Czym są źródła energii?

Elektrownie nie wytwarzają energii. Elektrownie przetwarzają energię dostępną w różnych formach na energię elektryczną. Systemy wytwarzania energii to po prostu konwertery energii. Elektrownie spalające paliwo przekształcają energię, która jest zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych istniejących pomiędzy atomami i cząsteczkami obecnymi w paliwie. Inne rodzaje elektrowni odzyskują energię istniejącą w ich otoczeniu i przetwarzają ją na energię elektryczną.

Być może słyszałeś(łaś) o prawie zachowania energii. Mówi ono, że energia nigdy nie jest tworzona ani niszczona. Zamiast tego, energia jest tylko zawsze przekształcana z jednej w drugą. Weźmy na przykład doniczkę stojącą na parapecie. Ktoś musiał ją tam zanieść. Ta osoba użyła energii chemicznej zmagazynowanej w swoim ciele, aby ją podnieść. Na pewnej wysokości doniczka ma energię potencjalną. Następnie doniczka spada, a spadając nabiera prędkości, pędu i tym samym energii kinetycznej. Kiedy doniczka roztrzaska się na ziemi, jej energia kinetyczna jest natychmiast uwalniana w postaci ciepła w otaczającym ją powietrzu. To przykład przemiany energii z energii chemicznej, na energię potencjalną, na energię kinetyczną i na ciepło. Oczywiście spadające doniczki nie wydzielają dużo ciepła.

Ale pomyśl na przykład o tym, co się dzieje, gdy meteoryty spadają na Ziemię. Proces jest taki sam – meteoryty zamieniają swoją energię kinetyczną i potencjalną na ciepło, gdy spalają się w atmosferze. Asteroida, która zabiła dinozaury z pewnością uwolniła więcej ciepła niż spadająca doniczka.

Jakie są rodzaje energii?

1. Energia chemiczna wynika z wiązań pomiędzy cząsteczkami substancji chemicznej. Kiedy te wiązania pękają, uwalniana jest energia w postaci ciepła. Każda substancja, która może się spalić, zawiera pewną ilość energii chemicznej, ale spalanie nie jest jedynym sposobem na uwolnienie energii chemicznej. Bateria również zawiera energię chemiczną. Podłącz jej biegun do obciążenia, a akumulator uwolni zmagazynowaną energię chemiczną w postaci energii elektrycznej.
2. Energia kinetyczna jest energią związaną z poruszającą się materią. Im cięższy jest obiekt i im większa jest jego prędkość, tym większą ma on energię kinetyczną. Kiedy powietrze jest w ruchu (innymi słowy, kiedy wieje wiatr), niesie ono ze sobą energię kinetyczną.
3. Energia elektryczna jest przenoszona w liniach energetycznych przez kombinację prądu elektrycznego i napięcia elektrycznego.
4. Energia świetlna jest przenoszona przez fale elektromagnetyczne. Fale radiowe, mikrofale, promieniowanie rentgenowskie i światło widzialne to fale elektromagnetyczne. Kiedy podgrzewasz w mikrofali kubek z wodą, przekazujesz jej energię za pomocą fal elektromagnetycznych. Gdy czujesz gorąco słońca, to dlatego, że Twoja skóra otrzymuje energię świetlną od słońca.
5. Energia jądrowa jest uwalniana w wyniku rozszczepienia atomów. Jądro atomu jest połączone niezwykle silnymi siłami. Rozerwanie tych wiązań powoduje uwolnienie dużych ilości energii w postaci ciepła i promieniowania.
6. Energia termiczna (cieplna) lub ciepło, jest po prostu energią powiązaną z rzeczami, które są gorące. Inżynierowie czasami mówią również o entalpii, która jest miarą, na którą składa się ciepło i energia związana z płynami, które są pod ciśnieniem.
7. Grawitacyjna energia potencjalna to energia rzeczy, które mogą spadać. Im wyżej i im cięższy jest obiekt, tym więcej energii wyzwoli jego upadek.
8. Energia potencjalna sprężystości (odkształcenia) jest to energia zgromadzona w obiekcie sprężystym w wyniku działania siły przyłożonej do tego obiektu. Siła ta powoduje odkształcenia w obiekcie sprężystym. Odkształcenie to magazynuje energię w obiekcie.
9. Energia dźwięku jest formą energii falowej, która sama w sobie jest formą energii kinetycznej. Fale dźwiękowe przenoszą niewielką ilość energii przez powietrze. W wodzie fale również przenoszą energię. W oceanie ilość energii niesionej przez fale jest znacząca.

Czym są paliwa kopalne i energia z paliw kopalnych

Wracamy do elektrowni. Wiele elektrowni wytwarza energię elektryczną poprzez spalanie paliwa. Paliwa takie jak węgiel, gaz ziemny i paliwa ropopochodne zwane są paliwami kopalnymi.

Paliwa kopalne powstają w wyniku rozkładu przez bardzo długi okres czasu zakopanych martwych organizmów. Wszystkie te organizmy wytworzyły swoje ciała miliony lat temu w procesie zwanym fotosyntezą (lub poprzez zjedzenie innych organizmów zdolnych do fotosyntezy). Fotosynteza to proces biologiczny, który umożliwia roślinom, algom i niektórym bakteriom przekształcanie energii słonecznej i dwutlenku węgla z ich środowiska w cząsteczki węglowodanów. W pewnym sensie możemy więc powiedzieć, że ostatecznie energia elektryczna wytwarzana w elektrowni węglowej pochodzi ze słońca. Czy oznacza to, że elektrownie węglowe dostarczają energię odnawialną, tak jak energia słoneczna? Niestety, nie. Potrzeba tak wiele czasu – milionów lat – aby martwe rośliny i zwierzęta zamieniły się w węgiel, więc w czasie jaki mamy, nie powstanie żadna użyteczna ilość węgla. Gdyby wydobyto cały węgiel i wypompowano całą ropę, nie byłoby ich więcej, co sprawia, że paliwa kopalne są nieodnawialne.

Węgiel był podstawowym źródłem energii dla elektrowni w wielu częściach świata przez większą część 20 wieku i nadal jest dominującym paliwem do wytwarzania energii w wielu krajach. Innym bardzo popularnym źródłem energii jest gaz ziemny. W Stanach Zjednoczonych jest to obecnie najpopularniejsze paliwo do wytwarzania energii. Gaz ziemny jest tani, czysty i świetnie sprawdza się w elektrowniach z turbinami gazowymi. Paliwa płynne, takie jak nafta, olej napędowy i olej ciężki są również ważnymi paliwami wykorzystywanymi w zastosowaniach związanych z wytwarzaniem energii. Są one powszechnie dostępne, łatwe w transporcie i łatwe do przechowywania, co czyni je doskonale nadaje się do wytwarzania zasilania awaryjnego, które działa, gdy inne elektrownie nie są dostępne.

Energia z biopaliw odnawialnych: Energia neutralna pod względem emisji CO2

Nie wszystkie paliwa spalane w elektrowniach są paliwami kopalnymi. Przy odpowiednim rodzaju systemu spalania prawie wszystko, co może być spalone, może być używane do wytwarzania energii elektrycznej. Wiele elektrowni pracuje na wykorzystuje paliwa takie jak wióry drzewne, łuski kukurydzy, włókna trzciny cukrowej, a nawet śmieci z gospodarstw domowych. Niektóre zakłady papiernicze posiadają na przykład małe elektrownie zasilane czarnym ługiem, drewnopochodnym produktem ubocznym procesu produkcji papieru. Paliwa te pochodzą z roślin, które można dowolnie uprawiać, dlatego uważa się je za paliwa odnawialne.

Możliwe jest również wytwarzanie paliw odnawialnych, które są prawie nie do odróżnienia od paliw kopalnych. Na przykład soja, kukurydza, buraki i inne rośliny uprawne mogą być wykorzystywane do produkcji etanolu i biodiesla. Wiele silników diesla może pracować na biodieslu bez żadnych modyfikacji. Etanol może być spalany samodzielnie lub może być mieszany z benzyną i wykorzystywany jako paliwo w większości pojazdów. Czy wiesz, że 98% benzyny sprzedawanej w Stanach Zjednoczonych zawiera 10% etanolu?

Technologia przetwarzania biopaliw doczekała się w ostatnich latach wielu innowacji. Jednym z powodów, dla których biopaliwa cieszą się tak dużym zainteresowaniem, jest fakt, że podobno spalają się bez emisji CO2. Jest to odrobinę błędne określenie. Podczas spalania zrębków drzewnych do atmosfery uwalniany jest CO2. Nikt nie może temu zaprzeczyć. Jednak zrębki pochodzą z drzewa, a to drzewo wychwyciło taką samą ilość CO2, gdy rosło. Wynika z tego, że nie ma wzrostu netto ilości CO2 w atmosferze, więc bardziej precyzyjne jest byłoby określenie neutralny pod względem CO2.

Biopaliwa pozwalają elektrowniom pracować równie niezawodnie jak elektrownie opalane paliwami kopalnymi, ale bez emisji dwutlenku węgla. Z kolei podczas spalania paliw kopalnych uwalniany CO2 został wychwycony miliony lat temu. W skali stu milionów lat paliwa kopalne mogą spalać się w sposób neutralny pod względem emisji CO2, ale w skali życia człowieka spalanie paliw kopalnych powoduje wzrost netto atmosferycznego CO2.

Energia słoneczna i wiatrowa: czysta energia

Panele fotowoltaiczne (PV) i turbiny wiatrowe są najszybciej rozwijającymi się technologiami wytwarzania energii elektrycznej na świecie. Wraz z elektrowniami wodnymi są one również podstawowym źródłem odnawialnej energii. Żadna z nich nie wymaga paliwa do wytworzenia energii elektrycznej. Czy to znaczy, że tworzą one energię z niczego? Oczywiście, że nie. Panele fotowoltaiczne pozyskują energię elektromagnetyczną światła słonecznego. Turbiny wiatrowe wykorzystują energię kinetyczną wiatru. Oba są doskonałymi sposobami wytwarzania energii elektrycznej –nie trzeba się martwić o paliwo, więc nie ma emisji. Do tego panele fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe stają się z roku na rok coraz tańsze i łatwiejsze w instalacji.

Ich główną wadą jest to, że choć słońca i wiatru nigdy nie zabraknie, to nie oznacza to, że zawsze wieje wiatr lub świeci słońce. Nie ma słońca, nie ma energii słonecznej. Nie ma wiatru, nie ma energii wiatrowej. Gdy duże ilości energii wiatrowej i słonecznej są obecne w sieci elektrycznej, ważne jest, aby dostępne były elektrownie rezerwowe, które mogą uzupełniać zasoby energii słonecznej i wiatrowej, gdy nie mogą one wytwarzać energii elektrycznej. Na przykład w systemie elektrycznym Kalifornii jest dużo energii słonecznej, co powoduje, że wiele elektrowni cieplnych musi być uruchamianych wieczorem, aby zrekompensować straty energii słonecznej.

Energia z elektrowni jądrowych: energia pochodząca z atomu

Elektrownie jądrowe czerpią energię z innego źródła, które ma inny charakter.

Paliwo jądrowe, uran, nie przechowuje żadnych znaczących ilości energii chemicznej i nie spala się w sposób, w jaki spala się węgiel lub gaz ziemny. Zamiast tego, atomy uranu są rozbijane w procesie rozszczepienia. Kiedy zwykłe paliwo palne spala się, wiązania chemiczne, które wiążą cząsteczki paliwa, pękają, uwalniając energię. Kiedy dochodzi do rozszczepienia uranu, pękają wiązania jądrowe, które utrzymują jądra atomów uranu razem i uwalniają energię. Wiązania jądrowe są wielokrotnie silniejsze niż wiązania chemiczne, co wyjaśnia, dlaczego niewielka ilość uranu może wyzwolić tak dużą ilość energii.

Czy wiesz, że uran nie jest jedynym pierwiastkiem, który może być wykorzystywany do zasilania elektrowni jądrowych? Innym naturalnie występującym pierwiastkiem, który mógłby zostać wykorzystany jako źródło energii jądrowej jest tor. Tor jest więcej niż uranu i kraje takie jak Indie, które nie posiadają krajowych zasobów uranu, wyraziły zainteresowanie opracowaniem cyklu paliwowego opartego na torze.