ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΊΟΥ

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΊΟΥ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΛΑΜΙΔΑ ΣΑΛΩΜΗ ΑΕΜ: 3200 ΕΠΟΠΤΕΥΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΑΡΜΑΝΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ, 2011

2 1. Περίληψη Ο σκοπός αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση που έχει στο περιβάλλον η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας διαφορετικές πρώτες ύλες. Αναφορά επίσης θα γίνει σε παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν το μέγεθος της μόλυνσης και το κόστος παραγωγής. Παράγοντες όπως η εξόρυξη, η μεταφορά και η επεξεργασία της πρώτης ύλης. Η μόλυνση του περιβάλλοντος είναι ένα παγκόσμιο φαινόμενο που επηρεάζει αρνητικά την ζωή των ανθρώπων. Η αυξημένη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια τα τελευταία 50 χρόνια έχει επιδεινώσει σημαντικά το περιβάλλον και φαινόμενά όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και η όξινη βροχή οφείλονται ως ένα μεγάλο βαθμό στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θα εξεταστούν σε αυτή την εργασία είναι: το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο λιγνίτης, ο λιθάνθρακας, η βιομάζα, η πυρηνική ενέργεια, ο αέρας και ο ήλιος. Θα αναλυθούν παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν το κόστος παραγωγής και την περιβαλλοντολογική επίδραση. Η ανάλυση αυτή θα εξάγει χρήσιμα συμπεράσματα, τα οποία θα παρουσιαστούν σε μορφή συγκριτικών πινάκων και γραφικών παραστάσεων. 1

3 2. Περιεχόμενα 1. Περίληψη 1 2. Περιεχόμενα Εισαγωγή 5 4. Ηλεκτρική Ενέργεια Πετρέλαιο Δημιουργία Πετρελαίου Εξόρυξη Πετρελαίου Σύσταση Αργού πετρελαίου Υδρογονάνθρακες Προσμίξεις Αργού Πετρελαίου Ταξινόμηση Αργού Πετρελαίου Ανάλογα με την Πυκνότητα Ανάλογα με την Περιεκτικότητα σε Θείο Ανάλογα με την Βάση Ανάλογα με την Μοριακή Δομή Απόσταξη Πετρελαίου Ατμοσφαιρική Απόσταξη Απόσταξη Κενού Λοιπές Αποστακτικές Διεργασίες στο Διυλιστήριο Εξευγενισμός Κλασμάτων Απόσταξης Η-Θεραπεία Αναμόρφωση Θερμική Πυρόλυση Καταλυτική Πυρόλυση Η-Πυρόλυση Αλκυλίωση Ισομερείωση Πολυμερισμός Μεταφορά Πετρελαίου Μεταφορά με Δεξαμενόπλοια Μεταφορά με Αγωγούς Αποθήκευση Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Περιβάλλον Φυσικό Αέριο Χρήση Φυσικού Αερίου Επεξεργασία Φυσικού Αερίου Διάταξη Ξήρανσης Φυσικού Αερίου με Γλυκόλη 37 2

4 6.3 Μεταφορά φυσικού Αερίου Δεξαμενόπλοια Αποθήκευση Φυσικού Αερίου Σύστημα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Σύστημα ΣΗΘ με Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Σύστημα ΣΗΘ με Αεροστρόβιλο Σύστημα Συνδυασμένου Κύκλου Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λιγνίτης Δημιουργία Λιγνίτη Αποθέματα Λιγνίτη Εξόρυξη Μεταφορά Μεταφορικές Ταινίες Επεξεργασία Λιγνίτη Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Μόλυνση Περιβάλλοντος Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Όξινη Βροχή Λιθάνθρακας Δημιουργία Λιθάνθρακα Εξόρυξη Λιθάνθρακα Επεξεργασία μεταφορά Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Κόστος παραγωγή Μόλυνση Περιβάλλοντος Ρύποι Λιθανθρακικού Σταθμού Ηλεκτροπαραγωγής Βιομάζα Γενικά στοιχεία Παραγωγή Βιοκαυσίμων Παραγωγή Βιοντίζελ Παραγωγή Βιοαερίου Παραγωγή Ηλεκτρισμού (Τρι-Παραγωγή) Αποδόσεις Κόστος Βιομάζα και περιβάλλον Πυρηνικά Δημιουργία Πυρηνικής Ενέργειας Παραγωγή Ηλεκτρισμού από Πυρηνικά Ουράνιο

5 Ιστορικό Ουρανίου Προέλευση Ουρανίου Παρασκευές Ουρανίου Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες Ουρανίου Χρήσεις Ουρανίου Υπέρ και Κατά της Πυρηνικής Ενέργειας Αιολική Ενέργεια Παραγωγή Ηλεκτρισμού από Ανεμογεννήτριες Τα Πλεονεκτήματα των Ανεμογεννητριών Τα κύρια Μέρη της Ανεμογεννήτριας Προβλήματα Θορύβου από τις Ανεμογεννήτριες Φωτοβολταϊκά Τεχνολογίες Ηλιακών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Ανάλυση Δομής Ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος Τύποι Φωτοβαλταϊκών Συστημάτων Χρήσεις Συλλογή της Ηλιακής Ενέργειας Μέσω Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Πλεονεκτήματα Φωτοβολταϊκών Φωτοβολταϊκά και Περιβάλλον Συγκριτικά αποτελέσματα Βιβλιογραφία

6 3. Εισαγωγή Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται είτε με την καύση πρώτων υλών, είτε με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι κυριότεροι τρόποι παραγωγής ηλεκτρισμού θα αναλυθούν σε αυτήν την εργασία. Το πρώτο μέρος της εργασίας αποτελείται από οχτώ κεφάλαια. Στο κάθε κεφάλαιο αναλύεται και ένας διαφορετικός τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα κεφάλαια αυτά είναι: Το Πετρέλαιο, Το Φυσικό Αέριο, Ο Λιγνίτης, Ο Λιθάνθρακας, Η Βιομάζα, Η πυρηνική Ενέργεια, Η Αιολική Ενέργεια και Τα Φωτοβολταϊκά. Για κάθε κεφάλαιο εξετάζεται η εξόρυξη, η επεξεργασία, η μεταφορά, το κόστος, η παραγωγή ηλεκτρισμού και η μόλυνση του περιβάλλοντος. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας συλλέγονται όλα τα στοιχεία που αναφέρονται στο πρώτο μέρος και αναλύονται έτσι ώστε εξαχθεί το συμπέρασμα, ποια πρώτη ύλη είναι αυτή με την οποία παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια με λιγότερους ρύπους και οικονομικά συμφέρουσα. 5

7 4. Ηλεκτρική Ενέργεια Τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη του ηλεκτρισμού είναι η τάση V (volt), η ένταση Ι (ampere) και η συχνότητα με την οποία μεταβάλλεται f (Hertz) το ηλεκτρικό πεδίο. Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους ηλεκτρικού πεδίου. - Το σταθερό (συνεχές ρεύμα, Direct current, DC) όπου η συχνότητα μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου είναι μηδέν Hz. Τέτοιο είναι και το ρεύμα που παράγουν τα φωτοβολταϊκά και αυτό που μας δίνουν οι μπαταρίες. - Το μεταβλητό (ή εάν μεταβάλλεται με σταθερό ρυθμό: εναλλασσόμενο) πεδίο (εναλλασσόμενο ρεύμα, Alternative current, AC) όπου το πλάτος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου μεταβάλλεται. Τέτοιο είναι το ρεύμα που έχουμε στο σπίτι μας, αυτό που μας δίνει η ΔΕΗ δηλαδή. Η (φασική: μεταξύ αγωγού και γης) τάση του δικτύου της ΔΕΗ είναι 230Volt ενώ η συχνότητα του δικτύου είναι 50Hz (Φυσικά, υπάρχουν μικρές αποκλίσεις σε αυτά τα νούμερα και το μέγεθος των αποκλίσεων είναι που χαρακτηρίζει και την ποιότητα του δικτύου). Στην περίπτωση του τριφασικού εναλλασσόμενου συστήματος η τροφοδοσία γίνεται από τρεις αγωγούς οι οποίοι έχουν φασική τάση 230 Volt ο καθένας αλλά έχουν διαφορά φάσης 120 μοιρών μεταξύ τους. Η πολική τάση (μεταξύ των αγωγών) είναι 400 Volt. 6

8 Ο ηλεκτρισμός (ροή ηλεκτρονίων από ένα σημείο με υψηλό δυναμικό σε ένα άλλο με χαμηλό δυναμικό) εμφανίζεται όταν εφαρμόζουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο σε κάποια κατανάλωση (φορτίο). Τα είδη των φορτίων είναι: ωμικά (πχ μια αντίσταση), επαγωγικά (πχ ένα πηνίο, κινητήρας χωρητικά (πχ ένας πυκνωτής) Στην φύση πάντως δεν υπάρχουν υλικά ή φορτία που να έχουν απόλυτα ωμική, επαγωγική ή χωρητική συμπεριφορά. Πολλές φορές δημιουργείται σύγχυση σχετικά με τους όρους ενέργεια και ισχύς. Ένας ορισμός που συσχετίζει την ισχύ με την ενέργεια είναι ότι: Η ισχύς περιγράφει το μέγεθος της στιγμιαίας δυνατότητας ενός συστήματος να παράγει (ή να καταναλώνει) μια μορφή ενέργειας όπως ηλεκτρική, θερμική κλπ. Με μαθηματικούς όρους, η ενέργεια που καταλώνεται ή παράγεται σε κάποιο χρονικό διάστημα ΔΤ ισούται με το ολοκλήρωμα της συνάρτησης της ισχύος P(t) στο χρονικό διάστημα ΔΤ. Για παράδειγμα μονάδα ηλεκτρικής ισχύος είναι το κιλοβάτ - killowatt (kw). Ενώ η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας είναι η κιλοβατώρα - kilowatt-hour (kwh). Μία κιλοβατώρα θεωρητικά αντιστοιχεί στην ενέργεια που καταναλώθηκε από μια συσκευή ισχύος 1kilowatt (κιλοβάτ) που λειτούργησε για την διάρκεια της μιας ώρας. 7

9 1 kwh = 1 kw * 1h = 1 kilowatt-hour = 1 κιλοβατώρα Υποδιαιρέσεις μονάδας ενεργού ισχύος 1 kw (kilowatt) =1000 W (watt) 1 MW (megawatt) = 1000 kw (kilowatt) 1 TW (terawatt) = 1000 MW (megawatt) Άεργος ισχύς Στην πραγματικότητα η κιλοβατώρα είναι η μονάδα μέτρησης της κατανάλωσης ή παραγωγής ενεργού ισχύος. Στην πράξη οι καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας στην συνολική ενέργεια που «απορροφούν», «καταναλώνουν» ή «παράγουν» και ένα άλλο ποσοστό ενέργειας ανάλογα με τα ποιοτικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της εγκατάστασης (χωρητικά, επαγωγικά φορτία). Αυτή είναι η άεργος ισχύς (reactive power) ή οποία είναι ανεπιθύμητη αφού δεν παράγει κανένα έργο και ακόμα χειρότερα επιβαρύνει τα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με μια επιπλέον ποσότητα ρεύματος που αναλογεί απλά σε αντίστοιχες θερμικές απώλειες (I2R) ενώ επίσης αλλοιώνει τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας. Η ΔΕΗ μάλιστα (σωστά) χρεώνει τους μεγάλους καταναλωτές όταν ξεπεράσουν κάποιο όριο «έγχυσης» ή «κατανάλωσης» ( συντελεστής ισχύος, συνφ <=0.85 ) άεργου ισχύος στο δίκτυο. Βελτίωση του «συνημίτονου» μιας εγκατάστασης που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να γίνει με την προσθήκη φορτίων 8

10 πυκνωτών ή με την προσθήκη καταναλώσεων επαγωγικών ρευμάτων (πηνίων) ανάλογα με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά μιας εγκατάστασης (επαγωγική συμπεριφορά ή χωρητική αντιστοίχως). Η μονάδα της άεργου ισχύος είναι το Volt Ampere Reactive (VAR) Η συνολική ισχύς λέγεται και «φαινόμενη» και έχει μονάδα το Volt-Ampere (VA) Το μέτρο της φαινόμενης ισχύος είναι S=VI=(ρίζα(P2+Q2)) Volt Ampere Το P είναι η ενεργός ισχύς ενώ το Q η άεργος Τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται παγκοσμίως προέρχεται κυρίως από πετρέλαιο, λιγνίτη, λιθάνθρακα, φυσικό αέριο, πυρηνική ενέργεια και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η τάση πάντως της χρησιμοποίησης των ανανεώσιμων τεχνολογιών δίνει ενθαρρυντικά μηνύματα για το μέλλον. [1] 9

11 5. Πετρέλαιο Η λέξη πετρέλαιο προέρχεται από την ελληνική λέξη πέτρα και τη λατινική oleum που σημαίνει «λάδι» και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Γερμανό ορυκτολόγο Agricola, το Το πετρέλαιο ήταν ήδη γνωστό από την αρχαιότητα, ιστορικά όμως η βιομηχανική του παραγωγή και εκμετάλλευση άρχισε τον 19ο αι. και ως πρώτη γεώτρηση αναφέρεται εκείνη της Πενσιλβάνια των ΗΠΑ το Δημιουργία Πετρελαίου Εικόνα 1 : Πετρέλαιο. Το πετρέλαιο δημιουργήθηκε με την αποσύνθεση θαλάσσιων, κυρίως, ζώων και φυτών, που θάφτηκαν κάτω από διαδοχικές στιβάδες λάσπης, πριν από εκατομμύρια χρόνια. Η αρχική προϋπόθεση για μια τέτοια διαδικασία είναι μια ρηχή θάλασσα (όπως είναι ο Κόλπος του Μεξικού), με νερά πλούσια σε ζώα και φυτά. Η δεύτερη προϋπόθεση είναι ότι πεθαίνοντας οι οργανισμοί, βουλιάζουν στον βυθό και θάβονται σε λάσπη ποταμών (όπως του Μισισιπή). Το οξυγόνο στον βυθό πρέπει να είναι περιορισμένο, ώστε η αποσύνθεση των οργανισμών να είναι αργή. Με την πάροδο του χρόνου, λάσπη και πηλός κάθονται πάνω σ' αυτές τις αποθέσεις, δημιουργώντας τεράστιες πιέσεις. Κάτω απ αυτές τις συνθήκες χημικές 10

12 διεργασίες, πιθανόν ανεξάρτητες από βακτηριακή δράση, μετατρέπουν τους οργανισμούς σε πετρέλαιο και αέριο. Αυτή η θεωρία στηρίζεται βασικά σε ορισμένες ουσίες που ανιχνεύονται στο πετρέλαιο όπως είναι το ιώδιο και οι πορφυρίνες. Οι τελευταίες βρίσκονται σε σημαντικές ποσότητες στο πετρέλαιο, είναι προϊόντα της χλωροφύλλης και της αμίνης και στους 250ο C καταστρέφονται. Αυτό σημαίνει ότι το πετρέλαιο σχηματίστηκε σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Έρευνα για πετρέλαιο Κατάλληλες συνθήκες για τον σχηματισμό και τη συγκέντρωση του πετρελαίου υπάρχουν σε τμήματα του φλοιού της γης στραμμένα προς τα κάτω, όπου στρώματα από κατακαθίσεις έχουν μαζευτεί σε μεγάλο πάχος (παχύτερα στη μέση και λεπτότερα στις άκρες). Τέτοιες τοποθεσίες γενικά θεωρούνται άξιες λόγου για έρευνα πετρελαίου. Το πετρέλαιο και τα αέρια μπορούν να συγκεντρωθούν σε κοιτάσματα αν υπάρχουν ορισμένες γεωλογικές συνθήκες, όπως η παρουσία ενός βράχου που χρησιμεύει ως αποθήκη και έχει πόρους συνδεόμενους μεταξύ τους ή ρωγμές και κενά, η παρουσία πάνω από τη βράχοαποθήκη ενός σχηματισμού αδιάβροχου (που συχνά λέγεται καπέλο) και, τέλος, η ύπαρξη ενός «κλεισίματος», δηλαδή ενός γεωλογικού σχηματισμού που εμποδίζει τη διαφυγή υγρών και αερίων. [2] Εικόνα 2 : Καβούρι καλυμμένο με πετρέλαιο. 11

13 5.2 Εξόρυξη Πετρελαίου Η εξόρυξη του πετρελαίου γίνεται από ειδικές πυργωτές εγκαταστάσεις, που εγκαθίστανται πάνω στις λεγόμενες πετρελαιοπηγές. Το πετρέλαιο λαμβάνεται μετά από διάτρηση του εδάφους, τη λεγόμενη γεώτρηση με τη μορφή αρτεσιανού φρέατος όπου το πετρέλαιο, σε ορισμένες περιπτώσεις, λόγω των υφιστάμενων πιέσεων, αναβλύζει υπό μορφή πίδακα ύψους πολλών μέτρων. Συνηθέστερα όμως εξάγεται με απάντληση κατόπιν προκαλούμενης πίεσης, στην αρχή, νερού επί του οποίου και επιπλέει το προς εξόρυξη πετρέλαιο. Συνεπώς, υπάρχουν πολλές μέθοδοι αύξησης της παραγωγής πετρελαίου από τις πηγές όπως με εξακόντιση νιτρογλυκερίνης ή με εισαγωγή, υπό πίεση, υδροχλωρικού οξέος ή ακόμα μετά από διαβίβαση αερίων υπό πίεση. Γενικά το πετρέλαιο από τις πετρελαιοπηγές φέρεται αναμεμιγμένο με αέρια, νερό καθώς και με μικρές ποσότητες άμμου. Τα μεν αέρια αποχωρίζονται μέσω ενός διαχωριστή και χρησιμοποιούνται είτε προς επανεισαγωγή εντός των πηγών (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) είτε οδηγούνται προς το εμπόριο ως φυσικά αέρια, είτε, τέλος, διαβιβάζονται μέσα σε απορροφητικού έλαιο, το δε νερό αποχωρίζεται από το πετρέλαιο με παραμονή του σε δεξαμενές, οπότε και αποχωρίζεται και η άμμος (με καθίζηση). Αν, όμως, έχει αναμιχθεί το πετρέλαιο με το νερό ως γαλάκτωμα, τότε είναι απαραίτητο να ακολουθήσουν ιδιαίτερες διεργασίες θέρμανσης, καθώς και χημικές ή ηλεκτρικές μέθοδοι αποχωρισμού του νερού. Το καθαρό πλέον ακατέργαστο πετρέλαιο συλλέγεται σε δοχεία ορισμένης χωρητικότητας από τα οποία και οδηγείται σε μεγάλες δεξαμενές από τις οποίες και θ ακολουθήσει η περαιτέρω κατεργασία του, δηλαδή η διύλιση του (κλασματική απόσταξη). [3] 12

14 Εικόνα 3 : Πύργος Πετρελαίου Σύσταση Αργού Πετρελαίου Το αργό πετρέλαιο είναι μείγμα υδρογονανθράκων με διαφορετική χημική σύσταση μέσα στο οποίο βρίσκονται διαλυμένοι ή διεσπαρμένοι αέριοι και μερικές φορές και στερεοί υδρ5ογονάνθρακες. Οι μικρομοριακοί, αέριοι υδρογονάνθρακες, οι οποίοι είναι διαλυμένοι στο κοίτασμα του πετρελαίου εξορύσσονται μαζί με αυτό και διαχωρίζονται απ αυτό στις μονάδες προετοιμασίας του αργού πετρελαίου, οι οποίες βρίσκονται στις περιοχές παραγωγής του. Και οι στερεοί υδρογονάνθρακες συναντώνται σ αυτό ανεξάρτητα από τη φύση του πετρελαίου. Αυτοί σχηματίζονται είτε από εξάτμιση υδρογονανθράκων με χαμηλά σημεία βρασμού ή ακόμη και από πολυμερισμό παρουσία άμμου (πχ φυσική άσφαλτος). Εκτός από τους υδρογονάνθρακες στο πετρέλαιο συναντώνται και άλλες ουσίες (προσμίξεις), οι οποίες ποικίλουν ανάλογα με τον τόπο προέλευσης του. Η στοιχειακή επί της % -mm σύσταση των γνωστότερων α. πετρελαίων κυμαίνεται για: Άνθρακα (C) : Υδρογόνο (Η) : Θείο (S) : 0,1 0,7 Άζωτο (Ν) : 0,1 2,0 Οξυγόνο (Ο) : 0,05 1,5 13

15 Το πετρέλαιο λοιπόν είναι ένα μείγμα από χιλιάδες χημικές ενώσεις. Κάθε κοίτασμα του είναι μια μοναδική ανάμειξη των ενώσεων από τις οποίες αποτελείται και η οποία δεν ταυτίζεται με κανένα άλλο κοίτασμα ως προς τη σύσταση και τις ιδιότητες του. Αυτή η μοναδικότητα ισχύει και για α. πετρέλαια της ίδιας περιοχής αλλά από διαφορετικά, ανεξάρτητα και ασύνδετα μεταξύ τους πηγάδια. [4] Υδρογονάνθρακες Οι περισσότερες ενώσεις στο α. πετρέλαιο αποτελούνται μόνο από άνθρακα και υδρογόνο, είναι δηλαδή υδρογονάνθρακες και διακρίνονται στην ομόλογο σειρά των: Αλκανίων (παραφινών) Κυκλοαλκανίων (ναφθενκών) και Αρωματικών υδρογονανθράκων (αρωματικών) Ακόρεστοι υδρογονάνθρακες (άκυκλοι και κυκλικοί) συναντώνται μόνο σε ίχνη στο α. πετρέλαιο. Αιτία του γεγονός αυτού είναι το ενεργειακό περιεχόμενο του πολλαπλού δεσμού τους και κατά συνέπεια η τάση τους για αντίδραση. Οι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες, οι οποίοι συναντώνται σε ορισμένα κλάσματα του α. πετρελαίου, σχηματίζονται στις διάφορες διεργασίες, στις οποίες υποβάλλεται το αργό κατά τη διύλιση του, όπως για παράδειγμα η πυρόλυση, η αναμόρφωση κτλ. [5] 14

16 Εικόνα 4 : Αλκάνιο Εικόνα 5 : Κυκλοαλκάνιο Εικόνα 6 : Αρωματικός υδρογονάνθρακας Προσμίξεις Α. Πετρελαίου Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω εκτός από υδρογονάνθρακες στο α. πετρέλαιο, υπάρχουν και διάφορες άλλες ετεροενώσεις, που όλες μαζί φέρονται ως ξένες προσμείξεις. Αυτές μπορεί να υπάρχουν στο αργό σε ίχνη, όπως για παράδειγμα τα μέταλλα (άλατα μετάλλων), ή και σε αρκετά υψηλό ποσοστό, όπως για παράδειγμα το θείο. Οι προσμείξεις αυτές επηρεάζουν αρνητικά τη διαδικασία επεξεργασίας του α. πετρελαίου, επειδή αυτές είτε είναι ανεπιθύμητες στα τελικά προϊόντα (επιδρούν αρνητικά στις προδιαγραφές) και πρέπει να απομακρυνθούν είτε προκαλούν προβλήματα τεχνικής φύσης στις διεργασίες επεξεργασίας του αργού ή των προϊόντων αυτού, όπως για παράδειγμα διαβρώσεις στον εξοπλισμό των μονάδων, δηλητηριάσεις καταλυτών, μείωση της αντικροτηκότητας κτλ. Προσμίξεις στο νερό είναι: Το νερό και οι ενώσεις των αλογόνων, Οι ενώσεις του θείου 15

17 Οι ενώσεις του αζώτου Οι ενώσεις του οξυγόνου Οι οργανομεταλλικές ενώσεις. [6] Εικόνα 7 : Νερό Εικόνα 8 : Ενώσεις Αλογόνων Εικόνα 9 : Υδρόθείο Εικόνα 10 : Αμμωνία Εικόνα 11 : Οργανομεταλλικές Ενώσεις Ταξινόμηση Α. Πετρελαίου Η ποιότητα και η ποσότητα των βασικών κλασμάτων, τα οποία περιέχονται στους διάφορους τύπους α. πετρελαίου, είναι καθοριστικής σημασίας για τα τελικά προϊόντα, αλλά και για την επιλογή των ενδιάμεσων διεργασιών, στις οποίες πρέπει να υποβληθεί το αργό μέχρι την παραγωγή των τελικών προϊόντων. Για τον λόγο αυτό έγιναν από νωρίς προσπάθειες χαρακτηρισμού των α. πετρελαίων, για να είναι δυνατή με τη βοήθεια μερικών τιμών κλειδιά τόσο η πρόβλεψη της απόδοσης και 16

18 της ποιότητας των αναμενόμενων βασικών κλασμάτων, όσο και η επιλογή των κατάλληλων διεργασιών επεξεργασίας αυτών ή των βασικών κλασμάτων τους Ανάλογα με την Πυκνότητα Ο χαρακτηρισμός των αργών πετρελαίων ανάλογα με την πυκνότητα τους είναι ο πιο χονδρικός τρόπος ταξινόμησης τους. Η πυκνότητα ενός πετρελαιοειδούς επηρεάζεται γενικά από τον τύπο των υδρογονανθράκων και μάλιστα για ίδιες περιοχές βρασμού η πυκνότητα αυξάνει σύμφωνα με τη σειρά: Παραφίνες < Ναφθενικά <Αρωματικά Έτσι, αργό χαμηλής πυκνότητας υποδηλώνει ότι περιέχει παραφίνες σε υψηλότερο ποσοστό, ενώ αντίθετα υψηλής πυκνότητας περιέχει ναφθενικά σε υψηλότερο ποσοστό. Ανάλογα με την πυκνότητα τα πετρέλαια διακρίνονται σε ελαφρά, μέσα και βαριά Ανάλογα με την Περιεκτικότητα σε Θείο Ανάλογα με την περιεκτικότητα σε θείο τα α. πετρέλαια διακρίνονται σε χαμηλού, μέσου και υψηλού θείου. Ο χαρακτηρισμός αυτός είναι συνδεδεμένος με την αναμενόμενη περιεκτικότητα σε θείο των βασικών κλασμάτων του αργού πετρελαίου. Όσο υψηλότερο είναι το ποσοστό θείου στο αργό, τόσο περισσότερο θείο αναμένεται να έχουν τα βασικά κλάσματα και το ατμοσφαιρικό υπολειμμά του. Το θείο ( ή καλύτερα οι οργανικές θειούχες ενώσεις) είναι ανεπιθύμητο στα προϊόντα του πετρελαίου, επειδή οι ενώσεις θείου είναι διαβρωτικές, αλλοιώνουν τις προδιαγραφές των τελικών προϊόντων και τα προϊόντα καύσης του (διοξείδιο και 17

19 τριοξείδιο του θείου) είναι ισχυροί ρύποι. Για αυτό το θείο απομακρύνεται από τα βασικά κλάσματα του αργού, ανεβάζοντας έτσι σημαντικά το κόστος παραγωγής των τελικών προϊόντων Ανάλογα με τη Βάση Ανάλογα με την βάση τα α. πετρέλαια διακρίνονται σε παραφινικής, μεικτής και ναφθενικής βάσης. Ο προσδιορισμός της βάσης του αργού γίνεται με τη μέτρηση της πυκνότητας δύο κλασμάτων, που γι αυτό χαρακτηρίζονται κλάσματα κλειδιά, τα οποία λαμβάνονται κάτω από τυποποιημένες συνθήκες απόσταξης. Το πρώτο κλάσμα λαμβάνεται σε ατμοσφαιρική απόσταξη ( Ρ = 760 Torr) και σε θερμοκρασίες από 250 μέχρι 275 ο C και το δεύτερο κλάσμα σε απόσταξη υπό ελαττωμένη πίεση (Ρ = 40 Torr) και σε θερμοκρασίες από 275 μέχρι 300 ο C. Στα δύο κλάσματα μετριέται η πυκνότητα στους 15,6 ο C και σύμφωνα με τον πίνακα 1 χαρακτηρίζονται πρώτα τα κλειδιά. Τέλος, από το χαρακτηρισμό των δύο κλασμάτων και με την βοήθεια του πίνακα 2 χαρακτηρίζεται το αργό πετρέλαιο. Πίνακας 1. Χαρακτηρισμός των κλασμάτων-κλειδιών ανάλογα με την πυκνότητα τους. 18

20 Πίνακας 2. Χαρακτηρισμός αργού πετρελαίου από τα είδη χαρακτηρισμένα κλάσματα-κλειδιά Ανάλογα με την Μοριακή Δομή Για μια ουσιαστική ταξινόμηση των πετρελαίων ή των κλασμάτων τους ως προς τη μοριακή δομή, δηλαδή ως προς τη σύσταση τους σε παραφίνες, ναφθένια και αρωματικά, χρησιμοποιείται η ανάλυση δακτύλων. Η μέθοδος αυτή περιέχει το ποσοστό των υδρογονανθράκων με παραφινικό, ναφθενικό και αρωματικό χαρακτήρα. [7] 5.5 Απόσταξη Η απόσταξη είναι η πρώτη και η σπουδαιότερη διεργασία από μια σειρά διεργασιών, στις οποίες υποβάλλεται το α. πετρέλαιο στο διυλιστήριο. Με την απόσταξη καθορίζονται ήδη μερικές βασικές ιδιότητες των διαφόρων προϊόντων του, όπως για παράδειγμα η περιοχή βρασμού των καυσίμων, το ιξώδες και το σημείο ανάφλεξης των βασικών λαδιών (λιπαντικών) και η διεισδυτικότητα του προϊόντος πυθμένα ( υπολείμματος) της απόσταξης κενού. 19

21 Σε μοντέρνες διεργασίες απόσταξης το α. πετρελαίου αποστάζεται αποκλειστικά σε πύργους απόσταξης συνεχούς λειτουργίας. Από αυτούς λαμβάνονται, εκτός από ένα προϊόν κορυφής και ένα προϊόν πυθμένα, τις περισσότερες φορές περισσότερα από ένα πλευρικά κλάσματα (συνήθως τέσσερα). Το α. πετρέλαιο κλασματώνεται αρχικά σε κανονική πίεση και θερμοκρασία από ο C. Σε περίπτωση που επιθυμείται και η παραλαβή κλασμάτων πάνω από τους ο C, πρέπει μετά την ατμοσφαιρική απόσταξη να γίνει απόσταξη κενού (40 70 bar) γιατί σε θερμοκρασίες πάνω από ο C τα συστατικά του α. πετρελαίου διασπόνται θερμικά (πυρολύονται). [8] Ατμοσφαιρική Απόσταξη Το α. πετρέλαιο, πριν οδηγηθεί στον ατμοσφαιρικό πύργο απόσταξης, διοχετεύεται με την βοήθεια εκκεντροφόρων αντλιών και με πίεση 2,5 bar σε μια σειρά από εναλλάκτες θερμότητας, στους οποίους προθερμαίνεται από ζεστά ρεύματα ( κλάσματα ή ζεστές ανακυκλοφορίες). Στη συνέχεια το α. πετρέλαιο το οποίο έχει προθερμανθεί στους εναλλάκτες από 200 μέχρι 250 ο C περίπου, οδηγείται στο φούρνο, στον οποίο με επιπλέον θέρμανση παίρνει την απαραίτητη για τη μερική εξάτμιση του θερμότητα. Το αργό πετρέλαιο φτάνει στην συνέχεια με αγωγούς στη ζώνη εκτόνωσης του ατμ. πύργου ως μείγμα υγρού ατμού. Εδώ διαχωρίζεται σε ένα προϊόν κορυφής, τέσσερα πλευρικά κλάσματα και ένα προϊόν πυθμένα. Το προϊόν κορυφής (αέριο και ελαφριά βενζίνη) σε μορφή ατμού φτάνει διαμέσου ενός συμπυκνωτή, στον οποίο συνθλίβεται και υγροποιείται εν μέρει, στο δοχείο συλλογής. 20

22 Τα πλευρικά κλάσματα απογυμνώνονται από τα πτητικότερα συστατικά τους στους απογυμνωτές, οι οποίοι λειτουργούν κυρίως με υπέρθερμο ατμό και απομακρύνονται από τη μονάδα απόσταξης περνώντας μέσα από εναλλάκτες θερμότητας και ψυκτήρες. [9] Αέρια C1 C4 Βενζίνη C3 C10 - < 40 ο C Προϊόν κορυφής ελαφριά ο C Προϊόν κορυφής Βαριά βενζίνη ο C 1 ο πλευρικό προϊόν Κηροζίνη C11 C12 Γκαζόιλ C13 C ο C 2 ο πλευρικό - Ελαφρύ ο C 3 ο πλευρικό προϊόν Βαρύ ο C 4 ο πλευρικό προϊόν Μαζούτ > C17 - > 350 ο C Προϊόν πυθμένα Προϊόντα ατμ. απόσταξης α. πετρελαίου με βάση τις περιοχές βρασμού τους και το τον αριθμό των ανθρακοατόμων τους. Εικόνα 12 : Ατμοσφαιρική απόσταξη. 21

23 5.5.2 Απόσταξη Κενού Η αδυναμία παραλαβής συστατικών από το ατμ. υπόλειμμα με περιοχές βρασμού υψηλότερες από 350 οc, επειδή αυτά πυρολύονται σε θερμοκρασίες από 350 περίπου και πάνω και κατά συνέπεια καταστρέφονται, οδήγησε από νωρίς στην αναζήτηση νέων μεθόδων, με την βοήθεια των οποίων θα μπορούσε να γίνει η παραλαβή των πολύτιμων αυτών συστατικών, χωρίς να λάβουν χώρα οι ανεπιθύμητες θερμικές διασπάσεις (πυρολύσεις). Έτσι αναπτύχθηκαν διαχρονικά δύο μέθοδοι: Σύμφωνα με την παλαιότερη μέθοδο η παραλαβή των πολύτιμων συστατικών από το α. πετρέλαιο γινόταν με υπέρυθρο ατμό. Ο υπέρθερμος ατμός βοηθάει στην πρώτη των σημείων βρασμού των συστατικών αυτών. Οι μεγάλες όμως ποσότητες υδρατμού που χρειαζόταν για το σκοπό αυτό, καθιστούσαν τη μέθοδο οικονομικά ασύμφορη. Έτσι αναπτύχθηκε και επικράτησε οικονομικά η δεύτερη μέθοδος, η οποία επιδιώκει την παραλαβή των πολύτιμων συστατικών του ατμοσφαιρικού υπολείμματος με πτώση της πίεσης στον πύργο απόσταξης (απόσταξη κενού). Το κενό ( η υποπίεση), η οποία απαιτείται για την διεξαγωγή της απόσταξης κενού στο διυλιστήριο δημιουργείται με ένα συνδυασμό ακροφυσίων ατμού (τζιφάρια) και συμπυκνωτών. Τα τζιφάρια εργάζονται με υπέρθερμο ατμό και σύμφωνα με την αρχή της υδραντλίας. Τα πλευρικά προϊόντα, τα οποία συνήθως λαμβάνονται από τον πύργο κενού είναι: Το γκαζόιλ κενού Ένα ελαφρύ κλάσμα Ένα μέσο κλάσμα Ένα βαρύ κλάσμα [10] 22

24 5.5.3 Λοιπές Αποστακτικές Διεργασίες στο Διυλιστήριο Έκτός από τις βασικές μονάδες απόσταξης (ατμ. πύργος, πύργος κενού) υπάρχουν και στο διυλιστήριο και άλλες μονάδες απόσταξης για την απομόνωση των ελαφρύτερων συστατικών του α. πετρελαίου. Ως παράδειγμα αναφέρονται οι μονάδες διαχωρισμού των αερίων υδρογονανθράκων ( κυρίως αιθανίου, προπανίου, κ- βουτανίου και ισοβουτανίου) και η μονάδα παραγωγής ειδικών βενζινών (βενζίνες δοκιμών, ειδικές βενζίνες κτλ.). [11] 5.6 Εξευγενισμός Κλασμάτων Απόσταξης Τα προϊόντα του α. πετρελαίου μετά το πέρας της απόσταξης δεν είναι έτοιμα για χρήση. Για να μπορέσουν να ανταποκριθούν στις προδιαγραφές απαιτούνται διάφορες διεργασίες ραφιναρίσματος (εξευγενισμού) των κλασμάτων αυτών. Όπως Η-θεραπεία, Αναμόρφωση, Θερμική πυρόλυση, Καταλυτική πυρόλυση, Η- πυρόλυση, Αλκυλίωση, Ισομερείωση, Πολυμερισμός Η-Θεραπεία Με τον όρο Η-Θεραπεία (Υδρογονοθεραπεία) νοούνται στο διυλιστήριο οι διάφορες διεργασίες ραφιναρίσματος κλασμάτων α. πετρελαίου με υδρογόνωση. Με τις διεργασίες της Η-θεραπείας μπορούν να επιτευχθούν κυρίως τα εξής: Απομάκρυνση ουσιών από τις τροφοδοσίες από τις τροφοδοσίες των μονάδων αναμόρφωσης, οι οποίες δηλητηριάζουν τους καταλύτες αναμόρφωσης, όπως είναι για παράδειγμα οι ενώσεις θείου, αζώτου και αρσενικού. Βελτίωση της θερμικής σταθερότητας και της σταθερότητας αποθήκευσης των καυσίμων αεριωθουμένων. 23

25 Απομάκρυνση των ενώσεων θείου ( αποθείωση) και βελτίωση της σταθερότητας του χρώματος κατά τη μείωση της τάσης εξανθράκωσης. Απομάκρυνση των ενώσεων θείου, αζώτου και βαρέων μετάλλων από τις τροφοδοσίες των καταλυτικών μονάδων της Η-πυρόλυσης. Απομάκρυνση των δηλητηρίων των καταλυτών (κυρίως των ενώσεων αζώτου) από τις τροφοδοσίες των μονάδων Η-πυρόλυσης. Μείωση της περιεκτικότητας σε θείο των βαριών πετρελαίων θέρμανσης. [12] Αναμόρφωση Με την αναμόρφωση αυξάνουμε τον αριθμό οκτανίου στα βαριά αποστακτικά κλάσματα βενζινών, τα οποία έχουν κατά κανόνα χαμηλό αριθμό οκτανίου ( RON 30 65) και κατά συνέπεια δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως καύσιμα αυτοκινήτων. Η χαμηλή αντικροτικότητα των κλασμάτων αυτών οφείλεται κυρίως στην χαμηλή περιεκτικότητα σε αρωματικές ενώσεις, που κυμαίνεται από 8 μέχρι 25%. Η αύξηση της αντικροτικότητας γίνεται με καταλυτικές διεργασίες αναμόρφωσης. Ο καταλύτης που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα είναι οι Reκαταλύτες, οι οποίοι περιέχουν μικρές ποσότητες λευκόχρυσου (Pt) ρηνίου (Re) πάνω σε φορέα οξειδίου του αργιλίου (Al2O3). [13] Θερμική Πυρόλυση Με τον όρο πυρόλυση νοείται γενικά η καθαρά θερμική ή θερμοπλαστική κατεργασία του α. πετρελαίου και των κλασμάτων του, που έχει ως σκοπό τη 24

26 βελτίωση της ποιότητας των πολύτιμων ελαφρύτερων συστατικών του (λευκών προϊόντων). Η διαδικασία της θερμικής πυρόλυσης διεξάγεται με κύριο σκοπό την παραγωγή αέριων υδρογονανθράκων. Κατά την διεξαγωγή της θερμικής πυρόλυσης λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα μια δυσανάλογη μετατόπιση υδρογόνου, με αποτέλεσμα να παράγονται ελαφρύτερα και βαρύτερα ως προς την τροφοδοσία προϊόντα. Τα ελαφρύτερα προϊόντα περιέχουν κατά κανόνα περισσότερο υδρογόνο από ότι οι πρώτες ύλες, ενώ τα βαρύτερα (μεγαλομοριακά) καθίστανται όλο και πτωχότερα σε υδρογόνο. Σήμερα στον τομέα της επεξεργασίας του α. πετρελαίου βρίσκουν εφαρμογές δυο διεργασίες ης θερμικής πυρόλυσης: Η ιξωδόλυση Η εξανθράκωση Η πρώτη από αυτές διεξάγεται κάτω από σχετικά ήπιες συνθήκες όπου πετυχαίνεται μείωση, μέχρι και ενός βαθμού, του ιξώδους των υπολειμμάτων που υποβάλλονται σε πυρόλυση. Η δεύτερη δηλαδή στην εξανθράκωση γίνεται κάτω από εντονότερες συνθήκες, όπου επιδιώκεται κατά την πυρόλυση της πρώτης ύλης η υψηλή απόδοση σε κοκ. [14] Καταλυτική Πυρόλυση Τα πλεονεκτήματα της καταλυτικής πυρόλυσης ως προς την θερμική πυρόλυση είναι: 25

27 Λιγότερος σχηματισμός μεθανίου, αιθανίου, αιθυλενίου προς όφελος των C3 και C4 υδρογονανθράκων. Μεγαλύτερο ποσοστό σχηματισμού ισοϋδρογονανθράκων, ναφθενικών και αρωματικών ενώσεων. Λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών των καταλυτικών διεργασιών σχηματίζονται λιγότερες διολεφίνες, οι οποίες επηρεάζουν αρνητικά τη σταθερότητα οξείδωσης των βενζινο-κλασμάτων. Υψηλότερες ταχύτητες πυρόλυσης, οι οποίες καθιστούν δυνατή την κατασκευή μικρότερων μονάδων. [15] Η-Πυρόλυση Η Η-πυρόλυση είναι μία υδρογονωτική διαδικασία πυρόλυσης, όπου διασπόνται τα βαριά κλάσματα του α. πετρελαίου κάτω από υψηλές θερμοκρασίες, παρουσία υδρογόνου και διδραστικών καταλυτών μερικώς ή πλήρως σε ελαφρύτερα κλάσματα. Αξίζει να σημειωθεί ότι δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ της Η- θεραπείας και της Η-πυρόλυσης. [16] Αλκυλίωση Σκοπός της αλκυλίωσης είναι η παραγωγή ελαφρών συστατικών βενζινών με υψηλό αριθμό οκτανίου και βελτιωμένη σταθερότητα. Στις διεργασίες αλκυλίωσης αντιδρά το ισοβουτάνιο με μικρομοριακές ολεφίνες οι μείγμα ολεφινών παρουσία καταλυτών προς σχηματισμό ισοπαραφινών. Ως ολεφίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν το αιθυλένιο, το προπυλένιο, τα διάφορα βουτένια και τα πεντένια. [17] 26

28 5.6.7 Ισομερείωση Στις διεργασίες ισομερείωσης αναμορφώνεται η δομή των μορίων της τροφοδοσίας. Η διαδικασία της ισομερείωσης εφαρμόζεται κυρίως σε διυλιστήρια που δε διαθέτουν επαρκείς μονάδες καταλυτικής πυρόλυσης ή αλκυλίωσης. Στην περίπτωση αυτή υποβάλλονται σε ισομερισμό οι n-c5 και n-c6 υδρογονάνθρακες, οι οποίοι περιέχονται σε υψηλό ποσοστό στις αποστακτικές βενζίνες. Αν και η ισομερείωση δε βελτιώνει σε τέτοιο βαθμό της αντικροτικότητα των τελικών βενζινών, όπως αυτή βελτιώνεται με της αλκυλίωση ή την αναμόρφωση, παρ όλα αυτά είναι η μοναδική διαδικασία βελτίωσης της σχετικά χαμηλής αντικροτικότητας των αποστακτικών βενζινών. [18] Πολυμερισμός Σκοπός των διεργασιών πολυμερισμού ήταν η παραγωγή καυσίμων με υψηλό αριθμό οκτανίου αλλά έχασε σταδιακά την πρωταρχική σημασία της γιατί αναπτύχθηκαν μοντέρνες μονάδες αύξησης του αριθμού οκτανίου. [19] 5.7 Μεταφορά Πετρελαίου Η μεταφορά του πετρελαίου και των προϊόντων τους γίνεται είτε με αγωγούς, είτε με δεξαμενόπλοια, είτε με βυτιοφόρα. 27

29 5.7.1 Μεταφορά με Δεξαμενόπλοια Το κοίλο μέρος του πλοίου χωρίζεται σε διαμερίσματα και δεν επιτρέπει την ανάμιξη διάφορων φορτίων μεταξύ τους. Το φορτίο μπορεί να αντληθεί από μια δεξαμενή σε άλλη ή εκτός πλοίου δεξαμενή μέσω σωληνώσεων και με την βοήθεια αντλιών. Μεταξύ επιφάνειας της δεξαμενής του πλοίου και της εξωτερικής επιφάνειας του πλοίου υπάρχει στεγανός χώρος. Έτσι αποφεύγεται διαρροή καυσίμου σε περίπτωση ρήγματος στης εξωτερική επιφάνεια του πλοίου. [21] Μεταφορά με Αγωγούς Έχει αποδειχτεί ότι ο πιο αξιόπιστος και οικονομικός τρόπος μεταφοράς αργού πετρελαίου και των προϊόντων του είναι με χαλύβδινους αγωγούς που ηλεκτροσυγκολλούνται μεταξύ τους. Ο τρόπος αυτός μεταφοράς διαφέρει από τους άλλους με την έννοια, ότι η μεταφορά γίνεται με συνεχή ροή. [20] Οι συγκολλήσεις μπορούν να ελεγχθούν κατά την κατασκευή τους ή μετά τη συγκόλληση με μεθόδους μη καταστροφικές. Όλες οι συγκολλήσεις θα πρέπει να επιθεωρηθούν είτε με τον ένα είτε με τον άλλο τρόπο, και αυτό σημαίνει συνήθως τεστ υπερήχων σε κάθε συγκόλληση. Επιπρόσθετη εξέταση με μεθόδους ραδιογραφίας θα πρέπει να εφαρμοστεί το λιγότερο στο 10% των συγκολλήσεων κατά μήκος του αγωγού. [22] 5.8 Αποθήκευση Η αποθήκευση του πετρελαίου γίνεται σε δεξαμενές ατμοσφαιρικής πίεσης Δεξαμενές Σταθερής Οροφής 28

30 Αυτός ο τύπος της δεξαμενής έχει μια σταθερή οροφή που είναι σε μορφή κωνική ή θολωτή. Στις μεγάλες δεξαμενές η οροφή στηρίζεται σε κολόνες, ενώ στις μικρές, από τα κάθετα τοιχώματα της. Η δεξαμενή έχει χώρο για την αέρια φάση, η οποία αλλάζει όταν αλλάζει και η στάθμη του υγρού. Υπάρχουν εξαεριστηκά που επιτρέπουν την έκλυση του αερίου ώστε να διατηρηθεί η πίεση στην δεξαμενή. Δεξαμενές επιπλέουσας Οροφής Οι δεξαμενές αυτές είναι κατασκευασμένες έτσι ώστε να επιπλέουν στην επιφάνεια του υγρού. Δεν έχουν χώρο για την αέρια φάση και έτσι δεν υπάρχει καθόλου απώλεια αερίου. Υπάρχουν τρεις τύποι δεξαμενών επιπλέουσας οροφής: i. Δεξαμενές Μονής Οροφής ii. Δεξαμενές Διπλής Οροφής iii. Δεξαμενές με Εσωτερική Επιπλέουσα Οροφή [23] 5.9 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Τρεις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του πετρελαίου σε ηλεκτρική ενέργεια: Συμβατικές ατμού - Λάδι καίγεται για τη θέρμανση του νερού και τη δημιουργία ατμού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αεριοστρόβιλοι καύσης - πετρέλαιο καίγεται υπό πίεση για την παραγωγή ζεστών καυσαερίων που περιστρέφουν ένα στρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τεχνολογία συνδυασμένου κύκλου - Λάδι καίγεται πρώτα σε ένα στρόβιλο καύσης, χρησιμοποιώντας τα θερμαινόμενα καυσαερίων για την παραγωγή 29

31 ηλεκτρικής ενέργειας. Μετά αφού αυτά τα καυσαέρια ανακτηθούν, θερμαίνεται νερό σε ένα λέβητα, για τη δημιουργία ατμού, ο οποίος οδηγείται ένα δεύτερο στρόβιλο. Θα μιλήσουμε αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. [24] 5.10 Περιβάλλον Η καύση του πετρελαίου για την ηλεκτρική ενέργεια ρυπαίνει τον αέρα, το νερό και το έδαφος, αλλά ορισμένα από τα πλέον σοβαρά περιβαλλοντικά δεινά που συνδέονται με το πετρέλαιο συνδέονται με τη γεώτρηση, τη μεταφορά και τη διύλιση. Η καύση του πετρελαίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προκαλεί σημαντική ατμοσφαιρική ρύπανση από τις μορφές των οξειδίων του αζώτου, από την περιεκτικότητα σε θείο του πετρελαίου, το διοξείδιο του θείου και των σωματιδίων. Το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο (καθώς και άλλα αέρια του θερμοκηπίου), τα βαρέα μέταλλα όπως ο υδράργυρος, καθώς και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (οι οποίες συμβάλλουν στο επίπεδο του όζοντος), όλα μπορούν να προέλθουν από την καπνοδόχο ενός σταθμού καύσης πετρελαίου. Η λειτουργία των πετρελαϊκών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με καύση έχει επιπτώσεις στο νερό, στη χρήση γης και στη διάθεση στερεών αποβλήτων. Ομοίως με τη λειτουργία των άλλων συμβατικών τεχνολογιών ατμού, που λειτουργούν με πετρέλαιο, συμβατικές εγκαταστάσεις παραγωγής ατμού απαιτούν μεγάλες ποσότητες νερού και ατμού για την ψύξη, καθώς και επηρεάζουν αρνητικά τα τοπικά αποθέματα νερού και των υδάτινων οικοτόπων. Η Γεώτρηση παράγει επίσης έναν μακρύ κατάλογο ατμοσφαιρικών ρύπων, τοξικών και επικίνδυνων υλικών, εκπομπές υδρόθειο, καθώς και πολύ εύφλεκτα και τοξικά αέρια. Όλες αυτές οι εκπομπές μπορούν να επηρεάσουν την υγεία και την 30

32 ασφάλεια των εργαζομένων και της άγριας πανίδας. Απώλεια τεράστιων εκτάσεων άγριας πανίδας μπορεί να συμβεί επίσης κατά τη διάτρηση. Ατυχήματα κατά την μεταφορά Πετρελαίου μπορούν να οδηγήσουν σε καταστροφικές ζημιές σκοτώνοντας χιλιάδες ψάρια, πουλιά, άγρια ζώα, φυτά και το έδαφος. [25] 31

33 6. Φυσικό Αέριο Το φυσικό αέριο δημιουργήθηκε προ πολλών εκατομμυρίων ετών στους πυθμένες των θαλασσών από μεγάλες ποσότητες μικροοργανισμών, την απουσία αέρα και υπό την επίδραση βακτηριδίων. Το φυσικό αέριο ανήκει στην οικογένεια των καύσιμων αερίων (3 οικογένειες) η οποία είναι μίγματα καυσίμων και αδρανών αερίων. Το συναντάμε μόνο του ή συνυπάρχει με κοιτάσματα πετρελαίου. Είναι μία από τις καθαρότερες πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, που είναι ο ελαφρύτερος υδρογονάνθρακας. Είναι άχρωμο και άοσμο. Δεδομένου του ότι είναι άοσμο προστίθεται μία ειδική ουσία με χαρακτηριστική οσμή για να ανιχνεύεται μία ενδεχόμενη διαρροή του. Είναι το φιλικότερο καύσιμο για το περιβάλλον και για τον άνθρωπο. Εισάγεται στην Ελλάδα μέσω Ρωσίας με αγωγούς σε αέρια μορφή και μέσω Αλγερίας με δεξαμενόπλοια σε υγροποιημένη μορφή στη Ρεβυθούσα όπου εξαερώνεται και αναμιγνύεται με το υπόλοιπο αέριο για να καλύψει τις υπάρχουσες ανάγκες. [26] Εικόνα 13 : Δεξαμενή Φυσικού Αερίου. 32

34 6.1 Χρήση Φυσικού Αερίου Η βασική χρησιμοποίηση του φυσικού αέριου σαν καύσιμο υλικό, είναι στην παραγωγή ενέργειας. Στην συνέχεια μέσω της καύσης του φυσικού αερίου μπορούμε να έχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (αντικατάσταση πετρελαίου ή λιθάνθρακα στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της ΔΕΗ), συμπαραγωγή ενέργειας, θερμικής ενέργειας (παραγωγή ατμού - ζεστού νερού) σε βιομηχανικό - επαγγελματικό και οικιακό επίπεδο. Οικιακή χρήση Κεντρική Θέρμανση πολυκατοικίας Ατομική Θέρμανση διαμερίσματος Μαγείρεμα Ζέσταμα νερού Κλιματισμός Επαγγελματική χρήση Θέρμανση Μαγείρεμα Παραγωγή ζεστού νερού Παραγωγή ατμού Κλιματισμός Συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας 33

35 Βιομηχανική χρήση Κάλυψη θερμικών αναγκών για όλες τις παραγωγικές διαδικασίες Συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας [26] 6.2 Επεξεργασία Φυσικού Αερίου Πλεονάζον συστατικό είναι το μεθάνιο, αλλά περιέχει και άλλους ελαφρύς υδρογονάνθρακες, αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο και βαρύτερους σε μικρότερες ποσότητες. Περιέχει επίσης νερό, διοξείδιο του άνθρακα και υδρόθειο ή και μερκαπτάνες όπως και άζωτο. Το φυσικό αέριο πριν εισέλθει στους αγωγούς διανομής επεξεργάζεται στην πηγή. Δίπλα στα πηγάδια του φυσικού αερίου υπάρχουν σε γήπεδο οι μονάδες επεξεργασίας του. Σ αυτές τροποποιούνται οι ιδιότητες (προδιαγραφές του φυσικού αερίου. Η αποβολή αζώτου και διοξειδίου του άνθρακα αυξάνει τη θερμογόνο δύναμη του φυσικού αερίου, ενώ η αφαίρεση υδρόθειου και υγρασίας εμποδίζει τη διάβρωση του δικτύου λόγω σχηματισμού θειούχων αλάτων. Η αφαίρεση της υγρασίας εμποδίζει και την παγοποίηση του υδρατμού σε διάφορα τμήματα του εξοπλισμού επεξεργασίας, ιδίως όταν το φυσικό αέριο επανασυμπιέζεται κατά τη διαδρομή του μέχρι την κατανάλωση του. Επειδή οι περιεχόμενοι υδρογονάνθρακες έχουν από μόνοι τους εμπορική αξία, αφαιρούνται συνήθως από το φυσικό αέριο σε μια αλληλουχία αποστακτικών στηλών (distillation train). Η αφαίρεση του διοξειδίου του άνθρακα, του υδρόθειου και της κύριας ποσότητας του νερού γίνεται σε μονάδα επεξεργασίας αμίνης γλυκόλης. Περαιτέρω αφαίρεση (trimming) νερού, οξυγονούχων και θειούχων ενώσεων γίνεται σε σταθερές κλίνες στερεών ροφητών, αλουμίνας και ζεολίθων (μοριακά κόσκινα) κυρίως. 34

36 Αρκετά πηγάδια όμως αερίου, Περιέχουν και σημαντικές ποσότητες του αδρανούς ευγενούς αερίου ηλίου He (έως και 3%). Ο διαχωρισμός του ηλίου από το φυσικό αέριο επιτυγχάνεται με την υγροποίηση όλου του φυσικού αερίου πλην του ηλίου. Έτσι το αέριο ήλιο διαχωρίζεται από το υγρό φυσικό αέριο. Ο διαχωρισμός αυτός επιτυγχάνεται σε δύο στάδια. Σε πρώτο στάδιο παράγεται αέριο ήλιο περιεκτικότητας % (αργό ήλιο crude helium) και σε δεύτερο στάδιο παράγεται ήλιο καθαρότητας > 99,995% (grade A). [27] 35

37 Εικόνα 14 : Διάγραμμα ροής επεξεργασίας φυσικού αερίου 36

38 6.2.1 Διάταξη Ξήρανσης Φυσικού Αερίου με Γλυκόλη Εικόνα 14 : Διάταξη ξήρανσης ΦΑ με γλυκόλη. Από την γεώτρηση (1) φέρεται το φυσικό αέριο υπό την υψηλή πίεση της αντιθλίψεως στον πρώτο διαχωριστή (2), όπου αποτίθεται το ελεύθερο νερό και τυχόν συμπαρασυρόμενα στερεά, που στην συνέχεια διοχετεύονται στη δεξαμενή νερού (3). Το αέριο εισέρχεται στον προθερμαντήρα (4), όπου προθερμαίνεται κατάλληλα και στην συνέχεια εκτονώνεται μέσω του μειωτή πίεσης (5) της εγκαταστάσεως. Το νερό, που καταπίπτει, διαχωρίζεται στον διαχωριστή (6) από το αέριο και οδηγείται στη δεξαμενή νερού. Το αέριο οδηγείται στο κάτω μέρος του ξυραντήρα, που είναι μια κολώνα με υπερκείμενους κώδωνες, στην οποία ρέει από πάνω προς τα κάτω γλυκόλη. Αυτή συγκρατεί την υπόλοιπη υγρασία του αερίου, έτσι ώστε αυτό να εξέρχεται από πάνω ξηρό και να οδηγείται στο σύστημα μεταφοράς (8) ή το σύστημα 37

39 περαιτέρω καθαρισμού. Η γλυκόλη πρέπει στη συνέχεια να αναγεννηθεί. Οδηγείται πρώτα σε ένα θερμαντήρα (9), όπου βράζει στους 200 ο C. Οι ατμοί της γλυκόλης συμπυκνώνονται στην ειδική διάταξη (10), πού μοιάζει με κολώνα αποστάξεως και με υπερχείλιση οδηγούνται στην δεξαμενή (12). Οι υδρατμοί συμπυκνώνονται στο ψυγείο (11) και οδηγούνται στην δεξαμενή νερού (3). [28] 6.3 Μεταφορά Φυσικού Αερίου - Στο δίκτυο μεταφοράς του φυσικού αερίου περιλαμβάνονται: Κεντρικός αγωγός μεταφοράς αερίου υψηλής πίεσης (70 bar) από τα Ελληνοβουλγαρικά σύνορα μέχρι την Αττική, συνολικού μήκους 512 χλμ. Κλάδοι μεταφοράς υψηλής πίεσης προς την ανατολική Μακεδονία και Θράκη, τη Θεσσαλονίκη, το Βόλο και την Αττική, συνολικού μήκους 440 χλμ. Μετρητικοί και ρυθμιστικοί σταθμοί για τη μέτρηση της παροχής αερίου και τη ρύθμιση της πίεσης. Σύστημα τηλεχειρισμού, ελέγχου λειτουργίας και τηλεπικοινωνιών. Κέντρα λειτουργίας και συντήρησης, στην Αττική, τη Θεσσαλονίκη και τη Θεσσαλία. 38

40 Συνοριακός Σταθμός εισόδου (Border Station). ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ - Το σύστημα διανομής αποτελείται από: Δίκτυα μέσης πίεσης (19 bar) στην Αττική, Θεσσαλονίκη, Θεσσαλία και στις βιομηχανικές περιοχές Οινοφύτων, Πλατέος Ημαθίας, Ξάνθης, Καβάλας και ΒΙΠΕ Κομοτηνής Δίκτυα χαμηλής πίεσης (4 bar) σε Αττική, Θεσσαλονίκη και Θεσσαλία, προβλεπόμενου μήκους χλμ. Υπάρχον δίκτυο διανομής στην Αθήνα. Η ΔΕΠΑ, στο πλαίσιο του κατασκευαστικού της έργου, ολοκλήρωσε στην ευρύτερη περιοχή της πρωτεύουσας 860 χιλιόμετρα δικτύου διανομής τα οποία προσετέθησαν στα υφιστάμενα 550 χιλιόμετρα δικτύου που ανήκαν στην Δημοτική Επιχείρηση Φωταερίου Αθηνών και ήδη τροφοδοτεί περίπου εμπορικούς, οικιακούς και βιομηχανικούς καταναλωτές με φυσικό αέριο. [29] Δεξαμενόπλοια Μεταφοράς Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου Το υγροποιημένο φυσικό αέριο μεταφέρεται με πλοία διπλού κύτους που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να χειρίζονται την χαμηλή θερμοκρασία του υγροποιημένου φυσικού αερίου. Τα εν λόγω δεξαμενόπλοια είναι μονωμένα για να περιορίζουν την απώλεια υγροποιημένου αερίου λόγω εξάτμισής του. Αυτές οι 39

41 απώλειες εξάτμισης χρησιμοποιούνται για τη συμπλήρωση των καυσίμων των πλοίων. Σύμφωνα με το World Gas Intelligence (2008), σε ένα τυπικό ταξίδι, εκτιμάται ότι περίπου το 0,1% - 0,25% του φορτίου ΥΦΑ εξατμίζεται κάθε μέρα, ανάλογα με την αποτελεσματικότητα της μόνωσης και την τραχύτητα του ταξιδιού. Σε ένα τυπικό ταξίδι, 20 ημερών μπορεί να εξατμιστεί από το 2% - 6% του συνολικού όγκου του ΥΦΑ. Τρεις τύποι δεξαμενόπλοιων ΥΦΑ: Σφαιρικού (Moss) σχεδιασμού - (44%) Σχεδιασμού μεμβράνης (51%) Διαρθρωτικού πρισματικού σχεδιασμού Τα δεξαμενόπλοια μεταφοράς ΥΦΑ έχουν μήκος μέχρι 300 μέτρα μήκος, 46 μέτρα πλάτος και απαιτούν ένα ελάχιστο βάθος υδάτων 12 μέτρα όταν είναι πλήρως φορτωμένα. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν 155 δεξαμενόπλοια που μεταφέρουν περισσότερο από 120 εκατ. τόνους υγροποιημένου φυσικού αερίου ανά έτος. Εικόνα 15 :Δεξαμενόπλοια ΥΦΑ σφαιρικού (Moss) σχεδιασμού 40

42 Εικόνα 16 : Δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ σχεδιασμού μεμβράνης Εικόνα 17 : Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ σφαιρικού τύπου Εικόνα 18 : Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ τύπου μεμβράνης 41

43 Εικόνα 19 : Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ διαρθρωτικού πρισματικού σχεδιασμού Σήμερα υπάρχουν 155 δεξαμενόπλοια ΥΦΑ συνολικής χωρητικότητας 18 εκατ. κυβ. μέτρων 125 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα πάνω από 120 κυβ. χιλιόμετρα 15 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα κυβ. χιλιόμετρα 15 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα κάτω από 50 κυβ. χιλιόμετρα [30] 6.4 Αποθήκευση Φυσικού Αερίου Όταν το ΥΦΑ φτάσει στους τερματικούς σταθμούς, μεταφέρετε σε ειδικές μονωμένες δεξαμενές αποθήκευσης. Οι δεξαμενές αυτές μπορεί να είναι πάνω ή κάτω από το έδαφος και διατηρούν το υγρό σε χαμηλή θερμοκρασία για να ελαχιστοποιηθεί το ύψος της εξάτμισης. Αν δεν απελευθερωθούν ατμοί ΥΦΑ, η πίεση και η θερμοκρασία στο εσωτερικό της δεξαμενής αυξάνεται. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο χαρακτηρίζεται ως κρυογενικο και διατηρείται στην υγρή του κατάσταση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό της 42

44 δεξαμενής θα παραμείνει σταθερή, αν η πίεση παραμένει σταθερή, επιτρέποντας το εξατμισμένο φυσικό αέριο να απελευθερώνεται από τη δεξαμενή. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως αυτόκατάψύξη. Οι απώλειες εξάτμισης συλλέγονται και χρησιμοποιούνται ως πηγή καυσίμων στην εγκατάσταση ή για το δεξαμενόπλοιο μεταφοράς. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο θερμαίνεται στο σημείο που μπορεί να μετατρέπει στην αέρια κατάσταση για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια διαδικασία απενεργοποίησης με εναλλάκτες θερμότητας. [30] Εικόνα 20 : Δεξαμενή ΥΦΑ 43

45 6.5 Σύστημα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Η συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ), αποτελεί σήμερα μια από τις πιο αποδοτικές χρήσεις του ΦΑ, παρέχοντας οικονομική εναλλακτική λύση για τις περιπτώσεις εκείνες που απαιτούνται ταυτόχρονα σημαντικές ποσότητες θερμικών φορτίων, αλλά και ηλεκτρισμού (Βιομηχανικός και μεγάλος εμπορικός τομέας). Η ιδέα της συμπαραγωγής είναι αρκετά παλιά και αναπτύχθηκε λόγω του χαμηλού βαθμού απόδοσης των συμβατικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, στα συστήματα ΣΗΘ χρησιμοποιούνται δύο τύποι εξοπλισμού, οι μηχανές εσωτερικής καύσης (παλινδρομικές μηχανές) και οι αεροστρόβιλοι. Η συνολική απόδοση ενός συστήματος ΣΗΘ με καύσιμο ΦΑ μπορεί να ξεπεράσει το 85%. [31] Σύστημα ΣΗΘ με Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Το ΦΑ και ο αέρας αναμιγνύονται σε συσκευή προ-ανάμιξης και τροφοδοτούνται στο εσωτερικό μηχανής εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), όπου γίνεται η καύση του μίγματος. Οι ΜΕΚ συνήθως χρησιμοποιούνται για χαμηλής ισχύος συστήματα ΣΗΘ (20kW 200kW), ενώ για μεγαλύτερη ισχύ χρησιμοποιούνται συχνότερα αεροστρόβιλοι. Το έργα που παράγεται από την ΜΕΚ καταναλώνεται στη γεννήτρια και παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Η εκμεταλλεύσιμη θερμότητα από την ΜΕΚ προέρχεται κυρίως από την υψηλή ενθαλπία των καυσαερίων, το χιτώνιο της μηχανής και τα συστήματα ψύξης λαδιού. Υπάρχουν εναλλάκτες θερμότητας για την ανάκτηση του 44

46 θερμικού φορτίου με την μορφή ζεστού νερού, το οποίο χρησιμοποιείται σε άλλα σημεία της μονάδας, κυρίως για θέρμανση χώρων. Το σύστημα ΣΗΘ συνήθως σχεδιάζεται για να παράγει ικανή ποσότητα θερμικού φορτίου ώστε να καλύπτει το θερμικό φορτίο βάσης. Η επιπλέον θερμότητα σε περίπτωση αιχμής της ζήτησης μπορεί να προέλθει από λέβητες ΦΑ υψηλής απόδοσης. Επειδή ο έλεγχος και η ρύθμιση της ΜΕΚ βασίζεται στη ζήτηση θερμικού φορτίου, η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται παρουσιάζει πολλές διακυμάνσεις. Η επιπλέον ισχύς που απαιτείται καλύπτεται με αγορά ηλεκτρικού ρεύματος. [31] Εικόνα 21 : Σύστημα συμπαραγωγής με ΜΕΚ Σύστημα ΣΗΘ με Αεροστρόβιλο Ένα τέτοιο σύστημα αποτελείται από ένα στρόβιλο και μειωτήρα που δίνει κίνηση σε γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Το ΦΑ τροφοδοτείται στον στρόβιλο, όπου συντελείται η καύση. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κινεί τη 45

47 γεννήτρια, ενώ τα θερμά καυσαέρια εξέρχονται σε θερμοκρασία 450 οc, και οδηγούνται σε μονάδες ανάκτησης θερμότητας, όπου παράγεται υψηλού βαθμού ατμός (κατάλληλος για παραγωγικές διαδικασίες) πριν διαφύγουν στην ατμόσφαιρα. Επειδή τα καυσαέρια περιέχουν και αρκετό οξυγόνο, ανάμεσα στο στρόβιλο και στη μονάδα ανάκτησης μπορεί να παρεμβληθεί καυστήρας στον οποίο ( με τροφοδοσία επιπλέον ποσοτήτων ΦΑ) ολοκληρώνεται η δέσμευση της περίσσειας του οξυγόνου, βελτιώνοντας την ολική απόδοση του συστήματος. [31] Εικόνα 22 : Σύστημα συμπαραγωγής με αεροστρόβιλο Σύστημα Συνδυασμένου Κύκλου Μια παραλλαγή του συστήματος που παρουσιάστηκε παραπάνω, αποτελεί το σύστημα συνδυασμένου κύκλου, το οποίο βρίσκει εφαρμογή στις μονάδες παράγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 46

48 Η διαφορά του συνίσταται στο ότι ο ατμός που παράγεται στη μονάδα ανάκτησης τροφοδοτείται σε ατμοστρόβιλο και παράγεται έτσι επιπλέον ηλεκτρική ισχύς, ενώ τα θερμικά φορτία που απομένουν στην έξοδο του ατμοστροβίλου βρίσκονται με τη μορφή ατμού χαμηλής πίεσης, κατάλληλου για ορισμένες διεργασίες. Η νέα γενιά των αεροστροβίλων απαιτεί από το ΦΑ να βρίσκεται σε πίεση 20 bar. Το δεδομένο αυτό επιβαρύνει με επιπλέον κόστος κεφαλαίου την εγκατάσταση, καθώς επίσης και με ένα επιπλέον λειτουργικό έξοδο, λόγω απορρόφησης ισχύος από τον συμπιεστή. Η ολική όμως απόδοση του συστήματος συνδυασμένου κύκλου με ΦΑ υπερέχει αισθητά των αποδόσεων των συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν συμβατικές τεχνολογίες. [31] Εικόνα 23 : Σύστημα συνδυασμένου κύκλου. 47

49 6.6 Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου από την καύση φυσικού αερίου είναι χαμηλότερες από την καύση λιθάνθρακα και πετρελαίου. Σε σύγκριση με τον λιθάνθρακα, το φυσικό αέριο εκπέμπει 43% λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα για κάθε μονάδα ενέργειας που παράγει, και 30% λιγότερο CO2 από το πετρέλαιο. Η καύση του φυσικού αερίου εξακολουθεί να παράγει οξείδια του αζώτου, που είναι η κύρια πηγή τροποσφαιρικού νέφους και όξινης βροχής. Συγκεκριμένα το φυσικό αέριο εκπέμπει λιγότερο από το ένα τρίτο οξείδια του αζώτου, και 1% τα οξείδια του θείο που εκπέμπουν οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με λιθάνθρακα. Το φυσικό αέριο δεν παράγει στερεά απόβλητα, σε αντίθεση με τα τεράστια ποσά της τέφρας του λιθάνθρακα, και ελάχιστο διοξείδιο του θείου, ενώνεις υδραργύρου και αιωρούμενα σωματίδια. Οι μέσες τιμές των εκπομπών από την χρήση φυσικού αέριου στην ηλεκτροπαραγωγή είναι: 516 κιλά διοξειδίου του άνθρακα ανά MWh, 50 γραμμάρια διοξείδιο του θείου ανά MWh, και 770 γραμμάρια οξείδια του αζώτου ανά MWh. Το μεθάνιο, το πρωτεύον συστατικό του φυσικού αερίου είναι ένα αέριο του θερμοκηπίου. Εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα, όταν το φυσικό αέριο δεν καίγεται πλήρως ή από διαρροές και απώλειες κατά τη διάρκεια της μεταφοράς του. Το φυσικό αέριο (μεθάνιο) είναι από μόνο του ένα πολύ ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου, 58 φορές πιο επικίνδυνο από το διοξείδιο του άνθρακα στην παγίδευση θερμότητας. Πληροφοριακά, οι συγκεντρώσεις μεθανίου στην ατμόσφαιρα έχουν αυξηθεί οκτώ φορές ταχύτερα από ότι το διοξείδιο του άνθρακα (που η συγκέντρωση του έχει διπλασιαστεί από την έναρξη της βιομηχανικής 48

50 περιόδου). Η χρήση του φυσικού αέριου αντιπροσωπεύει περίπου το 18% του συνόλου των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Η καύση του φυσικού αερίου στους αεριοστρόβιλους (τεχνολογία ανοιχτού κύκλου) απαιτεί ελάχιστο νερό. Ωστόσο, η καύση του φυσικού αέριου σε μονάδες συνδυασμένου κύκλου απαιτεί νερό για την ψύξη. Όταν οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας απορροφούν νερό από λίμνες ή ποτάμια, μπορεί να σκοτώσουν ψάρια και τα άλλα υδρόβια ζώα, και να επηρεάσουν τα ζώα και τους ανθρώπους που εξαρτώνται από αυτούς τους υδάτινους πόρους. Οι αεριοστρόβιλοι καύσης δεν παράγουν λύματα. Ωστόσο, οι ρύποι και θερμότητα συσσωρεύονται στο νερό που χρησιμοποιείται στους λέβητες φυσικού αερίου στα συστήματα συνδυασμένου κύκλου. Όταν οι εν λόγω ρύποι και θερμότητα φτάσουν ορισμένα επίπεδα, το νερό συχνά απορρίπτεται σε λίμνες ή ποτάμια. Αυτή η απόρριψη του νερού σε πολλές χώρες συνήθως απαιτεί άδεια και είναι υπό συνεχή έλεγχο. Η αμερικανική υπηρεσία περιβαλλοντικής προστασίας (EPA) εκτιμά ότι οι κίνδυνοι για καρκίνο από την καύση φυσικού αερίου είναι κατά πολύ χαμηλότεροι από τους κινδύνους για καρκίνο από την καύση πετρελαίου ή λιθάνθρακα στην ηλεκτροπαραγωγή. Σύμφωνα με την ίδια υπηρεσία οι μονάδες φυσικού αερίου παράγουν ελάχιστες ποσότητες (για να είναι βλαβερές) αρσενικού, μόλυβδου, υδράργυρου και νικελίου που είναι καρκινογόνες ή τοξικές ουσίες [32] 49

51 Εικόνα 24 50

52 7. Λιγνίτης Ο λιγνίτης είναι η χαμηλότερη βαθμίδα του άνθρακα με το χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο, Lignite κοιτάσματα άνθρακα, τείνουν να είναι νέα κοιτάσματα άνθρακα που δεν είχαν υποβληθεί σε υπερβολική ζέστη ή πίεση, που περιέχει 25%-35% του άνθρακα. Εικόνα 25 : Λιγνίτης Δημιουργία Λιγνίτη Οι λιγνίτες αλλά και οι άνθρακες γενικότερα είναι το αποτέλεσμα μιας ιδιότυπης αποσύνθεσης φυτών η οποία χαρακτηρίζεται με τον ειδικό όρο ως ενανθράκωση. Τα λιγνιτικά κοιτάσματα της Πτολεμαιδας διαμορφώθηκαν κατά την τριτογενή γεωλογική περίοδο και είναι ηλικίας ενός έως πέντε εκατομμυρίων ετών. Η ευρύτερη περιοχή η οποία οριοθετείται σήμερα από το Μοναστήρι, το Αμύνταιο, τη Φλώρινα, την Πτολεμαιδας, την Κοζάνη μέχρι τα Σέρβια, πριν από εκατομμύρια χρόνια, ήτανε μια περιοχή με αβαθείς λίμνες και διάσπαρτα έλη. Οι κλιματολογικές συνθήκες της τότε εποχής ευνοούσαν την ανάπτυξη υδροχαρών φυτών και κυρίως καλάμια και βρύα. Όταν τα φυτά ξεραίνονταν, έπεφταν στο φτωχό σε οξυγόνο νερό των βάλτων και σκεπάζονταν από λάσπη. Παράλληλα, λόγω καθιζήσεων και φερτών υλικών, τα φυτά καλυπτόταν με επιπλέον ιζηματογενείς αποθέσεις. Η αποσύνθεση 51

53 των φυτών γινότανε σε περιβάλλον χωρίς αέρα και κάτω από πίεση, ενώ η παρουσία μικροοργανισμών υποβοηθούσε την αναερόβια ζύμωση. Κατά την διαδικασία της ενανθράκωσης, διέφευγε στην ατμόσφαιρα το οξυγόνο, το υδρογόνο και το άζωτο και κατά συνέπεια αυξανόταν το ποσοστό του άνθρακα στα υπολείμματα. Αργότερα φύτρωνε καινούργια βλάστηση και ο κύκλος επαναλαμβανότανε. Πάνω από τα νεώτερα στρώματα λιγνίτη επικάθισαν γαιώδη υλικά, τα λεγόμενα "υπερκείμενα". Το πάχος των υπερκείμενων υλικών, άμμος, ασβεστόλιθος και άργιλος, κυμαίνεται στα ορυχεία της Πτολεμαίδας, από 12 μέχρι 200 μέτρα. Επιπλέον, το κοίτασμα του λιγνίτη δεν είναι ενιαίο διότι ακριβώς μέσα στο κοίτασμα υπάρχουν τα παλαιότερα γαιώδη υλικά τα οποία ονομάζονται "ενδιάμεσα". Για τον σχηματισμό ενός κυβικού μέτρου λιγνίτη, υπολογίσθηκε ότι απαιτείται χρονικό διάστημα 1000 έως 4000 ετών. [33 ] Εικόνα 26 : Η ΛΙΓΝΙΤΟΦΟΡΟΣ ΛΕΚΑΝΗ ΠΤΟΛΕΜΑΪΔΑΣ ΑΜΥΝΤΑΙΟΥ Αποθέματα Λιγνίτη Στη Δυτική Μακεδονία παράγονται ετησίως περίπου 60 εκατομμύρια τόνοι λιγνίτη. Μέχρι σήμερα έχουν εξορυχτεί 1,2 δις τόνοι λιγνίτη, ενώ με τα σημερινά τεχνικά και οικονομικά δεδομένα, τα εναπομείναντα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα της 52

54 περιοχής, εκτιμώνται σε 2,4 δις τόνους. Η λιγνιτική δραστηριότητα που αναπτύσσεται κυρίως στη Δ. Μακεδονία αλλά και στη Μεγαλόπολη, κατατάσσει την Ελλάδα στη 2η θέση μεταξύ των λιγνιτοπαραγωγών χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης και την 5η θέση σε παγκόσμια κλίμακα. Η ποιότητα των ελληνικών λιγνιτών είναι χαμηλή. Η μέση υγρασία του λιγνίτη Πτολεμαίδας είναι %, η τέφρα 35% (επί ξηρού) και η κατώτερη θερμογόνος ικανότητα kcal/kg. Σημαντικό συγκριτικό πλεονέκτημα όμως, πέρα από την ασφάλεια εφοδιασμού, αποτελεί η χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο. [33] Εικόνα 27 : Λιγνίτης 7.3 Εξόρυξη - Μεταφορά Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των λιγνιτικών κοιτασμάτων της Πτολεμαίδας αποτελεί η συχνή εναλλαγή των οριζόντιων λιγνιτικών κοιτασμάτων και των ενδιάμεσων υλικών, τα οποία αποκαλούνται "στείρα" ή "άγονα". Η εκμετάλλευση των λιγνιτικών κοιτασμάτων γίνεται επιφανειακά με τη μέθοδο των "ορθών βαθμίδων". 53

55 Σε ένα σύστημα συνεχούς λειτουργίας στο οποίο χρησιμοποιούνται ηλεκτροκίνητοι καδοφόροι εκσκαφείς, ταινιόδρομοι και αποθέτες, το κοίτασμα του λιγνίτη εκσκάπτεται κατά στρώσεις. Η εξόρυξη των υπερκειμένων και στη συνέχεια του λιγνίτη, γίνεται με μεγάλα ηλεκτροκίνητα μηχανήματα συνεχούς λειτουργίας τους καδοφόρους εκσκαφείς. Από τα υλικά που εξορύσσονται, ο μεν λιγνίτης μεταφέρεται στους Ατμοηλεκτρικούς Σταθμούς, τα δε υπερκείμενα και ενδιάμεσα υλικά μεταφέρονται και αποτίθενται κυρίως στις περιοχές στις οποίες έχει προηγηθεί εξόρυξη, ώστε μετά το τέλος της εκμετάλλευσης, η επίπτωση στο τοπίο της περιοχής να είναι η ελάχιστη δυνατή. Η μεταφορά του λιγνίτη και των στείρων, γίνεται με μεταφορικές ταινίες οι οποίες μπορούν να μεταφέρουν συνεχώς σε μακρινές αποστάσεις μεγάλες ποσότητες υλικών. Τέλος, η απόθεση των στείρων υλικών στις περιοχές όπου έχει αποληφθεί ο λιγνίτης, γίνεται με μεγάλα ηλεκτροκίνητα μηχανήματα - τα συνεχούς λειτουργίας που ονομάζονται αποθέτες. Εκτός από τον κύριο εξοπλισμό, η εξόρυξη και διαχείριση του λιγνίτη απαιτεί τη χρήση πολλαπλού εξοπλισμού όπως χωματουργικά μηχανήματα, φορτωτές εκσκαφείς, φορτηγά κλπ τα οποία περιγράφονται με τον γενικό όρο "βοηθητικός εξοπλισμός". [33] Εικόνα 28 : Η ΕΞΟΡΥΞΗ ΤΟΥ ΛΙΓΝΙΤΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ 54

56 7.3.1 Μεταφορικές Ταινίες Οι μεταφορικές ταινίες είναι βαρέως χρήσεως μεταφορείς κατάλληλοι για τη μεταφορά μεγάλων χωρητικοτήτων σε αποστάσεις μεγαλύτερες από οποιονδήποτε άλλο τύπο μηχανικού μεταφορέα. Η μεταφορική ικανότητα μπορεί να είναι αρκετές χιλιάδες τόνοι ανά ώρα, και η απόσταση αρκετά χιλιόμετρα. Μπορεί να είναι οριζόντιες ή κεκλιμένες (είτε γίνεται η μετακίνηση φορτίων στις τα πάνω είτε στις τα κάτω) ή μπορεί να είναι στις συνδυασμός στις. Το μέγιστο όριο στις κλίσης εξαρτάται από τον τύπο του υλικού που μεταφέρεται και καθορίζεται όταν το υλικό τείνει να ολισθήσει πάνω στην επιφάνεια στις ταινίας (ιμάντα). Υπάρχουν βέβαια και ειδικές ταινίες με ειδικό σχεδιασμό έτσι ώστε να μην επιτρέπουν στο υλικό να ολισθήσει ακόμα και αν η κλίση είναι αρκετά μεγάλη. Τα υλικά που μεταφέρονται συνήθως είναι κονιορτοποιημένα, κοκκώδη, ή άμορφα υλικά, στις μπορούν να μεταφερθούν και υλικά υψηλής θερμοκρασίας ή ελαιώδη. Στην απλούστερή στις μορφή, μία μεταφορική ταινία αποτελείται από μια κεφαλή ή οδηγό τροχαλία, μια οδηγούμενη τροχαλία, μία ανοιχτή ταινία και τα ενδιάμεσα ράουλα μεταφοράς και επιστροφής. Η απόσταση μεταξύ των ράουλων εξαρτάται από το πλάτος και την φόρτωση στις ταινίας και είναι συνήθως 1,5 μέτρο ή λιγότερο. Τα ράουλα επιστροφής χωρίζονται σε διαστήματα των 3 μέτρων ή ελαφρώς μικρότερα. Ρουλεμάν κλειστού τύπου κατά στις τριβής χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά στις μεταφορικές ταινίες και πρέπει να ελέγχονται τουλάχιστον μία φορά το χρόνο. [34] 55

57 Εικόνα 27 : Μεταφορά Λιγνίτη Επεξεργασία Λιγνίτη Ο λιγνίτης δεν υφίσταται μεγάλη κατεργασία, μετά την μεταφορά του με τις μεταφορικές ταινίες είτε αποθηκεύεται στην Αυλή του λιγνίτη είτε οδηγείται απ ευθείας στους σπαστήρες όπου και θρυμματίζεται σε κομμάτια μέγιστης διαμέτρου 4 cm και στην συνέχεια μεταφέρεται στο σιλό λιγνίτη των μονάδων. 7.5 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας 1. Ο εξορυσσόμενος λιγνίτης μεταφέρεται με μεταφορικές ταινίες στη μονάδα θραύσης 2. Θραύεται πρωτογενώς και μεταφέρεται στη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής 3. Λειοτριβείται σε λεπτομερές μέγεθος τεμαχίων 4. Ο λειοτριβημένος λιγνίτης αναμειγνύεται με αέρα και εισάγεται στο θάλαμο καύσης όπου καίγεται προς παραγωγή θερμότητας (μετατροπή της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε θερμότητα) 56

58 5. Μεγάλες ποσότητες καθαρού νερού αντλούνται και κυκλοφορούν σε σωληνώσεις μέσα στο θάλαμο καύσης 6. Το νερό προσλαμβάνει την εκλυόμενη θερμότητα από την καύση και μετατρέπεται σε υπέρθερμο και υψηλής πίεσης ατμό 7. Ο ατμός οδηγείται με σωληνώσεις σε ατμοστρόβιλους που μετατρέπουν την ενέργεια του ατμού σε κινητική ενέργεια 8. Η κινητική ενέργεια του ατμοστροβίλου παράγει, με τη βοήθεια μιας γεννήτριας, ηλεκτρική ενέργεια 9. Η ηλεκτρική ενέργεια μετασχηματίζεται σε υψηλής τάσης Η.Ε. και οδηγείται στο σύστημα μεταφοράς 10. Η τάση της Η.Ε. υποβιβάζεται όταν φθάσει κοντά στους καταναλωτές και διανέμεται στους χρήστες 11. Ο θερμός ατμός των ατμοστροβίλων οδηγείται στο κύκλωμα συμπύκνωσης και επιστρέφει με τη μορφή νερού στο κύκλωμα ατμοποίησης του θαλάμου καύσης 12. Το νερό ψύξης του θερμού ατμού επιστροφής των αεροστροβίλων θερμαίνεται και αυτό και αφού περάσει από εναλλάκτες θερμότητας επιστρέφει στη λίμνη από την οποία αντλήθηκε έχοντας αυξημένη θερμοκρασία. [35] Για την παραγωγή 1 KWh απαιτείται η καύση 1,85 Kg λιγνίτη περίπου και η κατανάλωση 2,5 λίτρων ψυκτικού νερού. 57

59 Εικόνα 28 : [34] 7.6 Μόλυνση Περιβάλλοντος Η καύση του λιγνίτη έχει δημιουργήσει πολλά προβλήματα τόσο στο περιβάλλον όσο και στον άνθρωπο. Με την καύση του παράγουμε το διοξείδιο του άνθρακα. Κάθε χρόνο με την καύση των ορυκτών καυσίμων ελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα 6 δισεκατομμύρια τόνοι από αυτό το αέριο, δηλαδή αναλογεί παραγωγή 1000 κιλών διοξειδίου του άνθρακα στο κάθε κάτοικο της γης κάθε χρόνο. Στην Ελλάδα οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα φτάνουν τα 100 εκατομμύρια τόνους το χρόνο. Το διοξείδιο του άνθρακα θεωρείται ένας από τους σημαντικότερους ρύπους και είναι το αέριο με τη μεγαλύτερη συμμετοχή στην εμφάνιση του φαινόμενου του θερμοκηπίου. Ταυτόχρονα η χρήση των ορυκτών καυσίμων αποτελεί σήμερα μια από τις κυριότερες αιτίες επιβάρυνσης του αέρα, της θάλασσας και του εδάφους. Στις 58

60 πόλεις συμβάλουν στην δημιουργία νέφους και στα βιομηχανικά κράτη συντελούν στην όξινη βροχή. [36] Εικόνα 29 : Καυσαέρια από καύση λιγνίτη Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι η φυσική διεργασία, που έχει ως αποτέλεσμα την θέρμανση της επιφάνειας της γης και της ατμόσφαιρας. Η διεργασία αυτή είναι το αποτέλεσμα της ικανότητας, που έχουν συγκεκριμένα αέρια της ατμόσφαιρας (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, οξείδια του αζώτου κ.α ) να απορροφούν τις ακτινοβολίες μεγάλου μήκους κύματος (υπέρυθρη ακτινοβολία), που προέρχονται από την επιφάνεια της γης και να μην τις αφήνουν να διαφύγουν. [35] Εικόνα 30 : Φαινόμενο του θερμοκηπίου. 59

61 7.6.2 Όξινη βροχή Η όξινη βροχή είναι ένα μεγάλο οικολογικό πρόβλημα πάνω στη Γη μας. Αναγκάζει τα ψάρια και τα φυτά να πεθαίνουν στις λίμνες και τα ποτάμια. Επίσης προκαλεί ζημιά στον άνθρωπο, επειδή τρώει αυτά τα ψάρια και τα φυτά ενώ πίνει αυτό το νερό. Είναι ένα πρόβλημα που πρέπει όλοι να αντιμετωπίσουμε μαζί και να προσπαθήσουμε να το μειώσουμε. Εντούτοις η όξινη βροχή δεν δημιουργεί μόνο αυτά τα προβλήματα. Προκαλεί πολλά ακόμη προβλήματα όπως είναι η δηλητηρίαση του αργιλίου. Η όξινη βροχή είναι λοιπόν θανάσιμη. [38] Η όξινη βροχή είναι οτιδήποτε πέφτει από τον ουρανό πάνω στον πλανήτη μας, η βροχή, το χιόνι, η υγρασία κλπ, και που είναι αφύσικα όξινα. Να μη την συγχέουμε με τη μη μολυσμένη βροχή που πέφτει, γιατί εκείνη η βροχή είναι φυσικώς ελαφρώς όξινη. Προκαλείται από τη σημερινή βιομηχανία που χρησιμοποιεί πολλές χημικές ουσίες για να κατασκευάζει διάφορα προϊόντα. Εντούτοις λόγω της δυσκολίας και του κόστους των προϊόντων εκπέμπονται συχνά στην ατμόσφαιρα, με ελάχιστη ή καμία επεξεργασία, πολλές χημικές ουσίες. [37] Εικόνα 31 : όξινη βροχή 60

62 8. Λιθάνθρακας Ο λιθάνθρακας ιζηματογενές πέτρωμα μαύρου χρώματος και σκληρής υφής. Είναι καλύτερης ποιότητας από τον Λιγνίτη. Καίγεται με μια γαλάζια φλόγα και χρησιμοποιείται ευρύτατα σαν καύσιμο υλικό. Σχηματίζεται από την εξανθράκωση φυτικής ύλης μέσα στη γη. Κύριο συστατικό του είναι ο άνθρακας, ο οποίος αποτελεί το 50% του βάρους του και άνω του 70% του όγκου του πετρώματος. [40] Εικόνα 32 : Λιθάνθρακας Δημιουργία Λιθάνθρακα Με ξηρή απόσταξη του λιθάνθρακα παίρνουμε το κοκ, την λιθανθρακόπισσα, την αμμωνία και αέριες ενώσεις που αποτελούν το φωταέριο [40]. Η ενέργεια του προέρχεται από την ενέργεια που αποθηκεύεται από τα φυτά που ζούσαν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν, όταν η γη ήταν εν μέρει καλυμμένη με υγροτοπικά δάση. [41] 61

63 8.2 Εξόρυξη Λιθάνθρακα Χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι: α) Η Επιφανειακή εξόρυξη και β) Η Υπόγεια εξόρυξη. Η επιλογή καθορίζεται βασικά από την υψομετρική χωροθέτηση του κοιτάσματος και το σχετικό κόστος. 1. Επιφανειακή Εξόρυξη Είναι η πιο ευρύτερα διαδεδομένη μέθοδος εξόρυξης γιατί είναι φθηνότερη από την υπόγεια. Το κόστος της υπόγειας εξόρυξης θα είναι κατά 1 έως 1,5$ ανώτερο του κόστους της επιφανειακής εξόρυξης [42]. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται όταν ο λιθάνθρακας είναι θαμμένος σε βάθος κάτω από 200 πόδια. Γιγάντια μηχανήματα αφαιρούν το υπερκείμενο έδαφος και τα στρώματα των πετρωμάτων που είναι γνωστά ως υπερκείμενα για να εμφανίσουν το λιθάνθρακα. Μετά την εξόρυξη του λιθάνθρακα ο λάκκος που έχει σκαφτεί γεμίζεται με το χώμα και τα πετρώματα που αφαιρέθηκαν κατά την εξόρυξη και η περιοχή μεταφυτεύεται. 2. Υπόγεια Εξόρυξη Σε πολλές περιπτώσεις η απόφαση της υπόγειας λειτουργίας είναι επιτακτική ανάγκη, αφού συνδέεται με την προστασία του περιβάλλοντος και τη μείωση της ρύπανση της ατμόσφαιρας από σκόνη, θορύβους και άλλες δυσάρεστες καταστάσεις. Τα αποθέματα της επιφανειακής όρυξης εξαντλούνται, έτσι ώστε πολύ σύντομα τα αδρανή υλικά θα χαρακτηριστούν ως προϊόντα σε ανεπάρκεια, εκτός αν καταργηθούν οι προστατευτικές διατάξεις και αγνοηθούν οι επιπτώσεις στο περιβάλλον. 62

64 Είναι γνωστό, ότι η υπόγεια εξόρυξη απαιτεί μια διαφορετική θεώρηση, από ότι η υπαίθρια εξόρυξη. Η υπόγεια εξόρυξη λόγω της φύσεώς της απαιτεί εντονότερη εργασιακή προσπάθεια, που οφείλεται στα πρόσθετα κατασκευαστικά μέτρα, όπως είναι η ενίσχυση της οροφής με ισχυρά βλήτρα, η άμεση προστασία των παρειών και ο επαρκής αερισμός. Ο αερισμός, η άντληση μεγαλυτέρων ποσοτήτων νερού, και το πολύπλοκο ηλεκτρικό δίκτυο και το σύστημα επικοινωνίας είναι ακριβές διαδικασίες, οι οποίες δεν απαιτούνται στην υπαίθρια εξόρυξη. Επίσης απαιτείται συντήρηση των υπογείων στοών προσπελάσεως των θέσεων εξορύξεως. Το κόστος είναι ανάλογο προς την παραγωγικότητα. Εικόνα 33 : Εξόρυξη Λιθάνθρακα Επεξεργασία Μεταφορά Όταν ο λιθάνθρακας βγει από το έδαφος, συνήθως οδηγείται σε έναν ιμάντα μεταφοράς και από εκεί πηγαίνει στο εργοστάσιο όπου καθαρίζεται από την ύπαρξη άλλων βράχων ή χώματος και επίσης από τέφρα, θείο, και άλλες άχρηστες ύλες. Έτσι αυξάνεται η αξία θέρμανσης του λιθάνθρακα. 63

65 Εικόνα 34 : Μεταφορά Λιγνίτη με τρένο. Εικόνα 35 : Μεταφορά Λιγνίτη με τρένο. 64

66 8.4 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Η διαδικασία μετατροπής του λιθάνθρακα σε ηλεκτρική ενέργεια είναι παρόμοια με την διαδικασία του πετρελαίου και του φυσικού αερίου. 1. Μία μηχανή κονιορτοποιεί τον λιθάνθρακα. 2. Η σκόνη του αναμειγνύεται με ζεστό αέρα, ο οποίος βοηθάει στο να καεί ο λιθάνθρακας πιο αποτελεσματικά. Στη συνέχεια το μίγμα αυτό πηγαίνει στο φούρνο. 3. Με την καύση του θερμαίνεται το νερό που βρίσκεται σε ένα λέβητα, για την δημιουργία ατμού. 4. Ο ατμός που εκλύεται από τον λέβητα πηγαίνει σε μια τουρμπίνα, μετατρέποντας την θερμική ενέργεια σε μηχανική με την κίνηση τους τουρμπίνας. 5. Η ενέργεια από την περιστροφή τους τουρμπίνας τροφοδοτεί μια γεννήτρια, ο μηχανισμός τους γεννήτριας μετατρέπει την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Αυτό συμβαίνει όταν περιστρέφονται οι μαγνήτες μέσα στο χάλκινο πηνίο τους γεννήτριας. 6. Τους συμπυκνωτής ψύχη τον ατμό που διακινούνταν μέσα στη τουρμπίνα. Όταν συμπυκνωθεί επιστρέφει πίσω στον λέβητα υπό την μορφή υγρού. [46] 8.5 Κόστος Παραγωγής Η εισαγωγή του λιθάνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο τους χώρας δικαιολογήθηκε, μεταξύ άλλων και λόγω του χαμηλού κόστους του καυσίμου αυτού. 65

67 Είναι χαρακτηριστικό ότι, σε αίτηση για απόκτηση άδειας παραγωγής που υποβλήθηκε τον Μάρτιο του 2007,καταγραφονται τα εξής κόστη: Κεφαλαιουχικό κόστος επένδυσης: 1,5 εκατ. /MW Κόστος καυσίμου: /tn CO 2 (επιβαλλόμενο μόνο το 10-30% των συνολικών εκπομπών). Κόστος συντήρησης και λειτουργίας: /MW Με βάση τα στοιχεία αυτά εκτιμήθηκε ότι το κόστος παραγωγής τους ενεργείας θα ανερχόταν σε 4,3-5,15 λεπτά ανά κιλοβατώρα. Ενάμιση χρόνο μετά τα δεδομένα άλλαξαν δραματικά: Κεφαλαιουχικό κεφάλαιο: 1,7 εκατ. /MW (εύρος 1,7-3,55 εκατ. /MW ανάλογα με την τεχνολογία του σταθμού και το αν διαθέτει σύστημα κατακράτησης του διοξειδίου του άνθρακα ή όχι). Κόστος καυσίμου: 135 /MW (τιμές , DES ARA Index ). Κόστος δικαιωματικών εκπομπών: 40 /CO2 (επιβαλλόμενο στο 100% των συνολικών εκπομπών σύμφωνα με την κομισιόν τους ). Κόστος συντήρησης και λειτουργίας: /MW. Με βάση τα παραπάνω, το κόστος παραγωγής τους ενέργειας ανέρχεται (το φθινόπωρο του 2008) σε 9,8 λεπτά ανά κιλοβατώρα. Αυξημένο κατά % σε σχέση με ενάμιση χρόνο πριν. [47] 66

68 8.6 Μόλυνση Περιβάλλοντος Τα προβλήματα που δημιουργούνται στο περιβάλλον από την καύση του λιθάνθρακα είναι πολλαπλάσια από εκείνα των μονάδων φυσικού αερίου. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι εκπομπές μιας λιθανθρακικής μονάδας ανά παραγόμενη κιλοβατώρα, συγκριτικά με τους μονάδες αερίου, είναι διπλάσιες σε διοξείδιο του άνθρακα, πενταπλάσιες σε οξείδια του θείου και τετραπλάσιες σε οξείδια του αζώτου. Τους, έχουν πολύ υψηλές εκπομπές σε αιωρούμενα σωματίδια και ιπτάμενη τέφρα. Αναλυτικά οι επιπτώσεις έχουν ως εξής: 1. Όξινη βροχή προκαλούμενη από τους τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του θείου και οξειδίων του αζώτου που δημιουργούν στην ατμόσφαιρα όξινες ενώσεις τους θειικό και νιτρικό οξύ, τα οποία συμπαρασύρονται στο έδαφος από την βροχή προκαλώντας ζημιές στο αναπνευστικό σύστημα των έμβιων όντων, στο δέρμα, τους καλλιέργειες και γενικά στην πρωτογενή παραγωγή. Υπολογίζουμε ότι θα παράγονται τόνοι ΝO x και τόνοι SO 2 τον χρόνο. 2. Ιπτάμενα τέφρα υπό μορφή σωματιδίων αναπνεύσιμων που μπορούν να προκαλέσουν καρκίνο του πνεύμονα. Οι επιδημιολογικές έρευνες στην Κοζάνη και την Πτολεμαΐδα μπορούν να προσφέρουν θλιβερά και αποτρεπτικά συμπεράσματα. Υπολογίζεται εκπομπή τόνων αιωρούμενων σωματιδίων. 3. Στην ιπτάμενη τέφρα προστίθεται και η σκόνη από την αποθήκευση και διακίνηση τόνων λιθάνθρακα τον χρόνο που θα καταναλώνει ως 67

69 καύσιμο η μονάδα αυτή. Τους σημειωθεί ότι το μόνιμο απόθεμα λιθάνθρακα θα είναι τόνοι, οι οποίοι θα προκαλούν αντίστοιχη σκόνη. 4. Η μονάδα θα παράγει ως κύριο στερεό απόβλητο στάχτη που υπολογίζεται να αποτελεί το 20% τους καύσιμης ύλης δηλαδή ποσότητα τόνων το χρόνο. Μαζί με τα υπόλοιπα στερεά απόβλητα θα πρέπει να εναποτίθενται σε ειδικά διαμορφωμένο και αδειοδοτημένο ΧΥΤΑ συνολικής χωρητικότητας για τα χρόνια που θα λειτουργεί ο σταθμός πάνω από κυβ. μέτρα. Τους χώρος τους περιοχής περίπου στρέμματα θα καταστραφεί. 5. Υπολογίζεται ότι για την ψύξη θα χρησιμοποιείται θαλάσσιο νερό ποσότητας κυβ. μέτρων/χρόνο το οποίο θα απορρίπτεται πίσω από μέση θερμοκρασία βαθμούς Κελσίου το λιγότερο, με ανυπολόγιστες ζημιές στον ενάλιο πλούτο και την θαλάσσια πανίδα και χλωρίδα. 6. Ο λιθάνθρακας τους περιλαμβάνει χαμηλές ποσότητες ουρανίου, θορίου και άλλων ραδιενεργών ισοτόπων που συναντάμε στην φύση σαν ιχνοστοιχεία. Τους παρά το γεγονός ότι οι ουσίες αυτές εμφανίζονται σαν προσμείξεις ιχνοστοιχείων, η μεγάλη ποσότητα λιθάνθρακα που καίγεται μπορεί να δημιουργήσει σημαντική ραδιενεργή ρύπανση. 7. Ιχνοστοιχεία υδραργύρου μπορεί να υπάρχουν στον λιθάνθρακα. Η καύση του θα προκαλέσει εκπομπές υδραργύρου που είναι ένα νευροτοξικό βαρύ μέταλλο με την ιδιότητα να συσσωρεύεται στην τροφική αλυσίδα και ιδιαίτερα επικίνδυνο στα υδατικά οικοσυστήματα. 68

70 8.6.1 Ρύποι Λιθανθρακικού Σταθμού Ηλεκτροπαραγωγής Τους παρακάτω πίνακες θα δούμε τους ρύπους που εκλύονται από ένα λιθανθρακικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 600 MW με υψηλή απόδοση 43% και σύγχρονα μηχανήματα. Εκπομπές ρύπων από ηλεκτροπαραγωγή με λιθάνθρακα Ισχύς σταθμού (MW) 600 Ετήσια κατανάλωση λιθάνθρακα (σε τόνους) Ετήσια παραγόμενη ενέργεια (δις κιλοβατώρες TWh) ,87 Εκπομπές ρύπων Τόνοι / έτος (t/y) Γραμμάρια / Κιλοβατώρα (g / kwh) Εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2) Εκπομπές διοξειδίου του θείου (SO 2) Εκπομπές οξειδίων του αζώτου (Nox) , ,67 69

71 Εκπομπές σωματιδίων (ΤSP) Εκ των οποίων εκπομπές -μικροσωματιδίων PM 10 - μικροσωματιδίων PM 2, ,14 0,10 0,07 Αέριες εκπομπές τοξικών μετάλλων Κιλά / έτος (kg / y) Μιλιγραμμάρια / κιλοβατώρα (mg / kwh) Εκπομπές υδραργύρου 10,5 0,0027 Εκπομπές καδμίου 7,75 0,0020 Εκπομπές αρσενικού 205 0,0530 [45] Εικόνα 36 : [44] 70

72 9. Βιομάζα Με τον όρο βιομάζα ορίζεται το σύνολο της ύλης που έχει οργανική (βιολογική) προέλευση, εξαιρώντας τα ορυκτά καύσιμα. 9.1 Γενικά Στοιχεία Με βάση τον ορισμό αυτό, περιλαμβάνεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα από φυτική ή ζωική ύλη, όπως φυτικές ύλες από φυσικά οικοσυστήματα ή από ενεργειακές καλλιέργειες, καθώς και τα υπολείμματα της εκμετάλλευσης τους, τα υποπροϊόντα της δασικής, γεωργικής, κτηνοτροφικής και αλιευτικής παραγωγής, αλλά και το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και απορριμμάτων. Η ενέργεια βιομάζας δημιουργείται με τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε χημική μέσω της φωτοσύνθεσης και αποταμιεύεται στις οργανικές δομές των ιστών των ζώντων οργανισμών. Εικόνα 37 : Παραγωγή Ηλεκτρισμού από Βιομάζα. 71

73 Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας περιλαμβάνει τεχνολογίες: Θερμικής επεξεργασίας της βιομάζας, η οποία παρέχει τη δυνατότητα Είτε άμεσης εκμετάλλευσης του θερμικού περιεχομένου της σε μονάδες καύσης ή συνδυασμένης καύσης με ορυκτά καύσιμα, Είτε έμμεσης εκμετάλλευσης σε εγκαταστάσεις πυρόλυσης ή εξαερίωσης όπου παράγεται αέριο προϊόν που μετά τον καθαρισμό του αποτελεί άριστη καύσιμη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Βιοαποικοδόμησης της βιομάζας μέσω της οποίας παράγεται καύσιμο βιοαέριο. Φυσικής και χημικής επεξεργασίας της που οδηγεί στην παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων, όπως βιοντήζελ που μπορεί να τροφοδοτήσει κινητήρες εσωτερικής καύσης. [48] 9.2 Παραγωγή Βιοκαυσίμων Εικόνα 38 : Παραγωγή Βιοκαυσίμων. 72

74 9.2.1 Παραγωγή Βιοντίζελ Ο συνηθέστερος τρόπος να παραχθεί βιοντίζελ είναι η μετεστεροποίηση, οι οποία αναφέρεται σε μια καταλυτική χημική αντίδραση που περιέχει φυτικό έλαιο και μία αλκοόλη ώστε να παραχθούν αλκυλικοί εστέρες λιπαρών οξέων (δηλαδή βιοντίζελ) και γλυκερόλη. Τα τριγλυκερίδια, το βασικό συστατικό των φυτικών ελαίων, περιέχουν τρεις μακριές αλυσίδες λιπαρών οξέων εστεροποιημένων στη σπονδυλική στήλη μίας γλυκερόλης. Όταν τα τριγλυκερίδια αντιδρούν με μία αλκοόλη (πχ μεθανόλη), οι τρεις αλυσίδες λιπαρών οξέων απελευθερώνονται από το σκελετό της γλυκερόλης και ενώνονται με μία αλκοόλη για αν παράγουν αλκυλικούς εστέρες λιπαρών οξέων (πχ μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων ή FAME). Η γλυκερόλη παράγεται ως παραπροϊόν. Η μεθανόλη είναι η συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη αλκοόλη λόγω του χαμηλού κόστους της. Γενικά, χρησιμοποιείται μεγάλη ποσότητα μεθανόλης για να μετατοπιστεί η ισορροπία πολύ προς τα δεξιά. [49] Ένας άλλος τρόπος μετατροπής της βιομάζας σε υγρό καύσιμο είναι η πυρόλυση. Περιλαµβάνει τη θέρµανση απουσία οξυγόνου, ή την καύση µε περιορισµένη παροχή οξυγόνου και οδηγεί στην παραγωγή ενός αερίου μίγµατος υδρογονανθράκων, ενός ελαιώδους υγρού και ενός στερεού υπολλείµατος μεγάλης περιεκτικότητας σε άνθρακα. Η χρήση καταλυτών μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα των υγρών προϊόντων ελαττώνοντας την ποσότητα των καρβονυλίων και αυξάνοντας τη σταθερότητα των προϊόντων. Η πυρόλυση βιοµάζας έχει μέχρι στιγµής μελετηθεί σε διάφορους τύπους αντιδραστήρων, όπως: ρευστοστερεάς κλίνης, κυκλωνικοί και αντιδραστήρες κενού. Οι μεγάλης κλίµακας εφαρµογές είναι γενικά περιορισµένες εξαιτίας των σηµαντικών λειτουργικών προβληµάτων που έχουν εµφανίσει αλλά και 73

75 του υψηλού κόστους που απαιτείται για την αναβάθµιση των προϊόντων της πυρόλυσης.[ [50] Παραγωγή Βιοαερίου Εικόνα 39 Κατ αρχήν η βιομάζα τεμαχίζεται σε διάφορα μεγέθη, ανάλογα με την προέλευση της, και συσσωρεύεται σε ένα χώρο στον οποίο αναμειγνύεται με νερό ώστε να καταστεί δυνατή η μεταφορά της με αντλία στον ομογενοποιητή. Εκεί προστίθεται και άλλο νερό και η βιομάζα αναμειγνύεται πολύ καλά με τον αναμικτήρα ώστε να γίνει σχετικά λεπτόρρευστη και να έχει περίπου την ίδια πυκνότητα σε ολόκληρη την μάζα της, και από τον ομογενοποιητή με την βοήθεια 74

76 αντλιών οδηγείται προς εξυγίανση σε κατάλληλη διάταξη στην οποία θερμαίνεται περίπου για μια ώρα στους 70 C ώστε στο τέλος να έχουν σκοτωθεί όλα τα μικρόβια. Προηγουμένως έχει προστεθεί και η ρευστή βιομάζα των ζώων εάν διατίθεται αυτό το είδος της βιομάζας και ακολούθως μέσω αντλίας διοχετεύεται το μείγμα στους βιοαντιδραστήρες στους οποίους παράγονται το βιοαέριο και το λίπασμα σε υγρή κατάσταση. Προηγουμένως η βιομάζα θερμαίνεται στη μεσόφιλη περιοχή, περίπου στους C με εναλλάκτη θερμότητας. Το παραγόμενο βιοαέριο έχει την εξής σύνθεση: Μεθάνιο CH % κατ όγκο 4 Διοξείδιο του άνθρακα CO %» 2 Υδρατμοί H O 2-7 %» 2 Υδρόθειο H S ppm 2 Άζωτο N < 2 % κατ όγκο 2 Υδρογόνο H < 1 %» 2 Η παραγωγή του βιοαερίου με το μεθάνιο να αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος είναι μια διεργασία η οποία λαμβάνει χώρα στους βιοαντιδραστήρες κατά την ζύμωση με την βοήθεια μικροοργανισμών, των βακτηριδίων. Ιδιαίτερα τα μεθανοβακτηρίδια ευδοκιμούν σε αναερόβια ατμόσφαιρα διότι η ύπαρξη του οξυγόνου όχι μόνο επιβραδύνει σημαντικά την δράση τους αλλά μπορεί ακόμη και να τα σκοτώσει. Η διεργασία μέσα στον βιοαντιδραστήρα με τελικό αποτέλεσμα την μεθανογέννηση διακρίνεται σε τέσσερις φάσεις: Η πρώτη φάση είναι η υδρόλυση κατά την οποία από τις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες και τα λίπη που περιέχονται στη βιομάζα, παράγονται αμινοξέα, 75

77 σάκχαρα και λιπαρά οξέα. Ακολουθεί η δεύτερη φάση με τον σχηματισμό των οξέων τα οποία είναι οργανικά οξέα, αλκοόλες και αλδεΰδες, ενώ στην τρίτη φάση παράγεται το οξικό οξύ, το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα από τα οποία στην τελευταία και τέταρτη φάση προκύπτει το μεθάνιο. Οργανική Ύλη + H 2 O + Θρεπτικές Ουσίες = Νέα Οργανική Ύλη + CO 2 + CH 4 + NH 3 + H 2 S + Θερμότητα 9.3 Παραγωγή Ηλεκτρισμού (τρι-παραγωγή) Ως τρι-παραγωγή ορίζεται η παραγωγή τριών μορφών ενέργειας από μία εγκατάσταση. Συνήθως η τρι-παραγωγή αφορά την παραγωγή ηλεκτρισμού, θερμότητας και ψύξης από την ίδια εγκατάσταση. Το καύσιμο που χρησιμοποιείται κατά κόρον σε τέτοιου είδους εγκαταστάσεις είναι το φυσικό αέριο. Θα μπορούσε όμως κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί και η βιομάζα ως πρωτογενές καύσιμο για την συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμοκρασίας, για παράδειγμα με αεριοποίηση και στη συνέχεια καύση του αερίου σε μηχανή εσωτερικής καύσης. Η απορριπτόμενη θερμότητα από τη μηχανή εσωτερικής καύσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτούσια από κάποιον καταναλωτή θερμότητας, ή να μετατραπεί σε ψύξη μέσω ψυκτών απορρόφησης. Η παραγόμενη ψύξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές κλιματισμού χώρων, αλλά και σε βιομηχανικές διεργασίες. 76

78 Εικόνα Αποδόσεις Γνωστές οργανικές ύλες της καθημερινότητας (βιομάζα καθαρής ύλης) έχουν την ακόλουθη δυνατότητα μεθανογένεση : απόβλητα χοιροστασίων 36m3, κατάλοιπα λαχανικών 65m3, οργανικά αστικά κατάλοιπα 115m3, μελάσα 228m3, φύλλα δέντρων 270m3, απόβλητα σφαγίων 460m3 και χρησιμοποιημένα λάδια 800m3. Ένα παράδειγμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ορισμένα απόβλητα που συναντώνται σε πολλές περιοχές της χώρας μας. Τόνοι Πρώτες ύλες KWH CALORIES Λυματολάσπη Απόβλητα σφαγίων Καμένα λάδια

79 Οργανικά στερεά απόβλητα Κατσίγαροι Σύνολο: Στην πραγματικότητα, τόνοι μειγμάτων αποβλήτων υγρών και στερεών αποδίδουν περίπου MWh. [51] Εικόνα 41 : Εργοστάσιο Βιομάζας 9.5 Κόστος Ένας πρόχειρος υπολογισμός δίνει τα ακόλουθα: Με εκμετάλλευση μόνο του 25% ( tn) της ετήσιας παραγόμενης βιομάζας βάμβακος στην περιοχή της Καρδίτσας ( tn)έχουμε παραγωγή ενέργειας περίπου ίσης με ( kg)*(15.000kj/kg)= kj/έτος ή Gj. Λαμβάνοντας υπ όψη το συνήθη τελικό βαθμό ηλεκτρικής απόδοσης των μονάδων συμπαραγωγής (~30%) έχουμε τελικά: ( Gj*(30%)/3600=187,5GWh ολική παραγόμενη ενέργεια ετησίως δηλαδή ένα σημαντικό ποσό. Αν πολλαπλασιάσουμε 78

80 την τιμή αυτή με περίπου 0,08 ανά KWh ( τιμή καταναλωτή) βρίσκουμε ένα αξιόλογο ποσό οικονομικού οφέλους από το έργο: 0,08*10 6 *187,5=15 εκ ετησίως. Βλέπουμε λοιπόν πως τα οφέλη που θα μπορούσαν να προέλθουν από την εκμετάλλευση της βιομάζας είναι πολλαπλά. [48] 9.6 Βιομάζα και Περιβάλλον 1. Η καύση της βιομάζας έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου επειδή οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται πάλι από τα φυτά για την δημιουργία της βιομάζας. 2. Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα συμβάλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO 2 ) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. 3. Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίηση της σε ενέργειας συμβάλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. 4. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μία περιοχή, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με την χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.α) και την συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικο-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά 79

81 αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στον βιομηχανικό τομέα. Από την άλλη: 1. Ο αυξημένος όγκος και η μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα δυσχεραίνουν την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. 2. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της βιομάζας δυσκολεύουν την συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας. 3. Βάση των παραπάνω παρουσιάζονται δυσκολίες κατά τη συλλογή, μεταφορά και αποθήκευση της βιομάζας που αυξάνουν το κόστος της ενεργειακής αξιοποίησης. 4. Οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων. Εικόνα 42 : Ο κύκλος της βιομάζας 80

82 10. Πυρηνική Ενέργεια Πυρηνική ενέργεια είναι η ενέργεια που παράγεται από τον πυρήνα των ατόμων. Υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής τέτοιας ενέργειας. Η πυρηνική σχάση και η πυρηνική σύντηξη. Και οι δύο ερευνήθηκαν τον 20 ο αιώνα αλλά μόνο η πρώτη έχει εφαρμοστεί μέχρι στιγμής για την παραγωγή ενέργειας και άλλους σκοπούς. [52] 10.1 Δημιουργία Πυρηνικής Ενέργειας Η πυρηνική σχάση είναι η διαίρεση ενός ατόμου με ιδιαίτερα βαρύ πυρήνα σε δύο, γενικά, πυρήνες ελαφρύτερων στοιχείων με ταυτόχρονη έκλυση σημαντικής ποσότητας ενέργειας. Η διαίρεση γίνεται με τη σύγκρουση μεταξύ του πυρήνα και ενός σωματιδίου (π.χ ένα νετρόνιο) όπότε παράγονται δύο περίπου ισοβαρείς πυρήνες, εκλύεται ενέργεια με τη μορφή θερμότητας και ακτινοβολίας καθώς και δύο ή περισσότερα νετρόνια (ακτίνες γ). Τα ελεύθερα αυτά νετρόνια είναι ικανά να προκαλέσουν τη διάσπαση άλλων πυρήνων. Η ακολουθία τέτοιων διασπάσεων (σχάση) ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Ένα κλασικό παράδειγμα φαίνεται στο επόμενο σχήμα (τα παράγωγα στοιχεία μπορεί να είναι διαφορετικά π.χ 140 Xe και 94 Sr): Εικόνα 43 : Πυρηνική Σχάση 81

83 Το συνηθέστερο στοιχείο που διασπάται είναι το ισότοπο Ουράνιο 236 (U 236 ) που προκύπτει από το U 235 αφού προσλάβει το επιπλέον ελεύθερο νετρόνιο που προκαλεί τη σύγκρουση. Η κανονική μορφή του Ουρανίου είναι το U 238 (99.27%) ενώ το χρήσιμο U 235 αποτελεί μόλις το 0.72%. Γι'αυτό σε κάποιους αντιδραστήρες χρησιμοποιείται επεξεργασμένο ουράνιο με αυξημένο ποσοστό (2-5%) του ισοτόπου που ονομάζεται εμπλουτισμένο. Ένας συνηθισμένος πυρήνας ουρανίου (U 238 ) μπορεί και αυτός να διασπαστεί αλλά σε πιο δύσκολες συνθήκες ή να μεταπέσει σε πλουτώνιο (Pu 239 ) το οποίο μπορεί και αυτό με τη σειρά του να διασπαστεί. Στο τέλος του κύκλου ζωής ενός αντιδραστήρα και καθώς έχει αυξηθεί σταδιακά η ποσότητα πλουτωνίου στο καύσιμο, η σχάση του προσφέρει περίπου το 30% της παραγόμενης ενέργειας. Απαιτούνται περίπου 3*10 10 σχάσεις για την παραγωγή 1J αξιοποιήσιμης ενέργειας. Δεδομένου ότι υπάρχουν 2.55*10 21 πυρήνες σε κάθε γραμμάριο μετάλλου, η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται είναι εντυπωσιακή. Παρ'όλα αυτά η ποσότητα αποβλήτων είναι μεγάλη γιατί ο χρόνος ζωής των ισοτόπων είναι 0.7 δισεκατομμύρια χρόνια για το U 235 και 6 φορές περισσότερο για το U 238. Αυτό μαζί με τον κίνδυνο έκρηξης από ένα ατύχημα και οι συνέπειές του (ραδιενεργό νέφος κ.λ.π) είναι τα μειονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας με σχάση. Η έρευνα πλέον στον τομέα της πυρηνικής ενέργειας αφορά στη βελτίωση των χαρακτηριστικών των αντιδραστήρων όχι μόνο στα λειτουργικά τους χαρακτηριστικά αλλά και σε τομείς όπως η ασφάλεια και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον. Στα πλαίσια αυτά δοκιμάζονται ακόμα και εφαρμογές που εγκαθίστανται 82

84 σε πλοία. Υπάρχουν διαφορετικά είδη αντιδραστήρων κυρίως ανάλογα με το υλικό που περιβάλλει τον αντιδραστήρα και με τον τρόπο που αυτός ψύχεται. Έτσι, υπάρχουν οι αντιδραστήρες που έχουν νερό υπό πίεση για την περιβολή του αντιδραστήρα και ελαφρύ ή βαρύ ύδωρ για την ψύξη, άλλοι χρησιμοποιούν μέταλλα (μόλυβδο) ή αέρια (ήλιο) ενώ η ψύξη είναι εφικτή και με τηκώμενα άλατα. Τέλος ένας ακόμα πρωτοποριακός αντιδραστήρας είναι ο αντιδραστήρας Radkowsky με καύσιμο το θόριο που σαν καύσιμο έχει ένα συνδυασμό ουρανίου - θορίου με ειδική μορφή. Η πυρηνική σύντηξη ο τρόπος που παράγουν ενέργεια τα άστρα. Είναι η ένωση πυρήνων ελαφρών στοιχείων σε βαρύτερα που επιτυγχάνεται όταν τα σωματίδια αποκτήσουν μεγάλη ενέργεια (λόγω θέρμανσης). Τα στοιχεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν καύσιμα είναι δύο ισότοπα του υδρογόνου. Το δευτέριο H 2 και το τρίτιο H 3 (άτομα υδρογόνου με ένα και δύο νετρόνια, αντίστοιχα, στον πυρήνα τους σε σχέση με το συνηθισμένο Η που δεν έχει νετρόνια στον πυρήνα του). Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μπορούν να περιγραφούν: Εικόνα

85 H 2 + H 2 à He 3 + n + 3.3MeV H 2 + H 2 à H 3 + H + 4.0MeV Αν το καύσιμο είναι μίγμα δευτερίου και τριτίου τότε έχουμε και: H 2 + H 3 à He 4 +n MeV Όπου το n είναι ένα ελεύθερο νετρόνιο και το He 4 είναι ισότοπο ηλίου (σωματίδιο άλφα). Το δευτέριο υπάρχει στη φύση σε μικρά ποσοστά αλλά μπορεί να απομονωθεί και να παραχθούν ικανοποιητικές ποσότητες. Το τρίτιο υπάρχει σε πολύ μικρότερες ποσότητες γι'αυτό παράγεται βιομηχανικά από λίθιο το οποίο υπάρχει σε ικανοποιητικές ποσότητες στον φλοιό της γης (χρησιμοποιείται και για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας από σχάση). Η αντίδραση είναι: Li 6 + n à He 4 + H 3 ή και από το ισότοπο τριτίου Li 7 + n à He 4 + H 3 + n [52] 10.2 Παραγωγή Ηλεκτρισμού από Πυρηνικά Οι διάφοροι τύποι πυρηνικών σταθμών λειτουργούν με βάση την αρχή ότι ελάχιστες ποσότητες ραδιενεργού ύλης μπορούν να μετατραπούν σε τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Αυτό γίνεται ως εξής: Όταν ένα νετρόνιο προσκρούσει στον πυρήνα ενός ατόμου, τον διασπά, με αποτέλεσμα να απελευθερωθούν περισσότερα νετρόνια. Αυτά προσκρούουν σε άλλους πυρήνες, τους διασπούν κ.λ.π. και έτσι προκύπτει μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αν η πυρηνική αντίδραση είναι ανεξέλεγκτη, 84

86 τότε προκαλείται τρομερή έκρηξη. Στο φαινόμενο αυτό άλλωστε βασίζεται η λειτουργία των πυρηνικών όπλων. Ο έλεγχος της αντίδρασης, για την παραγωγή ωφέλιμης ενέργειας, γίνεται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ειδικές ράβδοι βορίου στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, περιορίζουν τη διάσπαση νέων πυρήνων. Το στοιχείο που χρησιμοποιείται ως καύσιμο στους πυρηνικούς αντιδραστήρες είναι το ουράνιο 235. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, το ουράνιο υπερθερμαίνεται. Το ψυκτικό μέσο (υγρό ή αέριο) που κυκλοφορεί στον αντιδραστήρα, απορροφά την παραγόμενη θερμότητα και θερμαίνει το νερό ενός λέβητα. Ο ατμός που παράγεται κινεί τους στροβίλους και μέσω αυτών και τις γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. [53] 10.3 Ουράνιο Το Ουράνιο είναι χημικό στοιχείο στη σειρά των ακτινίδων, με ατομικό αριθμό 92 και ατομικό βάρος 238,02891 g/mol. Έχει θερμοκρασία τήξης K (1132,2 C ). Το ουράνιο είναι βαρύ, αργυρόλευκο, τοξικό, με μεταλλική λάμψη. Είναι ραδιενεργό και αναφλέγεται εύκολα σε λεπτό διαμερισμό. Το ισότοπό του 235 U χρησιμοποιείται ως "καύσιμο" σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και ως σχάσιμο υλικό σε πυρηνικά όπλα. Το απεμπλουτισμένο ουράνιο χρησιμοποιείται σε εμπρηστικά βλήματα. Το ουράνιο βρίσκεται συνήθως σε μικρές ποσότητες στα πετρώματα, στο χώμα, στο νερό, και σε ίχνη στα φυτά και στα ζώα (συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου). [54] 85

87 Εικόνα 45 : Ουράνιο Ιστορικό Ουρανίου Το ουράνιο εντοπίστηκε από το γερμανό χημικό Μάρτιν Κλάπροτ (Martin Klaproth) το 1789 στο ορυκτό πισσουρανίτη. Ο Κλάπροτ απέτυχε να το απομονώσει. Αυτό επιτεύχθηκε το 1841 από τον Peligot, ο οποίος πέτυχε να αναγάγει το ουράνιο από το άνυδρο χλωρίδιό του χρησιμοποιώντας κάλιο. Ονομάστηκε ουράνιο επειδή είχε εντοπιστεί μερικά χρόνια πριν στον πλανήτη Ουρανό. [54] Προέλευση Ουρανίου Απαντάται ως συστατικό πετρωμάτων, ανευρίσκεται στο νερό θαλασσών και λιμνών και σε ίχνη στους ζωντανούς οργανισμούς. Κυριότερα ορυκτά του είναι ο πισσουρανίτης (UO 2 ), o ωτουνίτης (Ca(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2. 10H 2 O) και ο καρνοτίτης (K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2.1-3H2O). [54] Παρασκευές Ουρανίου Το ουράνιο μπορεί να απομονωθεί από τα ορυκτά του αλλά και από άλλες φυσικές πηγές, όπως ο λιγνίτης ή η μοναζιτική άμμος. Παρασκευάζεται από τις ενώσεις του με αλογόνα με αναγωγή με αλκάλια ή αλκαλικές γαίες, αργίλιο ή και άνθρακα. Μπορεί, επίσης, να παρασκευασθεί με ηλεκτρόλυση φθοριούχων ενώσεών 86

88 του όταν αυτές προστεθούν σε τήγμα μίγματος χλωριούχου νατρίου και χλωριούχου ασβεστίου. Υψηλής καθαρότητας ουράνιο λαμβάνεται με αναγωγή αλογονιδίων του από διάπυρο σύρμα. [54] Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες Είναι βαρύ, αργυρόλευκο μέταλλο με ισχυρή λάμψη και ελάχιστα λιγότερο σκληρό από το χάλυβα. Σε λεπτό διαμερισμό αυταναφλέγεται στον αέρα, δημιουργώντας κινδύνους πυρκαγιάς. Η ιδιότητά του αυτή το κάνει κατάλληλο για χρήση σε εμπρηστικές βόμβες. Σε θερμοκρασία δωματίου επικαλύπτεται από λεπτότατο στρώμα οξειδίου του, το οποίο το προστατεύει από περαιτέρω οξείδωσή του. Προσβάλλεται από το νερό μόνον όταν είναι σε πολύ λεπτό διαμερισμό. Τα οξέα προσβάλλουν, επίσης, το ουράνιο, όχι όμως και τα καυστικά αλκάλια. Το ουράνιο είναι ραδιενεργό στοιχείο, που σημαίνει ότι ο πυρήνας του ατόμου του είναι ασταθής και διασπάται αυτόματα. Το φυσικό ουράνιο είναι μίγμα τριών κυρίως ισοτόπων του: 238 U (~99,2%), 235 U (~0,75%) και 234 U (~0,05%) (και τα τρία είναι ραδιενεργά). Στη διάσπαση πυρήνων ουρανίου και θορίου αποδίδεται, κατά μία θεωρία, η θερμότητα του γήινου πυρήνα. [54] Εικόνα 46 : Ουράνιο 87

89 Χρήσεις Ουρανίου Χρησιμοποιείται δευτερευόντως στην κατασκευή ειδικών τύπων γυαλιού. Κύρια χρήση του είναι η ελεγχόμενη διάσπασή του 235 U σε εργοστάσια παραγωγής ενέργειας (γι' αυτό και αποκαλείται "καύσιμο", χωρίς, φυσικά, να καίγεται) σε ειδικές εγκαταστάσεις, τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Σε μη ελεγχόμενη διάσπαση (ελεύθερη διάσπαση) απελευθερώνει πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας σε πολύ μικρό χρόνο και χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή της ατομικής βόμβας ουρανίου. Χρησιμοποιείται, επίσης, σε λεπτό διαμερισμό και αφού έχουν αφαιρεθεί τα πυρηνικής σημασίας ισότοπά του, στην κατασκευή εμπρηστικών βομβών. Η αφαίρεση των ισοτόπων δεν κάνει τις συνέπειες αυτών των βομβών λιγότερο σημαντικές για το περιβάλλον, αφού όλες οι μορφές ουρανίου είναι ραδιενεργές. [54] 10.4 Υπέρ και Κατά της Πυρηνικής Ενέργειας Ένα από τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας είναι ότι δεν αυξάνει το ποσόν των αερίων που συντελούν στην ανάπτυξη του φαινομένου του θερμοκηπίου. Τα πυρηνικά απόβλητα παράγονται σε μικρές σχετικά ποσότητες, δεν απλώνονται, η δε πυρηνική ενέργεια είναι φτηνή. Υπάρχουν όμως και μειονεκτήματα. Διαρροή ραδιενέργειας μπορεί να προκληθεί από ατύχημα σε ορυχείο ουρανίου, σε σταθμό εμπλουτισμού ουρανίου, κατά τη μεταφορά και αποθήκευση των καυσίμων, στη βιομηχανία πυρηνικών όπλων, στη συλλογή και αποθήκευση των πυρηνικών αποβλήτων, σε πυρηνικό πλοίο ή υποβρύχιο, από την πτώση πυρηνικού δορυφόρου και από ατύχημα σε νοσοκομείο ή ερευνητικό κέντρο που χρησιμοποιεί ραδιενεργά υλικά. Οι μεγαλύτεροι κίνδυνοι υπάρχουν στα ορυχεία, και στους σταθμούς πυρηνικής ενέργειας και επεξεργασίας αποβλήτων. 88

90 Οι σταθμοί πυρηνικής ενέργειας αποτελούν μεγάλο κίνδυνο. Το παραμικρό λάθος στα περίπλοκα συστήματα ενός πυρηνικού σταθμού μπορεί να καταλήξει σε καταστροφή. Το χειρότερο ατύχημα συνέβη στην πρώην Σοβιετική Ένωση, τη σημερινή Ουκρανία, στο Τσερνομπίλ, το Σ' αυτόν τον πυρηνικό σταθμό υπήρχαν 4 αντιδραστήρες, ένας από τους οποίους επρόκειτο να σταματήσει προσωρινά να λειτουργεί για λόγους περιοδικής συντήρησης. Πριν απ' αυτό όμως αποφάσισαν να εξετάσουν για πόσο χρονικό διάστημα ο επιβραδυντής μπορούσε να παράγει ηλεκτρισμό. Η δοκιμή κατέληξε σε τρομερές εκρήξεις που έσπασαν τον αντιδραστήρα, προκάλεσαν φωτιά στο γραφίτη (επιβραδυντή) και έλιωσαν τα πυρηνικά καύσιμα. Από την κατεστραμμένη οροφή υπήρχε διαρροή ραδιενέργειας στη γύρω περιοχή για 10 μέρες. Οι συνέπειες ήταν καταστροφικές. Η περιοχή γύρω από το πυρηνικό εργοστάσιο υπέστη τη χειρότερη έκθεση στη ραδιενεργό σκόνη, αλλά οι διαδικασίες εκκένωσης της περιοχής δεν ξεκίνησαν πριν περάσουν 36 ώρες άνθρωποι εκκένωσαν την περιοχή σε ακτίνα 35 χλμ. Η περιοχή θα είναι ακατάλληλη να κατοικηθεί για τις επόμενες δεκαετίες. Η ραδιενέργεια που διέρρευσε από το πυρηνικό εργοστάσιο σκότωσε εκατοντάδες ανθρώπους και χιλιάδες άλλοι εκτέθηκαν σε υπερβολικά μεγάλες ποσότητες επικίνδυνης ραδιενέργειας. Το πυρηνικό ατύχημα στο Τσερνομπίλ άνοιξε τα μάτια πολλών ανθρώπων και μετά την καταστροφή εμφανίστηκαν σε πολλές χώρες ομάδες κατά της πυρηνικής ενέργειας με αίτημα το κλείσιμο των πυρηνικών εργοστασίων. Το θέμα ανησύχησε και τις κυβερνήσεις, γεγονός που οδήγησε στην τρομερή αύξηση των συστημάτων back-up στα πυρηνικά εργοστάσια και στην προσεκτική επιλογή προσωπικού. [54] 89

91 11. Αιολική Ενέργεια Ο άνεμος είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που μπορεί να αξιοποιηθεί στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι άνθρωποι έχουν ανακαλύψει την αιολική ενέργεια εδώ και χιλιάδες χρόνια. Οι ανεμόμυλοι έδιναν κάποτε κίνηση στις τεράστιες μυλόπετρες, που άλεθαν το σιτάρι μετατρέποντάς το σε αλεύρι. Μικρές αντλίες χρησιμοποιούσαν τη δύναμη του ανέμου για να ανεβάσουν το νερό από τα πηγάδια. Πριν 25 χρόνια περίπου οι πρώτες σύγχρονες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιήθηκαν στις Η.Π.Α. Από τότε πολλές ακόμη έχουν μπει σε λειτουργία σε ολόκληρο τον κόσμο. Εικόνα 47 : Ανεμογεννήτριες Το πρώτο μεταφορικό μέσο χωρίς μυϊκή δύναμη ήταν τα ιστιοφόρα. Το επόμενο στάδιο εκμετάλλευσης ήταν οι ανεμόμυλοι. 90

92 Οι ανεμόμυλοι όμως σήμερα δεν χρησιμοποιούνται για να αλέθουν σιτάρι ή να αρδεύουν καλλιεργήσιμες εκτάσεις, αλλά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όλοι οι ανεμόμυλοι έχουν έλικες με πτερύγια που κινούνται με τον άνεμο που φυσά. Η κατασκευή τους είναι τέτοια, ώστε το σύστημα των πτερυγίων να περιστρέφεται και να είναι πάντοτε αντίθετο στη φορά του ανέμου. Η ταχύτητα του ανέμου είναι συνήθως μικρή και γι αυτό είναι δύσκολο να αξιοποιηθεί όλη η ενέργεια που μεταφέρει ο άνεμος. Ακόμα και οι σημερινοί μοντέρνοι και τεράστιοι ανεμόμυλοι παράγουν ηλεκτρική ενέργεια αρκετή μόνο για λίγα σπίτια. Για να παραχθεί η ενέργεια που παράγεται σε έναν απλό σταθμό χρειάζονται περίπου μεγάλοι ανεμόμυλοι. Μια διάταξη ανεμογεννητριών ονομάζεται αιολικό πάρκο. Στο πάρκο στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α. επικρατούν δυνατοί άνεμοι, και έτσι η περιοχή είναι ιδανική για ανεμογεννήτριες. Σε ένα αιολικό πάρκο κάθε ανεμογεννήτρια έχει τρία μακριά πτερύγια. Καθώς τα πτερύγια στρέφονται με τον άνεμο, δίνουν κίνηση στη γεννήτρια που παράγει ηλεκτρισμό. Εικόνα 48 : Υποθαλάσσιες τουρμπίνες Οι αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου είναι ένα άλλο θέμα. Προκαλούν μεταβολές στην παροχή ενέργειας στις γεννήτριες. Κι ακόμη χειρότερα, ο άνεμος 91

93 σταματάει τελείως για πολλές μέρες ή φυσάει τόσο δυνατά ώστε καταστρέφει τα πτερύγια των ανεμόμυλων. Σε αντίθεση με το νερό, ο άνεμος επίσης δεν μπορεί να περιοριστεί σε φράγματα ώστε να ρυθμίζεται η ροή του. Το ηλεκτρικό ρεύμα, που παράγεται κατά την διάρκεια μεγάλων περιόδων ανέμων, μπορεί να αποθηκεύεται σε μπαταρίες αλλά αυτές είναι ακόμη ακριβές και αναποτελεσματικές Εικόνα 49 : Ανεμογεννήτριες στην ξηρά Ο παραδοσιακός ανεμόμυλος μετατρέπει λιγότερη από τη μισή ενέργεια του ανέμου σε ισχύ. Επειδή ο αέρας είναι πολύ αραιότερος από το νερό, τα πτερύγια του ανεμόμυλου πρέπει να είναι 800 φορές μεγαλύτερα από αυτά ενός νερόμυλου, για να κινηθούν με την ίδια ταχύτητα. Γι αυτό το λόγο σχεδιάζονται νέα μοντέλα αερογεννητριών. Ο ανεμοκινητήρας μοιάζει με έλικα. Αυτός που στηρίζεται σε κάθετο άξονα περιστρέφεται όποια κι αν είναι η κατεύθυνση του ανέμου. Υπάρχει ένας ακόμη τρόπος για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, τα κύματα της 92

94 θάλασσας που σχηματίζονται και αυτά από τον άνεμο. Ένας τρόπος εκμετάλλευσης της ενέργειας τους είναι η χρήση πλωτήρων που ανεβοκατεβαίνουν με το πέρασμα των κυμάτων. Η κίνηση αυτή θα μπορούσε να θέσει σε λειτουργία μια τουρμπίνα. Βελτιωμένη έκδοση του πλωτήρα αποτελούν οι αρθρωτές «σχεδίες» οι οποίες επηρεάζονται και από την παραμικρότερη κίνηση του νερού. Εικόνα 50 : Ανεμογεννήτριες στη θάλασσα Ένα άλλο σύστημα ονομάζεται «πάπια» επειδή αποτελείται από ελάσματα, τα οποία λικνίζονται πάνω κάτω σαν πάπιες στο νερό. Το πιο επιτυχημένο ως τώρα σύστημα, κατασκευάστηκε στη Νορβηγία και κινείται με αέρα, που πιέζεται προς τα πάνω από ένα μεγάλο κύλινδρο, ο οποίος ωθείται από τα κύματα. Αλλά οι μετατροπές της ενέργειας των κυμάτων πρέπει να αντέχουν στις καταιγίδες και είναι άχρηστοι όταν επικρατεί νηνεμία. Επιπλέον κοστίζουν και είναι αναποτελεσματικοί για να έχουν μια αξιόλογη συμβολή στα παγκόσμια ενεργειακά αποθέματα. 93

95 11.1 Παραγωγή Ηλεκτρισμού από Ανεμογεννήτριες Ο άνεμος περιστρέφει τα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας, τα οποία είναι συνδεδεμένα με ένα περιστρεφόμενο άξονα. Ο άξονας περνάει μέσα σε ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής. Το κιβώτιο συνδέεται με έναν άξονα μεγάλης ταχύτητας περιστροφής ο οποίος κινεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Aν η ένταση του ανέμου ενισχυθεί πάρα πολύ, η τουρμπίνα έχει ένα φρένο που περιορίζει την υπερβολική αύξηση περιστροφής των πτερυγίων για να περιοριστεί η φθορά της και να αποφευχθεί η καταστροφή της. Η ταχύτητα του ανέμου πρέπει να είναι περισσότερο από 15 kph για να μπορέσει η μια κοινή τουρμπίνα να παράγει ηλεκτρισμό. Συνήθως παράγουν Kw η κάθε μία. Ένα Kw ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να ανάψει 100 λάμπες των 100w. Καθώς η γεννήτρια περιστρέφεται παράγει ηλεκτρισμό με τάση volt. Το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει πρώτα από ένα μετασχηματιστή στην ηλεκτροπαραγωγική μονάδα ο οποίος ανεβάζει την τάση του στα volt. Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διανύει μεγάλες αποστάσεις είναι καλύτερα να έχουμε υψηλή τάση. Τα μεγάλα, χοντρά σύρματα της μεταφοράς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι κατασκευασμένα από χαλκό ή αλουμίνιο για να υπάρχει μικρότερη αντίσταση στη μεταφορά του ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του σύρματος τόσο πιο 94

96 πολύ θερμαίνεται. Έτσι κάποιο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας χάνεται επειδή μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Τα σύρματα μεταφοράς ρεύματος καταλήγουν σε ένα υποσταθμό όπου οι μετασχηματιστές του μετατρέπουν την υψηλή τάση σε χαμηλή για να μπορέσουν να λειτουργήσουν ηλεκτρικές συσκευές. [55] 11.2 Τα Πλεονεκτήματα των Ανεμογεννητριών Ο άνεμος είναι μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, η οποία μάλιστα παρέχεται δωρεάν. Η Αιολική ενέργεια είναι μια τεχνολογικά ώριμη, οικονομικά ανταγωνιστική και φιλική προς το περιβάλλον ενεργειακή επιλογή. Προστατεύει τη Γη καθώς κάθε μία κιλοβατώρα που παράγεται από τον άνεμο αντικαθιστά μία κιλοβατώρα που παράγεται από συμβατικούς σταθμούς και ρυπαίνει την ατμόσφαιρα με αέρια του θερμοκηπίου. Δεν επιβαρύνει το τοπικό περιβάλλον με επικίνδυνους αέριους ρύπους, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, καρκινογόνα μικροσωματίδια κ.α., όπως γίνεται με τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για τη χώρα μας και την Ευρώπη γενικότερα. Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. 95

97 11.3 Τα Κύρια Μέρη της Ανεμογεννήτριας 1. Τον πύργο: Είναι κυλινδρικής μορφής κατασκευασμένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο η τρία συνδεδεμένα τμήματα. Είναι παρόμοιας κατασκευής με τους πύργους που στηρίζουν τα φώτα σε γήπεδα και εθνικούς δρόμους. 2. Τον θάλαμο που περιέχει τα μηχανικά υποσυστήματα (κύριος άξονα, σύστημα πέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων και ηλεκτρογεννήτρια) : Ο κύριος άξονας με το σύστημα πέδησης (φρένα) είναι παρόμοιος με τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου με υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι παρόμοιας κατασκευής με εκείνο του αυτοκινήτου μας με την διαφορά ότι έχει μόνον μια σχέση. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι παρόμοια με αυτές που χρησιμοποιούνται από τη ΔΕΗ στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτροπαραγωγογα ζεύγη ή με τις γεννήτριες που έχουμε στα εξοχικά μας. 3. Ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου ασφαλούς λειτουργίας. Αποτελούνται από ένα η περισσότερα υποσυστήματα μικροελεγκτών και «φροντίζουν» για την εύρυθμη και ασφαλή λειτουργία της ανεμογεννήτριας σε όλες τις συνθήκες. 4. Τα πτερύγια είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά (υαλονήματα και ειδικές ρητίνες), παρόμοια με αυτά που κατασκευάζονται τα ιστιοπλοϊκά σκάφη. Είναι δε σχεδιασμένα για να αντέχουν σε μεγάλες καταπονήσεις. Ως απαραίτητο εξάρτημα λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας σε αιολικό πάρκο, θα μπορούσαμε να συμπεριλάβουμε και τον μετασχηματιστή μετατροπής της χαμηλής τάσης της ανεμογεννήτριας σε μέση τάση προκειμένου να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο της ΔΕΗ. 96

98 Ο μετασχηματιστής είναι συνήθως εγκατεστημένος δίπλα στην ανεμογεννήτρια και δεν διαφέρει κατασκευαστικά από τους μετασχηματιστές που είναι εγκατεστημένοι πάνω στους στύλους της ΔΕΗ και μάλιστα συνήθως λίγα μέτρα από τα σπίτια μας. Από την παραπάνω περιγραφή φαίνεται καθαρά ότι μια ανεμογεννήτρια αποτελείται από απλά υποσυστήματα και δεν είναι παρά μια μηχανή που σκοπό έχει τη μετατροπή της ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια (αυτός είναι, άλλωστε, και ο ορισμός της). Θα μπορούσαμε μάλιστα να παρομοιάσουμε την ανεμογεννήτρια και σαν ένα μικρό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας - με «καύσιμη ύλη» όμως τον άνεμο. Ας προχωρήσουμε τώρα εξετάζοντας τις πιο διαδεδομένες ανησυχίες για τις αρνητικές επιπτώσεις που θα μπορούσε να έχει η εγκατάσταση και χρήση των ανεμογεννητριών σε αιολικά πάρκα. [55] Εικόνα 60 : Μέρη ανεμογεννήτριας 97

99 11.4 Προβλήματα Θορύβου από τις Ανεμογεννήτριες Πρόκειται για το μόνο ουσιαστικό πρόβλημα, αλλά συγχρόνως και το ευκολότερο να ελεγχθεί και να προληφθεί. Στις ανεμογεννήτριες ο εκπεμπόμενος θόρυβος μπορεί να υπαχθεί σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με την προέλευση του: δηλαδή μηχανικός και αεροδυναμικός. Ο πρώτος προέρχεται από τα περιστρεφόμενα μηχανικά τμήματα (κιβώτιο ταχυτήτων, ηλεκτρογεννήτρια, έδρανα κλπ.) Ο δεύτερος προέρχεται από την περιστροφή των πτερυγίων. Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι μηχανές πολύ ήσυχες συγκριτικά με την ισχύ τους και με συνεχείς βελτιώσεις από τους κατασκευαστές γίνονται όλο και πιο αθόρυβες. Η αντιμετώπιση του θορύβου γίνεται είτε στην πηγή είτε στη διαδρομή του. Οι μηχανικοί θόρυβοι έχουν ελαχιστοποιηθεί με εξαρχής σχεδίαση (γρανάζια πλάγιας οδόντωσης), ή με εσωτερική ηχομονωτική επένδυση στο κέλυφος της κατασκευής. Επίσης ο μηχανικός θόρυβος αντιμετωπίζεται στη διαδρομή του με ηχομονωτικά πετάσματα και αντικραδασμικά πέλματα στήριξης. Αντίστοιχα ο αεροδυναμικός θόρυβος αντιμετωπίζεται με προσεκτική σχεδίαση των πτερυγίων από τους κατασκευαστές, που δίνουν άμεση προτεραιότητα στην ελάττωση του. Το επίπεδο του αντιληπτού θορύβου από μία ανεμογεννήτρια σύγχρονων προδιαγραφών σε απόσταση 200 μέτρων, είναι μικρότερο από αυτό που αντιστοιχεί στο επίπεδο θορύβου περιβάλλοντος μιας μικρής επαρχιακής πόλης και βεβαίως δεν αποτελεί πηγή ενόχλησης. Με δεδομένη δε τη νομοθετημένη απαίτηση να εγκαθίστανται οι ανεμογεννήτριες σε ελάχιστη απόσταση500 μέτρων από τους οικισμούς, το επίπεδο είναι ακόμη χαμηλότερο και αντιστοιχεί πλέον σε αυτό ενός ήσυχου καθιστικού δωματίου. Επιπλέον, στις ταχύτητες ανέμου που λειτουργούν οι 98

100 ανεμογεννήτριες ο φυσικός θόρυβος (θόρυβος ανέμου σε δένδρα και θάμνους) υπερκαλύπτει οποιονδήποτε θόρυβο που προέρχεται από τις ίδιες. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω και σε συνδυασμό με τη θέση των «οικοπέδων» που συνήθως εγκαθίστανται τα αιολικά πάρκα στην Ελλάδα για να έχουν καλύτερη απόδοση, μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι τα αιολικά πάρκα δεν προκαλούν: αύξηση της υπάρχουσας στάθμης θορύβου εκτός των ορίων τους και ακόμη περισσότερο σε κατοικημένες περιοχές. έκθεση ανθρώπων σε υψηλή στάθμη θορύβου. Ο πιο εύκολος και αποτελεσματικός τρόπος, για να πεισθεί κανείς για το ζήτημα του θορύβου είναι μια επίσκεψη σε ένα αιολικό πάρκο μια μέρα που οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται σε κανονική λειτουργία. [55] 99

101 12. Φωτοβολταϊκά Το ηλιακό φως- ηλιακή ενέργεια είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια του ηλιακού φωτός περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού ενεργειακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Όταν λοιπόν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (που είναι ουσιαστικά ένας ημιαγωγός), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό ή τα φωτοβολταϊκά. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα (ενέργεια). Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια των φωτοβολταϊκών στοιχείων να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Η βασική θεωρία του ηλεκτρισμού είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων από το θετικό προς το αρνητικό. Σ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας Ηλιακή Φωτοβολταϊκή Διάταξη πλαισίων, τόξων, πάνελ. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια - φωτοβολταϊκά pv πάνελ έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό στοιχείο (solar cell) ηλιακά φωτοβολταϊκά pv στοιχεία που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός λεπτού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση και με την κατάλληλη σύνδεση σε φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή ηλιογεννήτριες ( pv module), τυπικής ισχύος από 10W έως 300W. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (pv-arrays). [56] 100

102 Εικόνα 61 : Δημιουργία ηλεκτρισμού από φωτοβολταϊκά Τεχνολογίες Ηλιακών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία - πλαίσια χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες 1. φωτοβολταϊκά pv ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ α. φωτοβολταϊκά (photovoltaic) Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%, β. φωτοβολταϊκά (photovoltaic) Πολυκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5% φωτοβολταϊκά pv ΛΕΠΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (thin film pv) α. φωτοβολταϊκά (photovoltaic) από όμορφο Πυρίτιο a Si, ονομαστική απόδοση ~7%. 101

103 β. φωτοβολταϊκά (photovoltaic) από Χαλκοπυρίτες CIS / CIGS, ονομαστική απόδοση από 7% έως 11%. Το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής Φωτοβολταϊκών. Το πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία του, δίνει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά ή άμορφα υλικά, από τα οποία παράγονται τα φωτοβολταϊκά (photovoltaic) στοιχεία. Τα λεπτά υλικά είναι ένας τρόπος να μειωθεί το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων και να αυξηθεί η απόδοσή τους. Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων thin film βρίσκεται σε αναπτυσσόμενο στάδιο αφού με διάφορες μεθόδους επεξεργασίας και χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται αύξηση της απόδοσης, σταθεροποίηση των χαρακτηριστικών τους και αύξηση της διείσδυσης στην αγορά. Σήμερα πάντως αποτελούν την πιο φθηνή επιλογή φωτοβολταϊκών πλαισίων. [56] 12.2 Ανάλυση Δομής Ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από τα ακόλουθα τμήματα: (α) Τη Φωτοβολταϊκή γεννήτρια (φωτοβολταϊκό πλαίσιο) με τη Βάση στήριξης και ίσως (tracker), σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς. (β) Μπαταρίες - συσσωρευτές φωτοβολταϊκών (γ) Ρυθμιστή φόρτισης για τον έλεγχο και προστασία των μπαταριών. (δ) Μετατροπέα τάσεως dc (12v/24v/48v) inverter για μετασχηματισμό στα 220V AC. [56] 102

104 Εικόνα 62 : φωτοβολταϊκά Τύποι Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Υπάρχουν τρεις κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων, το διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα (solar-pv) με το δίκτυο της ΔΕΗ και το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα (solar-pv). Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια φωτοβολταϊκό πλαίσιο, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές οικιακές ή γεωργικές, άντληση. Σε άλλες περιπτώσεις το φωτοβολταϊκό σύστημα (solar-pv) παρέχει δυνατότητα αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται μετατροπέας ισχύος της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε 103

105 μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική ηλεκτρογεννήτρια ή ανεμογεννήτρια ( υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα). Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο φωτοβολταϊκά (photovoltaic) συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σ εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μια βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη Φωτοβολταϊκή γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους φωτοβολταϊκούς σταθμούς ( φωτοβολταϊκά πάρκα) όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στο δίκτυο. [56] 12.4 Χρήσεις Τα φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ηλιακή ακτινοβολία. Το ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται για να δώσει ενέργεια σε μια συσκευή ή για τη φόρτιση μπαταρίας. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς με την έκθεσή τους στο φως. Τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σε συστοιχίες για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. [56] 12.5 Συλλογή της Ηλιακής Ενέργειας μέσω Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Σημαντικό κατά την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι να στερεωθούν οι σταθερές βάσεις με γωνία μοίρες και νότιο προσανατολισμό ή 104

106 οι προσανατολισμοί των φωτοβολταϊκών trackers θα ακολουθούν (ιχνηλατούν) την κίνηση του ηλίου. Στις περισσότερες διατάξεις οι βασικές μονάδες φωτοβολταϊκών στερεώνονται σε ένα σταθερό κεκλιμένο επίπεδο με την πρόσοψη προς τον ισημερινό. Αυτό έχει την αρετή της απλότητας, δηλαδή κανένα κινούμενο τμήμα και χαμηλό κόστος. H άριστη γωνία κλίσης εξαρτάται κυρίως από το γεωγραφικό πλάτος, την αναλογία της διάχυτης ακτινοβολίας στην τοποθεσία και το είδος του φορτίου. [56] Εικόνα 63 : φωτοβολταϊκά &Itemid=8 105

107 12.7 Φωτοβολταϊκά και Περιβάλλον Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν μια από τις πιο γνωστές τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η σύγχρονη κοινωνία διαρκώς αυξάνει τις ανάγκες της σε ενέργεια με αποτέλεσμα να είναι πλέον επιτακτική η ανάγκη αναζήτησης και χρήσης φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών για την παραγωγή της. Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων βασίζεται στην παραγωγή ηλεκτρισμού από το φως που παράγει μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, ο ήλιος. Όλοι οι τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων παρουσιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα: - Δεν μολύνουν το περιβάλλον, δεν αφήνουν απόβλητα - Κατασκευάζονται από υλικά φιλικά προς το περιβάλλον - Έχουν αθόρυβη λειτουργία - Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής που φτάνει τα 30 χρόνια - Αποτελούν αξιόπιστη λύση - Υπάρχει δυνατότητα επέκτασής τους ανάλογα με την περιοχή - Δύνανται να αποθηκεύουν παραγόμενη ενέργεια - Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση Τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση φωτοβολταϊκών είναι αδιαμφισβήτητα καθώς κάθε παραγόμενη κιλοβατώρα συνεπάγεται την αποφυγή έκλυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα εντείνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και επηρεάζουν το κλίμα της γης, με τις επιπτώσεις της ρύπανσης που δημιουργείται να είναι τεράστιες για το περιβάλλον και κατά συνέπεια για τον άνθρωπο. [57] 106

108 Εικόνα 64 : φωτοβολταϊκά σε σκεπή σπιτιού 107

109 13. Συγκριτικά Αποτελέσματα Στην εργασία αυτή εξετάζονται οι πηγές ενέργειας που μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Η.Ε.) είναι: 1) Το πετρέλαιο, 2) Το φυσικό αέριο, 3) Ο άνθρακας (λιθάνθρακας, λιγνίτες,), 4) Η πυρηνική ενέργεια και 5) Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) (βιομάζα, αιολική, ηλιακή). Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι τρόποι που πραγματοποιείται αυτή η μετατροπή μέχρι σήμερα καθώς και η φιλικότητά τους προς το περιβάλλον. Κάθε πηγή εξετάζεται ξεχωριστά ως προς την ύπαρξη αποθεμάτων και την δυνατότητα πρόσβασης σ αυτά, την απόδοσή της (θερμική και οικονομική), και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρησιμοποίησή της. Ο άνθρακας παραμένει το κυριότερο καύσιμο για ηλεκτροπαραγωγή με ποσοστό 38%. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι είναι το ορυκτό που βρίσκεται ακόμη σε αφθονία (τα οικονομικώς απολήψιμα αποθέματά του επαρκούν για άλλα 200 χρόνια με τον σημερινό ρυθμό) και η τιμή της παραγόμενης KWh είναι χαμηλή σε σχέση με άλλα καύσιμα. Το βασικότερο πρόβλημα είναι η επιβάρυνση του περιβάλλοντος από την εξόρυξη και την καύση του. Γίνονται προσπάθειες για επίτευξη καθαρότερων τεχνολογιών, ώστε να μειωθούν οι εκπομπές των αέριων ρυπαντών ανά παραγόμενη KWh. Παράλληλα αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες φίλτρων για την συγκράτησή τους. Ήδη βρίσκονται στο στάδιο της εμπορικής λειτουργίας αρκετοί σταθμοί παραγωγής Η.Ε. συνδυασμένου κύκλου ολοκληρωμένης αεριοποίησης άνθρακα. Οι μονάδες που υπάρχουν μπορούν να αναβαθμιστούν με πρόταξη αεριοστροβίλων που καίνε φυσικό αέριο ή πετρέλαιο αυξάνοντας τον βαθμό απόδοσής τους. Επίσης έχει ήδη προχωρήσει η ανάπτυξη της πολλά υποσχόμενης 108

110 τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου (fuel cells). Το πρόβλημα των πολύ υψηλών εκπομπών CO2, υπεύθυνου για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, καθιστά επιτακτικό τον περιορισμό της καύσης του άνθρακα, αλλά ο πλήρης αποκλεισμός του από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι προς το παρόν τουλάχιστον αδύνατος. Το πετρέλαιο συμμετέχει μόλις κατά το 7-8% στην ηλεκτροπαραγωγή. Η τιμή της παραγόμενης από αυτό KWh είναι υψηλή. Η τιμή του πετρελαίου έχει διακυμάνσεις που εξαρτώνται από γενικότερες πολιτικές εξελίξεις στην περιοχή του Περσικού Κόλπου και της Μέσης Ανατολής και καθιστούν αβέβαιο κάθε μακροχρόνιο προγραμματισμό. Τα αποθέματά του είναι περιορισμένα και εκτιμάται ότι επαρκούν μόλις για 40 χρόνια ακόμη με τον σημερινό ρυθμό κατανάλωσης. Σε πολλές περιπτώσεις η χρήση πετρελαϊκών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι επιβεβλημένη από ειδικές συνθήκες. Σε μικρά και ασθενή δίκτυα είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι επειδή έχουν δυνατότητα γρήγορης ρύθμισης ισχύος, και η μεταφορά του καυσίμου γίνεται εύκολα και με μικρό σχετικά κόστος λόγω του ότι πρόκειται για πλούσιο σε θερμογόνο δύναμη καύσιμο. Ένα τέτοιο παράδειγμα έχουμε στην επιλογή των πετρελαϊκών σταθμών για τα νησιά. Η ΔΕΗ δεν επέλεξε την οικονομικότερη λύση, η φύση όμως των δικτύων -που δεν έχουν ενταχθεί στο Διασυνδεδεμένο Σύστημα- απαιτούσε μονάδες με γρήγορη ρύθμιση ισχύος και εύκολη μεταφορά καυσίμου. Οι εκπομπές αερίων ρυπαντών είναι σε καλύτερα επίπεδα από τις ανθρακικές μονάδες. Η πυρηνική ενέργεια, με μερίδιο 16% στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, προκαλεί πολλές αντιδράσεις επειδή η χρήση της περιέχει πάντα τον φόβο ατυχημάτων με ολέθριες συνέπειες για την ανθρωπότητα. Στην 50ετή ιστορία της έχουν καταγραφεί πολλά μικρά ή μεγάλα ατυχήματα, οι επιπτώσεις των οποίων δεν 109

111 είναι πάντα άμεσα μετρήσιμες. Οι υποστηρικτές της πυρηνικής ενέργειας την εμφανίζουν οικονομικά συμφέρουσα, και μάλιστα σαν ικανοποιητική λύση στις υπό ανάπτυξη χώρες, οι οποίες έχουν ανάγκη από μεγάλες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με μικρό κόστος. Συνήθως όμως δεν περιλαμβάνονται στις οικονομικές μελέτες το μεγάλο κόστος του σφραγίσματος των ατομικών εργοστασίων μετά την συμπλήρωση του χρόνου ασφαλούς λειτουργίας τους, καθώς και το κοινωνικό κόστος που προκαλούν σε περιπτώσεις ατυχημάτων με την μόλυνση χιλιάδων ατόμων. Το βασικό πλεονέκτημα της πυρηνικής ενέργειας είναι ότι δεν προκαλεί εκπομπές αερίων ρυπαντών και δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται στην ηλεκτροπαραγωγή από αρκετά χρόνια, τελευταία όμως γνωρίζει μεγάλη ανάπτυξη λόγω των μειωμένων του εκπομπών αερίων ρύπων σε σχέση με τον άνθρακα, του μικρού κόστους των αεριοστροβιλικών σταθμών και της μεγάλης απόδοσης (έως και 58%) των σταθμών συνδυασμένου κύκλου. Με τους σημερινούς ρυθμούς παραγωγής και κατανάλωσης οι προβλέψεις για την επάρκειά του είναι κάπως καλύτερες από του πετρελαίου (επάρκεια για 70 περίπου χρόνια). Η συμμετοχή του στην παγκόσμια παραγωγή έχει φτάσει το 18%, ποσοστό που αναμένεται να αυξηθεί τουλάχιστον κατά μία ποσοστιαία μονάδα την επόμενη 20ετία. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) χρησιμοποιούνται κατά ένα πολύ μικρό ποσοστό στην ηλεκτροπαραγωγή (περίπου 2%), γίνονται όμως σημαντικές έρευνες για τις δυνατότητες καλύτερης αξιοποίησής τους, γιατί αποτελούν την ελπίδα για παραγωγή «καθαρότερης» ηλεκτρικής ενέργειας. Έχουν υψηλό κόστος εγκατάστασης ακόμη, αν και οι τεχνολογικές έρευνες έχουν κατορθώσει να το μειώσουν αρκετά. Αν συνεκτιμηθεί όμως το περιβαλλοντικό κόστος, τότε η 110

112 παραγόμενη από ΑΠΕ KWh ανταγωνίζεται ικανοποιητικά την παραγωγή από συμβατικά καύσιμα. Εξαίρεση αποτελούν τα αιολικά πάρκα που το κόστος εγκατάστασής τους έχει πέσει σε επίπεδο κόστους ενός συμβατικού ΑΗΣ (Ατμοηλεκτρικός σταθμός). Ένα ακόμη μειονέκτημα των ΑΠΕ είναι η μη σταθερή λειτουργία τους. Αυτό γίνεται ακόμη εντονότερο σε μικρά και ασθενή δίκτυα, όπου δημιουργείται η ανάγκη αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Από τα παραπάνω μπορούμε να βγάλουμε κάποια συμπεράσματα όσον αφορά τις πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα για την ηλεκτροπαραγωγή. Οι διαφορές ανάμεσά τους δεν μπορούν να ξεχωρίσουν κάποια πηγή για αποκλειστική χρήση της έναντι των άλλων. Σε κάθε ξεχωριστή περίπτωση συνεκτιμούνται τα υπέρ και τα κατά κάθε καυσίμου και η απόφαση για την επιλογή κάποιου ποικίλει ανάλογα με τους υπόλοιπους παράγοντες, όπως είναι η σύνδεση με κάποιο μεγάλο δίκτυο, η απόσταση για την μεταφορά καυσίμου, η ύπαρξη κοιτασμάτων συγκεκριμένου καυσίμου, η ευνοημένη θέση για ΑΠΕ και άλλοι. Η μεγαλύτερη συμμετοχή των ΑΠΕ είναι επιθυμητή και ίσως μονόδρομος για τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής. Οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι ένα πρόβλημα που απασχολεί τους κατασκευαστές των συστημάτων παραγωγής Η.Ε. Οι νεότερες τεχνολογίες λαμβάνουν υπόψη τους αυτόν τον παράγοντα και γίνονται προσπάθειες για αποτελεσματικότερη χρήση φίλτρων και για καύση με μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης και λιγότερους ρύπους. Ελπίζουμε ότι οι προσπάθειες αυτές θα αποδώσουν καρπούς, ώστε στο μέλλον η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας να εξυπηρετεί τον σκοπό για τον οποίο δημιουργήθηκε, δηλαδή την ανύψωση του βιοτικού επιπέδου και τις καλύτερες συνθήκες διαβίωσης, χωρίς να λειτουργεί ανασταλτικά με την διαρκή υποβάθμιση του περιβάλλοντος. 111

113 Λιγνίτης Λιθάνθρακας Πετρέλαιο Εκπομπές CO2 (kg CO2/MWh παραγόμενης ενέργειας) Εκπομπές CO2 (kg CO2 /MWh παραγόμενης ενέργειας) Λιθάνθρακας Ενεργειακή απόδοση (%) Φυσικό αέριο Ενεργειακή απόδοση (%) 112

114 Εκπομπές CO2 (kg CO2 ανά GJ εισαγόμενης ενέργειας) ,3 78,5 Λιγνίτης Λιθάνθρακας Βαρέα κλάσματα πετρελαίου 73,3 Πετρέλαιο Diesel 55,9 Φυσικό αέριο Είδος καυσίμου Παραγωγή Ηλεκτρισμού Στην Ελλάδα με Κάυσιμα το 2010 Διασυνδεσεις, 8% Υδροηλεκτρική, 10% ΑΠΕ, 6% Λιγνιτική, 50% Φυσικού Αερίου, 17% Πετρελαϊκή, 9% Εκπομπές CO 2 ανά kwh Efficiency in electricity generation, Eurelectric / VGB PowerTech, Ιούλιος

115 ΡΥΠΑΝΤΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟ Συντελεστές εκπομπών αερίων ρύπων CO 2 NO X SO 2 CO Λιθάνθρακας ,7 Λιγνίτης Μαζούτ Diesel Φυσ. Αέριο ,36 17 Emission Inventory Guidebook - 3rd edition September 2004 Update, EMEPCORINAIR Η παραγωγή Η.Ε. στην Ελλάδα (TWh) την περίοδο Greece National Inventory Report 2005, Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών. κόστος ανίδρυσης διαφόρων μονάδων παραγωγής Η.Ε. Τύπος Σ.Π.Η.Ε. Κόστος ανίδρυσης ( /kw) Πυρηνικοί κονιορτοποιημένου καυσίμου -PF 1160 Άνθρακα circulating fluidized bed -CFB 1040 Συνδυασμένου κύκλου ολοκληρωμένης 1420 αεριοποίησης άνθρακα (IGCC) Φυσικού Αερίου Αεριοστροβιλικός ανοιχτού κύκλου (OCGT) 470 Συνδυασμένου κύκλου (CCGT)