ZDROJE A PŘEMĚNY ENERGIE

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

CZ.1.07/1.1.00/08.0010

ZDROJE A PŘEMĚNY ENERGIE ING. KATEŘINA DEMJANČUKOVÁ

TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui Zdroje a přeměny energie Obecný úvod opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty [Prosinec 2012]

Ing. Kateřina Demjančuková

Tato vzdělávací metodika vznikla pro účely projektu s názvem „Energetika nově a otevřeně v technických a přírodovědných předmětech“, reg. č.: CZ.1.07/1.3.04/03.0027, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR prostřednictvím Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie

Obsah OBECNÝ ÚVOD - ZDROJE A PŘEMĚNY ENERGIE .................................................................................................. 3 1. Úvod ....................................................................................................................................................... 3 2. Energie a její původ .......................................................................................................................... 4 3. Obnovitelné zdroje energie ........................................................................................................... 6 4. Neobnovitelné zdroje energie ...................................................................................................... 7 Fosilní paliva ............................................................................................................7 Uran a thorium .........................................................................................................9 5. Druhy a formy energie .................................................................................................................. 10 6. Transformace energií .................................................................................................................... 16 7. Shrnutí a otázky ............................................................................................................................... 19 8. Literatura ........................................................................................................................................... 21

2


OBECNÝ ÚVOD - ZDROJE

A PŘEMĚNY ENERGIE

1. Úvod Ačkoliv definici energie můžeme najít v mnoha publikacích, ve skutečnosti se s ní setkáváme neustále, energie je každodenní součástí našeho života. Pohybujeme se díky chemické energii vznikající v našem organismu přeměnou energie přijaté v potravě, vytápění a klimatizace považujeme za běžnou věc, energii potřebujeme v dopravě, zemědělství, průmyslu atd. Málokdy si ale uvědomujeme svou závislost na energii, tedy i zranitelnost. V současnosti se často mluví o udržitelném rozvoji nejen v souvislosti s energetikou. Zvyšování životní úrovně společnosti a růst populace zvyšují stále spotřebu energií. Pokrytí požadavků rostoucích dnešním tempem však zřejmě nelze zajistit dlouhodobě. Je tedy třeba hledat zároveň úsporná řešení a nové zdroje energie, které zajistí také šetrnost k životnímu prostředí. Při pohledu do historie zjistíme, že 19. století bylo období, kdy obnovitelné energie ještě poskytovaly lidstvu významný podíl potřebné energie (např. větrné mlýny a vodní kola, biomasa), ale během první poloviny 20. století a zejména pak po druhé světové válce stoupla poptávka po energiích natolik, že fosilní energetické zdroje brzy pokrývaly i více než 80% celosvětové spotřeby primární energie. Z obnovitelných zdrojů měla významný podíl jen vodní energie. Nyní, na počátku 21. století se ocitáme v situaci, kdy znovu podíl obnovitelných zdrojů na výrobě energií roste a lidstvo hledá další nové zdroje. Výhledem do budoucna je také termojaderná fúze, jejíž výzkum by se měl uskutečnit realizací projektu ITER, do kterého je kromě Evropy zapojeno Japonsko, USA, Čína, Indie a Jižní Korea. Cílem projektu je realizovat největší fúzní reaktor, jehož stavba probíhá v Cadarache na jihu Francie.

3


Obr. 1: Stavba fúzního reaktoru ITER, Cadarache, Francie - 22. 12. 2011 byla nalita poslední dávka betonu základové desky (elektronický zdroj: http://www.iter.org/proj/itermilestones)

2. Energie a její původ Energie je základní vlastností všech hmotných objektů, tj. těles i polí. Energii můžeme chápat jako schopnost všech hmotných objektů měnit se. Zdůrazněme, že energie je vždy vlastností hmotného objektu, ne samostatný materiální objekt. Víme přece už od pana Einsteina, že energie je hmota [4]. Jestliže tedy v elektrárnách energie nevzniká, nýbrž se jen přeměňuje, jak došlo k přeměně na formu, ze které dnes energii získáváme? Fosilní paliva jsou v podstatě energetickou konzervou, do které se uložila energie rostlin. Rostliny získaly energii ze Slunce fotosyntézou. Energie Slunce vzniká termonukleární fúzí, tj. slučováním nejlehčích atomových jader na jádra těžší za uvolnění obrovského množství energie. Jadernou energii získáváme termonukleární fúzí nebo štěpením těžkých jader. Jaderné štěpení v jaderných elektrárnách představuje významný způsob výroby energie. Uskutečnění termonukleární fúze a její využití pro komerční výrobu zůstává zatím hudbou budoucnosti. Jak vznikla těžká jádra?

4

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie Téměř celá periodická soustava prvků vznikla postupně při termonukleární reakci [4]. Jádra prvků až k uhlíku, dusíku a kyslíku vznikají termojadernou fúzí ve hvězdách srovnatelných velikostí se Sluncem. Hvězdy, jejichž hmotnost je desetkrát větší než hmotnost Slunce, mohou vytvářet ještě těžší prvky, až po železo. Prvky těžší než železo, jako je uran nebo thorium, mohou vznikat pouze záchytem neutronu a při výbuchu supernov. Energie vody a větru mají svůj původ také v energii Slunce, energie přílivu je způsobena působením gravitace Měsíce a geotermální energie je způsobena teplotou zemské kůry. Samotná sluneční energie je také hojně využívána nejen přímo solárními panely nebo kolektory, ale i při využití biomasy a rozdílných teplot vody na hladině a v hlubinách moří. Původ energií můžeme názorně shrnout graficky, viz obrázek 2. Jedním ze základních způsobů dělení zdrojů energie je rozdělení na obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie.

Obr. 2: Původ a vztahy energií (zdroj: [4])

5


3. Obnovitelné zdroje energie Obnovitelné zdroje jsou takové zdroje, které se obnovují přirozeně nebo za přispění člověka a jsou tedy v relativně krátké době využitelné opakovaně. Pokud ponecháme vodní energii stranou, ostatní obnovitelné zdroje energie se na světové výrobě elektrické energie podílejí jen částí 1%. Vodní energie má v celkovém rozdělení druhů energetických zdrojů zastoupení přibližně 10%. Na celosvětové výrobě elektrické energie má vodní energie podíl téměř 20%, tj. celou jednu pětinu produkce. Mezi obnovitelné zdroje energie řadíme:  zdroje obnovující se přirozenou cestou: vítr, voda, Slunce, geotermální energie  zdroje obnovující se za přispění člověka: biomasa Shrňme si v bodech pozitiva obnovitelných zdrojů energie:  relativní neomezenost obnovitelných zdrojů (slunce nesvítí v noci, vítr nefouká stále)  žádné znečištění životního prostředí, zanedbáváme-li znečištění, které vzniká v souvislosti s výrobou, přepravou, instalací zařízení a likvidací po skončení životnosti zařízení Ovšem i obnovitelné zdroje přinášejí i zančná negativa:  vysoké investiční náklady i náklady na provoz zařízení  nízká efektivita  narušení vzhledu životního prostředí  otázka likvidace/recyklace zařízení po skončení jho životnosti

(zdroj [11]) 6


4. Neobnovitelné zdroje energie Neobnovitelné zdroje energie jsou takové, u nichž lze dobu do vyčerpání zdrojů odhadovat řádově na stovky let, zatímco obnovení takového zdroje by trvalo mnohonásobně delší dobu. Z toho vyplývá, že množství neobnovitelných zdrojů energie je omezené. Neobnovitelné zdroje energie se od obnovitelných liší tím, že se v nich sluneční energie akumulovala dlouhou dobu složitým procesem. Mezi neobnovitelné zdroje energie zahrnujeme fosilní paliva (uhlí, ropa, zemní plyn, hořlavé břidlice a písky, rašelina) a uranovou rudu. Největším problémem využívání fosilních paliv jsou oxidy vznikající při spalování oxidy dusíku, oxidy síry, oxid uhelnatý atd. Přesto podíl uhlí na celosvětové výrobě elektrické energie zůstává přibližně na hodnotě 40%. Podíl všech neobnovitelných zdrojů na celosvětové výrobě elektrické energie dosahuje 80%! Zkusme nejdříve shrnout pozitiva neobnovitelných zdrojů energie:  celkové investiční náklady jsou poměrně nízké,  vysoká efektivita,  technologie na pokročilé úrovni. Na druhou stranu nelze opomíjet podstatná negativa neobnovitelných zdrojů energie:  zásoby nejsou nevyčerpatelné,  při spalování vzniká mnoho škodlivých látek a dochází ke znečištění prostředí,  radioaktivní odpad (jaderná energetika),  závislost na dodávkách surovin.

Fosilní paliva Ještě na konci 18. století byla hlavním zdrojem energie síla hospodářských zvířat. V období francouzské revoluce se chovalo asi 14 milionů koní a 24 milionů kusů hovězího dobytka, což činilo 7,5 miliard Wattů, a to lze přirovnat k výkonu 100 000 automobilů v dnešní době. Druhým významným zdrojem ve zmíněném období bylo dříví. Jeho význam byl takový, že se mu přisuzuje zapříčinění přesunu center vlivu ze Středozemí do oblastí severně od Alp. Kromě těchto dvou zdrojů energie byly hojně využívány obnovitelné zdroje

7

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie energie. Tak vypadal energetický mix a fosilní paliva byla jen minoritním doplňkovým zdrojem. Až nedostatek dřeva v některých oblastech Evropy přivedl společnost k otevření uhelných zdrojů. Jako velká výhoda černého uhlí při výrobě oceli se ukázala jeho vyšší energetická hustota. Tak od roku 1800, kdy se ještě 60% černého uhlí pálilo v domácnostech, mnohonásobně vzrostla jeho spotřeba ve vysokých pecích a průmyslu obecně. Ve fosilních palivech nacházíme koncentrovanou energii ze zbytků těl živočichů a rostlin. K fosilním palivům řadíme následující: 

ropa,



zemní plyn,



černé uhlí,



hnědé uhlí,



rašelina.

Podívejme se, jak se vyvíjelo množství vytěžené ropy od roku 1860, viz obrázek 3. Na dně mořských pánví se miliony let ukládal plankton a mnoho dalších jednobuněčných organismů. Bez dostatku kyslíku nemohl probíhat rozklad a degradace, a tak vzniklo uhlí, ropa a zemní plyn, „zásobárny“ energie Slunce. Odhaduje se, že nejstarší ložiska ropy mohou být i 350 milionů let stará. Velká část ropy, která se dnes těží, pochází z Perského zálivu, což je oblast, která se nacházela pod hladinou moře ještě před 10 miliony let [5].

Obr. 3: Těžba ropy od roku 1860 (zdroj: [5])

8

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie Uran a thorium Jak už bylo zmíněno výše, téměř všechna energie na planetě Zemi pochází ze Slunce. Výjimkou je malá část energie, která nepochází ze Slunce, ale její původ sahá až do doby vzniku Země, tj. do okamžiku před 4,5 miliardami let. Přírodními radioaktivními surovinami vhodnými pro použití v jaderných reaktorech jsou uran, thorium. V současné době je jaderná energetika založena na uranovém palivovém cyklu. Většina jaderných elektráren využívá jako palivo uran, jen malý počet reaktorů využívá také plutonium. Objevují se ale již první známky přechodu na thoriový palivový cyklus, průkopníkem je Indie. Zásoby thoria na Zemi jsou totiž oproti uranu trojnásobné. Proto se přechod na thoriový palivový cyklus jeví jako jedna z možností nejen kvůli značnému čerpání zásob uranu. Využití thoriového cyklu přináší i mnoho dalších výhod. V současné době se přechází na uzavřený palivový cyklus, tj. systém přepracovávání použitého jaderného paliva (již se nepoužívá pojem „vyhořelé“ jaderné palivo, protože surovina je využita jen asi z 0,4%, viz obrázek 4). Palivo se přepracovává na tzv. palivo MOX (Mixed Oxide Fuel), což je palivo tvořené směsí uranu a plutonia.

Obr. 4: Jak se změní palivo po „použití“ v jaderném reaktoru (zdroj: [9])

Nová generace reaktorů, která zahrnuje na základě rozhodnutí Mezinárodního fóra IV. generace 6 typů reaktorů, si klade za cíl řešit současné problémy jaderné energetiky. Výběr reaktorů je podmíněn přísnými kritérii bezpečnosti, spolehlivosti a ekonomičnosti provozu.

9

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie Jedním ze šesti typů reaktorů nové generace jsou reaktory s tekutými solemi, které jsou perspektivní pro své fyzikální i chemické vlastnosti. Tekuté soli mohou být použity jako chladivo pro odvod tepla vznikajícího v aktivní zóně reaktoru, také jako médium obsahující tekuté palivo nebo rozpouštědlo pro použité jaderné palivo. Jeden z nejzajímavějších návrhů je využití reaktoru s tekutými solemi (MSR - Molten Salt Reactor) s thoriovým palivovým cyklem. Tekutá sůl, která je nejčastěji na bázi fluoridových solí, v tomto reaktoru slouží jako moderátor, chladivo i rozpouštědlo pro palivo.

5. Druhy a formy energie Pro srovnání různých forem energie potřebujeme rozlišit tři formy energie: Primární energie je energie v původní formě, energie získaná z přírody, která se většinou nedodává přímo spotřebitelům. Příkladem je čerstvě vytěžené černé uhlí, přírodní zemní plyn, uran. Koncová energie je energie ve formě, ve které je dopravena ke spotřebiteli a připravena k použití. Příkladem je elektřina, tepelná energie, zemní plyn. Užitečná energie zahrnuje konečnou formu energie při užití. Jako příklad si představme světlo žárovky, kterou svítíme, teplo k vytápění apod.

Obr. 5: Ztráty energie - zhruba 80% energie se ztrácí při přeměnách forem energie a přenosu (zdroj: [5]) Chod energetických strojů vždy souvisí s přeměnou jednoho druhu energie na jiný druh energie, resp. jedné formy energie na druhou. Podle druhu můžeme klasifikovat energie následovně:

10

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie 

energie mechanická,



energie tepelná,



energie chemická,



energie elektrická,



energie pole,



energie jaderná.

Formu energie určuje druh energie a nositel energie. Forma energie může být zdrojem některého druhu energie. Jako příklad si uvedeme černé uhlí - je to primární zdroj a forma energie. Jinak je to s tepelnou energií, která zůstává určitým druhem (formou) energie, ačkoliv nositelem může být horká voda, vodní pára atd. Elektrická energie a energie pole jsou druhem i formou energie současně, proto nepotřebují nositele energie [2].

Mechanická energie Mechanickou energii můžeme dělit na energii kinetickou, která souvisí nejen s pohybem tuhých těles, ale i s prouděním tekutin nebo s uspořádaným pohybem proudu částic, a na energii potenciální. Kinetická energie je charakterizována pohybem tělesa pohyb posuvný nebo pohyb tělesa otáčivý kolem osy. Potenciální energie je polohová energie tělesa, která se vyskytuje ve dvou formách - potenciální energie tělesa v silovém poli Země a potenciální energie pružnosti. Kinetickou energii vody a větru se člověk naučil využívat ve svůj prospěch v lodní dopravě a jako pohon mlýnů a zavlažovacích zařízení. Přeměnu kinetické energie na potenciální energii i opačnou transformaci vždy doprovází vykonání práce. Platí zákon zachování mechanické energie, který praví, že při všech mechanických dějích se mění kinetická energie v potenciální energii a naopak a celková mechanická energie soustavy zůstává konstantní. Jako příklad můžeme použít volný pád tělesa. V čase t = 0 (na počátku děje) ve výšce h je kinetická energie nulová, zatímco potenciální energii umíme vyjádřit jednoduše jako mgh. Při pádu tělesa se výška h „zmenšuje“ a s ní i potenciální energie. Současně dochází ke zrychlení pohybu tělesa. V poloze „na zemi“ odpovídá kinetická energie počáteční potenciální energii, a ta je na konci děje nulová.

11


Tepelná energie Pojem tepelná energie se v moderní fyzice nepoužívá. Je třeba rozlišovat teplo a vnitřní energii tělesa. Tepelnou energii tedy musíme vnímat jako stavovou veličinu - vnitřní energii tělesa. V praxi se ale s pojmem tepelná energie setkáme často. Jako tepelná energie tělesa bývá označována část jeho vnitřní energie, která souvisí s nárůstem teploty tělesa [2]. Tepelnou energii můžeme odebírat tělesu s vyšší teplotou a využívat ji k zahřátí jiných těles. S tepelnou energií využitelnou přímo v podobě primární energie se v energetice setkáme u geotermálních zdrojů. Druhou rolí tepelné energie v energetice je zprostředkování přeměny chemické energie fosilních paliv, jaderné energie, sluneční a dalších na elektrickou nebo mechanickou energii. Třetí rolí tepelné energie je koncová energie, kdy jako finální produkt energetických transformací slouží k vytápění [2]. V souvislosti s tepelnou energií se ještě můžeme setkat s pojmem tepelná výměna, což je proces předání vnitřní energie bez vykonání práce (těleso teplejší předává energii tělesu s nižší teplotou). Mezi tělesy dojde k přenosu tepla Q, které je určeno energií odevzdanou při tepelné výměně teplejším tělesem tělesu studenějšímu.

Zářivá energie Zářivá energie je energie elektromagnetických vln, která je charakterizována frekvencí záření a Planckovou konstantou. Elektromagnetické vlny mají široké spektrum: radiové vlny (největší vlnové délky), mikrovlny, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření, gama záření (nejkratší vlnové délky), viz obrázek 6. Z energetického hlediska je tepelná energie nositelem energie na velké vzdálenosti [2]. Sluneční záření, které je zdrojem velké části různých forem energie na Zemi, je energie vznikající

termojadernými

reakcemi

na

elektromagnetickým zářením.

12

Slunci

přenesená

na

povrch

Země


Obr. 6: Spektrum elektromagnetického záření (elektronický zdroj: wikipedia)

Elektrická energie Elektrickou energii jako stavovou veličinu chápeme jako energii elektrostatického a magnetického pole, které vzniká v okolí pohybujících se nábojů [7]. Zářivou energii, kterou jsme popsali v předchozím odstavci, lze také řadit k elektrické energii, protože její podstata tkví v pohybu elektricky nabitých částic. Po vyzáření je však tato energie nesena proudem elektricky neutrálních fotonů a má natolik charakteristické vlastnosti a využití, že je účelné ji řadit jako samostatnou formu energie [2].

Chemická energie Chemická energie představuje vazbovou energii atomů v molekulách. Celková vazbová energie v molekule přibližně odpovídá součtu energií vazeb mezi atomy. Tato energie se uvolňuje nebo absorbuje při chemických reakcích. Při chemické reakci může docházet k uvolnění energie, pak reakci nazveme reakce exotermní (exotermické) nebo se může energie spotřebovávat, pak je reakce endotermní (endotermická). Přeměna chemické energie je často využívána v elektrárnách (uhelných i jaderných).

13

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie Jaderná energie Představy o atomovém jádře prošly dlouhým vývojem. Pro pochopení základních představ o stavbě atomu lze vycházet z jednoduché představy: Atom se skládá z jádra, které je tvořeno neutrony (částice bez elektrického náboje o hmotnosti mn = 1,6748.10-27kg) a protony (částice s jedním kladným elementárním elektrickým nábojem e = 1,6022.10-19 C o hmotnosti mp = 1,67252.10-27 kg). Kolem jádra obíhají elektrony a tvoří tak elektronový obal. Hmotnost elektronu je přibližně 1/1800 hmotnosti protonu, me = 9,1093.10-31 kg a jeho záporný elementární náboj je roven -e. Elektronovým obalem jsou dány především chemické vlastnosti prvků. Počet záporně nabitých elektronů a kladně nabitých protonů je stejný, proto se atom jeví jako neutrální. Hmotnost atomových jader se často vyjadřuje pomocí atomové hmotnostní jednotky mu = 1,6605402.10-27 kg, která je definována jako 1/12 hmotnosti jádra izotopu

12 6

C.

Hmotnosti protonu, neutronu a elektronu jsou pak mp = 1,007276 mu, mn = 1,008665 mu, me = 5,485799.10-4 mu. Podobně se v jaderné fyzice používá speciální jednotka i pro energii – elektronvolt eV 1 eV = 1,602 . 10-19 J. Jaderné reakce jsou přeměny jader atomů vyvolané vnějším zásahem. Při těchto reakcích musí být splněn zákon zachování energie, hybnosti, elektrického náboje a zákon zachování počtu nukleonů. Tyto reakce mohou být endoenergetické (energii musíme dodávat) nebo exoenergetické (energie se uvolňuje). Pomocí neutronů se dá poměrně snadno vyvolat štěpení těžkých jader. Přeměna neutronu probíhá následovně: 1 0

n  11 p  01 e (elektron)  00 ν (antineutrino) .

Kinetická energie neutronu Ek výrazně ovlivňuje interakce neutronů s jádry atomů prostředí. Interval hodnot kinetické energie je široký, v zásadě může Ek nabývat hodnot v rozmezí od 0,0004 eV do 100 MeV. V reaktorové fyzice rozdělujeme neutrony

14

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie podle kinetické energie neutronu Ek následovně: tepelné neutrony

Ek < 0,5 eV

rezonanční neutrony

0,5 eV < Ek < 103 eV

neutrony středních energií, epithermální

103 eV < Ek < 105 eV

rychlé neutrony

105 eV < Ek

Jaderná syntéza (fúze) je reakce, kdy složením dvou lehčích jader vznikne jádro těžší a uvolňuje se energie.

Deuterium 12 H (D) je jako jaderné palivo prakticky nevyčerpatelné – koncentrace D2O v oceánech je 0,015 %. Problémem jaderných syntéz je přiblížit kladně nabitá jádra na dosah jaderných sil, čemuž brání elektronové obaly a odpudivé síly mezi jádry. Potřebnou energii mohou jádra získat zahřátím na teploty vyšší než 106 K. Takto probíhá reakce při výbuchu vodíkové bomby a uvnitř hvězd.

15


Obr. 7: Průběh jaderné štěpné reakce a fúze (elektronický zdroj [10])

6. Transformace energií Zdroje energie lze přímo využít jen omezeně. Přímo využíváme např. solární energii pro ohřev vody v solárních kolektorech. Většinou ale měníme energii zdroje (primární energii) na jinou formu (sekundární, koncovou energii). Přeměna se může uskutečnit např. spalováním, rafinací ropy, jaderným štěpením apod. Procesy přeměny ale vždy provází „ztráty energie“. Graficky lze přeměny energie znázornit schématem na obrázku 8.

16


Obr. 8: Přeměny energie (zdroj: [2]) Přenos energie je možný v rámci jednoho druhu energie, např. při sdílení tepla [6]. Konkrétní druhy energií se mohou vzájemně transformovat. Pojem „ztráta energie“ je fyzikálně nesprávný. Chceme tím většinou vyjádřit, že se nepodařilo celé množství energie, které do přeměny vstoupilo, přeměnit na užitečnou energii. Míru úspěšnosti transformace vyjadřujeme účinností. Účinnost je podíl energie získané k energii přivedené. Podle úvahy v [6]: Jestliže vyjdeme z definice, podle které je energie schopnost konat práci, pak bychom ke „zdrojové“ soustavě museli mít vždy „spotřební“ soustavu, která bude schopná svou energii působením práce zvýšit. Jeden kilogram (1 kg) venkovního vzduchu určitě nějakou energii má. Ale protože není obecně přítomna „spotřební“ soustava, nelze žádnou část energie venkovního vzduchu někam převést. Energie okolního vzduchu je tedy „nepráceschopná“, není schopna transformace, neboť se nachází v rovnováze s okolím. Pára o vysokém tlaku a teplotě ale „práceschopná“ je, protože lze část její entalpie v turbíně využít a transformovat na energii mechanickou až do okamžiku, kdy se vyrovná teplota páry s teplotou okolí. Určitá část entalpie páry je tedy transformovatelná. Topné elektrické těleso je schopné téměř celou elektrickou práci převést v teplo (zvýšení entalpie ohřívaného média). Ale z takto získaného tepla již nelze zpětně nikdy dostat původní množství elektrické práce. Jestliže probíráme téma energie a jejích transformací, je třeba zavést a porozumět

17

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie pojmům exergie a anergie. Exergie je ta část energie, která je schopna za daných podmínek (jsou zpravidla určeny stavem okolí) další transformace. Anergie je ta část energie, která není schopna za daných podmínek transformace na jiný druh energie [7]. Exergie a anergie jsou tzv. veličiny doplňkové (komplementární). Uveďme si pro názornost příklady. Příkladem stoprocentní anergie je entalpie okolí (venkovního vzduchu) a systémů, které jsou v rovnováze s okolím. Chemická energie je přibližně 95 % exergie. Jadernou energii lze považovat za téměř 100 % exergii. Stoprocentní exergii představují také zářivá, mechanická a elektrická energie. Uvažujeme-li ideální vratný proces, pak exergie se může libovolně transformovat na jiné druhy. V případě reálných procesů můžeme mluvit o ztrátách exergie a úplné spotřebě exergie. Oba pojmy označují přeměnu exergie na anergii. Exergie bývá označována písmenem E. Anergii značíme písmenem B. Jak bylo řečeno v předchozím odstavci, energie okolí je tvořena jen anergií. Druhá věta termodynamiky nám říká, že ne všechny procesy jsou reálné. Obecně to vede k rozlišení mezi vratnými a nevratnými procesy. V přírodě jsou všechny procesy nevratné. Vratné procesy jsou mezní případy nevratných procesů. Obrácení nevratných procesů je nemožné [6]. Platí, že součet exergie a anergie zůstává konstantní při všech procesech a anergii nelze transformovat na exergii.

18


7. Shrnutí a otázky Na závěr si shrneme v bodech základní poznatky tématu: 1. Energie je základní vlastností všech hmotných objektů, je vždy vlastností hmotného objektu, nikoliv samostatný materiální objekt. 2. Velká část energie na Zemi pochází ze Slunce. 3. Jadernou energii můžeme využívat při jaderné štěpné reakci nebo při jaderné fúzi. 4. Zdroje energie můžeme rozdělit na obnovitelné a neobnovitelné. 5. Rozlišujeme tři formy energie: primární, koncovou a užitečnou. 6. Výrazy „ztráta energie“ a „spotřeba energie“ nesou fyzikálně správné. Energie se nemůže ztratit ani spotřebovat. 7. Exergie

je

transformovatelná

část

energie,

vyjadřuje

technickou

práceschopnost. 8. Anergie je netransformovatelná část energie, během procesů se nemění a nemůže konat práci. Nelze přeměnit anergii na exergii. 9. Energie okolí se skládá jen z anergie. Stoprocentní exergie je např. zářivá, mechanická a elektrická energie. 10. Exergie a anergie jsou veličiny doplňkové.

Zkuste zodpovědět otázky: 1. Kolik neutronů vznikne při rozštěpení jednoho atomu uranu 235? 2. Jakých teplot je třeba řádově dosáhnout pro uskutečnění termojaderné fúze? 3. Jaké palivo kromě uranu lze použít ke štěpení a co znamená zkratka MSR?

Na závěr ještě uveďme několik zajímavých obrázků. Zkuste interpretovat znázorněná data.

19


Obr. 9: Vývoj celosvětové spotřeby primárních energetických zdrojů od roku 1965 (zdroj: [5])

Obr. 10: Primární spotřeba energie vztažená v % k celosvětovému průměru (zdroj: [5])

20


8. Literatura [1] DVOŘÁK, L.: Zdroje a přeměny energie. Skriptum ČVUT. Praha 1992.

[2] HEŘMANSKÝ, B., ŠTOLL, I.: Energie pro 21. století. Vydavatelství ČVUT, 1992.

[3] KLENOVČANOVÁ, A., IMRIŠ, I.: Zdroje a premeny energie. Technická univerzita Košice. Strojnícka fakulta. Slovensko, 2006. Vyd. 1. 492 s. ISBN 80-89040-29-2.

[4] KŘEPEL, J.: Rodokmen energie. 3PÓL. Listopad 2003, str. 4-5. Dostupné z www: http://3pol.cz/212-rodokmen-energie

[5] QUACHNING, V.: Obnovitelné zdroje energie. Grada Publishing. Praha 2010. 296 s. ISBN 978-80-247-3250-3

[6] VRTEK, M: Energie a její transformace. Alternativní energie 1/2002. Dostupné z www: http://www.vosaspsekrizik.cz/cs/download/studium/sps/elektroenergetika/energie-a-jejitransformace.pdf

[7] Ústav fyziky a materiálového inženýrství, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická. Předmět Environmentální fyzika, přednáška Energie a její transformace. Dostupné z www: http://ufmi.ft.utb.cz/texty/env_fyzika/EF_10.pdf

[8] VACHTL, P.: Thorium - energetická záchrana lidstva. Český rozhlas, Leonardo, 2010. Dostupné z www: http://www.rozhlas.cz/leonardo/technologie/_zprava/780030

[9] SKUPINA ČEZ: ČEZ a pokročilé jaderné technologie. Dostupné z www: http://www.cez.cz/edee/content/micrositesutf/odpovednost/content/pdf/cez_a_pokrocile _jaderne_technologie_-_nahled.pdf

[10] Elektronický zdroj: http://sse-najizdarne.cz/fotogalerie/vyroba_el_en/step_a_fuze.jpg

21

Studijní materiál : Zdroje a přeměny energie [11] SKUPINA ČEZ: Obnovitelné zdroje energie a skupina ČEZ. Dostupné z www: http://www.cez.cz/edee/content/file/pro-media-2012/03brezen/obnovitelne-zdroje-energie-a-skupina-cez.pdf

[12] MESTRAL, Jean Christophe de: L’atome vert : le thorium, un nucléaire pour le développement durable. Lausanne 2011. 139 s. ISBN 978-2-8289-1244-4.

22

ZDROJE A PŘEMĚNY ENERGIE

Recommend Documents