Wykorzystywanie ogniw wodorowych i słonecznych w produkcji energii elektrycznej
Nie zawsze tempo produkcji energii elektrycznej jest zgodne z chwilowym zapotrzebowaniem odbiorców na tę energię. Wahania tego zapotrzebowania bywają zaskakujące gwałtowne. Natomiast szybkie zmiany wydajności elektrowni jądrowej czy węglowej są niemożliwe. Z drugiej strony elektrownie wiatrowe i farmy paneli fotowoltaicznych mają zmienną wydajność zależną od warunków pogodowych. Zapoznaj się z filmem samouczkiem, który pokazuje, na jednym przykładzie, jak można złagodzić problem zbilansowania zapotrzebowania na energię z tempem jej produkcji.
Przeanalizuj wykres zapotrzebowania na moc w sieci energetycznej w Polsce. Wskaż i opisz co najmniej dwie charakterystyczne cechy tego przebiegu.
RJrriBgKdp1uX1
Rys. do Polecenia 1 przedstawia wykres w prostokątnym układzie współrzędnych. Oś pozioma jest oznaczona "czas [tygodnie] i wyskalowana od 1 do 5, co 1. oś pionowa jest oznaczona "zapotrzebowanie na moc [GW]" i wyskalowana od 10 do 30, co 5. Wykres jest koloru niebieskiego. Okresowo powtarza się zestaw kilku wysokich wąskich grzbietów i dwóch niższych.
Rys. Miesięczne zapotrzebowanie na moc w Polsce w listopadzie 2021. Wykres jest "uciągloną" wersją danych zbieranych co godzinę. Na podstawie strony https://www.pse.pl/dane‑systemowe/funkcjonowanie‑kse/raporty‑dobowe‑z-pracy‑kse/zapotrzebowanie‑mocy‑kse
uzupełnij treść
Pierwsza specyficzna cecha, wymieniona w samouczku, to różnica pomiędzy zapotrzebowaniem dziennym i nocnym.
Wyraźnie widoczne jest też obniżone dzienne zapotrzebowanie na moc w soboty i niedziele.
Analogicznie jest ze świętami: 1.11 oraz 11.11
W skali dnia wyraźnie widać spadek zapotrzebowania po typowych godzinach pracy i większy od tego spadku wzrost, najprawdopodobniej związany z działalnością po powrocie ludzi do domu.
Nocne zapotrzebowanie na moc między sobotą i niedzielą jest w widoczny sposób mniejsze od nocnego zapotrzebowania w tygodniu.
Polecenie 2
W ostatniej scence filmu pokazano najprostszy schemat działania ogniwa paliwowego. Rozstrzygnij dwa następujące problemy. Podaj także krótkie uzasadnienie rozstrzygnięcia.
Problem 1
W środkowym obszarze ogniwa, czyli w elektrolicie, pokazano schematycznie jony . W którą stronę przemieszczają się one podczas normalnej pracy ogniwa, gdy zasila ono obwód zewnętrzny? A może pozostają one w spoczynku?
uzupełnij treść
Zgodnie z opisem podanym w części „Przeczytaj” jony wodorowe dyfundują przez elektrolit w kierunku utleniacza, podczas gdy dla elektronów ta droga jest zablokowana.
Problem 2
Na zewnątrz ogniwa pokazano zasilaną żarówkę, połączoną przewodem z ogniwem. Rozstrzygnij, czy strzałki na przewodach symbolizują konwencjonalny kierunek przepływu prądu czy kierunek ruchu elektronów.
uzupełnij treść
Jest to kierunek przepływu elektronów. Jak wskazano w pierwszym problemie dodatnie jony wodoru dyfundują przez elektrolit oddzielający anodę od katody. Ta droga jest dla samych elektronów zablokowana. Tak więc by w katodzie mogły powstać obojętne elektrycznie cząsteczki wody, potrzebny jest przepływ elektronów inną drogą - w tym przypadku przez zewnętrzny obwód.
Polecenie 3
Podaj choć jedno uzasadnienie dla faktu, że energia potrzebna do uzyskania określonej ilości wodoru przez elektrolizę wody przewyższa energię, którą uzyskuje się ze spalenia tej samej ilości wodoru w tlenie.
uzupełnij treść
Najbardziej oczywisty sposób rozproszenia energii elektrycznej w ciepło wynika z faktu, że obwód elektryczny w postaci wody (najczęściej z pewnymi dodatkami poprawiającymi jej przewodność, tj. zmniejszającymi jej opór) działa jak opornik. Część energii musi zostać wydzielona na tym oporniku. Mniej narzucający się fakt pochodzi z następującej obserwacji (skądinąd nieco banalnej): elektrody w czasie elektrolizy muszą być rozdzielone. Inaczej następowałoby zwarcie obwodu i proces elektrolizy byłby po prostu niemożliwy. Skoro elektrody są rozdzielone, otrzymujemy tlen oraz wodór jako oddzielne składniki - zwykle zbierane do dwóch oddzielnych naczyń. Gdybyśmy chcieli - czy przez użycie naczynia obejmującego w wodzie obie elektrody, albo później przez połączenie naczyń - wymieszać produkty elektrolizy (tj. tlen i wodór w proporcjach molowych 1:2), miałoby to swój dodatkowy koszt energetyczny. Porównaj e‑materiały o entropii: „Entropia”, „Entropia dla zainteresowanych”, „Jak brzmi II zasada termodynamiki?” oraz „Jak zinterpretować II zasadę termodynamiki?”.
![Rys. do Polecenia 1 przedstawia wykres w prostokątnym układzie współrzędnych. Oś pozioma jest oznaczona "czas [tygodnie] i wyskalowana od 1 do 5, co 1. oś pionowa jest oznaczona "zapotrzebowanie na moc [GW]" i wyskalowana od 10 do 30, co 5. Wykres jest koloru niebieskiego. Okresowo powtarza się zestaw kilku wysokich wąskich grzbietów i dwóch niższych.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RJrriBgKdp1uX/1643022978/2hsKqzGa4YmQKELDR42E0QbrS6rHA76O.svg)