Ekologiczne sposoby wytwarzania energii.

Według encyklopedii energia jest to zdolność do wykonywania pracy, wywoływania zmian w materii. Występuje ona w wielu formach (m.in. wodnej, słonecznej, chemicznej, mechanicznej, jądrowej). Zasoby energii możemy podzielić na dwa rodzaje:
- Konwencjonalne, nieodnawialne:
* Paliwa naturalne: węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa.
- Niekonwencjonalne:
* Nieodnawialne: gejzery, złoża uranu, ogniwa paliwowe, wodór
* Odnawialne: wiatr, woda, promieniowane słoneczne, biomasy itp.

Przemiany form energii w życiu codziennym.

Siłę uzyskuje się w wyniku przetwarzania energii pierwotnej. Największe zapotrzebowanie na energię wystąpiło w dobie rewolucji przemysłowej. W 1980 roku zużycie energii wzrosło 10-krotnie, gdzie liczba ludzi zwiększyła się tylko 2,5 krotnie. Wzrost jednostkowego zużycia w przeliczeniu na jednego mieszkańca Ziemi rośnie nadal.

Najczęściej wykorzystywane źródła energii to gaz ziemny, węgiel i ropa naftowa. Na początku w głównej mierze był to tylko węgiel (kamienny i brunatny), ale zmieniło się to w drugiej połowie XX wieku, zwłaszcza w krajach wysoko rozwiniętych. Zastąpiły go (także wymienione wyżej) takie surowce jak ropa naftowa i gaz ziemny, a ważną rolę odegrały tu względy ekologiczne. W trakcie spalania węgla emitowane są do atmosfery szkodliwe pyły i związki głównie siarki. Ropa naftowa jest łatwiejsza do wydobyciu i transporcie (samochodowy, kolejowy, lotniczy i morski), jest też bardziej kaloryczna niż węgiel. Po II wojnie światowej wzrosło znaczenie gazu ziemnego. Gaz ziemny ma wiele zalet: jest wysokokaloryczny, tani w wydobyciu, transporcie, jego zanieczyszczenie środowiska jest minimalne. Jego zużycie rośnie najszybciej i niedługo powinno wyprzedzić zużycie węgla. Mówi się, że gaz jest paliwem XXI wieku. Są to najważniejsze źródła energii, są i minusy. Otóż, oprócz tego, że spalając te paliwa, zaburzamy ich zasoby, to przy okazji produkujemy gazy zanieczyszczające środowisko. Jeśli nawet te gazy nie są główną przyczyną efektu cieplarnianego, którym jesteśmy od pewnego czasu straszeni, nie możemy zaprzeczyć, że będziemy nadal eksploatować te źródła w tym samym tempie co obecnie wyczerpiemy je w przyszłym stuleciu. I co wtedy?


Energia ekologiczna wiąże się z ekologią i ochroną środowiska. Wykorzystując jej możliwości moglibyśmy nadal ‘normalnie’ funkcjonować, a było by to także bardziej korzystne dla naszej planety - dla naszego życia i otoczenia. W kwestii energii ekologicznej, tak jak w nie-ekologicznej mamy wiele rozwiązań i środków. Nowe rozwiązania są także potrzebne z powodu wyczerpanych złóż oraz kryzysów. Możemy korzystać z elektrowni wodnych, wiatrowych, czy słonecznych. Jest także energia geotermiczna czerpana z wnętrza Ziemi, grawitacyjna, wykorzystującej przypływy mórz, ale one tylko w niewielkim stopniu mogą uzupełnić potrzeby świata. Mamy jeszcze energię rozszczepienia jąder atomowych.



Przykłady naturalnych źródeł energii.

Energia wiatrowa.
Energia wiatru jest jednym z najstarszym, znanym od wieków źródeł energii. Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego poruszające się nad powierzchnią ziemi z pewna prędkością., a przecież masa i prędkość to energia. Energię wiatru można okiełzać i wykorzystać przy pomocy turbin wiatrowych, które wytwarzają prąd elektryczny. Elektrownie wiatrowe są nowoczesnymi odpowiednikami dawniej stosowanych wiatraków. Takie elektrownie mają moc około 200 kW. Takie wiatraki są charakterystycznym elementem krajobrazu Holandii i USA.


Energia wodna.
Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną, wykorzystując energię spadku wody. W wielu państwach świata są jednym z głównych źródeł i wytwarzają ponad połowę energii elektrycznej. Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych następuje zamiana energii potencjalnej wody na energię kinetyczną, a ta następnie jest zamieniana na energię elektryczną. Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja w ograniczonym obszarze dużego strumienia przepływu wody. Z uwagi na brak naturalnego spadu dla elektrowni stwarza się sztuczne spady. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej. W Polski dominujące znaczenie w hydroenergetyce maja dolna Wisła oraz Dunajec.
Energię spadku wód wykorzystuje się w położonych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy jazu lub zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu.


Energia pływów mórz.
Przy korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza lub oceanu. Ujście rzeki, która wpływa do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory. Pozwala ona na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu. Taka zasada działania jest podobna do działania zwykłej elektrowni wodnej. Jest to obracająca się turbina połączona z generatorem. Największa tego typu elektrownia znajduje się we Francji (uruchomiona w 1967r) przy ujściu rzeki La Rance do Kanału La Manche. Ma ona moc 240MW.


Energia cieplna mórz.
Energię uzyskuje się też przez wykorzystanie różnicy temperatury wody oceanicznej na powierzchni i w głębi oceanu. Najlepsze warunki istnieją na obszarach równikowych, gdzie różnica temperatur wody wynosi ok. 30C. Wykorzystanie tej różnicy odbywa się przy zastosowaniu amoniaku, freonu lub propanu, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody z głębszych partii. Cała instalacja, wraz z generatorem, znajduje się na pływającej platformie i nosi nazwę elektrowni maretermicznej.


Energia biomasy.
Biomasę określa się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) oraz suchej masy (masa bezwodna).
Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych, obejmujących: spalanie biomasy roślinnej, spalanie śmieci komunalnych, wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych, fermentację alkoholową trzciny cukrowej lub dowolnego materiału organicznego, beztlenową fermentację metanową odpadowej masy.
Obecnie w Polsce biomasa wykorzystywana w przemyśle energetycznym pochodzi z dwóch gałęzi gospodarki: z rolnictwa i leśnictwa.


Energia jądrowa.
Wyzwolenie energii jądrowej polega na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, złożonego z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych. Wobec ubytku masy wydziela energia wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Oprócz rozszczepiania jąder ciężkich atomów energię możemy otrzymać także poprzez tzw. "syntezę jądrową", polegająca na łączeniu dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu ciężkiego. Energia wydziela się w skutek różnicy mas pomiędzy substratami, a produktami reakcji.
Elektrownie jądrowe, które kiedyś wydawały się być dobrą alternatywą są dość ryzykowne, co pokazała katastrofa w Czarnobylu (Ukraina) w 1986r. Jednym z problemów w wykorzystaniu tego źródła są problemy z bezpiecznym składowaniem odpadów promieniotwórczych. Jest także fakt, iż zasoby uranu też są ograniczone. Przy założeniu, że energia jądrowa byłaby jedynym źródłem energii na Ziemi i pochodziłaby tylko z rozszczepienia jąder uranu U235, starczyłoby go zaledwie na kilkanaście lat. Problem być może rozwiąże opanowanie reakcji termojądrowej. Ale póki co, jedynym dobrze pracującym (i najlepszym) rektorem termojądrowym jest Słońce.


Energia słoneczna.
Energia słoneczna umożliwia nieustanny przebieg wszystkich procesów na Ziemi. Z wyjątkiem energii przepływu i odpływu, energii cieplnej wnętrza Ziemi i energii ziemskich reakcji jądrowych, wszystkie rodzaje energii na Ziemi biorą swój początek w promieniowaniu słonecznym. Jemu zawdzięczamy ciepło i światło. Skutkiem jego działania jest energia kinetyczna wiatru (przyczyną ruchu powietrza jest niejednakowe ogrzanie różnych części powierzchni Ziemi).
Tym co różni Słońce od miliarda pozostałych gwiazd jest fakt, iż jest źródłem energii dla wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni ziemi. Ta energia słoneczna która dociera na powierzchnię Ziemi w ciągu 40 minut w postaci promieni słonecznych, jest w stanie pokryć zapotrzebowanie całoroczne człowieka. Według współczesnej wiedzy o wewnętrznej budowie gwiazd, Słońce przedstawia się jako gigantyczny nuklearny kocioł, w którym wodór przemienia się w hel. Przy tej przemianie pierwiastków uwalniają się olbrzymie ilości energii. Z 1g wodoru powstaje nie tylko hel, ale ponad 1012J energii.
Nie jest jednak możliwe pokrycie całej naszej planety kolektorami lub bateriami słonecznymi. Ze wszystkich istniejących źródeł energii, energia słoneczna jest najbezpieczniejsza. Promienie słoneczne, to największe źródło energii na Ziemi, około 10000 razy większe, niż obecne jej zużycie. Aktualnie bardzo mała ilość tego źródła jest wykorzystywana w sposób bezpośredni. Główną częścią energii wykorzystanej przez człowieka jest min. węgiel, olej, naturalny gaz, a nie jest to nic innego, jak inną formą skumulowanej energii słonecznej. W ciągu ostatnich 100 lat zużyliśmy więcej energii niż wszystkie generacje przed nami. Skutki tego niestety już odczuwamy. Coraz większe już zmiany klimatu mogą być jeszcze bardziej odczuwalne dla przyszłych pokoleń. Można jednak temu zaradzić, wykorzystując promieniowanie słoneczne. Energia słoneczna jest czysto ekologiczna, a przede wszystkim
za darmo.

Elektrownie słoneczne mogą opierać się na różnych, procesach konwersji energii. Można tego dokonać bezpośrednio w ogniwie fotowoltaicznym, albo pośrednio przetwarzając promieniowanie słoneczne na ciepło, a następnie ciepło na energię elektryczną.
Energia słoneczna jest jedną z najstarszych źródeł energii. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupiane w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. My zaczęliśmy „pracę” nad tym w XIX w.

Prace nad wykorzystaniem bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną metodą fotowoltaiczną prowadzone są w Polsce od 1973 roku. Polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu wykorzystania tego zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo, aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle aby uzyskać niezbędną moc.
Bateria słoneczna zawiera połączone szeregowo ogniwa słoneczne. Jest to urządzenie elektroniczne, które wykorzystuje zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny (przetwarza światło na energię elektryczną). Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy (bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W). Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników zrobionych z krzemu. Czasem wykorzystuje się także arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Stosuję się to także w małych kalkulatorach oraz zegarkach.

Ogniwa słoneczne są niezawodne. Podstawową cechą instalacji fotowoltaicznych jest brak zapotrzebowania na jakiekolwiek paliwo, a co się z tym wiąże nie ma problemów z transportem i magazynowaniem paliwa. Druga cecha to brak potrzeby na intensywne chłodzenie, więc mogą być budowane z dala zbiorników wodnych. Ogniwa fotowoltaiczne przekształcają także rozproszoną część promieniowania słonecznego padającego na Ziemię oraz nawet z upływam czasu nie stają się mniej wydajne, a ich żywotność wynosi 20 - 30 lat.
Skupiane promieni słonecznych wykorzystuje się w piecach przemysłowych. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre piece, zamiast zakrzywionego zwierciadła wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000oC – właściwą do obróbki wielu metali.



Bibliografia:
A. Hrynkiewicz - Skąd brać energię? „Wiedza i życie” 2000
Encyklopedia PWN
E. Bałabanow - „Energia sztucznego słońca”
E. Rybka - „Astronomia ogólna”
J. Trefil – „1001 spotkań z nauką”
Internet