1 Zrównoważona Energetyka i Transport pIIdr inż,. Izabela S.Pieta Instytut Chemii Fizycznej PAN

2 Zrównoważony rozwój – wyzwaniem na jużZrównoważona Energia – bez Pary w Gwizdek David JC MacKay Przekład z języka angielskiego, adaptacja i obliczenia dla Polski Marcin Popkiewicz, Marta Śmigrowska eko.org.pl/energia ziemianarozdrozu.pl George Crabtree Marc Kastner Co-chairs, New Era subcommittee

3 Kilowatogodzina na dobę energia = moc x czas 40W ≃ 1 kWh/d Kilowatogodzina na dobę jest przyjętą jednostką używaną dla potrzeb jednego człowieka, bo większość osobistych czynności energochłonnych pochłania energię na poziomie niewielkiej liczby kilowatogodzin dziennie. Na przykład jedna żarowka o mocy 40 W, świecąca bez przerwy, zużywa jedną kilowatogodzinę dziennie.

4 Gazy cieplarniane to międzySpalanie paliw kopalnych powoduje emisję około siedmiu miliardow ton CO2 do atmosfery rocznie, co wygląda na całkiem sporo. Pamiętajmy jednak, że biosfera i oceany emitują odpowiednio około 1900 miliardow ton i miliardow ton CO2 do atmosfery rocznie –to dlatego niektorzy z nas są sceptycznie nastawieni do nacisku, jaki kładzie się na wpływ spalania paliw kopalnych przez człowieka na efekt cieplarniany. The electrification of transport and heating of course requires a substantial increase in electricity generation. Gazy cieplarniane to między innymi dwutlenek węgla, metan oraz podtlenek azotu. Każdy z nich ma inne właściwości fizyczne. Zgodnie z przyjętą konwencją, wszystkie emisje gazow cieplarnianych wyraża się za pomocą „ekwiwalentu dwutlenku węgla”, gdzie słowo „ekwiwalent” oznacza „wywoływanie takiego samego efektu cieplarnianego przez okres 100 lat”. Jedną tonę ekwiwalentu dwutlenku węgla zapisujemy w następujący sposob: 1t CO2e, zaś jeden miliard ton to 1Gt CO2e, czyli jedna gigatona.

5

6

7

8 Samochody Comparisons of a couple of energy-consuming activities with conceivable renewable energy production. On the left, driving 50 km per day consumes 40 kWh per day, and taking an annual long-range flight by jet uses 30 kWh per day (averaged over the year). On the right, covering the windiest 10% of Britain with onshore windfarms would yield 20 kWh per day per person; covering every south-facing roof with solar water-heating panels would capture 13 kWh per day per person; and wave machines intercepting Atlantic waves over 500 km of coastline would provide 4 kWh per day per person.

9 moc na osobę = moc wiatru na jedn. pow. x jedn. pow. na osobę.Jeśli typowa prędkość wiatru wynosi 6 m/s (22 km/h), to moc farmy wiatrowej na jednostkę powierzchni jest rowna 2 W / m2 Średnią prędkość wiatru wynoszącą 6 m/s w miejscach o bardzo dobrych warunkach wiatrowych mamy na wysokości około 60–80 m, co dość dobrze odpowiada wysokości budowanych wiatrakow. Jednak raczej nie znajdziemy km2 dopuszczonych do zabudowy miejsc o tak dobrych warunkach wiatrowych. Założmy więc, że nasze wiatraki będą stać w miejscach ze średnią prędkością wiatru na poziomie 5,5 m/s. Oznacza to moc na jednostkę powierzchni rowną 1,5 W/m2. W Polsce na 1 osobę przypada 8000 m2, co daje nam moc całkowitą rzędu 30 kWh na osobę dziennie. Czyniąc założenie, że zabudowujemy farmami wiatrowymi, wiatrak przy wiatraku, 10 procent powierzchni Polski, dostajemy ostatecznie wynik 30 kWh/dobę na osobę

10 Samoloty Boeing 747–400 zatankowany litrami paliwa może przetransportować 416 pasażerow na odległość km. Wartość opałowa paliwa wynosi 10 kWh na litr. Zatem wydatek energetyczny na pokonanie pełnego możliwego dystansu tego samolotu w tę i z powrotem, jeśli podzielimy go rowno pomiędzy pasażerow, wynosi: 2 × litrów 416 pasazerów × 10 kWh/litr kWh na pasazera Jeśli odbywasz jedną taką podroż rocznie, to Twoje średnie zużycie dzienne wynosi: kWh/365 dni = 33 kWh/dzien

11 Energia słoneczna i biopaliwaPromieniowanie słoneczne ogrzewające ziemię w południe wiosennego lub jesiennego dnia. Natężenie promieniowania na jednostkę powierzchni w Cambridge (52oN) wynosi 60% natężenia promieniowania na rowniku. Możemy przekształcić tę moc promieniowania słonecznego w moc użytkową na cztery sposoby: 1. Panele fototermiczne (tzw. solary): używając promieni słonecznych do bezpośredniego ogrzewania budynkow lub wody. 2. Panele fotowoltaiczne: wytwarzając prąd elektryczny. 3. Biomasa: wykorzystując drzewa, bakterie, algi, kukurydzę, soję lub oleje roślinne do wytwarzania paliw, związkow chemicznych lub jako materiałow budowlanych. 4. Pożywienie: to samo co w przypadku biomasy, za wyjątkiem tego, że rośliny są wykorzystywane jako jedzenie dla ludzi i zwierząt.

12 Najprostszą technologią wykorzystującą energię słoneczną jest panel ogrzewającywodę. Wyobraźmy sobie, że pokrywamy wszystkie powierzchnie dachow, skierowane na południe, takimi panelami fototermicznymi. Oznaczałoby to około 10 m2 paneli na osobę przy założeniu, że panele te zamieniają moc promieniowania słonecznego (110 W/m2) w gorącą wodę z efektywnością 50%. Jeśli zatem pomnożymy 50% x 10 m2 x 110 W/m2 to okaże się, że ogrzewanie za pomocą słońca może dostarczyć 13 kWh dziennie na osobę.

13 Wszystkie dostępne rozwiązania bioenergetyczne opierają się na koncepcji uprawiania roślin, a następnie robienia z nimi czegoś. Jak wiele energii można w ten sposob potencjalnie uzyskać? Biomasa 1. Możemy uprawiać wyselekcjonowane rośliny i spalać je w elektrowni, ktora produkuje prąd elektryczny lub ciepło, lub jedno i drugie- substytucję węgla. 2. Możemy uprawiać specjalnie dobrane rośliny (na przykład rzepak, trzcinę cukrową lub kukurydzę), zamienić je w etanol lub biodiesel i pompować do samochodow, pociągow, samolotow lub wszędzie tam, gdzie okażą się przydatne. Możemy rownież hodować genetycznie modyfikowane bakterie, cyjanobakterie lub algi, ktore w sposob bezpośredni produkują wodor, etanol, butanol czy nawet prąd elektryczny. Takie rozwiązania nazwalibyśmy substytucją ropy. 3. Możemy wykorzystać produkty uboczne pochodzące z innych rodzajow działalności rolnej i spalać je w elektrowni. Spalanie produktow ubocznych jest rownież substytucją węgla, jednak przy użyciu zwykłych roślin, a nie roślin wysokoenergetycznych. Elektrownia spalająca odpady z produkcji rolnej nie dostarczy tak dużej mocy na jednostkę powierzchni uprawnej, jak zoptymalizowana uprawa biomasy, ale jej zaletą będzie to, że nie wymusi przejmowania terenow uprawnych przez uprawy energetyczne. Spalanie metanu z wysypiska śmieci to podobny sposob pozyskiwania energii, jednak jest on zrownoważony jedynie wtedy, gdy mamy zrownoważone źrodło odpadow dla wysypisk (większość metanu z tego źrodła pochodzi z odpadow spożywczych). Spalanie odpadow z gospodarstw domowych jest kolejną, odrobinę mniej okrężną, drogą pozyskiwania energii z biomasy. 4. Możemy uprawiać rośliny i karmić nimi bezpośrednio ludzi i zwierzęta, także potrzebujących energii.

14 maksymalna dostępna moc, z pominięciem wszystkich dodatkowych kosztow sadzenia, zbierania i przetwarzania roślin, wynosi: 0,5 W/m2 × 3000 m2 na osobę = 36 kWh/d na osobę Nawet w dobrym kotle podczas spalania suchego drewna przez komin ucieka 20% ciepła. Rzeczywisty potencjał biomasy i biopaliw z pewnością nie może być większy niż 24 kWh/d na osobę.

15 Ogrzewanie i chłodzenieObjętość ciepłej wody w wannie to: 50 cm × 15 cm × 150 cm ≈ 110 litrow (oczywiście dochodzi do tego zimna woda, ale nie musimy jej podgrzewać). Powiedzmy, że temperatura ciepłej wody wynosi 50°C, a wpływając do domu woda ma temperaturę 10 °C. Pojemność cieplna wody określająca, ile energii trzeba włożyć w podgrzanie jednego litra wody o 1°C, wynosi J. Zatem energia potrzebna do podgrzania 110 litrow wody o 40 °C wynosi: 4200 J × 110 litrow × 40 °C ≈ 18 MJ ≈ 5 kWh Ciepła kąpiel wiąże się więc ze zużyciem około 5 kWh energii. Dla porownania, prysznic (30 litrow ciepłej wody) wymaga około 1,4 kWh. Regulujemy temperaturę, nie tylko podgrzewając wodę i powietrze, lecz także chłodząc żywność, ktorą przynosimy do naszych rozgrzanych domow. Lodowko-zamrażarka, zużywa średnio 18 W – co odpowiada mniej więcej 0,5 kWh.

16 i chłodzenie w domu, pracy i podczas przygotowywania żywności, dająNasze obliczenia całkowitej energii, ktorą jedna osoba może zużyć na ogrzewanie i chłodzenie w domu, pracy i podczas przygotowywania żywności, dają liczbę 37 kWh na osobę dziennie (12 na ciepłą wodę, 24 na ciepłe powietrze i 1 na chłodzenie).

17 Hydroenergetyka By wytworzyć energię hydroelektryczną wody, potrzebna jest rożnica wysokości terenu oraz deszcz. Oszacujmy całkowitą energię pochodzącą ze wszystkich opadow, gdy deszcz spływa do poziomu morza. Łącznie niziny i wyżyny dają 8 kWh. Przyjmując, że w praktyce moglibyśmy wykorzystać tę energię w 20 procentach, sumując energię z wyżyn i nizin, otrzymujemy 1,6 kWh na osobę dziennie. Rzeczywista moc czerpana z energii wodnej w Polsce wynosi obecnie 0,2 kWh na osobę dziennie, czyli nasze 1,5 kWh na osobę dziennie wymagałoby ośmiokrotnego zwiększenia mocy elektrowni wodnych.

18 Jeśli możesz mieć niskoenergetyczny Oświetlenie Jeśli możesz mieć niskoenergetyczny zamiennik, wymień starą żarowkę od razu. W Polsce cena zakupu 15 żarowek żarowych (15 x 1,2 PLN = 18 PLN) oraz zużycia kWh energii elektrycznej (1 500 kWh x 0,5 PLN/kWh = 750 PLN) wyniesie łącznie 768 PLN (przy czym cena żarowek w porownaniu z ceną prądu jest naprawdę mikroskopijna). Z kolei łączny koszt zakupu jednej żarowki energooszczędnej (20 PLN) oraz zużycia 300 kWh energii elektrycznej (300 kWh x 0,5 PLN/kWh = 150 PLN) wyniesie 170 PLN.

19 więc o tym pomyśle i przyjmijmy 0 kWh na osobę dziennie. Fale Jeśli w ogole energia fal ma dawać nadzieję jakiemuś krajowi, to musi dawać nadzieję Wielkiej Brytanii i Irlandii, otoczonym z jednej strony wodami Oceanu Atlantyckiego, a z drugiej wodami Morza Połnocnego. Polska ma niecałe 400 km linii wybrzeża morskiego (pomijając zawijasy linii brzegowej, wybrzeża Zatoki Gdańskiej oraz Zalewu Szczecińskiego i Zalewu Wiślanego). Powiedzmy, że podobnie jak w Wielkiej Brytanii połowę wybrzeża zabudujemy elektrowniami falowymi. Instalacje te osiągną wowczas długość 200 km. Niestety, fale na Bałtyku to ubodzy krewni fal Atlantyckich. Wiele energii się z nich nie wyciśnie. Według szacunkow Instytutu Morskiego w Gdańsku, energia fal u naszych wybrzeży wynosi średnio 4 kW na metr bieżący grzbietu fali (co mniej więcej odpowiada mocy fal na Morzu Połnocnym). Pomijając fakt, że fale wcale nie będą uderzać prostopadle w wybrzeże, całkowita moc możliwa do uzyskania na polskim wybrzeżu to około 0,25 kWh na osobę dziennie. Tak mało energii z tak olbrzymiej infrastruktury? Zapomnijmy więc o tym pomyśle i przyjmijmy 0 kWh na osobę dziennie. Kolektor energii fal Pelamis to rodzaj węża morskiego składającego się z czterech części. Jest ustawiony przodem do nadbiegających fal. Fale powodują, że wąż wygina się, co porusza generatory hydrauliczne. Maksymalna moc uzyskiwana z jednego węża wynosi 750 kW; w najlepszych lokalizacjach na wybrzeżach Atlantyku jeden wąż może dostarczać średnio 300 kW.

20 Energia geotermiczna pochodzi z dwoch źrodeł: rozpadow radioaktywnych Prądożercze gadżety Ulepszona ekstrakcja geotermiczna ciepła z gorących suchych skał. Jeden odwiert jest wiercony i poddawany działaniu ciśnienia, ktore tworzy w skale pęknięcia. Drugi odwiert jest wykonywany po drugiej stronie pokruszonej strefy. Następnie w jeden odwiert wpompowujemy zimną wodę, a z drugiego odbieramy gorącą parę. Pływy Żywność i rolnictwo Usługi publiczne Geotermia Energia geotermiczna pochodzi z dwoch źrodeł: rozpadow radioaktywnych w skorupie ziemskiej oraz ciepła przesączającego się przez płaszcz z jądra Ziemi. Ciepło w jądrze jest pozostałością po powstawaniu Ziemi, ktora jeszcze do tej pory ochładza się i twardnieje. Ciepło wnętrza Ziemi jest też uzupełniane przez tarcie wywoływane przez siły pływowe: Ziemia odkształca się w reakcji na działanie pol grawitacyjnych Księżyca i Słońca Geotermia jest atrakcyjnym źrodłem energii odnawialnej: jest zawsze dostępna, niezależna od pogody, a wybudowane siłownie geotermiczne można bez trudności włączać i wyłączać w zależności od zapotrzebowania. Trudność w pozyskiwaniu tej energii w sposob zrównoważony polega na tym, że przewodzenie ciepła przez skały jest ograniczone. Wskutek tego nie możemy przez dłuższy czas zasysać z gorącego wnętrza ziemi dużych ilości energii.

21

22

23 Thank you for attentionThese beautiful concentrators deliver a power per unit land area of 14W/m2. The first three strategies for eliminating the gap reduce energy demand: • population reduction; • lifestyle change; • changing to more efficient technology. The other strategies for eliminating the gap increase energy supply: • “Sustainable fossil fuels” and “clean coal” are names given to carrying on burning coal, but in a different way, with carbon capture and storage. What power could we get from coal, “sustainably”? • Nuclear power is another controversial option; is it just a stop-gap? • A third way to get extra carbon-free power would be to live on renewable energy from other countries – in particular, countries blessed with plentiful sunshine, large areas, and low population densities. What is the realistic potential of the Sahara desert? Thank you for attention