energetyka

energetyka

[gr.],

dział nauki i techniki zajmujący się badaniem, pozyskiwaniem, przetwarzaniem, gromadzeniem, przesyłaniem oraz użytkowaniem różnych form i nośników energii;

użyteczne formy energii (mechaniczną, elektryczną oraz ciepło) uzyskuje się w wyniku przetwarzania energii pierwotnych, głównie: chemicznej paliw pierwotnych, jądrowej, wód, wnętrza Ziemi (czyli energii geotermicznej), przepływu powietrza (wiatrów), promieniowania Słońca (energii słonecznej); energie pierwotne są zawarte w źródłach energii. Ocenę ilości pierwotnych nośników energii oraz możliwości jej pozyskania stanowi wielkość zasobów energetycznych. Światowe zasoby pewne (udokumentowane) paliw kopalnych szacowano w końcu lat 90. XX w. na ok. 850 Gt oe, czyli ok. 3,6 · 10²² J (1 Gt oe — 1 mld t ekwiwalentu naftowego, czyli ok. 4,19 · 10¹⁹ J). Potencjał techniczny (czyli uwzględniający techniczne możliwości wykorzystania) odnawialnych źródeł energii wynosi 24 Gt oe, tj. ok. 10²¹ J. Zasoby energetyczne Polski są znaczne, są to głównie zasoby paliw stałych (węgla kamiennego i brunatnego); zasoby gazu ziemnego są stosunkowo małe, ropy naftowej znikome, brak jest zasobów uranu. Możliwości wykorzystania w naszym kraju energii odnawialnych są obecnie niewielkie, w liczącym się stopniu jest wykorzystywana jedynie energia wód, której zasoby są oceniane jako mogące dać produkcję ok. 12–13 TW·h energii elektrycznej rocznie.

W zależności od postaci energii (lub jej nośnika) pierwotnej bądź finalnej energetyka dzieli się na: cieplną (termoenergetykę), wodną (hydroenergetykę), jądrową, elektroenergetykę (dział energetyki o zasadniczym znaczeniu, obejmujący wytwarzanie, przesyłanie, rozdzielanie i użytkowanie energii elektrycznej) i gazoenergetykę (obejmującą wytwarzanie, przesyłanie i użytkowanie energii, której nośnikiem jest gaz ) oraz energetykę geotermiczną (geoenergetykę), wiatrową (aeroenergetykę), energetykę słoneczną.

Energetyka cieplna (termoenergetyka)

zajmuje się przetwarzaniem energii w procesach, w których pośrednią lub końcową (finalną) postacią energii jest ciepło uzyskiwane przez spalanie węgla, ropy naftowej, gazu, torfu; procesy te, realizowane głównie w elektrowniach (cieplnych), ciepłowniach i elektrociepłowniach, dotyczą ponad 98% światowego zużycia energii. Intensywny rozwój energetyki cieplnej został zapoczątkowany wynalezieniem i zastosowaniem w przemyśle silników parowych (1785–1800), a jej podstawy naukowe są związane z odkryciem w pierwszej połowie XIX w. najważniejszych praw termodynamiki; tradycyjna energetyka cieplna, wykorzystująca paliwa konwencjonalne, jest jednym z głównych źródeł zanieczyszczenia środowiska.

Energetyka jądrowa

zajmuje się pozyskiwaniem i przetwarzaniem energii jądrowej zawartej w pierwiastkach rozszczepialnych; energia jądrowa jest wyzwalana w reaktorze jądrowym, głównie w postaci ciepła (ponad 95%) i wykorzystywana albo bezpośrednio do ogrzewania, albo przetwarzana na energię mechaniczną lub elektryczną (statki i okręty z napędem jądrowym lub elektrownie jądrowe). O rozwoju energetyki jądrowej zadecydowały względy ochrony środowiska oraz wyczerpywanie się zasobów tradycyjnych paliw. Niektóre kraje odchodzą od energetyki jądrowej (w Polsce 1990 odstąpiono od budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu); jest to wynikiem jej małej konkurencyjności ekonomicznej oraz niekorzystnego klimatu społecznego wokół tej energetyki, szczególnie po awarii w Three Mile Island (USA, 1979) oraz katastrofie w Czarnobylu (Ukraina, 1986). Dla dalszego rozwoju energetyki jądrowej najważniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji elektrowni jądrowej i in. obiektów jądrowych cyklu paliwowego, a także bezpieczne składowanie odpadów promieniotwórczych.

Energetyka wodna (hydroenergetyka)

zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeń (w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz — w elektrowniach pływowych) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie — mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu. Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru (odcinek strumienia, rzeki, część zatoki) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tzw. zasobów hydroenergetycznych. Dla Polski dominujące znaczenie hydroenergetyczne mają dolna Wisła oraz Dunajec. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energetycznemu wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tzw. małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt, że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej.

Energetyka słoneczna (helioenergetyka)

zajmuje się pozyskiwaniem, przetwarzaniem i wykorzystaniem energii promieniowania Słońca. Niemal cała energia tego promieniowania jest skoncentrowana w promieniowaniu widzialnym i podczerwonym; promieniowanie słoneczne jest też przyczyną wielu zjawisk występujących na Ziemi i wykorzystywanych w energetyce (wiatrów, fal i prądów morskich, powstawania opadów atmosferycznych zasilających rzeki). Potencjał techniczny energii promieniowania Słońca jest znacznie niższy od teoretycznego, niewielkie jest też jego wykorzystanie. Pozyskiwanie energii słonecznej jest możliwe dzięki kolektorom słonecznym o działaniu bezpośrednim (np. przy podgrzewaniu wody) lub w elektrowniach słonecznych; możliwe jest magazynowanie energii słonecznej w tzw. stawach energetycznych (słonecznych), dzięki utrzymywaniu w nich uwarstwienia z rosnącą w głąb koncentracją soli.

Energetyka wiatrowa (aeroenergetyka)

zajmuje się przetwarzaniem energii wiatru (za pomocą silników wiatrowych) w elektrowniach i siłowniach wiatrowych. Moc elektrowni wiatrowych jest zależna od prędkości wiatru, w wielu rejonach (w tym na dużej części obszaru Polski) warunki klimatyczne nie sprzyjają wykorzystaniu energii wiatru.

Energetyka geotermiczna (geoenergetyka)

zajmuje się pozyskiwaniem i przetwarzaniem (w elektrowniach geotermicznych) ciepła wnętrza Ziemi, którego źródłem są przemiany promieniotwórcze, reakcje chemiczne oraz inne procesy zachodzące w skorupie ziemskiej. Przydatność danej formacji geologicznej jako miejsca wykorzystania energii geotermicznej (geotermalnej) określa wielkość stopnia (gradientu) geotermicznego, czyli przyrostu temperatury na jednostkę długości mierzonej w głąb ziemi; w praktyce wykorzystuje się ciepło wnętrza Ziemi zmagazynowane w masie stopionych skał (magmie), skałach znajdujących się w stanie stałym, wodzie przenikającej z powierzchni i stykającej się z gorącymi skałami (często jest to przyczyną powstawania na powierzchni Ziemi gorących źródeł lub gejzerów).

W procesie rozwoju ludzkości rosło zużycie energii i obecnie osiągnęło w uprzemysłowionych krajach świata poziom 150–300 GJ na osobę rocznie. Szczególnie wysoki (ponad dziesięciokrotny) był przyrost zużycia energii w XX w. Przetwarzaniu i użytkowaniu energii towarzyszy emisja szkodliwych substancji: dwutlenku siarki (jego obecność w atmosferze sprzyja powstawaniu tzw. kwaśnych deszczów), tlenków azotu, dwutlenku węgla (ich koncentracja w atmosferze powoduje prawdopodobnie tzw. efekt cieplarniany), węglowodorów, związków aromatycznych (silnie rakotwórczych), freonów (prawdopodobnie odpowiedzialnych za rozszerzanie się tzw. dziur ozonowych), pyłów, substancji promieniotwórczych. W Polsce jest ta emisja szczególnie wysoka ze względu na dominujący udział węgla jako paliwa oraz fakt, iż dopiero w latach 90. XX w. zainicjowano wprowadzanie programu odsiarczania spalin w elektrowniach i zaplanowano ograniczanie emisji tlenków azotu; redukcja emisji pyłów jest w Polsce niewystarczająca — mimo produkcji w kraju elektrofiltrów dobrej jakości i wyposażenia w nie wszystkich większych elektrowni. Rozwój energetyki jest również związany z podgrzewaniem wód jezior i rzek (ciepłem oddawanym przez parę dopływającą do skraplacza w elektrowni cieplnej lub jądrowej) oraz degradacją terenu przez składowiska popiołów (obecnie w wielu krajach prowadzi się intensywne prace nad zazielenianiem hałd, a nawet ich wykorzystaniem dla rolnictwa), a także przez budowanie wysokich kominów, wielkich chłodni kominowych oraz wycinanie lasów przy prowadzeniu linii elektroenergetycznych. Sprawami energetyki zajmuje się Światowa Rada Energetyczna (utworzona 1924 jako Światowa Konferencja Energetyczna) — pozarządowa, międzynarodowa organizacja, która m.in. prowadzi studia nad zasobami energii pierwotnej oraz technologiami jej uzyskania; prognozuje pozyskiwanie, przetwarzanie, przesyłanie oraz użytkowanie energii; bada rozwój źródeł energii i racjonalizację użytkowania energii.

Józef Paska

Bibliografia

Z. Celiński Energetyka jądrowa a społeczeństwo, Warszawa 1992;

Założenia polityki energetycznej Polski do 2020 roku, Warszawa 2000.

Itaipu, hydroelektrownia na Paranie (Brazylia/Paragwaj)

Mývatn, elektrownia geotermiczna, (północno-wschodnia Islandia).

Nowa Zelandia, elektrownia geotermalna na Wyspie Północnej