i
i
“629-Strnad-naslov” — 2009/6/10 — 9:06 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 10 (1982/1983)
Številka 4
Strani 197–206
Janez Strnad:
PRESKRBA Z ENERGIJO
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/10/629-Strnad.pdf
c© 1983 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2009 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
FIZIKA
PRESKRBA Z ENERGIJO*
V vsakdanjem ži vljenju potrebujemo toploto za ogrevanje prosto -
rov, pr ipravljanje hrane, segrevanje vode za um i vanj e, ~ o p a n j e
in pomi vanje posode ( s a ni t a r ne vode ) in delo za poto vanja i n
pogon stroje v . Tudi gospodarstv o po t r eb uj e de lo in t opl ot o za
prev oz in za poganja nj e s t roje v, z a t a l j e nje kovin i td. Vse ga
sk upaj potrebu jemo na s vet u le t no uko l i 3 ,5.1 02 0 j ou l ov a l i
oko li 10' 4 kilowa ttur en e rgije de l no kot delo , deln o kot toplo -
to. če vzamemo, da ži vi na svetu okoli 4 mi l ijarde 400 mi lijo -
nov ljudi, ra bi vsak prebivalec Ze ml j e v povprečju vsako sekun-
do oko l i 2500 jou lo v . D ru g a č e povedano: p o v pre č n a moč, ki j o
r abi vs a k Zeml ja n no č in dan, j e ok o l i 2, 5 kW . Por aba je v r e-
s nic i zelo neen ak omern a , od prece j v e č kot 10 kW na preb ival ca
ZDA do ma nj kot 0 , 01 kW na pr ebivalca de že l v raz voj u . Sloven i-
ja je bliz u s ve tovnega po vprečja . Ene r gi j s ka pora ba je dos lej
izrazito naraščala s časom ( s l . 1 ).
Z energijsko pre skr bo se uk varja energ e tika, V kateri se pre-
pl e t a j o nara vos lo vje, te hni ka i n go s pod a rs tv o . V nj e j ima jo na -
vad o , da ne l o či jo del a i n to pl o te , ampak govor i j o vs e vprek o
energ iji . Namesto to plota rečejo top lotna energij a, namesto
električno delo pa elek trična energija. Poleg tega uporabljajo
še nekaj drugih imen . Notranjo energ ij o fosilnih goriv, to je
premoga, surove nafte, zemeljskega pl ina , notranjo (jed rsko)
ene rglJO urana in končno še kinet i čno in potencialno e nergi jo
vode štejejo k primarni energiji. El e k tri č n o del o e lekt rarn,
* Ne kol iko prede la no pog lavje iz učben ika Fizika za dru žboslove e no usmeri t ev .
19 7
notranjo energlJo bencin a, pl in skega olj a , me stne ga plina pa
š t e j e j o k sekundarn i energiji . Elekt ričn o del o, ki poga nj a s t r o-
01
0 2
10
kW
10 Z DA 04 03
kW 09
o65 os
07
u hoo... E
011 08.._.... 13
o 012
S~~l
rs 0 14 010
n.. ,azvll. 170~6o o
" S /lelo1950 1960 1970 () ·1 a-to
SI. 1 Povprečn i e ne rg i jsk i t ok na č l oveka v ZDA, zah odn i in vzh odn i Evropi ,
na sve t u i n v ne r a zv i t i h dež elah v odv i snos t i od č asa (a ) . Povprečni ener -
g i j s k i t ok na čl oveka v odv is nos t i od d ru žbenega br uto pro i zvod a (t rž ne v re -
dnosti vseh izde lkov in us l ug na pr ebiva lca i n na leto v kaki deže l i) za le -
to 1974 . 1 ZDA, 2 Kanada, 3 ZR N, 4 Avst ra l i j a, 5 Fr ancij a, 6 Fin ska, 7 Ja -
ponska , 8 Iz r ael , 9 Angl i ja, 10 Saud ska Ar abij a, 11 Venezu e l a, 12 Grč i ja,
13 Špan ija, 14 Mehika, 15 Pe r u , 16 Jo rda nij a , 17 Ma lavi (b}. Podatki so i z
publ i ka c i j Združenih narodov .
je, gr e je gre lce i n ž ic e v žarnicah, dalje notranjo energ lJo
go r iv a, ki zgo ri v p ečeh, de lo strojev na notr anje zgorevanje
v vo zil ih š t e j ej o h koristni energiji ( s l. 2) . Sekund arno e ne r -
g i j o dob ijo i z primarne d ale č od porabni kov v naft nih r a f ine r i -
ja h, e l e kt r a r nah , plinarnah in jo je treba pripeljati do porab-
nikov z vozi l i, da ljnovodi, pl ino vodi . I z s ekundarne e ne r gi j e
dobij o por abniki ko ristn o e ne r gi jo .
Po energ ijskem zakonu se energ ija ob opisanih kor aki h ohrani.
Zarad i entrop i j skeg a zak ona pa se zmanjšuje de lež top lote, ki
j o je mog oče spremeniti v del o, ko teče to pl ot a ob opi s an ih ko-
198
ra kih k vse nižji t emperaturi. S toploto, ki jo prejme naposled
oko l ica, ne moremo ne poganjati toplotnih strojev ne ogrevati
prostorov. Poleg tega kaže entropijski zakon zobe pri delu to-
plotn ih strojev, na kat ere j e na š a c i vi l i za c i j a navezana. Pomi-
sl i mo na parne tu rbin ~, ki po ga njaj o di namo s t roje v el e kt rar nah
in ki ima j o i z ko ri st e k okoli 40 %, in na stroje z notran jim zgo-
r evanjem v vozili h, ki imajo š e manj ši izkoristek .
.",ku nd . rn a
;1.1-"'"''
(' r lm " , n _
lo pla vcnla, lo pla i" osvetlj ena sobo,
I U/ )Ia hrana, "n'l'OZ,
pv t rO,{llc dobrine
- - - _. . pcči . šl ....di ln tkt, :i..aruk- c . mutorji .. .
(lokalno. pri por abniku)
elektrika. I"C"w~. bencin,
ku rilno in pl ins kn ol je ,
m estni in zem el jski plin
- · - ---dd~_lranil·. p linarne. ra fine-ri je .. .
(centralno. daleč od por abnika)
s"rOl 'U noit a, l'rc",o~.
z(·"".:ljsk i pUH, IIrUH
______rudni ki premoga, uran; .. naftn a polj" . . .
Sl . 2 Tok e ne rg i je od pri marne pr eko sekunda rne do ko r is t ne in iz rabl jene.
Ta t ok nenehn o teče i n poganja gospodar s tva in s p l oh c i v i l iz i rano življenj e .
Dandanes me ri na dnu pri pr imar n i en e r g ii j i pr eko 10 ' 3 wattov , kar "da v pov-
preč j u več kot 2 , 5 k i lo wat ta na prebivalca Zemlj e . Vsa ko spremembo s pr eml j a -
j o i zgube , ne ka j ene rgi jskega t oka pa se porab i za pr e nos seku ndarne e ne r g i -
je do po ra bn i ka (pen tlj a na desni) . Pri podrobne j šem preg ledu j e tok mnogo
bol j r az ve jan i n ga j e t r eba obr a vnava t i za vs ako dežel o pos e bej. Naposl ed
se za ra d i nj ega segreje okol i ca in se va Zemlja tol ik šen t ok v vesolj e v ob-
li ki dol goval ovn e s vet lo be .
Gl a vni e ne r gi js ki vir so zaenkrat fosil na go r i va i n j ed r s ko go -
r iv o. Njihove zalo ge so ome je ne. Ko l iko čas a bo do še t raj ale, je
odvis no od nar a šč anja e ne r g i j s ke porab e, pa tudi od novih zalo g,
ki j i h bod o morebi ti š e odk r i l i, in od izb ol j šan j a tehni š kih
pos to pkov . Pr e vi dn e ocene kažejo, da bi ut egn i lo biti prem oga
še za več kot s t o l et, jedrskega goriv a za nek a j manj , zeme l j -
skega pl in a že za ne kaj manj in surove nafte l e za nekaj deset
l e t. To na s s il i , da na vse mog o č e n a čine v a rčujemo z e ne r gi j o .
199
Izkoristek je definiran kot kvocient odvedene energije (dela ali toplote),
ki jo i zkor i s ti mo , in dovedene energije (de la a l itoplote), ki jo "moramo
plačati ".
peči in šted i lniki
50 % do 80 %
dovajamo top loto,
40 %odvajamo toploto
70 %do 90 %
dovajamo el. de lo, 70 %
odvajamo toploto
100 %}elekt rična peč
peč na gorivo }
(p remog, kuri Ino ol je, pl in)
p l inski štedi lnik
kotel za centralno ogrevanje
električni štedilnik
stroj i
vodna turbina, mlinsko
kolo, prenosi z jermen i,
zobatimi kolesi
elekt romotor
dinamostroj
toplotn i stroji
parna turb ina
diese l ski stroj
bencinski stroj
elektrarna na premog
top 1arna
toplotna črpalka
dovajamo mehanično delo, do 90 %odvajamo mehanično delo
dova jamo e l. delo, 80 %do 90 %odvajamo mehanično delo
dovajamo mehanično delo, 80 %do 90 %odvajamo el. delo
1
dO 40 %
dovajamo t oplo t o ,
odvajamo mehanično de lo 35 %
20 %do 25 %
{ dovajamo toploto, 30 %odvaj amo el. de lo
dovajamo toploto,
odvajamo el . delo in 40 %do 70 %
toploto
dovajamo delo in toploto, odvedena to-
odvaj amo top loto plota je okol i
trikrat večja
od dovedenega
dela
naprave za izkoriščanje sončne energije
zb ira lnik na strehi dovajamo toploto
odvajamo toploto 20 % do 70 %
0,5 %do 5 %
200
K va r č ev a n j u z e nergijo nas sili t ud i te žnj a, da bi obv a r ovali
zdr a vo okol je . Pri se žiga nj u fo si lnih goriv nast a nej o s novi, ki
ones naž ujej o oko l j e: pep e1ni pr ah, nestrupeni ogl jikov di oks i d
( s l . 3 ) in st r upe ni žve pl ov dio ksid in du ši kovi oksidi. Pepel
se da izl o č iti iz dima ra zmeroma lahko z elektri čnimi filtri.
Najnev arnej š i je žvepl ov di oksid , ki ga j e od vs e h s t r upe ni h
sn ovi n a jv e č . V oblik i ki slega d ežja l ah ko pomori ribe v' jeze-
r i h in poško duje posevke in gozdo ve . Ne va ren pa je t udi zdravju
1j ud i .
0 .03.10
0.0325
0 .0.120
0 .0.115
0 .0310
rtf!#N .
1958 1960 1962 196 4 196ti 19611 1970 1972 19 74 1976 1978
Sl . 3 Koncentrac ija og lj ikovega d ioks ida v oz račj u v odv isnos ti od ča sa po
merjenjih na opazova ln ici Mauna Loa na Havaji h. Letno ni hanje nastane zarad i
večje rabe og lj ikovega d ioks id a ob ra s t i r as tlin . Vodoravne č rti ce kaže j o
povp rečne vrednos t i, k i n a r a š č aj o i z l e t a v l e t o: na pr i me r l et a 1959 za
0,89 . 10- 6 , l e t a 1977 za 1,58, 10- 6 . Og l ji kov d io ks id si ce r ni st r upen, a ab -
so r b ira do lgova lov no sve t lo bo. Neka t eri se bojijo, da b i oz račje za radi po-
ve čan e koncen tracij e og l j iko vega di oksida zad rž a lo več dol goval ovne svet lobe
in bi se Zem lja zače la preg reva t i. Zara d i tega bi se sta l il o neka j ledu oko -
1i po lov in bi lahko nepr i j etno narasl a g lad ina mor ij.
Pregl edn i ca š t . 1
IZKORI STEK NEKATER IH NAPRAV
Pregl edni ca nava j a le oceno. Na sp lošno j e i zkori stek t em večji , č i m večj a
je napr ava. Pr i ma j hn ih napr a vah j e izkor istek lah ko prece j manjš i od nave -
denega . V pose bn i h primer ih pa j e mogoče dobi ti t ud i ve č j i i zkori stek od na-
vedenega.
20 1
Škodljive snov i , ki j ih odda vsak dan elekt r a r na z močjo 1000 MW . Poda t ki
so i z sovj e ts ki h v i rov.
odda v ozračj e
elektrarna na po rabi na dan 502 du š i kovih oks idov
premog ( črni) 6400 ton 380 t on 60 ton
kurilno olje 4600 m3 140 ton 60 ton
(mazut)
p l in 54000 0 m3 0 ,04 tone 34 to n
V jedrskem reak tor ju nastanejo pr i razcepu uranov i h jeder rad io -
akt ivn i i zo t opi . Ti so l ahko ne varni lj udem, č e ob nezgodi uide -
jo iz reaktorja . I z r ab l j e no jedrsko gori vo predela j o v posebni h
tovarnah , ki j ih upra vljajo na daljavo . Iz njega i zločijo še
upora bno gorivo in radioak t ivne i zo t ope . Moč no radioaktiv ne izo -
to pe prede lajo v s tek lo , ki ga zaprejo v de bel e ko vi ns ke poso de
in odložijo globoko pod ze mljo. Pogos t o upor a bij o v t a namen
opuščene rud nike kamene soli . Upanje j e, da bodo ostale posode
v njih dolgo časa na su hem, s a j višji zemeljski skladi ne pre -
puščajo vode. (če bi jo , bi namreč voda v preteklih geoloških
obdobj ih že sprala solne sklade.)
Zara di izčr panja zalog fosi lnih gori v in jedrskega goriva i n
tu di zaradi varovanj a zdravega oko lja prizadevno iščejo no ve e -
ne rgijske vire . Na prvem mestu je treba omenit i s ončno e nergijo .
Energi jo sončne s vet lobe je mogoče i z kori s ti t i neposre dno za
ogre van je pros to rov in segrevanje sani t arne vode . Zgra dbe naj
bi bile zgraj ene tako, da bi pozim i lahko izkoristi l i ko likor
mogoče vel ik del vpadajočega sončnega svetlobnega toka, po leti
pa le majhen del. V krajih z veliko sonca uporabljajo ž e poseb-
ne sončne zbiralnike za segrevanje vode (sl . 4).
SI. 4 Spre j emn i ki sončne energ Ije na ho te lu upoko jencev v Izo l i (a) i n av -
tokampu v Luci j i (bl. Izo lsk i hotel ima dvakra t po 132 sp rejemnikov, od ka -
t e r i h ima vsak po 1,4 m2 efek t iv ne povr š in e . Spre jemnik i so namenjen i za ce-
lol e t no og re va nj e s an i ta rne vode in vode v baz e nu . Luc i j ski avtokamp ima dva
vozla s po 80 s p re j emnik i (eden je na s l iki , za og revanje sa n it a rne vode .
Spre jemn i ke so dobav ila in montirala Indus tri jska montažna podj etj a iz Ljub-
l j ane .
20 2

Na vs a k kvadratn i meter zemeljskega ozračja pade v pravokotni
s me r i 1, 4 kil owatta sončnega energijskega toka. V jasnih dneh
pr i de do kva dr a t ne ga metra na povr šini Zemlje v pravokotni smeri
okoli 1 kilowatt. To j e kar precej . Vendar je treba upo števati,
da potrebujemo največ toplote za ogrevanje pozimi, ko se Sonce
ne vzdi gne visoko nad obzorje, tako da so dnevi kratk i. Poleg
tega nagaj ajo oblaki in megla. Tako pride v Ljubljani v decem -
bru v povprečju na kvadratni meter vodoravn e površine samo 0,6
ki l owa t t ure ene rgi je na dan.
Ener gi j o s o n č ne s vet l obe lah ko i zko rist ijo š e drug ače . Z z rcali
jo zberej o , da s eg r e va vod o v po s odi in jo s pr emi nj a v pa ro .
Para pog anja parno turb ino, ta pa dinamostroj. Ta način je
uporaben v krajih , kj er je ve li ko sonca in kjer je pres krba s
fosilnimi gorivi otežko čena .
Na kr atko omenimo še sončno celico . To je na poseben način iz-
de lan a pl o š či ca iz silicija, ki jo vežemo v elektri čni kr og po-
dobn o kot bateri j o. Ko pade nanjo s ve t lo ba , požene celi ca po
sk le nje ne m krogu to k in odda del o po r a bni ku v krogu . I z kor ist ek
s o nčne ce l ic e j e raz mero ma majh en, okoli 10 do 15 %. Danes s o
so nč n e ce l ice do ka j dra ge, a v pr ih odnosti bo nj i hova cena ver-
jetno padla.
Za zda j ovirajo vecJo upo rabo so n č n e energlJe s or az me r no drage
investicije . Cena nap r av se bo zmanj š a l a, ko jih bodo izdelova-
li v ve likem številu. Vse kaže, da bo son čna energija š e pred
kon cem na š eg a stol et ja kril a vs aj nekaj odstotk ov energijskih
potre b č loveš tva.
Sonč no ene rgijo že dos le j pos red no izkori šč aj o v od n e eZektrarn e .
Voda izhl a pe va nad morj i , potuj e kot par a in v ob l a kih na d ce li -
ne . Tam pa de v ob l iki pad a vin na zeml jo in na pa ja rek e. Ta kr og
pog an j a Sonc e . Tud i notr anj a ene rgija fo siln ih go r i v i zvi r a od
so nč n e ene r gi je, ki s e j e v pr e t ek l i h geoloških obdobjih na ko-
pi čila v r a stlin ah in živalih.
Od drugih virov ome ni mo š e energij o ve t ra (sl. 5) in e ne r g i j o
204
-
Sl. 5 Veliki vijak s premerom 54 m
za iZkori ščanj e energije vetra v
Tvidnu na Dan ~kem . Naprava doseže
moč do 1,7 mil ijonov wattov. 51 ika
je vzeta iz knjige Ener gie, een b l i k
i n de toekomst, ur ednika L. J . . F.
Hermans, A. J. Hoff, Hei Spectrum,
Utrecht, Antwerpen 1982 z ljubezni-
vim dovolj enj em prvega uredni~a.
vodnih v alov, ki tudi i zvi ra-
ta od Sonca. Izkoristiti je
mogoče 't ud i energijo plime ,
ki nastane zaradi vpliva Lune.
V ozk em zalivu z vi soko plimo
postavijo jez . Plimski val do-
vede vodo nad jez in voda po-
ganja turbine elektrarne (sl.
6). G e o termi čna e nergija pra-
vijo toploti globokih · zeme l j -
skih plasti. Vanje bi bilo mo-
goče po c e v e ~ uvajati vodo in uporabiti nastalo pa ro za pogon
turbin (sl . 7) . Na svetu deluje več elektrarn, tako v Kalif or-
niji v ZDA in v Italiji, na paro, ki se dvig a iz globljih ze-
mel~skih plasti skozi naravne r azpoke. Pri nas ogrevajo ponekod
s toplo vodo iz globljih pl asti rastlinjake.
Nazadnje omenimo š e gnlJoc e ra stlin sk e in živ al ske odpa dke
("biom a s o"), v katerih se razvij a metan. Tega s prid om iz kori-
š ča jo kot go r i vo v to pl i h krajih, kjer ni dovolj e ne r gi j e a l i
je predr a ga.
Sonce in pod obn e zve zd e dobiv ajo energijo pr i j edr skih re a kci-
jah , pri katerih nasta j a i z vodi ka helij. Pri z ad ev aj o s i , da bi
izk ori s tili t o r e a kcij o .t ud i na Zemlj i i n z gr adili reaktor na
zlivanje ( f u z i j s k i r e a k t o r) . V t e ku so obsež ne ra z is kave . Za
zd a j pa še ni j a sn o , kda j bo us pel o z gra d i ti e ko nomiče n rea ktor
na zl i vanj e.
205
Sl. 6 . Prva pl i mska e lekt rarna na svet u. El ek t rarna leži na rek i Rance blizu
Saint -Maloja v Franciji kakih de set ki lomet rov od i z li va v Rokavski p re l iv.
Gra d iti so j o zače l i l et a 196 1. Do 13 met rov visoko pI i mo pa so i z ko ri š č al i
z mli ni že pr e d petsto l e t i . St i ri i ndva jse t turb in elektrarne del a j o z na j -
večjo močjo 62, 5 negawa t t ov. El e k t ra rna de l a ob pI imi, ko se po ln i prosto r
nad j e zom, i rt ob osek i , ko se ta pr os t o r .p razn i .
Sl. 7 . Sklenjeni k rog vode v posta j i za raz i s kovanj e geomte rmične ene rg ije
Fe n t on Hi l l (ZDA) . Č r pa l ki Č s tiskata vodo V s tempe ra t uro 3D do 400 e po v r -
t i n i do raz poke R v granitn ih s k l ad i h G v globi n i 2700 m, kjer je t empe ra tu -
ra sko ra j 200 ° C. V roča voda VV s tempera t uro okol i 1700 e se dviga in v t op-
lo tn e m izmenja l n ik u I odda t opl o to oko l nemu z r aku. Nap ra va oddaja oko l i 5
megawat to v t opl o tn eg a t oka , ki pa ga ne i z kor i š čaj o . Navpi čna razpoka z de -
be l i no od 0 , 3 mm do 3 mm so razde l i l i umetno z uva j anj e m vode pod ze lo viso-
k i m tl akam. N za lo ga napaj a ln e vode , P ek s panz i jska posoda, U 732 m deb el a
p l as t used I in . Če odpre jo ven ti 1, b ri zga i z ce v i pred t opl o t nim izmen ja l n i -
kom v roča voda, k i se za rad i zni žanega t l ak a del no s p remen i v paro (des no ) .
51i ki s ta i z č l a n ka M.e . Smith a , Geot hermal Enevgy - the Fuvnaae i n the Base-
ment, The physi cs Teacher , novembe r 1978.
Jan e z S t v na d
20 6