4. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟusers.auth.gr/users/8/3/010438/public_html/tdk/Teaching/... · 2012. 3....

Ν Ανδρίτσος laquoΕνέργεια και Περιβάλλονraquo 95

4 ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ

41 Εισαγωγή ndash Ιστορικό

Το πετρέλαιο αποτελεί την κυριότερη πηγή ενέργειας στο σύγχρονο κόσμο αλλά και την πρώτη ύλη για την παραγωγή πληθώρας χημικών και φαρμακευτικών προϊόντων Το πετρέλαιο (αργό πετρέλαιο ndash crude oil) είναι ουσιαστικά ένα πολύπλοκο μίγμα αερίων υγρών και στερεών υδρογονανθράκων (που περιέχουν όμως και μικρές ποσότητες οξυγόνου θείου και αζώτου) το οποίο ανευρίσκεται σε πετρελαιοφόρα κοιτάσματα σε διάφορα μέρη του πλανήτη και κυρίως στην περιοχή της Μέσης Ανατολής Τα κοιτάσματα αυτά έγιναν διαθέσιμα στον κόσμο σε χαμηλό κόστος μετά τον Βrsquo Παγκόσμιο Πόλεμο και διαφοροποίησαν τον τρόπο που ζούμε σήμερα Συχνά αναφέρεται και ως laquoμαύρος χρυσόςraquo Ο σουλτάνος του Μπρουνέι οι βασιλικοί οίκοι της Μέσης Ανατολής οι Ροκφέλλερ και οι Γκέττυ σίγουρα δεν θα διαφωνούσαν με τον όρο αυτό

Σύντομη ιστορική ανασκόπηση Η χρήση προϊόντων πετρελαίου πηγαίνει αρκετές χιλιετίες πίσω Στην Μεσοποταμία

υπήρχαν τουλάχιστον τριάντα περιοχές με επιφανειακές ενδείξεις και ροές πετρελαίου Για τους Ασσύριους του 9ου αιώνα πΧ η εκροή των απελευθερούμενων αερίων από τα κοιτάσματα πετρελαίου ήταν laquoη φωνή των θεών που έβγαινε από τους βράχουςraquo Στο εύφλεκτο πετρέλαιο δόθηκε από τους Βαβυλώνιους το όνομα laquoνάφθαraquo δηλ το υλικό που καίγεται με έντονη φλόγα Η χρησιμοποίηση της πίσσας για τη στεγανοποίηση πλοιαρίων και την αδιαβροχοποίηση στεγών στην τοιχοποιία και για φαρμακευτικούς σκοπούς ανάγεται στο 3000 πΧ Η άσφαλτος απετέλεσε σημαντικό εμπορικό προϊόν της Μεσοποταμίας και αναφέρεται από τον Στράβωνα και τον Τάκιτο Η νάφθα σε συνδυασμό με ασβέστη και άλλες προσμίξεις ήταν το κύριο υλικό που χρησιμοποιούσαν οι Βυζαντινοί του 7ου μΧ αιώνα στο περίφημο laquoυγρό πυρraquo (Greek fire) Ο Αγρικόλας τον 16ο αιώνα περιγράφει στο De Re Metallica το διαχωρισμό της ασφάλτου από ασφαλτούχα πετρώματα με θέρμανση Η πρώτη περιγραφή απόσταξης πετρελαίου καταγράφεται σε ένα φυλλάδιο που εκδόθηκε το 1625 στο Στρασβούργο Κατά την προσεχτική απόσταξη αργού πετρελαίου εκτός από τα βαριά κλάσματα που είναι κατάλληλα για φαρμακευτικές χρήσεις λαμβάνονταν και κλάσματα που μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για λίπανση αξόνων στη βαφική και ως φωτιστικό πετρέλαιο στις λάμπες

Από το τέλος του 17ου αιώνα χρονολογείται ευρεσιτεχνία στην Αγγλία που περιγράφει την επεξεργασία πισσούχων σχιστόλιθων (κονιοποίηση και απόσταξη) στο Pitchford-on-Severn με προϊόντα το διαλύτη laquoνέφτιraquo και την πίσσα (pitch) Το 1712 ένας Έλληνας γιατρός στο Neuchacirctel της Ελβετίας εφηύρε τα επικαλυπτικά υλικά που περιείχαν άσφαλτο και τριμμένα πετρώματα


Έπρεπε όμως να περάσουν εβδομήντα και πλέον χρόνια για να αρχίσει κάπως να γενικεύεται η χρήση βελτιωμένων υλικών του πετρελαίου

Η σύγχρονη βιομηχανία πετρελαίου δεν προήλθε πάντως από τις παραπάνω χρήσεις αλλά από την ανάγκη για καλύτερο και αποδοτικότερο φωτισμό στη δεκαετία του 1850 Άλλωστε η ίδια ανάγκη οδήγησε και στην τεχνολογία παραγωγής του φωταερίου από άνθρακα Στην παραπάνω δεκαετία άρχισε να διατίθεται για φωτισμό το φωτιστικό πετρέλαιο ή παραφινέλαιο (paraffin-oil) στην Αγγλία (προερχόμενο από τους βιτουμενιούχους σχίστες της Σκοτίας) ενώ στην Αμερική το ίδιο υλικό με το όνομα κηροζίνη παραγόταν από την άσφαλτο του Τρινιντάντ Το υλικό αυτό αντικατέστησε το όλο και ακριβότερο λίπος των φαλαινών που χρησιμοποιούνταν ως τότε για φωτιστικό έλαιο

Οι πρώτες σχετικά προηγμένες τεχνολογικά γεωτρήσεις (που είχαν δανειστεί αρκετές ιδέες από τους Κινέζους) έγιναν μετά το 1830 για την εύρεση νερού ή ορυκτών αλάτων Δεν ήταν λίγες οι φορές όμως που έπεφταν επάνω σε φλέβες πετρελαίου Αν και η πρώτη ηθελημένη προσπάθεια για ανόρυξη γεώτρησης πετρελαίου ξεκίνησε τον Απρίλιο του 1857 στο Αμβούργο (και την ίδια χρονιά ολοκληρώθηκαν δύο χειροποίητες γεωτρήσεις στο Πλοέστι της Ρουμανίας) συχνά αναφέρεται ως απαρχή της εποχής του πετρελαίου η ανόρυξη γεώτρησης στις 27 Αυγούστου του 1859 στο Titusville της Πενσυλβάνιας από τον Edwin L Drake κατόπιν παραγγελίας του βιομηχάνου GH Bissell To βάθος της επιτυχούς αυτής γεώτρησης ήταν μόλις 69frac12 ft (21 m) Μέσα σε 15 χρόνια η παραγωγή πετρελαίου στην Πενσυλβάνια έφτασε τα 10 εκατομμύρια βαρέλια ετησίως

Αρχικά για την απόσταξη του αργού πετρελαίου χρησιμοποιούνταν οριζόντιοι κυλινδρικοί αποστακτήρες που θερμαίνονταν με ατμό και παρήγαγαν τρία κύρια προϊόντα (1) τη βενζίνη (το ελαφρύτερο κλάσμα που αρχικά θεωρήθηκε επικίνδυνο και άχρηστο) (2) την κηροζίνη και (3) το βαρύ υπόλειμμα που πωλούνταν ως καύσιμο Μέχρι το 1880 στην Αμερική η όλη διεργασία απόσταξης γινόταν σε παρτίδες (διαλείπουσα διεργασία) ενώ στην Ευρώπη είχε εισαχθεί η συνεχής διεργασία

Η έλευση του ηλεκτρισμού στη δεκαετία του 1880 και η συνεχής γενίκευση του ηλεκτρικού φωτισμού άρχισε να κάνει δύσκολη τη χρήση της κηροζίνης και να πιέζει τις τιμές του πετρελαίου προς τα κάτω Έπρεπε να βρεθούν νέες χρήσεις των προϊόντων πετρελαίου Αρχικά το 1878 παρουσιάστηκε η σόμπα πετρελαίου στην Διεθνή Έκθεση του Παρισιού Μέσα σε ένα χρόνο πουλήθηκαν μισό εκατομμύριο σόμπες Έπρεπε όμως να περάσουν άλλα 25 χρόνια για να αρχίσει να παίρνει επάνω της η βιομηχανία πετρελαίου με τη μαζική παραγωγή βενζινοκίνητων αυτοκινήτων Η εφεύρεση του βενζινοκινητήρα από τους Daimler και Benz το 1885 έφερε τη μεγάλη επανάσταση στη χρησιμοποίηση των προϊόντων του πετρελαίου ως καύσιμα αυτοκινήτων Η σημαντική αύξηση της κυκλοφορίας των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων είχε ως συνέπεια να παρατηρηθεί έλλειψη σε βενζίνη με ταυτόχρονο πλεόνασμα σε κηροζίνη λόγω της αυξανόμενης χρήσης των ηλεκτρικών λαμπτήρων Η αλλαγή των δεδομένων της αγοράς ήταν η κύρια αιτία για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα παρήγαγαν επιπλέον βενζίνη χρησιμοποιώντας τα βαρέα κλάσματα

Πηγή Derry TK amp Williams TI ldquoA short history of technologyrdquo Dover New York 1960

42 Σχηματισμός του πετρελαίου

Αν και η προέλευση του πετρελαίου δεν έχει πλήρως διαλευκανθεί κατά την επικρατέστερη θεωρία πιστεύεται ότι το πετρέλαιο δημιουργήθηκε κατά την περίοδο πριν από 100-300 εκατομμύρια χρόνια όταν θαλάσσιοι φυτικοί μικροοργανισμοί (μονοκύτταρα


φυτά ndash φυτοπλαγκτόν) και μονοκύτταροι ζωικοί μικροοργανισμοί (ζωοπλαγκτόν) συσσωρεύ-τηκαν εξαιτίας διαφόρων τοπικών συνθηκών και εγκλωβίστηκαν με τα χρόνια σε υδάτινους ταμιευτήρες (λίμνες ωκεανούς) σχηματίζοντας μια αναερόβια μαύρη λάσπη Με το χρόνο το πάχος των θαλάσσιων οργανικών αποθέσεων μεγάλωσε με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης που επενεργούσε επάνω τους Τα διάφορα στάδια δημιουργίας είναι

1 Ανώριμο στάδιο (διαγένεση) Στο στάδιο αυτό σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία και πίεση και με τη βοήθεια βακτηριακής δράσης δημιουργήθηκε το κηρογόνο (kerogen) και το βιογενές μεθάνιο (biogenic methane) το οποίο συμμετέχει περίπου κατά 20 στα παγκόσμια αποθέματα μεθανίου Το κηρογόνο συνίσταται από άνθρακα (69-80) υδρογόνο (7-11) άζωτο (125-25) θείο (1-8) και οξυγόνο (9-17)

2 Ώριμο στάδιο Σε μεγαλύτερα βάθη και υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις το κηρογόνο μετατράπηκε σε αργό πετρέλαιο και φυσικό αέριο όταν από το κηρογόνο απομακρύνθηκαν το οξυγόνο και το άζωτο με κάποιο μηχανισμό Το αρχικό υγρό ήταν μίγμα πετρελαίου και νερού το οποίο με το χρόνο διαχωρίστηκε για να σχηματιστούν τα κοιτάσματα πετρελαίου

3 Μετα-ώριμο στάδιο Σε ιδιαίτερα υψηλή θερμοκρασία το αργό πετρέλαιο μετατράπηκε σε φυσικό αέριο πλούσιο σε μεθάνιο

Επειδή το πετρέλαιο είναι ρευστό μπορεί να laquoμεταναστεύσειraquo μέσα στο υπέδαφος καθώς σχηματίζεται Απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό μεγάλων και οικονομικά ανακτήσιμων αποθέματων πετρελαίου είναι η παρουσία συγκεκριμένων γεωλογικών σχηματισμών (α) ενός ταμιευτήρα (ή laquoλίμνηςraquo- oil pool reservoir) πετρελαίου και (β) ένα πέτρωμα-κάλυμμα (laquoπαγίδαraquo-oil trap cap rock) του πετρελαίου Ένας ταμιευτήρας πετρελαίου χαρακτηρίζεται από υψηλό πορώδες (3-30) και ικανή διαπερατότητα Με άλλα λόγια ένας ταμιευτήρας πετρελαίου είναι μια συλλογή σταγόνων πετρελαίου σε ένα αμμώδες ή πορώδες πέτρωμα Οι υδρογονάνθρακες συσσωρεύονται κυρίως σε πορώδη ψαμμιτικά ή ασβεστολιθικά πετρώματα Από την άλλη μεριά μια laquoπαγίδαraquo πετρελαίου είναι ένα σχηματισμός μη πορώδους πετρώματος που συγκρατεί στη θέση του το πετρέλαιο του ταμιευτήρα Είναι πράγματι φανερό ότι για να παραμείνουν στη θέση τους το πετρέλαιο και τα συνδεδεμένα αέρια θα πρέπει να είναι παγιδευμένα έτσι ώστε να μη μεταναστεύσουν ούτε κυρίως προς στην επιφάνεια της γης αλλά ούτε και πλευρικά Τα πετρώματα-καλύμματα αποτελούνται συνήθως από σχιστόλιθους αργίλους ορυκτό αλάτι γύψο κά Τα πετρώματα αυτά θα πρέπει να διαθέτουν πλαστικότητα έτσι ώστε όταν δέχονται πιέσεις να ρηγματώνονται

Ταμιευτήρες πετρελαίου μπορούν να σχηματιστούν με διαφορετικούς τρόπους Το απλούστερο παράδειγμα είναι όταν διαστρωματωμένα ιζηματογενή πετρώματα (layered sedimentary rocks) που περικλείουν και ένα πέτρωμα-κάλυμμα αναδιπλώνονται σε ένα αντίκλινο (Σχήμα 41α) Τα αντίκλινα θεωρήθηκαν από τους γεωλόγους ως οι καλύτερες

Η ηλικία του πετρελαίου

10 από την Παλαιοζωική εποχή (gt240 εκατ χρόνια)

70 από την Μεσοζωική εποχή (lt240 και gt65 εκατ χρόνια)

20 από την Καινοζωική εποχή (lt65 εκατ χρόνια)

Κατά τη Μεσοζωική εποχή - Το κλίμα ήταν τροπικό - Το πλαγκτόν ήταν άφθονο στους ωκεανούς

- Οι πυθμένες των ωκεανών ήταν στάσιμοι και χωρίς οξυγόνο σε αντίθεση με τη σημερινή κατάσταση

- Εκεί είχε συσσωρευτεί μία μαύρη πλούσια σε οργανικά λάσπη


περιοχές για αναζήτηση πετρελαίου για περισσότερα από 150 χρόνια μια που σε τέτοιους γεωλογικούς σχηματισμούς βρίσκεται περίπου το 88 των πόρων πετρελαίου και φυσικού αερίου Η κάλυψη ενός πετρώματος που περιέχει πετρέλαιο από πέτρωμα-κάλυμμα μπορεί να γίνει και λόγω συνδυασμού ρηγμάτων (faults) όπως φαίνεται στο Σχήμα 41β Άλλες περιπτώσεις που μπορούν να σχηματιστούν κυρτά ιζηματογενή στρώματα είναι η πτύχωση των ιζημάτων ως προς ένα υψηλό σημείο και ο σχηματισμός τοξωτής κλίνης από την κίνηση προς τα πάνω ενός θόλου άλατος (Σχήμα 42) Στον ταμιευτήρα με τα χρόνια τα διάφορα ρευστά κατανέμονται σε σχεδόν οριζόντιες ζώνες ανάλογα με την πυκνότητά τους Έτσι το φυσικό αέριο βρίσκεται στο ανώτερο τμήμα του ταμιευτήρα και το αλατούχο νερό (αλμόλοιπo-brine) στο κατώτερο

Σχήμα 41 Μηχανισμοί δημιουργίας παγίδων πετρελαίου

Τέλος έχουν προταθεί και θεωρίες για τη μη βιολογική προέλευση των υδρογο-

νανθράκων θεωρίες που βασίζονται κυρίως στην παρουσία υδρογονανθράκων και σε άλλα σώματα στο κοσμικό μας σύστημα Μία ένδειξη για τη θεωρία αυτή αποτελεί η ύπαρξη του ισοτόπου 3Ηe στο φυσικό αέριο και όχι του 4Ηe το οποίο επικρατεί στην ατμόσφαιρα

διαπερατό στρώμα

αδιαπέραστο στρώμα

(α)


αδιαπέρα-στο στρώμα

(β)



Σχήμα 42 Γεωλογική παράσταση εγκλείσματος πετρελαίου με θόλο άλατος

43 Συμβατικό και μη-συμβατικό πετρέλαιο

Το αργό πετρέλαιο βρίσκεται κυρίως εγκλωβισμένο σε πορώδεις ψαμμίτες οι οποίοι καλύπτονται από αδιαπέραστα πετρώματα όπως παρουσιάζεται στα Σχήματα 41 και 42 Το αλάτι αποτελεί άριστο αδιαπέραστο στρώμα (μικρό πορώδες μικροί κόκκοι) και προέρχεται από την εξάτμιση θαλασσινού νερού Το πετρέλαιο που μπορεί να ανακτηθεί με την πρωτογενή και τη δευτερογενή ανάκτηση όπως θα δούμε παρακάτω ανέρχεται σε ποσοστό 20-40 του συνολικού πετρελαίου που βρίσκεται σε έναν ταμιευτήρα και καλείται laquoσυμβατικόraquo πετρέλαιο (conventional oil) Το υπόλοιπο ποσοστό που μπορεί εν μέρει να ανακτηθεί με εξειδικευμένες και δαπανηρές μεθόδους καλείται laquoμη-συμβατικό πετρέλαιοraquo Στην δεύτερη κατηγορία κατατάσσεται και το πετρέλαιο που μπορεί να ανακτηθεί από τους βιτουμενιούχους σχίστες (shale oil κοιτάσματα στις δυτικές ΗΠΑ) από πισσούχους άμμους (tar sands βρίσκονται στον Καναδά) και από το βαρύ πετρέλαιο Οι δύο πρώτοι τύποι μη-συμβατικού πετρελαίου συζητιούνται στο τέλος αυτού του κεφαλαίου Αυτοί οι τύποι πετρελαίου σχηματίζονται κατά την μετακίνηση του αργού πετρελαίου προς την επιφάνεια της γης και την απώλεια των ελαφρύτερων και πτητικότερων συστατικών του

44 Σύσταση του αργού πετρελαίου

Το αργό πετρέλαιο είναι ένα ανομοιογενές υγρό που αποτελείται από πληθώρα υδρογονανθράκων Περισσότερες από 3000 ενώσεις έχουν ταυτοποιηθεί στο αργό πετρέλαιο και περιλαμβάνουν από αέρια όπως το μεθάνιο μέχρι και βαριές ασφαλτικές ενώσεις που δεν αποστάζουν Η σύστασή του κατά βάρος είναι κατά 80-87 από άνθρακα (ενώσεις με αριθμό ατόμων C από 5 μέχρι και 100) και κατά 11-16 από υδρογόνο (πολύ μεγαλύτερο ποσοστό από ότι τους άνθρακες) ενώ βρίσκονται σε μικρότερες ποσότητες οξυγόνο (lt3) θείο (lt4) και αζώτο (lt1) Επίσης απαντώνται και πολύ μικρές συγκεντρώσεις (μέχρι 01) μετάλλων όπως σίδηρος νικέλιο χρώμιο βανάδιο κτλ Σημειώνεται ότι παρά τις μικρές ποσότητες του θείου και του αζώτου η παρουσία τους προκαλεί τα γνωστά περιβαλλοντικά προβλήματα με τις εκπομπές οξειδίων θείου και αζώτου (βλ Κεφάλαιο 2)




ταμιευτήρας

Θόλος άλατος


Το αργό πετρέλαιο παρουσιάζει μεγάλες διαφορές σε όλες τις φυσικές ιδιότητές του εξαιτίας της έντονης διαφοροποίησής της σύστασής του Το χρώμα του μπορεί να είναι μαύρο πράσινο ή φαιοκίτρινο Επίσης η πυκνότητά του και το ιξώδες ποικίλλουν αρκετά Το σημείο ζέσεως των διαφόρων συστατικών του πετρελαίου κυμαίνεται από -160ordmC μέχρι 540ordmC Οι κυριότερες οργανικές ενώσεις στο αργό πετρέλαιο ανήκουν στις παραφινικές τις ολεφινικές τις ναφθενικές και τις αρωματικές σειρές υδρογονανθράκων και περιέχουν συνήθως από πέντε μέχρι είκοσι άτομα άνθρακα Οι παραφίνες συγκεντρώνονται κυρίως στα χαμηλού σημείου ζέσεως κλάσματα οι ναφθενικές και οι μονοαρωματικές ενώσεις στα μέσου σημείου ζέσεως κλάσματα ενώ τα πολυαρωματικά μόνο στα βαριά κλάσματα Η σύσταση του αργού και συνεπώς οι ιδιότητές του εξαρτώνται σημαντικά από την περιοχή από την οποία προέρχεται το κοίτασμα Τα πετρέλαια που είναι πλούσια σε θείο παρουσιάζουν ιδιαίτερα προβλήματα κατά την επεξεργασία και την αξιοποίησή τους όπως είναι η διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών οι οσμές η χαμηλή απόδοση και οι εκπομπές οξειδίων του θείου

Οι φυσικές διεργασίες της διύλισης πετρελαίου (κλασματική απόσταξη απορρόφηση και ψύξη) επηρεάζονται σημαντικά από τις ιδιότητες των υδρογονανθράκων ενώ οι χημικές διεργασίες (πχ αποθείωση πυρόλυση) επηρεάζονται από την παρουσία του θείου του αζώτου και του οξυγόνου και από το είδος των υδρογονανθράκων

Οι παραφίνες ή αλκάνια είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες με χημικό τύπο CnH2n+2 και χαρακτηρίζονται από σταθερότητα Το όνομα κάθε μέλους της ομάδας αυτής των υδρογονανθράκων έχει κατάληξη ndashανιο όπως το αιθάνιο και το εξάνιο (Σχήμα 43α) Υπάρχουν κανονικές και διακλαδισμένες παραφίνες όπως το 2-2 διμέθυλοβουτάνιο που παρουσιάζεται στο Σχήμα 43β Οι παραφίνες με nlt5 βρίσκονται σε αέρια κατάσταση σε συνθήκες περιβάλλοντος ενώ οι παραφίνες με ngt15 είναι ιξώδη (κηρώδη) υγρά Παραφίνες υπάρχουν σε κάθε αργό πετρέλαιο αν και έχει αναφερθεί αργό πετρέλαιο από το Οχάιο (ΗΠΑ) που δεν περιέχει καθόλου παραφινικά συστατικά Οι ολεφίνες ή αλκένια (χημικός τύπος CnH2n) αποτελούν ακόρεστους υδρογονάνθρακες που μπορούν να ενωθούν με άλλα στοιχεία ή ομάδες (Cl Br κα) Το όνομα κάθε μέλους της ομάδας αυτής καταλήγει ndashένιο όπως αιθυλένιο και εξένιο (Σχήμα 43γ και δ) Οι ολεφίνες αντιδρούν και διαλύονται στο θειικό οξύ και έτσι μπορούν να απομακρυνθούν από άλλους υδρογονάνθρακες Οι ελαφρότερες ολεφίνες δεν απαντώνται στο πετρέλαιο αλλά βρίσκονται στα προϊόντα πυρόλυσης Οι ναφθενικές ενώσεις (χημικός τύπος CnH2n) αν και έχουν τον ίδιο χημικό τύπο με τις ολεφίνες είναι κυκλικές κορεσμένες ενώσεις (Σχήμα 43ε) Στην ονομασία προηγείται το πρόθεμα κύκλο- (κυκλοβουτάνιο κυκλοπεντάνιο κυκλοεξάνιο) Τα ναφθένια βρίσκονται σχεδόν σε όλα τα είδη πετρελαίου Οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες (χημικός τύπος CnH2n-6) είναι ακόρεστοι κυκλικοί υδρογονάνθρακες που αποτελούνται από έναν ή περισσότερους βενζολικούς δακτυλίους (Σχήμα 43στ) και τυπικά αποτελούν παράγωγα του βενζολίου C6H6 Έχουν χαρακτηριστικό άρωμα και πολλές από αυτές τις ενώσεις έχουν χαρακτηριστεί καρκινογόνες Οι υδρογονάνθρακες αυτοί είναι ιδιαίτερα επιδεκτικοί στην οξείδωση και παραγωγή οργανικών οξέων Μερικά πετρέλαια όπως της Σουμάτρας είναι πλούσια σε αρωματικά συστατικά


Σχήμα 43 Χημικοί τύποι υδρογονανθράκων

45 Ταξινόμηση των πετρελαίων

Το αργό πετρέλαιο ταξινομείται με διάφορους τρόπους Ο πλέον συνήθης τρόπος αφορά στην ταξινόμησή του σε σχέση με την πυκνότητά του σε μια ορισμένη θερμοκρασία στην κλίμακα degAPI η οποία ορίζεται ως

degAPI = 1415ρ ndash 1315 (41)

όπου ρ είναι το ειδικό βάρος του πετρελαίου στους 156degC Έτσι degAPI=10 αντιστοιχεί σε ρ=1 όπως παρουσιάζεται και στον Πίνακα 41 Τα περισσότερα πετρέλαια ανήκουν στην κατηγορία των ελαφρών και των ενδιάμεσων αργών πετρελαίων Βαρύτερα πετρέλαια χαρακτηρίζονται ως μη συμβατικά Ένα ελαφρύ αργό πετρέλαιο παράγει κατά τη διύλισή του πολύ περισσότερα ελαφρά προϊόντα (βενζίνη) και λιγότερα βαριά από ότι παράγει ένα βαρύ αργό πετρέλαιο

Πίνακας 41 Ταξινόμηση του πετρελαίου σε σχέση με την πυκνότητά του

ordmAPI ρ (στους 156ordmC)

Ελαφρύ gt40 degAPI lt0825

Μέσο 30 - 40 degAPI 0825-0875

Βαρύ lt 30 degAPI 0825- 0875

Πολύ βαρύ lt 10 degAPI gt 1

ε) Κυκλοεξάνιο C6H12 στ) Βενζόλιο C6H12

γ) Κανονικό εξένιο C6H12 δ) Εξαδιένιο 15 C6H10

α) Κανονικό εξάνιο C6H14 β) ισομερείς παραφινικές ενώσεις

2 Μεθυλοπεντάνιο C6H14

2-2 Διμεθυλοβουτάνιο C6H14


46 Αξιοποίηση αργού πετρελαίου

Η αξιοποίηση του αργού πετρελαίου είναι πολύ πιο σύνθετη διεργασία από την αξιοποίηση του άνθρακα όπως παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 44 Ειδικότερα ή όλη προετοιμασία-επεξεργασία του πετρελαίου προτού φθάσει στον καταναλωτή είναι εξαιρετικά περίπλοκη διαδικασία και περνάει από πολλά στάδια Ο λόγος είναι ότι παρά την παραπλήσια στοιχειακή ανάλυση τα διάφορα είδη αργού πετρελαίου έχουν πολύ διαφορετική χημική δομή Επίσης τα προϊόντα του διυλιστηρίου μπορεί να είναι πολλά και διαφορετικά Τα περισσότερα χρησιμοποιούνται ως καύσιμα αλλά ένα σημαντικό ποσοστό χρησιμοποιούνται ως βάση στην πετροχημική βιομηχανία για παραγωγή πλαστικών φαρμακευτικών ουσιών υφασμάτων κτλ

Ανάκτηση

Μεταφορά

Φυσική επεξεργασία

Χημική επεξεργασία

∆ιύλιση

πετρελαίου

Βενζίνη

Πετρέλαιο κίνησης θέρμανσης

Κηροζίνη

Μαζούτ

Άλλα Παράγωγα


Σχήμα 44 Σχηματική παράσταση των σταδίων αξιοποίησης του πετρελαίου

461 Ανάκτηση πετρελαίου

Η ανάκτηση του πετρελαίου γίνεται με γεώτρηση στη τοποθεσία που έχουν επιλέξει οι γεωλόγοι Στο Σχήμα 45 φαίνεται ότι από τις τρεις γεωτρήσεις μόνον η γεώτρηση B θα δώσει πετρέλαιο Επιπλέον γεωτρήσεις χρειάζονται για να διαπιστωθεί το μέγεθος του κοιτάσματος και το βάθος του

Η εξόρυξη του πετρελαίου γίνεται με διάφορους τρόπους και με διαφορετικό κόστος Συνήθως διακρίνεται σε

Πρωτογενής ανάκτηση (primary recovery) Η ανάκτηση αυτή βασίζεται στη φυσική ροή του πετρελαίου λόγω της πίεσης που επικρατεί στον ταμιευτήρα και στην άντληση Η πρώτη μέθοδος είναι προφανώς η περισσότερο οικονομική μέθοδος παραγωγής και εφαρμόζεται εφόσον η παραγωγή είναι ικανοποιητική Σε μερικές περιοχές στη Μέση Αναολή η φυσική ροή ανέρχεται σε 65 m3hr Κατά μέσο όρο ανακτάται περίπου το 15-20 των αποθεμάτων αν και η πρωτογενής ανάκτηση μπορεί να φτάνει μόλις το 5 Αν και η πρώτη ουσιαστικά γεώτρηση πετρελαίου έφτασε στα 21 m σήμερα έχουν γίνει ερευνητικές γεωτρήσεις σε βάθος 8 km


Αλμόλοιπο Πετρέλαιο

Παραγωγικήγεώτρηση

Καλυπτικόπέτρωμα

Αέριο

Επιφάνεια γης

Γ Α Β




Αέριο


Γ Α Β

Σχήμα 45 Επιλογή θέσης για γεώτρηση πετρελαίου

Δευτερογενής ανάκτηση (secondary recovery) Η ανάκτηση αυτή βασίζεται στην

πλημμύριση του κοιτάσματος με νερό ή στην εισαγωγή αερίου (Σχήμα 46) Συνήθως ανακτάται ένα 5-20 από το κοίτασμα Ο συνδυασμός πρωτογενούς και δευτερογενούς ανάκτησης καλείται συμβατική ανάκτηση Με τη συμβατική ανάκτηση εξορύσσεται κατά μέσο όρο το 30 ενός κοιτάσματος (η περιοχή τιμών κυμαίνεται από 15-40)

Τριτογενής ή προχωρημένη ανάκτηση (tertiary or enhanced recovery) Αποτελεί δαπανηρή μέθοδο και πραγματοποιείται με τη μείωση του ιξώδους του πετρελαίου που επιτυγχάνεται με θέρμανση με ατμό ή με εισαγωγή διοξειδίου του άνθρακα ή κατάλληλων τασιενεργών ουσιών Αποδοτικότερη είναι η τριτογενής ανάκτηση με την εισαγωγή ατμού Με το συνδυασμό των τριών τρόπων ανάκτησης μπορεί να ανακτηθεί ποσοστό πετρελαίου της τάξης του 40 με 80 αλλά ξοδεύεται περίπου το ένα τρίτο της παραγωγής

Ο ταμιευτήρας πετρελαίου συχνά βρίσκεται στη θάλασσα οπότε πρέπει να κατασκευαστεί κάποιο είδος σταθερής πλατφόρμας για να προχωρήσει η συχνά επικίνδυνη και δαπανηρή διαδικασία ανόρυξης της γεώτρησης Οι πλατφόρμες χωρίζονται σε επιπλέουσες με αγκύρωση και σε σταθερές όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 47 Η ανόρυξη γεωτρήσεων στη θάλασσα κοστίζουν μέχρι και 10 φορές περισσότερο από το αν η ανόρυξη γινόταν στην ξηρά

462 Μεταφορά αργού πετρελαίου

Το αργό πετρέλαιο μετά την εξόρυξή του μεταφέρεται στα διυλιστήρια πετρελαίου για την αξιοποίηση των κλασμάτων του Για την ασφαλή μεταφορά του είναι απαραίτητη η απομάκρυνση ορισμένων αερίων συστατικών του όπως είναι το μεθάνιο το αιθάνιο το προπάνιο το υδρόθειο κτλ Η μεταφορά γίνεται με δύο κυρίως τρόπους με αγωγούς πετρελαίου και με δεξαμενόπλοια Μόνο στις ΗΠΑ υπάρχει ένα δίκτυο αγωγών μεταφοράς αργού πετρελαίου μήκους μεγαλύτερου από 320000 km O αγωγός πετρελαίου της Αλάσκας (που αρχίζει από το Prudhoe Bay μέχρι το γνωστό σήμερα λιμάνι του Valdez και ολοκληρώθηκε το 1977) μήκους 1300 km έχει δυνατότητα μεταφοράς 2 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου την ημέρα δηλ το 25 της παραγωγικής δυναμικότητας των ΗΠΑ


Πετρέ-λαιοΝερό

Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο


Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο

Σχήμα 46 Δευτερογενής ανάκτηση πετρελαίου με την εισαγωγή νερού και αερίων

(α) Επιπλέουσες(αγκυρωμένες)

(β) Με στήριξη (α) Επιπλέουσες(αγκυρωμένες)

(β) Με στήριξη

Σχήμα 47 Τύποι πλατφόρμας άντλησης πετρελαίου

Η μεταφορά του αργού πετρελαίου με υπερδεξαμενόπλοια (supertankers) είναι ιδιαίτερα οικονομική Τα πλοία αυτά μπορούν να μεταφέρουν μέχρι 50 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου (ποσότητα που αντιστοιχεί σε τριήμερη κατανάλωση πετρελαίου στις ΗΠΑ) και ένα μειονέκτημά τους είναι ότι δεν μπορούν να περάσουν από τη διώρυγα του Παναμά Ένα άλλο πρόβλημα σχετίζεται με το κίνδυνο διαρροών και δημιουργίας πετρελαιοκηλίδων από τέτοια μεγάλα δεξαμενόπλοια όπως συνέβη το 1989 με το πλοίο Exxon Valdez που κτύπησε σε βράχο στις ακτές της Αλάσκας

463 Διύλιση του αργού πετρελαίου

Το αργό πετρέλαιο αποθηκεύεται σε δεξαμενές και υφίσταται μια φυσική διεργασία απομάκρυνσης ανόργανων αλάτων και κατόπιν οδηγείται στην ατμοσφαιρική στήλη απόσταξης για το διαχωρισμό του σε επιμέρους κλάσματα και την αναβάθμιση του πετρελαίου σε προϊόντα που θα ικανοποιούσαν τις ανάγκες του καταναλωτή Η όλη διεργασία αναβάθμισης του πετρελαίου καλείται διύλιση (refining) Απόσταξη είναι η φυσική διεργασία του διαχωρισμού ουσιών ανάλογα με την πτητικότητά τους (σημείο ζέσεως) Η διεργασία επιτελείται σε μία στήλη (ή πύργο) απόσταξης όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 48 Οι ατμοί από το θερμανθέν αργό πετρέλαιο ανέρχονται στη στήλη και συμπυκνώνονται καθώς ανεβαίνουν από δίσκο σε δίσκο Οι πλέον πτητικές ουσίες γίνονται καθαρότερες κοντά στην κορυφή της στήλης ενώ ουσίες με χαμηλά σημεία ζέσεως εμπλουτίζονται στον πυθμένα Επειδή η διεργασία είναι φυσική δεν γίνονται χημικές αντιδράσεις

Τα κυριότερα κλάσματα που διαχωρίζονται στην ατμοσφαιρική στήλη είναι ελαφρά αέρια και ελαφρά νάφθα βαριά νάφθα κηροζίνη ντίζελ ελαφρύ αεριέλαιο και βαρύ υπόλειμμα Προκειμένου να γίνει ο διαχωρισμός των κλασμάτων είναι απαραίτητη η προθέρμανση του αργού σε υψηλή θερμοκρασία περίπου 370degC ώστε να σχηματιστούν δύο φάσεις διαχωρισμού μία αέρια και μία υγρή Αυτό σημαίνει ότι η διύλιση του πετρελαίου απαιτεί σημαντικά ποσά ενέργειας


Αέριο

Υπόλειμμα

Βαριάκαύσιμα

Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια

Αργόπετρέλαιο

Αύξησηθερμοκρασίας

Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια



Σχήμα 48 Σχηματική απεικόνιση στήλης απόσταξης Τα κλάσματα από την ατμοσφαιρική στήλη απόσταξης οδηγούνται σε άλλες

εγκαταστάσεις για περαιτέρω επεξεργασία και βελτίωση των ιδιοτήτων τους ώστε να αποτελέσουν εντός προδιαγραφών τυποποιημένα προϊόντα για κατανάλωση

Μια απλοποιημένη παράσταση ενός διυλιστηρίου πετρελαίου με τυπικές ποσότητες διύλισης παρουσιάζεται στο Σχήμα 49 ενώ στο Σχήμα 410 δίδεται το διάγραμμα ροής ενός σύγχρονου διυλιστηρίου Ακολουθούν οι ορισμοί των σπουδαιότερων διεργασιών που γίνονται σε ένα διυλιστήριο ενώ στο επόμενο κεφάλαιο θα περιγραφούν τα κυριότερα προϊόντα από ένα διυλιστήριο Υπενθυμίζεται ότι κάθε διυλιστήριο έχει το δικό του διάγραμμα ροής Το οποίο συνήθως καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά του αργού πετρελαίου που χρησιμοποιεί το διαθέσιμο εξοπλισμό τη ζήτηση των προϊόντων και το κόστος λειτουργίας

bull Αφαλάτωση (desalting) Αφαλάτωση είναι η κατεργασία του αργού πετρελαίου για την απομάκρυνση των διαλυμένων αλάτων (και κυρίως χλωριούχων αλάτων NaCl και MgCl2) που βρίσκονται είτε διαλυμένα στο πετρέλαιο ή μέσα στο νερό του γαλακτώματος νερούπετρελαίου Η αφαλάτωση πραγματοποιείται πριν από την είσοδο της στήλης της ατμοσφαιρικής απόσταξης

bull Ατμοσφαιρική απόσταξη (atmospheric distillation) Απόσταξη (δηλ η μέθοδος φυσικού διαχωρισμού μιγμάτων που βασίζεται στη διαφορά πτητικότητας των συστατικών του) του αργού πετρελαίου σε πίεση λίγο ανώτερη της ατμοσφαιρικής Πρόκειται για θεμελιώδη διεργασία σε κάθε διυλιστήριο Το υπόλειμμα της ατμοσφαιρικής στήλης οδηγείται στη στήλη απόσταξης κενού Τα κυριότερα προϊόντα από τη στήλη αυτή έχουν αναφερθεί προηγουμένως


Διύλιση Πετρελαίου Αργό

πετρέλαιο

Απόσταξη

Φυσικές διεργασίες Τυπική χωρητικότητα Διυλιστηρίου

~50000 BBLημέρα

Χημικές διεργασίες

ΠυρόλυσηΑναμόρφωση

Βενζίνη (~32)

Βαριά καύσιμα (~12)

Kαύσιμα αερο-πλάνων (~10)

Κάυσιμα μέσης

απόσταξης (~36)

Άλλα

Σχήμα 49 Σχηματική παράσταση ενός τυπικού διυλιστηρίου


α 4

10

Η αλλ

ηλου

χία τω

ν διεργα

σιών κα

ι τα προ

ϊόντα σε

διυλιστήρ

ιο αργ

ού πετρελα

ίου

(πηγ

ή Βασ

άλος

και

Λεμονίδου

20

02)


bull Απόσταξη κενού (vacuum distillation) Απόσταξη υπό μειωμένη πίεση (χαμηλότερη της ατμοσφαιρικής) Η χαμηλότερη πίεση ελαττώνει τα σημεία ζέσεως των ενώσεων του μίγματος ώστε ο διαχωρισμός να επιτυγχάνεται χωρίς φαινόμενα διάσπασης των βαρύτερων μορίων Λαμβάνονται το αεριέλαιο κενού και το υπόλειμμα κενού Το τελευταίο μπορεί να υποστεί περαιτέρω θερμική πυρόλυση στη μονάδα εξανθράκωσης ενώ αν δεν κατεργαστεί θερμικά διατίθεται ως άσφαλτος ή ως βαρύ καύσιμο

bull Θερμική πυρόλυση (thermal cracking) Είναι η θερμική μετατροπή βαρέων κλασμάτων πετρελαίου σε ελαφρότερα και κοκ με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης του αργού σε ελαφρά προϊόντα Πραγματοποιείται σε συνθήκες 1-3 atm και 450-480degC χωρίς την παρουσία καταλυτών

bull Καταλυτική αναμόρφωση (catalytic reforming) Με την καταλυτική αναμόρφωση επιτυγχάνεται η μετατροπή της νάφθας σε ενδιάμεσα προϊόντα υψηλότερων οκτανίων που χρησιμοποιούνται ως συστατικά των βενζινών Η μετατροπή αυτή επιτυγχάνεται παρουσία εκλεκτικών καταλυτών σε πίεση 20-40 atm και θερμοκρασία 500-530degC

bull Ισομερίωση (isomerization) Ισομερίωση είναι αναδιάταξη των ατόμων στη μοριακή δομή χωρίς αλλαγή της χημικής σύστασης με τη χρήση εκλεκτικών καταλυτών σε συνθήκες πίεσης 13-26 atm και θερμοκρασίας 120-180degC Σε ένα διυλιστήριο χρησιμοποιείται για τη βελτίωση των φυσικών και λειτουργικών ιδιοτήτων πχ για την αύξηση του αριθμού οκτανίων της νάφθας

bull Κατεργασία με υδρογόνο (hydrotreating) Υδρογονοκατεργασία είναι η επεξεργασία κλασμάτων πετρελαίου με υδρογόνο υπό συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας και παρουσία καταλύτη με σκοπό τη μείωση της περιεκτικότητας σε θείο άζωτο μέταλλα αρωματικούς υδρογονάνθρακες και ολεφίνες Περικλείει διάφορες υπο-διεργασίες Υδρογονοαποθείωση (hydrodesulfurization) είναι πιο συγκεκριμένα η μετατροπή των οργανικών ουσιών που περιέχουν θείο σε υδρογονάνθρακες και υδρόθειο με σκοπό τη μείωση της περιεκτικότητας των κλασμάτων πετρελαίου (πχ ντίζελ κηροζίνη) σε θείο και την τήρηση των σχετικών προδιαγραφών των τελικών προϊόντων Επίσης υδρογονο-διάσπαση (hydrocracking) καλείται η καταλυτική διάσπαση υδρογονανθράκων σε περιβάλλον υδρογόνου και σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες

bull Καταλυτική πυρόλυση (catalytic cracking) Αποτελεί τη σημαντικότερη διεργασία ενός διυλιστηρίου μετά την απόσταξη Μίγματα βαρέων κλασμάτων διασπώνται παρουσία εκλεκτικών καταλυτών (κυρίως αργιλοπυριτικών ενώσεων φυσικών ή συνθετικών) σε ελαφρότερα προϊόντα (ολεφίνες βενζίνη ντίζελ κα) Πραγματοποιείται σε συνθήκες πίεσης 15-2 atm και θερμοκρασίας 480-530degC Παράλληλα βέβαια παράγεται και κοκ που εναποτίθεται στους πόρους του καταλύτη Η κατανομή των προϊόντων από τη διεργασία αυτή εξαρτάται από την ποιότητα τροφοδοσίας τις ιδιότητες του καταλύτη και τις συνθήκες λειτουργίας της μονάδας

bull Αλκυλίωση (alkylization) Αλκυλίωση ονομάζεται η παραγωγή διακλαδισμένων παραφινών (με υψηλό αριθμό οκτανίων) από ολεφίνες (με αριθμό ατόμων άνθρακα 3-5 και κυρίως βουτυλένιο) με αντίδραση με ισοπαραφίνες (4 ή 5 άτομα άνθρακα πχ ισοβουτάνιο) Γίνεται παρουσία καταλύτη H2SO4 ή HF σε θερμοκρασία 10-20degC

bull Εξανθράκωση (coking) Με τη διεργασία αυτή μετατρέπεται θερμικά και αναβαθμίζεται το βαρύ υπόλειμμα σε ελαφρότερα προϊόντα και σε κοκ πετρελαίου


bull Ανάκτηση θείου Η επεξεργασία του υδρόθειου που παράγεται σε διάφορες μονάδες του διυλιστηρίου με τελικό αποτέλεσμα την ανάκτηση μοριακού θείου που χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία

bull Ιξωδόλυση (visbreaking) Η επεξεργασία του ατμοσφαιρικού υπολείμματος και αποστάγματος κενού σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία με αποτέλεσμα τη διάσπασή του και συνακόλουθη ελάττωση του ιξώδους και του σημείου ροής των προϊόντων με παραγωγή υγραερίων νάφθας και ντίζελ

Το αργό πετρέλαιο ως καύσιμο

Ο άνθρακας και το φυσικό αέριο απαιτούν σχετικά μικρή προετοιμασία πριν από τη χρήση τους ως καύσιμα Σε σύγκριση με αυτούς τους ορυκτούς πόρους το πετρέλαιο απαιτεί πολύ μεγάλη προετοιμασία πριν χρησιμοποιηθεί διότι αποτελείται από εκατοντάδες ενώσεις που συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά στην καύση Η καύση αργού πετρελαίου είναι δυνατή για ηλεκτροπαραγωγή αφού ως υγρό καύσιμο έχει κάποια πλεονεκτήματα έναντι του άνθρακα Όμως αποτελεί μεγάλη σπατάλη διότι ο εξευγενισμός του μπορεί να δώσει δεκάδες προϊόντα με μεγάλη θερμαντική και χρηματική αξία Η καλύτερη χρήση του αργού λοιπόν απαιτεί τον διαχωρισμό του σε μικρές ομάδες συστατικών και αυτό γίνεται στο διυλιστήριο Τα προϊόντα αυτά είναι μίγματα διαφόρων ενώσεων και όχι καθαρές ενώσεις

Για παράδειγμα η βενζίνη είναι μίγμα ενώσεων και κοστίζει περίπου 070 eurolit Το οκτάνιο κοστίζει 100 eurolit αλλά κανένας μας δεν θα το χρησιμοποιούσε αντί βενζίνης στο αυτοκίνητό του Έτσι δηλαδή χρησιμοποιώντας κλάσματα πετρελαίου επιτυγχάνεται ένας συμβιβασμός μεταξύ ποιότητας και κόστους

464 Προϊόντα Πετρελαίου

Τα διάφορα προϊόντα που λαμβάνονται από τη διύλιση του αργού πετρελαίου μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες

Καύσιμα μηχανών εσωτερικής καύσης (βενζίνη ντίζελ καύσιμα αεροπλάνων) Καύσιμα θέρμανσης (υγραέρια ντίζελ θέρμανσης μαζούτ) Μη καύσιμα προϊόντα (άσφαλτος λιπαντικά διαλύτες κηροί κά) Τροφοδοσίες στην παραγωγή πετροχημικών (νάφθα αεριέλαιο κά) Εκτός από την τελευταία κατηγορία που χρησιμοποιείται όπως λαμβάνεται από τον

πύργο απόσταξης για την παραγωγή των άλλων απαιτούνται διάφορες διεργασίες Τα κυριότερα προϊόντα του πετρελαίου περιγράφονται εν συντομία παρακάτω

1) Αέρια Προϊόντα - Υγραέρια

Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται ενώσεις που βρίσκονται στην αέρια φάση σε κανονικές συνθήκες CH4 C2H6 C3H8 C4H10 και οι αντίστοιχες ολεφίνες Το CH4 συχνά χρησιμοποιείται ως καύσιμο στο διυλιστήριο αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως πρώτη ύλη για παραγωγή υδρογόνου με αναμόρφωση με ατμό (steam reforming) Το C2H6 επίσης χρησιμοποιείται ως καύσιμο και ως πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου ή αιθυλενίου Το C3H8 συχνά χρησιμοποιείται κυρίως στο υγραέριο LPG (liquefied petroleum gas μίγμα βουτανίου και προπανίου υπό πίεση σε υγρή κατάσταση) Τα βουτάνια χρησιμοποιούνται ως συστατικά της βενζίνης του υγραερίου LPG και ως τροφοδοσία στη μονάδα της αλκυλίωσης


2) Βενζίνη

Η βενζίνη αποτελεί μίγμα υδρογονανθράκων με όρια απόσταξης από 38 έως 205degC Στην πράξη το τελικό εμπορικό προϊόν που διατίθεται προς πώληση προέρχεται από ανάμιξη πολλών ρευμάτων σε τέτοια αναλογία ώστε το μίγμα να είναι κατάλληλο ως καύσιμο για τους βενζινοκινητήρες Σήμερα η παραγωγή της βενζίνης αντιπροσωπεύει το 32 της παραγωγής ενός διυλιστηρίου Τα συστατικά ρεύματα που χρησιμοποιούνται για ανάμιξη στην παραγωγή βενζίνης είναι απευθείας απόσταγμα βενζίνης (LSR) βενζίνη καταλυτικής πυρόλυσης (catalytic cracking gasoline) καταλυτικής αναμόρφωσης (catalytic reformate) βενζίνη υδρογονοπυρόλυσης (hydrocracked gasoline) βενζίνη πολυμερισμού (polymer gasoline) βενζίνη αλκυλίωσης (alkylate gasoline) και οξυγονούχα πρόσθετα για την αύξηση του αριθμού οκτανίου Οι κύριες ιδιότητες που ενδιαφέρουν στο τελικό προϊόν και δεδομένου ότι η βενζίνη χρησιμοποιείται αποκλειστικά σχεδόν στους βενζινοκινητήρες είναι η τάση ατμών η καμπύλη απόσταξης και τα αντικροτικά χαρακτηριστικά της (αριθμός οκτανίων research octane number ndash RON και motor octane number ndash MON)

Η βενζίνη (ή νάφθα) απευθείας απόσταξης (LSR gasoline) λαμβάνεται από τον πύργο ατμοσφαιρικής απόσταξης με όρια απόσταξης 82degC Αποτελείται κυρίως από παραφίνες χαμηλού μοριακού βάρους και έχει αριθμό οκτανίου χαμηλό (RON=60-70) Αύξηση του αριθμού οκτανίου αυτής της βενζίνης κατά 12 έως 15 μονάδες μπορεί να επιτευχθεί με ισομερισμό

Η βενζίνη καταλυτικής πυρόλυσης είναι το κύριο προϊόν της διεργασίας της καταλυτικής πυρόλυσης των βαρέων κλασμάτων του πετρελαίου και συμμετέχει κατά 30-40 στην τελική παραγωγή βενζίνης Περιέχει υψηλά ποσοστά αρωματικών (25-30) ολεφινών (22-30) με τις παραφίνες να κυμαίνονται από 35 μέχρι 45 Ο αριθμός οκτανίου της βενζίνης αυτής είναι περίπου 92-93

Η βενζίνη καταλυτικής αναμόρφωσης είναι το προϊόν που είναι βαρύτερο από το πεντάνιο στη μονάδα καταλυτικής αναμόρφωσης (RON=94-100 χωρίς προσθήκη μολύβδου) Η αύξηση του αριθμού οκτανίου μέσω της καταλυτικής αναμόρφωσης οφείλεται κυρίως στη μετατροπή των παραφινών σε αρωματικά τα οποία παρουσιάζουν υψηλό αριθμό οκτανίου Ορισμένες αρωματικές ενώσεις εμφανίζουν καρκινογόνο δράση και υπάρχει περιορισμός στη χρήση τους

Η βενζίνη πολυμερισμού παρασκευάζεται με πολυμερισμό ελαφρών ολεφινών οπότε και παράγονται ολεφίνες στην περιοχή απόσταξης της βενζίνης Είναι γνωστό βέβαια ότι οι ολεφίνες συμβάλλουν στη δημιουργία φωτοχημικού νέφους

Η βενζίνη αλκυλίωσης είναι αποτέλεσμα της αντίδρασης του ισοβουτανίου με προπυλένιο βουτυλένιο ή πεντένιο για παραγωγή διακλαδισμένων υδρογονανθράκων στην περιοχή βρασμού της βενζίνης Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτού του προϊόντος είναι η απουσία αρωματικών και ολεφινών και ο υψηλός RON

Τα οξυγονούχα πρόσθετα προστίθενται στη βενζίνη κυρίως για την αύξηση του αριθμού οκτανίου Κυρίως χρησιμοποιείται ΜΤΒΕ (μεθυλιωμένος τεταρτοταγής βουτυλαιθέρας) σε ποσοστά που δεν ξεπερνούν το 3-5 της βενζίνης Εκτός από την αύξηση του αριθμού οκτανίου η ύπαρξη των οξυγονούχων προσθέτων στη βενζίνη επιδρά ευνοϊκά στην ελάττωση των εκπομπών σε CO και σε υδρογονάνθρακες Παρά τις θετικές επιπτώσεις στην καύση της βενζίνης πρόσφατα έχει απαγορευτεί στην Καλιφόρνια ως καρκινογόνος (λόγω κυρίως της υδατοδιαλυτότητας της)


Αριθμός οκτανίου (ή οκτανίων ή απλώς οκτάνια) γενικός όρος που περιγράφει την ικανότητα μιας βενζίνης να μειώνει το laquoκτύπημαraquo σε ένα βενζινοκινητήρα Η ενεργειακή απόδοση ενός καυσίμου μπορεί να εκτιμηθεί με περισσότερους από έναν αριθμούς οκτανίου Έτσι έχουμε Αντικροτικός δείκτης (Pump Octane ή Antiknock index όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον αριθμό οκτανίων στα βενζινάδικα Αντικροτικός δείκτης = (RON+MON)2 Αριθμός οκτανίου κινητήρα (Motor Octane Number ΜΟΝ) ο αριθμός οκτανίων μετριέται σε δοκιμαστική μηχανή ενός κυλίνδρου με μεταβλητό λόγο συμπίεσης (CR 41 - 181) σε υψηλές ταχύτητες και έντονες συνθήκες Ο αισθητήρας μετράει τις μικρές μεταβολές πίεσης από το laquoκτύπημαraquo που καταγράφεται σε ειδικό όργανο με κλίμακα 0-100 (0 για το κανονικό επτάνιο και 100 για το ισοοκτάνιο) Μικρότερο από τον RON Ερευνητικός Αριθμός οκτανίου (Research Octane Number ΡΟΝ) ελέγχεται ο αριθμός οκτανίων σε μονοκυλινδρική μηχανή δοκιμών σε ήπιες συνθήκες (χαμηλές στροφές) Ο RON ενός καυσίμου είναι υψηλότερος από τον MON Το μηδέν και στους δύο αριθμούς αποτελεί το κανονικό επτάνιο και το εκατό το ισοοκτάνιο (224-τριμεθυλο-πεντάνιο) Η κλίμακα οκτανίου μπορεί προφανώς να προεκταθεί προς τιμές υψηλότερες από 100 αφού το ισοοκτάνιο δεν είναι η ουσία με τη μεγαλύτερη αντικροτική ικανότητα Ο αριθμός οκτανίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μοριακή δομή της οργανικής ένωσης Γενικά ο αριθμός οκτανίου μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα για ενώσεις της ίδιας κατηγορίας ενώ τα διακλαδισμένα αλκάνια τα αλκένια και ειδικότερα οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες εμφανίζουν υψηλό αριθμό οκτανίου Πίνακας 41)

Πίνακας 41 Αριθμός οκτανίου κινητήρα για διάφορα καύσιμα

Υδρογονάνθρακας Χημικός τύπος ΜΟΝ

n-Επτάνιο C7H16 0

2-μεθυλο-επτάνιο C8H18 13

n-Εξάνιο C6H14 26

1-οκτένιο C8H16 35

25-διμεθυλο-εξάνιο C8H18 56

n-Πεντάνιο C5H12 62

1-εξένιο C6H12 63

Κυκλοεξάνιο C6H12 77

12-διμεθυλο-κυκλοεξάνιο C8H16 79

Βουτάνιο C4H10 90

224-τριμεθυλο-πεντάνιο (ισοοκτάνιο) C8H18 100

Τολουόλιο C6H12 103

Βενζόλιο C6H6 115


3) Καύσιμα μέσης απόσταξης

Ως καύσιμα μέσης απόσταξης συνήθως νοούνται τα καύσιμα αεροπλάνων μηχανών ντίζελ και καύσιμα θέρμανσης Τα καύσιμα αυτά προέρχονται από την ανάμιξη διαφόρων ρευμάτων του διυλιστηρίου ώστε να πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές Τα προϊόντα αυτής της κατηγορίας έχουν όρια απόσταξης από 180 έως και 370degC

α) Καύσιμα αεροπορίας

Τα καύσιμα αεροπορίας (jet fuels) χρησιμοποιούντα στα αεροσκάφη της πολιτικής και στρατιωτικής αεροπορίας Προέρχονται κυρίως από ανάμιξη του κλάσματος κηροζίνης από τον πύργο ατμοσφαιρικής απόσταξης με κλάσμα της περιοχής βρασμού κηροζίνης από τη μονάδα υδρογονοπυρόλυσης Για τα καύσιμα αεροπλάνων λόγοι ασφαλείας επιβάλλουν στενά όρια απόσταξης (180-300degC) χαμηλό σημείο πήξης (-40 έως -50degC) σημείο ανάφλεξης (45-65degC) και κινηματικό ιξώδες (lt8 mm2s στους -20degC) Δύο από τις πιο αυστηρές προδιαγραφές έχουν σχέση με την ποιότητα καύσης του καυσίμου (ανώτατο όριο στο περιεχόμενο των αρωματικών 20-22) Η επίτευξη αυτών των ανώτατων ορίων επιτυγχάνεται μέσω υδρογονοπυρόλυσης βαρέων κλασμάτων

β) Καύσιμο μηχανών εσωτερικής καύσης (vτίζελ κίνησης)

Το ντίζελ κίνησης προέρχεται από την ανάμιξη κλασμάτων απευθείας απόσταξης και προϊόντων της υδρογονοπυρόλυσης που έχουν αριθμό κετανίου πάνω από 45 Η περιοχή απόσταξής του είναι από 230-370degC και χρησιμοποιείται σε φορτηγά λεωφορεία και μηχανές υψηλής ταχύτητας Οι ιδιότητες που χαρακτηρίζουν το ντίζελ συναρτώνται άμεσα με τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του κινητήρα που είναι

- Το σύστημα εισαγωγής του καυσίμου - Η διαδικασία ανάφλεξης και διατήρησης της καύσης - Η ρύθμιση της ισχύος εξόδου Το καύσιμο που χρησιμοποιείται στις μηχανές εσωτερικής καύσης πρέπει να έχει τέτοια

χαρακτηριστικά που να μεγιστοποιούν την απόδοση του κινητήρα Το καύσιμο ψεκάζεται σε λεπτό διαμερισμό στον κύλινδρο που υπάρχει αέρας σε υψηλή συμπίεση όπου και εξαεριώνεται Οι ατμοί του καυσίμου αυτοαναφλέγονται σε μία ή περισσότερες ζώνες στις κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας πίεσης και συγκέντρωσης Στον κινητήρα ντίζελ ο αέρας στον κύλινδρο συμπιέζεται σε μεγάλο βαθμό πριν από την εισαγωγή του καυσίμου Εξαιτίας της συμπίεσης η θερμοκρασία αυξάνει σε τέτοια επίπεδα ώστε το καύσιμο να αναφλέγεται ταυτόχρονα με την εισαγωγή του στον κύλινδρο Συνεπώς για τη σωστή λειτουργία της μηχανής το καύσιμο θα πρέπει να έχει ευκολία στην αυτανάφλεξη Η ικανότητα ή ευκολία αυτανάφλεξης εκφράζεται ποσοτικά με τον αριθμό ή δείκτη κετανίου

Ο αριθμός κετανίου εκφράζει το ποσοστό κατ όγκο του κετανίου (C16H34 υψηλή ποιότητα ανάφλεξης) σε ένα μίγμα με α-μέθυλο ναφθαλίνιο (C11H10 χαμηλή ποιότητα ανάφλεξης) Ο αριθμός κετανίου μετρείται σε πρότυπη μηχανή ντίζελ Συνήθως όμως χρησιμοποιούνται εμπειρικές σχέσεις για τον υπολογισμό του


γ) Καύσιμα θέρμανσης Τα καύσιμα θέρμανσης χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση των κατοικιών και

αποτελούν το 15 του όγκου του αργού πετρελαίου αν και τελευταία υπάρχει τάση μείωσής τους λόγω υποκατάστασής τους από το φυσικό αέριο ή το υγραέριο Οι κύριες προδιαγραφές αυτού του καυσίμου αφορούν στο σημείο ροής ανάφλεξης και το ποσοστό θείου Προέρχονται κυρίως από την ανάμιξη διαφόρων ρευμάτων με όρια απόσταξης 205-400degC απευθείας από τον πύργο απόσταξης τις μονάδες καταλυτικής πυρόλυσης και εξανθράκωσης Κατά τη διάρκεια του χειμώνα η ομαλή ροή του καυσίμου στο σύστημα τροφοδοσίας του καυστήρα εξασφαλίζεται όταν το καύσιμο θέρμανσης έχει χαμηλό σημείο ροής Σε αντίθεση με το ντίζελ κίνησης για το πετρέλαιο θέρμανσης δεν απαιτείται ελάχιστο όριο στο δείκτη κετανίου αφού η απόδοση του καυστήρα δεν εξαρτάται από τους ίδιους παράγοντες όπως με αυτούς της μηχανής εσωτερικής καύσης Συμπερασματικά αν και τα χαρακτηριστικά του πετρελαίου κίνησης είναι πολύ κοντά με αυτά του πετρελαίου θέρμανσης η ποιότητα του τελευταίου είναι σαφώς κατώτερη 4) Βαρέα καύσιμα (μαζούτ - residual fuel oils)

Παρασκευάζονται με ανάμιξη των υπολειμμάτων της στήλης απόσταξης κενού με κλάσματα μέσης απόσταξης Αποτελεί βιομηχανικό καύσιμο με τάση σημαντικής υποκατάστασής του Περιέχει σημαντικές ποσότητες θείου και αζώτου

Σήμερα σε παγκόσμια κλίμακα η παραγωγή (και κατανάλωση) βενζίνης αντιπρο-

σωπεύει το 32 της συνολικής παραγωγής του αργού πετρελαίου ποσοστό που μένει σχεδόν σταθερό τα τελευταία 20 χρόνια τα προϊόντα μέσης απόσταξης αντιστοιχούν σε ποσοστό 36 (με μικρή τάση ανόδου) το μαζούτ στο 12 (με τάση μείωσης) και τα άλλα προϊόντα στο 20

127 Αποθέματα πετρελαίου

Τα κοιτάσματα πετρελαίου δεν κατανέμονται δημοκρατικά λίγες αριθμητικά χώρες παράγουν τις μεγαλύτερες ποσότητες πετρελαίου ενώ ακόμη λιγότερες είναι οι χώρες με κοιτάσματα που θα διαρκέσουν περισσότερα από 20 χρόνια από τώρα Τα μεγαλύτερα αποθέματα πετρελαίου βρίσκονται στην Μέση Ανατολή (Σχήματα 411 και 412) Οι 13 χώρες του ΟΠΕΚ διαθέτουν το 67 των αποθεμάτων αν και τα τελευταία χρόνια πετρελαϊκοί πόροι στη Σιβηρία και την Κασπία Θάλασσα μετατρέπονται σε αποθέματα

Με οικονομικά κριτήρια έχει εξαντληθεί το 80 των αποθεμάτων Εκτιμάται ότι παγκόσμια αποθέματα θα διαρκέσουν για περίπου 41 ακόμη χρόνια με τον τρέχοντα ρυθμό κατανάλωσης όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 413 Εκτιμάται ότι με νέες τεχνικές ανακάλυψης νέων αποθεμάτων και με καλύτερη ανάκτηση από τα υπάρχοντα κοιτάσματα η διάρκεια αυτή μπορεί να αυξηθεί για άλλα 20-40 χρόνια Στα αποθέματα πετρελαίου δεν συμπεριλαμβάνονται τα συνθετικά καύσιμα

Η τιμή του πετρελαίου είναι ακόμη σχετικά χαμηλή σε σταθερές τιμές το κόστος του πετρελαίου δεν κυμάνθηκε σημαντικά με εξαίρεση την περίοδο μετά τις δύο ενεργειακές κρίσεις της δεκαετίας του 1970 (Σχήμα 111) Οι χαμηλές τιμές ενθαρρύνουν τη σπατάλη του πετρελαίου και αποτελούν τροχοπέδη στην διείσδυση των ΑΠΕ και στα μέτρα αύξησης της απόδοσης των συσκευών και των διεργασιών αν και στο τελευταίο τομέα σημειώνεται μια διαρκής πρόοδος


Σχήμα 411 Κατανομή των παγκόσμιων αποθεμάτων και πόρων πετρελαίου

1 Quadrillion BTU= 1015 BTU= 176x107 BBL [Πηγή W Fulkerson et al Scientific American September 1990 p 129]

Χιλιάδες εκατομμύρια BBL

0 50 100 150 200 250 300

Σαουδική Αραβία

Άλλες χώρες OPEC

Ιράκ

ΗΑΕ

Κουβέιτ

Ιράν

Χώρες ΟΟΣΑ

Άλλες χώρες εκτός OPEC

Πρώην Σοβιετική Ένωση

Σχήμα 412 Κατανομή των αποθεμάτων πετρελαίου (δεδομένα από το ΒP report 2006) Ο

Οργανισμός των Κρατών Εξαγωγής Πετρελαίου - OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) αποτελείται από 11 μέλη (Βενεζουέλα Ιράν Ιράκ Κουβέϊτ Σαουδική Αραβία Αλγερία

Λιβύη Νιγηρία Κατάρ Ινδονησία Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα Ο ΟΟΣΑ (Οργανισμός για την Οικονομική Συνεργασία και Ανάπτυξη) αποτελείται από 30 κράτη-μέλη


Σχήμα 44 Αποθέματα ανά περιοχή (δεξιά) και λόγοι αποθεμάτων πετρελαίου προς το ρυθμό παραγωγής του Με το λόγο αυτόν εκτιμάται ο χρόνος εξάντλησης αυτού του καυσίμου με την

προϋπόθεση του σταθερού ρυθμού παραγωγής (ΒP report 2006)

48 Αξιοποίηση Κοιτασμάτων Βιτουμενιούχου Σχίστη και Πισσούχου Άμμου

Ο πισσούχος ή βιτουμενιούχος σχίστης είναι ένα πέτρωμα που περιέχει κάποιας μορφής κηρογόνου (ένα κηρώδες μίγμα υδρογονανθράκων) σε ποσοστό μέχρι και 40 Αφού αφαιρεθεί με επιφανειακή ή υποεπιφανειακή εξόρυξη ο σχιστόλιθος θρυμματίζεται και θερμαίνεται ώστε να εξατμιστούν οι υδρογονάνθρακες Οι αέριοι πλέον υδρογονάνθρακες συμπυκνώνονται και σχηματίζουν ένα βαρύ παχύρρευστο πετρέλαιο Υπάρχει και η τεχνική η απόληψη του πετρελαίου να γίνει υπόγεια (in situ) Στη διεργασία αυτή ανοίγονται οπές στο κοίτασμα από όπου εισάγονται θερμά αέρια που μετατρέπουν το κηρογόνο σε πετρέλαιο Πριν από τη μεταφορά του στο διυλιστήριο το πετρέλαιο αυτό πρέπει να τύχει επεξεργασίας ώστε να αφαιρεθούν το θείο το άζωτο και άλλα τοξικά στοιχεία Αν και μερική αξιοποίηση των πισσούχων σχιστών ξεκίνησε στις ΗΠΑ πριν από το 1855 από τους Μορμόνους ουσιαστικά η σύγχρονη βιομηχανική αξιοποίησή τους κορυφώθηκε το 1980 μετά τις δύο ενεργειακές χρήσεις Με την πτώση των τιμών του πετρελαίου μετά το 1980 όλες οι προσπάθειες εγκαταλείφθηκαν

Τα 23 των αποθεμάτων πισσούχου σχίστη στον κόσμο βρίσκονται στις ΗΠΑ (Κολοράντο Γιούτα και Γoυαϊόμινγκ) και εκτιμάται ότι μπορεί να καλύψουν τις ανάγκες της χώρας αυτής σε πετρέλαιο για τα επόμενα 40 χρόνια με τα παρόντα επίπεδα κατανάλωσης Όμως η χρήση του πισσούχου σχίστη παρουσιάζει και ορισμένα προβλήματα Έχει μικρότερη ενεργειακή απόδοση από ότι το συμβατικό πετρέλαιο επειδή για την εξαγωγή επεξεργασία και αναβάθμισή του καταναλώνει ενέργεια μισού βαρελιού συμβατικού πετρελαίου για να δώσει ένα βαρέλι πετρελαίου Η επεξεργασία του πετρελαίου απαιτεί άφθονο νερό που είναι

Μέση Ανατολή

Αφρική

Ανατ Ασία

Βόρεια Αμερική

Κεντ amp Νότια Αμερική

Ευρώπη


γενικά σπάνιο στις περιοχές που βρίσκονται τα πλούσια αποθέματα Επίσης πρέπει να απομακρυνθούν το άζωτο και το θείο Κάτω από το έδαφος οι υπεδαφικές εξορύξεις του πισσούχου σχίστη αφήνουν τεράστιες ποσότητες αργιλικών καταλοίπων Τέλος διάφορα τοξικά μέταλλα και ενώσεις μπορούν μπορεί να περάσουν στον υδροφόρο ορίζοντα

Σχήμα 45 Υπόγειες και επιφανειακές μέθοδοι παραγωγής συνθετικού πετρελαίου από αποθέματα πισσούχου σχίστη (Tyler-Miller 1999)

Η ασφαλτούχος ή πισσούχος άμμος είναι μίγμα αργίλου άμμου και ενός είδους πίσσας

(bitumen) Η πίσσα βρίσκεται σε ποσοστό 10-15 Η ασφαλτούχος άμμος εξορύσσεται επιφανειακά και θερμαίνεται με ατμό (σε περίπου 80degC) με αποτέλεσμα να μειωθεί το ιξώδες της ασφάλτου και να αρχίσει να επιπλέει Η άσφαλτος καθαρίζεται και αναβαθμίζεται με χημικό τρόπο σε συνθετικό αργό πετρέλαιο κατάλληλο για διύλιση Μέχρι σήμερα δεν είναι τεχνικά και οικονομικά εφικτό να αξιοποιηθούν αποθέματα ασφαλτούχου άμμου ή να εξαχθεί άσφαλτος κατευθείαν από το έδαφος

Τα μεγαλύτερα γνωστά αποθέματα ασφαλτούχου άμμου στον κόσμο βρίσκονται στον Καναδά Αυτά τα αποθέματα μπορούν να τροφοδοτήσουν τις προβλεπόμενες ανάγκες του Καναδά σε πετρέλαιο για περίπου 30 χρόνια Άλλα αποθέματα ασφαλτούχου άμμου βρίσκονται στη Βενεζουέλα στη Κολομβία και σε χώρες της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης

Η αξιοποίηση της ασφαλτούχου άμμου παρουσιάζει παρόμοια προβλήματα με την αξιοποίηση του πισσούχου σχίστη χαμηλή ενεργειακή απόδοση απαιτούνται τεράστιες ποσότητες νερού και απελευθερώνονται διάφοροι αέριοι υγροί και στερεοί ρύποι


Σχήμα 46 Σχηματική παράσταση παραγωγής συνθετικού πετρελαίου από αποθέματα ασφαλτούχου άμμου (Tyler-Miller 1999)


5 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ

51 Εισαγωγή

Eξ ορισμού το φυσικό αέριο είναι ένα μίγμα υδρογονανθράκων (και μη καύσιμων αερίων) σε αέρια κατάσταση το οποίο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο Συνήθως βρίσκεται σε ξεχωριστούς ταμιευτήρες στο φλοιό της γης ή εν διαλύσει στο πετρέλαιο Η σύσταση του φυσικού αερίου στην έξοδο της γεώτρησης ποικίλλει σημαντικά τόσο ως προς τα συστατικά όσο και ως προς τη συγκέντρωση αυτών των συστατικών και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε ταμιευτήρα

Το φυσικό αέριο ήταν γνωστό από την αρχαιότητα και αρκετοί αρχαίοι ναοί κυρίως στη Μέση Ανατολή κτίστηκαν κοντά σε εκροές φυσικού αερίου Ακόμη και για τους Δελφούς έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι από την Κασταλία πηγή αναδυόταν μεθάνιο Είναι πιθανόν ότι οι αναφορές του Πλούταρχου (100-125 microΧ) στις laquoαιώνιες φωτιέςraquo στην περιοχή του σύγχρονου Ιράκ να αφορούν στη φυσική διαρροή από το έδαφος και καύση φυσικού αερίου Αναφέρεται ακόμη ότι ο Ιούλιος Καίσαρας είδε από κοντά την laquoκαιόμενη πηγήraquo κοντά στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας Υποτυπώδεις γεωτρήσεις φυσικού αερίου είχαν ανορυχθεί στην Ιαπωνία πριν από το 615 μΧ ενώ το 900 μΧ οι Κινέζοι μετέφεραν φυσικό αέριο με σωλήνες από μπαμπού σε μικρές αποστάσεις για να το χρησιμοποιήσουν στην εξάτμιση αλατούχου νερού Πρακτικά η σύγχρονη χρήση του φυσικού αερίου ξεκίνησε το 1821 στη Fredonia της Νέας Υόρκης όπου ανοίχθηκε η πρώτη γεώτρηση φυσικού αερίου το οποίο χρησιμοποιούνταν για το φωτισμό παρακείμενων οικιών Η πρώτη βιομηχανική χρήση του φυσικού αερίου έγινε σε χαλυβουργεία και υαλουργεία στο Πίτσμπουργκ των ΗΠΑ το 1883 Το 1885 ο Robert Bunsen εφηύρε ένα σύστημα όπου αναμιγνυόταν φυσικό αέριο και αέρας Ο laquoλύχνος Bunsenraquo κατέδειξε πως μπορεί να παραχθεί αποδοτικά θερμότητα από το φυσικό αέριο

52 Σχηματισμός Φυσικού Αερίου

Διάφορες διεργασίες οδηγούν στο σχηματισμό του μεθανίου Γενικά μεθάνιο σχηματίζεται κατά τη βακτηριακή αποσύνθεση της οργανικής ύλης όπως συμβαίνει στους σύγχρονους χώρους υγειονομικής ταφής των απορριμμάτων H κυριότερη διεργασία σχηματισμού του είναι ο διαχωρισμός του από το πετρέλαιο Καθώς το πετρέλαιο θερμάνθηκε σε υψηλές θερμοκρασίες μέσα στο φλοιό της γης μερικά από τα μακρομόρια του διασπάστηκαν δημιουργώντας μεθάνιο και άλλους ελαφρούς υδρογονάνθρακες (laquoθερμογενές μεθάνιοraquo) Όσο βαθύτερα βρισκόταν το πετρέλαιο τόσο μεγαλύτερος ήταν ο ρυθμός διάσπασης (και παραγωγής μεθανίου) λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών Στη ουσία σε εξαιρετικά μεγάλα βάθη όλοι οι υδρογονάνθρακες έχουν διασπαστεί σε αέρια και εκεί βρίσκουμε βασικά μόνο φυσικό αέριο Τα μεγαλύτερα και πιο εμπορεύσιμα κοιτάσματα φυσικού αερίου έχουν σχηματιστεί με αυτό τον τρόπο


Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των γαιανθράκων η αυξανόμενη συμπύκνωση δακτυλίων ατόμων άνθρακα σε μεγαλύτερα συστήματα δακτυλίων μπορεί να συνοδευτεί με την απόσπαση μεμονωμένων ατόμων άνθρακα με τη μορφή του μεθανίου Υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για το εγκλωβισμένο μεθάνιο σε κοιτάσματα άνθρακα ως μια νέα πηγή μεθανίου Το φυσικό αυτό αέριο ονομάζεται μεθάνιο από κλίνες άνθρακα (coalbed methane) Η εκμετάλλευση τέτοιων κοιτασμάτων είναι σημαντική διότι παρέχει μια νέα πηγή μεθανίου και μειώνει τον κίνδυνο συγκέντρωσης μεθανίου στις υπόγειες στοές άνθρακα Το μεθάνιο είναι εξαιρετικά εύφλεκτο και τυχαία ανάφλεξη του μεθανίου μπορεί να έχει πολύ θλιβερά αποτελέσματα

Φυσικό αέριο βρίσκεται μέσα στο φλοιό τη γης μαζί με το πετρέλαιο όπως έχει παρουσιαστεί στο Σχήμα 45 Το μεθάνιο αυτό αναφέρεται ως συνδεδεμένο μεθάνιο (associated gas) Σε πολύ υψηλές πιέσεις το φυσικό αέριο μπορεί να διαλυθεί μέσα στο πετρέλαιο οπότε αυτό αναφέρεται ως διαλυμένο φυσικό αέριο (dissolved gas) Το αέριο αυτό ελευθερώνεται καθώς το πετρέλαιο έρχεται στην επιφάνεια Είναι επίσης πιθανόν ένας θύλακας φυσικού αερίου να βρίσκεται ως μια γιγαντιαία φυσαλίδα πάνω από έναν ταμιευτήρα πετρελαίου Σε αυτήν την περίπτωση καλείται φυσικό αέριο από θύλακα αερίου (gas cap gas)

Το φυσικό αέριο μπορεί ακόμα να μεταναστεύσει μακριά από το πετρέλαιο και να παγιδευτεί μόνο του κάτω από ένα αδιαπέραστο πέτρωμα σε ένα άλλο ανεξάρτητο θύλακα Σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται μη-συνδεδεμένο αέριο (non-associated gas) Περίπου το 65 του φυσικού αερίου που ανακτάται στις ΗΠΑ ανήκει σε αυτήν την κατηγορία

53 Ιδιότητες του φυσικού αερίου

Το φυσικό αέριο κυρίως αποτελείται από μεθάνιο CH4 ένα άχρωμο και άοσμο μη τοξικό αέριο Συνήθως περιέχει και μικρές ποσότητες από άλλους ελαφρούς υδρογονάνθρακες (αιθάνιο προπάνιο και βουτάνιο) και σπάνια σε ακόμη μικρότερες συγκεντρώσεις πεντάνιο και εξάνιο Σε κανονικές θερμοκρασίες οι δύο τελευταίοι υδρογονάνθρακες είναι υγροί με χαμηλό σημείο ζέσεως Όμως σε στις υψηλές θερμοκρασίες που απαντούν μέσα στη γη είναι σε αέρια κατάσταση και αποτελούν τμήμα του φυσικού αερίου Εκτός από υδρογονάνθρακες τα φυσικό αέριο μπορεί να περιέχει διάφορα ανόργανα συστατικά όπως άζωτο αργό ήλιο διοξείδιο του άνθρακα και υδρόθειο Η σημαντική πρόοδος στις αναλυτικές συσκευές έχει κάνει δυνατή την ανίχνευση πολλών άλλων συστατικών σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις Έχουν ανιχνευθεί υδράργυρος και ενώσεις αρσενικoύ σε επίπεδα συγκέντρωσης ppb

Το φυσικό αέριο συχνά χαρακτηρίζεται από την παρουσία ή απουσία συγκεκριμένων συστατικών Έτσι έχουμε τους χαρακτηρισμούς

(1) Υγρό αέριο (wet) συνήθως το μη επεξεργασμένο αέριο που περιέχει συμπυκνώ-σιμους υδρογονάνθρακες (προπάνιο βουτάνιο κα) Το φυσικό αέριο γίνεται περισσότερο laquoυγρόraquo καθώς αυξάνει το βάθος από το οποίο προέρχεται

(2) Ξηρό αέριο (dry) όταν δεν περιέχει συμπυκνώσιμους υδρογονάνθρακες και έχει απομακρυνθεί το νερό

(3) Όξινο αέριο (sour) όταν περιέχει CO2 (σε ποσοστό gt2) υδρόθειο και άλλες ενώσεις θείου σε συγκεντρώσεις που υπερβαίνουν συγκεκριμένα όρια


(4) Γλυκό αέριο (sweet) όταν περιέχει CO2 σε μικρές συγκεντρώσεις (lt2) ενώ οι συγκεντρώσεις του υδροθείου και άλλων ενώσεων θείου είναι μικρότερες από κάποια όρια

Είναι προφανές και επιθυμητό ένα φυσικό αέριο να είναι ισχνό ξηρό και γλυκό Εάν δεν έχει αυτές τις ιδιότητες το φυσικό αέριο τότε υφίσταται επεξεργασία ώστε να αποκτήσει αυτές τις ιδιότητες πριν οδηγηθεί στην κατανάλωση Τυπικές συστάσεις και χαρακτηρισμός φυσικού αερίου δίδονται στον Πίνακα 51 ενώ στον Πίνακα 52 παρουσιάζονται οι τυπικές αναλύσεις φυσικού αερίου από Αλγερία και Ρωσία χώρες από τις οποίες η χώρα μας προμηθεύεται το φυσικό αέριο

Το ποσοστό κάθε συστατικού στο φυσικό αέριο μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη λειτουργία μίας διεργασίας επεξεργασίας του φυσικού αερίου τη μέτρηση της παροχής (και επομένως το κόστος αγοράς του καυσίμου) και πάνω από όλα τον καταναλωτή Για το λόγο αυτόν καθορίζονται συνήθως προδιαγραφές της σύστασης του φυσικού αερίου Αν και δεν υπάρχουν διεθνώς αποδεκτές προδιαγραφές του φυσικού αερίου που διατίθενται την αγορά προδιαγραφές που ισχύουν στις ΗΠΑ για ορισμένα συστατικά παρατίθενται στον Πίνακα 53 Εκτός από αυτές τις προδιαγραφές υπάρχουν και μερικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά καύσης του φυσικού αερίου όπως είναι ο δείκτης της κίτρινης φλόγας και ο αριθμός ή δείκτης Wobbe

Προβλήματα και ποιότητα φυσικού αερίου

1) Οξυγόνο Το οξυγόνο γενικά δεν απαντά στο φυσικό αέριο Μπορεί όμως να εισχωρήσει στα συστήματα διανομής χαμηλής πίεσης μέσω ανεπιθύμητων ανοιγμάτων (διαρροών) Το οξυγόνο είναι ένα έντονα διαβρωτικό μέσο ακόμη και σε μικρές συγκεντρώσεις Το ποσοστό του O2 στο φυσικό αέριο δεν πρέπει να υπερβαίνει το 01 κατ όγκον και θα πρέπει να λαμβάνεται κάθε πρόνοια ώστε το φυσικό αέριο να μην περιέχει καθόλου οξυγόνο

2) Υδρόθειο Το υδρόθειο είναι ένα τοξικό αέριο (σε συγκέντρωση περίπου 500 ppmv προκαλείται θάνατος) σχηματίζει όξινα διαλύματα σε επαφή με το νερό είναι έντονα διαβρωτικό (πχ στο χαλκό και στα κράματά του) και έχει έντονη οσμή η οποία μπορεί να επηρεάσει και να μεταβάλλει τη laquoχαρακτηριστικήraquo οσμή του φυσικού αερίου Η συγκέντρωση του υδροθείου στο φυσικό αέριο δεν θα πρέπει να ξεπερνά τα 4 ppmv (~57 mgm3)

3) Μερκαπτάνες Οι μερκαπτάνες έχουν έντονη οσμή και η συγκέντρωσή τους στο φυσικό αέριο δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 3 ppmv

4) Συνολικό θείο Η συγκέντρωση του θείου θα πρέπει να είναι μικρότερη των 20 mgm3 (συμπεριλαμβανομένων του υδροθείου και των μερκαπτανών)

5) Διοξείδιο του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα όπως και το νερό οξυγόνο άζωτο υδρόθειο κτλ δεν συνεισφέρει στη θερμαντική αξία του φυσικού αερίου και γιrsquo αυτό η συγκέντρωσή του πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη Είναι ένα αδρανές και μη τοξικό αέριο Η παρουσία διοξειδίου του άνθρακα (όπως και του αζώτου) περιπλέκει τον υπολογισμό του συντελεστή συμπιεστότητας του φυσικού αερίου ενώ με το νερό δημιουργεί όξινα διαβρωτικά διαλύματα Το ποσοστό του στο φυσικό αέριο πρέπει να είναι μικρότερο του 2 κατ όγκον

6) Άζωτο Το άζωτο είναι ένα αδρανές και μη τοξικό αέριο αλλά αναφορικά με το φυσικό αέριο καταλαμβάνει πολύτιμο χώρο μειώνοντας έτσι την χωρητικότητα των αγωγών μεταφοράς και καταναλώνεται ενέργεια για τη μεταφορά του Επιπλέον μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στην έξοδο του καυστήρα αερίου ανυψώνοντας τη φλόγα Το ποσοστό του αζώτου στο φυσικό αέριο δεν πρέπει να υπερβαίνει το 3 κατ όγκον

7) Iσοπεντάνιο και βαρύτεροι υδρογονάνθρακες Μπορούν να υγροποιηθούν στους αγωγούς μεταφοράς δημιουργώντας λειτουργικά προβλήματα και προβλήματα στους καταναλωτές Τα υγρά συστατικά σε μεγάλες συγκεντρώσεις μειώνουν την χωρητικότητα των αγωγών μεταφοράς Η παρουσία ισοπεντανίου και βαρύτερων υδρογονανθράκων μειώνει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας προσθήκης της χαρακτηριστικής οσμής του φυσικού


αερίου Το φυσικό αέριο δεν θα πρέπει να περιέχει περισσότερο από περίπου 25 mLm3 υγρούς υδρογονάνθρακες

8) Νερό Το φυσικό αέριο δεν θα πρέπει να περιέχει νερό (και άλλα υγρά) στις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που γίνεται η διανομή του Το νερό σε χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις δημιουργεί με το μεθάνιο και τους άλλους ελαφρούς υδρογονάνθρακες ένυδρες στερεές ουσίες (hydrates) οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά λειτουργικά προβλήματα (ένα είδος απόφραξης των αγωγών) και προκαλεί διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών Γενικά το φυσικό αέριο δεν πρέπει να περιέχει νερό πάνω από 01 gm3

9) Υδρογόνο και άλλα αέρια Το φυσικό αέριο δεν πρέπει να περιέχει μονοξείδιο του άνθρακα αλογόνα ή ακόρεστους υδρογονάνθρακες ενώ η συγκέντρωση του υδρογόνου δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 400 ppmv

10) Σκόνη κόμμεα και στερεά συστατικά Το φυσικό αέριο που προορίζεται για εμπορική χρήση πρέπει να είναι εντελώς απαλλαγμένο από σκόνες κόμμεα και στερεές ουσίες

11) Θερμοκρασία Η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να είναι επιβλαβής στις προστατευτικές επικαλύψεις των αγωγών ενώ πολύ χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα λόγω της δημιουργίας πάγου και ένυδρων συστατικών

12) Θερμαντική αξία Η θερμογόνος δύναμη σε ημερήσια μηνιαία ή ετήσια βάση δεν πρέπει να είναι μικρότερη από ~36 ούτε μεγαλύτερη από ~44 MJm3

Δείκτης Wobbe

Ο ρυθμός παροχής ενέργειας σε έναν καυστήρα εξαρτάται βασικά από την παροχή του καυσίμου και τη θερμογόνο δύναμή του Δεδομένου ότι η παροχή είναι ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της πίεσης P και αντιστρόφως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας d

Pd

ΘΔq

Το μέγεθος dΘΔ καλείται δείκτης Wobbe και αποτελεί χρήσιμο χαρακτηριστικό ενός φυσικού αερίου

Πίνακας 51 Συστάσεις φυσικού αερίου από την Βόρειο Αμερική (Πηγή Kirk amp Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol 12 1997)

Rio Arriba N Mexico ΗΠΑ

Terrel County Τέξας ΗΠΑ

Stanton County Kansas ΗΠΑ

San Juan N Mexico HΠΑ

Olds FieldAlberta Καναδάς

Συστατικό mol CH4 9691 4664 6756 7728 5234 C2H6 133 021 623 1118 041 C3H8 019 - 318 583 014 C4H10 005 - 142 234 016 geC5H12 002 - 040 118 041 CO2 082 5393 007 080 822 H2S - 001 - - 3579 N2 068 021 2114 139 253

Χαρακτηρισμός υγρό radic radic ξηρό radic radic radic γλυκό radic radic radic όξινο radic radic

Θερμογόνος δύναμη MJm3 376 173 349 468 300 Σχετική πυκνότητα 0574 1077 0733 0741 0882


Πίνακας 52 Συστάσεις φυσικού αερίου από τη Ρωσική Δημοκρατία και την Αλγερία (Πηγή ΔΕΠΑ 1997)

Συστατικό mol Ρωσία Αλγερία CH4 980 912 C2H6 06 65 C3H8 02 11 C4H10 02 02 C5H12 01 -

N2 08 10 H2S - - CO2 01 -

Πίνακας 53 Προδιαγραφές φυσικού αερίου σε αγωγούς διανομής στις ΗΠΑ (Πηγή Kirk amp Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol 12 1997)

Χαρακτηριστικό Προδιαγραφή

Περιεκτικότητα σε νερό mgm3 64-112 Υδρόθειο mgm3 57 Μέση θερμογόνος δύναμη MJm3 354 Σημείο δρόσου υδρογονανθράκων σε πίεση 55 ΜPa K 2649 Μερκαπτάνες mgm3 46 Ολικό θείο mgm3 23-114 Διοξείδιο του άνθρακα mol 1-3 Οξυγόνο mol 0-04

54 Αξιοποίηση του Φυσικού Αερίου

Από πολλές απόψεις το φυσικό αέριο αποτελεί το ιδανικό καύσιμο και δεν έχουμε να πούμε πολλά για τις χρήσεις του αρκεί να διαθέσιμο Έχει μια σχετικά απλή και σχεδόν σταθερή χημική σύσταση υψηλή θερμογόνο δύναμη και χρειάζεται πολλή μικρή προετοιμασία πριν από τη χρήση του σε σχέση με το πετρέλαιο και τον άνθρακα Επειδή είναι αέριο αναμιγνύεται εύκολα με τον αέρα για αποδοτική και πλήρη καύση Δεν περιέχει στερεά συστατικά και συνεπώς δεν παράγει τέφρα 541 Κατεργασία του φυσικού αερίου

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την κατεργασία του φυσικού αερίου εξαρτώνται από το είδος των συστατικών που περιέχει Για παράδειγμα ένα ξηρό αέριο σχεδόν δεν χρειάζεται κατεργασία εκτός από τη σταθεροποίηση της υγρασίας του Αν το αέριο είναι ξηρό αλλά όξινο είναι απαραίτητη η απομάκρυνση των όξινων αερίων

Η κατεργασία υγρού και όξινου φυσικού αερίου περιλαμβάνει τα εξής στάδια 1 Απομάκρυνση όξινων αερίων (CO2 H2S και άλλων θειούχων ενώσεων) Τα όξινα αέρια

δημιουργούν προβλήματα διάβρωσης οσμών και επίδρασης σε καταλύτες Το υδρόθειο εκτός από τον όξινο χαρακτήρα του είναι ένα ιδιαίτερα τοξικό αέριο και οι προδιαγραφές ως προς τη συγκέντρωσή του στο φυσικό αέριο είναι αυστηρές Υπάρχουν περισσότερες από 30 μέθοδοι απομάκρυνσης των όξινων αερίων Η πλέον συνήθης τεχνική είναι η χρήση μονο- και διαιθανολαμινών (ΜΕΑ και DΕΑ) οι οποίες αντιδρούν με τα όξινα αέρια σε


στήλη απορρόφησης κατrsquo αντιρροή και σχηματίζονται θειούχα και ανθρακικά αλάτων Οι αμίνες αναγεννώνται με ατμό Η ΜΕΑ είναι ο παλαιότερος και ο πλέον διαδεδομένος διαλύτης για τη δέσμευση των CO2 και H2S Η DΕΑ προτιμάται στην απομάκρυνση των θειούχων ενώσεων όπως του θειούχου καρβονυλίου Επίσης μπορούν να χρησι-μοποιηθούν και άλλοι φυσικοί διαλύτες (πχ ανθρακικό προπυλένιο Sulfinal κα) κυρίως για μεγάλες συγκεντρώσεις όξινων αερίων Εκλεκτική απομάκρυνση του υδροθείου μπορεί να γίνει με τη χρήση κλίνης από ρινίσματα σιδήρου ή από άλλα υλικά επικαλυμμένα με οξείδια του σιδήρου Η παλαιότατη αυτή μέθοδος χρησιμοποιείται σήμερα μόνο για μικρές συγκεντρώσεις υδροθείου Τέλος η πρόσφατη πρακτική είναι η μετατροπή (οξείδωση) του υδροθείου σε στοιχειακό θείο με πληθώρα διεργασιών όπως οι μέθοδοι Claus Super Claus ARS sulfoxide κα) H διεργασία αυτή ονομάζεται γλύκανση (sweetening) Η επιλογή της ή των μεθόδων επεξεργασίας εξαρτάται από τη σύσταση του φυσικού αερίου την πίεση και την παροχή του καθώς και από τα επιθυμητά όρια απομάκρυνσης των όξινων αερίων

2 Απομάκρυνση υγρασίας Το ποσοστό της υγρασίας στο φυσικό αέριο είναι πολύ βασικός παράγοντας γιατί αποτρέπει το σχηματισμό ένυδρων στερεών ουσιών (hydrates) Οι ένυδρες ουσίες είναι στερεές λευκές ενώσεις που σχηματίζονται από φυσικοχημικές αντιδράσεις μεταξύ του νερού και των υδρογονανθράκων σε συνθήκες υψηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας (συνθήκες που επικρατούν σε υποθαλάσσιους αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου) Το νερό απομακρύνεται είτε με κατεργασία του αερίου με υγροσκοπικά υγρά (αλκοόλες και κυρίως γλυκόλες) ή με την προσρόφησή του σε στερεά μέσα (silica gel ενεργοποιημένη αλουμίνα ενεργά κόσκινα κά)

3 Απομάκρυνση των συμπυκνώσιμων υδρογονανθράκων Οι συμπυκνώσιμοι υδρογο-νάνθρακες απομακρύνονται από το φυσικό αέριο με ψύξη του αερίου σε χαμηλή θερμοκρασία (μέχρι και -45degC) Με την ψύξη το πεντάνιο και το εξάνιο θα συμπυκνωθούν και θα δώσουν ένα υγρό που λέγεται φυσική βενζίνη (natural gasoline) Η ψύξη του φυσικού αερίου θα επιτρέψει στο προπάνιο και το βουτάνιο να υγροποιηθούν επίσης Αυτές οι ενώσεις βρίσκονται με το όνομα υγροποιημένο πετρέλαιο από αέριο (LPG liquefied petroleum gas) Το LPG είναι πολύ χρήσιμο ιδιαίτερα σε αγροτικές περιοχές που δεν τροφοδοτούνται από δίκτυα φυσικού αερίου

4 Απομάκρυνση του αζώτου Η διεργασία βασίζεται στη διαφορά των σημείων ζέσεως του αζώτου και του μεθανίου και γίνεται με κρυογονική απόσταξη με την προϋπόθεση ότι έχουν αφαιρεθεί όλες οι ουσίες που μπορεί να δημιουργήσουν στερεά

542 Μεταφορά του φυσικού αερίου

Το φυσικό αέριο μεταφέρεται κυρίως με αγωγούς Ένας τυπικός αγωγός φυσικού αερίου περιέχει αέριο σε πίεση 65 ατμοσφαιρών Το αέριο κινείται με μία ταχύτητα 20-24 kmh Οι αγωγοί εκτός του ότι είναι μία εύκολη λύση για την μεταφορά του έχουν το πλεονέκτημα ότι αποτελούν και μια καλή αποθηκευτική λύση Στις ΗΠΑ μόνο υπάρχουν αγωγοί μήκους περισσότερο από 1800000 km για συλλογή μεταφορά και διανομή του φυσικού αερίου σε σχέση με τα 320000 km των αγωγών πετρελαίου Επιπλέον το φυσικό αέριο μπορεί να αποθηκευτεί σε υπόγειες εκμεταλλεύσεις ανενεργών ορυχείων

Η διεθνής μεταφορά φυσικού αερίου γίνεται με κρυογονικά δεξαμενόπλοια Το αέριο αποθηκεύεται ως υγρό σε χαμηλές θερμοκρασίες Το μεθάνιο γίνεται υγρό στους ndash164ordmC σε ατμοσφαιρική πίεση Παραμένει υγρό μέχρι τους -82ordmC και πίεση 46 atm Το υγροποιημένο


φυσικό αέριο LNG (liquefied natural gas) απαιτεί μόνο το 1600 του όγκου του αερίου μεθανίου σε κανονικές συνθήκες Τα κρυογενικά δεξαμενόπλοια είναι στην ουσία τεράστια επιπλέοντα θερμός Η Αλγερία εξάγει τεράστιες ποσότητες LNG με πελάτη και τη χώρα μας

543 Καύση φυσικού αερίου

Από πολλές πλευρές το φυσικό αέριο είναι ένα άριστο καύσιμο Έχει την υψηλότερη θερμογόνο δύναμη από όλα τα ορυκτά καύσιμα Είναι πολύ εύκολο να ελέγξουμε την παραγόμενη ενέργεια από την καύση διότι οι καυστήρες φυσικού αερίου έχουν τη δυνατότητα άμεσης έναρξης ή σταματήματος Το φυσικό αέριο είναι εντελώς καθαρό δεν παράγει τέφρα (εκπομπές σωματιδίων) και δεν απαιτεί αποθηκευτικούς χώρους Δεν χρειάζεται να κανονίζουμε περιοδικές λήψεις καυσίμου και έχουμε καύσιμο αμέσως μόλις ανοίξουμε μια βάνα

Η καύση του φυσικού αερίου εξαρτάται από τη δυνατότητα των ελευθέρων ριζών (πχ μεθυλική ρίζα CH3middot) που σχηματίστηκαν λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της προσβολής από τα ενεργά συστατικά να συμμετέχουν σε διάφορες αλυσιδωτές αντιδράσεις Αρχικά το μεθάνιο αντιδρά με την CH3middot για το σχηματισμό φορμαλδεϋδης (HCHO) Η τελευταία αντιδρά προς μια φορμολική ρίζα (HCO) η οποία δίδει μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Μέσω τέτοιων σταδίων καταναλώνονται τα αντιδρώντα συστατικά και δίνουν H2 H2O και CO Η συνολική διεργασία μπορεί να περιγραφεί από την αντίδραση

CH4+ O2 CO + Η2 + H2O (51)

Η διεργασία γίνεται σχεδόν ακαριαία σε χρόνο της τάξης του χιλιοστού του δευτερολέπτου (ms) κάτι που εξαρτάται από τη θερμοκρασία της φλόγας την πίεση και ο λόγος καυσίμου-αέρα Η διεργασία αυτή καλείται οξειδωτική πυρόλυση Εν συνεχεία το H2


οξειδώνεται σχηματίζοντας H2O και απελευθερώνει επιπλέον ενέργεια σε χρόνο μικρότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου

H2+ frac12Ο2 H2O (52)

Τελικά και το CO οξειδώνεται προς CO2 με την απελευθέρωση ενέργειας Η τελευταία διεργασία είναι το αργότερο στάδιο και τυπικά συμβαίνει σε μερικά ms

CΟ+ frac12Ο2 CO2

Επομένως όταν υπάρχει περίσσεια αέρα από τη καύση του φυσικού αερίου (κυρίως CH4) παράγεται CO2 και H2O σύμφωνα με την συνολική αντίδραση

CH4+ O2 CO2 + 2H2O (804 KJmol CH4) (53)

Εάν το οξυγόνο δεν επαρκεί πλήρως για καύση παράγεται CO

2CH4+3O2 2CO + 4H2O (519 KJmol CH4 ) (54)

που σημαίνει ότι χάνεται ενέργεια αλλά και παράγεται τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα Όμως η μερική καύση του φυσικού αερίου μπορεί να είναι και επιθυμητή εάν απαιτείται η παραγωγή Η2 και CO (αέριο σύνθεσης) Όταν το ποσοστό οξυγόνου είναι ακόμα μικρότερο τότε παράγεται αιθάλη δηλαδή άνθρακας και αυτό είναι ακόμα χειρότερο διότι όχι μόνο χάνεται ενέργεια αλλά και δημιουργούνται επικαθίσεις (κάπνα)

CH4+ O2 C + 2H2O (55)

Και πάλι όμως μπορεί αυτή η καύση να είναι επιθυμητή εάν επιθυμούμε να παράγουμε laquocarbon blackraquo για ορισμένες βιομηχανίες όπως για παράδειγμα ελαστικών χρωμάτων και πλαστικών

Η καύση των αλκανίων Όταν τα αλκάνια (CnH2n+2) με nge2 καίγονται ο μηχανισμός της αντίδρασης είναι

διαφορετικός από το μηχανισμό καύσης του μεθανίου Αρχικά τα αλκάνια μετατρέπονται σε ένα η περισσότερα αλκένια (CnH2n) ιδιαίτερα σε αιθυλένιο (C2H4) και προπυλένιο (C3H6) Τα αλκένια κατόπιν υφίστανται οξειδωτική πυρόλυση προς CO H2 και H2O αλλά με διαφορετικούς μηχανισμούς από τους αντίστοιχους του μεθανίου Οι τελικές αντιδράσεις μπορούν να γραφούν ως εξής

CnH2n+2 CnH2n + H2 CnH2n + O2 CO + H2 + H2O (μη ισοζυγισμένη αντίδραση) H2 + frac12O2 H2O (+ενεργά συστατικά + θερμότητα) CO + frac12O2 CO2 (+ θερμότητα)

55 Χρήσεις

Το φυσικό αέριο λόγω των συγκριτικών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει σε σχέση με τους γαιάνθρακες και το πετρέλαιο έχει πολλές και σημαντικές εφαρμογές Οι κύριοι τομείς που χρησιμοποιείται το φυσικό αέριο είναι 1) Ηλεκτροπαραγωγή Το φυσικό αέριο αποτελεί άριστο καύσιμο

για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του (πολλά από τα οποία ισχύουν και για τις χρήσεις του σε άλλους τομείς) είναι η συνεχής ροή του καυσίμου οι πολύ μικρότερες εκπομπές ρύπων (μεταξύ άλλων δεν εκπέμπονται καθόλου σωματιδιακοί ρύποι) η αυξημένη


ενεργειακή απόδοση της μονάδας η ευχέρεια χειρισμού και ελέγχου η αποκέντρωση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα και η διασπορά στις πρωτογενείς πηγές της χώρας (ή διασπορά της ενεργειακής εξάρτησης) Μερικό μειονέκτημα της χρήσης του φυσικού αερίου στην ηλεκτροπαραγωγή είναι ότι το κόστος παραγωγής ανά είναι υψηλότερο από ότι το αντίστοιχο κόστος με τη χρήση γαιάνθρακα

Οι εκπεμπόμενοι ρύποι από τις ΑΗΜ ανάλογα με το ορυκτό καύσιμο που χρησιμοποιούν παρουσιάζονται στον Πίνακα 54 Επίσης αναφορικά με το CO2 από την καύση του φυσικού αερίου παράγονται 30 λιγότερες εκπομπές CO2 σε σχέση με την καύση του πετρελαίου και 45 λιγότερες εκπομπές σε σχέση με την καύση πισσούχου άνθρακα

Πίνακας 54 Εκπεμπόμενοι ρύποι από μονάδες ατμοπαραγωγής με τη χρήση διαφορετικών

καυσίμων (σε mgMJ παραγόμενης θερμότητας)

Καύσιμο Σωματίδια NOx SO2 CO Υδρογκες Γαιάνθρακας 1090 387 2456 12 2 Μαζούτ 100 170 1400 14 3 Ντίζελ 6 100 220 16 3 Φυσικό αέριο 4 100 03 7 1

2) Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας Με το φυσικό αέριο παρέχεται η ευκολία συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) στις περιπτώσεις που απαιτούνται ταυτόχρονα σημαντικές ποσότητες θερμικού φορτίου και ηλεκτρισμού Ήδη σε διεθνή κλίμακα λειτουργεί μεγάλος αριθμός μονάδων ΣΗΘ

3) Βιομηχανικός τομέας Έχει μεγάλη σημασία για έναν ορυκτό πόρο όπως είναι το φυσικό

αέριο να είναι δυνατή η σύνθεση οργανικών ενώσεων Ο βιομηχανικός τομέας χρησιμοποιεί το φυσικό αέριο τόσο για θερμικές χρήσεις όσο και την παραγωγή πληθώρας προϊόντων Τέτοια προϊόντα είναι το ακετυλένιο το χλωρομεθάνιο ο διθειάνθρακας και κυρίως το αέριο σύνθεσης (CO+H2) Η μεγαλύτερη εφαρμογή του φυσικού αερίου στη χημική βιομηχανία είναι αναμφισβήτητα η παραγωγή αερίου σύνθεσης Η ενδοθερμική αντίδραση παραγωγής του γράφεται ως

CH4+ Η2Ο CO + 3H2 (56)

Παρουσία καταλυτών το CO αντιδρά με ατμό και παράγεται επιπλέον υδρογόνο καθώς και διοξείδιο του άνθρακα

CΟ+ Η2Ο CO2 + H2 (57)

Οι κυριότερες μέθοδοι που επιλέγονται ανάλογα το κόστος της επένδυσης την κατανάλωση ενέργειας τις απαιτήσεις σε οξυγόνο και τη τελική διεργασία για την οποία κατευθύνεται το αέριο σύνθεσης είναι

Αναμόρφωση με ατμό

Συνδυασμένη αναμόρφωση

Αυτοθερμική αναμόρφωση

Μη καταλυτική μερική οξείδωση

Αναμόρφωση με CO2


Καταλυτική μερική οξείδωση

Το μεγαλύτερο ποσοστό του παραγόμενου αέριου σύνθεσης χρησιμοποιείται ως πηγή υδρογόνου για παραγωγή αμμωνίας (την πρώτη ύλη λιπασμάτων) ή ως πρώτη ύλη σε διυλιστήρια όπου χρησιμοποιείται στην υδρογονοπυρόλυση και υδρογονοαποθείωση

Ένα άλλο σημαντικό προϊόν που παράγεται από το αέριο σύνθεσης είναι η μεθανόλη η οποία από τη μεριά της αποτελεί πρώτη ύλη για την παραγωγή φορμαλδεϋδης (HCHO) ή οξικού οξέος (CH3COOH) καθώς και προσθέτων στη βενζίνη (ΜΤΒΕ) ενώ μπορεί να χαρακτηριστεί και ως εναλλακτικό καύσιμο

Πέραν του μεθανίου το περιεχόμενο αιθάνιο ή προπάνιο παρουσία ατμού παράγει αιθυλένιο ή προπυλένιο ενώ τα βουτάνια μετά το διαχωρισμό τους χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μηλεϊνικού ανυδρίτη

Μεγάλη πρόκληση για τον επιστημονικό κόσμο της σύνθεσης αποτελεί η μετατροπή του μεθανίου σε αιθυλένιο την πρώτη ύλη για πληθώρα υδρογονανθράκων αλλά και το πολυαιθυλένιο Η μετατροπή του μεθανίου σε αιθυλένιο

2 CH4+ O2 C2Η4 + 2H2O (58)

χαρακτηρίζεται ως διμερισμός Μέχρι σήμερα δεν κατέστη δυνατή η εύρεση οικονομικής λύσης σε αυτό το ζήτημα

4) Εμπορικός τομέας Η χρήση του φυσικού αερίου (για θέρμανση παραγωγή ζεστού νερού χρήσης κτλ) στον εμπορικό τομέα περιλαμβάνει σχεδόν όλες τις κατηγορίες καταναλωτών ενέργειας όπως καταστήματα σχολεία νοσοκομεία αθλητικά και εμπορικά κέντρα θερμοκήπια μεταφορές κά Στα θερμοκήπια ένα επιπλέον πλεονέκτημα της χρήσης του φυσικού αερίου είναι η δυνατότητα εμπλουτισμού της ατμόσφαιρας του θερμοκηπίου με το CO2 των καυσαερίων Τα λεωφορεία που κινούνται μέσα στην πόλη χρησιμοποιώντας φυσικό αέριο εκπέμπουν πολύ λιγότερους ρύπους συγκρινόμενα με τα βενζινοκίνητα ή τα ντιζελοκίνητα αυτοκίνητα και για το λόγο αυτό η χρήση τους διευρύνεται σε μεγάλα αστικά κέντρα

5) Οικιακός τομέας Σημαντική θέση στις χρήσεις του φυσικού αερίου κατέχει παγκοσμίως ο οικιακός τομέας με θέρμανση χώρων παραγωγή ζεστού νερού μαγείρεμα ψύξη κτλ

Φυσικό Aέριο

Αναμόρφωση με ατμό SR

Αυτοθερμική αναμόρφωση ATR

Αναμόρφωση με CO2 CR

Μερική Οξείδωση CPO

Αέριο Σύνθεσης Η2 CΟ

Μεθανόλη Αμμωνία Υδρογόνο

Υγρά καύσιμα


Σήμερα το φυσικό αέριο κατέχει ποσοστό 24 στην κατανάλωση πρωτογενούς

ενέργειας από το 16 που ήταν το 1973 Ο βιομηχανικός τομέας απορροφά περίπου το 48 της παραγωγής (τόσο για θερμικές όσο και για μη-θερμικές χημικές χρήσεις) η ηλεκτροπαραγωγή (συμπεριλαμβανομένης και της συμπαραγωγής) το 13 η οικιακή κατανάλωση το 24 και ο εμπορικός τομέας το 14 Ένα ποσοστό της τάξης του 1 χρησιμοποιείται στις μεταφορές

Σύμφωνα με την ΔΕΠΑ οι αναμενόμενες χρήσεις φυσικού αερίου στην Ελλάδα το 2010 θα είναι (Σχήμα 51) ηλεκτροπαραγωγή (38) οικιακός-εμπορικός τομέας (26) βιομηχανική χρήση (17) συμπαραγωγή (11) και χημικές χρήσεις (6)

Ηλεκτροπαραγωγή38

Συμπαραγωγή11

Οικιακός εμπoρικός τομέας

26

Χημική χρήση6

Βιομηχανικός τομέας17

Σχήμα 51 Αναμενόμενη κατανομή κατανάλωσης φυσικού αερίου στην Ελλάδα το 2010 (πηγή ΔΕΠΑ 1997)

56 Παραγωγή και Αποθέματα Φυσικού Αερίου

Οι ΗΠΑ και η Ρωσία κυριαρχούν στην παραγωγή φυσικού αερίου κατέχοντας η κάθε

μια χώρα περίπου το 22 της παγκόσμιας παραγωγής η οποία το 2002 ανήλθε σε 2274x106 m3 Ακολουθούν ο Καναδάς με 7 και το Ηνωμένο Βασίλειο με 4 Η μέση ετήσια αύξηση παραγωγής (και κατανάλωσης) φυσικού αέρίου κατά την τελευταία δεκαετία ήταν 22 Το ποσοστό αυτό μπορεί να συγκριθεί με τα αντίστοιχα ποσοστά για το πετρέλαιο (+11) άνθρακα (+07) και πυρηνική ενέργεια (+25)

Όπως έχει λεχθεί το φυσικό αέριο είναι ένα ιδιαίτερα ελκυστικό καύσιμο Το μόνο πρόβλημα στη χρήση του σήμερα είναι η διαθεσιμότητα και η τιμή του Πριν από 30 χρόνια υπήρχε διεθνώς η αίσθηση της υπερεπάρκειας αλλά σήμερα γνωρίζουμε ότι με την παρούσα κατανάλωση τα αποθέματα του φυσικού αερίου δεν θα διαρκέσουν για περισσότερα από 65 χρόνια όπως φαίνεται και στο Σχήμα 52


Σχήμα 52 Αριστερά οι λόγοι αποθεμάτων φυσικού αερίου προς το ρυθμό παραγωγής του (RP ratio) δίνοντας έτσι το χρόνο εξάντλησης αυτού του καυσίμου με την προϋπόθεση του σταθερού ρυθμού παραγωγή (ΒP report 2006)Για το 2005 ο χρόνος αυτός ήταν 65 χρόνια Δεξιά οι λόγοι

αποθεμάτων για τις διάφορες περιοχές

Μεγάλα αποδεδειγμένα αποθέματα φυσικού υπάρχουν στην πρώην Σοβιετική Ένωση και κυρίως στην Σιβηρία (που έχει το 31 των παγκόσμιων αποθεμάτων) στη Μέση Ανατολή (Ιράν-148 Κατάρ-9 Σαουδική Αραβία-29 ΗΑΕ-39) ΗΠΑ (33) και Αλγερία (29) Το Σχήμα 53 δείχνει την παραγωγή και την κατανάλωση φυσικού αερίου στις ΗΠΑ για 65 χρόνια Σε αντίθεση με τα άλλα ορυκτά καύσιμα η παραγωγή μένει σχετικά σταθερή (με μικρή αύξηση τελευταία)

Έχουν διερευνηθεί και διερευνούνται και άλλοι τρόποι παραγωγής μεθανίου Μία λύση είναι η περαιτέρω αξιοποίηση του μεθανίου των υπόγειων εκμεταλλεύσεων άνθρακα (coal bed gas) Άλλη μερική λύση είναι η παραγωγή μεθανίου από βακτηριακή αποσύνθεση αστικών λυμάτων και βιομάζας Επίσης η εξαερίωση του άνθρακα μπορεί να δώσει υποκατάστατο φυσικού αερίου έτσι ώστε να μετατρέψουμε ένα βρώμικο και δύσκολα χρησιμοποιούμενο καύσιμο σαν το κάρβουνο σε μια καθαρότερη μορφή Για την ανάκτηση του φυσικού αερίου που βρίσκεται παγιδευμένο σε ψαμμίτες χαμηλού πορώδους απαιτούνται ειδικές μεθόδους ανάκτησης (πχ τεχνητά ρήγματα) Μία άλλη πηγή φυσικού αερίου είναι τα γεωσυμπιεσμένα συστήματα δηλ γεωλογικοί σχηματισμοί όπου το αέριο είναι παγιδευμένο σε κοιτάσματα νερού υψηλής αλατότητας σε υψηλές πιέσεις και σε βάθος περίπου 2 km Πρόβλημα αποτελεί το κόστος επεξεργασίας των νερών ενώ μπορεί να ανακτηθεί και θερμότητα Τέλος σε περίπτωση που αυξηθεί σημαντικά η τιμή του φυσικού αερίου μπορεί να γίνει οικονομική η ανάκτηση των πόρων του φυσικού αερίου με τη μορφή των ένυδρων στερεών ενώσεων (methane clathrates ή hydrates Σχήμα 54α) που όμως απαιτούν ειδικές μεθόδους ανάκτησης


Σχήμα 53 Κατανάλωση και παραγωγή φυσικού αερίου στις ΗΠΑ Με αυτόν το ρυθμό

παραγωγής τα αποθέματα στις ΗΠΑ θα διαρκέσουν μόλις για άλλα 10 χρόνια ενώ οι πόροι για άλλα 60-70 χρόνια [Πηγή Radovic 1997]

Σχήμα 54 Αριστερά η δομή μιας ένυδρης ουσίας μεθανίου Δεξιά η κατανομή του ορυκτών καυσίμων στη γη ανάλογα με τον τρόπο που βρίσκονται δεσμευμένοι

57 Το Φυσικό Αέριο στην Ελλάδα

Το σύστημα μεταφοράς φα στην Ελλάδα αποτελείται από τα εξής βασικά τμήματα

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

Συνοριακός Σταθμός Εισόδου κοντά στο Σιδηρόκαστρο

Σύστημα τηλεχειρισμού ελέγχου λειτουργίας και τηλεπικοινωνιών

Κέντρα λειτουργίας και συντήρησης στην Αττική τη Θεσσαλονίκη τη Θεσσαλία και στην Ξάνθη

Τελευταία επεκτείνεται το σύστημα μεταφοράς από την Κομοτηνή ως τα ελληνοτουρκικά σύνορα (θέση Κήποι)

Οι εγκαταστάσεις υγροποιημένου φα (LPG) στη νήσο Ρεβυθούσα περιλαμβάνουν δύο δεξαμενές χωρητικότητας 130000 εκατ m3 εγκαταστάσεις ελλιμενισμού δεξαμενόπλοιων κρυογενικές εγκαταστάσεις και αεροποιητές για την επαναεριοποίηση του υγροποιημένου αερίου


6 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

61 Εισαγωγή Πυρηνική ενέργεια είναι η ενέργεια που εκλύεται κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις

Στην πράξη ο όρος πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει την ενέργεια που απελευθερώνεται σε τεράστιες ποσότητες κατά την πυρηνική σχάση δηλαδή τη διάσπαση των πυρήνων ορισμένων ατόμων σε ελαφρότερους πυρήνες ή κατά την πυρηνική σύντηξη δηλαδή την ένωση πυρήνων με το σχηματισμό βαρύτερων

Εκτός από την κύρια χρήση της ενέργειας αυτής για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος η ενέργεια αυτή βρίσκει εφαρμογές και στη ναυσιπλοΐα (πολεμικά πλοία υποβρύχια παγοθραυστικά) Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των εγκαταστάσεων αυτών σε παγκόσμιο επίπεδο ανερχόταν το 2005 σε 2771 ΤWh (που ισοδυναμούν σε 627 εκατ ΤΙΠ) σημειώνοντας μία μικρή άνοδο 06 σε σχέση με το 2004 (BP Statistical Review 2006) Η παραγόμενη αυτή ενέργεια αντιπροσώπευε το 17 της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος (ή 6 της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας) Οι περισσότεροι πυρηνικοί αντιδραστήρες βρίσκονται στις ΗΠΑ και ακολουθούν η Γαλλία και η Ιαπωνία Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας παραμένει αμφισβητούμενη στις περισσότερες χώρες τόσο από πολιτική όσο και από επιστημονική-τεχνολογική σκοπιά Τα κύρια επιχειρήματα των αντιπάλων της πυρηνικής ενέργειας είναι οι κίνδυνοι (τόσο για τον άνθρωπο όσο και για το περιβάλλον) σε περίπτωση πυρηνικού ατυχήματος καθώς και τα προβλήματα από τη διάθεση των ραδιενεργών αποβλήτων Από την άλλη μεριά οι υποστηρικτές της πυρηνικής ενέργειας αντιτείνουν ότι η μορφή αυτή της ενέργειας είναι η μόνη μορφή που μπορεί να συνεισφέρει σε μεγάλη κλίμακα στην αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου

Ως πυρηνικός χειμώνας νοείται το σύνολο των καταστρεπτικών επιδράσεων που θα μπορούσε να έχει στο φυσικό περιβάλλον ένας πόλεμος με πυρηνικά όπλα Ο όρος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1982 σε μελέτη των Paul J Crutzen και John W Birks Ακολούθησαν διάφορες μελέτες που εξέτασαν τις πιθανές επιπτώσεις που θα είχαν στο κλίμα της γης οι τεράστιες ποσότητες σκόνης και καπνού που θα εκτοξεύονταν στην ατμόσφαιρα ύστερα από πολλαπλές πυρηνικές εκρήξεις Μια από αυτές είναι γνωστή με το όνομα TTAPS το 1983 από τα αρχικά των επιστημόνων που τη συνέταξαν RP Turco OB Toon TP Ackerman JB Pollack και Carl Sagan Τα σωματίδια της σκόνης και ο καπνός θα μπορούσαν να σχηματίσουν έναν τεράστιο laquoμανδύαraquo που θα σκέπαζε τη γη επιτρέποντας να φθάσει στην επιφάνεια του πλανήτη μας (για εβδομάδες ή και για μήνες) ένα πολύ μικρό ποσοστό μόνον της ηλιακής ακτινοβολίας Το αποτέλεσμα θα ήταν συσκότιση και επικράτηση πολύ χαμηλών θερμοκρασιών που σε συνδυασμό με τα τοξικά αέρια και τη συνεχή ραδιενεργό πρόσπτωση θα κατέστρεφαν τα περισσότερα οικοσυστήματα


62 Μετατροπή μάζας σε ενέργεια Το ουράνιο είναι 17 φορές πυκνότερο από το μόλυβδο και αποτελείται από άτομα που

έχουν στον πυρήνα τους 92 πρωτόνια (θετικά φορτισμένα) και περίπου 140 νετρόνια (αφόρτιστα) Ένας από τους τύπους ατόμων ουρανίου ή καλύτερα ένα ισότοπο έχει 143 νετρόνια Αυτό το ουράνιο 235 (ισότοπο 235U) είναι αξιοπρόσεκτο διότι όταν ο πυρήνας του laquoχτυπηθείraquo από ένα αργό νετρόνιο (επίσης γνωστό και ως θερμικό νετρόνιο) το άτομο μπορεί να διασπαστεί σε δύο μέρη και να απελευθερώσει ενέργεια ως θερμότητα Αυτό ονομάζεται πυρηνική σχάση (nuclear fission) και το 235U αποτελεί ένα laquoσχάσιμο υλικόraquo Με άλλα λόγια χάνεται μάζα και μετατρέπεται σε ενέργεια Την ίδια στιγμή πολλά νετρόνια εκπέμπονται από τον διασπασμένο πυρήνα Εάν τα νετρόνια επιβραδυνθούν από ένα επιβραδυντή (moderator) όπως ο γραφίτης ή το νερό είναι δυνατόν να προκαλέσουν τη σχάση άλλων ατόμων 235U κάνοντας την αρχή για τη δημιουργία μιας αλυσιδωτής αντίδρασης Παραδείγματα σχάσης του U-235 δίδονται παρακάτω

235U + n rarr 236U rarr προϊόντα σχάσηςhellip 235U + n rarr 144Ba + 90Kr +2n + ενέργεια 235U + n rarr 141Ba + 92Kr +3n + ενέργεια 235U + n rarr 94Zr+ 139La +3n + ενέργεια 235U + n rarr 137Ba + 97Kr +2n + ενέργεια 235U + n rarr 90Zr + 143Nd+3n + 8 -1β + ενέργεια

Όπως βλέπουμε από τις αντιδράσεις η αξία της σχάσης του ουρανίου δεν έγκειται μόνο στην μεγάλη ενέργεια που απελευθερώνεται αλλά και στο ότι παράγονται από τις σχάσεις και 2-3 νετρόνια ακόμα που με τον ίδιο τρόπο θα laquoσυντηρήσουνraquo την σχάση Όσον αφορά τα παραγόμενα ισότοπα είναι και αυτά ραδιενεργά και διασπώνται περαιτέρω εκπέμποντας σωματίδια πχ α β γ Πως όμως αρχίζει η σχάση Η αντίδραση αυτή laquoαρχίζειraquo με βομβαρδισμό του 235U με νετρόνια που προέρχονται από βηρύλλιο που είναι αναμεμιγμένο με κάποιο πομπό ακτινοβολίας α πχ πολώνιο ή ράδιο

Σχήμα 61 Η κατανομή των προϊόντων σχάσης του U-235


Το 85 περίπου της ενέργειας που απελευθερώνεται είναι η κινητική ενέργεια των δύο

θραυσμάτων του 235U Στο στερεό καύσιμο τα θραύσματα αυτά μπορούν να κινηθούν μόνο ελάχιστα και έτσι η ενέργεια τους γίνεται θερμότητα Το υπόλοιπο 15 είναι ενέργεια ακτινών γ και η κινητική ενέργεια των νετρονίων Τα δύο θραύσματα σπάνια είναι όμοια διότι η σχάση είναι τυχαία και η πιθανότητα να δημιουργηθούν δύο θραύσματα με μαζικό αριθμό A=118 είναι όπως φαίνεται από το Σχήμα 62 ελάχιστη Οι δύο πυρήνες που προκύπτουν συνήθως δεν είναι του ιδίου μαζικού αριθμού δηλαδή παλλάδιο (η βύθιση της καμπύλης) αλλά είναι πιο πιθανό να είναι Kr και Xe (οι δύο κορυφές της καμπύλης)

Σχήμα 62 Η καμπύλη της ενέργειας σύνδεσης ως συνάρτηση του μαζικού αριθμού (Hill

and Petrucci General Chemistry 2002) Εάν θεωρήσουμε τώρα έναν πυρήνα με μαζικό αριθμό Α (νετρόνια και πρωτόνια) τότε

το σύστημα του πυρήνα είναι ευσταθέστερο από την κατάσταση να είχαμε Α νουκλεόνια σε άπειρη απόσταση μεταξύ των Πάντα η μάζα ενός πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των συστατικών του Το έλλειμμα αυτό μάζας Δm είναι ισοδύναμο με την ενεργειακή διαφορά ΔΕ που δίδεται από τον παρακάτω γνωστή σχέση της Φυσικής

ΔΕ= Δm c2 (61)

Η ενέργεια αυτή ελευθερώνεται κατά των σχηματισμό του πυρήνα από τα συστατικά του με αποτέλεσμα να μειωθεί η μάζα του Εάν προσδοθεί στον πυρήνα θα αποσυντεθεί στα συστατικά του (νουκλεόνια) Άρα έλλειμμα μάζας και ενέργεια σύνδεσης είναι το ίδιο πράγμα Έτσι λοιπόν εάν το έλλειμμα μάζας των δύο προϊόντων σχάσης του 236U είναι μεγαλύτερο από το έλλειμμα μάζας του 236U τότε θα απελευθερωθεί ενέργεια Η διαφορά αυτή για το παράδειγμά μας είναι 084 MeVνουκλεόνιο και έτσι απελευθερώνεται Ε=236x084 ~200 MeV Αυτή είναι η προέλευση της ενέργειας στους πυρηνικούς σταθμούς δηλαδή της πυρηνικής ενέργειας

Το άλλο σπουδαίο ισότοπο του φυσικού ουρανίου το 238U δεν είναι σχάσιμο σε συμβατικούς αντιδραστήρες αλλά κάθε άτομο μπορεί να συλλάβει ένα νετρόνιο και έμμεσα να γίνει σχάσιμο πλουτώνιο-239 (239Pu) To 239Pu συμπεριφέρεται ανάλογα με το 235U με τη


διαφορά ότι τα νετρόνια που παράγει είναι λίγο περισσότερα από τα νετρόνια του 235U Περίπου το ένα τρίτο της ενέργειας ενός εμπορικού αντιδραστήρα προέρχεται από τη σχάση του πλουτωνίου που παράγεται σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα

Η καρδιά του αντιδραστήρα (reactor core) γεμίζεται με καύσιμο οξείδιο του ουρανίου Στους αντιδραστήρες CANDU (όπου επιβραδυντής-ψυκτικό είναι D2O) χρησιμοποιείται φυσικό ουράνιο (07 σε 235U) ενώ στους αντιδραστήρες ελαφρού νερού (Η2Ο) το καύσιμο είναι εμπλουτισμένο 3-4 235U Και στις δύο των περιπτώσεων το οξείδιο του ουρανίου ευρίσκεται σε μορφή κεραμικών δισκίων UO2 συσκευασμένο μέσα σε σωλήνες από κράματα ζιρκονίου ή ανοξείδωτου χάλυβα και περιτριγυρισμένου από ψυκτικό υγρό και επιβραδυντή Ο επιβραδυντής επιβραδύνει την κίνηση των ταχέως κινούμενων νετρονίων που προέρχονται από την πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση έτσι ώστε να έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να δημιουργήσουν και άλλες σχάσεις Τα αργά κινούμενα νετρόνια δημιουργούν νέες σχάσεις ατόμων 235U Κάθε σχάση απελευθερώνει περίπου 200 MeV ή 32x10-11 J (σε σύγκριση με τα 4 eV ή 65x10-19 Jmol CO2 που απελευθερώνεται κατά την καύση του άνθρακα)

Εμπορικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και ελέγχουν την αντίδραση σχάσης έτσι ώστε η θερμότητα να χρησιμοποιείται για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια

63 Πυρηνικοί αντιδραστήρες

Τα Σχήματα 63 και 64 δείχνουν τους δύο διαφορετικούς τύπους αντιδραστήρων

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Στον πυρήνα του αντιδραστήρα το ουράνιο υφίσταται σχάση και επομένως μεγάλο ποσό θερμότητας απελευθερώνεται Οι ράβδοι ελέγχου που φαίνονται στα διαγράμματα ρυθμίζουν τον ρυθμό της αντίδρασης και επομένως την θερμότητα που απελευθερώνεται απορροφώντας μερικά από τα κινούμενα νετρόνια

Στον αντιδραστήρα με νερό υπό πίεση ο πυρήνας του αντιδραστήρα περιβάλλεται από κανονικό νερό και περικλείεται από ένα πολύ παχύ χαλύβδινο περίβλημα Το νερό σε μεγάλη πίεση λειτουργεί σαν ψυκτικόεπιβραδυντής και ανακυκλοφορεί σε έναν εναλλάκτη (ατμοπαραγωγό) όπου νερό σε ένα άλλο κλειστό δίκτυο μετατρέπεται σε ατμό

Το Σχήμα 64 δείχνει τον Καναδικής σχεδίασης και κατασκευής αντιδραστήρα CANDU Αντί να βρίσκεται σε ένα δοχείο πίεσης το καύσιμο τοποθετείται σε ένα αριθμό σωλήνων πίεσης μέσα σε έναν δοχείο αντιδραστήρα που λέγεται laquocalandriaraquo Νερό ή βαρύ νερό υπό πίεση ρέει μέσα από τους σωλήνες και μεταφέρει την θερμότητα σε έναν ατμοπαραγωγό Βαρύ ύδωρ σε χαμηλή πίεση πληρώνει την calandria περιβάλλοντας τους σωλήνες και δρώντας σαν επιβραδυντής

Και στις δύο περιπτώσεις όλα αυτά συμβαίνουν μέσα σε μία μεγάλη χαλύβδινη ή τσιμεντένια κατασκευή Ο ατμός τροφοδοτείται σε μια στροβιλογεννήτρια περίπου ίδια με αυτές που είναι εγκατεστημένες σε μια θερμική μονάδα άνθρακα Ο πυρήνας του καυσίμου ουρανίου απλά έχει τη θέση του ατμοπαραγωγού ή της εστίας καύσης του κάρβουνου (ή οποιαδήποτε άλλου ορυκτού καυσίμου) για να παράγει ατμό

Το 2005 η ηλεκτροπαραγωγή από πυρηνική ενέργεια ήταν 2771 ΤWh (BP 2006 βλ Σχήμα 124) δηλ περισσότερη από όλη την ηλεκτροπαραγωγή του έτους 1962 Οι λόγοι για την ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας είναι


Σχήμα 63 Επάνω σχηματικό διάγραμμα αντιδραστήρα ζέοντος ύδατος (bοiling water reactοr - ΒWR) Κάτω σχηματικό διάγραμμα αντιδραστήρας νερού υπό πίεση (PWR Pressurized Water

Reactor)


Σχήμα 64 Ο αντιδραστήρας CANDU (Canadian Deuterium Uranium)

1) Η ονομαστική ισχύς αυξάνει σταθερά όσο νέες μονάδες εισέρχονται στο σύστημα Στο

τέλος του 2002 υπήρχαν 440 πυρηνικοί σταθμοί με ισχύ πάνω από 355 GWe που λειτουργούν σε 31 χώρες με 30 πυρηνικούς αντιδραστήρες υπό κατασκευή Σήμερα οι περισσότεροι νέοι πυρηνικοί σταθμοί κτίζονται στην Ασία

2) Η αυξημένη ονομαστική ισχύς σε διάφορες χώρες είναι αποτέλεσμα αναβαθμίσεων των υπαρχουσών μονάδων

3) Η διαθεσιμότητα και η φόρτιση (load factor) των μονάδων αυξάνονται έτσι ώστε περισσότερες kWh παράγονται από την εγκατεστημένη ισχύ Οι περισσότερες χώρες σήμερα έχουν φόρτιση 80 από 67 που ήταν ο μέσος όρος παλαιότερα

4) Η διάρκεια ζωής (service life) έχει επεκταθεί Οι περισσότεροι πυρηνικοί σταθμοί αρχικά είχαν σχεδιαστεί για χρόνο λειτουργίας από 30 μέχρι 40 χρόνια αλλά μπορούν να λειτουργούν περισσότερα χρόνια

Ο Πίνακας 61 παρουσιάζει τις δέκα χώρες με την μεγαλύτερη παραγωγή πυρηνικής ενέργειας στον κόσμο την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ πυρηνικών μονάδων και το ποσοστό κάλυψης της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια αυτή κατά το 2001

64 Διαθεσιμότητα Ουρανίου

Το ουράνιο είναι αρκετά διαδεδομένο στη γη Είναι ένα μέταλλο τόσο κοινό όσο ο κασσίτερος ή ο ψευδάργυρος και ευρίσκεται στους περισσότερους βράχους αλλά και στη θάλασσα Μερικές τυπικές συγκεντρώσεις παρουσιάζονται στον Πίνακα 62

Τα εκτιμημένα αποθέματα ουρανίου επίσης εξαρτώνται από το κόστος και τις τιμές Οι τιμές επίσης εξαρτώνται και από την ένταση της εκμετάλλευσης Αλλαγές σε κόστος ή τιμές


μπορούν να αλλάξουν τις ποσότητες στον πίνακα των αποθεμάτων Η Αυστραλία και ο Καναδάς κατέχουν μαζί το 42 των ανακτήσιμων αποθεμάτων ουρανίου

Πίνακας 61 Οι δέκα χώρες με την μεγαλύτερη παραγωγή πυρηνικής ενέργειας στον κόσμο την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ πυρηνικών μονάδων και το ποσοστό κάλυψης της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια αυτή κατά το 2001 [Πηγή ΙΕΑ 2003]

Παραγωγή TWh

παγκ Εγκατ ισχύς GW Χώρα

κάλυψη αναγκών

ΗΠΑ 808 305 ΗΠΑ 95 Γαλλία 77 Γαλλία 421 159 Γαλλία 63 Σουηδία 45 Ιαπωνία 320 121 Ιαπωνία 44 Ουκρανία 44 Γερμανία 171 64 Γερμανία 21 Κορέα 40 Ρωσία 137 52 Ρωσία 21 Ιαπωνία 31 Κορέα 112 42 Καναδάς 14 Γερμανία 30 Ην Βασίλειο 90 34 Κορέα 13 Ην Βασίλειο 23 Καναδάς 77 29 Ην Βασίλειο 12 ΗΠΑ 21 Ουκρανία 76 29 Ουκρανία 11 Ρωσία 15 Σουηδία 72 27 Σουηδία 9 Καναδάς 13 Παγκόσμια 2653 100 Παγκόσμια 356 Παγκόσμια 170

αναφέρεται μόνον στις 10 χώρες με την μεγαλύτερη παραγωγή πυρηνικής ενέργειας

Στην παρούσα κατάσταση τα βεβαιωμένα αποθέματα φθάνουν για 50 ακόμα χρόνια εάν χρησιμοποιηθούν σε συμβατικούς αντιδραστήρες Εάν υπάρξει εκτεταμένη χρήση αναπαραγωγικών αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων (fast breeder reactor) η αξιοποίηση του ουρανίου θα πολλαπλασιαστεί Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα μπορεί να τεθεί σε λειτουργία με πλουτώνιο που προέρχεται από συμβατικούς αντιδραστήρες και λειτουργεί σε κλειστό κύκλο με την μονάδα επανεπεξεργασίας Ένας τέτοιος αντιδραστήρας που τροφοδοτείται από φυσικό ουράνιο για γόνιμο επίστρωμα πολύ γρήγορα φθάνει στην φάση όπου κάθε τόνος μεταλλεύματος δίδει πολλαπλάσια ενέργεια από ένα συμβατικό αντιδραστήρα

Πίνακας 62 Συγκεντρώσεις ουρανίου στη φύση

Υψηλής καθαρότητας μετάλλευμα 2 U ή 20000 ppm U

Υποβαθμισμένο μετάλλευμα 01 U ή 1000 ppm U

Γρανίτης 4 ppm U

Ιζηματογενή πετρώματα 2 ppm U

Μέση συγκέντρωση στο φλοιό της γης 28 ppm U

Θαλασσινό νερό 0003 ppm U


65 Απαιτήσεις σε καύσιμο Όλοι οι αντιδραστήρες του κόσμου με ισχύ 355 GWe απαιτούν περίπου 75000 τόνους

οξειδίου του ουρανίου Μολονότι η ποσότητα αυτή κατεργάζεται πιο παραγωγικά οι απαιτήσεις καυσίμου αυξάνονται αλλά όχι στο ίδιο ρυθμό

Η εξάντληση του καυσίμου μετράται σε MWημέρες ανά τόνο U (MWdt) και πολλές χώρες αυξάνουν τον αρχικό εμπλουτισμό του καυσίμου τους (πχ από 33 σε 40 235U) και μετά το laquoκαίνεraquo περισσότερο χρόνο ή εντατικότερα για να εξαντληθεί μέχρι το 05 235U Αυτό σημαίνει ότι η εξάντληση έχει αυξηθεί από 33000 MWdt σε 45000 MWdt Από την άλλη πλευρά χαμηλές τιμές ουρανίου σημαίνει ότι τα εργοστάσια εμπλουτισμού λειτουργούν έτσι ώστε να μειώσουν τις ενεργειακές απαιτήσεις και να αφήσουν περισσότερο U-235 στα παραπροϊόντα τους

Η επανάχρηση του εξαντλημένου υλικού από συμβατικούς αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος επίσης σημαίνει αξιοποίηση των κοιτασμάτων πιο σωστά Σήμερα το πλουτώνιο που προέρχεται από επανεπεξεργασία χρησιμοποιείται σε φρέσκο οξείδιο μετάλλου με εξαντλημένο ουράνιο από εργοστάσια εμπλουτισμού Επίσης τώρα υπάρχει και ένας κύκλος καυσίμου μεταξύ Κορέας και Καναδά που επιτρέπει το laquoξοδευμένοraquo καύσιμο συμβατικών αντιδραστήρων να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε αντιδραστήρα CANDU Οι αντιδραστήρες CANDU σήμερα λειτουργούν με φυσικό ουράνιο για καύσιμο (07 235U) με εξαντλημένο καύσιμο 7500 MWdt Αυτά τα εργοστάσια μπορούν να τροφοδοτηθούν με εμπλουτισμένο ουράνιο (12 235U) αυξάνοντας την εξάντληση σε 20000 MWdt

66 Εμπλουτισμός Ουρανίου

Οι πιο κοινοί τύποι εμπορικών αντιδραστήρων χρησιμοποιούν το νερό για ψυκτικό και επιβραδυντή Στις περιπτώσεις αυτές κρισιμότητα (criticality) δηλαδή δυνατότητα να διατηρηθεί η πυρηνική αντίδραση μπορεί να επιτευχθεί μόνον εάν το Ουράνιο είναι εμπλουτισμένο Ο εμπλουτισμός αυξάνει το ποσοστό του σχάσιμου ισοτόπου 235U περίπου 5 έως 6 φορές από 07 στο φυσικό ουράνιο Ο εμπλουτισμός είναι μια φυσική διεργασία που συνήθως βασίζεται στη ελάχιστη διαφορά μάζας που έχουν τα δύο ισότοπα 235U και 238U Ο εμπλουτισμός σήμερα σε βιομηχανική κλίμακα απαιτεί το ουράνιο να ευρίσκεται σε αέρια μορφή και επομένως χρησιμοποιείται το εξαφθορίδιο του ουρανίου (UF6) Αυτή η ένωση είναι αέριο σε θερμοκρασία μόλις 56degC σε ατμοσφαιρική πίεση αλλά εύκολα αποθηκεύεται σε χαλύβδινες φιάλες σαν υγρό ή και στερεό κάτω από υψηλότερη πίεση

Οι δύο σπουδαιότερες μέθοδοι εμπλουτισμού δηλαδή διαχωρισμού των δύο ισοτόπων είναι η διάχυση και η φυγοκέντρηση Στην διάχυση το αέριο υπό πίεση διαχέεται μέσα από μία μεμβράνη που έχει μικροσκοπικούς πόρους Σε κάθε στάδιο της διεργασίας μόνον ένα πολύ μικρό ποσοστό διαχωρισμού των ισοτόπων λαμβάνει χώρα Συνεπώς συνεχείς διαχωρισμοί λαμβάνουν χώρα σε διαδοχικά στάδια Το προϊόν κάθε βαθμίδας γίνεται τροφοδοσία για την παραπάνω βαθμίδα και το υπόλειμμα επίσης γίνεται τροφοδοσία για την παρακάτω βαθμίδα Έτσι σε κάθε βαθμίδα έχουμε δύο τροφοδοσίες (το προϊόν από την κάτω βαθμίδα και το υπόλειμμα από την παραπάνω βαθμίδα) Οι βαθμίδες πάνω από την τροφοδοσία είναι η μονάδα εμπλουτισμού και οι βαθμίδες κάτω από την τροφοδοσία είναι η μονάδα απογύμνωσης Τελικά το προϊόν είναι το 16 ή 17 του υπολείμματος και έτσι η μονάδα εμπλουτισμού πρέπει (και έχει) περισσότερες βαθμίδες Το απεμπλουτισμένο προϊόν


(depleted uranium) δηλαδή το υπόλειμμα ονομάζεται tails και η συγκέντρωση του 235U σε αυτό ονομάζεται laquotails assayraquo Η διαχωριστική δυνατότητα των διαδοχικών βαθμίδων ή της κάθε βαθμίδας περιγράφεται σε σχέση με την παροχή και την δυνατότητα εμπλουτισμού χρησιμοποιώντας τον όρο μοναδιαίο έργο διαχωρισμού (separative work unit SWU) Πρόκειται για μια ποσότητα με διαστάσεις μάζας μολονότι αναφέρεται σε ενέργεια (για μια συγκεκριμένη μονάδα εμπλουτισμού η ενεργειακή κατανάλωση μπορεί να περιγραφεί σε kWhSWU) Δεδομένου ότι οι ποσότητες τροφοδοσίας ή προϊόντος μετριούνται σε τόννους ή κιλά τα SWU επίσης περιγράφονται με αυτόν τον τρόπο Για παράδειγμα για να παραχθεί ένα κιλό ουρανίου εμπλουτισμένου σε 35 απαιτούνται 43 SWU εάν το εργοστάσιο λειτουργεί με tails assay 030 ή 48 SWU εάν το tails assay είναι 025 (επομένως απαιτούνται μόνο 70 kg αντί για 78 kg τροφοδοσίας φυσικού Ουρανίου) Περίπου 100000 έως 120000 SWU απαιτούνται για να εμπλουτιστεί η ετήσια τροφοδοσία καυσίμου για έναν τυπικό αντιδραστήρα ελαφρού ύδατος ισχύος 1000 MWe To κόστος εμπλουτισμού σχετίζεται με την ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται Η διεργασία αέριας διάχυσης καταναλώνει μέχρι και 2400 KWhSWU (8600 MJ) ενώ από την άλλη πλευρά οι μονάδες εμπλουτισμού με φυγοκέντρηση απαιτούν μόνο 50 KWhSWU (180 MJ) Εν τούτοις ο ανταγωνισμός μεταξύ των εμπορικών μονάδων εμπλουτισμού συνεχίζεται διότι οι επενδύσεις που χρειάζονται για νέα εργοστάσια φυγοκέντρησης ισοσταθμίζονται από τα χαμηλά έξοδα ηλεκτρικής ενέργειας

Η διεργασία διάχυσης βασίζεται στην διαφορά σε μέση ταχύτητα των δύο τύπων μορίων UF6 για να οδηγηθούν τα ελαφρότερα πιο γρήγορα μέσα από τις τρύπες των μεμβρανών Κάθε βαθμίδα αποτελείται από έναν συμπιεστή ένα διαχυτή και έναν εναλλάκτη θερμότητας για να απομακρύνει την θερμότητα της συμπίεσης Το εμπλουτισμένο UF6 απομακρύνεται από την πάνω πλευρά και το απεμπλουτισμένο από την άλλη Η διεργασία μπορεί να έχει 1400 βαθμίδες και η συγκέντρωση του 235U μπορεί να κυμαίνεται από 30ndash40 στο προϊόν Μολονότι το ποσοστό διαχωρισμού από στάδιο σε στάδιο είναι μικρό και απαιτούνται πολλά στάδια υπάρχει η ικανότητα επεξεργασίας μεγάλων όγκων αερίου

Ο φυγοκεντρικός εμπλουτισμός βασίζεται στη αδράνεια (λόγω διαφοράς στη μάζα) που συνδέεται με το τετράγωνο της περιφερειακής ταχύτητας σε ένα κύλινδρο που περιστρέφεται ταχύτατα (φυγοκεντρικός κινητήρας) Η κίνηση του αερίου στην αντίθετη φορά μέσα στον κινητήρα επαυξάνει το αποτέλεσμα Το αέριο εισέρχεται σε μια σειρά από κενούς κυλίνδρους κάθε ένας από τους οποίους περιέχει έναν ρότορα με μήκος 1-2 m και διάμετρο 15-20 cm Όταν οι ρότορες αρχίζουν να περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα τα βαρύτερα μόρια με 238U αυξάνουν την συγκέντρωσή τους στην επιφάνεια του κυλίνδρου (προς τα έξω) ενώ τα μόρια του 235U αυξάνουν την συγκέντρωσή τους κοντά στο κέντρο Η ροή αντίθετα με το ρεύμα επιτρέπει το εμπλουτισμένο προϊόν να απομακρύνεται αξονικά Για να επιτευχθεί μεγάλη απόδοση οι φυγόκεντροι περιστρέφονται με ταχύτητα 50000 έως 70000 rpm με το προς τα έξω τοίχωμα του κυλίνδρου να κινείται με ταχύτητα 400ndash500 ms ώστε να υπάρξει επιτάχυνση 1000000 g Φυσικά υπάρχουν τεράστιες προκλήσεις για βελτιώσεις σε εξοπλισμό και υλικά σε μια τέτοια μονάδα εμπλουτισμού Μολονότι ο όγκος μιας φυγόκεντρου είναι πολύ μικρός σε σχέση με μια βαθμίδα διάχυσης η διαχωριστική ικανότητα είναι πολύ καλύτερη Συνήθως υπάρχουν εν παραλλήλω πολλές φυγόκεντροι και κάθε τέτοια βαθμίδα δίδει το προϊόν της σε μια άλλη βαθμίδα εν παραλλήλω πάλι ευρισκομένων φυγόκεντρων Όμως σε αυτή την περίπτωση 10 έως 20 βαθμίδες είναι αρκετές για να φθάσουμε στο ποθητό βαθμό εμπλουτισμού Τέλος υπάρχουν και οι μέθοδοι διαχωρισμού ισοτόπων με laser αλλά δεν έχουν εμπορική εφαρμογή


Το εμπλουτισμένο ουράνιο σε μορφή UF6 οδηγείται στο εργοστάσιο παρασκευής καυσίμου (fuel fabrication plant) όπου το φθοριούχο ουράνιο μετατρέπεται σε UΟ2 ένα κεραμικό προϊόν και μορφοποιείται σε δισκία μήκους 2 cm και διαμέτρου 15 cm Τα δισκία αυτά φορτώνονται μέσα σε σωλήνες από κράματα Ζιρκονίου ή ανοξείδωτου χάλυβα για να γίνουν οι ράβδοι καυσίμου Αυτά συσκευάζονται σε υποσυστάδες (subassembly bundles) περίπου τετραγωνικής διατομής 30 cm για να δημιουργήσουν τις συστάδες (reactor fuel assemblies) Ένας αντιδραστήρας με ισχύ 1000 MWe έχει 75 τόνους καυσίμου μέσα του

67 Ο κύκλος του Πυρηνικού Καυσίμου Όλα τα θέματα που αφορούν την εκμετάλλευση του ουρανίου την προετοιμασία του τη

χρήση του και τη διαχείριση του καταναλωθέντος καυσίμου είναι γνωστά ως ο κύκλος καυσίμου (fuel cycle) Όπως αφήνεται να εννοηθεί και από τον τίτλο υπάρχει η πρόθεση στην πυρηνική τεχνολογία να επανακυκλώνεται το αχρησιμοποίητο μέρος του καταναλωθέντος καυσίμου έτσι ώστε να τροφοδοτηθεί και πάλι με φρέσκο καύσιμο Σε αντίθεση με το γαιάνθρακα το ουράνιο δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί αμέσως σε ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας διότι θα πρέπει να καθαριστεί να εμπλουτιστεί και να μετατραπεί σε ράβδους καυσίμου (βλ Σχήμα 65)

Το μετάλλευμα αρχικά εξορύσσεται και αλέθεται για να δώσει ουράνιο σε μορφή εμπλουτίσματος σε οξείδιο του ουρανίου Είναι ένα μίγμα δύο οξειδίων γνωστών ως U3O8 Έχει την ίδια αναλογία ισοτόπων όπως και το μετάλλευμα δηλαδή 07 235U Το υπόλοιπο είναι 238U με ελάχιστο 234U Οι περισσότεροι αντιδραστήρες δεν μπορούν να το χρησιμοποιήσουν ως έχει και χρειάζεται να εμπλουτιστεί Ο εμπλουτισμός καταλήγει στην κατασκευή των ράβδων καυσίμου σε πακέτα (reactor fuel assemblies) Εδώ θα πρέπει να σημειώσουμε ότι οι αντιδραστήρες CANDU έχουν λίγο διαφορετικό σχεδιασμό και λειτουργούν με φυσικό ουράνιο Μέσα σε όλους τους τύπους των αντιδραστήρων μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης λαμβάνει χώρα Ταχέως κινούμενα νετρόνια επιβραδύνονται από νερό (ελαφρύ ή βαρύ ανάλογα) ή γραφίτη ώστε να προκαλέσουν σχάση Ράβδοι ελέγχου (control rods) εισέρχονται ή απομακρύνονται (λίγο ή πολύ) από την καρδιά του αντιδραστήρα για να ελέγχεται η ταχύτητα της αντίδρασης Θερμότητα απάγεται από το χώρο της καρδιάς του αντιδραστήρα για να παραχθεί ατμός και φυσικά ηλεκτρισμός

Το καύσιμο μένει στον αντιδραστήρα τρία χρόνια παράγοντας θερμότητα από την σχάση του 235U και του σχάσιμου 239Pu που σχηματίζεται μέσα στον αντιδραστήρα Μετά τρία χρόνια περίπου το επίπεδο των προϊόντων σχάσης και οι απορροφητές νετρονίων έχουν επιβαρυνθεί και οι ρυθμοί της αντίδρασης επιβραδύνονται και συνεπώς το ξοδευμένο καύσιμο υλικό απομακρύνεται Περίπου το 13 του καυσίμου αλλάζει κάθε χρόνο Στους αντιδραστήρες CANDU το καύσιμο μένει μόνο 18 μήνες Όταν απομακρύνεται το καύσιμο αποθηκεύεται σε νερό για να κρυώσει και να υπάρξει ασπίδα από την ραδιενέργεια αναμένοντας το επόμενο στάδιο Το επόμενο στάδιο είναι η επιπλέον επεξεργασία του Η Μεγάλη Βρετανία η Γαλλία και η Ιαπωνία έχουν επιλέξει τον κλειστό κύκλο ενώ στις ΗΠΑ Καναδά και Σουηδία μπορεί να διατεθεί ως απόβλητο Στην αρχή αποθηκεύεται στο πυρηνικό εργοστάσιο και κατόπιν ίσως απομακρυνθεί σε κάποια εγκατάσταση ξηρής αποθήκευσης


Σχήμα 65 Ο κύκλος του πυρηνικού καυσίμου (Tyller-Miller 1999)

Στον κλειστό κύκλο για αντιδραστήρες κοινού νερού το καύσιμο υφίσταται κατεργασία

όπως και πριν αλλά μετά την πρόσκαιρη αποθήκευση οι ράβδοι καυσίμου οδεύουν σε ένα εργοστάσιο για νέα επεξεργασία όπου τεμαχίζονται και διαλύονται σε οξύ Με διάφορες χημικές διεργασίες ανακτώνται και διαχωρίζονται τα δύο βασικά και χρήσιμα συστατικά πλουτώνιο και ουράνιο Με αυτό τον τρόπο το 3 του καυσίμου απομακρύνεται ως απόβλητο υψηλού επιπέδου σε ραδιενέργεια Μετά τη στερεοποίησή του μειώνονται τα απόβλητα σε μικρό όγκο και οδηγούνται σε μόνιμη απόθεση Το πλουτώνιο είναι εξαιρετικό σχάσιμο υλικό και είναι περίπου το 1 του χρησιμοποιημένου καυσίμου Μπορεί να αναμιχθεί με απεμπλουτισμένο ουράνιο και να χρησιμοποιηθεί σε νέες ράβδους καυσίμου Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες

Το ανακτημένο ουράνιο μπορεί είτε να πάει για εξευγενισμό είτε ξανά μέσα στον αντιδραστήρα Ο κλειστός κύκλος λοιπόν είναι καλύτερος διότι υπάρχει μεγαλύτερη αξιοποίηση του εξορυσσόμενου ουρανίου (περίπου 30 σε ενεργειακούς όρους) και για αυτό η βιομηχανία είχε διαλέξει αυτόν τον τρόπο Όμως από το 1980 και μετά οι τιμές ουρανίου είναι χαμηλές και νέα εργοστάσια επανεπεξεργασίας δεν έχουν κατασκευαστεί

68 Αναπαραγωγικοί Αντιδραστήρες Ταχέων Νετρονίων

Οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων είναι μια αρκετά διαφορετική τεχνολογία Αυτό συμβαίνει επειδή παράγουν ενέργεια από το πλουτώνιο αξιοποιώντας πολύ περισσότερο 238U στην καρδιά του αντιδραστήρα αντί να χρειάζονται απλά το σχάσιμο 235U που χρησιμοποιείται στους περισσότερους αντιδραστήρες Συνεπώς αφού είναι σχεδιασμένοι να


παράγουν περισσότερο πλουτώνιο από όσο καταναλώνουν συνήθως ονομάζονται καυστήρες (burners) Για πολλά χρόνια η εστίαση της έρευνας βρισκόταν στο να παράγουν περισσότερο καύσιμο από όσο χρησιμοποιούν αλλά σήμερα με τόσο χαμηλές τιμές ουρανίου αλλά και με δεδομένη την ανάγκη να αξιοποιηθεί το πλουτώνιο που προέρχεται από τον αφοπλισμό το μόνο ενδιαφέρον τους είναι ως laquoαποτεφρωτέςraquo (incinerators) Πολλές χώρες έχουν σήμερα προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης για αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες (FBR fast breeder reactors) που είναι γενικά αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων

Οι συμβατικοί αντιδραστήρες παράγουν δύο πλεονάσματα υλικών και συγκεκριμένα πλουτώνιο (από τη σύλληψη νετρονίων που αργότερα διαχωρίζεται στην επανεπεξεργασία) και επεμπλουτισμένο ουράνιο (από τον εμπλουτισμό) Ο αντιδραστήρας ταχέων νετρονίων χρησιμοποιεί πλουτώνιο σαν βασικό καύσιμο ενώ την ίδια στιγμή μετατρέπει επεμπλουτισμένο ουράνιο (κυρίως 238U) που βρίσκεται σε μια γόνιμη επικάλυψη γύρω από τον πυρήνα σε σχάσιμο πλουτώνιο Με άλλα λόγια ο αντιδραστήρας laquoκαίειraquo και laquoαναπαράγειraquo πλουτώνιο (σημείωση τόσο το 238U όσο και το 240Pu είναι γόνιμα υλικά διότι με σύλληψη ενός νετρονίου γίνονται άμεσα ή έμμεσα σχάσιμα υλικά 239Pu και 241Pu αντίστοιχα)

Οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων έχουν μεγάλη θερμική απόδοση εξαιτίας της μεγάλης θερμοκρασίας λειτουργίας Η ψύξη γίνεται με υγρό νάτριο Μολονότι σε πολλές περιπτώσεις είναι δύσκολο χειριστούμε το νάτριο σε μερικές περιπτώσεις είναι αγαθότερο του νερού υψηλής πίεσης Η εμπειρία από το πρώτο εργοστάσιο FBR είναι ότι παρουσιάζει λιγότερα προβλήματα συντήρησης από ότι ο ατμός

Ο αντιδραστήρας FBR έχει την δυνατότητα να αξιοποιήσει όλο το ουράνιο που παράγεται από εξορύξεις Σημειώνεται ότι μπορεί να παραχθεί εξηκονταπλάσια ενέργεια από ότι παράγουν οι κοινοί αντιδραστήρες από το ίδιο μετάλλευμα Αυτή η εξαιρετική απόδοσή του κάνει τον αναπαραγωγικό αντιδραστήρα ελκυστικότατο ενεργειακό σύστημα Όμως η υψηλή επένδυση που απαιτείται και ταυτόχρονα οι χαμηλές τιμές ουρανίου συνηγορούν στο ότι θα πρέπει να περάσουν πολλές δεκαετίες μέχρι ότου γίνει συναγωνιστική τεχνολογία (περίπου το 2050) Σήμερα λειτουργούν 20 FBR αντιδραστήρες από τα μέσα τις δεκαετίας του 1950 αλλά το 1994 καταργήθηκε το πρόγραμμα κατασκευής μεγάλου Ευρωπαϊκού αντιδραστήρα 1450 MWe Το παρακάτω σχήμα δείχνει την σχάση σε συμβατικούς και αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες Η σύγκριση δείχνει ότι περισσότερα νετρόνια παράγονται στον FBR (17 αντί για 15 για 6 σχάσεις) και επομένως το σύστημα έχει την δυνατότητα να αναπαράγει περισσότερο γόνιμο υλικό το οποίο μπορεί να καταναλωθεί αν το επιθυμούμε Στο παράδειγμα αυτό 4 νετρόνια είναι διαθέσιμα για αναπαραγωγή του Pu-239 σε συμβατικό αντιδραστήρα αλλά 7 είναι διαθέσιμα σε FBR Οι επακριβείς αριθμοί εξαρτώνται και από την σχεδίαση και λειτουργία των μονάδων

69 Ανάγκες Ενέργειας στην Πυρηνική Ηλεκτρική Ενέργεια

Κάθε είδους ηλεκτροπαραγωγή απαιτεί κάποια ενέργεια για εκσκαφές εμπλουτισμό μεταφορά του καυσίμου κατασκευές και επεξεργασία αποβλήτων Η ενέργεια για εκσκαφές και μεταφορές εξαρτάται από τα ποσά μεταλλευμάτων για τα οποία αναφερόμαστε και επομένως κάθε σύγκριση ευνοεί το ουράνιο Από την άλλη πλευρά η ένταση κεφαλαίου στο κύκλο του πυρηνικού καυσίμου αντανακλάται στη μονάδα και αυξάνονται οι ενεργειακές απαιτήσεις

Η σπουδαιότερη ανάγκη σε ενέργεια στον κύκλο του πυρηνικού καυσίμου είναι ο εμπλουτισμός του ουρανίου που είναι εξαιρετικής έντασης σε ενέργεια Τα παρακάτω


στοιχεία αφορούν μια μονάδα 1000 MWe που λειτουργεί με φόρτιση 80 παράγοντας 7000 GWhέτος Αυτό θα απαιτούσε 153 τόνους φυσικού ουρανίου κάθε χρόνο το οποίο θα μπορούσε να εμπλουτιστεί για να δώσει 20 τόνους καυσίμου ουρανίου με περιεκτικότητα 35 235U Μετά την μετατροπή σε UF6 αυτό θα απαιτούσε 42 GWh ηλεκτρικής ενέργειας για εμπλουτισμό σε μοντέρνα μονάδα φυγοκέντρησης ή 200 GWh σε μια παλιά μονάδα διάχυσης Επίσης πρέπει να συνυπολογίσουμε την κατασκευή του καυσίμου όπως επίσης την κατασκευή και λειτουργία της πυρηνικής μονάδας Οι ολικές ενεργειακές ανάγκες στο ενεργειακό κύκλο του καυσίμου αναπαριστούν το 17 ή μέχρι το 5 της αποδιδόμενης ενέργειας στη διαδικασία εμπλουτισμού Η εκμετάλλευση του κοιτάσματος χρησιμοποιεί ενέργεια έως 005 της παραγωγής του ορυχείου εάν χρησιμοποιηθεί σε συμβατικό αντιδραστήρα

Πέραν των 470 βιομηχανικών αντιδραστήρων που λειτουργούν διεθνώς υπάρχουν και άλλοι 280 που ασχολούνται με έρευνα και βρίσκονται σε 54 χώρες Μολονότι είναι πολύ μικρότεροι απαιτούν καύσιμο και παράγουν απόβλητα Παράγουν ισότοπα ιατρικά ισότοπα και άλλες ραδιενεργές πηγές για την βιομηχανία

Η πυρηνική ενέργεια είναι πολύ χρήσιμη για πλοία που ευρίσκονται στη θάλασσα για μεγάλα διαστήματα χωρίς ανεφοδιασμό ή για ισχυρά και ταχύτατα υποβρύχια μεγάλης πρόωσης Τα πλοία που υπάρχουν σήμερα (υποβρύχια αεροπλανοφόρα παγοθραυστικά κτλ) ανέρχονται σε περίπου 150

610 Πυρηνικά Απόβλητα

Μολονότι υπάρχει εμπειρία και σχετικά καλό ιστορικό ασφάλειας για την 50ετία λειτουργίας πυρηνικών σταθμών (σπουδαιότερο ατύχημα στο Chernobyl 1986) το πιο αμφιλεγόμενο θέμα του πυρηνικού κύκλου σήμερα είναι η διαχείριση και διευθέτηση των ραδιενεργών κατάλοιπων Τα πιο επικίνδυνα από αυτά είναι τα απόβλητα υψηλού επιπέδου και υπάρχουν δύο εναλλακτικές επιλογές για την διαχείρισή των

1 Η εκ νέου επεξεργασία του καμένου ή εξοδευμένου καυσίμου (spent fuel) με παραπέρα υάλωση και θάψιμο

2 Απrsquo ευθείας θάψιμο του καυσίμου που περιέχει υψηλά ποσά ραδιενέργειας σαν απόβλητο

Όπως ήδη αναφέρθηκε η χρήση του καυσίμου στην καρδιά του αντιδραστήρα παράγει προϊόντα σχάσης όπως διάφορα ισότοπα του βαρίου στροντίου καισίου ιωδίου κρυπτού και ξένου Πολλά από αυτά τα ισότοπα που παράγονται σαν προϊόντα σχάσης μέσα στο καύσιμο είναι πολύ ραδιενεργά και laquoζουνraquo μικρό χρονικό διάστημα Όμως παράλληλα με αυτά τα άτομα σχηματίζονται και άλλα πέραν του ουρανίου (transuranic) που δημιουργούνται από συλλήψεις νετρονίων Αυτά συμπεριλαμβάνουν τα Pu-239 Pu-240 και Pu-241 καθώς επίσης και μερικά που προέρχονται από το U-238 στον πυρήνα του αντιδραστήρα και συνακόλουθες εκπομπές σωματιδίων β Όλα είναι ραδιενεργά και εκτός από το σχάσιμο πλουτώνιο που laquoκαίγεταιraquo μένουν στα κατάλοιπα Τα ισότοπα πέραν του ουρανίου και άλλες ακτινίδες συνθέτουν τα μακροβιότερα ραδιενεργά υλικά στα υψηλού επιπέδου κατάλοιπα Σήμερα τα πυρηνικά εργοστάσια συμπεριλαμβάνουν στο κόστος τους την διαχείριση των αποβλήτων που γίνεται με εξαιρετικό έλεγχο Τα διάφορα ραδιενεργά ισότοπα έχουν ημιπεριόδους ζωής που κυμαίνονται από λίγα κλάσματα του δευτερολέπτου μέχρι δισεκατομμύρια χρόνια Επειδή ο ρυθμός εξασθένισης της ραδιενεργής ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογος της ημιπεριόδου ζωής όσο πιο μεγάλη είναι η ένταση της


ακτινοβολίας τόσο μικρότερη ημιζωή έχουν Οι αρχές στις οποίες στηρίζεται η διαχείριση αποβλήτων είναι

- Συγκέντρωση και Απομόνωση (Concentrate and contain) - Διάλυση και Διασκορπισμός (Dilute and disperse) - Καθυστέρηση και Αποσύνθεση (Delay and decay) Οι δύο πρώτες μέθοδοι χρησιμοποιούνται σε όλα γενικώς τα απόβλητα της βιομηχανίας

Τα απόβλητα ή συλλέγονται αυξάνονται οι περιεκτικότητές τους σε μολυντές και απομονώνονται ή διαλύονται (εάν είναι σε μικρές ποσότητες) σε επιτρεπτά όρια και απορρίπτονται Η τρίτη μέθοδος είναι μοναδική για τα πυρηνικά κατάλοιπα και σημαίνει ότι τα απόβλητα συλλέγονται και αποθηκεύονται για κάποιο χρόνο ώστε να μειωθεί η ραδιενέργεια σε χαμηλότερα επίπεδα Πυρηνική σύντηξη Η πλέον ελπιδοφόρα αντίδραση δευτερίου-τριτίου Ένας πυρήνας 2Η (δευτέριο) συντήκεται με έναν πυρήνα 3Η (τριτίου) για να σχηματίσει έναν πυρήνα 4Ηe ηλίου Απελευθερώνεται ένα νετρόνιο και μεγάλη ποσότητα ενέργειας

Ένας γιγάντιος ηλεκτρομαγνήτης που καλείται laquotokamakraquo σχεδιάζεται για να laquoστεγάσειraquo το πλάσμα σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες

Σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τα άτομα και το μίγμα πυρήνες+ηλεκτρόνια καλείται πλάσμα


7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ

ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

71 Εισαγωγή - Ορισμοί

Ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (ΑΠΕ renewable energy source) ονομάζεται εκείνη η

μορφή ενέργειας η οποία δεν εξαντλείται στο απώτερο ορατό μέλλον της ανθρωπότητας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με σταθερό και αξιόπιστο τρόπο Οι ορισμοί και η κάλυψη των στατιστικών στοιχείων για τις ΑΠΕ ποικίλλουν μεταξύ χωρών διαφόρων οργανισμών και συγγραφέων Για παράδειγμα οι ΑΠΕ ορίζονται από τον Sorensen (2000) ως laquoοι ενεργειακές ροές που αντικαθίστανται με τον ίδιο ρυθμό με τον οποίο καταναλώνονταιraquo Στις σημειώσεις αυτές υιοθετούνται οι ορισμοί του International Energy Association (IEA) όπου οι ΑΠΕ ταξινομούνται ως εξής

1) Ηλιακή ενέργεια 2) Υδροηλεκτρική ενέργεια ή υδροϊσχύς 3) Αιολική ενέργεια 4) Καύσιμες ανανεώσιμες πηγές και απορρίμματα (combustible renewables and waste

CRW) βασικά η βιομάζα όρος που χρησιμοποιείται στις σημειώσεις 5) Γεωθερμία (και οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας) 6) Παλιρροϊκή ενέργεια 7) Ενέργεια από τα κύματα 8) Θερμότητα από τους ωκεανούς

Συχνά οι τρεις τελευταίες μορφές ενέργειας καλούνται ενέργειες από τη θάλασσα Κύρια και απόλυτη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας αποτελεί ο ήλιος με χωρητικότητα

ενέργειας μεγαλύτερης κατά 160 φορές από την αποθηκευμένη ενέργεια στη γη Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει σε ετήσια βάση στη γη είναι 15000 φορές μεγαλύτερη από την ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας στον κόσμο Το Σχήμα 71 παρουσιάζει τη σύνοψη των ποσοτήτων της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης και τους τρόπους με τους οποίους αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας στην ατμόσφαιρα τη γη και τη θάλασσα

Όλες οι ΑΠΕ με εξαίρεση τη γεωθερμία και την παλιρροϊκή ενέργεια αποτελούν έμμεση ηλιακή ενέργεια μια και ο κύκλος του νερού η δύναμη του ανέμου και η ανάπτυξη των φυτών οφείλονται στην ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω στη γη Μια μορφή ενέργειας που συνηθίζεται τελευταία να θεωρείται ως ανανεώσιμη μορφή ενέργειας είναι η Εξοικονόμηση Ενέργειας που περιλαμβάνει την ορθολογική χρήση της ενέργειας και τη αύξηση της απόδοσης των συσκευών και των διεργασιών Σε αντίθεση όλα τα ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακας πετρέλαιο και φυσικό αέριο) αλλά και τα σχάσιμα πυρηνικά υλικά είναι πεπερασμένα και εξαντλήσιμα Η ενέργεια από τα ορυκτά καύσιμα συμπεριλαμβάνεται μαζί με την πυρηνική ενέργεια στις λεγόμενες συμβατικές μορφές ενέργειας Σημειώνεται επίσης ότι μερικές φορές ως ΑΠΕ δηλώνεται οτιδήποτε παράγει ενέργεια διαφορετική από την καύση των ορυκτών καυσίμων


Συχνά οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας βρίσκονται με τις ονομασίες εναλλακτικές πηγές ενέργειας (alternative energy sources) από το γεγονός ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τις συμβατικές μορφές ενέργειας) ήπιες (benign) επειδή έχουν σχετικά μικρές επιπτώσεις στο περιβάλλον ή μικρότερες από τις επιπτώσεις των συμβατικών πηγών ενέργειας και πρόσθετες (additive) επειδή με το τωρινό επίπεδο τεχνολογίας μόνο συμπληρωματικά μπορούν να συνυπάρχουν με τις συμβατικές μορφές ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο Η βασική έννοια της ανανεωσιμότητας των ΑΠΕ είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την έννοια της αειφόρου ανάπτυξης και την προσπάθεια της μείωσης των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου Όλο και περισσότερο οι ΑΠΕ συνεισφέρουν στις τρεις κύριες συνιστώσες της αειφόρου ανάπτυξης στην οικονομία το περιβάλλον και στην κοινωνική ευημερία Θα πρέπει βεβαίως να τονιστεί ότι καμία μορφή ενέργειας όσο ανανεώσιμη και laquoκαθαρήraquo και αν είναι δεν έχει μηδενικές επιπτώσεις στο περιβάλλον Τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ΑΠΕ συνοψίζονται στον Πίνακα 71 ενώ περισσότερες πληροφορίες αναφέρονται στα επιμέρους κεφάλαια

Σχήμα 71 Μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας στις διάφορες μορφές ανανεώσιμης ενέργειας Η

παγκόσμια κατανάλωση σε ενέργεια ανέρχεται σε 13 TW (Boyle 1995)

Φωτοσύνθεση 40 TW

άνεμοι κύματα 370 TW

Άμεση μετατροπή σε θερμότητα στον αέρα ξηρά ωκεανούς 81000 TW

Ακτιν βραχέων κυμάτων

Υδρολογικός κύκλος

40000 TW

Άμεση ανάκλαση 52000 TW

173000 TW


Πολλά είναι τα τεχνικά προβλήματα που θα πρέπει να λυθούν για να μπορέσουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να καλύψουν σημαντικό μέρος των αναγκών μας Ένα από τα κυριότερα προβλήματα είναι η αποθήκευσή τους είτε όπως έχουν ή με τη μορφή της ηλεκτρικής ενέργειας Σήμερα οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καλύπτουν το 8 της ενέργειας που καταναλώνει η Αμερική ενώ στην Ευρωπαϊκή Ένωση το αντίστοιχο ποσοστό ανέρχεται στο 6 Στους άμεσους στόχους της ΕΕ είναι να αυξηθεί αυτό το ποσοστό στο 12 το 2010 θέμα που συζητείται διεξοδικότερα στο Κεφάλαιο 11

Πίνακας 71 Ορισμένα μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα των ΑΠΕ

ΑΠΕ Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα

Ηλιακή ενέργεια

Τεράστιο δυναμικό Πάντοτε παρούσα Δεν ρυπαίνει

Μικρή απόδοση Υψηλό αρχικό κόστος Πρόβλημα αποθήκευσης Υψηλό κόστος στον καταναλωτή Διαφέρει με την ώρα και τη θέση

Υδρο- ενέργεια

Υψηλή απόδοση (gt80) Ελάχιστη απορριπτόμενη θερμότητα Το μικρότερο κόστος ανά kWh Ρυθμίζεται εύκολα Δυνατότητα μερικής αποθήκευσης

Αποθέσειςιζήματα Αποτυχία φραγμάτων Μεταβολή τοπικού κλίματος Ορισμένα είδη ψαριών σε κίνδυνο

Αιολική

Ευέλικτη ακόμη και σε μεμονωμένα σπίτια

Ιδιαίτερη συνεισφορά σε laquoανεμοδαρμένεςraquo περιοχές

Μεταβλητή λειτουργία Μικρή απόδοση (30) Οπτική ρύπανση

Γεωθερμική Υψηλή απόδοση Όχι τόσο μεγάλο πάγιο κόστος Συνεχής παραγωγή ενέργειας

Μερικώς ανανεώσιμη Τοπικός πόρος ndash τοπική ανάπτυξη Κάποιες μορφές ρύπανσης

Θερμική ενέργεια ωκεανών

Μεγάλο δυναμικό Αξιοποίηση μεγάλης κλίμακας

Τεχνολογικά προβλήματα Τεράστιο κόστος Περιβαλλοντικό κόστος

Παλιρροϊκή Σταθερή πηγή Μπορούν να αξιοποιηθούν πολλά συστήματα εκβολών ποταμών

Κύκλο μικρού καθήκοντος Αλλαγή της ακτογραμμής Υψηλό κόστος

Καύση βιομάζας

Φυσικό προϊόν Και για συμπαραγωγή και για μεμονωμένη χρήση

Σωματιδιακή ρύπανση Περιορισμός στη μεταφορά Μεγάλη κλίμακα

Πυρηνική Σύντηξη

Πολλά Ας το ξεχάσουμε προς το παρόν Δεν είμαστε ακόμη τόσο έξυπνοι

Σήμερα βασικός περιορισμός για την αξιοποίηση και περαιτέρω διείσδυση όλων σχεδόν των ΑΠΕ αποτελεί το υψηλό αρχικό κόστος το οποίο σχετίζεται ασφαλώς με το επίπεδο της τεχνολογίας Βεβαίως τα τελευταία 10-15 χρόνια το κόστος της ανανεώσιμης ενέργειας μειώθηκε σημαντικά και πολλές ανανεώσιμες τεχνολογίες είναι ανταγωνιστικές ως προς τα ορυκτά καύσιμα ιδιαίτερα όταν ληφθούν υπόψη και ορισμένες laquoκρυφέςraquo παράμετροι (περιβάλλον ασφάλεια ενεργειακή απεξάρτηση κά) Οι παράμετροι αυτοί τις περισσότερες φορές είναι δύσκολο αν όχι αδύνατο να εκτιμηθούν και να ποσοτικοποιηθούν επακριβώς Για παράδειγμα πως μπορεί να αποτιμηθεί η συμβολή των συμβατικών καυσίμων στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή


Σήμερα δεν υπάρχει ΑΠΕ που να μπορεί να καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες σε μεγάλη κλίμακα με εξαίρεση βέβαια την υδροηλεκτρική ενέργεια Επίσης σύνηθες χαρακτηριστικό των ΑΠΕ είναι η δέσμευση μεγάλων εκτάσεων Στον Πίνακα 72 παρουσιάζονται ενδεικτικά οι αναγκαίες εκτάσεις για την παραγωγή ενέργειας από ορισμένες ΑΠΕ

Πίνακας 72 Χρήση για παραγωγή άμεσης και έμμεσης ηλιακής ενέργειας

Μορφή ενέργειας Απαιτούμενα στρέμματα ανά

έτος και άτομο

Βιομάζα 70 Υδροϊσχύς 23 Αιολική 4 Φωτοβολταϊκά 1

72 Τεχνολογίες Αξιοποίησης των ΑΠΕ Υπάρχει πληθώρα μεθόδων αξιοποίησης των ΑΠΕ μερικές από τις οποίες συμμετέχουν

ήδη σε σημαντικό βαθμό στις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας ιδιαίτερα των αναπτυσσόμενων χωρών Είναι ενδιαφέρον ότι οι μισές ανάγκες για ενέργεια στην Αφρική καλύπτονται σήμερα από τις ΑΠΕ και κυρίως από τη βιομάζα Οι κυριότερες εφαρμογές είναι

Παραγωγή ηλεκτρισμού

Πάμπολλες ανανεώσιμες τεχνολογίες εφαρμόζονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος Σήμερα ηλεκτρική ισχύς παράγεται κυρίως από την υδροϊσχύ την αιολική ενέργεια και τη γεωθερμία Επίσης μπορεί να παραχθεί από τη βιομάζα με καύση τα ηλιακά θερμικά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα τα κύματα και τις παλίρροιες Μεταφορές

Οι μεταφορές απαιτούν ενέργεια laquoυψηλής ποιότηταςraquo και μπορεί να χρησιμοποιηθεί η laquoπράσινηraquo ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση ηλεκτρικών αυτοκινήτων και τρένων Υγρά και αέρια βιοκαύσιμα (βιοαιθανόλη βιοαέριο βιοντίζελ) καθώς και το υδρογόνο (το οποίο θα παράγεται όμως από τον λεγόμενο laquoπράσινοraquo ηλεκτρισμό) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στις μεταφορές

Θερμότητα

Θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να παραχθεί με καύση της βιομάζας και των βιοκαυσίμων καθώς και με συγκεντρωτικά συστήματα ηλιακών συλλεκτών Χαμηλής θερμοκρασίας θερμότητα μπορεί να παραχθεί από ηλιακούς συλλέκτες γεωθερμία και καύση απορριμμάτων

Αναλυτικά οι υπάρχουσες τεχνολογίες το είδος των laquoπροϊόντωνraquo που παίρνουμε

καθώς και το επίπεδο ανάπτυξης της τεχνολογίας συνοψίζεται στον Πίνακα 73


Πίνακας 73 Κατηγορίες των τεχνολογιών μετατροπής των ΑΠΕ Πηγή UNΝDP and World Energy Council World Energy Assessment Energy and the Challenge of Sustainability New

York 2000 p 221 με μικρές τροποποιήσεις

Τεχνολογία Ενεργειακό προϊόν Εφαρμογές ndashεπίπεδο ανάπτυξης

Βιοενέργεια Καύση (οικιακός τομέας) Θερμότητα (μαγείρεμα

θέρμανση) Ευρεία εφαρμογή βελτίωση τεχν

Καύση (βιομηχανικός τομέας) Θερμότητα διεργασιών ατμός ηλεκτρισμός

Ευρεία εφαρμογή δυναμικό για βελτίωση

Αεριοποίηση (παραγωγή ισχύος)

Ηλεκτρισμόςθερμότητα (ΣΗΘ)

Επιδεικτική φάση

Αεριοποίηση (παραγωγή καυσίμων)

Υδρογκες μεθανόλη Η2 Φάση ανάπτυξης

Ζύμωση και υδρόλυση Αιθανόλη Εμπορική εφαρμογή σε συγκεκριμένες καλλιέργειες από την ξυλεία υπό ανάπτυξη

Πυρόλυση (παρ υγρών καυσίμων)

Βιο-έλαια Πιλοτική φάση τεχνικοί περιορισμοί

Πυρόλυση (παρ στερεών καυσίμων)

Ξυλάνθρακας Ευρεία εφαρμογή

Εξαγωγή (σύνθλιψη κτλ) Βιοντίζελ Εφαρμογή Αναερόβια χώνεψη Βιο-αέριο Εμπορικά εφαρμόσιμη Αιολική ενέργεια Άντληση νερού και φόρτιση μπαταριών

Κίνηση ισχύς Μικρές ΑΓ ευρεία εφαρμογή

Ανεμογεννήτριες στην ξηρά Ηλεκτρισμός Εμπορικά ευρεία εφαρμογή Ανεμογεννήτριες στη θάλασσα Ηλεκτρισμός Υπό ανάπτυξη επίδειξη Ηλιακή ενέργεια Φωτοβολταϊκά Ηλεκτρισμός Ευρεία εφαρμογή σχετικά μεγάλο

κόστος απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη

Ηλεκτρισμός από ηλιακά-θερμικά συστήματα

Ηλεκτρισμός θερμότητα ατμός

Έχει επιδειχθεί απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη

Ηλιακοί συλλέκτες χαμηλής θερμοκρασίας

Θερμότητα (νερού θέρμανση χώρων μαγείρεμα ξήρανση ψύξη αφαλάτωση)

Ευρεία εφαρμογή ηλιακών θερμοσίφωνων ηλιακές κουζίνες και ξηραντήρια

Παθητικά ηλιακά συστήματα Θέρμανση εξαερισμός φωτισμός

Επιδεικτικά έργα και εφαρμογές

Τεχνητή φωτοσύνθεση Η2 ή καύσιμα πλούσια σε Η2 Βασική και εφαρμοσμένη έρευνα Υδραυλική ενέργεια Υδροστρόβιλος Ηλεκτρισμός Εμπορικά ευρεία εφαρμογή μικρά

και μεγάλα συστήματα Γεωθερμική ενέργεια Ατμοστρόβιλος Ηλεκτρισμός Εμπορική εφαρμογή Άμεση χρήση Θερμότητα (θέρμανση

ξήρανση αφαλάτωση κτλ) Εμπορική εφαρμογή

Αντλίες θερμότητας Θερμότητα (θερμό νερόamp αέρας ξήρανση κα)

Ευρεία εφαρμογή μικρών μονάδων


73 Εκτίμηση των Ανανεώσιμων Πόρων Η εκτίμηση των ανανεώσιμων πόρων είναι τόσο δύσκολη και αβέβαιη όσο και η

εκτίμηση των συμβατικών πόρων Προσεγγιστικές εκτιμήσεις μπορούν να γίνουν από την ποσότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και του ποσοστού της που μετατρέπεται σε άλλες μορφές Αυτές οι εκτιμήσεις δίνουν προφανώς το ανώτερο όριο των ΑΠΕ Το ποσοστό των ΑΠΕ που μπορούν να αξιοποιηθούν με οικονομικό τρόπο είναι ασφαλώς πολύ μικρότερο και κάθε φορά (όπως και με τις συμβατικές μορφές ενέργειας) αυτό αποτελεί συνάρτηση του επιπέδου τεχνολογικής ανάπτυξης

Υπάρχουν στη βιβλιογραφία πολλές προσπάθειες για την εκτίμηση των διαθέσιμων πόρων των ΑΠΕ Μια τέτοια πρόσφατη εκτίμηση (από την έκθεση World Energy Assessment 2003) παρουσιάζεται στον Πίνακα 74 Οι ανανεώσιμοι πόροι είναι τεράστιοι και εάν διαχειριστούν με ορθολογικό τρόπο πρακτικά ανεξάντλητοι

Πίνακας 74 Εκτιμήσεις ανανεώσιμων πόρων σε EJ (1018 J) ανά έτος

(πηγή The World Energy Assessment UNDP 2003 p 148)

Πηγή Τρέχουσα χρήση Τεχνικά δυνατό δυναμικό

Θεωρητικό δυναμικό

Ηλιακή 01 gt1575 3900000

Υδροϊσχύς 9 50 147

Αιολική 10 TW 640 6000

Βιομάζα 012 gt276 2900

Γεωθερμική 06 5000 140000000

Ενέργεια ωκεανών δε δε 7400

Σύνολο 56 32 TW years gt144000000 δε δεν εκτιμήθηκε

74 Η Θέση των ΑΠΕ στην Παγκόσμια Παραγωγή Ενέργειας Ενδιαφέρον και σημαντική ώθηση στις ΑΠΕ σημειώθηκε αρχικά στη δεκαετία του 70 με

laquoωθούσαraquo δύναμη την πετρελαϊκή κρίση του 1973 Μόλις όμως ξεπεράστηκε η κρίση (όπως συνέβη και με την κρίση του 1979-1980) η ώθηση αυτή σταμάτησε τουλάχιστον για ορισμένες ΑΠΕ Μέρος αυτής της τελμάτωσης οφειλόταν και στα τεχνολογικά προβλήματα που προέκυψαν Αλλά από το 1990 και μετά η παρατηρούμενη ώθηση στις ΑΠΕ οφειλόταν κυρίως στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων (Συνάντηση του Ρίο Πρωτόκολλο του Κιότο κτλ) και δευτερευόντως στην ευαισθητοποίηση μεγάλων τμημάτων της κοινωνίας μας

Στο Σχήμα 72 παρουσιάζεται η συμμετοχή των ΑΠΕ στη συνολική παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας (total primary energy supply TRES) ανά δεκαετία από το 1970 Συγχρόνως γίνονται κάποιες εκτιμήσεις για τη συμμετοχή τους στο μέλλον Αν και μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας θα παραχθούν στο μέλλον από τις ΑΠΕ η συμμετοχή τους αναμένεται σε παγκόσμιο επίπεδο να μείνει σταθερή ή και να μειωθεί ελαφρά Το διάγραμμα τύπου laquoπίταςraquo του Σχήματος 73 παρουσιάζει την κατανομή των διαφόρων πηγών στην


συνολική παγκόσμια πρωτογενή παραγωγή ενέργειας κατά το 2001 με περαιτέρω εξειδίκευση στις ΑΠΕ

Σχήμα 72 Η συμμετοχή των ΑΠΕ στην παγκόσμια παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας σε συγκεκριμένες χρονιές και πρόβλεψη για το μέλλον

Σχήμα 73 Η συμμετοχή των ΑΠΕ στην παγκόσμια παραγωγή πρωτογενούς ενέργεια κατά το

2001 Στις άλλες ΑΠΕ περιλαμβάνονται η ηλιακή και η παλιρροϊκή ενέργεια (Πηγή ΙΕΑ RENEWABLES INFORMATION 2003 Edition)

Οι ΑΠΕ συμμετείχαν με ποσοστό 135 στην παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας το 2001 με κυριαρχούσες πηγές τη βιομάζα (108 της TRES ή 80 όλων των ΑΠΕ) και την υδροϊσχύ (22 της TRES) Από τις άλλες ΑΠΕ η γεωθερμία συμμετέχει με ποσοστό λίγο μικρότερο του 05 ενώ πολύ μικρότερα είναι τα ποσοστά της παλιρροϊκής της αιολικής και της ηλιακής ενέργειας Σημειώνεται ότι λόγω της σημαντικής αύξησης της παραγόμενης αιολικής ενέργειας το ποσοστό των άλλων ΑΠΕ αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια στο 08 Στη βιομάζα τη συντριπτική πλειοψηφία (με 97 της συνολικής ενέργειας από τη βιομάζα) κατέχουν η

AΠE135

Ανθρ234

Πετρ350

ΦΑ212

Πυρην69

Άλλες05

Βιομαζα108

Υδρο22

Αιολική 00027

Γεωθερμία

0043

Ηλιακή άλλες 0004


στερεή βιομάζα και ο ξυλάνθρακας ενώ από 15 κατέχουν τα αστικά απορρίμματα και τα βιοκαύσιμα

Στο χρονικό διάστημα 1990-2001 η συνολική παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ παρουσίασε μέση αύξηση 17 λίγο μεγαλύτερη από τη μέση αύξηση της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας Πρέπει να τονιστεί όμως ότι οι λιγότερο σημαντικές σήμερα ΑΠΕ (ηλιακή αιολική κά) που συχνά αναφέρονται και ως laquoνέεςraquo ΑΠΕ παρουσιάζουν μέση ετήσια αύξηση 19 όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 74 Τα τελευταία 5 χρόνια (200-2005) η αιολική ενέργεια εμφανίζει εντυπωσιακή αύξηση της τάξης του 27 ετησίως

14 17 15 17 23

191

76

0

5

10

15

20

25

TRES ΑΠΕ Στερεήβιομάζα

Υδρο Γεωθερμία Ηλιακήαιολικήπαλιρ

Βιοκαύσιμα

Ετήσιος ρυθμός αύξησης

Σχήμα 74 Ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης των ΑΠΕ κατά τη χρονική περίοδο 1991-2001 Σχετικά με τους τομείς κατανάλωσης της ενέργειας από τις ΑΠΕ η περισσότερη

ενέργεια 58 καταναλώνεται σε οικιακές και εμπορικές χρήσεις (θέρμανση μαγείρεμα κτλ) ενώ η παραγωγή ηλεκτρισμού κατέχει το 21 της παραγωγής (Σχήμα 75)

Βιομηχανία amp μετατροπή

18

Οικιακός amp Εμπορ τομέας

58

Άλλοι τομείς3Παραγωγή

ηλεκτρισμού 21

Πίνακας 75 Κατανάλωση ΑΠΕ ανά τομέα δραστηριότητας


Οι ΑΠΕ συνεισφέρουν σήμερα κατά 184 στην παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής

ενέργειας πίσω από τον γαιάνθρακα (39) αλλά μπροστά από την πυρηνική ενέργεια (17) το φυσικό αέριο (18) και το πετρέλαιο 8 (Σχήμα 117)

Ο Πίνακας 75 παρουσιάζει περισσότερο αναλυτικά την παραγωγή ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στον κόσμο κατά το 1998 Όπως είναι αναμενόμενο το μεγαλύτερο μερίδιο (92) ανήκει στη υδροηλεκτρική ενέργεια Η παραγωγή ηλεκτρισμού από την ηλιακή ενέργεια και τις παλίρροιες είναι πολύ μικρή Αναφορικά με το κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας από τι ΑΠΕ το κόστος αυτό για την υδροηλεκτρική τη γεωθερμική και την αιολική ενέργεια είναι συγκρίσιμο και μερικές φορές μικρότερο από το αντίστοιχο κόστος με τη χρήση συμβατικής ενέργειας

Ο Πίνακας 76 παρουσιάζει την εικόνα της παραγωγής θερμότητας από ΑΠΕ κατά το 1998 Η βιομάζα εδώ αποτελεί την κύρια πηγή της παραγόμενης θερμότητας και συμμετέχει με 93 Η παραγωγή θερμότητας από ΑΠΕ είναι άκρως ανταγωνιστική με τη συμβατική ενέργεια

Τέλος το Σχήμα 76 παρουσιάζει το ποσοστό των ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στις χώρες της ΕΕ Επίσης παρουσιάζονται οι της ΕΕ για το 2010 Ο laquoπράσινοςraquo ηλεκτρισμός κυριαρχείται από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα (74 το 1999) και ακολουθούνται από τα μικρά υδροηλεκτρικά (11) και τη βιομάζααπορρίμματα (10) Τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα αποτελούν καθιερωμένη τεχνολογία εδώ και δεκαετίες αλλά η εγκατεστημένη ισχύς τέτοιων συστημάτων δεν αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά για δύο λόγους το μεγαλύτερο δυναμικό έχει ήδη αξιοποιηθεί και ή ύπαρξη ανησυχιών για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την κατασκευή και λειτουργία των φραγμάτων Επομένως η περαιτέρω ανάπτυξη του laquoπράσινουraquo ηλεκτρισμού θα πρέπει να προέλθει από τα μικρά υδροηλεκτρικά σχήματα και τις άλλες ΑΠΕ όπως ηλιακή και αιολική ενέργεια και βιομάζα

Πίνακας 75 Κατάσταση των ΑΠΕ για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος κατά το 1998 (πηγή World Energy Assessment Report WEA 2000)

ΑΠΕ

Ενεργειακή παραγωγή το 1998

Συντελε-στής

λειτουργίας

Τωρινό ενεργειακό κόστος

US centskWh

αύξηση στην εγκατ ισχύ (1993-1998) TWh

Yδροϊσχύς 2600 92 20-70 2-10 2 Βιομάζα 160 57 25-80 5-15 3 Γεωθερμία 46 16 45-90 2-10 4 Αιολική 18 065 20-30 5-13 30 Ηλιακή ΦΒ θερμικά

05 1

005

8-20 30-35

25-125 12-18

30 5

Παλιρροϊκή 06 002 20-30 8-15 0 ΣΥΝΟΛΟ 2826


Πίνακας 76 Κατάσταση των ΑΠΕ για παραγωγή θερμότητας (πηγή World Energy Assessment Report WEA 2000)

ΑΠΕ

Ενεργειακή παραγωγή το

1998 TWh




US centskWh

αύξηση στην εγκατ ισχύ τα τελευταία 5 χρόνια

Βιομάζα gt700 25-80 1-5 3 Γεωθερμία 40 20-70 05-5 6 Ηλιακά 14 8-20 3-20 8

75 Οι ΑΠΕ στην Ελλάδα

Στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη Ελλάδα το 2001 (Σύνολο 49786 GWh) το κυρίαρχο ορυκτό καύσιμο που χρησιμοποιείται είναι ο λιγνίτης (και δευτερευόντως το φυσικό αέριο) με τις ΑΠΕ να συμμετέχουν περίπου κατά 73 Στο άμεσο μέλλον και ύστερα από τη μερική απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας το 2001 το φυσικό αέριο αναμένεται να αυξήσει περαιτέρω τη συμμετοχή του

Από τις ΑΠΕ τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα (με αποθήκευση ηλεκτρισμού) κυριαρχούν στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ποσοστό 92 Η αιολική ενέργεια συμμετείχε το 2001 με το 15 και η βιομάζα με 04 Η εγκατεστημένη ισχύς των μικρών υδροηλεκτρικών συστημάτων στην Ελλάδα ανέρχεται περίπου σε 60 MW (το 2002)

Το επίπεδο ανάπτυξης των ΑΠΕ στην Ελλάδα το 1999 και το 2003 και οι προοπτικές που διανοίγονται για το 2005 ενόψει και της Λευκής Βίβλου της ΕΕ συνοψίζονται στον Πίνακα 77 Όπως φαίνεται από τον Πίνακα εκτός από τα μεγάλα ΥΗ και πιθανόν τα αιολικά συστήματα φαίνεται μάλλον απίθανο να ικανοποιηθούν οι ενδιάμεσοι στόχοι του 2005

Πίνακας 77 Το επίπεδο ανάπτυξης των ΑΠΕ στην Ελλάδα το 1999 και προοπτικές για το 2005 (Πηγή περιοδικό ΕΝΕΡΓΕΙΑ 47 Μάρτιος 1999 με προσθήκες για το 2005)

Τεχνολογία

Κατάσταση κατά το 1999


(ή τέλος 2004)

Προοπτική

Μέχρι το 2005

Μείωση εκπομπών CO2 σε εκατ τόνους

ετησίως

Αιολικά 43 MW 573 MW 1000 MW 2-3

Μεγάλα υδροηλεκτρικά 2800 MW 3100 MW 3100 MW 1

Μικρά υδροηλεκτρικά 42 MW 70 MW 200 MW 1

Φωτοβολταϊκά 03 MW 455 MW 30 MW 04

Ηλιακοί συλλέκτες 2300000 m2 2830000 m2 6000000 m2 2

Βιομάζα 900000 ΤΙΠ 970000 ΤΙΠ 1600000 ΤΙΠ 2

Γεωθερμία 8000 ΤΙΠ 11100 ΤΙΠ 100000 ΤΙΠ 02

ορισμός ΤΙΠ στο Παράρτημα Ι


Πίνακας 76 (α) Ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην πρωτογενή κατανάλωση ενέργειας στις

χώρες της ΕΕ (β) Ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που καλύπτεται από τις ΑΠΕ στις χώρες της ΕΕ κατά το 2005 και ενδεικτικοί στόχοι για το 2010 Πηγή Eurobarometer 2005

ενδεικτικοί στόχοι 2010

(α)

(β)


76 Περιβαλλοντικά Οφέλη από τις ΑΠΕ Μείωση των εκπομπών ρύπων

Το κυριότερο περιβαλλοντικό όφελος από την αξιοποίηση των ΑΠΕ αποτελεί η μείωση των εκπομπών στην ατμόσφαιρα από την υποκατάσταση των συμβατικών καυσίμων και επομένως μείωση των επιπτώσεων από την κλιματική αλλαγή Με τα σημερινά δεδομένα από τη χρήση των ΑΠΕ αποτρέπονται εκπομπές πάνω από 1500 εκατ τόνοι CO2 σε ετήσια βάση Για το 2020 ανάλογα με το σενάριο ανάπτυξης και διείσδυσης των ΑΠΕ θα μπορούσαν να αποτραπούν εκπομπές της τάξης των 6000-9000 τόνων CO2 Σημαντικές μειώσεις θα παρατηρούνταν και στις εκπομπές των όξινων αερίων

Περισσότερο ακριβή αποτελέσματα μπορούν να προέλθουν από την ανάλυση κύκλου ζωής Οι εκπομπές κύκλου ζωής περιλαμβάνουν τις εκπομπές που γίνονται σε κάθε φάση της ζωής μιας μονάδας δηλ στην κατασκευή στη δοκιμαστική λειτουργία στη διάθεση των αποβλήτων κτλ και όχι μόνο κατά την παραγωγική φάση Οι εκπομπές ρυπαντών του κύκλου ζωής των ανανεώσιμων σχημάτων είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες εκπομπές των ορυκτών καυσίμων όπως παρουσιάζονται στα Σχήματα 77 και 78 Σε νησιώτικες περιοχές η υποκατάσταση του πετρελαίου στην ηλεκτροπαραγωγή μειώνει τον κίνδυνο πετρελαιοκηλίδων

955

818

777

430

132

32

8

9

8

79

2

0 200 400 600 800 1000 1200

ΓαιάνθρακαςΠετρέλαιο

ΝτίζελΦυσικό αέριο

ΦΒΗλιακά θερμικά

ΑιολικάΜικρά ΥΗ

Μεγάλα ΥΗΓεωθερμία

Ενεργ Καλλιέργειες

Εκπομπές (gkWh)

Σχήμα 77 Σύγκριση των μέσων εκπομπών κύκλου ζωής του CO2 από ΑΠΕ και συμβατικές πηγές ενέργειας (Πηγή Benign Energy The Environmental Implications of Renewables ΙΕΑ 1998)

Βελτιωμένη ποιότητα νερού Τα υδροηλεκτρικά φράγματα μπορούν να προσφέρουν το νερό για άρδευση και

ύδρευση Μικρά αιολικά και φωτοβολταϊκά σχήματα μπορούν να βοηθήσουν στην άντληση νερού σε απομακρυσμένες περιοχές ενώ οι ενεργειακές καλλιέργειες μπορούν να βοηθήσουν στη διάβρωση του εδάφους Τέλος ορισμένες τεχνολογίες είτε άμεσα (ηλιακή γεωθερμία) ή έμμεσα (μετά την παραγωγή της ηλεκτρικής ισχύος) μπορούν να παραγάγουν αφαλατωμένο νερό


118

142

16

0

026

02

006

003

0015

002

011

0 2 4 6 8 10 12 14 16








Σχήμα 78 Σύγκριση των μέσων εκπομπών κύκλου ζωής του SO2 από ΑΠΕ και συμβατικές πηγές ενέργειας (Πηγή Benign Energy The Environmental Implications of Renewables ΙΕΑ 1998)

Μείωση των εκπομπών στον τομέα των μεταφορών Με τη χρήση εναλλακτικών καυσίμων όπως της βιο-αιθανόλης ή ης ηλεκτρικής

ενέργειας που παράγεται από τις ΑΠΕ

Διανομή ηλεκτρικής ενέργειας Οι διεσπαρμένες ΑΠΕ μειώνουν την ανάγκη για έργα υποδομής μεταφοράς της

ηλεκτρικής ενέργειας

Κοινωνικο-οικονομικά οφέλη bull Ενεργειακή απεξάρτηση διασπορά και εξασφάλιση του ενεργειακού ανεφοδιασμού

μιας χώρας με συνέπεια τη σταθεροποίηση των ενεργειακών τιμών Οι ΑΠΕ δεν επηρεάζονται από επεισόδια σαν αυτό του laquoεμπάργκοraquo πετρελαίου το 1973

bull Διασπορά των θέσεων εργασίας ιδιαίτερα σε αγροτικές και απομακρυσμένες περιοχές Οι ΑΠΕ έχουν δημιουργήσει τα τελευταία 30 χρόνια περισσότερες από 14 εκατομμύρια θέσεις εργασίας σε όλο τον κόσμο

bull Προώθηση της αποκέντρωσης των ενεργειακών αγορών με το να προσφέρουν οι ΑΠΕ μικρά γρήγορα αναπτυσσόμενα και ευέλικτα ενεργειακά σχήματα

bull Επιτάχυνση του εξηλεκτρισμού απομακρυσμένων περιοχών ή περιοχών εκτός ηλεκτρικού δικτύου ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες

bull Ανάπτυξη της οικονομίας (κυρίως των αναπτυσσόμενων χωρών) μέσω της ενεργειακής απεξάρτησης

bull Ανάπτυξη της τεχνολογίας της τεχνογνωσίας και των υπηρεσιών στον τομέα των ΑΠΕ Παράδειγμα αποτελεί η Δανία η οποία σήμερα είναι ο μεγαλύτερος εξαγωγέας ανεμογεννητριών στον κόσμο κατέχοντας το 40 της παγκόσμιας παραγωγής τους


77 Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις από τις ΑΠΕ

Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως οι ΑΠΕ δεν είναι άμοιρες περιβαλλοντικών επιπτώσεων Βέβαια οι επιπτώσεις αυτές είναι συνήθως μικρές τοπικής σημασίας και αντιστρεπτές Επιπροσθέτως υπάρχουν ποικίλες τεχνικές ώστε να μετριαστούν οι όποιες επιπτώσεις σε περιβαλλοντικά αποδεκτά επίπεδα Ο Πίνακας 78 παρουσιάζει μία σύνοψη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την αξιοποίηση πολλών ΑΠΕ καθώς και τις δόκιμες πρακτικές για τη μείωση των επιπτώσεων αυτών

78 Προώθηση των ΑΠΕ

Προώθηση των ΑΠΕ μπορεί να γίνει με ποικίλους τρόπους Ο πιο απλός και εύκολος τρόπος είναι η πληροφόρηση του κοινού (αλλά και των πολιτικών) για τις νέες τεχνολογίες και τα βραχυχρόνια ή μακροχρόνια οφέλη από τη διείσδυση των ΑΠΕ Ένας άλλος laquoπαράλληλοςraquo τρόπος είναι η υποστήριξη εκπαιδευτικών προγραμμάτων σε κάθε βαθμίδα της εκπαίδευσης Γενικά οι ΑΠΕ μπορούν να προωθηθούν με τα παρακάτω μέτρα

Καθορισμός στόχων

Οι διάφορες χώρες (ή πολιτείες-περιφέρειες-πόλεις) μπορούν να ενισχύσουν τη θέση των ΑΠΕ με τον καθορισμό συγκεκριμένων στόχων σε σχέση με τη συμμετοχή του συνόλου των ΑΠΕ ή ορισμένων ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας Όπως αναφέρεται στο Κεφάλαιο 11 η ΕΕ έθεσε ως στόχο τη συμμετοχή των ΑΠΕ σε ποσοστό 12 της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης για το 2010 Επίσης η πολιτεία της Καλιφόρνιας έχει καθορίσει πρόσφατα το στόχο να εγκατασταθούν ηλιακά συστήματα σε ένα εκατομμύριο σπίτια (Million Homes Plan) μέχρι το 2017

Υποστήριξη προγραμμάτων έρευνας και ανάπτυξης

Η υποστήριξη αυτή θα πρέπει να είναι συστηματική συνεχής και συνεπής και να μην εξαρτάται από τις αυξομειώσεις της τιμής του αργού πετρελαίου Η υποστήριξη αυτή είναι διαφορετική από την κρατική επιχορήγηση πιλοτικών ή εμπορικών εφαρμογών των ΑΠΕ Είναι αξιοσημείωτο ότι μερικές φορές μία όχι ιδιαίτερα υψηλή συστηματική ενίσχυση της έρευνας μπορεί να φέρει σημαντικά αποτελέσματα Στη δεκαετία του 80 ενισχύθηκαν πολλές μικρές εταιρείες ανεμογεννητριών στη Δανία ενώ το κρατικό εργαστήριο Risoslash παρείχε υπηρεσίες ευκολίες δοκιμών και πιστοποίηση των προϊόντων Οι ενέργειες αυτές έθεσαν τη βάση για τη ταχεία ανάπτυξη της δανέζικης βιομηχανίας παραγωγής ανεμογεννητριών που σήμερα αποτελεί τη μεγαλύτερη στον κόσμο στον τομέα αυτό Νομοθετικές Ρυθμίσεις

Ειδικές νομοθετικές ρυθμίσεις μπορούν να γίνουν (παράλληλα με τις αυστηρές προδιαγραφές για τη θερμομόνωση των κτιρίων) αναφορικά με την υποχρέωση εγκατάστασης ηλιακού συλλέκτη σε κάθε νέα κατοικία (πχ Ισραήλ) τη χωροθέτηση περιοχών για εγκατάσταση αιολικών πάρκων την υποχρέωση παραγωγής μέρους της ηλεκτρικής ενέργειες από ΑΠΕ (πχ Ηνωμένο Βασίλειο ΗΠΑ)


Πίνακας 78 Σύνοψη των κυριότερων μέτρων για την αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τις ανανεώσιμες τεχνολογίες

Τεχνολογία Περιβαλ Επιπτώσεις Μέτρα αντιμετώπισης

Φωτοβολταϊκά Εκπομπέςδιάθεση τοξικών χημικών κατά τη διάρκεια παρασκευής

Υιοθέτηση των κανονισμών ασφαλείας και της laquoβέλτιστης πρακτικήςraquo

Χρήση γης ndash απώλεια κατοικήσιμων περιοχών

Αποφυγή περιοχών που είναι οικολογικά ευαίσθητες Τα ΦΒ που προσαρμόζονται στις προσόψεις των κτηρίων προφανώς δεν δεσμεύουν κάποια έκταση

Απώλεια της laquoφιλικότηταςraquo του περιβάλλοντος

Τα ΦΒ που προσαρμόζονται στις προσόψεις των κτηρίων έχουν ελάχιστες επιπτώσεις Θα πρέπει να αποφεύγονται τα μεγάλης κλίμακας σχήματα σε γραφικές περιοχές

Ανεξέλεγκτη απόθεση των χρησιμοποιημένων μονάδων Ανακύκλωση των ΦΒ στοιχείων

Ηλιακά -θερμικά Θερμική και χημική ρύπανση υδάτινων αποδεκτών


Ενεργειακές καλλιέργειες

Εκπομπές από την καύση Το CO2 από την καύση αποτελεί ανακυκλώσιμη ουσία Οι άλλες εκπομπές μπορούν να ελεγχθούν με δόκιμες τεχνικές

Θόρυβος Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας

Αλλαγές στο τοπικό οικοσύστημα Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας ndash οι ενεργειακές καλλιέργειες μπορεί να βελτιώσουν τη βιο-ποικιλότητα εάν καλλιεργηθούν σε αγροτική γη

Όλες οι τεχνολογίες αποβλήτων

Θόρυβος οσμές οπτική παρενόχληση από τις μονάδες μεταφορά των αποβλήτων

Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας

Υγρά αγροτικά απόβλητα amp βιοαέριο laquoχωματερώνraquo Εκπομπές CH4 Με την καύση του CH4 παράγεται CO2

Καύση απορριμμάτων Εκπομπές τοξικών ουσιών (βαρέα μέταλλα διοξίνες κτλ) και όξινα αέρια από την καύση

Υπάρχουσες τεχνικές δέσμευσης μειώνουν τις εκπομπές σε ασφαλή επίπεδα

Μεγάλα υδροηλεκτρικά Εκπομπές από τη αποσύνθεση φυτικών υλών στον ταμιευτήρα (CO2 και CH4)

Αποφυγή μεγάλων πλημμυρισμένων εκτάσεων ιδιαίτερα σε τροπικές περιοχές

Απώλεια καλλιεργήσιμης γης Προσεκτική επιλογή περιοχής Νερό για άρδευση και προστασία από πλημμύρες

Απώλεια περιοχών με αρχαιο-λογική και πολιτισμική αξία

Προσεκτική επιλογή περιοχής Απομάκρυνση μνημείων

Μετακίνηση πληθυσμών Προσεκτική επιλογή περιοχής Οι επιπτώσεις μπορούν να περιοριστούν με το σωστό σχεδιασμό ndashαύξηση απασχόλησης

Θνησιμότητα ψαριών και παρεμπόδιση της αναπαραγωγής

Χρήση ειδικής laquoσκάλαςraquo για τα ψάρια και ύπαρξη διόδων

Αλλαγές στη συγκ Ο2 και στη στρωματοποίηση

Καλός σχεδιασμός περιοδικό άνοιγμα των θυρίδων ρύθμισης

Μικρά υδροηλεκτρικά laquoΟπτικήraquo ρύπανση Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας και δομικών υλικών



Αλλαγή στο τοπικό οικοσύστημα Διατήρηση ελάχιστης ροής νερού επαναφορά πανίδας και χλωρίδας

Αιολικά laquoΟπτικήraquo ρύπανση Αποφυγή γραφικών περιοχών Επιλογή καταλληλότερου μεγέθους και χρώματος της ΑΓ

Θόρυβος Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας Χρήση σύγχρονων ΑΓ

Γεωθερμία Εκπομπές H2S κατά τη λειτουργία Πληθώρα τεχνικών δέσμευσης Μηδενικές εκπομπές στο δυαδικό κύκλο

Θόρυβος και laquoοπτικήraquo ρύπανση Προσεκτική επιλογή τοποθεσίας και υιοθέτηση της laquoβέλτιστης πρακτικήςraquo

Ρύπανση των υπόγειων και επιφανειακών νερών

Επεξεργασία απονέρων επανεισαγωγή ρευστών στον ταμιευτήρα

Καθίζηση εδάφους Επανεισαγωγή ρευστών


Οικονομικά μέτρα

Τα περισσότερα κράτη βασίζονται στη θέσπιση οικονομικών κινήτρων για τη διείσδυση των ΑΠΕ και των τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας Μερικά από αυτά τα μέτρα είναι

- Εγγυημένη ενίσχυση της παραγόμενης ενέργειας (κυρίως ηλεκτρικής) για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (renewables feed-in tariff REFIT) Η ενίσχυση αυτή θα πρέπει να εξαρτάται από το επίπεδο ανάπτυξης της ανανεώσιμης τεχνολογίας και από το ύψος της αρχικής επένδυσης Με αυτόν τον τρόπο η ενίσχυση της φωτοβολταϊκής kWh είναι μεγαλύτερη από την αιολική kWh

- Επιδότηση του παγίου κόστους της ανανεώσιμης εφαρμογής Σε ορισμένε χώρες σε αυτό το πρόγραμμα συμμετέχουν και οι εταιρείες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

- Μείωση της άμεσης ή έμμεσης φορολογίας των συστημάτων ΑΠΕ Για παράδειγμα μείωση του ΦΠΑ των ηλιακών συλλεκτών και συσκευών ΑΠΕ και αφαίρεση της πάγιας επένδυσης από το φορολογητέο εισόδημα

- Προφορά δανείων με μηδενικό ή μικρό επιτόκιο για αγορά συστημάτων ΑΠΕ Παράδειγμα η Ιαπωνία με τα δάνεια μηδενικού επιτοκίου για φωτοβολταϊκές στέγες

- Αύξηση της τιμής της συμβατικής ενέργειας ώστε να καλυφθεί μέρος του laquoεξωτερικούraquo κόστους και να γίνει περισσότερο ελκυστικό το κόστος της ανανεώσιμης ενέργειας

79 Περιορισμοί στην Ανάπτυξη των ΑΠΕ

Κάθε ΑΠΕ αντιμετωπίζει ειδικούς περιορισμούς αλλά υπάρχουν και ορισμένοι γενικοί

περιορισμοί που αφορούν σε όλες τις ΑΠΕ Στα αρχικά στάδια ανάπτυξης των ΑΠΕ κυριαρχούσαν τα τεχνικά προβλήματα Με περισσότερο ώριμες τεχνολογίες οι περιορισμοί μετατοπίστηκαν στην οικονομικότητά τους στην αγορά Ακόμη και σε αυτές τις ΑΠΕ που μπορούν να ανταγωνιστούν ικανοποιητικά τις συμβατικές μορφές ενέργειας σε οικονομικό επίπεδο (αιολική γεωθερμία) υπάρχουν περιορισμοί διείσδυσης στην αγορά λόγω πολιτικών νομοθετικών και άλλων δομών που δεν είναι σχεδιασμένες να ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των ΑΠΕ Στους περιορισμούς εντάσσονται επίσης η έλλειψη εμπειρίας και ευαισθητοποίησης στις νέες τεχνολογίες ιδιαίτερα από μεγάλους ιδιωτικούς και δημόσιους οργανισμούς (πχ ΔΕΗ) Τέλος υπάρχουν και ορισμένοι κοινωνικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί (για παράδειγμα η ενδεχόμενη μεταφορά κατάργηση ή δημιουργία νέων θέσεων εργασίας η ανάπτυξη των ΑΠΕ σε τουριστικές περιοχές κτλ) περιορισμοί που σχετίζονται με την έλλειψη εμπειρίας και τη μη δημόσια αποδοχή των ΑΠΕ

Το κυριότερο εμπόδιο για περαιτέρω αξιοποίηση των ΑΠΕ είναι η πεποίθηση του κόσμου (και του επιχειρηματικού ασφαλώς) για το κόστος τους Οι παρακάτω παράγοντες συχνά αναφέρονται για την αργή διείσδυση των ανανεώσιμων τεχνολογιών

Η έλλειψη εμπειρίας και οικειότητας προς τις ΑΠΕ από κυβερνητικούς και επιχειρηματικούς ιθύνοντες

Η έλλειψη εμπιστοσύνης και θετικής προσέγγισης μεγάλης μερίδας της βιομηχανίας ηλεκτρικής ενέργειας προς τις ΑΠΕ (πχ η ΔΕΗ) Η οικονομικότητα των ΑΠΕ δεν είναι εύκολα κατανοητή και όχι άμεσα συγκρίσιμη με τις συμβατικές τεχνολογίες Ποιο είναι το άμεσο και βραχυπρόθεσμο κέρδος από τις ΑΠΕ για μία εταιρία


Το σχετικά χαμηλό κόστος πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας από τους μικρούς παραγωγούς ιδιαίτερα για τη φωτοβολταϊκή ενέργεια [Για τις τιμές πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας από παραγωγούς ΑΠΕ στην Ελλάδα δες την ιστοσελίδα της Ρυθμιστικής Αρχής Ενέργειας httpwwwraegrK4 indexhtm]

Η υποδομή του ηλεκτρικού δικτύου έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να εξυπηρετεί ουσιαστικά μόνο τις μεγάλες συμβατικές μονάδες

Συχνά υπάρχει μεγάλη απόσταση των μονάδων ΑΠΕ από περιοχές με μεγάλη ζήτηση

Η μη συνεχής παραγωγή ενέργειας από ορισμένες ΑΠΕ και η ανάγκη αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας

Οι αδειοδοτικές διαδικασίες που είναι ιδιαίτερα χρονοβόρες στη χώρα μας

Επιχορήγηση από το κράτος λόγω του μεγάλου επιχειρηματικού κινδύνου Χωρίς κρατική επιχορήγηση δεν μπορούν να προχωρήσουν οι ΑΠΕ

Η μικρή δύναμη του laquolobbyraquo της βιομηχανίας των ΑΠΕ στην Ελλάδα ή και διεθνώς (αν υπάρχει)

Οι ειδικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε τοπικό επίπεδο (πχ αισθητική ρύπανση από τις ανεμογεννήτριες) με τις επακόλουθες αντιδράσεις Υπερεκτίμηση ορισμένων θετικών επιδράσεων

Η άγνοια ο κόσμος δεν αντιλαμβάνεται την ανάγκη για επενδύσεις στις ΑΠΕ

Η αβεβαιότητα θα προχωρήσει η νέα τεχνολογία

Η απουσία οικονομικών και θεσμικών κινήτρων

Τα κυριότερα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη για την αξιολόγηση έργων ΑΠΕ συνοψίζονται ως εξής Κόστος επένδυσης (Capital Costs) Λειτουργικό κόστος (Operating Costs) Βαθμός απόδοσης (Efficiency) Ανανεωσιμότητα Απαιτήσεις σε ενεργειακή αποθήκευση Ρύπανση Περιβαλλοντικές αλλαγές Κόστος για τον καταναλωτή Δυνατότητα για μεγάλη κλίμακα Ανεξαρτησία μεμονωμένων οικιών Απώλειες θέσεων εργασίας Δυναμικότητα μονάδας Στον Πίνακα 710 παρουσιάζεται συγκριτικός πίνακας αξιολόγησης των διαφόρων ΑΠΕ

Μέχρι τώρα μπορούμε να συνοψίσουμε τα εξής - Η αιολική ενέργεια (σε συνδυασμό με προηγμένες μπαταρίες) έχει σημαντική δυνατότητα

περαιτέρω διείσδυσης ιδιαίτερα ύστερα από την επιτυχία της σε Δανία Ισπανία και Γερμανία

- Τα PV δεν φαίνονται οικονομικά (για μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις) αυτή τη στιγμή Με επιδότηση όμως της παραγόμενης ενέργειας είναι δυνατή η διείσδυσή της όπως συμβαίνει με επιτυχία στην Γερμανία Επίσης οι ηλιακοί συλλέκτες για παραγωγή θερμού νερού έχουν αναπτυχθεί αρκετά σε ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες και καθόλου σε άλλες


Πίνακας 710 Συγκριτικός πίνακας ΑΠΕ

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Θερμικά ηλιακά ΦΒ

Υδρο-ηλεκτρι-

κά Αιολικά OTEC

Παλίρ-ροϊκά

Γεωθερ-μία Βιομάζα

Κόστος επένδ μεγάλο μεγάλο τεράστιο μέτριο τεράστιο + τεράστιο μικρό μικρό

Λειτ κόστος Ενδιάμεσο Ενδιάμεσο αμελητέο μικρό άγνωστο αμελητέο μικρό μέτριο

Βαθμός αποδ 15 5-10 80 42 7 + 25 100 25

Ανανεωσιμότητα ναι ναι ναι Ακανό-νιστο

ναι ναι όχι-ίσως ίσως

Αποθήκευση όχι ναι υπάρχει Οπωσδή-ποτε

όχι άγνωστο όχι όχι

Ρύπανση όχι θερμική όχι οπτική όχι όχι κάποια Σωματ CO

Τελικό κόστος 015-04 euroKWh

03-06 euroKWh

~005 euroKWh

~005 euroKWh

άγνωστο άγνωστο 004-007 euroKWh

άγνωστο

Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις

μέτριες μεγάλες τεράστιες μικρές άγνωστες Μικρές μετρ μέτριες

Μεγάλη κλίμακα Πολύ ακριβό

Ναι (ακριβό)

Αποδε-δειγμένο

δυνατό Μάλλον η λύση

Ορισμένες τοποθεσίες


Μικρή κλίμακα όχι δύσκολο ΝΑΙ όχι όχι όχι ναι

Δυναμικότητα 1000 MW εξαρτάται 2000-6000 MW

Μεταβλητή Χωρίς όριο 250 MW 1000 MW 50-100 MW

Θέσεις εργασίας λίγες λίγες λίγες λίγες αρκετές μερικές λίγες πολλές

- Η OTEC μπορεί να προσφέρει λύση μεγάλης κλίμακας αλλά προς το παρόν είναι

αντιοικονομική

- Η αβαθης γεωθερμία (γεωθερμικές αντλίες θερμότητας) έχουν μεγάλο δυναμικό

διείσδυσης σε όλες τις περιοχές ανεξαρτήτως της τοπικής γεωθερμικής βαθμίδας

- Υπάρχουν ουσιαστικά περιορισμένα κίνητρα λόγω των σχετικά χαμηλών τιμών των

καυσίμων (ακόμη και ύστερα από τις τελευταίες αυξήσεις) Ίσως η διαδικασία

δικαιωμάτων του διοξειδίου του άνθρακα να επιφέρει ορισμένες διαφοροποιήσεις

710 Η laquoΛευκή ΒίΒλοςraquo της ΕΕ

Η προώθηση των ΑΠΕ έχει αποτελέσει βασικό στόχο της ενεργειακής πολιτικής της ΕΕ Στη Λευκή Βίβλο του 1997 για την κοινοτική στρατηγική και το σχέδιο δράσης laquoΕνέργεια για το μέλλον ανανεώσιμες πηγές ενέργειαςraquo η ΕΕ έθεσε ένα φιλόδοξο ποσοτικά προσδιορισμένο στόχο για τις ΑΠΕ Σε αυτό ορίζεται ως ενδεικτικός στόχος η συμμετοχή των ΑΠΕ στο 12 της συνολικής εγχώριας ενεργειακής κατανάλωσης της Ευρωπαϊκής Ένωσης έως το 2010 (Σχήμα 77α) Η σημασία των ΑΠΕ στο πλαίσιο της ενεργειακής πολιτικής της Ευρώπης αντανακλάται επίσης στον τομέα της έρευνας Ενώ αρχικά στόχος της ενεργειακής πολιτικής της ΕΕ ήταν η μείωση της εξάρτησής της από την εισαγωγή ενέργειας μέσω της μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και της αύξησης της ενεργειακής απόδοσης μετά τη Σύμβαση του Ρίο ντε Τζανέιρο το 1992 για τη μείωση των εκπομπών CO2 δόθηκε έμφαση στην προστασία του περιβάλλοντος Το 1996 στην Πράσινη Βίβλο με τίτλο


laquoΕνέργεια για το μέλλον ανανεώσιμες πηγές ενέργειαςraquo η Ευρωπαϊκή Επιτροπή ανέφερε τα κριτήρια που αφορούσαν στη δημιουργία θέσεων απασχόλησης την περιφερειακή ανάπτυξη και την τόνωση των εξαγωγών ως πρόσθετους στόχους

Σήμερα η ΕΕ (καλύτερα ορισμένες χώρες) διαθέτει στον τομέα των ΑΠΕ ένα ισχυρό δυναμικό το οποίο όμως το εκμεταλλεύεται κατά τρόπο άνισο και ανεπαρκή Η αναλογία των ΑΠΕ στη συνολική εγχώρια κατανάλωση ποικίλλει σημαντικά από χώρα σε χώρα στην ΕΕ Στον τομέα της παραγωγής ηλεκτρισμού από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας η αναλογία της υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 91 της βιομάζας 65 και της αιολικής ενέργειας 15 Η αναλογία άλλων πηγών είναι μικρότερη από 1

Η περαιτέρω ανάπτυξη των ΑΠΕ στην ΕΕ θα συμβάλει στον περιορισμό των εκπομπών CO2 και των άλλων αερίων του θερμοκηπίου στη μείωση της εξάρτησης από τις εισαγωγές συμβατικής ενέργειας σε μεγαλύτερη ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού στην ενίσχυση της στρατηγικής της αειφόρου ανάπτυξης στην τοπική και περιφερειακή οικονομική ανάπτυξη καθώς και στην

κοινωνικοοικονομική συνοχή Ο συνολικός στόχος που έχει καθορίσει η ΕΕ απαιτεί ισχυρή συμμετοχή των κρατών-

μελών τα οποία οφείλουν να ενθαρρύνουν τη διάδοση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αναλόγως του δυναμικού που διαθέτουν Ο καθορισμός στόχων σε κάθε κράτος θα τόνωνε τις προσπάθειες για αύξηση της εκμετάλλευσης του διαθέσιμου δυναμικού βελτίωση της συμβολής στη μείωση του CO2 ανάπτυξη των εθνικών βιομηχανιών δημιουργία νέων θέσεων εργασίας Για την επίτευξη του συνολικού στόχου είναι απαραίτητες σημαντικές επενδύσεις Από

την αύξηση της χρήσης των ΑΠΕ αναμένονται σημαντικά οικονομικά οφέλη και διαγράφονται σημαντικές εξαγωγικές διέξοδοι λόγω της δυνατότητας της ΕΕ να προμηθεύσει εξοπλισμό και τεχνικοοικονομικές υπηρεσίες Αναμένεται επίσης να δημιουργηθούν 500000 έως 900000 θέσεις εργασίας να εξοικονομούνται από το 2010 3 δισεκατομμύρια euro ετησίως από τις δαπάνες για

συμβατικά καύσιμα να μειωθούν οι εισαγωγές καυσίμων κατά 174 να μειωθούν οι εκπομπές CO2 κατά 402 εκατομμύρια τόνους ετησίως το 2010 Στόχος του σχεδίου δράσης της ΕΕ είναι να δοθούν στις ΑΠΕ ισότιμες δυνατότητες στις

αγορές χωρίς υπερβολικούς οικονομικούς περιορισμούς Για το σκοπό αυτό τέθηκαν οι εξής προτεραιότητες η χωρίς διακρίσεις πρόσβαση στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας φορολογικά και οικονομικά μέτρα νέες πρωτοβουλίες στον τομέα της βιοενέργειας για τις μεταφορές την παραγωγή

θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας και ιδίως ειδικά μέτρα για την αύξηση του μεριδίου αγοράς των βιοκαυσίμων (πχ στο 2 του ενεργειακού περιεχομένου από το τέλος του 2005) για την προώθηση του βιοαερίου και για την ανάπτυξη των αγορών στερεής βιομάζας

διείσδυση των ΑΠΕ (όπως η παθητική ηλιακή ενέργεια) στον κατασκευαστικό κλάδο τόσο για την ανακαίνιση κτηρίων όσο και για τον εξοπλισμό νέων κτηρίων


Η εκστρατεία για την ουσιαστική διείσδυση των ΑΠΕ στην ΕΕ εστιάζεται συνοπτικά στις δράσεις που παρουσιάζονται στον Πίνακα 711 μαζί με το τι έχει επιτευχθεί μέχρι τώρα (2005)

Πάντως η περαιτέρω διείσδυση και η γενίκευση της χρήσεως των ΑΠΕ αντιμετωπίζουν τα ακόλουθα εμπόδια το επενδυτικό κόστος είναι υψηλό και ο χρόνος απόσβεσης μακρύς οι διάφοροι συντελεστές που εμπλέκονται στη λήψη των σχετικών με τις ΑΠΕ

αποφάσεων υποτιμούν τις δυνατότητές τους είναι έκδηλη μία συμπεριφορά γενικής αντίστασης σε κάθε μεταβολή παραμένουν μέχρι στιγμής ανεπίλυτα ορισμένα τεχνικά και οικονομικά προβλήματα

συνδέσεως με τα κεντρικά δίκτυα διανομής ηλεκτρικού ρεύματος υπάρχουν δυσκολίες που συνδέονται με τις εποχιακές διακυμάνσεις ορισμένων τύπων

ενεργείας (αιολική και ηλιακή αλλά και υδραυλικής) ορισμένοι τύποι ενέργειας (τα βιοκαύσιμα) απαιτούν κατάλληλη υποδομή

Με το Πρωτόκολλο του Κιότο η ΕΕ είναι υποχρεωμένη να μειώσει τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου κατά 8 την περίοδο 2008-2012 συγκρινόμενες με τα επίπεδα εκπομπών του 1990 Για την επίτευξη αυτού του στόχου βραχυπρόθεσμα απαιτείται μεγάλη προσπάθεια για την αξιοποίηση των τεχνολογιών που βρίσκονται σήμερα υπό ανάπτυξη Για τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής ξοδεύονται περίπου 2 δισεκατομμύρια Ευρώ σε παγκόσμιο επίπεδο από τα οποία τα 500 εκατομμύρια ξοδεύει η ΕΕ και τα 900 οι ΗΠΑ Οι υπάρχουσες τεχνολογίες για τη αειφόρο ανάπτυξη της ΕΕ είναι

ndash οι ΑΠΕ η εξοικονόμηση ενέργειας και η ενεργειακή απόδοση (ιδιαίτερα στο αστικό περιβάλλον) καθώς και τα laquoκαθαράraquo μεταφορικά μέσα με την ανάπτυξη καινοτόμων ιδεών για το αυτοκίνητο και την ανάπτυξη των βιοκαυσίμων

Μακροπρόθεσμα οι δραστηριότητες θα πρέπει να εστιαστούν σε ndash στοιχεία καυσίμων για μόνιμες εφαρμογές και στον μεταφορικό τομέα ndash τεχνολογία υδρογόνου ndash νέα ΦΒ ή ηλεκτροχημικά στοιχεία και προηγμένες χρήσεις της βιομάζας

711 Ανάπτυξη των ΑΠΕ στην ΕΕ - Προοπτικές

Παρακάτω επιχειρείται συνοπτική επισκόπηση της ωριμότητας των διαφόρων τεχνολογιών ΑΠΕ στην ΕΕ

Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια στη Ευρώπη έχει αναπτυχθεί σημαντικά τα τελευταία 15 χρόνια και είναι διαθέσιμη εμπορικά σε ενδιάμεσες και μεγάλες δυναμικότητες (200-4000 kW) Ορισμένα τεχνολογικά προβλήματα χρειάζονται περαιτέρω ανάπτυξη και απαιτείται μείωση του κόστους ορισμένων τμημάτων όπως του δρομέα και των γεννητριών μεταβλητής ταχύτητας Ακόμη απαιτούνται να λυθούν προβλήματα ενσωμάτωσης της αιολικής ενέργειας στο δίκτυο (βλ πρόβλημα στα ελληνικά νησιά)

Φωτοβολταϊκά Η χρήση ΦΒ στοιχείων σε απομονωμένες περιοχές είναι πια καθιερωμένη τεχνολογία και η ΦΒ τεχνολογία είναι ανταγωνίσιμη με άλλες ενεργειακές πηγές για περιοχές που δεν εξυπηρετούνται από το ηλεκτρικό δίκτυο Το κόστος των ΦΒ στοιχείων συνεχίζει να μειώνεται όπως και το κόστος των παρελκομένων


Πίνακας 102 Στόχοι της Λευκής Βίβλου για το 2010 και επίπεδο υλοποίησης ενδιάμεσων στόχων

Στόχοι της Λευκής Βίβλου Στόχοι του προγράμματος μέχρι το 2003

Υλοποίηση το 2005

Εγκατάσταση 3000000 ΦΒ συστημάτων ή 3000 MWp


Μέχρι το 2005 είχαν εγκατασταθεί 1793 MWp

100 εκατομμύρια m2 ηλιακοί συλλέκτες


Περίπου 152 εκατ m2 είχαν εγκατασταθεί μέχρι το 2004

40000 MW από μεγάλα αιολικά πάρκα


405 GW έχουν ήδη εγκατασταθεί μέχρι τέλους 2005

Βιοαέριο με ενεργειακό περιεχόμενο 15 εκατ ΤΙΠ

Το 2004 παρήχθησαν 41 εκατ ΤΙΠ σε βιοαέριο

Υγρά βιοκαύσιμα με ενέργειακό περιεχόμενο 18 εκατομ ΤΙΠ

Ο στόχος ισοδυναμεί με 5 MΤΙΠ

Η παραγωγή το 2004 έφτασε τα ~3 εκατομ ΤΙΠ

Ξυλεία ndash βιομάζα 100 εκατομ ΤΙΠ

Η παραγωγή το 2004 έφτασε τα 555 εκατομ ΤΙΠ

Γεωθερμία-ηλεκρισμός 1000 MWe

To 2005 822 MWe

Γεωθερμία-θερμότητα 5000 MWt

To 2005 5200 MWt

Ενσωμάτωση σε πειραματική βάση των ΑΠΕ σε 100 κοινότητες περιφέρειες αστικές περιοχές και νησιά

Μέχρι το 2005 ~25 από τους στόχους της Λευκής Βίβλου για το 2010

Ηλιακά Θερμικά (θερμότητα) Η ηλιακή θερμική τεχνολογία για θερμό νερό και πισίνες

είναι ώριμη και εμπορικά διαθέσιμη σε όλη την Ευρώπη (ιδιαίτερα σε Ελλάδα Αυστρία Γερμανία) Τα κυριότερα προβλήματα είναι η δημιουργία προδιαγραφών των προϊόντων σχήματα επιχορήγησης και φορολογικών απαλλαγών καθώς και η επίδειξη μεγάλων εφαρμογών (πχ τηλεθέρμανση βιομηχανική χρήση)

Ηλιακά Θερμικά (ηλεκτρισμός) Δύο μεγάλα επιδεικτικά έργα στην Καλιφόρνια (αλλά και μικρότερα στην Ιαπωνία και Ευρώπη) τα τελευταία 20 χρόνια έχουν λειτουργήσει με επιτυχία αν και το κόστος ακόμη της ενέργειας είναι υψηλό λόγω του υψηλού κόστους λειτουργίας και συντήρησης

Βιομάζα-Ηλεκτρική Ενέργεια Μεγάλης κλίμακας παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος (ή συμπαραγωγής) από βιομάζα μπορεί να επιτευχθεί με διαφορετικά βιοκαύσιμα και διαφορετική τεχνολογική προσέγγιση Το φάσμα ωριμότητας των διάφορων τεχνολογιών ποικίλλει αρκετά Υπάρχει ήδη αγορά για συμβατικά συστήματα και για συμπαραγωγή που χρησιμοποιούν καύση βιομάζας Αντιθέτως απαιτείται αρκετή προσπάθεια ακόμη στις τεχνολογίες αεριοποίησης και πυρόλυσης Επίσης κάποια θέματα προετοιμασίας και εφοδιασμού βιοκαυσίμων (πχ ορισμένων ενεργειακών φυτειών) απαιτούν περαιτέρω έρευνα


Βιομάζα-Θερμότητα Η χρήση βιομάζας (κυρίως ξυλείας) σε μικρή κλίμακα για θέρμανση οικιών είναι εμπορικά περισσότερο ώριμη από ότι για χρήση σε μεγάλης κλίμακας τηλεθέρμανση Βέβαια η μεμονωμένη οικιακή θέρμανση είναι μια διεργασία με μικρή απόδοση και με περισσότερες εκπομπές στο περιβάλλον και αναμένεται να περιοριστεί στο μέλλον με τη διείσδυση του φυσικού αερίου Συγχρόνως αναμένεται να αυξηθούν τα συστήματα μεγάλης κλίμακας για τηλεθέρμανση και βιομηχανική χρήση Επιπλέον εργασία απαιτείται στην αλυσίδα παραγωγής και εφοδιασμού των μονάδων με βιοκαύσιμα

Καύση οικιακών απορριμμάτων Οι τεχνολογίες καύσης των οικιακών απορριμμάτων βασίζονται στα συμβατικά συστήματα καύσης και είναι αρκετά καθιερωμένες Το κυριότερο πρόβλημα των μονάδων σχετίζεται με τις εκπομπές ορισμένων ρύπων στο περιβάλλον

Υγρά βιοκαύσιμα Η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων (βιοντίζελ και βιοαιθανόλης) περιλαμβάνει γνωστές βιομηχανικές διεργασίες αν και απαιτείται συστηματική έρευνα για βελτίωση των φυτειών και των διεργασιών ώστε να μειωθεί το τελικό κόστος

Αέριο χωματερών αυτή τη στιγμή υπάρχει καθιερωμένη τεχνολογία για παραγωγή ηλεκτρισμού από το μεθάνιο που παράγεται στις χωματερές Η περιβαλλοντική νομοθεσία σήμερα κάνει υποχρεωτική τη δέσμευση του μεθανίου από τις χωματερές

Αναερόβια χώνευση (ΑΧ) των αγροτικών υπολειμμάτων Η ΑΧ χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα για την επεξεργασία της λάσπης των λυμάτων και υπάρχει δεδομένη τεχνολογία Σε αντίθεση η χρήση ΑΧ σε αγροτικά παραπροϊόντα και υπολείμματα αγροτικών δραστηριοτήτων είναι πολύ περιορισμένη (στη Ευρώπη δεν υπάρχουν μονάδες) κυρίως λόγω του υψηλού κόστους

Γεωθερμική Ενέργεια Οι τεχνολογίες για παραγωγή θερμότητας με νερά από 40oC μέχρι 150oC είναι πλέον καθιερωμένες και διαθέσιμες εμπορικά για θέρμανση χώρων λουτροθεραπεία και υδατοκαλλιέργειες Στο μέλλον έμφαση θα πρέπει να δοθεί στην αποδοχή των βέλτιστων πρακτικών Αναφορικά με τα ρευστά υψηλής ενθαλπίας (gt150oC) για παραγωγή ηλεκτρισμού θα πρέπει να λυθούν προβλήματα διάβρωσης και σχηματισμού επικαθίσεων καθώς και προβλήματα διαχείρισης των γεωθερμικών ταμιευτήρων Η τεχνολογία των Ξηρών Θερμών Πετρωμάτων βρίσκεται ακόμη σε νηπιακό στάδιο Τέλος σημειώνεται σημαντική ανάπτυξη της ομαλής γεωθερμίας μεγαλύτερης από ότι αναμενόταν

Μικρά υδροηλεκτρικά Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι καθιερωμένη εδώ και χρόνια σε παγκόσμιο επίπεδο Πάντως στα μικρά υδροηλεκτρικά υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης των υδροστροβίλων των υλικών κατασκευής και δημιουργίας φθηνών συμπαγών συστημάτων για τις αναπτυσσόμενες χώρες

Κύματα Η τεχνολογία αξιοποίησης των κυμάτων είναι ακόμη σε στάδιο ανάπτυξης και δεν είναι έτοιμη για εμπορική αξιοποίηση Τα πλέον προχωρημένα συστήματα είναι αυτά που βρίσκονται κοντά σε παραλίες όπως το TAPCHAN και το OSPREY Κύριος στόχος αυτών των μονάδων είναι να αποδείξουν τη δυνατότητα λειτουργίας τους σε πραγματικές συνθήκες Υπάρχουν αρκετά σχέδια για μονάδες μέσα στη θάλασσα αλλά βρίσκονται ακόμη σε αρχικό ερευνητικό στάδιο

Παλιρροϊκά Κύματα Η τεχνολογία των φραγμάτων των παλιρροϊκών κυμάτων είναι εύκολα κατανοητή αλλά η μοναδική μονάδα που λειτουργεί στην Ευρώπη είναι η μονάδα 240 MW στο La Rance της Γαλλίας Το κύρια εμπόδια για την ανάπτυξη αυτής της ώριμης τεχνολογίας είναι το υψηλό κόστος κεφαλαίου και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην περιοχή από την κατασκευή του laquoφράγματοςraquo Αναφορικά με την αξιοποίηση των παλιρροϊκών ρευμάτων αυτή βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο


712 Ανταγωνιστικό κόστος των ΑΠΕ

Οι επενδύσεις σε ΑΠΕ έχουν συνήθως υψηλό πάγιο κόστος (αν και τα λειτουργικά έξοδα των μονάδων ΑΠΕ είναι μικρά) και το γεγονός αυτό επηρεάζει αρνητικά την αγορά Αν και το κόστος των ΑΠΕ έχει μειωθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια όταν συγκρίνονται με τις συμβατικές επενδύσεις της αγοράς εμφανίζονται μη ανταγωνιστικές Η προοπτική μείωσης ακόμη περισσότερο του κόστους των ΑΠΕ ποικίλλει από το είδος της ενεργειακής πηγής και της τεχνολογίας Τα Σχήματα 102 και 103 δείχνουν το κόστος ανά kWh θερμότητας και ηλεκτρισμού που παράγονται από ορισμένες ΑΠΕ όπου φαίνεται και η τάση μείωσης της τιμής με το χρόνο Πάντως πρέπει να προστεθεί ότι στα συμβατικά ενεργειακά συστήματα δεν λαμβάνεται συνήθως από τους επενδυτές το laquoεξωτερικόraquo κόστος δηλαδή το κόστος της ρύπανσης του περιβάλλοντος

eurokWh thermal (1990)

Σχήμα 79 Κόστος θερμότητας που παράγεται από ορισμένες ΑΠΕ


eurokWh (1990)

Σχήμα 710 Κόστος του ηλεκτρισμού που παράγεται από ΑΠΕ

Παλίρροιες

Κύματα

Μικρά ΥΗ

Γεωθερμία

Βιοαέριο χωματερών

Αναερόβια χώνευση

Καύση οικ απορριμμάτων

Βιομάζα

Ηλιακάθερμικά Ηλεκτρισμός

ΦΒ

Αιολικά


8 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

81 Εισαγωγή

Όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 1 ο ήλιος αποτελεί την απόλυτη πηγή ενέργειας για τους περισσότερους ανανεώσιμους ενεργειακούς πόρους Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξεταστούν συνοπτικά οι διάφορες μέθοδοι και τεχνολογίες αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας Για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας αποτελεί προϋπόθεση κάθε φορά η κατανόηση του τοπικού κλίματος Στην ηλιακή ενέργεια περιλαμβάνεται και ο φυσικός φωτισμός

Ηλιακή ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρεται στη γη από τον ήλιο Υπάρχει άμεση ηλιακή ενέργεια και έμμεση με τη μορφή της βιομάζας των ανέμων της θερμότητας των ωκεανών κτλ Η ενέργεια του ήλιου οφείλεται στις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης που γίνονται στη μάζα του ήλιου μετατρέποντας το υδρογόνο σε ήλιο με ρυθμό 4 εκατ τόνους το δευτερόλεπτο Η ανώτερη ατμόσφαιρα της γης δέχεται ετησίως περίπου 15x1018 kWh ηλιακής ακτινοβολίας ενέργεια που είναι μεγαλύτερη κατά 23000 φορές από την ενέργεια που καταναλίσκει όλος ο πλανήτης Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια της γης είναι μειωμένη κατά 60 περίπου αλλά δεν παύει να είναι μια τεράστια ποσότητα ενέργειας Η επιφάνεια της γης δέχεται άμεση και έμμεση ακτινοβολία (από σύννεφα σκόνη κτλ) η οποία για την Ευρώπη αντιπροσωπεύει το 50 περίπου της συνολικής ακτινοβολίας

Τα κυριότερα προβλήματα για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας αφορούν στη χρονική διακύμανση της ακτινοβολίας (καρά τη διάρκεια της ημέρας και του έτους) κάτι που κάνει απαραίτητη προϋπόθεση την ύπαρξη αξιόπιστων και αποδοτικών μεθόδων αποθήκευσης της ενέργειας αυτής και στη μικρή ενεργειακή της πυκνότητα που κάνει αναγκαία τη δέσμευση μεγάλων επιφανειών

Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας με διαφόρους τρόπους χάνεται στα βάθη της ιστορίας Είναι γνωστή η παράδοση της καταστροφής του ρωμαϊκού στόλου από τα κάτοπτρα του Αρχιμήδη το 212 πΧ (Σχήμα 81) Το 18ο αιώνα ο Lavoisier τελειοποίησε τον ηλιακό φούρνο (φθάνοντας τους 1780ordmC) Επίσης πιστεύεται ότι τον πρώτο ηλιακό συλλέκτη κατασκεύασε το 1767 ο Ελβετός Horace de Saussure

82 Ηλιακή Ακτινοβολία Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στο διάστημα καλείται Ηλιακή Σταθερά (solar

constant) και ισούται με 1367plusmn6 Wm2 Η ακτινοβολία αυτή απαρτίζεται από ~9 υπεριώδη ακτινοβολία (λlt04 μm) ~45 στο ορατό φάσμα (04leλle07 μm) και 46 στο υπέρυθρο (λgt07 μm) Η κατανομή των ακτινοβολιών διαφορετικού μήκους κύματος που εκπέμπει ο ήλιος καθορίζεται από τη θερμοκρασία του όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 82 Το μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας κυμαίνεται από 2x10-7 μέχρι 4x10-6 m Όσο μικρότερο το μήκος κύματος τόσο μεγαλύτερη η συχνότητα και η ενέργεια (ως eV)


Σχήμα 81 Τοιχογραφία με τον ηλιακό καθρέπτη του Αρχιμήδη του Giulio Parigi (1571-1635)

Galleria degli Uffizi Φλωρεντία

Σχήμα 82 Το φάσμα της ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στην εκπομπή μέλανος σώματος θερμοκρασίας 6000 Κ (εξωτερική συνεχής γραμμή) Επίσης παρουσιάζεται η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας που αντιστοιχεί για Μάζα Αέρα 0 (όταν η ακτινοβολία πέφτει κάθετα έξω από την ατμόσφαιρα) και 15 (όταν η ακτινοβολία πέφτει με γωνία 48ordm στην επιφάνεια της γης)

Πηγή Boyle 2004

Μόνο μια απειροελάχιστη ποσότητα της ενέργειας κατακρατείται στη γη (μέσω της διεργασίας της φωτοσύνθεσης από την οποία προήλθαν τα ορυκτά καύσιμα) και πρακτικά ότι ενέργεια εισέρχεται τόση εξέρχεται Το ενεργειακό ισοζύγιο στην ατμόσφαιρα (μεταξύ της μέσης ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει η γη ή απορροφιέται από το σύστημα γη-ατμόσφαιρα και της μέσης ακτινοβολίας που εκπέμπεται πίσω στο διάστημα) παρουσιάζεται στο Σχήμα 83 Τα κυριότερα στοιχεία του διαγράμματος είναι


Η ηλιακή ακτινοβολία χαμηλού μήκους κύματος προσεγγίζει στο ανώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας Τα σύννεφα αντανακλούν το 17 της ακτινοβολίας πίσω στο διάστημα Εάν αναπτυχθούν περισσότερα σύννεφα ως αποτέλεσμα της κλιματικής αλλαγής (όπως προβλέπουν ορισμένοι επιστήμονες) τότε θα αυξηθεί η ακτινοβολία που αντανακλάται και θα μειωθεί η ακτινοβολία που φτάνει στη γη Το 8 της ακτινοβολίας σκεδάζεται προς τα πίσω από τα μόρια του αέρα Το 6 αντανακλάται από την επιφάνεια της γης πίσω στο διάστημα Έτσι η συνολική ανακλασιμότητα (reflectivity το ποσοστό που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα) της γης είναι 31 Αυτό είναι γνωστό με τον τεχνικό όρο Albedo (λευκαύγεια) Σημειώνεται ότι από την περίοδο των παγετώνων η λευκαύγεια της γης αυξάνει καθώς περισσότερη επιφάνεια της γης είναι διαθέσιμη για ανάκλαση της ακτινοβολίας Αυτό βεβαίως καθιστά εντονότερο το πρόβλημα της παγκόσμιας θέρμανσης

Διάστημα

Ατμόσφαιρα

Ωκεανός Ξηρά

Απορρόφησηαπό ατμό

σκόνη και Ο3

Απορρόφησηαπό σύννεφα

Απορρόφηση

Ανάκλαση απόεπιφάνεια

Ανάκλαση απότα σύννεφα

Σκέδαση απότον αέρα

Εισερχόμενηηλιακή

ακτινοβολία

Εξερχόμενη ακτινοβολία

Μικρού μήκουςκύματος

Μεγάλου μήκουςκύματος

Ροή αισθητήςθερμότητας

Ροήλανθάνουσαςθερμότητας

Απορρόφησηαπό σύννεφαατμό CO2 Ο3

Εκπομπή απότα σύννεφα

Καθαρήεκπομπήαπό ατμόCO2 Ο3

100

19

4

8 617 9

6

2040

715 2446

Καθαρήακτινοβολία

μακρών κυμάτων

Σχήμα 83 Το ισοζύγιο της ηλιακής ενέργειας στη γη

Το υπόλοιπο 69 της προσπίπτουσας ακτινοβολίας απορροφιέται από τη γη την

ατμόσφαιρα και τα σύννεφα με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας και την εξάτμιση νερού από ωκεανούς λίμνες ποταμούς Το 19 απορροφιέται κατευθείαν από τη σκόνη το όζον και τους υδρατμούς στη στρατόσφαιρα Το στρώμα αυτό της ατμόσφαιρας θερμαίνεται από την απορροφούμενη ακτινοβολία Η απώλεια του στρατοσφαιρικού όζοντος προκαλεί ψύξη της στρατόσφαιρας με το χρόνο Το 4 απορροφιέται από τα σύννεφα που βρίσκονται στην τροπόσφαιρα στο κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας Το υπόλοιπο 46 του φωτός που προσπίπτει στην εξωτερική επιφάνεια της ατμόσφαιρας φτάνει στη γη

Η γη και η ατμόσφαιρα χάνουν θερμότητα στο διάστημα μόνο με ακτινοβολία (μακρού μήκους κύματος) και αυτή η ακτινοβολία ισούται με το 69 της ηλιακής ακτινοβολίας που δεν ανακλάται ή σκεδάζεται


Πόση ποσότητα ενέργειας από το ήλιος φτάνει κατά μέσο όρο στην επιφάνεια της γης Προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στο έδαφος Μέση τιμή για όλη της γη = 164 W ανά m2 για 24 ώρες Για 8 ώρες ημέρας το καλοκαίρι 40 γεωγραφικό πλάτος= 600 W m2

Έτσι για περίοδο 8 ωρών λαμβάνεται η ενέργεια 8 ώρες x 600 W ανά m2 = 4800 Wh ανά m2 (48 kWh ανά m2) Η ποσότητα αυτή είναι ισοδύναμη περίπου με μισό λίτρο βενζίνης Για 100 τετραγωνικά μέτρα (τυπική επιφάνεια στέγης) ισοδυναμεί με 50 λίτρα βενζίνης ή

480 kWh Βέβαια για να μετατραπεί αυτή η ενέργεια σε χρήσιμη ενέργεια απαιτείται η μετατροπή της

ηλιακής ενέργειας σε κάποια άλλη μορφή (θερμότητα ηλεκτρισμός) με κάποιον συντελεστή απόδοσης

Η Ελλάδα είναι σχετικά ευνοημένη σε σχέση με την ηλιακή ενέργεια η οποία μπορεί να

υποκαταστήσει ένα σημαντικό ποσοστό των αναγκών σε ενέργεια Η μέση ημερήσια ενέργεια που παρέχεται από τον ήλιο στην Ελλάδα (ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας) υπερβαίνει σε ορισμένα μέρη και τα 1650 kWhm2 Στο χάρτη του Σχήματος 84 παρουσιάζεται η κατανομή της μέσης ετήσιας έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στη χώρα μας Από την άλλη μεριά η Βόρεια Ευρώπη δέχεται περίπου 1650 kWhm2 σε ετήσια βάση

Η ένταση (και το φάσμα) της ηλιακής ακτινοβολίας κυμαίνεται σημαντικά και εξαρτάται από την εποχή (πχ για την Ελλάδα η μέση τιμή είναι 7 kWhm2 ανά ημέρα το καλοκαίρι και μόλις 2 kWhm2 ανά ημέρα το χειμώνα) τη γεωγραφική θέση και υψόμετρο (αυξάνει ~7 Wm2 ανά 100 m) Τα Σχήματα 85 και 86 παρουσιάζουν παραδείγματα διακύμανσης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας ανάλογα με την εποχή και τις κλιματικές συνθήκες μιας ημέρας αντίστοιχα

83 Αξιοποίηση της Ηλιακής Ενέργειας

Η ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας και τεχνολογίας αποσκοπεί στην εύρεση των βέλτιστων μεθόδων για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και στην ανάπτυξη συστημάτων που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική

Οι κυριότερες τεχνολογίες για την αξιοποίηση της άμεσης ηλιακής ενέργειας είναι (α) Παθητικά συστήματα θέρμανσης-δροσισμού Ουσιαστικά εννοείται ο σχεδιασμός του

κτιρίου και η επιλογή των υλικών για την όσο το δυνατόν μικρότερη ενεργειακή κατανάλωση

(β) Μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα Τεχνολογίες για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος παραγωγής αφαλατωμένου νερού θέρμανσης χώρων και νερού και μαγείρεμα Χρησιμοποιούνται ηλιακοί συλλέκτες συγκεντρωτικοί και μη συγκεντρωτικοί

(γ) Φωτοηλεκτρικές μέθοδοι Περιλαμβάνουν το φωτοβολταϊκό το θερμοηλεκτρικό και το θερμιονικό φαινόμενο με σημαντικότερο το πρώτο

(δ) Φωτοκαταλυτικές Μέθοδοι Φωτοκατάλυση (παραγωγή υδρογόνου) φωτοηλεκτρο-χημική μέθοδος


Σχήμα 84 Κατανομή της μέσης συνολικής ετήσιας έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο στις διάφορες περιοχές της Ελλάδας (Καγκαράκης 1992)

Συχνά στη βιβλιογραφία και σε αντιδιαστολή με τα παθητικά συστήματα αναφέρονται και τα λεγόμενα laquoενεργητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης ή δροσισμούraquo Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν μηχανικά μέσα για τη θέρμανση ή το δροσισμό των κτηρίων αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια ή τις φυσικές δεξαμενές ψύξης Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι ηλιακοί συλλέκτες θέρμανσης ή παροχής ζεστού νερού χρήσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κά

84 Παθητικά Ηλιακά Συστήματα

Σκοπός των παθητικών ηλιακών συστημάτων (ΠΗΣ) είναι η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης στον κτιριακό τομέα αναφορικά με τη θέρμανση ψύξη και φωτισμό Χρησιμοποιούν το ίδιο το κτίριο (υλικά σχεδιασμός) σε συνδυασμό με την ηλιακή ενέργεια ως ένα σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας Ορισμένες αρχές των παθητικών ηλιακών συστημάτων ήταν γνωστές από την αρχαιότητα στους περισσότερους λαούς και


χρησιμοποιούνταν για αιώνες (Σχήμα 88) η αστικοποίηση όμως και ή έλλειψη γης ανέκοψαν την εφαρμογή τους Οι βασικές κατηγορίες των ΠΗΣ είναι α) τα άμεσου ηλιακού κέρδους όπως τα νότια ανοίγματα β) τα έμμεσου ηλιακού κέρδους όπως ο ηλιακός χώρος - θερμοκήπιο το ηλιακό αίθριο ο ηλιακός τοίχος το θερμοσιφωνικό πέτασμα (παραδείγματα παρουσιάζονται στα Σχήματα 89 και 810) και γ) τα συστήματα δροσισμού όπως τα σκίαστρα η ηλιακή καμινάδα η υδάτινη οροφή και συστήματα αερισμού

Σχήμα 85 Παράδειγμα διακύμανσης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στις γεωγρα-

φικές εποχικές και κλιματικές συνθήκες

Σχήμα 86 Παράδειγμα διακύμανσης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στη διάρκεια των φωτεινών ωρών μιας ημέρας με μερική

νέφωση

Σχήμα 87 Η εξάρτηση της κλίμακας μάζας αέρα (ΑΜ) από τη θέση του ήλιου (α) απλουστευμένη απεικόνιση (β) η πραγματική διαμόρφωση της γήινης ατμόσφαιρας

H πρώτη αναφορά στη χρήση της ηλιακής ενέργειας έγινε τον 4ο πΧ αιώνα στην Αρχαία Ελλάδα πιθανόν ως αποτέλεσμα της έλλειψης καύσιμης ξυλείας Οι βασικές αρχές του σχεδιασμού των παθητικών συστημάτων (που παρέμειναν αναλλοίωτες μέχρι τα πρόσφατα χρόνια) ήταν

1) Τα κύρια δωμάτια πρέπει να βλέπουν στον νότο 2) Το βόρειο τμήμα του κτηρίου πρέπει να προστατεύεται από τους ψυχρούς βόρειους

ανέμους 3) Η προσθήκη γείσων στα παράθυρα που βλέπουν στο νότο προσφέρει σκιά κατά τους

θερινούς μήνες


Σχήμα 88 Τα σπίτια στην Αρχαία Ελλάδα παρουσιάζουν αρκετές αρχές των ηλιακών συστημάτων προσανατολισμό του κτηρίου στον άξονα ανατολή-δύση παράθυρα στη νότια πλευρά (για να λαμβάνουν το φως και τη θερμότητα από τον ήλιο το χειμώνα) χοντροί τοίχοι στη βόρεια πλευρά Αναπαράσταση σπιτιού από το βιβλίο των Ken Butti and John Perlin lsquoA Golden Threadrsquo 1980 Cheshire Books Palo Alto CA

Σχήμα 89 Δημιουργία θερμοκηπίου στην νότια πλευρά του σπιτιού Ο θερμός αέρας μεταφέρει θερμότητα στο σπίτι η οποία μπορεί να αποθηκευτεί στους τοίχους και ιδιαίτερα στον τοίχο δίπλα

στο θερμοκήπιο

Σχήμα 810 Ο τοίχος του Trombe (Νότια Γαλλία αρχές δεκαετία του 50 από το όνομα του εφευρέτη του Felix Trombe) Το θερμοκήπιο αντικαθίσταται από χώρο αέρα πίσω από ένα

θερμοσυσσωρευόμενο τοίχο Ο ήλιος θερμαίνει τον τοίχο ο τοίχος ακτινοβολεί και ο θερμός αέρας διοχετεύεται στο σπίτι Στις κρύες νύχτες η φυσική κυκλοφορία του αέρα

απομονώνεται


85 Μετατροπή της Ηλιακής Ακτινοβολίας σε Θερμότητα

Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα (και ακολούθως σε χρήσιμο έργο) με τη βοήθεια διαφόρων τύπων συλλεκτών Η παραγόμενη θερμότητα αξιοποιείται για Παραγωγή θερμού νερού Θέρμανση χώρων ndash τηλεθέρμανση θέρμανση κολυμβητηρίων Χρήση στη χημική βιομηχανία Χρήση σε αγροτικές διεργασίες (πχ ξήρανση δημητριακών) Αφαλάτωση νερού Μαγείρεμα Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος Το σύστημα του συλλέκτη αποτελείται από το τμήμα εστίασης και το δέκτη Η εστίαση

της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται με συστήματα κατόπτρων και φακών Η ακτινοβολία μπορεί να εστιάζεται σε έναν οριζόντιο αγωγό (δέκτη) από το οποίο διέρχεται νερό σε ένα μοναδικό σημείο (μικρό δοχείο) όπου υπάρχει νερό ή άλλο ρευστό Για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας του συστήματος συνήθως απαιτείται βοηθητική πηγή ενέργειας (ηλεκτρική ενέργεια πετρέλαιο φυσικό αέριο) και κυρίως αποθήκευση της ενέργειας

851 Ηλιακοί συλλέκτες - Θερμοσίφωνες

Το 25 περίπου της οικιακής κατανάλωσης σε ενέργεια οφείλεται στην ανάγκη για θερμό νερό Αυτό το ενεργειακό μερίδιο μπορεί να καλυφθεί σε σημαντικό βαθμό σε χώρες σαν την Ελλάδα με τη χρήση ηλιακών θερμοσιφώνων (ο κοινότερος τύπος οικιακών ηλιακών συλλεκτών) οι οποίοι ουσιαστικά αξιοποιούν κατά κάποιο τρόπο το φαινόμενο του θερμοκηπίου όπως φαίνεται και στο Σχήμα 811 Το νερό μέσα στον ηλιακό θερμοσίφωνα μπορεί να φτάσει τους 75ordmC

Ένα τυπικό ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού αποτελείται από μια επίπεδη απορροφητική μεταλλική πλάκα (absorber plate) που περιέχει σειρά αγωγών (συνήθως από χαλκό) μέσα από τους οποίους περνά το προς θέρμανση νερό (Σχήμα 812) Η μεταλλική πλάκα περιέχεται μέσα σε ένα αεροστεγές και αδιάβροχο πλαίσιο καλυμμένο από τη μια μεριά συνήθως από γυαλί ή από διάφανο ανθεκτικό πλαστικό Η απορροφητική επιφάνεια είναι μαύρη και ματ για να απορροφά το μεγαλύτερο δυνατό ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Η σχεδίαση των ηλιακών συλλεκτών γίνεται ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή

Απορροφητικές πλάκες θα πρέπει να απορροφούν το μέγιστο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (να έχουν μεγάλη ειδική απορροφητικότητα) και να εκπέμπουν ελάχιστη υπέρυθρη ακτινοβολία

Μέθοδοι κάλυψης της απορροφητικής πλάκας με χημικό τρόπο (σπρέι) γαλβανιζέ (μαύρο χρώμιο) εναπόθεση με εξάτμιση κάλυψη με οξείδια

Αγωγοί νερού ή άλλου υγρού υπάρχουν διάφορα σχήματα αγωγών νερού όπως φαίνεται και στο Σχήμα 813

Δοχεία αποθήκευσης θερμού νερού (1) κλειστό δοχείο τοποθετημένο ψηλότερα από το συλλέκτη ώστε το νερό να κυκλοφορεί με φυσική συναγωγή (θερμοσίφωνας) (2) κλειστό δοχείο τοποθετημένο χαμηλότερα από το συλλέκτη με το νερό να κυκλοφορεί με τη βοήθεια αντλίας (3) επίπεδο δοχείο κάτω από τα κεραμίδια


Σχήμα 811 Η βασική αρχή του ηλιακού θερμοσίφωνα

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα ηλιακού θερμοσίφωνα

Μηχανισμοί απωλειών Θερμότητας σε ηλιακούς συλλέκτες Κάθε σώμα και επομένως οποιοσδήποτε ηλιακός συλλέκτης τείνει να έρθει σε

ισορροπία με το περιβάλλον με τις θερμικές διεργασίες της αγωγής (conduction) συναγωγής (convection) και ακτινοβολίας (radiation)

Αγωγή Μεταφέρεται η θερμότητα από μόριο σε μόριο που βρίσκoνται σε επαφή Ο ρυθμός

μεταφοράς θερμότητας με αγωγή είναι ανάλογος με τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού και τη διαφορά θερμοκρασίας μέσα στο σώμα Στους ηλιακούς συλλέκτες η μόνωση επιτυγχάνεται με στρώμα αέρα και σπανιότερα με στρώμα κενού Τελευταία χρησιμοποιούνται διαφανή μονωτικά πλαστικά υλικά με παγιδευμένο αέρα

Συναγωγή Η ενέργεια μεταφέρεται στα μόρια ενός ρευστού το οποίο μετακινείται και μεταφέρει τη

θερμότητα Φυσική συναγωγή θέρμανση διαστολή αέρα ανύψωση αέρα μεταφορά θερμότητας Συμβαίνει στην εξωτερική πλευρά του παραθύρου ανάμεσα στη διπλή υάλωση των

γυαλί

Κρύο νερό Θερμό νερό


παραθύρων και εσωτερικά στο δωμάτιο Μείωση της συναγωγής ανάμεσα στη υάλωση επιτυγχάνεται με τη χρήση βαρύτερου αέρίου από τον αέρα (πχ CO2 Ar)

Εξαναγκασμένη συναγωγή με ανεμιστήρες

Ακτινοβολία Η ποσότητα της ακτινοβολίας είναι ανάλογη της θερμοκρασίας (σε βαθμούς Κ) του

σώματος που ακτινοβολεί και του σώματος που προορίζεται η ακτινοβολία και εξαρτάται από την ποιότητα της επιφάνειας (emissivity συντελεστής εκπομπής)

Σχήμα 813 Σχήματα τοποθέτησης των σωληνώσεων στο συλλέκτη

Γενικά στοιχεία για τους ηλιακούς συλλέκτες

(1) Παραγωγή ζεστού οικιακού νερού Απαιτούνται 1-2 m2 συλλέκτη και 80-100 L αποθη-κευτικός χώρος για κάθε μέλος του σπιτιού (Για σύστημα τηλεθέρμανσης οι παραπάνω απαιτήσεις πέφτουν περίπου στο μισό)

(2) Τηλεθέρμανση Είναι περισσότερο αποδοτικό σύστημα από το να έχει κάθε οικία ξεχωριστά ηλιακό συλλέκτη του οποίου η απόδοση ανεβαίνει αν υπάρχει σχήμα εποχιακής αποθήκευσης της θερμότητας (πχ μεγάλες υπόγειες δεξαμενές αποθήκευση σε ταμιευτήρα για το χειμώνα σε συνδυασμό με αντλίες θερμότητας κα)

(3) Ξήρανση με ηλιακή θερμότητα Ο αέρας θερμαίνεται με διάφορα συστήματα τα οποία εύκολα μπορούν διασυνδεθούν με συστήματα συμβατικών καυσίμων

(4) Θέρμανση ανοικτών πισίνων Πλεονεκτήματα σε αυτήν την περίπτωση θεωρούνται ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι συνήθως διαθέσιμη κατά την κολυμβητική περίοδο (Μάιος-Σεπτέμβριος) ότι η θερμοκρασία που πρέπει να θερμανθεί το νερό είναι σχετικά μικρή 28ordmC (σε αντίθεση με τους 45ordmC που απαιτούνται για θέρμανση χώρων) και ότι δεν


υπάρχει ανάγκη για αποθηκευτικούς χώρους μια που ο μεγάλος όγκος του νερού είναι ο ίδιος χώρος αποθήκευσης θερμότητας Το δίκτυο του θερμού νερού μπορεί να είναι μοναδική διαδρομής του νερού ή με διπλή διαδρομή Προσεγγιστικά για τις περισσότερες χώρες στην Ευρώπη απαιτείται επιφάνεια συλλεκτών περίπου με το ίδιο εμβαδόν με την επιφάνεια της πισίνας ενώ για την Ελλάδα απαιτείται αρκετά μικρότερη επιφάνεια Η εμπειρία έχει δείξει ότι δεν χρησιμοποιείται βοηθητική θέρμανση με την προϋπόθεση ότι η πισίνα σκεπάζεται ύστερα από τη χρήση

(5) Ηλιακοί αποστακτήρες για αφαλάτωση νερού Η άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας στην αφαλάτωση νερού αποτελεί πολλά υποσχόμενη μέθοδο για τη μείωση του λειτουργικού κόστους των μονάδων αφαλάτωσης με απόσταξη ιδιαίτερα σε άνυδρες περιοχές με σημαντική ηλιακή ακτινοβολία Τα συστήματα αυτά έχουν υψηλό κόστος συντήρησης και μεγάλη απαίτηση σε νερό (απαιτούνται 250 m3 νερό για την παραγωγή 1 m3 γλυκού νερού) με αποτέλεσμα να είναι υψηλό το κόστος άντλησης Στην ηλιακή αφαλάτωση (ηλιακός αποστακτήρας) η ηλιακή ακτινοβολία απορροφιέται από μια μαύρη πλάκα που καλύπτεται με αλμυρό ή υφάλμυρο νερό και από ένα διαφανές κάλυμμα Οι ατμοί συμπυκνώνονται στο (ψυχρότερο) κάλυμμα και συλλέγονται με ειδικούς αγωγούς ως φρέσκο νερό Υπάρχουν βεβαία αρκετοί διαφορετικοί σχεδιασμοί ηλιακοί αποστακτήρες (Σχήμα 814) Σε μεγάλη κλίμακα κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά στη Χιλή (1872) με έκταση 4460 m2 Η εγκατάσταση λειτούργησε για 40 χρόνια Μικροί ηλιακοί αποστακτήρες λειτουργούν σε πολλά μέρη στον πλανήτη μας Αλγερία Τυνησία Αυστραλία

(6) Ηλιακοί φούρνοι Υπάρχουν αρκετές διατάξεις για μαγείρεμα με τον ήλιο με την απλούστερη να είναι ένα φορητό μεταλλικό κουτί με την επάνω πλευρά από γυαλί και στο καπάκι έχει προσκολληθεί κατάλληλος(-οι) καθρέπτης(-ες) (Σχήμα 815) Η θερμοκρασία σε έναν τέτοιο φούρνο μπορεί να φτάσει του 200ordmC

Ιστορία και Αγορά των Ηλιακών Συλλεκτών

Ο ηλιακός θερμοσίφωνας όπως τον ξέρουμε σήμερα εφευρέθηκε στα πρώτα χρόνια του 20ου αιώνα από τον WJ Bailey στην Καλιφόρνια (του απονεμήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1907) Περισσότερα από 4000 τέτοια συστήματα πουλήθηκαν στην Καλιφόρνια μέχρι το 1920 εποχή που εισήλθε στην ενεργειακή αγορά το laquoφθηνόraquo και εύχρηστο φυσικό αέριο Αντίστοιχη είναι και η ιστορία τους στην Φλόριντα όπου μέχρι το 1950 είχαν εγκατασταθεί εκεί περισσότεροι από 60000 ηλιακοί θερμοσίφωνες Το ενδιαφέρον για αυτούς τους συλλέκτες επανήλθε στη δεκαετία του 1970 μετά τις δύο ενεργειακές χρήσεις

Η παραγωγή ηλιακών συλλεκτών για θερμό νερό ξεκίνησε και στην Ελλάδα μετά την ενεργειακή κρίση του 1973 και μέχρι το 1980 είχε σημειωθεί σημαντική πρόοδος Η Ελλάδα κατέχει σήμερα την τρίτη θέση στην Ευρωπαϊκή Ένωση (των 27) σε σχέση με τον πληθυσμό της σε εγκαταστάσεις ηλιακών θερμοσιφώνων (με ~320 m21000 κατοίκους για το 2007 ή 3570000 m2 Σχήμα 816) και έχει αναπτυχθεί αξιόλογη εγχώρια τεχνολογία στο θέμα Την πρώτη θέση (στην ΕΕ και τον κόσμο) κατέχει η Κύπρος με 760 m21000 κατοίκους Σημαντικό ποσοστό (γύρω στο 40) από τους ηλιακούς συλλέκτες που κατασκευάζονται στη χώρα μας εξάγονται στο εξωτερικό Ωστόσο η χρήση συλλεκτών στη χώρα μας σε μη οικιακές εφαρμογές είναι ιδιαίτερα περιορισμένη (πχ εγκατάσταση για προθέρμανση νερού διεργασιών στην ΜΕΒΓΑΛ)


Σχήμα 814 Διατάξεις ηλιακής αφαλάτωσης

Σχήμα 815 Ηλιακή κουζίνα

Η πορεία της εγκατάστασης ηλιακών συλλεκτών στην ΕΕ των 27 (συν την Ελβετία)

απεικονίζεται στο Σχήμα 817 Από τα συνολικά 21957000 m2 των συστημάτων τα 8994000 m2 είναι εγκατεστημένα στη Γερμανία τα 3570000 στην Ελλάδα και τα 2892000 m2 στην Αυστρία

Σε παγκόσμια επίπεδο η Κίνα είναι σήμερα είναι η μεγάλη δύναμη στην κατασκευή και εγκατάσταση ηλιακών συλλεκτών Έτσι το 77 της επιφάνειας των συλλεκτών που εγκαταστάθηκαν το 2005 βρίσκεται στην Κίνα το 103 στην Ευρώπη το 1 στην Ιαπωνία το 62 σε Τουρκία και το 1 στο Ισραήλ Η προώθηση των ηλιακών συλλεκτών μπορεί να γίνει μόνο με την ενημέρωση και την ευαισθητοποίηση των πολιτών και την ύπαρξη ισχυρών κινήτρων από το κράτος ή τις εταιρείες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας Επίσης σε ορισμένες χώρες όπως στην Κύπρο και στο Ισραήλ η τοποθέτηση ηλιακού συλλέκτη είναι υποχρεωτική στα καινούρια κτίρια

852 Ηλιακά Θερμικά Ηλεκτρικά Συστήματα (ή Συστήματα υψηλών θερμοκρασιών)

Τα ηλιακά θερμικά συστήματα για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος έχουν ιστορία περισσότερη των 100 ετών και ανάγονται στις προσπάθειες του Γάλλου μαθηματικού Augustin Mouchot στη δεκαετία του 1870 Γενικά απαιτούν τη συγκέντρωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο συλλέκτη Τρία είναι τα κυριότερα θερμικά ηλιακά συστήματα


Σχήμα 816 Επιφάνεια συλλεκτών και εγκατεστημένη ισχύς ανά 1000 κατοίκους στις 25 χώρες της ΕΕ και την Ελβετία (Πηγή European Solar Thermal Industry Federation wwwestiforg

2008)

Σχήμα 817 Η ανάπτυξη των ηλιακών συλλεκτών στην ΕΕ (των 27) κατά τα τελευταία 10 χρόνια(Πηγή European Solar Thermal Industry Federation wwwestiforg 2008)


1) Τα συστήματα παραβολικής laquoσκάφηςraquo (Parabolic Trough) 2) Τα συστήματα παραβολικού laquoπιάτουraquo (Parabolic Dish) 3) Οι κεντρικοί πύργοι (Power Towers)

Γιατί παραβολή Ειδική καμπύλη που περιγράφεται από τη σχέση y = Ax2 + Bx + C

και έχει ένα εστιακό σημείο στο οποίο ανακλάται (εστιάζεται) η ακτινοβολία (Σχήμα 818)

Σχήμα 818 Η χρήση παραβολικών συστημάτων μεγιστοποιεί τον λόγο συγκέντρωσης

1) Συλλέκτες Παραβολικής laquoΣκάφηςraquo

Αποτελεί το απλούστερο σύστημα συγκέντρωσης της ακτινοβολίας είναι η συγκέντρωση κατά μήκος μιας γραμμής ndash στενής λωρίδας (Σχήμα 819)

Παραβολικό σύστημα ως προς μια διάσταση Τοποθετείται συνήθως με το διαμήκη άξονά του στη γραμμή Ανατολή-Δύση και

απαιτείται οδηγούμενο σύστημα Τοποθέτηση της σκάφης και κατρακόρυφα Επιτυγχάνονται λόγοι συγκέντρωσης ~50 (ή αύξηση της θερμοκρασίας νερού από 200

μέχρι 400ordmC Παράγουν το μεγαλύτερο ποσοστό ηλιακού ηλεκτρισμού (gt95) στο Kramer Junction

στην έρημο Mojave στην Καλιφόρνια Εκεί μέχρι το 1990 είχαν εγκατασταθεί από την εταιρεία Luz International 9 συστήματα συλλεκτών συνολικής ισχύος 364 MW Το τελευταίο σύστημα που εγκαταστάθηκε ήταν 80 MW και έχει επιφάνεια παραβολικών συλλεκτών 464000 m2 Οι συλλέκτες θερμαίνουν συνθετικό έλαιο στους 390ordmC από το οποίο παράγεται ατμός μέσω εναλλάκτη Οι χαμηλές τιμές των συμβατικών καυσίμων στις αρχές του 1990 οδήγησε την Luz International σε πτώχευση αλλά τα συστήματα συνεχίζουν να λειτουργούν και σήμερα

Παραλλαγή της μεθόδου αποτελεί ο καθρέπτης Winston όπου η ακτινοβολία συγκεντρώνεται στο βάθος ενός laquoκώδωναraquo


Σχήμα 819 Διάγραμμα παραβολικού συλλέκτη τύπου σκάφης Εστίαση σε γραμμή

Σχήμα 820 Διάγραμμα παραβολικού συλλέκτη ndash πιάτου

2) Συλλέκτες Παραβολικού laquoΠιάτουraquo Ο δέκτης στο εστιακό σημείο του πιάτου (Σχήμα 820) Το υγρό στο δέκτη θερμαίνεται μέχρι και 750oC Το ρευστό παράγει ηλεκτρισμό με μια μικρή μηχανή Stirling ή Brayton που είναι

τοποθετημένη στο εστιακό σημείο Απαιτείται οδηγούμενο σύστημα Επιτυγχάνονται λόγοι συγκέντρωσης μέχρι 1000 με αύξηση της θερμοκρασίας νερού

μέχρι 1000ordmC 3) Κεντρικός Πύργος

Οι Κεντρικοί Πύργοι (Power Towers) χρησιμοποιούν αριθμό ηλιοστατών (επίπεδοι καθρέπτες που ακολουθούν τη διαδρομή του ήλιου) για να εστιάσουν την ηλιακή ακτινοβολία σε έναν κεντρικό δέκτη που τοποθετείται σε έναν πύργο (Σχήματα 821-822)

Ρευστό λειτουργίας συνθετικό έλαιο τηγμένο άλας (θερμαίνεται μέχρι τους 550oC) Το θερμαινόμενο ρευστό παράγει ηλεκτρική ενέργεια άμεσα ή έμμεσα Αρκετά τέτοια συστήματα άρχισαν να κατασκευάζονται από το 1980 Παράδειγμα

αποτελεί το σύστημα κεντρικού πύργου Solar One στο Barstow της Καλιφόρνιας ισχύος 10 MW (Σχήμα 823) 1818 επίπεδα καθρέπτες με διαστάσεις 7χ7 m αντανακλούν την ηλιακή ενέργεια στο λέβητα του πύργου για τη θέρμανση νερού Λειτούργησε με επιτυχία από το 1983 μέχρι το 1988 αλλά η μείωση της κρατικής επιχορήγησης οδήγησε τη μονάδα σε κλείσιμο Η μονάδα ανακαινίστηκε και λειτούργησε με επιτυχία (ως Solar Two) από το 1996 μέχρι το 1999 χρησιμοποιώντας συνθετικό έλαιο για θερμαντικό μέσο Άλλα πειραματικά σχήματα έχουν λειτουργήσει σε Ισπανία Ιαπωνία Κριμαία

853 Ηλιακές λίμνες Όταν απαιτούνται μεγάλες ποσότητες θερμού νερού υπάρχουν και άλλα σχήματα

αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας όπως είναι οι λεγόμενες laquoηλιακές λίμνεςraquo (solar ponds) όπου δεν υπάρχει σύστημα εστίασης Οι ηλιακές λίμνες διακρίνονται σε λίμνες με άλατα (salt gradient ponds) και λίμνες με μεμβράνες


Συμπυκνωτής

Δέκτης

Σχήμα 821 Διάγραμμα κεντρικού πύργου

Σχήμα 822 Σχηματικό διάγραμμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακά θερμικά συστήματα

(α) Λίμνες με άλατα

Στις ηλιακές λίμνες υπάρχει έντονη διαστρωμάτωση του νερού λόγω της μεγάλης συγκέντρωσης του άλατος (NaCl MgCl2 κά) και η θερμότητα από την ηλιακή ακτινοβολία παγιδεύεται στα κατώτερα και πυκνότερα στρώματα της λίμνης (Σχήμα 824) Η θερμοκρασία στα κατώτερα στρώματα μπορεί να φτάσει τους 93ordmC Συνήθως ο πυθμένας της λίμνης καλύπτεται από μέλαν απορροφητικό υλικό για μεγιστοποίηση της απορρόφησης της ακτινοβολίας και για μείωση της πιθανότητας ρύπανσης του εδάφους Η θερμότητα των κατωτέρων στρωμάτων απομακρύνεται με εναλλάκτη για παραγωγή θερμού νερού ή ηλεκτρισμού με τον οργανικό κύκλο Rankine με συνολική απόδοση όμως μικρότερη από 2 Επιδεικτικά έργα ηλιακών λιμνών δοκιμάστηκαν στο Ισραήλ τις ΗΠΑ και τη Σαουδική Αραβία με επιφάνεια νερού ~50 στρεμμάτων και εγκατεστημένη ισχύ 50 ΜW

(β) Λίμνες με μεμβράνες Είναι παρόμοιου τύπου με τις λίμνες με άλατα αλλά τα στρώματα διαχωρίζονται με

λεπτές διαφανείς μεμβράνες


Σχήμα 823 Ο κεντρικός πύργος Solar One στην Καλιφόρνια

Πυθμένας πουαπορροφεί θερμότητα

Υψηλή αλατότητα

Μέση αλατότητα

Μικρή αλατότητα

Απώλειες θερμότητας

Σχήμα 824 Σχηματικό διάγραμμα ηλιακής λίμνης


86 Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (ή κυψελίδες solarphotovoltaic cell) μετατρέπουν απευθείας την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια (Volt από τον Alessandro Volta 1745-1827) Τα ΦΒ είναι πολύ ευέλικτα συστήματα μπορεί να καλύπτουν τόσο μικρές (πχ ενέργεια για ένα φορητό υπολογιστή) όσο και μεγάλες ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια (ένα ολόκληρο χωριό) Ιστορικά τα ΦΒ χρησιμοποιήθηκαν (και χρησιμοποιούνται) εκεί όπου είναι αδύνατη ή αντιοικονομική η χρήση συμβατικής ενέργειας όπως στους δορυφόρους σε απομακρυσμένα συστήματα τηλεπικοινωνιών σε φάρους για άντληση νερού κτλ

Σήμερα το μέσος κόστος εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι σχετικά υψηλό και ανέρχεται περίπου σε 4-7 euro ανά εγκατεστημένο Wp ενώ για να γίνει ανταγωνιστική η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας το κόστος αυτό θα πρέπει να πέσει αρκετά κάτω από τα 5 euro ανά W Για σύγκριση το κόστος εγκατάστασης των σύγχρονων μονάδων φυσικού αερίου ανά kW είναι περίπου δέκα φορές χαμηλότερο Επίσης η παραγόμενη σήμερα φωτοβολταϊκή kWh κοστίζει 25-80 ceuro

Έκτός από το πρόβλημα του κόστους ένα άλλο πρόβλημα που προκύπτει (όπως και με άλλες εναλλακτικές πηγές ενέργειας) είναι η ανάγκη αποθήκευσης της ενέργειας και η χρησιμοποίηση της σε ώρες που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία Πάντως είναι άμεσης προτεραιότητας η συνέχιση με εντατικότερους ρυθμούς της ερευνητικής προσπάθειας που θα κάνει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας από τα ΦΒ συγκρίσιμο με το κόστος από τα συμβατικά καύσιμα Επίσης θα πρέπει να θεσπιστούν κίνητρα για την εγκατάσταση ΦΒ συστημάτων Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο

Το ηλιακό ή φωτοβολταϊκό στοιχείο (solar cell) αποτελείται ουσιαστικά από δύο ή περισσότερες στιβάδες ημιαγωγών Όταν τα φωτόνια προσπίπτουν σε ένα στοιχείο μπορούν να ανακλαστούν να απορροφηθούν ή να διαπεράσουν το στοιχείο Μόνο τα απορροφημένα φωτόνια δημιουργούν ιοντικά ζεύγη (ηλεκτρόνια και οπές) παράγοντας έτσι ηλεκτρισμό Όταν συμβαίνει αυτό η ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται σε ένα ηλεκτρόνιο ενός ατόμου του στοιχείου Το ηλεκτρόνιο μπορεί να αποδράσει από τη θέση του δημιουργώντας μια laquoοπήraquo Αυτά τα φορτία κινούνται μέσα στο πλέγμα των ημιαγωγών και όταν περάσουν από τον έναν ημιαγωγό στον άλλον δημιουργούν ένα δυναμικό όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 825 Ένα τυπικό στοιχείο δημιουργεί ένα δυναμικό ανοικτού κυκλώματος περίπου 05 V συνεχούς ρεύματος Η ποσότητα της ηλεκτρικής ισχύος που παράγεται από ένα ΦΒ στοιχείο εξαρτάται από την απόδοση του στοιχείου (είδος υλικού) την επιφάνειά του και την ηλιακή ακτινοβολία (ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και μήκος κύματος της ακτινοβολίας) Η μέγιστη απόδοση που έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα είναι 25

Ένα τυπικό στοιχείο πυριτίου 100 cm2 δημιουργεί περίπου 15 W ισχύ σε δυναμικό ανοικτού κυκλώματος περίπου 05 V DC και 3 Α σε καλοκαιρινή ακτινοβολία (1000 Wm-2)

Η ένταση του ρεύματος εξαρτάται από

Αν και πρακτικά τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι διαθέσιμα από τα μέσα του 1950 (εφαρμογή σε δορυφόρους) η διερεύνηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου ξεκίνησε το 1839 όταν ο Γάλλος επιστήμονας Εdmond Becquerel ανακάλυψε ότι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν φώτιζε τις πλάκες από άργυρο σε μία υγρή μπαταρία


την απόδοση του στοιχείου την επιφάνειά του και την ηλιακή ακτινοβολία (σχεδόν αναλογικά)

Σχήμα 825 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε ένα ηλιακό στοιχείο

Ημιαγωγοί και η δίοδος p-n

Ημιαγωγοί υλικά με ενδιάμεση ηλεκτρική αγωγιμότητα (μεταξύ αγωγών και μονωτών)

Σχήμα 826 Απεικόνιση του μορίου του πυριτίου Si (αριστερά και β) και του αρσενικούχου γαλλίου GaAs (γ) Στο Si όλα τα άτομα ίδια ενώ στο GaAs τα άτομα διαφορετικά


Σχήμα 827 Απλοποιημένη απεικόνιση του πλέγματος του Si με τα ηλεκτρόνια σθένους

εντοπισμένα στους δεσμούς

Σχήμα 828 Επίδραση της θερμικής διέγερσης στο Si

Ημιαγωγοί προσμίξεων

Σχήμα 829 Σχηματισμός Si τύπου n με προσμίξεις από άτομα ndash δότες ηλεκτρονίων

(πεντασθενής As) [D=donor]

Σχήμα 830 Σχηματισμός Si τύπου p με προσμίξεις από άτομα ndash αποδέκτες ηλεκτρονίων (τρισθενής Β)

[Α=acceptor]

Ε Εc

Εv

Ζώνη

Απαγορευμένη

Ζώνη σθένους

Εσωτερικές

Εg

Σχήμα 831 Ορισμός του ενεργειακού διακένου Εg (bandgap) στους ημιαγωγούς Τα διαφορετικά ΦΒ υλικά έχουν διαφορετικό ενεργειακό διάκενο Εg

Υλικά Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Τα ΦΣ που χρησιμοποιούνται σήμερα

(1) Δίσκοι από ενιαίο συνεχή κρύσταλλο πυριτίου (single crystal solar cell) πάχους 03-05 mm οι οποίοι παρασκευάζονται με τεμαχισμό κυλίνδρου Si που δημιουργείται με κρυστάλλωση στους 1400ordmC ndash μέθοδος Czochralski (Σχήμα 832) Σχετικά δαπανηρή μέθοδος παρασκευής Οι δίσκοι αυτοί έχουν απόδοση που φτάνει το 25

(2) Δίσκοι από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (Polycrystalline wafers) παράγονται από έναν

Ζώνη Αγωγής


ζώνη


κύλινδρο Si που δημιουργείται με χύτευση (Σχήμα 832) Φθηνότερη μέθοδος από την προηγούμενη αλλά δεν προσφέρει τόσο καλή απόδοση (lt20) Και στις δύο μεθόδους το μισό σχεδόν υλικό χάνεται κατά τον τεμαχισμό

(3) Το άμορφο πυρίτιο (amorphous silicon α-Si τεχνολογία λεπτής στιβάδας) δημιουργείται με την εναπόθεση Si σε υποστρώματα γυαλιού (ή ακόμη και πλαστικού) από ένα αντιδρών αέριο όπως το σιλάνιο (SiH4) και την παρουσία κατάλληλων προσμίξεων Η ευρύτερα εφαρμοζόμενη μέθοδος σήμερα Η εμπορική απόδοση της μεθόδου είναι μικρότερη από 10 Διεργασία που γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία και επομένως με μικρότερο κόστος

(4) Άλλες τεχνολογίες λεπτής στιβάδας CdTeCdS (πρόσφατα στις ΗΠΑ έχουν γίνει δύο μονάδες για παραγωγή gt200 ΜW) GaAs CuInSe2 Η τεχνολογία αυτή προσφέρει αρκετά οικονομικά πλεονεκτήματα

Σχήμα 832 Μέθοδοι παρασκευής ενιαίου κρυστάλλου πυριτίου (αριστερά) και

πολυκρυσταλλικού πυριτίου (δεξιά)

Απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου

Συλλογή της ηλιακής ενέργειας Η ποσότητα της ενέργειας που λαμβάνεται εξαρτάται καθοριστικά από τον προσανατολισμό του συλλέκτη σε σχέση με τη γωνία του ήλιου

Κάτω από βέλτιστες συνθήκες μπορούν να ληφθούν ροές ενέργειας μέχρι 1000 W ανά m2

Το χειμώνα για τοποθεσία με γεωγραφικό πλάτος 40 (πχ Λάρισα) η ήλιος είναι laquoχαμηλάraquo και η μέση ροή ανέρχεται 300 W ανά m2

Εφαρμογές ndash κόστος

Η συνηθέστερη εφαρμογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας σήμερα είναι η κατασκευή αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων (off-grid system) δηλ εγκαταστάσεων που λειτουργούν αυτοδύναμα για την τροφοδότηση καθορισμένων καταναλώσεων ενός σπιτιού ή μιας επαγγελματικής χρήσης Eναλλακτικά ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το δίκτυο (grid-connected


system) Τα περισσότερα φωτοβολταϊκά συστήματα που έχουν εγκατασταθεί στην Eλλάδα εξυπηρετούν απομονωμένες χρήσεις σε αντίθεση με τα συστήματα στις άλλες χώρες της ΕΕ

Το βασικό τμήμα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια (αποτελούμενη από τα στοιχεία) όπως δείχνει το Σχήμα 833 Το σύστημα περιλαμβάνει επίσης συσσωρευτές διατάξεις για τη ρύθμιση και τη μετατροπή της τάσης και συχνά μια βοηθητική γεννήτρια

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 Ένα τυπικό νοικοκυριό το χειμώνα καταναλώνει περίπου 1500 kWh ανά μήνα ή περίπου 50 την ημέρα

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια στέγη 100 m2 Το χειμώνα σε μια ηλιόλουστη μέρα και για 6 ώρες η ενέργεια που λαμβάνεται είναι Q=IxA=300 (Wm2)χ6(h)χ100 (m2) =180 kWh (ανά ημέρα) περισσότερα από ότι χρειαζόμαστε Αλλά υπάρχει και το πρόβλημα της ενεργειακής απόδοσης

5 απόδοση - 9 kWh ανά ημέρα 10 απόδοση - 18 kWh ανά ημέρα 20 απόδοση - 36 kWh ανά ημέρα Επομένως με την μεγαλύτερη απόδοση μπορούμε να καλύψουμε κάτι παραπάνω από το μισό

των ενεργειακών αναγκών στο χειμώνα

Με εξοικονόμηση ενέργειας με κατάλληλη μόνωση και με προσανατολισμό προς το νότο (παθητικά ηλιακά συστήματα) είναι δυνατό να περιορίσουμε την ενεργειακή μας χρήση ακόμη και στο μισό Σε αυτήν την περίπτωση μπορούμε να καλύψουμε ολοκληρωτικά τις ενεργειακές μας ανάγκες ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2

Μια περιοχή του Ν Φλώρινας λαμβάνει 600 W ανά m2 ηλιακής ακτινοβολίας τον Ιούλιο Ας υποθέσουμε ότι τα ηλιακά πανέλα έχουν απόδοση 10 και ότι φωτίζονται για 8 ώρες Πόσα τετραγωνικά μέτρα απαιτούνται για την παραγωγή 5000 kWh ηλεκτρισμού

- Κάθε τετραγωνικό μέτρο μας δίνει 600 x 01 = 60 W - Σε 8 ώρες θα πάρουμε 8x60 = 480 Wh ή ~ 05 kWh ανά m2 - Χρειαζόμαστε 5000 kWh - Επομένως απαιτούνται 500005 = 10000 m2 επιφάνεια συλλεκτών

Το κόστος των ΦΒ συστημάτων μειώνεται σταθερά με το χρόνο χωρίς ακόμη βέβαια να ανταγωνίζεται τα συμβατικά καύσιμα (Σχήμα 834) Όπως έχει λεχθεί και στο Κεφάλαιο 3 η αύξηση των ΦΒ συστημάτων είναι σημαντική τα τελευταία χρόνια (Σχήμα 835) χωρίς ακόμη να μπορεί να λεχθεί ότι παίζουν κάποιο ρόλο στο ενεργειακό ισοζύγιο

Η εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς στην ΕΕ το 2005 έφτασε τα 1793 ΜWp (Πίνακας 81) παρουσιάζοντας εντυπωσιακή αύξηση 56 σε σχέση με το 2004 Η ισχύς αυτή αντιστοιχεί χοντρικά στις ανάγκες 600000 νοικοκυριών Η Ελλάδα βρίσκεται περίπου στη μέση του Πίνακα με μικρή όμως εγκατεστημένη ισχύ ενώ η Γερμανία πρωταγωνιστεί κατέχοντας μερίδιο 85 της εγκατεστημένης ισχύος Η επιτυχία αυτή της Γερμανίας (που έχει στόχο τις 100000 φωτοβολταϊκές στέγες) οφείλεται στο συνδυασμό ενημέρωσης-ευαισθητοποίησης του κοινού με την ύπαρξη σημαντικών οικονομικών κινήτρων ιδιαίτερα ελκυστικά επιτόκια δανεισμού (19) και υψηλή τιμή αγοράς από τις εταιρείες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (από 45 μέχρι και 60 ceurokWh ανάλογα με την ισχύ και τη θέση της εγκατάστασης) Αν και η Γερμανία προηγείται στο σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος το Λουξεμβούργο βρίσκεται μπροστά από την Γερμανία αναφορικά με την εγκατεστημένη ισχύ ανά κάτοικο (με 515 Wpκάτοικο έναντι 185 Wpκάτοικο στη Γερμανία)


(a) ΦΒ πανέλο αποτελούμε-νο από 10-50 ΦΒ πλαίσια

(b) Ρυθμιστής τάσης (c) Σύστημα αποθήκευσης

με μπαταρίες (d) Αναστροφέας από

συνεχές σε εναλλασσόμενο ρεύμα (πχ 240 V AC)

(e) Βοηθητική γεννήτρια

Σχήμα 833 Σχηματικό διάγραμμα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος

Σχήμα 834 Διάγραμμα την εξέλιξη του κόστους των τμημάτων ενός ΦΒ συστήματος ανά W

αιχμής

Σε παγκόσμιο επίπεδο το 2005 εγκαταστάθηκαν 1727 ΜWp σε σχέση με τα 1195 ΜWp που εγκαταστάθηκαν το 2004 Η Ιαπωνία προηγείται τόσο στην παραγωγή των συστημάτων (όσο και στην εγκατάσταση) κατέχοντας σχεδόν το 48 της παγκόσμιας παραγωγής ακολουθούμενη από την ΕΕ με 26 την Κίνα με 11 και τις ΗΠΑ με 9 Φωτοβολταϊκά συστήματα κατασκευάζονται επίσης στην Αυστραλία και την Ινδία

Σε τεχνολογικό επίπεδο η τεχνολογία πολυκρυσταλλικού Si αντιπροσωπεύει το 56 των συστημάτων που παρήχθησαν το 2003 ενώ η τεχνολογία μονοκρυσταλλικού πυριτίου το 33 Η τεχνολογία της λεπτής στιβάδας κατέχει μόνο το 2 της παραγωγής Οι μεγαλύτερες


εταιρείες παραγωγής ΦΒ στοιχείων είναι η Sharp (κατέχοντας 25 της αγοράς των ΦΒ) η Q-Cells (93) η Kyocera (82) η Sanyo (72) η BP Solar (52) και Shell Solar (34)

Σχήμα 835 Η ανάπτυξη της παγκόσμιας αγοράς των ΦΒ συστημάτων τα τελευταία 10 χρόνια

Πίνακας 81 Εγκατεστημένη ισχύς φωτοβολταϊκών συστημάτων στην ΕΕ το 2005

(Πηγή EurobservER 2006)

Χώρα

Συνολική εγκατεστημένη ισχύς το 2005 (σε MWp)

Δίκτυο Αυτόνομα Σύνολο Γερμανία 1508 29 1537 Ισπανία 425 152 577 Ολλανδία 463 49 512 Ιταλία 230 130 360 Γαλλία 138 189 327 Λουξεμβούργο 233 00 233 Αυστρία 182 82 214 Ηνωμένο Βασίλειο 98 09 107 Ελλάδα 141 403 544 Σουηδία 05 39 417 Φινλανδία 022 378 40 Πορτογαλία 060 27 330 Βέλγιο 171 005 176 Δανία 23 03 064 Σύνολο ΕΕ (των 25) 16926 1009 17935

MWp

Έτος


Ο στόχος της ΕΕ με τη Λευκή Βίβλο για το 2010 είναι η εγκατάσταση 3000 ΜWp ΦΒ

συστημάτων Ο στόχος φαίνεται να υπεκαλύπτεται και εκτιμήσεις κάνουν λόγο για 6000 ΜWp το 2010

Μπαταρίες

Οι μπαταρίες αποθηκεύουν ικανές ποσότητες ηλεκτρικής ισχύος για να ικανοποιήσουν αυξημένα φορτία και να παράσχουν ηλεκτρισμό όταν δεν λειτουργούν τα ΦΒ συστήματα (συννεφιά νύχτα) Συνήθως χρησιμοποιούνται ειδικές μπαταρίες μολύβδου (φορτίζονται και αποφορτίζονται στο 80 της χωρητικότητά τους για εκατοντάδες φορές) Το κόστος τους ανέρχεται από 600 μέχρι και 4500 euro ανάλογα με τον τύπο τη χωρητικότητα (ampere-hours) τις κλιματικές συνθήκες τη συντήρηση και το είδος χημικών που χρησιμοποιούν Οι περισσότερες μπαταρίες περιέχουν τοξικά υλικά και απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη μεταχείριση Οι μπαταρίες μολύβδου που μπορούν να παράγουν Η2 όταν επαναφορτίζονται θα πρέπει να τοποθετούνται εκτός της οικίας σε καλά αεριζόμενο χώρο Μετατροπέας συνεχούς-εναλλασσόμενου

Τα συστήματα συνεχούς ρεύματος χρειάζονται και ένα μετατροπέα (inverter αναστροφέα) συνεχούς-εναλλασσόμενου ρεύματος Οι διάφοροι τύποι μετατροπέα παράγουν διαφορετική ποιότητας ηλεκτρισμού Για παράδειγμα ο φωτισμός η τηλεόραση και τα εργαλεία μπορούν να λειτουργήσουν με ηλεκτρισμό laquoχαμηλήςraquo ποιότητας αλλά οι υπολογιστές οι εκτυπωτές και οι άλλες πολύπλοκες ηλεκτρονικές συσκευές απαιτούν ηλεκτρισμό laquoυψηλήςraquo ποιότητας Το κόστος των μετατροπέων επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες (ποιότητα ηλεκτρισμού εάν το συνεχές ρεύμα είναι 12 24 36 ή 48 V τον αριθμό των W σε εναλλασσόμενο που απαιτούνται για να λειτουργήσει το σύστημα αξιόπιστα εάν ο μετατροπέας έχει επιπλέον μετρητικά κλπ)

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα

Το τωρινό κόστος του ΦΒ laquoηλιακούraquo ηλεκτρισμού ανέρχεται σε περίπου 03-10 eurokWh

κόστος που είναι αρκετά ακριβότερο από το κόστος από τις συμβατικές μονάδες και από άλλες ΑΠΕ Ένα ερώτημα που προβάλλει για τον ηλιακό ηλεκτρισμό είναι η δημιουργία αποκεντρωμένων ή συγκεντρωτικών συστημάτων

Η βασική ιδέα για τα αποκεντρωμένα συστήματα είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού με ηλιακές στέγες για κατοικίες και επιχειρήσεις σε αυτόνομα συστήματα Από την άλλη μεριά τα συγκεντρωτικά συστήματα συνίστανται από μεγάλες εγκαταστάσεις σε περιοχές με ήλιο και μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύος με τις συνήθεις γραμμές μεταφοράς Επειδή οι απώλειες στη μεταφορά ηλεκτρισμού είναι σχετικά μικρές (περίπου 1 για κάθε 60-100 km) μια εγκατάσταση ΦΒ φαίνεται περισσότερο οικονομική επένδυση για μεταφορά σε 100-200 km από την εγκατάσταση

Τι μπορεί να γίνει για να παραχθεί ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια μεγάλης κλίμακας με τα σημερινά τεχνολογικά και οικονομικά δεδομένα Επιδότηση από την πολιτεία όπως γίνεται με πολλά άλλα κοινωνικού περιεχομένου

εγχειρήματα Αναμονή για βελτίωση της τεχνολογίας και εντατικοποίηση των ερευνητικών

προσπαθειών για αύξηση της απόδοσης και μείωση του κόστους Ο καταναλωτής να πληρώνει το πραγματικό κόστος της συμβατικής ενέργειας στο


οποίο θα πρέπει να προστίθεται το λανθάνον περιβαλλοντικό και κοινωνικό κόστος από τη συνεχιζόμενη χρήση των συμβατικών καυσίμων

Φορολογία στα συμβατικά καύσιμα Σήμερα στην Καλιφόρνια παράγεται περίπου το 90 της παγκόσμιας ηλιακής

ηλεκτρικής ενέργειας (~400 MW) με τα Ηλιακά Θερμικά συστήματα να κυριαρχούν με τάση όμως για αύξηση του ποσοστού των ΦΒ Το πάγιο κόστος των ηλιακών συστημάτων (όπως και για άλλες ΑΠΕ) είναι τεράστιο με ελάχιστο λειτουργικό κόστος

Τα πλεονεκτήματα των ΦΒ συστημάτων συνοψίζονται ως εξής

Η ΦΒ ηλεκτρική ενέργεια δεν υπόκειται στις διακυμάνσεις της ΗΕ από συμβατικά καύσιμα

Η αξιοπιστία των ΦΒ συστημάτων είναι υψηλή και η ετήσια μέση διακύμανση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας δεν υπερβαίνει το 1

Τα ΦΒ συστήματα είναι ιδανικά για τη τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου και είναι πολύ ευέλικτα Επίσης είτε αυτόνομα είτε με άλλες ΑΠΕ (υβριδικά συστήματα πχ ανεμογεννήτριες) μπορεί να εξυπηρετήσει ανάγκες σε απομακρυσμένες από το δίκτυο περιοχές (Σχήμα 836)

Η απόδοση των ΦΒ αυξάνει με τα χρόνια και το κόστος τους συνεχίζει να μειώνεται

Τα ΦΒ συστήματα λειτουργούν αθόρυβα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (η οποία φθάνει τα 30 χρόνια) με δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες

Ηλιακά ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Η βασική ιδέα στηρίζεται στην κατασκευή συστοιχίας ηλιακών συλλεκτών στην οροφή του αυτοκινήτου που να τροφοδοτούν με ηλεκτρισμό τις μπαταρίες που με τη σειρά τους θα κινούν το αυτοκίνητο Ήδη υπάρχουν πολλά επιδεικτικά αυτοκίνητα Το σημείο-κλειδί είναι η αποθήκευση στις μπαταρίες ενώ θα πρέπει να υπάρχει ισορροπία μεταξύ της απόστασης που διανύεται και της ισχύος Σήμερα οι υπάρχουσες μπαταρίες (μολύβδου-οξέος) δεν είναι αποτελεσματικές Άλλοι τύποι μπαταριών παρουσιάζονται στον Πίνακα 82

Με τη σημερινή τεχνολογία φαίνεται απίθανο τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα να κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις με μεγάλη ταχύτητα και η χρήση τους περιορίζεται μέσα στην πόλη για μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης

Πίνακας 82 Άλλοι τύποι μπαταριών

Υλικό Πυκνότητα ενέργειας (W-hrskg)

Πυκνότητα ισχύος (Wkg)

Σχόλια

Μολύβδου - οξέος 40 70 Μεγάλη διάρκεια ζωής

Νικελίου-σιδήρου 55 100 Πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής

Νατρίου- θείου 90 100 Θερμοκ λειτουργίας

300-350ordmC

Λιθίου-θειούχου σιδήρου 100 gt 100 400-450ordmC

Νικελίου- ψευδαργύρου 75 120 Μικρή διάρκεια ζωής


Σχήμα 836 Εφαρμογές ΦΒ συστημάτων Η εταιρεία BP ξεκίνησε το 2002 ένα φιλόδοξο (και

διαφημιστικό συγχρόνως) προγραμμα εγκατάστασης ΦΒ συστημάτων σε 2000 πρατήρια βενζίνης σε Ευρώπη και ΗΠΑ

87 Φωτοηλεκτροχημικά Στοιχεία

Μία εντελώς διαφορετική ιδέα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο είναι οι φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες που αναπτύχθηκαν από τον Καθ Μ Graetzel και τους συνεργάτες του από τη δεκαετία του 1980 στο Ομοσπονδιακό Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Λωζάννης στην Ελβετία

Η κυψελίδα αυτή συνίσταται από δύο γυάλινες πλάκες επικαλυμμένες από ένα λεπτό στρώμα διαφανούς ηλεκτρικά αγώγιμου οξειδίου του κασσιτέρου όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 837 Στην κάτω πλάκα προστίθεται και ένα λεπτό αλλά τραχύ στρώμα από διοξείδιο του τιτανίου (ΤiO2) τα οποίο είναι ημιαγωγός Ακριβώς επάνω στην τραχιά επιφάνεια του ΤiO2 τοποθετείται μονομοριακό στρώμα ειδικής χρωστικής (ευαισθητοποιητής-sensitizer) συνήθως σύμπλοκο του ρουθηνίου ή του οσμίου Μεταξύ της στιβάδας του ευαισθητοποιητή και της άλλης πλάκας υπάρχει το στρώμα του ηλεκτρολύτη που βασίζεται στο ιώδιο Με την απορρόφηση ενός φωτονίου κατάλληλης ενέργειας η στιβάδα του ευαισθητοποιητή εμβάλλει ένα ηλεκτρόνιο στο στρώμα του ΤiO2 με επακόλουθο την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος Τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν στην επάνω αγώγιμη στιβάδα μέσω οξειδοαναγωγικής διεργασίας στον ιωδούχο ηλεκτρολύτη επανακάμπτουν στον ευαισθητοποιητή ώστε να συνεχιστεί η διεργασία


Μέχρι τώρα με τη μέθοδο αυτή έχουν επιτευχθεί αποδόσεις μέχρι και 10 ενώ μικρή παραγωγή τέτοιων φθηνών σχετικά και εύκολων να κατασκευαστούν κυψελίδων γίνεται στην Ελβετία και στην Αυστραλία Σε πολλές χώρες υπάρχει και ερευνητική δραστηριότητα στον τομέα αυτόν

Σχήμα 837 Οι αρχές λειτουργίας του φωοηλεκτροχημικού στοιχείου Graetzel Πηγή Boyle

2004

Ηλιακός συλλέκτης στην ελληνική επαρχία


9 ΒΙΟΜΑΖΑ

91 Εισαγωγή Με τον όρο βιομάζα εννοούμε όλα τα υλικά (στερεά υγρά ή αέρια) που περιέχουν

άνθρακα και τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε ενέργεια (βιοενέργεια) Τα υλικά αυτά μπορούν απευθείας να καούν για παραγωγή θερμότητας ή ισχύος ή να μετατραπούν σε βιοκαύσιμα (πχ ξυλάνθρακας βιοντίζελ) Η βιομάζα μπορεί να προέρχεται είτε άμεσα από πρωτογενή πηγή (φυτά) είτε έμμεσα από τα αστικά βιομηχανικά ή αγροτικά απόβλητα Έτσι οι επιστήμονες θεωρούν ως βιομάζα την ξυλεία τα υπολείμματα της ξυλείας (κλαδιά πριονίδια κτλ) και της επεξεργασίας φυτικών καρπών (ελαιών καφέ καλαμποκιού άχυρου κτλ) τα λύματα των πόλεων τα απορρίμματα και τα στερεά απόβλητα των κτηνοτροφικών μονάδων Ο κλασικός ορισμός της βιομάζας είναι η πρόσφατη οργανική ύλη που προέρχεται από τα φυτά ως αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής μετατροπής Η ξυλεία και τα υπολείμματα δασοπονικών και αγροτικών δραστηριοτήτων αποτελούν το μεγαλύτερο και καλύτερα αξιοποιήσιμο μέρος της βιομάζας Τα δάση και οι θαμνώνες αποτελούν το 92 της παραγόμενης βιομάζας Η παραγόμενη ετησίως βιομάζα ανέρχεται περίπου σε 14x1011 ΤΙΠ

Γενικά μόνο το 5 της συνολικής βιομάζας ενός φυτού κατάλληλο για τροφή Υπάρχουν οι εξής εναλλακτικές λύσεις για το υπόλοιπο 95 η καύση του για παραγωγή θερμότητας και η μετατροπή του σε στερεά υγρά ή αέρια καύσιμα ή άλλα χρήσιμα υλικά

Δεν υπάρχουν αξιόπιστες εκτιμήσεις για τη συμμετοχή της βιομάζας στην παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας και συχνά η βιομάζα δεν εμφανίζεται στην κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας μιας χώρας Είναι γεγονός πάντως αδιαμφισβήτητο ότι σε πολλές αναπτυσσόμενες χώρες η βιομάζα καλύπτει το μεγαλύτερο ποσοστό των ενεργειακών αναγκών (πχ Νεπάλ Αιθιοπία Κένυα) Ακόμη και στις ανεπτυγμένες χώρες η κατανάλωση βιοενέργειας δεν είναι αμελητέα και υπερβαίνει στο 3 της ενεργειακής κατανάλωσης Ιδιαίτερα σε χώρες όπως η Σουηδία η Αυστρία και οι ΗΠΑ που χρησιμοποιούν εκτεταμένα την ξυλεία το ποσοστό αυτό μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερο

92 Είδη και Προέλευση της Βιομάζας

Παρακάτω συνοψίζονται με παραδείγματα τα διάφορα είδη βιομάζας που μπορούν να αξιοποιηθούν με ποικίλους τρόπους

Ποώδεις ενεργειακές καλλιέργειες αναφέρονται σε πολυετή φυτά με ετήσια συγκομιδή που ξεκινά ύστερα από 2-3 χρόνια (μπαμπού γλυκό σόργο μισχανθός κτλ) Με τον όρο ενεργειακές καλλιέργειες εννοούμε τα φυτά τα οποία αναπτύσσονται ειδικά για να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα ή κυρίως να μετατραπούν σε βιοκαύσιμα

Δασικές ενεργειακές καλλιέργειες Ειδικές φυτείες που ξυλεύονται σε 5-8 χρόνια (υβριδική ιτιά υβριδική λεύκη σφενδάμη ευκάλυπτος συκομουριά κτλ) Χρησιμοποιούνται κυρίως για παραγωγή θερμότητας (τηλεθέρμανση) και συμπαραγωγή (με προσθήκη σε άνθρακα) θερμότητας και ηλεκτρισμού

Αγροτικές καλλιέργειες (ζαχαροκάλαμο σόγια ηλιόσπορος κράμβη η ελαιοφόρος) για


παραγωγή βιοελαίων βιοαιθανόλης και βιομεθανόλης σακχάρων και βιοαποικο-δομήσιμων πλαστικών υλικών Το laquoενεργειακόraquo λεγόμενο ζαχαροκάλαμο και το καλαμπόκι αποτελούν τις πιο διαδεδομένες καλλιέργειες για παραγωγή βιοαιθανόλης

Υδατικές καλλιέργειες ορισμένα είδη φυκών και άλλα είδη της υδροπανίδας Προς το παρόν χρησιμοποιούνται για παραγωγή εξειδικευμένων υλικών

Ξυλεία γενικά κλαδέματα δασικά παραπροϊόντα (κλαδιά πριονίδια κλπ) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για συμπαραγωγή

Γεωργικά παραπροϊόντα (καλαμπόκι τσόφλια ρυζιού άχυρα δημητριακών κτλ)

Απορρίμματα-απόβλητα από τις βιομηχανίες τροφίμων (χυμών καφέ πατάτας ζάχαρης ζύθου γάλακτος λιναρόσπορου κτλ)

Παραπροϊόντα από επεξεργασία φυτών (πυρηνόξυλο βαμβακόσποροι ζαχαροκάλαμο κτλ)

Κτηνοτροφικά και πτηνοτροφικά κατάλοιπα (κοπριά παραγωγή βιοαερίου με αναερόβια ζύμωση)

Οικιακά απορρίμματα (απευθείας καύση αναερόβια ζύμωση)

Οικιακά λύματα και απόβλητα ορισμένων βιομηχανιών επεξεργασίας οργανικών ουσιών (χάρτου-black liquor δέρματος κτλ)

Οι δύο κύριες πηγές βιοενέργειας είναι οι ενεργειακές καλλιέργειες και τα

απορρίμματα δηλαδή τα προϊόντα από τις ανθρώπινες δραστηριότητες Οι ενεργειακές καλλιέργειες έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των επιστημόνων των αγροτών και των κρατών για διαφόρους λόγους

- Για την ανάγκη περιορισμού των εκπομπών του CO2 που εκπέμπονται από την καύση των συμβατικών καυσίμων

- Για την αξιοποίηση ενδογενών ενεργειακών πόρων σε αντικατάσταση του εισαγόμενου πετρελαίου

- Για να αντιμετωπιστεί μερικά το αγροτικό πρόβλημα της υπερπαραγωγής σε ορισμένα προϊόντα των χαμηλών τιμών των προϊόντων και του περιορισμού ορισμένων laquoπαραδοσιακώνraquo καλλιεργειών

Η βιομάζα είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών

οργανισμών της ξηράς και των υδρόβιων φυτικών οργανισμών και συνιστά δευτερογενή ηλιακή ενέργεια Τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια και αναπτύσσονται με τη χρήση κυρίως νερού και διοξειδίου του άνθρακα όπως δείχνει η αντίδραση

CO2 + 2 H2O ([CH2O] + H2O) + O2 (91)

όπου το [CH2O] παριστάνει τη βασική μονάδα ενός μορίου υδατάνθρακα Ειδικότερα για τη γλυκόζη η παραπάνω αντίδραση γράφεται ως

6CO2 + 12 H2O (C6H12O6 + 6H2O) + 6O2 (92)

Σημειώνεται ότι με την παραπάνω διεργασία όλο το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας ανακυκλώνεται κάθε 300 χρόνια Η χρήση της βιομάζας ανακυκλώνει το CO2

στην ατμόσφαιρα και δεν προσθέτει νέες ποσότητες όπως συμβαίνει με τα συμβατικά καύσιμα

Η παραγόμενη βιομάζα ετησίως αντιστοιχεί σε ενέργεια ίση με δέκα φορές την ενέργεια

φως


που καταναλίσκει ο κόσμος αυτή τη στιγμή αλλά όπως θα τονιστεί παρακάτω δεν μπορούμε να εκμεταλλευτούμε σε σημαντικό βαθμό αυτή τη στιγμή τη βιομάζα Ένας από τους κυρίαρχους λόγους γιrsquo αυτό είναι το κόστος μεταφοράς της βιομάζας η οποία είναι φτωχή σε θερμαντική αξία Σε αυτό συνεισφέρει και η σχετικά υψηλή υγρασία της βιομάζας

Υγρασία βιομάζας Η βιομάζα περιέχει μεγάλες ποσότητες νερού που συνήθως ξεπερνούν το 50 ενώ στα φυτά φτάνει το 90 laquoΞηρήraquo καλείται η βιομάζα όταν έχει έλθει σε ισορροπία με το περιβάλλον με τελικό ποσοστό υγρασίας 10-15 Το ποσοστό υγρασίας εκφράζεται είτε ως προς την ξηρή βιομάζα είτε ως προς την

laquoυγρήraquo Η παρουσία υγρασίας στη βιομάζα επιφέρει σημαντική μείωση της θερμαντικής αξίας της Προσεγγιστικά για κάθε 10 υγρασία της βιομάζας η θερμαντική της αξία μειώνεται κατά 11

93 Τεχνολογίες Αξιοποίησης της Βιομάζας

Η βιομάζα αξιοποιείται εδώ και αιώνες βασικά μέσω της διεργασίας της καύσης η οποία συνεχίζει να καταλαμβάνει κυρίαρχη θέση μεταξύ των μεθόδων εκμετάλλευσης της βιομάζας

Οι τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορους τρόπους Στις παρούσες σημειώσεις οι τεχνολογίες αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αν αξιοποιούνται τα λιγνοκυτταρινικά συστατικά της βιομάζας ή αν εξάγονται έλαια Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την καύση της βιομάζας (άμεση καύση της ακατέργαστης βιομάζας ή καύση ύστερα από κάποια φυσική κατεργασία της βιομάζας) και τη μετατροπή της βιομάζας σε άλλα αέρια υγρά ή στερεά καύσιμα με θερμοχημικές ή βιοχημικές μεθόδους Βεβαίως η καύση αποτελεί θερμοχημική διεργασία αλλά λόγω της σπουδαιότητάς της αναφέρεται χωριστά Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν ορισμένες ειδικές καλλιέργειες που παράγουν σπόρους πλούσιους σε έλαια τα οποία μπορούν να ληφθούν με σύνθλιψη των σπόρων και να χρησιμοποιηθούν ως έχουν ή ύστερα από εστεροποίηση για υποκατάσταση του ντίζελ (βιοντίζελ) ή για θερμαντικά έλαια Αν τα έλαια χρησιμοποιηθούν ως έχουν δημιουργείται πρόβλημα με αποθέσεις άνθρακα στο σύστημα εισαγωγής του καυσίμου στις μηχανές ντίζελ Τέτοια φυτά είναι η ελαιοκράμβη (rapeseed Brassica Campestris ndash το πιο διαδεδομένο βρίσκεται με το εμπορικό όνομα Canola στη Β Αμερική) ο ηλιόσπορος η σόγια κά Η θερμαντική αξία ορισμένων βιοελαίων είναι έλαιο κράμβης 405 MJkg ηλιόσπορος 397 MJkg (για σύγκριση ντίζελ 385 MJkg) Τέλος τονίζεται ότι συχνά χρησιμοποιούνται μίγματα βιοντίζελ και προϊόντων πετρελαίου


Το βιοντίζελ μπορεί να παραχθεί από νέα ή χρησιμοποιημένα φυτικά έλαια και ζωικά λίπη τα οποία δεν είναι τοξικά είναι βιοαποικοδομήσιμα και είναι ανανεώσιμα Τα έλαια και τα λίπη αντιδρούν με μία αλκοόλη (συνήθως μεθανόλη η οποία προσεγγιστικά χρησιμοποιείται σε ποσοστό 10) και παράγουν χημικές ουσίες γνωστές με το όνομα λιπαροί μεθυλεστέρες Βιοντίζελ είναι το όνομα που δίνεται σε αυτές τις ενώσεις όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα Ως παραπροϊόν παράγεται γλυκερίνη

Τα καύσιμα βιοντίζελ μπορούν να παραχθούν με πολλές τεχνολογίες Αρχικά τα έλαια και τα λίπη διηθούνται και κατεργάζονται ώστε να απομακρυνθούν το νερό και οι προσμίξεις Τα κατεργασμένα έλαια και λίπη ακολούθως αναμιγνύονται με μία αλκοόλη και τον καταλύτη Τα μόρια των ελαίων (τριγλυκερίδια) διασπώνται και μετατρέπονται σε εστέρες και γλυκερίνη τα οποία εν συνεχεία διαχωρίζονται και εξευγενίζονται Μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνήθως οποιαδήποτε έλαια ακόμη και χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια

94 Καύση βιομάζας

Η συνηθέστερη χρήση της βιομάζας η οποία χρησιμοποιείται από τότε που ο άνθρωπος ανακάλυψε τη φωτιά είναι η άμεση καύση της Το ξύλο ως στερεό καύσιμο είναι αρκετά διαδεδομένο ακόμα και σήμερα σε πολλές αγροτικές περιοχές της χώρας μας Η θερμαντική αξία του αποξηραμένου ξύλου είναι κατά μέσο όρο 4500 kcalkg ή 20 MJkg

Στη διαδεδομένη αυτή τεχνολογία γίνεται άμεση καύση της βιομάζας με περίσσεια οξυγόνου Χρησιμοποιείται παραδοσιακά κυρίως για θέρμανση χώρων και μαγείρεμα ενώ σήμερα χρησιμοποιείται και για παραγωγή ατμού για ηλεκτρισμό Η θερμογόνος αξία πολλών ειδών βιομάζας δίνεται στον Πίνακα 91 και στο Παράρτημα Ι Όπως φαίνεται στον πίνακα αυτό η μέση τιμή της θερμογόνου δύναμης της ξυλείας είναι περίπου 10 MJkg Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός λίτρου νερού κατά 1degC απαιτεί 42 kJ θερμότητας Έτσι για να φέρουμε ένα λίτρο νερού στο σημείο βρασμού απαιτούνται περίπου 400 kJ θερμότητα που ισοδυναμεί με 40 g ξυλείας Στην πράξη βέβαια με μια απλή ανοικτή φωτιά χρειαζόμαστε τουλάχιστον 50 φορές αυτήν την ποσότητα ξυλείας γιατί η απόδοση της παραδοσιακής ανοικτής καύσης δεν υπερβαίνει το 2 Αλλά με καλά σχεδιασμένες θερμάστρες η απόδοση μπορεί να φτάσει το 25

Πίνακας 91 Τυπικές τιμές θερμογόνου αξίας βιοκαυσίμων

Βιοκαύσιμα Καθαρή θερμογόνος αξία

(MJkg)

09

laquoΔιύλισηraquo γλυκερίνης

Ανάκτηση μεθανόλης

Υπερ-εστεροποίηση

Ανακυκλωμένα έλαια Φυτικά έλαια

Μεθανόλη + ΚΟΗ

laquoΔιύλισηraquo

laquoΑργήraquo γλυκερίνη laquoΑργόraquo βιον

βιογλυκερίνη


66




200



290



82



60



44



52



47



54



64



90



70



276



209



Καθαρή θερμογόνος αξία (MJm3

)



59

225

Η καύση του ξύλου επιτελείται σε δύο στάδια επειδή το ξύλο περιέχει δύο καύσιμα

την πτητική ύλη (που συχνά laquoαπελευθερώνεταιraquo χωρίς να καεί) και το απανθράκωμα (char) Χαρακτηριστικό των βιοκαυσίμων είναι ότι περίπου τα τρία τέταρτα της ενέργειας τους βρίσκεται στην πτητική ύλη σε αντίθεση με ότι συμβαίνει στους γαιάνθρακες Επομένως είναι σημαντικό για το σχεδιασμό κάθε θερμάστρας φούρνου ή λέβητα με βιοκαύσιμα να διασφαλίζεται η καύση της πτητικής ύλης και όχι να διαφεύγει αυτή από την καπνοδόχο Καλύτερη καύση επιτελείται όταν η καύσιμη ύλη εισάγεται σε μικρά κομμάτια

Για μεγάλες εγκαταστάσεις καύσης παρουσιάζεται πρόβλημα της διαρκούς τροφοδοσίας σε βιομάζα σε συνδυασμό με τη δαπανηρή μεταφορά του Στην Ευρώπη χρησιμοποιείται σε σημαντικό βαθμό για τηλεθέρμανση αγροτικών κατά το πλείστον οικισμών σε αρκετές χώρες (Σουηδία Δανία Αυστρία) Η συν-καύση (co-firing) αναφέρεται στην πρακτική της εισαγωγής της βιομάζας (ξυλεία σε ποσοστό 5-15) σε υψηλής απόδοσης λέβητες με άνθρακα ως συμπληρωματικού καυσίμου και αποτελεί ελπιδοφόρα τεχνική η οποία είναι ανταγωνιστική των συμβατικών καυσίμων

Και η καύση των οικιακών απορριμμάτων αποτελεί μέθοδο παραγωγής ενέργειας (σε αρκετές Ευρωπαϊκές χώρες) αν και τα απορρίμματα απέχουν πολύ από το να είναι ιδανικά καύσιμα ιδιαίτερα με τρόπο που σήμερα αυτά συλλέγονται Η σύστασή τους και κυρίως η υγρασία τους ποικίλλουν σε σχέση με το κλίμα τις διατροφικές συνήθειες την εποχή του έτους το βιοτικό επίπεδο κτλ Τυπική σύσταση απορριμμάτων της Θεσσαλονίκης δίνεται στο Σχήμα 91 ενώ σχηματικό διάγραμμα καύσης απορριμμάτων παρουσιάζεται στο Σχήμα 92 Γενικά και ειδικότερα στην Ελλάδα η υγρασία των απορριμμάτων είναι υψηλή η ενεργειακή τους πυκνότητα μικρή και δαπανηρή η διαλογή και η μεταφορά τους

Σχήμα 91 Τυπική σύσταση των οικιακών απορριμμάτων της Θεσσαλονίκης


Σχήμα 92 Σχηματικό διάγραμμα μονάδας καύσης απορριμμάτων Οι σύγχρονες εγκαταστάσεις καύσης των απορριμμάτων χρησιμοποιούν χημικές και φυσικές διεργασίες για την απομάκρυνση των παραγόμενων ρυπαντών Τα απορρίμματα πρέπει να αερίζονται επαρκώς και να διατηρούν την κατάλληλη θερμοκρασία για να επιτυγχάνεται πλήρης καύση Τα αέρια καύσης περνούν από

το λέβητα και θερμαίνουν νερό πριν να οδηγηθούν στη διάταξη κατακράτησης των όξινων αερίων Τα στερεά συστατικά απομακρύνονται είτε ηλεκτροστατικά είτε με σακόφιλτρα

95 Μετατροπή της Βιομάζας

Η βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμα προϊόντα (στερεά υγρά ή αέρια) με μεγαλύτερη προστιθέμενη αξία (αναβάθμιση της βιομάζας) Η μετατροπή αυτή της βιομάζας γίνεται κυρίως με δυο γενικές κατηγορίες διεργασιών (α) Τις θερμοχημικές διεργασίες όπου θερμότητα ήκαι καταλύτες χρησιμοποιούνται για να αποσυντεθεί η βιομάζα σε ενδιάμεσα ή τελικά προϊόντα (διεργασίες αεριοποίησης πυρόλυσης) (β) Τις βιοχημικές διεργασίες όπου διάφοροι μικροοργανισμοί και ένζυμα χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν τη βιομάζα σε χρήσιμα προϊόντα (ζύμωση και αναερόβια χώνευση)

Μια τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει τις φωτοβιολογικές διεργασίες οι οποίες στοχεύουν στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε καύσιμα και χημικά με μεγαλύτερη απόδοση από ότι η διεργασία της φωτοσύνθεσης Για παράδειγμα οι φωτοσυνθετικές δραστηριότητες των βακτηρίων και των χλωροφυκών έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου από το νερό και το φως Οι διάφορες διεργασίες μετατροπής παρουσιάζονται στο Σχήμα 93

Η μετατροπή της βιομάζας όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως είναι ακόμη μη αποδοτική και δαπανηρή Προς το παρόν η οικονομικότερη λύση είναι η laquoσυν-καύσηraquo με άλλα καύσιμα (ακόμη και για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος)

Σχήμα 93 Σχήματα μετατροπής- αναβάθμισης της βιομάζας

951 Θερμοχημικές διεργασίες

Ειδικότερα χρησιμοποιούνται οι τεχνολογίες (1) Αεριοποίηση Ο όρος αεριοποίηση (gasification) αναφέρεται σε σειρά χημικών

διεργασιών κατά τις οποίες το στερεό καύσιμο αντιδρά σε κατάλληλες συνθήκες με ατμό και αέρα ή οξυγόνο για την παραγωγή αέριων καυσίμων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ενέργειας σε μηχανές εσωτερικής καύσης ή σε λέβητες (Σχήμα 94) Η διεργασία περιλαμβάνει τη θέρμανση της βιομάζας σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 300degC και μέχρι 1000degC και πίεση από 1 atm μέχρι και 30 atm για την παραγωγή ενός καύσιμου αερίου με μικρή ή ενδιάμεση θερμογόνο δύναμη (περίπου 4-10 MJNmsup3) και του απανθρακώματος Η χρήση καθαρού οξυγόνου αυξάνει την απόδοση της διεργασίας αλλά και το κόστος Το αέριο αυτό μίγμα αποτελείται από CO H2 CH4 μαζί με CO2 και άζωτο Η σύσταση του μίγματος εξαρτάται από τις συνθήκες της διεργασίας και από το αν χρησιμοποιείται αέρας ή οξυγόνο Κάτω από ορισμένες συνθήκες (παρουσία οξυγόνου και όχι αέρα) μπορεί να παραχθεί αέριο συνθέσεως (CO και Η2) για παρασκευή μεθανίου και


μεθανόλης

Σχήμα 94 Σχηματικό διάγραμμα της διεργασίας της αεριοποίησης για παραγωγή ηλεκτρισμού

Η αεριοποίηση δεν αποτελεί laquoνέαraquo τεχνολογία και σε πολλές πόλεις στον κόσμο χρησιμοποιούνταν για δεκαετίες το laquoφωταέριοraquo προϊόν αεριοποίησης του άνθρακα ενώ το αέριο από ξύλα χρησιμοποιούνταν για φωτισμό και θέρμανση πριν από τον Βrsquo Παγκόσμιο Πόλεμο Μικρές μονάδες αεριοποίησης (lt300 kW) διατίθενται στο εμπόριο σε συνδυασμό με ηλεκτρογεννήτριες ενώ μεγάλες πιλοτικές μονάδες (10-30 ΜW) λειτουργούν από τα μέσα της δεκαετίας του 1990 Η απόδοση κυμαίνεται από 40 μέχρι 70

(2) Αργή ή συμβατική πυρόλυση Η διεργασία είναι η απλούστερη και η παλαιότερη μέθοδος επεξεργασίας της βιομάζας με σκοπό την παραγωγή ξυλάνθρακα Περιλαμβάνει τη θέρμανση σχεδόν απουσία αέρα σε θερμοκρασία 300-500degC μέχρι να απομακρυνθεί παντελώς η πτητική ύλη του ξύλου Η μέθοδος είναι παραδοσιακή εφαρμόζεται σε όλα τα μέρη του κόσμου αλλά δεν είναι πολύ αποδοτική Με εξελιγμένη τεχνολογία μπορεί να συλλέγεται η πτητική ύλη του ξύλου και να αξιοποιείται Ο ξυλάνθρακας είναι βιοκαύσιμο με διπλάσια θερμογόνο αξία από ότι το ξύλο και καίγεται σε αρκετά υψηλότερη θερμοκρασία Για κάθε τόνο παραγόμενου ξυλάνθρακα απαιτούνται 4-10 τόνοι ξυλείας

(3) Ταχεία πυρόλυση για παραγωγή υγρών καυσίμων Αναφέρεται στη διεργασία στην οποία η βιομάζα εκτίθεται ταχύτατα σε μεγάλες θερμοκρασίες (στους 800-900degC) με αυστηρά ελεγχόμενες ποσότητες αέρα με αποτέλεσμα τη διάσπαση της βιομάζας (Σχήμα 95) Το τελικό προϊόν της πυρόλυσης είναι ένα μίγμα από στερεά (απανθράκωμα-char περίπου το 10) υγρά (οξυγονωμένα έλαια) και μη συμπυκνώσιμα αέρια πλούσια σε CO και υδρογόνο Τα παραγόμενα υγρά (έλαια) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θέρμανση και παραγωγή ηλεκτρισμού ή για άλλες χρήσεις Βέβαια με το σημερινό κόστος παραγωγής των προϊόντων αυτών δεν είναι ανταγωνίσιμο με το κόστος των συμβατικών καυσίμων

(4) Καταλυτική πυρόλυση αναφέρεται στη χρήση ειδικών καταλυτών για αύξηση της απόδοσης σε ορισμένα προϊόντα Τα υγρά προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θέρμανση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Σχήμα 95 Σχηματικό διάγραμμα της διεργασίας της ταχείας πυρόλυσης και οι διάφορες εφαρμογές των βιο-ελαίων

952 Βιοχημικές διεργασίες Περιλαμβάνουν τις τεχνολογίες (1) Ζύμωση Η παραγωγή βιοκαυσίμων με ζύμωση όπως είναι η αιθανόλη που

παράγεται από διάφορα αγροτικά προϊόντα (ζαχαροκάλαμο σταφύλια κριθάρι σιτάρι καλαμπόκι φρούτα) χάνεται στα βάθη της ιστορίας Ζύμωση είναι η αναερόβια βιολογική διεργασία κατά την οποία τα σάκχαρα (πχ C6H12O6) μετατρέπονται σε αιθανόλη με τη βοήθεια μικροοργανισμών Το προϊόν της ζύμωσης περιέχει μόνο 10 αιθανόλη η οποία θα πρέπει να ληφθεί με απόσταξη κάτι που απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας Μέρος της ενέργειας μπορεί να καλυφθεί από την καύση των φυτικών υπολειμμάτων Αν και υψηλού


κόστους τα κύριο πλεονέκτημα της βιοαιθανόλης είναι η ευκολία χρήσης και μεταφοράς που έχουν τα υγρά καύσιμα

Δύο κύρια προβλήματα υπάρχουν αυτή τη στιγμή με την παραγωγή καυσίμων από βιομάζα Το ένα είναι η ποιότητα των βιοκαυσίμων που είναι χειρότερη από την ποιότητα των συμβατικών καυσίμων και το άλλο είναι το υψηλότερο κόστος που έχουν σήμερα (λόγω του υψηλού κόστους της πρώτης ύλης) Βέβαια για μερικές χώρες με άφθονα αγροτικά προϊόντα όπως είναι η Βραζιλία η παραγωγή αιθανόλης μπορεί να υποκαταστήσει (και έχει υποκαταστήσει) σε κάποιο βαθμό τα συμβατικά καύσιμα Το πρόγραμμα παραγωγής βιοαιθανόλης στη χώρα αυτή ξεκίνησε το 1975 όταν οι τιμές του πετρελαίου ήταν υψηλές και της ζάχαρης χαμηλές Τα περισσότερα αυτοκίνητα κινούνται με μίγμα αιθανόλης και βενζίνης σε ποσοστό 26 Η οικονομική διάσταση της παραγωγής βιομάζας είναι αβέβαια και εξαρτάται προφανώς από την τιμή του πετρελαίου

Παραγωγή αιθανόλης από καλαμπόκι Διαδικασίες μετατροπής καλαμποκιού (ή άλλων αμυλούχων καρπών) σε καύσιμο

- Τα κοτσάνια και οι κώνοι αλέθονται και αναμιγνύονται με νερό

- Θερμαίνονται για μετατροπή του αμύλου σε σάκχαρα

- Ζύμωση των σακχάρων σε αιθανόλη

- Απόσταξη για να ληφθεί η αιθανόλη και απομάκρυνση της υγρασίας

- Ανάμιξη της αιθανόλης με συμβατικά καύσιμα Η τεχνολογία αυτή αποτελεί την κύρια μέθοδο παραγωγής αιθανόλης στις ΗΠΑ Τα

συστήματα παραγωγής της βιοαιθανόλης ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τη δυναμικότητά τους

Τα μεσαία συστήματα φαίνονται να είναι ιδανικά συστήματα για τις αναπτυσσόμενες

χώρες Οι αποδόσεις αιθανόλης ανά τόνο ακατέργαστης βιομάζας και ανά καλλιεργήσιμο στρέμμα δίνονται στον Πίνακα 95

Πίνακας 95 Αποδόσεις σε αιθανόλη διαφόρων καλλιεργειών

(2) Αναερόβια ζύμωση Είναι η διεργασία κατά την οποία η οργανική ύλη αποσυντίθεται ύστερα από βακτηριακή δραστηριότητα απουσία οξυγόνου και παράγεται ένα μίγμα μεθανίου (σε ποσοστό 50-60) και άλλων αερίων όπως CO2 Αποτελεί φυσική διεργασία που επιτελείται στο βυθό λιμνών ή ελών όπου επικρατούν αναερόβιες συνθήκες Αναερόβια ζύμωση γίνεται και σε περιπτώσεις που σχετίζονται με ανθρώπινες δραστηριότητες και δύο από αυτές έχουν αναπτυχθεί εμπορικά για την ανάκτηση ενέργειας παραγωγή βιοαερίου (1) από κτηνοτροφικά λύματα ή την κοπριά των ζώων (biogas) και (2) από την ταφή των οικιακών απορριμμάτων στις χωματερές (landfill gas) Το βιοάεριο από τις χωματερές μπορεί να καεί επιτόπου για παραγωγή θερμότητας ή ηλεκτρικής ενέργειας όπως παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 96 Σπανιότερα και στην περίπτωση που είναι πολύ καθαρό μπορεί να προστεθεί στο δίκτυο του φυσικού αερίου Οι μονάδες αναερόβιας


ζύμωσης με κοπριά κυμαίνονται από 1 m3 (για ένα νοικοκυριό) μέχρι και 2000 m3 για μια εμπορική εγκατάσταση Το βιοαέριο που παράγεται μπορεί να καεί επιτόπου για μαγείρεμα θέρμανση ή να χρησιμοποιηθεί σε μηχανές εσωτερικής καύσης για παραγωγή ηλεκτρισμού Από την άλλη μεριά το βιοαέριο από χωματερές χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος Σήμερα στο χώρο υγειονομικής ταφής Ταγαράδων Θεσσαλονίκης και Ψυτάλλειας Αττικής υπάρχουν μικρές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού με βιοαέριο

Μετατροπή βιομάζας σε μεθάνιο - Αναερόβια ζύμωση των οικιακών απορριμμάτων - 1 τόνος λάσπης μετατρέπεται σε ~106 BTU (32 ισοδύναμο για άνθρακα) - Η διεργασία μετατροπής δαπανηρή αλλά αποδοτική (50-70) - Η οικονομικότητα εξαρτάται από το οργανικό περιεχόμενο - Προς το παρόν ακριβότερο το βιοαέριο από το φυσικό αέριο

Σχήμα 96 Παραγωγή ηλεκτρισμού από αέριο χωματερών

96 Πλεονεκτήματα ndash Περιορισμοί

Τα κυριότερα πλεονεκτήματα από την αξιοποίηση της βιομάζας μπορούν να

συνοψιστούν ως εξής

(1) Στον ενεργειακό τομέα

Εναλλακτική μορφή ενέργειας η οποία δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμο-

κηπίου

Εναλλακτικά καύσιμα μη επηρεαζόμενα από την τιμή του πετρελαίου

(2) Στον τομέα του περιβάλλοντος

Μείωση των αναγκών σε ορυκτά καύσιμα

Μείωση εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (κυρίως CO2) ελαχιστοποίηση εκπομπών CO

(μόλις το 15 από τις αντίστοιχες εκπομπές των ορυκτών καυσίμων) HC όξινων αερίων

(καθόλου SO2 και ελάχιστο NOx δηλαδή μείωση της όξινης βροχής) Λιγότερη τέφρα από

τον άνθρακα

Μείωση όγκου των απορριμμάτων και των παραπροϊόντων των λυμάτων μειώνει το

πρόβλημα της διάθεσής τους αλλά και των σημαντικών ποσοτήτων του μεθανίου που

προκύπτουν από την αποσύνθεση της οργανικής ύλης Υπενθυμίζεται ότι ένα μόριο

μεθανίου είναι σχεδόν 25 φορές περισσότερο ενεργό από ένα μόριο CΟ2 στην παγίδευση

της υπεριώδους ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τη γη

Προστασία δασών από πυρκαγιές με ελεγχόμενη υλοτόμηση


Αέρια ρύπανση από την καύση βιομάζας

- CO = 15 από ότι προέρχεται από τη βενζίνη των αυτοκινήτων

- Σωματίδια = 30 από ότι οι μονάδες που καίνε γαιάνθρακα

- Οξείδια θείου = όχι

- Υδρογονάνθρακες = 10 από ότι προέρχεται από τη βενζίνη των αυτοκινήτων

- Οξείδια αζώτου = 5 από ότι προέρχεται από τη βενζίνη των αυτοκινήτων

Σχήμα 98 Η πιλοτική μονάδα πυρόλυσης της βιομάζας στη Βούλπη Ευρυτανίας

(3) Κοινωνικά ndashοικονομικά οφέλη

Μείωση εξάρτησης από τα (εισαγόμενα κυρίως) ορυκτά καύσιμα ndash εξοικονόμηση συναλ-

λάγματος

Ανάπτυξη απομακρυσμένων αγροτικών περιοχών συγκράτηση πληθυσμών

Δημιουργία νέων θέσεων εργασίας

Συνεισφορά της ανάπτυξης της γεωργίας

Περιορισμοί στην ανάπτυξη της βιομάζας

- Μεγάλο κόστος μεταφοράς Αντιμετώπιση μονάδες μετατροπής στο χώρο παραγωγής

- Η αλόγιστη χρήση μπορεί να οδηγήσεις σε laquoαποδάσωσηraquo

- Κατά την ατελή καύση της ξυλείας παράγονται οργανικά σωματίδια CO και οργανικά

αέρια

- Οι τεχνολογίες ακόμη είναι αντιοικονομικές

- Η καύση της βιομάζας δημιουργεί ιπτάμενη τέφρα η οποία πρέπει ν συλλεχθεί και να

διατεθεί κατάλληλα Επίσης απαιτείται κατάλληλη επεξεργασία των υγρών που

χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό του βιοαερίου

97 Το μέλλον της Βιομάζας

Η βιομάζα έχει τη δυνατότητα να συνεισφέρει σε σημαντικό βαθμό στην ενεργειακή

κατανάλωση με οικονομικά και αειφόρο τρόπο Συγχρόνως μπορεί να βοηθήσει διάφορες

χώρες να καλύψουν τους στόχους τους για τη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου

Για τις βιομηχανικές χώρες οι κύριες τεχνολογίες της βιομάζας που αναμένεται να

εφαρμόζονται στο μέλλον είναι η άμεση καύση φυτικών υπολειμμάτων και απορριμμάτων η

παραγωγή βιοαιθανόλης και βιοντίζελ και η συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ισχύος

από ενεργειακές φυτείες Το μέλλον της παραγωγής ηλεκτρισμού έγκειται στην ολοκλήρωση

των συστημάτων με την τεχνολογία των αεριοστροβίλων που δίνουν αυτή τη στιγμή τις

υψηλότερες αποδόσεις

Αναφορικά με τις αναπτυσσόμενες χώρες εκτιμάται ότι το 2050 ποσοστό 90 του

παγκόσμιου πληθυσμού θα κατοικεί σε αυτές τις χώρες Επειδή σε αυτές τις χώρες η βιομάζα


παίζει και θα συνεχίσει να παίζει σημαντικό ρόλο (για θέρμανση και μαγείρεμα) είναι

σημαντικό να ενισχυθούν οι προσπάθειες για περισσότερο αποδοτική παραγωγή και

μετατροπή της βιομάζας

Στρατηγικές για αύξηση της χρήσης βιομάζας

- Ανάπτυξη ειδικών καλλιεργειών

- Εναλλαγή δασικών ειδών (ήδη χρησιμοποιείται σε άλλους τομείς)

- Βελτίωση της απόδοσης των καυστήρων βιομάζας (τώρα 10-30)

98 Τα Βιοκαύσιμα στην Ευρώπη και την Ελλάδα

Ο στόχος της ΕΕ για συμμετοχή των ΑΠΕ στο 12 της ενεργειακής κατανάλωσης το

2010 βασίζεται σημαντικά στη δυναμική παρουσία της βιομάζας και των βιοκαυσίμων Στο

πλαίσιο αυτό σύμφωνα με την οδηγία 200330ΕΚ ορίζεται ότι μέχρι τις 31122005 τα

βιοκαύσιμα πρέπει να αντιπροσωπεύουν ποσοστό 2 (σε ενεργειακή αξία) σε όλα τα υγρά

καύσιμα κάθε χώρας της ΕΕ Το ποσοστό αυτό θα ανέλθει σταδιακά στο 575 μέχρι το

τέλος του 2010 Ήδη στη Γάλλία το ντίζελ περιέχει 5 βιοντίζελ κραμβέλαιου Οι

προδιαγραφές του βιοντίζελ που χρησιμοποιείται στις μεταφορές ορίζεται από την

Ευρωπαϊκή προδιαγραφή ΕΝ 14214 Στο Κιλκίς ήδη λειτουργεί η πρώτη μονάδα παραγωγής

βιοντίζελ (εταιρία ΕΛΒΥ με παραγωγική δυναμικότητα 40000 τόνους βιοντίζελ σε ετήσια

βάση) από φυτικά έλαια (κυρίως σογιέλαιο αλλά και βαμβακέλαιο) ενώ μία δεύτερη μονάδα

στο Βόλο (της Ελλινόιλ) αναμένεται να αρχίσει λειτουργία στις αρχές του 2007 Στο χορό της

παραγωγής ετοιμάζονται να εισέλθουν και άλλες εταιρίες

Η θέση των βιοκαυσίμων στην Ευρώπη είναι σήμερα (2006) ως εξής

1) Βιοαιθανόλη Στην ΕΕ παρασκευάζεται με ζύμωση ζαχαροτεύτλων καλαμποκιού

κριθαριού και σιταριού Η βιοαιθανόλη μπορεί να προστεθεί είτε απευθείας στη βενζίνη (σε

μικρό ποσοστό) ή ως τριτοταγής αιθυλικός βουτυλαιθέρας (ethyl tertiary boutyl ether

ETBE) ο οποίος παρασκευάζεται με αντίδραση με ισοβουτάνιο που προέρχεται από τα

ορυκτά καύσιμα Ένας τόνος βιοαιθανόλης αντιστοιχεί σε 064 ΤΙΠ Το 2005 παρήχθησαν

στην ΕΕ 720000 τόνοι βιοαιθανόλης (το 33 παράγεται στην Ισπανία ενώ η χώρα μας έχει

μηδενική παραγωγή) και συνολικά στον κόσμο 26 εκατ τόνοι Δύο είναι οι χώρες που

κυριαρχούν στη βιοαιθανόλη Η Βραζιλία με παραγωγή το 2005 ~117 εκατ τόνων

βιοαιθανόλης από ζαχαροκάλαμο και οι ΗΠΑ με παραγωγή επίσης 117 εκατ τόνων το

2005 κυρίως από καλαμπόκι Τέλος υπό διερεύνηση είναι η παραγωγή βιοαλκοολών από

κυτταρινούχες πρώτες ύλες κάτι που μπορεί να μειώσει στο μισό το κόστος παραγωγής

Μέχρι σήμερα δεν υπάρχει παραγωγή βιοαιθανόλης στην Ελλάδα ενώ οι απαιτήσεις σε

βιοαιθανόλη για το έτος 2005 στην Ελλάδα σύμφωνα με την κοινοτική οδηγία υπολογίζονται

σε περίπου 120000 τόνους

2) Βιοντίζελ Παρασκευάζεται στο μεγαλύτερο ποσοστό (gt80) από την ελαιοκράμβη

και δευτερευόντως από τον ηλίανθο και χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στο ντίζελ (για κίνηση

συμπαραγωγή κά) Η παραγωγή του βιοντίζελ το 2005 ανήλθε στην ΕΕ στους 318 εκατ

τόνους (με παγκόσμια παραγωγή περίπου ~35 εκατ τόνους) Ένας τόνος βιοντίζελ

αντιστοιχεί περίπου σε 09 ΤΙΠ Τρεις είναι οι κυριότερες χώρες που παράγουν βιοντίζελ η


Γερμανία (με σχεδόν το 61 της παραγωγής της ΕΕ το 2005) η Γαλλία και η Ιταλία Για μία

ακόμη ΑΠΕ η σημαντική θέση της Γερμανίας οφείλεται στις ευνοϊκές νομοθετικές και

οικονομικές ρυθμίσεις Στην Ελλάδα δεν υπάρχουν ενεργειακές καλλιέργειες παρά μόνο

έχουν γίνει διάφορες ερευνητικές καλλιέργειες σε διάφορα μέρη της χώρας Η παραγωγή

του βαμβακέλαιου στη χώρα ανέρχεται σε 90000 τόνους ετησίως

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1) Ποιοι είναι οι κυριότεροι περιορισμοί στην ανάπτυξη της αξιοποίησης της βιομάζας 2) Σε ποιες περιοχές της χώρας μας θα μπορούσε να υπάρξει αξιοποίηση της βιομάζας 3) Με ποιες διεργασίες πιστεύετε ότι θα γίνεται στο απώτερο μέλλον η αναβάθμιση της

βιομάζας και γιατί 4) Ποιοι είναι οι κυριότεροι προβληματισμοί από την καύση των απορριμμάτων 5) Με τα σημερινά δεδομένα ποιο είναι το καταλληλότερο υγρό καύσιμο για να

αντικαταστήσεις τα καύσιμα των μεταφορών



Έπρεπε όμως να περάσουν εβδομήντα και πλέον χρόνια για να αρχίσει κάπως να γενικεύεται η χρήση βελτιωμένων υλικών του πετρελαίου

Η σύγχρονη βιομηχανία πετρελαίου δεν προήλθε πάντως από τις παραπάνω χρήσεις αλλά από την ανάγκη για καλύτερο και αποδοτικότερο φωτισμό στη δεκαετία του 1850 Άλλωστε η ίδια ανάγκη οδήγησε και στην τεχνολογία παραγωγής του φωταερίου από άνθρακα Στην παραπάνω δεκαετία άρχισε να διατίθεται για φωτισμό το φωτιστικό πετρέλαιο ή παραφινέλαιο (paraffin-oil) στην Αγγλία (προερχόμενο από τους βιτουμενιούχους σχίστες της Σκοτίας) ενώ στην Αμερική το ίδιο υλικό με το όνομα κηροζίνη παραγόταν από την άσφαλτο του Τρινιντάντ Το υλικό αυτό αντικατέστησε το όλο και ακριβότερο λίπος των φαλαινών που χρησιμοποιούνταν ως τότε για φωτιστικό έλαιο

Οι πρώτες σχετικά προηγμένες τεχνολογικά γεωτρήσεις (που είχαν δανειστεί αρκετές ιδέες από τους Κινέζους) έγιναν μετά το 1830 για την εύρεση νερού ή ορυκτών αλάτων Δεν ήταν λίγες οι φορές όμως που έπεφταν επάνω σε φλέβες πετρελαίου Αν και η πρώτη ηθελημένη προσπάθεια για ανόρυξη γεώτρησης πετρελαίου ξεκίνησε τον Απρίλιο του 1857 στο Αμβούργο (και την ίδια χρονιά ολοκληρώθηκαν δύο χειροποίητες γεωτρήσεις στο Πλοέστι της Ρουμανίας) συχνά αναφέρεται ως απαρχή της εποχής του πετρελαίου η ανόρυξη γεώτρησης στις 27 Αυγούστου του 1859 στο Titusville της Πενσυλβάνιας από τον Edwin L Drake κατόπιν παραγγελίας του βιομηχάνου GH Bissell To βάθος της επιτυχούς αυτής γεώτρησης ήταν μόλις 69frac12 ft (21 m) Μέσα σε 15 χρόνια η παραγωγή πετρελαίου στην Πενσυλβάνια έφτασε τα 10 εκατομμύρια βαρέλια ετησίως

Αρχικά για την απόσταξη του αργού πετρελαίου χρησιμοποιούνταν οριζόντιοι κυλινδρικοί αποστακτήρες που θερμαίνονταν με ατμό και παρήγαγαν τρία κύρια προϊόντα (1) τη βενζίνη (το ελαφρύτερο κλάσμα που αρχικά θεωρήθηκε επικίνδυνο και άχρηστο) (2) την κηροζίνη και (3) το βαρύ υπόλειμμα που πωλούνταν ως καύσιμο Μέχρι το 1880 στην Αμερική η όλη διεργασία απόσταξης γινόταν σε παρτίδες (διαλείπουσα διεργασία) ενώ στην Ευρώπη είχε εισαχθεί η συνεχής διεργασία

Η έλευση του ηλεκτρισμού στη δεκαετία του 1880 και η συνεχής γενίκευση του ηλεκτρικού φωτισμού άρχισε να κάνει δύσκολη τη χρήση της κηροζίνης και να πιέζει τις τιμές του πετρελαίου προς τα κάτω Έπρεπε να βρεθούν νέες χρήσεις των προϊόντων πετρελαίου Αρχικά το 1878 παρουσιάστηκε η σόμπα πετρελαίου στην Διεθνή Έκθεση του Παρισιού Μέσα σε ένα χρόνο πουλήθηκαν μισό εκατομμύριο σόμπες Έπρεπε όμως να περάσουν άλλα 25 χρόνια για να αρχίσει να παίρνει επάνω της η βιομηχανία πετρελαίου με τη μαζική παραγωγή βενζινοκίνητων αυτοκινήτων Η εφεύρεση του βενζινοκινητήρα από τους Daimler και Benz το 1885 έφερε τη μεγάλη επανάσταση στη χρησιμοποίηση των προϊόντων του πετρελαίου ως καύσιμα αυτοκινήτων Η σημαντική αύξηση της κυκλοφορίας των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων είχε ως συνέπεια να παρατηρηθεί έλλειψη σε βενζίνη με ταυτόχρονο πλεόνασμα σε κηροζίνη λόγω της αυξανόμενης χρήσης των ηλεκτρικών λαμπτήρων Η αλλαγή των δεδομένων της αγοράς ήταν η κύρια αιτία για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα παρήγαγαν επιπλέον βενζίνη χρησιμοποιώντας τα βαρέα κλάσματα

Πηγή Derry TK amp Williams TI ldquoA short history of technologyrdquo Dover New York 1960

42 Σχηματισμός του πετρελαίου

Αν και η προέλευση του πετρελαίου δεν έχει πλήρως διαλευκανθεί κατά την επικρατέστερη θεωρία πιστεύεται ότι το πετρέλαιο δημιουργήθηκε κατά την περίοδο πριν από 100-300 εκατομμύρια χρόνια όταν θαλάσσιοι φυτικοί μικροοργανισμοί (μονοκύτταρα






















(α)



(β)


























Μέσο 30 - 40 degAPI 0825-0875











Ανάκτηση

Μεταφορά



∆ιύλιση


Βενζίνη


Κηροζίνη

Μαζούτ












Αέριο


Γ Α Β




Αέριο


Γ Α Β










Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο


Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο











Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια



Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια










πετρέλαιο

Απόσταξη










Άλλα



α 4

10

Η αλλ

ηλου

χία τω

ν διεργα

σιών κα

ι τα προ

ϊόντα σε

διυλιστήρ

ιο αργ

ού πετρελα

ίου

(πηγ

ή Βασ

άλος

και

Λεμονίδου

20

02)























2) Βενζίνη

















































0 50 100 150 200 250 300



Ιράκ

ΗΑΕ

Κουβέιτ

Ιράν

Χώρες ΟΟΣΑ













Αφρική

Ανατ Ασία



Ευρώπη












51 Εισαγωγή




































Pd

ΘΔq














N2 08 10 H2S - - CO2 01 -






















CH4+ O2 CO + Η2 + H2O (51)




H2+ frac12Ο2 H2O (52)


CΟ+ frac12Ο2 CO2


CH4+ O2 CO2 + 2H2O (804 KJmol CH4) (53)


2CH4+3O2 2CO + 4H2O (519 KJmol CH4 ) (54)


CH4+ O2 C + 2H2O (55)





55 Χρήσεις












CH4+ Η2Ο CO + 3H2 (56)


CΟ+ Η2Ο CO2 + H2 (57)













2 CH4+ O2 C2Η4 + 2H2O (58)



















26














































ΔΕ= Δm c2 (61)
















Reactor)
































































































40000 TW


173000 TW











Αιολική




























Θερμότητα















































Ηλιακή 01 gt1575 3900000




Γεωθερμική 06 5000 140000000












AΠE135

Ανθρ234

Πετρ350

ΦΑ212

Πυρην69

Άλλες05

Βιομαζα108

Υδρο22


Γεωθερμία

0043





14 17 15 17 23

191

76

0

5

10

15

20

25








18


58











ΑΠΕ





US centskWh



05 1

005

8-20 30-35

25-125 12-18

30 5




ΑΠΕ


1998 TWh




US centskWh












Προοπτική



ετησίως













(α)

(β)





955

818

777

430

132

32

8

9

8

79

2

0 200 400 600 800 1000 1200












118

142

16

0

026

02

006

003

0015

002

011

0 2 4 6 8 10 12 14 16
















































































































Βαθμός αποδ 15 5-10 80 42 7 + 25 100 25







03-06 euroKWh

~005 euroKWh

~005 euroKWh


άγνωστο



































































To 2005 822 MWe


To 2005 5200 MWt























eurokWh (1990)



Κύματα

Μικρά ΥΗ

Γεωθερμία




Βιομάζα


ΦΒ

Αιολικά



81 Εισαγωγή











Πηγή Boyle 2004




Διάστημα




















100

19

4

8 617 9

6

2040

715 2446
































νέφωση

































γυαλί






























2008)



























Δέκτης






































[Α=acceptor]

Ε Εc

Εv

Ζώνη




Εg







ζώνη

































αιχμής








Χώρα



MWp

Έτος




Μπαταρίες


























Σχόλια




300-350ordmC












2004



9 ΒΙΟΜΑΖΑ



























CO2 + 2 H2O ([CH2O] + H2O) + O2 (91)


6CO2 + 12 H2O (C6H12O6 + 6H2O) + 6O2 (92)




φως
















(MJkg)

09










66




200



290



82



60



44



52



47



54



64



90



70



276



209




)



59

225


















μεθανόλης
































κηπίου
























λάγματος








αέρια

























































































(α)



(β)


























Μέσο 30 - 40 degAPI 0825-0875











Ανάκτηση

Μεταφορά



∆ιύλιση


Βενζίνη


Κηροζίνη

Μαζούτ












Αέριο


Γ Α Β




Αέριο


Γ Α Β










Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο


Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο











Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια



Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια










πετρέλαιο

Απόσταξη










Άλλα



α 4

10

Η αλλ

ηλου

χία τω

ν διεργα

σιών κα

ι τα προ

ϊόντα σε

διυλιστήρ

ιο αργ

ού πετρελα

ίου

(πηγ

ή Βασ

άλος

και

Λεμονίδου

20

02)























2) Βενζίνη

















































0 50 100 150 200 250 300



Ιράκ

ΗΑΕ

Κουβέιτ

Ιράν

Χώρες ΟΟΣΑ













Αφρική

Ανατ Ασία



Ευρώπη












51 Εισαγωγή




































Pd

ΘΔq














N2 08 10 H2S - - CO2 01 -






















CH4+ O2 CO + Η2 + H2O (51)




H2+ frac12Ο2 H2O (52)


CΟ+ frac12Ο2 CO2


CH4+ O2 CO2 + 2H2O (804 KJmol CH4) (53)


2CH4+3O2 2CO + 4H2O (519 KJmol CH4 ) (54)


CH4+ O2 C + 2H2O (55)





55 Χρήσεις












CH4+ Η2Ο CO + 3H2 (56)


CΟ+ Η2Ο CO2 + H2 (57)













2 CH4+ O2 C2Η4 + 2H2O (58)



















26














































ΔΕ= Δm c2 (61)
















Reactor)
































































































40000 TW


173000 TW











Αιολική




























Θερμότητα















































Ηλιακή 01 gt1575 3900000




Γεωθερμική 06 5000 140000000












AΠE135

Ανθρ234

Πετρ350

ΦΑ212

Πυρην69

Άλλες05

Βιομαζα108

Υδρο22


Γεωθερμία

0043





14 17 15 17 23

191

76

0

5

10

15

20

25








18


58











ΑΠΕ





US centskWh



05 1

005

8-20 30-35

25-125 12-18

30 5




ΑΠΕ


1998 TWh




US centskWh












Προοπτική



ετησίως













(α)

(β)





955

818

777

430

132

32

8

9

8

79

2

0 200 400 600 800 1000 1200












118

142

16

0

026

02

006

003

0015

002

011

0 2 4 6 8 10 12 14 16
















































































































Βαθμός αποδ 15 5-10 80 42 7 + 25 100 25







03-06 euroKWh

~005 euroKWh

~005 euroKWh


άγνωστο



































































To 2005 822 MWe


To 2005 5200 MWt























eurokWh (1990)



Κύματα

Μικρά ΥΗ

Γεωθερμία




Βιομάζα


ΦΒ

Αιολικά



81 Εισαγωγή











Πηγή Boyle 2004




Διάστημα




















100

19

4

8 617 9

6

2040

715 2446
































νέφωση

































γυαλί






























2008)



























Δέκτης






































[Α=acceptor]

Ε Εc

Εv

Ζώνη




Εg







ζώνη

































αιχμής








Χώρα



MWp

Έτος




Μπαταρίες


























Σχόλια




300-350ordmC












2004



9 ΒΙΟΜΑΖΑ



























CO2 + 2 H2O ([CH2O] + H2O) + O2 (91)


6CO2 + 12 H2O (C6H12O6 + 6H2O) + 6O2 (92)




φως
















(MJkg)

09










66




200



290



82



60



44



52



47



54



64



90



70



276



209




)



59

225


















μεθανόλης
































κηπίου
























λάγματος








αέρια




























































































Μέσο 30 - 40 degAPI 0825-0875











Ανάκτηση

Μεταφορά



∆ιύλιση


Βενζίνη


Κηροζίνη

Μαζούτ












Αέριο


Γ Α Β




Αέριο


Γ Α Β










Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο


Αέριο

Αέριο

Πετρέλαιο

Αλμό-λοιπο











Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια



Αέριο

Υπόλειμμα


Κηροζίνη

Βενζίνη

Αέρια










πετρέλαιο

Απόσταξη










Άλλα



α 4

10

Η αλλ

ηλου

χία τω

ν διεργα

σιών κα

ι τα προ

ϊόντα σε

διυλιστήρ

ιο αργ

ού πετρελα

ίου

(πηγ

ή Βασ

άλος

και

Λεμονίδου

20

02)























2) Βενζίνη

















































0 50 100 150 200 250 300



Ιράκ

ΗΑΕ

Κουβέιτ

Ιράν

Χώρες ΟΟΣΑ













Αφρική

Ανατ Ασία



Ευρώπη












51 Εισαγωγή




































Pd

ΘΔq














N2 08 10 H2S - - CO2 01 -






















CH4+ O2 CO + Η2 + H2O (51)




H2+ frac12Ο2 H2O (52)


CΟ+ frac12Ο2 CO2


CH4+ O2 CO2 + 2H2O (804 KJmol CH4) (53)


2CH4+3O2 2CO + 4H2O (519 KJmol CH4 ) (54)


CH4+ O2 C + 2H2O (55)





55 Χρήσεις












CH4+ Η2Ο CO + 3H2 (56)


CΟ+ Η2Ο CO2 + H2 (57)













2 CH4+ O2 C2Η4 + 2H2O (58)



















26














































ΔΕ= Δm c2 (61)
















Reactor)
































































































40000 TW


173000 TW











Αιολική




























Θερμότητα















































Ηλιακή 01 gt1575 3900000




Γεωθερμική 06 5000 140000000












AΠE135

Ανθρ234

Πετρ350

ΦΑ212

Πυρην69

Άλλες05

Βιομαζα108

Υδρο22


Γεωθερμία

0043





14 17 15 17 23

191

76

0

5

10

15

20

25








18


58











ΑΠΕ





US centskWh



05 1

005

8-20 30-35

25-125 12-18

30 5




ΑΠΕ


1998 TWh




US centskWh












Προοπτική



ετησίως













(α)

(β)





955

818

777

430

132

32

8

9

8

79

2

0 200 400 600 800 1000 1200












118

142

16

0

026

02

006

003

0015

002

011

0 2 4 6 8 10 12 14 16
















































































































Βαθμός αποδ 15 5-10 80 42 7 + 25 100 25







03-06 euroKWh

~005 euroKWh

~005 euroKWh


άγνωστο



































































To 2005 822 MWe


To 2005 5200 MWt























eurokWh (1990)



Κύματα

Μικρά ΥΗ

Γεωθερμία




Βιομάζα


ΦΒ

Αιολικά



81 Εισαγωγή











Πηγή Boyle 2004




Διάστημα




















100

19

4

8 617 9

6

2040

715 2446
































νέφωση

































γυαλί






























2008)



























Δέκτης






































[Α=acceptor]

Ε Εc

Εv

Ζώνη




Εg







ζώνη

































αιχμής








Χώρα



MWp

Έτος




Μπαταρίες


























Σχόλια




300-350ordmC












2004



9 ΒΙΟΜΑΖΑ



























CO2 + 2 H2O ([CH2O] + H2O) + O2 (91)


6CO2 + 12 H2O (C6H12O6 + 6H2O) + 6O2 (92)




φως
















(MJkg)

09










66




200



290



82



60



44



52



47



54



64



90



70



276



209




)



59

225


















μεθανόλης
































κηπίου
























λάγματος








αέρια




































































4. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟusers.auth.gr/users/8/3/010438/public_html/tdk/Teaching/... · 2012. 3....

Documents

Transcript of 4. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟusers.auth.gr/users/8/3/010438/public_html/tdk/Teaching/... · 2012. 3....