Naturalne źródła energii

Elektryczność z pływów morza


Energię pływów morza (przypływ i odpływ) wykorzystywano od setek lat. W XVIII w. wybrzeże Europy usiane było młynami pływowymi, w których wody przypływu wpuszczano przez otwarte śluzy do zbiornika retencyjnego. W szczytowym momencie przypływu śluzy zamykano, podczas odpływu woda mogła się więc przedostać tylko przez koło wodne. Dzięki temu napędzała je i wprawiała w ruch obrotowy.
Tę samą zasadę zastosowano w latach 60. przy budowie elektrowni we Francji. W poprzek ujścia rzeki Rance koło Saint-Malo w Bretanii wzniesiono tamę wyposażoną w 24 maszyny, które mogą działać jako turbiny w obu kierunkach.
Wody przypływu spiętrzane są na zaporze do momentu, gdy różnica ich poziomu między dwiema stronami tamy wynosi 1,5 m. Potem woda przepływa przez turbiny, wprawia je w ruch i wytwarza energię elektryczną. Gdy następuje odpływ, łopatki turbiny odwraca się i woda znów wytwarza energię.
Przy maksymalnym przypływie śluzy zamyka się i do ujścia rzeki pompuje dodatkowo wodę morską. Poziom wody w rzece przekracza poziom przypływu, gdy zatem następuje odpływ, różnica poziomów zwiększa się. Po spłynięciu wody do morza i wprawieniu turbin w ruch, z estuarium wypompowuje się wodę, sztucznie obniżając poziom wody w rzece.
Oczywiście przy pompowaniu także zużywa się energię elektryczną, lecz zwiększenie spadku wody pozwala wytworzyć energię w ilościach znacznie przewyższających jej zużycie przez pompy.
Elektrownia w La Rance wytwarza w szczycie 240 MW energii elektrycznej, co pokrywa potrzeby średniej wielkości miasta, takiego jak Rennes lub Caen. Mimo to nie znalazła ona zbyt licznych naśladowców.
Wysokie koszty budowy tam i trudności z wyszukaniem odpowiedniej lokalizacji zniechęciły prawie wszystkich, oprócz Rosjan i Kanadyjczyków.
W zatoce Bay of Fundy w Nowej Szkocji występuje największa na świecie różnica poziomów wody podczas przypływu i odpływu – 18 m.
W 1984 r. w Annapolis Royal otwarto pilotażową hydroelektrownię u wejścia do zatoki. Gdyby udało się okiełznać siłę pływów na całej szerokości zatoki, ilość wytworzonej energii elektrycznej przekroczyłaby dziesięciokrotnie lokalne zapotrzebowanie. Nadwyżki energii mogły by zostać wykorzystane w Nowej Anglii i Nowym Jorku. Specjaliści uważają, że dalsze prace nad tym projektem są tylko kwestią czasu.

Energia wiatru


Wykorzystywanie siły wiatru do wytwarzania energii elektrycznej kryje w sobie ogromny potencjał. Z badań wykonanych dla Wspólnoty Europejskiej wynika, że w różnych miejscach w Europie można by postawić ok. 400 000 silników wiatrowych, co wystarczyłoby do wytworzenia energii w ilości trzykrotnie przewyższającej bieżące potrzeby Europy.
Współczesne silniki wiatrowe nie są podobne do starych wiatraków. Przypominają raczej gigantyczne śmigła z dwoma-trzema łopatami zwanymi wirnikami, umocowanymi na szczycie wysokich wież stalowych lub betonowych.
Ilość energii elektrycznej produkowanej przez silnik wiatrowy zależy od wielkości łopat i wysokości wieży. Wiatr na ogół wzmaga się wraz z wysokością, zaś energia wiatru, którą można uwięzić, zależy od powierzchni łopat. Jeżeli podwoi się ich powierzchnię, energia zwiększy się czterokrotnie. Ważniejszym czynnikiem jest jednak prędkość wiatru, przechwycona energia jest bowiem wprost proporcjonalna do sześcianu prędkości wiatru – jeżeli siła wzmaga się dwukrotnie, uzyskuje się ośmiokrotnie więcej energii.
Silniki wiatrowe nie potrzebują jednak sztormu. Większość z nich przystosowana jest do pracy przy prędkościach wiatru 3-10 stopni w skali Beauforta, czyli od 21 do 97 km/h. Powyżej 10 stopni zamykają się one automatycznie, co chroni je przed zniszczeniem.
Większość z nich skonstruowano w taki sposób, aby w całym roboczym paśmie prędkości wytwarzały równomierne ilości energii. Przy silniejszym wietrze łopaty automatycznie ustawiają się w chorągiewkę, co zapobiega nadmiernym przyspieszeniom silnika. Bardziej opłaca się bowiem uzyskiwać stałą moc wyjściową niż wykorzystywać nieliczne naprawdę silne podmuchy wiatru.
Silniki wiatrowe muszą być stale zwrócone w odpowiednim kierunku, tzn. dokładnie pod wiatr lub z wiatrem. Z tego powody wirniki mocuje się na obrotnicy, a podłączony do czujników silnik elektryczny steruje je ruchami określając kierunek zwrotu.
Ustawienie łopat w osi pionowej zamiast poziomej całkowicie eliminuje problem ustawienia silnika zgodnie z kierunkiem wiatru. W tym wypadku nie jest ważne, skąd wieje wiatr. Silniki pionowe zwane turbinami Darreiusa mają też inne zalety. Ich ciężkie oprzyrządowanie przetwarzające energię wiatru w energię elektryczną można ustawić bezpośrednio na ziemi. Często do ich rozruchu potrzebna jest siła zewnętrzna – uruchamia się je ręcznie, lub za pomocą silnika elektrycznego.
Ludzie akceptują wykorzystywanie siły wiatru, lecz nie bardzo podoba im się wizja krajobrazu upstrzonego wirującymi turbinami na każdym pagórku.
Wykonano poważne badania na temat możliwości ustawienia silników wiatrowych na otwartym morzu. W tym wypadku trudności nastręcza ich zakotwiczenie i przesyłanie energii na ląd. Brytyjski Departament Energetyki obliczył, że grupy turbin wiatrowych ustawionych na płytkich wodach wzdłuż brzegu mogą dostarczyć 1,5 raza więcej energii niż wynosi obecne zapotrzebowanie Wielkiej Brytanii.
Kalifornia wytwarza energię elektryczną za pomocą wiatru na potrzeby gospodarstw domowych w ilościach pokrywających zapotrzebowanie miasta większego niż San Francisco, natomiast w Danii za pomocą wiatru wytwarza się 3 procent energii elektrycznej.







Gorące skały: źródło energii


Wraz ze zbliżaniem się do wnętrza ziemi wzrasta temperatura. W niektórych miejscach gorące skały leżą bardzo blisko powierzchni ziemi, ogrzewając podziemie źródła, które wytryskują na powierzchnię w postaci gorących źródeł, gejzerów lub samej pary i które można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.
Pierwsza elektrownia geotermiczna powstała w 1904 r. w Larderello w północnych Włoszech, gdzie wydobywająca się na powierzchnię para miała temperaturę 140 – 260C. Parę doprowadzano rurami do turbin, które zasilały prądnice.
W nowej Zelandii, na Filipinach, w Kalifornii i w Meksyku zbudowano elektrownie wykorzystujące energię cieplną ziemi w miejscach, do których ciepło dociera na powierzchnię w sposób naturalny. W większości wypadków do tego celu trzeba jednak wiercić otwory w głąb ziemi. Czasami energię ziemi wykorzystuje się nawet tam, gdzie nie ma wody, lecz jedynie suche, gorące skały, których ciepła można używać tylko wtedy, kiedy do wnętrza ziemi wpompuje się wodę, aby odzyskać ją w postaci pary, która napędza turbiny wytwarzając energię elektryczną.
Nowo zbadanym źródłem energii geotermicznej są kornwalijskie granity. Około 1 980 m w głąb ziemi pod miejscowością Camborne w Kornwalii temperatura skał dochodzi do 700C.
Do wydobycia tej energii trzeba będzie wywiercić dwa otwory. Do pierwszego pompować się będzie zimną wodę, a gorąca woda pod ciśnieniem będzie wypływać drugim otworem. Woda będzie przepływać z jednego otworu do drugiego poprzez szczeliny w skale, które powstały w wyniku eksplozji materiałów wybuchowych. Chociaż woda ma temperaturę 200C, duże ciśnienie zapobiega jej wrzeniu. Kiedy jednak woda wydostanie się na powierzchnię, gdzie panuje ciśnienie atmosferyczne, przekształca się natychmiast w parę, która może być wykorzystana do napędzania turbin.
Podobnie jak inne miejscowości, gdzie energia geotermiczna jest wykorzystywana, Camborne ma szereg problemów. Należy usuwać minerały z wody, w przeciwnym wypadku będą one sadzały się na rurach i powodowały korozję turbin. Testy wykazały również, że tylko jedna trzecia wody pompowanej w głąb ziemi znajduje drogę powrotną na powierzchnię – reszta jest stracona. Trzecim problemem jest głębokość wierceń. Jeżeli uda się rozwiązać wszystkie te problemy, to możliwości są olbrzymie. Obliczenia wykazały bowiem, że granity kornwalijskie zawierają taką samą ilość energii, jak całość rezerw węgla Wielkiej Brytanii.
















Wykorzystywanie ciepła słonecznego


Energia docierająca na Ziemię w postaci światła słonecznego jest ogromna – ponad 1200 razy większa niż światowe zużycie paliw. Promienie słoneczne padające każdego roku tylko na powierzchnię amerykańskich dróg zawiera dwa razy tyle energii, co węgiel i ropa naftowa zużywane każdego roku na całym świecie.
Jednak gromadzenie i przechowywanie tak wielkiej ilości bezpłatnej energii jest trudne i kosztowne. Energia słoneczna rozłożona jest na dużej powierzchni. Aby nadawała się do wykorzystania w gospodarstwach domowych lub elektrowniach, najeży ją zgromadzić i poddać koncentracji.
W domowych systemach ogrzewania wody wykorzystujących energię Słońca montuje się kolektory (panele) słoneczne umieszczone na zwróconych w stronę Słońca dachach.
W Japonii zainstalowano 3 mln paneli słonecznych, ma je połowa domów w Izraelu, są popularne także w Kalifornii, lecz w bardziej pochmurnej Europie, gdzie nasłonecznienie jest o połowę mniejsze niż w Izraelu czy Kalifornii, stosuje się je znacznie rzadziej. Energia słoneczna wykorzystywana jest także do wytwarzania energii elektrycznej. Bezpośrednie wykorzystanie Słońca wymaga wysokich temperatur, aby więc je uzyskać, światło słoneczne musi zostać zogniskowane.
W tym celu nie stosuje się jednak soczewek, lecz zwierciadła, które ustawia się półkolem. Odbijają oe światło słoneczne w kierunku jednej wieży termicznej. Skoncentrowane światło słoneczne pada na odbiornik umieszczony na szczycie wieży i ogrzewa ciecz krążącą w rurach. Jeśli cieczą tą jest woda, uzyskana w ten sposób para o wysokim ciśnieniu odprowadzana jest do turbiny napędzającej generatory produkujące energię elektryczną.
Największa wieża heliotermicza na świecie mieści się w pobliżu Barstow, w stanie Kalifornia na pustyni Mojave, gdzie słonecznych jest 300 dni w roku. Reflektor tej elektrowni zajmuje 40 ha i składa się 1 818 zwierciadeł rozmieszczonych w okręgach współśrodkowych. Zwierciadło kierują skupione światło na kocioł znajdujący się na szczycie wieży wysokiej na 87 m.
Największa elektrownia słoneczna w Europie została wybudowana w 1981 r. we Francji, w miejscowości Themis w zachodnich Pirenejach. Jej moc wynosi 2,5 MW.
Od czasu zbudowania amerykańskiego satelity „Vanguard” w 1958 r., w zasadzie wszystkie statki kosmiczne i satelity czerpią energią z ogniw słonecznych. Ogniwa te wykorzystują energię niemieckiego fizyka, Heinricha Hertza, który już w 1887 r. stwierdził, że pewne substancje pod wpływem światła wydzielają energię elektryczną (efekt fotoelektryczny).
Ogniwa słoneczne wykonane są z cienkiej warstwy krzemu umieszczonej na jeszcze cieńszej warstwie krzemu z domieszką boru, który zmienia właściwości elektryczne krzemu. Światło padające na warstwę zewnętrzną wywołuje migrację elektronów do warstwy spodniej, wytwarzając napięcie elektryczne między dwoma warstwami. W 1981 r. nad kanałem La Manche przeleciał zasilany 16 128 ogniwami słonecznymi o mocy 2,5 kW samolot „Solar Challenger” („Słoneczny Wojownik”). Słoneczne samochody wyposażone są w akumulatory, z których korzysta się tylko w pochmurne dni lub podczas wjeżdżania pod górę.
Różne urządzenia wykorzystujące energię słoneczną, np. zegarki czy kalkulatory słoneczne, są dzisiaj powszechnie używane. Baseny ogrzewane energią słoneczną także zyskują na popularności.