Materia造 a globalny bilans energetyczny

(fragment ksi捫ki: M.W. Grabski, J.A. Kozubowski - In篡nieria Materia這wa, geneza, istota, perspektywy. Oficyna Wydawnicza PW, 2003).

毒鏚豉 statystyczne podaj, 瞠 zu篡cie energii w 1995 r. by這 w skali ca貫go 鈍iata 20-krotnie wi瘯sze ni w 1850 r., a od 1950 r. wzros這 4.5-krotnie. Ten niezwykle szybki wzrost by wynikiem na這瞠nia si dwu czynnik闚: wzrostu ludzkiej populacji i szybkiego rozwoju ekonomicznego kraj闚, kt鏎e dzi nazywamy uprzemys這wionymi *. Paliwa kopalne, kt鏎e w 1850 r. dostarcza造 jedynie 12% 鈍iatowej energii, w 1995 r. dostarcza造 75% dwudziestokrotnie wi瘯szej ilo軼i energii ( w Stanach Zjednoczonych zu篡cie energii w postaci paliw kopalnych wzros這 350-krotnie w okresie ostatnich 150 lat!). Tak tendencj zaobserwowa mo積a r闚nie w Polsce, gdzie zu篡cie tylko energii elektrycznej przypadaj帷e na jednego mieszka鎍a wzros這 kilkunastokrotnie w okresie ostatnich 50 lat (od 53 kWh w 1950 do 646 kWh w 1998 r.).A do tego doda trzeba by jeszcze wzrost energii zu篡wanej przez szybko rozwijaj帷 si motoryzacj i przemys.

Podejmuje si pr鏏y prawnych uregulowa ochrony zasob闚 przyrodniczych Ziemi. Podczas konferencji w Rio de Janeiro, w 1992 r, przyj皻o Konwencj Zmian Klimatycznych ONZ (UNFCCC). Po podpisaniu przez Stany Zjednoczone, Wsp鏊not Europejsk i 164 inne kraje, sta豉 si aktem prawnym 21 marca 1994 r. Podobne uchwa造 przyj皻o podczas Konferencji w Kyoto w grudniu 1997. Ich skuteczno嗆 wydaje si jednak w徠pliwa, je郵i wzi望 pod uwag zr騜nicowany poziom rozwoju technicznego r騜nych region闚 鈍iata. O ile w bogatych, rozwini皻ych krajach 鈍iadomo嗆 zagro瞠 鈔odowiskowych ro郾ie i podejmuje si d逝gofalowe programy ochrony 鈔odowiska (energooszcz璠ne technologie, poszukiwania alternatywnych 廝鏚e energii, utylizacja odpad闚), co w niedalekiej perspektywie powinno doprowadzi do stabilizacji, czy nawet redukcji emisji CO2 przez te kraje, to kraje rozwijaj帷e si, kt鏎e dopiero wkraczaj na drog rozwoju technicznego i b璠 w najbli窺zych latach odpowiedzialne za wi瘯szo嗆 wzrostu st篹enia szkodliwych substancji w 鈔odowisku naszej planety, borykaj si dzi g堯wnie z problemem biedy, nie dysponuj kosztownymi nowymi technologiami i nie s sk這nne do zmian ograniczaj帷ych emisj CO2 , je郵i nie dostan za to jakiej rekompensaty ze strony pa雟tw bogatych. Jest to jeden z przyk豉d闚 trudno軼i (natury spo貫czno-politycznej, a nie technicznej!), jakie musi przezwyci篹y ludzko嗆, aby przetrwa.

Eksperci z Banku 安iatowego szacuj w jednym z rozwa瘸nych scenariuszy, 瞠 stale rosn帷a globalna emisja CO2 do atmosfery doprowadzi w roku 2100 do ilo軼i bliskiej 1500 miliardom ton. By這by to 2.5 razy wi璚ej ni w epoce przedindustrialnej. Jednak jedynie po這wa CO2 uwolnionego do atmosfery w okresie od 1990 do 2100 r. pozostanie w niej, reszt zu篡j ro郵iny i oceaniczny plankton. Szacunki te oparte s na "鈔edniej" prognozie wzrostu populacji ludzkiej, kt鏎a w 2100 r. osi庵n窸aby poziom 11.3 miliarda. Scenariusz ten zak豉da 鈔edni 鈍iatowy wzrost ekonomiczny na poziomie 2.9% rocznie w latach 1990-2025 i 2% w okresie 2025-2100. Zak豉da si w nim, 瞠 energetyczna intensywno嗆 rozwoju ekonomicznego, mierzona nak豉dem energii na jednostk dochodu narodowego, zmniejsza si b璠zie o 1% rocznie w ca造m okresie 1990-2100, a intensywno嗆 zu篡cia w璕la (kilogramy w璕la emitowanego do atmosfery w postaci CO2 na jednostk energii) zmniejsza si b璠zie o 0.2% w ca造m rozwa瘸nym okresie. W tej prognozie globalna emisja CO2 powi瘯szy si od 7.4 miliarda ton rocznie w 1990 r. do 20 miliard闚 ton w roku 2100, co daje skumulowan emisj 1500 miliard闚 ton w okresie 1990-2100 r.

Je郵i we幟ie si pod uwag potencja nowych technologii i post瘼u nauki, to mo積a sobie wyobrazi 鈍iat, w kt鏎ym wzgl璠nie stabilna ludzko嗆 b璠zie mog豉 篡 na wysokim poziomie materialnym, przy zachowaniu naturalnego 鈔odowiska przyrodniczego b璠帷ego dla cz這wieka oparciem i 廝鏚貫m rado軼i. Droga to tego idea逝 jest jednak d逝ga i niepewna. W dalekiej perspektywie wyczerpania si paliw kopalnych i ograniczonych mo磧iwo軼i alternatywnych 廝鏚e energii (energia s這neczna, energia wiatru i wody, energia ciep豉 wn皻rza Ziemi) jedynie energia j康rowa b璠zie w stanie zaspokoi potrzeby energetyczne ludzko軼i. Jednak w okresie przej軼iowym, kt鏎y mo瞠 trwa kilkadziesi徠, czy stokilkadziesi徠 lat, trzeba b璠zie podj望 dzia豉nia 豉godz帷e skutki rosn帷ego zu篡cia paliw kopalnych.

Takie dzia豉nia podejmuje si w najbardziej rozwini皻ych krajach Ameryki P馧nocnej, Europy i w Japonii. Pracuje si nad zast徙ieniem oleju nap璠owego, benzyny i gazu w silnikach spalinowych paliwem wodorowym (baterie paliwowe); trzeba jednak przedtem rozwi您a problemy taniego uzyskiwania i magazynowania wodoru. Najta雟ze s obecnie sposoby uzyskiwania wodoru z paliw kopalnych, metanu lub alkoholu etylowego. Przy takiej produkcji uwalnia si jednak CO2. Dlatego pracuje si nad takimi sposobami wykorzystania w璕la (jego zasoby s najwi瘯sze), w kt鏎ych najpierw podlega on gazyfikacji, potem z uzyskanego gazu otrzymuje si wod鏎, transportowany do odbiorc闚, lub zu篡wany na miejscu przez wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, a powstaj帷y w tym procesie dwutlenek w璕la poddaje si mineralizacji. Nad tak technologi (patrz rys.) pracuje konsorcjum ZECA i wydaje si ona wa積 alternatyw dla obecnie stosowanych elektrowni opartych na spalaniu w璕la, tak z uwagi na ca趾owit sprawno嗆 si璕aj帷 80%, jak na zerow emisj CO2. Wprowadzenie jej do praktyki wymaga jednak opracowania materia堯w dla takiego wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego, kt鏎e by這by ma這 wra磧iwe na zanieczyszczenie wprowadznego do niego wodoru uzyskiwanego z anaerobicznego procesu b璠帷ego po陰czeniem gazyfikacji w璕la, karbonatyzacji tlenku wapnia i wypra瘸nia wapienia.

Schemat instalacji ZECA

Schemat procesu produkcji wodoru i wykorzystania go w ogniwie paliwowym. Ukazano przep造w tylko g堯wnych reagent闚. G堯wne reakcje s nast瘼uj帷e:
Zbiornik gazyfikacji:        C + 2H2 --> CH4                           H2O(ciecz) --> H2O(gaz)
Zbiornik karbonatyzacji: CH4 + 2H2O --> CO2 + 4H2       CaO + CO2 --> CaCO3
Zbiornik kalcynacji:         CaCO3 --> CaO + CO2
Ogniwo paliwowe:               2H2 + O2 --> 2H2O

Uzyskiwanie wodoru poprzez elektroliz wody samo wymaga energii, poszukuje si wi璚 alternatywnych metod. Jedn z nich jest wykorzystanie do tego celu energii s這necznej i niekt鏎ych mikroorganizm闚 (algi Scanedesmus D3 zdolne s rozszczepia cz御teczki wody a do granicznego ci郾ienia wodoru rz璠u jednej atmosfery). Nie豉twym problemem jest tak瞠 magazynowanie wodoru. Ci篹kie zbiorniki wysokoci郾ieniowe by造by niepraktyczne, dlatego ju od szeregu lat prowadzi si badania nad magazynowaniem wodoru w cia豉ch sta造ch. W ostatnich latach jest to bardzo aktywnie rozwijaj帷a si dziedzina in篡nierii materia這wej. Poszukiwany materia musi cechowa du瘸 pojemno嗆 w stosunku do jednostkowej masy oraz niska energia desorpcji. Jedn z badanych alternatyw s materia造 nanokrystaliczne zbudowane z lekkich pierwiastk闚.

Nie mog帷 si na razie pozby konieczno軼i emisji CO2 pracuje si r闚nie nad sposobami magazynowania go, aby nie przechodzi do atmosfery. Rozwa瘸 si mo磧iwo嗆 wpompowywania go pod ziemi w odpowiednie formacje geologiczne, mineralizacji w reakcji z krzemianami magnezowymi (technologia ZECA), magazynowanie w postaci ciek貫j na du篡ch g喚boko軼iach w oceanach, wykorzystania go do produkcji metanolu u篡wanego potem jako paliwo, etc. Wprowadzenie tych rozwi您a do praktyki przemys這wej wydaje si jednak odleg貫, a na pewno spowoduje wzrost ceny energii.


* Jaskrawym przyk豉dem s tu Stany Zjednoczone, w kt鏎ych zu篡cie energii wzros這 40-krotnie w okresie od 1850 do 1995 r. (przy czym wzrost zu篡cia pomi璠zy 1950 a 1995 r. by ju tylko 2.6 - krotny).