Alternatywne
Źródła
Energii
Elektrownie wiatrowe
Elektrownia wiatrowa to przedsiębiorstwo produkujące energię elektryczną, wykorzystujące do tego turbiny wiatrowe.
Turbiny wiatrowe
Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Światowym potentatem w produkcji energii wiatrowej są Niemcy (ok. 40% produkcji w skali całego globu).Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet 1GW (gigawata), tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni takiego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny mogą być dobrym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną. W Polsce tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 4m/sek, co uznawane jest za minimum, aby mogły pracować urządzenia prądotwórcze wiatraków energetycznych. Średnia prędkość wiatrów wynosi 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w zimie. Konsekwencją niskiej wietrzności jest to, że elektrownia wiatrowa wybudowana w Danii dostarczy 100 kW (kilowatów), podczas gdy taka sama elektrownia wybudowana w rejonie Szczecina dostarczy tylko 17,3 kW. Na terenie Polski przeważają strefy ciszy wiatrowej, czego doświadczyli ponoszący straty posiadacze kilku elektrowni wiatrowych. Tylko nad Bałtykiem oraz w okolicach Suwalszczyzny można mówić o jakimkolwiek rozwoju wiatraków (polskim "zagłębiem wiatrowym" jest przybrzeżny pas w okolicach Darłowa). Specjaliści z Politechniki Szczecińskiej twierdzą wręcz, że rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski jest i będzie w przyszłości pomijalnie mała, co jednakże nie przeszkadza Niemcom budować licznych farm wiatrowych (na każdej liczba turbin idzie w dziesiątki) w odległości <50 km od przejścia granicznego w Kołbaskowie. Jednakże i oni mieli już okazję zetknąć się z tym problemem - w 2003 roku upalne lato nad większością obszaru Europy spowodowało ciszę wiatrową o rozmiarach klęski: stanęły wiatraki, i gdyby nie konwencjonalne źródła energii, na wielu terenach zabrakłoby prądu. W ogóle problem ciszy wiatrowej wydaje się być niedocenianą do tej pory przeszkodą w planach wykorzystania energii wiatru - w Niemczech istnieje ok. 16 tysięcy turbin wiatrowych, mogących produkować do 15% zapotrzebowania na energię elektryczną, jednak problemy ze zjawiskiem ciszy wiatrowej powodują, że produkują tej energii zaledwie 3%.
Elektrownie wodne
Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną. Elektrownie wodne dzieli się na: "duże" i "małe", przyjmując, że małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) to te o mocy poniżej 5 MW. Podział ten jest dość umowny (w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, a w USA 15 MW), ale dość ważny, gdyż MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii, natomiast duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi.
Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza, przy czym same elektrownie na rzekach pomorskich zapewniały przed II wojną światową energię elektryczną portowi morskiemu w Gdyni, Kartuzom oraz Gdańskowi i jego okolicom, co daje wyobrażenie jak duży potencjał mają elektrownie wodne. Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym (dla porównania Norwegowie, rekordziści w tej dziedzinie, uzyskują z energii spadku wody 98% energii elektrycznej).
Elektrownie wodne można podzielić na elektrownie przepływowe produkujące energię elektryczną oraz elektrownie szczytowo-pompowe które służą głownie do magazynowania energii elektrycznej wyprodukowanej w inny sposób.
Elektrownie atomowe
Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, które ciepło wytworzone podczas spalania paliw kopalnych zamieniają na energię prądu; mogą być wiatrowe, słoneczne, geotermalne itd. W latach czterdziestych w związku z powstaniem pierwszych reaktorów powstał nowy typ elektrowni - elektrownie jądrowe. W elektrowni jądrowej enegię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej.
Reaktor wodny wrzący
W reaktorze wodnym wrzącym zamieniamy wodę w parę za pomocą energii jądrowej. Następuje to w zbiorniku ciśnieniowym reaktora. Para pod ciśnieniem około 7MPa napędza turbinę, która dostarcza generatorowi energii potrzebną do wytworzenia prądu. We wspomnianym zbiorniku ciśnieniowym reaktora, który w omawianym przykładzie posiada ścianki o grubości 16 cm, znajduje się rdzeń reaktora, przez który przepływa woda doprowadzana do wrzenia. Rdzeń reaktora składa się z około 800 elementów paliwowych. Każdy element paliwowy znajduje się w blaszanym pojemniku, do którego woda dostaje sie przez otwór w spodzie. Woda wypełnia pojemnik i styka się z 64 prętami paliwowymi, czyli prętami wykonanymi np. z rozszczepialnego uranu. Pręty składają się zazwyczaj ze wzbogaconego uranu w postaci dwutlenku uranu (UO2). Podczas rozszczepiania jąder uranu wydziela się duża ilość energii, którą w formie ciepła odbiera woda chłodząca (chłodziwo). Woda służy też jednocześnie jako moderator (hamuje więc do tego stopnia prędkie neutrony, powstałe podczas każdego rozszczepienia jądra, że same mogą powodować dalsze rozszczepienia). Gdyby wszystkie powstałe w tej reakcji neutrony przyczyniały się do dalszego rozszczepiania, reaktor wyszedłby spod kontroli i wytwarzałby za dużo energii - stałby się wybuchającą bombą atomową. Aby temu zapobiec, każdy reaktor zawiera takie materiały, jak bor lub kadm, które absorbują (pochłaniają) neutrony, w takim stopniu, aby reakcja nie wymknęła się spod kontroli, ale też by nie "zgasła". Neutrony pochłaniane są przez wspomniane materiały, które tworzą pręty sterujące, które są wsuwane do reaktora mniej lub bardzej głęboko - w zależności od potrzeb. Bardziej wysunięte to mniejsze pochłanianie i większa ilość rozszczepień. Mniej wysunięte to spowolniona reakcja. Wsuwaniem i wysuwaniem prętów łatwo można kontrolować reakcję, a w razie potrzeby zadusić. Pręty, ze względu na znaczną szybkość reakcji jądrowych i konieczność jeszcze szybszego reagowania, posiadają sterowanie automatyczne. Podczas pierwszego uruchomienia reaktora trzeba dostarczyć neutronów z zewnętrznego źródła. Po chwilowym zatrzymaniu reakcji nie jest to konieczne. Elementy paliwowe dostarczają wtedy dostatecznej ilości neutronów, aby uruchomić reakcję jądrową przez wysunięcie prętów sterujących.
Reaktor wodny ciśnieniowy. W reaktorze wodnym ciśnieniowym woda stykająca się z rdzeniem reaktora nie gotuje się. Uniemożliwia jej to ogromne ciśnienie - rzędu 15 MPa. Woda ta krąży w obiegu pierwotnym i w odpowiedniej wytwornicy pary ogrzewa wodę obiegu wtórnego, a zatem nie styka się z nią bezpośrednio. Woda obiegu pierwotnego schładza się przy tym z 330C do 290C. Podczas gdy woda obiegu wtórnego wrze i wytworzoną parą napędza turbinę i generator, to woda obiegu pierwotnego, ciągle w stanie ciekłym, jest pompowana do rdzenia, gdzie ponownie ogrzewa się do 330C. Odpowiedni regulator ciśnienia zapewni stałe ciśnienie tej wody. Typowy reaktor wodny ciśnieniowy o mocy 1300 MW ma rdzeń zawierający około 200 elementów paliwowych po 300 prętów paliwowych każdy. Sterowanie reaktorem odbywa się z jednej strony przez zmianę stężenia roztworu boru (pochłaniającego neutrony) w wodzie obiegu pierwotnego, z drugiej strony zaś przez pręty regulacyjne, zawierające kadm, które, jak już poprzednio jest wspomniane, można wsuwać i wysuwać. Woda także jest tu spowalniaczem. Gdy reaktor nadmiermie się nagrzewa, to gęstość wody maleje. Tym samym prędkie neutrony są słabiej wyhamowywane, liczba rozszczepień dostarczających energii maleje i cały układ się ochładza. Reaktor taki, podobnie jak i wrzący, nosi nazwę lekkiego ponieważ stosuje się w nim "zwykłą" wodę, a nie "ciężką".
Reaktor powielający
Jądra U-238 mogą wchłaniać neutrony, przemieniając się przy tym w jądra plutonu, które można łatwo rozszczepić i wykorzystać do produkcji energii. Reaktor powielając wykorzystuje tą własność. Jako materiał rozszczepialny jest w nim stosowany Pu-239, który podczas rozpadu produkuje 2 lub 3 neutrony. Jeden z nich jest potrzebny do podtrzymania reakcji łańcuchowej, podczas gdy pozostałe są przekazywane do jąder U-238, które przemieniają się w Pu-239. Tak powstaje nowe paliwo. Reaktor wytwarza w ten sposób nowe paliwo. W optymalnym przypadku może wytworzyć nawet więcej paliwa niż sam zużył. Ten proces zachodzi także w innych typach reaktorów, ale w marginalnych ilościach. Zasoby U-238 są znaczne, więc powszechnie uważa się, że w przyszłości takie reaktory odegrają duża role w wytwarzaniu energii. Technika ta, dzięki wykorzystywaniu nie rozszczepialnego U-238, jest sześćdziesięciokrotnie bardziej wydajna od tradycyjnej uranowej. Przemiana U-238 w Pu przebiega lepiej z neutronami prędkimi niż wolnymi. W reaktorze prędkim powielającym wykorzystuje się właśnie te prędkie neutrony do procesu powielania. Przy małej zawartości plutonu proces przebiegałby ze zbyt małą wydajnością, stąd w owych reakcjach elementy paliwowe zajmują 20-30% plutonu i 70-80 % U-238. Jest prawie 10-krotnie więcej materiału rozszczepialnego niż we wcześniejszych typach reaktorów, więc istnieje wiele niebezpieczeństw i trudności technicznych związanych z budową i eksploatacją takich siłowni. Reaktor składa się z elementów paliwowych, w których wytwarzana jest energia oraz z elementów powielających, gdzie powstaje nowe paliwo. Z powodu obecności dużej ilości materiału rozszczepialnego wytwarzanie ciepła w elementach paliwowych jest bardziej intensywne. Dlatego ochładza się taki reaktor ciekłym sodem, który dobrze przewodzi ciepło, ale w przeciwieństwie do wody słabo hamuje neutrony. Są więc one ciągle prędkie. Obieg pierwotny ciekłego sodu ogrzewa ciekły sód w obiegu wtórnym. Ten doprowadza do wrzenia, a wytworzona para napędza urządzenia produkujące prąd.
Reaktor wysokotemperaturowy
Reaktor taki zużywa jako surowiec energetyczny obok uranu także tor-232, który w trakcie pracy reaktora pochłania neutrony i przemienia się z rozszczepialny U-233. Stosowane paliwo ma postać drobnych granulek, które następnie zasklepia się w kulach grafitowych wielkości piłki tenisowej. Grafit służy jako moderator hamujący neutrony. Wytworzone w reaktorze ciepło podgrzewa gaz - na przykład obojętny chemicznie hel - do około 900C. Gaz ten z kolei odparowuje wodę, która napędza turbinę. Reaktor taki posiada wysoką sprawność.
Elektrownie świetlne
(Kolektory słoneczne)
Strumień energii wysyłany przez Słońce ulega po drodze rozproszeniu, odbiciu lub absorpcji. W naszej strefie klimatycznej do Ziemi dociera ok. 1,0 kW/mkw. Z energii słonecznej można korzystać, przetwarzając ją na energię cieplną (kolektory słoneczne), energię elektryczną (ogniwa fotowoltaiczne) i energię związaną z procesami chemicznymi (fotosynteza).
Roczne wielkości napromieniowania słonecznego dla Polski wynoszą ok. 900 - 1150 kW/mkw. W ciągu 365 dni możemy liczyć na nasłonecznienie przez ok. 57 - 79 dni. Od maja do września promieniowanie jest na tyle duże, że może pokryć zapotrzebowanie np. na ogrzewanie wody zużywanej w domu. Wiosną i zimą, mimo mniejszego nasłonecznienia, energia słoneczna może wspomagać systemy ogrzewania wody użytkowej lub działanie pomp ciepła.
Kolektory słoneczne to urządzenia, które wychwytują energię słoneczną i zamieniają ją na cieplną. Kolektory są montowane w miejscach gwarantujących docieranie maksymalnej ilości promieniowania, czyli na dachu. Proces przekształcania promieniowania w ciepło jest dosyć skomplikowany i zależy od wielu czynników. Wybierając system, warto zwrócić uwagę na współczynnik absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego alfa, który powinien być jak największy. Ważny jest także współczynnik emisji fal długich E, który powinien być jak najmniejszy.
Sprawność kolektorów może osiągać nawet n=85 proc. Zależy ona od rodzaju i budowy kolektora, różnicy temperatur między kolektorem a otoczeniem, intensywności docierającego promieniowania oraz systemu regulacji, magazynowania i izolacji rur. Ogólna średnioroczna sprawność kolektorów wynosi ok. 50 proc., co znaczy, że z 1 mkw. można uzyskać ok. 500 kW/mkw.
Najtańszy system kosztuje kilka tysięcy zł. Miesięczne koszty utrzymania go to koszty energii elektrycznej - kilkanaście zł. Amortyzacja systemu powinna nastąpić po kilku latach - zależy to od zastosowanych rozwiązań. Kolektory są bardzo popularne w Niemczech i Francji, o podobnym nasłonecznieniu co Polska.
Elektrownia pływowa
Jak wykorzystujemy energię morza?
Do produkcji prądu elektrycznego można wykorzystać energię morskich przypływów. Gdy fala podnosi się i opada, woda wpływa i wypływa z ujścia rzek. Ta woda może być wykorzystana do napędzania generatorów prądu w zaporach budowanych w poprzek rzek. Tego typu elektrownia istnieje we Francji u ujścia rzeki Rance.
Podobnie jak hydroelektrownie, elektrownie pływowe nie zużywają żadnego paliwa. Dlatego są bardzo tanie w eksploatacji, chociaż ich budowa jest kosztowna. Tego typu elektrownie nie wytwarzają prądu w czasie odpływu, więc gdy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze, elektrownia przepompowuje wodę z morza do ujścia rzeki, aby wykorzystać ją później, gdy zapotrzebowanie prądu wzrośnie.
Elektrownie pływowe buduje się w miejscach, w których poziom morza zmienia się znacznie w wyniku przypływu i odpływu. Dzieje się tak w wąskich ujściach rzek, cieśninach i zatokach. Niewiele takich miejsc nadaje się pod budowę elektrowni pływowej. Pierwszą zbudowano we Francji.
Prace wykonał Kuba Zieliński
Korzystałem z :
Inter-aktywnej encyklopedii „ Wikipedia ”
Wyszukiwarki „Gogle”