Chemie a energie

Dopravní prostředky mohou získávat energii ke svému pohybu různými způsoby. Toto téma se věnuje jak pohonným hmotám, tak chemické podstatě provozu na elektřinu.

Benzín, motorová nafta oddělováním složek ropy. LPG pak z ropy či zemního plynu.

Benzín

Benzín je směs kapalných uhlovodíků, obvykle s 5–12 atomy \mathrm{C}. Benzín se používá v zážehových motorech, kdy je palivo v určitých intervalech zapalováno svíčkami. Oktanové číslo (např. 95, 98) vyjadřuje, do jaké míry je benzín odolný samovznícení (čím vyšší číslo, tím vyšší odolnost).

Motorová nafta (diesel)

Obsahuje uhlovodíky s delšími řetězci (obvykle 10–25 atomů \mathrm{C}). Z ropy je oddělována při vyšších teplotách než benzín. Využívá se ve vznětových motorech, samovolně se zapaluje působením tlaku.

Určitý objem motorové nafty je nositelem většího množství energie než stejný objem benzínu, dieselové motory tedy mají zpravidla menší spotřebu. Při jejich provozu však vzniká více nebezpečných pevných částic.

CNG, LPG

CNG je stlačený zemní plyn, obsahuje zejména methan (\mathrm{CH_4}).

LPG sestává z propanu (\mathrm{C_3H_{8}}) a butanu (\mathrm{C_4H_{10}}).

Při spalování těchto plynných paliv vzniká prakticky jen \mathrm{CO_2} a \mathrm{H_2O}.

Vodík

Vodík (\mathrm{H_2}) lze jako palivo použít pro přímé spalování, nebo v rámci palivového článku (ten má z fyzikálního hlediska větší účinnost). Vzniká elektrická energie, teplo a voda (\mathrm{H_2O}).

Vodík může mít různý původ, v současnosti se stále většinou získává rozkladem fosilních surovin.

Doprava a životní prostředí

Doprava má v základu negativní vliv zejména na ovzduší. Emise navázané na spalování fosilních paliv obsahují:

• oxid uhličitý (\mathrm{CO_2}) – Nejvýznamnější skleníkový plyn.
• oxid uhelnatý (\mathrm{CO}) – Jedovatý, blokuje přenos kyslíku v těle.
• oxidy dusíku (\mathrm{NO}_x) – Jedovaté, podílejí se na vzniku smogu či přízemního ozonu.
• pevné částice (particulate matter, PM) – Poškozují dýchací soustavu, typicky zahrnují karcinogenní látky.

Obsah nebezpečných plynů ve zplodinách zmenšují katalyzátory. Množství pevných částic pak omezují filtry pevných částic.

U všech typů dopravních prostředků vznikají emise pevných částic z pneumatik a brzdových destiček.

Elektromobilita (a životní prostředí)

Elektromobily jsou poháněny elektromotory napájenými z akumulátorů (nejčastěji lithium-iontových). Ionty lithia (\mathrm{Li^+}) se při nabíjení i vybíjení přesouvají mezi elektrodami.

Při samotném provozu nevypouštějí žádné výfukové plyny, dochází v nich k účinné přeměně energie (nevzniká tolik tepla). Další výhodou je např. nižší hlučnost či možnost rekuperace energie při brždění.

Z hlediska životního prostředí se může projevit následující:

• Elektřina k jejich provozu může pocházet z fosilních zdrojů, v takovém případě se emise pouze „přesunou“ na místo výroby elektřiny.
• Těžba kovů nutných pro výrobu akumulátorů zatěžuje životní prostředí. Proto je zásadní zdokonalovat možnosti recyklace.

Při výrobě elektrické energie se používají buď vyloženě chemické děje (hoření), nebo děje fyzikální (ty bývají podmíněné využitím specifických chemických látek).

Hoření

Hoření je nejčastěji intenzivní reakce látek s kyslíkem, při níž se uvolňuje energie. Typicky se spalují fosilní paliva (uhlí, zemní plyn). Při spalování fosilních paliv v základu vzniká oxid uhličitý (\mathrm{CO_2}) a voda (\mathrm{H_2O}). Uhelné i paroplynové elektrárny patří mezi tepelné, které využívají roztáčení turbíny vodní parou (nebo produkty hoření).

• Uhelné elektrárny v Česku spalují zejména hnědé uhlí těžené v severních Čechách, čímž se významně podílejí na emisích skleníkových plynů. Uhlí se před spalováním mele na prášek, aby hoření bylo efektivnější. Při spalování uhlí ve větší míře vznikají i složitější organické látky (např. benzopyren) a oxidy dusíku a síry. Ze spalin se odstraňuje popílek (obsahující hlavně anorganické netěkavé oxidy a soli) a oxid siřičitý (díky tomu vzniká energosádrovec využitelný ve stavebnictví).

• Paroplynové elektrárny spalují zemní plyn (ten obsahuje hlavně methan – \mathrm{CH_4}). Využívají se zejména při zvýšené zátěži energetické sítě, lze je rychle nastartovat.

Spalovat lze i vodík (\mathrm{H_2}), při jeho reakci s kyslíkem vzniká pouze voda (\mathrm{H_2O}). Výroba vodíku rozkladem vody (elektrolýzou) je však značně energeticky náročná, spalovat ze účelem výroby elektřiny vodík vyrobený z fosilních paliv je neefektivní. Vodík a kyslík lze využívat v tzv. palivových článcích, které na elektrochemickém principu rovnou vytvářejí elektrickou energii.

Solární energie

Solární články (fotovoltaické články) přeměňují světlo na elektrickou energii. Využívají k tomu typicky polovodiče z křemíku (\mathrm{Si}). Kolem křemíkových krystalů bývá odrazivá vrstva z nitridu křemíku (\mathrm{SiN}_x), tyto součásti bývají chráněné sklem či polyvinylacetátem.

Jaderné elektrárny

Jaderné elektrárny využívají štěpnou reakci, nejčastěji uranu \mathrm{^{235}_{\phantom{0}92}U}. Vzniklé teplo v primárním okruhu generátoru ohřívá vodu v sekundárním okruhu, pára pak roztáčí turbínu. Moderátory zpomalují neutrony, čímž podpoří jaderné přeměny (typicky voda, bor – např. ve formě kyseliny borité \mathrm{H_3BO_3}). Regulační tyče (např. z grafitu, karbidu boru – \mathrm{B_4C}) neutrony absorbují a tím jadernou reakci zpomalují.

Větrné elektrárny

Typicky se skládají z ocelového stožáru na železobetonové základně. Na vrcholu stožáru je rotor, který využívá k roztáčení kinetickou energii větru a tím generuje elektřinu. Samotné vrtule se pak skládají z odolného, avšak obtížně recyklovatelného kompozitního materiálu, který obsahuje typicky skleněná či uhlíková vlákna v pryskyřici/epoxidu.

Ukládání energie

Vzniklou elektrickou energii lze omezeně ukládat např. do akumulátorů (typicky využívajících lithium – \mathrm{Li}).