Źródła energii XXI wieku
W energetyce światowej wiek XIX był epoką węgla i pary wodnej. Z kolei, wiek XX był epoką ropy naftowej i gazu. Co będzie podstawowym źródłem energii w XXI wieku?
Energetyka konwencjonalna ma wiele wad takich jak: generowanie trujących gazów (np. tlenku węgla), wytwarzanie smogu w terenach uprzemysłowionych (np. tlenek azotu), wytwarzanie gazów cieplarnianych (np. dwutlenku węgla). Istotnym czynnikiem powodującym ograniczanie produkcji energii opartych o paliwa kopalniane jest to, że następuje wyczerpywanie się zapasów paliw stałych, ciekłych i gazowych.
Ważnym również aspektem w rozważaniu przyszłościowych źródeł energii są uwarunkowania międzynarodowe. Zgodnie z planami Unii Europejskiej, udział źródeł energii odnawialnych w wytwarzaniu energii zostanie podwojony z 6 % w 1998 roku do 12% w roku 2010, z tym, że dla produkcji energii elektrycznej udział ten wzrośnie do 22 %. (White Paper oraz Green Paper UE). Na Świecie prognozowana jest także redukcja o 8 % emisji gazów cieplarnianych w latach 2008-2012, w porównaniu z rokiem 1990. (Kyoto Protocol). Wymagania te powodują, że musimy zredukować ilość otrzymywanej energii, która pochodzi ze spalania.
Alternatywą dla otrzymywania energii przez spalanie jest znalezienie takich źródeł energii, które byłyby przyjazne dla człowieka i nie zanieczyszczały środowiska. Oczywiście warunek ten spełniają źródła odnawialne, jednak należy mieć świadomość, że nie zabezpieczą one wszystkich potrzeb energetycznych. Oczekuje się, że są one w stanie pokryć 20% do 30% zapotrzebowania na energię. Dlatego poszukuje się wydajnych źródeł energii o dużej mocy, które będą w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię. W świadomie pominięto potencjalne przyszłościowe źródła energii o niewielkiej mocy.
Energetyka jądrowa
Realnym rozwiązaniem problemu wytwarzania energii na masową skalę w XXI wieku jest wykorzystanie energii jądrowej. Jest to rozwiązanie dalekosiężne, gdyż zasoby paliwa jądrowego wystarczą na setki tysięcy lat, jeżeli będą we właściwy sposób wykorzystywane.
Źródłem energii w energetyce jądrowej są trzy typy reakcji: reakcja rozszczepienia pierwiastków ciężkich takich jak uran, pluton; reakcja syntezy termonuklearnej pierwiastków lekkich (wodór, deuter, tryt) oraz anihilacja antymaterii. Wszystkie te reakcje wykorzystują przemianę masy w energię w oparciu o znany wzór Einsteina E=mc2. Szczególną cechą energetyki jądrowej jest możliwość uzyskania ogromnych ilości energii z niewielkiej masy. W procesie rozszczepienia 1g uranu lub innych pierwiastków rozszczepialnych wyzwalana jest energia odpowiadająca spaleniu w elektrowni konwencjonalnej ok. 2,5 tony węgla. Z kolei, podczas reakcji syntezy termonuklearnej, z masy 1g uzyskuje się czterokrotnie większą energię niż w przypadku reakcji rozszczepienia. Szczególnie wydajny energetycznie jest proces anihilacji materii. Podczas anihilacji masy 1g materii wyzwala 25×106 kWh, co odpowiada spaleniu 3000 ton węgla.
Reakcja rozszczepienia jest masowo wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w wielu krajach. We Francji, 90% energii elektrycznej pochodzi z energetyki jądrowej, na Litwie 80%, w Stanach Zjednoczonych 20%, w Polsce zaś 0%, ponieważ w Polsce, jak wiadomo, nie ma żadnej elektrowni jądrowej. Oczywiście nieposiadanie przez Polskę elektrowni jądrowej nie oznacza, że nie dotyczą nas problemy i niebezpieczeństwa związane z eksploatacją tych elektrowni, ponieważ wokół Polski istnieje wiele elektrowni jądrowych. Na rysunku przedstawiono rozszczepialne elektrownie jądrowe położone najbliżej Polski.
Elektrownie jądrowe najbliżej Polski (w nawiasachodległość od granicy z Polską)
Zasadniczym problemem elektrowni jądrowych pracujących na bazie reakcji rozszczepiania ciężkich pierwiastków jest możliwość awarii elektrowni oraz produkcja odpadów radioaktywnych.
Alternatywą dla produkcji energii pozbawionej tych negatywnych skutków, jest wykorzystanie reakcji syntezy termonuklearnej (fuzji pierwiastków lekkich). Reakcja ta polega na połączeniu jąder dwóch lekkich pierwiastków w jedno cięższe jądro, przy czym podczas reakcji następuje uwolnienie dużej ilości energii. Uzyskanie tej energii do celów praktycznych jest kwestią najbliższych lat i będzie możliwe, gdy zostaną pokonane trudności techniczne i technologiczne związane z kontrolowaną reakcją syntezy termonuklearnej. Materiału do prowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej nam nie zabraknie.
W oceanach, na jeden atom deuteru przypada 6700 atomów zwykłego wodoru. Energia uzyskana w wyniku fuzji termojądrowej pochodząca z deuteru zawartego w litrze wody odpowiada energii otrzymanej ze spalenia 300 litrów benzyny. Laboratoryjnie uzyskuje się już energię w wyniku procesu fuzji, jednak reakcja ta wymaga bardzo wysokiej temperatury i dużej gęstości materii.
Program wdrożenia do celów praktycznych reakcji termojądrowej syntezy pierwiastków lekkich jest niezwykle kosztowny. Takie wyzwanie przekracza możliwości jednego kraju. Dlatego opracowywany jest międzynarodowy projekt badawczy ITER (International Thermonuclear Experimental Reaktor), którego celem jest zbudowanie elektrowni termojądrowej produkującej energię na wielką skalę.
Projekt ten jest przewidywany na 30 lat (10 lat budowa i 20 lat praca reaktora) i ma kosztować w przybliżeniu 10 miliardów Euro. Elektrownia termojądrowa już powstaje w Cadarache w pobliżu Marsylii, na południu Francji. W projekcie uczestniczy finansowo i naukowo: Unia Europejska, Japonia, Rosja, Chiny, Korea Południowa i USA. ITER będzie urządzeniem generującym w sposób ciągły około 500 MW mocy z reakcji fuzji jądrowej. Projekt ITER przetestuje kluczowe technologie fuzji jądrowej, jako bezpiecznego dla środowiska źródła energii i pozwoli na ich udoskonalenie.
Elektrownia termojądrowa będzie bezpieczna z samej swej istoty. Proces syntezy jądrowej nie prowadzi do powstawania gazów cieplarnianych lub odpadów radioaktywnych. W odróżnieniu od reakcji rozszczepienia, reakcja fuzji jest prawie tak czysta jak spalanie tlenu i wodoru w atmosferze. Oczekuje się, że za 20-30 lat będą budowane elektrownie termojądrowe, które dzięki reakcji fuzji pierwiastków lekkich będą w stanie zapewnić trwałe dostawy dużych ilości energii.
Jak już wspomniano, wyjątkowym źródłem energii jest anihilacja antymaterii z materią. Reakcja anihilacji materii to przyszłość energetyki końca XXI wieku, gdyż z niewielkiej masy uzyskuje się olbrzymią ilość czystej energii. Rozpoczęto już produkcję antymaterii w warunkach ziemskich, ale istnieje wiele problemów technicznych i technologicznych związanych produkcją i przechowywaniem antymaterii. Problemy te są rozwiązywane w ośrodkach związanych z techniką jądrową i fizyką wysokich energii np. w CERNie – Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych.
Praktyczne wykorzystanie procesu anihilacji jest dość odległe i nie wiadomo czy koniec XXI wieku pozwoli na realizację tej metody pozyskiwania energii na szerszą skale. Z pewnością nastąpi zdecydowany postęp w wykorzystaniu tego źródła energii.
Energia z kosmosu
Poza źródłami jądrowymi oczekuje się, że znaczny udział w produkcji energii w końcu XXI wieku będzie miała przestrzeń kosmiczna oraz wnętrze Ziemi, jako nowoczesne źródła energii odnawialnej. Przestrzeń kosmiczną można wykorzystać do produkcji energii poprzez użycie dużych modułów fotowoltaicznych i przesyłanie uzyskanej w kosmosie energii na Ziemię.
Przekazywanie energii z kosmosu na powierzchnię Ziemi stanowi jednak istotny problem. Przewiduje się, że może być ono realizowane przez promieniowanie mikrofalowe, w wyniku przekazu energii niesionej przez wiązkę mikrofal. Ten rodzaj przesyłania energii na odległość występuje w kuchence mikrofalowej, podczas gotowania. Oczywiście przekazywanie energii za pomocą mikrofal wiąże się z wieloma problemami, ponieważ znajdujący się przypadkiem na drodze wiązki fal człowiek lub inny obiekt byłby poddany analogicznemu procesowi jaki ma miejsce w kuchence mikrofalowej.
Obecnie, następuje rozwój nowych przewodzących materiałów o szczególnej wytrzymałości, które być może rozwiążą problem przesyłania energii elektrycznej ze źródeł kosmicznych. Oczekuje się, że będzie można bezpośrednio połączyć źródło energii na stacjonarnej orbicie satelitarnej z użytkownikiem na Ziemi. Niektóre materiały o szczególnej wytrzymałości i przewodnictwie, takie jak nanorurki spełniają już te wymagania na niewielkiej odległości.
Nowy sposób przesyłania energii
Źródła generujące energię, z różnych powodów, nie są rozłożone równomiernie na kuli ziemskiej. Ważny problem, przy dużych mocach urządzeń energetycznych, stanowi magazynowanie i przesyłanie energii. Przy wytwarzaniu energii bardzo ważny jest jej transport od miejsca wytwarzania do miejsc aktualnego zapotrzebowania, bez strat.
Wiek XXI rozwinie szczególny sposób przesyłania prądu. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska nadprzewodnictwa istniejącego w niskich temperaturach. W niskich temperaturach niektóre materiały przewodzą prąd elektryczny bez strat (ich opór elektryczny jest prawie równy zero).
Zjawisko nadprzewodnictwa jest już wykorzystywane do przesyłania energii elektrycznej w pilotowych projektach. Od maja 2001 roku, w Danii, energia elektryczna zaczęła docierać do 15 tys domów za pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w Kopenhadze. Około 30 tys domów w Detroit zostało zasilone w energię elektryczną w ten sam sposób.
W projektach z Kopenhagi i Detroit wykorzystano kable energetyczne, w których przewodnikiem jest specjalna nadprzewodząca ceramika (nadprzewodnik wysokotemperaturowy), która jest chłodzona ciekłym azotem.
Dalszy rozwój tej nowoczesnej technologii przesyłania energii oraz zmniejszenie obecnego kosztu kabli nadprzewodzących, prowadzić będzie do tego, że kable nadprzewodzące staną się niebawem silną konkurencją dla przewodników wysokotemperaturowych. Tylko problemy polityczne mogą przeszkodzić w zbudowaniu kabli nadprzewodzących oplatających cały świat.
Reasumując, można przypuszczać, że źródłem energii końca XXI wieku będzie niewątpliwie energetyka jądrowa oparta na reakcji fuzji termojądrowej i będzie uzupełniana przez źródła odnawialne z włączeniem energii z kosmosu.
Z kolei rozwój technologiczny pozwoli na przesyłanie energii bez strat w układach nadprzewodzących. Należy również oczekiwać, że wraz z postępem naukowym, technicznym i technologicznym pojawią się także nowe rodzaje źródeł energii, obecnie nie znane, które będą przydatne do praktycznych zastosowań.
prof. dr hab. Jan Godlewski
Alicja Szydłowska
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Politechnika Gdańska.
Energetyka konwencjonalna ma wiele wad takich jak: generowanie trujących gazów (np. tlenku węgla), wytwarzanie smogu w terenach uprzemysłowionych (np. tlenek azotu), wytwarzanie gazów cieplarnianych (np. dwutlenku węgla). Istotnym czynnikiem powodującym ograniczanie produkcji energii opartych o paliwa kopalniane jest to, że następuje wyczerpywanie się zapasów paliw stałych, ciekłych i gazowych.
Ważnym również aspektem w rozważaniu przyszłościowych źródeł energii są uwarunkowania międzynarodowe. Zgodnie z planami Unii Europejskiej, udział źródeł energii odnawialnych w wytwarzaniu energii zostanie podwojony z 6 % w 1998 roku do 12% w roku 2010, z tym, że dla produkcji energii elektrycznej udział ten wzrośnie do 22 %. (White Paper oraz Green Paper UE). Na Świecie prognozowana jest także redukcja o 8 % emisji gazów cieplarnianych w latach 2008-2012, w porównaniu z rokiem 1990. (Kyoto Protocol). Wymagania te powodują, że musimy zredukować ilość otrzymywanej energii, która pochodzi ze spalania.
Alternatywą dla otrzymywania energii przez spalanie jest znalezienie takich źródeł energii, które byłyby przyjazne dla człowieka i nie zanieczyszczały środowiska. Oczywiście warunek ten spełniają źródła odnawialne, jednak należy mieć świadomość, że nie zabezpieczą one wszystkich potrzeb energetycznych. Oczekuje się, że są one w stanie pokryć 20% do 30% zapotrzebowania na energię. Dlatego poszukuje się wydajnych źródeł energii o dużej mocy, które będą w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię. W świadomie pominięto potencjalne przyszłościowe źródła energii o niewielkiej mocy.
Energetyka jądrowa
Realnym rozwiązaniem problemu wytwarzania energii na masową skalę w XXI wieku jest wykorzystanie energii jądrowej. Jest to rozwiązanie dalekosiężne, gdyż zasoby paliwa jądrowego wystarczą na setki tysięcy lat, jeżeli będą we właściwy sposób wykorzystywane.
Źródłem energii w energetyce jądrowej są trzy typy reakcji: reakcja rozszczepienia pierwiastków ciężkich takich jak uran, pluton; reakcja syntezy termonuklearnej pierwiastków lekkich (wodór, deuter, tryt) oraz anihilacja antymaterii. Wszystkie te reakcje wykorzystują przemianę masy w energię w oparciu o znany wzór Einsteina E=mc2. Szczególną cechą energetyki jądrowej jest możliwość uzyskania ogromnych ilości energii z niewielkiej masy. W procesie rozszczepienia 1g uranu lub innych pierwiastków rozszczepialnych wyzwalana jest energia odpowiadająca spaleniu w elektrowni konwencjonalnej ok. 2,5 tony węgla. Z kolei, podczas reakcji syntezy termonuklearnej, z masy 1g uzyskuje się czterokrotnie większą energię niż w przypadku reakcji rozszczepienia. Szczególnie wydajny energetycznie jest proces anihilacji materii. Podczas anihilacji masy 1g materii wyzwala 25×106 kWh, co odpowiada spaleniu 3000 ton węgla.
Reakcja rozszczepienia jest masowo wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w wielu krajach. We Francji, 90% energii elektrycznej pochodzi z energetyki jądrowej, na Litwie 80%, w Stanach Zjednoczonych 20%, w Polsce zaś 0%, ponieważ w Polsce, jak wiadomo, nie ma żadnej elektrowni jądrowej. Oczywiście nieposiadanie przez Polskę elektrowni jądrowej nie oznacza, że nie dotyczą nas problemy i niebezpieczeństwa związane z eksploatacją tych elektrowni, ponieważ wokół Polski istnieje wiele elektrowni jądrowych. Na rysunku przedstawiono rozszczepialne elektrownie jądrowe położone najbliżej Polski.
Elektrownie jądrowe najbliżej Polski (w nawiasachodległość od granicy z Polską)
Zasadniczym problemem elektrowni jądrowych pracujących na bazie reakcji rozszczepiania ciężkich pierwiastków jest możliwość awarii elektrowni oraz produkcja odpadów radioaktywnych.
Alternatywą dla produkcji energii pozbawionej tych negatywnych skutków, jest wykorzystanie reakcji syntezy termonuklearnej (fuzji pierwiastków lekkich). Reakcja ta polega na połączeniu jąder dwóch lekkich pierwiastków w jedno cięższe jądro, przy czym podczas reakcji następuje uwolnienie dużej ilości energii. Uzyskanie tej energii do celów praktycznych jest kwestią najbliższych lat i będzie możliwe, gdy zostaną pokonane trudności techniczne i technologiczne związane z kontrolowaną reakcją syntezy termonuklearnej. Materiału do prowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej nam nie zabraknie.
W oceanach, na jeden atom deuteru przypada 6700 atomów zwykłego wodoru. Energia uzyskana w wyniku fuzji termojądrowej pochodząca z deuteru zawartego w litrze wody odpowiada energii otrzymanej ze spalenia 300 litrów benzyny. Laboratoryjnie uzyskuje się już energię w wyniku procesu fuzji, jednak reakcja ta wymaga bardzo wysokiej temperatury i dużej gęstości materii.
Program wdrożenia do celów praktycznych reakcji termojądrowej syntezy pierwiastków lekkich jest niezwykle kosztowny. Takie wyzwanie przekracza możliwości jednego kraju. Dlatego opracowywany jest międzynarodowy projekt badawczy ITER (International Thermonuclear Experimental Reaktor), którego celem jest zbudowanie elektrowni termojądrowej produkującej energię na wielką skalę.
Projekt ten jest przewidywany na 30 lat (10 lat budowa i 20 lat praca reaktora) i ma kosztować w przybliżeniu 10 miliardów Euro. Elektrownia termojądrowa już powstaje w Cadarache w pobliżu Marsylii, na południu Francji. W projekcie uczestniczy finansowo i naukowo: Unia Europejska, Japonia, Rosja, Chiny, Korea Południowa i USA. ITER będzie urządzeniem generującym w sposób ciągły około 500 MW mocy z reakcji fuzji jądrowej. Projekt ITER przetestuje kluczowe technologie fuzji jądrowej, jako bezpiecznego dla środowiska źródła energii i pozwoli na ich udoskonalenie.
Elektrownia termojądrowa będzie bezpieczna z samej swej istoty. Proces syntezy jądrowej nie prowadzi do powstawania gazów cieplarnianych lub odpadów radioaktywnych. W odróżnieniu od reakcji rozszczepienia, reakcja fuzji jest prawie tak czysta jak spalanie tlenu i wodoru w atmosferze. Oczekuje się, że za 20-30 lat będą budowane elektrownie termojądrowe, które dzięki reakcji fuzji pierwiastków lekkich będą w stanie zapewnić trwałe dostawy dużych ilości energii.
Jak już wspomniano, wyjątkowym źródłem energii jest anihilacja antymaterii z materią. Reakcja anihilacji materii to przyszłość energetyki końca XXI wieku, gdyż z niewielkiej masy uzyskuje się olbrzymią ilość czystej energii. Rozpoczęto już produkcję antymaterii w warunkach ziemskich, ale istnieje wiele problemów technicznych i technologicznych związanych produkcją i przechowywaniem antymaterii. Problemy te są rozwiązywane w ośrodkach związanych z techniką jądrową i fizyką wysokich energii np. w CERNie – Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych.
Praktyczne wykorzystanie procesu anihilacji jest dość odległe i nie wiadomo czy koniec XXI wieku pozwoli na realizację tej metody pozyskiwania energii na szerszą skale. Z pewnością nastąpi zdecydowany postęp w wykorzystaniu tego źródła energii.
Energia z kosmosu
Poza źródłami jądrowymi oczekuje się, że znaczny udział w produkcji energii w końcu XXI wieku będzie miała przestrzeń kosmiczna oraz wnętrze Ziemi, jako nowoczesne źródła energii odnawialnej. Przestrzeń kosmiczną można wykorzystać do produkcji energii poprzez użycie dużych modułów fotowoltaicznych i przesyłanie uzyskanej w kosmosie energii na Ziemię.
Przekazywanie energii z kosmosu na powierzchnię Ziemi stanowi jednak istotny problem. Przewiduje się, że może być ono realizowane przez promieniowanie mikrofalowe, w wyniku przekazu energii niesionej przez wiązkę mikrofal. Ten rodzaj przesyłania energii na odległość występuje w kuchence mikrofalowej, podczas gotowania. Oczywiście przekazywanie energii za pomocą mikrofal wiąże się z wieloma problemami, ponieważ znajdujący się przypadkiem na drodze wiązki fal człowiek lub inny obiekt byłby poddany analogicznemu procesowi jaki ma miejsce w kuchence mikrofalowej.
Obecnie, następuje rozwój nowych przewodzących materiałów o szczególnej wytrzymałości, które być może rozwiążą problem przesyłania energii elektrycznej ze źródeł kosmicznych. Oczekuje się, że będzie można bezpośrednio połączyć źródło energii na stacjonarnej orbicie satelitarnej z użytkownikiem na Ziemi. Niektóre materiały o szczególnej wytrzymałości i przewodnictwie, takie jak nanorurki spełniają już te wymagania na niewielkiej odległości.
Nowy sposób przesyłania energii
Źródła generujące energię, z różnych powodów, nie są rozłożone równomiernie na kuli ziemskiej. Ważny problem, przy dużych mocach urządzeń energetycznych, stanowi magazynowanie i przesyłanie energii. Przy wytwarzaniu energii bardzo ważny jest jej transport od miejsca wytwarzania do miejsc aktualnego zapotrzebowania, bez strat.
Wiek XXI rozwinie szczególny sposób przesyłania prądu. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska nadprzewodnictwa istniejącego w niskich temperaturach. W niskich temperaturach niektóre materiały przewodzą prąd elektryczny bez strat (ich opór elektryczny jest prawie równy zero).
Zjawisko nadprzewodnictwa jest już wykorzystywane do przesyłania energii elektrycznej w pilotowych projektach. Od maja 2001 roku, w Danii, energia elektryczna zaczęła docierać do 15 tys domów za pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w Kopenhadze. Około 30 tys domów w Detroit zostało zasilone w energię elektryczną w ten sam sposób.
W projektach z Kopenhagi i Detroit wykorzystano kable energetyczne, w których przewodnikiem jest specjalna nadprzewodząca ceramika (nadprzewodnik wysokotemperaturowy), która jest chłodzona ciekłym azotem.
Dalszy rozwój tej nowoczesnej technologii przesyłania energii oraz zmniejszenie obecnego kosztu kabli nadprzewodzących, prowadzić będzie do tego, że kable nadprzewodzące staną się niebawem silną konkurencją dla przewodników wysokotemperaturowych. Tylko problemy polityczne mogą przeszkodzić w zbudowaniu kabli nadprzewodzących oplatających cały świat.
Reasumując, można przypuszczać, że źródłem energii końca XXI wieku będzie niewątpliwie energetyka jądrowa oparta na reakcji fuzji termojądrowej i będzie uzupełniana przez źródła odnawialne z włączeniem energii z kosmosu.
Z kolei rozwój technologiczny pozwoli na przesyłanie energii bez strat w układach nadprzewodzących. Należy również oczekiwać, że wraz z postępem naukowym, technicznym i technologicznym pojawią się także nowe rodzaje źródeł energii, obecnie nie znane, które będą przydatne do praktycznych zastosowań.
prof. dr hab. Jan Godlewski
Alicja Szydłowska
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Politechnika Gdańska.
