Nic nie może żyć, poruszać się ani pracować bez energii. Rośliny potrzebują jej, aby rosnąć. Nam jest ona niezbędna do podtrzymywania procesów życiowych. Nasza energia pochodzi z pożywienia. Maszyny potrzebują energii do pracy. Niektóre są napędzane elektrycznością, inne zaś spalają paliwa zawierające zmagazynowaną energię. Wszyscy korzystamy z energii słonecznej.
Rodzaje energii
Jest wiele rodzaji energii. Ciepło, światło i dźwięk to rodzaje otaczającej nas energii. Światło i ciepło to energia promieniująca, zwana radiacją. Daje ona światło i ciepło oraz umożliwia działanie wielu urządzeń. Energia chemiczna jest magazynowana w pokarmach i paliwach. Wyzwala się podczas spalania paliw albo gdy znajdujące się w żywych organizmach substancje chemiczne zaczynają oddziaływać na pokarm.
Olbrzymie ilości energii powstają w czasie rozszczepiania lub łączenia się jąder niektórych atomów. Energię taką nazywamy jądrową lub atomową. Możemy ją używać do celów pokojowych (produkcja energii elektrycznej) lub wojennych (bomby i pociski jądrowe).
Wszystko, co porusza się, posiada energię kinetyczną. Im większy jest poruszający się przedmiot i im szybciej się porusza, tym większą ma energię kinetyczną.
Źródła energii
Mówiąc o źródłach energii, mamy na myśli zapasy energii dającej się wykorzystać. Ropa, węgiel, benzyna, gaz świetlny, wszystkie te substancje posiadają zapas energii chemicznej, którą można wyzwolić w postaci ciepła i innych pożytecznych form energii w procesie spalania z tlenem.
Substancje te powstały z roślin, które rozwijały pod wpływem promieni słonecznych setki milionów lat temu. Drzewa, którymi opalamy mieszkania, i zboże, które sprowadzamy, potrzebują światła słonecznego, aby móc rosnąć. Czerpią one swą energię chemiczną z promieniowania słonecznego. Koła wodne i wiatraki dostarczają energii mechanicznej, która może być przekształcona w energię kinetyczną i inne pożyteczne formy; one również czerpią swą energię ze światła słonecznego. Wiatry powstają w skutek nierównomiernego nagrzewania Ziemi przez Słońce; woda natomiast, która traci swą energię potencjalną w wodospadzie, odzyskuje ją unosząc się pod wpływem działania wiatrów i słońca jako para znad jezior i oceanów. Wszystkie te zapasy energii pochodzą ze światła słonecznego. Promieniowanie Słońca dostarcza wszystkich niemal „źródeł” energii, a których korzystamy.
Istnieją też inne źródła energii niezależne od światła słonecznego, takie jak ciepło wulkaniczne, przypływy i odpływy powodowane przez Księżyc oraz energia jądrowa. Ale z tych źródeł korzystamy obecnie w szczupłym zakresie i jedynie energia jądrowa rokuje nadzieje na wykorzystanie w przyszłości. Kontrolowane rozszczepienie „paliwa” uranowego dostarcza obecnie siły napędowe łodziom podwodnym, a nawet stosowane jest do ogrzewania domów. Rozporządzamy obecnie wyszukanymi metodami „hodowli” atomów rozszczepialnych z takich izotopów, które nie mogą wyzwolić energii przez rozszczepianie. W przyszłości opanujemy ekonomiczne sposoby wydobywania uranu itp. z niskoprocentowych rud, co zapewni bogaty zapas energii na wiele stuleci.
W najbliższej przyszłości będziemy dobrze zaopatrzeni w trzy rodzaje paliwa: w światło słoneczne, głównie dla otrzymywania żywności, w zapas światła słonecznego zmagazynowany w węglu i ropie, i w energię jądrową. Istnieją nadal ogromne pokłady węgla. Nowe pola naftowe szybciej są odkrywane aniżeli stare się wyczerpują. A przecież przez wiele lat specjaliści twierdzili, że zapasy energii wystarczą nam zaledwie na kilkadziesiąt lat. Geologowie prowadząc wiercenia badawcze znajdują także wciąż nowe pokłady uranu i toru. Jednak wszystkie te źródła prawdopodobnie wyczerpią się w ciągu kilku następnych stuleci – najwyżej, być może, dziesięciu – wziąwszy pod uwagę wzrastające zaludnienie kuli ziemskiej. W dalekiej przyszłości, za tysiące lub więcej lat wyczerpie się cały zapas energii i promieniowanie Słońca będzie jedynym źródłem zaopatrzenia i zaspokojenia potrzeb ludzkości, chyba że zrealizujemy nasze nadzieje otrzymania prawie nieograniczonego źródła energii na drodze Syntezy lekkich pierwiastków.
Możemy snuć najrozmaitsze rozważania na temat pochodzenia energii słonecznej. Źródłem jej jest prawdopodobnie synteza jąder. Atomy wodoru łączą się czwórkami, tworząc atomy helu (zapewne w drodze procesu okrężnego, poprzez pośrednie atomy) w „palenisku” wewnątrz Słońca. W procesie syntezy helu kosztem energii jądrowej wydziela się ciepło na wielką skalę, uzupełniając olbrzymie ilości wypromieniowanej energii. Na szczęście Słońce posiada duży wielki zapas wodoru. Ponieważ promieniowanie posiada pewną masę, Słońce musi tracić masę 300 000 000 000 ton dziennie lub nawet więcej! Jednak ponieważ całkowita masa Słońca wynosi ponad 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ton, to jeszcze przez dłuższy czas możemy się nie martwić o nie.
Jednostki energii
Ponieważ miarą wymiany energii jest iloczyn siła . droga, który powinien być wyrażony w jednostkach:
kiloGramometry albo niutony . metry,
to używamy tych jednostek dla energii, pisząc:
kiloGram . metr = niuton . metr.
Pierwsza forma zawiera ” złą” jednostkę siły. Jest ona często używana w technice i inżynierii; nie może być jednak powiązana z zależnością F = Ma. A więc nie nadaje się do opisu poruszających się ciał. Druga jednostka niuton . metr jest jednostką „dobrą”. Jest ona tak często używana, że uległa skróceniu i została przemianowana na dżul.
Energia słoneczna
Słońce, jedna z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokryłaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka.
Promieniowanie
Dzięki reakcją fuzji Słońce wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną w przybliżeniu 8,33 . 1024 kWh dziennie. Moc wysyłanego przez Słońce promieniowania jest tak wielka, że nawet w odległości orbity Ziemi (150 milionów kilometrów) jej gęstość wynosi około 1300 W/ m2 . Ilość energii słonecznej, jaka dopływa do górnej warstwy atmosfery ziemskiej w określonym czasie, jest dziesiątki razy większa od obecnego światowego zapotrzebowania na energię. Znaczne część tej energii zostaje jednak odbita z powrotem w kosmos, następna część jest pochłonięta przez atmosferę wywołując m. in. Wiatry, które mogą służyć jako źródło energii, oraz wszelkie znane zjawiska atmosferyczne, na przykład deszcz lub śnieg. Reszta zaś dochodzi do powierzchni Ziemi ogrzewając lądy, oceany oraz powodując prądy morskie i fale. Energia słoneczna zmagazynowana w oceanach może być częściowo odzyskana w postaci energii elektrycznej.
W ogólności całkowita energia dochodząca do powierzchni Ziemi pochodzi z energii słonecznej, z ciepła płynącego z głębi Ziemi oraz z pływów, które jak wiadomo są spowodowane przyciąganiem Księżyca i Słońca. Mimo tego ciągłego dopływu ciepła temperatura powierzchni Ziemi jest ogólnie biorąc stała, ponieważ ilość dostarczonej energii jest równa ilości energii wypromieniowanej w przestrzeń kosmiczną.
Część energii słonecznej w wyniku fotosyntezy wody i dwutlenku węgla jest zmagazynowana w roślinach, skąd może być odzyskana. Z biomasy można by każdego roku uzyskać tyle energii, ile dostarczają obecnie paliwa kopalne. Dzięki procesowi fotosyntezy rośliny przetwarzają energię słoneczną do postaci przyswajalnych przez wyższe organizmy łącznie z człowiekiem. Są one bowiem obdarzone unikalną zdolnością tworzenia za pomocą światła słonecznego najprostszego cukru, glukozy. Proces ten zachodzi za pomocą katalizatora, jakim jest chlorofil o sumarycznym wzorze chemicznym MgN4C55H72O5. Wytworzona w ten sposób glukoza stanowi „cegiełkę ” do budowy bardziej skomplikowanych cząsteczek złożonych cukrów, tłuszczów i białek, znajdujących się w roślinach i zwiększających ich biomasę . Wprawdzie rozważany mechanizm nie jest zbyt wydajny, ale biorąc pod uwagę praktyczne nieograniczone darmowe ilości energii słonecznej, dwutlenku węgla i wody, jest on najbardziej udanym i ustabilizowanym procesem konwencji energii słonecznej na kuli ziemskiej. W wyniku fotosyntezy energia słoneczna zamienia się w energię wiązań chemicznych złożonych cząsteczek i w tej postaci jest ona magazynowana.
Udział biomasy w pokrywaniu zapotrzebowania na energię może być oparty na następujących zasadach:
1. Uprawa wybranych, energodajnych roślin gruntowych i wodnych, a także krzewów i drzew na specjalnych fermach przeznaczonych tylko dla potrzeb energetycznych.
2. Zbieranie odpadów leśnych, rolniczych, z przemysłu drzewnego i papierniczego oraz śmieci miejskich, a także ekskrementów zwierzęcych i ludzkich w celu przetwarzania ich na energię.
3. Wycinanie drzew leśnych, nieprzydatnych do innych celów i przeznaczanie ich na paliwo.
Od dawna najbardziej rozpowszechnionym na świecie dostarczycielem energii są lasy. Wprawdzie w krajach uprzemysłowionych aktualnie korzysta się z tego źródła energii w niewielkim stopniu, ale w niektórych krajach Trzeciego Świata drewno opałowe jest często głównym źródłem energii. Prowadzi to do pustoszenia krajobrazu i do rozszerzania się pustyń. Dlatego też zarówno w krajach rozwijających się, jak i innych opracowuje się programy racjonalnej uprawy lasów tylko dla potrzeb energetycznych. Energodajne drzewa, takie jak eukaliptus, topola, olsza, sykomor, bawełnica i inne, będą prawdopodobnie hodowane na gorszych gruntach, nie nadających się do gospodarki rolno – spożywczej. W krajach o klimacie gorącym drewno opałowe mogą dawać lasy tropikalne i subtropikalne. Przewiduje się też tworzenie specjalnych plantacji leśnych dla potrzeb elektrowni cieplnych i innych zakładów przemysłowych.
W erze spalania ropy i gazu ziemnego prawie nie zwracano uwagi na możliwości energetyczne, jakie stwarza Słońce, zapominając o tym, że zgodnie z aktualną hipotezą węgiel, ropa i gaz ziemny pochodzą z roślin i zwierząt, a więc paliwa te dostarczają energii słonecznej, która została w nich zmagazynowana. Mówimy, że ogrzewamy nasze mieszkania gazem lub węglem zapominając, że bez Słońca temperatura w tych pomieszczeniach wynosiłaby zaledwie kilkadziesiąt stopni Kalvina, nawet po włączeniu wszystkich pieców.
Dotychczasowe wysiłki zmierzające do technicznej konwersji energii słonecznej były hamowane przez nieracjonalne uprzedzenia ekonomiczne. Nie zwraca się jednak uwagi na to, że gdyby chciano uchronić człowieka i jego naturalne środowisko od zgubnych wpływów spowodowanych korzystaniem z innych źródeł energii, to koszty związane z tymi problemami, łącznie z kosztami energii dostarczanej przez te źródła, byłyby prawdopodobnie większe niż aktualna cena energii słonecznej.
Energia jądrowa
Energia jądrowa stanowi główne źródło energii całego wszechświata. Wykorzystuje ona energię zawartą w jądrach atomów. W niektórych bowiem bardzo ciężkich atomach jądro może być rozbite na dwie mniejsze cząstki. W tym procesie rozszczepiania jądra wyzwala się ogromna ilość ciepła, które można użyć w elektrowni jądrowej do pozyskiwania energii elektrycznej.
Reakcja łańcuchowa
Reakcja rozszczepienia jądra uranu zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (ok. 2 km/s), zwany neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegną rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder rozszczepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej. W bombie atomowej pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by wszystkie powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony powodowały rozszczepienie innych jąder. Dlatego następuje bardzo gwałtowne przyspieszenie tempa reakcji owocując nagłym uwolnieniem wielkiej energii – eksplozją. W reaktorze natomiast część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor.
Materiały rozszczepialne
Jedynie kilka izotopów można wykorzystać jako paliwo jądrowe. Jądro musi być duże i ciężkie oraz rozpadać się pod wpływem powolnego neutronu, emitując przy tym inne neutrony. Materiały spełniające te kryteria to materiały rozszczepialne. Zdecydowanie najczęściej używanym materiałem rozszczepialnym jest izotop uranu o liczbie masowej 235 – U235. Jego jądro składa się z 92 protonów oraz 143 neutronów. Reakcja rozszczepienia jąder porcji uranu wydziela dwa miliony razy więcej energii niż spalenie węgla o tej samej masie.
Paliwo jądrowe
Niekiedy stosuje się paliwo jądrowe w postaci uranu metalicznego w specjalnych koszulkach ze stopu magnezowego. Jednak zwykle paliwem jest granulowany tlenek uranu zamknięty w długich metalowych rurach – prętach paliwowych. Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4 – 5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i nie spalony uran.
Energia wodna
Woda zawsze płynie z miejsca położonego wyżej do leżącego niżej. Taki jej ruch może być wykorzystywany do wytwarzania energii, przy czym może to być zarówno spokojny bieg rzeki, jak i gwałtowne spadanie wody z dużej wysokości, na przykład w wodospadzie czy zaporze. Do wytwarzania energii wykorzystuje się także nieustanny ruch fal morskich i przypływów. W przeciwieństwie bowiem do wielu innych źródeł energii woda nigdy się nie wyczerpuje i zawsze będziemy mieli na Ziemi tanią dostawę poruszającej się wody.
Energia spadków wód
Na podstawie wyników badań zasobów energii wodnej szacuje się ich potencjalną moc na 3 TW, z czego wykorzystuje się około jednej dziesiątej. Pobieranie takiej mocy wymagałoby jednak zalania dużych, niżej położonych obszarów żyznych gruntów i spowodowałoby zniszczenie środowiska naturalnego. Ale żadna z analiz nie obejmowała licznych, rozsianych po świecie miejsc nadających się do budowy małych elektrownii wodnych. Takie małe elektrownie wodne mają szanse powodzenia zwłaszcza w krajach rozwijających się, a także w wielu innych państwach.
Energia wód ma wiele cech dodatnich, m. in. z jej użytkowaniem nie wiążą się problemy magazynowania energii. Wprost przeciwnie użycie zapór jako urządzenia magazynującego energię może być najskuteczniejszym sposobem wypełnienia przerw w dostarczaniu energii przez inne źródła słonecznej. Ponadto hydroelektrownie mają wielką wydajność wynoszącą 85% lub więcej.
Energia pływów morskich
Pływy morsie i oceaniczne powstają dzięki przyciąganiu Księżyca i Słońca, przy czym znacznie większa jest siła grawitacji Księżyca, w wyniku tego przyciągania tworzą się dwa wały pływowe, z których jeden jest zwrócony do Księżyca, a drugi równoważący powstaje po przeciwnej stronie Ziemi. W skutek obrotu Ziemi wokół jej osi te spiętrzenia wody przesuwają się i powodują przy wybrzeżu dwa przypływy i dwa odpływy w ciągu każdej doby. W rzeczywistości obraz ten jest trochę bardziej skomplikowany przez oddziaływanie Słońca i nieregularny kształt Ziemi. Wysokość wspomnianych spiętrzeń wody nie jest wszędzie jednakowa. Na otwartym oceanie rzadko przekracza metr, natomiast w szelfie osiąga nawet 20m. Z ruchem tak olbrzymiej masy wody jest oczywiście związana energia, która w sumie wynosi około 2,4 . 104 TWh.
Uzyskane doświadczenia z już istniejących elektrowni wykorzystujących energię pływów wskazują jednak, że elektrownie takie powinny być budowane w miejscach, w których wysokość pływów nie jest mniejsza niż 5 m. Musi się tam jeszcze znajdować odpowiednia zatoka lub lejkowate ujście rzeki, gdzie można zbudować tamę. Takie warunki istnieją jedynie w 30 miejscach na świecie. Jeżeli każde z tych miejsc będzie dobrze wykorzystane, to przy wydajności 20% moc uzyskana z pływów na całym świecie wyniesie około 32 GW i może mieć znaczenie lokalne. Ujemną stroną tego źródła energii jest jego okresowość. Przypływy i odpływy występują regularnie co pewien czas w ciągu doby, przy czym ich moc szczytowa rzadko zbiega się ze szczytowym zapotrzebowaniem na energię.
Energia falowa
Fale oceaniczne potrafią przenosić wielkie strumienie energii. Kiedy spokojne morze, którego fale łagodnie uderzają o brzeg, przekształci się w burzliwy żywioł, jest w stanie roztrzaskać okręty, wyrzucać na brzeg głazy albo spiętrzyć wodę w wysoko położonym basenie, magazynując energię potencjalną. Woda w tych falach porusza się, atoli pojedyncze drobiny wody nie poruszają się zbyt daleko, są wprawione w ruch przez swych sąsiadów, kiedy nadchodzi fala i przekazuje swój ruch kolejnym drobinom wody. W ruchu falowym są powiązane ze sobą energia kinetyczna i energia potencjalna, przy czym jedna forma energii ciągle się zmienia w drugą, zaś obie przenoszone są z charakterystyczną prędkością rozchodzenia się fali. Źródłem energii większości fal oceanicznych jest wiatr, który je pędzi. Wiatr z kolei uzyskuje swą energię od ciepłego lądu. Źródłem pierwotnym jest światło słoneczne.
Fale dźwiękowe wędrując w powietrzu przekazują energię. Następuje kolejne zgęszczenie i rozrzedzanie powietrza to fale dźwiękowe. Ich rozchodzenie się pociąga zmiany w prędkości cząsteczek. Zmiany energii kinetycznej cząsteczek są przekazywane od jednej cząsteczki do drugiej, w miarę tego, jak fala wędruje; składają się one na mały wzrost energii cząsteczek na energię fali dźwiękowej.
Fale wodne posiadają energię kinetyczną poruszającej się wody i energię potencjalną w grzbietach wznoszących się ponad dolinami fal. Fale dźwiękowe mają energię kinetyczną małych zorganizowanych ruchów drgających cząsteczek – czasowe magazynowanie ciepła. Wydaje się, że fale elektromagnetyczne mają energię potencjalną w swych polach elektrycznych i energię kinetyczną w swych polach magnetycznych. Nie ma nic zaskakującego w tym, że energia kinetyczna związana jest z polem magnetycznym, powstaje ono bowiem w wyniku ruchu ładunków elektrycznych.
Energia wiatrów
Wiatry powstają w skutek nierównomiernego nagrzewania się lądów i mórz, równin i gór oraz rejonów podzwrotnikowych i podbiegunowych. Wiatr dawał człowiekowi energię już od kilku tysiącleci. Wiadomo, że w Egipcie pływano barkami żaglowymi po Nilu pięć tysięcy lat temu. Statki napędzane wiatrem panowały w żegludze do XIX wieku. W starożytnej Persji wiatraki służyły do mielenia ziarna i do pompowania wody. Szerokie wykorzystanie wiatraków w Europie zostało prawdopodobnie zapoczątkowane przez krzyżowców. W końcu XIX wieku Dania wykorzystała wiatraki także do wytwarzania energii elektrycznej.
Po pierwszej wojnie światowej tania energia wodna i paliwa kopalne zahamowały to szerokie wykorzystanie wiatraków na świecie, ale badania w tej dziedzinie nie zostały przerwane. W roku 1931 w Związku Radzieckim skonstruowano pierwszą dużą prądnicę napędzaną silnikiem wiatrowym. W roku 1941 zbudowano prądnicę wiatrową już o mocy 1,25 MW. W latach pięćdziesiątych w Wielkiej Brytanii zbudowano dwie turbiny wiatrowe.
Dopiero w latach siedemdziesiątych po powstaniu kryzysu naftowego powrócono do idei wykorzystania energii wiatrów na szerszą skalę. Opracowano wiele nowych rozwiązań technologicznych w tej dziedzinie, które coraz częściej wykorzystywane są w praktyce. Turbiny wiatrowe współpracujące z elektrowniami wodnymi, posiadającymi rezerwę mocy, powinny być tańsze od elektrowni konwencjonalnych. W czasie mniejszego obciążenia energia elektryczna mogłaby być użyta do pompowania wody do zbiorników na wyższym poziomie, skąd mogłaby być czerpana w czasie bezwietrznej pogody.
Na obszarach, gdzie względy estetyczne przemawiają przeciwko wiatrakom, można je instalować w miejscach mało widocznych, a nawet na morzu w odległości paru mil od brzegu. Można je także produkować tak, aby miały estetyczny wygląd.
Energia geotermiczna
Jako potencjalne źródło energii wymienia się także powierzchniową warstwę Ziemi. Energia pochodząca z tego źródła nazywana jest geotermiczną. Biorąc pod uwagę rozmiary ziemi możemy wnioskować, że zawiera ona ogromne ilości energii cieplnej. Część tej energii dochodzi do powierzchni Ziemi dzięki cieplnemu przewodnictwu skał oraz w niewielu miejscach – na skutek wypływu na powierzchnię gorących źródeł. Z powierzchni Ziemi ciepło to przechodzi następnie do atmosfery, przy czym ilość odpływającej masy wynosi aż 32,3 TW. Ogólna ilość odpływającego ciepła jest więc bardzo duża, ale energia ta jest bardzo rozproszona. Mimo utraty ciepła Ziemia nie oziębia się, ponieważ stale dochodzi nowe ciepło z rozpadu atomów promieniotwórczych, które znajdują się w całej jej o
bjętości.
Energia geotermiczna może być wykorzystywana m. in. w dwóch następujących przypadkach. Pierwszy wiąże się z występowaniem w wielu rejonach wulkanicznych niezwykle gorących skał znajdujących się blisko powierzchni Ziemi. Wówczas niepotrzebne są głębokie wiercenia ani też zakładanie dużych ładunków wybuchowych, by stworzyć zadowalający sztuczny układ cyrkulacyjny dla krążącej wody. W drugim przypadku wykorzystuje się porowate, gorące skały rozmieszczone na głębokościach nie większych niż 3 km. Przepuszczają one wodę, a zatem stanowią coś w rodzaju zbiornika gorącej wody. Tę gorącą wodę i parę odprowadza się przez otwory wiertnicze i używa do wytwarzania energii elektrycznej.
