1. Definirea conceptului de energie
2. Enumerarea principalelor filiere de conversie a energiei
3. Randamentul conversiei de energie şi valorile acesteia
pentru diferite filiere de conversie
4. Modalităţi de creştere a randamentului de conversie

1. Definirea conceptului de energie

Energia este capacitatea materiei de a efectua lucru mecanic ca rezultat al mişcării sau al poziţiei în relaţie cu forţele care acţionează asupra sa.
Energia asociată mişcării se numeşte energie cinetică, iar cea asociată poziţiei se numeşte energie potenţială.

Energia există în diferite forme : mecanică, termică, chimică, electrică, radiantă şi nucleară. Toate formele de energie se pot transforma unele în altele, prin procese adecvate. în procesul transform ării, energia cinetică sau potenţială poate creşte sau să se micşoreze, dar suma celor două energii rămâne constantă.
Toate formele de energie tind să se transforme în căldură, care este cea mai perisabilă dintre forme. In mecanisme, energia care nu este transformată în lucru mecanic util este disipată sub formă de căldură de frecare, iar pierderile din circuitele electrice sunt în principal sub formă de căldură (efectul caloric).
Observaţiile empirice din secolul al 19-lea au condus la concluzia că deşi energia se poate transforma dintr-o formă în alta, ea nu poate fi creată sau distrusă. Acest concept, cunoscut sub numele de principiul conservării energiei, constituie unul din principiile de bază ale mecanicii clasice. Acest principiu, împreună cu cel al conservării materiei, este valabil doar pentru viteze mici în comparaţie cu viteza luminii. La viteze mari, comparabile cu viteza luminii, cum ar fi cele din reacţiile nucleare, energia şi materia se pot converti una în cealaltă. Astfel, în fizica modernă, cele două concepte materie şi energie sunt unificate. Relaţia a fost exprimată de Einstein : E=mc2.

2. Enumerarea principalelor filiere de conversie a energiei

Toată energia pe care o folosim este provenită direct sau indirect de la Soare, care, la rândul lui este un uriaş sistem de conversie a masei în energie, sistem care ilustrează pregnant relaţia einsteiniană.

Pe de altă parte, omenirea se află în pragul unei crize energetice. De aceea este important să cunoaştem resursele de care dispunem şi modalităţile cele mai eficiente de utilizare a acestor resurse, pentru satisfacerea nevoilor fundamentale ale întregii omeniri. Principiul conservării energiei ne arată că nu putem crea energie, ci doar să o transformăm dintr-o formă în alta. Este aşadar important să vedem cum putem realiza acest lucru cu pierderi cât mai mici.

Înainte de a analiza principalele filiere de conversie a energiei, să trecem în revistă energia solară.

Energia solară este energia radiantă care se produce în Soare ca rezultat al reacţiilor nucleare de fuziune. Ea ajunge pe Pământ prin spaţiul cosmic în cuante de energie numite fotoni, care interacţionează cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Puterea radiaţiei care ajunge la limita superioară a atmosferei terestre este de 1,37x106 erg/sec/cm2 sau aproximativ 2 calorii pe minut pe cm2. Intensitatea nu este constantă: se pare că s-a modificat cu 0,2% în ultimii 30 de ani. Energia care ajunge la suprafaţa terestră este mai mică decât constanta solară din cauza absorbţiei şi difuziei pe care o suferă lumina când traversează atmosfera. Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la limita superioară a atmosferei se consumă în ciclul hidrologic, care produce ploaia şi apele curgătoare.
Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie !a creşterea plantelor (biomasă), plante care pot fi folosite drept carburant, incluzând lemnul şi combustibilii fosili care provin din plantele care au existat în erele geologice. Se mai pot obţine carburanţi cum ar fi alcoolul şi metanul din biomasă.

Oceanele reprezintă de asemenea o formă naturală de colectare a energiei solare. Aşa apar curenţii oceanici şi diferenţele de temperatură în anumite locuri aceste variaţii verticale de temperatură ating 20°C pe câteva sute de metri.

O altă formă de colectare naturală a energiei solare o reprezintă atmosfera. Prin difuzia luminii solare la trecerea prin aerul ce înconjoară Pământul, atmosfera se încălzeşte. Pe de altă parte, lumina solară încălzeşte suprafaţa terestră, care radiază o parte din energia primită direct în spaţiul cosmic, iar o altă parte este absorbită de atmosferă, dând naştere la diferite fenomene meteorologice : ploaie, vânt, furtuni, uragane.

Aşadar, până acum apar două filiere principale de conversie a energiei primite de Terra de la Soare : filiera naturală şi filiera umană. în unele situaţii, filiera umană vine în continuarea filierei naturale, pentru a folosi energia în scopurile utile vieţii omeneşti.

Din punctul de vedere al momentului când energia solară a ajuns pe pământ, avem :

a. energia ajunsă în trecut, pe care o regăsim sub formă de carburanţi (cărbune, ţiţei, gaze naturale), energie termică (geotermică)
b. energia care ajunge în prezent, pe care o regăsim sub forma energiei potenţiale a apelor curgătoare, energiei cinetice a vânturilor, bioenergia conţinută în biomasă ce se formează în prezent şi energia luminii care ajunge pe suprafaţa terestră.

Din punctul de vedere al modului în care se efectuează transformarea energiei solare în energie utilă omului, avem două filiere :

a. filiera chimică, bazată pe reacţia de oxido-reducere
b. filiera fizică, bazată pe transformare masei în energie

Până în 1800, principalul combustibil era lemnul, a cărui energie provine din energia solară acumulată de către plante în timpul vieţii lor. De la revoluţia industrială, oamenii au depins de combustibilii fosili - cărbune, petrol şi gazul natural - care sunt de asemenea forme înmagazinate ale energiei solare. Când este ars un combustibil fosil, cum ar fi cărbunele, atomii de hidrogen şi carbon din cărbune se combină cu atomii de oxigen din aer (reacţie de oxidare = ardere). Se eliberează apă şi dioxid de carbon, echivalent cu aproximativ 1,6 kilowaţi pe kilogram sau aproape 10 eV (electron-volţi) per atom de carbon. Această valoare a energiei este tipică reacţiilor chimice ce rezultă din schimbările structurii electronice a atomilor. O parte din energie este eliberată sub formă de căldură, păstrând combustibilul suficient de fierbinte pentru continuarea reacţiei.

O reacţie nucleară eliberează de 10 milioane de ori mai multă energie decât cea dintr-o reacţie chimică.

Este aşadar evident că în reacţiile nucleare se obţine mult mai multă energie decât în reacţiile chimice.

În anul 1981 a fost publicat raportul „ Energia într-o lume finită " (Energy in a finite world) al institutului pentru Ştiinţa Sistemelor Aplicate de la Viena, raport care a făcut o analiză detaliată a situaţiei energetice pe plan mondial. în esenţă, raportul arată că energia ce provine din combustibilii fosili este pe cale de a se epuiza în acest secol sau în cel următor. Rezervele de hidrocarburi (petrol, gaze naturale) se vor epuiza în cursul deceniilor următoare, iar cele de cărbune în aproximativ 200 de ani. Cum ar arăta lumea fără aceste surse de energie?

Răspunsul la această întrebare constituie partea luminoasă a raportului, parte ce arată că, prin colaborare, omenirea poate să depăşească teribila criză energetică ce se profilează la orizont, ba chiar, prin descoperirea unor noi modalităţi de transformare a energiei îşi va putea asigura un viitor durabil. Încă la nivelul anului 1980, când a fost redactat raportul existau tehnologiile necesare pentru a asigura necesarul de energie la nivel mondial, între timp, au fost descoperite noi rezerve de energie, s-au îmbunătăţit tehnologiile existente, dar, ceea ce este mai important, omenirea a devenit mai conştientă atât de criza ce o pândeşte cât şi de necesitatea colaborării internaţionale în toate privinţele, de la asigurarea accesului la sursele de energie şi hrană până la combaterea efectelor negative pe care activitatea umană le are asupra mediului înconjurător în care trăim.

Formele în care oamenii folosesc energia sunt în principal cea electrică, mecanică, chimică şi calorică, fiecare cu avantajele şi dezavantajele ei, fiecare cu domeniul său de utilizare. De exemplu, se utilizează energia mecanică pentru transportul diferitelor obiecte sau mărfuri dintr-un punct în altul, energia calorică pentru transformări ale materiilor prime în alte forme mai utile sau pentru încălzirea spaţiilor de locuit şi de activitate. Energia electrică este practic indispensabilă în prezent în toate domeniile vieţii sociale, ea putând fi relativ uşor transportată prin conductori, dar este dificil de stocat. Energia chimică este mult mai uşor de stocat şi chiar de transportat, dar are o eficienţă mult mai redusă şi un impact major asupra mediului înconjurător.

a. Filiera chimică

Această filieră are ca puncte de pornire

1. energia solară acumulată în decursul timpului sub formă de hidrocarburi (petrol, gaze naturale, cărbune)
2. energia solară care ajunge în prezent pe suprafaţa pământului.

1. Se extrag din scoarţa terestră mineralele care conţin energia solară, şi asta se face cu un consum impresionant de energie. Mineralele sunt apoi transportate la locul unde sunt transformate : termocentrale electrice, rafinării petroliere, motoare de vehicule, instalaţii de încălzire. Şi transportul înseamnă, de asemenea, un consum de energie. Apoi, în aceste instalaţii se produce o nouă transformare energetică, în energia utilizată final. Este destul de dificil de estimat randamentul transformării energiei solare în biomasă, cel al proceselor de extragere şi transport al purtătorilor de energie de la locul unde se aflau până la locul de utilizare, ceea ce face imposibil determinarea randamentului global al întregului proces. Putem să ne ocupăm doar de randamentul ultimelor transformări.
De exemplu, randamentul turbinelor cu abur de a transforma energia calorică ce se găseşte în aburul supraîncălzit în energie mecanică a crescut continuu, ajungând la peste 90% în prezent.

2. Energia solară care ajunge pe Pământ este de aproximativ 178.000 TWan/an, care este de sute de mii de ori mai mare decât cea produsă în toate centralele energetice din lume. Ea este parţial absorbită de atmosferă, dar tot rămâne suficientă pentru acoperirea nevoilor energetice globale. Ceea ce rămâne este captat fie direct, prin intermediul celulelor fotovoltaice (celule solare) formate din siliciu. La început acestea erau din siliciu cristalin, scump şi cu randamente mici, de ordinul a 10-20 %, dar în prezent se folosesc celule solare cu randamente mai mari, de aproape 35%, din siliciu amorf, care este mult mai ieftin. De asemenea, celulele solare sunt folosite pe navele cosmice pentru generarea energiei electrice necesare funcţionării acestora.

De asemenea se mai foloseşte energia solară direct, pentru încălzirea locuinţelor şi prepararea apei calde menajere, ajungându-se la aşa-numita „casă solară".

Energia solară a fost folosită în mod intensiv încă din timpul evului mediu, utilizându-se energia vântului prin intermediul morilor de vânt. Forma lor modernă se numeşte generator eolian şi a început să ia o mare dezvoltare în ultima perioadă.

a. Filiera nucleară

Aşa cum am mai precizat, filiera nucleară poate produce mult mai multă energie decât filiera chimică, însă producerea ei este însoţită de pericole mult mai mari în ceea ce priveşte poluarea mediului înconjurător şi sănătatea oamenilor. Deşi este privită cu mare speranţă de toţi cei care doresc un viitor omenirii, filiera trebuie abordată cu multă atenţie şi responsabilitate. Din păcate, până în prezent energia nucleară de fuziune nu a putut fi controlată, singura utilizare cunoscută până în prezent fiind militară — bomba cu hidrogen. Din fericire există construite centrale atomice bazate pe energia de fisiune, centrale care au un caracter paşnic.

în decembrie 1942, fizicianul de origine italiană Enrico Fermi, refugiat în acea vreme în Statele Unite, a realizat prima reacţie nucleară în lanţ la Universitatea din Chicago. Reactorul pe care l-a folosit consta din bucăţi de uraniu natural (în care izotopul fisionabil 235 U se găseşte în proporţie de 0,714%, restul fiind izotopul nefisionabil 238), distribuite într-o stivă de grafit pur, care juca rolul de moderator, pentru încetinirea neutronilor emişi, astfel ca ei să poată induce noi fisiuni. Primul mare reactor nuclear a fost construit în 1944, la Hanford, Washington, pentru producerea materialului necesar armelor nucleare. Combustibilul era tot uraniul natural, iar moderatorul tot grafitul. în acest reactor s-a produs plutoniul prin absorbţia unui neutron de către izotopul neradioactiv U238; energia care se producea nu era folosită.

în ecuaţia de reacţie apar cele două caracteristici importante ale fisiunii nucleare din punct de vedere practic. Prima este aceea că energia ce se obţine prin fisiune este foarte mare. în unităţi uzuale, fisiunea unui kg de uraniu 235 eliberează 18,7 milioane de kilowaţi-oră sub formă de căldură. Cea de-a doua caracteristică este aceea că absorbţia unui neutron de către un nucleu de uraniu 235 eliberează, în medie, 2,5 neutroni din nucleul fisionat. Aceştia la rândul lor pot induce fisiunea altor doi atomi, care la rândul lor vor elibera patru neutroni ce vor duce la fisionarea a patru atomi şi aşa mai departe, rezultând o serie de fisiuni nucleare, adică o reacţie în lanţ, cu eliberare continuă de energie.

Reactoare nucleare

Există deja construite pentru producerea energiei electrice o varietate de tipuri de reactoare nucleare, ce se deosebesc între ele prin combustibilul, moderatorul şi agentul de răcire pe care îl utilizează.

LWR — reactorul cu apă uşoară — utilizează drept combustibil nuclear uraniul natural îmbogăţit cu aproximativ. 3% uraniu 235, iar pentru moderarea (încetinirea) neutronilor şi pentru răcire este folosită apa obişnuită (H20) cu un înalt grad de puritate.

PWR — reactorul cu apă sub presiune — este o variantă a reactorului LWR, doar că apa de răcire este introdusă la înaltă presiune (150 atmosfere) în inima reactorului, unde se încălzeşte la 325°C. Apa supraîncălzită cedează energia acumulată prin intermediul unor schimbătoare de căldură unui al doilea ciclu în care apa este transformată în abur ce antrenează nişte turbine care, la rândul lor antrenează nişte generatoare electrice. Apa răcită din acest al doilea ciclu se condensează apoi şi îşi reia traiectul. Circuitul secundar este izolat de apa din inima reactorului şi deci nu este radioactivă. Vasul de presiune al reactorului are cam 15 m înălţime, 5 m diametru şi pereţi groşi de 25 cm. Inima reactorului conţine aprox. 82 tone de oxid de uraniu.

BWR — reactorul cu apă ce fierbe — care este un alt tip de reactor LWR, se permite ca apa de răcire să ajungă la fierbere în inima reactorului, dar la o presiune ceva mai mică. Aburul care se produce este trimis direct la turbinele generatoarelor electrice, este apoi condensat şi pompat din nou în inima reactorului. Lipsa unui schimbător de căldură face ca BWR să fie mai eficient decât PWR.

CANDU — acronim de la CANadian Deuterium-Uranium Reactor— foloseşte drept combustibil nuclear uraniul natural, nu îmbogăţit, iar ca moderator şi agent de răcire se foloseşte apa grea (dioxidul de deuteriu) D20. Reactoare de acest tip funcţionează de mai multă vreme în Canada, Franţa India, Argentina şi, mai recent în România la Cernavodă. Experienţa a demonstrat că aceste tipuri de reactoare sunt dintre cele mai sigure în exploatare. Reactoare regeneratoare
Se mai numesc şi reactoare cu neutroni rapizi. Sunt denumite reactoare reproducătoare deoarece produc mai mult combustibil nuclear decât consumă. Nu este vorba de încălcarea principiilor termodinamicii!

Deşi produc o mare cantitate de energie, reactoarele nucleare au o eficienţă scăzută a transformării, randamentul lor global este de doar 1 %!
_{sursa imaginii : pbs.org}

---

Tag-uri: conversie, energie, nuclear

---

Categorie: Stiinta si Tehnica  - ( Stiinta si Tehnica - Archiva)

Data Adaugarii: 17 January '08

---

Adaugati un link spre aceasta pagina pe blog-ul, site-ul sau forum-ul Dvs. :

---