Alternative Energien: Definitionen, Typen und Gewinnung

Alternative Energien

Mechanische Definition von Arbeit: Das Skalarprodukt aus Kraft und Weg. Arbeit kann 0 sein, wenn die Kraft 0 ist, d.h. keine Kraft, die Verschiebung ist 0 oder Kraft und Verschiebung senkrecht zueinander stehen. Die Arbeit ist negativ, wenn der Winkel zwischen 90 und 270 Grad liegt, da der Kosinus negativ ist und somit das Produkt negativ ist. Mechanische Arbeit kann also jeden beliebigen Wert annehmen.

Thermodynamische Definition von Arbeit: Arbeit wird durch die Expansion eines Gases verrichtet. Da es sich um eine Gasexpansion handelt, ist die Arbeit das Produkt aus dem Druck, der auf ein Gas ausgeübt wird, und seiner Volumenänderung. Da der Druck nicht 0 sein kann, ist die Arbeit 0, wenn keine Volumenänderung stattfindet, d.h. das Gas bleibt bei konstantem Volumen. Bei Expansion ist die Arbeit positiv, da sich das Volumen erhöht, bei Kompression verringert sich das Volumen und die Arbeit ist negativ.

Sowohl in der Mechanik als auch in der Thermodynamik ist Arbeit eine Bewegung und vor allem etwas, das geschehen ist, das verrichtet wird, die Arbeit wird nicht getan.

Energie ist eine Eigenschaft von Körpern, die Arbeit verrichten können, definiert als die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten.

Kinetische Energie ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt. Sie ist proportional zur Masse und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit. Eine Verdopplung der Masse verdoppelt die Energie, eine Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht die Energie.

Elastische Energie: Energie, die in einem elastischen Körper gespeichert ist, wenn er verformt wird. Sie ist proportional zum Quadrat der erzeugten Verformung.

Potentielle Energie: In Bodennähe ist sie proportional zur Masse und Höhe. Es ist die Energie, die ein Körper hat, wenn er sich in einer bestimmten Höhe befindet.

Elektrische potentielle Energie: Die Energie, die eine elektrische Ladung besitzt, wenn sie sich in der Nähe anderer elektrischer Ladungen befindet. Sie ist proportional zur elektrischen Ladung. Materie besteht aus geladenen Teilchen, daher gibt es immer elektrische Ladung.

Dies sind klassische mechanische Energieformen, die im 19. Jahrhundert abgeleitet wurden. Im frühen 20. Jahrhundert, mit der Entwicklung der Relativitätstheorie, wurde die Ruheenergie der Masse entdeckt und festgestellt, dass es eine Äquivalenz zwischen Masse und Energie gibt, so dass die Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit die Ruheenergie ergibt.

Dies folgt dem Prinzip der Energieerhaltung, das besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt wird.

Ein Körper kann nur Energie verlieren oder gewinnen, wenn Arbeit an ihm verrichtet wird. Arbeit überträgt Energie von einem Körper auf einen anderen, wobei die Gesamtenergie konstant bleibt.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die verrichtete Arbeit niemals gleich der zugeführten Energie sein kann, sondern immer geringer ist. Der zweite Hauptsatz besagt, dass es immer einen Energieverlust gibt, wenn Arbeit verrichtet wird. Das bedeutet nicht, dass Energie verloren geht, sondern dass sie in Wärme umgewandelt wird, die nicht genutzt werden kann.

Die Arten von Energie sind oben aufgeführt, aber manchmal kommen sie zusammen und es gibt andere Arten von Energien, die nur Kombinationen sind:

Elektromagnetische Energie: Elektrische Energie, die durch elektromagnetische Strahlung übertragen wird.

Innere Energie: Die Summe aller Energien eines Systems.

Bindungsenergie: Auch als chemische Energie bekannt, die in den Bindungen von Molekülen gefunden wird. Es ist die Kraft, die Teilchen durch Anziehung zusammenhält.

Thermische Energie: Kinetische Energie von Atomen und Molekülen.

Kernenergie: Energie, die den Atomkern zusammenhält, und die Ruheenergie, die Kernteilchen haben, die weniger Masse haben als ihre Bestandteile.

Im internationalen Einheitensystem wird Joule (J) verwendet. Ein Joule ist die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Masse von 100 g um 1 m zu bewegen, was eine kleine Einheit ist.

Kalorie (cal) ist die Energie, die benötigt wird, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad zu erhöhen und entspricht 4,184 J.

Kilokalorie (kcal) wird in der Diätetik verwendet, obwohl immer weniger. Wenn es um Klimaanlagen oder Kühlräume geht, spricht man von BTU.

Die Kilowattstunde (kWh) wird für den Stromverbrauch verwendet und entspricht 3,6 Millionen J.

Bei der Stromerzeugung werden zwei spezielle Einheiten verwendet: Die erste ist das Tonnen-Öläquivalent und die zweite die Tonne SKE, wobei jede auf ein anderes System zur Stromerzeugung angewendet wird.

Energiegewinnung

Primärenergie wird in der Natur gefunden und wird meistens nicht direkt genutzt. Die wichtigsten sind fossile Brennstoffe und Energieminerale (Öl, Kohle, Erdgas und Uran). Andere, die keine Veränderungen erfahren haben, sind die Sonne, der Wind, der einer der ersten Energieträger war, die vom Menschen in der Navigation und in Windmühlen genutzt wurden, die Gezeitenkräfte, die seit dem 20. Jahrhundert genutzt werden, die durch Wind und Wellen verursacht werden, die wiederum von der Sonne stammen, die innere Wärme der Erde oder Geothermie, die nicht von der Sonne stammt, und die Biomasse, die von Lebewesen stammt und jetzt für Kraftstoff verwendet wird.

Sekundäre Energie: Wenn die Primärenergie in eine für den Menschen nützlichere Energie umgewandelt wird. Diese Veränderungen können physikalisch sein, wie die Destillation von Erdöl, chemisch, wie das Cracken von Kohle oder Öl, und biochemisch, wie die Vergärung von Biomasse. Dies geschieht, um Brennstoff oder Strom zu gewinnen. Manchmal werden Brennstoffe zur Stromerzeugung verwendet.

Die Produktion von Strom

Es gibt fünf Möglichkeiten, aber keine ist rein. Die erste ist die Piezoelektrizität, die durch das Zusammendrücken bestimmter Materialien erzeugt wird und sich in einem sehr elementaren Stadium befindet.

Die zweite ist die Batterie, die mit mehreren Zellen als Akku bezeichnet wird, ein elektrochemischer Stromerzeuger. Es gibt verschiedene Arten: wiederaufladbar, nicht wiederaufladbar, Brennstoffzelle, alkalisch.

Die dritte Möglichkeit sind Photovoltaikanlagen, die Strom direkt aus Sonnenlicht gewinnen.

Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung eines elektrischen Generators, der im Wesentlichen aus einem Kessel, einer Turbine, einem Generator und einem Kühler besteht. Im Kessel wird Wasser durch die Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt. Der Dampf bewegt die Turbine und eine externe Wasserquelle kondensiert den Dampf. Das Wasser aus dem Kühler wird wieder in den Kessel geleitet, um wieder verdampft zu werden. Wasserkraftwerke nutzen die Bewegung von Wasser, das einen Abhang hinunterfällt, um die Turbine anzutreiben. Windkraftanlagen nutzen den Wind, um die Turbine anzutreiben. Gezeitenkraftwerke nutzen die Bewegung des Wassers durch Ebbe und Flut. Turbinenschaufeln sind so ausgerichtet, dass sie den Dampf oder das Wasser optimal nutzen. Die Turbine treibt den Generator an, der aus einer Spule aus Kupfer besteht, die sich zwischen den Polen eines Magneten dreht. Durch die Drehung der Spule wird Strom erzeugt.

Alternative Energie

Die erste ist die Windenergie, d.h. die Erzeugung von Strom aus Wind durch Windkraftanlagen, die ähnlich wie 3-Blatt-Turbinen funktionieren. Sie haben einen Multiplikatoreffekt, ein System, das die Drehung der Welle beschleunigt. Die Rotorblätter drehen sich mit 3 oder 6 U/min, während die Drehzahl des Generators ca. 1500 U/min beträgt. Die Turbinen können isoliert sein und sind meist kleiner und werden als Mikrogeneratoren oder Minigeneratoren bezeichnet, je nach Stromversorgung eines abgelegenen Ortes. Oder es werden Windparks installiert, die üblicherweise Strom in das allgemeine Stromnetz einspeisen. Die Vorteile dieser Art von Energie sind, dass sie sauber und umweltfreundlich ist, die Installation schnell geht, die Parks in wenigen Monaten fertig sind, der Boden, der nicht von anderen Versorgungsunternehmen genutzt wird, verwendet werden kann und die Größe des Windparks je nach Energiebedarf erhöht werden kann. Die Nachteile sind, dass man sie nicht überall aufstellen kann, man braucht Gebiete, in denen die vorherrschenden Winde überwiegend aus der gleichen Richtung und mit einer bestimmten Kraft kommen. Wenn der Wind sehr stark ist, können sie brechen, wenn er sehr schwach ist, bewegen sie sich nicht. Die Stromstärke hängt vom Wind ab, wenn es keinen Wind gibt, gibt es keinen Strom. Sie haben eine starke visuelle Wirkung, d.h. die meisten Parks befinden sich in geschützten Gebieten und zerstören die Landschaft. Sie verursachen Verwüstung unter den Vögeln. Die Verteilung des erzeugten Stroms ist teuer. Man kann keine Energie speichern, wenn es windig ist, aber keine Nachfrage nach der Turbinenleistung besteht, und wenn die Nachfrage vorhanden ist, aber kein Wind weht. Es ist eine diffuse Energie, die eine große Fläche für Windparks benötigt.

Solarenergie aus der Sonne. Es gibt verschiedene Arten von Solarenergie: Photovoltaik, die durch Solarzellen Licht in Strom umwandelt. Manchmal ist die Installation von Solaranlagen eine Reihe von Photovoltaikanlagen, die Strom für das Verteilungssystem erzeugen, wenn sie auf dem Dach eines Hauses platziert werden. Die am weitesten verbreitete ist die Solarthermie für Warmwasser. Das Solarturmkraftwerk nutzt Konvektion, um Luft zu erwärmen und Strom zu erzeugen. Die wichtigste ist die solarthermische Stromerzeugung, die aus einem Solarofen besteht, der als Kessel dient, und einer Reihe von Spiegeln, die die Strahlen auf den Ofen lenken. Zuerst wurde der Solarofen zum Erhitzen von Wasser verwendet, aber jetzt werden Öle verwendet, um die Temperatur zu erhöhen, die sicherer und effektiver ist, um hohe Temperaturen im Ofen zu erreichen. Das Öl wird zur Warmwasserbereitung verwendet. Die Vorteile sind, dass sie sauber ist, eine geringe Umweltbelastung hat, eine hohe Leistung hat, hohe Temperaturen (300 ºC) erreicht werden, geringe Wartungskosten hat, da alles automatisiert ist und man nur den Druck überwachen und reinigen muss. Die Nachteile sind, dass man Standorte mit hoher Sonneneinstrahlung benötigt, das Wetter instabil ist, heißes Öl gespeichert wird und es ein paar Tage dauern kann, aber nicht eine Woche ohne Sonne, und die Kosten für die Entwicklung eines Kraftwerks sind hoch.

Wasserkraft, die in Flüssigkeit verteilt ist. Ein Stausee wird durch einen Damm geschaffen und das Wasser fließt durch ein Rohr, bewegt die Turbine und durch eine andere Quelle. Die Vorteile liegen auf der Hand: Man kann das Wasser speichern, was bedeutet, dass die Wassernutzung nicht nur zur Stromerzeugung dient, sondern auch für den menschlichen Verzehr oder zur Bewässerung, um Überschwemmungen zu verhindern und wird heute auch für den Tourismus genutzt. Die Wartungskosten sind sehr gering. Die Nachteile sind die Kosten für den Bau von Dämmen und die Zeit, eine große Umweltbelastung, da der Bau eines Staudamms das gesamte Ökosystem verändert, die Kosten für die Stromverteilung und die Abhängigkeit vom Wetter, da es bei einer Dürre nur wenig Wasser gibt.

Gezeitenkraftwerke werden an der Küste eingesetzt, wo es einen Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut gibt, der in der Regel 5 bis 6 Meter beträgt.

Geothermie nutzt die Wärme aus der Erde und ist nur in vulkanischen Gebieten möglich.

Biomassekraftwerke verwenden anstelle von fossilen Brennstoffen Pflanzenmaterial, das speziell verbrannt wird.