Materiały edukacyjne

Transkrypt

1 WIELKOPOLSKA AGENCJA ZARZĄDZANIA ENERGIĄ SP. Z O.O. Materiały edukacyjne dla uczniów szkół podstawowych Bartosz Królczyk, Justyna Turek-Plewa wrzesień 2011 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską (w ramach Programu Inteligentna Energia Europa)

2 O energii słów kilka Energia jest zdolnością układu do wykonania określonej pracy. Codzienna działalność człowieka jak jazda samochodem, uprawa roli, ogrzewanie domu, świecenie światła, oglądanie telewizji, słuchanie muzyki, wymaga dostarczenia energii. Do pracy urządzeń i instalacji potrzeba ogromnych ilości energii. Większość tej energii zapewniają trzy paliwa: ropa naftowa, węgiel i gaz ziemny. Na świecie stosowana jest również energia jądrowa. Ropę naftową, węgiel i gaz ziemny nazywamy paliwami kopalnymi, gdyż wydobywane są z głębi ziemi. Paliwa kopalne są przyczyną zanieczyszczeń środowiska, a odpady jądrowe są niebezpieczne dla istot żywych. Poza tym ich zasoby wyczerpują się. Konieczne jest więc pozyskiwanie nowych rodzajów energii. Odnawialne Źródła Energii i ich rodzaje:

3 Odnawialne źródła energii (OZE) to takie, których zasoby są niewyczerpalne lub odnawiają się w krótkim czasie. OZE wykorzystują energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię biomasy i biogazu. Spośród nich, największe znaczenie w Polsce i na świecie ma energia wody. Obecnie jednak coraz powszechniejsza staje się energia pochodząca z odpadów przemysłowych i komunalnych, energia słoneczna czy geotermalna. Pochodzenie poszczególnych rodzajów energii odnawialnej:

4 Energia słoneczna Słońce jest źródłem olbrzymiej i niewyczerpywalnej ilości energii. Energia słoneczna dociera do Ziemi w postaci promieniowania słonecznego, które zapewnia Ziemi ciepło i światło. Sposoby wykorzystywania energii słonecznej: Bezpośrednia produkcja energii elektrycznej Bezpośrednia produkcja energii cieplnej Bezpośrednia produkcja energii elektrycznej z energii cieplnej Urządzeniem wykorzystującym energię słoneczną w celu uzyskania ciepła jest kolektor. Promienie słoneczne przechodzą przez przezroczyste pokrywy kolektorów. Ilość tych promieni zależy od kąta padania promieniowania (dlatego kolektory instalowane są na dachach pod odpowiednim kątem, optymalny to 45 ). W celu zwiększenia ilości energii słonecznej docierającej do urządzeń, które ją wykorzystują, ustawia się je w kierunku południowym. Wnętrze kolektora pokryte jest czarną farbą, by przyciągnąć jak najwięcej promieniowania słonecznego. Kolektor odbiera ciepło z promieni słonecznych i przenosi je w ciecz roboczą, która z kolei ogrzewa wodę w zbiorniku. Tak podgrzaną wodę można np. wykorzystać do wzięcia prysznica lub do prania ubrań. Kolektory słoneczne najczęściej wykorzystywane są do: podgrzewania wody użytkowej, podgrzewania wody basenowej, wspomagania centralnego ogrzewania, chłodzenia budynków, czy w formie ciepła technologicznego. Zasada działania kolektora [wg. i

5 Rozróżniamy kilka rodzajów kolektorów słonecznych, m.in. kolektory płaskie oraz kolektory próżniowe. Ze względu na cenę i prostotę konstrukcji, najpopularniejsze są kolektory płaskie. Kolektory zawsze muszą składać się z kilku warstw: a) przezroczysta pokrywa b) absorber c) izolacja i obudowa Z kolei ogniwo fotowoltaiczne (ogniwo PV) to urządzenie które przekształca promieniowanie słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Połączone ze sobą ogniwa tworzą baterię słoneczną. Zastosowania systemów fotowoltaicznych: przenośne zastosowania pojazdy (przyczepy kampingowe, jachty) oświetlenie tymczasowe, sygnalizacja świetlna sygnalizacja oddalona od sieci (znaki na autostradzie, boje na morzu) zastosowania oddalone od sieci budynki nie podłączone do sieci elektronika przenośna elektryczność awaryjna oświetlenie oddalone od sieci, monitoring komunikacja (wieże telefonii komórkowej) instalacje badawcze pompy wodne zastosowania w kosmosie satelity i urządzenia badawcze międzynarodowa stacja kosmiczna pojazdy autonomiczne (Spirit, Opportunity) instalacje wbudowane w architekturę elektrownie Różnica pomiędzy baterią słoneczną a kolektorem słonecznym:

6 Energia wiatrowa Wiatr jest to poziomy ruch powietrza względem powierzchni Ziemi. Energia wiatru powstaje w wyniku przemieszczania się powietrza, spowodowanego jego nierównomiernym nagrzaniem i różnicą ciśnień atmosferycznych na tej samej wysokości w danym obszarze. Urządzenia, które produkują energię elektryczną z wiatru to turbiny wiatrowe. Jak zbudowana jest typowa turbina wiatrowa? gondola łopaty maszt Zasada działania turbiny: Strumień powietrza napływający na łopaty wywołuje ruch obrotowy wirnika (śmigła obracają się). Następnie energia jest przekazana do przekładni, na której następuje wzrost prędkości obrotowej. Urządzenie znajdujące się wewnątrz gondoli, tzw. generator (często nazywamy prądnicą) przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną, która przewodami zostaje odprowadzona do odbiorców prądu. Cała konstrukcja turbiny spoczywa na stalowej wieży zakotwionej przez fundament w gruncie. Zaletą elektrowni wiatrowej jest to, że nie zanieczyszcza środowiska naturalnego, nie wymaga dostaw paliwa ani wody i wykorzystuje niewyczerpywane źródło energii jakim jest wiatr.

7 Energia wody Energia wody jest również jednym z odnawialnych źródeł energii. Uzależnione jest ono od naturalnego obiegu wody w przyrodzie (parowanie, skraplanie, opad atmosferyczny) i jest jednym z najstarszych, najbardziej wykorzystywanych źródeł spośród wszystkich form energii odnawialnej. Woda jest niezbędna do życia dla ludzi zwierząt i roślin, ale płynąca woda w rzece umożliwia także produkcję prądu. Typowym sposobem na wykorzystanie energii wody jest zapora. Spiętrza ona wodę i tworzy w ten sposób sztuczne jezioro. Woda przepływając szybko w dół, napędza turbiny, które wytwarzają elektryczność. Najczęściej spotykanym sposobem wykorzystania energii wody jest więc energia jej spadku (w rzece, zbiorniku), ale oprócz tego w ostatnich latach powstały układy wykorzystujące energię pływów, fal i prądów morskich, a także różnic temperatur występujących na różnych głębokościach mórz. Są one jednak drogie w eksploatacji i używa się ich dość rzadko. Rozwój energetyki wodnej na szeroką skalę umożliwiło wynalezienie turbiny wodnej w XIX wieku. Upowszechnienie elektrowni wodnych przyczyniło się w znacznej mierze do rozwoju gospodarczego Europy w okresie przełomu XIX i XX wieku. Elektrownia wodna Jastrowie Zalety energetyki wodnej: poprawa parametrów sieci elektroenergetycznych i obniżanie strat związanych z przesyłem energii elektrycznej, poprawa bezpieczeństwa energetycznego kraju, redukcja zanieczyszczeń do atmosfery oraz oszczędność węgla, zwiększenie retencji (gromadzenia zasobów) wody, ochrona przeciwpowodziowa, czyszczenie rzek, dotlenianie wody, zatrzymanie erozji zbiorników wodnych, wysoki współczynnik zwrotu energii tworzenie nowych miejsc pracy i miejsc wypoczynku, niewielkie wymagania w odniesieniu do zajmowanej powierzchni.

8 Energia geotermalna Energia geotermalna to naturalne ciepło Ziemi skumulowane w wodach i skałach podziemnych. Wnętrze kuli ziemskiej jest bardzo gorące. Ciepło ze środka Ziemi kieruje się ku jej powierzchni, gdzie wykorzystywane jest przez człowieka. Ciepło to można wykorzystać do ogrzewania domów i mieszkań oraz kąpieli w ciepłych źródłach, nawet zimą. Głównym źródłem ciepła jest rozpad pierwiastków promieniotwórczych (uranu, toru, izotopów potasu) w jądrze Ziemi. Efektem rozpadu tych pierwiastków jest wytwarzanie się w jądrze bardzo wysokiej temperatury (ok C), która maleje wraz z przybliżaniem się do powierzchni Ziemi. Naturalnym nośnikiem energii geotermalnej jest woda, para wodna, ropa naftowa oraz gaz ziemny, które są zgromadzone w porach i szczelinach skał budujących skorupę ziemską. Najbardziej znanym efektem ciepła Ziemi są wybuchy wulkanów. Innym zjawiskiem geotermalnym ściśle powiązanym ze skałami magmowymi są gejzery i gorące źródła. Gejzery to nic innego jak wybuchająca z głębi ziemi para wodna. Proces powstania gorących fontann opiera się na ogrzaniu wsiąkającej deszczówki i wód gruntowych przez skały magmowe znajdujące się blisko powierzchni. Wody osiągają temperaturę do 180 C. Skumulowana wewnątrz woda jest przegrzana i przy niewielkich ruchach tektonicznych znajduje ujście na powierzchnię. Podczas wybuchów ulatniają się trujące gazy (dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, kwas solny i siarkowodór). Energia z gejzerów jest wykorzystywana do produkcji elektryczności. Islandia dzięki energii geotermalnej zaspokaja aż 89% całego zapotrzebowania na ciepłownictwo, a także w dużym stopniu wykorzystuje produkcję energii elektrycznej z pary geotermalnej. Budowa ciepłowni geotermalnych jest więc, oprócz produkcji energii elektrycznej, najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej. Ponadto wykorzystuje się ją także w balneologii (medycyna uzdrowiskowa), uprawach, przemyśle chemicznym, suszarnictwie, przetwórstwie, hodowli ryb, basenach kąpielowych, czy ogrzewaniu budynków przy pomocy pomp ciepła. Pompy ciepła to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Pompa ciepła: Pompy ciepła to urządzenia umożliwiające wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego oraz odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Systemy ogrzewania domów w oparciu o energię geotermalną z zastosowaniem pomp ciepła zyskują coraz większą popularność.

9 Energetyka geotermalna w Polsce Obecność złóż geotermalnych stwierdzono na obszarze 80% terenu Polski, lecz opłacalne złoża znajdują się na 40% powierzchni kraju. Mimo bogatych zasobów, udział tego typu energii w bilansie energetycznym wynosi zaledwie 0.1 %. Ze względu na niską temperaturę wód geotermalnych (45 C-95 C) nie ma możliwości wykorzystania ich do produkcji energii elektrycznej. Bioenergia (energia biomasy i biogazu) Biomasa to substancje organiczne pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z substratów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego te substraty, części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji, oraz ziarna zbóż niespełniające wymagań jakościowych. Biomasa powstaje w procesie zwanym fotosyntezą. Rośliny pobierają dwutlenek węgla z otaczającego je powietrza, wodę i sole mineralne z gruntu, następnie pod wpływem promieni słonecznych budują swoje komórki, a do środowiska oddają tlen. Energię zawartą w roślinach można wykorzystać poprzez jej spalanie. W wyniku tego procesu uzyskuje się ciepło, które może być przetworzone na inne rodzaje energii, np. energię elektryczną. Popularnym rodzajem biomasy jest drewno pozyskiwane z lasów. Może być ono wykorzystywane pod różnymi postaciami między innymi jako: granulat, trociny i zrębki. Słoma, jako pozostałość po żniwach, także może być źródłem energii. Stosuje się także tzw. biouprawy czyli celowe uprawy tzw. roślin energetycznych w celu późniejszego ich wykorzystania do produkcji energii lub nośników energii. Rośliny wykorzystywane w celach energetycznych powinny charakteryzować się: dużym plonem suchej masy z hektara, odpornością na warunki atmosferyczne, szkodniki, choroby, niskimi wymaganiami glebowymi, niskim erodowaniem i wyjaławianiem gleby.

10 Przykładowe gatunki roślin energetycznych: wierzba, topola, ślazowiec pensylwański, miskant olbrzymi, rzepak, topinambur W Polsce możliwe jest uzyskanie około 10 ton biomasy z 1 ha użytków rolnych. Stanowi to równowartość 5 ton węgla kamiennego. W wyniku spalania biomasy, do atmosfery przedostaje się dwutlenek węgla, ale tylko w takiej ilości, jaka została pochłonięta przez rośliny podczas wegetacji (wzrostu). Właściwość ta jest istotną zaletą biomasy jako paliwa, gdyż jej spalanie nie zwiększa ogólnej emisji gazu cieplarnianego jakim jest dwutlenek węgla. W produkcji energii coraz większego znaczenia nabiera wykorzystanie odchodów zwierzęcych, oraz odpadów komunalnych do produkcji biogazu - mieszaniny gazów, w której dominują metan i dwutlenek węgla. Substraty do produkcji bioenergii: drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, słoma zbożowa, z roślin oleistych, strączkowych lub siano, plony z plantacji roślin energetycznych, odpady organiczne - gnojownica, osady ściekowe, biopaliwa płynne do celów transportowych, np. oleje roślinne, biodiesel, bioetanol, biogaz z gnojownicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych,

11 Źródła: zielonaenergia.eco.pl eszkola.pl/czytaj/zuzycie_energii/8902 sp5.d-si.pl/gim/odnawialne.ppt Perspektywy rozwoju elektroenergetyki w świecie i w Polsce