Energia a elektrárne

Energiu na prevádzku spotrebičov potrebuje priemysel, doprava a ľudia v domácnosti - od kotlov ústredného kúrenia až po televíziu. Veľké množstvo tejto energie sa vyrába spaľovaním fosílnych palív. Obnoviteľné zdroje energie, ako sila vetra a slnečné žiarenie, zohrávajú pri získavaní energie čoraz väčšiu úlohu.


Neobnoviteľné zdroje energie

Ropa, uhlie a zemný plyn sú fosílne palivá, pretože vznikli z pozostatkov (fosílií) dávno uhynutých živočíchov a rastlín. Pri spaľovaní uvoľňujú energiu, ktorá sa využíva na tvorbu pohonnej sily. Fosílne palivá sú neobnoviteľné zdroje energie, pretože raz sa vyčerpajú.

Uhlie: asi 20% energie na svete sa vyrába z uhlia a jeho spotreba stále stúpa.
Ropa a zemný plyn: asi 60 % energie na svete pochádza z ropy a zemného plynu. Ropné produkty sú hlavným palivom používaným v doprave. Ropa aj zemný plyn sa spaľujú na výrobu tepla.


Obnoviteľné zdroje energie

Obnoviteľné zdroje energie sú také, ktoré sa v budúcnosti nevyčerpajú. Väčšina „obnoviteľných“ zdrojov je čistejšia a menej škodlivá pre životné prostredie ako pevné palivá.

Veterná energia: turbíny poháňané vetrom vytvárajú elektrinu na ,,veterných farmách“, ako v Altmont Pass v Kalifornii, USA. V 80. rokoch sa na svete postavilo vyše 20 000 veterných turbín. Vedci odhadujú, že do roku 2030 môže energia získaná z vetra zabezpečiť viac ako 10% svetovej spotreby elektrickej energie.
Slnečná energia: Slnko je čistý zdroj obnoviteľnej energie. Slnečná energia sa premieňa na elektrinu vo fotoelektrických (solárnych) článkoch, ktoré sa používajú na pohon rozličných prístrojov, vrátane počítačov, vesmírnych druhov a telefonických spojov vo vzdialených oblastiach. Slnečné teplo sa v mnohých krajinách s horúcim podnebím využíva na ohrev vody.
Prílivová energia: prílivová energia sa získava na priehradách postavených v ústiach riek vlievajúcich sa do mora. Ako príliv stúpa alebo klesá, voda v priehrade sa udržuje na jeho vysokej alebo nízkej úrovni. Pri rozdiele úrovni vody asi 3 m prúdi voda veľkými turbínami.
Vodná energia: vodná energia sa získava z priehrad a vodopádov. Padajúca voda poháňa turbíny, ktoré zasa poháňajú generátory. Asi 7 % energie vo svete pochádza z hydroelektrární.
Geotermická energia: geotermická energia sa získava z tepelnej energie v zemskej kôre. V súčasnosti sa väčšina geotemických energie získava v oblastiach s aktívnou sopečnou činnosťou, ako je Island a Nový Zéland. Asi 20 krajín využíva geotermickú energiu na vykurovanie alebo na výrobu elektriny.
Energia vĺn: energia vĺn sa stále skúma a vyvíja. Postavilo sa niekoľko pokusných generátorov. Niektoré sú na morskom pobreží, iné sú určené pre hlboké more, kde sa energia obsiahnutá v jednom metre vlny môže rovnať zdroju energie napájajúcemu 50 elektrických piecok.
Bioenergia: energia z biomasy sa získava z organických látok, ako je drevo a poľnohospodársky odpad. Elektrárne na bioenergiu sa stavajú v mnohých krajinách.


Jadrová energia

Nukleárna (jadrová) energia sa získava na základe štiepenia atómov uránu a plutóna. Na svete existuje asi 350 jadrových elektrární a tieto dodávajú viac ako 5% svetovej energie. Jadrové elektrárne neprodukujú škodlivé plyny a neprispievajú ku globálnemu otepľovaniu, ale vážnym rizikom sú nehody a likvidácia palivových tyčí.

Riziká jadrovej energie

Jadrový odpad si udržuje svoju nebezpečnú rádioaktivitu ešte celé tisícročia a jeho skládky musia byť hlboko pod zemou alebo v mori. Poruchy jadrových elektrární, ako napr. havária v Černobyle (Ukrajina) roku 1986, môžu státisíce ľudí vystaviť nebezpečenstvu ožiarenia a kontaminovať milióny štvorcových kilometrov pôdy.
Jadrová energia (atómová energia) je energia „uložená“ v jadre atómu, ktorá sa môže uvoľniť počas vhodnej jadrovej reakcie. Uvoľňuje sa vo forme pohybovej energie častíc, ktoré počas reakcií unikajú z jadra. Po rozštiepení jadra sa jeho časti odpudzujú veľkými elektrostatickými silami, čím získajú veľkú pohybovú energiu, ktorú postupne odovzdávajú atómom prostredia, ktorým prenikajú. Prostredie sa ionizuje a silne zohrieva. Takáto premena sa využíva v jadrových reaktoroch a v jadrových bombách, ktoré sú pre ľudstvo veľmi hrozivé. Jadrová reakcia je premena jadra atómu, ktorá nastáva počas vzájomného pôsobenia s iným jadrom alebo elementárnou časticou. Pri jadrovej reakcií sa môže zmeniť nukleónové číslo, protónové číslo, ťažšie jadro sa môže rozštiepiť na menšie časti (štiepenie jadier), ľahké jadrá sa môžu zlučovať - termonukleárna reakcia.


Jadrová elektráreň (atómová elektráreň)

Je elektráreň, v ktorej je zdrojom tepla jadrový reaktor. Teplo sa z reaktora odvádza primárnym okruhom do generátora pary. Vyvinutá para sa sekundárnym okruhom privádza na turbogenerátor, z ktorého sa odvádza elektrická energia do elektrickej siete. Keďže v reaktore vznikajú rádioaktívne látky, musí byť elektráreň zabezpečená proti úniku týchto látok. Jadrové elektrárne majú reaktor, primárny okruh a generátor pary umiestnený v špeciálnej železobetónovej budove, ktorú možno v prípade jadrovej havárie vzduchotesne a vodotesne uzavrieť.

Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha reťazová jadrová reakcia a udržiava sa tak, aby sa jadrová energia uvoľňovala požadovanou rýchlosťou. Reťazová reakcia prebieha v aktívnej zóne reaktora, do ktorej sú vsunuté palivové články (uránové tyče) a regulačné (riadiace) kadmiové tyče. Táto zóna ja vyplnená moderátorom (spomaľovačom) neutrónov, ktorým najčastejšie býva grafit alebo ťažká voda (deutérium). Spomalením neutrónov sa zvyšuje pravdepodobnosť, že vyvolajú ďalšie štiepenie jadier. Reakciu spomaľujú aj regulačné kadmiové tyče, lebo silno pohlcujú neutróny. Uvoľnenú energiu odvádza chladiaci okruh, ktorý pozostáva zo sústavy rúrok prechádzajúcich aktívnou zónou, cez ktoré preteká plyn, kvapalina alebo ľahko taviteľný kov. Štiepenie paliva sprevádza intenzívne neutrónové žiarenie a žiarenie gama, preto musí byť reaktor obložený účinnými ochrannými vrstvami - vodou proti neutrónom, betónom a olovom proti žiareniu gama.


Hydroenergia a hydroelektrárne

Elektráreň na morské prúdy

Fungujú tak, že morský prúd naráža na lopatky rotora, čím ho roztáča. Rotor je prevodmi spojený s genenerátorom elektrického prúdu. Najväčšie výhody elektrárne tohto typu sú, že pracujú neustále a môžu dosahovať vysoké výkony. Sú vhodné aj pre životné prostredie, pretože ho nepoškodzujú, nezaberajú miesto na súši. Ich zostrojenie je pomerne jednoduché. Avšak majú aj nevýhody. Jednou z nich je zložité umiestnenie na morskom dne, zložitá údržba a môžu spôsobiť aj dopravnú kolíziu s morskými plavidlami. Elektráreň na morské prúdy s maximálnym výkonom 6 MW je zložená z desiatich jednotiek. Každá jednotka má priemer štvorlistového rotora 24 m. Výstavba elektrárne stojí približne 250 miliónov Slovenských korún. Investičné náklady na jeden watt sú 41,7 Slovenských korún. Účinnosť elektrárne je 50% až 61%. Životnosť je 10 až 15 rokov. Tieto elektrárne sa lokalizujú na miesta s prúdením vody s rýchlosťou viac ako 1m.s-1.


Hydrogeotermálna elektráreň

Jej princíp je v tom, že voda s vysokou teplotou prúdi z hlbín Zeme k výmenníku tepla v elektrárni, kde odovzdáva svoje teplo vode v druhom okruhu. Tá sa premieňa na paru s vysokým tlakom, ktorá prechodom cez parnú turbínu ju roztočí. Turbína je pomocou prevodov spojená s generátorom elektrického prúdu. Geotermálna elektráreň má vysoký výkon za stálej práci, neprodukuje žiadne škodliviny. Môže sa postaviť všade na pevnine. Nevýhoda je v zvýšenom riziku vzniku zemetrasení a prepadávaní zemskej kôry a v riziku uvoľnovania jedovatých zlúčením z vrtu, napríklad kyselina boritá. Geotermálna elektráreň s maximálnym výkonom 500 MW čerpá energiu na výrobu pary z vody, ktorá sa ohrieva v piatich hlbinných vrtoch, každý s hĺbkou vyše 1,5 kilometra.Výstavba elektrárne stojí 7,5 až 8 miliárd Slovenských korún. Investičné náklady na jeden watt sú 15 až 16 Slovenských korún. Účinnosť elektrárne je okolo 32% až 40%. Životnosť elektrárne je približne 25 až 30 rokov.
Prílivovo – odlivová elektráreň

Počas prílivu, keď sa hladina zdvíha, prúdi voda cez turbíny do zálivu, keď sa začína odliv, voda zo zálivu začne prúdiť cez turbíny naspäť do mora. Neprodukuje žiadny odpad, má veľký výkon, vysokú účinnosť. Pri jej existencii nehrozí žiadna katastrofa aj keby sa hrádza pretrhla. Nevýhody sú v tom, že je možnosť ju postaviť len na niekoľkých miestach, spravidla ďaleko od miesta spotreby. Jej výkon sa mení v závislosti od výšky prílivu. Prílivovo-odlivová elektráreň s maximálnym výkonom 2410 MW má 750 m dlhú hrádzu s ôsmimy vodnými turbínami. Výška maximálneho prílivu v danej oblasti je 6 m. Výstavba takejto elektrárne stojí okolo 30 miliárd slovenských korún. Investičné náklady na jeden watt sú 12,45 slovenských korún. Účinnosť elektrárne je podľa konštrukcie 60% až 70%. Životnosť elektrárne je asi 35 až 50 rokov. Umiestňujú sa v zálivoch s vysokým prílivom, veľkým objemom a s úzkym vchodom doň.


Veterná energia a veterné elektrárne

Patrí medzi nevyčerpateľné zdroje na Zemi, a preto sa im v súčastnosti venuje väčšia pozornosť, ako pred niekoľkými desiatkami rokov. Vzdušné prúdenie naráža na lopatky rotora a tým ho roztáčajú. Hriadeľ rotora je pomocou prevodov spojený s hriadeľom generátora, ktorý vyrába elektrický prúd. Všeobecne platí, že čím vyššie od zeme sa rotor nachádza, tým je rýchlosť prúdenia vzduchu vyššia, a tým je aj výkon elektrárne vyšší. Má širokú škálu výkonov, od niekoľko sto wattov pre domáce použitie, až po niekoľko tisíc kilowattov pre výrobu elektrickej energie do rozvodnej siete. Pri malých výkonoch sa ľahko údržuje a obsluhuje. Má možnosť pracovať plne automaticky a dajú sa kombinovať s inými elektrárňami, napr. s fotovoltickou, kolektorovou. Pri vzájomnej kombinácii sa dosiahne vyšší výkon na rovnakej ploche. Výkon elektrárne závisí od rýchlosti vetra, elektráreň najčastejšie pracuje len pri rýchlosti vetra 3 až 20 m.s-1.

Veterná elektráreň s maximálnym výkonom 500 kW má výšku okolo 30 m. Primer vrtule, ktorá má tri listy je 20 m. Tento typ elektrárne pracuje pri rýchlosti vetra 3 až 15 m.s-2 a stojí približne 16 až 20 miliónov slovenských korún. Investičné náklady na jeden watt sú okolo 32 až 40 slovenských korún. Účinnosť veterných elektrární sa pohybuje v rozmedzí 30% až 45% v závislosti od konštrukcie a použitých materiálov. Životnosť je 20 až 25 rokov. Veterné elektrárne sa lokalizujú na miesta s rýchlosťou priemerného ročného vzdušného prúdenia viac ako 3 m.s-1 (pobrežia morí a oceánov, horské priesmyky...).


Máme dostatok energetických zdrojov?

Vyspelý svet potrebuje obrovské množstvo energie nielen na zabezpečovanie tepla, svetla, osobnej a nákladnej dopravy, ale aj na pohon rozličných zariadení a podporu poľnohospodárstva. Máme však dostatočné energetické zdroje?

Pôvod energie

Väčšina našej energie pochádza zo Slnka, ktoré je zdrojom viac než 99% celkovej energie prichádzajúcej na povrch Zeme. Zvyšok tvorí teplo zemského vnútra (0,02%), tzv. geotermálna energia a prílivová energia, ktorá je dôsledkom príťažlivosti Mesiaca a Slnka (0,01%). Množstvo energie, ktoré dodáva Slnko Zemi, je obrovská, zodpovedá nepretržitej práci 178 miliónov veľkých elektrárni. Využiteľný je iba zlomok tejto energie, asi 30% sa rozptýli späť do atmosféry. Väčšina zvyšnej energie ohrieva vzduch a uniká (47%) alebo sa využíva v kolobehu vody (23%). Iba 0,06% využívajú rastliny na fotosyntézu.
Len nepatrnú časť slnečnej energie využívame priamo. Slnečné články vytvorili začiatkom 90. rokov iba 0,01% svetovej energie. Väčšina energie sa získava z fosílnych palív - uhlia, ropy a zemného plynu, ktoré vznikli v dávnych časoch premenou rastlinných zvyškov. Nahradenie fosílnych palív by trvalo mnoho miliónov rokov, preto sa tieto zdroje označujú ako neobnoviteľné.

Energetická kríza

Predpokladá sa, že pri súčasnej spotrebe energie sa zásoby ropy vyčerpajú v priebehu 30 rokov. Uhlie vydrží len na 170 rokov. Okrem toho stúpajúca spotreba energie nepriaznivo ovplyvňuje životné prostredie. Spaľovanie veľkého objemu uhlia silne znečisťuje ovzdušie a spôsobuje globálne otepľovanie, výstavba hydroelektrárne často prináša zatopenie poľnohospodárskych oblastí a navyše vážne ohrozuje pôvodné ekosystémy. Slnko je jediným zdrojom energie, na ktorý sa ľudstvo môže plne spoľahnúť. Slnečná energia nám dokáže poskytnúť všetko, čo z hľadiska energie potrebujeme a to často veľmi jednoducho.