Genug Energie? Eine Frage der Chemie! Dostatek energie? Otázka chemie! 1 A O. U N I V. P R O F. D R. H A N S F L A N D O R F E R U N I V E R S I T Ä T W I E N I N S T I T U T F Ü R A N O R G A N I S C H E C H E M I E / M A T E R I A L C H E M I E I N S T I T U T A N O R G A N I C K É C H E M I E / M A T E R I Á L O V É C H E M I E
Die Universität Wien / Univerzita Vídeň Die Universität Wien wurde im Jahre 1365 von Herzog Rudolf IV. gegründet. Sie ist die älteste Universität im deutschen Sprach- und Kulturraum und eine der größten Universitäten Zentraleuropas. Univerzita Vídeň byla založena v roce 1365 vévodou Rudolfem IV. Je nejstarší univerzitou v německém jazykovém a kulturním prostředí a jednou z největších univerzit centrální Evropy. Studierende/studující: 91.000 Mitarbeiter/zaměstnanci: 9.400 Studiengänge/studijní obory: 188 2
Woher kommt die Energie auf der Erde? Odkud přichází na zemi energie? Alle Energie auf der Erde kommt von der Sonne! Veškerá energie na zemi pochází ze slunce! Es wird etwa gleich viel Energie in den Weltraum abgegeben wie durch Sonneneinstrahlung aufgenommen wird. Do vesmíru odchází zhruba stejné množství energie, jako je přijato díky slunečnímu záření. Ansonsten / jinak: Ständige Erwärmung oder Abkühlung! Neustálé zahřívání nebo ochlazování! 3
Kann Energie verbraucht werden? Lze energii spotřebovat? Eigentlich nicht! Energie tritt in verschiedenen Formen auf und diese können ineinander umgewandelt werden! 4 Vlastně ne! Energie se vyskytuje v různých podobách a tyto se mohou vzájemně proměňovat!
Kann Energie verbraucht werden? Lze energii spotřebovat? Beispiele / Příklady: Wärme in Bewegung (Verbrennungsmotor) / teplo v pohybu (spalovací motor) Bewegung in Wärme (Reibung) teplo v pohybu (tření) Bewegung in elektrische Energie (Windkraftwerk) pohyb v elektrické energii (větrná elektrárna) Chemische Energie in elektrische Energie (Batterie) chemická energie v elektrické energii (baterie) Elektrische Energie in chemische Energie (Elektrolyse) elektrická energie v chemické energii (elektrolýza) Chemische Energie in Wärme (Verbrennung von Kohle, Gas, Heizöl, etc..) chemická energie v teple (spalování uhlí, plynu, topný olej, apod. 5
Warum gibt es dann ein Energieproblem? Proč tedy existuje problém s energií? 6 Die Energie verliert an Qualität! Energie ztrácí kvalitu! Was bedeutet das? / Co to znamená? Energie hat die Eigenschaft, sich zu verteilen und verliert dabei für uns an Nützlichkeit. Wenn wir Energie nutzen, ist sie am Ende nicht verbraucht, aber stärker verteilt und daher nicht mehr so nützlich. Energie má vlastnost se rozptylovat a ztrácí přitom pro nás užitečnost. Když využíváme energii, není nakonec spotřebovaná, ale více rozptýlená a tudíž už ne tak využitelná.
Dazu ein Beispiel! K tomu příklad! 7 Warme Luft Teplý vzduch Kalte Luft Studený vzduch
Die Natur mag keine Ordnung! Příroda nemá ráda pořádek! Woran erkennt man das? Jak to poznáme? o Gibt man einen Tropfen Tinte in Wasser, verteilt sie sich, bis überall im Wasser gleich viel Tinte ist Pokud dáme do vody kapku inkoustu, rozptyluje se dokud není všude ve vodě stejném množství o Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Körper Wärme verteilt sich! o Teplo vždy proudí od teplejšího ke studenějšímu tělesu teplo se rozprostírá! 8 20 C 60 C 40 C 40 C
Energie und Chemie / Energie a chemie Chemische Reaktion / chemická reakce Bsp. Verbrennung von Benzin / např. spalování benzínu Benzin + Sauerstoff Kohlendioxid + Wasser benzín + kyslík oxid uhličitý + voda 2 C 8 H 18 + 25 O 2 16 CO 2 + 18 H 2 O + Wärme/teplo Ofen/kamna: Heizöl verbrennt Wärme wird erzeugt topný olej se spaluje vzniká teplo Verbrennungsmotor/spalovací motor: Benzin verbrennt Kraft und Wärme werden erzeugt benzín se spaluje vzniká síla a teplo 9 Eine chemische Reaktion läuft von sich aus nur dann ab, wenn Energie und Stoffe nach der Reaktion stärker verteilt sind! Chemická reakce probíhá sama o sobě pouze tehdy, pokud jsou energie a látky po reakci více rozptýlené!
Was ist chemische Energie? Co je chemická energie? Energie, die in der chemischen Bindung gespeichert ist! Energie, která je uchována v chemické vazbě! Werden bei einer Reaktion chemische Bindungen aufgebrochen und neue gebildet, die insgesamt weniger Energie haben, wird dieser Energieunterschied frei. / Pokud se při reakci naruší chemické vazby a vytvoří nové, které obsahují celkově méně energie, uvolní se tento energetický rozdíl. Jede Verbrennung ist z.b. solch eine Reaktion! Každé spalování je např. taková reakce! 10 Brennstoffe: Kohle, Treibstoffe, Gas, etc Paliva: uhlí, pohonné látky, plyn, atd.
Die Geschichte der Energiegewinnung Historie získávání energie Chemische Energie Wärme / Chemická energie teplo Schon in der frühesten Geschichte der Menschheit verstand man es, durch Entdeckung des Feuers Wärme aus chemischer Energie zu gewinnen Již pradávno dokázali lidé díky objevu ohně získat z chemické energie teplo Wind- und Wasserkraft Arbeit / větrná a vodní energie práce War man zuvor auf den Menschen und auf Tiere zur Leistung von Arbeit angewiesen, wurde zunehmend natürliche Bewegungsenergie (Wind, Wasser) zur Produktion und Fortbewegung eingesetzt. / Z počátku využíval člověk k výkonu práce sílu lidskou a zvířata, s postupem času pak pro výrobu a mobilitu stále více přirozenou pohybovou energii (vítr, voda) Chemische Energie Arbeit / chemická energie práce Dies war erstmals mit der Dampfmaschine (Wärmekraftmaschine) möglich. Im Prinzip sind auch Menschen und Tiere Wärmekraftmaschinen / To bylo poprvé možné díky parnímu stroji (tepelný motor). Lidé a zvířata jsou v podstatě také tepelné stroje. 11
Die Wärmekraftmaschinen Tepelné stroje 12 Chemische Energie Arbeit Chemická energie práce Jede Maschine, die aus Wärme bzw. chemischer Energie Arbeitsleistung erzeugt, kann als Wärmekraftmaschine bezeichnet werden. Každý stroj, který produkuje z tepla resp. chemické energie pracovní výkon, může být označen jako tepelný stroj. Automotor Brennstoffzelle Palivový článek Wasserkraftturbine Vodní turbína Solarzellen Solární panely Gasturbine Plynové turbíny Dampfmaschine Parní stroj Windräder Větrné elektrárny
Die Wärmekraftmaschinen Tepelné stroje 13 Chemische Energie Arbeit Chemická energie práce Jede Maschine, die aus Wärme bzw. chemischer Energie Arbeitsleistung erzeugt, kann als Wärmekraftmaschine bezeichnet werden. Každý stroj, který produkuje z tepla resp. chemické energie pracovní výkon, může být označen jako tepelný stroj. Automotor Brennstoffzelle Palivový článek Wasserkraftturbine Vodní turbína Solarzellen Solární panely Gasturbine Plynové turbíny Dampfmaschine Parní stroj Windräder Větrné elektrárny
Die Entwicklung der Dampfmaschine Vývoj parního stroje 14 ol: frühe DM von T. Newcomen om: James Watt or: DM von James Watt (13 PS) ur: moderne DM mit 10000 PS
Die Bedeutung der Dampfmaschine Význam parního stroje Die Erfindung der Dampfmaschine hat das Leben der Menschen sehr stark verändert. Plötzlich war es möglich, die Produktivität enorm zu steigern! Vynález parního stroje velmi silně změnil život lidí. Náhle bylo možné rapidně zvýšit produktivitu! 15 Industrialisierung und Mobilität / industrializace a mobilita Aufstieg von Naturwissenschaft und Technik / vzestup přírodních věd a techniky Aufklärung und Revolution / osvěta a revoluce Technische Aufrüstung des Militärs Weltkriege / technické vybavení armády
Elektrische aus chemischer Energie Elektrická energie z chemické Aus chemischer Energie kann auch direkt elektrische Energie gewonnen werden. Die dazu notwendige Konstruktion nennt man Galvanische Zelle. Z chemické energie lze přímo získat také elektrickou energii. K tomu nutná konstrukce se nazývá galvanický článek. Batterien / baterie z.b Zink-Kohlebatterie/ např. zinko-uhlíkové baterie Akkumulatoren / akumulátory z.b. Bleiakku, Li-Ionen Akku/ např. olověné akumulátory, li-ion články Brennstoffzellen / palivové články z.b. H 2 /O 2 -Zelle / např. H2/O2-článek 16
Die Zink-Kohle Batterie Zinko-uhlíková baterie Das Leclanché-Element wurde bereits 1866 patentiert und gilt als Vorläufer der Zink- Kohle Batterie, die wiederum zu den heute häufig verwendeten Alkalibatterien weiter entwickelt wurde! Článek Leclanché byl patentován již v roce 1866 a je považován za předchůdce zinkouhlíkové baterie, která byla dále vyvinuta v dnes často používané alkalické baterie! 17
Akkumulatoren Akumulátory Das Wort akkumulieren bedeutet sammeln. Akkumulatoren sind galvanische Zellen, die wieder aufgeladen werden können: Slovo akumulovat znamená sbírat. Akumulátory jsou galvanické články, které lze znovu nabít: Entladen: Chemische Energie Elektrische Energie Laden: Elektrische Energie Chemische Energie Vybíjení: chemická energie elektrická energie Nabíjení: elektrická energie chemická energie 18
Brennstoffzellen Palivové články Dies ist kein Ofen sondern auch eine galvanische Zelle. Sie arbeitet wie eine Batterie, die nötigen chemischen Stoffe werden aber ständig von Außen zugeführt. Somit wird diese Batterie nie leer. Das Prinzip wurde bereits 1839 entdeckt, technisch genutzt erst seit ca. 1950! 19 Toto není žádná pec, nýbrž také galvanický článek. Funguje jako baterie, potřebné chemické látky jsou však neustále dodávány externě. Tato baterie tudíž nikdy není prázdná. Tento princip byl objeven v roce 1839, technicky využíván je teprve od roku 1950! Bsp.: Luft/Wasserstoffzelle/ Vzduch/vodíkový článek
Die chemische Industrie 20 Eigentlich erst zu Beginn des 19 Jhts. begann sich die Wissenschaft der Chemie zu entwickeln. Große Fortschritte wurden in den darauf folgenden Jahrzehnten gemacht. Als Folge daraus entstand in der zweiten Hälfte des 19. Jht. die chemische Industrie. Es konnten Medikamente, Farbstoffe, Dünger, Waschmittel und später dann auch Polymere (Kunstfasern, Kunststoffe) und all die Produkte hergestellt werden, ohne die unsere Art heute zu leben nicht denkbar wäre. Bei aller Problematik der Erzeugung und Verwendung chemischer Produkte darf nicht übersehen werden, dass wir sie täglich brauchen und verwenden. Die Existenz so vieler Menschen wie heute (> 7 Mrd.) auf unserer Erde wäre anders auch nicht möglich.
Die chemische Industrie Teprve začátkem 19. století se začal rozvíjet chemická věda. K velkým pokrokům došlo v následujících desetiletích. Jako důsledek vznikl v druhé polovině 19. století chemický průmysl. Mohly být vyráběny léky, barviva, hnojiva, prací prostředky a později také polymery (umělá vlákna, umělé hmoty) a všechny ty produkty, bez kterých si dnes neumíme představit náš život. 21 Přes veškerou problematiku výroby a používání chemických produktů nelze přehlédnout, že je denně potřebujeme a používáme. Existence tolika lidí na naši planetě jako dnes (> 7 mld.) by jinak nebyla možná
Die Chemie und die Energieversorgung Chemie a zajištění energie Die chemische Forschung und Industrie spielt für die Energieversorgung in folgenden Bereichen eine wichtige Rolle: Chemický výzkum a průmysl hrají při zásobování energií důležitou roli v následujících oblastech: Energiebereitstellung / získání energie Energiespeicherung / ukládání energie Effiziente Energienutzung / efektivní využití energie 22
Energiebereitstellung Získání energie Kraftstoffe aus Erdöl, Erdgas und Kohle Raffinierung von Erdöl, Kohlevergasung, etc.. Pohonné hmoty z ropy, zemního plynu a uhlí rafinování ropy, zplyňování uhlí Biokraftstoffe aus Pflanzen und Zellkulturen Ethanol, Öle, veresterte Öle, etc. Bio-paliva z rostlin a buněčných struktur etanol, oleje, modifikované oleje atd... Herstellung von Wasserstoff aus Methan, Kohlenstoffdioxid oder Wasser (Elektrolyse) Výroba vodíku z metanu, kysličníku uhličitého nebo vody (elektrolýza) 23
Energiebereitstellung Získání energie 24 Elektrische Energie aus Sonnenlicht Photozellen auf Basis anorganischer und organischer Stoffe Elektrická energie ze slunečního světla fotočlánky na bázi anorganických a organických látek Thermoelektrik Substanzen, die elektrische Energie aus Temperaturunterschieden gewinnen können; z.b. zur Nutzung von Abwärme Termoelektrika Substance, které získávají elektrickou energii z teplotních rozdílů, např. využití odpadového tepla
Energiespeicherung und Nutzung Ukládání energie a využití 25 Speicherung als chemische Energie / ukládání jako chem. energie Durch Erzeugung von Wasserstoff, Methan, etc. / díky výrobě vodíku, metanu, atd.. Speicherung als elektrochemische Energie / ukládání jako elektrochemická energie Lithium-Ionenbatterien, Natrium/Schwefelbatterien, Superkondensatoren, etc.. Li-Ion baterie, sodíkovo-sírové baterie, superkondenzátory, apod... Brennstoffzellentechnik / technika palivových článků Materialien zur Verbesserung der Energiedichte, Haltbarkeit, Wirtschaftlichkeit Matriály pro zlepšení energetické hustoty, udržitelnosti, hospodárnosti
Energiespeicherung und Nutzung Ukládání energie a využití 26 Leuchtdioden und Leuchtstoffe / světelné diody a luminescenční látky Erhöhung der Lichtausbeute und Betriebsdauer/zlepšení efektivity svítivosti a výdrže baterie Supraleiter, Dämmmaterialien, Leichtbauwerkstoffe / supravodiče, izolační hmoty, odlehčené konstrukce Verlustarme Stromleitung, Wärmedämmung, Reduzierung des Gewichts bei Fahrzeugen, etc elektrické vedení s nízkými ztrátami, tepelné izolace, redukce váhy u vozidel, apod...
Öffentlichkeitsarbeit Práce s veřejností 27 Kinderuni / dětská univerzita Kinderuni on tour / dětská univerzita na cestách Lange Nacht der Forschung Dlouhá noc výzkumu Science goes public Chemikerleben Tag der offenen Tür / život chemika den otevřených dveří
Ende 28 Ich danke euch herzlich für euer Kommen und eure Aufmerksamkeit! Děkuji srdečně za Vaši účast a pozornost!