1. Dlaczego poszukuje się nowych źródeł energii?

Współczesny świat potrzebuje coraz większych ilości energii. Wzrost liczby ludności, duże tempo rozwoju gospodarczego oraz postęp w zakresie tworzenia i wykorzystania nowych technologii powodują, że zapotrzebowanie na energię elektryczną cały czas rośnie. Obecne źródła energii wpływają na znaczne zanieczyszczenie środowiska, przyczyniają się do zmiany klimatu, a ponadto ich zasoby są ograniczone i znajdują się tylko w niektórych rejonach świata. Poza tym limitowana podaż i duży popyt na paliwa kopalne sprawiają, że ich ceny są coraz wyższe. Dlatego zwiększenie ilości energii produkowanej ze źródeł odnawialnych jest dzisiaj koniecznością.

2. Energia wody

Od stuleci energię wodną wykorzystywano do nawadniania pól, napędzania turbin lub kół wodnych w młynach, kuźniach i zakładach przemysłowych. Po raz pierwszy zastosowano wodę do produkcji energii elektrycznej w XIX wieku. Dzisiejsza hydroenergetykahydroenergetykahydroenergetyka bazuje na potencjale rzek oraz otwartych zbiorników wodnych, na których buduje się elektrownie przepływowe i zaporowe lub wykorzystuje potencjał mórz i oceanów – energię fal, pływów i prądów morskich. Elektrownie wodne, bez względu na rodzaj czy zasadę działania, zamieniają energię potencjalną wody na energię kinetyczną, a ta w prądnicach jest przekształcana w energię elektryczną.

R1Vj5Y2gCcvEn1

Rodzaje elektrowni wodnych ze względu na sposób dostarczania wody na turbinę

Rodzaje elektrowni wodnych ze względu na sposób dostarczania wody na turbinę

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Rodzaje elektrowni wodnych ze względu na sposób dostarczania wody na turbinę

Ciekawostka

Największą na świecie elektrownię wodną wybudowano w Chinach na rzece Jangcy. To Zapora Trzech Przełomów. W związku z tą inwestycją przesiedlono prawie 1,3 milionów osób, a zatopieniu uległ obszar 17 dużych miast, 140 miasteczek oraz ponad 3000 wsi. Jest to też najdroższy pojedynczy projekt, jaki został zbudowany przez człowieka. Imponujące są parametry samej tamy, której długość wynosi 2335 m, średnia szerokość to 1,2 km (czyli dwukrotnie więcej niż szerokość samej rzeki), a wysokość osiąga 185 m. Tamę zbudowano na terenie czynnym sejsmicznie. Jej konstrukcja jest odporna na wstrząsy, ale tylko do 7 stopni w skali Richtera.

R1HzLw87oeRXF1

Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy w Chinach

W produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wodnych przodują Chiny (861 TWh). W Europie energetyka wodna osiągnęła znaczącą pozycję w stosunku do innych alternatywnych źródeł energii. Liderem i niedoścignionym wzorcem w tej dziedzinie jest Norwegia (144 TWh), która uzyskuje z energii spadku wody 98% energii elektrycznej.

RejsNIW7cXlbR1

Zalety i wady energetyki wodnej

3. Energia z wiatru

Energia wiatrowa jest tym sektorem przemysłu energetycznego, który rozwija się najszybciej. Wiatr, czyli poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza względem powierzchni ziemi, powstaje wskutek różnicy ciśnień i temperatur. Do produkcji energii elektrycznej na bazie wiatru służą turbiny wiatrowe, obecnie często skupione w tzw. farmy wiatrowefarma wiatrowafarmy wiatrowe. O ilości energii wytworzonej przez takie elektrownie decyduje nie tylko siła wiatru, ale także częstość występowania tego zjawiska na danym terenie. W Polsce są korzystne warunki do budowy elektrowni wiatrowych głównie na obszarach nadmorskich i w przełęczach górskich. W Europie liderem w wykorzystywaniu tej energii pozostają Niemcy i Hiszpania.

R778zkHy46DAs1

Zalety i wady energetyki wiatrowej

Ciekawostka

Największą morską farmę wiatrową na świecie posiadają Anglicy – „London Array”. Została ona oddana do użytku w lipcu 2013 roku. Elektrownia ta składa się z 175 turbin. Energia jest transportowana za pomocą 200 km kabli położonych na głębokości 25 m pod powierzchnią ziemi. Każda turbina wiatrowa ma wysokość 147 m ponad poziomem morza. Największa lądowa farma wiatrowa na świecie to amerykańska Alta Wind Energy Center w Tehachapi Pass na pustyni Mojave w Kalifornii. Natomiast najwyższe na świecie turbiny wiatrowe powstały w Polsce, w miejscowości Paproć koło Nowego Tomyśla (w Wielkopolsce). Łączna wysokość konstrukcji to 210 m (dla porównania Pałac Kultury i Nauki w Warszawie ma wysokość 185 m bez iglicy).

R1HjackL9lzDe1

Elektrownia Sheringham

R18vnKnsFIlYv1

Elektrownia Alta Wind Energy Center w Kalifornii

RxFwLJStryMpY1

Elektrownia wiatrowa

4. Energia Słońca

Słońce to największe i najważniejsze źródło energii na Ziemi. Praktycznie jest wykorzystywane od zawsze przez człowieka. Obecnie wykorzystuje się je do zasilania kalkulatorów, zegarków, kamer monitoringu, znaków drogowych. Energię słoneczną można przetwarzać na ciepło w kolektorach słonecznych (konwersja fototermicznakonwersja fototermicznakonwersja fototermiczna) oraz stosować do produkcji prądu elektrycznego za pomocą ogniw fotowoltaicznych, konstruowanych na bazie krzemu (konwersja fotowoltaiczna). Trzecim rozwiązaniem jest przemiana energii promieniowania słonecznego w energię chemiczną (konwersja fotochemiczna). Proces ten zachodzi w roślinach zielonych i nazywany jest fotosyntezą:

Energia słoneczna może być wykorzystywana na małą skalę w domach prywatnych czy instytucjach publicznych. Na dachach, tych budynków montuje się baterie ogniw słonecznych. Na dużą skalę energię słoneczną wykorzystuje się w elektrowniach słonecznych. Liderem na świecie w wykorzystywaniu tej energii są Niemcy.

RoRzULci9mNTu1

Zalety i wady energetyki słonecznej

Ciekawostka

Największa elektrownia słoneczna Ivanpah powstała w USA na pustyni Mojave ok. 40 km od Las Vegas. Zajmuje powierzchnię ponad 4 mln mIndeks górny 2². Składa się ze 173 500 luster. Każde z luster ma ponad 6 metrów długości, a nad nimi znajdują się specjalne rury o średnicy 10 centymetrów wypełnione olejem. Lustra rozgrzewają znajdujący się w rurze olej do 400°C i kierują światło słoneczne na trzy ponad 130‑metrowe wieże, na których umieszczone są bojlery z wodą. Powstająca para wodna napędza turbiny, generujące prąd.

R12W9cAJ3ktJF1

Ivanpah – największa elektrownia słoneczna na świecie

5. Energia z wnętrza Ziemi

Energia geotermalna to ciepło uwalniane w procesie rozpadu naturalnych promieniotwórczych izotopów przede wszystkim uranu, toru i potasu w płaszczu Ziemi. Wybuchy istniejących wulkanów, wypływy przegrzanej pary (fumarole) czy gorącej wody (gejzery) przypominają jak ogromny potencjał energii drzemie we wnętrzu Ziemi. Już grecki lekarz Hipokrates stosował energię geotermalną do leczenia swoich pacjentów. Wody o temperaturze 40–90°C znajdują zastosowanie w produkcji ciepła użytkowego, w balneologii, rolnictwie i ogrodnictwie (do upraw szklarniowych), hodowli ryb, ponadto w przemyśle (np. pasteryzacja mleka czy suszenie drewna). Natomiast wody o temperaturze co najmniej 150°C mogą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Krajem, który przoduje w wykorzystywaniu tego typu energii, są USA.

RuPmEf6uYxgz21

Zalety i wady energetyki geotermalnej

R2hdsqVuzJEsO1

Błękitna Laguna – Islandia

6. Energia jądrowa

Energia jądrowa to energia pozyskiwana z rozszczepienia jąder atomowych pierwiastków ciężkich np.: ${}_{\text{92}}{}^{\text{235}}\text{U,}$${}_{\text{92}}{}^{\text{238}}\text{U,}$${}_{\text{94}}{}^{\text{239}}\text{Pu,}$${}_{\text{90}}{}^{\text{232}}\text{Th}.$ W reaktorach jądrowych w wyniku zderzenia neutronu z jądrem ${}_{\text{92}}{}^{\text{235}}\text{U}$ zachodzi proces rozszczepienia, który opisuje równanie:

Powstające neutrony powodują rozpad kolejnych jąder uranu ${}_{92}{}^{235}U$, wywołując reakcję łańcuchowąreakcja łańcuchowareakcję łańcuchową, której towarzyszy emisja ok. 80 000 MJ energii z 1 g uranu (dla porównania ciepło spalania dla 1000 g węgla kamiennego to 30 MJ). Na świecie pracuje 435 reaktorów energetycznych (stan na dzień 31.07.2012 r.). Udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi ok. 14%.

R1Kj5kOCQt22L1

Animacja przedstawiająca kominy, z których leci dym. Następnie schemat działania elektrowni. Potem mapa Polski z zaznaczoną Warszawą i pojawiające się logo Państwowej Agencji Atomistyki.

Animacja przedstawiająca kominy, z których leci dym. Następnie schemat działania elektrowni. Potem mapa Polski z zaznaczoną Warszawą i pojawiające się logo Państwowej Agencji Atomistyki.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Animacja przedstawiająca kominy, z których leci dym. Następnie schemat działania elektrowni. Potem mapa Polski z zaznaczoną Warszawą i pojawiające się logo Państwowej Agencji Atomistyki.

Energetyka jądrowa prawdopodobnie będzie w przyszłości głównym źródłem energii na świecie. Awaria reaktorów w Czarnobylu (1986 r.) i w Fukushimie (2011 r.) na nowo wzbudziły obawy i sprowokowały dyskusje nad bezpieczeństwem tego źródła energii. Jednak niezaprzeczalnie jest to dzisiaj najmniej awaryjne źródło energii, najlepszy sprzymierzeniec w walce o czyste środowisko i najtańszy sposób na produkcję prądu elektrycznego.

RcDIH9AcsiJGc1

Zalety i wady energetyki jądrowej

Ciekawostka

Amerykańska firma Laser Power System pracuje nad samochodem turbinowym, który nie emitowałby żadnych spalin. Konstruktorzy przewidują, że silnik tego pojazdu, o mocy 250 kilowatów, będzie ważył około 227 kg, ale jego niewielkie rozmiary pozwolą zmieścić go pod maską samochodu. Paliwem ma być tor – 90. pierwiastek układu okresowego, mogący wytworzyć wiązkę laserową, podgrzewającą wodę, a ta po przekształceniu w parę wodną ma napędzać małe turbiny. Energia, jaką można uzyskać z 1 grama tego pierwiastka, odpowiadałaby zużyciu ponad 28 000 litrów benzyny, co pozwala na przejechanie około 350 000 km (zakładając, że średnie spalanie utrzymuje się na poziomie 7–8 l/100 km).

RMpFAigADp7fs1

Grafika przedstawiająca samochód

7. Energia biomasy

Biomasę stanowi materia pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, głównie odpady z produkcji rolnej, pozostałości leśnictwa, osady ściekowe, odpady przemysłowe oraz komunalne. Biomasa jest najstarszym i najszerzej wykorzystywanym odnawialnym źródłem energii. Można ją bezpośrednio spalić lub przetworzyć na biopaliwa. Wyróżnia się trzy postacie biopaliw: stałe (np. drewno kawałkowe, słoma, siano, trawy roślin energetycznych, zrębki drzewne, brykiety i pellety), ciekłe (np. bioetanol, biodiesel) i gazowe (np. mieszaniny gazów powstałe w fermentacji beztlenowej suchej i mokrej, a także w procesie gazyfikacji i pirolizy). Najpopularniejszą w Polsce rośliną energetyczną jest wierzba wiciowa (energetyczna), która z hektara upraw w ciągu roku pozwala uzyskać średnio tyle energii co spalenie 10–13 ton węgla.

RSlFce6MDRXNK1

Infografika przedstawiająca rośliny energetyczne: wierzbę wiciową, rdestowiec sachaliński, miskant, kukurydzę zwyczajną, topinambur (słonecznik bulwiasty), trzcinę cukrową oraz ślazowiec pensylwański.

Biopaliwa płynne są wykorzystywane do napędzania samochodów. Z bulw ziemniaków lub ziaren roślin poddanych fermentacji otrzymuje się etanol, który coraz częściej jest używany jako biopaliwo (bioetanol):

Jego wartość energetyczna wynosi ok. 30 MJ/kg. Dlatego może być stosowany jako domieszka do benzyny. Z oleju rzepakowego słonecznikowego lub zużytego oleju spożywczego otrzymuje się biopaliwo określane mianem biodisel. W jego skład wchodzą estry metylowe kwasów tłuszczowych, które powstają w wyniku reakcji estryfikacji pomiędzy metanolem i tłuszczami otrzymywanymi z roślin oleistych:

W warstwach mułu na torfowiskach i na wysypiskach śmieci tworzy się w sposób naturalny biogaz (zwany gazem wysypiskowym). W jego skład wchodzą metan, tlenek węgla(IV), azot, siarkowodór. Spalanie biogazu otrzymanego w sposób kontrolowany w biogazowniach może być źródłem energii, którą można wykorzystać do ogrzewania budynków, gotowania lub zasilania pojazdów.

R1ZAn7ENUnJjI1

Zalety i wady

RUdmqSVtKUovj1

Wykorzystanie odchodów zwierzęcych jako źródła energii do przygotowywania posiłków w Indiach (Waranasi)

8. Inne źródła energii

Ogniwa paliwowe to urządzenia, w których energia elektryczna i ciepło powstają w wyniku reakcji chemicznej:

Ogniwo paliwowe potrzebuje jako substratu substancji, która łatwo się utlenia, np. wodoru. Można je zasilać również innymi substancjami, np.: metanolem, etanolem. Takie źródła energii zasilają statki, promy i stacje kosmiczne, dostarczając jednocześnie wodę, która nadaje się do picia. Dostępność różnych rodzajów ogniw paliwowych sprawia, że lista ich możliwych zastosowań może być niezwykle długa, począwszy od urządzeń przenośnych takich jak kamery, telefony komórkowe, laptopy, tablety, przez samochody i inne pojazdy, domowe instalacje grzewcze. To wyeliminowałoby straty powstające podczas przesyłania energii z elektrowni do odbiorcy. Pojedyncze ogniwo paliwowe mają niewielką moc, dlatego łączy się je w moduły, tzw. stosy paliwowe.

R1Nda2S1JX06Q1

Schemat działania ogniwa paliwowego (wodorowo-tlenowego)

Elektroliza wody

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Jak otrzymać pierwiastki, z których zbudowana jest woda?

Hipoteza

Z wody można otrzymać m.in. pierwiastek będący źródłem energii.

Co będzie potrzebne

• zlewka,

• bagietka,

• pipetka Pasteura,

• 2 szpilki,

• przewody z krokodylkami,

• bateria,

• szalka Petriego,

• łuczywo,

• roztwór wodorotlenku sodu,

• płyn do mycia naczyń,

• woda destylowana.

Instrukcja

1. Do zlewki wlej kilka cmIndeks górny 3³ wody destylowanej, dodaj parę kropli roztworu $\text{NaOH}$ i otrzymany roztwór zamieszaj bagietką.

2. Pipetę Pasteura wypełnij w 3/4 pojemności otrzymanym roztworem.

3. Pipetę przekłuj dwiema szpilkami (szpilki muszą być zanurzone w roztworze, ale nie mogą się dotykać).

4. Do każdej ze szpilek podłącz przewody z krokodylkami, a wolne końce przewodów połącz z baterią.

5. Wylot pipety zanurz w wodzie z płynem do mycia naczyń, który wcześniej przygotuj na szalce Petriego.

6. Wydzielający się gaz zbieraj w bańkach mydlanych.

7. Po rozłączeniu układu zbliż do baniek zapalone łuczywo.

Podsumowanie

Po połączeniu przewodów do baterii można zaobserwować, że na szpilkach (elektrodach) wydziela się bezbarwny gaz, który tworzy bańki w wodzie zawierającej płyn do zmywania. Pod wpływem prądu woda ulega elektrolizie, czyli rozkłada się na wodór i tlen:

${\text{2H}}_{\text{2}}\text{O →}{\text{ 2H}}_{\text{2}}\text{ +}{\text{ O}}_{\text{2}}$

Wodór spala się w tlenie wybuchowo. Zachodzący wówczas proces można opisać równaniem reakcji:

${\text{2H}}_{\text{2}}\text{ + }{\text{O}}_{\text{2}}\text{ →}{\text{ 2H}}_{\text{2}}\text{O}$

Mieszanina wodoru z tlenem w stosunku objętościowym 2:1 lub z powietrzem w stosunku objętościowym 2:5 to mieszanina piorunująca.

R7uDGgrGjzEIK1

Pokazane przyrządy potrzebne do doświadczenia. Za pomocą cylindra miarowego odmierzamy kilka cm3 wody destylowanej i dodajemy parę kropli płynu do udrażniania rur, używając pipetki Pasteura. Otrzymany roztwór wymieszamy bagietką. Drugą pipetę Pasteura napełniamy w 3/4 pojemności otrzymanym roztworem, przekłuwamy ją dwiema szpilkami. Do każdej ze szpilek podłączamy przewody z krokodylkami, a wolne końce przewodów łączymy z baterią. Wylot pipety zanurzamy w wodzie z płynem do mycia naczyń. Wydzielający się gaz zbieramy w bańkach mydlanych. Po rozłączeniu układu zbliżamy do powstałych baniek zapalone łuczywo.

Pokazane przyrządy potrzebne do doświadczenia. Za pomocą cylindra miarowego odmierzamy kilka cm3 wody destylowanej i dodajemy parę kropli płynu do udrażniania rur, używając pipetki Pasteura. Otrzymany roztwór wymieszamy bagietką. Drugą pipetę Pasteura napełniamy w 3/4 pojemności otrzymanym roztworem, przekłuwamy ją dwiema szpilkami. Do każdej ze szpilek podłączamy przewody z krokodylkami, a wolne końce przewodów łączymy z baterią. Wylot pipety zanurzamy w wodzie z płynem do mycia naczyń. Wydzielający się gaz zbieramy w bańkach mydlanych. Po rozłączeniu układu zbliżamy do powstałych baniek zapalone łuczywo.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Pokazane przyrządy potrzebne do doświadczenia. Za pomocą cylindra miarowego odmierzamy kilka cm3 wody destylowanej i dodajemy parę kropli płynu do udrażniania rur, używając pipetki Pasteura. Otrzymany roztwór wymieszamy bagietką. Drugą pipetę Pasteura napełniamy w 3/4 pojemności otrzymanym roztworem, przekłuwamy ją dwiema szpilkami. Do każdej ze szpilek podłączamy przewody z krokodylkami, a wolne końce przewodów łączymy z baterią. Wylot pipety zanurzamy w wodzie z płynem do mycia naczyń. Wydzielający się gaz zbieramy w bańkach mydlanych. Po rozłączeniu układu zbliżamy do powstałych baniek zapalone łuczywo.

RfOBLwyKAZVqk1

Zalety i wady ogniw paliwowych

Podsumowanie

• Główną zaletą odnawialnych źródeł energii (OZE) jest ochrona środowiska naturalnego przed emisją szkodliwych substancji chemicznych. Ponadto wykorzystywanie OZE pozwala w znacznym stopniu ograniczyć eksploatację paliw kopalnych i zużycie tlenu.

• Do alternatywnych źródeł energii zalicza się energię: wody, wiatru, Słońca, geotermalną, jądrową, biomasy i energię pozyskiwaną z wodoru.

• Energia geotermalna – jest wewnętrznym ciepłem Ziemi zgromadzonym w skałach oraz w wodach wypełniających pory i szczeliny skalne.

• Energia jądrowa – energia uwalniana podczas przemian jądrowych.

• Biomasa – podatna na rozkład biologiczny materia organiczna.

• Możliwość większego wykorzystania energii ze źródeł alternatywnych jest związana z opracowaniem nowych i doskonaleniem dostępnych już metod technologicznych.

Słowniczek

Zadania