w świadczeniu usług przesyłania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych,
- zwolnienie przedsiębiorstw energetycznych wytwarzających energię elektryczną z odnawialnych
źródeł w jednostkach o mocy poniżej 5 MW z opłat za udzielenie koncesji oraz opłat związanych
z uzyskaniem i rejestracją świadectw pochodzenia potwierdzających wytworzenie energii elektrycznej
ze źródeł odnawialnych,
- wprowadzenie odmiennego zakresu, warunków i sposobu bilansowania systemu
elektroenergetycznego dla elektrowni wiatrowych, z zastosowaniem do 31 grudnia 2010 r.
Wyżej wymienione mechanizmy stworzyły korzystne warunki dla inwestorów i dały poważny impuls
do rozwoju energetyki odnawialnej. Dodatkowym impulsem była możliwośd uzyskania
preferencyjnych kredytów oraz dotacji z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki
Wodnej, a także środków z funduszy strukturalnych w ramach Narodowego Planu Rozwoju na lata
2004 – 2006.
Węgiel
Jak czytamy w Priorytecie 5.1.3 „Polityki Energetycznej Polski do 2030r.”:
„Przedsiębiorstwa górnicze dążyd będą do zmniejszenia negatywnego oddziaływania produkcji
górniczej na środowisko przyrodnicze. Podejmowane działania będą kontynuacją wcześniejszego
postępowania w tym zakresie. Głównymi kierunkami działao ograniczających negatywny wpływ
sektora na środowisko będą: ograniczenie odpadów górniczych, zwiększenie zakresu prac
rekultywacyjnych i zagospodarowania składowisk odpadów powęglowych, minimalizowanie wpływu
eksploatacji górniczej na powierzchnie terenu, intensyfikacja napraw obiektów infrastruktury
naziemnej, redukcja emisji zanieczyszczeo pyłowo-gazowych do atmosfery, likwidacja źródeł
nadmiernego poziomu hałasu oraz zmniejszenie oddziaływania odprowadzanych ścieków na wody
powierzchniowe. W związku z implementacją przez Polskę prawa Unii Europejskiej obejmującego
swoim zakresem zagadnienia ochrony środowiska, istotnym celem jest spełnienie przez podmioty
górnicze wymogów prawnych ochrony środowiska, przez co należy rozumied, dotrzymywanie przez
kopalnie warunków korzystania ze środowiska określonych w stosownych decyzjach i pozwoleniach
administracyjnych. Wszystkie przedsiębiorstwa górnicze, w ramach swoich strategii działalności
w latach 2007 – 2015, powinny opracowad strategie ograniczania negatywnych skutków
oddziaływania górnictwa węgla kamiennego na środowisko oraz pełnego dostosowania tego sektora
do wymogów Unii Europejskiej. Jednym z priorytetów polityki spółek węglowych w tym zakresie
powinna byd maksymalizacja wielkości wydobycia węgla o możliwie najmniejszej zawartości
zanieczyszczeo (zwłaszcza siarki i popiołu). Strategia ochrony środowiska powinna wyznaczad cele,
które znajdą swoje odzwierciedlenie w planach techniczno-ekonomicznych oraz w biznes planach
spółek węglowych.”
212
Oznacza to, że Polska jako kraj z największymi zasobami węgla kamiennego w Europie będzie starała
się utrzymad swoją pozycję na rynku handlu węglem, zmniejszając jednocześnie wpływ
eksploatowania złóż węglowych na środowisko.
Gaz ziemny
Podstawowym celem polityki energetycznej w odniesieniu do gazu ziemnego jest zapewnienie
bezpieczeostwa energetycznego kraju poprzez dywersyfikacje źródeł i kierunków dostaw tego
nośnika energii oraz rozwój rynku gazu ziemnego. Jak już pisałem wcześniej, 80% gazu
importowanego do Polski pochodzi właśnie z Rosji. Według ocen, w kolejnych latach udział ten
będzie wyraźnie wzrastał (zgodnie z Protokołem Dodatkowym do polsko-rosyjskiej umowy z roku
1993, podpisanym przez M. Pola 12 lutego 2003 r.), o ile nie dojdzie do uruchomienia dostaw gazu
z innych kierunków. Jedna z geopolitycznych koncepcji bezpieczeostwa energetycznego kraju polega
na wykorzystaniu tranzytowego położenia geograficznego Polski między Niemcami - największą
gospodarką Unii Europejskiej, a Rosją i paostwami byłego ZSRR. Gazociąg z Danii lub Norwegii do
Polski nie pozbawiłby dostaw rosyjskich dominującego charakteru, natomiast poprawiłby pozycję
przetargową Polski wobec strony rosyjskiej w zakresie bezpieczeostwa dostaw. Federacja Rosyjska
z powodów strategicznych konsekwentnie odmawia udostępnienie dostępu do swych sieci
przesyłowych krajom trzecim. W chwili obecnej wszystkie rurociągi tranzytowe na wschód od Europy
(poza otwartym w sierpniu 2006 roku ropociągiem BTC - Baku-Tbilisi-Ceyhan) są kontrolowane przez
Rosję. Wpływa to negatywnie na bezpieczeostwo energetyczne Polski, gdyż praktycznie uniemożliwia
dostawy ropy i gazu z Azji Centralnej bez zgody Rosji.
Ropa Naftowa
Ropa naftowa jest bardzo ważnym nośnikiem energii, z którego pozyskuje sie w Polsce rocznie ponad
22% energii pierwotnej. Z prognozy zapotrzebowania na paliwa i energię wynika, że znaczenie tego
nośnika energii będzie rosło, w wyniku wzrostu popytu na paliwa płynne dla transportu. Dlatego
najistotniejszym celem i priorytetem Rządu w tym obszarze jest zapewnienie bezpieczeostwa
energetycznego w zakresie paliw płynnych. Dostawy ropy naftowej z Rosji pokrywają
zapotrzebowanie Polski w ponad 90%. Polska jest dla rosyjskich eksporterów ropy czwartym, pod
względem wielkości dostaw, rynkiem spoza WNP, co daje nam pewne atuty przetargowe. Wzrost
bezpieczeostwa energetycznego kraju jest możliwy poprzez organizację dostaw ropy tankowcami do
Naftoportu w Gdaosku. Głównym problemem z tym związanym jest cena ropy, zawsze wyższa od
ceny ropy rosyjskiej. Ponadto występuje aspekt ekologiczny dotyczący ruchu tankowców na Morzu
Bałtyckim. Od dłuższego czasu w gronie paostw regionu Morza Bałtyckiego dużą wagę przywiązuje się
do kwestii oddziaływania na środowisko naturalne w związku ze zróżnicowanym stanem technicznym
tego typu statków (wycieki ropy) oraz potencjalnym zagrożeniem katastrofą morską z udziałem
tankowca.
Podstawowe problemy
Wyczerpywanie się surowców
Ograniczając się tylko do skali globalnej, warto by przede wszystkim wspomnied o wyczerpywaniu się
nieodnawialnych źródeł surowców energetycznych. Przy obecnej eksploatacji złóż węgla kamiennego
wystarczy nam na ok. 70 lat (nie licząc już istniejących kopalni które starcza nam na jakieś 25 lat),
a węgla brunatnego na 10 lat z istniejących już kopalni i ok. 30-60 lat z tych nowo otwartych. Ponadto
coraz głośniej mówi się o wyczerpywaniu się złóż ropy naftowej, której Polska posiada znikome ilości.
Na świecie przewiduje się, że złoża ropy naftowej wyczerpią się za 30 lat, natomiast co poniektórzy
twierdzą, że wystarczą na znacznie dłużej, głównie ze względu na odkrywanie coraz to nowych złóż
ropy na świecie. Jeszcze inna teoria głosi, że ropa naftowa tak naprawdę się nie skooczy, ponieważ jej
złoża ciągle się odnawiają. Gaz ziemny występuje najczęściej z ropą naftową i węglem kamiennym
213
dlatego też, wystarczy nam go na ok. 70 lat. Najbezpieczniejszym rozwiązaniem energetycznym jest
inwestowanie w energetykę jądrową, której złoża paliw szacuje się na 470 tys. ton, co daje zapas tego
surowca, przy obecnym użyciu technologii, na ok. 200 lat licząc tylko złoża opłacalne w eksploatacji.
Można go również uzyskad z rozpadu promieniotwórczego toru i ołowiu, ale i wtedy służy tylko jako
paliwo uzupełniające. Chciałem również nadmienid o energetyce odnawialnej, która też jest
kluczowym elementem energetyki na wypadek skrajnie wyczerpanych złóż surowców
energetycznych. Mówi się, że energia odnawialna jest całkowicie darmowa, ponieważ jest
odnawialna, jednak należy też pamiętad, że kiedyś trzeba będzie składowad gdzieś np. wypalone
ogniwa fotowoltaiczne, ale to na razie jest temat tabu, głównie ze względu na dosyd młody wiek tego
rodzaju energetyki.
Zabraknie nam energii?
Coraz częściej słyszymy o przewidywaniach, że za 3-5 lat zabraknie nam energii w naszych domach.
Problemem jest brak modernizacji naszego systemu elektroenergetycznego, który praktycznie stoi
w miejscu od 30 lat. Ilośd nowo postawionych bloków energetycznych jest zdecydowanie za mała w
stosunku do coraz większego zapotrzebowania na energię elektryczną. Import energii elektrycznej
spoza granic naszego kraju również jest utrudniony z powodu istotnych problemów w przesyle.
Niestety w dalszym ciągu nie dysonujemy liniami przesyłowymi o wystarczającej mocy. Jedyne kroki,
które czynimy w celu usprawnienia działania naszego sektora energetycznego, są niewystarczające
do zwiększających się z roku na rok potrzeb energetycznych kraju. Zamiast stawiad nowe elektrownie,
stawia się jedynie nowe bloki, które i tak są stawiane zdecydowanie za późno, ponadto regeneruje
się bloki już istniejące, które dawno już powinny byd zastąpione nowymi. Również podejmowane
regulacje prawne, które mają na celu usprawnid funkcjonowanie naszej energetyki, jednakże są one
podejmowane zbyt późno aby przyniosły zamierzony efekt. Na Rys. 4. możemy zobaczyd szacowane
wytwarzanie energii po przewidywanych wycofaniach oraz zapotrzebowanie do 2030r.
Rys. 4. Prognoza wytwarzania po planowanych wycofaniach i zapotrzebowanie na moc do 2003r.
Źródło: Ministerstwo Gospodarki RP.
214
Podsumowanie i wnioski
Podsumowując wszystkie zebrane wyżej dane, możemy łatwo zauważyd, że przyszłością energetyki
jest energetyka jądrowa, jak i energetyka odnawialna, głównie ze względu na zasoby. Nie jesteśmy
w stanie określid w jakim stopniu wykorzystywane będą te dwie gałęzie energetyki, ponieważ
wszystko może się zmienid. W każdej chwili odkrywane są nowe złoża poszczególnych surowców
energetycznych oraz sprawności, z jakimi otrzymywana jest energia. Jedyny znany na chwilę obecną
fakt mówi nam o tym, że energia odnawialna jest stosunkowo droga ze względu na wysokie koszty
budowy obiektów. Dodatkowy problem stanowi powierzchnia, jaką zajmują elektrownie np.
słoneczne. Zdecydowanie łatwiej jest teraz postawid kilka bloków energetycznych bazujących na
energetyce konwencjonalnej, czyli zasilanych na węgiel, gaz lub ropę, aniżeli budowę wielko
powierzchniowych obiektów produkujących stosunkowo mało energii. Jedynym rozsądnym
rozwiązaniem, w które powinien inwestowad nasz kraj, jest skupienie się na budowie reaktorów
jądrowych. Ponadto rząd powinien jak najszybciej przeforsowad pakiet regulacji i uproszczeo, w celu
uzyskiwania nowych mocy, gdyż grozi nam naprawdę poważnym kryzys, nawet w perspektywie
najbliższych 5 lat.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Wykład autorski prof. Tadeusza Skoczkowskiego.
Wykład autorski dra Konrada Świrskiego pt. „Podstawy Eksploatacji”.
www.rurociągi.com.
www.wikipedia.pl.
www.mg.gov.pl.
www.bp.com.
www.ure.gov.pl.
www.kape.gov.pl.
9. Linki zewnętrzne z ww. stron.
215
216
6. Trasa przejazdu podczas NEwE
wraz z mapą
217
Trasa przejazdu podczas NEwE:
Dzieo
1 XI (sobota)
2 XI (niedziela)
3 XI (poniedziałek)
4 XI (wtorek)
5 XI (środa)
6 XI (czwartek)
7 XI (piątek)
8 XI (sobota)
9 XI (niedziela)
10 XI (poniedziałek)
11 XI (wtorek)
218
Plan dnia
Przejazd Warszawa-Będzin-Cieszyn-Wiedeo (730 km). Sesja 1.
Zwiedzanie Wiednia.
Przejazd Wiedeo-Linz (180 km). Sesja 2.
Zwiedzanie EC Linz.
Przejazd Linz-Innsbruck (320 km). Sesja 3.
Przejazd Innsbruck-Leibstadt (320 km). Sesja 4.
Zwiedzanie EJ Leibstadt.
Przejazd Leibstadt-Berno (120 km).
Przejazd Berno-Nendaz (150 km). Sesja 5.
Zwiedzanie EW Bieudron.
Przejazd Nendaz-Zurych (270 km). Ciąg dalszy sesji 5.
Przejazd Zurych-Gundremmingen (300 km). Sesja 6.
Zwiedzanie EJ Gundremmingen.
Przejazd Gundremmingen-Monachium (120 km). Sesja 7.
Przejazd Monachium-Irsching (80 km). Sesja 8.
Zwiedzanie El. Irsching.
Przejazd Irsching-Monachium (80 km). Ciąg dalszy sesji 8.
Przejazd Monachium-Drezno (470 km). Ciąg dalszy sesji 8.
Zwiedzanie Drezna.
Przejazd Drezno-Schwarze Pumpe (100 km). Sesja 9.
Zwiedzanie El. Schwarze Pumpe.
Przejazd Schwarze Pumpe-Wrocław (240 km).
Przejazd Wrocław-Warszawa (350 km).
7. Charakterystyka zwiedzanych
zakładów
219
Elektrociepłownia Linz – Mitte
System elektroenergetyczny Austrii oparty jest
głównie na dużych elektrowniach wodnych, których
praca pokrywa 60% zapotrzebowania Austrii w
energię elektryczną. Pozostałe 40% jest zaspokajane
za pomocą nowoczesnych źródeł konwencjonalnych.
Pierwszym zakładem jaki odwiedziliśmy na swojej
trasie była elektrociepłownia w mieście Linz należąca
do koncernu Linz AG. Koncern ten w całości należy
do miasta Linz i zaopatrza
mieszkaoców w ciepło, gaz,
wodę i inne media oraz
zatrudnia około 3000 osób.
Do koncernu należą dwie
elektrociepłownie: Linz-Mitte
oraz Linz-Süd, ciepłownia
Dornach oraz cztery małe
elektrownie
wodne:
Kleinmünchen, Traunwehr,
Kaltental i Pierbach należące do firmy Linz AG Strom, w której zatrudnionych jest około 500
pracowników w tym 100
osób
w
sekcji produkcyjnej i 400
w
dystrybucji. W zakładzie
Mitte
na
jednej zmianie pracuje 5-7
osób, a w
zakładzie Süd są to trzy
osoby.
Zmiany, inaczej niż w
polskich
zakładach są w godzinach
5-13, 13-21
oraz
21-5.
Energia
elektryczna
wytwarzana
w
elektrociepłowniach
miasta Linz
jest wykorzystywana w
mieście
i
jego okolicach. Moc jest
wyprowadzana za pomocą napowietrznych linii 110kV.
Nasza grupa zwiedziła zakład Linz-Mitte, w której znajdują się bloki gazowo-parowe oraz blok na
biomasę. Ponadto w planach znajduje się wybudowanie spalarni śmieci o mocy 20MWe i 40MWt,
która także zostanie włączona do sieci ciepłowniczej Linz.
Elektrociepłownia została uruchomiona w 1970 roku i na początku była zasilana olejem i węglem.
Układ składał się z 8 kotłów i 3 turbin pracujących w układzie kolektorowym. Aktualnie te kotły
wykorzystywane są tylko w celach szczytowych i rezerwowych, w tym dwa szczytowe kotły gazowe,
220
każdy po 60MWt wykorzystywane w szczytach porannych i jeden rezerwowy olejowy na olej ciężki –
także 60MWt uruchamiany tylko w sytuacjach
awaryjnych.
Elektrociepłownia Linz-Süd została uruchomiona w
1994 roku. Znajdują się tam trzy układy CC-CHP
(Combined Cycle – Combined Heat and Power) po
około 50MW elektrycznych i termicznych każdy.
Układ gazowo-parowy
Układ gazowo parowy w EC Linz-Mitte powstał w
2004. Ma on moc 100MWe oraz 300MWt. Składa się z
turbiny gazowej sprzężonej z turbiną parową poprzez wytwornicę pary. Gaz dostarczany jest
bezpośrednio z gazociągu, nie ma tu żadnych magazynów gazu.
Dlatego, w razie wstrzymania zasilania jest to jeden z
pierwszych zakładów, który przerwie pracę.
Temperatura w komorze spalania sięga 1200°C. Temperatura
spalin ogrzewających obieg parowo-wodny wynosi 600°C i
obniża się do 160°C. Parametry
początkowe pary w obiegu
parowym wynoszą 540°C i 90
barów, a parametry w skraplaczu
to 80°C i 0,6bara (pogorszona
próżnia)
pozostałe
ciepło
odbierane jest w wymiennikach podturbinowych do zasilania sieci
miejskiej (zasilanie ok. 80°C, powrót 60°C). Sprawnośd projektowa przy
optymalnych warunkach pracy całego układu wynosi w sumie ok. 90%
(50% przy produkcji energii elektrycznej i 40% sprawności cieplnej).
Rzeczywista sprawnośd średnioroczna jest na poziomie 75%. Moc
turbiny gazowej wynosi 70MW, a moc turbiny parowej wynosi 26MW.
Wszystkie upusty służą do zasilania sieci ciepłowniczej.
Układ na biomasę
W 2006 roku zbudowano na terenie elektrociepłowni
instalację na biomasę. Jest to kocioł na biomasę o mocy
21MWt z turbiną parową o mocy 8,9MWe(brutto tj. 8,2MW
netto). Sprawnośd kotła wynosi ponad 85%. Do zasilania
Kotła potrzeba około 13-17 ton biomasy na godzinę.
Surowiec jest sprowadzany głównie ciężarówkami z
promienia 200km od Linzu. Ponadto około 10% jest
przywożone koleją a 1-2% barkami z Niemiec. Surowiec
używany w tej instalacji nie nadaje się do innej produkcji. W układzie spalane jest rocznie około
300000m3 drzewa. Jego wilgotnośd wynosi około 40-50%, po osuszeniu wartośd opałowa wzrasta z
221
10MJ/kg do 18,4MJ/kg. Układ suszenia zasilany jest parą technologiczną o wydajności 40t/h. Do
cięcia drzewa używany jest rębak o wydajności 350m3/h, który duże drzewo tnie w 4-5s.
Ze względu na stosunkowo niską temperaturę spalania
(850°C) nie występuje tu problem emisji NOx jednak
występują problemy niecałkowitego spalania. Antypyłowe
filtry workowe hamują emisję pyłów z 800mg/m3 do
4mg/m3. Żużel wykorzystywany jest w rolnictwie
(produkcja ok. 800t rocznie), a popiół z filtrów (600t
rocznie) ze względu na swój skład chemiczny nie może
zostad wykorzystany.
Parametry pary świeżej w obiegu parowym wynoszą 460°C i 65barów. Prędkośd obrotowa turbiny
wynosi 10700obr/min. W przypadku odstawienia turbiny lub jej remontu cała para jest
kondensowana i używana do zasilania systemu ciepłowniczego.
Akumulator
W elektrociepłowni Linz-Mitte ciekawym obiektem jest
akumulator ciepła. Służy on kumulowaniu ciepła, na które w nocy
jest mniejsze zapotrzebowanie tak aby jednocześnie można było
efektywniej wykorzystad częśd elektryczną. Akumulator ma kształt
walca o wysokości 65m, średnicy 26m i objętości 34,500m3. Jest to
akumulator bezciśnieniowy (pracuje na ciśnieniu atmosferycznym).
Zbiornik wykonany jest z blach, które były spawane na miejscu. W
przypadku awarii sieci ciepłowniczej akumulator wystarcza na 3godzinne zasilanie awaryjne miasta przy -20°C temperatury
zewnętrznej. Także przy tej temperaturze straty przez ściany
zbiornika wynoszą 300kW. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu
izolacji o grubości pół metra. Gdyby nie było tej izolacji straty są
szacowane na 3-5MW.
Ładowanie akumulatora odbywa się w godzinach nocnych a rozładowywanie w dzieo (od około
godziny 5) szczyt poranny przypada na godziny 6-7 a wieczorny na 16-18. Prognoza parametrów jest
określana automatycznie co 15 minut.
Różnica pomiędzy temperaturą maksymalną (97°C) a temperaturą wody powracającej z systemu
ciepłowniczego (57°C do 60°C) determinuje średnią pojemnośd cieplną na poziomie 1300MWh
(4700GJ). Prędkośd ładowania zbiornika może sięgad 220-230MW. Zasada działania akumulatora
jest stosunkowo prosta. Gorąca woda podawana jest od góry i odbierana dołem, tak odbywa się
ładowanie. Podczas rozładowywania woda przepływa odwrotnie, tj. wpływa dolnym wlotem,
wypływa górnym.
Akumulator zaprojektowany jest do pracy tygodniowej, to znaczy, że jest ładowany i rozładowywany
podczas tygodnia, w zależności od nadmiaru ciepła wytwarzanego przy produkcji energii elektrycznej
oraz od zapotrzebowania sieci ciepłowniczej.
222
W czasie zimy, akumulator jest ładowany podczas nocy (od ok. 22 do ok. 6) i rozładowywany podczas
dnia.
Latem ciepło jest akumulowane od poniedziałku do piątku, a wykorzystywane podczas weekendu.
Wiosną i jesienią, użycie akumulatora uzależnione jest od cen energii elektrycznej i zapotrzebowania
na ciepło. Wtedy najważniejszym zadaniem akumulatora jest pokrycie porannego szczytu, dzięki
temu, niema potrzeby uruchamiania kotłów szczytowych. W ciągu dnia produkcja energii elektrycznej
może odbywad się na stałym poziomi, a nadmiar produkowanego ciepła jest akumulowany.
Redakcja: Adam Dominiak, Kamil Futyma
223
Elektrownia Jądrowa Leibstadt
Dnia 4 listopada 2008r. uczestnicy Konferencji naukowo-technicznej NEwE zwiedzili elektrownie
jądrową Leibstadt. Na początku obejrzeli prezentację o EJ Leibstadt, krótki opis jej parametrów
technicznych, systemów zabezpieczeo oraz historii budowy. Do najważniejszych parametrów należą:
moc termiczna: 3600 MW, moc elektryczna 1220 MW z czego na potrzeby własne elektrownia
zużywa 55MW.
Rys. 1. Widok na elektrownie Leibstadt.
Po tym wstępie, uczestnicy zostali podzieleni na sześcioosobowe grupy i zostali oprowadzeni po
bogatym centrum informacyjnym. Bardziej szczegółowo zostały poruszone zagadnienia budowy kaset
paliwowych i systemu regulacji mocy w reaktorze. Warto zapamiętad, że w reaktorze jądrowym wsad
uranu wynosi: 113,5t, liczba elementów paliwowych wynosi: 648 z czego masa uranu w każdym
elemencie paliwowym wynosi: 175kg, a długośd takiego elementu wynosi 4,47m. Ważnym
parametrem paliwa jest jego wzbogacenie uranem U235 i w Leibstadt wynosi ono 4%, kolejnym
istotnym parametrem paliwa jest jego głębokośd wypalenia. W „naszej elektrowni” wynosi ono: 55
MWd/kg U.
224
Nie mogło zabraknąd systemów bezpieczeostwa reaktora przed jego stopieniem, jak i zabezpieczeniu
materiałów radioaktywnych przed wydostaniem się na zewnątrz w razie poważnej awarii lub ataku
terrorystycznego.
Rys. 2 Widok na reaktor, gdy pokrywa jest zdjęta (z lewej).
Rys. 3 Pokrywa reaktora (z prawej).
Po wstępnym zapoznaniu z budową i systemami bezpieczeostwa EJ Leibstadt, przyszedł czas na
oprowadzenie po budynku reaktora, maszynowni i chłodni kominowej. Jednak zanim to nastąpiło,
każdy zwiedzający musiał się przebrad i został wyposażony w identyfikator i licznik promieniowania
radioaktywnego. Kontrola osób przebywających na terenie pomieszczeo reaktora była bardzo
dokładna. Pracownicy dyspozytorni dokładnie wiedzieli ile osób jest w danym pomieszczeniu
elektrownii. Najpierw uczestnicy zostali oprowadzeni po sercu każdej elektrownii jądrowej,
pomieszczeniu reaktora. Wysokośd zbiornika reaktora wynosiła 22 m średnica 6m. warto zaznaczyd
że, uczestnicy Konferencji znajdowali się mniej więcej na wysokości poziomu wody, która zalewała
pokrywę reaktora. Następnie uczestnicy zobaczyli przyreaktorwy basen, w którym składowane są
zużyte pręty paliwowe i znajduję się instalacja służąca do wymiany kaset paliwowych.
Rys. 5 Składowanie wypalonego elementu paliwowego do przyreaktorowego basenu magazynowego.
Każde pomieszczenie było odizolowane za pomocą masywnych przegród śluzowych, które między
innymi służyły, aby utrzymywad w budynku rektora podciśnienie.
225
W dalszej części zwiedzania uczestnicy zobaczyli maszynownie. Ponieważ EJ Leibstadt ma reaktor
typu BWR, to turbina parowa była, bardziej niż w elektrowniach konwencjonalnych, „zabudowana”,
by ochronid budynek maszynowni przed ewentualnym przedostaniem się skażonej pary. Do ważnych
parametrów każdej elektrownii należą przede wszystkim ciśnienie pary świeżej: 73,1 bar,
temperatura pary świeżej 286C oraz to ile reaktor produkuje
pary: 1985 kg/s.
Rys. 6 Schemat elektrownii. 1 Reaktor 2 Część wysokoprężna turbiny 3 Przegrzewacz pary
4 Część niskoprężna turbiny 5 Kondensator 6 Generator 7 Pompa kondensacyjne 8 Pompa
zasilająca 9 Podgrzewacz 10 Zbiornik wody zasilającej 11 Stacja transformatorowa
Serce maszynowni stanowi turbina. W Leibstadt turbina kręciła się z prędkością 3000 obr/min.
Znaczącym wymiarem jest długośd łopatki turbiny w ostatnim stopniu: 1050 mm. Turbina posiada 6
upustów, a ciśnienie w kondensatorze za turbiną wynosi 0,13 bar. Turbina napędza generator. Ten w
Leibstadt ma moc pozorną 1318 MVA i napięcie na zaciskach 27 kV. Stojan chłodzony jest wodą,
wirnik natomiast wodorem.
Rys. 7 Widok na turbinę.
Gdy uczestnicy przebrali się w swoje ubrania i zdali liczniki promieniowania radioaktywnego
(niektórzy otrzymali nawet 0,007mSv), nastąpił trzeci etap zwiedzania, w którym uczestnicy zobaczyli
chłodnię kominową o wysokości 144m, maksymalnej średnicy 119,2m (duże wrażenie na
uczestnikach zrobił spacer do wewnątrz chłodni kominowej) , pompy wody chłodzącej, budynki
awaryjnego zasilania elektrownii, między-magazyn odpadów promieniotwórczych. Warto wiedzied,
że 720kg/s pary wodnej uchodzi w chłodni do atmosfery.
226
Uczestnicy Konferencji byli mile zaskoczeni tak dobrze przygotowanym, ze strony elektrownii, planem
wizyty. Każdy etap: prezentacja, oprowadzenie po centrum informacyjnym oraz po budynkach
elektrownii był rzetelnie przygotowany.
Redakcja: Paweł Mazgaj
227
Elektrownia wodna Bieudron
Dnia 5 listopada 2008 roku mieliśmy okazję odwiedzid największą w Europie elektrownie wodną –
Grande Dixence w Nendaz, na południu Szwajcarii. Na początku mieliśmy krótką historię o powstaniu
Bieudron w tym o wydarzeniach na terenie elektrowni między innymi o ostatniej awarii, która
spowodowała zamknięcie elektrowni oraz parametry elektrowni.
Po krótkim przestawieniu historii elektrowni, cała grupa wyruszyła na teren elektrowni. Po drodze
mieliśmy okazję zobaczyd zespół turbin Peltona w trakcie prac konserwacyjnych trwających na
terenie elektrowni.
Rys 1. Turbina wodna peltona podczas
przeglądu w elektrowni Nendaz.
Następnie grupa mogła
obejrzed
generator
znajdujący się nieopodal,
oraz
wejśd
do
pomieszczenia z turbiną ,
napędzającą
tenże
generator w elektrowni
Bieudron.
Rys 2. (po lewej) Rotor
Rys 3. (po prawej) Stator
228
Rys 4. Pomieszczenie turbiny w elektrowni Bieudron.
ELEKTROWNIA NENDAZ (wys. 478 m)
Po napędzeniu turbin we Fionnay woda ze zbiornika zapory Grande Dixence jest kierowana do
elektrowni w Nendaz. Płynie ona w tunelu ciśnieniowym prowadzącym do komory spiętrzającej
Péroua położonej 1000 m ponad elektrownią. Tunel łączący Fionnay z Nendaz ma długośd 16 km i jest
wyposażony w zastawkę.
Elektrownia Nendaz, ukryta w masywie górskim pomiędzy Aproz oraz Riddes, jest drugą co do
wielkości elektrownią wodną w Szwajcarii – po elektrowni Bieudron (wyłączonej z eksploatacji do
2010 r.). Jej moc i przepływ wynikają z parametrów elektrowni Fionnay. Łącznie elektrownie te mogą
dostarczyd około 2 mld kWh rocznie. Odpowiada to średniemu rocznemu zużyciu 400 000
gospodarstw domowych.
Elektrownia
Liczba turbin
6 × 2 Pelton
Moc
390 MW
Przepływ
maks. 45 m³/s
Spadek
1008 m
229
ELEKTROWNIA BIEUDRON (wys. 481 m)
Elektrownia Bieudron stanowi częśd zespołu Cleuson-Dixence. Została zbudowana wspólnie przez
firmy Grande Dixence S.A. oraz EOS w latach 1993-1998 kosztem 1,3 mld franków w celu zwiększenia
potencjału zespołu Grande Dixence.
Sama elektrownia Bieudron ustanowiła trzy światowe rekordy: wysokości spadku (1883 m), mocy
pojedynczej turbiny Peltona (3 × 423 MW) oraz mocy na biegun generatora (35,7 MVA).
Elektrownię wyłączono z eksploatacji w grudniu 2000 roku po powstaniu pęknięcia w rurociągu
dostarczającym wodę z zapory Grande Dixence. Planuje się, że produkcję energii elektrycznej obiekt
rozpocznie ponownie na początku 2010 r. po zakooczeniu koniecznych prac w zespole CleusonDixence.
Rys 5. Schemat zespołu elektrowni EON
REDAKCJA: Krzysztof Zabrzycki
230
Elektrownia jądrowa Gundremmingen
6 listopada 2008 roku odwiedziliśmy elektrownię atomową w Gundremmingen. Uczestniczyliśmy w
wykładzie w czasie, którego dowiedzieliśmy się jak funkcjonuje elektrownia a następnie zwiedziliśmy
jej teren.
Elektrownia Gundremmingen znajduje się w Bawarii.
Pierwszy blok (blok A) został uruchomiony w 1967 roku. W
1977 roku w skutek awarii został wyłączony i ze względu na
rozmiar awarii nie przywrócono go do pracy. Jest to jedyna
taka, jak dotąd, sytuacja w Niemczech. Blok B i C zostały
wybudowane w 1984 roku (początek 1976 r.). Są to BWR,
każdy po 1344 MW (największa elektrownia atomowa w
Niemczech).
Operatorem jest Elektrownia Atomowa Gundremmingen
GmbH należąca w 75% do RWE AG i 25% do E.ON. W 2006
roku wyprodukowano 20,629 GWh. Ze współczynnikiem
bezawaryjności ok. 95%. Dwa bloki BWR Bi C mają
231
identyczną konstrukcję. W obydwu przypadkach reaktor wypełniony jest w 2/3 wodą. Ten stalowy
cylinder znajduje się w betonowym płaszczu. Każdy element paliwowy ma 4,47 metra długości i
zawiera 96 prętów paliwowych wypełnionych uranowymi peletami. Każdy reaktor posiada 784
elementy paliwowe.
W wyniku rozszczepiania uranu emitowane jest ciepło powodujące wrzenie wody. Woda przepływa
przez rdzeo reaktora odbierając od niego ciepło. Częśd wody paruje. Następnie para zostaje
odseparowana od wody. Para trafia na łopatki turbiny powodując ich ruch obrotowy. Energia cieplna
konwertowana jest na energię kinetyczną. Turbina napędza generator, w którym energia kinetyczna
konwertowana jest na energię elektryczną.
Każdego roku każdy blok wyłączany jest na dwa do czterech tygodni w celu inspekcji i wymiany jednej
piątej elementów paliwowych. W czasie inspekcji zatrudnianych jest ok. 1500 dodatkowych
specjalistów.
Zapewnienie bezpieczeostwa jest jednym z najważniejszych zadao w elektrowniach atomowych.
Dlatego też przy projektowaniu zakłada się najbardziej pesymistyczne scenariusze i dostosowuje się
do
nich
systemy
bezpieczeostwa.
Stosuje się redundancję, tzn
buduje się większą ilośd takich
samych
systemów/urządzeo
pełniących tę samą funkcję niż
wymagają
tego
warunki
technologiczne. Tym sposobem
zawsze
jest
zapas.
W
Gundremmingen
są
trzy
awaryjne systemy chłodzenia.
Stosuje się także różne systemy/urządzenia pełniące tę samą rolę. W Gundremmingen w razie gdyby
zawiodła elektryka wsuwająca pręty kontrolne są one wsuwane hydraulicznie. Poza tym reaktor
może zostad wyłączony przez wpompowanie wody borowej.
Budynek reaktora skonstruowany jest tak by
zarówno otoczenia na reaktor jak i reaktor na
otoczenia miało jak najmniejszy wpływ nawet
nietypowych sytuacjach.
REDAKCJA: Michał Deuszkiewicz
232
Elektrownia Irsching
Elektorwnia Irsching składa się z 3 bloków olejowych oraz dwóch nowobudowanych bloków
gazowych 4 i 5. Bloki 1 oraz 2 zostaly już wyłączone z ekspolatacji. Paliwo bloku 3 zostało zmienione
z oleju na gaz. Pozostałe dwa bloki są obecnie w budowie. Budowa bloków 4 i 5 ruszyła w roku 2006
i bloku 5 trwa do dziś. Część gazowa bloku 4 została ukończona. Składa się na nią największa turbina
gazowa na świecie o mocy 340MW i sprawności 39,1 % najwyższej dotychczas uzyskanej sprawności
przez autonomiczną turbinę gazową. Obecnie Simens testuje tą turbinę, a po fazie testów zostanie
dobudowany kocioł odzysknicowy oraz część parowa. Prace mają się zakończyć 2011, kiedy to blok 4
ma ruszyć i osiągnąć sprawność 60% i moc 530MW. Jednocześnie z trwającymi pracami badawczymi
prowadzonymi przez Simens’a trwa budowa bloku 5 składającego się z dwóch układów gazowych z
kotłami odzysknicowymi pracujących na jeden turbozespół parowy. Blok ma osiągnąć sprawność
59% oraz moc 845MW.
Widok na blok 1, 2 oraz 3
233
Budowa bloku 5
Blok 5 będzie składał się z dwóch mniejszych turbin gazowych (SGT5-4000F o mocy 287MW każda)
i jednej turbiny parowej. Będzie miał moc 860MWe i sprawność 58%. Uruchomienie bloku planowane
jest na rok 2009.
Tablice informacyjne na budowie elektrowni Irsching
234
REDAKCJA: Wojsciech Skowroński
Elektrownia Schwarze Pumpe
Elektrownia Schwarze Pumpe jest elektrownią na węgiel brunatny, składająca się z dwóch
bloków o mocy 800 MW każdy. Znajduje się w Niemczech w Sprembergu. Została otwarta
w 1997 roku i należy do koncernu energetycznego Vattenfall.
235
236
Instalacja pilotażowa wychwytu CO2 o mocy 30 MW.
Ruszyła pierwsza elektrownia węglowa z wychwytem i magazynowaniem dwutlenku węgla
(CCS). Uruchomiona przez Vattenfall w Sprembergu (dawne NRD) instalacja ma charakter
pilotażowy. Elektrownia uzyskuje moc 30 MW i spala węgiel brunatny, a dwutlenek węgla
jest skraplany i przewożony do położonego o ponad 200 km wyczerpanego złoża gazu
ziemnego w Altmark, 300 m w głąb ziemi. Docelowo dwutlenek węgla ma być
transportowany rurociągami. W instalacji spalane jest 5,2 t/h miału węglowego, w 10 t/h O2.
Sprawność wychwytu CO2 = 90%.
Instalacja Schwarze Pumpe kosztowała 70 mln euro i przez pierwsze trzy lata eksperymentu
będzie badana ekonomika procesów i efektywność odzyskiwania CO2. Do 2015 r. ma
powstać instalacja komercyjna o mocy do 500 MW, a do 2020 r. blok energetyczny o mocy
1000 MW, o niemal zerowej emisji.
Schwarze Pumpe to pierwsza instalacja demonstracyjna CCS z 12, jakie mają być wpisane na
listę rekomendacyjną Komisji Europejskiej. Polska chciałaby mieć dwie instalacje na tej
liście, o jedną stara się Bełchatów.
237
238
REDAKCJA: Anna Trendewicz
239
240
9. Część kulturalna – odwiedzone
miasta
241
Wiedeń
Do Wiednia przyjechaliśmy późnym wieczorem pierwszego dnia naszej konferencjipierwszego listopada. Po całym
dniu podróży byliśmy niesamowicie
zmęczeni, więc nie mogliśmy się
doczekad aż dostaniemy klucze do
pokoi. Kiedy wreszcie znaleźliśmy
się w naszym tymczasowym domu i
rozparcelowaliśmy nasze rzeczy,
postanowiliśmy przyjrzed się po
krótce
miastu. Niestety na
zwiedzanie
pora
nie
była
odpowiednia, więc po niedługim
spacerze wróciliśmy do hotelu.
Następnego
dnia
zwiedzanie
ruszyło całą parą. Zaraz po
śniadaniu
większośd
zabrała
niezbędne rzeczy i ruszyła na
podbój Wiednia na własna rękę.
Najpierw odwiedziliśmy wesołe
miasteczka w Wiedniu- Prater. Nie sposób
opisad nasze szczęście, jak wchodziliśmy do
tego wesołego miasteczka. Było w nim
wiele
atrakcji
z
których
chętnie
korzystaliśmy. Między innymi jeździliśmy na
gokartach,
zderzaliśmy
się
samochodzikami, byliśmy nawet w domu
Stachów i na wielkiej podniebnej karuzeli.
Jednakże mimo wszystko nasza uwagę
przykuł wielki diabelski młyn Riesenrad. Zbudowano
go w 1897 roku i z miejsca stał się on, obok katedry
św. Szczepana, jednym z symboli miasta. Diabelskie
koło zaprojektował angielski inżynier Walter
Basset, twórca podobnych budowli w Chicago,
Londynie, Blackpool i Paryżu. Jego wysokośd wynosi
64,75m, a waga to ponad 430 ton. Koło obraca się
powoli, co pozwala delektowad się widokami
panoramy miasta, rozciągającej się z najwyższego
punktu. Mieszkaocy miasta mawiają, że dopiero po
242
przejażdżce
młynem
turysta
może
powiedzied, że był w Wiedniu. Zaraz po
Praterze skierowaliśmy się na Ringstrasse a
stamtąd na Stephansplatz- placu położonego
po środku miasta. Tam zwiedziliśmy Katedrę
Św. Szczepana. Dowiedzieliśmy się przy
okazji, ze wieczorem odbędzie się w niej
koncert chóralny. Stamtąd skierowaliśmy się
w miejsce, gdzie mogliśmy zaspokoid nasz
głód. Po obiedzie
czekało nas dalsze
zwiedzanie! Skierowaliśmy się pod parlament. Tam podziwialiśmy
piękne widoki i zabytkową budowę parlamentarną. Stamtąd do
Hofburgu. A dalej na uliczkę gdzie widzieliśmy dośd ciekawie
zbudowane domy- Hundertwasserhaus. Czyli po polsku Domy
Hunderwassera to nazwa kompleksu mieszkalnego usytuowanego
na rogu Kegelgasse i Löwengasse w Wiedniu. To jedno z
najsłynniejszych
dzieł
architektonicznych
Friedensreicha
Hundertwassera, wybudowane w latach 1983-1985 przez
architekta Jozefa Krawinę. Pora już była wieczorowa. Mieliśmy tyle
pomysłów, ale niestety na ten dzieo, czasu nam już brakowało.
Dlatego też niektórzy zdecydowali się na jeszcze jedną nietypową
atrakcję, mianowicie na posłuchanie występu chóralnego w
Katedrze Św. Szczepana. Inni z kolei woleli zobaczyd Prater nocą,
co również było nietypowym widokiem. Zaraz po tym, wybraliśmy się na zwiedzanie Dunaju
w nocy. Widoki jakie widzieliśmy po prostu nas urzekły i oczarowały.
REDAKCJA: Katarzyna Matwiejewa
243
Innsbruck
Do Innsbrucka przyjechaliśmy w godzinach popołudniowych trzeciego dnia Konferencji. Zobaczyliśmy
wiele obiektów architektonicznych i zabytków, w tym:
zamek Ambras – położony poza centrum miasta zaliczany do najbardziej znaczących zabytków
Innsbrucka. Swoje kulturalno- historyczne znaczenie zawdzięcza osobie arcyksięcia Ferdynanda II
(1529-1595). Elementami szczególnej wartości są: bogato zdobione okna, 27 obrazów tyrolskich
książąt, drzwi wejściowe oraz drewniane, częściowo pozłacane i intarsjowane kaseto.
Triumphpforte - (Łuk Triumfalny) z 1765 r., upamiętniający ślub przyszłego cesarza Leopolda II.
Gmach Altes Landhaus z 1728 r. będący obecnie siedzibą władz Tyrolu.
Skocznię Bergisel, na której organizowany jest trzeci konkurs Turnieju Czterech Skoczni. Oprócz tego
dwukrotnie odbywały się tu Mistrzostwa Świata i również dwukrotnie - Zimowe Igrzyska Olimpijskie.
Wiosną 2001 stara skocznia została zburzona. Nowa skocznia została oficjalnie otwarta dopiero we
wrześniu 2002. Obecnie punkt konstrukcyjny skoczni wynosi 120 m. Wielkośd skoczni to 130 m.
Oficjalny rekord skoczni należy do Svena Hannavalda i wynosi 134,5 m. Jednak najdłuższe skoki na
Bergisel oddali Adam Małysz i Daniel Forfang wynosiły one 136m.
Goldenes Dachl - "Złoty dach" – uważany jest za symbol miasta,
znajduje się na Starym Mieście, które jest jedną z najlepiej
zachowanych średniowiecznych starówek w całej Austrii. Goldenes
Dachl miasto zawdzięcza cesarzowi Maximilianowi I. Powstał z okazji
jego ślubu z córką księcia mediolaoskiego Bianką Marią Sforza. Dach
wykusza zdobi 2738 złoconych miedzianych gontów. Obecnie w
budynku tym znajduje się Muzeum Olimpijskie. Obok niego znajduje się
Helblinghaus – jeden z najładniejszych budynków Starego Miasta.
Obecnie znajduje się w nim hotel.
Stadtturm – wieżę miejską, wybudowaną w XV w. Codziennie grana jest na niej melodia na wzór
krakowskiego hejnału. Widad z niej panoramę miasta oraz otaczające go wspaniałe góry.
REDAKCJA: Szymon Suchcicki
244
Berno
Za nami wiele wrażeo z elektrowni jądrowej Leibstadt i kolejny już nocleg - tym razem w Bernie.
Stolicę Szwajcarii - położoną w środkowo – zachodniej części nawiedziliśmy wieczorem. Po
zakwaterowaniu w jakże zdało by się przestronnych pokojach, głodni po „otwieraniu” buzi z zachwytu
prezentacji
elektrowni
jądrowej ruszyliśmy w
podgrupach na małe
szwajcarsko-francuskowłoskie co nieco. Hotel
położony tuż za plecami
okazałego
budynku
siedziby
Zgromadzenia
Federalnego
niedaleko
centrum
dał nam
możliwośd szybkiego i
bezpiecznego zwiedzenia
miasta nocą. Berno chod
to
stolica
Szwajcarii
wywarło wrażenie małego
prowincjonalnego
miasteczka,
które
spokojem
wtorkowego
wieczoru jakby czekało na
Rys. 1. Budynek parlamentu w Bernie
gości, szkoda tylko, że
większośd
restauracji nie na
studenckie kieszenie. Po powrocie do
hotelu pozostała już tylko gra
zespołowa i integracja do
późnych a raczej wczesnych
godzin.
Rys. 2. Most na rzece Aare
REDAKCJA: Marzena Lasocka
245
Zurich
Do miasta przyjechaliśmy wieczorową porą. Jednak Zurych jest tak urokliwym i sławnym miastem, że
nie mogliśmy sobie odmówid - pomimo zmęczenia – zwiedzenia miasta.
Trzeba pamiętad, że Zurych
jest największym kompleksem
urbanistycznym Szwajcarii z
największą w Europie giełdą
papierów wartościowych a także
głównym ośrodkiem gospodarczym
kraju. Ponadto co było bardzo
interesujące dla zagorzałych
kibiców wśród naszych członków
konferencji mieści się tu siedziba
FIFA w której , co rok odbywa się
gala na której wybierany jest
najlepszy piłkarz świata.
Rys. 1. Rzeka Limmat i panorama
Zurychu.
Dlatego plan naszego
zwiedzania był obszerny. Bo oprócz
siedziby FIFA chcieliśmy zobaczyd takie
miejsca jak Bahnhofstrasse (niem. ulica
Dworcowa), Fraumünster, Sankt
Peterskirchez z jednym z największych
zegarów w Europie, którego średnica
mierzy 9m., a także starówka i wiele
innych.
Rys. 2. Fraumünster nad rzeką Limmat
To co jest bardzo urokliwe w Zurychu to mnogośd starej architektury zachowanej w bardzo
dobrym stanie. Na naszej trasie nie mogło zabraknąd Grossmünster - kościoła zbudowanego w latach
1100-1250, który jest „kościołem-matką” reformacji w niemieckojęzycznej Szwajcarii. Po drodze do
niego widzieliśmy gildie rzemieślnicze nie wiele młodsze od kościoła ale równie piękne.
Nasze zwiedzanie trwało troszkę czasu dlatego też w pewnym momencie stwierdziliśmy, że
czas spróbowad lokalnych specjałów. Problemu nie mieliśmy ze znalezieniem jakiejś przytulnej
restauracji nawet o tak późnej godzinie(była godzina 24). Geschnetzeltes Kalbfleisch czyli lokalny
specjał okazał się pyszną cielęciną podaną w cienkich plastrach w sosie śmietanowym. Tak najedzeni
byliśmy gotowi do dalszego zwiedzania
246
A było co zwiedzad. Na naszej trasie były takie obiekty jak Centrum Le Corbusier, ratusz, jak
również Zürich Hauptbahnhof - główna stacja kolejowa w Zurychu i największa w Szwajcarii. Położona
jest w ścisłym centrum miasta. Dworzec ten jest jednym z najruchliwszych stacji kolejowych na
świecie, obsługuje około 2915 pociągów i 340 000 pasażerów dziennie.
Rys. 3. Dworzec kolejowy w Zurychu.
Jeśli jesteśmy przy transporcie
publicznym to na pochwałę zasługuje
komunikacja miejska. Tramwaje i
autobusy bardzo dobrze sprawdzają się i dowiozą pasażerów blisko miejsca docelowego. Trzeba
pamiętad że Zurych leży nad jeziorem Zuryskim oraz rzekami Limmat i Sihl. Właśnie koło rzeki Limmat
leży kolejny kościół o nazwie Wasserkirche - XV-wieczny osobliwie usytuowany na rzece łącząc oba jej
brzegi.
Po tak owocnej wycieczce po mieście byliśmy zmęczeni, dlatego też po powrocie tylko chwile
toczyła się ożywiona dyskusja na temat obiektów, które zwiedziliśmy.
Koocząc, Zurych jest godnym polecenia miastem pod względem turystycznym i kulturalnym
gdyż można zobaczyd wiele interesujących i poszerzających horyzonty budowli i miejsc.
REDAKCJA: Kamil Wiśniewski
247
Monachium
6 Listopada w późnych godzinach wieczornych zawitraliśmy do Monachium – stolicy Bawarii. Po ok.
120 km. podróźy z elektrowni jądrowej Gundremmingen każdy z uczestników marzył tylko aby
rozprostowad kości. P krótkim postoju przed hotelem który z zewnątrz nas nie zachwycił udaliśmy się
do recepcji odebrad klucze. I tutaj większośd zmieniła zdanie o Hostelu „Wombat” w którym mieliśmy
przyjemnośd spędzid dwie nas™epne noce. Okazało
się że w środku jest wszystko czego nam potrzeba, od
małej oranżerii gdzie można spocząc po całym dniu,
korzystając z dobrodziejstwa bezprzewodowego
Internetu, po bar w celu „rozluźnienia” się. Częśd
członków Konferencji poszła skosztowad miejscowych
specjałów, które zachwycają każdego turystę
odwiedzającego to wspaniałe miasto mianowicie
lokalne piwo i golonkę.
Dnia następnego po powrocie z placu budowy w
elektrowni Irsching mieliśmy już nieco więcej czasu
aby zagłębid się w uliczki Monachium. Wszyscy swoją
podróź rozpoczęliśmy od stadionu Alianz Arena na
płycie którego trenują obecnie Bayern i TSV 1860 a
także reprezentacja Niemiec. Jest to jeden z
najnowocześniejszych stadionów piłkarskich na
świecie.
248
Po zwiedzeniu stadionu podzieliliśmy się na małe grupki i
rozpoczęliśmy indywidualne zwiedzanie. Ciekawym punktem do
którego obowiązkowo trzeba się wybrad jest muzeum BMW.
Muzeum położone jest niedaleko siedziby BMW. W 2008
muzeum zostało gruntownie przebudowane i 21 czerwca 2008
zostało ponownie otwarte. Warto wspomnied, że nie jest to ten
sam budynek co BMW Welt. Wystawa muzeum jest podzielona
tematycznie na 7 części: design, firma, motocykle, technologia,
sport, marka oraz rozwój różnych serii. Muzeum zaopatrzone
jest w każdy model samochodu jaki wyszedł spod marki BMW.
Mogliśmy podziwiad nawet bolid F-1 w którym jeździ nasz rodak
– Robert Kubica.
Pełni emocji po wspaniałej wystawie
jaką zapewniła firma BMW udaliśmy
się zwiedzad kolejne obiekty które
znalazły się na naszej liście rzeczy
które trzeba zobaczyc będąc w
Monachium, a przed nami niestety
niewiele czasu który pozostał nam w
Monachium.
Stadion Olimpijski w Monachium znajduje się w północnej części miasta, w centralnej części Parku
Olimpijskiego (Olympiapark München). Stadion ten był główną areną Letnich IO 1972, oraz jedną z
aren Mistrzostw Świata w Piłce Nożnej 1974 i Mistrzostw Europy w Piłce Nożnej 1988.
Zaprojektowany przez niemieckiego architekta Günthera Behnischa oraz inżyniera Frei Otto stadion
był uważany w swoich czasach za projekt rewolucyjny: tak duże połacie sklepieo z pleksiglasu
podtrzymywane stalowymi
słupami zastosowano po raz
pierwszy na tak dużą skalę. Nie
wolno zapomnied, że na tym
stadionie piłkarska reprezentacja
Polski odnosiła największe sukcesy:
złoty medal na IO 1972 oraz
srebrny (3 miejsce) na MŚ 1974
(7:0 z Haiti oraz 1:0 w
decydującym meczu z Brazylią).
249
Prosto ze stadionu ogarnięci sportowomotoryzacyjnym szałem postanowiliśmy
zobaczyd tym razem częśd historii Monachium,
która najlepiej uwidacznia się na starym
mieście. Gotycki kościół Świętego Piotra (niem.
Peterskirche) położony w pobliżu Marienplatz,
jest najstarszym kościołem w Monachium,
jego historia sięga roku 1158. Naszą uwagę
przykuwa jednak ratusz. Znajduje się na
Marienplatz. Monumentalny budynek o
prawie 100 metrowej fasadzie, posiada
powierzchnę 7115 m² . Wybudowany w XV w.
rozbudowany w XIX w. w gotyckim stylu, z
bogatą ornamentyką i zegarem
mechanicznym. Raz dziennie o 11 przy
akompaniamencie kurantowej muzyki prawie
naturalnej wielkości 32 figury odgrywają na
dwóch poziomach sceny z turnieju rycerskiego
oraz tzw. taoca bednarzy, który upamiętnia
zakooczenie średniowiecznej epidemii
zarazy.Na szpicy wieży jest figurka - Muncher
Kindl-mnich symbol miasta. Na drugim piętrze ratusza ma swą siedzibę burmistrz miasta.Na wieże
można wyjechad windą i zobaczyd panorame miasta .
Katedra
Frauenkirche
(kościół NMP) pochodząca
z XV wieku jest najbardziej
znaną
świątynią
w
Monachium. Wybudowana
z cegły posiada dwie wieże
zwieoczone miedzianymi
kopułami, które górują nad
horyzontem.
Wieże
zwieoczone są miedzianymi
cebulastymi
kopułami
górującymi
nad
horyzontem, mają swoje
nazwy : Stasi i Blasi ,są
nierównej wysokości jedna
ma 98,57 m, a druga 98,45
m.
Mała
wskazówka
zegara na wieżach ma 2,80
a duża 3,80 m. Wieże wyznaczają też miarę innym budynkom - w 2004 r. mieszkaocy zdecydowali w
referendum, że nowe budowle w centrum nie powinny przewyższad 99-metrowych wież. Świątynia
stoi na niewielkim placyku, parę kroków na zachód od ratusza.
REDAKCJA: Krzysztof Zabrzycki
250
Drezno
Wśród interesujących miast na trasie Konferencji NEwE było również Drezno. W tym
przypadku na zwiedzanie byliśmy w stanie poświęcid dużo czasu. Na drugi dzieo po przyjeździe
wyruszyliśmy podzieleni na kilka małych grup, aby
zobaczyd najbardziej interesującą częśd miasta.
Punktem, który przyciągnął większośd z nas był rynek
Nowego Miasta – Neumarkt – z charakterystycznym
kościołem Frauenkirche. Ten symbol Drezna,
wzniesiony ze składek obywateli, jako swego rodzaju
odpowiedź na katolicką katedrę wybudowaną na
polecenie Augusta Mocnego (po jego przejściu na
katolicyzm), uległ kompletnemu zniszczeniu w wyniku
brytyjskiego nalotu w lutym 1945 roku. Kościół
odbudowano dopiero po przeszło pół wieku, chod – co
ciekawe – z wykorzystaniem oryginalnych elementów,
które Niemcy skrzętnie zebrali, zmagazynowali i
skatalogowali. Z rynku większośd uczestników udała
się w kierunku Placu Zamkowego i zamku
królewskiego Augusta Mocnego (i innych władców
Saksonii) oraz wspomnianej katedry. Odwiedziliśmy
także słynny Pałac Zwinger. Na pewno godnym uwagi
jest muzeum broni znajdujące się na terenie
rokokowego zespółu pałacowego Zwinger. Skład
broni zadowoliłby nie jednego władcę. Dla osób
lubiących sztuke też się znajdzie coś niecoś.
Naprzeciwko wejścia do muzeum broni znajduje się Galeria Obrazów Dawnych Mistrzów. Zbiory
malarskie tam zgromadzone dotycza Europejskich mistrzów malarstwa XV-XVIII w.
REDAKCJA: Adam Rajewski, Krzysztof Zabrzycki
251
252
10. Podsumowanie NEwE
Adam Rajewski
253
Organizacja Konferencji Naukowo-Technicznej „Nowoczesna Energetyka w Europie” była dla
mnie wielkim wyzwaniem. Tym większym, że w roku 2008 Koło Naukowe Energetyków
zorganizowało już jedną dużą konferencję naukowo-techniczną podobnego rodzaju – Konferencję
ETE-08. Tak więc na wszelkie przygotowania pozostało nam niewiele czasu – planowanie
rozpoczęliśmy na dobre dopiero w maju, a dodatkową przeszkodą były wakacje, w czasie których
prowadzenie jakichkolwiek aktywnych działao jest praktycznie niemożliwe. Dodatkowym
utrudnieniem była koniecznośd pozyskania odpowiednio wysokich funduszy po raz drugi w tym
samym roku. Tak więc od samego początku organizacja Konferencji NEwE nie była zadaniem łatwym.
Uporaliśmy się z nim poprzez odpowiednią organizację procesu przygotowawczego. Na czele
Komitetu Organizacyjnego stanęło – nietypowo – dwóch ludzi: Adam Dominiak, który zajmował się
przede wszystkim kwestiami finansowo-prawnymi i logistycznymi oraz ja, nadzorując w pierwszym
rzędzie program wizyt w zakładach oraz częśd naukową. Ten nietypowy układ zdał egzamin dzięki
dobrze zorganizowanej komunikacji, ale także dobrym stosunkom panującym pomiędzy nami i
wreszcie zdobytym już wcześniej doświadczeniom organizacyjnym. Zdecydowaliśmy się na próbę
wdrożenia zasad rządzących nowocześnie pojmowanym zarządzaniem projektami – po pierwsze po
to, by usprawnid nasze prace; po drugie – by przetestowad rozwiązania znane nam w teorii z
programu studiów. W parze z efektywną organizacją pracy szło szerokie wykorzystanie komunikacji
elektronicznej. Po raz pierwszy w historii tego rodzaju przedsięwzięd organizowanych przez KNE
praktycznie cały proces koordynacji odbywał się przez Internet, a grupy odpowiedzialne za
poszczególne zadania (logistykę, finanse, częśd naukową itd.) otrzymały daleko sięgającą autonomię.
Swoistym centrum zarządzania stał się dostępny dla wszystkich członków Komitetu Organizacyjnego
(czyli praktycznie wszystkich studentów biorących udział w Konferencji – było to jedno z jej założeo)
rozbudowany arkusz danych dostępny z każdego komputera podłączonego do sieci. Pozwalało nam
to – oczywiście w połączeniu z komunikacją e-mailową oraz telefoniczną – na utrzymywanie kontaktu
oraz bieżące rozdzielanie zadao bez konieczności organizacji długich i nieefektywnych spotkao w
dużych zespołach. Jakkolwiek nie ustrzegliśmy się błędów, to wydaje mi się, że taka metoda
zarządzania sprawdziła się doskonale, szczególnie w warunkach uczelnianych, gdy trudne jest nawet
ustalenie terminu spotkania, na którym wszystkie zainteresowane osoby mogłyby się pojawid. Warto
podkreślid, że przy sprawnej organizacji wielu kwestii pomogły nam doświadczenia ze świeżo
zakooczonej Konferencji ETE-08.
Jedną z fundamentalnych dla całej Konferencji kwestii był wybór zakładów przewidzianych do
odwiedzenia. Od samego początku przewidywaliśmy, że celem podstawowym jest wizyta w
Elektrowni Jądrowej Leibstadt w Szwajcarii. Jest to obiekt o tyle wyjątkowy, że jego personel
umożliwia wizyty w praktycznie wszystkich częściach bloku jądrowego – łącznie z containmentem
reaktora. Biorąc pod uwagę bardzo duże zainteresowanie energetyką jądrową wśród członków Koła
oraz niedawne przywrócenie specjalności „energetyka jądrowa” na studiach II stopnia w Wydziale
MEiL, uznaliśmy, że warto pojechad do tego obiektu, który – warto dodad – KNE odwiedziło już w
roku 2005. Zatem proces wyboru obiektów rozpoczął się właśnie od decyzji o zwiedzeniu Leibstadt.
W następnym kroku odnaleźliśmy kilkanaście interesujących instalacji wzdłuż kilku różnych tras do i
ze Szwajcarii, z których wybraliśmy następujące (w kolejności planowanego zwiedzania):
Elektrociepłownię Linz-Mitte, EJ Leibstadt, EW Bieudron/zaporę Grande Dixence, EC Baden-Baden (z
niewielkiej mocy blokiem na biomasę), EJ Gundremmingen lub Phillipsburg, zakład BMW w
Monachium, Elektrownię Irsching, Port Lotniczy w Monachium, stadion Allianz Arena, El. Schwarze
254
Pumpe oraz El. Boxberg. Zwiedzenie tak dużej liczby zakładów w ciągu 6 dni roboczych byłoby
utrudnione, jednak założyliśmy, że możemy napotkad pewne problemy z uzyskaniem zgody na wizyty
– jak się okazało słusznie. Z programu wypadły kolejno: obiekt w Baden-Baden (z którym nie udało się
nawiązad kontaktu), Zapora Grande Dixence (dojazd poza sezonem letnim niemożliwy – ale wizyta w
samej elektrowni Bieudron wypadła i tak niezwykle ciekawie), EJ Phillipsburg (od początku
planowana jako ewentualne zastępstwo dla Gundremmingen), lotnisko oraz stadion (nie zgodziły się
na zorganizowanie zwiedzania „pod kątem energetycznym). Okazało się także, że z przyczyn
czasowych niemożliwe jest zwiedzenie zarówno Schwarze Pumpe jak i Boxberg, tak więc wybraliśmy
ten pierwszy obiekt, ze względu na nowo otwartą pilotażową instalację Oxyfuel. Zostało nam zatem
siedem obiektów, jednak dosłownie w ostatniej chwili z już umówionej wizyty wycofała się fabryka
BMW. Tak więc zostaliśmy z sześcioma obiektami do zwiedzenia – po jednym na każdy dzieo roboczy
w czasie Konferencji. Okazało się to całkiem dobrym rozwiązaniem, jako że jedna wizyta dziennie nie
przemęczała zbytnio uczestników, pozwalając im na aktywny udział w części naukowej. A częśd
naukowa wypadła w moim odczuciu niezwykle dobrze. Dla zapewnienia wysokiego poziomu
referatów Komitet Naukowy po raz pierwszy wymagał pisemnego zatwierdzenia referatów przez ich
opiekunów, a także – w przypadku opiekunów nieuczestniczących w Konferencji – dostarczenia treści
wystąpienia w postaci pisemnego artykułu. Studenci podeszli do tematu bardzo ambitnie – co można
zaobserwowad w niniejszym Sprawozdaniu. Na szczególne wyróżnienie zasługuje tu postawa jednego
z najmłodszych uczestników Konferencji – Jana Błaszczyka – który dobrowolnie (jako student
rozpoczynający dopiero studia na kierunku energetyka nie miał obowiązku przygotowania referatu)
opracował ciekawy i słabo wśród studentów znany temat instalacji CCS, i zaprezentował go tak
dobrze, że wygrał konkurs na najciekawsze wystąpienie. Poza wysokim poziomem przygotowanych
referatów atutem części naukowej był praktycznie nielimitowany czas dyskusji po wystąpieniach –
czasami były one dwa razy dłuższe od samych referatów! Dodatkowo poziom naukowy Konferencji
podnosiła obecnośd przedstawicieli sponsorów – dwóch dyżurnych inżynierów ruchu z warszawskich
elektrociepłowni (pp. Michał Bieokowski oraz Marcin Muzaj) i dwóch projektantów z Energoprojektu
Warszawa (pp. Jerzy Nowicki i Sławomir Polanowski). Dyskusje z naszymi gośdmi – tak w czasie sesji
naukowych, jak i w czasie wolnym – dostarczyły nam wielu cennych informacji dotyczących zarówno
techniki, jak i naszej przyszłej pracy.
Niezwykle ważnym uzupełnieniem części naukowej i technicznej Konferencji była jej częśd
kulturalna. Trasę przejazdu dobraliśmy tak, by czas wolny spędzad w jak najbardziej atrakcyjnych
turystycznie punktach Europy. Na podstawie zebranych podczas wcześniejszych wyjazdów
doświadczeo, zdecydowaliśmy się na umożliwienie uczestnikom jak najszerszej dowolności w
zwiedzaniu miast, jednocześnie zachęcając do aktywnego spędzania wolnego czasu (np. poprzez
fundowanie biletów na przejazdy komunikacją, co umożliwiało dotarcie do bardziej oddalonych
atrakcji i zabytków).
Wydaje mi się, że Konferencja NEwE dobrze spełniła swoje zadanie. Studenci mieli okazję
zapoznad się z wieloma nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi, jakich nie mogliby zobaczyd w
naszym kraju. Mogli też zaprezentowad oraz poszerzyd swoją wiedzę teoretyczną i doskonale tę
szansę wykorzystali. Myślę też, że udało nam się dobrze zaprezentowad przed towarzyszącymi nam
przedstawicielami przemysłu, co wpłynie na dobrą opinię o naszym Wydziale i jego studentach. Dla
mnie osobiście organizacja Konferencji stanowiła ukoronowanie działalności podczas studiów w
Politechnice Warszawskiej. Chciałbym zatem podziękowad wszystkim osobom, które sprawiły, że
nasze przedsięwzięcie zakooczyło się sukcesem. Ich listy nie chcę tutaj przytaczad, jako że jest ona
255
wypisana w innym miejscu tego opracowania – to lista wszystkich uczestników Konferencji Naukowo
Technicznej „Nowoczesna Energetyka w Europie”.
Adam Rajewski
Warszawa, grudzieo 2008
256

Sprawozdanie_NEwE_v2.1 - Strona główna

Transkrypt

Podobne dokumenty