Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #8 - fakty, mity, ciekawostki (cz. 1)

Oprócz stosowania tzw. „skrótów myślowych”, czyli używania wyrażeń zawierających błędne sformułowania, istnieją także wyobrażenia starające się opisać przebieg procesów zachodzących we wszelkich zagadnieniach związanych z pojęciem energii. To właśnie te wyobrażenia powodują używanie różnych „skrótów myślowych”. Dlatego w tym tekście chciałbym wyjaśnić szereg zagadnień i odpowiedzieć na wiele interesujących pytań. Pozwoli to obalić wiele mitów, przedstawić fakty i jednocześnie dostarczy garść ciekawych informacji.

Źródła energii, spalanie, a produkty uboczne:

Można się zastanowić jakie są relacje pomiędzy źródłem energii, procesem powalającym na jej użyteczne wykorzystanie oraz niechcianymi produktami ubocznymi. Jak to wygląda z punktu widzenia pojedynczego odbiorcy?

Najłatwiej jest z prądem (oczywiście nie wszędzie). Mieszkaniec dużego miasta ma najlepiej. Bierze jakieś urządzenie elektryczne, wkłada „wtyczkę” do „gniazdka”, włącza urządzenie i może go używać. Nie martwi się o proces w wyniku którego może z tego prądu korzystać. Nie musi przecież wiedzieć, gdzie są elektrownie. Tak samo jest z produktami ubocznymi procesu. Wszystko zostaje w elektrowni lub jest przez nią emitowane do otoczenia. Oczywiście są alternatywy w postaci generatora, który wymaga paliwa, akumulatorów, baterii itp. Wymagają one jednak okresowego tankowania, ładowania lub wymiany.

W przypadku benzyny mamy inną sytuację. Musimy ją fizycznie wlać do baku. Nie musimy jednak usuwać produktów ubocznych spalania. Pojazdy, w których stosujemy ten rodzaj paliwa same je usuwają. Oczywiście miejsce, do którego je usuwają nie jest doskonałym „odbiorcą” tych odpadów.

W przypadku drewna, czy węgla wydaje się, że mamy największy kłopot. Musimy zakupić te paliwa i często poddać je odpowiedniej obróbce umożliwiającej zastosowanie (tak, żeby się zmieściło w kominku). Następnie musimy je odpowiednio zmagazynować, a potem dostarczać w odpowiednich porcjach do komory spalania. Na dodatek, pomimo posiadania komina usuwającego spaliny i tak zostaje nam jeszcze popiół, który trzeba usuwać i gdzieś składować lub zagospodarować w inny sposób.

Wybór odpowiedniego „nośnika energii” zależy od wielu czynników - umiejscowienia, dostępności odpowiednich materiałów i względów ekonomicznych. Nie ma idealnych rozwiązań. Ostatnio wiele tych problemów rozwiązuje fotowoltaika. Szczególnie tam, gdzie nie ma dostępu do sieci energetycznej.

Nośniki energii:

Nośniki energii możemy oczywiście podzielić na pierwotne i wtórne. Do pierwotnych zaliczamy paliwa naturalne stałe, ciekle i gazowe (węgiel kamienny, torf, drewno, ropa naftowa, gaz ziemny, łupki itp.) oraz naturalne związki uranu i toru. Wtórnymi nośnikami energii są paliwa ciekłe i gazowe oraz paliwa jądrowe, uzyskane w procesie przetwarzania pierwotnych nośników energii (koksownie, rafinerie, zakłady wzbogacania uranu itp.), a także para, gorąca woda, geotermia, energia elektryczna.

Oczywiście jeśli założylibyśmy zachodzenie skomplikowanych procesów (np. anihilacja materii i antymaterii), wtedy nośnikiem byłaby każda masa.

Zatem, żeby móc dokonywać przemian energetycznych musimy mieć najpierw odpowiednie nośniki energii. Trzeba je albo wydobyć i dostarczyć do odpowiednich urządzeń, albo wydobyć, przetworzyć do postaci użytecznej i wykorzystać w odpowiednich urządzeniach.

Konwersja i transformacja energii:

Trzymając w dłoni bryłkę węgla, aż trudno uwierzyć, że może ona mieć jakiś związek z prądem w „gniazdku”. Trudność ta polega na tym, że od węgla w kopalni do prądu w naszym domu jest bardzo daleka droga. Zawiera ona wiele różnych procesów, które muszą przebiegać w ściśle określonej kolejności. Procesy te związane są z konwersją i transformacją energii. Oczywiście działanie elektrowni omówimy sobie w przyszłości.

Wykorzystanie energii związane jest z jej przetwarzaniem, ze zmianą jej postaci, czyli z tzw. przemianami energetycznymi. Jest to związane z tym, że chcielibyśmy mieć tzw. użyteczne formy energii. Uzyskać je można w różny sposób z nośników energii pierwotnej. Przetwarzamy je na energię finalną (wtórną). Oczywiście często (np. w elektrowniach), stosujemy wiele procesów i wykorzystujemy szereg przemian energetycznych. Dlatego możemy mówić o energii pierwotnej i finalnej w pojedynczym procesie oraz dla wielu różnych procesów. Jeśli energia pierwotna różni się od energii finalnej tylko parametrami tego samego nośnika to mamy do czynienia z transformacją energii. Natomiast, jeśli różni się rodzajem nośnika to wtedy jest to konwersja energii. Przykładem transformacji, czyli przemiany energetycznej zachodzącej bez zmiany rodzaju nośnika jest przemiana w wymienniku ciepła. Ciepło doprowadzane w wodzie o wyższej temperaturze oddawane jest wodzie o niższej temperaturze Zatem parametrem zmiennym nośnika energii jest w tym przypadku temperatura wody. Podobnie dzieje się podczas przemiany energii elektrycznej w transformatorze.

Najczęściej jednak przemiany energetyczne związane są z konwersją energii, czyli zmianą rodzaju nośnika. Mogą występować wielokrotnie nawet w jednym urządzeniu. Na przykład w kotle parowym mamy przemianę energii chemicznej zawartej w paliwie, w energię cieplną spalin, a następnie w energię cieplną pary wodnej.

Należy zapamiętać, że zgodnie z podstawowym prawem natury - prawem zachowania energii, energia nie może powstać, ani zniknąć. Może natomiast ulegać wielokrotnym przemianom i przechodzić do coraz to innej postaci w wyniku powtarzających się zjawisk konwersji i transformacji.

Zatem w elektrowni cieplnej nie zachodzi wytwarzanie lecz przetwarzanie energii, w łańcuchu powiązanych ze sobą szeregowo przemian energetycznych.

O zasadach termodynamiki będę pisał dokładnie w późniejszych tekstach. Na razie tylko wspomnę, że równoważność różnych postaci energii wynikająca z pierwszej zasady termodynamiki nie oznacza dla nas tego samego stopnia jej użyteczności (równo cenności). Druga zasada termodynamiki nakłada pewne ograniczenia na przemianę energii cieplnej w energię mechaniczną, a tym w inne postacie energii. O ile inne formy energii mogą być całkowicie przekształcone w energię cieplną, to energia cieplna może tylko częściowo być przetworzona w energię mechaniczną. Pozostaje nam tzw. ciepło odpadowe i pojawia się pojęcie sprawności, ale o tym opowiemy sobie przy innej okazji.

 

Magazyny energii:

Magazyn zazwyczaj kojarzy nam się z jakimś pomieszczeniem, w którym przechowujemy jakieś rzeczy do czasu kiedy będziemy chcieli ich użyć. Jak jest w przypadku energii? Tutaj sprawa jest nieco bardziej skomplikowana. Na początek powinniśmy rozróżnić magazynowanie energii od magazynowania źródeł energii. Hałdy węgla, stosy drewna, czy zbiorniki pełne gazu to magazyny źródeł energii. Można by nawet rzec, że każda masa to magazyn energii. Sedno tkwi w tym, przy wykorzystaniu jakiego procesu, uwolnimy energię zawartą w danym źródle.

W przypadku magazynów energii chodzi o coś zupełnie innego. Można powiedzieć, że elektrownie na węgiel, gaz, czy uran dostarczają nam energię zawsze wtedy, kiedy tego chcemy. To my sterujemy zachodzącymi tam procesami. Wykorzystujemy do tego odpowiednie źródła, które poddajemy odpowiednim procesom. Dzięki temu takie elektrownie są niezależne od pór roku, dnia i nocy oraz warunków pogodowych. Możemy mieć z nich prąd o stałych parametrach praktycznie kiedy chcemy. W przypadku wykorzystywania wiatru, czy energii słonecznej jest zupełnie inaczej. Raz wieje mocniej, a raz słabiej. W słoneczny dzień fotowoltaika jest wspaniała, ale w nocy już nie. Jeśli akurat mamy silny wiatr i słoneczny, bezchmurny dzień właśnie wtedy, kiedy potrzebujemy najwięcej energii - jest wspaniale. Gorzej kiedy zapotrzebowanie na energię nie jest zgrane z warunkami umożliwiającymi jej dostarczanie, a tak niestety się zdarza. Pojawia się więc potrzeba, aby móc w jakiś sposób magazynować energię, którą pozyskujemy, kiedy warunki na jej pozyskanie są sprzyjające, a zapotrzebowanie małe. Moglibyśmy ją wykorzystać kiedy jej potrzebujemy, ale nie ma takich warunków, aby pozyskać wystarczającą jej ilość. Niestety, ale takie magazynowanie stanowi problem i zarazem ogromne wyzywanie dla nauki. Szczęśliwie - z roku na rok widzimy coraz większe postępy w tej dziedzinie.

Za tydzień kolejna porcja ciekawostek.