Rodzaje energii
ENERGIA
Energia to podstawowa wielkość fizyczna, opisująca zdolność danego ciała materialnego do wykonania określonej pracy.
ZASADA ZACHOWANIA ENERGI
całkowita energia
Izolowanego układu ciął pozostaje stała, przy czym poszczególne rodzaje energii mogą zmieniać swoja wartość Pole zachowawcze-pole, w którym wykonana praca nie zależy od drogi na której została wykonana Pole jednorodne-pole ,w którym natężenie pola ma taka sama wartość w każdym punkcie oraz stały kierunek i zwrot Pole radialne-pole, w którym wektor natężenia pola ma wartość, która zależy tylko od odległości od źródła pola samo pole jest radialnie symetryczne Elektronowolt- jednostka energii potencjalnej w polu elektrycznym Energia wewnętrzna -suma wszystkich rodzajów energii wszystkich cząsteczek Temperatura to średnia Ek cząsteczek Liczba stopni swobody-liczba współrzędnych, którymi możemy opisać daną cząsteczkę ilość ciepła pobranego przez jednostkę masy danego układu powodująca wzrost temperatury układu o jeden stopień Kelvina (1K).
Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię. Stąd światowa produkcja surowców energetycznych od czasu pierwszej rewolucji przemysłowej systematycznie wzrasta.
CZY ENERGIA JEST NAM POTRZEBNA ?
Energia zawsze była i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej wykorzystywanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej do produkcji energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu domostw i oświetlaniu.
Źródła energii pierwotnej to: konwencjonalne (organiczne) paliwa kopalne ( węgiel, ropa, gaz ), paliwo jądrowe, energia geotermiczna i tzw. odnawialne źródła energii. Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energię słoneczna, wodną, wiatrową, pływów i fal morskich, a także energie biomasy. Energia końcowa to energia dostarczana odbiorcy. jest na ogół inną przetworzoną formą energii pierwotnej, choć nie zawsze. Na przykład gaz ziemny jest jednocześnie pierwotnym i końcowym nośnikiem energii. Najcenniejsza forma energii końcowej jest energia elektryczna, która sprawnie i bez zanieczyszczenia środowisko przetwarza się w energię użytkową.
Takie surowce energetyczne jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny to konwencjonalne źródła energii. Perspektywy wyczerpania się paliw kopalnych oraz obawy zanieczyszczenia środowiska naturalnego znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii.
Alternatywne źródła energii i stopień ich wykorzystywania w Polsce i na świecie
Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych. wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, jądrowe, wiatrowe, słoneczne, geotermalne.
Źródła energii dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
- Odnawialne
- Nieodnawialne
Do nieodnawialnych źródeł energii zalicza się surowce, które po wykorzystaniu ulegają rozkładowi należą do nich paliwa kopalne (tj. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa. Z kolei do odnawialnych źródeł energii należą: energia wiatrowa, wodna, słoneczna, geotermiczna (geotermalna) oraz biomasa.
RODZAJE ENERGI :
ENERGIA SŁONECZNA
Energia cieplna pochodząca z promieniowania słonecznego dociera do nas nie tylko wtedy gdy słońce świeci pełnym blaskiem, ale również przy ciemnym zachmurzonym niebie. Energia ta jest najbezpieczniejsza ze wszystkich źródeł uzyskiwania energii. Jest ogromna, ale bardzo rozproszona. By wytworzyć z niej energię elektryczna buduje się elektrownie i ogniwa fotowoloiczne. Do budowy elektrowni wykorzystuje się stal i cement, a do produkowania ogniw - arsen, selen i tellur, czyli pierwiastki toksyczne. Większość tych substancje ulatnia się do atmosfery, zanieczyszczając ją.
Wszystkie domy ogrzewane są przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane tak, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. W takich domach buduje się specjalne okna od strony bardziej nasłonecznionej, a na dachach umieszcza się panele, przez która przepływa zimna woda, która pod wpływem promieni słonecznych nagrzewa się.
Baterie słoneczne, czyli urządzenia elektroniczne też produkują energię elektryczną. Wykorzystują one zjawisko fotowotloiczne do przemiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy.
ENERGIA MECHANICZNA,
energia związana z ruchem układu mech. jako całości lub poszczególnych jego części względem siebie (energia kinet., energia potencjalna).
ENERGIA ELEKTRYCZNA,
energia układu ładunków elektr. nieruchomych (energia elektrostat.) lub ruchomych (energia elektrodynamiczna); w praktyce przez e.e. rozumie się energię prądu elektr.; może być zamieniana w energię promieniowania elektromagnet. (żarówka, dioda luminescencyjna, urządzenia ogrzewcze), lub energię mech. (silniki elektr., głośniki).
ENERGIA SPRĘŻYSTA
(energia odkształcenia sprężystego), energia potencjalna nagromadzona w ciele sprężystym podczas odkształcenia wywołanego obciążeniem; zwracana (prawie w całości) po odciążeniu.
ENERGIA ZEROWA,
energia kinet., jaką zgodnie z mechaniką kwantową ma układ fiz. w najniższym stanie energ. (stan całkowitego spoczynku jest bowiem niemożliwy).
ENERGIA WZBUDZENIA,
energia potrzebna do przeniesienia elektronu ze stanu podstawowego do stanu o wyższej energii (stanu wzbudzonego); ponieważ przejść takich może być wiele, istnieje wiele skwantowanych wartości e.w.
ENERGIA WIĄZANIA,
energia, którą trzeba dostarczyć układowi fiz. (np. jądru atom., cząst.), aby rozdzielić go na poszczególne składniki; e.w. atomów w cząst. jest rzędu eV, nukleonów w jądrze atom. — od kilku do tys. MeV; e.w. układu jest proporcjonalna do niedoboru masy tego układu; zob. też Einsteina . E.w. między atomami w cząst. związków chem. zależy od rzędu wiązania (pojedyncze, wielokrotne) oraz rodzaju atomów i wartościowości pierwiastka; ma w przybliżeniu tę samą wartość w różnych cząst., np. dla C—C wynosi ok. 345 kJ/mol, C=C 602 kJ/mol, a C≡C — 835 kJ/mol.
ENERGIA SWOBODNA
(funkcja Helmholtza, F ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; F = U — TS ( U — energia wewn. układu, S — jego entropia, T — temp. bezwzględna); w izotermicznych procesach odwracalnych równa pracy wykonanej nad układem.
ENERGIA SŁONECZNA,
energia wytwarzana przez Słońce; gł. źródłem e.s. są reakcje termojądr. zachodzące w jądrze Słońca, polegające na przemianie jąder wodoru w jądra helu.
ENERGIA POTENCJALNA,
część energii mech. układu fiz. zależna od wzajemnego rozmieszczenia części układu (np. energia sprężysta) i ich położenia w zewn. polu sił (np. polu grawitacyjnym, polu elektr.).
ENERGIA JONIZACJI,
energia potrzebna do oderwania elektronu od obojętnego atomu lub cząst. i wytworzenia jonu; wartość e.j. zależy od rodzaju atomu (cząst.) i stanu elektronu w atomie; energie potrzebne do oderwania kolejnych elektronów z otrzymanego jonu zwą się odpowiednio drugą, trzecią, ..., e.j.; wyrażana zwykle w elektronowoltach (eV).
ENERGIA WEWNĘTRZNA
( U ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; równa całkowitej energii układu (w e.w. nie uwzględnia się energii kinet. ruchu układu jako całości i energii potencjalnej układu w zewn. polach sił); zmiany e.w. w dowolnym procesie określa I zasada termodynamiki.
ENERGIA WIATROWA
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego poruszające się nad powierzchnią ziemi z pewna prędkością. Masa i prędkość to energia. Energię wiatru można okiełzać i wykorzystać przy pomocy turbin wiatrowych. Elektrownie wiatrowe produkują energia, która wprowadzana jest do sieci energetycznych. Turbiny wiatrowe produkują energię w sposób ekologicznie bezpieczny, jednak niektórzy zarzucają im, że szpecą krajobraz, zakłócając jego naturalne piękno i hałasując.
Energetyka wiatrowa staje się coraz powszechniejsza na świecie. Jej rozwój w nowoczesnej formie datuje się od lat 70-tych. Obecnie moc wszystkich elektrowni wiatrowych na świecie sięga 8000MW.
Dzięki sile wiatru człowiek był w stanie przed pięciuset laty rozpocząć odkrywanie nowych lądów. Żagle pozostały głównym napędem statków do czasów wynalezienia silnika.
Takie wiatraki są charakterystycznym elementem krajobrazu Holandii i USA.
ENERGIA JĄDROWA
Wyzwolenie energii jądrowej polega na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, złożonego z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegają rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder ciężkich atomów rozszczepia się, co zwiększa porcję energii.
Oprócz zjawiska rozszczepiania jąder ciężkich atomów energię możemy otrzymać także innym sposobem. 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.
Energetyka jądrowa była do niedawna najszybciej rozwijającą się dziedziną produkcji energii. Wynikało to głównie z ogromniej wydajności pierwiastków promieniotwórczych, a więc niskich kosztów wytwarzania energii. Przykładem tego będzie następujące porównanie : z 1 grama uranu 235 uzyskuje się tyle samo energii elektrycznej, ile w tradycyjnej elektrowni cieplnej z 2,5 tony paliwa umownego.
Obecnie ok. 19% światowej produkcji energii elektrycznej przypada na elektrownie atomowe. Udział energii utrzymuje się na niezmiennym poziomie od początku lat 80-tych. Główne przyczyny to:
- wysokie koszty budowy elektrowni,
- problem składowania odpadów radioaktywnych,
- negatywne nastawienie opinii publicznej - zwłaszcza po pamiętnej katastrofie w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 r.
Elektrownie jądrowe podczas eksploatacji wywierają negatywny wpływ na środowisko poprzez :
- wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery
- wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
- podczas produkcji paliwa jądrowego powstają również odpady radioaktywne.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia geotermalna - energia wnętrza Ziemi - czyli naturalne ciepło wnętrza naszej planety zgromadzone w skalach i wypełniających je wodach. Jest to stosunkowo młoda metoda pozyskiwania energii gdyż, po raz pierwszy energie geotermalna zastosowano do produkcji elektryczności dopiero w 1904 r. w Larderello (Włochy). Eksploatacje tzw. wodno-dominujących studni geotermalnych rozpoczęto uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większość obecnie pracujących studni geotermalnych pochodzi z lat 70 i 80. tego stulecia. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skalach o temperaturze 200C, na głębokości 2000 m. Obecnie coraz powszechniej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa występuje poniżej głębokości l do 1,5 m. w skalach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zamianę niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10C - 30C) temperatury przydatnej w ciepłownictwie (45C - 80C). Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieje, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata. Aktualnie w Polsce wody geotermalne wykorzystuje się do celów ciepłowniczych zaledwie w dwóch miejscach: w Banskiej Niżnej koło Zakopanego i w Pyrzycach koło Szczecina. Szacuje się, że Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych.
Jednakże ten sposób pozyskiwania energii nie jest tak ekologiczny jak energia wiatru czy słońca. Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na kłopotach wiązanych z emisją szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H^S, który powinien być pochłaniany w odpowiednich instalacjach, co podniosłoby oczywiście koszt produkcji energii elektrycznej. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne stanowi otwarty, nie rozwiązany do tej pory problem techniczny.
ENERGIAWODNA
Energetyka wodna ( hydroenergetyka ) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych ( turbin wodnych ) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych ( np. . w młynach ) oraz elektrowniach wodnych , a także innych urządzeń ( w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych) . Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych ( rzadziej mórz – w elektrowniach pływowych ) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie – mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu . Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru ( odcinek strumienia , rzeki , część zatoki ) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu . Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych. Dla Polski dominujące znaczenie ma hydroenergetyki maja dolna Wisła oraz Dunajec. W 1990 roku produkcja energii elektrycznej z energii wód w Polsce wynosiła 3,3 TW*h, a na świecie – około 2162 TW*h. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energetycznemu wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tak zwanych małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej .
ENERGIA FAL MORSKICH
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC. Na rysunku pokazano schemat takiej elektrowni, zbudowanej na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji. Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.
ENERGIA CIEPLNA OCEANU
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 0C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.
Energia geotermiczna
Energia geotermiczna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Energię tę zliczamy do kategorii energii odnawialnej, bo jej źródło - gorące wnętrze kuli ziemskiej - jest praktycznie niewyczerpalne. W celu wydobycia wód geotermalnych na powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód.
W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Wody geotermiczne są z reguły mocno zasobne, jest to powodem szczególnie trudnych warunków pracy wymienników ciepła i innych elementów armatury instalacji geotermicznych. Energie geotermiczną wykorzystuje się w układach centralnego ogrzewania jako podstawowe źródło energii cieplnej. Drugim zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Jest to opłacalne jedynie w przypadkach źródeł szczególnie gorących. Zagrożenie jakie niesie za sobą produkcja energii geotermicznej to zanieczyszczenia wód głębinowych, uwalnianie się rodanu, siarkowodoru i innych gazów.
Gorące źródła tzw. gejzery są charakterystycznym elementem krajobrazu Islandii, która wykorzystuje je jako źródło ogrzewania i ciepłej wody. Nie wpływa to ujemnie na środowisko naturalne.
ROPA NAFTOWA
Istnieją dwie teorie dotyczące pochodzenia ropy naftowej. Według jednej z nich jest ona nieorganiczna. Powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących we wnętrzu ziemi. Teorie tę popiera nieliczna grupa badaczy. Powszechnie natomiast przyjmuje się, że ropa naftowa ma pochodzenie organiczne. Powstała ze szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych, które w dawnych okresach geologicznych występowały na Ziemi, w morzach i oceanach. Po śmierci osunęły się w błoto na dno morza. Ciepło z głębokich podziemnych rejonów i rosnący ciężar tego błota przemieniły je w ropę naftową, która wytryskuje z wnętrza Ziemi zwykle jako gęsty, czarny, surowy olej. Aby dowiedzieć się gdzie szukać jej złóż należy wykonać odpowiednie badania geologiczne. Potencjalnym miejscem jej występowania są pokłady skał nieprzepuszczalnych pokrywające położone głębiej skały przepuszczalne. Skład ropy jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Jest przerabiana metodami : destylacji, krystalizacji i rafinacji. Podczas gdy ropa jest ogrzewana, ulatniają się par, które są rozdzielane według temperatury wrzenia i skraplania w specjalnych zbiornikach. Powstałe produkty, zwane destylatami, są podstawą do dalszej obróbki w wyniku której otrzymujemy : chemikalia, tworzywa sztuczne, detergenty, gumy, kosmetyki, środki znieczulające, materiały wybuchowe, kleje, farby.
Ropa naftowa nie jest nowością. Znano ją w już starożytności. Wykorzystywano do balsamowania ciał, robienia pochodni, jako leki, a także w technice wojennej jako środek zapalający. Jest ona głównym źródłem energii w transporcie. Podczas jej przewozu dochodzi do katastrof, które wyrządzają duże szkody w środowisku naturalny, skażenia wód oraz zanieczyszczenia fauny i flory. Ropa wylana na powierzchnię morza, może wyrządzić ogromne straty w środowisku, konieczna jest wtedy szybka akcja ratownicza. Gdy plama ropy osiągnie wybrzeże czyszczenie plaży jest czasochłonne i kosztowne.
BIOMASA
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 (np. drewno opałowe z lasów, odpady drzewne z tartaków, zakładów meblarskich i in., słomspecjalne uprawy energetyczne; spalanie biomasy może tu odbywać się:
• w sposób bezpośredni - w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły),
• przy wstępnej gazyfikacji w odrębnych gazy fikatorach, a następnie poprzez spalanie otrzymanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych.
• spalanie śmieci komunalnych (wstępna gazyfikacja lub metoda bezpośrednia);
• wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. rzepak) specjalnie uprawianych dla celów energetycznych);
• fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków lub dowolnego materiału organicznego poddającego się takiej fermentacji, celem wytworzenia alkoholu etylowego do paliw silnikowych,
• beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej (np. odpady z produkcji rolnej lub przemysłu spożywczego) w celu wytworzenia biogazu, a następnie spalanie biogazu w paleniskach kotłowych lub zasilanie nim silników spalinowych, napędzających np. generatory prądu elektrycznego,
• energetyczne wykorzystanie gazu wysypiskowego (stosowana jest technologia odmienna niż w poprzedniej kategorii).
Obecnie w Polsce biomasa wykorzystywana w przemyśle energetycznym pochodzi z dwóch gałęzi gospodarki: z rolnictwa i leśnictwa. Poniżej przedstawione zostały produkty wykorzystywane przy pozyskiwaniu energii.
W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała biomasą 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wynosił 12%. Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10-20 t biomasy, czyli równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Wartości opałowe produktów biomasy na tle paliw konwencjonalnych wynoszą: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny średnio około 25 MJ/kg, a gaz ziemny 48 MJ/kg. Szczególnie cenne energetycznie są słomy rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, zupełnie nieprzydatne rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% daje potencjał 80 PJ energii. W Danii na przykład istnieje 12 000 małych (o mocach 110 MW) i 40 dużych kotłowni opalanych słomą. W Polsce nie ma ani jednego takiego obiektu, pilotowe kotłownie do spalania biomasy będą budowane w najbliższym czasie. Jeśli zaś chodzi o całkowitą biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż produkcja drewna użytkowego. Można zatem stwierdzić, że najpoważniejszym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w Polsce są słoma i odpady drzewne.
Ekologiczne źródła energii i ich wykorzystanie.
Aby funkcjonował współczesny świat, by mogły pracować wszystkie maszyny, fabryki i człowiek mógł wygodnie i spokojnie żyć, potrzeba ogromnych ilości energii. Większość tej energii dostarczają surowce energetyczne: ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel.
Wykorzystanie paliw kopalnianych do produkcji energii elektrycznej niesie za sobą wiele zanieczyszczeń i niebezpieczeństw dla człowieka i jego środowiska. Dlatego człowiek powienien wykorzystać w pełni inne, przyjazne dla środowiska naturalnego żródła energii, których nie brakuje na naszej planecie. Są nimi między innymi: Słońce, wiatr, woda a nawet niektóre rośliny.
WODA
Woda posiada olbrzymie zasoby energii. Od zarania świata drążyła doliny, przecinała góry i formowała całe obszary lądowe.tę siłę wody można ujarzmiać i wykorzystywać.
Już około 2000 lat temu wykorzystywano (bezpośrednio) siłę przepływającej wody, np. w młynach do obracania kół młyńskich. W tym celu wody strumieni lub rzek kierowano na koła bezpośrednio połączone z młynem. Woda spadała na koło młyńskie z góry i napędzała je swoją energią potencjalną. W niektórych średniowiecznych klasztorach za pomocą koła napędzano nie tylko młyny, ale także dzięki systemowi osi i kół zębatych duże maszyny kuchenne służące do wyciskania, mieszania i zgniatania. W późniejszych czasach koło napędzało także urządzenia przemysłowe.
Energia wody musiała być wykorzystana w miejscu jej wytwarzania - było to wadą. Dziś w elektrowniach wodnych przetwarza się energię mechaniczną wody na energię elektryczną, którą przesyła się poprzez sieć energetyczną .
Woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół; na końcu trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd; trwa to około 4,5-5 godzin. Najczęściej nocą, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny radykalnie spada - przeprowadza się cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci - o tej porze jest jej nadmiar i należałoby odstawić bloki w elektrowniach cieplnych, co jest i nieekonomiczne, i kłopotliwe technicznie, elektrownia szczytowo-pompowa akurat odbiera nadmiar mocy. W ciągu 6 godzin zbiornik górny jest ponownie napełniony.
Ponad 6% energii potrzebnej ludzkości jest "produkowane" w ten sposób. Wodzie nie grozi wyczerpanie się, jak paliwom kopalnym - przynajmniej w pewnych obszarach geograficznych - dlatego człowiek powinien wykorzystać ją w pełni, budując coraz więcej hydroelektrowni.
Dwa razy dziennie opada w oceanach poziom wody - jest to tzw. odpływ. W niektórych regionach woda opada o kilka centymetrów, w innych np. u francuskich wybrzeży Atlantyku, nawet o kilka metrów. Tam też u ujścia rzeki Rance, wybudowano (w 1966 roku) pierwszą elektrownię wykorzystującą energię fal morskich przypływów i odpływów. Elektrownia ta wytwarza 544 mln kW energii.
Na świecie istnieje niewiele takich elektrowni. Powodem tego jest trudność w wyborze dogodnych miejsc u wybrzeży (aby nie niszczyć przy tym nadmiernie przyrody), gdyż różnica poziomów przypływu i odpływu musi być odpowiednio duża (by opłacał się nakład sił i środków). Idea wykorzystania przypływów i odpływów do wytwarzania energii nie jest nowa. Już przed 900 laty, głównie w Anglii, budowano młyny wykorzystujące w ten sposób energię fal.
WIATR
Od tysięcy lat energia wiatru w wiatrakach była wykorzystywana do pompowania wody lub mielenia ziarna. Energia wiatru służyła też jako napęd dla żaglowców. Już przed 5000 lat Egipcjanie używali prostych statków z jednym żaglem. W połowie XIX wieku nastąpił prawdziwy rozkwit żeglarstwa. Amerykańskie klipery (żaglowce) wielomasztowe o dużej powierzchni żagli krążyły po morzach z prędkością dochodzącą aż do 40 km/h.
Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem (głównie na obszarach nadmorskich, gdzie ciągle wieje wiatr) energii wiatru jako źródła energii nie zanieczyszczającego środowiska. Współczesne elektrownie wiatrowe nie służą już do wytwarzania energii mechanicznej (np. do poruszania kół młyńskich) lecz do "produkcji" energii elektrycznej. Podstawową rolę w tych elektrowniach pełnią najrozmaitszych kształtów gigantyczne wiatraki z łopatkami o szerokości dochodzącej 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób powstały prąd bezpośrednio do sieci lub akumulują go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru bardzo słabnie.
Pierwsze wiatraki w Holandii pojawiły się już w VIII wieku. Największy rozwój wiatraków następował w XVI i XVII wieku, a po wynalezieniu maszyny parowej nastąpił w ich rozwoju regres. Pod koniec XX wieku wobec kurczących się światowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz większej randze nadawanej problemom ochrony środowiska następuje renesans wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w dziedzinie produkcji i wykorzystania wiatraków jest obecnie Dania. W tym kraju zainstalowanych jest obecnie ok. 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% potrzeb energetycznych tego państwa. Obecna produkcja wiatraków w Danii stanowi, co do wartości trzeci produkt eksportowy tego kraju. W USA do sieci energetycznej przyłączone jest obecnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co zaspakaja ok. 1% ogólnej mocy całego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Przewiduje się w USA, że do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zapotrzebowania tego kraju na energie elektryczną.
Średnie zasoby wiatrów na całej kuli ziemskiej są ponad 1700 razy większe od energii wytwarzanej przez wszystkie istniejące elektrownie cieplne.
W Polsce największe zasoby wiatru znajdują się w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Ale nawet na obszarze Polski centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.
Czy wiatraki służą jedynie do napędzania młynów i generatorów energii elektrycznej?
Otóż nie. Kolejnym ważnym zastosowaniem jest wykorzystanie wiatraka do napędu pompy wodnej. W historii ludzkości tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA stosowało takie rozwiązania bardzo często. Pompa wodna charakteryzuje się niskim kosztem eksploatacji i stosunkowo niskim kosztem początkowym. Ponieważ pompy te stosowane są od wieków, więc również mają bardzo dojrzałe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Szczególnie atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tych pomp w rolnictwie gdzie można przy ich pomocy dostarczać taniej wody użytkowej z istniejących zbiorników otwartych i oszczędzać w ten sposób drogiej wody pitnej. Światowe zasoby wody pitnej są zresztą skromne i ich oszczędzanie jest wskazane. Dlatego nawet kraje wysoko rozwinięte technologicznie używają tych pomp. Pompa wiatrowa doskonale nadaje się również do oczyszczalni ścieków, która to najczęściej oddalona jest od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co znakomicie zmniejsza koszty dalekiego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.
Czy zatem wykorzystywanie siły wiatru ma wyłącznie znaczenie dla ochrony naszego naturalnego środowiska? Myślę, że możemy śmiało powiedzieć, że istnieje również aspekt ekonomiczny skłaniający nas do korzystania z tego darmowego źródła energii.
SŁOŃCE
Energia słoneczna (solarna) także może być bezpośrednim źródłem energii dzięki zastosowaniu tzw. ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka, składająca się z dwóch bardzo cienkich warstw (jedna z krzemu, druga ze stopu krzemu z bizmutem). Padające na nią promienie słoneczne powodują powstanie prądu elektrycznego przesyłanego do obwodów elektrycznych lub akumulatorów. Ogniwa solarne są stale udoskonalane. Być może w przyszłości miejscem ich rozmieszczenia staną się rozległe tereny nie zamieszkane przez ludzi ze względu na panujące tam duże upały. W ten sposób energia uzyskana na obszarach pustynnych mogłaby być przesyłana odbiorcom w innych krajach.
Energię słoneczną można wykorzystać do pozyskiwania energii cieplnej wykorzystując do tego celu instalacje solarne kolektorów słonecznych.Metoda polega na pochłanianiu energii promieniowania słonecznego przez maksymalnie rozwiniętą (mikroporowatą) i poczernioną powierzchnię absorbera.Ciepło z absorbera odprowadzane jest poprzez wężownicę miedzianą i magazynowane w zbiorniku ciepłej wody użytkowej.
W warunkach klimatycznych Polski średnie nasłonecznienie wynosi 1300-2000 godzin rocznie, zaś energia słoneczna przypadająca na 1 m2 wynosi 1100 kWh/m2 rocznie.Przy zastosowaniu płaskich kolektorów słonecznych można uzyskać około 3200 kWh energii rocznie przy instalacji o powierzchni 6m2 (straty wynikające z kąta padania promieni słonecznych, sprawnoci technicznej urządzenia..).
Skojarzenie układu konwencjonalnego z systemem solarnym jest uzasadnione ekonomicznie wtedy gdy uzyskane efekty pokryją koszty instalacji systemu solarnego.
Przy projektowaniu instalacji solarnych o średniej wielkoci (do 50 m2) zakłada się ,że ta energia słoneczna pokrywa 30 % zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie budynku lub 65 % zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.
Dla układu solarnego o powierzchni 6 m2 zainstalowanego w domu jednorodzinnym ( dla pięciu mieszkańców ) możana się spodziewać oszczędności rzędu 300 - 400 litrów oleju opałowego rocznie. Poziom cen polskich kolektorów słonecznych waha się od 500 zł./m2 do 1100 zł./m2 ,do tego należy doliczyć pompę obiegową ,magazyn ciepłej wody użytkowej o pojemnooci ca 250 litrów, sterownik ,rury, montaż. Można się spodziewać, że inwestycja skojarzenia systemu konwencjonalnego z systemem solarnym zamknie się kwotą 8000 do 12000 zł. ( w zależności od zastosowanych urządzeń). Biorąc pod uwagę kroczące ceny energii inwestycja powinna się zwrócić po ośmiu, dziesięciu latach.
W Niemczech realizowany jest program "milion słonecznych dachów", pod tym hasłem stworzono preferencje prywatnym inwestorom montującym instalacje solarne. Już dwa lata temu pracowało w Niemczech 300.000 instalacji solarnych dając oszczędności gospodarce narodowej w ilości 100.000.000 litrów oleju opałowego i zmniejszając tym samym emisję dwutlenku węgla o 100 tysięcy ton. W chwili obecnej ilość instalacji solarnych wzrosła trzykrotnie oznacza to jednoczesne potrojenie oszczędności zużycia oleju opałowego (gazu) i dalsze ograniczenie emisji dwutlenku węgla.
Należy wierzyć ,że w niedługim czasie w Polsce zostanie stworzony dobry klimat dla inwestorów montujących instalacje solarne.
ENERGIA GEOTERMICZNA
Wnętrze Ziemi jest bardzo gorące. Co 100 m w głąb Ziemi temperatura wzrasta o 3*C . W niektórych miejscach na Ziemi, zwłaszcza w pobliżu uskoków geologicznych wrząca woda lub para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne . Krainą gejzerów jest Islandia i Park Yellowstone (USA). Domy i mieszkania stolicy Islandii, Reykjaviku, są ogrzewane energią gorących źródeł tryskających z głębi Ziemi. Regularnie pracujące elektrownie geotermiczne wybudowano w niektórych miejscowościach we Włoszech, Nowej Zelandii, Japonii i USA.
Jak one działają? Otóż wykonuje się dwa odwierty w głąb Ziemi, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert wpompowuje się pod ciśnieniem zimną wodę, która się rozgrzewa, zamienia w gorącą parę i drugim odwiertem dociera na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny wytwarzające prąd.
BIOGAZ
Bardzo korzystna dla środowiska naturalnago jest energia uzyskiwana z odnawialnych (bo odrastających) surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia.
Skąd ona pochodzi?
Otóż głównie z roślin i odchodów zwierzęcych, przez wytwarzanie tzw. biogazu, głównie metanu. Gaz ten powstaje podczas rozkładu substancji organicznych (roślinnych i zwierzęcych), gdy proces ten przebiega bez dostępu powietrza.
Gospodarstwa rolne mogą wykorzystać odpady (np. nawóz naturalny, kompost, słomę), by wytwarzać w specjalnych urządzeniach metan, a następnie spalając go, ogrzewać pomieszczenia i napędzać, odpowiednio w tym celu przebudowane, maszyny gospodarcze. Tego typu urządzenia nie zagrażają środowisku, a ich eksploatacja jest stosunkowo tania.
Metan powstaje również samoczynnie podczas gnicia szczątków organicznych (nawozu naturalnego, kompostu). Nazywamy go gazem szklarniowym, gdyż wraz z dwutlenkirm węgla jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Wobec tego zużywanie wyżej wymienionych odpadów w celu otrzymania biogazu jest dodatkowo korzystne, gdyż przynajmniej w minimalnym stopniu zmniejsza się możliwość powstawania efektu cieplarnianego.
W Indiach wykorzystuje się wysuszone odchody zwierzęce, które służą zamiast drewna za opał w piecach kuchennych i do ogrzewania domów. Spalając je w odpowiednich warunkach, uzyskuje się biogaz celem wytworzenia energii elektrycznej.
Również rośliny stanowią źródło energii, nie tylko służąc za pożywienie dla ludzi i zwierząt, ale również jako źródła biogazu. Hodowla wodorostów (alg morskich, morszczynów) daje możliwości wykorzystania ogromnych powierzchni wód. Np. na nadmorskich farmach u wybrzeży Kalifornii uprawia się pewien gatunek morszczynu, który przyrasta 0,5 metra dziennie. Z roślin tych po ich wysuszeniu i poddaniu procesowi fermentacji, uzyskuje się biogaz. Nadaje się on do wykorzystania w elektrowniach.
Ekologiczne źródła energii mogą w przyszłości pokryć zapotrzebowanie ludzi ne energię. Obecnie zdecydowanie za mały jest ich udział w produkcji energii elektrycznej.
ELEKTROWNIA WODNA
Hydroelektrownia produkuje prąd elektryczny wykorzystując energię spadku wody - najczęściej na zaporach wodnych. Woda przepływając z wyższego poziomu na niższy porusza turbiny wodne sprzężone z prądnicami (generatory). Takie elektrownie zwane przepływowymi, dzielą się na trzy grupy: niskiego spadu (do 15 metrów), średniego (15-50 metrów) oraz wysokiego - powyżej 50 metrów (górną granica osiągniętą jest około 2 tysiące metrów).
W roku 1869 francuski producent papieru Aristide Berges, którego fabryka znajdowała się w Alpach nad brzegiem strumienia, zbudował pierwszą na świecie elektrownię wodną. Pierwsza na świecie elektrownia wodna prądu stałego powstała koło Appleton (USA) w 1882 roku (z kołem wodnym o mocy 25 kW).
Pierwsza większa elektrownia powstała przy wodospadzie Niagara w 1895 roku.
Oprócz elektrowni przepływowych spotyka się również tzw. szczytowo-pompowe gdzie są dwa zbiorniki - górny i dolny, prądnice mogące pracować jako silniki, turbiny oraz pompy. W okresie małego zapotrzebowania mocy woda jest pompowana z dolnego do górnego zbiornika, a wówczas kiedy zapotrzebowanie na prąd jest duże, ruch wody jest odwrotny. Najstarsza tego typu elektrownia powstała w 1907 roku w Szwajcarii. Największą obecnie w Europie jest Dinorwic w Walii.
Ciekawą, choć nieliczną odmianą elektrowni wodnej jest elektrownia pływowa - wykorzystująca różnicę poziomów przypływu i odpływu morza.
W 1984 roku uruchomiono największą elektrownię świata - Itaipu na zaporze na rzece Parana. Elektrownia jest własnością rządów Brazylii i Paragwaju i wytwarza 13 320 megawatów energi.
ELEKTROWNIA JĄDROWA
Elektrownia jądrowa pozwala częściowo zastąpić nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Najczęściej wykorzystuje się w nich ciśnieniowe reaktory wodne. Energii dostarcza tu uran, umieszczony w specjalnych elementach paliwowych, o kształcie kilkumetrowych prętów. Tworzą one rdzeń reaktora. Do kontrolowania zachodzących reakcji służą ruchome pręty sterujące. Przez rdzeń reaktora przepływa woda, odbierając ciepło pochodzące z rozpadu uranu. Choć jej temperatura sięga 300 stopni Celsjusza, to dzięki bardzo wysokiemu ciśnieniu nie dochodzi do wrzenia. Woda trafia następnie do wytwornicy pary. Tam powstaje para wodna rozpędzająca turbiny połączone z generatorami prądu.
Rozpad kilograma uranu dostarcza tyle energii co spalenie 2500 ton węgla kamiennego. Powstaje przy tym mniej zanieczyszczeń niż w tradycyjnej elektrowni.
I pomyśleć, że wystarczy zaledwie 4 gramy paliwa, żeby ogrzać spory dom w czasie zimy!