Energia

Energia, klimat, nieodnawialne i odnawialne źródła energii

Współczesny świat potrzebuje ogromne ilości energii nie tylko żeby zapewnić oświetlenie, ogrzewanie i napęd dla transportu, lecz również zasilić maszyny przemysłowe, urządzenia elektroniczne, telekomunikacyjne i do rozwoju rolnictwa.

Wszyscy korzystamy z energii, energia jest wszechobecna. Przyzwyczailiśmy się do niej tak, że praktycznie nie zauważamy jej istnienia.

Bez energii ludzkość nie mogłaby żyć, ale energia może być także niebezpieczna dla człowieka i planety Ziemia.

Prywatne gospodarstwa domowe są po przemyśle największym konsumentem prądu.

Czym jest energia

Energia to zdolność do wykonywania pewnej pracy. Energia jest we wszystkim wokół nas.

W ciągu dnia słońce daje światło i energię cieplną. Jemy po to by mieć energię do zabawy i pracy. Inne rodzaje energii pomagają uprościć nasze codzienne czynności i uprościć nasze życie. Dzięki energii możemy jeździć samochodami, oświetlać domy, gotować.

Skąd bierze się energia

Prawie cała nasz energia pochodzi pierwotnie ze słońca. Słońce dostarcza 99% energi docierajacej na powierzchnię Ziemi i ogrzewa naszą planetę.

Reszta to ciepło z gorącego wnętrza Ziemi 0,02 %, czyli energia geotermiczna, oraz energia pływów wytwarzana przez przyciągania Księżyca i Słońca 0,01%.

Ilość energii dostarczanej rokrocznie Ziemi jest ogromna (wynosi około 174 petawatów), ale bardzo niewiele można z tego wykorzystać. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos. Niemal cała reszta ogrzewa powietrze i ulatnia się z powrotem do atmosfery 47%, albo zasila obieg wody 23%.

Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m². Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic.

Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m²*rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok).

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,06% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych.

Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni.

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Obieg węgla w przyrodzie

Na ziemi znajduje się ograniczona ilość węgla. Jego obieg to system dość skomplikowany, w którym pierwiastek ten przechodzi przez atmosferę, biosferę i oceany. Rośliny pobierają CO2 z atmosfery podczas procesu fotosyntezy, wykorzystują węgiel do budowania swoich tkanek i uwalniają go z powrotem do atmosfery, gdy umierają i ulegają rozkładowi. 

Ciała zwierząt drapieżnych i ludzi także zawiera ten pierwiastek, gdyż zbudowane są z węgla pobranego ze zjedzonych roślin i zwierząt roślinożernych. Węgiel uwolniony zostaje jako CO2, kiedy oddychamy oraz gdy umieramy, a nasze (oraz zwierząt) ciała rozkładają się.

Oceany również pochłaniają dwutlenek węgla, który po rozpuszczeniu w wodzie, wykorzystywany jest przez organizmy morskie w procesie fotosyntezy.

Atmosfera, oceany i rośliny wymieniają więc między sobą każdego roku w wyniku naturalnie zachodzących procesów wiele miliardów ton węgla.

Każda nasza czynność związana jest z wytwarzaniem pewnej ilości dwutlenku węgla.

Przyjmuje się że w ciągu około 10 tysięcy lat, poprzedzających rewolucję przemysłową, różnice tego gazu w atmosferze wynosiły poniżej 10%. Mniej więcej od 1880 roku ilość dwutlenku węgla wzrosła o prawie 30%.

W 2010 roku jego emisja była najwyższa w historii (najwyższe stężenie tego gazu w atmosferze w ciągu ostatnich 650 tysięcy lat) i osiągnęła poziom 30,6 gigaton (GT) głównie za sprawą spalania paliw kopalnych.

Stwierdzono to na podstawie analizy rdzeni lodowych pochodzących z głębokości 3 km z lodu Antarktydy, który tworzył się setki tysięcy lat temu. Zawiera on pęcherzyki powietrza, z których odczytać można zmiany składu powietrza atmosferycznego w różnych okresach dziejów Ziemi.

Dwutlenek węgla może pozostawać w atmosferze od 50 do 200 lat.

Cykl węglowy

Cząsteczki substancji biorących udział w fotosyntezie oznacza się następująco:

• węgiel C
• Tlen O2
• Dwutlenek węgla CO2=C+O2

1. Fotosynteza – rośliny absorbują (wchłaniają) CO2 z powietrza. Zatrzymują C żeby wytworzyć z niego liście i drewno, a O2 wydalają do powietrza. Wszystko to dzięki energii światła słonecznego.
2. Oddychanie – ludzie i zwierzęta wchłaniają O2 a wydalają CO2 do powietrza
3. Fotoplankton – są to maleńkie roślinki żyjące w wodzie. One także dokonują fotosyntezy i produkują tlen

Epoka węgla, ropy i gazu

Głównym źródłem energii w skali świata i w naszym kraju jest spalanie paliw kopalnych zaliczanych do tzw nieodnawialnych zasobów przyrody. Od czasu do czasu pojawiają się prognozy wieszczące ich wyczerpanie i globalny kryzys energetyczny, ale kolejne odkrycia geologiczne i coraz bardziej efektywne metody wydobycia wciąż oddalają tę groźbę.

O wiele większym zagrożeniem dotykającym nas już dziś są związane z tym procesem zanieczyszczenie środowiska i zmiany klimatu Ziemi.

Kryzys energetyczny

Świat używa stro razy więcej energii niż używał w roku 1860, a zużycie nadal rośnie. USA,  Europa, Chiny zużywają o wiele więcej energii niż inne regiony

Źródła energii

Paliwa kopalne – nieodnawialne źródła energii

Paliwa kopalne takie jak węgiel, ropa i gaz ziemny, powstały z ogromnej ilości roślin zmagazynowanych miliony lat temu, dlatego nazywamy je nieodnawialnymi.

Sądzi się że światowe zasoby ropy naftowej wyczerpią się za 30 lat, a węgla starczy na 170 lat, jeżeli będziemy ich używać w takim tempie jak obecnie.

Spalanie ogromnych ilości paliw kopalnych zatruwa środowisko, powoduje skażenie atmosfery i przyczynia się do globalnego ocieplenia. 

Węgiel

W XiX wieku węgiel był najważniejszym paliwem do zasilania maszyn parowych rewolucji przemysłowej i do ogrzewania domów.

Dziś nadal używa się go w wielkich ilościach do spalania w elektrowniach dla wytwarzania elektryczności, ogrzewania i wyrobu stali.

Węgiel składa się z roślin, które rosły na ogromnych, ciepłych bagnach w karbonie 300 milionów lat temu. Gdy rośliny wyginęły zapadły się w bagno, gdzie pokrył je muł. Ciężar tych warstw sprasował je, nadając im spoistość, a połączony wpływ ciepła i ciśnienia uczynił z nich węgiel. 

Lignit albo węgiel brunatny znajduje się tuż pod powierzchnią i wydobywany jest w kopalniach zwanych odkrywkowymi. Ponieważ powstał względnie niedawno zawiera mniej węgla, a więcej wody i daje mniej ciepła.

Węgiel bitumiczny i antracyt są czarne i znajdują się w pokładach głęboko pod ziemią. Żeby się do nich dostać kopalnie wiercą głębokie szyby oraz tunele podziemne prowadzące od szybów do pokładów. 

Ropa naftowa

Ropa naftowa występuje wszędzie na świecie, od Bliskiego Wschodu po Alaskę. 

Ropa pochodzi z maleńkich roślin i żyjątek, które żyły w ciepłych morzach. Po śmierci osunęły się w błoto na dnie morza. Ciepło z głębokich podziemnych rejonów i rosnących ciężar błota przemieniły je w ropę.

Skał roponośna jest porowata – ma dziurki jak gąbka. Ciśnienie działa na ropę, dopóki nie napotka solidnej nieporowatej skały. Wówczas ropa gromadzi się w podziemnych zbiornikach.

Ropa wytryskuje z ziemi zwykle jako gęsty, czarny, surowy olej. Trzeba ją poddać rafinacji (obróbce) poprzez destylację, żeby oddzielić paliwa takie jak benzyna i ropa.

Odnawialne źródła energii

Ponieważ paliwa kopalne są nieodnawialne, powodują zmiany klimatu i skażenie środowiska, wielu ludzi pragnie wytworzyć czystsze, odnawialne źródła energii.

Energia słoneczna

Kolektory słoneczne – wykorzystują promieniowanie słoneczne aby ogrzać wodę.

Ogniwa fotowoltaiczne – produkują energię elektryczną ze światła słonecznego.

Energia wiatrowa

Energia płynącej wody – Hydroenergia

Siłę wody wykorzystywano w młynach wodnych od tysięcy lat. Obecnie wody używa się głównie do wytwarzania energii elektrycznej. Złą stroną jest konieczność budowania ogromnych tam.

Wielkie hydroelektrownie zatapiają ziemię uprawną, niszczą środowisko naturalne, zmieniają bieg rzek.

Energia przypływów i odpływów morza

Siłę pływu – wykorzystywania codziennych przypływów i odpływów morza – można wykorzystać budując specjalne elektrownie, tyle że może naruszyć to równowagę kruchego, morskiego ekosystemu.