Co to jest energia – sposoby jej wytwarzania

Encyklopedyczna regułka mówi, że energia, jest to fizyczna wielkość skalarna, służąca do opisu różnych procesów i rodzajów oddziaływania. Inaczej można by powiedzieć, że energia jest to zdolność do wykonywania jakiejś pracy, której celem jest wywoływanie zmian w materii. A w moim rozumieniu energia jawi się jako swoiste „paliwo” do wykonywania zmian w otoczeniu. Paliwo w jego konkretnej odmianie powiązane jest z jakimś zjawiskiem, oddziaływaniem. Postawione pytanie w tytule jest niełatwe, bo choć większość ludzi potrafi policzyć wiele rodzajów wielkości energii takich jak kinetyczna, świetlna czy choćby elektryczna, to określenie w jednym zdaniu, że „energia jest to...” jest zadaniem bardzo trudnym nawet dla geniusza. W zasadzie musimy się pogodzić z tym, że nie ma jednej krótkiej i spójnej definicji tej wielkości. Mimo poznawania coraz to nowych postaci energii, nie poznamy na nią ani jednolitego, uniwersalnego wzoru, ani prostej reguły wyznaczania. Z tego powodu postacie energii rozgranicza się na między innymi: kinetyczną, potencjalną i sprężystości a także elektryczną, świetlną, chemiczną, jądrową i wiele innych.
Postaci energii jest wiele, właściwie można powiedzieć, że jest ona wszędzie gdzie spojrzymy, więc skąd te trudności z jej brakiem czy też problemy związane z uzyskaniem jej małymi kosztami? Należałoby zacząć od tego, że w określeniu „produkcja energii” tkwi pewna nieścisłość. Tak naprawdę, to energii nie produkujemy, tylko przekształcamy jej postać trudną do uniwersalnego wykorzystania na postać bardziej wygodną do przesyłania i uwolnienia, czyli najczęściej na energię elektryczną lub cieplną. Jak dotąd nikomu jeszcze nie udało się wytworzyć energii z niczego, ani z obiektu, który energią wcześniej nie był. Poza tym wielką rolę grają tu poziomy energii. Bo okazuje się, że właściwie nie potrafimy wykorzystywać energii jako takiej, lecz tylko jej nadwyżki ponad poziom odniesienia. Czyli podczas przepływu ze stanu wyższego do niższego. Dlatego nie ogrzejemy mieszkania zimną wodą w grzejnikach, co wcale nie oznacza, że nie ma w niej zgromadzonej energii w postaci ciepła. Gdybyśmy chcieli tą samą wodę ogrzać z zera bezwzględnego do takiej samej zimnej wody to okazałoby się, że tej energii potrzeba bardzo dużo. Ta zasada odnosi się do wszystkich przepływów energii i co ciekawe występuje nawet w przypadku energii jądrowej. Tam też do wykorzystania jest tylko sama nadwyżka energii jąder ciężkich w odniesieniu do energii jąder środka tablicy Mendelejewa.
Jakby na to zagadnienie nie patrzeć, zawsze jest to jakaś wykonana mierzalna praca i należy wskazać podstawową jednostkę, w jakiej się ją wyraża. Ta jednostką jest dżul [J]. Inną jednostką, z którą często można się spotkać to kilowatogodzina [kWh] równa 3,6MJ oraz kilogramometr [kGm], kaloria [cal], elektronowolt [eV], erg [erg] i inne.
Nośniki energii można rozgraniczyć na konwencjonalne, czyli: węgiel, gaz ziemny i ropa naftowa oraz niekonwencjonalne, których lista ostatnimi laty wydłużyła się do znacznych rozmiarów. Z tych tradycyjnych, ze względu na dobrze poznaną technologię, energia przetwarzana jest w elektrowniach na prąd elektryczny najczęściej za pomocą generatorów elektrycznych, które są zasilane energią kinetyczną przez różnego rodzaju instalacje. Najczęstszym pośrednikiem w wymianie energii np. z węgla i innych paliw kopalnych jest para wodna. Dzięki różnicy ciśnień wprawia ona w ruch łopatki turbiny i jednocześnie generator. Następnie wirujące magnesy w wyniku ruchu wirowego pola magnetycznego indukują w zwojnicy energię w postaci prądu elektrycznego. Jest to najpopularniejszy na świecie sposób przesyłania energii na odległość przy stosunkowo niewielkich stratach upływności tejże energii.
Natomiast inne produkty ropopochodne, zwłaszcza te bardziej lotne, wykorzystywane są najczęściej w motoryzacji, gdzie w wyniku spalania napędzają stukowe silniki spalinowe wykorzystując eksplozyjne właściwości spalania tego typu paliwa. Są to jednak źródła, które w dużym stopniu zanieczyszczają planetę i z tego powodu cały czas szuka się innych alternatywnych i przyjaznych dla środowiska źródeł energii.
Bez wątpienia największym źródłem energii na Ziemi jest Słońce. Dostarcza ono tak olbrzymiej energii, że gdybyśmy potrafili zagospodarować, chociaż jeden procent tego, co do nas dociera, to w zupełności zaspokoiłoby zapotrzebowanie całej ludzkości. Wszystkie paliwa kopalne, także powstały dzięki energii słońca, a nawet coraz bardziej popularne siłownie wiatrowe także wykorzystują energię słoneczną, tyle, że przetworzoną wcześniej na ruchy powietrza powodowane różnicą temperatur oraz ciśnień. Jednak najprostszym sposobem pozyskania czystej energii słonecznej są płaskie kolektory słoneczne. Światło padające na warstwę absorpcyjną zamienia się bezpośrednio w ciepło, które można zmagazynować w postaci gorącej wody w zaizolowanym zbiorniku. Dysponując starym oknem i kilkoma elementami bez większego trudu można wykonać taki kolektor we własnym zakresie (patrz zdjęcie). Instalacja ta, mimo niewielkich wymiarów, w okresie letnim dostarczała około 1kW mocy przy pełnym nasłonecznieniu. W bilansie całego sezonu daje to spore oszczędności i satysfakcję z pozyskiwania czystej energii.
Kolejnym urządzeniem potrafiącym pozyskać energię słoneczną są półprzewodnikowe ogniwa fotovoltaiczne, które zbudowane są z płytek czystego krzemu lub arsenku galu. Zamieniają one promienie świetlne bezpośrednio na prąd elektryczny. Chociaż takie baterie są bardzo wygodne w użytkowaniu i tanie w eksploatacji, jak dotąd cena takich instalacji odstrasza, a ich sprawność rzadko przekracza 15 procent, gdzie przy kolektorach słonecznych często wynosi 90 procent. Jednak cały czas poszukiwane są inne światłoczułe substancje dające się łatwo i tanio zastosować w bateriach słonecznych.
Wielkie nadzieje pokłada się w paliwie pod postacią wodoru. Czysty wodór uważany jest przez wielu uczonych za paliwo przyszłości, które niedługo posłuży m.in. do napędzania samochodów. Spalanie kilograma tego gazu daje 120 megadżuli energii oraz czystą wodę. Dla porównania ze spalenia kilograma węgla kamiennego uzyskuje się przeciętnie 25 megadżuli przy znacznym zanieczyszczeniu środowiska.
Stosowane są również specjalne ogniwa paliwowe wytwarzające energię elektryczną w prostym procesie chemicznym zwanym reakcją utleniania. W ogniwach paliwowych, stosowanych m.in. do napędzania pojazdów mechanicznych, wodór i tlen są mieszane w obecności katalizatora przyspieszającego reakcję. Katalizatorem jest platyna. Cząsteczka wodoru (H2) w kontakcie z platyną rozszczepia się na dwa dodatnie jony H+ i dwa wolne elektrony. Elektrony są przechwytywane przez dodatnio naładowaną elektrodę i odprowadzane na zewnątrz jako prąd elektryczny. Tego typu urządzenia mają 50 procentową sprawność i ze względu na brak ruchomych części, dużą niezawodność. Jednak dotychczasowe modele ogniw paliwowych są drogie w budowie z powodu rzadkiego surowca platyny. Kolejną przeszkodą w ich zastosowaniu jest stosunkowo niewielki zakres temperatur, w jakich może ono pracować. Produktem ubocznym tego procesu jest woda sprawiając kłopot przy temperaturach poniżaj zera, gdyż mogłaby zamarzać. Z takiego ogniwa oprócz energii elektrycznej wydzielają się również znaczne ilości ciepła, którego z kolei przy wyższych temperaturach otoczenia trudno się pozbyć. Zupełnie odrębnym problemem jest skuteczne i bezpieczne magazynowanie wodoru.
Najnowszym pomysłem jest zbudowanie elektrowni termojądrowej, czyli potocznie rozpalenie Słońca na Ziemi. W elektrowniach atomowych wykorzystuje się energię uwalnianą podczas rozpadu jąder atomowych ciężkich pierwiastków, na przykład uranu. Z kilograma takiej substancji można uzyskać kilka milionów razy więcej energii niż przy spalaniu paliwa chemicznego. Cena jest jednak wysoka - produkty reakcji są silnie radioaktywne przez tysiące lat, a w wypadku awarii elektrownia może się zamienić w bombę atomową.
Energetyka termojądrowa będzie pozbawiona tych wad. Reakcje, które są jej podstawą, polegają na łączeniu jąder lekkich pierwiastków, takich jak hel, wodór i lit, czemu towarzyszy zamiana około 1 proc. materii w energię. Proces jest całkowicie bezpieczny - jeśli coś się nie uda, reakcja po prostu wygaśnie. W reaktorach termojądrowych nie powstaje pluton, który mógłby zostać wykorzystany do budowy bomb atomowych, a radioaktywne odpady przestają być szkodliwe już po kilkudziesięciu latach. Z izotopu wodoru zwanego deuterem (w jego jądrze oprócz protonu jest jeden neutron) można uzyskać kilkakrotnie więcej energii niż z uranu, a na dodatek to paliwo jest znacznie łatwiejsze do zdobycia. Zdaniem specjalistów od reakcji termojądrowych, tylko w Jeziorze Genewskim jest tyle deuteru, że uzyskana z niego energia wystarczyłaby ludzkości na kilka tysięcy lat!
Aby jednak doszło do połączenia jąder atomów, trzeba je podgrzać do bardzo wysokiej temperatury. Wewnątrz Słońca, które świeci dzięki energii termojądrowej, wystarczy 10 mln C, ale tam reakcję ułatwia potężna grawitacja. Na Ziemi ten proces wymaga temperatury 100-200 mln C - dopiero wówczas będzie on na tyle wydajny, żeby sam zaczął się podtrzymywać. Radioaktywne odpady powstają w reaktorach wykorzystujących deuter i tryt, ponieważ produktem ubocznym reakcji są rozpędzone neutrony bombardujące ściany reaktora. W ten sposób przekazują instalacji energię, ale jednocześnie prowadzą do powstania w jej obudowie promieniotwórczych substancji, co oznacza, że elementy reaktora trzeba będzie wymieniać, co kilka lat. Jeśli jednak jako paliwo zastosujemy deuter i izotop hel-3, produktami reakcji będą tylko nieszkodliwy hel-4 i zwykły wodór. Kłopot w tym, że hel-3 nie występuje na Ziemi. Jest go jednak sporo w kosmosie, na przykład w księżycowych skałach przyniesiony z wiatrem słonecznym. Poszukiwanie takich paliw pomogłoby znowu przyczynić się do szybszej eksploracji kosmosu.
To wszystko zapowiada się dość obiecująco i można mieć nadzieję, że kłopoty z pozyskiwaniem energii kiedyś się skończą, a nasza cienka atmosfera wreszcie odetchnie, chociaż na pewno nie stanie się to prędko.