O energii i jej przyszłości słów kilka

Elektryczność otacza nas codziennie w każdym miejscu – domu, pracy, szkole, a także restauracjach czy podczas zakupów. I na co dzień nie zwracamy uwagi na to, skąd bierze się prąd i jak bardzo jest nam potrzebny. Warto zastanowić się nad tym, co się dzieje z Ziemią, gdy nieracjonalnie gospodarujemy zasobami potrzebnymi do pozyskiwania energii elektrycznej. Czy możemy pozyskiwać prąd w inne sposoby niż dotychczas było to najpopularniejsze oraz najkorzystniejsze z punktu widzenia ekonomicznego?

Co to jest energia?

Ile przeciętny człowiek wie na temat prądu? Powszechnie wiadomo, że prąd płynie w gniazdku, służy do zasilania sprzętów elektrycznych w domu czy pracy i nieprawidłowe podłączenie kabli będzie skutkować zwarciem. Zacznijmy od tego, czym jest energia. Otóż jest to zdolność obiektu do wykonywania określonej pracy. Taka definicja jest nie do końca jasna dla osób nieznających tematyki fizycznej. Na ogół rozumiemy energię jako pewny ruch, szybkość czy siłę. Objawem energii jest chociażby temperatura obiektu czy przedmiotu w nim zmagazynowana. Energię dzielimy na:

  • Magnetyczną
  • Mechaniczną
  • Grawitacyjną
  • Chemiczną
  • Elektryczną
  • Jądrową
  • Potencjałów termodynamicznych

Oraz kilka innych, które stale są badane przez fizyków. Energię można magazynować. Organizm ludzki magazynuje energię w postaci tłuszczu, którą uwalniamy w czasie jego spalania przy wzmożonej aktywności fizycznej i podwyższaniu temperatury ciała i ruchu komórek. Na chwilę obecną największym magazynem energii jest atom, którego kilka gramów daje energię równowartości kilku ton węgla. Natomiast energia elektryczna jest przechowywana głównie w bateriach i akumulatorach.
Bateria składa się z ogniwa Volty, które zmienia energię wiązań chemicznych w prąd. Ogniwo składa się z cynkowej elektrody „-„ oraz elektrody miedzianej „+”. Ogniwo zamacza się w kwasie siarkowym, w tym samym czasie na elektrodzie miedzianej wydziela się wodór.

W akumulatorze zmiany chemiczne są odwracalne. Aby ogniwo akumulatora działało musi zostać naładowane. Prąd popłynie dopiero kiedy obwód pomiędzy anoda i katodą będzie zamknięty, do zamknięcia dochodzi w chwili uruchomiania radia w samochodzie czy rozrusznika. Dodatkowa zaletą akumulatora jest magazynowanie wytworzonej przez niego energii, która można wykorzystać w późniejszym czasie.

Nieodnawialne źródła energii

To takie źródła energii, które wyczerpują się na skutek eksploatacji i nie mogą się odnowić w szybkim czasie. Ich zużycie jest po prostu dużo szybsze niż powstanie. Do źródeł energetycznych, z których pozyskiwana jest energia należą:

  • Węgiel kamienny i brunatny – występują w jako skały osadowe i używane jako paliwo w procesie spalania. Węgiel kamienny pokrywa aż 93% zapotrzebowania na energię w Polsce. Węgiel przekształca się w energię cieplną poprzez spalanie w elektrowniach węglowych. Niestety takie elektrownie wpływają negatywnie na środowisko naturalne a także zdrowie człowieka, ponieważ wydzielają szkodliwe dymy, gazy i pyły. To właśnie w takich elektrowniach węglowych, poza energią cieplną, powstaje również energia elektryczna. W procesie spalania węgla podgrzewa się zgromadzoną w instalacji wodę, dzięki czemu uzyskuje się parę wodną o temperaturze około 600 stopni Celsjusza oraz bardzo wysokim ciśnieniu. Następnie rozprężająca się para wprowadza w ruch turbinę połączoną wałem z generatorem prądu, wytwarzając w efekcie prąd elektryczny.
  • Ropa naftowa i gaz ziemny – ropa to mieszanina węglowodorów, które powstały ze szczątków roślin i zwierząt. Pozyskuje się z niej olej napędowy, benzynę, a także inne oleje i smary. Natomiast gaz ziemny występuje w złożach razem z ropą naftową i pozyskiwany w postaci metanu, czyli bezwonnego gazu, dostarczanego szczelnymi rurociągami. Najczęściej korzystamy z gazu w kuchniach do podgrzewania na palnikach gazowych oraz do ogrzewania całego mieszkania.
  • Pierwiastki promieniotwórcze – uran to pierwiastek, który w wyniku użycia izotopu 235u jako materiału rozszczepialnego jest używany do produkcji bomb jądrowych i reaktorach jądrowych, a te znalazły zastosowanie w elektrowniach jądrowych. Teoretycznie jeden gram uranu odpowiada spaleniu 1,5 tony węgla, co oznacza, że to najbardziej skoncentrowane źródło energii nieodnawialnej.

Jakie są największe wady korzystania z nieodnawialnych źródeł energii? Po pierwsze są to gazy cieplarniane, które wpływają na cały ekosystem. Ma to bardzo degradacyjny wpływ na przyrodę i zdrowie człowieka. Po drugie to kwestia wyczerpywania się surowców. W pewnym momencie złoża węgla czy ropy naftowej zostaną wyczerpane, a odnowienie ich w przyrodzie to okres wielu milionów lat. Trzecim aspektem jest degradacja krajobrazu. Wycinanie lasów wiąże się z wymieraniem gatunków zwierząt i zaburzeniem działania całego ekosystemu. Dlatego podjęto badania i działania nad znalezieniem alternatywnych źródeł pozyskiwania energii zarówno cieplnej jak i elektrycznej. W wyniku tych badań odkryto sposoby na pozyskiwanie odnawialnych źródeł energii.

Odnawialne źródła energii

To takie źródła energii, których zasoby w krótkim czasie się odnawiają. Należą do nich wiatr, ruchy wodne i promienie słońca. Od początku XXI wieku rośnie zainteresowanie społeczeństwa tematem korzystania z tych źródeł energii w związku z licznymi dopłatami od państwa. Pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych jest ekologiczne i tańsze niż produkcja prądu z węgla, ale wiąże się nadal z większymi inwestycjami, które zwracają się dopiero po kilku bądź kilkunastu latach.

Sporą popularnością cieszą się wiatraki do pozyskiwania energii wiatrowej. W Polsce już w XIV wieku na Kujawach powstały pierwsze z nich, ale nie przetrwały próby czasu. Te współczesne wybudowano w 1991 roku. Było to związane z kryzysem energetycznym, który trwał na świecie od lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Współcześnie stosowane turbiny wiatrowe przekształcają wiejący wiatr na energię mechaniczną, która później przekształcana jest na elektryczną. W Polsce brakuje odpowiednich miejsc, gdzie takie wiatraki można ustawić, aby efektywnie wybierały wiatr.

Drugim sektorem na pozyskiwanie energii stała się woda. Wymyślono, że ruchy wodne można przekształcać w energię elektryczną za pomocą turbin poruszanych siłą wody. Duże elektrownie wodne nie mają w Polsce racji bytu z uwagi na degradacyjny wpływ na środowisko, a także małą ilość opadów.

Ostatnim alternatywnym sposobem pozyskiwania energii, który wydaje się najpopularniejszy i najkorzystniejszy jest energia słoneczna. Około 50% promieniowania wysyłanego przez Słońce dociera bezpośrednio do jej powierzchni. Promienie słońca są stale dostępne do korzystania z ich zasobów, ale jest to zależne od strefy klimatycznej. To świetne rozwiązanie w USA, gdzie średnia roczna temperatura jest wysoka, podobnie jak ilość dni słonecznych. W Polsce największą farmą pozyskiwania energii fotowoltaicznej mieści się w Czernikowie pod Toruniem. W naszej strefie klimatycznej kolektory słoneczne najlepiej sprawdzają się latem. Jesienią i zimą, kiedy słońca jest niewiele mogą pojawiać się problemy z podgrzewaniem wody.

A w jaki sposób odbieramy energię z promieni słonecznych? Poprzez panele fotowoltaiczne. Foton czyli najmniejsza jednostka światła, pada na płytkę krzemową, która następnie zmuszą elektron do ruchu – i tak oto powstaje energia elektryczna. W ten sposób energia świetlna zostaje przekształcona w energię elektryczną. Następnie z wykorzystaniem falownika przekształcamy pozyskany prąd stały w prąd zmienny. Na tę chwilę przodownikiem w wykorzystaniu energii solarnej jest stan Kalifornia w USA, gdzie ponad 1/3 gospodarstw domowych wykorzystuje do swojego zasilania energię wiatru i słoneczną. Natomiast największa farma solarna mieści się w Indiach.

Drugim stosowanym sposobem na odbiór energii słonecznej jest ustawienie luster, które odbijają od siebie promienie słoneczne i kierują je do specjalnej wieży, przystosowanej do odbioru dużych wiązek świetlnych.

Jak wykorzystywać energię słoneczną?

Czy energię solarną można wykorzystywać tylko na dużą skalę, jak ogrzewanie domów? Otóż nie. Na runku stają się coraz dostępniejsze gadżety wyposażone w małe panele fotowoltaiczne. I w ten sposób możemy naładować sprzęty elektroniczny za pomocą plecaka, na którego zewnętrznej części umiejscowiono taki właśnie panel. Nasz ogród oświetlimy za pomocą małych lampek solarnych, ładowanych latem w ciągu dnia. W podobny sposób oświetlimy sobie drogę podczas jazdy na rowerze. Lampki rowerowe, które nie potrzebują baterii ani ładowarek, mają wbudowany specjalny akumulator doładowywany przez zintegrowany z lampką moduł fotowoltaiczny. Tego typu akcesoria stają się coraz popularniejsze, gdyż dają swoim użytkownikom dostęp do prądu gdziekolwiek są, bez konieczności ładowania powerbanków w domu. Jak widać korzystanie z energii solarnej staje się zjawiskiem dość powszechnym i znajduje zastosowania w życiu codziennym. Za parę lat będziemy mogli się spodziewać stacji ładowania samochodów elektrycznych zasilanych energią solarną.

Przyszłość energii

Już od kilku lat na rynku wprowadzone zostały pojazdy elektryczne. Zaczynało się od hulajnóg, rowerów, a dzisiaj mówimy o samochodach osobowych i widzimy na miejskich drogach elektryczne autobusy. W 2017 roku ponad połowa sprzedanych samochodów w Norwegii to pojazdy elektryczne lub hybrydowe. Społeczeństwo na całym świecie dużo lepiej przyjęła te drugie – hybrydowe. Jesto to połączenie w jednym pojeździe silnika spalinowego jak i elektrycznego. Na plus za zakupem tego rodzaju pojazdu jest zmniejszenie emisji spalin oraz hałasu, jaki wydają pojazdy spalinowe. Wadą jest natomiast większa masa i cena pojazdu oraz większe rozmiary i komplikacja układów głównie z powodu zastosowania akumulatorów. Auta hybrydowe dobrze spełniają swoje zadanie w dużych miastach, gdzie na czas stania w korkach i jazdy przy niskich prędkościach możemy przełączyć się na zasilanie elektryczne. Podobnie jest z autobusami, w których kierowcy przechodzą na silnik elektryczny w zabytkowych częściach miasta, gdzie porusza się wielu pieszych. Natomiast w Polsce coraz częściej słyszymy, że powstała kolejna nowa stacja ładowania samochodów elektrycznych. W listopadzie 2017 roku we Wrocławiu została uruchomiona miejska wypożyczalnia samochodów elektrycznych oparta o współdzielenie pojazdu. W ostatnim czasie w największym polskich miastach mówi się o stworzeniu stref, gdzie wjeżdżać będą mogły wyłącznie auta hybrydowe, czy o wyznaczaniu specjalnych pasów ruchu dla tych samochodów.

Jakie są zalety korzystania z napędy elektrycznego? Po pierwsze bardzo ważne w strefie komunikacji miejskiej jest fakt, że są to pojazdy cichsze i czyste ekologicznie, a przez to nawet w dużej liczbie bardziej znośne dla otoczenia. Natomiast koszty pozyskania energii elektrycznej są dużo bardziej przewidywalne aniżeli koszty ropy czy gazu, które wahają się w zależności od wydarzeń międzynarodowych. Dodatkowo eksploatacja aut elektrycznych jest o wiele niższa. Szacuje się, że koszt przejechania 100 km to równowartość 2 – 5zł. Kolejnym aspektem jest bezpieczeństwo. W sytuacji wypadku drogowego ryzyko detonacji pojazdu oraz poparzenia lub spalenia się osób podróżujących jest dużo niższa, ponieważ akumulatory litowo – polimerowe mogą się zapalić, ale nie wybuchają, a co za tym idzie zmniejszone jest także ryzyko detonacji pojazdu podczas tankowania. A jakimi argumentami dysponują aktualnie przeciwnicy tego typu napędu? Po pierwsze są to wysokie koszty zakupu pojazdu elektrycznego, który jest większy nawet o 40% w stosunku do samochodów spalinowych. Dodatkowo różnica ta zwróci się dopiero po około 30 latach użytkowania. Drugim czynnikiem jest zużywalność akumulatorów, które zachowują żywotność do przejechanych 200 tys. kilometrów bądź na okres 10 lat. A trzecim czynnikiem jest właśnie ekologia. Bo pojazdy elektryczne może bezpośrednio nie powodują emisji spalin, ale prąd, który pobierają do działania pochodzi w znakomitej większości ze spalania węgla. Więc w jakiś sposób zmniejszamy emisję gazów cieplarnianych, ale nadal nie są one zerowe. Dlatego czekamy na rozwój motoryzacji pod kątem pojazdów zasilanych energią słoneczną, które całkowicie rozwiążą problem emisji spalin.

Z każdym rokiem powstają nowe pomysły na wykorzystanie energii solarnej. W ostatnim czasie wynaleziono akumulatory magazynujących energię solarną, które pozwalają na całodzienne zasilanie domu z dwiema sypialniami. Kolejnym odkryciem są dachy pokrywające cały budek, które w całości odbierają energią solarną.

Komisja Europejska określiła energię słoneczną jako strategiczne źródło zaopatrzenia EU w przyszłości w energię. Przewiduje się, że do połowy wieku energetyka słoneczna będzie dawać więcej energii niż węgiel czy ropa. Energia elektryczna jest niezbędna do funkcjonowania całego współczesnego świata i musimy mieć na uwadze alternatywne środki pozyskiwania jej. Warto interesować się tym zagadnieniem, aby w pewnym momencie nie tylko zadbać o przyszłość środowiska naturalnego, ale też znaleźć sposób na oszczędzenie z wykorzystywania alternatywnych źródeł energii elektrycznej.