Odnawialne źródła energii

Materiał ten jest wzbogaceniem do Praca prądu elektrycznegoPsJEgnn5mPraca prądu elektrycznego.

Nieustanne zmiany klimatuzmiana klimatuzmiany klimatu zachęcają ludzi do poszukiwania nowego sposobu produkcji energii elektrycznej. Ekolodzy biją na alarm. Jeśli nie zmienimy naszego postępowania, zmiany klimatyczne będą tak ogromne, że nie będziemy w stanie ich cofnąć. W wyniku spalania paliw kopalnych do atmosfery dostaje się ogromna ilość dwutlenku węgla. Zapotrzebowanie na energię rośnie z roku na rok, a ilość paliw kopalnych wyczerpuje się w zastraszającym tempie. To wszystko zmobilizowało inżynierów na całym świecie do poszukiwania coraz lepszych rozwiązań, wykorzystujących naturalne, odnawialne źródła. Dzisiaj zapraszamy Cię do zapoznania się z nimi.

R1HyktKQPDfHo

Zdjęcie. Widok trzech turbin wiatrowych. W tle zachmurzone niebo.

Odnawialne źródła energii to: „źródła energii, których wykorzystanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem, ponieważ ich zasób odnawia się w relatywnie krótkim czasie (surowce odnawialne)”.

Zastanówmy się więc, co może być tym surowcem.

Wiatr

R61jKwmWlDIuR

Zdjęcie. Młyny wiatrowe umieszczone blisko siebie. Pojedynczy młyn ma kształt walca, na górze umieszczoną stożkową kopułę, do której przymocowane są po cztery śmigi, zbudowane z kratki drewnianej. Każdy młyn posiada również belkę przymocowaną do kopuły, umożliwiającą obrót nią.

Pierwsze młyny wiatrowe budowano już w średniowiecznej Europie. Choć niektóre dane podają, że na Bliskim Wschodzie ten rodzaj urządzeń budowano nawet trzysta lat wcześniej niż na tzw. Starym Kontynencie. Początkowo młyny te służyły m.in. do mielenia ziarna. Dopiero wraz z rozwojem elektryczności zaczęto wykorzystywać je do produkcji prądu.

W Polsce z roku na rok pojawia się coraz więcej tzw. farm wiatrowych. Ich wydajności podaje się przez wielkość fizyczną zwaną mocą. Jak podaje Agencja Rynku Energii w grudniu $\text{2021}$ roku moc zainstalowanych farm wiatrowych w naszym kraju wynosiła $7116,7 \mathrm{MW}$. Zapewne zastanawiasz się, co to oznacza. Jest to moc, jaką sumarycznie wytwarzają wszystkie elektrownie wiatrowe w Polsce w danym okresie. Wartość ta jest zależna od pogody oraz regionów. Najwięcej energii elektrycznej są w stanie wyprodukować elektrownie znajdujące się na terenach, gdzie często wieją dość silne wiatry.

Czy taki sposób pozyskiwania energii jest doskonały? Tak jak każdy posiada swoje zalety i wady. Przeanalizujemy kilka z nich.

Słońce

RyV70VSsv9P8L

Zdjęcie. Rzędy paneli fotowoltaicznych ustawionych na łące. Jasnozielona trawa krótko przycięta. Niebo zachmurzone.

Ta życiodajna gwiazda jest największą elektrownią w naszym Układzie Słonecznym. Pracując nieustannie, wytwarza ogromne ilości energii. Dzięki Słońcu na naszej planecie możliwe jest czerpanie energii z paliw kopalnych czy choćby wiatru. Możemy ją również czerpać bezpośrednio z promieni docierających do naszej planety. Od kilku lat bardzo szybko rozwija się na całym świecie tzw. fotowoltaikafotowoltaikafotowoltaika. Wykorzystanie paneli słonecznych rozpoczęło się od satelitów, okrążających Ziemię. Technologia ta wykorzystywana z astronomii była, niestety, bardzo droga i nieosiągalna dla zwykłego człowieka. Dopiero rozwój tzw. paneli trzeciej generacji pozwolił na wykorzystanie tej technologii w domach. Moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce w grudniu $\text{2021}$ roku wynosiła $7122 \mathrm{MW}$. Jak widzisz, jest to porównywalna wielkość z mocą zainstalowanych farm wiatrowych. Przyjrzyjmy się bliżej zaletom i wadom czerpania energii słonecznej.

Woda

R1NRxzsBdf8wI

Zdjęcie. Widok hydroelektrowni. Pośrodku tama wykonana z betonu zatrzymująca umieszczoną wyżej wodę zgromadzoną w zbiorniku. Poniżej tamy budynki hydroelektrowni, sieć energetyczna. Z lewej strony drogi asfaltowe prowadzące do hydroelektrowni.

Energia wodna jest najintensywniej pozyskiwaną energią spośród surowców odnawialnych. Pierwsze młyny wodne budowano już $\text{2000}$ lat temu. Tak samo jak w przypadku młynów wiatrowych, budowle te wykorzystywane były do mielenia ziarna. W Polsce zaczęto je budować w średniowieczu. W późniejszych latach wyparły je młyny z silnikami parowymi, spalinowymi, a w końcu elektrycznymi. Pierwsza hydroelektrownia powstała w $\text{XIX}$ wieku w Londynie. Pozyskiwanie energii wodnej w Polsce rozpoczęto w roku $\text{1910}$.

Ciekawostka

Zapora Trzech Przełomów to obecnie największa elektrownia wodna na świecie. Jej moc to $22500 \mathrm{MW}$.

RWyqhoOzjJJPF

Zdjęcie. Po lewej stronie wysoka betonowa zapora spiętrzająca rzekę. Z prawej strony zdjęcia rzeka do której spływa woda z tamy. Koryto rzeki zabudowane betonem.

Powstała na rzece Jangcy, w Chinach. Z terenów, które zostały przeznaczone na zalanie, przesiedlono ponad milion mieszkańców, zatapiając $17$ dużych miast. Podczas jej budowy protestowało wielu ekologów i geologów, ostrzegając, że może mieć ona zgubny wpływ na środowisko.

Ciekawostka

W Warszawie w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego znajduje się Park Wodny, w którym odwzorowany został model rzeki, takiej jak w rzeczywistości. Dzięki temu studenci i naukowcy mogą w doskonały sposób zapoznać się z systemem modelowania warunków hydraulicznych oraz hydrobiologicznych. Co to oznacza? Dla przyszłych inżynierów planujących zająć się OZE (odnawialnymi źródłami energii) jest to model, dzięki któremu mogą poznać możliwości wykorzystania naturalnej charakterystyki rzek. To tam w praktyczny sposób można dowiedzieć się, m.in. jak  budować infrastrukturę związaną z wykorzystywaniem wody.

R1vh9i1q4DrgR

Zdjęcie. W oddali budynek biurowy. Przed budynkiem zbiornik wodny z pomostem. Do zbiornika doprowadzone jest płytkie koryto wyłożone kamieniami, w którym znajduje się woda. Wzdłuż brzegu zbiornika poprowadzony jest chodnik. Na chodniku widoczne są dwie ławki.

Te trzy wcześniejsze formy pozyskiwania energii odnawialnej są najczęściej wykorzystywane na świecie. Oprócz nich możemy wyróżnić również energię geotermalną czy biomasę.

Energia geotermalna związana jest z wykorzystaniem energii cieplnej skał, wody i gruntu znajdującego się pod powierzchnią Ziemi. W Polsce wykorzystuje się je m.in. na Podhalu, stanowi ona jednak mały procent całkowitej energii produkowanej w naszym kraju.

RejrsF35qnEdC

Zdjęcie. Wybuch gejzera pośród błota na dużą wysokość. Niebo bezchmurne, błękitne, z widocznym słońcem.

Biomasa uważana jest za kolejny rodzaj energii odnawialnej. Pochodzi z różnych źródeł. Mogą to być:

• drewno, jako odpad z przemysłu drzewnego

• słoma i siano

• odpady z celulozy i papiernictwa

• organiczne odpady w postaci słodu

• biogazy pochodzące z wysypisk czy obornika

• biopaliwa płynne, a w tym oleje roślinne.

RgMgkgFKwtKQh

Zdjęcie. Zbliżenie na małe grudki biomasy, wyglądającej jak mokry piasek.

Odnawialne źródła energii

Praca i moc prądu elektrycznego

Moc elektryczna jest pracą, jaką wykona energia elektryczna w jednostce czasu. W języku angielskim moc to POWER, stąd symbol tej wielkości fizycznej $P$.
Jeśli chcemy obliczyć moc elektryczną, korzystamy ze wzoru:

gdzie:
$P$ – moc prądu elektrycznego, podstawową jednostką jest wat ($\mathrm{W}$),
$U$ – napięcie elektryczne, podstawową jednostką jest wolt ($\mathrm{V}$),
$I$ – natężenie prądu elektrycznego, podstawową jednostką jest amper ($\mathrm{A}$).

Zapewne zauważyłeś, że podczas dzisiejszej lekcji moc prądu podawaliśmy we większych jednostkach niż jednostka podstawowa. Często, gdy mówimy o elektryczności, podajemy jednostki pochodne, takie jak: mili, kilo, mega, czy giga.

Spróbujmy zamienić kilka jednostek pochodnych na jednostki podstawowe i odwrotnie.

Przypomnieliśmy sobie zamianę jednostek. Teraz, wykorzystując tę umiejętność, spróbujemy rozwiązać kolejne zadanie.

Pracę prądu obliczamy ze wzoru:

gdzie:
$W$ – praca (z ang. work), jednostką jest dżul ($\mathrm{J}$),
$U$ – napięcie elektryczne, jednostką jest wolt ($\mathrm{V}$),
$I$ – natężenie prądu elektrycznego, jednostką jest amper ($\mathrm{A}$), $t$ – czas, jednostką jest sekunda ($\mathrm{s}$).
Jeśli przyjrzysz się powyższemu wzorowi, zauważysz, że

a więc, wykorzystując moc urządzenia, możemy obliczyć pracę prądu elektrycznego.

Energia elektryczna

Pod wpływem przekazanej energii przez prąd elektryczny do odbiorników mogą one wykonać pracę.
Jak zatem obliczymy energię elektryczną?
Wykorzystamy wzór na pracę prądu elektrycznego $W=P·t$.

gdzie:
$E_{\mathrm{el}}$ – energia elektryczna, jednostka to kilowatogodzina ($\mathrm{kWh}$),
$P$ – moc elektryczna, jednostka to wat ($\mathrm{W}$),
$t$ – czas, jednostka to sekunda ($\mathrm{s}$).

Zauważ, że jednostką energii elektrycznej są kilowatogodziny, a więc, obliczając zadanie, potrzebujemy jednostek pochodnych zarówno mocy ($\mathrm{kW}$), jak i czasu ($\mathrm{h}$).

Kilowatogodziny można zamienić na dżule i odwrotnie. Jak to zrobić?

$1 \mathrm{kW}=1000 \mathrm{W}$

$1 \mathrm{h}=3600 \mathrm{s}$

$1 \mathrm{kW}\mathrm{h}=1·1000 \mathrm{W}·3600 \mathrm{s}=3600000 \mathrm{J}=3,6 \mathrm{MJ}$

Możemy wykonać również odwrotne obliczenia, czyli zamienić dżule na kilowatogodziny.

Jednostkę $\mathrm{J}$ uzyskamy, mnożąc $\mathrm{W}$ razy $\mathrm{s}$.

$1 \mathrm{kW}=1000 \mathrm{W}$, więc

$3600000 \mathrm{J}$

$\uparrow 1 \mathrm{h} \uparrow 1000 \mathrm{W}=1 \mathrm{kW}$

$3600000 \mathrm{J}=1 \mathrm{h}·1 \mathrm{kW}=1 \mathrm{kWh}$

Jeśli chcemy więc zamienić $\mathrm{J}$ na kilowatogodziny, należy podaną wartość podzielić przez $3600000$.

Sprawdź się

Słownik

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP