Vlivy a účinky na ŽP "...s určitými riziky ve vztahu k životnímu prostředí jsou spojeny všechny systémy a druhy lidské činnosti, ať už si toho jsme vědomi, či nikoli..." ŽP (příroda)... nikdy není zakonzervovaná v určitém stavu (nevyvíjející se)... dynamický (kvantitativní i kvalitativní rozvoj) Ekologický faktor (působení, vliv) vše, co ve svém důsledku působí (na základě dosaženého stupně poznání) na stav a kvalitu životního prostředí a na zdraví lidí. bezprostřednost, resp. zprostředkovanost působení: emise -> imise -> vznik bezprostředního účinku (např. onemocnění) Emise škodlivin, verze 2005 1
Účinek na životní prostředí (dopad, "impact") důsledek působení jednoho ekologického faktoru nebo důsledek souhrnného působení více ekologických faktorů projevující se na určitém místě a v určitém čase ve změně stavu a kvality životního prostředí a zdraví lidí. účinky bezprostředně vyvolané působením ekologického faktoru (hynutí lesů) účinky vyvolané předcházejícími účinky v řetězci účinků (narušení vodního režimu krajiny z důvodu hynutí lesů) Základní členění účinků na ŽP účinky na lidské zdraví ("health"), účinky na životní prostředí ("environmental"). Emise škodlivin, verze 2005 2
Účinky na zdraví člověka dle způsobu vzniku: - běžný provoz - havárie dle postižených lidí: - zaměstnanci - veřejnost zaměstnanci: nemoci z povolání, rizika zranění a úmrtí: statisticky dokumentovatelné veřejnost: zdravotní stav, délka života -> mnoho odlišných faktorů (stav ŽP, pracovní prostředí, stresy, kvalita potravin, stravovací návyky, styl života -> velmi obtížné stanovení účinků vzniklých stavem ŽP) dle doby působení: - krátkodobé - střednědobé - dlouhodobé dle stupně účinku: - poškození zdraví - úmrtí Emise škodlivin, verze 2005 3
SOMATICKÉ x GENETICKÉ ÚČINKY mutagenní faktory, dědičné zatížení populace radioaktivní (energetické) záření, chemické látky (Agent Orange) Kvantifikace příspěvku jednoho ekologického faktoru je velmi obtížná (ne-li nemožná) spolupůsobení více ekologických faktorů v jednom časovém okamžiku, působení ekologického faktoru může být mít kumulativní charakter některé účinky se projevují až s odstupem nejistoty v prahu působení a únosném zatížení ŽP (ekosystémů) vzájemné působení jednotlivých složek ŽP řetězce účinků nedostatek znalostí (u některých faktorů známo, že působí, ale ne přesně jak) Emise škodlivin, verze 2005 4
Účinky na životní prostředí dle způsobu vzniku: - při běžném provozu - při haváriích dle územního rozsahu: - lokální - regionální - globální dle délky trvání: - krátkodobé - střednědobé - dlouhodobé Emise škodlivin, verze 2005 5
Členění ekologických faktorů Místní charakter: určuje místo působení ekologického faktoru a vzniku určitého účinku na životní prostředí. - bezprostředně v místě: zápary v povrchových dolech - ve vzdálených místech: dálkový přenos SO 2 Věcný charakter: určuje, která složka(y) životního prostředí zasažena(y), jakým mechanismem k působení a účinkům dochází (pokud je znám). Časový charakter: definuje míru bezprostřednosti vzniku účinku - bezprostřední (např. znečistění vody ropnými deriváty) - zpožděný (kumulativní) charakter (DDT, PCB, CO 2 ) Zjednodušení: povaha, místo a doba vzniku. Emise škodlivin, verze 2005 6
ZÁKLADNÍ PROBLÉMOVÉ OBLASTI - rizika velkých havárií - znečisťování vodních toků a spodní vody - znečisťování přímořských oblastí - zábory území a lidské aktivity s tím spojené - radiace a radioaktivita - tuhé odpady - znečisťování ovzduší - kyselé deště a kyselá "depozice" - poškozování ozónové vrstvy - klimatické změny Emise škodlivin, verze 2005 7
Emise do ovzduší - "Klasické" plyny: SO 2, NO x, CO, CO 2 - "Ostatní" plyny: VOC (těkavé organické látky), fosgen, dioxin VOC.. uhlovodíky (benzen atd.), ost. látky -> velké množství velmi různých a různě působících látek - Tuhé úlety (polétavý popílek) - Těžké kovy (arsén, rtuť, kadmium...) - Radionuklidy (Radium, Thorium, Radon...) - Ostatní "nepřímo" působící látky (CH 4, freony, halony...) Bilance emisí škodlivin do ovzduší Druh Zdroj Přírodní Natrop. (mil. t) CO 2 dýchání, spalovací procesy, odlesňování, Průmyslové procesy 370000 29600 CH 4 mokřady, pěstování rýže, rozkladné procesy Hospodářská zvířata 155 350 Emise škodlivin, verze 2005 8
CO nedokonalé spalování, spalování biomasy 1580 930 VOC užití fos. paliv, průmysl 860 82 NO x spalování fosilních paliv a biomasy, blesky, Rozklad hnojiv v půdě 90 140 SO x spalování fosilních paliv a biomasy, sopky 35 79 Radion. Pronikání z podloží, spalování fos. paliv - 10% Emise škodlivin, verze 2005 9
Emise škodlivin, verze 2005 10
SMOG SMOKE+FOG (Los Angeles) klasický: "kouř" + tuhé úlety (+vzdušná vlhkost) fotochemický: vznik nových látek Fotochemické reakce: "Prekursory" (NO x, VOC) + Slunce -> tzv. "fotochemický" smog: vznik nových látek v atmosféře Ozónové poplachy v létě (lidé negativně pociťují ozón již při 0.001 ppm) Škodliviny: Primární emitované přímo ze zdroje Sekundární vytvářené prostřednictvím chemických reakcí v atmosféře Emise škodlivin, verze 2005 11
Obrázek fotochemické reakce Emise škodlivin, verze 2005 12
Obrázek smog na LA Emise škodlivin, verze 2005 13
Obrázek vzniku smogové inverze Emise škodlivin, verze 2005 14
SMOGOVÉ EPIZODY Donora, Pensylvánie (1948) průmysl, chemie (SO 2, zinek atd.), město situováno v údolí několikadenní déšť, nehybné ovzduší (smogová "polévka") polovina lidí vážně onemocněla (respirační choroby, zhoršení stavu astmatiků a osob se srdečními chorobami) 20 lidí bezprostředně umírá Londýn, (1952) 5 dnů stabilní oblast vysokého tlaku, zvýšení počtu úmrtí o 3000 osob nad týdenní průměr (+ dalších 1500 v několika dalších týdnech) 40% zvýšení příjmu těžkých případů v nemocnici způsobeno kombinací vodní páry, CO, SO 2, dehtu -> spalování uhlí v domácích krbech 1956: opakování smogové epizody, následně přijata razantní opatření Emise škodlivin, verze 2005 15
Kyselý déšť Zdroje: emise SO 2 (spalování fosilních paliv) emise NO x (autodoprava, spalování fosilních paliv) o vznik H 2 SO 4 a HNO 3 v atmosféře Dálkový přenos v atmosféře - až 1000 km vytváření sekundárních sloučenin reakcemi v atmosféře Následný spad škodlivin: Kyselý déšť (mokrá depozice) Suchá depozice (navázání na částice) ph destilované vody: 7 přirozené srážky: 5.0-5.6 (rozpuštěný CO 2 ) nejvíce postižené oblasti: 3 (ocet, pivo, pomeranč. džus) a méně ph 5 - černá káva, ph4 (grapefruit, brambora) ph 9 - jedlá soda, prací prášky, ph 10 - mýdlo (log. stupnice) Emise škodlivin, verze 2005 16
Emise škodlivin, verze 2005 17
Škody na ŽP pokud ph pod 5.1 (resp. 5.5 pro vodní společenství) Účinky poškozování budov, soch, koroze kovů apod. vymývání těžkých kovů z půdu - kontaminace potravních řetězců (ryby a rtuť), vymývání hliníku z půdy a poškozování kořenových systémů poškozování stromů a porostů (přímé poškození či snížení odolnosti proti teplotě a škůdcům) dýchací nemoci (astma, bronchitida) Emise škodlivin, verze 2005 18
Emise škodlivin, verze 2005 19
Obrázek schéma působení kyselých dešťů Emise škodlivin, verze 2005 20
Obrázek schéma kyselé depozice Emise škodlivin, verze 2005 21
KYSELÉ DEŠTĚ A DOPADY NA ZEMĚDĚLSTVÍ Existují přirozené procesy okyselování půdy (návaznost na čerpání živin rostlinami), proces je kompenzován při přirozeném rozkladu biomasy pokud je růst a rozklad biomasy v rovnováze, nedochází ke snižování ph půdy Zvyšování kyselosti půdy má biologické účinky: Následkem snížení ph (přímé účinky) Následkem zvýšení obsahu hliníku a dalších toxických kovů ve vodě obsažené v půdě Následkem snížení obsahu nezbytných biogenních prvků (draslík, vápník, hořčík) V jižní Skandinávii poč. 90. let zjištěno snížené ph o cca 0.5-1 stupeň (1950-1990), ovlivněn půdní profil cca 1m (snížené množství půdních bakterií zpomalení přirozeného rozkladu a snížení živin) Okyselování půdy je pomalejší než vody má větší setrvačnost účinků Konec 90. let v ČR: pokles emisí SO 2 na cca 10-15% původního stavu masivní úhyn lesů (důsledek degradace půdního profilu) Emise škodlivin, verze 2005 22
Okyselování zemědělské půdy: Přirozené procesy (čerpání živin) V důsledku zemědělských procesů (postupů) např. v důsledku rozkladu dusičnatých hnojiv (15-50% celkové kyselosti) Odstraňování biomasy z polí vede k poklesu obsahu přirozených živin a schopnosti půdy vypořádávat se s kyselým spadem Emise škodlivin, verze 2005 23
"NEKONVENČNÍ" ENERGETICKÉ TECHNOLOGIE využívání fosilních surovin (zplyňování, zkapalňování uhlí...) využívání obnovitelných zdrojů nové "jaderné" technologie (vysokoteplotní reaktor) ostatní technologie (metanol, vodík, systém ADAM&EVA) Zplyňovací technologie zplyňování uhlí zplyňování ostatních fos. surovin (roponosné písky a břidlice, ropné "zbytky" atd.) zplyňování biomasy (dřevoplyn) v principu tradiční technologie (výroba svítiplynu) v 70. a poč. 80. let velký boom - vyvinuta nová generace zařízení: - reakce na první ropnou krizi - snaha o radikální zvýšení efektivnosti, spolehlivosti a použitelnosti Emise škodlivin, verze 2005 24
Princip zplyňování (autotermní) endotermní reakce, spotřeba energie kryta "spalováním" části uhlí uhlí + zplyňovací medium (+energie) -> syntézní ("surový") plyn (směs CO, H 2, CO 2, CH 4, N 2, H 2 S, vyšší uhlovodíky - dehty, oleje) + [energie] zplyňovací medium pára, vzduch, kyslík (jejich směsi) určuje složení, kvalitu a výhřevnost plynu vysoce výhřevný plyn Q>16 MJ/m 3 středně výhřevný plyn Q:9-16 MJ/m 3 nízko výhřevný plyn Q:3-9 MJ/m 3 Základní technologie (principy): 1) Zplynování v pevném a sesuvném loži - LURGI (kvalitní kusové uhlí, vysoký obsah uhlovodíků i vyšších v plynu, nižší výtěžnost. historicky nejstarší, zkušenosti z výroby svítiplynu) Emise škodlivin, verze 2005 25
2) Zplynování ve fluidním loži - Winkler (prům. uhlí, drobně drcené, v plynu H 2, CO, CH 4 - téměř bez dehtů, vysoký úlet částic) 3) Hořákové zplynování (KOPPERS-TOTZEK) (mleté i méně kval. uhlí, velmi čistý plyn, vysoká teplota, technicky náročné, vysoká spotřeba kyslíku, vysoký stupeň konverze C) ROZDÍLY: Tlak, teplota, zplyn. médium, vlastnosti uhlí, technické řešení Možné oblasti využití výroba elektřiny (elektrárny s paroplynovým cyklem a integrovaným zplyňováním uhlí) výroba vstupních produktů pro chemický průmysl použití pro výrobu syntetických kapalných paliv Výhody zplyňování vysoká míra odsíření: 99-99.9% (klasické odsiřování spalin 90-92%) - síra z uhlí se konvertuje na H 2 S Emise škodlivin, verze 2005 26
- vysoký tlak -> "malý" objem plynu -> vyšší koncentrace -> účinnější odstranění možnost výroby síry (krystalické) - Claussova jednotka palivo=plyn -> univerzálnější použití, lepší možnost regulace spalovacího procesu (nižší NO x ) spolu s paroplynovým cyklem vyšší účinnost (až 45% i více brutto) ->nižší měrné emise CO 2 "čisté" použití v místě lokální spotřeby možnost výroby "náhradního" ZP: syn. plyn -> metanizace možnost náhrady ropy, zemního plynu -> výroba vstupních produktů pro chemický průmysl technicky i provozně osvědčené ("pilotní" provozy - USA, NSR, GB, Holandsko) technicky realizovatelné (možnost etapové výstavby) Nevýhody zplyňování - ekonomicky (?zatím) nekonkurenceschopné (viz ceny ropy a ZP) - technicky složitější: - vyšší investiční náročnost - nižší provozní spolehlivost Emise škodlivin, verze 2005 27
- kombinovaná produkce chemicky vázané energie a tepla (problém užití tepla) Emise škodlivin, verze 2005 28
Hydrogenační zplyňování uhlí zplyňování uhlí vodíkem (jemně rozemleté uhlí, fluidní vrstva, působení horkého vodíku 900-1000 C, katalyzátor), hlavní produkty: metan (80% plynu) a "polokoks", plynné produkty cca 50-60% výroba tzv. "náhradního" zemního plynu Zplyňování v lázni roztaveného železa (molten iron process), uhlí se spolu s kyslíkem (a vápencem) vhání do lázně roztaveného železa, v kterém se uhlík rozpouští a následně reaguje se zplyňovacím mediem (kyslíkem), vysoká teplota (>1500 C), čistý CO+H 2, CO 2 se redukuje účinkem C na CO, jednoduché odsíření, možnost užití i méně kvalitních uhlí Emise škodlivin, verze 2005 29
Zkapalňování uhlí výroba kapalných paliv přímo z (kvalitního uhlí) směs uhlí, rozpouštědla (oleje), vodíku + vysoký tlak katalyzátory reakce (prvky v uhlí, spec. katalyzátory) IG Farben II. světová válka, 12 chem. závodů - 100000 barelů denně 98% leteckého petroleje z uhlí (účinnost 35-45%) 70. léta JAR nové technologie - účinnost konverze 60-70% NEVÝHODY: ekonomická efektivnost nároky na kvalitu uhlí vysoká spotřeba vodíku Alotermní zplyňování uhlí procesní teplo z vysokoteplotního jaderného reaktoru Paroplynové elektrárny etapová výstavba Emise škodlivin, verze 2005 30
zplyňovací agregát, horký plyn do spalovací (plynové) turbíny (plynový okruh) plynné spaliny pro výrobu páry (parní okruh) podstatné zvýšení účinnosti (45-48%) nižší emise problém ekonomické efektivnosti a technické náročnosti technicky ověřeno Parní reforming metanu (ZP) rozklad metanu vodní párou (800-870 C) za nepřítomnosti kyslíku (niklový katalyzátor: CH 4 + H 2 O <-> CO + 3H 2 ) - silně endotermní reakce opakem je metanizace: CO + 3H 2 -> CH 4 + H 2 O - silně exotermní reakce Výroba kapalných paliv - METANOL katalytická reakce CO + 2H 2 <-> CH 3 OH možnost náhrady motorových paliv Emise škodlivin, verze 2005 31
Systém ADAM & EVA dálková doprava energie chemickou cestou výroba syntézního plynu (EVA) - dodávání energie přenos energie chemicky vázané metanizační jednotka (katalytická reakce) - uvolňování energie, vznik CH 4 a tepla propojení vysokoteplotního reaktoru s místem spotřeby minimální tepelné ztráty dodávky na vzdálenost desítek km otevřený/uzavřený systém Fluidní spalování jedna z cest snížení emisí oxidů dusíku NO x - mechanismus vzniku vysokoteplotní NO x (oxidace N 2 ve spalovacím vzduchu) oxidací chemicky vázaného dusíku v palivu "promptní" NO x (speciální případ oxidace palivového dusíku na "kraji" plamene Emise škodlivin, verze 2005 32
Možnosti snížení snížení teploty hoření snížení lokální koncentrace kyslíku zkrácení doby pobytu v pásmu vysoké teploty FLUIDNÍ VRSTVA částice uvedeny do směšovacího pohybu proudem vhodného media -> přebírají některé vlastnosti kapalin (tuhé částice se vnášejí a promíchávají, hydrostatický tlak) Emise škodlivin, verze 2005 33