Jak powstaje prąd elektryczny? Wszystko, co warto wiedzieć

Jak powstaje prąd elektryczny — podstawowe informacje

Na początku odpowiedzmy sobie na pytanie, czym właściwie jest prąd elektryczny. Z naukowego punktu widzenia jest to ukierunkowany ruch nośników ładunku elektrycznego przez ciało przewodzące, który zachodzi pod wpływem pola elektrycznego¹.

W naturze prąd powstaje przede wszystkim poprzez wyładowania atmosferyczne. Pioruny powstają w chmurach burzowych. Trące o siebie drobiny lodu i cząsteczki wody powodują budowanie się potencjału elektrostatycznego. W końcu różnica potencjałów między ziemią a chmurą jest na tyle duża, że dochodzi do wyładowania elektrostatycznego. Nośnikiem ładunków jest w tej sytuacji powietrze.

Jak powstaje prąd w elektrowni — różne technologie produkcji

Zrozumienie istoty prądu pozwoliło człowiekowi go ujarzmić. Dzisiaj energia elektryczna jest wytwarzana przede wszystkim w elektrowniach. Przyjrzyjmy się różnym technologiom produkcji prądu.

Jak powstaje prąd w elektrowni wiatrowej?

Elektrownie wiatrowe są budowane w miejscach, gdzie występują korzystne warunki powietrzne. Zwykle są to przestronne, płaskie i puste połacie gruntu pozwalające na osiągnięcie przez wiatr prędkości wystarczającej do nadania ruchu wirnikowi będącego jednym z podstawowych elementów elektrowni wiatrowej.

Energia kinetyczna wiatru jest przekształcana w energię mechaniczną, kiedy łopaty powodują obracanie się wirnika. Z kolei ten napędza generator, który służy do wytwarzania energii elektrycznej. Wydajność elektrowni wiatrowej zależy od wielu czynników, w tym parametrów generatora, ale też siły wiatru. Dodatkowo obserwuje się wahania wydajności w przypadku drgań całej wieży lub samej gondoli, a także w momencie, kiedy łopata przemieszcza się przed wirnikiem (jest to tzw. shadow effect)². Elektrownie zasilane podmuchami wiatru są zaliczane do kategorii OZE, ponieważ nie wymagają zużycia paliw kopalnych.

Jak powstaje prąd elektryczny w elektrowni wodnej?

Produkcją prądu zajmuje się także hydroenergetyka, w ramach której projektuje się i buduje elektrownie wodne. Energię wód dzieli się na pochodzącą z mórz i źródeł śródlądowych, przy czym ta pierwsza ma większy potencjał, druga zaś jest łatwiej dostępna. Przepływ wód, np. rzek lub ich spadek jest wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej. W tym celu wykorzystuje się turbiny wodne, duże silniki przetwarzające energię wody płynącej na energię mechaniczną poprzez ruch łopat będących częścią wirnika.

W zależności od stosowanej technologii w elektrowni wodnej wykorzystuje się różne rodzaje turbin, w tym modele Francisa, Deriaza, Kaplana oraz Peltona. Trzy pierwsze to tzw. turbiny reakcyjne, gdzie ciśnienie naporowe przekracza ciśnienie atmosferyczne³. Model Peltona to turbina akcyjna, gdzie ciśnienie wlotowe jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.

Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych wirnik napędza generator, który następnie wytwarza prąd elektryczny.

Elektrownie wodne produkują energię stabilną i tanią, nie jest to jednak rozwiązanie pozbawione wad. Przede wszystkim skorzystanie z tej technologii wymaga dostępu do wód. Co więcej, pomimo iż sam proces wytwarzania energii elektrycznej jest ekologiczny, takie konstrukcje powodują niekorzystne zmiany w ekosystemie. Mogą zamulać dno zbiorników, zubażając różnorodność biologiczną.

Jak powstaje prąd w elektrowni jądrowej?

Prąd elektryczny jest produkowany także w elektrowniach atomowych. To stosunkowo nowe rozwiązanie, ale niezwykle wydajne. Szacuje się, że 1 kg uranu naturalnego pozwala na wygenerowanie energii porównywalnej ze spaleniem kilkudziesięciu ton węgla. Jednocześnie cena kilograma uranu kosztuje mniej więcej tyle, co tona węgla. Jak w tym przypadku wygląda proces powstawania energii elektrycznej?

Elektrownia wytwarza energię elektryczną w wyniku procesu rozszczepienia jąder atomów uranu. W wyniku tej reakcji powstają olbrzymie ilości ciepła, które musi zostać odebrane przez obieg wodny. W pierwszej kolejności ciepło odbiera woda krążąca w stanie ciekłym, która następnie zmienia stan skupienia na parę (odpowiednio obieg pierwotny i wtórny). Wytworzona para wodna jest osuszana, a następnie trafia do turbiny, która napędza generator energii elektrycznej⁴.

Stosowane obecnie elektrownie jądrowe wyróżniają się bardzo wysokim poziomem bezpieczeństwa. Wykorzystuje się w nich zaawansowane systemy zabezpieczeń. Przede wszystkim sam uran ma postać pastylek umieszczanych w specjalnych koszulkach. Należycie chroniony jest również sam budynek reaktora i towarzysząca mu infrastruktura. Pomimo iż elektrownie jądrowe wykorzystują uran, który wykopuje się z ziemi, uznaje się je za źródło energii odnawialnej, co wynika z niezwykłej wręcz wydajności tego paliwa. Nowoczesne elektrownie jądrowe mogą działać nawet 80 lat. 

Jak powstaje prąd w elektrowni węglowej — proces krok po kroku

Polska energetyka przez całe dekady opierała się na elektrowniach węglowych, co wynika z łatwej dostępności i dużych zasobów, a co za tym idzie niskiej ceny surowca – węgla kamiennego lub brunatnego. Elektrownia węglowa wykorzystuje parę pochodzącą ze spalania węgla. Para przechodzi kolejno przez sekcje wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia, trafiając ostatecznie do generatora, który wytwarza energię elektryczną.

Elektrownie węglowe są relatywnie tanie w budowie oraz w utrzymaniu, niestety niosą ze sobą liczne zagrożenia dla środowiska. Przede wszystkim wymuszają agresywną eksploatację zasobów naturalnych. Przyczyniają się też do nasilenia efektu cieplarnianego poprzez emisję szkodliwych związków do atmosfery. Coraz więcej gospodarek światowych stopniowo odchodzi od opierania swoich systemów energetycznych na węglu, skłaniając się ku odnawialnym źródłom energii.

Źródła energii elektrycznej — skąd pochodzi prąd w naszych domach?

Do domów i fabryk prąd elektryczny może trafić dwoma, głównymi kanałami. Pierwszym z nich jest sieć elektroenergetyczna operatora OSD, czyli popularne „kable” oraz maszty i słupy, które widać z niemal każdego okna. W ten sposób przesyłana jest energia niezależnie od źródła jej pochodzenia, w tym także ta pochodząca np. z energii wiatrowej, czy wodnej.

Drugim źródłem prądu może być fotowoltaika. W zależności od miejsca jej produkcji może być ona dostarczana siecią lub też wytwarzana bezpośrednio w miejscu zapotrzebowania (tzw. fotowoltaika offsite i onsite).

W obu przypadkach za wytworzenie energii odpowiada efekt fotowoltaiczny. Polega on na wzbudzeniu i wybiciu elektronów znajdujących się na górnych powłokach atomów krzemu przez fotony obecne w promieniowaniu słonecznym. Wskutek powstania różnicy potencjałów powstaje prąd elektryczny stały, który następnie jest przekształcany przez falownik w prąd zmienny.

W REO.pl wspieramy energetyczną transformację przedsiębiorstw. Jeśli chcesz wykorzystywać w swojej firmie ekologiczne rozwiązania, możemy Ci pomóc!