Ekologiczne źródła energii i ich wykorzystanie

Energia jest niezmiernie ważną w życiu codziennym współczesnego człowieka.. Energia potrzebna jest mu w wielu dziedzinach, napędza maszyny, fabryki ; dzięki niej funkcjonują urządzenia, którymi posługuje się człowiek . Jako źródła energii wykorzystywane są złoża węgla, gazu ziemnego i ropy naftowej. Wykorzystanie tych wszystkich źródeł do produkcji energii która ma służyć człowiekowi wiąże się z pewnymi zagrożeniami dla środowiska naturalnego. W czasie "wydobywania" energii z tych złóż powstaje ogromna ilość zanieczyszczeń która bezpośrednio dostaje się do środowiska zagrażając tym samym zdrowiu i życiu człowieka. Aby temu zapobiec lub przynajmniej zredukować ilość tych zanieczyszczeń , można wykorzystywać naturalne źródła energii, np. wiatr, wodę jak również niektóre rośliny.

Woda.

Płynąca woda może być źródłem dużej ilości energii. Można to zauważyć na przykładzie wartkich potoków przecinających pasma górskie czy rwących rzek, które mogą porwać w swój bieg nawet duże zwierzęta. Woda może wyżłobić koryto nawet w sakle co świadczy o jej sile i energii. Duże nakłady energetyczne zawarte w wodzie wykorzystywano już w starożytności. Woda napędzała koła młyńskie , jak również urządzenia wykorzystywane w domostwach. Woda spływające na koło zaopatrzone w specjalne poprzeczki wywoływała jego ruch . Ruch ten pociągał za sobą działanie innych elementów. W ten sposób wykorzystywano wodę do napędzania w późniejszych czasach maszyny przemysłowe. Drwale wykorzystywali wielkie, rwące rzeki do spływu drewna.

Wadą wykorzystywania wody jako źródła energii, był fakt iż uzyskiwana energia musiała być wykorzystywana w miejscu jej produkcji. Współczesne elektrownie wodne rozwiązały ten problem poprzez rozprowadzanie powstałej energii systemem sieci energetycznej. Działanie elektrowni wodnej wytwarzającej energie elektryczną.

Woda zgromadzona w dużym zbiorniku spływa rurami w dół zgodnie z grawitacją i spada na turbinę sprzężona z generatorem który magazynuje wyprodukowaną energię. Przepływ wody produkujący energię trwa kilka godzin w ciągu dnia. W nocy ze względu na mniejsze zapotrzebowanie ludzi na energię elektryczną , silnik który w ciągu dnia służył jako generator energii, pobiera energię elektryczna z sieci i przepompowuje przelana wodę powrotem do zbiornika górnego. Zbiornik w ciągu kilku godzin jest napełniony wodą , która następnego dnia będzie znowu produkować energię elektryczną.

Wodzie , w przeciwieństwie do kopalnych źródeł energii nie grozi wyczerpanie. Z tego względu i ze względu na ochronę środowiska woda powinna być wykorzystywana do produkcji energii. W chwili obecnej tylko 6 % całkowitej energii elektrycznej jest produkowanej w elektrowniach wodnych. Duże nakłady energii gromadzą się w wodzie oceanicznej w czasie przypływów i odpływów. Duże wahania w poziomie wody na wybrzeżach oceanów są wykorzystywane jako kolejne źródło energii. Pierwsza elektrownia która wykorzystuje fale morskie do wytwarzanie energii elektrycznej powstała u wybrzeży Atlantyku we Francji w 1966 toku. Elektrownia ta działa bardzo efektywnie, wytwarza około 544 mln kilowatów dziennie. Problemem w tworzeniu nowych elektrowni wykorzystujących przypływy i odpływy oceaniczne jest określenie odpowiedniej jej lokalizacji. Miejsce budowy musi być określone w sposób dokładny aby elektrownia nie zagrażała środowisku naturalnemu. Ważne aby różnica w poziomie wód była odpowiednio wysoka bo w przeciwnym razie wytwarzane byłyby małe ilości energii i inwestycja tak byłaby nieopłacalna. Elektrownie podobnego typu znane były już w średniowieczu. Napędzały one wówczas ogromne młyny.

Wiatr.

Wiatr również jest cennym źródłem energii. Wykorzystywany był już od czasów starożytnych. Wiatr napędzał statki , którymi pływali Egipcjanie ponad 5000 lat temu. Dzięki wykorzystaniu siły wiatru jako silnika napędzającego żaglowce nowym rozwiązaniom konstrukcyjnym , w XIX wieku nastąpił rozkwit żeglarstwa na całym świecie. Wielomasztowe żaglowce mogą poruszać się po oceanach z szybkością ponad 40 km na godzinę. W czasach obecnych buduje się elektrownie wykorzystujące wiatr do generowania energii. Jest to energia elektryczna a nie mechaniczna jak to miało miejsce dawniej np. w napędzaniu kół młyńskich. Budowę tych elektrowni planuje się przede wszystkim w obszarach wybrzeży gdzie z reguły wieje stały wiatr. Najważniejszym elementem tych elektrowni są różnej wielkości wiatraki , które wpędzone w ruch przez wiatr produkują energię. Energia ta jest rozprowadzana bezpośrednio do sieci elektrycznej lub jest gromadzona w specjalnych akumulatorach. Produkcja energii elektrycznej poprzez wiatr nie jest stała ze względu na zmienna silę wiatru a czasem jego brak.

Pierwszymi generatorami energii wykorzystującymi siłę wiatru były wiatraki, które pojawiły się w Holandii w VIII wieku. Maksymalny rozkwit tych urządzeń nastąpił w XVI i XVII wieku lecz po wynalezieniu maszyny parowej wiatraki przestały być popularnym urządzeniem produkującym energię. W czasach obecnych ze względu na wyczerpywanie się zasobów kopalnych źródeł energetycznych i program ogromy środowiska wiatraki na nowo powracają do łask. Obecnie potentatem "wiatrakowym" jest Dania, która 10 % całej energii elektrycznej czerpie z działalności wiatraków. Na terenie tego kraju zainstalowanych jest około 4 tysiące tych urządzeń. Energia produkowana przez wiatraki jest tak wielka, że stanowi ona trzeci produkt eksportowy Danii. W USA zamontowanych jest około 2 tysiące elektrowni wiatrowych , co stanowi 1 % całej energii elektrycznej wytwarzanej w tym kraju. W związku z budową kolejnych elektrowni wykorzystujących wiatr przewiduje się , że do roku 2050 procent ten wzrośnie do dziesięciu . Przyjmuje się że zasoby energii skumulowane we wiatrach wiejących na całej kuli ziemskiej są prawie o 2 tysiące razy większe od całkowitej energii produkowane przez wszystkie elektrownie wykorzystujące zasoby kopalne jako źródło energii. W Polsce najbardziej "energetyczne" wiatry wieją w rejonach górskich tzn. w Tatrach i Karkonoszach oraz u wybrzeży Bałtyku. Im silniejszy wiatr (o większej szybkości ) tym więcej energii można z niego wydobyć. W Polsce centralnej wieją wiatry o prędkości od 10 do 60 kilometrów na godzinę. Wiatraki nie tylko generują energię elektryczna i napędzają młyny.

Są źródłem energii napędzającej pompy wodne. Pompy wodne znalazły zastosowanie w rolnictwie, służą do nawadniania pól w obszarach o suchym klimacie. Nawadnianie pól stosuje się na wielu terenach USA i Australii. Pompy wodne są wyjątkowo korzystnymi inwestycjami ze względu na niskie koszty budowy i eksploatacji. Pompy te miały swoje zastosowanie już w czasach średniowiecznych, te współcześnie działające mają szereg nowych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych. Pompy te cieszą się szczególna popularnością w rolnictwie ponieważ woda w nich wykorzystywana jest pobierana ze zbiorników wody użytkowej i oszczędza się w ten sposób źródła wody pitnej. Jest to szczególnie ważne , ze względu na kurczenie się zasobów wody pitnej na całym świecie. Oszczędność wody zdatnej do picia stała się przyczyną rozkwitu pomp wodnych w krajach rozwiniętych przemysłowo. Pompy wodne napędzane wiatrem znalazły tez zastosowanie w miejscach oczyszczania ścieków. Oczyszczalnie z reguły oddalone są od aglomeracji miejskich, skąd musiałaby być doprowadzana energia elektryczna zasilająca pompy wodne. Wiatraki zamontowane w okolicach oczyszczalni rozwiązują ten problem. Energia elektryczna nie musi być doprowadzana z odległych generatorów.

Wydaje się , że wykorzystanie wiatru jako źródła energii nie tylko chroni środowisko ale ma tez ważne znaczenie ekonomiczne.

Słońce.

Energia jaką emituje słońce jest również wykorzystywana w życiu człowieka. Energia ta wychwytywana jest przez tzw. ogniwa solarne. Ogniwa te zbudowane są z dwuwarstwowej płytki , która składa się z dwóch warstw ,bardzo cienkich. Warstwy te pokryte są kolejno : krzemem i stopem krzemu z bizmutem. Padające na tą płytkę promienie słoneczne przetwarzane są na energie elektryczną. Energia ta gromadzona jest w specjalnych generatorach lub rozsyłana jest do sieci elektrycznej. Postępy współczesnej nauki pozwalają na ciągłe udoskonalenia tych ogniw. Planuje się wykorzystywanie ogniw solarnych na terenach bardzo gorących i nasłonecznionych i z tego względu nie zamieszkałych przez ludzi.

Ogromne pokłady energii tam produkowane mogłyby być dostarczane do odbiorców w odległych od tych miejsc krajach.

Promieniowanie słoneczne jest także źródłem energii cieplnej. Ciepło to może służyć do ogrzewania wody użytkowej. Ciepło promieniowania słonecznego wyłapuje się w urządzeniach zwanych kolektorami. Kolektory posiadają absorbery o czarnej i mikroporowatej powierzchni. Mikroporowatość płytek zwiększą ich powierzchnię a dzięki temu promienie słoneczne mogą być wykorzystane w maksymalnym stopniu. Ciepło skumulowane w absorberach odprowadzane jest z niego miedzianą wężownicą, do miejsc gdzie jest ono wykorzystane. W Polsce słonce świeci około 1300-2000 godzin na rok. Energia roczna tego promieniowania wynosi 1100 kWh ( kilowatogodzin ) na metr kwadratowy. Zastosowanie kolektorów słonecznych o powierzchni 6 metrów kwadratowych daje rocznie około 2300 kWh energii. Straty energii wynikają z niecałkowitego wykorzystania promieniowania. Spowodowane jest to tym, że promienie słoneczne nie padają na ziemię pod kątem prostym. Do strat tych dochodzą występujące czasem niesprawności techniczne kolektora. Przy instalacji urządzeń produkujących energię z promieniowania słonecznego ważne jest obliczenie kosztów i zysków tej inwestycji. Koszty budowy instalacji powinny być kompensowane zyskami w postaci dużej ilości energii cieplnej. Zakłada się że zakładane instalacje słoneczne o średniej wielkości (około 50 metrów kwadratowych) powinny dawać energię , która stanowi 30% zapotrzebowania na ocieplenie budynku lub 65% ciepła ogrzewającego wodę użytkową.

Układ słoneczny o powierzchni 6 metrów kwadratowych zainstalowany w domu jednorodzinnym pozwala na zaoszczędzenie w ciągu roku około 300- 400 litrów oleju grzewczego. Koszty zainstalowanie kolektora solarnego są dość duże i wynoszą od 500 do 1100 zł za metr kwadratowy. Do kosztów dolicza się magazyn wody o pojemności 250 litrów, pompę obiegowa , rury, sterownik oraz koszty montażu. Koszty te powinny zwrócić się po kilku latach albo i szybciej , jeśli koszty energii cieplnej będą zrastały w takim szybkim tempie. W Europie zachodniej, m.in. w Niemczech powstał program zwany : "milion słonecznych dachów". Program ten ułatwiał prywatnym inwestorom instalację generatorów energii słonecznej. Dzięki temu programowi w Niemczech działa obecnie około 300 tysięcy takich instalacji słonecznych , co daje oszczędność oleju opałowego w ilościach rzędu kilku milionów litrów. Oprócz zaoszczędzenie oleju instalacje te są istotne ze względów ekologicznych. Baterie słoneczne nie emitują do środowiska szkodliwych substancji co ma miejsce w przypadku pozyskiwania energii cieplnej z zasobów kopalnych. W czasach obecnych ilość słonecznych generatorów energii wzrosła trzykrotnie , dzięki temu uzyskuje się trzykrotnie zwiększa oszczędność oleju opałowego i zmniejsza emisję szkodliwych substancji do środowiska (dwutlenek węgla).

Energia geotermiczna.

Energia ta związana jest z budową geologiczną ziemi, której najgłębsze warstwy wypełnia gorąca lawa. W związku z tym obserwuje się zjawisko podwyższania temperatury o 3 stopnie Celsjusza , co 100 metrów w głąb ziemi. W niektórych obszarach z powierzchni ziemi wytryskuje gorąca woda lub para wodna, źródła te nazywamy gejzerami. Te źródła geometryczne występują najczęściej w okolicy geologicznych uskoków. Najwięcej gejzerów występuje na terenie Islandii i USA (w Parku Yellowstone ). Te gorące źródła są źródłem energii wykorzystywanej do ogrzewania wielu mieszkań i domów w Islandii. Elektrownie geotermiczne wykorzystywane są na terenach Nowej Zelandii, Włoch i Japonii.

Zasada działania elektrowni geotermicznej jest bardzo prosta. Należy wykonać dwa odwierty w ziemi, miejsce gorącej warstwy skalnej. Do jednego odwiertu wprowadza się zimna wodę ( pod ciśnieniem) . Woda ta rozgrzewa się i w postaci pary wodnej wydostaje się na powierzchnię ziemi drogą drugiego odwiertu. Para wodna wprowadza w ruch turbiny, które wytwarzają energie elektryczną.

Biogaz.

Kolejnym surowcem do pozyskiwania energii jest roślinna materia organiczna. To źródło energii ma wyjątkowe znaczenie, ponieważ jest odnawialne ( ciągły wzrost nowych roślin) i nie grozi wyczerpaniem. Bioenergią są gazy ( przede wszystkim metan) wytwarzane ze szczątków roślin i odchodów zwierząt. Produkcja tych gazów zachodzi w warunkach beztlenowych , w których rozkładane są organiczne szczątki roślinne i zwierzęce. Biogazy maja duże zastosowaniowe w rolnictwie, ponieważ z odpadów takich jak kompost , słoma czy naturalny nawóz można wytwarzać duże ilości energetycznego gazu- metanu. Spalanie gazu daje dużo energii cieplnej , która może być wykorzystana w celach grzewczych oraz do napędzania niewielkich pojazdów czy maszyn rolniczych. Ten sposób wykorzystania energii jest całkowicie bezpieczny dla środowiska oraz charakteryzuje się niskimi kosztami.

Biogaz -metan wytwarzany jest również w naturalnych procesach gnicia, tzn. rozkładu beztlenowego odchodów zwierzęcych , kompostu czy innych związków organicznych.

Metan zalicza się do gazów szklarniowych, wywołujących pośrednio efekt cieplarniany. Do gazów tych zaliczamy również dwutlenek węgla. Zużywając martwą materię organiczną do wygenerowania energii można w pewien sposób ograniczyć emisję metanu do atmosfery i zmniejszyć zjawisko efektu szklarniowego.

Wysuszone odchody zwierzęce mogą służyć jako materiał opałowy a także źródło energii elektrycznej. Rośliny i zwierzęta zjadane przez człowieka stanowiące pewne źródło energii, mogą być wykorzystywane do produkcji biogazów. Z reguły wykorzystuje się do tego wodorosty, które powysuszaniu poddaje się procesowi fermentacji a metan uzyskany w czasie tego procesu jest gromadzony w agregatorach i może być wykorzystany w elektrowniach.