3.6. Alternatywne źródła energii

Od 2009 roku nasz kraj obowiązuje Dyrektywa OZE 2009/28/WE, zgodnie z którą państwa Unii Europejskiej powinny ograniczyć emisję gazów cieplarnianych oraz zwiększyć udział odnawialnych źródeł energii, czyli źródeł, których zasoby odnawiają się w krótkim czasie. Do 2020 roku wkład OZE (odnawialne źródła energii) w ogólnym bilansie energetycznym Polski ma wynosić 15%. W jaki sposób możemy to osiągnąć?

Już wiesz: 

  • że zasoby paliw kopalnych są ograniczone;
  • że rosną ceny tradycyjnych paliw;
  • że korzystanie z konwencjonalnych źródeł energii powoduje znaczne zanieczyszczenie środowiska naturalnego.

Nauczysz się: 

  • jakie są inne niż konwencjonalne metody pozyskiwania energii;
  • wymieniać zalety i wady alternatywnych źródeł energii;
  • jaki jest wpływ różnych sposobów pozyskiwania energii na stan środowiska przyrodniczego.

1. Dlaczego poszukuje się nowych źródeł energii?

Współczesny świat potrzebuje coraz większych ilości energii. Wzrost liczby ludności, duże tempo rozwoju gospodarczego oraz postęp w zakresie tworzenia i wykorzystania nowych technologii powodują, że zapotrzebowanie na energię elektryczną cały czas rośnie. Obecne źródła energii wpływają na znaczne zanieczyszczenie środowiska, przyczyniają się do zmiany klimatu, a ponadto ich zasoby są ograniczone i znajdują się tylko w niektórych rejonach świata. Poza tym limitowana podaż i duży popyt na paliwa kopalne sprawiają, że ich ceny są coraz wyższe. Dlatego zwiększenie ilości energii produkowanej ze źródeł odnawialnych jest dzisiaj koniecznością.

2. Energia wody

Od stuleci energię wodną wykorzystywano do nawadniania pól, napędzania turbin lub kół wodnych w młynach, kuźniach i zakładach przemysłowych. Po raz pierwszy zastosowano wodę do produkcji energii elektrycznej w XIX wieku. Dzisiejsza hydroenergetyka bazuje na potencjale rzek oraz otwartych zbiorników wodnych, na których buduje się elektrownie przepływowezaporowe lub wykorzystuje potencjał mórz i oceanów – energię fal, pływówprądów morskich. Elektrownie wodne, bez względu na rodzaj czy zasadę działania, zamieniają energię potencjalną wody na energię kinetyczną, a ta w prądnicach jest przekształcana w energię elektryczną.

Ciekawostka

Największą na świecie elektrownię wodną wybudowano w Chinach na rzece Jangcy. To Zapora Trzech Przełomów. W związku z tą inwestycją przesiedlono prawie 1,3 milionów osób, a zatopieniu uległ obszar 17 dużych miast, 140 miasteczek oraz ponad 3000 wsi. Jest to też najdroższy pojedynczy projekt, jaki został zbudowany przez człowieka. Imponujące są parametry samej tamy, której długość wynosi 2335 m, średnia szerokość to 1,2 km (czyli dwukrotnie więcej niż szerokość samej rzeki), a wysokość osiąga 185 m. Tamę zbudowano na terenie czynnym sejsmicznie. Jej konstrukcja jest odporna na wstrząsy, ale tylko do 7 stopni w skali Richtera.

Polecenie 3.6.1.

Łączna ilość wody zmagazynowanej w tym akwenie (Zapora Trzech Przełomów) to 39,3 biliony litrów. Wyraź tę ilość w metrach sześciennych.

Wskazówka

Stosując zapis w postaci potęgi liczby dziesięć, 1 bilion przedstawia się jako 1012, a 1 m3 – jako 103 dm3.
W produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wodnych przodują Chiny (861 TWh). W Europie energetyka wodna osiągnęła znaczącą pozycję w stosunku do innych alternatywnych źródeł energii. Liderem i niedoścignionym wzorcem w tej dziedzinie jest Norwegia (144 TWh), która uzyskuje z energii spadku wody 98% energii elektrycznej.

3. Energia z wiatru

Energia wiatrowa jest tym sektorem przemysłu energetycznego, który rozwija się najszybciej. Wiatr, czyli poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza względem powierzchni ziemi, powstaje wskutek różnicy ciśnień i temperatur. Do produkcji energii elektrycznej na bazie wiatru służą turbiny wiatrowe, obecnie często skupione w tzw. farmy wiatrowe. O ilości energii wytworzonej przez takie elektrownie decyduje nie tylko siła wiatru, ale także częstość występowania tego zjawiska na danym terenie. W Polsce są korzystne warunki do budowy elektrowni wiatrowych głównie na obszarach nadmorskich i w przełęczach górskich. W Europie liderem w wykorzystywaniu tej energii pozostają Niemcy i Hiszpania.

Ciekawostka

Największą morską farmę wiatrową na świecie posiadają Anglicy – "London Array". Została ona oddana do użytku w lipcu 2013 roku. Elektrownia ta składa się z 175 turbin. Energia jest transportowana za pomocą 200 km kabli położonych na głębokości 25 m pod powierzchnią ziemi. Każda turbina wiatrowa ma wysokość 147 m ponad poziomem morza. Największa lądowa farma wiatrowa na świecie to amerykańska Alta Wind Energy Center w Tehachapi Pass na pustyni Mojave w Kalifornii. Natomiast najwyższe na świecie turbiny wiatrowe powstały w Polsce, w miejscowości Paproć koło Nowego Tomyśla (w Wielkopolsce). Łączna wysokość konstrukcji to 210 m (dla porównania Pałac Kultury i Nauki w Warszawie ma wysokość 185 m bez iglicy).

4. Energia Słońca

Słońce to największe i najważniejsze źródło energii na Ziemi. Praktycznie jest wykorzystywane od zawsze przez człowieka. Obecnie wykorzystuje się je do zasilania kalkulatorów, zegarków, kamer monitoringu, znaków drogowych. Energię słoneczną można przetwarzać na ciepło w kolektorach słonecznych (konwersja fototermiczna) oraz stosować do produkcji prądu elektrycznego za pomocą ogniw fotowoltaicznych, konstruowanych na bazie krzemu (konwersja fotowoltaiczna). Trzecim rozwiązaniem jest przemiana energii promieniowania słonecznego w energię chemiczną (konwersja fotochemiczna). Proces ten zachodzi w roślinach zielonych i nazywany jest fotosyntezą:
6CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 6H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O strzałka-w-prawo IndeksNad światło KoniecIndeksów C IndeksDolny 6 KoniecIndeksów H IndeksDolny 12 KoniecIndeksów O IndeksDolny 6 KoniecIndeksów + 6O IndeksDolny 2 KoniecIndeksów
Energia słoneczna może być wykorzystywana na małą skalę w domach prywatnych czy instytucjach publicznych. Na dachach, tych budynków montuje się baterie ogniw słonecznych. Na dużą skalę energię słoneczną wykorzystuje się w elektrowniach słonecznych. Liderem na świecie w wykorzystywaniu tej energii są Niemcy.

Polecenie 3.6.2.

Odpowiedz na pytanie: w jakim kierunku powinny być skierowane kolektory na dachach budynków, aby jak najdłużej docierało do nich promieniowanie słoneczne?

Wskazówka

Mech w przypadku samotnie stojących drzew pojawia się po stronie północnej, a korona jest przeważnie bardziej rozwinięta od strony południowej.

Ciekawostka

Największa elektrownia słoneczna Ivanpah powstała w USA na pustyni Mojave ok. 40 km od Las Vegas. Zajmuje powierzchnię ponad 4 mln m2. Składa się ze 173 500 luster. Każde z luster ma ponad 6 metrów długości, a nad nimi znajdują się specjalne rury o średnicy 10 centymetrów wypełnione olejem. Lustra rozgrzewają znajdujący się w rurze olej do 400°C i kierują światło słoneczne na trzy ponad 130-metrowe wieże, na których umieszczone są bojlery z wodą. Powstająca para wodna napędza turbiny, generujące prąd.

5. Energia z wnętrza Ziemi

Energia geotermalna to ciepło uwalniane w procesie rozpadu naturalnych promieniotwórczych izotopów przede wszystkim uranu, toru i potasu w płaszczu Ziemi. Wybuchy istniejących wulkanów, wypływy przegrzanej pary (fumarole) czy gorącej wody (gejzery) przypominają jak ogromny potencjał energii drzemie we wnętrzu Ziemi. Już grecki lekarz Hipokrates stosował energię geotermalną do leczenia swoich pacjentów. Wody o temperaturze 40–90°C znajdują zastosowanie w produkcji ciepła użytkowego, w balneologii, rolnictwie i ogrodnictwie (do upraw szklarniowych), hodowli ryb, ponadto w przemyśle (np. pasteryzacja mleka czy suszenie drewna). Natomiast wody o temperaturze co najmniej 150°C mogą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Krajem, który przoduje w wykorzystywaniu tego typu energii, są USA.

Ciekawostka

W Islandii energia geotermalna jest wykorzystywana do ogrzewania 90% budynków. Bogata w mikroelementy woda geotermalna pozyskiwania z położonej na Półwyspie Reykjanes Błękitnej Laguny to skuteczne lekarstwo na wiele schorzeń skórnych, m.in. łuszczycę. Ponadto większość wód termalnych charakteryzuje się podwyższoną zawartością minerałów. Oprócz właściwości leczniczych wykazują one również pozytywny wpływ na samopoczucie i ułatwiają odprężenie.

6. Energia jądrowa

Energia jądrowa to energia pozyskiwana z rozszczepienia jąder atomowych pierwiastków ciężkich np.: kropka W reaktorach jądrowych w wyniku zderzenia neutronu z jądrem zachodzi proces rozszczepienia, który opisuje równanie:
Powstające neutrony powodują rozpad kolejnych jąder uranu , wywołując reakcję łańcuchową, której towarzyszy emisja ok. 80 000 MJ energii z 1 g uranu (dla porównania ciepło spalania dla 1000 g węgla kamiennego to 30 MJ). Na świecie pracuje 435 reaktorów energetycznych (stan na dzień 31.07.2012 r.). Udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi ok. 14%.

Polecenie 3.6.3.

Podaj uproszczony zapis reakcji rozszczepienia jądra , która została zapisana powyżej.

Wskazówka

Dla reakcji rozszczepienia plutonu :
zapis uproszczony wygląda następująco:
Energetyka jądrowa prawdopodobnie będzie w przyszłości głównym źródłem energii na świecie. Awaria reaktorów w Czarnobylu (1986 r.) i w Fukushimie (2011 r.) na nowo wzbudziły obawy i sprowokowały dyskusje nad bezpieczeństwem tego źródła energii. Jednak niezaprzeczalnie jest to dzisiaj najmniej awaryjne źródło energii, najlepszy sprzymierzeniec w walce o czyste środowisko i najtańszy sposób na produkcję prądu elektrycznego.

Ciekawostka

Amerykańska firma Laser Power System pracuje nad samochodem turbinowym, który nie emitowałby żadnych spalin. Konstruktorzy przewidują, że silnik tego pojazdu, o mocy 250 kilowatów, będzie ważył około 227 kg, ale jego niewielkie rozmiary pozwolą zmieścić go pod maską samochodu. Paliwem ma być tor – 90. pierwiastek układu okresowego, mogący wytworzyć wiązkę laserową, podgrzewającą wodę, a ta po przekształceniu w parę wodną ma napędzać małe turbiny. Energia, jaką można uzyskać z 1 grama tego pierwiastka, odpowiadałaby zużyciu ponad 28 000 litrów benzyny, co pozwala na przejechanie około 350 000 km (zakładając, że średnie spalanie utrzymuje się na poziomie 7–8 l/100 km).

7. Energia biomasy

Biomasę stanowi materia pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, głównie odpady z produkcji rolnej, pozostałości leśnictwa, osady ściekowe, odpady przemysłowe oraz komunalne. Biomasa jest najstarszym i najszerzej wykorzystywanym odnawialnym źródłem energii. Można ją bezpośrednio spalić lub przetworzyć na biopaliwa. Wyróżnia się trzy postacie biopaliw: stałe (np. drewno kawałkowe, słoma, siano, trawy roślin energetycznych, zrębki drzewne, brykiety i pellety), ciekłe (np. bioetanol, biodiesel) i gazowe (np. mieszaniny gazów powstałe w fermentacji beztlenowej suchej i mokrej, a także w procesie gazyfikacji i pirolizy). Najpopularniejszą w Polsce rośliną energetyczną jest wierzba wiciowa (energetyczna), która z hektara upraw w ciągu roku pozwala uzyskać średnio tyle energii co spalenie 10–13 ton węgla.
Biopaliwa płynne są wykorzystywane do napędzania samochodów. Z bulw ziemniaków lub ziaren roślin poddanych fermentacji otrzymuje się etanol, który coraz częściej jest używany jako biopaliwo (bioetanol):
C IndeksDolny 6 KoniecIndeksów H IndeksDolny 12 KoniecIndeksów O IndeksDolny 6 KoniecIndeksów strzałka-w-prawo IndeksNad enzym    KoniecIndeksów 2C IndeksDolny 2 KoniecIndeksów H IndeksDolny 5 KoniecIndeksów OH + 2CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów
Jego wartość energetyczna wynosi ok. 30 MJ/kg. Dlatego może być stosowany jako domieszka do benzyny. Z oleju rzepakowego słonecznikowego lub zużytego oleju spożywczego otrzymuje się biopaliwo określane mianem biodisel. W jego skład wchodzą estry metylowe kwasów tłuszczowych, które powstają w wyniku reakcji estryfikacji pomiędzy metanolem i tłuszczami otrzymywanymi z roślin oleistych:
CH IndeksDolny 3 KoniecIndeksów OH + olej roślinny strzałka-w-prawo IndeksNad kat./temp. KoniecIndeksów C IndeksDolny 3 KoniecIndeksów H IndeksDolny 5 KoniecIndeksów (OH) IndeksDolny 3 KoniecIndeksów + biodiesel
W warstwach mułu na torfowiskach i na wysypiskach śmieci tworzy się w sposób naturalny biogaz (zwany gazem wysypiskowym). W jego skład wchodzą metan, tlenek węgla(IV), azot, siarkowodór. Spalanie biogazu otrzymanego w sposób kontrolowany w biogazowniach może być źródłem energii, którą można wykorzystać do ogrzewania budynków, gotowania lub zasilania pojazdów.

8. Inne źródła energii

Ogniwa paliwowe to urządzenia, w których energia elektryczna i ciepło powstają w wyniku reakcji chemicznej:
2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + O IndeksDolny 2 KoniecIndeksów → 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O + prąd elektryczny
Ogniwo paliwowe potrzebuje jako substratu substancji, która łatwo się utlenia, np. wodoru. Można je zasilać również innymi substancjami, np.: metanolem, etanolem. Takie źródła energii zasilają statki, promy i stacje kosmiczne, dostarczając jednocześnie wodę, która nadaje się do picia. Dostępność różnych rodzajów ogniw paliwowych sprawia, że lista ich możliwych zastosowań może być niezwykle długa, począwszy od urządzeń przenośnych takich jak kamery, telefony komórkowe, laptopy, tablety, przez samochody i inne pojazdy, domowe instalacje grzewcze. To wyeliminowałoby straty powstające podczas przesyłania energii z elektrowni do odbiorcy. Pojedyncze ogniwo paliwowe mają niewielką moc, dlatego łączy się je w moduły, tzw. stosy paliwowe.

Doświadczenie 3.6.1. Elektroliza wody

Problem badawczy:  
Jak otrzymać pierwiastki, z których zbudowana jest woda?
Hipoteza: 
Z wody można otrzymać m.in. pierwiastek będący źródłem energii.
Co będzie potrzebne: 
  • zlewka,
  • bagietka,
  • pipetka Pasteura,
  • 2 szpilki,
  • przewody z krokodylkami,
  • bateria,
  • szalka Petriego,
  • łuczywo,
  • roztwór wodorotlenku sodu,
  • płyn do mycia naczyń,
  • woda destylowana.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do zlewki wlej kilka cm3 wody destylowanej, dodaj parę kropli roztworu NaOH i otrzymany roztwór zamieszaj bagietką.
  2. 2.
    Pipetę Pasteura wypełnij w 3/4 pojemności otrzymanym roztworem.
  3. 3.
    Pipetę przekłuj dwiema szpilkami (szpilki muszą być zanurzone w roztworze, ale nie mogą się dotykać).
  4. 4.
    Do każdej ze szpilek podłącz przewody z krokodylkami, a wolne końce przewodów połącz z baterią.
  5. 5.
    Wylot pipety zanurz w wodzie z płynem do mycia naczyń, który wcześniej przygotuj na szalce Petriego.
  6. 6.
    Wydzielający się gaz zbieraj w bańkach mydlanych.
  7. 7.
    Po rozłączeniu układu zbliż do baniek zapalone łuczywo.
Podsumowanie: 
Po połączeniu przewodów do baterii można zaobserwować, że na szpilkach (elektrodach) wydziela się bezbarwny gaz, który tworzy bańki w wodzie zawierającej płyn do zmywania. Pod wpływem prądu woda ulega elektrolizie, czyli rozkłada się na wodór i tlen:
2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O → 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + O IndeksDolny 2 KoniecIndeksów

Wodór spala się w tlenie wybuchowo. Zachodzący wówczas proces można opisać równaniem reakcji:
2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + O IndeksDolny 2 KoniecIndeksów → 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O

Mieszanina wodoru z tlenem w stosunku objętościowym 2:1 lub z powietrzem w stosunku objętościowym 2:5 to mieszanina piorunująca.

Polecenie 3.6.4.

Odpowiedz na pytanie: czy wykorzystanie wodoru jako paliwa przyczynia się do zwiększenia ilości tlenku węgla(IV) w atmosferze?

Wskazówka

Jaki produkt powstaje w wyniku reakcji zachodzącej podczas spalania wodoru?

Podsumowanie

  • Główną zaletą odnawialnych źródeł energii (OZE) jest ochrona środowiska naturalnego przed emisją szkodliwych substancji chemicznych. Ponadto wykorzystywanie OZE pozwala w znacznym stopniu ograniczyć eksploatację paliw kopalnych i zużycie tlenu.
  • Do alternatywnych źródeł energii zalicza się energię: wody, wiatru, Słońca, geotermalną, jądrową, biomasy i energię pozyskiwaną z wodoru.
  • Energia geotermalna – jest wewnętrznym ciepłem Ziemi zgromadzonym w skałach oraz w wodach wypełniających pory i szczeliny skalne.
  • Energia jądrowa – energia uwalniana podczas przemian jądrowych.
  • Biomasa – podatna na rozkład biologiczny materia organiczna.
  • Możliwość większego wykorzystania energii ze źródeł alternatywnych jest związana z opracowaniem nowych i doskonaleniem dostępnych już metod technologicznych.

Praca domowa

Polecenie 3.6.5.

Problem 1.
Wodór to pierwiastek najbardziej rozpowszechniony we wszechświecie. Pierwiastek ten, prawidłowo wykorzystywany, może stać się „wiecznym paliwem” i radykalnie zmienić oblicze naszej cywilizacji. Do najważniejszych metod produkcji wodoru na skalę przemysłową zalicza się:
  1. a)
    reforming metanu parą wodną przy udziale niklu jako katalizatora,
  2. b)
    rozkład pary wodnej przy użyciu rozgrzanego do 1200°C koksu,
  3. c)
    utlenienie tlenku węgla(II) za pomocą pary wodnej.
Problem 2.
Największe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem fermentacji biomasy. Napisz równania ww. reakcji otrzymywania wodoru oraz równanie reakcji fermentacji masłowej, wiedząc, że z glukozy powstają: kwas masłowy (kwas butanowy), wodór i tlenek węgla(IV).
Na podstawie poniższego diagramu odpowiedz na pytania:
  1. a)
    Jakie źródło energii elektrycznej wykorzystujące OZE dominowało w Polsce do roku 2008?
  2. b)
    Które OZE wykazują największą dynamikę wzrostu w naszym kraju?
  3. c)
    Jakie źródło energii mogłoby nam zapewnić bezpieczeństwo energetyczne, nie powodując jednocześnie wzrostu emisji tlenku węgla(IV)?

Słowniczek

Definicja

farma wiatrowa –
zespół położonych w niewielkiej odległości od siebie wiatrowych urządzeń prądotwórczych, grupujący od ponad 10 do nawet 100 turbin wiatrowych

Definicja

hydroenergetyka –
termin określający wytwarzanie energii elektrycznej przez elektrownie wodne

Definicja

reakcja łańcuchowa –
reakcja, która przebiega w następujących po sobie etapów, nazywanych "łańcuchem reakcji"; produkt każdego z etapów pośrednich jest jednocześnie substratem kolejnego etapu

Definicja

konwersja fototermiczna –
proces polegający na przetwarzaniu energii słonecznej na energię cieplną

Zadania

Zadanie 3.6.1.

Zadanie 3.6.2.

Zadanie 3.6.3.

Zadanie 3.6.4.

Zadanie 3.6.5.

Zadanie 3.6.6.

Zadanie 3.6.7.