Artikli autor on FischerTechnik. Artikkel on tõlgitud eesti keelde Õppelabor.ee tiimi poolt.

Sissejuhatus teemasse

Taastuvenergia on energia tootmine jätkusuutlikest allikatest, nagu päike, tuul, vesi, geotermilised energiaallikad või biomass. Selline energia on peaaegu piiramatus koguses kättesaadav. Päike põleb veel umbes 5 miljardit aastat. Päikesekiirgust saab muundada elektrienergiaks või soojuseks. Tuuleenergia, hüdroenergia ja biomass on samuti päikeseenergia, kuid erineval kujul.

Fossiilsete kütuste (nagu kivisüsi, toornafta, maagaas ja tavapärased tuumakütused) varud vähenevad järjepideva kasutamisega. Neid fossiilkütuseid peetakse taastumatuteks energiaallikateks. Pärast nende põletamist elektrijaamas või küttejaamas ei ole need enam kasutatavad. Nad ei taastu, neid tarbitakse ära.

Kuid maailma kasvav rahvastik ja inimkonna edusammud tehnoloogilises arengus nõuavad tohutult palju energiat ja see nõudlus kasvab kogu aeg. Lisaks teame, et kasvuhoonegaasi süsinikdioksiidi (CO2) heitkogused, mis tulenevad toornafta, maagaasi ja kivisöe põletamisest, on väga suured. Me teame ka, et need fossiilsed kütused on osa sellest, mis vallandab globaalset kliimamuutust. Seevastu taastuvate energiaallikate kasvuhoonegaaside heitkogused on vaid 1/10 kuni 1/100 fossiilkütuste heitkogustest toodetud energiaühiku kohta.

Meie energiavarustuse ümberkujundamine fossiilsetest ja tuumakütustest taastuvenergiale on juba täies hoos; Saksamaal nimetatakse seda “Energiewendeks” või “energiarevolutsiooniks” (Eesti analoogiks energiarevolutsioonile on „Rohepööre“). Lisaks taastuvenergia kasutamise laiendamisele on meie energiatarbimise vähendamine ja energiatõhususe parandamine tehnoloogilise arengu abil ka muud kesksed valdkonnad ja peamised väljakutsed. Energiarevolutsioon mõjutab juba praegu meie igapäevaelu, kui me kasutame elektrilist liikuvust tänavatel, ostame energiatõhusaid kodumasinaid või renoveerime hooneid energiapõhiselt.

Aga mis asi see energia ikka on?

Me kogeme energiat tule või tuule jõu soojuse kujul. Me ei näe, ei kuule, ei maitse ega haista energiat, kuid me kasutame seda siiski mitmel erineval viisil. Füüsikast teame, et: Energia on võime teha tööd. Kui valgust lülitatakse sisse või autot liigutatakse gaasi abil edasi, kogeme ühe energiavormi muundamist teiseks energiavormiks energiamuundurite abil. Energia ei ole seega mitte materjal, vaid kehade omadus. Elektrivool ei ole energia. See kannab energiat ja edastab seda elektriseadmetele. Elektrivool transpordib energiat.

Seetõttu ei ole rangelt teaduslikust vaatenurgast vaadatuna üldkasutatav väljend “taastuvenergia” õige. Energiat ei saa luua ega hävitada; seega ei saa seda ka uuendada. Energiat saab ainult muundada ühest vormist teise. Seega jääb energia kogus suletud süsteemis konstantseks. Kuid energia kasutatav osa sõltub selle muundamisest. Üldiselt jääb energia üldkogus samaks.

Seda, mida me nimetame energiakasutuseks, tuleks õigemini nimetada energia amortisatsiooniks. Energia kasutatav väärtus väheneb muundamise ja transpordi tõttu. Näiteks puidu põletamisel muundatakse puidus sisalduv keemiline energia soojus- ja valgusenergiaks. Kui soojus hajub keskkonda, ei ole see enam kasutatav. See on amortiseerunud – või “kasutatud”, nagu me ütleme.

Meie energiatarbimine kasvab jätkuvalt, isegi kui fossiilsete kütuste energiaallikad vähenevad. See muudab taastuvenergiaga eksperimenteerimise veelgi põnevamaks, et mõista, kuidas saab päikeseenergiat, tuuleenergiat ja hüdroenergiat kasutada energia muundamiseks ja salvestamiseks ning energiaülekande tõhususe parandamiseks.

Hüdroenergia ajalugu

Hüdroenergia on kindlasti üks vanimaid kunagi kasutatud energiaallikaid. Juba iidsed mesopotaamlased kasutasid vett energia tootmiseks 3500 aastat tagasi, kasutades selleks vesirattaid. Teekond vesiratast turbiinini oli pikk. Valgustusaegne inseneriteadus viis veemasinate täiustamiseni ja lõpuks ka uut tüüpi masinate, näiteks veekolonnisüsteemide ehitamiseni.

1824. aastal leiutas Claude Burdin esimese selle tehnoloogia alusel loodud turbiini.
1866. aastal leiutas Werner von Siemens elektrodünaamilise generaatori, mis võimaldas hüdroenergia muundamist elektrivooluks.
Esimene hüdroelektrijaam alustas tegevust 1880. aastal Inglismaa krahvkonnas Northumberlandis.

Esimene Saksa hüdroelektrijaam, mis oli ühtlasi esimene vahelduvvoolu tootev elektrijaam, käivitus 1890. aastal Bad Reichenhallis. Maailma esimene suuremahuline elektrijaam alustas tööd 1896. aastal Niagara joadetes USAs.

Tuuleenergia ajalugu

Esialgsed katsed tuuleenergiat kasutava elektri tootmisel viidi läbi 19. sajandi lõpus tuulikutehnoloogial põhinedes koos elektri enda tekkimisega. 1950ndatel aastatel rajas insener J.Juul Vester Egesborgis maailma esimese tuuleelektrijaama vahelduvvoolu tootmiseks.

J. Juul ehitas aastatel 1956-57 Lõuna-Taanis Gedseri rannikul asuvale SEASi elektriettevõttele uuendusliku Gedseri tuuleelektrijaama, mille võimsus oli 200 kW. Saksamaa esimene tuulepark ehitati 1987. aastal Marne lähedal asuvasse Growiani rajatisse.

Päikeseelemendi e fotogalvaanika ajalugu

Alexandre Edmond Becquerel avastas 1839. aastal fotogalvaanilise efekti, millega algas fotogalvaanika ajalugu. Siiski kulus üle sajandi, enne kui seda avastust kasutati energia tootmiseks.

Albert Einstein esitas 1904. aastal fotoelektrilise efekti esimese selgituse. Edmond Becquerel oli juba näidanud valguse ja energia tootmise vahelist seost, kuid esialgu ei suutnud sellest avastusest mingit kasu saada.

Aastal 1954 õnnestus füüsikutel Chapinil, Fulleril ja Pearsonil ehitada maailma esimene ränist päikesepatarei. See pani aluse kristalsete päikesepatareide kasutamisele päikesevalguse muundamiseks elektrienergiaks. Esimesed 108 fotogalvaanilist elementi kasutati 1958. aastal USA satelliidi Vanguard missioonil.

Siiski kulus veel 20 aastat, enne kui neid hakati paigaldama maapealsetele süsteemidele. 1976. aastal otsustas Austraalia valitsus varustada tagamaa telekommunikatsioonivõrgu päikesepatareidega, et laadida paigaldatud akusid.

Šveitsi insener Markus Real suutis 1980. aastate keskel paigaldada väikeseid detsentraliseeritud süsteeme majade katustele, et demonstreerida nende erakasutust. Seejärel käivitati palju erinevaid suuremahulisi päikeseenergiaprojekte, näiteks Saksamaa 1000 katuse programm (1990) või Jaapani 70 000 katuse programm (1994).

2010. aastal ületas Saksamaa esimest korda kümne gigavati piiri ja 2012. aastal jõudis riik 25 gigavattini. 2019. aasta lõpu seisuga on Saksamaal paigaldatud üle 49 GW.

FischerTechnik põhitõed

Kui Saksamaa föderaalvalitsus otsustas 11. juunil 2001. aastal kaotada kogu aatomienergia, tõusis energiarevolutsioon – energiasüsteemi ümberkujundamine säästvaks energiavarustuseks taastuvenergia abil – ühiskondliku arusaama, teadusuuringute ja tehnoloogilise arengu esiplaanile.

FischerTechnik taastuvenergia komplektid käsitlevad keskseid küsimusi energia muundamise kohta jõuülekannete, energia ülekande ja taastuvate energiaallikate energiasalvestuse kohta. Erinevad tuule-, hüdro- ja fotogalvaanilised mudelid kutsuvad õpilasi katsetama ja uurima ning hõlmavad teemasid, mis käsitlevad füüsika ja loodusteaduste aktuaalseid küsimusi. Taastuvenergia teemaga tegelemiseks kasutatakse järgmisi FischerTechnik komponente:

Loomulikult sobivad kõik need ideaalselt FischerTechnik süsteemi, mis mitte ainult ei illustreeri taastuvenergia põhiküsimusi, vaid võimaldab õpilastel ka realistlikke funktsionaalseid mudeleid kasutada.