Energia XXII w.

Energia jest konieczna, by przy użyciu siły przesunąć ciało na pewną odległość, czyli wykonać pracę. Energię wyraża się w jednostkach, zwanych dżule (J). Całkowita energia w danym układzie nie zmienia się, może być ona jednak poprzez pracę przekazywana przez jedno ciało drugiemu. Często zachodzi wówczas przemiana form energii. Przedmiot znajdujący się w ruchu posiada energię kinetyczną. Inną formą energii jest ciepło. Ciepło można zamieniać w energię kinetyczną. Proces taki zachodzi np. w silniku samochodowym lub kotle lokomotywy. Ciało może mieć też energię potencjalną. Zgodnie z teorią względności również masa stanowi formę energii.
Większość energii na Ziemi pochodzi za Słońca, pierwotnego źródła energii, gdzie wytwarzana jest w trakcie łączenia się jąder atomowych w procesie syntezy termojądrowej. Energia ta trafia na Ziemię w postaci promieni słonecznych. Ogrzewa nasz glob i jest asymilowana jako pożywienie w procesie fotosyntezy przez rośliny, spożywana przez ludzi i zwierzęta.

SKĄD BĘDZIEMY CZERPAĆ ENERGIĘ W PRZYSZŁOŚCI? CO WYGRA – WODA, WIATR, SŁOŃCE, ATOMY?

Niegdyś człowiek korzystał z energii oszczędnie – po prostu przynosił z lasu drewno i rozpalał w domostwie ogień, który świecił, ogrzewał i pozwalał przygotować ciepłą strawę. W ciągu wieków zaczęliśmy jednak potrzebować jej coraz więcej i więcej. Na początku XXI wieku, osiągnąwszy tak wysoki poziom cywilizacyjny, ludzkość jest bezpowrotnie uzależniona od energii. Strach pomyśleć, co by było, gdyby nagle zabrakło prądu w gniazdkach i ciepła w kaloryferach...Nocą błąkaliśmy się zmarznięci w kompletnych ciemnościach, milczałyby telewizory i radia, z kranu nawet nie kapałaby woda. Energetyka to jeden z bardziej istotnych problemów współczesnego świata. Tradycyjne paliwa kopalne są na wyczerpaniu, a rozwinięte społeczeństwa konsumujące gigantyczne ilości energii, nie przestają żądać „więcej i więcej!”. Węgla, ropy i gazu ziemnego, które od lat służą nam jako główne źródła energii, nie wystarczy na zawsze. Nikt tak naprawdę nie wie, ile tego dobra jeszcze kryje się pod powierzchnią ziemi. Co i raz pojawiają się jednak głosy podające mniejszą lub większą liczbą lat, które pozostały do tej daty. Jedni sugerują kilkadziesiąt, inni – ponad sto. Nic pewnego nie wiemy, poza tym, że paliwa nie są wieczne i muszą się kiedyś skończyć. Do tego dochodzi coraz donośniejszy głos obrońców środowiska naturalnego, którzy wymagają, by pozyskiwanie energii nie przyniosło szkody przyrodnicze. Uświadamiają, że tradycyjna energetyka niszczy powierzchnię ziemi i zanieczyszcza powietrze, będąc głównym powodem ocieplenia się klimatu. Nawołują, by konwencjonalne źródła zastąpić „ekologicznymi”. Znajdujemy wśród nich zarówno odnawialne (takie jak na przykład energię wiatru, słońca, pływów morskich, fal morskich, gorących skał oraz pochodzącą za spalania biomas), jak i nieodnawialny, np. wodór lub ogniwa paliwowe. Choć na razie na ogół mało wydajne, mają ogromną zaletę – nie skończą się, tak jak ropa naftowa czy węgiel. Są też powszechnie akceptowane, czego nie można powiedzieć o energetyce jądrowej, która w wielu krajach ma zajadłych przeciwników. Poszukując potencjalnych źródeł przyszłości, musimy być jednak gotowi na kompromisy, bo tak naprawdę wykorzystywanie żadnego ze źródeł nie jest w pełni „ekologiczne” ani obojętne dla środowiska naturalnego.
Wkładając w Polsce wtyczkę do gniazdka, możemy być prawie pewni, że pobieramy prąd przypłynął do naszego mieszkania w wyniku spalania węgla w pobliskiej elektrownii. Niestety, węgiel jest jednym z „najbrudniejszych” paliw, jego spalaniu towarzyszy emisja ogromnej ilości pyłów i szkodliwych gazów. Spalanie 170 milionów ton węgla (a właśnie tyle zużywają rocznie polskie elektrownie) powoduje emisję do atmosfery ponad 3 milionów ton pyłów, 4 milionów ton dwutlenku siarki i blisko miliona ton tlenków azotu, a także ponad 400 milionów ton dwutlenku węgla. Oprócz tego powstaje 60 milionów ton popiołów, które trafiają na wysypiska. Wszystkie te substancje maja katastrofalny wpływ zarówno na zdrowie człowieka, jak i na stan środowiska naturalnego. Dwutlenek siarki i tlenki azotu wywołują kwaśne deszcze. Te substancje można na szczęście zatrzymać, instalując kosztowne filtry. Sprawca efektu cieplarnianego – dwutlenek węgla, którego w spaleniu węgla powstaje najwięcej – nie daje się jednak zatrzymać w żaden sposób. Nie wszyscy zdają sobie sprawę, że w węglu zawarte są też substancje promieniotwórcze – w 170 milionach ton węgla spalanych w Polsce znajduje się około 500 pierwiastków radioaktywnych – uranu i toru!
Pędząca woda w dół ma ogromną energię.
Energię wody wykorzystywano od wieków budując nad rzekami młyny, w których woda spadając poruszała ciężkie żarna. Jeśli spadek wody był zbyt mały, należało ją spiętrzyć. Na tej samej zasadzie działają dzisiejsze elektrownie wodne: woda spływając z wyższego zbiornika do niższego porusza turbiny, które napędzają prądnice. Elektrownie szczytowo-pompowe w czasie mniejszego zapotrzebowania na energię – na przykład nocą – pompują wodę z powrotem z niższego zbiornika do wyższego, a potem znów spuszczają w dół, poruszając turbiny. W ten sposób przelewanie z pustego w próżne przynosi państwu realny dochód. Na wybrzeżach próbuje się zaprząc do pracy innego typu ruch wody – silne przypływy i odpływy. W latach 60. we Francji u ujścia rzeki Rance postawiono tamę, za którą podczas przypływu zbiera się woda morska, spuszczana podczas odpływu. Siła pędzącej wody porusza turbiny i wytwarza energię wystarczającą dla sporego miasta. Niestety, dobre miejsce pod taką inwestycję trudno znaleźć, więc elektrowni morskich nie jest wiele.
Innym źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą naprawdę znaczne jej ilości, lecz problemem jest jej efektywne pozyskiwanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentu. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator. Tego typu elektrownia działa na zasadzie oscylującego słupa wody. Wpółzanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.
Słońce obdarowuje nas ogromną ilością energii.
Czysta, darmowa i tylko czeka na wykorzystanie... Gdybyśmy potrafili należycie zając się energią słoneczną, jej ułamek rozwiązałby nasze problemy energetyczne na zawsze.
Na razie energia słoneczna jest wykorzystywana na małą skalę, głównie w ciepłych zakątkach świata oraz w górach, gdzie na dachach domów albo w ogródkach instaluje się panele zwrócone ku słońcu. Pozyskana w ten sposób energia służy podgrzewaniu wody lub jest zamieniana w elektryczną. W Europie zainteresowanie kolektorami jest różne. W słonecznej Grecji widać je na każdym kroku, ale już w pobliskich równie słonecznych Włoszech nie ma ich prawie wcale. W latach 90. ekologicznie nastawieni Niemcy zainstalowali u siebie 615 tysięcy m kw. Paneli (w 1990 roku było ich 35 tysięcy, a w 2000 aż 650 tysięcy). Dzisiejsze technologie nie sprzyjają energii słonecznej. Na razie nie potrafimy na wielką skalę jej gromadzić i przechowywać. Trafia ona na Ziemię rozłożona na wielkiej powierzchni, trzeba więc zebrać i skondensować. Żeby pozyskiwać masowo, musielibyśmy całe połacie pokryć kolektorami. Nie są one objęte dla środowiska, bo do ich produkcji używa się szkodliwych chemikaliów. Niektórzy widzą rozwiązanie w budowie satelitarnych elektrowni słonecznych. Bateria słoneczne – znacznie wydajniejsze na orbicie, gdzie promienie słońca nie muszą przebijać się przez atmosferę ziemską i są dostępne bez przerwy – od lat zapewniają energię statkom kosmicznym.
Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się a wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączeń z krajową siecią energetyczną. Zwolennicy energetyki wiatrowej uważają, że 40% powierzchni Polski nadaje się do stawiania opłacalnych farm wiatrowych. Wiatraki wyglądające jak maszty ze śmigłami lub wielkie trzepaczki do piany pracują przy wietrze o sile od 3 do 10 stopni w skali Beauforta. Farmy wiatrowe dokuczliwie hałasują, pojawiły się więc pomysły, by wiatraki wystawiać na platformach daleko w morzu. W ciągu najbliższych 10 lat mają powstać farmy wiatrowe na wodach przybrzeżnych 13 krajów europejskich.
Spalając biomasę pozbywamy się problemu opadów.
O wiele większe znaczenie niż wiatr ma dla energetyki biomasa. Ta naukowa nazwa w praktyce oznacza zwykłe drewno, słomę, odpady z leśnictwa, rolnictwa i przemysłu drzewnego itp. Najprostszym sposobem uzyskania energii jest zwykłe spalanie (cała innowacja polega na zastosowaniu nowoczesnych kotłów grzewczych, które minimalizują straty ciepła). Alternatywnie, biomasę w odpowiednich procesach chemicznych można też przekształcić w biogaz (mieszaninę metanu i dwutlenku węgla) – źródło ciepła i energii elektrycznej. Można ją też przetworzyć na paliwa ciekłe, takie jak olej czy alkohol.
Jednym z najważniejszych źródeł biomasy w naszym kraju jest drewno. Nie chodzi tylko o ścinanie drzew z przeznaczeniem na opał. Wykorzystywać można również odpady powstałe w przemyśle drzewnym, meblarskim czy celulozowo – papierniczym. Zwolennicy tego źródła energii proponują tez zakładanie specjalnych upraw szybkorosnących drzew – wierzb, topoli, wikliny – na potrzeby opałowe. Nie są to rośliny wymagające, więc plantacje mogłyby powstawać na kiepskich lub skażonych glebach. Innym źródłem jest słoma, której nasze rolnictwo produkuje ponad 25 milionów ton rocznie! Pierwsze próby wykorzystania tego surowca mamy już za sobą – w latach 90. Powstało w Polsce kilkanaście lokalnych ciepłowni opalanych słomą. Entuzjaści wśród potencjalnych źródeł biomasy wymieniają też odpadki organiczne (resztki jedzenia czy pasz) oraz nawóz zwierzęcy. Wskazują też na możliwości produkcji paliw płynnych (głównie etanolu) z buraków, ziemniaków, zboża czy melasy.

Energia jądrowa budzi wiele kontrowersji.
Od wybuchu elektrowni w Czarnobylu wiele ludzi jeży się od słowa „elektryka jądrowa”, jednakże zwolennicy tego sposobu pozyskiwania energii mają w ręku ważkie argumenty. W reaktorze zachodzi reakcja łańcuchowa rozszczepiania jąder atomów uranu, które rozpadają się na mniejsze atomy z wydzieleniem ogromnej ilości energii. W ten sposób uran produkuje 3,7 miliona razy więcej energii niż taka sama ilość węgla! Siedem ciężarówek, każda z sześcioma kontenerami dwutlenku uranu, wystarczy, by zasilać 100 – megawatowy reaktor elektrowni atomowej w ciągu jednego roku. Dla porównania – elektrownia węglowa tej samej mocy potrzebowałaby całego pociągu węgla każdego dnia , a wyprodukowałaby przy tym tysiące ton popiołów, tlenków węgla i azotu i dwutlenku siarki, a także miliony ton dwutlenku węgla. Na świecie istnieje 428 elektrowni jądrowych, które produkują 16% energii. W Europie jest ich 150, z czego ponad 1/3 we Francji (76% produkcji w tym kraju). W Polsce w latach 80. rozpoczęto budowę elektrowni w Żarnowcu, która została rzucona po latach protestów społecznych. Elektrownie atomowe nie emitują szkodliwych gazów do atmosfery i mimo otaczającej je fatalnej opinii – są bezpieczne. Zbudowanie takiej elektrowni jest droższe niż węglowej czy parowo – gazowej, ale późniejsza ekspolatacja – już tańsza. Tym bardziej, że uran jest tani, łatwo go sprowadzić, bo potrzeba go mało i nie grozi mu wyczerpanie zapasów. Wydaje się, że bez energetyki jądrowej Polska nie poradzi sobie z rosnącym zapotrzebowaniem na energię za dziesięć – dwadzieścia lat.
Obecnie 18% energii na świecie pochodzi za źródeł odnawialnych. To efekt działań ekologów, w wielu też miejscach ludzie nie mają dostępu do innych możliwości. W Unii Europejskiej energia odnawialna stanowi średnio 6% (od 1% do około 25%). W Polsce produkujemy około 2,5% energii ze źródeł odnawialnych. Te 2,5% to o wiele za mało aby sprostać wymaganiom UE, która w dokumencie zwanym „Białą księgą”, zobowiązała państwa członkowskie do osiągnięcia 15 – procentowego udziału energii odnawialnej już w 2010 roku. Aspiranci nie spieszą się jednak aż tak. „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce”, przyjęta przez rząd we wrześniu 2000 roku, przewiduje, że w 2010 roku będziemy produkować co najmniej 7,5% energii z takich właśnie źródeł, a w 2020 – 14%. Niektórzy są zdania, że jeśli nie zmienimy źródeł energii, Ziemię czeka katastrofa ekologiczna. Profesor Łukasz Turski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN przytacza jednak listę przypadków, kiedy takie wizje okazały się chybione. W XVII wieku wyliczono, że w ciągu 200 – 300 lat miasta zostaną zawalone końskim nawozem. Nie przypuszczano, że w XX wieku nikt już nie będzie używał koni. Innego przykładu dostarcza XIX – wieczny fizyk angielski Crookes. Prorokował, iż wyczerpanie zapasów ptasiego guana z Chile, używanego do produkcji nawozów, spowoduje załamanie światowego rolnictwa. XX wiek rozwiązał ten problem dzięki użyciu amoniaku. Przydałaby się nam więc odrobina wiary w przyszłe osiągnięcia nauki i techniki, choć nie znaczy to bynajmniej, że wystarczy poczekać aż problem sam się rozwiąże.