Energia jest wykorzystywana przez człowieka już od wieków. Początkowo wykorzystywano jej odnawialne źródła takie jak wiatr i woda, do wykonywania prostych czynności, zwłaszcza w produkcji żywności. Do produkcji ciepła wykorzystywano z kolei drewno. Odkrycie zastosowania dla kopalin, zwłaszcza węgla kamiennego, zrewolucjonizowało energetykę.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Przemysł

VI Źródła energii

Energia dzieli się na pierwotną – nieprzekształconą, oraz wtórną – przetworzona na elektryczną, cieplną lub mechaniczną.

1. Podział źródeł energii

Źródła energii dzieli się na:

  • Odnawialne, czyli takie, których zasoby są nieograniczone, ponieważ nie ulegają zużyciu – nie mają charakteru surowcowego. Należą do nich:

– Wody płynące śródlądowe i ruch wody morskiej
– Promieniowanie słoneczne
– Wiatr
– Energia geotermalna (energia wnętrza Ziemi)
– Biomasa i biogaz (energia ze spalania drewna i roślinności)

  • Nieodnawialne, czyli takie, których zasoby są ograniczone i ulegają życiu – mają charakter surowcowy. Należą do nich:

– Ropa naftowa
– Gaz ziemny
– Węgiel kamienny
– Węgiel brunatny
– Torf
– Łupki i piaski bitumiczne
– Uran

Źródła dzielą się też na:

  • Emisyjne – takie, które prowadzą do emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Są to:

– Ropa naftowa
– Gaz ziemny
– Węgiel kamienny
– Węgiel brunatny
– Torf
– Łupki i piaski bitumiczne
– Biomasa i biogaz

  • Nieemisyjne – takie, które nie emitują żadnych zanieczyszczeń do atmosfery. Są to:

– Wody płynące śródlądowe i ruch wody morskiej
– Promieniowanie słoneczne
– Wiatr
– Energia geotermalna (energia wnętrza Ziemi)
– Uran

2. Nieodnawialne źródła energii

Do produkcji energii nieodnawialnej wykorzystuje się surowce energetyczne. Stanowią one około 3/4 wszystkich wydobywanych na świecie surowców. Wiele z nich znajduje także zastosowania w innych działach przemysłu.

Surowce energetyczne:

  • Ropa Naftowa – ciekła kopalina, mieszanina węglowodorów. Cechuje się bardzo wysoką kalorycznością na poziomie 10 000 kcal/kg, ale jest paliwem wysoko emisyjnym, bardzo szkodliwym dla środowiska. Wykorzystywana jest przede wszystkim w przemyśle paliwowym do produkcji oleju napędowego i benzyny, ale używa jej się także w przemyśle chemicznym (leki, farby, kosmetyki, ale też oleje i smary samochodowe). Jest także wykorzystywana w produkcji energii cieplnej i elektrycznej. W 2019 r. wydobywano na świecie 82 mln 342 tys. baryłek. Największe zasoby na świecie ma Wenezuela, około 1/3 całych odkrytych zasobów jest na Bliskim Wschodzie, ale wśród producentów są też inne kraje, zwłaszcza USA (ropa z łupków) i Rosja. Do jej wydobycia wykorzystuje się szyby naftowe lub platformy wydobywcze.

Kraje o największych rezerwach ropy naftowej na świecie

Źródło: https://www.visualcapitalist.com/wp-content/uploads/2019/03/worlds-biggest-crude-oil-reserves-by-country-1.jpg

10 największych światowych producentów ropy naftowej w 2019 r.

Źródło: https://www.eia.gov/international/data/world#/?pa=00000000000000000000000000000000002&c=ruvvvvvfvtvnvv1vrvvvvfvvvvvvfvvvou20evvvvvvvvvvvvuvo&ct=0&tl_id=5-A&vs=INTL.57-1-AFG-TBPD.A&vo=0&v=H&start=2019&end=2019

Szyb naftowy – jedna z technik lądowego wydobycia ropy naftowej

Źródło: https://archiwum.moja-ostroleka.pl/uploads/archiwum/2016/07/ropa-naftowa-jpg_04_07_2016_09_06.jpg

Platforma wydobywcza – pozwala na wydobywanie ropy naftowej i gazu ziemnego położonego pod dnem zbiornika wodnego

Źródło: https://www.lotos.pl/upload/repository//52372_file_platformy_na_b8_514ed4.jpg
  • Gaz ziemny – mieszanina lotnych węglowodorów, zwykle występujące w sąsiedztwie ropy naftowej (gaz mokry), ale może też występować samodzielnie (gaz suchy). Charakteryzuje się wysoką kalorycznością, nieznacznie tylko gorszą od ropy naftowej (9000 kcal/m3), jest przy tym paliwem znacznie bardziej ekologicznym. Wykorzystuje się go do produkcji paliwa (LPG), tworzyw sztucznych i materiałów syntetycznych, jak również do produkcji energii. W 2015 r. światowe wydobycie wynosiło 3 bln 505 mld metrów sześciennych. Największe światowe zasoby posiadają Rosja, Iran i Katar, ale czołowym producentem są Stany Zjednoczone (gaz z łupków). Gaz ziemny wydobywa się na platformach wydobywczych, albo z użyciem szybu gazowego.

10 największych światowych producentów gazu ziemnego w 2015 r.

Źródło: World Factbook

Szyb gazowy jest podstawową metodą wydobycia gazu

Źródło: https://lh3.googleusercontent.com/proxy/EfeUxQHGqylahdaFKfg6WAJ4Biy3JcBQrM2kw3i_ZUbpCbjBt6r0j-j9EtxQ2GEymQ_OyR9A6bJII9BTHsMl3Spnlaoh38Advi-_Rg
  • Węgiel kamienny – paliwo stałe pochodzenia roślinnego, typ węgla o zawartości od 75% do 98% pierwiastka węgla. Wartość energetyczna paliwa sięga 5000-6000 kcal/kg, a więc dwukrotnie mniej niż ropy naftowej, cechuje się przy tym równie dużą, a w niektórych kwestiach nawet większą szkodliwością dla środowiska. Oprócz wykorzystania w produkcji energii, znajduje zastosowanie w hutnictwie (koks), przy produkcji smoły, barwników i leków. W 2018 roku wydobywano 7 mld 727 mln ton. Największe zasoby posiadają USA, ale czołowym producentem są Chiny. Dominującą metodą wydobycia jest metoda głębinowa, ale stosuje się też (np. w USA) metodę odkrywkową.

Rozmieszczenie światowych zasobów węgla kamiennego

Źródło: https://ars.els-cdn.com/content/image/3-s2.0-B9780081022016000017-f01-04-9780081022016.jpg

10 największych światowych producentów węgla kamiennego w 2018 r.

Źródło: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html

Metoda głębinowa – typowa kopalniana metoda wydobycia węgla (najczęściej zalega głęboko pod ziemią)

Źródło: https://static.radiobonton.pl/data/articles/s4_lubelskie_pierwszy_przypadek_koronawirusa_w_bogdance_1597994095_7398.jpg
  • Węgiel brunatny – paliwo stałe pochodzenia roślinnego, zawiera od 62% do 75% pierwiastka węgla. W porównaniu z węglem kamiennym cieszy się znacznie niższą kalorycznością (2000-3000 kcal/kg), dodatkowo jest mokry (i ciężki) i kruchy, przez co nie nadaje się do transportu na duże odległości i cechuje się ogólną małą opłacalnością. Z tych wszystkich powodów, wykorzystuje się go prawie wyłącznie do produkcji energii, a elektrownie opalane tym rodzaje węgla lokuje się w bezpośrednim sąsiedztwie złóż. Jest niezwykle szkodliwy dla środowiska. W przytłaczającej większości przypadków wydobywany jest metodą odkrywkową, ze względu na płytkie zaleganie pod ziemią. Światowe wydobycie w 2018 r. było na poziomie 1 mld 183 mln ton. Największe rezerwy ma USA (niewykorzystywane), ale w wydobyciu dominują Chiny i Niemcy.

10 największych światowych producentów węgla brunatnego w 2018 r.

Źródło: https://knoema.com/atlas/topics/Energy/Coal/Production-of-lignite-coal

Kopalnia węgla brunatnego metodą odkrywkową na Węgrzech

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d4/Matra_Mining_Plant.JPG/1280px-Matra_Mining_Plant.JPG
  • Uran – to pierwiastek promieniotwórczy wykorzystywany do produkcji energii w elektrowniach jądrowych. Jest paliwem o najwyższej kaloryczności na świecie równej według różnych źródeł między 12,5-20 miliardów kcal (odpowiednik 2 500 000 kg węgla lub prawie 2 000 000 kg produktów naftowych). Największe rezerwy posiada Australia, ale czołowym producentem jest Kazachstan. Światowe wydobycie w 2019 r. wynosiło 53 500 ton.

Rozmieszczenie miejsc wydobycia Uranu

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/Uranium_production_world.PNG

10 największych światowych producentów uranu w 2018 r.

Źródło: https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/mining-of-uranium/world-uranium-mining-production.aspx

3. Inne surowce wykorzystywane w przemyśle o dużym znaczeniu

Surowce metaliczne:

Surowce metaliczne nie są co prawda wykorzystywane do produkcji energii, ale są jej jednym z głównych odbiorców w przemyśle, będąc czołową grupą surowców, zwłaszcza w przemyśle ciężkim.

Rozmieszczenie wybranych surowców metalicznych na świecie

Źródło: https://www.mapsofworld.com/images/world-mineral-map.jpg?v=1
  • Żelazo – wykorzystywane jest przede wszystkim do produkcji stali, z której z kolei wytwarza się niezliczone elementy w budownictwie, przemyśle elektromaszynowym czy środków transportu. Światowe wydobycie wynosiło w 2019 r. 2,5 mld ton.

10 największych światowych producentów żelaza w 2019 r.

Źródło: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-iron-ore.pdf
  • Miedź – odgrywa kolosalną rolę w elektronice, ze względu na właściwości przewodnictwa prądu, ale też jako stop w innych branżach przemysłu. Światowe wydobycie wynosiło 20,4 mln ton w 2018 r.

10 największych światowych producentów miedzi w 2018 r.

Źródło: https://www.world-mining-data.info/?World_Mining_Data___Data_Section
  • Cynk i ołów – ważne metale znajdujące zastosowanie w przemyśle środków transportu, elektromaszynowym i zbrojeniowym. Światowe wydobycie wynosiło 13 mln 643 tys. ton cynku i 4 mln 640 tys. ton ołowiu w 2018 r. Producentami obu metali były na podobnym poziomie te same państwa.

10 największych światowych producentów cynku i ołowiu w 2018 r.

Źródło: https://www.world-mining-data.info/?World_Mining_Data___Data_Section

4. Odnawialne źródła energii

Mimo, iż źródła odnawialne są najstarszymi wykorzystywanymi przez człowieka, ich znaczenie istotnie wzrasta dopiero od niedawna. Dzieje się tak przede wszystkim za sprawą rosnących norm ochrony środowiska oraz wyczerpywania się zasobów surowców, co ogranicza możliwości wykorzystania źródeł nieodnawialnych.

  • Hydroenergetyka, czyli wykorzystanie wody do produkcji energii jest najważniejszym źródłem alternatywnym, stanowiącym 60% całej energii produkowanej przez tą grupę. Za jej wykorzystaniem przemawiają nie tylko względy ekologiczne, ale też wysoka opłacalność finansowa. Wykorzystanie wody do produkcji energii może się odbywać na kilka sposobów:

– Jako elektrownia wodna przepływowa – wykorzystują naturalny spadek terenu i/lub dużą ilość wody transportowanej przez rzekę. Płynąca woda prowadzi do produkcji energii. Ze względu na brak zapory, nie ma możliwości regulacji ilości wytwarzanego prądu.

– Jako elektrownia wodna zaporowa – działa na podobnej zasadzie jak elektrownia przepływowa, ale ma tą istotną przewagę, że może regulować wielkość produkowanej energii ze względu na istnienie tamy i zmagazynowanie wody w sztucznie utworzonym jeziorze. To najczęściej stosowany typ hydroelektrowni.

Największą tego typu elektrownią jest Tama Trzech Przełomów na rzece Jangcy

Źródło: https://portalkomunalny.pl/wp-content/uploads/2020/08/three-gorges-dam-3.jpg

– Jako elektrownia szczytowo-pompowa – wykorzystuje dwa sąsiadujące ze sobą jeziora, między którymi istnieje istotna różnica wysokości. Nocą woda jest pompowana ze zbiornika dolnego do górnego, a w ciągu dnia spuszczana w dół – dzięki czemu produkowana jest energia. Co interesujące, elektrownia ta ma ujemny bilans energetyczny, tzn. więcej prądu zużywa (na pompowanie wody) niż produkuje. Jest to jednak umyślne i przemyślane, ponieważ energia produkowana jest w czasie dużego zapotrzebowania (w ciągu dnia), a zużywana nocą (kiedy i tak muszą pracować i produkować prąd elektrownie cieplne).

Elektrownia w Żydowie jest jedną z największych elektrowni szczytowo-pompowych w Polsce

Źródło: https://media.energa.pl/pr/257718/energa-zwieksza-sprawnosc-elektrowni-zydowo-i-poprawia-stabilnosc-energetyczna-pomorza

Elektrownia pływowa – wykorzystuje ruch wody morskiej podczas naturalnych, codziennych pływów (zarówno przypływów, jak i odpływów). Na świecie jest obecnie kilka większych elektrowni tego typu, ale ich rola jest niewielka, a budowa kosztowna.

Turbina elektrowni pływowej na Kanale La Manche

Źródło: https://www.wykop.pl/wpis/7556700/jak-wykorzystac-energie-plywowa-eng-plywy-morskie-/

Ponadto:

Elektrownia maremotoryczna – wykorzystuje ruch wody morskiej wynikający z falowania lub prądów morskich.

Elektrownia maretermiczna – wykorzystuje naturalne ciepło wody morskiej do produkcji energii.

Takie elektrownie odgrywają jednak znikomą rolę w hydroenergetyce (łączna moc wystarczyłaby najwyżej na zaspokojenie potrzeb kilku niewielkich miast).

  • Fotowoltaika – zajmuje się przetwarzaniem na energię promieniowania słonecznego (elektrownia słoneczna). Należy do najdynamiczniej rozwijających się dziedzin energii. Cieszy się dużą popularnością zwłaszcza w Niemczech, choć planuje się jej rozwój także w Polsce. Jednak ze względu na wysokie usłonecznienie i wyższe temperatury znajduje zastosowanie zwłaszcza w strefie zwrotnikowej i podzwrotnikowej.

Pionierem rozwoju energii elektrycznej ze Słońca na afrykańskiej Saharze jest Maroko

Źródło: https://bi.im-g.pl/im/a7/ae/12/z19587239IH,Elektrownia-sloneczna-w-Maroko.jpg
  • Energetyka wiatrowa – wykorzystuje naturalny ruch powietrza, który poruszając skrzydłami turbin wiatraków prowadzi do produkcji energii. Takie elektrownie lokowane są najczęściej w miejscach o częstym i stabilnym wietrze, zwłaszcza na obszarach nadmorskich, a nawet w wodzie (nieopodal brzegu).

Budowa wiatraków na morzu to nowa perspektywa korzystnego rozwoju tej energetyki

Źródło: https://bi.im-g.pl/im/e6/0c/17/z24167398IBG.jpg
  • Energetyka geotermalna – czyli ciepła pochodzącego z wnętrza Ziemi. Wykorzystywana jest ona zarówno w elektrowniach geotermicznych, jak również do bezpośredniego ogrzewania budynków, a nawet infrastruktury. Istnieje jednak relatywnie niewiele miejsc, w których można ja skutecznie wykorzystywać.

Energetyka geotermalna odgrywa najbardziej istotną rolę na Islandii

Źródło: https://swiatoze.pl/wp-content/uploads/2017/03/geotermia.jpg

5. Zalety i wady różnych źródeł energii

Typy elektrowni na świecie

Źródło: Opracowanie własne.


Typ źródła energiiTyp elektrowniZaletyWady
NieodnawialnePaliwowe: naftowe, gazowe, węglowe+ Relatywnie niskie koszty budowy elektrowni (koszty inwestycyjne)
+ Duża dostępność surowców i dostawców
+ W krótkiej perspektywie względnie dobra opłacalność
- Niska efektywność energetyczna (ilość energii uzyskiwana ze spalania surowca), zwłaszcza w przypadku elektrowni węglowych
- Problem smogu
- Olbrzymie zanieczyszczenie atmosfery gazami cieplarnianymi (przyspieszenie globalnego ocieplenia) oraz dewastacja przestrzeni w toku pozyskiwania niektórych surowców (przy metodzie odkrywkowej węgla brunatnego)
- Obniżenie poziomów wodonośnych i zanieczyszczenie wód gruntowych
- Uzależnienie lokalizacji części elektrowni od występowania surowca (zwłaszcza węgla brunatnego)
- W dłuższej perspektywie pogarszająca się opłacalność m.in. ze względu na koszty środowiskowe i przestrzenne
Jądrowe+ Stymuluje rozwój technologiczny i cywilizacyjny
+ Bardzo niskie koszty eksploatacyjne (tani prąd)
+ Zerowa emisyjność (czysta energia)
+ Olbrzymia efektywność energetyczna
+ Możliwość lokalizacji w miejscach pozbawionych surowców ze względu na niski koszt importu (mała ilość potrzebnego paliwa)
+ Bardzo duża opłacalność w długiej perspektywie
- Obecność promieniotwórczych odpadów i koszty ich składowania
- Ryzyko groźnych awarii, wypadków i zamachów terrorystycznych
- Bardzo wysokie koszty inwestycyjne, niska opłacalność w krótkiej perspektywie
- Konieczność posiadania wykwalifikowanej kadry
- Duże zapotrzebowanie na wodę do chłodzenia reaktorów
OdnawialneWodne+ Zerowa emisyjność (czysta energia)
+ Względnie duża opłacalność
+ Przy okazji możliwość regulacji stosunków wodnych
- Uzależnienie od warunków wodnych - obecności rzek, rzeźby terenu
- Duże koszty inwestycyjne
- Koszty związane z przesiedleniem ludności z obszarów przeznaczonych pod sztuczny zbiornik
- Pogorszenie warunków życia organizmów wodnych (np. poprzez odcięcie drogi na tarło, śmierć ryb w urządzeniach elektrowni)
Słoneczne+ Zerowa emisyjność (czysta energia)
+ Względnie duża opłacalność
+ Bez wpływu na środowisko i przestrzeń
+ Możliwość zastosowania przez indywidualnych użytkowników mini-elektrowni
- Brak możliwości magazynowania energii
- Silne uzależnienie od warunków klimatycznych i pogodowych
- Duża zmienność sezonowa produkowanej energii
- Dość duże koszty inwestycyjne w relacji do efektywności energetycznej
Wiatrowe+ Zerowa emisyjność (czysta energia)
+ Niskie jednostkowe koszty inwestycyjne
+ Prosta i skuteczna technologia
- Niska efektywność energetyczna powoduje wątpliwą opłacalność
- Całkowite uzależnienie od warunków wietrznych obszaru (niemożliwość działania przy braku wiatru lub przy zbyt silnym wietrze)
- Głęboka ingerencja w krajobraz (straty zwłaszcza w turystyce)
- Generowany dokuczliwy hałas
- Wpływ na zachowanie ptactwa (likwidacja siedlisk)
Geotermalne+ Zerowa emisyjność (czysta energia)
+ Względnie duża opłacalność
+ Bez wpływu na środowisko i tylko minimalny wpływ na przestrzeń
+ Duża stabilność produkowanej energii
+ Możliwość wykorzystania w innych celach np. rekreacyjnych i zdrowotnych (ciepła woda)
- Wysokie koszty inwestycyjne
- Całkowite uzależnienie od warunków geologicznych
- Konieczność budowy elektrowni w miejscu pozyskania ciepłej wody
Zasilane biomasą i biogażem+ Wysoka i powszechna dostępność surowca
+ Niskie koszty inwestycji i eksploatacji
- Bardzo niska efektywność energetyczna
- Duża emisja gazów cieplarnianych
- Problem smrodu w otoczeniu elektrowni
- Ryzyko nadmiernej deforestacji
- Niska opłacalność w dłuższej perspektywie