SURSE DE ENERGIE

In univers sunt cunoscute doua surse mari de energie: fuziunea atomilor usori din

stele, şi gravitatia universala , toate celelalte decurg din acestea .

Radiatia solar ă.

Principala reacŃie de fuziune nucleara care are loc în soare constă în formarea

heliului din hidrogen: patru nuclee de hidrogen sunt convertite în heliu He42 ; masa

nucleului de heliu este ceva mai mica decit masa celor patru protoni, ceece ce

înseamnă ca o cantitate oarecare de masă s-a convertit în energie; aceasta este

sursa energiei nucleare. În urma proceselor de acest tip soarele pierde 4 milioane de

tone de substanŃă în fiecare secunda, ceea ce asigură un produs continuu de

energie de 1,14 x 1024 J/an. Masa soarelui este formata 70% din protoni şi 28% He,

restul fiind elemente mai grele.

Reactiile de fuziune nucleara a cite patru nuclei de heliu duc la formarea atomilor grei

C126; O

168; Ne20

14; S28

14; S32

16.

41H → 4He + 2e+ + 2νe +Q (1)

în care νe sunt neutrini, e+ sunt pozitroni, iar reacŃia este puternic exotermă.

O stea de tipul Soarelui nostru va străluci o periodă de 1010 ani pînă ce hidrogenul

său să se fi consumat.

Inainte ca această reacŃie să se termine complet, temperatura şi presiunea

cresc semnificativ şi astfel, în nucleul stelei începe un nou proces termonuclear:

3 4He → 12C (2)

formarea nucleelor de carbon conform ecuatiei (2) are loc printr-o reacŃie triatomică,

care se desfăşoară cu o viteză foarte mică, de aceea se consideră că decurge în

două etape:

2 4He + (99±6Kev) → 8Be reacŃie autocatalitică (3a) 8Be + 4He → 12C + γ (3b)

Reactia 3b insa nu este un proces spontan şi poate avea loc numai în

anumite conditii. Datorită evidenŃei de necontestat a existenŃei unei catităŃi

semnificative de carbon în galaxie, Hoyle a arătata că formarea nucleului de carbon

se datorează a doi factori întâmplători. Cel mai important este acela că reacŃia 3b

trebuie să fie rezonantă adică, energia sa de 7,7 MeV trebuie să fie egală sau ceva

mai mică decât cea a stării excitate a izotopului 12C. Altfel nu ar fi posibilă formarea

nici unui atom de carbon. Această inspiraŃie antropică s-a dovedid a fi corectă. Al

doilea factor propus de Hoyle este acela că energia izotopului 16O trebuie să fie

semnificativ mai mică decât a reacŃiei (4) 12C + 4He → 16O (4)

şi de asemenea această reacŃie trebuie să fie nerezonantă pentru că altfel carbonul

produs prin reacŃia 3b se transforma total în oxigen.

Se admite ca formarea elementelor grele avut loc în stelele mari, care s-au stins şi

au explodat ca supernove raspindind în univers substanta.

Energia solar ă disponibil ă la suprafa Ńa Pămậntului şi bilantul energetic

Energia absorbită de troposferă provoacă încălzirea neuniformă a acesteia datorita

sfericitatii Pamintului. Astfel, la ecuator temperatura este mai ridicata decit la poli.

Formarea minimelor şi maximelor termice în condiŃiile mişcării de rotaŃie provoacă

formarea vậnturilor-deplasarea maselor mari de aer sub gradientul de temperatura.

În acest proces se consuma 10% din energia solar ă absorbită, dar numai o mică

parte este potenŃial disponibilă ca energie eolian ă, este vorba de energia vậnturilor

formate la altitudine scazută, cele de mare altitudine nu pot fi valorificate tehnologic.

Energia valurilor V alurile se formeaza datorită frecării vậnturilor de suprafata

apelor. În acest proces se consuma aprox. 10% din energia cinetica a vậnturilor.

O alta parte din energia absorbită de planeta contribuie la încălzirea apelor şi la

evaporarea acestora realizindu-se în acest mod circuitul apei. Apa ajunsa pe uscat

inglobeaza o parte din energia solară absorbită pe care o transforma în energie

gravitaŃională, hidraulic ă la curgere pe un plan inclinat de exemplu, sau la caderile

de apa.

Energia absorbită de componeneta minerala în timpul zilei este practic pierduta

noaptea, sub forma de energie reradiata, intrucit marea majoritate a rocilor sunt rele

conducatoare de caldura.

Fotosinteza utilizeaza 1% din energia solară, care se regaseste în biomasa.

Biomasa neconsumata în ciclurile trofice , este degradata prin procesele lente de

descompune şi transformata în combustibilii fosili solizi, lichizi sau gazosi.

Energia gravita Ńional ă a soarelui şi lunii

Planetele sunt supuse legii interactiunii gravitaŃionale. Asupra Pamintului cea mai

puternica interactiune o manifesta Luna, satelitul sau natural. Forta gravitaŃională a

Lunii se manifesta sub forma mişcărilor mareice ale apelor şi scoarŃei terestre. Din

punct de vedere energetic importante sunt mareele apelor oceanice.

Acestea sunt mişcări ritmice de urcare şi coborậre sub forma aparentă a unui val.

Datorita mişcării de rotatie, fiecare punct al pamintului trece prin faza lunii- moment în

care apare forta de atractie şi fenomenul de “dilatare “ a apei. În largul oceanului

acest lucru se exercită numai sub forma unei mişcări pe verticala, la Ńărm apare şi o

miscare orizontala de inaintare a apei spre uscat fluxul, urmata de retragerea

acesteia- refluxul. Durata de la un flux la altul este de 12 ore şi 25 minute, iar un

ciclu complet dureaza 24 ore şi 50 minute. La un interval de 14 zile se produce un

flux maxim atunci cind luna este în conjunctie şi în opozitie, iar fluxul minim se

produce la primul şi al doilea patrar.

Energia interna a Pamintului

Energia interna a Pamintului se manifesta sub forma vulcanismului, a apelor termale,

a cutremurelor şi sub forma de energie radianta.

Originea caldurii interne.

Energia primara a planetei, energia cinetica de impact a particulelor cosmice pe

suprafata în crestere a planetei s-a transformat în caldura. Daca procesul de crestere

ar fi fost rapid temperatura ar fi crescut pina la 200.000ºC. Lucrurile nu sunt foarte

bine cunoscute.

Sursele Energiei interne a Pamintului

Se considera ca energia interna a Pamintului se datoreaza izotopilor radioactivi

cu viata lunga inglobati în toata masa şi mai ales în nucleu şi proceselor mareice din

masa globului terestru. Transportul caldurii din masa spre suprafata are loc prin doua

mecanisme: convectie şi conductie. Cel mai mult prin covnectie. Transportul caldurii

din interior spre suprafata este controlat şi de placile tectonice litosferice la marginile

carora au loc concentrari ale fluxului termic continuu şi al descarcarilor energetice.

Manifestarile caldurii interne

Caldura interna a pamintului se manifesta la suprafata sub forma vulcanismului şi a

apelor fierbinti. Eruptiile vulcanice sunt insotite de o descarcare energetica de aprox

1019 J/an iar prin cutremure se elibereaza aproximativ aceeasi cantitate de energie.

Energia geotermala

Izvoarele fierbinti sunt asociate zonelor vulcanice sau bogate în izotopi radioactivi.

Energia lor poate fi captata şi transformata în energie electrica.

Gradientul hidrotermal este de 21ºC/Km adincime; temperatura apelor geotermale

din NV Marii Britanii se datoreste prezentei unui masiv cristalin bogat în izotopi

radioactivi.

Forme ale energiei utilizate de om

Fenomenele energetice se bazeaza pe schimburi şi transformari de energie intre

diferite sisteme, de exemplu: Energia solară se inmagazineaza în plante prin

fotosinteza şi se stocheaza în combustibili fosili. Arderea acestora transforma

energia inmagazinata în caldura, utilizata la producerea aburului etc dupa schema:

Energie solară → fotosinteza → biomasa→combustibil → caldura → energie cinetica

→electricitate →lucru mecanic → lucru chimic samd

Alt exemplu de transformare

Energia chimica a unei reactii dintr-un acumulator → energie electrica → energie

mecanica , de ex o pompa care urca apa intr-un rezervor de unde cade pe o turbina,

→ energie electrica →alimentarea unui acumulator –stocarea energiei electrice.

Acumulatorul din final insa este mai putin incarcat decit initial, ciclul are un

randament subunitar; prin pierderea de energie tot sistemul s-a incalzit, datorita

caldurii care s-a disipat în mediul inconjurator.

Energia nucleara se menifesta sub cele doua forme:

♦ energie de fuziune în soare prin fuziunea nuleelor de hidrogen se obtin

heliul şi alte elemente mai grele; se produce energie radianta →

fotosinteza, energie chimica stocata în organismele vii şi combustibili

fosili→ardere energie termica → mecanica→electrica → consumatori

→alte forme de energie

♦ energie de fisiune în centralele atomoelectrice unde prin fisiunea izotopilor

grei se obtine energie termica →electrica → → → → acelasi ciclu

Randamente energetice

Pierderile de energie apar pe intreg traseul de la producere pina la consum

(transformare în alta forma de energie): producere , generator →coversie

→transport → distributie →consum

Randamentul global de transformare a energiei primare (potentiale) în energie

electrica

♦ pentru combustibili fosili este de 32-34%

♦ pentru centrale nuclearoelectrice 28-30

♦ 70% pentru energia electrica prin surse termice asociate cu caldura prin

termoficare

♦ 70% pentru energia hidraulica

Randamentul mediu mondial în energetica este de 35-38%;

Clasificarea surselor de energie, clasificare conventionala:

♦ surse conventionale, devenite “clasice”: lemn, carbuni, hidrocarburi, combustibili

nucleari, energia hidraulica;

♦ surse neconventionale, cu o participare nesemnificativa în bilantul energetic

actual, dar cu posibilitati de dezvoltare: raditia solară, energia eoliana, energia

geotermica, energia mareelor;

♦ surse cunoscute doar prin incercari de laborator, statii pilot .

Consumul resurselor energetice şi impactul asupra mediului

Istoric

Prima şi principala sursa de energie pina la jumatatea secolului al XVIII lea a fost

lemnul. Dezvoltarea societatii industriale din a doua jumatate a mileniului al doilea a

fost posibila datorita utilizarii carbunilor fosili, care aproape doua secole au constituit

principala sursa energetica industriala. Incepind cu jumatatea secolului al XIX lea

hidrocarburile se impun pe piata energetica cu perspectiva de asi pastra locul fruntas

şi în secolul al XXIlea. Totusi descoperirea revolutionara a fisiunii nucleare în prima

jumatate a secolului al XXlea a deschis perspective noi în economia de combustibili

fosili.

In prezent cercetarea stiintifica mondiala este directionata spre energetiuca

nucleara de fuziune şi spre alte surse de energie regenerabile.

TEHNOSISTEME

Principalele tipuri de centrale electrice şi impactul lor asupra mediului

1) Centralele termoelectrice

Majoritatea energiei electrice este inca obtinuta, pe plan mondial, prin CTE care

functioneaza pe baza de combustibili fosili; carbune, pacura, gaz, sisturi.

Schema

Carbune fosil →ardere- energia solar ă acumulata sub forma de energie

chimica se transform ă în energie termic ă→vapori de ap ă →energie

mecanic ă a turbinei →energie electric ă

Randamentul 35% deci 2/3 din energia termica, combustibilii sunt evacuate odata

cu gazele provocậnd mari probleme de mediu. Ex CTE de 2 milioane KW arde

17800 t carbune, adesea dus de la distanta, 6-7 garnituri mari de tren şi 2500 t

pacura. Carbunele trebuie macinat adus în stare de pulbere. Cazanele sunt

alimentate în mod continuu cu aprox.150.000 m3 de apa. Vaporii utilizati în turbine

condenseaza prin racire şi se intorc în cazan. Pentru racirea vaporilor sunt

necesare instalatii speciale turnuri de racire sau rezervoare mari de apa. Pentru

racire se utilizeaza în 24 ore 7 milioane m3 apa.

Intr-un an CTE elimina 43 mii t cenusa, 220mii tone SO2 40 mii t oxizi de azot.

Combustibilii fosili contin un procent insemnat de izotopi radioactivi ( U238, Th-

232, C) care se concentreaza în reziduul solid, provocind o impurificare

radioactiva semnificativa, în medie de 100 de ori mai ridicata decit fondul radiatiei

naturale.

Centralele be baza de gaz metan sunt mai ecologice, combustibilul este dpv

chimic mai pur reactia poate fi mai bine controlata, nu sunt reziduuri solide samd.

Apar insa probleme de transport inclusiv ecologice Combustibilii fosili sunt surse

energetice neregenerabile, resursele sunt finite de ex se pare ca resursa mondiala

de carbune este pentru 200-300 de ani, pentru petrol 80 ani.

2) Centralele hidroelectrice CHE

Energia acumulata în apa → energie mecanica → energie electrica; este de 4 ori

mai ieftina, dar potentialul hidroenergetic, în condiŃiile în care ar fi valorificat în

intregime, nu poate satisface decit 25% din necesarul de energie.

Clasificare;

• CHE pe riuri de cimpie- apar probleme ecologice legate de inundarea unor

terenuri fertile de aparitia algelor albastre

• CHE pe riuri de munte

In ambele cazuri sunt necesare baraje şi lacuri de acumulare.

Avantaje:

• Flexibilitate în exploatare posibilitatea pornirii şi opririi unui anumit numar

de agregate în functie de capacitatea lacului de acumulare; sunt centrale

de virf de sarcina

• Poate fi valorificat potentialul riurilor de munte mici prin constructia

agregatelor mici;

• Sunt ecologice nu aduc prejudicii prea mari mediului chiar şi în cazul

construirii barajelor terenurile dezafectate sunt mai mici decit cele ocupate

cu deseuri solide de la CTE.

3) Centrale atomoelectrice CAE

Reactia de baza este fisiunea nucleelor de uraniu 235 prin bombardare cu neutroni.

Energia eliberata prin ruperea legaturilor dintre protoni şi neutroni, se transforma în

energie termica. La arderea unei t de carbune se elibereaza 7Kcal, prin reactia unui

gram de combustibil se elibereraza 20milioane Kcal.

Avantaje:

• Volum mic de combustibil ex pentru o centrala cu capacitatea de 1 milion

de KW sunt necerari pentru 3 ani de functionare 10 mii t carbune sau 80 t

comb nuclear UO2.

• Amplasarea poate fi facuta oriunde nu exista risc seismic şi exista

suficienta apa pentru racire

Combustibilul nucear este format din bare de ardere.

O bara contine sub forma de pastile UO2 sau UC.

UO2 contine izotopul fisionabil sub forma de;

• Neutroni termici U-235, U-232 sau plutoniu 239

• Neutroni rapizi U-238, Th-232.

Uraniul U235 este singurul izotop natural capabil sa intretina reactia de fisiune în lant

a nucleelor. Captậnd un neutron, U 235 se transforma în U 236, foarte nestabil care

se descompune în 2-3 fragmente de elemente mai usoare Br, I, Kr, Ba. “Defectul de

masa” provoaca eliminarea unei cantitati mari de energie şi aparitia a 2-3 neutroni

noi care asigura propagarea reactiei atomice. Acesti neutroni au o viteza foarte mare

20mii Km/sec şi o energie primara de citeva milioane de Ev (1eV=1.59 10-12 erg).

Pentru ca reactia de captare a neutronilor de catre U 235 este eficienta numai daca

miscarea neutronilor este incetinita pina la 2 Km/sec. Reducerea vitezei se face cu

un moderator care poate fi apa grea sau grafitul.

O parte din neutroni este captat de U 238 care nu se dezintegreaza şi care

reprezinta cea mai mare parte a combustibilului. Prin dezintegrare se formeaza

plutoniu 239 deasemenea radioactiv şi lantul continua.

Dupa 3 ani barele se extrag din reactor şi se pastreaza inca 3 ani în CAE în bazine

speciale pentru a se dezintegra complet radionuclizii cu timpi de injumatatire mic.

Apoi se extrage Pu 239 iar reziduurile se ingroapa. în procesul fisiunii din reactor se

formeaza şi produsi gazosi care se elimina sub forma de aerosoli şi gaze

radioactive în atmosfera. La sfirsitul anului 1988 în 26 de tari existau 429 reactoare

atomice cu capacitatea de 311 milioane KW şi se construiau inca 105.

2. Surse alternative de energie

♦ Utilizarea energiei solare . Calculele utilizarii energiei solare au dus la rezultate

spectaculoase de ex. necesarul de energie al tarilor fostei URSS echivaleaza cu

energia solară ce cade pe o suprafata patrata cu latura de 67 cm în desertul

Kara-Kum. în prezent energia solară se utilizeaza în special la încălzirea apei

pina la temperatura de fierbere 373K deci mai ales pentru necesar gospodaresc,

agricultura şi partial industrie. Servicii sociale, sere, spalatorii uscatorii etc

Transformarea directa în energie electrica are loc prin intermediul elementelor

semiconductoare fotoelectrice.

Construirea centralelor electrice pe baza energiei solare dar utilizind principiul

cazanului cu abur s-a dovedit nerentabila. Ex o centrala experimentala de 5oooKw

cu un sistem de oglinzi heliostatice cu suprafata de 40 mii m2 ce captau radiatia

solară şi o focalizau permanent pe cazanul cu abur.

Cheltuielile pentru obtinerea aceleiasi cantitati de energie sunt de 70 ori mai mari

decit în cazul CTE. Functioneaza insa astfel de centrale în Franta, SUA .ex SUA

razele solare sunt focalizate pe o teava prin care curge ulei sintetic care se

incalzaste pina la 600 K trece apoi printr-un schimbator de caldura →generator de

abur →turbina →en electrica.. Utilizarea dispozitivelor semiconductoare ridica şi mai

mult pretul de cost. Deocamdata acestea au ramas sa echipeze navele cosmice. La

nivelul anilor 1960 s-a imaginat o supercentrala electrica care sa utilizeze energia

solară amplasata pe o orbita circumterestra la 36 Km în jurul ecuatorului.cu 60 de

sateliti fiecare satelit trebuia format din panouri semiconductoare cu masa de aprox.

50 mii t . Energia obtinuta urma sa fie transformata în curent de inalta frecventa şi

transmissa pe Pamint.

Pericolul ecologic al curentilor de microunde care ionizau aerul şi puteau distruge

lumea vagetala.

♦ Energia termonucleara- practic energia apei.

Sinteza termonucleara dirijata în care sunt implicate nucleele usoare izotopi ai

hidrogenului D, T. Energia de sinteza NUCLEARA - fusiune este imensa iar produsii

sunt inofensivi, He.

♦ Energia eoliana

Din radiatia solară care cade pe suprafata pamintului aproximativ 20% se

transforma în energie eoliana utilizata din cele mai vechi timpuri. Construirea

centralelor electrice eoliene CEE este oarecum limitata tehnologic imposibilitatea

controlarii vậnturilor ca directie şi intensitate. Se construiesc în general

microcentrale pentru consum agricol de 4-6 kw ; se construiesc totusi şi CEE pina la

100kw în Europa de Vest exista programe nationale în Germania şi UK pentru

constructia unor agregate energetice mari pe baza energiei vậnturilor. Astfel UK se

preconizeaza construirea unor parcuri eoliene de 3-4 Km2 cu cite 25 de turbine cu

capacitatea totala de 8MW. în Suedia pina la 4000 CEE care vor asigura 20% din

necesarul de energie electrica a tarii. SUA la sfirsitul sec XX existau 14 mii de

centrale cu o putere instalata de 1400 MW. Interesul pentru aceste tipuri de centrale

creste continuu.

♦ Energia mareelor

♦ Surse de energie regenerabila

♦ Definitie: sursele se regenereaza anual sau la intervale de timp de citiva ani

♦ Hidrogenul este cea mai importanta sursa de energie, cel mai eficient şi curat

combustibil.