Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

13

Modulul 1

INTRODUCERE ÎN SURSE DE ENERGIE PRIMARĂ

Cuprins

Obiective...........................................................................................................................13

Unitatea de învăţare 1. Obiectul şi conţinutul disciplinei. Surse regenerabile de energie:

noţiuni generale.................................................................................................................14

Unitatea de învăţare 2. Energia şi mediul ambiant: combustibilii fosili şi schimbarea

climei. Surse regenerabile de energie şi dezvoltarea durabilă...........................................18

Teste de autoevaluare...................................................................................................17;21

Lucrare de verificare.....................................................................................................17;21

OBIECTIVELE MODULULUI 1

- să dobândească cunoştinţe legate de conversia diferitelor forme de energie;

- să descrie tipurile de energie;

- să explice folosirea resurselor reînnoibile de energie;

- să enumere şi să definească sursele regenerabile de energie;

-să explice formele de energie existente.

-să enumere formele energiei solare;

-să explice circulaţia fluxurilor de energie în mediul terestru;

-să indice diferenţa dintre energia surselor regenerabile şi cele fosile.

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

14

Unitatea de învăţare nr. 1

OBIECTIVUL ŞI CONŢINUTUL DISCIPLINEI. SURSE REGENERABILE DE

ENERGIE: NOŢIUNI GENERALE

Unitatea de studiu 1.1

Obiectivul şi conţinutul disciplinei. Surse regenerabile de energie : Notiuni Generale

Cuprins

Obiectivul şi conţinutul disciplinei. Surse regenerabile de energie: noţiuni generale.

Energia şi mediul ambiant.

Test de autoevaluare

Lucrare de verificare

OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 1.1.

- să dobândească cunoştinţe legate de conversia diferitelor forme de energie;

- să descrie tipurile de energie;

- să explice folosirea resurselor reînnoibile de energie;

- să enumere şi să definească sursele regenerabile de energie;

-să explice formele de energie existente;

1.1. Obiectivul şi conţinutul disciplinei. Surse regenerabile de energie: noţiuni generale.

Energia şi mediul ambiant.

Problema energiei a fost, este şi va fi problema centrală a omenirii. Una din cele mai

mari provocări ai secolului XXI constă în asigurarea accesului fiecărui cetăţean al planetei

Pământ la energie curată (nonpoluantă), durabilă şi la un cost rezonabil. Producerea

(conversia) energiei din surse fosile provoacă poluarea mediului şi schimbarea climei.

Pe parcurs de milenii omenirea a folosit pentru satisfacerea necesităţilor sale doar

energie regenerabilă. Începând cu secolul XIX se creează noi sisteme energetice bazate pe

avantajele incontestabile ale surselor fosile: concentrare ridicată, posibilitate de stocare, pot fi

transportate la distanţe mari şi convertite în alte tipuri de energie - termică, mecanică,

electrică. Pe parcursul a circa 200 ani omenirea a creat un complex energetic grandios şi greu

de imaginat, care asigură serviciile fundamental: iluminatul, încălzirea, refrigerarea,

transport, procesele tehnologice, etc.

Există trei tipuri principale de energie:

- Cinetică - caracterizează starea de mişcare a corpului.

- Potenţială - determinată de forţele de acţiune asupra corpului din partea altor corpuri,

atât la nivel macro, cât şi la nivel micro.

- Energia proprie a corpului - determinată de masa corpului şi viteza luminii (E = m·c2,

unde c - este viteza luminii în vid).

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al

energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a

vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice şi a căldurii geotermale pot fi captate

de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-reînnoibile includ energia

nucleară precum şi energia generată prin arderea combustibililor fosili, aşa cum ar fi ţiţeiul,

cărbunele şi gazele naturale. Aceste resurse sunt, în chip evident, limitate la existenţa

zăcămintelor respective şi sunt considerate în general (a se vedea teoria academicianului

român Ludovic Mrazec de formare anorganică a ţiţeiului şi a gazelor naturale) ne-

regenerabile.

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

15

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliană

energia solară

energia apei

o energia hidraulică

o energia mareelor

energia geotermică

energie derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz

Cele mai răspândite şi uzuale forme de energie sunt: chimică, termică, electrică,

electromagnetică şi nucleară. Energia chimică este înmagazinată în legăturile atomice care

formează moleculele. Când diferite elemente chimice reacţionează între ele aceste legături se

rup sau se modifică, adesea generând energie în formă de căldură. La nivel micro, energia

surselor fosile de energie (cărbune, petrol, gaze naturale, lemne, etc.) poate fi considerată ca

energie potenţial a legăturilor atomice, care la arderea combustibilului se rup, se modifică şi

se degajă energie.

Energia termică este suma energiei cinetice şi potenţiale ale tuturor atomilor şi

moleculelor în mişcare şi care formează un corp solid, lichid sau gazos. Cu cât viteza de

mişcare a atomilor şi moleculelor este mai mare cu atât temperatura corpului va fi mai mare.

Energia electrică este un flux de particule încărcate cu sarcina electrică. Mişcarea

particulelor este produsă de forţa câmpului electric cauzată de diferenţa de potenţial. Odată ce

purtătorii de sarcina electrică se mişcă, înseamnă, că ei posedă energie cinetică. La nivel

micro, energia electrică este o formă a energiei cinetice.

Energia electromagnetică este transmisă prin intermediul undelor cu diferite lungimi.

Un exemplu semnificativ de energie electromagnetică este energia solară, care prezintă un

spectru de unde electromagnetice de diferite lungimi, cu ajutorul cărora energia soarelui prin

spaţiu ajunge la suprafaţa pământului. Dar unda electromagnetică, în acelaşi timp, are

proprietăţi de particulă, care se mişcă cu viteza luminii, deci energia electromagnetică este

energie cinetică.

Energia nucleară este energia obţinută în urma reacţiei de fisiune a nucleului atomic

(uranium-235 sau plutonium-239). Fisiune înseamnă a scinda, a diviza nucleul atomic in mai

multe fragmente. Diferenţa de masă a nucleului iniţial şi a sumei maselor fragmentelor se

transformă în energie cinetică a acestora, care, la rândul său, în reactorul nuclear se

transformă în energie termică. În procesul de fisiune nucleară se degajă doar 0,1% din energia

proprie (E=mc2) a atomului, celelalte 99,9% rămân înmagazinate în masa fragmentelor -

protonilor şi neutronilor nou create.

În procesele fizice energia nu poate fi distrusă sau diminuată, ea poate fi doar convertită

(transformată) dintr-o formă de energie în alta. În tabelul 1 sunt prezentate posibilităţi de

conversie a energiei dintr-o formă în alta.

Tabelul 1.1. Conversia diferitor tipuri de energie

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

16

Noi convertim energia chimică stocată în cărbune, petrol, gaze naturale, lemne sau

energia stocată în nucleul atomic, sau gravitaţională a apei, sau energia cinetică a vântului,

sau energia radiaţiei solare în căldură şi lumina pentru uzul casnic, energie electrică pentru a

pune în mişcare maşinile unelte, producere de bunuri materiale, în energie cinetică pentru a

mişca echipamentele.

Energia primară constituie toată energia conţinută în sursa originală. Principalele surse

originale sunt combustibilii fosili (cărbunele, petrolul şi gazele naturale), biocombustibili, la

care se adaugă energia hidraulică şi geotermală şi alte surse regenerabile de energie (solară,

eoliană şi energia nucleară).

Prin conversia energiei solare în energie electrică folosim module fotovoltaice (PV) în

care se folosesc trei consumatori: bec cu incandescenţă, bec fluorescent compact (LFC) şi un

motor electric. Randamentele consumatorilor sunt respectiv egale cu 5, 20 şi 90% (fig.1.)

Fig. 1.1 Energia primară, livrată şi utilă: cazul energiei regenerabile

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

17

1.2. TEST DE EVALUARE

1. Energia proprie a corpului este determinată:

a) de masa corpului şi de starea de mişcare a acestuia;

b) de viteza luminii şi de forţele de acţiune asupra corpului din partea altor corpuri;

c) de masa corpului şi de viteza luminii.

2. Formele de energie exploatate pe pământ sunt:

a) chimică, termică, electrică;

b) electromagnetică, nucleară;

c) căldură.

3. Energia termică este:

a) un flux de particule încărcate cu sarcini;

b) suma energiei cinetice şi potenţiale ale tuturor atomilor şi moleculelor în mişcare

care formează un corp;

c) înmagazinată în legături atomice

1.3. LUCRARE DE VERIFICARE

1. Explicaţi formele de energie: termică, chimică, electrică, electromagnetică şi

nucleară.

2. Cum are loc conversia fiecărui tip de energie în celelalte?

3. La ce se referă energia regenerabilă?

RĂSPUNSURI LA TESTUL DE EVALUARE

1. C; 2. A,B; 3. B.

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

18

Unitatea de învăţare nr. 2

ENERGIA ŞI MEDIUL AMBIANT: COMBUSTIBILII FOSILI ŞI SCHIMBAREA

CLIMEI. SURSE REGENERABILE DE ENERGIE ŞI DEZVOLTAREA DURABILĂ

Unitatea de studiu 2.1

Energia şi mediul ambient: Combustibili fosili şi schimbarea climei. Surse regenerabile de

energie şi dezvoltarea durabilă

Cuprins

Obiective

Test de autoevaluare

Lucrare de verificare

OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 2.1.

-să enumere formele energiei solare;

-să explice circulaţia fluxurilor de energie în mediul terestru;

-să indice diferenţa dintre energia surselor regenerabile şi cele fosile.

Utilizarea combustibililor fosili a condus la apariţia a mai multor consecinţe negative:

poluarea bazinelor aerian şi acvatic, ploi acide, degradarea solului, secarea resurselor naturale

şi la pericolul poluării radioactive. Efectul de seră constă în reţinerea de către învelişul

atmosferic a căldurii primite de către pământ de la soare. Radiaţia solară cu lungimea de undă

scurtă (partea vizibilă a spectrului) pătrunde relativ uşor prin atmosfera terestră şi încălzeşte

suprafaţa pământului şi atmosfera. Concomitent are loc şi procesul invers - pământul radiază

în spaţiul cosmic o parte de căldură primită de la soare, dar deja în spectrul undelor lungi

infraroşii pentru care atmosfera este parţial opacă. Dacă pământul nu ar avea atmosferă,

temperatura medie la suprafaţa acestuia ar fi de circa -18 0C. Datorită vaporilor de apă,

bioxidului de carbon (CO2) şi altor gaze, numite gaze cu efect de seră (GES), s-a stabilit un

echilibru termic natural în urma căruia temperatura medie la suprafaţa solului este de + 15 oC.

Sursele regenerabile de energie (SRE) sunt energii obţinute din fluxurile existente în

mediul ambiant şi care au un caracter continuu şi repetitiv. Prin eliberarea energiei stocate în

combustibilii fosili sau cel nuclear noi poluăm mediul ambiant cu deşeuri deci amplificăm

efectul de seră şi contribuim la poluarea termică a mediului-figura 1. Fluxul de energie

regenerabilă are un caracter închis, iar cel de energie fosilă - deschis. În cazul folosirii

surselor regenerabile de energie, fluxul de energie provenit din mediul ambiant se transformă

cu ajutorul instalaţiei de conversie într-o altă formă de energie, necesară consumatorului, şi

apoi se reîntoarce (conform legii conservării cantitatea de energie rămâne neschimbată) în

acelaşi mediu, echilibrul termic al acestuia nefiind afectat.

a. b.

Fig. 2.1. Circulaţia fluxurilor de energie: a - regenerabilă; b - din surse fosile

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

19

Sursele regenerabile de energie se clasifică în două grupe:

- energia solară şi derivatele acesteia - eoliană, hidraulică, energia biomasei, valurilor

maritime şi termică a oceanului planetar. În figura 2 sunt prezentate principalele forme de

energie solară: termică şi fotovoltaică (PV) obţinute prin conversia directă a radiaţiei solare în

căldură sau, respectiv, electricitate şi celelalte forme de energie obţinute indirect din cea

solară.

- geotermală şi energia mareelor, absorbită direct de colectoare solare, radiaţia solară

poate produce apă caldă, încălzi spaţiile. Concentrată cu ajutorul reflectoarelor speciale,

radiaţia solară poate genera energie termică la temperaturi mai mari de 3000C, care la rândul

său poate fi folosită pentru producerea energiei electrice.

Tehnologia de conversie, în care radiaţia solară este transformată direct în energie

termică adesea este numită energia solară termică.

Radiaţia solară poate fi transformată direct în energie electrică cu ajutorul modulelor

fotovoltaice.

Diferenţa de temperaturi ale maselor de aer conduce la o diferenţă de presiune şi ca

rezultat apar curenţi enormi de aer îndreptaţi spre zonele polare sau altfel spus apare vântul,

care poate fi transformat în energie mecanică cu ajutorul turbinelor eoliene.

Forţele de frecare dintre curenţii de aer şi suprafaţa apei mărilor şi oceanelor generează

valuri care posedă energie cinetică. Această energie duce la conversia energiei valurilor în

energie electrică.

O altă formă de energie solară indirectă este cea hidraulică ce apare ca rezultat al

evaporării, sub acţiunea razelor solare, a apei oceanului planetar (energia termică solară se

transformă în energie potenţială). Condensându-se, apa cade sub formă de ploaie, fiind

acumulată în rezervoare mari poate fi transformată în energie electrică cu ajutorul

hidrogeneratoarelor.

Fig. 2.2. Principalele forme ale energiei solare

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

20

Energia biomasei are origine solară. În urma procesului de fotosinteză, din bioxidul de

carbon din atmosferă şi apă, sub acţiunea razelor solare, se generează biomasa bogată în

hidrocarburi. Deşi la arderea biomasei se degajă bioxid de carbon, cantitatea acestuia nu

depăşeşte cantitatea absorbită din atmosferă în procesul de fotosinteză. Biomasa se consideră

neutră în ceeace priveşte poluarea atmosferei cu bioxid de carbon.

Energia geotermală este generată de rocile calde ale pământului. Temperatura înaltă în

adâncurile pământului a fost iniţial cauzată de forţele gravitaţionale care au şi format planeta.

Energia mareelor are la originea fluxul şi refluxul cauzate de forţa gravitaţională dintre

Pământ şi Lună. Folosind baraje, putem capta (stoca) energia apei mânată de fluxul

gravitaţional în formă de energie potenţială. Apoi, apa se revarsă înapoi în mare prin turbina

hidraulică, generând electricitate.

Celula de combustie transformă direct energia hidrogenului (fără a fi transformată în

energie mecanică) în energie electrică şi termică fără a emite în atmosferă produse nocive (se

produce doar apă).

Tabelul 2.1. Producerea de electricitate din SRE

Obiectivul principal al Strategiei Europene cu privire la sursele regenerabile de energie

este asigurarea către anul 2010 din surse regenerabile 12 - 15% din consumul intern brut.

Cele trei tipuri de surse regenerabile de energie - biomasa, hidro şi eoliană au cea mai mare

pondere, atât în consumul brut de energie, cât şi în producerea de energie electrică (tabelele

2.1 şi 2.2).

Tabelul 2.2. Consumul brut de energii regenerabile în Uniunea Europeană

Modulul 1: Introducere în surse de energie primară

21

2.2. TEST DE AUTOEVALUARE

1. Sursele regenerabile de energie se clasifică în:

a) energie solară cu derivatele acesteia;

b) geotermală şi energia mareelor;

c) derivate din biomasă;

2.Care sunt consecinţele negative ale combustibililor fosili?

a) poluarea mediului;

b) secarea resurselor naturale;

c) păstrarea echilibrului natural.

3.Energia hidraulică este:

a) formă de energie solară indirectă;

b) formă de energie solară directă

c) apare ca rezultat al transformării energiei termice solare în energie potenţială.

4.Energia biomasei:

a) are origine solară;

b) are origine fosilă;

c) se obţine în urma procesului de fotosinteză sub acţiunea razelor solare.

5.Generarea valurilor este datorată:

a) forţelor de frecare dintre curenţii de aer şi suprafaţa mării;

b) forţelor de frecare dintre apă şi tărm;

c) forţelor de frecare dintre corpul ce pluteşte şi apa mării.

2.3. LUCRARE DE VERIFICARE

1. Care sunt principalele forme ale energiei solare?

2. Cum are loc circulaţia fluxurilor de energie regenerabilă?

3. Explicaţi apariţia energiei biomasei şi avantajele acesteia.

RĂSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE

1. A,B ; 2. A,B ; 3. A,C ; 4. A,C ; 5. A.