SURSE DE ENERGIE

2 SURSE DE ENERGIE

Sursele de energie de care dispune în prezent omenirea pot fi clasificate după mai multe criterii. Astfel, sursele de energie pot fi:

•   naturale, numite şi surse de energie primară;

•   artificiale, numite şi surse secundare de energie. După durata de exploatare şi posibilităţile de refacere, sursele naturale pot fi:

•   epuizabile;

•   inepuizabile.

Din categoria surselor epuizabile fac parte combustibilii fosili (cărbuni, ţiţei, gaze) şi cei nucleari (uraniu, thoriu, plutoniu). Din categoria surselor inepuizabile fac parte formele de energie bazate pe anumite fenomene naturale: energia hidraulică, solară (figura 1), geotermica, eoliană, energia mareelor şi valurilor, energia produsă de biomasă, precum şi energia termonucleară de fuziune.

Sursele epuizabile la rândul lor sunt neregenerabile şi regenerabile.

Sursele naturale epuizabile se refac în perioade geologice îndelungate, ce nu pot fi luate în considerare din punct de vedere practic. Nu trebuie trecut cu vederea nici faptul că atât ţiţeiul cât şi gazul metan constituie surse de materii prime extrem de valoroase şi uneori de neînlocuit pentru industria chimică. Prin urmare, ar trebui, pe cât posibil, să se evite utilizarea lor drept combustibili, mai ales în termocentrale, unde pot fi utilizaţi cărbuni inferiori (cu dezavantajul că prin ardere degajă o cantitate mică de căldură, dar o cantitate mare de gaze poluante).

Sursele inepuizabile se regenerează continuu sub influenţa energiei primite de la soare şi nu sunt poluante.

După disponibilitatea tehnologiilor de valorificare, sursele de energie pot fi:

•  convenţionale - cele pentru care dispunem, la ora actuală, de tehnologii de valorificare eficiente şi economic avantajoase. Sursele de energie convenţională sunt: combustibilii fosili (cărbuni, ţiţei, gaze naturale), combustibili nucleari, energia hidraulică;

•  neconvenţionale   - cele pentru care tehnologiile de valorificare sunt în stadiul experimental sau pentru care costurile de producere a energiei utile sunt mari. Includem în această categorie energia solară, eoliană, geotermica, a valurilor (figura 2), fuziunea nucleară.

Surse de energie primară

In categoria surselor primare intră toate formele de energie care pot fi preluate şi valorificate în mod direct: chimică, nucleară, luminoasă, energia apelor şi a vântului.

1.  Energia înmagazinată în combustibili fosili (sub formă de energie chimică)

Această energie se pune în libertate prin reacţii chimice de oxidare care au loc cu degajare de căldură (energie termică). In combustibili este înmagazinată o cantitate de energie chimică, energie prezentă în legăturile existente în interiorul moleculelor. Când aceste legături se rup la combustie, o parte din energie se transformă în căldură iar alta în lumină. Din punct de vedere al stării de agregare, combustibilii pot fi:

• solizi -» naturali: lemn (figura 3), cărbuni fosili (turbă, lignit, antracit);

-» artificiali: cărbune de lemn.

•  lichizi: petrol;

•  gazoşi: gaze naturale.

Valoarea economică a unui combustibil depinde de cantitatea de căldură dezvoltată în timpul combustiei (putere calorică - tabel 1).

Cărbunii (figura 4) constituie o sursă importantă de energie deoarece se găsesc în cantităţi foarte mari, iar zăcămintele de cărbuni sunt răspândite relativ uniform în subsolul întregii planete. Ca dezavantaje ale utilizării cărbunilor amintim: instalaţiile de ardere şi de evacuare a cenuşii sunt complicate; sulful conţinut de cărbune constituie un element puternic poluant.

Petrolul este cea mai importantă sursă energetică mondială datorită puterii calorice foarte mari a acestuia. Spre deosebire de cărbune, ţiţeiul poate fi tratat prin desulfurare înainte de ardere.

Dezavantaje: zăcămintele de petrol sunt plasate doar în câteva zone ale globului, iar rezervele sunt mult mai mici decât cele de cărbune.

Gazele naturale sunt avantajoase sub aspectul simplităţii instalaţiilor de ardere şi al puterii calorice, dar sunt mai dificil de transportat şi depozitat, iar rezervele sunt limitate.

Gazul metan este o resursă energetică optimă, mai curată, nu dă reziduuri la combustie şi nu prezintă impurităţi.

Gazul lichid (GPL), format din hidrocarburi gazoase, este utilizat drept combustibil în zonele unde nu există reţea de distribuţie cu gaz metan.

2.   Energia nucleară conţinută în combustibilii nucleari poate fi transformată în energie termică prin reacţii de fisiune sau de fuziune. Energia termică nu poate fi utilizată în
mod direct, ci doar după transformarea ei în energie electrică.

Marea speranţă pentru viitor o constituie energia eliberată prin fuziunea unor nuclee uşoare (hidrogen, deuteriu, tritiu) practic inepuizabile pe Pământ, când se degajă o cantitate uriaşă de energie. Fuziunea nucleară este responsabilă pentru producerea căldurii degajate de Soare.

3. Energia solară se referă la transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită pentru a genera energie electrică (panouri fotovoltaice) sau pentru încălzirea interiorului unei clădiri (panouri solare).

Totodată, încălzind în mod diferit straturile atmosferice, energia solară determină indirect deplasarea acestora, deci, implict, formarea curenţilor de aer şi a vântului. Fenomenele de evaporare a apelor de suprafaţă, formarea norilor şi a precipitaţiilor au la bază, de asemenea energia solară. Şi tot ei îi este datorat procesul de fotosinteză la plante şi eliminarea în mediu a oxigenului, atât de necesar vieţii pe Pământ.

4.  Energia geotermică reprezintă energia termică a unor ape subterane (ape termale - figura 5). In Islanda, 40% din locuinţe precum şi numeroase sere se încălzesc folosind energia geotermică. La noi în ţară se fac încercări de utilizare a energiei geotermice la Oradea. Distribuţia geografică neuniformă a acestei surse o fac importantă numai pe plan local.

5.  Energia eoliană este cea mai veche formă de energie utilizată prin transformarea ei în energie mecanică (exemplu: transportul pe apă). Totodată energia curenţilor de aer este transformată cu ajutorul unei turbine eoliene în energie electrică (figura 6). Este limitată la zonele unde există curenţi de aer constanţi, dar poate avea o contribuţie la rezolvarea problemei energetice pe plan local, de exemplu alimentarea cu energie electrică în zonele greu accesibile.

6.  Energia hidraulică este datorată curgerii unor fluide (apă). In practică, este energia produsă în hidrocentrale cu ajutorul mişcării apei, datorită diferenţei de nivel între locul de acumulare şi centrală.

7.   Energia mareo-motrică este datorată fluxului şi refluxului marin şi se poate utiliza în zonele unde diferenţa de nivel a apei între flux şi reflux este de cel puţin 10 m. Se utilizează in Canada, Anglia, SUA. In Franţa a fost contruită prima centrală de acest fel, în estuarul râului Rance, aceasta producând anual 544 GWh. Este datorată forţelor gravitaţionale exercitate de Soare şi Lună, precum şi ca urmare a rotaţiei terestre.

8.   Resurse alternative. In condiţiile actuale ale manifestării crizei de energie şi materii prime de tip hidrocarburi, un rol deosebit revine resurselor alternative şi anume: hidrogenul, biomasa şi metanolul.

Hidrogenul se obţine în prezent în cea mai mare parte din hidrocarburi. In momentul în care se va putea obţine în mod economic din apă, gradul de asigurare ar fi practic nelimitat, deoarece prin arderea lui rezultă din nou apă. Hidrogenul poate fi utilizat drept combustibil pentru obţinerea energiei electrice, carburant nepoluant pentru motoare şi materie primă petrochimică. Alte avantaje ale utilizării lui constau în faptul că poate fi stocat şi transportat uşor.

Pentru viitor, se consideră că vor deveni rentabile procesele de electroliză a apei. energia electrică provenind din surse mareo-motrice, eoliene sau solare.

Biomasa prezintă interes în ţările cu climă tropicală şi subtropicală unde regenerarea materiei prime (plantele) are loc în mod spontan sau există suprafeţe mari de teren neutilizabile pe care se pot cultiva - de exemplu trestie de zahăr. Extinderea necontrolată a exploatării resurselor vegetale provoacă însă grave probleme ecologice.

Materia organică creată prin fotosinteză se poate valorifica, dat fiind energia chimică înmagazinată în aceasta. Astfel, se utilizează în scop energetic deşeurile activităţilor agricole, zootehnice, forestiere.

In prezent, există ţări ca Brazilia, unde biomasa este valorificată prin procese fermentative, iar alcoolul etilic obţinut se utilizează în amestec cu benzina drept combustibil.

Deşeurile celulozice (frunze, paie - figura 7) împreună cu reziduurile din activitatea zootehnică produc biogaz - un gaz combustibil cu putere calorică foarte mare, ce conţine aproximativ 60%-70% metan.

Deşeurile urbane - figura 8 pot fi utilizate prin ardere la producerea energiei electrice. Elveţia incinerează 40% din deşeurile solide urbane, Germania 40%, Franţa 35%.

Metanolul se obţine în prezent în cea mai mare parte din metan şi poate constitui un substituent parţial sau total al benzinei în motoarele cu ardere internă. Chiar dacă randamentele sunt mai scăzute, trebuie să ţinem seama de faptul că este un combustibil nepoluant. Pentru viitor se preconizează obţinerea de mari cantităţi de metanol din cărbuni şi biomasă.

Surse de energie secundară

In această categorie sunt încadrate acele forme de energie care rezultă din sursele primare: termică, electrică, mecanică, luminoasă. Sursele secundare (căldura mărilor, energia electrică a fulgerelor - figura 9) se întâlnesc şi ele în natură, la fel ca şi cele primare. Ele, se consideră secundare atunci când se obţin din cele primare.

Energia electrică este o formă secundară deoarece se obţine prin transformarea altor forme de energie cum sunt: chimică, solară, hidraulică, nucleară.

Energia termică se obţine prin conversia energiei chimice, mecanice, electrice, nucleare, solare.

Energia mecanică se obţine din energia electrică, chimică, termică, nucleară.

Energia luminoasă se obţine din energie electrică, termică, chimică, nucleară.

Reţineţi

Sursele de energie pot fi clasificate în surse primare (epuizabile şi inepuizabile) şi surse secundare, obţinute din cele primare. Se poate considera că pe Pământ există două surse primordiale de energie: fuziunea nucleară (energia solară) şi gravitaţia universală.

Deoarece este o formă de energie uşor de transformat (cu randamente bune) în alte forme de energie, energia electrică a devenit forma de energie cea mai utilizată în economia contemporană.

SURSE ENERGETICE SPECIFICE ZONEI

Ţara noastră dispune de resurse energetice primare (cărbuni, petrol, gaze naturale, şisturi bituminoase), care datorită intensei şi îndelungatei exploatări, nu constituie rezerve însemnate. Cărbunii ocupă primul loc ca rezerve şi producţie.  Geografia actuală a industriei cărbunelui evidenţiază exploatările carbonifere pentru: huilă (Depresiunea Petroşani, Munţii Banatului), cărbune brun (Bazinele Ţebea, Mesteacăn, Almaşului), lignit (Bazinele Rovinari, Motru, Horezu). Zăcămintele şi exploatările de petrol sunt concentrate în sudul ţării, între Carpaţi şi Dunăre - Marea Neagră. Intâlnim zăcăminte în exploatare în Subcarpaţii Moldovei, Câmpia de Vest şi Platforma continentală a Mării Negre. Gazele naturale au fost exploatate în ţara noastră abia la începui colului al XX-lea, mult mai târziu decât în cazul cărbunilor şi al petrolului. Gazele naturale se găsesc sub formă de gaz metan (numai în Podişul Transilvaniei) şi sub formă de gaze de sondă exploatate odată cu petrolul. Uraniul se găseşte în Munţii Apuseni (zona oraşului Ştei), Munţii Banatului şi Munţii Orăştiei.

Energia solară poate fi utilizată intens în Dobrogea, Câmpia Română, Câmpia de Vest, Banat unde durata de strălucire a soarelui este mare (2400 de ore anual). Zone cu flux energetic solar important sunt şi podişurile Transilvaniei şi Moldovei. Sursele geotermale din vestul ţării au fost valorificate pe aliniamentul staţiunilor Băile Felix - Geoagiu Băi - Tinca - Buziaş. Energia eoliană, valorificată izolat până în prezent, are un potenţial ridicat în zonele montane înalte şi în sudul tării.

Dispunerea surselor de energie regenerabilă pe teritoriul României este redată în figura 10.

I. 

Fig. 10Dispunerea surselor de energie regenerabilă

Delta Dunării: energie solară;

II.    Dobrogea: energie solară şi eoliană;

III.  Moldova: energie eoliană, micro-hidro, biomasă;

IV.      Carpaţii: biomasă, micro-hidro;

V.    Platoul Transilvaniei: micro-hidro;

VI.   Câmpia de Vest: energie geotermică;

VII.   Subcarpaţii: biomasă, micro-hidro;

VIII.                                                                              Câmpia de sud: biomasă, energie geotermică, energie solară

FORME DE ENERGIE

1 FORME DE ENERGIE

„ Dacă un fizician ar vrea să descrie un măr cuiva care nu a văzut în viaţa lui vreunul, ar lua pur şi simplu o felie de măr şi ar pune-o pe masă în faţa persoanei respective, lăsând-o s-o guste, s-o miroasă, s-o pipăie. Dar energia nu poate fi pusă, pur şi simplu, pe masă. Ea se poate manifesta, de exemplu, ca energie de mişcare, aşa cum legenda ne spune că s-a întâmplat în cazul lui Isaac Newton, care a descoperit gravitaţia atunci când a fost lovit de un măr care a căzut din copac. Mărul aflat în cădere elibera energie potenţială."

Glenn T. Seaborg

Termenul de energie reprezintă o noţiune complexă, cu multiple valenţe economice, sociale, tehnice. De exemplu, energia noastră provenită din hrană, reprezintă energia chimică stocată în alimente. Lumina, sunetul, căldura, electricitatea, gravitaţia, toate acestea sunt forme de manifestare a energiei (figura 1).

Dar, ce este energia?

Universul care ne înconjoară - materia în mişcare există sub două forme: de substanţă şi de câmp de forţe. Cea mai generală definiţie prezintă energia ca măsură a mişcării materiei.

Conform DEX, în accepţiunea fizicii, energia exprimă capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic atunci când suferă o transformare dintr-o stare în altă stare.

Termenul energie, de origine greacă, a fost folosit prima data de Kepler în sensul de "putere emanată de corpuri". In sensul actual energia este o mărime care depinde de starea fizică instantanee a sistemului şi care, dacă sistemul nu interacţionează cu mediul exterior, rămâne constantă.

O definiţie mai puţin ştiinţifică a energiei, dar pe înţelesul tuturor, ar fi: ceea ce trebuie furnizat sau luat unui sistem material pentru a-l transforma.

Energia în Univers nu poate fi niciodată creată sau distrusă, ci doar transformată dintr-o formă în alta. Ori de câte ori are loc o acţiune, energia se transformă. Toate formele de manifestare ale energiei sunt echivalente. De aceea, indiferent de tipul ei, mecanică, chimică, termică, electrică etc. se măsoară în aceeaşi unitate de măsură, Joule cu simbolul J. In schema alăturată sunt date câteva exemple de ordine de mărime. Pentru a aprecia valorile date, amintim că 1J reprezintă energia ccesară unei cantităţi de apă pură cu masa de 0,24 g pentru a-i ridica temperatura cu 1°C la presiunea atmosferică constantă sau cantitatea necesară unui gram de apă pură să-şi ridice temperatura cu 0,24° C.

Energia mecanică reprezintă capacitatea unui corp de a efectua un lucru mecanic, datorită unor factori mecanici: acţiunea unor forţe exterioare, ciocnire etc.

Formele energiei mecanice sunt:

• energia cinetică este egală cu lucrul mecanic necesar pentru a scoate un corp din repaus şi a-l aduce în stare de mişcare

Ec=mv2/2, unde v - viteza corpului;    m - masa corpului. Exemplu: energia unui automobil (figura 2).

• energie potenţială este egală cu lucrul mecanic necesar pentru schimbarea poziţiei corpului într-un câmp de forţe. Exemplu - energia potenţială gravitaţională (figura 3): E_p=mgh  unde m - masa;      g - acceleraţia gravitaţională; h   -   înălţimea corpului faţă de planul orizontal.

Energia termică este energia corespunzătoare mişcării atomilor şi moleculelor din care sunt alcătuite corpurile.

Corpurile aflate în contact termic pot schimba energie prin căldură, ceea ce are drept rezultat schimbarea temperaturii corpului, modificarea stării de agregare a acestuia sau efectuarea de lucru mecanic de către corp. Folosim noţiunea de căldură când vorbim despre procese în care corpurile schimbă între ele sau cu mediul exterior energie şi folosim strict noţiunea de energie atunci când vorbim despre starea unui corp la un moment dat.

Ca unitate de măsură pentru căldură se foloseşte şi caloria (1cal = 4,18 J).

Energia chimică este energia datorată asocierii atomilor în molecule, ca urmare a existenţei legăturilor chimice. Ea se poate defini pe baza lucrului mecanic al forţelor electrice şi nucleare ca urmare a rearanjarii sarcinilor electrice, a electronilor şi protonilor (figura 2).

Energia electrică este energia corespunzătoare mişcării ordonate a electronilor în conductori.

Energia radiantă este energia care se propagă în spaţiu sub formă de radiaţii, transportată pe Pământ prin lumină sau prin alte unde electromagnetice (raze y, raze X, ultraviolete, microunde, unde radio). Pe Pământ, aceasta se transformă în mod direct, sau indirect, în celelalte forme de energie.

Energia solară provine din reacţii de fuziune nucleară, ea este deci de origine nucleară.

Energia nucleară reprezintă energia degajată într-o reacţie nucleară de fisiune, fuziune sau dezintegrare radioactivă:

·       fisiune - scindarea nucleului atomic al elementelor grele în două nuclee mai mici producându-se sub acţiunea (ciocnirea) unor particule incidente (exemplu neutroni);

·       fuziune - unirea a două nuclee uşoare pentru a forma un nucleu mai greu şi eliberarea unei mari cantităţi de energie.

Forme de energie utilizate de om:

1.    Energia înmagazinată în combustibil: energia chimică, energia nucleară.

2.  Forme direct utilizabile:

•   energia mecanică: energia cinetică a vântului (eoliană), a valurilor şi mareelor (mareomotrică); energia cursurilor de apă (hidraulică);

•   energia geotermică: utilizarea căldurii interne a Pământului în centrale geotermice;

•   energia solară

în figura 5 se arată modul în care se distribuie către Pământ energia provenită de la Soare.

Care sunt posibilităţile de conversie a energiei?

Unele forme de energie pot fi utilizate aşa cum se găsesc în natură {exemplu: energia chimică, nucleară, luminoasă). Alte forme necesită conversie {exemplu: obţinerea energiei termice din energie chimică).

Posibilităţile de conversie între formele de energie sunt ilustrate în figura 6.

Uzual, nu toată energia disponibilă poate fi transformată intr-o altă formă de energie utilă. Trecerea energiei dintr-o formă în alta se face cu un randament subunitar. Randamentul reprezintă raportul dintre energia utilă şi cea consumată.

Exemplu: Un bec de 100W care consumă 100 J/s energie electrică, furnizează doar 5 J/s energie luminoasă şi cedează 95 J/s încăperii sub formă de căldură. Randamentul becului este 5%.