Gospodarka zasobami energetycznymi

WYKŁAD
Gospodarka zasobami energetycznymi - Energetyka
(30 godzin)
I. Wstęp – Plan wykładu
Pozyskanie i wykorzystanie zasobów energetycznych wszelkiego rodzaju jest podstawowym
elementem rozwoju każdego kraju. Staje się podstawą wyodrębnieniem pewnej gałęzi
gospodarki zwanej energetyką.
Do głównych zagadnień gospodarki zasobami energetycznymi należą:
- pozyskiwanie, przetwarzanie i dostawa paliw i energii
- wykorzystanie zasobów energetycznych
- eksploatacja urządzeń energetycznych
- planowanie rozwoju infrastruktury energetycznej
- zarządzanie i racjonalizacja produkcji i wykorzystania energii
Opracowany obecnie wykład zajmuje się głównie podstawami fizycznymi pierwszego z
wymienionych wyżej zagadnień, mianowicie zasadnicza część wykładu jest poświęcona
tematowi produkcji użytecznej energii mechanicznej i elektrycznej oraz odnawianym żródłem
energii. Ponadto, chociaż w niektórych krajach energia jądrowa nie jest akceptowana jako
jeden z sposobów produkcji energii elektrycznej, to źródło energii powinno być opisane i
zyzyko związane z jej eksploatacją powinno być omówione ze względu na to, że istniejące
elektrownie jądrowe na długo pozostaną w naszym bliższym lub dalszym sąsiedztwie.
Niektóre istniejące elektrownie jądrowe znajdują się w odległości zaledwie kilkudziesięciu
kilometrów od naszej granicy. Ponadto jak podkreślano niżej, energia jądrowa jest ważnym
czynikiem w osiągnięciu samowystarczalności energetycznej Polski, więc zrozumienie
podstaw fizycznych tej energii, w szcgólności problemu bezpieczeństwa jądrowego jest nie
zwykle ważne, zwłaszcza Polska już zdecydowała rozwijać energię jądrową w najbliższych
latach. 13 stycznia 2008 rząd przyjął uchwałę w sprawie rozwoju energetyki jądrowej. W celu
zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, w Polsce mają powstać co najmniej dwie
elektrownie jądrowe. W pierwszej z nich prąd ma popłynąć już w 2020 roku.
W obliczu przemian gospodarczych i społecznych samowystarczalność energetyczna
Polski jest kwestią niezwykle istotną, co było podkreślane często zarówno przez naukowców,
polityków jak i specjalistów z dziedziny energetyki. Z wiarygodnych źródeł
samowystarczalność energetyczna kraju podlega systematycznemu zmniejszeniu. W 1975
sięgała ona 113%, dziś sięga 80%. Według prognoz długoterminowych, samowystarczalność
energetyczna Polski nie przekroczy nawet 60% w 2020 roku. Oznacza to, że Polska
nieuchronie uzależni się, jak nigdy dotąd, od zewnętrznych dostaw energetycznych oraz od
tego, czy będziemy wprowadzali energię jądrową czy nie.
Wykład obecny pokazuje również, że każda metoda produkcji energii użytecznej stwarza
pewne problemy i ma swoją cenę. Jednak każdy śłuchacz powinien wiedzieć, że ryzyko i
strategia to nieodłączone cechy wyborów, jakich musi dokonywać społeczeństwo w każdej
dziedzinie gospodarczej, nie tylko w dziedzinie energetyki.
10 listopada 2009 roku Rada Ministrów przyjęła przygotowany w Ministerstwie Gospodarki
dokument Polityka energetyczna Polski do 2030 roku. Dokument zawiera długoterminową
strategię rozwoju sektora energetycznego, prognozę zapotrzebowania na paliwa i energię oraz
program działań wykonawczych do 2030 roku. Strategia odpowiada na najważniejsze
wyzwania stojące przed polską energetyką w perspektywie krótko- i długoterminowej.
Jednym z największych wyzwań, przed którymi stoi każdy kraj rozwijający gospodarczo,
zwłaszcza w przypadku Polski, która stara się dostosować do normy rozwoju Unii
Europejskiej, jest pogodzenie wzrostu gospodarczego z ochroną Środowiska. W lisropadzie
ubiegłego roku Ministerstwo Gospodarki opracował kolejny ważny dokument pt. Strategia
„Bezpieczeństwa Energetyczne i Środowisko” (BEiŚ).
Każdego dnia gospodarka do sprawnego funkcjonowania potrzebuje ogromnych ilości
energii, która w instalacjach energetycznych produkowana jest z paliw kopalnych, wody,
słońca,a więc z zasobów środowiska. Wydobycie kopalin, korzystanie z wód,
zanieczyszczenie powietrza, przeciwdziałanie zmianom klimatu i adaptacja do tych zmian są
podstawowymi zagadnieniami tej strategii. BEiŚ jest pewnym pomostem pomiędzy
Środowiskiem i Energetyką stanowiąc jednocześnie impuls do bardziej efektywnego i
racjonalnego prowadzenia polityki w obu tych obszarach.
Wyżej wymienione dokumenty będą omawiane skrótowo we wstępie do wykładu (1
godz.)
Polska gospodarka należy do najbardziej energochłonnych w Europie. Obecnie w Polsce 95%
energii pochodzi z węgla. Te zasoby energetyczne szacowane są na 29,5 mld ton węgla
kamiennego oraz 11,6 mld ton węgla brunatnego. Jak widać, mimo iż największe w Europie,
nie wystarczą na więcej niż 30 lat (biorąc pod uwagę obecne tempo rozwoju i
energochłonność gospodarki). Elektrociepłownia wykorzystująca węgiel spowodowała i
spowoduje zanieczyszczenie środowiska na ogromną skalę. Ogólnie mówiąc, środowisko
zostanie zanieczyszczone gdy każde źródło energii zostaje zamienione na energię
mechaniczną lub elektryczną. Ten problem będzie poruszony w dalszej części wykładu
(3 godziny), gdzie jako przykład przedstawiono problem zanieczyszczenia atmosfery i
zasotosowanie fizyki w postaci nowych urządzeń jak lidary w analizie tego zanieczyszczenia.
Głównym żródłem energii nadal są paliwa kopalne. Aby dobrze zrozumieć podstawy
procesów wykorzystania tego źródła energii, trzeba opanować dobrze termodynamikę,
która opisuje zmianę ciepła na energię i na odwrót. Podstawowe zasady tej gałęzi fizyki i
różne sposoby wymiany ciepła będą omówione w dalszej części wykładu (6 godzin).
W dokumencie resort gospodarki stworzył również podstawy do przygotowania programu
polskiej energetyki jądrowej. Wskazane zostały działania, jakie należy podjąć w najbliższych
latach, aby możliwie szybko uruchomić w Polsce pierwsze instalacje tego typu. Chodzi tu o
przygotowanie odpowiedniej infrastruktury prawnej i organizacyjnej oraz zapewnienie
warunków do wybudowania i uruchomienia elektrowni jądrowych w oparciu o sprawdzone,
bezpieczne technologie. Ze względu na ważność tego żródła energii jak podkreślano wyżej i
gorącą dyskusję społeczną część wykładu o energii jądrowej będzie największa (10
godzin).
Kolejnym zagadnieniem energetyki jest rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii
(OZE – wiatr, woda, słońce, w Polsce z naciskiem na biomasę i energetykę wiatrową) i
rozwoju tej gałęzi energetyki. Najważniejszym przedsięwzięciem w tym obszarze będzie
wypracowanie ścieżki dochodzenia do realizacji celów zawartych w pakiecie klimatycznym,
w podziale na poszczególne rodzaje OZE i związane z nimi technologie (8 godzin).
Ostatnia część wykładu (2 godzin) zawiera wnioski końcowe i zakończenie, w którym
podkreślano konieczność wprowadzenia energii jądrowej w Polsce.
I.1. Polityka energetyczna Polski do 2030 r.
Dnia 10 listopada 2009r. Rada Ministrów przyjęła Uchwałę nr 202/2009 pod tym tytułem.
Dokument zawiera najważniejsze zagadnienia energii polskiej do roku 2030, wskazuje
działania, których realizacja doprowadzi do rozwiązania takich podstawowych problemów jak
rosnące zapotrzebowania na energię, różne aspekty infrastruktury wytwórczej i transportowej,
ochrona środowiska i zobowiązania względem Unii Europejskiej. Ponadto Uchwała opisuje
szczegółowo uzależnienie Polski od zagranicznych dostaw gazu i ropy.
Nowa polityka energetyczna zawiera następujące zagadnienia:
1. Kluczowa i priorytetowa rola poprawy efektywności energetycznej dla wszystkich
założeń strategii energetycznej Polski.
2. Kwestia bezpieczeństwa energetycznego. W Uchwale zakłada się stworzenie
stabilnych perspektyw dla inwestowania w infrastrukturę przesyłkową i
dystrybucyjną.
3. Wprowadzenie programu polskiej fizyki jądrowej.
4. Wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE).
5. Zwiększenie konkurencji na rynku energii.
6. Ograniczenie oddziaływania energetyki na Srodowisko.
I.2. Strategia „Bezpieczeństwa Energetyczne i Środowisko”
Po etapie konsultacji społecznych i międzyresortowych, w dniu 4 lipca 2012 kierownictwo
Ministerstwa Gospodarki przyjęło projekt strategii i zarekomentowało skierowanie
dokumentu pod obrady Komitetu Stałego Rady Ministrów (nie ma jeszcze planowego terminu
przyjęcia projektu). Omówione będą skrótowo cele Strategii i ewentualne działania
realizujące te cele. Oto główne zagadnienia:
1. Zrównoważone gospodarowanie zasobami środowiska
1.1 Racjonalne i efektywne gospodarowanie zasobami kopalin
1.2 Gospodarowanie wodami dla ochrony przed powodzią, suszą i deficytem wody
1.3 Zachowanie bogactwa rónorodności biologicznej, w tym wielofunkcyjna
gospodarka leśna
1.4 Uporządkowanie zarządzania przestrzenią
2. Zapewnienie gospodarce krajowej bezpiecznego i konkurencyjnego
zaopatrzenia w energię
2.1 Lepsze wykorzystanie krajowych zasobów energii
2.2 Poprawa efektywności energetycznej
2.3 Zapewnienie bezpieczeństwa dostaw importowanych surowców energetycznych
2.4 Modernizacja sektora elektroenergetyki zawodowej, w tym przygotowania do
wprowadzenia energetyki jądrowej
2.5 Rozwój konkurencji na rynkach paliw i energii oraz umacnianie pozycji odbiorcy
2.6 Wzrost znaczenia rozproszonych, odnawialnych źródeł energii
2.7 Rozwój energetyczny obszarów podmiejskich i wiejskich
3. Poprawa stanu środowiska
3.1 Zapewnienie dostępu do czystej wody dla społeczeństwa i gospodarki
3.2 Racjonalne gospodarowanie odpadami, w tym wykorzystanie ich na cele
energetyczne
3.3 Ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko
3.4 Wspieranie nowych i promocja polskich technologii energetycznych i
środowiskowych
3.5 Promowanie zachowań ekologicznych oraz tworzenie warunków do powstawania
zielonych miejsc pracy
II. Zanieczyszczenie atmosfery i lidary (Załącznik 1)
1. Atomy i fotony
2. Widmo absorsyjne i emisyjne
3. Lasery – właśności
4. Atmosfera Ziemska – Skomplikowany Układ Dynamiczny
5. Lidar – Light Detection And Ranging
6. Aerozolowy Lidar Jednoczęśtościowy
7. Lidar absorpcji różnicowej DIAL – Differential Absorption Lidar
8. Lidar depolaryzacyjny
9. Aerozol w atmosferze
10. Cavity Ring-Down Spectroscopy CRDS
11. Inne czułe deteltory
III. Paliwa kopalne (załącznik 2)
III.1. Proces wymiany ciepła
III.1.1. Przewodzenie ciepła
III.1.2. Konwekcja
III.1.3. Promieniowanie
III.1.4. Równanie dyfuzji ciepła
III.1.5. Dobowe zmiany temperatury
III.1.6. Półprzezroczysta izolacja cieplna
III.1.7. Nagła zmiana temperatury
III.1.8. Wymiana ciepła przez żebra
III.2. Zasady termodynamiki. Silniki cieplne
III.2.1. I zasada termodynamiki
III.2.2. II zasada termodynamiki
III.2.3. III zasada termodynamiki
III.2.4. Zamiana ciepła na pracę i na odwrót. Sprawność cieplna
III.2.5. Sprawność rzeczywistego silnika cieplnego
III.2.6. Egzergia
III.2.7. Silniki cieplne
III.2.8. Elektryczność
III.2.9. Zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska
IV. Energia jądrowa (załącznik 3)
1. Kwantowy opis atomu
•
•
•
Stany związane w atomach. Liczby kwantowe
Zasada Pauliego
Model powlokowy atomu. Okresowy układ pierwiastków
2. Fizyka jądrowa
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Jądro atomowe – kwarki
Jednostki w fizyce jądrowej
Własności nukleonów i jąder
Izotopy, izotony i izobary
Stany związane w jądrach
Energia wiązania
Defekt masy
Ścieżka trwałości jąder
Modele jądra: model kroplowy i model powłokowy
Liczby magiczne
Prawo rozpadu
Rozpady Alpha, beta i gamma
Zderzenia i reakcje jądrowe
Mikroskopowe przekroje czynne
3. Energia jądrowa
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rozszczepienie jąder
Neutrony termiczne i opóżnione
Lawinowa reakcja rozszczepienia
Masa krytyczna
Kontrolowana reakcja jądrowa
Reaktor jądrowy
Schematy bloków energetycznych
Schemat elektrowni jądrowej
Fuzja jądrowa
Oddziaływania promieniowań różnych typów z materią
•
•
•
V.
Promieniowanie i życie
Źródła naturalne i sztuczne promieniowania środowiska
Śmiertelność i dawka śmiertelna
Odnawialne źródła energii (załącznik 4)
V.1. Słońce źródłem ciepła i elektryczności
V.1.1. Kolektory słoneczne
V.1.2. Ogniwa słoneczne
V.2. Energia wiatru – warunek graniczny Betza
V.3. Energia wody
V.3.1. Fale
V.3.2. Elektrownie wodne
VI. Wnioski i zakończenie (załącznik 5)
Literatura