Energia i jej rodzaje. Zasada zachowania energii
DEFINICJA ENERGII
Energia jest to elementarna wielkość fizyczna, która opisuje zdolność jakiegoś ciała materialnego do wykonania określonej pracy.
ZASADA ZACHOWANIA ENERGII
Całkowita energia izolowanego układu ciał utrzymuje się stała, gdy poszczególne rodzaje energii mogą zmieniać swoja wartość Pole zachowawcze - jest to takie pole, gdzie wykonana praca nie zależy od drogi na której została wykonana Pole jednorodne - to pole ,w którym natężenie tego pola ma identyczną wartość w każdym punkcie oraz stały kierunek i zwrot. Pole radialne - to pole, w którym wektor natężenia pola posiada wartość, która zależy tylko i wyłącznie od odległości od źródła pola(pole jest radialnie, symetryczne). Elektronowolt- jednostka energii potencjalnej w polu elektrycznym. Energia wewnętrzna ciała - jest to suma wszystkich typów energii wszystkich cząsteczek. Temperatura - to średnia energia kinetyczna cząsteczek. Liczba stopni swobody -jest to inaczej liczba współrzędnych, którymi da się przedstawić konkretną cząsteczkę. Ilość ciepła pobranego przez jednostkę masy danego układu sprawia, że temperatura układu rośnie o jeden stopień Kelvina (1K).
Postęp społeczny i gospodarczy wszystkich państw powoduje, że wzrasta zapotrzebowanie na energię. Dlatego produkcja materiałów energetycznych od czasu pierwszej rewolucji przemysłowej rośnie.
POTRZEBUJEMY W OGÓLE ENERGII
Odpowiedz brzmi tak. Energia była i będzie niezbędna w życiu każdego człowieka. Używamy ją w różnych celach ale najbardziej niezbędna jest do produkcji energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu i oświetlaniu domów.
Znanych jest kilka źródeł energii pierwotnej są to: konwencjonalne (organiczne) paliwa kopalne (węgiel, ropa, gaz), paliwo jądrowe, energia geotermiczna oraz odnawialne źródła energii. Te drugie uwzględniają energię słoneczną, wodną, wiatrową, fal morskich, oraz energie biomasy. Energia ostateczna to energia, która w rezultacie otrzymujemy. Stanowi ona inną przetworzoną formę energii pierwotnej, nie dzieje się tak jednak za każdym razem. Weźmy pod uwagę gaz ziemny. Jest on pierwotnym i końcowym nośnikiem energii. Drogocenną formą energii końcowej jest energia elektryczna, która operatywnie i nie zakażając otoczenia przekształcona zostaje w energię użytkową.
Materiały energetyczne jak np. węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny to typowe źródła energii. Możliwość skończenia się paliw kopalnych i lęk przed zakażeniem otoczenia naturalnego w dużym stopniu podniosły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii.
Zastępcze źródła energii ich zastosowanie w Polsce oraz na świecie
Znamy różne formy energii, różne zastosowania. Potrzebujemy jej przy wyrobach fabrycznych, spedycji, ocieplaniu czy oświetleniu. Najpierw w tą energię zaopatrywało na otoczenie w formie zasobów naturalnych, nieprzetworzonych opału czy paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej lub gazu. Niegdyś przetwarzano energię w wiatrakach lub młynach wodnych. Natomiast nieprzerwany postęp zamówienia na energię i to w bogatych formach, spadek zasobów kopalnianych, względy ekologiczne oraz ekonomiczne powodowały, że człowiek szukał nowych wyzwania w tej dziedzinie. Rozwinięcie techniki w drugiej połowie XIX wieku oraz pojawienie się dużej liczby przyrządów elektrycznych. spowodowało rozwój elektrowni. Celem ich jest zaopatrywać nas w prąd elektryczny. Elektrownie są w stanie brać energię niezbędną do produkcji prądu z najrozmaitszych źródeł. Znane są t elektrownie cieplne, wiatrowe, jądrowe, słoneczne, geotermalne.
Źródła energii podzielić można na dwie podstawowe grupy:
- Odnawialne
- Nieodnawialne
Nieodnawialne źródła energii to substancje, które gdy je zastosujemy rozpadną się są to m.in. paliwa kopalne (np. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa. Natomiast do odnawialnych źródeł energii zalicza się: energię wiatrową, wodna, słoneczną, geotermiczną (geotermalną) i biomasę.
TYPY ENERGI :
ENERGIA SŁONECZNA
Energia ta, jak sam nazwa wskazuje, dostarczana jest do nas z promieniowania słonecznego. Dociera do nas w momencie gdy świeci słońce, jak również gdy mamy ponure, pochmurne niebo. Jest ona najbardziej bezpieczną formą z wszystkich sposobów otrzymywania energii. Energia ta jest niezmiernie duża, ale również i bardzo rozproszona. Gdy chcemy wyprodukować z niej energię elektryczną projektuje się elektrownie i ogniwa fotowoloiczne. Przy konstruowaniu jej używa się stali i cementu, a do tworzenia ogniw - arsen, selen i tellur(toksyczne pierwiastki). Większa część tych surowców przedostaje się do atmosfery, skażając ją.
Każdy z budynków ocieplany jest przez słońce, lecz tylko część z nich buduje w ten sposób, by otrzymać jak najwięcej energii cieplnej. Budynki takie mają szczególne okna od strony gdzie mocniej świeci słońce, natomiast na dachach położone są panele. Przez nie płynie zimna woda, która pod wpływem promieni słonecznych ogrzewa się.
Baterie słoneczne, jest to narzędzie elektroniczne, które również wytwarza energię elektryczną. Posługują się one także zjawiskiem fotowotloiczne do zamiany światła w prąd elektryczny. Niewielkie ogniwo produkuje mały prąd, natomiast większa ilość ogniw razem powiązanych może wyprodukować prąd o użytecznej mocy.
ENERGIA MECHANICZNA,
Związana jest ona z działaniem układu mech. jako całości lub indywidualnych jego elementów względem siebie (energia kinetyczna., energia potencjalna).
ENERGIA ELEKTRYCZNA,
Jest to energia układu ładunków elektrycznych nie poruszających się (energia elektrostatyczna) lub poruszających się (energia elektrodynamiczna). W rzeczywistości przez e.e. uznaje się energię prądu elektr.; może być zastąpiona energią promieniowania elektromagnet. (żarówka, dioda luminescencyjna, urządzenia ogrzewcze), lub energię mech. (silniki elektr., głośniki).
ENERGIA SPRĘŻYSTA
Czyli energia potencjalna(energia odkształcenia sprężystego) zgromadzona w ciele sprężystym w trakcie odkształcenia, które jest spowodowane obciążeniem; zwracana (niemal w całości) po odciążeniu.
ENERGIA ZEROWA,
Jest to energia kinetyczna, którą ma układ fizyczny(zgodnie z mechaniką kwantową) w najniższym stanie energetycznym (stan całkowitego spoczynku jest niewykonalny).
ENERGIA WZBUDZENIA,
Energia konieczna do przeniesienia elektronu ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego(stan o wyższej energii);albowiem przejść takich może być mnóstwo, istnieje dużo skwantowanych wartości e.w.
ENERGIA WIĄZANIA,
Energia, w którą należy zaopatrzyć układ fiz. (np. jądru atom., cząst.), by rozbić go na pojedyncze elementy; e.w. atomów w cząst. jest rzędu eV, nukleonów w jądrze atom. - od kilku do tys. MeV; e.w. układu jest współmierna do braku masy tego układu; zob. też Einsteina. E.w. pomiędzy atomami w cząst. związków chem. zależy od rzędu wiązania (pojedyncze, wielokrotne) ale także od typów atomów i wartościowości pierwiastka; posiada mniej więcej identyczną wartość w różnych cząst., np. dla C-C wynosi ok. 345 kJ/mol, C-C 602 kJ/mol.
ENERGIA SWOBODNA
(funkcja Helmholtza, F ), jest jednym z rodzajów funkcji stanu termodynamicznego; F = U - TS ( U - energia wewnętrzna. układu, S - entropia, T - temp. bezwzględna); w izotermicznych procesach odwracalnych równa pracy wykonanej nad układem.
ENERGIA SŁONECZNA,
Produkowana jest przez Słońce; gł. źródłem jej są reakcje termojądrowe, które mają miejsce w jądrze Słońca, odpowiedzialne za zamianę jąder wodoru w jądra helu.
ENERGIA POTENCJALNA,
Fragment energii mech. układu fiz. zależna od wzajemnego położenia fragmentów układu (np. energia sprężysta) oraz ich lokalizacji w zewn. polu sił (np. polu grawitacyjnym, polu elektr.).
ENERGIA JONIZACJI,
Niezbędna jest ona do odłączenia elektronu od obojętnego atomu lub cząst. i uformowania jonu; wartość e.j. zależy od typu atomu (cząst.) oraz położenia elektronu w atomie; energie niezbędne do odłączenia następnych elektronów z uzyskanego jonu nazwane zostały odpowiednio drugą, trzecią, ..., e.j.; podaje się na ogół w elektronowoltach (eV).
ENERGIA WEWNĘTRZNA
Oznaczamy ją przez U, jedna z funkcji stanu termodynamicznego; równa całkowitej energii układu (w e.w. nie bierze pod uwagę energii kinet. ruchu układu jako całości oraz energii potencjalnej układu w zewn. polach sił); przejście e.w. w możliwym procesie definiuje I zasada termodynamiki.
ENERGIA WIATROWA
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego, które przemieszczają się nad warstwą ziemi z jakąś prędkością. Masa i prędkość to energia. Energię wiatru można poskromić następnie wykorzystać przy użyciu turbin wiatrowych. Elektrownie wiatrowe wytwarzają energię, która umieszczana jest w sieciach energetycznych. Turbiny wiatrowe wytwarzają energię w sposób nieszkodliwy, zdarzają się także tacy którzy przypisują im, że psują pejzaż, hamując jego wrodzony urok i hałasując.
Energetyka wiatrowa staje się coraz bardziej ogólnoświatowa. Jej postęp w współczesnej postaci datuje się od lat 70-tych. Aktualnie moc wszelkich elektrowni wiatrowych na całym świecie osiąga 8000MW.
Z powodu mocy wiatru istota ludzka był w stanie przed pięciuset laty zapoczątkować poszukiwanie nowych lądów. Żagle pozostały podstawowym motorem statków aż odkryto silnik.
Wiatraki są specyficznym szczegółem pejzażu Holandii czy USA.
ENERGIA JĄDROWA
Wyzwolenie energii jądrowej opiera na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, zbudowanego 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 docierają do innych jąder, które następują rozszczepieniu. W wyniku czego tworzy coraz dużo wolnych neutronów i coraz więcej jąder ciężkich atomów rozbija się, co powiększa porcję energii.
Poza zjawiskiem rozszczepiania jąder ciężkich atomów energię uzyskujemy także innym sposobem. Poprzez tzw. "syntezę jądrową", polegająca na splataniu dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu ciężkiego. Energia rozdziela się dzięki różnicy mas między substratami a produktami reakcji.
Energetyka jądrowa ostatnio była najbardziej rozwijającą się dziedziną produkcji energii. Działo się tak przede wszystkim z powodu z dużej efektywności pierwiastków promieniotwórczych, a co idzie za tym niskich kosztów produkowania energii. Na przykład : z 1 grama uranu 235 otrzymuje się tyle samo energii elektrycznej, co w tradycyjnej elektrowni cieplnej z 2,5 tony paliwa umownego.
Aktualnie ok. 19% wyrobu energii elektrycznej na świecie przypada na elektrownie atomowe. Wkład energii utrzymuje się na taki samym poziomie od lat 80-tych. Źródło tego powodu jest następujące:
- wysokie koszty konstrukcji elektrowni,
- problem magazynowania odpadów radioaktywnych,
- negatywny stosunek opinii publicznej - głównie po dramacie w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 r.
Elektrownie jądrowe w trakcie eksploatacji wywołują negatywny oddziaływanie na otoczenie poprzez :
- wydzielanie substancji promieniotwórczych do atmosfery
- wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
- w czasie wyrobu paliwa jądrowego powstają odpady radioaktywne.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia geotermalna - energia wnętrza Ziemi - innymi słowy wrodzone ciepło wnętrza naszej planety nagromadzone w skalach i wypełniających je wodach. Jest to świeża procedura nabywania energii ponieważ, po raz pierwszy energię geotermalną wykorzystano do produkcji elektryczności w 1904 r. w Larderello (Włochy). Eksploatacje tzw. wodno-dominujących studni geotermalnych zapoczątkowano zrealizowaniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większa część działających studni geotermalnych wywodzi się z lat 70 i 80. tego stulecia. Najbardziej znaną lokalizacją wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), stworzony w skalach o temperaturze 200°C, na głębokości 2000 m. Aktualnie wszechstronnie wykorzystuje się pompy cieplne, które pozwalają skorzystać z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa ma miejsce poniżej głębokości l do 1,5 m. w skalach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne pobudzane energią elektryczną lub gazową dopuszczają na poprawę niskich temperatur otrzymywanych z ziemi (10°C - 30°C) temperatury osiągalnej w ciepłownictwie (45°C - 80°C). Powszechność występowania energii geotermalnej zezwala myśleć, iż nie długo będzie ona podstawową formą ogrzewania domów wolnostojących, dalekich od scentralizowanych struktur ciepłowniczych, tak jak jest aktualnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w mnóstwu innych rozwiniętych państwach świata. obecnie w Polsce wody geotermalne stosuje się do ocieplania tylko dwóch miejsc: w Banskiej Niżnej koło Zakopanego i w Pyrzycach koło Szczecina. Wylicza się, że Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych.
Lecz ten rodzaj uzyskiwania energii nie jest tak nieszkodliwy jak energia wiatru czy słońca. Użytkowanie energii geotermalnej jest przyczyną znaczne problemy ekologiczne, z których największy opiera się na problemach wiązanych z emisją niesprzyjających gazów wydobywających się z geopłynu. Mowa tu o siarkowodorze H^S, który powinien być umieszczany w pewnych instalacjach, co spowoduje wzrost ceny wytwarzania energii elektrycznej. Poza tym są jeszcze inne niebezpieczeństwa dla naszego zdrowia sprawia je radon(produkt rozpadu radioaktywnego uranu),który ulatnia się wraz z parą ze studni geotermalnej. Zły wpływ tego gazu na otoczenie naturalne wyznacza sporny, nie rozwiązany do dnia dzisiejszego dylemat techniczny.
ENERGIAWODNA
Energetyka wodna ( hydroenergetyka ) zajmuje się nabywaniem energii wód i jej produkcją na energię mechaniczną i elektryczną za pomocą silników wodnych ( turbin wodnych ) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych ( np. . w młynach ) oraz elektrowniach wodnych , ale również innych urządzeń ( w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych) . Energetyka wodna polega na zastosowaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz - w elektrowniach pływowych) o ogromnym natężeniu przepływu i dużym spadzie - mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej biorąc pod uwagę straty przepływu . Zastosowanie w elektrowniach energii wód śródlądowych i pływów wód morskich opiera się na ograniczeniu w granicach pewnego obszaru (odcinek strumienia , rzeki , element zatoki ) naturalnych strat energii wody i pozyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu . Poza zadaniem energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe dokonują także inne zaleceń, np. ochrona przeciwpowodziowe, regulacja przepływu. Ogromny sens posiadają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, zezwalające na używanie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zapasów energii wód, tzw. zasobów hydroenergetycznych. U nas przeważające znaczenie na rozwój hydroenergetyki mają Wisła i Dunajec. W 1990 roku wyrób energii elektrycznej z energii wód w Polsce dała wynik 3,3 TW*h, na świecie natomiast - 2162 TW*h. W ostatnich czasach dużo troski poświęca się energetycznemu zastosowaniu niedużych cieków wodnych przez konstrukcję małych elektrowni wodnych; odnosi się to przede wszystkim do tych cieków, na których są już narzędzia piętrzące stosowane do innych celów. Postęp hydroenergetyki jest taki szybki, ponieważ koszt energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni wodnej jest mniejszy niż energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowni cieplnej .
ENERGIA FAL MORSKICH
Znamy dwa wyjścia zastosowania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. Pierwszym sposobem jest woda morska pchana stopniowymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do umieszczonego na górze pojemnika. W momencie gdy w pojemniku jest odpowiedni poziom wody, wtedy przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową, sprzężoną z generatorem. Gdy woda przepłynie przez turbinę powraca do morza. Zastosowana jest tutaj transformacja energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Aparatura taka działa od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen niedaleko Bergen dając moc 350kW. Rozwiązanie to zapisuje się jako OWC. Drugi sposób polega na tym, że pojemnik jest umocowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części pojemnika. Sprężone przez fale powietrze powoduje ruch turbiny Wellsa, która popycha generator. Sposób ten określany jest skrótem MOSC. Norwegia buduje elektrownie z zastosowaniem fal morskich o mocy MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC wytwarza się aktualnie w Szkocji. Będzie ona posiadała moc 2000MW i posiadać będzie moduły po 5MW. Będzie także zabezpieczała brzeg morski przed uszkodzeniem.
ENERGIA CIEPLNA OCEANU
Zamiana energii cieplej oceanu to zastosowanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi oceanu albo morza. Da się tak zrobić terytoriach równikowych; woda morska posiada tam na obszarze temperaturę ok. 30 0C, na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 0C. Zastosowanie tej różnicy opiera się na wykorzystaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej oraz jest skraplany przy pomocy wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem może być amoniak, freon lub propan. Konstrukcja wraz z generatorem jest na platformie pływającej.
Energia geotermiczna
Energia geotermiczna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Kwalifikujemy ją do klasy energii odnawialnej, ponieważ jej przyczyna - gorące wnętrze kuli ziemskiej - jest w zasadzie niewyczerpalne. Gdy chcemy wydobyć wódy geotermalne na powierzchnię czyni się odwierty do głębokości zalegania tych wód.
W konkretnej odległości od otworu czerpalnego robi się drugi wlot, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się ponownie do złoża. Wody geotermiczne są na ogół silnie zasobne, jest to źródłem skomplikowanych warunków pracy wymienników ciepła oraz innych elementów armatury instalacji geotermicznych. Energie geotermiczną znalazły zastosowanie w układach centralnego ogrzewania jako główne źródło energii cieplnej. Kolejnym wykorzystaniem energii geotermicznej jest wyrób energii elektrycznej. Przynosi to dochody tylko w przypadkach źródeł zwłaszcza gorących. Niebezpieczeństwo jakie powoduje wytwarzanie energii geotermicznej to skażenie wód głębinowych, wyzwalanie się rodanu, siarkowodoru oraz wielu różnych gazów.
Gorące źródła tzw. gejzery są specyficznym szczegółem pejzażu Islandii, która używa ich jako źródło ogrzewania i ciepłej wody. Nie powoduje to szkodliwego wpływu na otoczenie naturalne.
ROPA NAFTOWA
Znamy dwa hipotezy , które mówią skąd się wzięła ropa naftowa. Pierwsza teoria mówi iż jest ona nieorganiczna. Powstaje z reakcji chemicznych, które powstają we wnętrzu ziemi. Hipotezę tę akceptuje niewielki zespół badaczy. Druga teoria mówi, iż ropa naftowa ma pochodzenie organiczne. Powstała ze szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych, które w zamierzchłych okresach geologicznych były na Ziemi, w morzach i oceanach. Po śmierci osunęły się w błoto na dno morza. Ciepło pochodzące z głębokich podziemnych obszarów i wzrastający ciężar tego błota zamieniły je w ropę naftową, która tryska z wnętrza Ziemi na ogół jako gęsty, czarny olej. Żeby poznać gdzie można ją znaleźć jej trzeba zrobić pewne badania geologiczne. Ewentualnym miejscem jej występowania są warstwy skał nieprzepuszczalnych pokrywające umieszczone głębiej skały przepuszczalne. Zawartość ropy różna i zależy od obszaru wydobycia. Przekształca się ją w następujący sposób: destylacji, krystalizacji i rafinacji. Gdy grzejemy ropę ulatnia się para, którą dzieli się wedle temperatury wrzenia i skraplania w odpowiednich pojemnikach. Wytworzony wyrób, nazwany został destylatami, i są one później podłożem do dalszej obróbki w wyniku czego uzyskujemy: chemikalia, tworzywa sztuczne, detergenty, gumy, kosmetyki, środki znieczulające, materiały wybuchowe, kleje, farby.
Ropę naftową odkryto już w starożytności. Zastosowano ją do balsamowania ciał, tworzenia pochodni, jako lekarstwo, również w technice wojennej jako specyfik zapalający. Jak wiemy ropa naftowa jest podstawowym elementem w transporcie. Niejednokrotnie w czasie przewożenia jej dochodzi do wypadków, które powodują ogromne straty w środowisku naturalnym, zanieczyszczenia wód oraz skażenia fauny i flory. Gdy wyleje się ona powierzchnię morza, może spowodować gigantyczne szkody w środowisku, potrzebna jest wtedy natychmiastowa akcja ratownicza. Gdy plama ropy zajmie wybrzeże oczyszczanie plaży jest długie i drogie.
BIOMASA
Biomasę definiuje się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyraża się ją w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) i suchej masy (masa bezwodna).
Określenie biomasa obejmuje cały ciąg odnawialnych technik energetycznych, zawierających:
spalanie biomasy roślinnej (np. drewno opałowe z lasów, odpady drzewne z tartaków, zakładów meblarskich i in., słom, specjalne uprawy energetyczne; spalanie biomasy może dziać się:
-metodą bezpośrednią - w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły),
-przy początkowej gazyfikacji w odrębnych sektorach, a później przez palenie uzyskanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych.
- palenie śmieci komunalnych (wstępna gazyfikacja lub metoda bezpośrednia);
-produkowanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. rzepak), które są rozmyślnie uprawiane dla celów energetycznych;
- fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków czy umownego materiału organicznego, który poddaje się takiej fermentacji, by uzyskać alkohol etylowy do paliw silnikowych,
-beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej (np. nieczystości z pracy rolnej lub przemysłu spożywczego) by uzyskać biogaz, a później palenie biogazu w paleniskach kotłowych lub zasilanie nim silników spalinowych, napędzających np. generatory prądu elektrycznego,
-energetyczne zastosowanie gazu wysypiskowego (wykorzystywana jest technika inna niż w pozostałej kategorii).
Aktualnie w naszym kraju biomasa znalazła zastosowanie w branży energetycznej czerpie ona z dwóch gałęzi gospodarki: rolnictwa i leśnictwa. Teraz ukażemy substancje wykorzystywane przy nabywaniu energii.
W 1984r. biomasa roślinna zajmowała 13% wyrobów energii, przy czym Kanada obejmowała biomasą 7% zapotrzebowań energetycznych, USA natomiast 4% zapotrzebowań. Rok 1990 przyniósł wkład biomasy w światową produkcję energii rzędu 12%. Generalnie z 1 ha użytków rolnych gromadzi się w ciągu roku 10-20 ton biomasy, to znaczy równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo gromadzą w naszym kraju biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Koszty opałowe wyrobów biomasy w stosunku do typowych benzyn wynoszą: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, węgiel kamienny przeciętnie około 25 MJ/kg, gaz ziemny 48 MJ/kg. Zwłaszcza drogie energetycznie są słomy: rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, kompletnie bezużyteczne rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% da nam potencjał 80 PJ energii. Np. Dania posiada 12 000 niedużych (o mocach 110 MW) i 40 większych kotłowni opalanych słomą. Polska nie dysponuje obecnie żadnym takim obiektem, pilotowe kotłownie do palenia biomasy prawdopodobnie będą konstruowane w najbliższej przyszłości. Jeżeli mamy na myśli biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż wyrób drewna użytkowego. Można powiedzieć, że głównym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w naszym kraju jest słoma i odpady drzewne.
Nieszkodliwe źródła energii , ich zastosowanie.
By sprawnie przebiegał dzisiejszy świat, aby mogły wykonywać pracę wszelkie maszyny, fabryki i aby każdy z nas żył komfortowo i spokojnie, potrzeba dużych zasobów energii. W dużą część tej energii zaopatrują nas surowce energetyczne takie jak ropa naftowa, gaz ziemny czy węgiel.
Zastosowanie paliw kopalnianych do wyrobu energii elektrycznej ciągnie za sobą wiele skażeń i zagrożeń dla człowieka i jego otoczenia. W związku z tym powinniśmy wykorzystywać całkowicie inne, przychylne dla otoczenia naturalnego źródła energii, których jest pod dostatkiem na naszej ziemi. Są to np.: Słońce, wiatr, woda a także niektóre rośliny.
WODA
Woda ma ogromne zasoby energii. Od początku świata drążyła doliny, przecinała góry i ukształtowała całe obszary lądowe. Siłę wody można ujarzmiać i zastosować do przeróżnych celów.
2000 lat temu zastosowano (bezpośrednio) siłę przepływającej wody, choćby w młynach do obracania kół młyńskich. Strumień wody lub rzeki nakierowywano na koła młynów. Woda upadała na koło młyńskie z góry i napędzała je swoją energią potencjalną. Także w średniowiecznych klasztorach przy użyciu koła napędzano nie tylko młyny, ale również dzięki strukturze osi i kół zębatych ogromne urządzenia kuchenne służące do wyciskania, mieszania i zgniatania. Później koło popychało również maszyny przemysłowe.
Energia wody musi być produkowana tam gdzie jest wyrabiana - było to niejednokrotnie problemem. W dzisiejszych elektrowniach wodnych zmienia się energię mechaniczną wody na energię elektryczną, którą później przekazuje się ją przez sieć energetyczną .
Woda z kontenera górnego w czasie najwyższego poboru mocy opuszczana jest rurami w dół; na koniec dociera do turbiny z generatorem i produkuje prąd; zajmuje to mniej więcej 4,5-5 godzin. Przeważnie nocą, gdy zamówienie na prąd elektryczny maleje - wykonuje się cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w minionym cyklu pełnił funkcję generatora) zabiera energię elektryczną z sieci - wtedy jest jej nadwyżka i pasowałby odstawić budynki w elektrowniach cieplnych, co nie jest oszczędne, i niezręczne technicznie, elektrownia szczytowo-pompowa właśnie przyjmuje nadwyżkę mocy. W czasie 6 godzin pojemnik górny jest znowu pełny.
Powyżej 6% energii, którą potrzebujemy jest "wytwarzana" właśnie takimi metodami. Wodzie się nam nie skończy, jak dziej się np. z paliwem kopalnym - dziej się tak w niektórych terenach geograficznych - toteż powinniśmy wykorzystać ją w pełni, budując nowe hydroelektrownie.
W ciągu dnia dwukrotnie poziom wody w oceanie opada - jest to tzw. odpływ. Gdzieniegdzie woda zapada się o parę centymetrów, w innych np. u francuskich wybrzeży Atlantyku, spada o kilka metrów. Tam właśnie u ujścia rzeki Rance, skonstruowano (w 1966 roku) pierwszą elektrownię, w której zastosowano energię fal morskich przypływów i odpływów. Elektrownia ta produkuje 544 mln kW energii.
Na świecie jest kilka takich elektrowni. Dziej się tak, ponieważ z trudem znaleźć odpowiednie miejsce u wybrzeży (tak by nie zniszczyć zbytnio natury), ponieważ różnica poziomów przypływu i odpływu powinna być stosunkowo duża (tak by pokryte zostały nakład sił i środki). Pomysł zastosowania przypływów i odpływów do produkowania energii wymyślono już dawno. Przed 900 laty, szczególnie w Anglii, konstruowano młyny wykorzystujące tą metodą energię fal.
WIATR
Od wieków energia wiatru w wiatrakach stosowana była do pompowania wody czy rozdrabniania ziarna. Energia wiatru nadawała się także jako napęd dla żaglowców. Pięć wieków temu już Egipcjanie posługiwali się prostymi statkami z jednym żaglem. Kwitnięcie żeglarstwa przypadło na połowę XIX wieku. Amerykańskie klipery (żaglowce) , posiadające kilka masztów o ogromnym obszarze żagli pływały po morzach z prędkością, która dochodziła czasami nawet do 40 km/h.
Współcześnie przeprowadzane są doświadczenia nad zastosowaniem (przede wszystkim na terenach nadmorskich, gdzie cały czas wieje wiatr) energii wiatru jako źródła energii nie skażającego środowiska. Aktualnie elektrownie wiatrowe nie nadają już do produkowania energii mechanicznej (np. do obracania kół młyńskich) ale do wytwarzania energii elektrycznej. Główną funkcję w tych elektrowniach pełnią o różnym wyglądzie wiatraki z łopatkami o szerokości bliskiej 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, ukierunkowując wytworzony prąd natychmiast do sieci lub gromadzą go w akumulatorach na czas, gdy siła wiatru maleje.
Pierwsze wiatraki w Holandii wyprodukowano w VIII wieku. Duży postęp wiatraków był w latach w XVI i XVII wieku, a po odkryciu maszyny parowej nadszedł w ich postępie regres. Z końcem XX wieku w obliczu kurczących się światowych zapasów paliw energetycznych oraz jeszcze większej randze nadawanej kłopotom ochrony środowiska występuje odrodzenie wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w strefie wyrobu i zastosowania wiatraków jest aktualnie Dania. Jest tam zainstalowanych ponad 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% zapotrzebowania energetycznych tego państwa. Aktualnie wyrób wiatraków w Danii przedstawia, co do wartości trzeci wyrób eksportowy tego kraju. Natomiast w USA do sieci energetycznej podłączone jest aktualnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co w zupełności zaspakaja ok. 1% całkowitej mocy kompletnego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Prognozuje się, że w USA do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zamówienia tego kraju na energie elektryczną.
Przeciętne zapasy wiatrów na całej kuli ziemskiej sąponad1700 razy większe od energii produkowanej przez wszelkie obecne elektrownie cieplne.
W naszym kraju dużo zapasów wiatru jest w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Jednakże w Polsce centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.
Czy wiatraki wykorzystywane są tylko do napędzania młynów, generatorów energii elektrycznej?
Odpowiedz brzmi nie. Następnym istotnym wykorzystaniem wiatraka jest zastosowanie go do napędu pompy wodnej. Tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA wykorzystywało takie sposoby dość często. Pompa wodna cechuje się bardzo małą ceną eksploatacji i względnie małym kosztem pierwotnym. Jako, że pompy te wykorzystywane są od dawna, więc mają bardzo gotowe sposoby konstrukcyjne i technologiczne. Głównie korzystne cenowo jest wykorzystanie tych pomp w rolnictwie gdzie za pomocą ich można niskim kosztem zaopatrzyć w wodę użytkową z bieżących zbiorników otwartych i oszczędzać na kosztownej wodzie pitnej. Światowe zapasy wody pitnej są małe i ich oszczędzanie jest konieczne. Skutkiem tego kraje bardzo rozwinięte technologicznie stosują te pompy. Pompa wiatrowa pod każdym względem nadaje się także do oczyszczalni ścieków, która często budowana jest daleko od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co doskonale osłabia koszty odległego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.
Więc czy zastosowania potęgi wiatru ma znaczenie tylko dla zabezpieczenia naszego naturalnego środowiska? Możemy stanowczo stwierdzić, iż jest także przejaw ekonomiczny skłaniający nas do wykorzystywania tego bezpłatnego źródła energii.
SŁOŃCE
Energia słoneczna (solarna) również jest prostym źródłem energii dzięki wykorzystaniu tzw. ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka, zbudowana z dwóch bardzo chudych warstw (jedna z krzemu, druga ze stopu krzemu z bizmutem). Gdy padają na nią promienie słoneczne to wywołują, że powstanie prądu elektryczny, który zostanie przesłany następnie do obwodów elektrycznych lub akumulatorów. Ogniwa solarne są ciągle doskonalone. Prawdopodobnie w przyszłości lokalizacją ich rozlokowania będą obszerne tereny nie zamieszkane przez ludzi, ponieważ będą tam duże upały. Dzięki temu energia otrzymana na terenach pustynnych mogłaby być wysyłana odbiorcom w innych krajach.
Energię słoneczną stosuje się do nabywania energii cieplnej stosując w tym celu instalacje solarne kolektorów słonecznych. Podejście opiera się na wchłanianiu energii promieniowania słonecznego przez najbardziej rozwinięty (mikroporowatą) i poczerniony obszar absorbera. Ciepło z absorbera odprowadza się przez wężownicę miedzianą i składowanie w pojemniku ciepłej wody użytkowej.
W warunkach klimatycznych Polski średnie nasłonecznienie znajduje się w przedziale 1300-2000 godzin rocznie, natomiast energia słoneczna, która przypadaj na 1 m2 równa się 1100 kWh/m2 rocznie. Gdy wykorzystamy płaskie kolektory słoneczne otrzymamy około 3200 kWh energii rocznie przy aparaturze o powierzchni 6m2 (ubytek będący następstwem kąta padania promieni słonecznych, sprawności technicznej urządzenia..).
Łączenie układu konwencjonalnego z systemem solarnym jest usprawiedliwione pod względem ekonomicznym wówczas zdobyte efekty pokryją koszty instalacji systemu solarnego.
Konstruując instalację solarną o średnim rozmiarze (do 50 m2) zakłada się ,że ta energia słoneczna pokrywa 30 % zamówionego ciepła na ocieplenie domu lub 65 % zamówienia na gorącą wodę użytkową.
Układ solarny o przestrzeni 6 m2 zamontowanego w domku jednorodzinnym ( dla pięciu domowników ) spodziewać się możemy zaoszczędzenia blisko 300 - 400 litrów oleju opałowego e ciągu roku. Poziom cen polskich kolektorów słonecznych znajduje się w przedziale cenowym 500 zł./m2 a 1100 zł./m2 ,do tego trzeba doliczyć jeszcze pompę obiegową, składzik ciepłej wody użytkowej o pojemności 250 litrów, sterownik ,rury, oraz montaż. Przypuszczać możemy, że inwestycja łączenia systemu konwencjonalnego z systemem solarnym ostatecznie wyniesie 8000 do 12000 zł. ( w zależności od zamontowanych urządzeń). Inwestycja powinna zwrócić się nam po ośmiu góra dziesięciu latach przy obecnych cenach energii.
W Niemczech wprowadza się w życie jest program "milion słonecznych dachów", pod tym hasłem utworzono preferencje osobistym udziałowcom montującym instalacje solarne. Dwa lata temu działało w Niemczech około 300.000 instalacji solarnych, które dały oszczędności gospodarce narodowej w ilości ponad 100.000.000 litrów oleju opałowego oraz zmniejszyło to emitowanie dwutlenku węgla o 100 tysięcy ton. W dzisiejszych czasach liczba instalacji solarnych powiększyła się trzykrotnie. Oznacza to jednocześnie potrojenie oszczędności wyczerpania oleju opałowego (gazu) i dalsze ograniczenie wydzielania się dwutlenku węgla.
Miejmy nadzieję, iż w Polsce niedługo zostanie wykreowany odpowiedni klimat dla udziałowców montujących instalacje solarne.
ENERGIA GEOTERMICZNA
Środek Ziemi jest bardzo gorący. Co 100 m w głąb Ziemi temperatura rośnie o 3oC . Niektóre obszary na Ziemi, głównie niedaleko uskoków geologicznych wrząca woda lub para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to tak zwane źródła geotermiczne . Krainą gejzerów jest Islandia i Park Yellowstone (USA). Mieszkania i domki metropolii jakim jest Islandia, Reykjavik, są grzane energią gorących źródeł tryskających z środka Ziemi. W danych odstępach czasu działające elektrownie geotermiczne skonstruowano w kilku miejscowościach we Włoszech, Nowej Zelandii, Japonii i USA.
Jak pracują gejzery? W głębi Ziemi wierci się dwa odwierty, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert wpompowuje się pod pewnym ciśnieniem zimną wodę, która następnie się nagrzewa. Następnie przekształca się ona w gorącą parę i drugim odwiertem wydostaje na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny produkujące prąd.
BIOGAZ
Najbardziej korzystną energią dla naturalnego obszaru jest energia otrzymywana z odnawialnych (bo odrastających) materiałów, które wywodzą się od roślin tzw. bioenergia.
Skąd czerpiemy taką energię?
Przede wszystkim czerpiemy ją z roślin i odchodów zwierzęcych, przez produkowanie tzw. biogazu, głównie metanu. Powstaje on w wyniku podziału materiałów organicznych (roślinnych i zwierzęcych), gdy proces ten odbywa się powietrza.
Domostwa rolne mogą stosować nieczystości (np. nawóz naturalny, kompost, słomę), aby produkować w odpowiednich przyrządach metan, później spalając go, grzać różnego rodzaju lokale i napędzać, należycie w tym celu przebudowane, maszyny gospodarcze. Takie maszyny nie zanieczyszczają środowisku, a ich eksploatacja jest bardzo tania.
Metan jest przyczyną także automatyczny podczas gnicia szczątków organicznych (nawozu naturalnego, kompostu). Nazywa się wtedy go gazem szklarniowym, ponieważ wraz z dwutlenkiem węgla jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany. W związku z tym zużywanie wcześniej wypisanych odpadów w celu pozyskania biogazu jest prócz tego bardzo korzystne, ponieważ co najmniej w najmniejszym stopniu maleje szansa na powstawanie efektu cieplarnianego.
W Indiach suszą odchody zwierzęce, które później maja zastosowanie zamiast drewna za opał w piecach kuchennych i do grzania domów. Spalając je w określonych konkretnych warunkach, otrzymujemy biogaz celem wyprodukowania energii elektrycznej.
Także rośliny prezentują sobą źródło energii, nie tylko służąc jako pokarm dla nas ludzi czy zwierząt, ale także jako źródła biogazu. I tak uprawa wodorostów (alg morskich, morszczynów) daje możliwości otrzymania dużych obszarów wód. Np. na nadmorskich farmach u wybrzeży Kalifornii hoduje się jakąś odmianę morszczynu, który rośnie 0,5 metra w ciągu dnia. Rośliny te się zbiera następnie suszy a później poddaje się pewnemu procesowi fermentacji, otrzymując w ten sposób biogaz. Można go zastosować w elektrowniach.
Ekologiczne źródła energii prawdopodobnie w przyszłości zaspokoją nasze potrzeby na energię. Niestety na dzień dzisiejszy jest za mały wkład ludzi w udział produkcję energii elektrycznej.
ELEKTROWNIA WODNA
Hydroelektrownia wytwarza prąd elektryczny stosując energię spadku wody - bardzo często na zaporach wodnych. Gdy przepływa woda z wyższego poziomu na niższy dotyka turbin wodnych łączonych z prądnicami (generatorami). Elektrownie te nazwane zostały przepływowymi i można podzielić je na trzy zasadnicze grupy: niskiego spadu (do 15 metrów), średniego spadku(15-50 metrów) i spadku wysokiego - powyżej 50 metrów (najwyższa z możliwych granic sięga dwóch metrów).
W 1869r. Aristide Berges(Francuz) mający wytwórnie papieru mieszczącą się w Alpach nad brzegiem strumyka, skonstruował pierwszą na świecie elektrownię wodną. Natomiast pierwszą na świecie elektrownię wodną prądu stałego zbudowano opodal Appleton (USA) w 1882 roku (z kołem wodnym o mocy 25 kW).
Jedna z większych elektrowni zbudowana została przy wodospadzie Niagara w 1895 roku.
Wyróżniamy elektrownie przepływowe ale można także napotkać tzw. szczytowo-pompowe zbudowane z dwóch pojemników - górnego i dolnego, prądnic które mogą działać jako silnik, turbiny lub pompy. Występują również takie czasy gdy zapotrzebowanie na prąd jest małe, wówczas jest ona pompowana z dolnego do górnego pojemnika. Natomiast gdy zapotrzebowanie na prąd jest większe, ruch wody jest odbywa się odwrotnie. Taką elektrownie zbudowano w 1907 roku w Szwajcarii i jest ona najstarsza. Natomiast największą elektrownią w Europie jest Dinorwic w Walii.
Innym rodzajem elektrowni rzadziej występującym niż wcześniej omówione elektrowni jest elektrownia pływowa - wykorzystuje ona różnicę pomiędzy poziomami przypływów i odpływów morza.
W 1984 roku oddano do użytku największą elektrownię świata - Itaipu znajdującą się na zaporze rzeki Parana. Należy ona do rządów Brazylii i Paragwaju dostarczając13 320 megawatów energii.
ELEKTROWNIA JĄDROWA
Dzięki elektrownia jądrowej można częściowo zastąpić nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny. W tym celu często posługuje się ciśnieniowymi reaktorami wodnymi. W energię zaopatruje nas uran, umiejscowiony w specjalnych elementach paliwowych, które mają formę kilkumetrowych prętów tworząc tym samym rdzeń reaktora. Do kontrolowania reakcji wykorzystuje się ruchome pręty sterujące. Przez rdzeń reaktora płynie woda zabierając ciepło, które pochodzi odbierając ciepło z rozpadu uranu. Mimo tego, że temperatura wody osiąga 300 stopni Celsjusza, nie następuje jej wrzenie tylko dlatego, że jest pod wysokim ciśnieniem. Następnie woda ulokowana zostaje w wytwornicy pary, gdzie zmienia się w parę wodną rozpędzającą turbiny złączone z generatorami prądu.
Rozpad jednego kilograma uranu daje nam tyle samo energii co spalenie 2500 ton węgla kamiennego. W wyniku czego powstanie mniej skażenia niż w tradycyjnej elektrowni.
Trudne do wyobrażenia jest to iż starczy cztery gramy paliwa by nagrzać dom w zimie.
.