Zdroje energie a Slnko

Zapojíš nabíjačku a mobil sa nabíja. Ale odkiaľ tá energia prišla? Z jadra uránu v Mochovciach, z Dunaja v Gabčíkove, zo slnka na streche suseda? Zásuvka ti to nepovie — táto lekcia áno.

Obnoviteľné a neobnoviteľné zdroje

Energia sa nevyrába z ničoho — len sa premieňa z jednej formy na inú (zákon zachovania energie). Zdroj energie je to, z čoho ju vieme získať.

Neobnoviteľné zdroje sa minú a príroda ich za ľudský život nedoplní: uhlie, ropa, zemný plyn (fosílne palivá — vznikali milióny rokov) a urán (palivo jadrových elektrární).
Obnoviteľné zdroje sa stále dopĺňajú: slnečné žiarenie, vietor, tečúca voda, biomasa (drevo, štiepka, bioplyn) a geotermálna energia (teplo zo zemského vnútra).

Pri spaľovaní fosílnych palív vzniká oxid uhličitý, ktorý prispieva ku globálnemu otepľovaniu. Jadrová elektráreň pri prevádzke oxid uhličitý nevypúšťa, ale vzniká v nej rádioaktívny odpad. Obnoviteľné zdroje majú zas háčik: slnko v noci nesvieti a vietor nefúka stále.

Na Slovensku vyrábajú viac ako polovicu elektriny jadrové elektrárne, veľkú časť dodávajú aj vodné elektrárne.

Batéria ani powerbanka nie sú zdroj energie. Sú to len zásobníky — energiu do nich najprv dodáš zo siete a potom ju z nich vyberieš (aj s nejakou stratou). Rovnako vodík v aute na vodík: treba ho najprv vyrobiť.

Slnko — pôvod skoro všetkého

Skoro všetka energia, ktorú používame, pochádza zo Slnka:

biomasa — rastliny rastú vďaka slnečnému svetlu (fotosyntéza),
fosílne palivá — sú to zvyšky rastlín a drobných organizmov, ktoré kedysi rástli vďaka Slnku; je to „uskladnené slnko“ spred miliónov rokov,
vietor — Slnko ohrieva Zem nerovnomerne, teplejší vzduch stúpa a vzduch prúdi,
tečúca voda — Slnko vyparí vodu, tá naprší do hôr a steká riekami dolu.

Zo Slnka nepochádza: jadrová energia (urán je v Zemi od jej vzniku), geotermálna energia (teplo zemského vnútra) a energia prílivu a odlivu (spôsobuje ho hlavne Mesiac).

Ako elektráreň vyrába elektrinu

Väčšina elektrární má na konci rovnakú dvojicu: turbína sa točí a generátor premení jej pohyb na elektrickú energiu. Líšia sa tým, čo turbínu roztočí:

tepelná (uhoľná, plynová) — spaľovaním paliva vznikne teplo, ohreje vodu na paru, para točí turbínu,
jadrová — teplo vzniká štiepením jadier uránu, ďalej rovnako: para → turbína → generátor,
vodná — voda padajúca z priehrady (jej potenciálna a kinetická energia) točí turbínu,
veterná — vietor točí lopatky.

Výnimkou je fotovoltika — tá nemá žiadnu turbínu ani pohyblivú časť.

Teraz ty: aká premena energie prebieha v ktorom zariadení?

Fotovoltika

Fotovoltický článok (panel) premení slnečné svetlo priamo na elektrickú energiu — vyrába jednosmerný prúd. Striedač (menič) z neho urobí striedavé napätie 230 V do zásuvky.

Na zemský povrch dopadá pri jasnej oblohe okolo poludnia výkon približne 1 000 W na každý štvorcový meter. Bežný panel z toho premení na elektrinu asi 20 % (účinnosť $\eta \approx 0{,}2$ ).

Panel na streche má plochu $2\,\mathrm{m^2}$ , účinnosť 20 %. Slnko dodáva $1\,000\,\mathrm{W/m^2}$ .

Dopadajúci výkon (príkon): $P_0 = 1\,000\,\mathrm{W/m^2} \cdot 2\,\mathrm{m^2} = 2\,000\,\mathrm{W}$
Elektrický výkon: $P = \eta \cdot P_0 = 0{,}2 \cdot 2\,000\,\mathrm{W} =$ 400 W
Za 5 hodín plného slnka: $W = Pt = 400\,\mathrm{W} \cdot 5\,\mathrm{h} = 2\,000\,\mathrm{Wh} =$ 2 kWh

Pri cene 0,20 € za kWh je to elektrina za 0,40 € — alebo asi 130 nabití mobilu. Pri oblačnosti, ráno, večer a v zime je výkon menší, v noci nulový.

Fotovoltický panel ≠ solárny kolektor. Fotovoltický panel vyrába elektrinu. Solárny kolektor (čierne trubice alebo platne na streche) iba ohrieva vodu. Oba využívajú Slnko, ale inak.

Šetrenie energie doma

Najlacnejšia kilowatthodina je tá, ktorú nespotrebuješ. Čo naozaj pomáha:

LED žiarovky — LED s príkonom asi 8 W svieti približne ako stará 60 W žiarovka,
vypínať spotrebiče, ktoré nepotrebuješ (svetlo v prázdnej izbe, počítač cez noc),
neprekurovať a vetrať krátko a naplno, nie celý deň pootvoreným oknom,
pri kúpe pozerať na energetický štítok (trieda A je najúspornejšia).

Klasickú 60 W žiarovku nahradíš LED s príkonom 8 W. Svieti 4 hodiny denne. Koľko kWh a eur ušetríš za rok (365 dní) pri cene 0,20 € za kWh?

Ukáž riešenie

Rozdiel príkonov: $60 - 8 = 52\,\mathrm{W} = 0{,}052\,\mathrm{kW}$

Za rok: $W = 0{,}052\,\mathrm{kW} \cdot 4\,\mathrm{h} \cdot 365 \approx 75{,}9\,\mathrm{kWh}$

Úspora: $75{,}9 \cdot 0{,}20 \approx$ 15,18 € za rok — z jednej žiarovky.

Teraz roztrieď: obnoviteľný zdroj, neobnoviteľný zdroj, alebo len zásobník?

Zapamätaj si

Neobnoviteľné zdroje: uhlie, ropa, zemný plyn, urán. Obnoviteľné: slnko, vietor, voda, biomasa, geotermálna energia.
Väčšina energie na Zemi pochádza zo Slnka — okrem jadrovej, geotermálnej a prílivovej.
V elektrárňach turbína roztočí generátor; fotovoltika mení svetlo priamo na elektrinu.
Výkon panelu: $P = \eta \cdot P_0$ , energia $W = Pt$ — pri $1\,000\,\mathrm{W/m^2}$ dá $2\,\mathrm{m^2}$ s $\eta = 0{,}2$ asi 400 W.
Batéria a powerbanka nie sú zdroje, len zásobníky energie.