7 Η ΕΞΕΡΓΕΙΑ. 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της εξέργειας. 7.2 Ενέργεια, ύλη και ποιότητα

Transcript

1 7 Η ΕΞΕΡΓΕΙΑ 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της εξέργειας Όπου υπάρχει υπολογισμός ενεργειακών μεγεθών, υπάρχει παράλληλα μεγάλη σύγχυση στα μεγέθη που πρέπει να μετρηθούν και να εκτιμηθούν. Πολύ συχνά η λύση επιδιώκεται να δοθεί με νέες μονάδες μέτρησης όπως η Wh και οι τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου (Τ.Ι.Π.). Όμως και έτσι δημιουργούνται προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη σύγχυση που προκαλείται από τις διαφορετικές μονάδες που μετρούν το ίδιο μέγεθος. Επιπλέον υπάρχει διαφοροποίηση των μονάδων από χώρα σε χώρα ανάλογα με το σύστημα που χρησιμοποιείται. Για διεργασίες που αφορούν μετατροπές ενέργειας πολλές φορές προκύπτουν έννοιες απόδοσης λανθασμένες που δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Ο βασικός λόγος είναι ότι τέτοιες έννοιες δεν έχουν θεμελιώδη σύνδεση με το φυσικό περιβάλλον. Εντούτοις σε πολλές περιπτώσεις, όπως για παράδειγμα στη θέρμανση ενός χώρου, το περιβάλλον παίζει το καθοριστικό ρόλο. Η σχέση ανάμεσα στις φυσικές πρώτες ύλες και τις κοινωνικές και οικονομικές δομές συχνά παραμελείται από τους επιστήμονες, τους ερευνητές και τους οικονομολόγους. Από την άλλη μεριά όσοι ασχολήθηκαν με τις φυσικές πρώτες ύλες δεν έδειξαν ενδιαφέρον στη σχέση αυτών με την κοινωνία και την οικονομία γενικά. Υπάρχουν εντούτοις και εξαιρέσεις. Μερικοί έλαβαν υπό όψιν φυσικούς αλλά και κοινωνικό-οικονομικούς παράγοντες. Επιπλέον αναλύσεις που αφορούν οικολογικά θέματα έγιναν ιδιαίτερα διαδεδομένες τα τελευταία χρόνια. Πολλά εξαιρετικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα έχουν προκύψει από τις έρευνες αυτές. Είναι απαραίτητη η κατανόηση των διεργασιών μετατροπής ενέργειας και υλικών σε κάθε σχεδιασμό που αφορά το μέλλον. Το ενδιαφέρον σε τέτοια θέματα είναι σχετικά πρόσφατο. Για τη σωστή επιλογή ανάμεσα σε διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις και για μια αειφόρο ανάπτυξη χρειάζεται όλα αυτά να ληφθούν υπό όψιν. Κι αυτό γιατί οι ίδιες οι λειτουργίες της κοινωνίας είναι άμεσα συσχετισμένες με τις μετατροπές ενέργειας και ύλης στη φύση. Η εξέργεια είναι ένας όρος σχετικά πρόσφατος και είναι πιο συχνός στην τεχνική ορολογία. Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσό ενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, για παράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγει ένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του. Η έννοια της εξέργειας πηγάζει από την έννοια της εντροπίας. Σε ένα σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με εξάτμιση ρευστού και κίνηση στροβίλου, υπάρχουν μεγάλες διαφορές στη μεταβολή της ενέργειας και της εξέργειας. Τέτοιες θεωρήσεις μπορούν να γενικευτούν ακόμη και για τις ενεργειακές μετατροπές σε μια κοινωνία. Η ανθρώπινη κοινωνία σήμερα, εξαρτάται από τις ροές εξέργειας των πεπερασμένων αποθεμάτων εξέργειας που βρίσκονται στη Γη και πιο συγκεκριμένα, σε πετρώματα, καύσιμα, άλλα κυρίως στις ανανεώσιμες πηγές εξέργειας όπως τα δάση που μετατρέπουν και εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια. Το κάθε άτομο, η κάθε ομάδα και όλη η κοινωνία εξαρτάται άμεσα από τις ροές αυτές. Από τη φυσική περιγραφή της κοινωνίας μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις της αποδοτικότητας και να συγκριθούν μεταξύ τους τα διάφορα αποτελέσματα που θα προκύψουν. 7.2 Ενέργεια, ύλη και ποιότητα Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνται και δεν καταστρέφονται. Αυτός είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης. Δεν υπάρχουν δηλαδή πηγές ή καταβόθρες για την ενέργεια και την ύλη. Απλώς μπορούν να μετασχηματίζονται σε διαφορετικές μορφές. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της υποβάθμισης της ποιότητας. Τοπικά η ποιότητα μπορεί να βελτιώνεται αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο τη μεγαλύτερη υποβάθμιση της ποιότητας κάπου αλλού. Συνολικά είναι ένα θέμα συνεχούς υποβάθμισης της ποιότητας. Αυτό είναι επίσης θεμελιώδης νόμος της φύσης. Η ροή ύλης και ενέργειας (σχήμα 7.1) σε ένα σύστημα οδηγείται σε συνεχή ελάττωση της ποιότητας. Η ροή πρέπει να ορίζεται επακριβώς στο χρόνο και στο χώρο. Καθώς υπάρχει ροή, μόνο ένα μικρό μέρος του μέσου εγκλωβίζεται στο σύστημα. Η κινητήριος δύναμη της ροής ενέργειας ή ύλης μέσα από το σύστημα' είναι η ποιότητα. Αυτή συνεχώς χειροτερεύει καθώς πραγματοποιείται η ροή. Η ενέργεια και η ύλη απλώς υπηρετούν ως φορείς ποιότητας και είναι η τελευταία αυτή που καταναλώνεται κατά τη μετατροπή τους από τη μια μορφή στην άλλη. Σύμφωνα με αυτήν την οπτική πλευρά είναι εσφαλμένο να γίνεται λόγος για 229

2 κατανάλωση και παραγωγή ενέργειας ή ύλης. Διότι είναι μόνο η ποιότητα αυτή που παράγεται ή καταναλώνεται. Για παράδειγμα αν ένα αυτοκίνητο μένει ακάλυπτο και σκουριάζει είναι η ποιότητα που καταστρέφεται και όχι η ύλη, γιατί αυτή παραμένει, θα συνδυαστεί με το περιβάλλον σε νέες χημικές ενώσεις, π.χ. σκουριά. Από οικονομικής πλευράς, η αξία του υλικού φθίνει και τελικά μηδενίζεται. Ροές ενέργειας και ύλης μπορούν να θεωρηθούν ως διαφορετικά φαινόμενα που μεταφέρουν ποιότητα. Η διαφοροποίηση μεταξύ τους είναι συχνά ασαφής και προσεγγιστική. Μια ροή είναι συχνά ροή και ύλης και ενέργειας. Υψηλή ποιότητα Ενέργεια ή και Ύλη Π.χ ηλιακή ενέργεια Σύστημα Π.χ Γη Π.χ Θερμότητα και καυσαέρια Χαμηλή Ενέργεια ή και Ύλη ποιότητα Σχήμα 7. 1: Ροή ενέργειας ή ύλης σε ένα σύστημα. Η υποβάθμιση της ποιότητας είναι ισοδύναμη ουσιαστικά με την αύξηση εντροπίας. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο οι μετατροπές ενέργειας και ύλης πρέπει να γίνονται από μια κατάσταση χαμηλής θερμοδυναμικής πιθανότητας προς μια κατάσταση υψηλότερης. Η ενέργεια και η ύλη τείνουν να κατανεμηθούν προς ένα συνεχώς αυξανόμενο αριθμό πιθανών καταστάσεων. Παράδειγμα αυτού είναι μια ψυχρή και μια θερμή ροή αέρα που συναντώνται και όπου η ποιότητα και η αντίθεση καθορίζονται από τις διαφορές στη θερμοκρασία οι οποίες στη συνέχεια μηδενίζονται για μια ομοιόμορφη ροή. Η ομοιόμορφη ροή δεν έχει διαφορές θερμοκρασιών και ως εκ τούτου, χαμηλότερη ποιότητα από τις αρχικές ροές. Αυτό εκφράζεται ποσοτικά με στατιστική μηχανική ως μια αύξηση της εντροπίας του συστήματος. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τις ροές εισόδου και εξόδου και από τις διατάξεις μετατροπής που βρίσκονται ανάμεσα τους. Η εντροπία που συμβολίζεται με S ισούται με: S k P i ln P i Σ όπου με k συμβολίζεται η σταθερά του Boltzmann και δείχνει τον αριθμό των επιτρεπτών καταστάσεων του 230

3 συστήματος και με Pi η πιθανότητα για κάθε επιτρεπτή κατάσταση, τέτοια ώστε το άθροισμα να ισούται με 1: S k 1 Σ 7. 2 Η πιθανότητα για μια κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με τη γνώση του συνολικού συστήματος. Αν υπάρχει βεβαιότητα ότι το σύστημα είναι σε μια καθορισμένη κατάσταση, η πιθανότητα για αυτήν την κατάσταση είναι ίση με 1. Η πιθανότητα για τις άλλες καταστάσεις είναι ίση με 0. Η γνώση της εντροπίας του συστήματος είναι τότε πλήρης και τότε αυτή είναι Ο (S = 0). Στην αντίθετη περίπτωση αν δεν υπήρχε καμία πληροφορία για το σύστημα τότε όλες οι δυνατές καταστάσεις θα ήταν ισοπίθανες. Ο αριθμός τους είναι Ω. Η πιθανότητα για κάθε μια θα είναι 1/Ω. Η εντροπία του συστήματος ισούται με S = k * ΙηΩ. Αυτή είναι η μέγιστη εντροπία για κάθε σύστημα και δείχνει την πλήρη αταξία. Η μετατροπή ενέργειας και ύλης που λαμβάνει χώρα σε έναν πεπερασμένο ρυθμό, αναπόφευκτα οδηγεί σε παραγωγή εντροπίας. Ο ρυθμός παραγωγής της αυξάνεται όσο αυξάνεται ο βαθμός μετατροπής. Μια μετατροπή που μπορεί να αντιστραφεί ονομάζεται αντιστρεπτή. Αυτή είναι απειροστά αργή αλλά δεν περιλαμβάνει απώλειες. Έτσι δεν παράγεται εντροπία. Είναι δυνατόν να υπάρχουν τοπικές μεταβολές της εντροπίας αλλά η συνολική παραγωγή είναι μηδενική. Από τα παραπάνω συνεπάγεται ότι σε μια αντιστρεπτή μεταβολή δεν υπάρχει συγκεκριμένη κατεύθυνση και ως εκ τούτου αυτή δεν ολοκληρώνεται ποτέ. Αντιστρεπτές μεταβολές δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, παρά μόνο θεωρητικά. Όλες οι μεταβολές είναι μη αντιστρεπτές, που σημαίνει ότι πραγματοποιούνται με απώλειες. Έτσι, αυτές είναι αναπόφευκτες και ως ένα βαθμό, απαραίτητες. Κάθε επιθυμητή μεταβολή πρέπει να έχει κάποιες απώλειες όσο το δυνατόν μικρότερες. Μπορεί εδώ να δοθεί ένας ορισμός της εξέργειας ως εξής: Η εξέργεια είναι το τμήμα της ενέργειας που είναι μετατρέψιμο σε όλες τις άλλες μορφές ενέργειας. Η εξέργεια ενός συστήματος σε συγκεκριμένο περιβάλλον είναι η ποσότητα του μέγιστου μηχανικού έργου που μπορεί να αποβληθεί από το σύστημα σε αυτό το περιβάλλον. Μερικά παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι π.χ. συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου σε μια δεξαμενή ή ο θερμός αέρας που βρίσκεται μέσα σε ένα κτίριο το χειμώνα. Ο ορισμός αυτός είναι πολύ γενικός και μπορεί να επεκταθεί για να συμπεριλάβει και την ύλη. Μια τέτοια επέκταση είναι πλήρως δικαιολογημένη. Μια συνηθισμένη μπαταρία παράδειγμα αποτελεί παράδειγμα μετατροπών ύλης από τη μια μορφή στην άλλη μέσω χημικών αντιδράσεων προσδίδοντας εξέργεια υπό τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου. Η εντροπία έχει αρνητική έννοια καθώς δείχνει έλλειψη ποιότητας. Μπορεί επομένως να δοθεί ο ορισμός της αρνητικής εντροπίας (negentropy) η οποία θα έχει θετική έννοια. Η αρνητική εντροπία γίνεται έτσι μονάδα μέτρησης της ποιότητας. Ελαττώνεται μαζί με την ποιότητα. 7.3 Μαθηματικός υπολογισμός της εξέργειας Υπολογισμός για ένα θερμοδυναμικό σύστημα Έστω το σχήμα 7.2 στο οποίο φαίνονται το σύστημα Α και το περιβάλλον Αο, το οποίο θεωρείται ομογενές και πολύ μεγαλύτερο από το Α. Το περιβάλλον Α ο χαρακτηρίζεται από τα εντατικά μεγέθη T o, p o και μ ο, (θερμοκρασία, πίεση και χημικό δυναμικό). Οι αντίστοιχες παράμετροι για το Α είναι οι Τ, ρ και μ. Αρχικά, το Α είναι επίσης ομογενές. Τα υπόλοιπα μεγέθη για το Α είναι τα U, V, S, και η ι (εσωτερική ενέργεια, όγκος, εντροπία και αριθμός των moles των διαφόρων χημικών στοιχείων) και τα αντίστοιχα για το Α ο, είναι U ο, V o, S o, και n iο και υποτίθεται να είναι επίσης κατά πολύ μεγαλύτερα από του Α. 1 P i 231

4 Po.To,μ οi Uο,Vο,S i ο,n ο Α P.T,μ I U,V,S i,n i Αο Σχήμα 7.2: Σύστημα και περιβάλλον U<<U O Ισχύει δηλαδή V<<V O n i <<n io Σ 7. 3 To συνδυασμένο σύστημα που αποτελείται από το Α και το Α ο θεωρείται μονωμένο. Έτσι λαμβάνεται μόνο έργο W από το Α και ισχύει: du+du o +dw=0 dv+dv o =0 dn i +dn io =0 Σ 7. 4 Η αλληλεπίδραση μεταξύ του Α και του Α ο μπορεί να λάβει χώρα με έναν ελεγχόμενο τρόπο μέσα στο Α. Αφού το Α είναι μικρό, δεν αλλάζουν τα εντατικά μεγέθη του Αο. Επομένως: dt o =0 dp o =0 dμi o =0 Σ

5 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Το διαφορικό της εντροπίας του περιβάλλοντος Αο είναι: ds o du o p o dv o T o i dn io io du 257 p o dv T o i dn io i dw T o Σ 7. 6 όπου έχει χρησιμοποιηθεί η σχέση (7.1). Το συνολικό διαφορικό της εντροπίας και για το σύστημα και για το περιβάλλον είναι: 1 dw ds ds dso du po dv To ds io dni Σ 7. 7 To i To Η τελευταία σχέση μπορεί να γραφτεί και ως εξής: 1 ds de dw Σ 7. 8 T όπου εισάγεται η εξέργεια Ε και ισχύει: Αν χρησιμοποιηθεί η σχέση στην (7.9) τότε προκύπτει: E S o E U p V T S n Σ 7. 9 o o i io i U T S p V Σ i i dn i T T V p p n o o i i Σ η οποία δείχνει ότι η εξέργεια μηδενίζεται στην κατάσταση ισορροπίας (Τ = Τ ο, p= p o, i = i ο ) Ας υποτεθεί ότι το Α μεταβάλλεται προς την ισορροπία με το Αο χωρίς να παράγει έργο (dw = 0). Η εξέργεια μεταβάλλεται από Ε προς Ο και η συνολική εντροπία αλλάζει από S ολ προς S ολ ισ (το ολ. για ολικό και το ισ. για την ισορροπία). Χρησιμοποιώντας και την (7.2) λαμβάνεται και έτσι: T o i E S S Σ E o Αν οριστεί η αρνητική εντροπία Σ ως η διαφορά: τότε προκύπτει ότι T S S Σ S S Σ E T o 0 Σ Η εξέργεια του Α επομένως είναι Το πολλαπλασιασμένη με την αρνητική εντροπία του Α και του περιβάλλοντος του Αο. Παρατηρεί κανείς ότι στον ορισμό της εξέργειας Ε (σχέση (7.9)) μόνο τα εντατικά μεγέθη του Α εμφανίζονται. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στην οποία επιτυγχάνεται ισορροπία, η εξέργεια μεταβάλλεται κατά -Ε. Έστω ότι η αύξηση της ολικής εντροπίας είναι ΔS ολ και το έργο που λαμβάνεται είναι W. Η ολοκληρωμένη έκφραση της (7.8) θα είναι: S 1 T o E W io Σ 7. 16

6 ή ομοίως: Καθώς: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος W o E T S Σ S 0 Σ και με την ισότητα να ισχύει μόνο για αντιστρεπτή διαδικασία, λαμβάνεται: W E Σ δηλαδή, η εξέργεια Ε είναι το μέγιστο ποσό έργου που μπορεί να αποληφθεί από το Α στη διαδικασία κατά την οποία θα πραγματοποιηθεί η ισορροπία με το περιβάλλον Αο. Από τη σχέση (7.9) μπορεί να αφαιρεθεί η αντίστοιχη σχέση της ισορροπίας. Καθώς το Ε εξαφανίζεται στην ισορροπία, βρίσκεται ότι: E U U p o V V T S S n n o i Σ που είναι μια χρήσιμη σχέση για πρακτικούς ορισμούς της εξέργειας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαφορές εξέργειας σχετίζονται με άλλα πιο γνωστά, από τη θερμοδυναμική, δυναμικά, όπως φαίνεται στον πίνακα 7.1. Πίνακας 7. 1: Δυναμικά που χρησιμοποιούνται στη θερμοδυναμική. Περίπτωση ΔΕ=ΔΧ Ορισμός του Χ Συνήθης ονομασία Δn i = 0 ΔΕ = ΔG ο Go = U+p o V - T o S Δn i = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔF ο F o = U-T o S Δn i = 0, ΔS= 0 ΔΕ = ΔΗ ο H o = U + p o V Δn i = 0, p = p o ΔΕ = ΔG G = U + pv - TS Ελεύθ.ενέργεια Δn i = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔF F = U - TS Ελεύθ.ενέργεια Δn i = 0, ΔS = 0 ΔΕ = ΔΗ H = U + pv Ενθαλπία io i Θα ήταν ίσως ενδιαφέρον να εξεταστεί και η περίπτωση ενός συστήματος Α που βρίσκεται μέσα σε ένα τοπικό περιβάλλον Α τ, το οποίο με τη σειρά του είναι περικυκλωμένο από ένα περιβάλλον Α ο (σχήμα 7.3 ). Σχήμα 7. 3: Δύο συστήματα και περιβάλλον. Τότε ορίζεται μια 'τοπική' εξέργεια: E U p V T S i n i Σ που σχετίζεται με την ολική, με τη σχέση: 258 i E U p V T S n Σ o o i io i

7 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος μέσω της: Ε = Ε το + Ε τ Σ όπου ο παράγοντας Ετ.ο δείχνει τη συνεισφορά της εξέργειας εξαιτίας της απόκλισης ίου τοπικού περιβάλλοντος από το συνολικό. Ισχύει: E S T T V p p n o o i i io Σ i που είναι η έκφραση της εξέργειας η αντίστοιχη με τη (7.11) και με τα εντατικά μεγέθη του Α τ να αντικαθιστούν αυτά του Α Εξεργειακό περιεχόμενο των υλικών Έστω ότι η πίεση ρ και η θερμοκρασία Τ είναι σταθερές και ίσες με p = po και Τ =Το. εξίσωση (7.11) έχουμε: E Το χημικό δυναμικό μ i για το i στοιχείο μπορεί να γραφτεί ως εξής: i i o i n i Σύμφωνα με την Σ i o io R T ln c Σ όπου c i είναι η συγκέντρωση του στοιχείου i και μ o i το δυναμικό στην κατάσταση αναφοράς. Επιπλέον: Από τις δύο τελευταίες σχέσεις, η (7.24) μπορεί να γραφτεί ως εξής: E I io o io o i R T ln c Σ io o o i io R To c ni ni ln Σ i co Η εξέργεια ενός υλικού μπορεί να υπολογιστεί με αυτόν τον τρόπο από το χημικό του δυναμικό και τη συγκέντρωση τον, στην κατάσταση αναφοράς. Αν έχουμε ένα στοιχείο, η (7.27) γίνεται 7.4 Φορείς εξέργειας o o o R T ln c co E n Σ Η ποιότητα της ενέργειας μπορεί να εκφραστεί ως η ποσότητα της αρνητικής εντροπίας ανά μονάδα ενέργειας του εξεταζόμενου συστήματος. Οι πιο καθαρές μορφές ενέργειας είναι η μηχανική και η ηλεκτρική για τις οποίες η αρνητική εντροπία είναι 0. Αντίθετα η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας έχει τη χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα χειροτερεύει με τη θερμοκρασία (εφόσον αυτή είναι υψηλότερη από αυτήν του περιβάλλοντος). Στον πίνακα που ακολουθεί οι διάφορες μορφές ενέργειας κατατάσσονται ανάλογα με την ποιότητα από την πιο υψηλή στην πιο χαμηλή. Ο δείκτης του πίνακα 7.2 δείχνει το περιεχόμενο σε εξέργεια ως ποσοστό του περιεχομένου του υλικού σε ενέργεια. i. π.χ. τεχνητή λίμνη σε υδροηλεκτρικό σταθμό ii. π.χ. υδατόπτωση iii. π.χ. η ενέργεια σε πυρηνικό καύσιμο iv. π.χ. πετρέλαιο, λιγνίτης κ.ά. 259

8 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Πίνακας 7. 2: Περιεχόμενο σε εξέργεια για διάφορες μορφές ενέργειας Ποιότητα Μορφή ενέργειας Δείκτης ποιότητας Άριστη Δυναμική ενέργεια Κινητική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια 100 Εξαιρετική Πυρηνική ενέργεια 3 σχεδόν 100 Ηλιακή ενέργεια 95 Χημική ενέργεια 4 95 θερμός ατμός 60 Τηλεθέρμανση 30 Κατώτερη Απώλειες θερμότητας 5 Άχρηστη Θερμότητα ως ακτινοβολία από τη 0 Εντούτοις, φορείς εξέργειας δεν είναι μόνο τα συστήματα που φέρουν ενέργεια. Αν ένα σύστημα στερείται ενέργεια (και έτσι διαφοροποιείται από το περιβάλλον) τότε είναι φορέας εξέργειας. Για παράδειγμα ένας κύβος πάγου που βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου είναι φορέας εξέργειας. Όταν ο πάγος λιώνει παίρνει ενέργεια από τον περιβάλλοντα αέρα. Αν παρεμβληθεί μια αντλία θερμότητας μπορεί να παραχθεί ωφέλιμο έργο. Αυτό καθιστά τον πάγο πηγή ενέργειας. Αντίστοιχα ένα κενό δοχείο εφόσον μπορεί να γεμίσει με αέρα είναι φορέας εξέργειας. Ανάλογα με την ποιότητα της ενέργειας, η ποιότητα ενός υλικού μπορεί να εκφραστεί από την εξέργεια του υλικού. Η πιο αγνή μορφή ύλης είναι αυτή που περιέχει μόνο γνωστά στοιχεία για τα οποία η εντροπία είναι 0. Διαλυμένα ή αναμειγμένα υλικά έχουν μια υψηλότερη εντροπία και ως εκ τούτου χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα μειώνεται όσο μεγαλύτερη είναι η διάλυση και η ανάμειξη. Ένα πέτρωμα καθαρό έχει τη μέγιστη περιεκτικότητα σε εξέργεια. Καθώς εξορύγνεται και διανέμεται στο περιβάλλον, το περιεχόμενο σε εξέργεια μειώνεται. Στον επόμενο πίνακα φαίνονται κάποια υλικά ταξινομημένα συναρτήσει της μείωσης της ποιότητας τους. Σε κάθε περίπτωση υπάρχει ευδιάκριτη διαφορά ανάμεσα στα υλικά που βρίσκονται ψηλά στη στήλη και σε αυτά που βρίσκονται χαμηλά. Η ποιότητα της μορφής του υλικού εκφράζεται από ένα δείκτη που δίνει το προσεγγιστικό περιεχόμενο σε ενέργεια ως ποσοστό της ποσότητας του υλικού. Ο ορισμός του δείκτη είναι ανάλογος με τον ορισμό για τον προηγούμενο πίνακα. Από τον ακόλουθο πίνακα προκύπτει ότι μόνο ένα μέρος, που δίνεται από την εξέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανακτηθεί καθαρό υλικό, εφόσον βέβαια δεν καταναλωθεί εξωτερική ποσότητα εξέργειας. Όταν εκτιμάται το περιεχόμενο σε εξέργεια για το εξεταζόμενο υλικό χρησιμοποιείται η εξίσωση (7.9). Καθώς η εξέργεια δεν διαφοροποιείται ανάμεσα σε ανώτερη και κατώτερη ή σε αυτήν της ύλης και αυτήν της ενέργειας, υπάρχει σαφής σύνδεση ανάμεσα στους δύο τελευταίους φορείς. Η μαθηματική διατύπωση της θεωρίας της σχετικότητας (Ε=mc 2 ) είναι επίσης μια θεμελιώδης αρχή. Καθώς καθαρίζεται ένα ορυκτό από τις προσμίξεις, ουσιαστικά ανταλλάσσεται ενέργεια υψηλής ποιότητας με εξέργεια που βρίσκεται στην ύλη του. 260

9 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Πίνακας 7. 3: Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων υλικών Μορφή της ύλης Δείκτης ποιότητας Ύλη σε ταξινομημένη κατάσταση' 100 Ύλη στη μορφή του εμπορίου 2 σχεδόν 100 Μείγματα στοιχείων περίπου 90 Πλούσια αποθέματα ορυκτών Ορυκτά 50 Φτωχά αποθέματα ορυκτών Ορυκτά διαλυμένα στο έδαφος ή στη περίπου 0 i. π.χ. κάρβουνο ως διαμάντι ii. π.χ. σίδηρος, χρυσός, ή μόλυβδος iii. π.χ. χάλυβας, κράματα, ή πλαστικά iv. π.χ. λεμονίτης v. π.χ. βωξίτης Από τον πίνακα 7.3 συμπεραίνεται ότι υλικά τα οποία είναι ακριβά έχουν μεγάλο περιεχόμενο σε εξέργεια. Αντιθέτως, υλικά τα οποία είναι αναμειγμένα (π.χ. άμμος) έχουν μικρό περιεχόμενο σε εξέργεια. Συστήματα πλούσια σε εξέργεια όπως για παράδειγμα υλικά, χημικές ενώσεις μπορούν στην πράξη να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα μετασχηματισμού ηλεκτρικής σε χημική και αντίστροφα. 7.5 Παγκόσμια και τοπικά περιβαλλοντικά πρότυπα Καθώς η εξέργεια ορίζεται σύμφωνα με το περιβάλλον της είναι απαραίτητο να καθιερωθούν κατάλληλες περιβαλλοντικές αναφορές. Κάτι τέτοιο μπορεί να οριστεί με μια καθορισμένη ατμόσφαιρα και ένα ορισμένο επίπεδο θαλάσσης όπου οι κανονικές καταστάσεις συσχετίζονται με μέσες γεωφυσικές συνθήκες. Για την εξεργειακή ανάλυση των συναλλασσόμενων αγαθών και για τη χρήση της εξέργειας στις γεωφυσικές επιστήμες ένας τέτοιος ορισμός είναι απαραίτητος. Οι θερμοκρασιακές συνθήκες ποικίλουν ανάμεσα στα διαφορετικά μέρη του κόσμου και το ίδιο ισχύει για την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ομοίως τα χημικά δυναμικά του νερού στις λίμνες και τους ποταμούς διαφέρουν ουσιωδώς από αυτά της θάλασσας. Η κατασκευή του εδάφους και του υπεδάφους επίσης ποικίλει και στην επιφάνεια της γης αλλά και στο βυθό της θάλασσας. Έτσι επίσης καθίσταται απαραίτητη η καθιέρωση τοπικών συνθηκών αναφοράς. Η έκταση στην οποία οι συνθήκες αυτές μετριάζονται ή ποικίλουν με εποχιακές ή ημερήσιες μεταβλητές αποτελεί ένα θέμα που χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Για την περιγραφή της θέρμανσης χώρων εποχιακές παράμετροι είναι εμφανώς απαραίτητες. Αν χρησιμοποιηθούν ημερήσιες, τότε είναι μεγάλη η συνάρτηση και από τον τόπο. Αυτή όμως η ποικιλία μπορεί να σχετίζεται με την οικονομική αξία ενός συστήματος. Η διαφορά στην εξέργεια ενός κομματιού πάγου που βρίσκεται στην Ανταρκτική και ενός που βρίσκεται στην Αφρική είναι προφανώς τεράστια. 261

10 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος 7.6 Η εξέργεια και η εκτίμηση των πρώτων υλών Η εξέργεια ως όρος για τις φυσικές επιστήμες Στην επιφάνεια της γης λαμβάνουν χώρα άπειρες διεργασίες μεταφοράς, μετατροπής και ροής ενέργειας στα συστήματα. Πολλές φυσικές επιστήμες, όπως η οικολογία, η φυσική, η ωκεανογραφία προσπαθούν να περιγράψουν τις αλλαγές που συμβαίνουν στο αντικείμενο τους. Το νερό είναι το μοναδικό στοιχείο που βρίσκεται και στις τρεις φάσεις (πάγος, υγρό, ατμός). Επιπλέον είναι μια τεράστια αποθήκη θερμότητας που εξισορροπεί και εκμηδενίζει όλες τις διαφοροποιήσεις που συμβαίνουν τοπικά. Σημαντικό ρόλο παίζουν επιπλέον η ατμόσφαιρα, το έδαφος αλλά και όλα τα ζωντανά όντα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες αλληλοεπηρεάζονται. Η επικοινωνία τους πραγματοποιείται με τη βοήθεια της εξέργειας. Η εξέργεια από την αντίθεση ανάμεσα στον ήλιο και το διάστημα οδηγεί ροές ενέργειας και ύλης στην επιφάνεια της γης. Υπάρχει μια ισορροπία ανάμεσα στην προσδιδόμενη και την αποδιδόμενη ροή ενέργειας. Η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης καθορίζεται από, εκτός των άλλων, από την ενέργεια που ακτινοβολείτε προς τη γη. Σε αυτήν οδηγείται και ύλη μέσα από αμέτρητους κύκλους και αλληλεπιδράσεις συστημάτων. Οι περίοδοι κυκλοφορίας για αυτούς τους κύκλους ύλης μπορεί να ποικίλουν από κλάσματα του δευτερολέπτου μέχρι και δισεκατομμύρια ετών. Όταν η εξέργεια φτάνει στη γη σταδιακά καταστρέφεται αλλά με τέτοιο τρόπο που να προωθεί, ανάμεσα στα άλλα, τον άνεμο, τα νερά και τη ζωή στη γη. Και μόνο η κυκλοφορία των υδάτων χρειάζεται 7000 φορές την ενέργεια που μετατρέπεται στο περιβάλλον από όλη την ανθρωπότητα. Πολύπλοκες συνθέσεις, πλούσιες σε ενέργεια και με δυνατότητα αναπαραγωγής σχηματίζονται από τη φωτοσύνθεση στη βιόσφαιρα. Τα πράσινα φυτά παίρνουν εξέργεια από τον ήλιο με τη φωτοσύνθεση και τη μετατρέπουν σε χημική εξέργεια σε ουσίες που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές τροφικές αλυσίδες. Σε κάθε σύνδεση, εξέργεια καταναλώνεται. Ο τελευταίος σύνδεσμος απεικονίζει μικροοργανισμούς που αποσυνθέτουν τα υλικά. Η εξέργεια που δεν γίνεται εκμεταλλεύσιμη από αυτούς τους οργανισμούς σταδιακά γίνεται πετρέλαιο ή πετρώματα. Προκειμένου να αντιστραφεί μια διαδικασία, π.χ. μεταβολισμού σε ένα ζωντανό οργανισμό, προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση χρειάζεται μια θερμοδυναμική μη αντιστρεπτότητα. Μια αύξηση στην ασφάλεια μπορεί να επιτευχθεί μέσω της αύξησης της μη αντιστρεπτότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με το αντίστοιχο κόστος σε ενέργεια, π.χ. κατανάλωση της. Η αντιστροφή επομένως χρειάζεται και προϋποθέτει την κατανάλωση εξέργειας Εξέργεια φυσικών πόρων και πηγών ενέργειας Πολλές πηγές ενέργειας μπορούν να μελετηθούν υπό το πρίσμα της εξέργειας. Οι πηγές ενέργειας έχουν περιεχόμενο σε εξέργεια που είναι πολύ κοντά στις τιμές που συχνά τους αποδίδονται. Είναι είτε σε μορφή μηχανικής ενέργειας, που εξ ορισμού είναι πλήρη σε εξέργεια, είτε σε χημική μορφή, που είναι επίσης υψηλής ποιότητας και που η ενθαλπία τους είναι σχεδόν ίση με την εξέργεια τους. Σε οποιαδήποτε μετατροπή, όπου συμβαίνει με την παραγωγή θερμότητας χρησιμοποιείται ένα μεγάλο μέρος εξέργειας. Ένας τρόπος για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού είναι η εξέλιξη ενεργειακών κυψελών που δίδουν απ' ευθείας ηλεκτρισμό. Στη μελέτη της εξέργειας των πυρηνικών καυσίμων εγείρονται δυσκολίες όπως η ραδιενέργεια που παράγεται και η έλλειψη σαφώς ορισμένης τελικής κατάστασης. Υπάρχουν και άλλες πηγές εκτός από τις ενεργειακές που έχουν εξέργεια. Ένα μέταλλο διαφέρει πολύ από το ορυκτό που ήταν κάποτε. Η εξέργεια διατηρείται όταν υπάρχει εξόρυξη. Όταν το μέταλλο καθαρίζεται από το ορυκτό προστίθεται εξέργεια από τις πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για να γίνει η διεργασία αυτή. Η εξέργεια δεν χάνεται παρά μόνο όταν το μέταλλο σκουριάσει, ή φθαρεί με άλλο τρόπο. Από την άλλη, πετρώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης ή στο θαλασσινό νερό είναι φτωχά σε εξέργεια. Ακόμη, εξέργεια βρίσκεται στις μορφές χαμηλής εντροπίας (μικρή πιθανότητα) που χρησιμοποιούν οι ζώντες οργανισμοί. Χρησιμοποιείται όταν το ξύλο λειτουργεί ως υλικό κατασκευών, ή το μαλλί ως ίνα. Όταν λαμβάνεται τροφή, χρησιμοποιείται η χημική εξέργεια και η εξέργεια από τις δομές των αμινοξέων και των βιταμινών. 262

11 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Η εξέργεια σαν δείκτης για πηγές Γιατί μπορεί η εξεργειακή απώλεια να είναι μια σχετική μέτρηση της ελάττωσης και χρήσης των πηγών; Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες απόψεις με μικρές διαφορές. Η ενεργειακή άποψη δηλώνει ότι η χρήσιμη ενέργεια (εξέργεια) είναι η απώτερη πηγή περιορισμού. Αυτό μπορεί να ισχυρισθεί επειδή κάθε πηγή υλικού έχει ένα σχετικό ενεργειακό κόστος, έτσι ώστε κάθε ενδεχόμενη περιορισμένη πηγή περιορίζεται εν μέρει επειδή το ενεργειακό της κόστος είναι πολύ υψηλό. Δεδομένων επαρκών ποσών, μια κοινωνία μπορεί να εκτρέψει εξέργεια, εντός της τρέχουσας τεχνολογικής κλίμακας πιθανοτήτων, στην απόκτηση ή κινητικότητα οποιουδήποτε υλικού είναι σε μικρή παροχή. Η εξέργεια, αντί της ενέργειας, χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη αφού έμφαση δίνεται στην ποιότητα της ενέργειας και την χημική εξέργεια παραδοσιακά μη ενεργειακών ακατέργαστων υλικών. Ένα άλλο σημείο τριβής βασίζεται στην ερώτηση όταν μιλάμε για ελάττωση πηγών ή κατανάλωση, τι ελαττώνεται ή καταναλώνεται ;. Δεν είναι ούτε υλικό, αφού το υλικό μπορεί μόνο να μεταφερθεί, όχι να καταστραφεί (αποκλείονται οι πυρηνικές αντιδράσεις), ούτε ενέργεια. Μια λογική απάντηση μπορεί να είναι ότι καταναλώνονται χρήσιμο υλικό και ενέργεια και μπορούν να ελαττωθούν. Μια μέτρηση της χρήσιμης ενέργειας είναι η εξέργεια όπως συζητάτε εδώ. Για να είναι ένα υλικό χρήσιμο, πρέπει κανονικά να συγκεντρωθεί, να δομηθεί και να διευθετηθεί σε σχέση με το περιβάλλον. Μια γνωστή επιστημονική ποσότητα που συχνά ερμηνεύεται σαν μια μέτρηση της ανωμαλίας του συστήματος είναι η εντροπία. Εάν ένα υλικό πρέπει να είναι χρήσιμο, πρέπει κανονικά να έχει χαμηλότερη εντροπία από το περιβάλλον. Οι κοινωνίες και τα τεχνικά συστήματα μπορούν να περιγραφούν ότι τρέφονται με χαμηλής εντροπίας υλικό και ενέργεια που την μετατρέπουν σε υλικό υψηλής εντροπίας και ενέργειας. Έτσι η παραγωγή εντροπίας μπορεί να είναι ένα χρήσιμος δείκτης της κατανάλωσης πηγής σε σχέση με την ΑΚΖ. Όπως φαίνεται από την εξίσωση (1), η εντροπία και η εξέργεια σχετίζονται μεταξύ τους. Υπολογισμός της εξέργειας φυσικών πηγών σε διάφορες εφαρμογές Όπως σημειώθηκε, έχει ενδιαφέρον να υπολογίσουμε την εξέργεια φυσικών πηγών σε έναν αριθμό διαφορετικών εφαρμογών εκτός από την ΑΚΖ. Ωστόσο, όταν οι εξέργειες φυσικών πηγών έχουν υπολογιστεί σε κοινωνικές αναλύσεις, ή όταν υπολογίζουμε την αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση, έχουν χρησιμοποιηθεί άλλα όρια συστήματος από αυτά της ΑΚΖ. Στις ΑΚΖ, οι είσοδοι πρέπει να είναι οι φυσικές πηγές όπως βρίσκονται στο περιβάλλον ενώ σε άλλες εφαρμογές, έχουν περιληφθεί μόνο μέρη των φυσικών πηγών. Για παράδειγμα, μόνο ένας ειδικός συνδυασμός μετάλλου σε ένα μετάλλευμα μπορεί να περιληφθεί αλλά όχι όλο το περιεχόμενο του μεταλλεύματος. Έτσι, για ορυκτά μετάλλων και μερικές άλλες πηγές, πρέπει να γίνουν νέοι υπολογισμοί έτσι ώστε να βρούμε συμβατά δεδομένα ΑΚΖ. Μέθοδοι Ανάλυσης Για να υπολογίσουμε την εξέργεια ενός ορυκτού και άλλων στερεών υλικών, οι συνθέσεις πρέπει να είναι γνωστές. Αυτοί οι τύποι δεδομένων είναι συνήθως σπάνιοι αφού μεταλλιολογικές αναλύσεις εκτελούνται σπάνια σε συνολικά υλικά. Η προσέγγιση που επιλέγεται εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε πραγματικές περιγραφές ορυκτών βασισμένες σε πληροφορίες ειδικών μεταλλευμάτων και εκτιμήσεις βασισμένες σε γεωλογική γνώση. Ένα στερεό υλικό μπορεί είτε να θεωρηθεί σαν ένα στερεό διάλυμα ή σαν μίγμα ξεχωριστών κόκκων. Η χημική εξέργεια Ε ch ενός διαλύματος (βλέπε πίνακα 1) υπολογίζεται από την εξίσωση (4). Για ιδανικά υγρά και διαλύματα στερεών, η δραστηριότητα μπορεί να αντικατασταθεί για τα κλάσματα mole. Εάν το υλικό θεωρείται ότι αποτελείται από ξεχωριστούς κόκκους, ο δεύτερος όρος της εξίσωσης (4) μπορεί να παραλειφθεί πράγμα που οδηγεί στην εξίσωση (5). Εφόσον η εξέργεια είναι μια ιδιότητα και του συστήματος και του περιβάλλοντος, απαιτείται μια κατάσταση αναφοράς. Εδώ χρησιμοποιείται η κατάσταση αναφοράς που προτάθηκε από τον Szargut. H μερική μοριακή χημική εξέργεια e ch μπορεί να προσεγγιστεί από την στάνταρ μοριακή χημική εξέργεια e o ch. Τιμές για o o την e ch μπορούν να παρθούν από την εξίσωση (6). Δεδομένα για τον όρο f G i μπορούν να υπολογιστούν από τις εξισώσεις (7) και (8). 263

12 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Εξισώσεις που χρησιμοποιούνται όταν υπολογίζουμε εξέργειες στερεών υλικών. Σημείωση : n i = αριθμός των mole της ουσίας i,e ch,i =μερική μοριακή χημική εξέργεια της ουσίας i, R = σταθερά αερίων, α i = δραστηριότητα της ουσίας i,e o o ch = σταθερή μερική μοριακή εξέργεια, f G i = σταθερή ελεύθερη ενέργεια Gibbs σχηματισμού της ουσίας i,el = στοιχεία στην ουσία i, K r = σταθερά ισορροπίας, r = αντίδραση στην οποία παράγεται η ουσία i Ech ni ech, i RTo ni ln i Σ 7.29 Ech ni ech, i Σ 7.30 o o o e G n e Σ 7.31 ch, i f i el ch, el el o o o G G G G r i f i f otherproducts o r G i R T K r products f reactan ts o products Σ 7.32 ln Σ 7.33 Τα δεδομένα για διάφορα στερεά υλικά παρουσιάζονται παρακάτω όπου οι συγκεντρώσεις των συστατικών δίνονται σε % κ.β.. Η χημική σύνθεση των διαφόρων μεταλλευμάτων δίνεται στον πίνακα 2. Εξαιτίας της έλλειψης δεδομένων σε χημική εξέργεια, μερικά μεταλλεύματα έχουν αντικατασταθεί από χημικά όμοια μεταλλεύματα, που θεωρούνταν να έχουν όμοιες χημικές εξέργειες, όπως επισημαίνεται για κατάλληλες καταχωρήσεις. Πίνακας 7.4. Χημική εξέργεια μεταλλευμάτων Όνομα μεταλλεύματος Χημική σύσταση o e ch (kj / g) Ακαντίτης Ag 2 S 2,863 Αδουραλίνη KAlSi 3 O 8 0,359 Ανορτίτης CaAl 2 SiO 8 0,983 Αραγονίτης CaCO 3 0,01 Βαρίτης BaSO 4 0,015 Βωιμίτης AlOOH 1,607 Χαλκοπυρίτιο CuFeSO 4 11,19 Χρωμίτης FeCr 2 O 4 0,557 Κοβελίτης CuS 7,221 Διοψίδη CaMgSi 2 O 6 0,037 Δολομίτης CaMgCO 3 0,082 Φαγιαλίτης FeSiO 4 1,159 Φλουορίτης CaF 2 0,146 Φλουοροαπατίτης Ca 5 F(PO 4 ) 3 0,013 Φορστερίτης MgSiO 4 0,532 Θειούχος μόλυβδος PbS 3,11 Υδρογονούχο οξείδιο FeOOH 0,111 σιδήρου Χρυσός Au 0,

13 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Ιαματίτης Fe 2 O 3 0,103 Υδροξυαπατίτης Ca 5 OH(PO 4 ) 3 0,126 Χαμηλός αλμπίτης NaAlSi 3 O 8 0,402 Μαγνητίτης Fe 3 O 4 0,525 Μικροκλίνη KAlSi 3 O 8 0,361 Μιλερίτης NiS 8,404 Μόσχοβος KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 1,33 Φλογοπίτης KMg 3 AlSi 3 O 10 (OH) 2 0,418 Σιδηροπυρίτιο FeS 2 11,908 Πυρφοτίτης FeS 10,07 Χαλαζίας SiO 2 0,032 Διοξείδιο τιτανίου TiO 2 0,268 Σφαλερίτης ZnS 7,67 Τρεμολίτης Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 0,1 Βολαστονίτης CaSiO 3 0,203 Al(OH) 3 1,48 CdS 5,17 FeSiO 3 1,226 MnS 10,04 Αποτελέσματα υπολογισμών Οι χημικές εξέργειες των στερεών υλικών δίνονται στον πίνακα 3. Εφόσον, πολλά ορυκτά μπορούν να περιγραφούν είτε σαν στερεά διαλύματα ή σαν ξεχωριστοί κόκκοι, η χημική εξέργεια μπορεί να υπολογιστεί από τις εξισώσεις 7.32 και Στην πράξη, ωστόσο, παίρνονται παρόμοια αποτελέσματα. Για παράδειγμα, η χημική εξέργεια όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση 7.32 είναι 0,413ΜJ/Kg και 0,415ΜJ/Kg όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση Τα δεδομένα στον πίνακα 7.5 έχουν υπολογιστεί με την εξίσωση Ωστόσο είναι αναμενόμενο ότι δεν θα υπάρχουν μεγάλες διαφορές αν χρησιμοποιηθεί η εξίσωση Πίνακας 7.5. Χημικές εξέργειες στερεών υλικών Υλικό e ch (ΜJ / kg ορυκτού) Ορυκτό σιδήρου 0,42 Ορυκτό χαλκού, τύπου 1 0,63 Ορυκτό χαλκού, τύπος 2 7,9 Ορυκτό μολύβδου 0,56 Ορυκτό ψευδαργύρου 1,9 Ορυκτό νικελίου 8,8 Ορυκτό χρυσού 8,3 Ορυκτό αλουμινίου 1,1 Ορυκτό χρωμίου 0,51 265

14 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Ορυκτό πλατίνας 0,58 Ορυκτό φωσφόρου 0,28 Άσβεστος 0,034 Πέτρα 0,32 Άμμος 0,032 Επεξεργασία Τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.5 περιγράφουν την χημική εξέργεια ανά kg ενός ορυκτού. Πολλά από τα ορυκτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουμε διάφορα προϊόντα. Για να υπολογίσουμε την εξεργειακή κατανάλωση που συνδέεται με ένα από αυτά, η χημική εξέργεια του ορυκτού πρέπει να επιμερίζεται σε διάφορα προϊόντα που παράγονται από το ορυκτό. Ένας περιοριστικός παράγοντας για αυτόν τον επιμερισμό είναι να αποδώσουμε όλη την εξέργεια σε ένα από τα προϊόντα. Εάν αυτό γίνεται για τα μέταλλα και τα παραδείγματα φωσφόρου, τα αποτελέσματα που παίρνουμε φαίνονται στον πίνακα 7.6. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι αν χρησιμοποιηθούν άλλες αρχές επιμερισμού, τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.6 θα είναι χαμηλότερα. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι δεν έχουν θεωρηθεί απώλειες παραγωγής. Πίνακας 7.6. Χημική εξέργεια του ορυκτού που απαιτείται για να παράγουμε 1 kg προϊόντος, θεωρώντας ότι όλη η εξέργεια επιμερίζεται στο προϊόν και ότι δεν υπάρχουν απώλειες. Υλικό e ch (από ορυκτό) (MJ / kg προϊόντος) Σίδηρος 0,88 Χαλκός, απο το ορυκτό τύπου Χαλκός, από το ορυκτό τύπου Μόλυβδος 13 Ψευδάργυρος 19 Νικέλιο 350 Χρυσός Αλουμίνιο 4,1 Χρώμιο 1,2 Πλατίνα 5800 Φώσφορος 11 Τα δύο διαφορετικά ορυκτά χαλκού έχουν οριστεί με διαφορετικές χημικές εξέργειες (πίνακας 3). Ο τύπος με την μεγαλύτερη εξέργεια (τύπος 2) είναι μεγαλύτερος εξαιτίας του μεγαλύτερου ποσού των εξεργειακά-πλούσιων σουλφιδίων. Η διαφορά στην εξέργεια ανά kg του παραγόμενου μετάλλου (πίνακας 4) είναι μικρότερη για τα δύο ορυκτά. Η διαφορά θα ήταν ακόμη μικρότερη αν στον επιμερισμό είχε παρθεί υπόψη η χρήση του ορυκτού σε άλλα προϊόντα. Αυτό εξαιτίας του γεγονότος ότι το πλουσιότερο ορυκτό περιέχει μεγαλύτερα ποσά άλλων πολύτιμων μετάλλων. Οι χημικές εξέργειες των καυσίμων είναι κοντά στις ενέργειες. Τυπικές τιμές του λόγου της εξέργειας προς τις καθαρές θερμιδικές τιμές V I και των ολικών θερμιδικών τιμών V F φαίνονται στον πίνακα

15 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Πίνακας 7.7: Τυπικές τιμές του λόγου των χημικών εξεργειών προς τις καθαρές V I και τις συνολικές V F θερμιδικές τιμές Καύσιμο e / V I e / V F Ασφαλτώδες κάρβουνο 1,09 1,03 Λιγνίτης 1,17 1,04 Καύσιμο πετρέλαιο 1,07 0,99 Βενζίνη 1,07 0,99 Φυσικό αέριο 1,04 0,94 Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τις απαιτήσεις καυσίμων για την παραγωγή 1 kg διαφορετικών μετάλλων (πίνακας 6). Σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή Fe, Al και Cr, η εξέργεια του ορυκτού είναι αμελητέα. Ωστόσο, η εξέργεια είναι σημαντική σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για τα πιο σπάνια μέταλλα Cu, Ni, Pb και Zn. Πίνακας 7.8: Απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή διαφόρων μετάλλων από ορυκτό στο έδαφος Υλικό Απαίτηση καυσίμου (ΜJ / kg) Χάλυβας ~ Χαλκός ~ 100 Μόλυβδος ~ Ψευδάργυρος ~ Νικέλιο ~ Αλουμίνιο ~ 300 Ενισχυμένο τσιμέντο ~ 100 Εφαρμογή σε σχέση με την ΑΚΖ Όπως δείξαμε, οι χημικές εξέργειες των φυσικών πηγών μπορούν να υπολογιστούν για όρια συστημάτων συμβατά με την ΑΚΖ. Εφόσον η αντιπροσωπευτικότητα των ορυκτών που ορίστηκαν σε αυτή την έρευνα μπορεί να αμφισβητηθεί, έχουν βεβαιωθεί οι υπολογισμοί διαφόρων συνθέσεων ορυκτών. Τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν μπορούν ωστόσο να χρησιμοποιηθούν σε πιο προσεγγιστικούς υπολογισμούς όπως σε μια αρχική, διαχωριστική ή οργανωτική, ΑΚΖ όπου ο σκοπός είναι να αναγνωρίσουμε τις κρίσιμες περιοχές του κύκλου ζωής. Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν στον πίνακα 3 παρέχουν χαρακτηριστικούς σημαντικούς παράγοντες (Q ij ) για μη βιοτικές αποθηκεύσεις στην εξίσωση (2), όπου το Μ i είναι η επιμερισμένη εισροή του υλικού στο τεχνικό σύστημα, ενώ τα δεδομένα στον πίνακα 5 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουμε τις εξέργειες των καυσίμων. Η εξεργειακή κατανάλωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια χαρακτηριστική παράμετρος και στην περίπτωση της μη βιοτικής συσσώρευσης και στις πηγές ροής, και πιθανόν ακόμη και για να περιγράψουμε τον ανταγωνισμό των βιοτικών πηγών. Πρέπει, όμως,να γίνει αντιληπτό ότι η εξεργειακή κατανάλωση δεν περιγράφει όλες τις σχετικές πτυχές που σχετίζονται με την εξάλειψη πηγών και τον ανταγωνισμό. Για παράδειγμα, οι επιπτώσεις στην βιολογική ποικιλία από την χρήση των βιοτικών πηγών συσσώρευσης δεν περιγράφονται από την εξεργειακή κατανάλωση. Επιπλέον έρευνα που περιλαμβάνει μελέτες για άλλες πηγές, ανάλυση ευαισθησίας και δοκιμή σε όλη την ΑΚΖ είναι ωστόσο εγγυημένη. 267

16 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Η καταλληλότητα σε άλλες εφαρμογές Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τα δεδομένα για τα ακατέργαστα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε υπολογισμούς της αθροιστικής εξεργειακής κατανάλωσης. Για τα σπάνια μέταλλα Cu, Zn, Pb και Ni, η εξέργεια ορυκτού στον πίνακα 4 είναι σημαντικά υψηλότερη, σε μερικές περιπτώσεις δυο τάξεων μεγέθους, από την εξέργεια των ακατέργαστων υλικών που χρησιμοποιήθηκε από τον Szargut. Εφόσον η επιλογή του ορίου συστήματος μπορεί να έχει μια σημαντική επίδραση στα αποτελέσματα, είναι φανερά σημαντικό να περιγράψουμε τα χρησιμοποιούμενα όρια και να δικαιολογήσουμε την επιλογή σε σχέση με την εφαρμογή και τα εξαγόμενα συμπεράσματα. Εάν τα όρια συστήματος παρουσιάζουν τις εισροές σαν φυσικές πηγές που βρίσκονται στο περιβάλλον, οι υπολογισμοί της αθροιστικής κατανάλωσης εξέργειας θα ήταν όμοιοι με την ΑΚΖ. Η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση θα ήταν τότε σημαντικά μεγαλύτερη για πολλά μέταλλα, και οι εξεργειακές αποδόσεις αντίστοιχα χαμηλότερες. Προτείνετε ότι το όριο συστήματος που χρησιμοποιείται εδώ είναι κατάλληλο και για άλλες εφαρμογές, π.χ. όταν μελετάται η μετατροπή πηγής σε μια κοινωνία, η εξεργειακή απόδοση μιας διαδικασίας, ή η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση. Εάν συμβαίνει κάτι τέτοιο, τα δεδομένα που παρουσιάζονται στον πίνακα 3, είναι χρήσιμα ακόμη και για αυτές τις εφαρμογές. Αυτό θα δώσει σε μερικές περιπτώσεις νέα και διαφορετικά αποτελέσματα. Προκύπτει από τα παραπάνω ότι όλες οι μορφές πηγών ενέργειας αναπόφευκτα ανήκουν στην κοινή ενότητα της εξέργειας που είναι η έκφραση ταυτόχρονα και της δυνατότητας για παραγωγή έργου αλλά και της δομής της πληροφορίας στο σύστημα Παγκόσμιο εμπόριο και ροή εξέργειας Το διεθνές εμπόριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ροή πηγών μετρούμενες με την εξέργεια. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να δώσει κάποιο νέο φως στον τομέα αυτό παρέχοντας πληροφορίες συμπληρωματικές στο χρηματικό σύστημα που χρησιμοποιείται. Ένα ενδιαφέρον σημείο είναι ότι οι απαιτήσεις σε εξέργεια για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου προϊόντος διαφέρει από τόπο σε τόπο. Αυτός είναι ένας λόγος που υπάρχει το εμπόριο. Μια περαιτέρω ανάλυση αυτού μπορεί να διερευνήσει σε τι έκταση το εμπόριο προκαλείται από διαφορές στις φυσικές πηγές, στο περιβάλλον που υπάρχει σε κάθε τόπο και στη δομή των συστημάτων παραγωγής Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειας και της ενέργειας Όσοι ασχολούνται με τις διάφορες μορφές ενέργειας πρέπει να λαμβάνουν υπό όψιν ότι σε κάθε σύστημα υπάρχουν είτε ως τελικά, είτε ως ενδιάμεσα, ποικίλα προϊόντα και οι πολλές μεταβολές που πραγματοποιούνται μειώνουν τη συνολική διαθέσιμη εξέργεια. Μπορεί να ληφθεί για παράδειγμα η λειτουργία ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής (σχήμα 7.4). Το πάνω μέρος του σχήματος δείχνει ένα λέβητα όπου θερμαίνεται νερό μέχρις εξατμίσεως. Πηγή ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας μπορεί να είναι οποιοδήποτε καύσιμο (κάρβουνο, πετρέλαιο ή ακόμη και ουράνιο).ο ατμός που παράγεται περιστρέφει ένα στρόβιλο που θέτει σε κίνηση ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Όταν ο ατμός περνάει ανάμεσα από τον στρόβιλο μεταδίδει εξέργεια στη γεννήτρια. Μετά από εκεί, ψύχεται σε έναν συμπυκνωτή προς υγρό και επανοδηγείται στο λέβητα. Αυτή η ψύξη είναι απαραίτητη για να βελτιώσει τη μετάδοση ενέργειας στο στρόβιλο καθώς τότε έχουμε μέγιστη απολαβή έργου. Η χημική ενέργεια στο κάρβουνο και το πετρέλαιο, ή και το πυρηνικό καύσιμο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, όχι χωρίς απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναι μεγάλες: σε ένα σταθμό πετρελαίου τουλάχιστον 60% ενώ σε έναν πυρηνικό, φτάνει ακόμα και το 70%. Μετρώντας το σύστημα συνολικά, για την προετοιμασία της πρώτης ύλης για την ενέργεια, μέχρι και τη διαχείριση των απορριμμάτων της καύσης υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες απώλειες από την ωφέλιμη. Στο κάτω μέρος του διαγράμματος απεικονίζονται δύο ροές, τα διαγράμματα Sankey. Στο άνω εκ των δύο, το πλάτος της ροής είναι ανάλογο με το περιεχόμενο σε ενέργεια για την εκάστοτε μορφή ενέργειας, ενώ στο κάτω το πλάτος είναι ανάλογο του περιεχομένου σε εξέργεια. Παρατηρείται ότι τα πλάτη είναι σχεδόν ίσα. Αυτό οφείλεται στο ότι τόσο οι εισροές όσο και οι εκροές είναι ενέργειες υψηλής μορφής. Στην ηλεκτρική ενέργεια το περιεχόμενο εξέργειας είναι εξίσου μεγάλο με το περιεχόμενο σε ενέργεια. Οι απώλειες εντούτοις είναι διαφορετικές. Υπάρχουν απώλειες στην καύση. Η χημική ενέργεια του καυσίμου 268

17 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος μετατρέπεται σε θερμότητα μέσω εναλλακτών ενέργειας η θερμότητα προσδίδεται στο βραστό νερό. Η πίεση είναι υψηλή οπότε ο βρασμός πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες (μεγαλύτερες από 300 C). Η θερμότητα επίσης οδηγείται μέσω των αγωγών μεταφοράς και των τοιχωμάτων στο περιβάλλον, όπου χάνεται. Επίσης ενέργεια χάνεται λόγω της υψηλής ενθαλπίας των καυσαερίων. Αυτές οι απώλειες είναι ένα μικρό ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας. Εντούτοις στο σχήμα φαίνεται ότι η πιο δραστική απώλεια εξέργειας είναι οι απώλειες αυτές. Έτσι στο σημείο αυτό χάνεται περισσότερο από το 1/3 της διαθέσιμης εξέργειας. Επιπλέον χάνεται στην ίδια τη διαδικασία. Ένα μικρό μόνο μέρος αυτής φεύγει στο περιβάλλον. Έτσι η ροή εξέργειας γίνεται στενότερη και παράγεται μεγάλη ποσότητα εντροπίας. Αυτό οφείλεται στο ότι ο ατμός που φεύγει από το λέβητα έχει χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση από αυτές που θα έπρεπε. Ο λόγος αυτού είναι οι φυσικοί περιορισμοί όλων των υλικών που συμμετέχουν στις διεργασίες, κυρίως στο λέβητα. Σε έναν πυρηνικό σταθμό περισσότερη από τη μισή εξέργεια χάνεται σε αυτό το σημείο της διεργασίας. Το πλάτος των ροών της θερμικής ενέργειας και της εξέργειας του θερμού ατμού δείχνουν τη μεγαλύτερη διαφορά ανάμεσα στη ροή της ενέργειας και της εξέργειας. Αυτό είναι επίσης μια τελείως διαφορετική θεώρηση του πώς συμβαίνουν οι απώλειες στις διάφορες διεργασίες. Σε ένα διάγραμμα ροών ενέργειας οι απώλειες είναι μεγαλύτερες στο συμπυκνωτή. Όμως η απώλεια συμβαίνει από ένα μέσο το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασία και έτσι οι απώλειες σε εξέργεια είναι μικρές. Αυτό φαίνεται στο διάγραμμα των απωλειών της εξέργειας. Κατά την αλλαγή από μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική - που και οι δυο έχουν εξεργειακό περιεχόμενο 100% - δημιουργούνται μικρές απώλειες εξαιτίας της τριβής. Τέτοιες απώλειες είναι εξίσου μικρές και στα δυο διαγράμματα. Μέρος των απωλειών οφείλεται και στην κόπωση των υλικών και κυρίως της φτερωτής και του άξονα μετάδοσης της κίνησης. Σχήμα 7. 4: Ροές εξέργειας και ενέργειας σε σταθμό ηλεκτροπαραγωγής. 269

18 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Η εξέργεια και άλλες μετρήσεις Οι φυσικές πηγές χωρίζονται στις ενεργειακές πηγές και στις υπόλοιπες πηγές. Το εξεργειακό περιεχόμενο των ενεργειακών πηγών καθορίζεται πολλαπλασιάζοντας το ενεργειακό περιεχόμενο με το δείκτη ποιότητας της πηγής. Οι ενεργειακές πηγές μετριούνται με μονάδες ενέργειας που μπορεί να είναι όμοιες με αυτές της εξέργειας. Για παράδειγμα, στην ξυλεία χρησιμοποιούνται τα m 3 ξύλου ενώ στην κτηνοτροφία, αριθμός ζώων. Η επιλογή γίνεται καθαρά με πρακτικά κριτήρια. Σε στατιστικές μελέτες δεν υπάρχει κοινό μέτρο σύγκρισης μεταξύ ανόμοιων μεγεθών. Έτσι αυτές δεν μπορούν να συνοψιστούν σε ένα συνολικό διάγραμμα ροής. Το μόνο κοινό στοιχείο σε τέτοιες μετρήσεις είναι η νομισματική μονάδα κάθε χώρας. Το μειονέκτημα τέτοιων μέτρων είναι ότι κάθε μέγεθος μετριέται με κόστη παραγωγής, ζήτησης, ή προσφοράς. Η οικονομική αξία μπορεί επίσης να επηρεαστεί από επιδοτήσεις, φόρους ή δάνεια, Αυτά συνεπάγονται μεγάλη μεταβλητότητα μεγεθών από διάφορους παράγοντες, ακόμη και αν αυτά ουσιαστικά παραμένουν αμετάβλητα. Για να αποφευχθεί αυτός ο κίνδυνος, χρειάζεται εκτίμηση του κάθε μεγέθους από τις φυσικές του ιδιότητες. Είναι φυσιολογικό να επιλεχθεί η εξέργεια για να γίνει οποιαδήποτε μέτρηση ενός μεγέθους, καθώς αυτή είναι η εκτίμηση της φυσικής αξίας του, συναρτήσει με το περιβάλλον του. Όμοια με πριν, η εξέργεια υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την ποσότητα του μεγέθους με το δείκτη ποιότητας του, που καθορίζεται τόσο από το ίδιο το μέγεθος, όσο και από το περιβάλλον του. Μπορούν με αυτόν τον υπολογισμό να προκύψουν διάφορα μεγέθη με μονάδες για παράδειγμα kwh ανά τόνο ή kw/m 2. Έτσι, η αλλαγή προς την ποσοτικοποίηση των ροών των υλικών από την εξέργεια σημαίνει μόνο τον καθορισμό του βαθμού μετατροπής κάθε υλικού. Το επιπλέον πλεονέκτημα που αυτόματα προκύπτει από όλη τη διαδικασία είναι ότι οι μονάδες στις μετρήσεις των μεγεθών θα είναι ίδιες, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση τους. Αυτό συμβαίνει ακόμη και όταν τα μεγέθη αυτά δεν είναι ομοειδή. Για παράδειγμα, η διαφοροποίηση μεταξύ ξύλου και πετρελαίου δεν μπορεί να είναι ιδιαίτερα καθαρή, καθώς και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για κάποιο άλλο προϊόν αλλά και ως καύσιμα. Επομένως, θα έπρεπε να μελετηθούν μαζί και η εξέργεια θα ήταν το πιο χρήσιμο εργαλείο για κάτι τέτοιο. Η έννοια της εξέργειας μπορεί να απεικονίσει μόνο τη φυσική ποιότητα ενός αντικειμένου. Οι ιδιότητες που ενδιαφέρουν στην εξέργεια είναι η συγκέντρωση, η χημική σύσταση και η ποσότητα. Πάντως δεν υπάρχει καμία αναφορά στις φυσικές ή στις βιολογικές ιδιότητες του αντικειμένου, π.χ. η αγωγιμότητα του, η διατροφική του αξία, η τοξικότητα, κ.ά. Κι αυτό γιατί όλα τα συστήματα θεωρούνται γενικά, φορείς εξέργειας. Η εξέργεια υπάρχει εν μέρει ως ροή και εν μέρει ως απόθεμα. Η ηλιακή ακτινοβολία μεταφράζεται ουσιαστικά ως μια ροή. Το ίδιο συμβαίνει και με το νερό ενός ποταμού. Η ροή είναι πάντα περιορισμένη ως ποσότητα αλλά συμβαίνει συνεχώς. Ένα οικοσύστημα, όπως για παράδειγμα ένα δάσος, είναι ένα πολύτιμο απόθεμα. Δημιουργείται από ροές ηλιακής ακτινοβολίας, νερού και διοξειδίου του άνθρακα. Στα αποθέματα γίνεται διάκριση ανάμεσα στα νεκρά και τα ζωντανά Τα πρώτα αδειάζουν καθώς χρησιμοποιούνται, π.χ. ένα κοίτασμα πετρελαίου, ενώ τα δεύτερα, χωρίς να χρησιμοποιούνται, μετατρέπουν μια ροή από τη μια μορφή σε μια άλλη, με επιθυμητό τρόπο. Για παράδειγμα, για κάποια φυλή που καλλιεργεί για να ζήσει, το δάσος είναι ένα σύστημα το οποίο μετατρέπει ροές ηλιακής ακτινοβολίας σε ροές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φαγώσιμα από αυτήν. Ακόμη και η ίδια η γη αποτελεί σύστημα μετατροπής διαφόρων πηγών ενέργειας σε άλλες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τον άνθρωπο πιο αποδοτικά. Τα νεκρά αποθέματα, όπως είναι το κάρβουνο και το πετρέλαιο ανανεώνονται με τέτοιους ρυθμούς που ουσιαστικά είναι άνευ σημασίας. Τα ορυκτά δημιουργούνται οπό γεωλογικές διεργασίες, επίσης αμελητέας ταχύτητας. Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μόνο μια πολύ μικρή πηγή εξέργειας από τον ήλιο, για θέρμανση. Έτσι στην κοινωνία υπάρχει συνολικά μια συνεχής απώλεια εξέργειας. Επιπλέον άλλες ροές συνεχώς μειώνουν το εξεργειακό τους περιεχόμενο Η εξεργειακή ανάλυση Το εξεργειακό περιεχόμενο ενός προϊόντος δεν ανταποκρίνεται στην εξέργεια που καταναλώθηκε για την παραγωγή του. Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες οι ποσότητες εξέργειας που προσδίδονται κατά τη διεργασία. Ο υπολογισμός αυτός ονομάζεται ενεργειακή ανάλυση και ως μέτρο χρησιμοποιείται η ελεύθερη ενέργεια Gibbs. 270

19 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος Η εξεργειακή ανάλυση έχει κατακριθεί από πολλές μεριές. Συνήθως μετριέται μόνο ένα μέγεθος, η πηγή ενέργειας χωρίς να λαμβάνονται υπόψη και οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που συμμετέχουν στη διεργασία. Αυτό οφείλεται στα περιορισμένα όρια της έννοιας της ενέργειας. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας την έννοια της εξέργειας, μερικώς ξεπερνιούνται αυτοί οι περιορισμοί. Εντούτοις, κάποιοι γενικοί κανόνες πρέπει να εισαχθούν. Αυτός ο τρόπος υπολογισμού ονομάζεται εξεργειακή ανάλυση. Όταν εφαρμόζεται η εξεργειακή ανάλυση σε μια διαδικασία παραγωγής, δεν πρέπει αυτή να περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος της διαδικασίας, αλλά η συνολική διαδικασία να λαμβάνεται και να αναλύεται ως ένα σύνολο. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και στη μελέτη κοινωνικών φαινομένων και μεγεθών, όπως είναι οι μεταφορές. Για να γίνει μια εξεργειακή ανάλυση πρέπει πρώτα να διασφαλιστούν κλειστά υλικά και ενεργειακές ισορροπίες. Ασφαλώς κλειστή μαζική ισορροπία περιλαμβάνει κλειστή ατομική ισορροπία σε περίπτωση μη πυρηνικών αντιδράσεων. Στην ακόλουθη μελέτη ξεχωρίζουμε τρεις τρόπους μεταφοράς εξέργειας : μεταφορά εξέργειας με έργο και με θερμική αλληλεπίδραση και εξέργεια που συνδέεται με ροή μάζας. Άλλα στοιχεία εξεργειακής μεταφοράς είτε αγνοούνται, όπως δυναμική και κινητική εξέργεια, είτε αποκλείονται, όπως πυρηνικές επιδράσεις. Στην ενεργειακή ανάλυση, που βασίζεται στον 1 ο θερμοδυναμικό νόμο, όλες οι μορφές ενέργειας θεωρούνται να είναι ισοδύναμες. Η απώλεια της ποιότητας της ενέργειας δεν παίρνεται υπόψη. Για παράδειγμα, η αλλαγή της ποιότητας της θερμικής ενέργειας καθώς μεταφέρεται από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη θερμοκρασία δεν μπορεί να εξηγηθεί στην ενεργειακή ανάλυση. Δείχνει την ροή ενέργειας να είναι συνεχόμενη. Μια εξεργειακή ανάλυση, που βασίζεται στον 2 ο θερμδυναμικό νόμο, δείχνει την θερμοδυναμική ατέλεια μιας διαδικασίας, περιλαμβάνοντας όλες τις ποιοτικές απώλειες των υλικών και της ενέργειας, περιλαμβάνοντας και αυτή που μόλις αναφέρθηκε. Μια ενεργειακή ισορροπία είναι πάντα κλειστή όπως αναφέρει ο 1 ος θερμοδυναμικός νόμος. Εκεί δεν μπορεί να υπάρξει ποτέ ενεργειακή απώλεια, μόνο ενεργειακή μεταφορά στο περιβάλλον στην οποία κατάσταση είναι άχρηστη. Για να εντοπίσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε τις αντιστρεπτότητες πρέπει να εκτελεστεί μια εξεργειακή ανάλυση. Η βασική εξεργειακή εξίσωση για ένα kg ουσίας σε ανοιχτά συστήματα, αγνοώντας όρους κινητικής και δυναμικής εξέργειας είναι E ( HH ) T ( S S ) (Σ 7.34) x o o o Συχνά γίνεται μια υποδιαίρεση σε φυσική, χημική και εξέργεια ανάμιξης. Στον υπολογισμό της εξεργειακής ροής, οι όροι της εξέργειας πολλαπλασιάζονται με την ροή. xtot xchem xphys mix x E F[ E E E ] (Σ 7.35) Για να υπολογιστεί η εξέργεια, κάθε όρος της πρέπει να υπολογιστεί ξεχωριστά. α. Χημική εξέργεια Η χημική εξέργεια E xchem σε πίεση Ρ ο μπορεί να υπολογιστεί φέρνοντας το καθαρό συστατικό σε χημική ισορροπία με το περιβάλλον. Για καθαρά συστατικά αναφοράς, που υπάρχουν επίσης στο περιβάλλον, η χημική εξέργεια αποτελείται από την εξέργεια που μπορεί να αποκτηθεί με διάχυση των συστατικών στην συγκέντρωση αναφοράς Ρ ref.όταν θεωρούμε τον νόμο ιδανικών αερίων ισχύει η ακόλουθη εξίσωση E 0 xchemref i Po RT o ln (Σ 7.36) P ref i Όταν μια ουσία δεν υπάρχει στο περιβάλλον αναφοράς, πρέπει πρώτα να αντιδράσει στις ουσίες αναφοράς έτσι ώστε να πάει σε ισορροπία με το περιβάλλον. Η εξέργεια αντίδρασης στις συνθήκες αναφοράς ισούται με την σταθερή ενέργεια αλλαγής του Gibbs G H T S 271 r r o r

20 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος n 0 0 E v E G (Σ 7.37) xchemref i j xchemref j j1 Έτσι ο συνολικός όρος της χημικής εξέργειας γίνεται n r i 0 0 E v E G (Σ 7.38) xchemref i j xchemref j j1 Εφόσον η τιμή της εξέργειας είναι ανεξάρτητη από τις συνθήκες της διαδικασίας, η τιμή της χημικής εξέργειας μπορεί να αποθηκευτεί σε μια βάση δεδομένων, που συνδέεται με τον εξομοιωτή ροής. β. Φυσική εξέργεια Εφόσον ο υπολογισμός της φυσικής εξέργειας συμπληρώνεται από την εξέργεια ανάμιξης, οι υπολογισμοί της τροχιάς από Ρ, Τ σε Ρ ο, Τ ο υπολογίζουν μόνο τις ενθαλπίες και εντροπίες των καθαρών συστατικών της ροής υλικού. Εφόσον μπορεί να συμβούν αλλαγές στην σύνθεση σε αστραπιαίους υπολογισμούς, πρέπει να γίνουν ξεχωριστοί υπολογισμοί για την φάση εξάτμισης και την φάση υγροποίησης. Για ένα kg ουσίας, η εξίσωση για το εξεργειακό περιεχόμενο δίνει r i n n L L V V Ex actual o L xi Hi To xisi V xihi To xis phys ( [ ] [ i ]) i1 i1 i1 i1 n n (Σ 7.39) γ. Εξέργεια ανάμιξης Η εξέργεια ανάμιξης αντιπροσωπεύει την εξέργεια που χάνεται όταν καθαρές ουσίες αναμιγνύονται. Έτσι η εξέργεια ανάμιξης, που συχνά ενσωματώνεται στην χημική εξέργεια, έχει πάντα μια αρνητική τιμή. Η εξέργεια ανάμιξης μπορεί να υπολογιστεί με την χρησιμοποίηση αλγορίθμων για την ενθαλπία και την εντροπία της ανάμιξης, που είναι ευρέως διαθέσιμα σε χαρτιά εξομοίωσης ροής. E x mixh T o mixs (Σ 7.40) mix Για ιδανικά αέρια (με την ενθαλπία ανάμιξης ίση με μηδέν) για παράδειγμα, η εξέργεια ανάμιξης είναι E R T x ln x mix x o i i i1 n (Σ 7.41) Η έννοια της αποδοτικότητας Αντίστοιχα με τις έννοιες της ενέργειας και της εξέργειας μπορούμε να ορίσουμε δύο έννοιες της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. i. Η ενέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή ενέργειας. Ονομάζεται ενεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με n εν. ii. Η εξέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή εξέργειας. Ονομάζεται εξεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με n εξ. Σε μετατροπές ενέργειας ανάμεσα σε διάφορες μορφές υπάρχουν πάντα απώλειες. Επειδή το φυσικό περιβάλλον των μετατροπών αυτών συχνά παραμελείται, ο ενεργειακός βαθμός απόδοσης μπορεί να είναι και μεγαλύτερος της μονάδας, (n εv > 1). Παράδειγμα μιας τέτοιας μετατροπής είναι η αντλία θερμότητας 272