Wprowadzenie

Na świecie wśród paliw wciąż największą role odgrywają paliwa kopalne. Zaliczamy do nich węgiel kamienny i brunatny, ropę naftową oraz gaz ziemny. Paliwa te, zwane również konwencjonalnymi, powstawały przez miliony lat ze związków organicznych poddanych działaniu ciśnienia i temperatury w warunkach beztlenowych. Zaliczamy je wszystkie do nieodnawialnych źródeł energii. Wśród nich najważniejszym źródłem energii dla świata są produkty ropy naftowej. Około połowy nich pochłania transport wykorzystując jako paliwo napędowe w samochodach, samolotach, statkach morskich i kolejach. Na drugim miejscu pod względem zużycia plasuje się węgiel kamienny oraz brunatny. Jest on podstawowym surowcem do produkcji energii elektrycznej. W wysoko uprzemysłowionych krajach spada zarówno wydobycie jak i zużycie do tych celów węgla na korzyść innych źródeł energii. Kraje rozwijające się, z dużymi zasobami węgla, jak Polska czy Chiny, nadal wykorzystują go do produkcji energii elektrycznej jako podstawowy surowiec. Trzeci rodzaj paliwa, gaz ziemny, zyskuje coraz bardziej na znaczeniu jako paliwo najbardziej ekologiczne z paliw konwencjonalnych. W porównaniu z węglem, w trakcie spalania gazu ziemnego powstają minimalne ilości zanieczyszczeń. Zużycie jego ciągle wzrasta i z czasem przekroczy zużycie węgla. Gaz jako paliwo przyjazne dla środowiska naturalnego będzie paliwem XXI wieku.

Spalanie paliw kopalnych powoduje zanieczyszczenie środowiska. W jego wyniku powstają substancje toksyczne dla środowiska naturalnego. Zaliczamy do nich tlenki siarki, tlenki azotu oraz dwutlenek węgla oraz pyły. Wspomniane tlenki reagują z wodą atmosferyczną tworząc kwasy, a następnie oddziałują toksycznie na faunę i florę oraz powodują korozję. W większych ilościach mogę one powracać na ziemię w postaci szczególnie niebezpiecznych kwaśnych deszczów.

Dwutlenek węgla reagując z wodą tworzy najsłabszy z kwasów, który jest najmniej toksyczny dla środowiska. Jego głównym szkodliwym działaniem jest powodowanie efektu cieplarnianego. Efekt cieplarniany, zwany też efektem szklarniowym, jest rezultatem absorpcji promieniowania cieplnego przez niektóre gazy, w tym przypadku przez dwutlenek węgla. Widzialne promieniowanie słoneczne przenika przez atmosferę i ogrzewa powierzchnię Ziemi. Nagrzana powierzchnia Ziemi wypromieniowuje część ciepła w postaci fal o większej długości, dla których warstwa dwutlenku węgla (ale także metan, freony, podtlenek azotu) stanowi barierę. Promieniowanie to jest odbijane i powraca na ziemię. Powoduje to, że temperatura na powierzchni naszej planety jest wyższa niż byłaby, gdyby nie gazy cieplarniane. Wbrew obiegowej opinii efekt cieplarniany jest dla życia na Ziemi niezwykle istotny. Gdyby nie on średnia temperatura na powierzchni Ziemi wynosiła by nie ok. +15ºC ale ok.-18ºC. W takich warunkach nie mogłoby powstać i rozwijać się życie na tej planecie. Aktualnie największym problemem związanym z efektem cieplarnianym jest jego wzrost. Gospodarka oparta na spalaniu paliw kopalnych powoduje wysoką emisję dwutlenku do atmosfery, co powoduje wzrost jego stężenia, a tym samym zwiększa się ilość promieniowania cieplnego powracającego na powierzchnię Ziemi. Ocieplający się w ten sposób klimat doprowadza do topnienia lodowców i tym samym podniesienie się poziomu wód. W skrajnym przypadku dojdzie do zalania wielu wysp oraz wkroczenia mórz w głąb lądów na znaczne odległości. Drastycznie zmienią się wtedy warunki życia fauny i flory.

Innym zagrożeniem wynikającym ze spalania paliw kopalnych jest smog. W szczególnych warunkach pogodowych w dolnych warstwach atmosfery może nastąpić kumulacja emitowanych z palenisk pyłów i gazów. Smog jest szczególnie niebezpieczny dla osób mających problemy z układem krążenia, chorych na astmę i inne choroby układu oddechowego.

Powstawanie dziury ozonowej jest kolejnym zagrożeniem powodowanym przez gazy emitowane z palenisk pieców. W stratosferze, czyli górnej części atmosfery, występuje warstwa odmiany alotropowej tlenu. Jest nią trójatomowa cząsteczka zwana ozonem (O3). Spełnia ona bardzo istotną rolę, a mianowicie filtruje promieniowanie ultrafioletowe (UV) zatrzymując jego część zabójczą dla organizmów żywych. Dziura ozonowa, to strefa silnie rozrzedzonego ozonu w stratosferze. Jego zanikanie spowodowane jest rozbijaniem trójatomowych cząsteczek ozonu do dwuatomowych, będących zwykłym tlenem, który nie posiada takich właściwości absorpcyjnych jak ozon, przez rozkładające się cząsteczki freonów. Te cząsteczki ulegając degradacji wydzielają takie gazy jak chlor i fluor, które wchodząc w reakcję z cząsteczkami ozonu odbierają mu jeden atom tlenu. Połączenia te są nietrwałe. Uwolniony bardzo reaktywny atom tlenu reaguje z kolejną cząsteczką ozonu przy czym powstają dwie cząsteczki zwykłego tlenu, zaś uwolniony, również silnie reaktywny atom chloru bądź fluoru rozbija kolejną cząsteczkę ozonu. Przenikające w większym natężeniu przez dziurę ozonową promieniowanie ultrafioletowe może powodować poparzenia skóry, a także ma działanie kancerogenne.

Nierównomierne rozmieszczenie zasobów ropy naftowej na świecie powoduje, ze konieczne jest transportowanie jej w ogromnych ilościach na duże odległości drogą morską. Niestety, wielkie tankowce przewożące jednocześnie tysiące ton ropy naftowej lub produktów jej przerobu niekiedy ulegają katastrofom. Wydostanie się do morza, zazwyczaj blisko brzegu, ogromnych ilości tych substancji doprowadza okolice do katastrofy ekologicznej. Powoduje to śmierć dużej ilości organizmów żywych i utratę walorów estetycznych skażonego rejonu. Jego regeneracja trwa zazwyczaj wiele lat.

Oprócz uwypuklonych wad, jakie posiadają klasyczne nośniki energii, z czasem świat zacznie borykać się z kolejnym problemem, a mianowicie z wyczerpywaniem się konwencjonalnych paliw. Rozwój technologii poszukiwawczych i wydobywczych jeszcze przez jakiś czas, może kilkadziesiąt lat, umożliwi korzystanie z nieodnawialnych zasobów energii. Jednak wydaje się, że już czas, aby pomyśleć o stopniowym zastępowaniu dotychczasowych źródeł energii nowymi, alternatywnymi, ekologicznymi i odnawialnymi. Ich dwie podstawowe i niezwykle istotne zalety, to ich ekologiczność i niewyczerpalność. Przechodząc na ich wykorzystanie, prócz czystego powietrza, wody i gleby zyskamy także spokój związany z brakiem obawy o ogólnoświatowy kryzys, który wywołać może brak paliw kopalnych, które są podstawą obecnego rozwoju cywilizacji na Ziemi. A tak naprawdę nie wiemy, ile dokładnie zostało nam jeszcze ich zasobów.

Charakterystyka alternatywnych źródeł energii

Do alternatywnych źródeł energii zaliczamy słońce, wodę, wiatr, ciepło wnętrza Ziemi, rozpad jąder atomowych, spalanie biomasy i odpadów, paliwo wodorowe oraz biopaliwo.

Energia solarna

Energia słońca jest energię darmową i niewyczerpywalną, przynajmniej w skali rozwoju ludzkiej cywilizacji. Wykorzystywanie jej nastręcza wiele problemów, które jednak są stopniowo rozwiązywane. Do głównych wad tego rodzaju źródła energii zaliczamy brak możliwości korzystania z niej przez całą dobę oraz mała częstotliwość promieniowania słonecznego, a więc relatywnie niewielka ilość energii przesyłana na powierzchnię Ziemi w jednostce czasu. Energię słońca wykorzystać można bezpośrednio do ogrzewania, pośrednio do produkcji energii elektrycznej, a także można ją bezpośrednio konwertować na energię elektryczną. Pozyskiwanie energii cieplnej z promieniowania słonecznego odbywa się w urządzeniach zwanych kolektorami słonecznymi. Energia promieni padających na zaczernioną wysoce rozwiniętą powierzchnię kolektora zostaje zaabsorbowana i przekazana nośnikowi energii krążącemu w wężownicy wewnątrz kolektora. Takim nośnikiem często jest woda, którą odprowadza się zbiorników. Woda taka może być stosowana jako ciepła woda użytkowa lub do ogrzewania pomieszczeń. Przemysłowe wykorzystanie energii promieni słonecznej odnajdujemy w helioelektrowniach, gdzie silnie skoncentrowane promienie ogrzewają wodę, która później w postaci pary napędza turbiny prądotwórcze. Bezpośrednia konwersja promieniowania słonecznego na energię zachodzi w urządzeniach zwanych ogniwami fotowoltaicznymi, fotoogniwami lub ogniwami słonecznymi. Problemem w tym przypadku jest niska sprawność tych urządzeń. Jednak nowe osiągnięcia techniczne pozwalają zwiększać stopniowo stopień uzyskiwanej w ten sposób energii.

Energia z wody

Elektrownie wodne, czyli hydroelektrownie wytwarzają energię elektryczną wykorzystując energię spadku wody. Takie rozwiązania najczęściej stosuje się wraz z zaporami wodnymi, które spiętrzają wodę. Woda spływając z wyższego poziomu przepływa przez turbiny, którymi obraca. Turbiny te poruszają prądnicami wytwarzając prąd elektryczny. Innym rodzajem elektrowni wykorzystującym energię kinetyczną wody są elektrownie pływowe i falowe. W pierwszym przypadku do produkcji energii elektrycznej wykorzystywana jest energia pływów, a w drugim energia fal morskich. Elektrownie wodne budowane są w wielu krajach na świecie. W niektórych produkują one ponad połowę energii elektrycznej, a nawet 100% tej energii może pochodzić z wody, jak w przypadku Norwegii.

Energia z wiatru

Elektrownie wiatrowe produkują prąd wykorzystując turbiny wiatrowe. Wiatr o odpowiedniej sile obraca łopatami wirnika, który porusza prądnicą. Produkowana w ten sposób energia jest czyta ekologicznie, jednak mała wydajność pojedynczej turbiny wiatrowej powoduje, że aby uzyskać pożądaną moc takiej elektrowni należy umieścić blisko siebie wiele takich urządzeń. Daje to krajobraz betonowej pustyni, która obniża walory estetyczne krajobrazu, a dodatkowo funkcjonowanie takich urządzeń na dużej powierzchni jest niebezpieczne dla przelatujących ptaków.

Energia geotermalna

Energia geotermalna jest naturalnym ciepłem Ziemi zgromadzonym w skałach oraz płynach znajdujących się w porach skalnych. Energia ta pochodzi z przemian jądrowych oraz reakcji chemicznych zachodzących w skałach, a także przenika z jądra Ziemi, gdzie temperatura dochodzi do 6000ºC. Najprostszym sposobem korzystania z ciepła ziemi jest wydobywanie ogrzanych płynów z dużych głębokości, a także, przy zastosowaniu pomp ciepła, wykorzystywanie niewielkich ilości ciepła z głębokości kilku-kilkunastu metrów. Bardzo gorące wody termalne wydobywane jako pary mogą być stosowane do napędzania turbin prądnic w elektrowniach wytwarzających prąd elektryczny. Wody o niższych temperaturach mogą służyć bezpośrednio do ogrzewania pomieszczeń, rolnictwie, przemyśle, hodowli zwierząt oraz w rekreacji i lecznictwie. Do zalet energii geotermalnej zaliczyć możemy jej nieograniczoność, odnawialność, taniość oraz możliwość korzystania z niej przez cały rok.

Energia jądrowa

Wymienione wyżej możliwości czerpania energii są możliwościami dość specyficznymi. Nie są one zapewnić zapotrzebowania na energię dla świata w pełnym zakresie. Zazwyczaj możliwość korzystania z tych źródeł jest ograniczona lokalnymi warunkami środowiska lub klimatu. Podstawą energetyczną gospodarki światowej mogą być elektrownie jądrowe. Przy obecnym stanie techniki mogą one być eksploatowane w pełni bezpiecznie. Awarie takie do jakiej doszło wiosną 1986 roku w Czarnobylu na Ukrainie są w tym momencie praktycznie niemożliwe. Nie ma też obecnie uzasadnienia dla niechęci budowania elektrowni jądrowych, które są wydajnym i czystym źródłem energii. Jedynym problemem w kwestii energetyki jądrowej jest zagospodarowanie promieniotwórczych odpadów wykorzystanego paliwa. Jednak i ten problem z powodzeniem jest rozwiązywany.

Zjawisko promieniotwórczości zostało odkryte przez francuskiego fizyka Henriego Becquerela. Przypadkiem umieścił on pewną ilość soli uranu w fartuchu, w którym również trzymał kliszę fotograficzną. Po kilku dniach przypomniał sobie on o kliszy i wywołał ją. Okazało się, że klisza była prześwietlona, ale tylko w tych miejscach, w których stykała się z solą uranu.

Promieniowanie radioaktywne wpływa szkodliwie na tkanki organizmów żywych. Jego wpływ zależy od rodzaju oraz energii jaką niesie. Może to być poparzenie, osłabienie układu immunologicznego, spowodowanie mutacji genowych czy też działanie kancerogenne. Kontakt z substancjami radioaktywnymi może wywołać skażenie na bardzo długi czas. Przykładem są tutaj notatki Marii Skłodowskiej-Curie, które tworzyła w trakcie odkrywania radu - są one wciąż radioaktywne, choć od odkrycia radu minęło już ponad 100 lat.

Energia rozszczepienia (bądź syntezy) jąder atomowych może mieć też negatywne zastosowania. W trakcie drugiej wojny światowej opracowano nowy rodzaj broni, jakim była bomba atomowa. Była to broń milion razy potężniejsza niż ówcześnie znane bomby konwencjonalne. O ogromnej niszczącej sile tego wynalazku przekonano się zrzucając bomby atomowe na japońskie miasta: Nagasaki i Hiroshimę. Efektem bombardowania były setki tysięcy ofiar i równie wiele rannych, a efekty napromieniowania w postaci wad noworodków i licznych mutacji widoczne są po dziś dzień.

Historia pokojowych zastosowań energii jądrowej liczy około 30 lat. Elektrownie atomowe obecnie pracują w 32 krajach na całym świecie, głównie w USA oraz Europie. W Belgii, Francji oraz na Litwie zapewniają one zapotrzebowanie na energię elektryczną w ponad 50 procentach.

Energia z biomasy

Biomasa aktualnie plasuje się w czołówce wykorzystania w grupie naturalnych źródeł energii. Za biomasę uważa się całość materii organicznej zgromadzonej w organizmach zwierząt i roślin na danym terenie w określonej chwili, wyjąwszy tą część materii, która zgromadzona jest w kopalinach. Najczęściej wykorzystywanymi surowcami biomasy są te, powstające w procesie fotosyntezy. Do głównych rodzajów biomasy stosowanych do pozyskiwania energii są:

  • drewno i pozostałości po jego po przeróbce
  • rośliny ze specjalnych upraw energetycznych, tj.: rośliny drzewiaste i trawy wieloletnie
  • odpadowe produkty rolnicze (np.: słoma, siano, odpady poprodukcyjne przemysłu-owocowo warzywnego, odchody zwierzęce)
  • organiczna część odpadów oraz ścieków komunalnych
  • niektóre odpady przemysłowe (np. papiernicze).

Podstawowym surowcem energetycznym w biomasie są aktualnie odpady rolnicze oraz leśnicze. Wykorzystanie biomasy w celach energetycznych na świecie wynosi aktualnie 14%. W przyszłości przewiduje się, że zwiększony zostanie ilość upraw roślin energetycznych, które zakładane będą na gruntach mało urodzajnych.

Również w Polsce biomasa zajmuje pierwsze miejsce pod względem wykorzystania energetycznego wśród surowców należących do biomasy. W roku 1999 udział ten wynosił 98,05%.

Wykorzystywanie biomasy posiada szereg zalet. Do najważniejszych należą:

  • wykorzystywanie miejscowych zasobów energetycznych, a co za tym idzie rozwijanie gospodarcze regionów i tworzenie nowych miejsc pracy
  • uniezależnianie się od głównych źródeł energii
  • korzystne dla środowiska wykorzystywanie odpadów zamiast ich składowanie
  • ograniczenie konieczności wydobywania paliw kopalnych, a przy tym ograniczenie towarzyszącemu mu niekorzystnemu przekształcaniu środowiska

Biomasa w warunkach naturalnych może występować w każdym ze stanów skupienia. Ciała stałe, to paliwa spalane, gazyfikowane lub poddawane procesowi pirolizy. Stosuje się je do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Gaz, czy też biogaz, powstający w wyniku fermentacji beztlenowej zawiera około 50-70% metanu i po oczyszczeniu służy do produkcji energii elektrycznej bądź cieplnej lub jest kierowany do sieci gazowej. Pominięte przed momentem paliwa (biopaliwa) ciekłe uzyskane, omówione zostaną szerzej.

Biopaliwa ciekłe stosowane są głównie do napędzania silników spalinowych w transporcie. Zaliczamy do nich oleje i alkohole. Alkohol metylowy oraz alkohol etylowy mogą stanowić dodatki do paliw konwencjonalnych, natomiast produkowane z biomasy oleje napędowe, np. biodiesel może stanowić samodzielne paliwo jakościowo zbliżone do ropopochodnego oleju napędowego. Jeden z przykładów stosowania biopaliwa jako paliwa silnikowego jest Wrocław. Badacze z Wyższej Szkoły Oficerskiej w tym mieście skomponowali paliwo, które można zastosować w silnikach wysokoprężnych (silniki diesla). Paliwo to testowane jest we wrocławskich autobusach miejskich oraz w czołgach i wozach bojowych Śląskiego Okręgu Wojskowego. Koszt produkcji tego ekologicznego paliwa jest zbliżony do kosztów wytworzenia paliwa z ropy naftowej.

Paliwem przyszłości może zostać niezwykle ekologiczny, bo w procesie spalania wytwarzający wodę gaz zwany wodorem. Naukowcy z University of Wisconsin opracowali ekonomiczny i technologicznie mało skomplikowany sposób jego wytwarzania z roślin. Produkować go można z kukurydzy. W jej ziarnach znajduje się cukier, który podgrzany do temp. ok. w obecności katalizatora rozkłada się na dwutlenek węgla, niewielką ilość metanu i wodór.