Nonrenewable Resources : Oiland Natural Gas
Fossil Fuel Reserves
1. Enough coal to last us around 112 years at currentrates of production (Could last longer)
115105new_fossil_fuel_reserves_to_go_on_where_is_coal_map2012
The largestcoal reservesare found inthe U.S. (1st),Russia (2nd),and China(3rd).  Thisaccounts forabout 50% ofall provencoalreserves.
Coal Is a Plentiful but Dirty Fuel
1. Coal: solid fossil fuel
2. Mined: by strip or subsurface mining
Mining causes habitat degradation
Coal contains a lot of sulfur compounds; rainwater runningthrough spoilage heaps causes ground water contamination
3. Burned in power plants; generates 42% of the world’selectricity
Inefficient average coal-fired power plants is onlyabout 30% efficient
4. Three largest coal-burning countries
China
United States
Canada
Problems with Abandoned CoalMines
1. Spoil piles contain a lot of toxic chemicals
2. Rainwater mixes and dissolves chemicals whichleach out and can contaminate groundwater,surface water, the soil, etc.
abandoned mines
Spoil heap of anun-reclaimedmine
Coal Is a Plentiful but Dirty Fuel
1. World’s most abundantfossil fuel
U.S. has 28% of provenreserves
2. Environmental costs ofburning coal
Severe air pollution
Sulfur released as SO2
Large amount of soot
CO2
Trace amounts of Hg andradioactive materials
1516
20 of the world’s worstpolluted cities are inChina!---Acid Rain
The majority of atmosphericmercury is produced bycoal burning power plants
1511_E
Increasing moisture content
Increasing heat and carbon content
Peat
(not a coal)
Lignite
(brown coal)
Bituminous
(soft coal)
Anthracite
(hard coal)
1511_E copy
Heat
Heat
Heat
Pressure
Pressure
Pressure
Partially decayed plantmatter in swamps andbogs; low heat content
Low heat content; lowsulfur content; limitedsupplies in most areas
Extensively used as a fuelbecause of its high heatcontent and large supplies;normally has a high sulfurcontent
Highly desirable fuelbecause of its high heatcontent and low sulfurcontent; supplies arelimited in most areas
Fig. 15-14, p. 382
Stages in Coal Formation over Millionsof Years
E_1515
Waste heat
Coal bunker
Turbine
Cooling towertransfers wasteheat toatmosphere
Generator
Cooling loop
Stack
Pulverizing mill
Condenser
Filter
Boiler
Toxic ash disposal
Science: Coal-Burning Power Plant
Coal Consumption in China & theUnited States, 1980-2008
Supp9_f08
Figure 8, Supplement 9
Acid rain is primarily caused by burning coal! (A lot ofSO2 is given off)
Coal Deposits in the U.S.
Supp8_f19
Figure 19, Supplement 8
Fig. 15-18, p. 384
Advantages
Disadvantages
1. Ample supplies inmany countries
1. Severe landdisturbance andwater pollution
2. Fine particle andtoxic mercuryemissions threatenhuman health
2. High netenergy yield
3. Emits large amountsof CO2, SO2, Mercury,and other pollutantswhen produced andburned
3. Low cost whenenvironmental costsare not included
E_1518
Advantages and Disadvantages of UsingCoal as an Energy Source
The Problem of Coal Ash
1. Types of coal ash:
Ash from burning coal
Ash that contains toxic chemicals as a result ofremoving toxic pollutants from emissions
2. Highly toxic
Arsenic, cadmium, chromium, lead, mercury
Ash left from burning and from emissions
3. Some used as fertilizer by farmers
4. Most is buried or put in ponds
Leachate can contaminate groundwater
The Clean Coal and Anti-CoalCampaigns
1. Coal companies and energy companies fought
Classifying carbon dioxide as a pollutant
Classifying coal ash as hazardous waste
Air pollution standards for emissions
2. 2008 clean coal campaign
But no such thing as clean coal
We Can Convert Coal into Gaseousand Liquid Fuels
1. Coal gasification
Converts solid coal into a gas - Synthetic naturalgas (SNG)
Removes sulfur & most other impurities from coal
2. Coal Liquefaction
Converts solid coal into a liquid such asmethanol or synthetic gasoline
3. SNG and methanol are Synfuels
Fig. 15-19, p. 385
Advantages
Disadvantages
1. Large potentialsupply in manycountries
1. Low to moderate netenergy yield
2. Vehicle fuel
2. Requires mining 50%more coal with increasedland disturbance, waterpollution and water use
3. Lower airpollution than coal
3. Higher CO2 emissionsthan coal
E_1519
Advantages and Disadvantages of UsingSynthetic Fuels
How Does a Nuclear FissionReactor Work?
1.Controlled nuclear fission reaction in a reactor
Light-water reactors
Very inefficient
2. Fueled by uranium ore & packed as pellets infuel rods & fuel assemblies
Control rods absorb neutrons
3. Water is the usual coolant
4. Containment shell around the core for protection
5. Water-filled pools or dry casks for storage ofradioactive spent fuel rod assemblies
E_1520
Fig. 15-20a, p. 387
Small amounts ofradioactive gases
Uranium fuelinput (reactorcore)
Containment shell
Waste heat
Control rods
Heat exchanger
Steam
Turbine
Generator
Hotcoolant
Usefulelectricalenergy
about 25%
Hotwateroutput
Coolant
Moderator
Coolwaterinput
Waste heat
Shielding
Pressurevessel
Coolantpassage
Water
Condenser
Periodic removal andstorage of radioactivewastes and spent
fuel assemblies
Periodic removaland storage
of radioactive
liquid wastes
Water source
(river, lake, ocean)
Pump
Pump
Pump
Pump
Fig. 2-9b, p. 43
E_0209b
Nuclearfission
Uranium-235
Uranium-235
Neutron
Energy
Fission
fragment
n
n
n
n
n
n
Energy
Energy
Energy
Fission
fragment
Radioactive isotope Radioactive decay occurs when nuclei of unstable isotopes
spontaneously emit fast-moving chunks of matter (alpha particles or beta particles), high-energyradiation (gamma rays), or both at a fixed rate. A particular radioactive isotope may emit any one or acombination of the three items shown in the diagram.
What Is the Nuclear Fuel Cycle?
1.Mine the uranium
2.Process the uranium to make the fuel
3.Use it in the reactor
4.Safely store the radioactive waste
5.Decommission the reactor
E_1521
Fig. 15-21, p. 388
Fuel assemblies
Decommissioning
of reactor
Enrichment
of UF6
Reactor
Fuel fabrication
Fuel fabrication
(conversion of enriched UF 6
 to UO2 and fabrication of fuelassemblies)
(conversion of enriched UF 6
 to UO2 and fabrication of fuelassemblies)
Temporary storage
of spent fuel assembliesunderwater or in dry casks
Temporary storage
of spent fuel assembliesunderwater or in dry casks
Conversion
of U3O8
to UF6
Spent fuelreprocessing
Spent fuelreprocessing
Uranium-235 as UF6Plutonium-239 as PuO2
Uranium-235 as UF6Plutonium-239 as PuO2
Low-level radiation withlong half-life
Mining uranium
ore (U3O8)
Mining uranium
ore (U3O8)
Geologic disposalof moderate-
and high-levelradioactivewastes
Geologic disposalof moderate-
and high-levelradioactivewastes
Open fuel cycle today
Recycling of nuclear fuel
What Happened to NuclearPower?
1. Slowest-growing energy source and expected todecline more
2. Why?
Economics
Poor management
Low net yield of energy of the nuclear fuel cycle
Safety concerns
Need for greater government subsidies
Concerns of transporting uranium
Global Energy Capacity of NuclearPower Plants
Supp9_f10
Figure 10, Supplement 9
Top Nuclear Generating Countries
Nuclear Power Plants in theUnited States
Supp8_f21
Figure 21, Supplement 8
Storing Spent Radioactive Fuel RodsPresents Risks
1. Fuel rods must be replaced every 3-4 years
2. Cooled in water-filled pool
3. Placed and stored in dry casks
4. Must be stored for thousands of years
5. Vulnerable to terrorist attack
Chernobyl
Chernobyl
April 26, 1986
In Chernobyl, Ukraine
Series of explosions caused the roof of a reactor building to blow off
Partial meltdown and fire for 10 days
Huge radioactive cloud spread over many countries and eventuallythe world
350,000 people left their homes
Effects on human health, water supply, and agriculture
chernobyl map Caesium-137 contaminated areas in European countries
Radioactive Wastes Produced byNuclear Power
1. High-level radioactivewastes
Must be stored safely for 10,000–240,000 years
2. Where to store it
Deep burial: safest and cheapestoption
Would any method of burial last longenough?
There is still no facility
Shooting it into space is toodangerous
yucca mountain
Yucca Mountain wasthe proposed site forthe storage ofnuclear waste
yucca-mtn-fig1
What Do We Do with Worn-OutNuclear Power Plants?
1. Decommission or retire the power plant
2. Some options
Dismantle the plant and safely store the radioactivematerials
Enclose the plant behind a physical barrier with full-time security until a storage facility has been built
Enclose the plant in a tomb
Monitor this for thousands of years
Can Nuclear Power Lessen Dependence onImported Oil & Reduce Global Warming?
1. Nuclear power plants: no CO2 emission
2. Nuclear fuel cycle: emits CO2
3. Opposing views on nuclear power
Nuclear power advocates
2007: Oxford Research Group
4. Need high rate of building new plants, plus astorage facility for radioactive wastes
Fig. 15-22, p. 389
Conventional Nuclear Fuel Cycle
Low environmentalimpact (withoutaccidents)
Very low net energyyield and high overallcost
Advantages
Disadvantages
Emits 1/6 as muchCO2 as coal
Produces long-lived,harmful radioactivewastes
Low risk of accidents inmodern plants
Promotes spread ofnuclear weapons
E_1522
Trade-Offs
Trade-Offs: Coal versus Nuclear toProduce Electricity
1523
Fig. 15-23, p. 389