ΕΠΙΜΟΡΦΩΣΗ Β' ΕΠΙΠΕΔΟΥ, Π.Ε. 70, 2013
Ώρα για μάθημα: Παιδιά, πάμε στην Εύβοια;
ΦΥΣΙΚΑ: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ
Θεωρία και πληροφορίες σε ό,τι αφορά την ενέργεια και τον ηλεκτρισμό που μπορούμε να παράγουμε από αυτή, υπό το πρίσμα των δυνατοτήτων του τόπου μας.
Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Το μεγαλύτερο μέρος των ενεργειακών μας αναγκών καλύπτεται από τα ορυκτά καύσιμα, το πετρέλαιο, τους ορυκτούς άνθρακες και το φυσικό αέριο. Τα αποθέματα όμως του πετρελαίου και του φυσικού αερίου είναι περιορισμένα, ενώ τα κοιτάσματα των ορυκτών ανθράκων ολοένα και λιγοστεύουν. Ο ρυθμός με τον οποίο αντλούμε και υποβαθμίζουμε αυτές τις πηγές ενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερος από το ρυθμό με τον οποίο η φύση τις δημιουργεί. Για να ανανεωθούν αυτές οι πηγές, χρειάζονται χιλιάδες ή και εκατομμύρια χρόνια, γι' αυτό και λέμε ότι πρακτικά είναι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Υπάρχουν όμως και πηγές ενέργειας, που όσο και αν τις χρησιμοποιούμε, δεν εξαντλούνται. Μάλιστα, για να τις βρούμε, δε χρειάζεται καν να σκάψουμε! Οι πηγές αυτές ανανεώνονται από τη φύση με πολύ γρήγορο ρυθμό, γι' αυτό τις ονομάζουμε ανανεώιμες πηγές ενέργειας. Όσο υπάρχει ο Ήλιος, το νερό της βροχής και ο άνεμος κι όσο νέα φυτά φυτρώνουν και αναπτύσσονται, θα έχουμε στη διάθεσή μας τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ωστόσο, το βασικό πρόβλημα αυτών των ενεργειακών πηγών είναι ότι, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, η αξιοποίησή τους είναι δύσκολη και ιδιαίτερα δαπανηρή.
Ο Ήλιος
Η κύρια και πρωταρχική πηγή ενέργειας για τη Γη είναι ο Ήλιος μας. Η ακτινοβολία του Ήλιου, η ηλιακή ακτινοβολία, όπως συνηθίζουμε να τη λέμε, έχει τροφοδοτήσει και εξακολουθεί να τροφοδοτεί με ενέργεια όλες σχεδόν τις ανανεώσιμες και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η ενέργεια του Ήλιου όμως είναι και από μόνη της μια σημαντική πηγή ενέργειας.
Είναι γνωστό ότι η ακτινοβολία του Ήλιου όχι μόνο δίνει φως, αλλά επίσης θερμαίνει τα σώματα στα οποία προσπίπτει. Αυτή τη θερμότητα μπορούμε είτε να τη χρησιμπποιήσουμε αμέσως καθώς έρχεται από τον Ήλιο, είτε να την αποθηκεύσουμε με τεχνητά μέσα και να τη χρησιμοποιήσουμε όταν τη χρειαστούμε.
Εκτός από την άμεση χρήση ή την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας ως θερμικής, είναι δυνατό να τη μετατρέψουμε και σε ηλεκτρική. Αυτή η μετατροπή λέγεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε ορισμένα υλικά, δυστυχώς ακριβά ακόμα, τα οποία έχουν την ιδιότητα να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν φωτίζονται.
Μικρά κομμάτια αυτών των υλικών (φωτοβολταϊκά στοιχεία) ή συστοιχίες πολλών μαζί (φωτοβολταϊκά συστήματα) είναι δυνατόν να τροφοδοτούν ηλεκτρικές συσκευές ή και να φορτίζουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) μόνο από την ηλιακή ενέργεια.
Βιομάζα
Ο πρωτόγονος άνθρωπος, για να ζεσταθεί και να μαγειρέψει, χρησιμοποίησε την ενέργεια (θερμότητα) από την καύση των ξύλων. Αλλά και μέχρι σήμερα, πολλοί φτωχοί αγροτικοί πληθυσμοί, ιδίως της Αφρικής, της Ινδίας και της Λατινικής Αμερικής, για να ζεσταθούν, να μαγειρέψουν και να φωτιστούν χρησιμοποιούν ξύλα, φυτικά υπολείμματα ( άχυρα, πριονίδια, άχρηστους καρπούς ή κουκούτσια... ) και ζωικά απόβλητα ( κοπριά, λίπος ζώων, άχρηστα αλιεύματα... ).
Όλα τα παραπάνω υλικά, που άμεσα ή έμμεσα προέρχονται από το φυτικό κόσμο, όπως και μέρος από τα υγρά απόβλητα ή τα σκουπίδια ( υπολείμματα τροφών, χαρτί... ) των πόλεων και των βιομηχανιών, τα ονομάζουμε βιομάζα.
Σήμερα και οι κάτοικοι των ανεπτυγμένων χωρών χρησιμοποιούν βιομάζα σε ολοένα και μεγαλύτερες ποσότητες. Έτσι, η βιομάζα αποτελεί για την ανθρωπότητα μια σημαντική πηγή ενέργειας.
Η εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου από τον άνθρωπο αποτελεί μία πρακτική που βρίσκει τις ρίζες της στην αρχαιότητα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας είναι τα ιστιοφόρα και οι ανεμόμυλοι. Σήμερα, για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούμε τις ανεμογεννήτριες (Α/Γ).
Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική ενέργεια με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνουμε την μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι Α/Γ χρησιμοποιούνται για την πλήρη κάλυψη ή και τη συμπλήρωση των ενεργειακών αναγκών. Το παραγόμενο από τις ανεμογεννήτριες ηλεκτρικό ρεύμα είτε καταναλώνεται επιτόπου, είτε εγχέεται και διοχετεύεται στο ηλεκτρικό δίκτυο για να καταναλωθεί αλλού. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από τις Α/Γ, όταν η παραγωγή είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση, συχνά αποθηκεύεται για να χρησιμοποιηθεί αργότερα, όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή.
Η αποθήκευση σήμερα γίνεται με δύο οικονομικά βιώσιμους τρόπους, ανάλογα με το μέγεθος της παραγόμενης ενέργειας. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές (μπαταρίες) είναι η πλέον γνωστή και διαδεδομένη μέθοδος αποθήκευσης Η/Ε, η οποία χρησιμοποιείται για μικρής κλίμακας παραγωγικές μη διασυνδεδεμένες στο κεντρικό δίκτυο μονάδες. Η άντληση ύδατος με χρήση Η/Ε παραγόμενης από Α/Γ και η ταμίευσή του σε τεχνητές λίμνες κατασκευασμένες σε υψόμετρο το οποίο είναι ικανό να τροφοδοτήσει υδροηλεκτρικό σταθμό, είναι η μέθοδος αποθήκευσης που χρησιμοποιείται όταν η παραγόμενη Η/Ε είναι μεγάλη. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό, σε αρκετές περιοχές της Κρήτης, της Πελοποννήσου, της Ευβοίας και φυσικά στα νησιά του Αιγαίου. Σε αυτές τις περιοχές θα συναντήσουμε και τα περισσότερα αιολικά πάρκα, τα οποία αποτελούνται από συστοιχίες ανεμογεννητριών σε βέλτιστη διάταξη για την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού.
Η αιολική ενέργεια είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Η εκμετάλλευση του υψηλού της δυναμικού στη χώρα μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών που ενσωματώνεται στις σύγχρονες αποδοτικές ανεμογεννήτριες, έχει τεράστια σημασία για τη βιώσιμη ανάπτυξη, την εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων, την προστασία του περιβάλλοντος και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.
Ο άνεμος
Σε μερικές μάλιστα εγκατελλειμένες, αλλά και γόνιμες περιοχές καλλιεργούνται κάποια φυτά ειδικά για να χρησιμοποιηθούν ως βιομάζα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (ενεργειακές καλλιέργειες). Η ενέργεια που είναι δεσμευμένη στις φυτικές ουσίες, προέρχεται από την ηλιακή ενέργεια. Με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα. Αυτή την ενέργεια προσλαμβάνουν με την τροφή τους, και μέρος της αποθηκεύουν, οι ζωικοί οργανισμοί. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα, μετά την επεξεργασία και χρήση της. Για να πάρουμε ενέργεια από τη βιομάζα, την καίμε είτε απευθείας είτε αφού προηγουμένως την υποβάλλουμε σε επεξεργασία (κοπή, ξήρανση ή άλλλες πιο πολύπλοκες διαδικασίες).
Άλλες πάλι φορές, με κατάλληλη επεξεργασία ορισμένων φυτών που καλλιεργούνται σε ενεργειακές καλλιέργειες, μπορούν να παραχθούν υγρά καύσιμα, που λέγονται βιοκαύσιμα. Αυτά είναι πιο αποδοτικά και λιγότερο ρυπαντικά από τα γνωστά μας καύσιμα, αλλά δυστυχώς είναι ακόμα ακριβά. Τα βιοκαύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θέρμανσή μας, για την παραγωγή ηλεκτρισμού αλλά και ως καύσιμα μεταφορών. Σε μερικές μάλιστα χώρες όπως η Βραζιλία, χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό για την κίνηση των αυτοκινήτων.
Όσο δηλαδή υπάρχουν φυτά και ζώα στον πλανήτη, όσο δηλαδή υπάρχει ζωή, θα έχουμε και την ανεξάντλητη, ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, που λέγεται βιομάζα.
Γεωθερμία
Ένα παλιό όνειρο του ανθρώπου, είναι η εκμετάλλευση της μεγάλης θερμοκρασίας που επικρατεί στο εσωτερικό της γης. Η ιδέα προήλθε από την ανάβλυση μεγάλης ποσότητας θερμού νερού ή ατμών ή απλώς θερμού αέρα (γεωθερμικά ρευστά) σε πολλλές περιοχές της γης. Σε άλλες πάλι περιοχές, που δεν έχουν αυτό το προνόμοιο, γίνονται γεωτρήσεις σε μεγαλύτερο βάθος, όπου βρίσκονται γεωθερμικά ρευστά.
Η ενέργεια των γεωθερμικών αυτών ρευστών λέγεται γεωθερμική ενέργεια.
Η γεωθερμική ενέργεια είμαι μια ήπια και ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, που μπορεί με τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες, να καλύψει ενεργειακές ανάγκες θέρμανσης, αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε ορισμένες περιπτώσεις. Η θερμοκρασία του γεωθερμικού νερού ή ατμού ποικίλει από περιοχή σε περιοχή και μπορεί να έχει τιμές από 25 βαθμούς κελσίου μέχρι 350 βαθμούς κελσίου. Στις περιπτώσεις που τα γεωθερμικά ρευστά έχουν υψηλή θερμοκρασία, πάνω από 150 βαθμούς κελσίου, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικήες ενέργειας.
'Οταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη, η γεωθερμική ενέργεια αξιοποιείται για τη θέρμανση κατοικιών και άλλων χώρων, θερμοκηπίων, κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών κ.α..
Η χώρα μας λόγω της διαμόρφωσης του υπεδάφους της, είναι πλούσια σε γεωθερμική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή αξιοποιείται σήμερα με αυξανόμενους ρυθμούς. Στην περιοχή του Νοτίου Αιγαίου οι θερμοκρασίες των γεωθερμικών ρευστών είναι πολύ υψηλές, ενώ περιοχές πλούσιες σε γεωθερμική ενέργεια, με ρευστά χαμηλότερων θερμοκρασιών, είναι διάσπαρτες σε όλη την Ελλάδα και μία από αυτές είναι και η περιοχή της Αιδηψού στη βόρεια Εύβοια.
Η γεωθερμική ενέργεια είναι ανεξάντλητη και φυσικά καθαρή.
Υδραυλική ενέργεια
Όπως όλα τα σώματα που κινούνται, έτσι και τα νερά που προέρχονται από την τήξη των πάγων και του χιονιού ή τη βροχή που έπεσε σε μεγάλο υψόμετρο, έχουν ενέργεια καθώς κατεβαίνουν προς χαμηλότερες περιοχές. Όμως όταν η κάθοδός τους γίνεται από πολλά σημεία και συνεχώς, δεν είναι εύκολο ή δυνατό να χρησιμοποιήσουμε αυτή την ενέργεια.
Αντίθετα συγκεντρώνοντας το νερό σε τεχνητές λίμνες (ταμιευτήρες) σε μεγάλο υψόμετρο, αποθηκεύουμε στην ουσία την ενέργειά τους. Αφήνοντάς τα στη συνέχεια να ρέουν μέσα σε αγωγούς με ταχύτητα (λόγω της διαφοράς υψομέτρου) προς χαμηλότερες περιοχές, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την αποθηκευμένη ενέργεια, μετατρέποντάς τη σε άλλη μορφή ενέργειας. Πραγματικά το νερό, πέφτοντας με ταχύτητα, είναι δυνατό να περιστρέψει μεγάλους τροχούς, που έχουν πτερύγια στην περιφέρειά τους (υδροτροχούς).
Αυτή την περιστροφή είχε εκμεταλλευτεί από παλιά ο άνθρωπος για τη λειτουργία υδρόμυλων κυρίως, που άλεθαν σιτηρά. ακόμα και σήμερα υπάρχουν παραδοσιακές εγκατάστασεις που λειτουργούν με το νερό μικρών ταμιευτήρων ή και με το νερό υδατορευμάτων που βρίσκονται σε κάποιο υψόμετρο.
Σήμερα το νερό των ταμιευτήρων, που συνήθως δημιουργούνται με τεχνητά φράγματα, χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (υδροηλεκτρικοί σταθμοί).
Στη χώρα μας όπου τα νερά δεν είναι άφθονα, οι υδατοταμιευτήρες δεν είναι δυνατό να τροφοδοτούν συνεχώς με νερό τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Συνήθως οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί λειτουργούν μόνο μερικές ώρες της ημέρας, της ώρες αιχμής όπως λέγονται, όταν δηλαδή χρειαζόμαστε πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια.
Σε πολλές υδροηλεκτρικές εγκατάστεις, το νερό των ταμιευτήρων χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον υδροηλεκτρικόσταθμό και στη συνέχεια το ίδιο νερό αξιοποιείται για την ύδρευση κοντινών πόλεων ή για την άρδευση γεωργικών εκτάσεων.
Στη χώρα μας λειτουργούν μερικοί μεγάλοι υδροηλεκτρικοί σταθμοί και πολλοί μικρότεροι, ενώ έχουμε τη δυνατότητα να εγκαταστήσουμε κι άλλους σε πολλές περιοχές της χώρας, όπου υπάρχουν μεγάλα ή μικρά υδατορεύματα.
Το νερό λοιπόν των ταμιευτήρων είναι μια ανεκτίμητη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, που δε ρυπαίνει το περιβάλλον, είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας.
πηγή: Γρηγόρης Ζερβός