Energetyka to dział gospodarki oraz przemysłu zajmujący się pozyskiwaniem, przetwarzaniem, gromadzeniem i przesyłaniem oraz użytkowaniem różnych form i źródeł energii. Niniejszy temat dotyczy energii elektrycznej, która jest jednym z rodzajów energii wtórnychenergia wtórna energii wtórnych. Odgrywa ona bardzo ważną rolę we wszystkich sektorach gospodarki. Ponadto z łatwością można przekształcić ją na energię cieplną, mechaniczną, światło i dźwięk.

Energetyka dzieli się na wytwarzanie i dostarczanie energii w dwóch rodzajach:

• energia elektryczna - produkcja przy pomocy turbin i prądnic oraz przesył energii przewodami do odbiorcy,

• energia cieplna - przesył ciepła za pomocą nośnika, np. pary wodnej pod dużym ciśnieniem, wody lub innej cieczy.

Obiektami przemysłowymi, w których produkuje się energię elektryczną, są elektrownie. Najczęściej dzieli się je na konwencjonalne (tradycyjne) oraz alternatywne.

Do elektrowni konwencjonalnych zalicza się:

• elektrownie cieplne,

• elektrownie jądrowe (atomowe),

• niektóre rodzaje elektrowni wodnych (hydroelektrowni): przepływowe, zaporowe, szczytowo‑pompowe.

Do elektrowni alternatywnych zalicza się:

• niektóre rodzaje elektrowni wodnych (hydroelektrowni): pływowe i maremotoryczne,

• elektrownie wiatrowe,

• elektrownie słoneczne,

• elektrownie geotermiczne,

• elektrownie wykorzystujące biomasę.

Elektrownie cieplne

W elektrowniach cieplnych energię elektryczną uzyskuje się poprzez spalanie surowców energetycznych (węgla kamiennego i brunatnego, gazu ziemnego i ropy naftowej oraz produktów pochodzących z przetworzenia tych surowców, np. mazutu). W wyniku spalania tych surowców energia pierwotna, która jest w nich zgromadzona, zamieniana jest w ciepło ogrzewające wodę (w kotle nad paleniskiem lub przepływającą rurami przez palenisko). Wytworzona para wodna wprawia w ruch turbinęturbina turbinę prądotwórczą, a sprzężony z nimi generatorgenerator prądu/prądnicagenerator produkuje prąd elektryczny. Skroplona para woda ogrzewa wodę chłodzącą (pochodzącą np. z rzeki) lub oddaje ciepło w chłodnicach kominowych. Powstałe ciepło (gorąca woda) może służyć także do ogrzewania domów. Wówczas zakład ten jest elektrociepłowniąelektrociepłowniaelektrociepłownią. Elektrownie i elektrociepłownie zlokalizowane są zwykle:

• w pobliżu miejsc występowania surowców (dotyczy węgla brunatnego, którego transport na dalsze odległości nie jest opłacalny),

• w bliskiej odległości głównych szlaków komunikacyjnych (np. żeglugowych, kolejowych i rurociągowych) w przypadku łatwości i opłacalności transportu danego surowca,

• bliskość zasobów wody do chłodzenia (np. położenie nad rzeką lub jeziorem).

Elektrownie opalane węglem kamiennym dominują w Republice Południowej Afryki, Polsce, Chinach, Indiach i Stanach Zjednoczonych. Elektrownie bazujące na ropie naftowej są charakterystyczne dla państw Bliskiego Wschodu, np. Arabii Saudyjskiej, gdzie pokrywają 100% zapotrzebowania na energię. Elektrownie opalane węglem brunatnym powszechne są we wschodnich Niemczech oraz w Polsce.

Polecenie 1

Na podstawie schematu opisz zasadę działania elektrowni cieplnych opalanych węglem. Zaprojektuj ciąg przyczynowo‑skutkowy. Zwróć uwagę na rolę zasobów wodnych.

Zapoznaj się z poniższym opisem działania elektrowni cieplnych opalanych węglem. Zwróć uwagę na rolę zasobów wodnych.

RBcuntSRpZwe0

Na grafice jest schemat budowy elektrowni węglowej. Od lewej strony widać młyn węglowy do którego wsypywany jest węgiel. Od niego odchodzące palniki przymocowane do kotła. Nad młynem jest komin i odchodząca od niego do kotła rura, a na niej filtry. W kotle odbywa się spalanie, efekty spalania czyli wszelakie zanieczyszczane odprowadzane są do filtra i kominu, uwalniane są w postaci spalin oraz znajduje się mechanizm podgrzewania wody, są to połączone ze sobą rury które transportują wodę w zamkniętym obiegu. Woda do rur znajdujących się w kotle wpływa za pomocą kondensatora w którym również odbywa się chłodzenie wody. Podgrzewająca się w kotle woda zamienia się w  parę wodną która uruchamia turbinę zasilającą generator. W ten sposób wytwarza się energię.

R1MiqnOeW4HeT

Na zdjęciu znajduje się mnóstwo budynków kilkupiętrowych. Za obszarem pokrytym tymi budynkami widoczny jest długi niemal na całą szerokość fotografii brązowy budynek. Za nim znajduje się osiem wielkich bloków elektrowni, pomiędzy którymi stoją wysokie fabryczne kominy pomalowane we wzory w kolorach (od lewej): niebieskim, różowym zielonym, biało-zielonym, biało-różowym. Nad kominami widoczne są smugi dymu. W tle niebiesko-szare niebo.

RHor4JTdMNjWJ

Na zdjęciu znajduje się obszar pokryty budynkami fabrycznymi i halowymi. Za nimi widocznych jest siedem szerokich, cylindrycznych kominów, duże bloki elektrowni i dwa wysokie kominy pomalowane w poziome pasy czerwono-białe. Ze wszystkich kominów wydobywa się gęste kłęby białego dymu. W widać pola i jasne niebo.

Elektrownie jądrowe (atomowe)

Są to elektrownie, których zasada działania jest podobna jak w przypadku elektrowni cieplnych, z tym, że ciepło nie jest wydzielane w wyniku spalania surowców, lecz na skutek reakcji łańcuchowejreakcja łańcuchowa reakcji łańcuchowej, która polega na rozszczepieniu jąder pierwiastków promieniotwórczych (głównie uranu, plutonu i toru) w reaktorze jądrowym. Wytworzona energia ogrzewa wodę, a powstała para wodna napędza turbiny prądotwórcze. Sprzężony z nimi generator wytwarza energię elektryczną. Elektrownie jądrowe są zlokalizowane zwykle w pobliżu dużych zasobów wodnych potrzebnych do chłodzenia rdzeni reaktorów (np. przy rzece lub jeziorze).

Elektrownie jądrowe występują powszechnie w USA, Francji, Japonii, Rosji, Korei Południowej i Kanadzie. Biorąc pod uwagę udział elektrowni jądrowych w produkcji energii w wybranych krajach, należy podkreślić dominację tych elektrowni we Francji, na Litwie, w Belgii oraz na Ukrainie.

Hydroelektrownie produkują energię elektryczną dzięki naturalnej sile przepływu lub spadku wody. Wśród konwencjonalnych typów hydroelektrowni wyróżnia się przede wszystkim: elektrownie przepływowe, zaporowe i szczytowo‑pompowe.

• Elektrownie przepływowe wykorzystują naturalny przepływ rzek. Energia potencjalna i kinetyczna wody, przepływając przez turbinę, jest zamieniana na energię mechaniczną. Turbina zaś sprzężona jest z prądnicą wytwarzającą energię elektryczną. Elektrownie te zlokalizowane są na rzekach nizinnych charakteryzujących się dużym przepływem lub rzekach górskich odznaczających się dużym spadkiem. Pracują one w sposób ciągły, zatem nie jest możliwa regulacja mocy wytwarzanej energii. Elektrownie przepływowe znajdują się we Francji, Kanadzie, Rosji i Chinach.

RomgJBkwmRy9H

Ilustracja przedstawia turbinę elektrowni przepływowej. Szary walec wypełniony jest wodą. Ma pośrodku żółty element z czterema skrzydłami, obok niego znajduje się strzałka pokazująca ruch obrotowy tego elementu. Do walca od lewej prowadzi koryto, przez który wpływa woda. Z prawej strony walca, u dołu znajduje się drugie koryto, którym woda wypływa.

R1PocMRY0mjID

Na zdjęciu ujęto szeroką rzekę, która wpływa z lewej strony, następnie zakreśla łuk i wypływa u dołu zdjęcia. Na jej łuku znajdują się dwa duże, podłużne obiekty połączone ze sobą pod kątem rozwartym. Przez nie przepływa woda rzeki, spieniając się. Po lewej i po prawej, a także za rzeką widać pofałdowane tereny pokryte zielenią, pocięte drogami.

• Elektrownie zaporowe mają zdolność regulacji mocy wytwarzanej energii, ponieważ posiadają sztuczny zbiornik wodny odgrodzony od rzeki tamą. W okresach małego zapotrzebowania na energię elektryczną gromadzą one wodę w zbiorniku, a w okresach dużego zapotrzebowania uwalniają ją, wprawiając w ruch turbiny. Te zaś sprzężone są z generatorem, który wytwarza energię elektryczną. Elektrownie zaporowe są rozlokowane na całym świecie.

R5TFB5k6RKHRJ

Na zdjęciu wykonanym z pewnej wysokości widać olbrzymią zaporę w kształcie półkola - szerszego u góry, węższego na dole. Zarówno przed zaporą na dole, jak i wyżej, za nią znajduje się stojąca woda. Po lewej od zapory jest ściana skalna, a po prawej widoczny jest wierzch drugiej ściany skalnej. Zapora jest w kolorze beżowym. Od jej górnego łuku odchodzą dwa korytarze, prowadzące do stojących w wodzie dwóch par wieżyczek. U podnóża zapory widoczne są jakby wystające ze skalnej ściany podłużne budynki - beżowe z białymi dachami.

• Elektrownie szczytowo‑pompowe posiadają połączone ze sobą dwa zbiorniki wodne położone na różnych wysokościach (zbiornik górny i zbiornik dolny). W okresie małego zapotrzebowania na energię elektryczną (np. nocą) woda z dolnego zbiornika pompowana jest do górnego zbiornika (pobierając z sieci energię, która wówczas jest tania). Z kolei w okresie dużego zapotrzebowania na energię (w tzw. godzinach szczytu, np. w ciągu dnia) wykorzystuje się spadek wody spływającej z górnego zbiornika do dolnego, która napędza turbinę prądotwórczą. Praca tej elektrowni, mimo że musi ona pobrać prąd sieci podczas pompowania wody z dolnego zbiornika do górnego, jest opłacalna, gdyż energia elektryczna jest skupowana w okresie, kiedy jest najtańsza (najczęściej nocą), a sprzedawana w okresie najwyższego zapotrzebowania, zatem w wyższej cenie. Podobnie jak w przypadku elektrowni zaporowych, omawiany typ elektrowni rozlokowany jest na całym świecie, natomiast w Polsce występuje w Żarnowcu, Żydowie i Porąbka‑Żarze.

ROCZ2XVNY1KGr

Dwie ilustracje. Na obu znajduje się góra pokryta na prawym zboczu drzewami. Za lewym zboczem, wysoko znajduje się zbiornik wodny, a pod nim warstwa ziemi. W ziemi przekopany jest tunel prowadzący pod całą górą i prowadzący do dolnego zbiornika wodnego po prawej stronie góry. W połowie długości tunelu, nad wodą, a we wnętrzu góry umieszczony jest szary obiekt w kształcie rzymskiej jedynki. Lewa ilustracja podpisana jest "zrzut wody". Symbol słońca w prawym górnym rogu informuje, że jest dzień. Od górnego zbiornika prowadzą strzałki do dolnego zbiornika. Prawa ilustracja podpisana jest "pompowanie wody". Symbol księżyca w prawym górnym rogu informuje, że jest noc. Od dolnego zbiornika prowadzą strzałki do górnego zbiornika.

RgilLTqgS4jYn

Na zdjęciu znajdują się cztery długie rurociągi złożone z wielkich, karbowanych rur w kolorze niebieskim z nieco szerszymi beżowymi pierścieniami umieszczonymi co pewien odcinek. Rurociąg ciągnie się z przodu zdjęcia w głąb zdjęcia - widoczne jest, iż na początku rury są na terenie wyższym niż w głębi fotografii. Na końcu rurociągu znajduje się długi czarny obiekt, za którym widać wstęgę wody. Pozostały teren - po prawej i po lewej od rurociągu oraz za wstęgą wody - jest zalesiony.

RqqX4S3JM2Naq

Na zdjęciu znajduje się olbrzymia zapora złożona z pionowych betonowych gmachów i stojących u ich podnóża, wzdłuż, dwóch długich budynków, pomiędzy którymi przez szeroka przerwa, którą płynie woda. Przed długimi budynkami stoi woda. Na szczycie zapory stoją co jakiś odcinek czerwone stelaże, na których umieszczone są czerwone budynki. Za zaporą widać duży obszar wody, a dalej, za nią, wznoszą się zalesione góry.

Należą do nich elektrownie pływowe, maremotoryczne i maretermiczne.

• Elektrownie pływowe wykorzystują zjawisko pływów (przypływów i odpływów). Lokalizowane są one najczęściej w obrębie wąskiej zatoki, która w wyniku odcięcia zaporą stanowi zbiornik, do którego woda wpływa (podczas przypływów) i wypływa (podczas odpływów), poruszając turbiny prądotwórcze. Elektrownie pływowe występują na terenie Wielkiej Brytanii, Rosji, Kanady i Chin.

RFeytvETml79A

Na grafice są dwie turbiny zanurzone w wodzie. Tego typu elektrownie wykorzystują regularne się podnoszenie i opadanie poziomu wody. W pierwszym przypadku czyli podczas przypływu woda przepływa przez zbiornik elektrowni poruszając turbiną. Turbina kręci się wokół własnej osi w prawą stronę. Podczas przepływu woda płynie w drugą czyli w lewą stronę. Kręcąc się turbina wytwarza energię. Elektrownie przepływowe działają tylko kilka godzin w ciągu dnia w dwóch cyklach, podczas przypływów i odpływów.

RcjRCTvKAODkM

Na zdjęciu widać duży obszar wodny. Na wodzie widoczna jest wybudowana na sztucznie wzniesionej podstawie droga dwujezdniowa. Biegnie ona od dolnego prawego rogu fotografii, w centrum zdjęcia zmienia kierunek, i biegnie dalej ku środkowi górnej krawędzi zdjęcia. W miejscu, gdzie zmienia się kierunek drogi, znajduje się okrągła przestrzeń.

• Elektrownie maremotoryczne wykorzystują fale lub prądy morskie. Produkują one energię elektryczną w wyniku uderzania o zakotwiczoną boję lub inne obiekty, które sprzężone są z generatorami, ale też na skutek uderzania o brzeg bądź konstrukcję statku. Tego typu eksperymentalne konstrukcje funkcjonują obecnie w Norwegii oraz u wybrzeży Szkocji. Omawiany typ elektrowni występuje m.in. w Rosji i USA.

• Elektrownie maretermiczne (oceanotermiczne) wytwarzają prąd, wykorzystując zjawisko różnicy temperatury między zimnymi wodami głębinowymi a ciepłymi wodami powierzchniowymi akwenu. Najlepsze do tego warunki panują w okolicach równika, gdzie powierzchniowe warstwy wody osiągają temperaturę do 30°C, a kilkaset metrów niżej woda ma zaledwie kilka stopni Celsjusza. Elektrownia taka działa np. w Zatoce Gwinejskiej w pobliżu Wybrzeża Kości Słoniowej.

Są to elektrownie, które wykorzystują energię wiatru. Powietrze wprawia w ruch śmigła sprzężone z generatorem prądotwórczym. Lokalizacja elektrowni wiatrowych uzależniona jest głównie od występowania częstych i silnych wiatrów. Takie warunki występują przede wszystkim na obszarach nadmorskich oraz w górach. Minimalna prędkość wiatru, przy której korzystna jest budowa elektrowni wiatrowych, wynosi 4 m/s. Dodatkowym czynnikiem, który sprzyja lokalizacji elektrowni wiatrowych, jest możliwość tworzenia ich na obszarach o stosunkowo niewielkiej gęstości zaludnienia, na których mogą być wykorzystywane przez pojedyncze gospodarstwa. Obecnie energetykę wiatrową na największą skalę wykorzystuje się w Niemczech, Stanach Zjednoczonych, Danii i Hiszpanii.

W tego typu elektrowniach energia promieniowania słonecznego jest przetwarzana na energię elektryczną oraz cieplną. Wykorzystanie energii słonecznej uzależnione jest od liczby dni słonecznych, zachmurzenia oraz kąta padania promieni słonecznych. Najlepsze warunki na wykorzystanie tego źródła energii panują na obszarach międzyzwrotnikowych oraz na zboczach gór skierowanych w kierunku padających promieni słonecznych. Największe elektrownie słoneczne działają obecnie w Kalifornii (na pustyni Mojave), we Francji, Włoszech oraz w Niemczech. Wykorzystywanie energii słonecznej odbywa się poprzez:

• bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną (baterie słoneczne składające się z szeregu fotoogniwfotoogniwofotoogniw) - metoda helioelektryczna,

• nagrzanie wody, która powoduje poruszanie się turbin, parując - metoda heliotermiczna.

Wykorzystują one ciepło z wnętrza Ziemi (gorącą wodę, suche i gorące skały lub gorącą magmę). Ilość ciepła uzależniona jest od głębokości zalegania i temperatury znajdujących się w głębi Ziemi wód. Energia ta wykorzystywana jest głównie do ogrzewania. Można ją pozyskać przy temperaturze niższej niż 100°C. Natomiast temperatura wód powyżej 100°C (a najlepiej powyżej 120°C) pozwala na wykorzystanie ich do produkcji energii elektrycznej. Najbardziej korzystne warunki geotermiczne panują w rejonach o zwiększonej aktywności sejsmicznej, np. w Kalifornii (USA), Włoszech, Nowej Zelandii, Islandii i Japonii. Dobrze jest, gdy gorąca woda zalega stosunkowo płytko lub wydostaje się na powierzchnię w postaci gejzerów. Oprócz pozyskiwania energii z wód termalnych stosuje się również technologię polegającą na wtłaczaniu wody pod powierzchnię, tak aby ogrzała się ona od skał o podwyższonej temperaturze.

Biomasa to masa materii organicznej zawarta w organizmach żywych. Wykorzystanie energii tam zawartej obejmuje:

• spalanie drewna opałowego, odpadów drzewnych czy słomy,

• spalanie śmieci komunalnych,

• wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. z rzepaku),

• fermentację alkoholową dowolnego materiału organicznego (aby wytworzyć alkohol etylowy do paliw silnikowych),

• fermentację odpadów rolnych i spożywczych w celu wytworzenia biogazu, a następnie spalanie go w specjalnych paleniskach.

Energia biomasy jest powszechnie wykorzystywana np. w Kanadzie, Stanach Zjednoczonych i Danii.

Także w Polsce powstaje coraz więcej instalacji wykorzystujących ten rodzaj energii.

Udział poszczególnych typów elektrowni w produkcji energii elektrycznej państw zależy od:

• bazy surowcowej,

• możliwości importu surowców energetycznych w przypadku braku lub nieopłacalności ich wydobycia,

• warunków środowiska przyrodniczego,

• poziomu rozwoju społeczno‑gospodarczego,

• świadomości ekologicznej,

• norm międzynarodowych wynikających z przynależności do określonych organizacji.

Słownik