Źródła energii

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 domostw czy oświetleniu.
Kryzys energetyczny w 1973 r., który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw, względy ochrony środowiska oraz rozwój techniki kosmicznej zwiększyły zainteresowanie nowymi, niekonwencjonalnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii elektrycznej. Te nowe, niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej można podzielić na źródła odnawialne i źródła nieodnawialne. Do odnawialnych źródeł energii elektrycznej należą m.in.: energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, energia geotermiczna, energia z uranu, energia z odpadów komunalnych i przemysłowych, a do źródeł nieodnawialnych: wodór, energia magneto-hydro-dynamiczna i ogniwa paliwowe. Energię wnętrza ziemi – geotermiczną - można zaliczyć do obu rodzajów źródeł: gejzery są źródłem nieodnawialnym, zaś energia gorących skał jest energią odnawialną.
Wykorzystanie prawie wszystkich niekonwencjonalnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu przyszłość należy do nich. Ograniczenia w ich stosowaniu są dwojakiego rodzaju:
· technologiczne, ze względu na formę występowania i możliwości praktycznego wykorzystania;
· ekonomiczne, związane z dużymi kosztami ich wykorzystania.
W mojej pracy przedstawię:

1. Przemianę śmieci w energię elektryczną i cieplną
2. Energię uzyskiwaną z uranu
3. W jaki sposób pozyskujemy elektryczność z pływów morza
4. Energię wiatru
5. Gorące skały jako źródło energii
6. Oraz wykorzystywanie ciepła słonecznego.

1. Przemiana śmieci w energię elektryczną i cieplną
Każdego roku Amerykanie wyrzucają 250 mln t śmieci. W samym Nowym Jorku powstaje prawie 10 mln t odpadów rocznie. Amerykańskie śmieci dałyby energię równą 10 mln t węgla. Niestety, większość z nich zakopuje się i traci bezpowrotnie. Ponad połowę odpadów komunalnych stanowi papier, 25 % odpadki kuchenne, a tworzywa sztuczne poniżej 10 %. Spala się jedną piątą śmieci, choć większość z nich nadaje się do ponownego przetworzenia.
Na świecie, głównie w Europie i Japonii, działa prawie 350 spalarni śmieci, wytwarzających energię elektryczną. W 1974 roku w Edmonton w Londynie otwarto dużą spalarnię, która zużywa 400 000 t odpadów rocznie. Uzyskiwane w wyniku ich spalania ciepło ogrzewa parę, która zasila generatory energii elektrycznej. Przez 10 lat zakład ten oszczędził 1 mln t węgla. W Dsseldorfie para z sześciu podobnych spalarni wykorzystywana jest do ogrzewania miasta. W Peekskill w stanie Nowy Jork wybudowano zakład, który spala 2 250 t odpadów dziennie, wytwarzając 60 MW energii, co zaspokaja potrzeby 70 000 osób.
Także fabryki zamiast węgla lub ropy mogą spalać śmieci. Najpierw muszą one zostać uzdatnione. Śmieci wysypuje się na wibrujące sita, na których oddziela się drobne cząstki organiczne używane do produkcji kompostu do nawożenia gleby. W Szwecji kompostuje się i przetwarza jedną czwartą odpadów.
Następnie segregue się ciężkie frakcje odpadów, głównie metale. Pozostałości to przeważnie papier i tekstylia, które granuluje się i sprzedaje jako paliwo.
Nawet śmieci zakopane w ziemi mogą stać się źródłem paliwa. Podczas ich rozkładu wydziela się metan, ten sam gaz, który gromadzi się w pęcherzach pod skorupą ziemską. Z rozpadu 1 t odpadów może powstać 400m3 metanu. Niewielkim nakładem kosztów można go wydobywać i używać do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej. W 1 krajach funkcjonuje ponad 140 systemów utylizacji metanu, co daje oszczędność ponad 1 mln twęgla rocznie. Na przykład w Anglii na dużym składowisku wykonano odwierty gazowe, z których metan prowadzi się rurociągiem do cegielni, gdzie zastępuje węgiel.
Inne zakłady wytwarzają u siebie energię elektryczną z metanu, spalając go w prostych silnikach gazowych. Dzięki temu zużywają cały gaz, zamiast dostosowywać jego wydobycie do zmieniających się potrzeb fabryki.
W przyszłości technologię pozyskiwania metanu może ulepszyć „wysiewanie” na składowiskach śmieci bakterii, pewne szczepy bakterii przyspieszają bowiem rozkład odpadów. Wprowadzenie mieszanki bakterii dostosowanej do składu konkretnego śmietniska może więc spowodować maksymalne zwiększenie produkcji metanu.
Przetwórstwo odpadów jest uzasadnione nie tylko względami ekonomicznymi lecz również ekologicznymi, zmniejsza bowiem zanieczyszczenie środowiska związane ze spalaniem śmieci i oszczędza cenne zasoby naturalne. Ponowne przetworzenie jednego nakładu gazety New York Times uratowałoby około 75 000 drzew.
2. Energia z uranu
Garść uranu daje tyle energii, co 70 t węgla lub 90 baryłek ropy. Elektrownia atomowa zasilająca w energię milionowe miasto zużywa tylko 3 kg uranu dziennie, uran jest zatem na razie najbardziej skondensowanym źródłem energii wykorzystywanym przez człowieka. Urn należy do pierwiastków naturalnych o największej gęstości, a jego atomy wykazują dużą niestabilność. Wystarczy lekkie „uderzenie”, aby wywołać podział serca atomu, czyli jądra. Reakcję jądrową mogą wywołać neutrony, cząstki znacznie mniejsze od atomu, które uderzając w jądro powodują jego podział. Rozszczepieniu jądra towarzyszy uwolnienie przynajmniej dwóch neutronów, które mogą spowodować rozszczepienie kolejnych jąder, raz zapoczątkowana reakcja może więc trwać niemal w nieskończoność.
Wydzielanie energii podczas reakcji jądrowej może następować powoli, stopniowo, co pozwala wykorzystywać ją do ogrzewania wody. Powstająca para wodna napędza generator wytwarzający energię elektryczną. Zasadę tę wykorzystano przy budowie reaktora jądrowego.
3. Elektryczność z pływów morza
Energię pływów morza (przypływ i odpływ) wykorzystywano od setek lat. W XVIII wieku wybrzeże Europy usiane było młynami pływowymi, w których wody przypływu wpuszczano przez otwarte śluzy do zbiornika retencyjnego. W szczytowym momencie przypływu śluzy zamykano, podczas odpływu woda mogła się więc przedostać tylko przez koło wodne. Dzięki temu napędzała je i wprawiała w ruch obrotowy.
Tę samą zasadę zastosowano w latach 60. przy budowie elektrowni we Francji. W poprzek ujścia rzeki Rance koło Saint-Malo w Bretanii wzniesiono tamę wyposażoną w 24 maszyny, które mogą działać jako turbiny w obu kierunkach.
Wody przypływu spiętrzane są na zaporze do momentu, gdy różnica ich poziomu między dwiema stronami tamy wynosi 1,5 m. Potem woda przepływa przez turbiny, wprawia je w ruch i wytwarza energię elektryczną. Gdy następuje odpływ, łopatki turbiny odwraca się i woda znów wytwarza energię.
Przy maksymalnym przypływie śluzy zamyka się i do ujścia rzeki pompuje dodatkowo wodę morską. Poziom wody w rzece przekracza poziom wody przypływu, gdy zatem następuje odpływ, różnica poziomów zwiększa się. Po spłynięciu wody do morza i wprawieniu turbin w ruch, z estuarium wypompowuje się wodę, sztucznie obniżając poziom wody w rzece.
Oczywiście przy pompowaniu także zużywa się energię elektryczną, lecz zwiększenie spadku wody pozwala wytworzyć energię w ilościach znacznie przewyższających jej zużycie przez pompy.
Elektrownia w La Rance wytwarza w szczycie 240 MW energii elektrycznej, co pokrywa potrzeby średniej wielkości miasta, takiego jak Rennes lub Caen. Mimo to nie znalazła ona zbyt licznych naśladowców.
Wysokie koszty budowy tam i trudności z wyszukaniem odpowiedniej lokalizacji zniechęciły prawie wszystkich, oprócz Rosjan i Kanadyjczyków.
W zatoce Bay of Fundy w Nowej Szkocji występuje największa na świecie różnica poziomów wody podczas przypływu i odpływu – 18 m.
W 1984 roku w Annapolis Royal otwarto pilotażową hydroelektrownię u wejścia do zatoki. Gdyby udało się okiełznać siłę pływów na całej szerokości zatoki, ilość wytworzonej energii elektrycznej przekroczyłaby dziesięciokrotnie lokalne zapotrzebowanie. Nadwyżki energii mogłyby zostać wykorzystane w Nowej Anglii i Nowym Jorku. Specjaliści uważają, że dalsze prace nad tym projektem są tylko kwestią czasu.

4. Energia wiatru
Wykorzystywanie siły wiatru do wytwarzania energii elektrycznej kryje w sobie ogromny potencjał. Z badań wykonanych dla Wspólnoty Europejskiej wynika, że w różnych miejscach w Europie można by postawić około 400 000 silników wiatrowych, co wystarczyłoby do wytworzenia energii w ilości trzykrotnie przewyższającej bieżące potrzeby Europy.
Współczesne silniki wiatrowe nie są podobne do starych wiatraków. Przypominają raczej gigantyczne śmigła z dwiema-trzema łopatami zwanymi wirnikami, umocowanymi na szczycie wysokich wież stalowych lub betonowych.
Ilość energii elektrycznej produkowanej przez silnik wiatrowy zależy od wielkości łopat i wysokości wieży. Wiatr na ogół wzmaga się wraz z wysokością, zaś energia wiatru, którą można uwięzić, zależy od powierzchni łopat. Jeżeli podwoi się ich powierzchnię, energia zwiększy się czterokrotnie. Ważniejszym czynnikiem jest jednak prędkość wiatru, przechwycona energia jest bowiem wprost proporcjonalna do sześcianu prędkości wiatru – jeżeli siła wiatru wzmaga się dwukrotnie, uzyskuje się ośmiokrotnie więcej energii.
Silniki wiatrowe nie potrzebują jednak sztormu. Większość z nich przystosowana jest do pracy przy prędkościach wiatru 3-10 stopni w skali Beauforta, czyli od 21 do 79 km/h. Powyżej 10 stopni zamykają się one automatycznie, co chroni je przed zniszczeniem.
Większość z nich skonstruowano w taki sposób, aby w całym roboczym paśmie prędkości wytwarzały równomierne ilości energii. Przy silniejszym wietrze łopaty automatycznie ustawią się w chorągiewkę, co zapobiega nadmiernym przyspieszeniom silnika. Bardziej opłaca się bowiem uzyskiwać stałą moc wyjściową niż wykorzystywać nieliczne naprawdę silne podmuchy wiatru.
Silniki wiatrowe muszą być stale zwrócone w odpowiednim kierunku, tzn. dokładnie pod wiatr lub z wiatrem. Z tego powodu wirniki mocuje się na obrotnicy, a podłączony do czujników silnik elektryczny steruje jej ruchami określając kierunek zwrotu.
Ustawienie łopat w osi pionowej zamiast poziomej całkowicie eliminuje problem ustawienia silnika zgodnie z kierunkiem wiatru. W tym wypadku nie jest ważne, skąd wieje wiatr. Silniki pionowe zwane turbinami Darreiusa mają też inne zalety. Ich ciężkie oprzyrządowanie przetwarzające energię wiatru w energię elektryczną można ustawić bezpośrednio na ziemi. Często do ich rozruchu potrzebna jest siła zewnętrzna – uruchamia się je ręcznie lub za pomocą silnika elektrycznego.
Ludzie akceptują wykorzystywanie siły wiatru, lecz nie bardzo podoba im się wizja krajobrazu upstrzonego wirującymi turbinami na każdym pagórku.
Wykonano poważne badania na temat możliwości ustawienia silników wiatrowych na otwartym morzu W tym wypadku trudności nastręcza ich zakotwiczenie i przesyłanie energii na ląd. Brytyjski Departament Energetyki obliczył, że grupy turbin wiatrowych ustawionych na płytkich wodach wzdłuż brzegu mogą dostarczyć 1,5 raza więcej energii niż wynosi obecne zapotrzebowanie Wielkiej Brytanii.
Kalifornia wytwarza energię elektryczną za pomocą wiatru na potrzeby gospodarstw domowych w ilościach pokrywających zapotrzebowanie miasta większego niż San Francisco, natomiast w Danii za pomocą wiatru wytwarza się 3 % energii elektrycznej.
5. Gorące skały jako źródło energii
Wraz ze zbliżaniem się do ziemi wzrasta temperatura. W niektórych miejscach gorące skały leżą bardzo blisko powierzchni ziemi, ogrzewając podziemne źródła, które wytryskują na powierzchnię w postaci gorących źródeł, gejzerów lub samej pary i które można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.
Pierwsza elektrownia geotermiczna powstała w 1904 roku w Larderello w północnych Włoszech, gdzie wydobywająca się na powierzchnię para miała temperaturę 140-260C. Parę doprowadzano rurami do turbin, które zasilały prądnice.
W Nowej Zelandii, na Filipinach, w Kalifornii i w Meksyku zbudowano elektrownie wykorzystujące energię cieplną ziemi w miejscach, do których ciepło dociera na powierzchnię w sposób naturalny. W większości wypadków do tego celu trzeba jednak wiercić otwory w głąb ziemi. Czasem energię ziemi wykorzystuje się nawet tam, gdzie nie ma wody, lecz jedynie suche, gorące skały, których ciepła można używać tylko wtedy, kiedy do wnętrza ziemi wpompuje się wodę, aby odzyskać ją w postaci pary, która napędza turbiny wytwarzając energię elektryczną.
Nowo zbadanym źródłem energii geotermicznej są kornwalijskie granity. Około
1 980m w głąb ziemi pod miejscowością Camborne w Kornwalii temperatura skał dochodzi do 70C.
Do wydobycia tej energii trzeba będzie wywiercić otwory. Do pierwszego pompować się będzie zimną wodę, a gorąca woda pod ciśnieniem będzie wypływać drugim otworem. Woda będzie przepływać z jednego otworu do drugiego poprzez szczeliny w skale, które powstały w wyniku eksplozji materiałów wybuchowych. Chociaż woda ma temperaturę 200C, duże ciśnienie zapobiega jej wrzeniu. Kiedy jednak woda wydostanie się na powierzchnię, gdzie panuje ciśnienie atmosferyczne, przekształca się w parę, która może być wykorzystana do napędzania turbin.
Podobnie jak inne miejscowości, gdzie energia geotermiczna jest wykorzystywana, Camborne ma szereg problemów. Należy usuwać minerały z wody, w przeciwnym wypadku będą one osadzały się na rurach i powodowały korozję turbin. Testy wykazały również, ze tylko jedna trzecia wody pompowanej w głąb ziemi znajduje drogę powrotną na powierzchnię – reszta jest stracona. Trzecim problemem jest głębokość wierceń. Jeżeli uda się rozwiązać wszystkie te problemy, to możliwości są olbrzymie. Obliczenia wykazały bowiem, że granity kornwalijskie zawierają taką samą ilość energii, jak całość rezerw węgla Wielkiej Brytanii.
6. Wykorzystywania ciepła słonecznego
Energia docierająca na Ziemię w postaci światła słonecznego jest ogromna – ponad 12 000 razy większa niż światowe zużycie paliw. Promienie słoneczne padające każdego roku tylko na powierzchnię amerykańskich dróg zawierają dwa razy tyle energii, co węgiel i ropa naftowa zużywane każdego roku na całym świecie.
Jednak gromadzenie i przechowywanie tak wielkiej ilości bezpłatnej energii jest trudne i kosztowne. Energia słoneczna rozłożona jest na dużej powierzchni. Aby nadawała się do wykorzystania w gospodarstwach domowych lub elektrowniach, należy ją gromadzić i poddać koncentracji.
W domowych systemach ogrzewania wody wykorzystujących energię Słońca montuje się kolektory (panele) słoneczne umieszczane na zwróconych w stronę Słońca dachach.
W Japonii zainstalowano 3 mln paneli słonecznych, ma je połowa domów w Izraelu, są popularne także w Kalifornii, lecz w bardziej pochmurnej Europie, gdzie nasłonecznienie jest o połowę mniejsze niż w Izraelu, czy w Kalifornii, stosuje się je znacznie rzadziej. Energia słoneczna wykorzystywana jest również do wytwarzania energii elektrycznej. Bezpośrednie wykorzystanie Słońca wymaga wysokich temperatur, aby więc je uzyskać, światło słoneczne musi zostać zogniskowane.
W tym celu nie stosuje się jednak soczewek, lecz zwierciadła, które ustawia się półkolem. Odbijają one światło słoneczne w kierunku jednej wieży termicznej. Skoncentrowane światło słoneczne pada na odbiornik umieszczony na szczycie wieży i ogrzewa ciecz krążącą w rurach. Jeśli cieczą tą jest woda, uzyskana w ten sposób para o wysokim ciśnieniu doprowadzana jest do turbiny napędzającej generatory produkujące energię elektryczną.
Największa wieża heliotermiczna na świecie mieści się w pobliżu Barstow, w stanie Kalifornia na pustyni Mojave, gdzie słonecznych jest 300 dni w roku. Reflektor tej elektrowni zajmuje 40 ha i składa się z 1 818 zwierciadeł rozmieszczonych w okręgach współśrodkowych. Zwierciadła kierują skupione światło na kocioł znajdujący się na szczycie wieży wysokiej na 78 m.
Największa elektrownia słoneczna w Europie została wybudowana w 1981 roku we Francji, w miejscowości Themis w zachodnich Pirenejach. Jej moc wynosi 2,5 MW.
Od czasu zbudowania amerykańskiego satelity Vanguard w 1958 roku, w zasadzie wszystkie statki kosmiczne i satelity czerpią energię z ogniw słonecznych. Ogniwa te wykorzystują odkrycie niemieckiego fizyka, Heinricha Hertza, który już w 1887 roku stwierdził, że pewne substancje pod wpływem światła wydzielają energię elektryczną (efekt fotoelektryczny).
Ogniwa słoneczne wykonane są z cienkiej warstwy krzemu umieszczonej na jeszcze cieńszej warstwie krzemu z domieszką boru, który zmienia właściwości elektryczne krzemu. Światło padające na warstwę zewnętrzną wywołuje migrację elektronów do warstwy spodniej, wytwarzając napięcie elektryczne między obydwiema warstwami. W 1981 roku nad kanałem La Manche przeleciał zasilany 16 128 ogniwami słonecznymi o mocy 2,5 kW samolot Solar Challenger (Słoneczny Wojownik). Słoneczne samochody wyposażone są w akumulatory, z których korzysta się tylko w pochmurne dni lub podczas wjeżdżania pod górę.
Różne urządzenia wykorzystujące energię słoneczną, np. zegarki czy kalkulatory słoneczne, są dzisiaj powszechnie używane. Baseny ogrzewane energią słoneczną także zyskują na popularności.


Korzystając z książki Reader's Digest "Jak to jest?"