RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II Chemie technosféry a atmosféry (II_03) Technosféra - Výroba energie a její vliv na životní prostředí Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Chemické látky a my 3Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Globální primární produkce E 4Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Globální primární produkce E 5Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Globální atmosférické koncentrace CO2 6Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Globální spotřeba paliv a globální emise CO2 z různých typů paliv, 1970- 2020 7Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Spalování fosilních paliv 8Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Spotřeba E v rozvojových zemích, 1995-2020 9Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Fosilní paliva 10Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Zdroje znečištění prostředí TĚŽEBNÍ ČINNOST  uhlí - hlušina  kovy, rudy - hlušina  ropa – úniky  narušení krajiny ZPRACOVÁNÍ UHLÍ  těžba – (S), hlušina,zásahy do krajiny  doprava využití:  výroba energie a tepla  výroba koksu  výroba plynu  úprava  surovina pro chemický průmysl 11Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Povrchový důl na hnědé uhlí 12Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Povrchová těžba uhlí 13Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výroba energie primární Energetické zdroje sekundární Primární - získané přímo z přírody (dřevo,uhlí, ropa, uranová ruda) Sekundární - úpravou primárních zdrojů a jejich přeměnou (svítiplyn, brikety, benzín, nafta, topné oleje ) 14Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Obnovitelné – prakticky nevyčerpatelné – sluneční záření, E vodních toků, větrná E, geotermální Přírodní zdroje energie Neobnovitelné – vyčerpatelné – uhlí, ropa, zemní plyn Výroba energie 15Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Obnovitelné zdroje Primární Využitelná forma E Rozpad radionuklidů uvnitř země Geotermální Sluneční Vodních toků Záření z kosmického prostoru Ledovců Větrná Mořských vln a proudů Chemická Pohyb planet Příliv, odliv 16Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Nárůst počtu obyvatel a spotřeby E 1950 1980 1990 2000 Nárůst Počet obyvatel (mld) 2,5 4,4 5,2 6,1 2,44-krát Spotřeba primární E (mld. tmp) 2,0 11,8 19,0 29,0 16,94-krát Spotřeba E /obyv. (tmp /obyv.) 1,04 2,7 3,65 4,75 17Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Růst spotřeby primárních zdrojů 18Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  vyčerpané prvotní energetické zdroje  zanedbatelná zásoba ušlechtilých paliv  energetická náročnost ekonomiky  relativně nižší úroveň zhodnocení paliv a energie Možná opatření:  zvýšení účinnosti při využívání E a orientace na úsporná opatření (krátkodobé hledisko)  vývoj a zavádění technologií usnadňujících přechod a zplynování (střednědobé)  uplatnění nefosilních zásob E (dlouhodobé)  restrukturalizace průmyslu  snížení energetické náročnosti Energetické problémy ČR 19Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Elektrárna Mělník 20Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Možná opatření pro snížení vlivů tepelných elektráren na ŽP  zvýšení rozptylu – extrémně vysoké komíny  jednorázová opatření k dočasnému zlepšení: - na vstupu – použití kvalitnějšího paliva - na výstupu – chemické vázání škodlivin  použití kontinuálních metod odsiřování méně hodnotných paliv a tuhých paliv s vysokým obsahem síry  použití bezodpadových technologií 21Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  odsiřování paliv - zplyňování paliv s následným zachycením H2S  desulfurace spalin 200 MW – spaliny 1 – 1,2 mil. m3.h-1 plynu (T = 130 – 180 °C) ČR: Hnědé uhlí – popel, S, As Jedno z hlavních paliv do roku 2000:  zhoršující se kvalita  soustředění jeho spalování do elektráren vybavených odsiřovacím zařízením  zplyňování uhlí s velkým obsahem síry Hlavní způsoby omezování plynných emisí 22Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Ropa:  nejpoužívanější energetický zdroj  surovinová základna petrochemického průmyslu  spalování odpadů z petrochemie  těžké topné oleje – S – odstranění technologicky možné vyšší cena (hydrogenace H2S)  lehké topné oleje – malospotřebitelé ve městech Zemní plyn: - nejušlechtilejší palivo – náročné technologické procesy, komunální bytová sféra, surovina pro chemický průmysl Hlavní způsoby omezování plynných emisí 23Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kombinace výroby tepla a elektřiny: účinnost klasické elektrárny – max. 40% kombinace - ~ 70% rozvod tepla - emise se nezmenšují, ale jsou soustředěny na jedno místo Hlavní problémy: SO2, NOx, prach, těžké kovy, PAHs ….. Vliv energetiky na ŽP Uhlí Topný olej Zemní plyn SO2 (bez odsíření) [t.r -1] 120 000 38 600 20 SO2 (odsíření) [t.r -1] 24 000 2 000 0 NO2 (bez) [t.r -1] 27 000 26 000 13 400 TČ (bez) [t.r -1] 270 000 26 000 518 TČ ( s čistěním) [t.r -1] 2 000 150 4 Radioaktivní látky [Mbq.r -1] 740 18,5 0 Odpadní teplo [mld kWh.r -1] 15% 1,64 1,71 2,2 Spotřeba chladící vody [mld l.r –1] 10 000 10 000 10 000 24Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výroba energie Alternativní způsoby 25Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alternativní způsoby výrovy energie Experimentální Poloprovoz Prototyp Průmylově Geotermální X X X X E přílivu a odlivu X X X X E mořských vln - ~ 1990 1995 – 2000 > 2000 Větrná X X 1985 > 1995 Sluneční x 1980 – 1985 ~ 1985 > 1985 Jaderní štěpení – tepelné reaktory X X X X - rychlé reaktory X X X X Termojaderná fůze. X X ~ 1990 - 2000 Zplyňování uhlí X X X X Vodíkové hospodářství x > 1985 ~ 1990 > 2000 Fotosyntéza CH4 X X ~ 1990 > 2000 26Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Předpokládaný příspěvek nových obnovitelných zdrojů Alternativní způsoby výrovy energie Předpokládaný příspěvek nových obnovitelných zdrojů energie 27Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výhody:  prakticky nevyčerpatelné zdroje E  čistý zdroj  žádné palivové náklady Nevýhody:  malá výkonová hustota  proměnlivost intenzity záření  vysoké náklady na skladování E  vysoké měrné investiční náklady Možnosti využití:  ohřev vody  sušení zemědělských produktů  čerpání vody  vytápění a klimatizace budov  výroba elektřiny  tavba kovů Využití sluneční energie 28Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 29Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 30Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 31Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 32Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 33Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití sluneční energie 34Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 35Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výhody:  žádné palivové náklady  minimální vliv na ŽP (narušení vzhledu, nebezpečí pro ptáky) Nevýhody:  malá výkonová hustota  proměnlivá intenzita větru  vysoké náklady na skladování Možnosti využití:  zásobování odlehlých oblastí elektrickou energií (zemědělské farmy v rozvojových zemích Využití větrné energie 36Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 37Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 38Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 39Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 40Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 41Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití větrné energie 42Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Geoenergetické systémy 43Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití geotermální energie 44Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výhody:  žádné palivové náklady Nevýhody:  omezený počet vhodných lokalit  relativně nízký výkon bloku  korozní problémy (obsah chemikálií ve vody a v páře)  emise H2S, NH3…. Možnosti využití:  vytápění domů a skleníků  výroba elektřiny Využití geotermální energie 45Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Geotermální pole 46Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití geotermální energie 47Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití geotermální energie 48Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití geotermální energie 49Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Systémy získávání primárních zdrojů zemského tepla 50Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Systémy získávání primárních zdrojů zemského tepla 51Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Systémy získávání primárních zdrojů zemského tepla 52Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výhody:  žádné palivové náklady  čistý zdroj E Nevýhody:  nízká účinnost přeměny E  korozní problémy zařízení  problémy s vývojem velkoplošných výměníků tepla, turbin, čerpadel Možnosti využití:  výroba elektřiny a její využití na produkci H2, N2, U z mořské vody Využití tepelné energie oceánů 53Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití tepelné energie oceánů 54Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výhody:  žádné palivové náklady  čistý zdroj E Nevýhody:  malá výkonová hustota Možnosti využití:  výroba elektřiny a její využití na produkci H2, U …. Využití kinetické energie oceánů – energie mořských vln 55Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití kinetické energie oceánů – energie mořských vln 56Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití vodní energie 57Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Využití vodní energie 58Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz FOTOSYNTÉZA A PŘEMĚNA BIOLOGICKÉ HMOTY: Výhody:  maximální využití zemědělských, lesních a městských odpadů na výrobu E  možnosti využití dosud neobdělávané půdy Nevýhody:  nízká účinnost přeměny sluneční E  vyžaduje velké plochy na pěstování rychle rostoucích rostlin a dřevin  nákladná příprava půdy (odvodňování bažin a močálů) Využití biomasy 59Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Možnosti využití:  výroba kapalných a plynných paliv  pyrolýzou (plyn, topný olej)  fermentací Využití biomasy 60Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Energetický potenciál biomasy 61Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výroba bioplynu 62Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Výroba bioplynu 63Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Elektrolýza vody 64Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Elektrolýza vody 65Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Elektrolýza vody 66Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Tepelná čerpadla 67Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Tepelná čerpadla 68Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Tepelná čerpadla 69Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 70Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jak funguje jaderná elektrárna ? 71Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz použité palivo hellium vodní pára tritium Co přitom vzniká 72Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 73Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz The Pressurized Water Reactor (PWR) The Boiling Water Reactor (BWR) Jaderná energetika 74Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 75Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 76Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 77Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 78Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 79Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 80Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Teplota ovzduší  Vlhkost  Radiace Dopady na životní prostředí 81Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderné elektrárny v ČR Dukovany Temelín 82Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 83Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jaderná energetika 84Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  30 států světa - v provozu 432 jaderných reaktorů  13% světové elektřiny  Německo x Francie  Černobyl a Fukushima Jaderné elektrárny ve světě 85Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Termonukleární syntéza 86Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Termonukleární syntéza 87Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Nukleární reakce CNO cyklus: 12C + p (  13N 13N + p ( e+, n)  13C 13C + p ( 14N 14N + p  15O 15O + p  e+, n)  15N 15N + p  12C + a (4He) p-p proces (hoření vodíku – 10 milionů K): p + p ( e+, , n)  2H 2H + p ()  3He 3He + 3He  4He + 2 p 88Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Těžké prvky  pomalý záchyt neutronů – s-proces (slow)  rychlý záchyt neutronů – r-proces (rapid) – následně b– rozpad  záchyt protonů – p-proces 89Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Předpokládaný příspěvek nových obnovitelných zdrojů E a jejich podíl na všech primárních energetických zdrojích 90Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Měrná produkce CO2 při spalování různých paliv