ENERGIA Gromadzenie, wytwarzanie, oszczędzanie energii. energii

Skala energii • • • • • •

Zapałka 1kJ J błk Jabłko 400kJ Laska dynamitu 2000kJ Bochenek chleba 5100kJ 100 godzin TV 28 000kJ Żywność dla jednej osoby na rok 90 000 000kJ • Lot Apollo 17 na Księżyc 5600 000 000kJ • Bomba w Hiroshimie 80000 000 000kJ

• Zużycie USA w 1993 84000 000 000 000 000kJ • Zużycie światowe w 1993 r 343000 000 000 000 000kJ

UWAGA: 1kWh=3600kJ

1

Prognoza na (bliską) przyszłość • Do 2050 roku będziemy potrzebować źródła energii o mocy minimum i i 10 T Terawatów tó dla dl 1010 ludzi l d i na śświecie. i i • Jest to niemożliwe dla technologii na dzisiejszym poziomie rozwoju.

Światowe potrzeby surowców energetycznych

2

Możliwości Woda • Suma: 4.6 TW • Technicznie możliwe: 1.6 TW • Ekonomicznie sensowne: 0.9 TW • Zainstalowane: 0.6 TW • Wyprodukowane: 00.33 TW

Energia geotermiczna • Lądy: 11.6 TW, oceany: 30 TW, ale za daleko; • Wymaga rozwoju technik wiercenia studni;

Energia geotermiczna

200° C na głębokości 10 km http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/heidtken.html

3

Energia geotermiczna: pompy cieplne • Wykorzystanie energii geotermicznej: t i j – Studnia wywiercona do głębokości, na której znajduje się gorąca woda/para; – Gorąca woda napędza turbinę – Woda po ochłodzeniu jest wstrzykiwana z powrotem do złoża. http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/heidtken.html

Energia geotermiczna: oszczędności

• Całkowicie niezależna od warunków zewnętrznych energia.

http://www.asbuiltclimatecare.com/geothermal/benefits.aspx

4

Energia geotermiczna • Polska ma największe w Europie zasoby energii geotermalnej, t l j któ które występują t j podd powierzchnią i h i 80 procentt obszaru kraju. Głównie ze względu na koszty budowy instalacji, niemal darmowa energia nie jest wykorzystywana.

Możliwości Wiatr • Możliwe do wykorzystania: • 2-3 TW (przy wykorzystaniu 4% powierzchni Ziemi).

Biomasa • Z 50% powierzchni ziemi uprawnej można uzyskać: • 7-10 TW

Słońce: potencjalnie 1.2x105 TW; praktycznie: 600 TW

5

Energia wiatrowa w Polsce • Instytut Morski w Gdańsku szacuje, że potencjał techniczny polskiego l ki obszaru b morskiego ki iW Wyłącznej ł j Strefy St f Ekonomicznej to 20 GW, – Po odjęciu stref zamkniętych (obszary chronione w ramach Natury 2000) - 7,5 GW. • Według analiz Instytutu Energetyki Odnawialnej potencjał OFFSHORE w 2020 r. jjestt szacowany na 1,5 1 5 GW GW. • Krajowy Plan Działania na rzecz Odnawialnych Źródeł Energii przedstawiony Komisji Europejskiej pod koniec 2010 r. szacuje ten potencjał na poziomie 500 MW w 2020r http://www.southbaltic-offshore.eu/pl/regions-poland.html

Energia z biomasy • Biomasa może być przetwarzana różnymi metodami i różne óż rodzaje d j paliwa li można ż w tten sposób ób otrzymać. t ć

http://www.sintef.no/home/SINTEF-Energy-Research/Project-work/Energy-from-biomass-and-waste/

6

Oszczędzanie energii. Prawdziwe i świadome oszczędzanie energii zaczęło się b d niedawno: bardzo i d mniej i j więcej i j odd 1970 roku, k kiedy ki d tto OPEC wprowadził po raz pierwszy ograniczenia eksportu ropy naftowej. Do tamtej pory praktycznie nikt nie zwracał uwagi na takie sprawy jak zużycie paliwa w samochodzie, czy efektywność świecenia żarówki.

Oszczędzanie energii - dom • • • • • • • • •

Urządzenie Pralka Komputer Zmywarka Zamrażarka Mikrofalówka Kuchenka Lodówka TV

moc [W] 500 200 1300 350 1000 5000 500 100

Roczne zużycie 600 1200 156 252 600 6000 900 240

koszt 6.12 24.60 16.08 25.92 6 12 6.12 612. 92.40 24.6

7

Materiały oszczędzające energię. • Przykłady: – Od chwili wynalezienia włókna szklanego jako materiału izolującego domy zaoszczędzono około 25 000 000 000 000 000 000 J energii (w USA). – Zapalniki gazu (ceramiczne, czyli piezoelektryczne). To prawie nie do wiary, ale oszacowano, że „świeczki” w rozmaitych urządzeniach gazowych zużywały około 30% gazu zużywanego w domu (dotyczy to czasów, gdy wszystkie urządzenia gazowe były tak włączane).

Materiały oszczędzające energię. • Przykłady: – Lampy sodowe. Taka lampa wytwarza 140 lumenów na wat, podczas gdy zwykła żarówka: 15 lm/W. Lampa taka składa się z rurki, w której znajdują się pary sodu i rtęci pod wysokim ciśnieniem. Gdy lampa jest włączona, w rurce powstaje łuk elektryczny, czemu towarzyszy wydzielanie ciepła (temperatura około 1200ºC) i świecenie.

8

Materiały oszczędzające energię. • Przykłady: – Ceramiki okazały się jedynym materiałem, który był w stanie wytrzymać takie warunki (wysoka temperatura, temperatura wysokie ciśnienie, korozyjne działanie par sodu). Dodatkowy problem: materiał powinien być przezroczysty. – W 1970 roku nauczono się wytwarzać polikrystaliczny Al2O3 o przezroczystości około 70% i ta właśnie ceramika jest używana w lampach sodowych. Obecnie produkuje się j jeszcze bbardziej d i j przezroczystą t ceramikę. ik – Materiał wyjściowy musi być bardzo drobnoziarnisty (mniej niż 1/3µm).W produkcie końcowym ziarno krystaliczne jest nie większe niż 0.5 µm i stąd wynika fakt, że taka ceramika prawie nie rozprasza światła.

Materiały oszczędzające energię. • Przykłady: – Przemysłowe wymienniki ciepła. Urządzenie pozwalające wykorzystać ciepło rozpraszane w jakimś wysokotemperaturowym procesie, żeby wstępnie ogrzać powietrze lub gaz używany w tym samym procesie. Np. rury z węglika krzemu zamontowane tak, że gorące gazy wydechowe przepływają na zewnątrz rur rur, a wewnątrz płynie powietrze i ogrzewa się przed wprowadzeniem do pieca.

9

Materiały oszczędzające energię (piezoelektryki). Kwiecień 2009: Drgania mostu wywołane ruchem pojazdów są pprzetwarzane pprzez ppiezoelektryczne y ((tytanian y baru)) ggeneratoryy na energię elektryczną wykorzystaną do jego oświetlenia (108 LED).

Most Goshiki Zakura Ohashi bridge na rzeceArakawa w Tokio.

Materiały oszczędzające energię

Prefektura w Kyoto zastosowała izolujący nano nano-film film na oknach swego budynku: Nano-film zatrzymuje 99% promieniowania ultrafioletowego i 92% podczerwonego. Film nie powoduje zakłóceń w działaniu telefonów komórkowych i TV. W pomieszczeniach zimą temperatura jest wyższa o dwa stopnie, a latem niższa o dwa stopnie

10

Recykling: oszczędzanie energii? •

Energia może być (jest) oszczędzana w dwojaki sposób: – W procesie wytwarzania; – W procesie magazynowania śmieci (mniejsza objętość, tańszy transport i mniejsza powierzchnia wysypisk).

Cykl życia aluminium • Cykl z użyciem rudy aluminium: Transport 7.47 Mbtu

Procesy 205.8 Mbtu

Wysypisko 0.53 Mbtu

Razem: 213.80 Million Btu • Cykl z użyciem surowców wtórnych: Transport 0.4 Mbtu

Procesy 14.85 Mbtu

Razem: 15.25 Million Btu

1 btu = 1 055.05585 joules

11

Recykling: oszczędzanie energii? • Energy Saved: 189 53 Mbtu 189.53 Mbt per ton • One recycled aluminum can saves enough energy to light a 100 watt bulb for 10 hours!

Recykling: oszczędzanie energii? • Energy gy Saved: 21.14 Mbtu per ton. • Recycling one 2-liter bottle saves enough energy to light a 100 watt bulb for 4 hours!

12

Recykling: oszczędzanie energii? • Energy gy saved: 13.00 Mbtu per ton • Recycling 5 sheets of paper saves enough energy to light a 100 watt bulb for 1 hour!

Recykling: oszczędzanie energii? • Energy saved: 2.13 Mbtu per ton • Recycling one glass bottle g saves enough energy to light a 100 watt bulb for 4 hours!

13

Magazynowanie energii. • Istotne sprawy: – Przetworzenie energii z jednej formy na inną; – Ilość energii, która może być zgromadzona w urządzeniu; – Szybkość, z jaką energia może być wprowadzana i odzyskiwana; – Zakres mocy i energii; – Połączenie urządzeń magazynujących energię z całą resztą systemu energetycznego.

Magazynowanie energii • W postaci energii mechanicznej (np. obracające się koło, sprężone ż powietrze, i t zbiorniki bi iki wodne); d ) • W postaci energii elektrycznej (baterie, superkondensatory); • W postaci energii magnetycznej (super-elektromagnesy);

14

Magazynowanie energii: koło zamachowe • Obracająca się bryła sztywna może zmagazynować energię i w postaci t i energiiii ki kinetycznej t j ruchu h obrotowego b t 2 Iω /2. • Zgromadzona energia zależy od momentu bezwładności koła oraz od jego prędkości kątowej. Energia jest przekazywana kołu, wtedy gdy maszyna pracuje jak silnik, natomiast jest mu oddawana, oddawana wtedy gdy silnik nie pracuje lub gdy brakuje normalnego zasilania.

Koło zamachowe • Koła zamachowe mogą być stalowe. Wówczas są to koła wolnoobrotowe l b t ≈ 7000 obr/min b / i o maksymalnej k l j mocy około k ł 1650 kW przez 15s • Mogą być kompozytowe (z ceramiczną fazą wzmacniającą). Są to koła szybkoobrotowe ≈ 40000 obr/min i maksymalnej mocy 750 kW przez minutę. • wydajność d j ść ≈ 90% • Czas życia ≈ 20 lat,

15

Sprężone powietrze • Inny sposób: sprężone powietrze (np. w podziemnym zbiorniku). bi ik ) • Potencjalnie można w ten sposób zmagazynować nieograniczoną ilość energii. W Niemczech, w podziemnej grocie po naturalnych złożach soli, o objętości 330 000 m3 j ż odd 25 lat już l t magazynuje j się i energię i w postaci t i sprężonego ż powietrza. Energii tak zmagazynowanej starcza na 300MW mocy przez 2 godziny.

Magazynowanie energii: woda • Magazynowanie energii w zbiornikach wodnych jest najstarszym j t sposobem b magazynowania i energiiii w ogóle. ól Są to dwa zbiorniki: jeden wyżej, drugi niżej. Do zbiornika wyższego pompuje się wodę poza godzinami szczytu, odzyskuje się tę energię wtedy, kiedy potrzeba.

16

Magazynowanie energii cieplnej pod ziemią. • Ta technologia wykorzystuje naturalne warstwy piasku, wapienia lub kredy jako ośrodek magazynujący przez jakiś czas ciepło (lub zimno). Odzyskanie energii następuje poprzez wypompowanie wód gruntowych (z tej warstwy właśnie). Po zużyciu energii wodę się z powrotem wpompowuje do złoża.

Magazynowanie energii: superkondensatory. • Energia zmagazynowana w kondensatorze wynosi CV2/2. P j Pojemność ść kkondensatora d t jest j t ttym większa i k iim większa i k jjestt powierzchnia okładek i przenikalność elektryczna dielektryka między okładkami. To właśnie ogranicza możliwości kondensatorów. • Ważną cechą jest również szybkość ładowania/rozładowania (na to ma decydujący wpływ szeregowa oporność kondensatora)

17

Magazynowanie energii: superkondensatory. • Super-kondensator jest zbudowany b d z ddwóch ó h elektrod l kt d z porowatego węgla zanurzonego w roztworze długo-łańcuchowego polimeru. Gdy do kondensatora podłączone jest napięcie, napięcie elektrony przemieszczają się do jednej elektrody, a dodatnio naładowane jony do drugiej.

Magazynowanie energii: superkondensatory. • Wskutek tego tworzą się dwie różnie óż i naładowane ł d warstwy t oddzielone od siebie separatorem o grubości kilku nm. • Energia może by oddana natychmiast wskutek odłączenia zewnętrznego napięcia.

18

Magazynowanie energii: superkondensatory Zalety

Wady

Duża moc w krótkim czasie Mała gęstość energii Duża wydajność (