ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Αλκιβιάδη Φ. Μπάη Καθηγητή Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 011 (ΤΕΤΑΡΤΗ ΕΚ ΟΣΗ) Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγικά για τις Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον Εισαγωγή Γενικοί ορισµοί και απόψεις ιαχείριση των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας Ποιότητα και απόδοση ενεργειακών συστηµάτων Παγκόσµια ενεργειακά αποθέµατα Παγκόσµια παραγωγή ενέργειας Απώλειες και εξοικονόµηση ενέργειας Θερµαντλίες Ηλεκτροχηµικά στοιχεία ΚΕΦΑΛΑΙΟ : Κατανάλωση Ενέργειας και Ατµοσφαιρική Ρύπανση Εισαγωγή Καύση υδρογονανθράκων Οι υδρογονάνθρακες και το µονοξείδιο του άνθρακα Σχηµατισµός οξειδίων του αζώτου Σχηµατισµός οξειδίων του θείου Καύση του άνθρακα ιαδικασία καύσης και παραγωγή ρύπων Μέθοδοι ελέγχου των ΝΟx Μηχανές εσωτερικής καύσης Παραγωγή αιωρουµένων σωµατιδίων... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Κατανάλωση Ενέργειας και Κλιµατικές Επιδράσεις Εισαγωγή Αιωρούµενα σωµατίδια Σχηµατισµός πυρήνων συµπύκνωσης Οπτικές ιδιότητες Κλιµατικές επιδράσεις από τα βιοµηχανικά αέρια To διοξείδιο του άνθρακα Τα άλλα βιοµηχανικά αέρια... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Ηλιακή Ενέργεια Εισαγωγή Μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας στο χώρο και το χρόνο Υπολογισµός της ηλιακής ενέργειας που δέχεται η Γη Η ηλιακή ενέργεια στο όριο της Γήινης ατµόσφαιρας Ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ενέργεια σε κεκλιµένο επίπεδο Η ηλιακή ακτινοβολία µέσα στην ατµόσφαιρα Μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας Μονάδες µέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Όργανα µέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Αρχή λειτουργίας των οργάνων µέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Συστήµατα συλλογής και µετατροπής της ηλιακής ενέργειας Άµεση µετατροπή σε θερµότητα Επίτευξη υψηλών θερµοκρασιών Μετατροπή µε ενδιάµεσο θερµοδυναµικό µετασχηµατισµό Άµεση µετατροπή σε ηλεκτρισµό Μετατροπή σε καύσιµα που αποδίδουν θερµική ενέργεια... 7 Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη

3 4.5 Αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας Ηλεκτρική αποθήκευση Επαγωγική αποθήκευση Αποθήκευση µε µορφή θερµότητας Χηµική αποθήκευση Η ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή Θεωρητική µελέτη της αιολικής ενέργειας υνάµεις και ισχύς από τον άνεµο Φύση των δυνάµεων που εξασκεί ο άνεµος Η πραγµατική έλικα Ανεµογεννήτριες Η παραγόµενη ισχύς Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος Εκτίµηση του αιολικού δυναµικού µίας περιοχής Αξιολόγηση µετρήσεων ανέµου Στατιστική ανάλυση µετρήσεων της ταχύτητας του ανέµου Μέση αιολική ισχύς σε έναν τόπο Μεταβολή της ταχύτητας του ανέµου µε το ύψος Αποθήκευση της αιολικής ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Γεωθερµία Εισαγωγή Γεωθερµικές πηγές ηµιουργία των γεωθερµικών πεδίων Εκµετάλλευση των γεωθερµικών πεδίων Κατηγορίες και χρήση των γεωθερµικών πεδίων Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα Η Γεωθερµία στην Ελλάδα Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 3

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγικά για τις Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον 1.1 Εισαγωγή Το κύριο αντικείµενο του παρόντος συγγράµµατος είναι η µελέτη των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας οι οποίες εφαρµόζονται σήµερα σε παγκόσµια κλίµακα, αλλά και αυτές που, ενώ δεν είναι προς το παρόν εφαρµόσιµες, έχουν τη δυναµική να αναπτυχθούν και να εφαρµοστούν µελλοντικά. Συγχρόνως γίνεται αναφορά στις ήδη χρησιµοποιούµενες συµβατικές µορφές ενέργειας σε συνδυασµό µε τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Πριν αρχίσει όµως η εκτενής µελέτη των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας, κρίνεται σκόπιµη µία σύντοµη αναφορά στην ενέργεια σαν φυσικό µέγεθος και µία περιγραφή των µέχρι σήµερα χρησιµοποιούµενων µορφών ενέργειας από τον άνθρωπο, µαζί µε κάποιες εκτιµήσεις για τα αποθέµατα και τους σηµερινούς ρυθµούς κατανάλωσης της ενέργειας. Με την ραγδαία ανάπτυξη της εκµετάλλευσης των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας, αλλά και µε την συνεχώς αυξανόµενη ανάγκη για περισσότερη ενέργεια γενικότερα, κατέστη αναγκαία η ανάπτυξη ενός επιστηµονικού κλάδου µε στόχο τη διαχείριση της ενέργειας και την βελτιστοποίηση των µεθόδων παραγωγής και κατανάλωσής της. Κύριο µέληµα για την εφαρµογή εναλλακτικών µορφών ενέργειας είναι η εκτίµηση του κόστους παραγωγής και χρήσης σε συνδυασµό µε τα αναµενόµενα οφέλη, είτε περιβαλλοντικά είτε κοινωνικοοικονοµικά. Όπως θα φανεί και στα επόµενα κεφάλαια, οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας έχουν γενικά µικρή πυκνότητα και απαιτούνται για την συλλογή της ενέργειας πολύπλοκες και σε ορισµένες περιπτώσεις δαπανηρές διατάξεις. Έτσι για να είναι συµφέρουσα η εκµετάλλευση µιας µορφής ενέργειας απαιτείται συστηµατικός σχεδιασµός, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι ενεργειακές απώλειες και να επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή απόδοση του συστήµατος. Η σηµερινή ενεργειακή κατάσταση σε παγκόσµιο επίπεδο έχει ως εξής: Τα αποθέµατα των καύσιµων υλικών ελαττώνονται Το κόστος της ενέργειας αυξάνει συνεχώς Σηµειώνεται παράλληλα αύξηση του πληθυσµού της γης, άρα και της ζήτησης ενέργειας Κάθε πολίτης επιζητεί άνοδο του βιοτικού του επιπέδου µε αποτέλεσµα την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας Ο πληθυσµός της Γης ξεπερνά σήµερα τα 6 δισεκατοµµύρια άτοµα και αυξάνεται µε ρυθµό περίπου 3% κατ έτος, έτσι ώστε να αναµένεται διπλασιασµός του κάθε περίπου 0 µε 30 χρόνια. Όσον αφορά την παγκόσµια χρήση ενέργειας, η µέση κατά κεφαλή κατανάλωση είναι περίπου 0.8 kw, αλλά σε εθνικό επίπεδο παρατηρούνται τεράστιες διακυµάνσεις, µε την Αµερική να καταναλώνει περίπου 10 kw, την Ευρώπη 4 kw και τις χώρες της Κεντρικής Αφρικής µόλις 0.1 kw. Εκτιµάται ότι η κατ έτος αύξηση της ενεργειακής ζήτησης κυµαίνεται µεταξύ 5 και 10%. ίχως την προσθήκη νέων ενεργειακών αποθεµάτων, αυξήσεις αυτού του µεγέθους δεν είναι δυνατόν να επιτευχθούν. Για να αντιµετωπιστεί το διαφαινόµενο πρόβληµα, η προσοχή σχεδόν όλων των κρατών έχει στραφεί προς δύο κατευθύνσεις: Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 4

5 Την ανάπτυξη συστηµάτων εκµετάλλευσης των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας Την αύξηση της αποδοτικότητας στους χρησιµοποιούµενες διατάξεις παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας. Η διαθεσιµότητα ποικίλων µορφών ενέργειας σε πολλές αποµακρυσµένες και υπό ανάπτυξη περιοχές υπόσχεται ότι, τουλάχιστον η πρώτη συνθήκη κατεύθυνση, µπορεί σχετικά εύκολα να ικανοποιηθεί. 1. Γενικοί ορισµοί και απόψεις Οι πηγές από τις οποίες αντλείται σήµερα συστηµατικά ενέργεια, αλλά και αυτές που βρίσκονται ακόµη στο στάδιο της έρευνας, διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις συµβατικές και τις ανανεώσιµες. Οι συµβατικές πηγές χαρακτηρίζονται από ενεργειακά αποθέµατα τα οποία χρησιµοποιούνται µόνο όταν απαιτείται ενέργεια προς χρήση. Γενικώς, η ενέργεια που περικλείουν ούτε παράγεται ούτε αναπληρώνεται από το περιβάλλον, πάντα στα πλαίσια των ανθρωπίνων κλιµάκων χρόνου (π.χ. πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο, ορυκτά καύσιµα, ραδιενεργά υλικά). Στην περίπτωση των συµβατικών µορφών οι διατάξεις που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας ενεργοποιούνται ανάλογα µε τη ζήτηση. Σε αντίθεση, οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας χαρακτηρίζονται από συνεχή ή επαναλαµβανόµενα ενεργειακά ρεύµατα, τα οποία υπάρχουν ούτως ή άλλως στη φύση, και τα οποία η φύση ανανεώνει συνεχώς (π.χ. ηλιακή και αιολική ενέργεια, γεωθερµία, παλίρροιες). Όταν απαιτηθεί µία ποσότητα ενέργειας, οι διατάξεις παραγωγής χρησιµοποιούν ένα µέρος από τα ρεύµατα αυτά, ενώ όση ενέργεια δεν χρησιµοποιείται απλώς παραµένει στο περιβάλλον και καταναλώνεται σε φυσικές διεργασίες. Πολλές φορές για τον χαρακτηρισµό κάποιων ενεργειακών πηγών χρησιµοποιείται και ο όρος ήπιες µορφές ενέργειας. Οι ήπιες µορφές δεν είναι απαραίτητο να είναι και ανανεώσιµες, εφόσον η ονοµασία τους αναφέρεται στις πιθανές επιπτώσεις της παραγωγής ή της κατανάλωσης ενέργειας στο περιβάλλον. Κατά την ίδια λογική, µία συµβατική µορφή ενέργειας θα µπορούσε να χαρακτηριστεί ως ήπια αν δεν επιβαρύνει σηµαντικά το περιβάλλον (π.χ. µερικώς το φυσικό αέριο). Πρωταρχική πηγή ενέργειας ονοµάζεται µια µορφή ενέργειας η οποία δεν έχει προκύψει από άλλη µορφή ενέργειας µέσω κάποιου µετασχηµατισµού. Η πρωταρχική πηγή ενέργειας από την οποία προέρχονται οι περισσότερες γνωστές µορφές είναι ο Ήλιος. Σε ότι αφορά τις ανανεώσιµες µορφές, από τον ήλιο προέρχονται η ηλιακή, η αιολική, και η φωτοσυνθετική ενέργεια, ενώ από τις συµβατικές µορφές στον ήλιο οφείλουν την ύπαρξή τους τα καύσιµα υλικά. Άλλες πρωταρχικές µορφές ενέργειας θεωρούνται η ενέργεια που προέρχεται από τις κινήσεις των πλανητών και τα βαρυτικά πεδία, η γεωθερµία, η πυρηνική ενέργεια, και τέλος η ενέργεια που περικλείεται σε ορυκτές ανόργανες ενώσεις και απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια χηµικών αντιδράσεων ιαχείριση των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας Ο ενεργειακός σχεδιασµός είναι απαραίτητος σήµερα προκειµένου τα συστήµατα συλλογής και εκµετάλλευσης των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας να είναι αποδοτικά και οικονοµικά συµφέροντα. Για κάθε προτεινόµενο ενεργειακό σύστηµα πρέπει να προηγείται λεπτοµερής τεχνική και οικονοµική ανάλυση, ενώ είναι απαραίτητο να συνδυάζεται κατά τον καλύτερο τρόπο η παρεχόµενη ενέργεια µε τον τελικό χρήστη. Πολλές φορές, λόγω ελλιπούς σχεδιασµού παρουσιάζονται απώλειες ενέργειας και αντιοικονοµική λειτουργία των Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 5

6 ενεργειακών εφαρµογών. Για παράδειγµα, αν η κυρίαρχη ενεργειακή απαίτηση µιας κοινωνίας είναι ενέργεια για θέρµανση χώρων και ζεστό νερό, είναι µάλλον ασύµφορη η παραγωγή ρεύµατος από καύσιµα υλικά (όπου χάνεται το µεγαλύτερο ποσοστό του ενεργειακού περιεχοµένου του καυσίµου), η µεταφορά του ηλεκτρισµού στους χώρους κατοικίας και τέλος η κατανάλωση ηλεκτρισµού για παραγωγή θερµότητας. Η άµεση παραγωγή θερµότητας από καύσιµα υλικά σε τοπικό επίπεδο, θα ήταν η οικονοµικότερη και πλέον σωστή από ενεργειακή άποψη λύση. Βεβαίως, η ιδανική λύση στο πρόβληµα θα ήταν ο συνδυασµός της παραγωγής ηλεκτρισµού µε σύγχρονη χρήση της αποβαλλόµενης θερµότητας. Σηµαντικό είναι επίσης να επιλέγονται προς χρήση ανανεώσιµες µορφές ενέργειας ανάλογα µε τη διαθεσιµότητα που υπάρχει σε κάθε περιοχή. Είναι παράλογο και αντιοικονοµικό να επιλέγεται µία µορφή µε χαµηλό δυναµικό για τον συγκεκριµένο τόπο και να γίνεται προσπάθεια εκ των υστέρων να αυξηθεί το ενεργειακό ρεύµα της συγκεκριµένης µορφής ενέργειας µε εξωτερικές επεµβάσεις. Αν για παράδειγµα σε µία φάρµα εκτροφής ζώων εγκατασταθεί ένα σύστηµα εκµετάλλευσης του βιοαερίου από τα απορρίµµατά τους, δεν θα ήταν λογικό να επιδιωχθεί αύξηση του αριθµού των ζώων προκειµένου να αυξηθεί η παραγόµενη ενέργεια. Ένα σηµαντικό µειονέκτηµα των ανανεώσιµων µορφών ενέργειας είναι οι παρουσιαζόµενες περιοδικότητες στην διαθεσιµότητα τους. Σε πολλές περιπτώσεις οι παρουσιαζόµενες περιοδικότητες είναι προβλέψιµες (π.χ. η ηλιακή ακτινοβολία, οι παλίρροιες) όµως άλλες, όπως η αιολική και η ενέργεια από τα κύµατα είναι δύσκολο να προβλεφθούν, τουλάχιστον σε µικρές κλίµακες χρόνου. Επίσης η ζήτηση ενέργειας παρουσιάζει περιοδικότητες, οι οποίες επίσης µπορούν να προβλεφθούν, εκτός από ασυνήθιστες καταστάσεις (π.χ. καύσωνες, υπερβολικό ψύχος) κατά τις οποίες η ζήτηση αυξάνεται απότοµα και απρόβλεπτα. Είναι λοιπόν σηµαντικό στο σχεδιασµό ενεργειακών συστηµάτων να λαµβάνονται υπόψη οι περιοδικότητες στη διαθεσιµότητα και την κατανάλωση ενέργειας και να γίνεται προσπάθεια µε κατάλληλες επιλογές να συνδυάζονται κατά τον καλύτερο τρόπο µεταξύ τους. Κατά τη χρήση ανανεώσιµων µορφών ενέργειας, στις περισσότερες περιπτώσεις παρουσιάζεται αδυναµία συνδυασµού της παραγωγής ενέργειας µε τη ζήτηση. Αν η παρεχόµενη ενέργεια είναι περισσότερη από τη ζητούµενη, τότε στην χειρότερη περίπτωση έχουµε απόρριψη της επιπλέον ενέργειας στο περιβάλλον, ενώ σε ένα πιο προσεκτικά σχεδιασµένο σύστηµα µπορεί η επί πλέον ενέργεια να οδηγείται σε ένα σύστηµα αποθήκευσης για µετέπειτα χρήση. Στην περίπτωση όµως που η ζήτηση είναι µεγαλύτερη, τότε το σύστηµα παροχής ενέργειας µπορεί να καταρρεύσει, και ο µόνος τρόπος αντιµετώπισης θα ήταν η συµπληρωµατική χρήση συµβατικών µορφών ενέργειας. Είναι προφανές ότι και στις δύο περιπτώσεις παρουσιάζεται προβληµατική διαχείριση του ενεργειακού συστήµατος. Μία προτιµητέα λύση είναι ο εξαρχής συνδυασµός της ενέργειας από ανανεώσιµες µορφές µε το δίκτυο παραγωγής ενέργειας από συµβατικές πηγές. Σε αυτή την περίπτωση, όλη η προερχόµενη από ανανεώσιµες πηγές ενέργεια διοχετεύεται στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο συνεισφέροντας κατά ένα ποσοστό (γενικά µικρό) στη κεντρικά διαθέσιµη ηλεκτρική ενέργεια. Ας σηµειωθεί ότι το φορτίο του δικτύου ελέγχεται αυτόµατα από την κεντρικό σταθµό διαχείρισής του. Με αυτό τον τρόπο γίνεται εξοικονόµηση συµβατικών καυσίµων όταν υπάρχει διαθέσιµη ενέργεια από ανανεώσιµες πηγές, ενώ συνολικά το σύστηµα παραµένει σταθερό και ελεγχόµενο. Σε µεµονωµένα συστήµατα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές, όπου συνδυασµένη χρήση µε το κεντρικό δίκτυο είναι δύσκολη, προτιµάται µία κατά προτεραιότητα διαχείριση της διαθέσιµης ενέργειας. Έτσι πρώτη προτεραιότητα δίδεται σε ζωτικές και ανελαστικές καταναλώσεις (π.χ. θέρµανση, φωτισµός, οικιακές συσκευές), και Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 6

7 εφόσον υπάρχει περίσσεια ενέργειας τίθενται σε λειτουργία άλλα δευτερεύοντα συστήµατα, για τα οποία η συνεχής παροχή ενέργειας δεν είναι απαραίτητη (π.χ. αποθήκευση θερµικής ενέργειας σε θερµοσυσσωρευτές, φόρτιση ηλεκτρικών συσσωρευτών, άντληση νερού, κλπ.). 1.. Ποιότητα και απόδοση ενεργειακών συστηµάτων Υπολογισµοί της αποδοτικότητας των ενεργειακών συστηµάτων είναι απαραίτητοι και µπορούν να οδηγήσουν στην ανίχνευση ανεπιθύµητων απωλειών. Απόδοση µιας ενεργειακής διαδικασίας ορίζεται ο λόγος της ωφέλιµης ενέργειας προς τη συνολική ενέργεια που εισήχθη στο σύστηµα. Για παράδειγµα η απόδοση της διαδικασίας παραγωγής ηλεκτρισµού από καύσιµα υλικά είναι περίπου 30%, που σηµαίνει ότι το 70% της συνολικής ενέργειας που διατέθηκε χάθηκε στο περιβάλλον (υπό µορφή θερµότητας). Προκειµένου να γίνει εφικτός ο διαχωρισµός των διαφόρων µορφών ενέργειας ανάλογα µε την αποδοτικότητά τους, χρησιµοποιείται ο όρος ποιότητα ενέργειας. Μια µορφή ενέργειας είναι τόσο υψηλότερης ποιότητας, όσο υψηλότερος είναι ο συντελεστής µετατροπής της σε µηχανικό έργο. Για παράδειγµα, η θερµική ενέργεια 500 Κ είναι υψηλότερης ποιότητας από αυτή των 00 Κ, επειδή µεγαλύτερο ποσοστό της µπορεί να µετατραπεί σε µηχανική ενέργεια µε τη βοήθεια θερµικών µηχανών. Η ισχύς από ένα ηλεκτρικό κινητήρα είναι υψηλής ποιότητας, διότι η απόδοση της µετατροπής της σε µηχανική ενέργεια (π.χ. για να ανυψωθεί ένα βάρος) είναι µεγάλη (~95%). Αντίθετα η θερµική ενέργεια που προέρχεται από την καύση ενός υλικού µετατρέπεται σε µηχανικό έργο µόλις κατά 30%, άρα είναι χαµηλής ποιότητας. Από άποψη ποιότητας τα συστήµατα παροχής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές µπορούν να ταξινοµηθούν σε τρεις κατηγορίες: Μηχανική ενέργεια, όπως υδροηλεκτρική, αιολική, και ενέργεια από κύµατα και παλίρροιες. Γενικά πρόκειται για υψηλής ποιότητας µορφές, και συνήθως το παραγόµενο µηχανικό έργο χρησιµοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισµού µε πολύ καλές αποδόσεις. Τα ποσοστά απόδοσης είναι συνήθως 60%, 30%, 75% και 75%, αντίστοιχα για τις προαναφερθείσες µορφές. Θερµική ενέργεια, όπως αυτή που προέρχεται από την καύση βιοµάζας ή από τους ηλιακούς συλλέκτες. Η µέγιστη απόδοση καθορίζεται από τον δεύτερο νόµο της θερµοδυναµικής, αλλά στην πράξη οι αποδόσεις είναι πολύ µικρότερες. Για θερµικές µηχανές η απόδοση είναι το πολύ 35%. Ηλεκτροµαγνητική ενέργεια, όπως η φωτοσύνθεση, η φωτοχηµεία και η φωτοβολταϊκή µετατροπή. Παρότι οι αποδόσεις σε συγκεκριµένες συχνότητες φωτονίων είναι µεγάλες, το γεγονός ότι το ηλιακό φάσµα είναι πολύ ευρύ, ελαττώνει σηµαντικά την απόδοση των µετατροπών αυτών σε επίπεδα της τάξης του 15%, τα οποία όµως θεωρούνται πολύ ικανοποιητικά. Ο όρος υποβάθµιση της ενέργειας χαρακτηρίζει την µετατροπή µίας µορφής ενέργειας σε άλλη χαµηλότερης ποιότητας. Γενικά η θερµική ενέργεια όταν µετατρέπεται σε άλλη µορφή υποβαθµίζεται, διότι όπως είδαµε στα προηγούµενα ένα µεγάλο µέρος της µετατρέπεται σε θερµική ενέργεια χαµηλότερης θερµοκρασίας, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις χάνεται στο περιβάλλον. Μια µεγάλη διαφορά µεταξύ των ανανεώσιµων και των συµβατικών µορφών ενέργειας είναι η πυκνότητα της ροής ενέργειας κατά την αρχική µετατροπή ή συλλογή. Οι ανανεώσιµες µορφές έχον συνήθως πυκνότητα ροής ενέργειας το πολύ 1 kw m - (π.χ. ηλιακή ενέργεια, αιολική για ταχύτητα ανέµου ~10 m s -1 ), ενώ η κεντρικά παραγόµενη ενέργεια από συµβατικές πηγές είναι αρκετές τάξεις µεγέθους πιο πυκνή (από περίπου 100 kw m - σε θερµικές µηχανές µέχρι µερικά MW m - σε πυρηνικούς σταθµούς). Όµως όταν η ενέργεια Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 7

8 Σχήµα 1.1: Παγκόσµια παραγωγή ενέργειας από διάφορες συµβατικές πηγές, στο παρελθόν, το παρόν και το µέλλον (10 15 BTU = 1:Quad = Joule). φτάσει στον τελικό χρήστη, απαιτείται γενικά να είναι χαµηλής πυκνότητας, εκτός από ελάχιστες περιπτώσεις όπου η ενέργεια χρησιµοποιείται σε ενεργοβόρες βιοµηχανίες. Έτσι τα φορτία που απαιτεί ο τελικός χρήστης είναι παρόµοια είτε προέρχονται από συµβατικές είτε από ανανεώσιµες πηγές. Συµπερασµατικά µπορεί να υποστηριχθεί ότι η ενέργεια από συµβατικές πηγές συλλέγεται εύκολα κεντρικά, αλλά είναι δαπανηρή η διανοµή της στον τελικό χρήστη. Αντίθετα, η ενέργεια από ανανεώσιµες πηγές συλλέγεται εύκολα σε αποµακρυσµένες περιοχές, αλλά είναι δαπανηρό να συγκεντρωθεί σε ένα σηµείο ώστε να αυξηθεί η πυκνότητά της Παγκόσµια ενεργειακά αποθέµατα Για το ύψος των αποθεµάτων ενέργειας δεν µπορεί να υπάρξει αντικειµενικός προσδιορισµός, και αυτό διότι είναι συνάρτηση του επιπέδου ανάπτυξης της τεχνολογίας για την ανίχνευση, την προσέγγιση και την εκµετάλλευσή τους. Ακόµη δεν µπορούµε να συζητούµε για συνολικά αποθέµατα ενέργειας, τη στιγµή που για οικονοµικούς ή τεχνικούς λόγους, κάποιες πηγές µε ενεργειακό περιεχόµενο µη εκµεταλλεύσιµο µε τις παρούσες συνθήκες δεν αποσπούν προς το παρόν την ανάλογη προσοχή από τον άνθρωπο. Στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζονται εκτιµήσεις για τα παγκόσµια ενεργειακά αποθέµατα, από συµβατικές µορφές ενέργειας, τα οποία έχουν εκφραστεί σε ισοδύναµη ενέργεια. Πίνακας 1.1: Ενεργειακή Πηγή Εκτιµούµενα παγκόσµια ενεργειακά αποθέµατα (10 1 Joules) Αποδεδειγµένα αποθέµατα Εκτιµούµενα υπόλοιπα Άνθρακας Αργό πετρέλαιο Υγρό φυσικό αέριο Φυσικό αέριο Σχάσιµα υλικά Στο Σχήµα 1.1 φαίνονται οι ρυθµοί παραγωγής ενέργειας µέχρι σήµερα και η προβλεπόµενη παραγωγή ενέργειας για το µέλλον, χωριστά για τις διάφορες πηγές. Παρατηρείται ότι για Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 8

9 όλες τις πηγές ο µέγιστος ρυθµός παραγωγής τοποθετείται κατά τη διάρκεια του 1 ου αιώνα, ιδιαίτερα µάλιστα για τον άνθρακα, η χρήση του οποίου θεωρείται ότι θα διαρκέσει µέχρι το 00. Είναι αξιοσηµείωτο ότι, στην καλύτερη περίπτωση, οι µη ανανεώσιµες πηγές ενέργειας αναµένεται να διαρκέσουν για το πολύ ακόµη διακόσια (00) χρόνια. Είναι ορατό λοιπόν το ενεργειακό πρόβληµα το οποίο αναµένεται να ανακύψει µετά την πάροδο του χρονικού διαστήµατος των 00 ετών, εφόσον δεν αναπτυχθεί µέχρι τότε η χρήση εναλλακτικών µορφών ενέργειας. Για τις ανανεώσιµες µορφές ενέργειας, και ιδιαίτερα για την ηλιακή και την αιολική, δεν µπορούµε προφανώς να συζητάµε για αποθέµατα, εφόσον και οι δύο θεωρούνται ανεξάντλητες. Για την υδροηλεκτρική ενέργεια το εκτιµούµενο παγκόσµιο δυναµικό είναι της τάξης των 00 GW, ενώ οι µέχρι σήµερα χρησιµοποιούµενες πηγές αποδίδουν περίπου 150 GW. Τα ποσοστά ενεργειακού δυναµικού από υδατοπτώσεις για διάφορες περιοχές του πλανήτη φαίνονται στον Πίνακα 1.. Πίνακας 1.: Περιοχή Εκτιµούµενα ποσοστά επί του παγκοσµίου ενεργειακού δυναµικού από υδατοπτώσεις για διάφορες περιοχές του πλανήτη Ασία 8 Ν. Αµερική 0 Β. Αµερική 16 Αφρική 16 Πρώην Σοβιετική Ένωση 11 Ευρώπη 7 Ωκεανία Ποσοστό επί του παγκόσµιου δυναµικού [%] Παρατηρείται ότι οι περιοχές του νοτίου ηµισφαιρίου είναι οι πλουσιότερες σε υδατοπτώσεις, χωρίς αυτό να σηµαίνει ότι η εκµετάλλευση των υδατοπτώσεων στις περιοχές αυτές είναι η καλύτερη. Οι κυριότερες περιοχές όπου χρησιµοποιείται η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η Ευρώπη που χρησιµοποιεί το 30% του υπάρχοντος δυναµικού, η Β. Αµερική µε χρήση του 19% του δυναµικού και στην τρίτη θέση είναι οι χώρες της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης µε ποσοστό χρήσης 3%. Φαίνεται λοιπόν ότι ένα ελάχιστο ποσοστό των παγκοσµίως διαθεσίµων υδατοπτώσεων χρησιµοποιείται σήµερα και θα άξιζε να δοθεί µεγαλύτερη σηµασία στην µορφή αυτή ενέργειας. Όπως προκύπτει από αντίστοιχες έρευνες, οι προβλέψεις για το µέλλον είναι µάλλον ευοίωνες σε ότι αφορά την αύξηση του ποσοστού εκµετάλλευσης των υδατοπτώσεων. Τα φυσικά ενεργειακά ρεύµατα που διαπερνούν τη γη υπό τη µορφή ανανεώσιµων µορφών ενέργειας, παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.3, στον οποίο αναφέρονται επίσης εκτιµήσεις για το µέγεθος της κάθε µορφής καθώς και η µορφή µε την οποία η ενέργεια που φθάνει στη γη γίνεται αισθητή. Η ποσότητα ενέργειας που παρέχει ο Ήλιος στη Γη είναι τεράστια, έτσι ώστε αν ληφθεί υπόψη το σηµερινό ύψος του πληθυσµού σε παγκόσµιο επίπεδο (~6.5 δισεκατοµµύρια), υπολογίζεται ότι η διαθέσιµη ροή ηλιακής ενέργειας ανά κάτοικο της Γης είναι περίπου 18 MW, που ισοδυναµεί µε την ισχύ δέκα πολύ µεγάλων γεννητριών diesel. Ας σηµειωθεί ότι η µέγιστη ενεργειακή ροή από την ηλιακή ακτινοβολία για κάθετη πρόσπτωση των ακτινών είναι περίπου 1 kw m -. Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 9

10 Πίνακας 1.3: Ήλιος ( TW) Γη (30 TW) Πλανητικές κινήσεις (3 TW) Φυσικά ενεργειακά ρεύµατα από ανανεώσιµες µορφές ενέργειας Θέρµανση TW Ηλιακή ακτινοβολία ιατάξεις θέρµανσης Λανθάνουσα θερµότητα υναµική ενέργεια Θερµική ενέργεια ωκεανών TW Υδραυλική ενέργεια Κινητική ενέργεια 300 TW Άνεµος και κύµατα Φωτοσύνθεση 30 TW Καύσιµα Θερµότητα 30 TW Γεωθερµία Παλίρροιες 3 TW Ενέργεια από παλίρροιες 1..4 Παγκόσµια παραγωγή ενέργειας Η συνολική παγκόσµια παραγωγή ενέργειας υπολογίζεται ότι είναι της τάξης των 5x10 0 Joules ανά έτος και προέρχεται κυρίως από την καύση του αργού πετρελαίου και των υγρών του φυσικού αερίου σε ποσοστό περίπου 44%, ενώ το 4% καλύπτει η χρήση του άνθρακα και το 16% η χρήση του φυσικού αερίου. Το υπόλοιπο 16% καλύπτεται από τις άλλες πηγές ενέργειας. Σαν κύριο χαρακτηριστικό της ποιότητας των διαφόρων καυσίµων θεωρείται το ενεργειακό περιεχόµενο του καυσίµου, το οποίο ορίζεται σαν ο λόγος της παραγόµενης ενέργειας ανά κιλό καυσίµου. Ο άνθρακας έχει ενεργειακό περιεχόµενο που κυµαίνεται από 5-30 MJ kg -1, και εξαρτάται από το είδος του κοιτάσµατος. Από τα παγκόσµια αποθέµατα του άνθρακα η Ευρώπη χρησιµοποιεί το µεγαλύτερο ποσοστό (περίπου 90%), µε το 84% αυτού χρησιµοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από µεθάνιο (95%), ενώ ένα ποσοστό περίπου 4% είναι άζωτο και το υπόλοιπο 1% διάφορα αλκάνια. Είναι ίσως το πλουσιότερο σε ενέργεια καύσιµο, µε ενεργειακό περιεχόµενο από MJ kg -1. Τέλος το πετρέλαιο, το κατ εξοχήν διαδεδοµένο καύσιµο σήµερα, έχει ένα µέσο ενεργειακό περιεχόµενο περίπου 4 MJ kg -1, αρκετά συναγωνίσιµο µε το φυσικό αέριο. Πίνακας 1.4: Ενεργειακή Πηγή Εκτιµήσεις της παγκόσµιας παραγωγής ενέργειας ανά ενεργειακή πηγή (Campbell, 1986) Παραγωγή ενέργειας κατ έτος (10 18 Joules) Άνθρακας Αργό πετρέλαιο Φυσικό αέριο Σχάσιµα υλικά 3 88 Υδατοπτώσεις Ανανεώσιµες µορφές Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 10

11 Η κατανάλωση ενέργειας γενικά συµβαδίζει µε τον ρυθµό οικονοµικής και τεχνολογικής ανάπτυξης ενός τόπου. Η οικονοµική ανάπτυξη δίνει την δυνατότητα ευκολότερης προµήθειας καυσίµων, ενώ η τεχνολογική ανάπτυξη αυξάνει τις απαιτήσεις του τόπου σε ενέργεια λόγω της συνεχώς αυξανόµενης παραγωγής αγαθών. Το δυσάρεστο είναι ότι η κατανάλωση ενέργειας από τους κατοίκους των αναπτυγµένων περιοχών φθάνει πολλές φορές σε επίπεδα υπερβολικά, λόγω της συνεχούς προσφοράς της και του σχετικά χαµηλού κόστους της. Οι εκτιµήσεις για την παρούσα και την αναµενόµενη στο µέλλον παγκόσµια παραγωγή ενέργειας φαίνονται στον Πίνακα 1.4, για τις διάφορες πηγές ενέργειας Απώλειες και εξοικονόµηση ενέργειας Η συνεχώς αυξανόµενη κατανάλωση ενέργειας και ο φόβος για µελλοντικό ενεργειακό πρόβληµα λόγω της µείωσης των ενεργειακών αποθεµάτων του πλανήτη, έχουν ευαισθητοποιήσει τον άνθρωπο ώστε να αναζητά τρόπους εξοικονόµησης ενέργειας, ο βασικότερος των οποίων είναι ο περιορισµός των απωλειών ενέργειας κατά τις διάφορες διαδικασίες χρήσης της. Μία βασική αιτία απώλειας ενέργειας είναι η απώλεια θερµικής ενέργειας στο περιβάλλον, είτε από την άµεση χρήση της, είτε κατά τις διάφορες διαδικασίες µετατροπής της σε άλλη µορφή. Οι περισσότερες βιοµηχανικές µονάδες και οι σταθµοί παραγωγής ηλεκτρισµού αποβάλλουν τεράστια ποσά θερµότητας, τα οποία θα ήταν δυνατόν, µε ανάπτυξη κατάλληλης τεχνολογίας, να χρησιµοποιηθούν για άλλους σκοπούς. Υπάρχει η τάση να χρησιµοποιείται η θερµότητα αυτή για παραγωγή ηλεκτρισµού µε θερµικούς κύκλους µικρής ενθαλπίας (χαµηλής θερµοκρασίας) όπως είναι ο κύκλος Rankin. Έτσι η αποβαλλόµενη ενέργεια είναι ακόµη µικρότερης ενθαλπίας και µπορεί µε τη σειρά της να χρησιµοποιηθεί για τη θέρµανση χώρων. Επίσης έδαφος κερδίζει και η χρήση της θερµότητας που αποβάλλεται για απευθείας οικιακή χρήση µε µεταφορά του θερµού ατµού σε γειτονικούς οικισµούς. Η θέρµανση των χώρων µε κακή ή ανύπαρκτη θερµοµόνωση είναι µια ακόµη αιτία απώλειας ενέργειας, όπως επίσης και η αλόγιστη χρήση του ηλεκτρισµού, που ενισχύεται από το παράδοξο να χρησιµοποιείται θερµική ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρισµού και κατόπιν ο ηλεκτρισµός να χρησιµοποιείται για θέρµανση. Έχουµε εδώ µετατροπή µίας πρωταρχικής µορφής ενέργειας (πετρέλαιο) σε θερµική, που µετατρέπεται σε ηλεκτρική µε απόδοση περίπου 30% και στη συνέχεια µετατροπή της ηλεκτρικής σε θερµική ενέργεια. Άλλη µία πηγή απωλειών είναι ο τοµέας των µεταφορών. Οι απώλειες αυτές οφείλονται στις µικρές αποδόσεις των οχηµάτων που σε συνδυασµό µε κακή αεροδυναµική και κακή λειτουργία των κινητήρων, κατεβάζουν τον συντελεστή απόδοσής τους σε επίπεδα κάτω του 0.0. Η εξοικονόµηση ενέργειας σε αυτόν τον τοµέα µπορεί να γίνει µε καλύτερο σχεδιασµό των κινητήρων ή µε αντικατάσταση τους από ηλεκτροχηµικούς µετατροπείς. 1.3 Θερµαντλίες Μία διάταξη η οποία ενώ χρησιµοποιεί συµβατικά καύσιµα οδηγεί σε εξοικονόµηση ενέργειας, ιδιαίτερα για θέρµανση χώρων, είναι οι θερµαντλίες (heat-pumps). Οι θερµαντλίες είναι διατάξεις των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στον αντίστροφο κύκλο του Carnot. Μία µηχανή Carnot (θερµική µηχανή) απάγει ενέργεια Q από µία θερµή πηγή και αποδίδει ωφέλιµο έργο W, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια Q 1 χάνεται στο περιβάλλον. Ο συντελεστής απόδοσης, n, της µετατροπής αυτής δίδεται από τη σχέση: n Q Q = = (1.1) Q T T T T = 1 T Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 11

12 Όπου Τ 1 και Τ είναι αντίστοιχα οι θερµοκρασία της ψυχρής και της θερµής πηγής. Επειδή δε Τ >Τ 1, ο συντελεστής n είναι πάντα µικρότερος της µονάδας. Η θερµαντλία απάγει θερµότητα Q 1 από µία ψυχρή πηγή µε την καταβολή εξωτερικού έργου W και την αποδίδει σε µία θερµή πηγή. Η λειτουργία της δηλαδή είναι παρόµοια µε αυτή ενός ψυγείου, όπου ο θάλαµος ψύξης είναι το περιβάλλον. Ο συντελεστής απόδοσης της ορίζεται τώρα ως: n Q = = = (1.) W Q Q Q Επειδή ισχύει και εδώ ότι Τ >Τ 1, ο συντελεστής απόδοσης µπορεί να γίνει και µεγαλύτερος της µονάδας (τυπική τιµή του n 4). Στην πράξη οι θερµαντλίες χρησιµοποιούν έναν κινητήρα (π.χ. Diesel) µε τον οποίο αντλούν θερµότητα από το περιβάλλον (ψυχρή πηγή) και την µεταφέρουν στον χώρο που πρόκειται να θερµανθεί. Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν είναι µικρή, και το τελικό αποτέλεσµα είναι να µεταφέρεται µεγαλύτερη ποσότητα θερµικής ενέργειας από την αντίστοιχη ηλεκτρική που καταναλώθηκε (επειδή n > 1). Επί πλέον µία ποσότητα από τη θερµότητα που εκπέµπει προς το περιβάλλον ο κινητήρας µπορεί να ανακτηθεί και να χρησιµοποιηθεί και αυτή για τη θέρµανση του χώρου που πρόκειται να θερµανθεί. Η απόδοση εξαρτάται από τη θερµοκρασία της πηγής, και είναι µεγαλύτερη για υψηλότερες θερµοκρασίες. Στο Σχήµα 1. συγκρίνεται η χρήση µίας θερµαντλίας (α) µε ένα σύστηµα κεντρικής θέρµανσης (β). Είναι εµφανής η διαφορά µεταξύ των δύο συστηµάτων, εφόσον για να επιτευχθεί η ίδια ικανότητα θέρµανσης (1 ενεργειακή µονάδα) απαιτούνται για µεν τον συµβατικό καυστήρα 1.3 µονάδες καυσίµου, ενώ για την θερµαντλία µόλις 0.6 µονάδες καυσίµου. 1 T T T 1 Σχήµα 1.: Σύγκριση της αποδοτικότητας µιας θερµαντλίας µε ένα συµβατικό σύστηµα κεντρικής θέρµανσης Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 1

13 1.4 Ηλεκτροχηµικά στοιχεία Σε αντίθεση µε την ονοµασία του, ο ηλεκτροχηµικός µετατροπέας, ή στοιχείο καυσίµου (fuel cell), δεν είναι διάταξη µετατροπής ενέργειας σε άλλη µορφή, αλλά διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από την καύση ενός αερίου καυσίµου, όπως π.χ. του υδρογόνου, σαν αποτέλεσµα των χηµικών αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα.. Παρότι έχουν αναπτυχθεί στοιχεία καυσίµου που χρησιµοποιούν διάφορους υδρογονάνθρακες, όπως µεθάνιο, µεθανόλη, αλκοόλη, κ.α., το σηµαντικότερο είναι αυτό που χρησιµοποιεί για καύσιµο το υδρογόνο. Το καύσιµο υδρογόνο προέρχεται είτε από αποθηκευµένα αποθέµατα, είτε παράγεται επί τόπου από µία εξωτερική µονάδα παραγωγής του. Το ηλεκτροχηµικό στοιχείο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, µεταξύ των οποίων µεσολαβεί ένα πορώδες υλικό (Σχήµα 1.3), το οποίο εµποτίζεται µε έναν ηλεκτρολύτη. Αυτός είναι πυκνό διάλυµα (περίπου 85%) φωσφορικού οξέος (Η 3 ΡΟ 4 ). Η θερµοκρασία λειτουργίας του στοιχείου είναι άµεση συνάρτηση του χρησιµοποιούµενου ηλεκτρολύτη. Το διάλυµα του φωσφορικού οξέος παρουσιάζει µικρή αγωγιµότητα σε θερµοκρασίες µικρότερες των 40 Κ, ενώ σε θερµοκρασίες υψηλότερες των 480 Κ παρατηρείται οξείδωση των ηλεκτροδίων. Έτσι στα στοιχεία που χρησιµοποιείται αυτός ο ηλεκτρολύτης η θερµοκρασία λειτουργίας περιορίζεται σε ένα εύρος από 40 Κ έως 480 Κ. Τα πορώδη ηλεκτρόδια είναι κατασκευασµένα από άνθρακα µε µικρή ποσότητα ψηγµάτων λευκόχρυσου (Pt) που επικάθονται στις εσωτερικές επιφάνειες των ηλεκτροδίων. Η ποσότητα αυτή είναι ανάλογη της επιφανείας των ηλεκτροδίων και είναι της τάξης των 3-8 gr m - επιφανείας. Σχήµα 1.3: Σχηµατική παράσταση ενός ηλεκτροχηµικού µετατροπέα. Το καύσιµο (στο παράδειγµά µας υδρογόνο) οδηγείται και εµποτίζει το ηλεκτρόδιο της ανόδου. Ο λευκόχρυσος δρα καταλυτικά οδηγώντας σε διάσπαση του µορίου του Η κατά το σχήµα: Άνοδος: Η Η + + e -- (1.3) Λόγω του δυναµικού που έχει αναπτυχθεί µεταξύ των ηλεκτροδίων, τα ιόντα του υδρογόνου οδηγούνται στην κάθοδο µέσω του πορώδους υλικού, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια οδηγούνται στην κάθοδο µέσω εξωτερικού κυκλώµατος παράγοντας ηλεκτρικό ρεύµα.. Στο ηλεκτρόδιο της καθόδου οδηγείται ατµοσφαιρικός αέρας ο οποίος παρέχει το απαραίτητο οξυγόνο για τις αντιδράσεις: Κάθοδος: ½ O + H + + e -- Η Ο (1.4) Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 13

14 Η ταχύτητα αναγωγής του Ο είναι 100 φορές µικρότερη από την ταχύτητα οξείδωσης του Η, µε αποτέλεσµα να ελαττώνεται η απόδοση του συστήµατος. Ο αριθµός των ηλεκτρονίων ανά mole αντίδρασης είναι z =, ο δε συνδυασµός των παραπάνω αντιδράσεων δίνει: H + ½ O Η Ο (1.5) Το προϊόν της συνολικής αντίδρασης είναι νερό και ηλεκτρικό ρεύµα. Η βασική θερµοδυναµική ενός ηλεκτροχηµικού στοιχείου εκφράζεται από τη σχέση: G = -z. Ε.F = H - T S (1.6) όπου C, Η και S είναι αντίστοιχα οι µεταβολές της ελεύθερης ενέργειας Gibbs, της ενθαλπίας και της εντροπίας, ενώ ο όρος -z. Ε.F αντιπροσωπεύει το ηλεκτρικό έργο που αποδίδεται. Η παράµετρος z αντιπροσωπεύει τον αριθµό των ηλεκτρονίων που µεταφέρονται ανά mole αντίδρασης του στοιχείου, Ε είναι το δυναµικό µεταξύ των ηλεκτροδίων του στοιχείου και F είναι η σταθερά Faraday, δηλαδή το ηλεκτρικό φορτίο ενός mole ηλεκτρονίων και ισούται µε 96,787 Coulombs. Το δυναµικό Ε, είναι ανάλογο της µεταβολής της ενέργειας µεταξύ της αρχικής κατάστασης των αντιδρώντων (H, ½O ) και της τελικής κατάστασης των προϊόντων (H O). Για θερµοκρασία 5 C, Ε = 1.3 Volt, ενώ για µεγαλύτερες θερµοκρασίες η τιµή του γίνεται µικρότερη. Η θεωρητική θερµοδυναµική απόδοση n c ορίζεται σαν το ηλεκτρικό έργο πού αποδίδεται προς τη θερµότητα που αποδεσµεύεται, δηλαδή: nc zvf T S H T S = = = 1 (1.7) H H H Επειδή οι ηλεκτροχηµικές µονάδες λειτουργούν σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες ο τελευταίος όρος τείνει να γίνει πολύ µικρός µε αποτέλεσµα η απόδοση να πλησιάζει τη µονάδα. Λόγω των σχετικά υψηλών θερµοκρασιών λειτουργίας τους, τα στοιχεία πρέπει να βρίσκονται υπό πίεση για να αποφεύγεται η εξάτµιση του νερού του ηλεκτρολύτη. Η απαιτούµενη πίεση για το εύρος θερµοκρασίας λειτουργίας τους είναι περίπου 8 bar (8 ατµόσφαιρες). Το δυναµικό που αναπτύσσεται για θερµοκρασία 450 Κ είναι 1.15 Volts, ενώ η θεωρητική απόδοση είναι περίπου 74%. Η ενέργεια του καυσίµου που δεν αποδίδεται σαν ηλεκτρική, εµφανίζεται σαν θερµική ενέργεια που χάνεται στο περιβάλλον. Αλλά λόγω της υψηλής θερµοκρασίας λειτουργίας του, σε σχέση µε το περιβάλλον, αυτή η θερµική ενέργεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί για εξωτερική θέρµανση, µε αποτέλεσµα η απόδοση του συστήµατος να φθάνει τελικά το 85%. Από τα προϊόντα της αντίδρασης καύσης του Η διαφαίνεται ότι τα στοιχεία καύσιµου δεν παράγουν ρύπους όπως άλλες διεργασίες καύσης, και έτσι θεωρούνται διατάξεις φιλικές προς το περιβάλλον. Αυτό είναι ίσως και το σηµαντικότερο πλεονέκτηµά τους το οποίο οδήγησε στην ευρεία χρήση τους κατά τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερα στη βιοµηχανία αυτοκινήτων. Όπως αναφέραµε προηγουµένως, η τάση στα άκρα των ηλεκτροδίων είναι περίπου 1 Volt, η οποία είναι σχετικά µικρή προκειµένου να χρησιµοποιηθούν τα ηλεκτροχηµικά στοιχεία σε ηλεκτρικά δίκτυα. Ένας τρόπος για να αντιµετωπιστεί αυτό το πρόβληµα είναι η κατασκευή συστοιχιών σε σειρά από περισσότερα στοιχεία ώστε να φθάσουµε τελικά σε ικανοποιητικές τάσεις. Κατασκευάζονται τώρα στοιχεία καυσίµου µε ενεργή επιφάνεια περίπου 0.9 m που αποδίδουν περίπου 1 kw µε τάση 0.7 Volt. Το µεγαλύτερο στοιχείο που είναι σήµερα σε χρήση, είναι τοποθετηµένο σε σταθµό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Τόκιο και έχει Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 14

15 ισχύ 4.8 MW. Είναι διαρρυθµισµένο σε συστοιχίες των 500 µονάδων έτσι ώστε το σύστηµα να λειτουργεί σε τάση 350 Volts. Σαν καύσιµο χρησιµοποιείται η νάφθα που παρέχει υδρογόνο σύµφωνα µε τις αντιδράσεις: C n H n + n H O n CO + n Η (1.8) n CO + n H O n CO + n Η (1.9) Τα µεγαλύτερα µειονεκτήµατα των ηλεκτροχηµικών µετατροπέων είναι: Το γεγονός ότι δεν χρησιµοποιούν κοινά καύσιµα, των οποίων η υποδοµή παραγωγής είναι ήδη αναπτυγµένη, αλλά υδρογόνο, το οποίο είναι και δύσκολο να παραχθεί και επικίνδυνο να αποθηκευτεί, παρόλο που υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες στη φύση. Το µεγάλο βάρος τους σε σχέση µε την ισχύ που παράγουν. Έτσι ενώ ένα στοιχείο καυσίµου που παράγει 1 kw έχει βάρος περίπου 60 kg, µία µηχανή εσωτερικής καύσης της ίδιας ισχύος έχει βάρος περίπου 10 kg. Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : Κατανάλωση Ενέργειας και Ατµοσφαιρική Ρύπανση.1 Εισαγωγή Αέριες, υγρές και στερεές ουσίες που εκπέµπονται ή αποβάλλονται στο περιβάλλον αλλάζοντας τη σύστασή του και οι οποίες οφείλονται σε ανθρώπινες δραστηριότητες, ονοµάζονται ανθρωπογενείς ρύποι. Κατά τις διάφορες διεργασίες παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας, µία σηµαντική ποσότητα των προϊόντων των διεργασιών αυτών ελευθερώνεται στο περιβάλλον. Η βασική πηγή ενέργειας η χρήση της οποίας επιβαρύνει το περιβάλλον µε ρύπους είναι τα διάφορα καύσιµα υλικά. Η καύση του πετρελαίου ή του άνθρακα για την παραγωγή ηλεκτρισµού ή η χρήση τους από άλλες ενεργοβόρες εγκαταστάσεις θεωρείται σαν η πλέον ρυπογόνα διαδικασία παραγωγής ενέργειας. εν πρέπει να διαχωρίσουµε εδώ τις µικρότερες µονάδες ή διαδικασίες που καταναλώνουν ενέργεια, οι οποίες λόγω του µεγάλου τους αριθµού συναγωνίζονται σε σηµαντικό βαθµό τις µεγάλες εγκαταστάσεις που προαναφέραµε. Στα επόµενα θα µελετήσουµε τον τρόπο σχηµατισµού των ρύπων κατά τις διάφορες διαδικασίες παραγωγής ενέργειας.. Καύση υδρογονανθράκων..1 Οι υδρογονάνθρακες και το µονοξείδιο του άνθρακα Κατά την καύση των διαφόρων καυσίµων υλικών οι περιεχόµενοι σε αυτά υδρογονάνθρακες οξειδώνονται. Στην ιδανική περίπτωση τα προϊόντα της οξείδωσης αυτής είναι µόνο CO και Η Ο. Για να γίνει τέλεια καύση µίας δεδοµένης ποσότητας υδρογονάνθρακα απαιτείται µία ορισµένη ποσότητα οξυγόνου σύµφωνα µε την αντίδραση: C x H y + (x + ¼ y) Ο x CΟ + ½ y Η Ο (.1) Η απαραίτητη αναλογία µίγµατος καυσίµου και αέρα για να γίνει τέλεια καύση, ονοµάζεται στοιχειοµετρική αναλογία και ορίζεται σαν ο λόγος της µάζας του αέρα προς τη µάζα του καυσίµου, ώστε στην παραπάνω αντίδραση να µην παρουσιάζεται περίσσεια ή έλλειψη οξυγόνου. Έτσι π.χ. για ένα mole ισοοκτανίου (C 8 H 18 ) απαιτούνται 1.5 moles Ο, και επειδή η αναλογία moles του αζώτου και του οξυγόνου στον αέρα είναι 3.76 το µίγµα θα περιέχει 47 moles Ν. Άρα 114 gr C 8 H 18 απαιτούν 400 gr Ο και 1316 gr Ν ή 1716 gr αέρα. Η στοιχειοµετρική αναλογία λοιπόν για το ισοοκτάνιο είναι ενώ για την συνηθισµένη βενζίνη είναι περίπου Αν το µίγµα περιέχει λιγότερο αέρα θεωρείται πλούσιο, ενώ στην αντίθετη περίπτωση πτωχό. Η καύση όµως των υδρογονανθράκων στην πραγµατικότητα δεν είναι ποτέ τέλεια. Αν θεωρήσουµε ότι ένα ποσοστό f του υδρογονάνθρακα παραµένει άκαυστο, τότε µπορούµε να υπολογίσουµε τη συγκέντρωση του υδρογονάνθρακα στα προϊόντα της αντίδρασης. Είδαµε ότι ένα mole υδρογονάνθρακα C x H y, κατά την τέλεια καύση του, οδηγεί στην παραγωγή x moles CO και y/ moles Η Ο. Στα προϊόντα θα πρέπει να προστεθούν και τα 3.76 (x + 4/y) moles Ν, που προέρχονται από τον αέρα που συµµετείχε στην αντίδραση. Έτσι από την τέλεια καύση 1 mole υδρογονάνθρακα µε F = 4.76 (x + 4/y) moles αέρα Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 16

17 προκύπτουν Μ = (x + y/) (x + 4/y ) moles προϊόντων. Αν ένα ποσοστό f του υδρογονάνθρακα µείνει άκαυστο, τότε το ποσοστό c των moles του υδρογονάνθρακα στα προϊόντα της καύσης θα είναι: f c = M + f ( 1+ F M ) (.) Και η συγκέντρωση του υδρογονάνθρακα C σε ppm (µέρη στο εκατοµµύριο) θα είναι: 10 6 f C = M + f (1+ F M ) (.3) Εκτός από την περίσσεια των ιδίων των υδρογονανθράκων, ο δεύτερος ρύπος ο οποίος προέρχεται από την καύση τους είναι το CO που προκύπτει από τη διάσπαση του CO. Για να εκτιµήσουµε την µέγιστη ποσότητα CO που µπορεί να σχηµατιστεί για µία δεδοµένη θερµοκρασία καύσης, ας υπολογίσουµε το ποσοστό του CO σε ισορροπία του συστήµατος CO, CO και Ο για ατµοσφαιρική πίεση (1 atm) σαν συνάρτηση της θερµοκρασίας. Η ισορροπία είναι αποτέλεσµα της αµφίδροµης αντίδρασης: η σταθερά ισορροπίας της οποίας δίδεται από τη σχέση: 3 10 CO CO + ½ O (.4) exp = RT [ CO][ O ] [ CO ] 4 k = (.5) όπου οι χηµικοί τύποι των προϊόντων σε αγκύλες αντιπροσωπεύουν τη συγκέντρωση του κάθε προϊόντος. Ας θεωρήσουµε τρεις διαφορετικές περιπτώσεις καύσης του οκτανίου, κατά τις οποίες ο λόγος των ατόµων του οξυγόνου προς τα άτοµα του άνθρακα είναι, 3.15 και 5, αντίστοιχα για πλούσιο µίγµα, στοιχειοµετρική αναλογία και πτωχό µίγµα. Για όλες τις περιπτώσεις ισχύουν οι σχέσεις: [CO] + [O ] + [CO ] = 1 (.6) 1 [ CO] + [ O ] + [ CO ] αριθµ ός moles O = a= [ CO ] + [ CO] αριθµ ός moles C (.7) Από τις σχέσεις αυτές µπορούµε να υπολογίσουµε την σταθερά ισορροπίας k σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης του CO και του α. Έτσι για θερµοκρασίες Τ = 000 ο Κ, 3000 ο Κ και 4000 ο Κ, µπορούµε να υπολογίσουµε τη µέγιστη συγκέντρωση του CO όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα.1. Από τον Πίνακα.1 παρατηρούµε ότι η µεγάλη θερµοκρασία ευνοεί τον σχηµατισµό του CO ενώ η συγκέντρωσή του µειώνεται όταν αυξάνει ο λόγος α δηλαδή όταν το µίγµα είναι πτωχό. Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 17

18 Πίνακας.1: Αναλογία µείγµατος Μέγιστες συγκεντρώσεις του CO κατά την καύση του οκτανίου, για διάφορες αναλογίες µείγµατος και θερµοκρασίες καύσης. Συγκέντρωση CO 000Κ 3000Κ 4000Κ Σχηµατισµός οξειδίων του αζώτου Εκτός από την απελευθέρωση υδρογονανθράκων και CO από την καύση των υδρογονανθράκων και άλλοι σηµαντικοί ρύποι δηµιουργούνται κατά τις διεργασίες αυτές. Ίσως οι σηµαντικότεροι είναι τα οξείδια του αζώτου ΝΟ και ΝΟ που κυρίως σχηµατίζονται µε δύο τρόπους. Ο πρώτος συνίσταται στην οξείδωση του µοριακού ατµοσφαιρικού αζώτου στην έξοδο του κινητήρα λόγω των υψηλών θερµοκρασιών και αναφέρεται σαν θερµική παραγωγή οξειδίων του αζώτου. Ο δεύτερος συνίσταται στην οξείδωση των αζωτούχων ενώσεων που υπάρχουν µέσα στα καύσιµα. Η ενέργεια που απαιτείται για να πραγµατοποιηθούν µερικές από τις αντιδράσεις σχηµατισµού των θερµικά παραγόµενων οξειδίων του αζώτου είναι µεγάλη και γι' αυτό το λόγο ο ρυθµός σχηµατισµού τους εξαρτάται σηµαντικά από την θερµοκρασία. Οξείδια του αζώτου παράγονται κατά την καύση όλων των καυσίµων υλικών στην περιοχή της θερµοκρασίας ανάφλεξης. Έτσι υψηλές θερµοκρασίες και πλούσια παροχή οξυγόνου ευνοούν πολύ τον σχηµατισµό των οξειδίων του αζώτου και γι αυτό το λόγο η έρευνα για τεχνολογίες που θα περιορίζουν την παραγωγή τους, στηρίζεται στην ανεύρεση µεθόδων που θα εµποδίζουν την ικανοποίηση µίας ή και των δύο από τις παραπάνω συνθήκες. Η ποσότητα των αζωτούχων ενώσεων στα καύσιµα ποικίλει ανάλογα µε το είδος του καυσίµου και είναι αµελητέα στο φυσικό αέριο, αρκετά σηµαντική στα διυλίσιµα καύσιµα και πολύ σηµαντική, της τάξης του 0.5%-3%, στα βαρύτερα καύσιµα, όπως τα ιζήµατα του πετρελαίου, ο άνθρακας και τα καύσιµα που προέρχονται από τον άνθρακα. Είναι φυσικό ότι ο τρόπος αυτός σχηµατισµού οξειδίων του αζώτου ευνοείται από την µεγαλύτερη περιεκτικότητα των καυσίµων σε αζωτούχες ενώσεις. Περίπου το 50%-90% των παραγόµενων κατά την καύση ΝΟx, προέρχονται από το άζωτο του καυσίµου παρόλο που µόνο ένα ποσοστό αυτού µετατρέπεται σε ΝΟx ενώ το υπόλοιπο σχηµατίζει µοριακό άζωτο. Επειδή το άζωτο της ατµόσφαιρας είναι πολύ σταθερό (ενέργεια διάσπασης περίπου 5 kcal.mole -1 ), σε σχέση µε τις αζωτούχες ενώσεις των καυσίµων (ενέργεια διάσπασης από 60 έως 150 kcal.mole -1 ), απαιτείται µικρότερο ποσό ενέργειας για την οξείδωση του αζώτου του καυσίµου από αυτό του αέρα. Έτσι η οξείδωση στα καύσιµα γίνεται γρήγορα και δεν επηρεάζεται από µεταβολές της θερµοκρασίας της καύσης...3 Σχηµατισµός οξειδίων του θείου Τα οξείδια του θείου και κατά κύριο λόγο το διοξείδιο του θείου (SO ), δηµιουργούνται κατά την καύση όλων των θειούχων καυσίµων. Εκλύονται λοιπόν από βιοµηχανίες που χρησιµοποιούν τέτοια καύσιµα, είτε κατά την παραγωγική διαδικασία είτε για την παραγωγή ενέργειας, όπως επίσης και από άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες (π.χ. οι µεταφορές και η θέρµανση). Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 18

19 Καύσιµα (όπως άνθρακες που περιέχουν πίσσα και αργό πετρέλαιο) µε µεγάλη περιεκτικότητα σε θείο, καίγονται σήµερα σε τεράστιες ποσότητες παγκοσµίως, µε αποτέλεσµα περίπου το 75% της παγκοσµίως εκπεµπόµενης ποσότητας διοξειδίου του θείου να προέρχεται από τις δραστηριότητες αυτές. Οι βασικότερες βιοµηχανικές µονάδες που εκλύουν SO είναι τα διυλιστήρια πετρελαίου και τα χυτήρια µετάλλων, ιδιαίτερα του χαλκού. Το SO είναι ισχυρό οξειδωτικό και είναι σχετικά ασταθής ένωση, ο χρόνος παραµονής του στην ατµόσφαιρα κυµαίνεται από µερικές ώρες µέχρι λίγες ηµέρες. Αν και παλαιότερα είχε επικρατήσει η εντύπωση ότι οι εκποµπές διοξειδίου του θείου έχουν περισσότερο τοπικό χαρακτήρα, τα τελευταία χρόνια πολλές µελέτες απέδειξαν την ύπαρξη ποσοτήτων SO οι οποίες µεταφέρονται σε µεγάλες αποστάσεις από τον τόπο παραγωγής τους (διακρατική ρύπανση)..3 Καύση του άνθρακα.3.1 ιαδικασία καύσης και παραγωγή ρύπων Από όλα τα ορυκτά καύσιµα ο άνθρακας δεν είναι µόνο το πλέον άφθονο στη φύση, αλλά παρουσιάζει και τα µεγαλύτερα προβλήµατα για τον έλεγχο της καύσης του ή των εκποµπών τους. Ένα σηµαντικό πρόβληµα που αντιµετωπίζεται κατά τη µελέτη της καύσης του είναι η πολυµορφία του, ώστε να µην είναι δυνατό να θεωρήσουµε κάποια τυπική µορφή άνθρακα διότι οι ιδιότητές του µεταβάλλονται ακόµη και µέσα στο ίδιο κοίτασµα. Έτσι τουλάχιστον κατ' αρχήν για την µελέτη της καύσης του θεωρούµε την καύση ενός απλού σωµατιδίου άνθρακα. Στην πραγµατικότητα ο άνθρακας κονιορτοποιείται σε σωµατίδια διαµέτρου περίπου 80 µm, αναµιγνύεται µε αέρα και το µίγµα οδηγείται στον καυστήρα. Η αναλογία αέρα που απαιτείται (στοιχειοµετρική αναλογία) είναι της τάξης του 10%-30%, εξαρτάται δε από τις ιδιότητες του συγκεκριµένου καυσίµου και από τον γενικότερο σχεδιασµό του καυστήρα. Καθώς το σωµατίδιο του άνθρακα θερµαίνεται, τα πτητικά του συστατικά αρχίζουν να ελευθερώνονται. Τα αρχικά πτητικά συστατικά περιέχουν άνθρακα (C) και υδρογόνο (Η ). Αυτά οξειδώνονται από το οξυγόνο του αέρα και τµηµατικά το καταναλώνουν. Η θερµοκρασία αυξάνει και η δακτυλιοειδής δοµή του άνθρακα αρχίζει να σπάζει, ελευθερώνοντας έτσι τα αζωτούχα συστατικά (ΧΝ), τα οποία οξειδώνονται µε τη σειρά τους για να σχηµατιστούν οξείδια του αζώτου (ΝΟx). Συνεχόµενες αντιδράσεις των ΧΝ και ΝΟx µαζί µε άλλα συστατικά παράγουν τελικά µοριακό άζωτο Ν. Για πτωχές αναλογίες καυσίµου, ένα ποσοστό του αζώτου σχηµατίζει µονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ). Για πλούσιο µίγµα καυσίµου η παραγωγή αζώτου συνεχίζεται µέχρι κάποιο οριακό σηµείο όπου επιτυγχάνεται στοιχειοµετρική αναλογία. Από το σηµείο αυτό και µετά, ακόµη και για πλουσιότερο µίγµα, τα αζωτούχα συστατικά (ΧΝ) παραµένουν αναλλοίωτα και καίγονται σε πτωχότερες δευτερεύουσες ζώνες καύσης. Κατά την διάρκεια της απελευθέρωσης των πτητικών συστατικών, ελευθερώνονται διάφορες οργανικές και ανόργανες θειικές ενώσεις (ΧS) που γενικά µετατρέπονται σε διοξείδιο (SO ) ή τριοξείδιο (SO 3 ) του θείου κατά την διάρκεια της καύσης. Τελικά ένα µέρος των µετάλλων που περιέχονται στο καύσιµο ελευθερώνονται και συµπυκνώνονται σε µεγαλύτερα σωµατίδια. Μετά την διαδικασία της απελευθέρωσης των παραπάνω συστατικών το υπόλοιπο µέρος του καυσίµου καίγεται για να προσφέρει την απαιτούµενη ενέργεια. Τα παραµένοντα ΧΝ και ΧS, κατά την καύση µετατρέπονται σε ΝΟ ή Ν και SO αντίστοιχα. Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 19

20 Κατά την κατασκευή των καυστήρων άνθρακα καταβάλλεται προσπάθεια να επιτυγχάνεται ολική καύση, ώστε αφενός µεν να προσφέρεται η µέγιστη δυνατή ενέργεια, αφετέρου δε να αποφεύγεται η εκποµπή των καρβονικών σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα..3. Μέθοδοι ελέγχου των ΝΟx Μεγαλύτερη προσοχή δίδεται σήµερα στον περιορισµό των οξειδίων του αζώτου κατά τη διάρκεια της καύσης. Η µέθοδος που χρησιµοποιείται για την µείωση των θερµικά παραγόµενων ΝΟx βασίζεται στην µείωση της µέγιστης θερµοκρασίας καύσης µε τη χρήση κάποιου αδρανούς αραιωτικού. Συνήθως χρησιµοποιείται η επανεισαγωγή των καυσαερίων στο θάλαµο καύσης (τα καυσαέρια έχουν γενικά χαµηλότερη θερµοκρασία) ή η εκτόξευση νερού στο θάλαµο καύσης (το νερό έχει µεγάλη ειδική θερµότητα εξαέρωσης). Με τις µεθόδους αυτές έχουν επιτευχθεί µειώσεις των θερµικά παραγόµενων ΝΟx µέχρι και 90%. Μία άλλη µέθοδος είναι η πραγµατοποίηση της καύσης σε δύο στάδια, έτσι ώστε στο πρώτο στάδιο το µίγµα να είναι πτωχό σε αέρα ενώ στο άλλο πλούσιο. Με αυτόν τον τρόπο στο πρώτο και κυριότερο στάδιο της καύσης αποφεύγεται η παραγωγή ΝΟx λόγω της έλλειψης οξυγόνου και της χαµηλής θερµοκρασίας..4 Μηχανές εσωτερικής καύσης Οι µηχανές εσωτερικής καύσης, λόγω της µεγάλης διάδοσής τους, αποτελούν µία από τις πλέον σηµαντικές κατηγορίες πηγών ρύπανσης. Ο τύπος και η ποσότητα των προϊόντων της καύσης σε µία µηχανή εσωτερικής καύσης εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες όπως: Το λόγο του αέρα προς το καύσιµο Το χρόνο της παραγωγής του σπινθήρα Το συντελεστή συµπίεσης Τη γεωµετρία του θαλάµου καύσης Την ταχύτητα λειτουργίας του κινητήρα Το είδος του καυσίµου Ο λόγος του αέρα προς το καύσιµο είναι ο σηµαντικότερος παράγοντας για τον καθορισµό των εκποµπών των µηχανών αυτών, εξαρτάται δε σηµαντικά από την ταχύτητα κίνησης του κινητήρα και από την σταθερότητα της ταχύτητας κίνησης (π.χ. όταν επιταχύνει ή επιβραδύνει ο κινητήρας οι εκποµπές ρύπων αυξάνουν). Τέσσερις είναι οι τρόποι, µε την εφαρµογή των οποίων µπορούµε να µειώσουµε τις εκποµπές ρύπων από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης: Βελτίωση του τρόπου λειτουργίας Βελτίωση του σχεδιασµού του κινητήρα Βελτίωση της σύνθεσης των καυσίµων Επεξεργασία των προϊόντων της καύσης Για την πρώτη κατηγορία οι βελτιώσεις συνίστανται στη ρύθµιση του λόγου αέρα προς καύσιµο και τον καλύτερο συγχρονισµό της δηµιουργίας του σπινθήρα. Έτσι δεν είναι απαραίτητο να σχεδιαστούν τµήµατα της µηχανής εκ νέου και η λύση είναι αρκετά οικονοµική. Στη δεύτερη κατηγορία απαιτούνται αλλαγές τµηµάτων του κινητήρα που µπορεί να αποβούν πολύ δαπανηρές εφόσον χρειαστεί να ανατραπεί όλη η γραµµή παραγωγής του. Η τρίτη κατηγορία συνιστά την αντικατάσταση των ήδη χρησιµοποιούµενων καυσίµων από Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 0

21 άλλους υδρογονάνθρακες, που είναι σχετικά οικονοµική λύση, ιδιαίτερα αν καταστεί δυνατή η προσαρµογή των σηµερινών κινητήρων στη χρήση των νέων καυσίµων. Τελικά µε την τέταρτη λύση συνίσταται η επεξεργασία των αερίων της καύσης, συνήθως µε µικρές µεταβολές στον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα, χρησιµοποιώντας αντιδραστήρια που κατακρατούν ή µετασχηµατίζουν τους ρύπους σε άλλες ανώδυνες για το περιβάλλον ενώσεις. Έτσι γίνονται προσπάθειες για την οξείδωση των υδρογονανθράκων και του µονοξειδίου του άνθρακα σε CO και Η Ο, καθώς και η µετατροπή των οξειδίων του αζώτου σε µοριακό άζωτο και οξυγόνο..5 Παραγωγή αιωρουµένων σωµατιδίων Με τον όρο αιωρούµενα σωµατίδια αναφερόµαστε σε κάθε υλικό της ατµόσφαιρας (εκτός από τους υδρατµούς είτε σε στερεά είτε σε υγρή µορφή), που οι διαστάσεις του είναι µικροσκοπικές αλλά µεγαλύτερες από τις διαστάσεις ενός µορίου, περίπου Å. Μεταξύ των διαφόρων συστατικών της ατµόσφαιρας τα αιωρούµενα σωµατίδια είναι µοναδικά λόγω της πολύπλοκης συµπεριφοράς τους και της φύσης τους. Οι πηγές τους, εκτός από τις άµεσες εκποµπές µπορεί να είναι και κάποια αέρια που συµπυκνώθηκαν σε σωµατίδια ή που µετά από κάποια χηµική αντίδραση προέκυψαν συστατικά που µε τη σειρά τους συµπυκνώθηκαν σε σωµατίδια. Οι βασικές πηγές αιωρούµενων σωµατιδίων είναι είτε ανθρωπογενείς είτε φυσικές. Οι φυσικές περιλαµβάνουν την γήινη σκόνη, την δράση των ηφαιστείων, τα θαλάσσια υδροσταγονίδια, τις αυθόρµητες πυρκαγιές και τις αντιδράσεις αερίων από φυσικές εκλύσεις. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες που είναι υπεύθυνες για την παραγωγή αιωρούµενων σωµατιδίων διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες: Βιοµηχανική δραστηριότητα Εκποµπή σωµατιδίων που σχετίζονται µε τη βιοµηχανία Εκποµπή σωµατιδίων που δεν έχουν σχέση µε τη βιοµηχανία Μεταφορές Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται προφανώς σε εκποµπές κατά την παραγωγική διαδικασία των βιοµηχανιών (συνήθως εκποµπές που προέρχονται από καύση των διαφόρων καυσίµων υλικών). Στη δεύτερη κατηγορία περιλαµβάνονται οι εκποµπές οι οποίες προέρχονται από την µεταφορά από τον άνεµο σκόνης από σωρούς βιοµηχανικών προϊόντων και υλικών ή από την κίνηση οχηµάτων σε χώρους που έχουν εναποτεθεί τέτοιου είδους υλικά. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν και οι διαδικασίες φόρτωσης - εκφόρτωσης και µεταφοράς βιοµηχανικών υλικών (π.χ. λιγνιτωρυχεία). Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η κίνηση των οχηµάτων, οι κατασκευές, οι γεωργικές εργασίες και οι πυρκαγιές. Τέλος στην τέταρτη κατηγορία ανήκουν οι εκποµπές από την λειτουργία των διαφόρων µεταφορικών µέσων, όπως και αυτές που οφείλονται σε φθορές µηχανικών τµηµάτων των µέσων αυτών (π.χ. ελαστικά, φρένα, συµπλέκτης κ.ά). Από στατιστικές που έχουν γίνει προκύπτει ότι οι φυσικές εκποµπές είναι συγκρίσιµες µε τις ανθρωπογενείς σε παγκόσµια βάση, αλλά συνήθως λιγότερο επικίνδυνες. Για παράδειγµα αναφέρεται ότι οι παγκόσµιες φυσικές εκποµπές σωµατιδίων υπολογίζονται σε Τgr ανά έτος, ενώ οι ανθρωπογενείς µόνο για τις Η.Π.Α. είναι της τάξης των Τgr ανά έτος Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Α. Μπάη 1