Energia
Rodzaje, znaczenie, z
ródła, zastosowanie w pojazdach
samochodowych
Energia  wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu
fizycznego jako jego zdolność do wykonania pracy.
Mateusz Rybicki
2012-09-28
1) Energia
a) Rodzaje
b) Znaczenie
2) Przykładowe z
ródła energii na świecie:
a) Energia wiatru
b) Energia słoneczna
c) Energia pływów
d) Energia geotermalna
e) Energia z biomasy
f) Energia spadku wód
g) Energetyka jądrowa
3) Wykorzystanie energii w pojazdach samochodowych
a) Czym jest ogniwo paliwowe?
b) Wykorzystanie energii ogniw paliwowych
c) Hamowanie rekuperacyjne (system KERS)
Co tak naprawdę kryje się po pojęciem  energia ?
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 z
ródła, które w dużym stopniu zanieczyszczają planetę i z tego powodu cały
czas szuka się innych alternatywnych i przyjaznych dla środowiska z
ródeł energii.
Bez wątpienia największym z
ródłem 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 fotowoltaiczne, 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.
Przykładowe z
ródła energii na świecie
Istnieje wiele z
ródeł, z której człowiek czerpie energię. W ostatnim czasie coraz większe znaczenie w
energetyce wielu państw świata zaczynają mieć odnawialne z
ródła energii oraz energetyka jądrowa.
Energia wiatru:
Energetyka wiatrowa największe znaczenie ma w krajach pozbawionych innych surowców energetycznych.
Pierwsza elektrownia wykorzystująca siłę wiatru (o mocy 1250 MW) powstała w 1941 r. w USA w stanie
Vermont. Również wiele krajów Europy zachodniej wykorzystuje wiatraki prądotwórcze do produkcji
energii.
Energia słoneczna:
Największym z
ródłem energii na Ziemi jest Słońce. Jednak jego wykorzystanie jest bardzo trudne.
Przyczyną takiego stanu rzeczy jest, iż emitowana przez nie energia posiada małą gęstość oraz nie ma
ciągłości w jej dopływie. Wobec czego energię tą wykorzystuje się jedynie lokalnie do ogrzewania
pomieszczeń, czy wody wykorzystywanej w gospodarstwach domowych. Do tego celu służą kolektory
słoneczne montowane na dachach budynków.
Energia pływów:
Elektrownie produkujące energię na bazie pływów budowane są w pobliżu głęboko wciętych zatok
morskich. Z zatok tych tworzy się zbiorniki, w których gromadzi się woda, która napływa podczas
przypływu. Wypuszczanie wody w trakcie odpływu powoduje napędzanie przez nią turbin, dzięki czemu
produkowana jest energia.
Energia geotermalna:
Wody geotermalne są to wody zalegające na głębokości 250 - 600 m, mogące osiągać temperaturę ok.
300�C. Energię z nich pozyskuje się poprzez wykorzystanie gorących z
ródeł, gejzerów oraz wód
termalnych. Służy ona zazwyczaj do ogrzewania domów, wykorzystywana jest także w rolnictwie i
medycynie. Pierwsza elektrownia geotermiczna powstała w 1904 r. we Włoszech. Obecnie najwięcej tego
typu elektrowni znajduje się w Stanach Zjednoczonych, Nowej Zelandii i na Islandii. W Polsce w latach 90-
tych stwierdzono zasoby tych wód w regionie Zakopanego. Energia tych wód jest już wykorzystywana w
gospodarstwach domowych oraz w lecznictwie. Pierwszą w Polsce ciepłownię opartą na wodach
geotermalnych wybudowano w Pyrzycach w 1996 r. Pobiera ona wodę się z 1600 m głębokości, o
temperaturze 61�C.
Energia z biomasy:
Najpowszechniejszym sposobem pozyskiwania energii z biomasy jest jej spalanie. Do produktów
opałowych należą: słoma, drewno opałowe i odpadowe.
Energia spadku wód:
Wykorzystanie energii spadku wód stało się podstawą rozwoju hydroenergetyki. Pierwszymi elektrowniami
wodnymi na świecie były: w Rosji - Krasnojarska na Jeniseju, Wołgogradzka i Kujbyszewska na Wołdze, w
Stanach Zjednoczonych - Glen Conyon i Hoover na Kolorado.
Istnieje pięć typów hydroelektrowni:
�� przepływowe,
�� zaporowe,
�� zbiornikowe,
�� szczytowo-pompowe,
�� pływowe.
Dzięki energii wodnej możliwe jest uprzemysłowienie krajów pozbawionych innych surowców
energetycznych. Jej pozyskiwanie wymaga jednak dużych nakładów finansowych na budowę zapór,
hydroelektrowni oraz linii przesyłowych wysokiego napięcia. Pozyskiwanie energii z wody stwarza ponadto
zagrożenia dla środowiska naturalnego, gdyż spiętrzanie wód czy zmiana nurtu rzeki powoduje często
zmianę stosunków wodnych w glebie czy zmiany mikroklimatu danego obszaru. Przy budowie tego typu
elektrowni konieczne są też często przesiedlenia ludności i zalewanie obszarów rolnych.
Energetyka jądrowa:
W połowie XX wielu energetyka jądrowa budziła ogromne nadzieje na rozwiązanie problemów
energetycznych świata. Ten sposób produkcji energii miał być nieograniczony, tani i niegroz
ny. Pierwszą
elektrownię jądrową uruchomiono w 1956 r. w Colder Hall w Anglii. W kolejnych latach bogate kraje
zaczęły budować setki reaktorów jądrowych. Od tamtej pory dokonał się ogromny postęp technologiczny w
wykorzystaniu energii nuklearnej, nie spowodował on jednak spadku kosztów jej produkcji. Dodatkowo,
zastrzeżenia budzi bezpieczeństwo reaktorów, gdyż awaria, czy błąd w obsłudze mogą stać się przyczyną
katastrofy. Ważnym problemem jest także składowanie odpadów nuklearnych, gdyż stanowią one poważne
zagrożenie dla środowiska.
Podsumowanie
Pomimo swoich niewątpliwych zalet odnawialne z
ródła energii w najbliższej przyszłości nie osiągną
znacznego udziału w ogólnym bilansie energetycznym. Technologie pozyskiwania energii słońca, wiatru i
innych odnawialnych z
ródeł będą jedynie uzupełnieniem energetyki konwencjonalnej, opartej na paliwach
kopalnych. Ich udział będzie wzrastał, ale nie przekroczy kilkunastu procent w całkowitej strukturze zużycia
energii. Głównym powodem inwestowania w odnawialne z
ródła energii jest ich znikomy wpływ na
środowisko naturalne. Pod tym względem wydają się być idealnym z
ródłem energii.
Wykorzystanie energii w pojazdach samochodowych
Postępujące zanieczyszczenie środowiska powoduje, że naukowcy i konstruktorzy wciąż pracują nad
wynalezieniem coraz czystszych z
ródeł napędu samochodów. Zmniejszenie uciążliwości dla środowiska
tradycyjnych silników benzynowych przestaje jednak wystarczać. Mniejszą uciążliwość samochodów
rekompensuje niestety wzrastająca liczba pojazdów. Wszystko to powoduje, że poszukujemy z
ródeł energii
mechanicznej jeszcze bardziej czystych (a może nawet zupełnie czystych). Jedną z bardziej obiecujących
technologii jest zastosowanie do napędu samochodów wodoru.
Wodór można wykorzystać do napędu samochodów w dwojaki sposób. Pierwszym jest przystosowanie
tradycyjnych tłokowych silników do spalania tego paliwa. W drugiej metodzie wykorzystuje się zasilane
wodorem ogniwa paliwowe, które wytwarzają energię elektryczną zasilającą silnik elektryczny. I tym
właśnie drugim sposobem zajmiemy się w tym artykule.
Czym jest ogniwo paliwowe?
Ogniwo paliwowe tym różni się od tradycyjnego ogniwa baterii, że nie magazynuje ono energii, lecz
produkuje ją wykorzystując dostarczone mu paliwo. W najbardziej idealnej i najczystszej wersji tym
paliwem jest czysty wodór. Takie ogniwo produkuje energię wytwarzając tylko i wyłącznie wodę (również
w postaci pary).
Niestety magazynowanie czystego wodoru jest utrudnione. Czasami więc z
ródłem zasilania ogniwa
paliwowego jest np. Metan (wodór jest z niego uzyskiwany już w ogniwie w reakcji spalania). Niestety
skutkiem ubocznym takiego procesu jest często wydzielanie dwutlenku węgla. Trzeba jednak dodać, że
tego typu ogniwo jest i tak czystsze od odpowiadającego mu silnika tłokowego spalającego tradycyjne
paliwa.
Rzeczywista sprawność ogniwa paliwowego wynosi około 40% co jest porównywalne ze sprawnością
tradycyjnego silnika. Pozostała część energii jest wydzielana w postaci ciepła.
Wykorzystanie energii ogniw paliwowych
Wytwarzany przez ogniwo wodorowe prąd stały jest następnie przy pomocy przetwornicy zamieniany w
trójfazowy prąd zmienny odpowiedni do zasilania silnika elektrycznego napędzającego koła samochodu.
Konieczne jest także zastosowanie elementu magazynującego nadmiar energii wyprodukowanej przez
samochód (ogniwa lub odzyskanej podczas hamowania) oraz mogącego go szybko oddać w czasie
przyspieszania. Rolę tę spełnia tzw. super kondensator.
Jak wspomniano w poprzednim akapicie wskazane jest zastosowanie w tak zasilanym samochodzie metody
odzyskiwania energii podczas hamowania. Jednak jest to rozwiązanie stosowane już nawet w pojazdach
zasilanych silnikami spalinowymi.
Hamowanie rekuperacyjne (KERS)
Hamowanie rekuperacyjne (hamowanie odzyskowe, hamowanie elektrodynamiczne z odzyskiem
energii a także KERS od Kinetic Energy Recovery System)  stosowany w elektrycznych pojazdach
trakcyjnych mechanizm służący do odzyskiwania traconej podczas hamowania energii kinetycznej i
zamiany jej na energię elektryczną zamiast cieplnej (która jest nieużyteczna). System poprawia wydajność
energetyczną pojazdu.
Podczas hamowania silniki elektryczne działają jak prądnice. Wytworzony przez nie prąd może być
wykorzystany na kilka sposobów:
�� Pierwszym sposobem jest akumulacja energii bezpośrednio w pojez
dzie, a następnie wykorzystanie
jej przy następnym rozruchu. Zaletą tej metody jest brak strat energii związanych z jej przesyłem,
natomiast wadą konieczność zwiększenia masy pojazdu o urządzenia przechowujące energię. W
praktyce energia hamującego pojazdu używana jest do rozpędzenia koła zamachowego, które
podczas przyspieszania pojazdu służy jako z
ródło napędu lub jako napęd wspomagający
�� Drugim sposobem jest przekazanie energii przez sieć trakcyjną i jej wykorzystanie przez inne
pojazdy trakcyjne znajdujące się na danym odcinku. Odzyskiwana energia może być również
magazynowana w podstacjach zasilających.
W sezonie 2009 KERS był stosowany w bolidach Formuły 1 i po roku przerwy, od sezonu 2011 ponownie
wrócił do tego sportu.
Kiedy kierowca wciska pedał hamulca, bolid wytraca prędkość, a więc energię. Zadaniem systemu KERS
jest przechwycenie wytracanej energii kinetycznej oraz zamiana jej w energię elektryczną. Podczas
hamowania silniki elektryczne systemu działają jak prądnice. Zebrana energia wędruje do baterii, gdzie
jest magazynowana. Specjalnym przyciskiem na kierownicy kierowca może w dowolnej chwili może
uwolnić nagromadzoną energię, która daje zastrzyk dodatkowej mocy.
Wraz z pojawieniem się Audi A4 E producent zamontował po raz pierwszy KERS w samochodzie
osobowym. Energia odzyskana z hamowania jest w tym przypadku wykorzystana do doładowania
akumulatora i zasilania odbiorników energii elektrycznej pojazdu, czym zmniejsza obciążenie silnika przez
alternator, co ma wpływ na obniżenie zużycia paliwa.
Podsumowanie
Samochody zasilane ogniwami paliwowymi są obecnie raczej drogimi gadżetami, ale przy obecnym tempie
prac dość szybko ten rodzaj napędu może zacząć być powszechnie stosowany w produkowanych seryjnie
samochodach.
Rzeczywista  ekologiczność tych pojazdów zależy jeszcze od sposobu wyprodukowania paliwa służącego
do ich zasilania  jednak dużo łatwiej zbudować ekologiczną instalację do pozyskiwania wodoru niż
montować w każdym samochodzie napędzanych tradycyjnymi silnikami urządzenia oczyszczające spaliny.
Tak czy inaczej ogniwa paliwowe zastosowane do produkcji energii w samochodzie są bardzo
przyszłościowym rozwiązaniem. Ich szybki rozwój pozwala żywić nadzieję, że już niedługo nasze powietrze
nie będzie w tak dużym stopniu zanieczyszczane przez dymiące samochody.
Bibliografia:
http://www.infosamochody.pl
http://www.energia-odnawialna.net
www.bryk.pl
www.sciaga.pl