Προγραμματισμός νάνο-ρομπότ

Transcript

1 Προγραμματισμός νάνο-ρομπότ Βαγγέλης Μισιρλής Εκπαιδευτήρια «Ο Απόστολος Παύλος» Επιβλέπων Καθηγητής: Λάζαρος Τζήμκας Καθηγητής Πληροφορικής, Εκπαιδευτήρια «Ο Απόστολος Παύλος» ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται σε Σταθμούς Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας και απαιτούνται είτε καύσιμα, είτε ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι σταθμοί παραγωγής που χρησιμοποιούν καύσιμα, εκπέμπουν στο περιβάλλον ρύπους που ποικίλλουν σε είδος και ποσότητα ανάλογα με το καύσιμο. Η κυριότερη εκπομπή ρύπων είναι το CO 2 το οποίο ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και οι εκπομπές του οφείλουν να περιοριστούν σε κάθε χώρα σύμφωνα με το πρωτόκολλο του Κιότο. Μάλιστα ορίστηκε για κάθε χώρα ένα όριο εκπομπής ρύπων το οποίο αν ξεπεραστεί θα εφαρμόζεται χρέωση για το υπερβάλλον CO 2 που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα. Για τον περιορισμό των ρύπων υπάρχουν νάνο-ρομπότ τα οποία έχουν αυξημένο κόστος κτήσης, αλλά έχουν την ικανότητα να διασπούν κάποιες κατηγορίες ρύπων παράγοντας ενέργεια και επίσης να μετατρέπουν κάποιες άλλες κατηγορίες ρύπων σε ενέργεια φιλική στο περιβάλλον. Μπορεί όμως τελικά η χρήση των νάνο-ρομπότ να είναι συμφέρουσα και από οικονομικής απόψεως ή αξίζει η αγορά τους μόνο για τα περιβαλλοντικά τους οφέλη; Για να απαντηθεί το ερώτημα κατασκευάστηκε αλγόριθμος ο οποίος δέχεται σαν δεδομένα τον αριθμό και τα είδη των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και υπολογίζει το σύνολο των ρύπων που εκλύονται στην ατμόσφαιρα, πόσα ρομπότ απαιτούνται για την διάσπαση των ρύπων, το περιβαλλοντικό όφελος, το οικονομικό όφελος ή ζημία που και την εξοικονόμηση της ενέργειας προκύπτει από την χρήση των νάνο-ρομπότ. Οι παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη: είναι το κόστος των νάνο-ρομπότ, οι επιδόσεις τους, το πλήθος και τα είδη των σταθμών παραγωγής που λειτουργούν στην χώρα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν δείχνουν ότι μπορεί να υπάρχει πέραν του περιβαλλοντικού οφέλους και οικονομικό κέρδος το οποίο αυξάνει, με την αύξηση των επιδόσεων των νάνο-ρομπότ και μειώνεται με την αύξηση του κόστους τους. Επίσης το οικονομικό κέρδος από την χρήση των νάνο-ρομπότ είναι αντιστρόφως ανάλογο με το ποσό της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, διότι οι τελευταίες δεν εκπέμπουν ρύπους στο περιβάλλον. ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: αλγόριθμος, νάνο-ρομπότ, σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ρύποι, κόστος. 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παραγωγή ενέργειας αποτελεί έναν από τους σπουδαιότερους συντελεστές προόδου και ευημερίας. Η πρόοδος της επιστήμης και η τεχνολογική ανάπτυξη έδωσε ώθηση στην παραγωγή νέων προϊόντων και υπηρεσιών τα οποία προϋποθέτουν την κατανάλωση ενέργειας. Η δημιουργία νέων και συνεχώς βελτιούμενων τεχνικών παραγωγής απαιτεί την εξασφάλιση συνεχούς παροχής ενέργειας. Η κυριότερη μορφή ενέργειας που έχει κυριαρχήσει μετά την βιομηχανική επανάσταση και έχει οδηγήσει στην αλλαγή του τρόπου ζωής της ανθρωπότητας είναι η ηλεκτρική. Η ηλεκτρική ενεργεία είναι πολύ σημαντική για κάθε κοινωνία, καθώς ο ηλεκτρισμός έχει βελτιώσει κατά πολύ το βιοτικό επίπεδο κάθε ανθρώπου, αλλά έχει συμβάλει και στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Από την άλλη, ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής της, συμβάλλει στην φθορά του περιβάλλοντος λόγω των ρύπων που προέρχονται από τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από σταθμούς παραγωγής ενέργειας που διακρίνονται σε κατηγορίες, ανάλογα με το είδος της πρωτογενούς ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική, το είδος του καυσίμου και την τεχνολογία. Οι Σταθμοί Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΠΗΕ), διακρίνονται σε: Ατμοηλεκτρικοί Σταθμοί Παραγωγής (πχ. λιγνίτης, λιθάνθρακας) Θερμικοί σταθμοί Παραγωγής με αεριοστρόβιλους (πχ. πετρέλαιο, φυσικό αέριο) Θερμικοί σταθμοί Παραγωγής με μηχανές εσωτερικής καύσης (πχ. πετρέλαιο, φυσικό αέριο) Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί Παραγωγής Ηλιακά Πάρκα (Φωτοβολταϊκά) Αιολικά Πάρκα Πυρηνικοί Σταθμοί Παραγωγής Η ηλεκτρική ισχύς για την τροφοδότηση των διασυνδεμένων δικτύων παράγεται στην Ελλάδα, με ελάχιστες εξαιρέσεις, στους Ατμοηλεκτρικούς-Θερμικούς και στους Υδροηλεκτρικούς Σταθμούς Παραγωγής. Στους θερμικούς σταθμούς η θερμότητα μετατρέπεται σε μηχανική και ακολούθως σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί μετατρέπουν την ενέργεια του νερού σε μηχανική και ακολούθως σε ηλεκτρική ενέργεια. [Μπακιρτζής 1998, Ντοκόπουλος 1986, Χατζηαθανασίου 2004]. Οι θερμικοί σταθμοί διακρίνονται ανάλογα με τα καύσιμα που χρησιμοποιούν σε συμβατικούς και πυρηνικούς. Τα συμβατικά καύσιμα που χρησιμοποιούνται κυρίως είναι τα εξής: λιθάνθρακας, λιγνίτης, τύρφη, πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Ανάλογα με το μέσο που χρησιμοποιούν για την μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, χωρίζονται σε ατμοηλεκτρικούς, αεριοστροβιλικούς και ντηζελοηλεκτρικούς (εμβολοφόρες μηχανές εσωτερικής καύσης). Ένας ΑτμοΗλεκτρικός Σταθμός παραγωγής (ΑΗΣ) αποτελείται από μια ή περισσότερες μονάδες που εργάζονται παράλληλα. Κάθε μονάδα έχει συνήθως το δικό της λέβητα, στρόβιλο, γεννήτρια, πύργο ψύξης, καμινάδα και όλο το ηλεκτρικό σύστημα μέχρι το δίκτυο. Μόνο οι εγκαταστάσεις μεταφοράς καυσίμου είναι κοινές και μερικές φορές η καμινάδα. Τα κυριότερο καύσιμο με το οποίο τροφοδοτούνται οι ΑΗΣ στην χώρα μας είναι ο λιγνίτης, ο λιθάνθρακας και η τύρφη. 2

3 Ένας αεριοστροβιλικός σταθμός αποτελείται από μια ή περισσότερες μονάδες. Κάθε αεριοστροβιλική μονάδα αποτελείται από τέσσερα μέρη: Το συμπιεστή, το θάλαμο καύσης, τον αεριοστρόβιλο και τη γεννήτρια. Ο ατμοσφαιρικός αέρας, αφού συμπιέσει στα 10bar περίπου, οδηγείται στο θάλαμο καύσης όπου ψεκάζεται με πετρέλαιο ή φυσικό αέριο. Τα καυσαέρια οδηγούνται στον αεριοστρόβιλο και εκτονώνονται και μετατρέπονται κατά την εκτόνωση τους σε μηχανική ενέργεια. Το κύριο καύσιμο τροφοδοσίας των Αεριοστροβιλικών και Θερμικών Σταθμών Παραγωγής είναι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Το μεγαλύτερο ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στην χώρα μας είναι από ατμοηλεκτρικούς σταθμούς. Δηλαδή σταθμούς που καταναλώνουν διάφορα είδη καυσίμου (λιγνίτη, λιθάνθρακα, πετρελαίου) για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Κατά την καύση τους απελευθερώνουν σκόνη, διοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του αζώτου, θειου και θερμότητα, ρύπους που καταστρέφουν το περιβάλλον. Καθώς η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να παράγεται συνεχώς δεν έχουμε άλλη επιλογή από το να βρούμε ένα τρόπο να ελαχιστοποιήσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο τους ρύπους που θα απελευθερώνονται από αυτούς τούς σταθμούς στο περιβάλλον. Εκτός από τους σταθμούς παραγωγής με την χρήση καυσίμου, υπάρχουν και οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας με ανανεώσιμες μορφές ενεργείας (π.χ. ήλιος, άνεμος, νερό κτλ). Αυτές οι μορφές ενεργείας έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν ρυπαίνουν καθόλου το περιβάλλον, αλλά η ενέργεια που παράγεται είναι πολύ λιγότερη σε σχέση με τους θερμικούς σταθμούς. Στην παρούσα εργασία κατασκευάστηκε ένα πρόγραμμα όπου εισάγοντας τον αριθμό και την παραγόμενη ενέργεια από κάθε Σταθμό Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας, μίας χώρας ή μίας εταιρείας, υπολογίζονται τα συνολικά καύσιμα (είδη και ποσότητα) που απαιτούνται για να παραχθεί η απαιτούμενη ενέργεια, αλλά και τα είδη και τις ποσότητες των ρύπων που εξάγονται στην ατμόσφαιρα. Στο δεύτερο μέρος του προγράμματος, με βάση τα δεδομένα που έχουν εισαχθεί για την λειτουργία των νάνορομπότ (ρομπότ ειδικά σχεδιασμένα που έχουν την δυνατότητα να διασπούν μέρος των ρύπων που παράγονται από τους ΣΠΗΕ και να τους μετατρέπουν σε ενέργεια ή σε ρύπους φιλικούς προς το περιβάλλον), υπολογίζονται ο αριθμό τους, το κόστος τους, τα είδη και τις ποσότητες των ρύπων που έχουν διασπάσει και εμφανίζεται το συνολικό οικονομικό κέρδος ή ζημία που παράγεται από την χρήση τους καθώς και το συνολικό όφελος για το περιβάλλον λόγω της μείωσης της ποσότητας των ρύπων που εξάγονται στην ατμόσφαιρα. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Για την υλοποίηση του αλγορίθμου υπολογισμού των οφελών που προκύπτουν από την χρήση των νάνο-ρομπότ, πρωταρχική ανάγκη ήταν η κατανόηση της διαδικασίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπως αυτή αναλύθηκε παραπάνω στην εισαγωγή. Με βάση τα προαναφερθέντα η ενέργεια που απαιτείται για κατανάλωση παράγεται από σταθμούς που καταναλώνουν κάποιο καύσιμο και κατά συνέπεια παράγουν και ρύπους που μολύνουν την ατμόσφαιρα, αλλά και από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπου δεν υπάρχει παραγωγή βλαβερών προς το περιβάλλον ουσιών. Στην συνέχεια συγκεντρώθηκαν τα βιβλιογραφικά στοιχεία για τους ΣΠΗΕ και έγιναν κάποιες απλοποιήσεις για να μπορέσει να γίνει ένα γενικευμένο μοντέλο που να 3

4 μπορεί όμως να εφαρμοστεί στις περισσότερες περιπτώσεις. Οι απλοποιήσεις που εφαρμόστηκαν για την παραγωγή του αλγορίθμου είναι οι εξής: Οι ΣΠΗΕ που χρησιμοποιούν καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας όπως αναλύθηκε είναι συμβατικοί ή πυρηνικοί. Επειδή όμως στο Ελληνικό Σύστημα Παραγωγής Ενέργειας δεν υπάρχουν πυρηνικά εργοστάσια, δεν λήφθηκαν υπόψη και στην παραγωγή του αλγορίθμου. Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται από τους ΣΠΗΕ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ποικίλα: οπτάνθρακας, λιθάνθρακας, μπριγκέτες λιγνίτη, μαύρος λιγνίτης, λιγνίτης, ασφαλτούχος σχιστόλιθος, τύρφη, μπριγκέτες τύρφης, βαρύ μαζούτ, ελαφρύ μαζούτ, βενζίνη, παραφίνη, υγραέριο, φυσικό αέριο, υγροποιημένο φυσικό αέριο, ξύλο, συσφαιρώματα/μπριγκέτες ξύλου κτλ. Από όλα τα καύσιμα ενσωματώθηκαν στον αλγόριθμο αυτά με το μεγαλύτερο ποσοστό χρήσης σε ΣΠΗΕ στην Ελλάδα δηλαδή: o ΣΠΗΕ που καίνε λιγνίτη o ΣΠΗΕ που καίνε λιθάνθρακα o ΣΠΗΕ που καίνε Πετρέλαιο o ΣΠΗΕ που καίνε Φυσικό Αέριο o ΣΠΗΕ με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Οι κυριότεροι ρύποι που εκπέμπονται από τους ΣΠΗΕ που χρησιμοποιούν τα ανωτέρω καύσιμα είναι: o το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), o τα αιωρούμενα σωματίδια, o το διοξείδιο του θείου (SO 2 ), o τα οξείδια του αζώτου (NOx) και είναι και αυτοί που θα υπολογιστούν από τον αλγόριθμο. Σύμφωνα με το πρωτόκολλο του Κιότο κάθε χώρα υποχρεούται να περιορίσει τις εκπομπές του CO 2 που παράγει συνολικά. Για την Ελλάδα η τιμή βάσης είναι 110 Mtn CO 2 και κάθε υπερβάλλων τόνος από CO 2 θα χρεώνεται με 100 ευρώ [Κακαράς κ.α. 2005]. Θεωρήσαμε για τον υπολογισμό του κόστους ότι το όριο έχει ξεπεραστεί από την Ελλάδα (το οποίο συμβαίνει και στην πράξη γιατί ο ρυθμός αύξησης του CO 2 που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα, δεν έχει μειωθεί λόγω της μη-αύξησης του ποσοστού της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Συνεπώς για κάθε τόνο CO 2 ο οποίος με την βοήθεια των νάνο-ρομπότ δεν θα εκλύεται στην ατμόσφαιρα, θα υπάρχει κέρδος 100 ευρώ. Τα νάνο-ρομπότ μπορούν: o κάποιους ρύπους να τους διασπάσουν και να παράγουν ενέργεια για να κινηθούν ή την ενέργεια αυτή να την αποδώσουν πίσω στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και o άλλους ρύπους να τους μετατρέψουν σε απόβλητα φιλικά προς το περιβάλλον με κατανάλωση ενέργειας. Θεωρήθηκε ότι το CO 2 και τα NOx διασπώνται και παράγεται ενέργεια ενώ το SO 2 και τα σωματίδια απλά μετατρέπονται σε 4

5 οικολογικά απόβλητα με κατανάλωση ενέργειας από τα νάνο-ρομπότ. (Πίνακας 4) Στο πρώτο βήμα αυτής της εργασίας έπρεπε να υπολογιστούν για όλους τους ΣΠΗΕ η συνολική ετήσια ενέργεια που παράγεται, η συνολική ποσότητα ρύπων για κάθε είδος που εκλύεται στην ατμόσφαιρα και η συνολική ποσότητα ανά καύσιμο που απαιτείται για να παραχθεί η ενέργεια αυτή. Γι αυτό βρέθηκε πόση ενέργεια παράγει το ένα κιλό-λίτρο-m 3 ενός καυσίμου π.χ. (λιγνίτης -πετρέλαιο-φυσικό αέριο) και πόσους ρύπους αποδεσμεύει κατά την καύση του [Χατζηαθανασίου 2004, Φραγκογιαννόπουλος 2008, Διαμαντός κ.α. 2009]. Αυτό έγινε για όλα τα καύσιμα τα οποία αναφέρθηκαν παραπάνω ότι θα χρησιμοποιηθούν από το πρόγραμμα (Πίνακας 1). Πίνακας 1: Ενέργεια που παράγεται ανά είδος καυσίμου Είδος καυσίμου Βάρος Ενέργεια (kwh) Λιγνίτης 1 kg 1,6 Λιθάνθρακας 1 kg 6,8 Πετρέλαιο 1 lt 11,9 Φυσικό αέριο 1 m 3 11,8 Με αυτές τις πληροφορίες, ο αλγόριθμος προχωρά στο επόμενο βήμα το οποίο είναι να βρεθεί η ποσότητα και το είδος των ρύπων που εξάγονται κατά την καύση μίας ποσότητας από τα παραπάνω καύσιμα. Τα δεδομένα αυτά [Χατζηαθανασίου 2004, Μαμάσσης 2011] συγκεντρώθηκαν στον Πίνακα 2 και ενσωματώθηκαν ως δεδομένα στο πρόγραμμα. Είδος καυσίμου Πίνακας 2: Ρύποι που εξάγονται από τους ΣΠΗΕ ανά είδος καυσίμου CO 2 (gr/kwh) NO x (gr/kwh) SO 2 (gr/kwh) Λιγνίτης 361,4 1, ,44 Λιθάνθρακας 351,1 1,24 8,06 4,14 Πετρέλαιο 264,6 0,29 0,78 0,04 Φυσικό αέριο 200,4 0,12 0,01 0,01 Αιωρούμενα σωματίδια (gr/kwh) Το πρόγραμμα δημιουργήθηκε με την Ψευδογλώσσα, μία γλώσσα δομημένου προγραμματισμού που είναι μετάφραση της Pascal και C στα ελληνικά και δημιουργήθηκε για εκπαιδευτικούς λόγους, καθώς χρησιμοποιείται στο Ενιαίο Λύκειο για τα μαθήματα προγραμματισμού. Αρχικά το πρόγραμμα ζητά από τον χρήστη να του δώσει σαν είσοδο για κάθε κατηγορία ΣΠΗΕ (με λιγνίτη, λιθάνθρακα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, ανανεώσιμες πηγές) τον αριθμό των εργοστασίων που λειτουργούν. Ανάλογα με τον αριθμό που θα 5

6 πληκτρολογήσει ο χρήστης θα ζητηθεί στη συνέχεια για κάθε εργοστάσιο μέχρι να διαβάσει όλα τα εργοστάσια την ετήσια παραγωγή ενέργειας σε MWh. (Σχήμα 1). Σχήμα 1: Αρχικό Στάδιο του προγράμματος όπου διαβάζει για κάθε είδος ΣΠΗΕ τον αριθμό των εργοστασίων που λειτουργούν και την ενέργεια που παράγει ο κάθε σταθμός Αφού διαβάσει για κάθε είδος ΣΠΗΕ τον αριθμό των εργοστασίων που λειτουργούν και την ετήσια παραγωγής ενέργειας του καθενός, το πρόγραμμα υπολογίζει και εμφανίζει με βάση τα δεδομένα των Πινάκων 1 και 2 την συνολική ποσότητα καυσίμου που απαιτείται ανά είδος καυσίμου για την παραγωγή της συνολικής ενέργειας, την συνολική ενέργεια που θα παραχθεί από όλους του ΣΠΗΕ, τους ολικούς ρύπους που παράγονται ανά κατηγορία ρύπων και τέλος το σύνολο όλων των ρύπων που παράγονται από όλους τους ΣΠΗΕ σε ένα έτος (Σχήμα 2). Σχήμα 2: Υπολογισμός συνολικής ενέργειας, είδος-ποσότητα καυσίμου και είδοςποσότητα ρύπων για κάθε κατηγορία ΣΠΗΕ και συνολικά για το σύνολό τους. 6

7 Το επόμενο στάδιο είναι το κομμάτι του υπολογισμού της λειτουργίας των νάνο-ρομπότ. Στο κομμάτι αυτό υπολογίζεται ο αριθμός των νάνο-ρομπότ που πρέπει να δράσουν ανάλογα με την συνολική ποσότητα των ρύπων που παράγεται από όλους τους ΣΠΗΕ, με βάση μία θεώρηση που εξηγείται παρακάτω. Επιπλέον υπολογίζεται το κόστος των νάνο-ρομπότ, η ποσότητα και το είδος των ρύπων που διασπώνται καθώς και το ποσό ενέργειας που παράγεται από την διάσπασή τους. Επίσης υπολογίζεται η ποσότητα και το είδος των ρύπων που μετατρέπονται σε φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια καθώς και η ενέργεια που πρέπει να καταναλωθεί από τα νάνο-ρομπότ για την μετατροπή τους. Στην συνέχεια το πρόγραμμα υπολογίζει το τελικό ποσό της ενέργειας που εξοικονομήθηκε ή καταναλώθηκε από τα νάνο-ρομπότ αναλόγως αν η ενέργεια που παράχθηκε κατά την διάσπαση των ρύπων είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη αντίστοιχα από την ενέργεια που έπρεπε να καταναλωθεί για την μετατροπή άλλων ρύπων σε φιλική προς το περιβάλλον μορφή. Επιπρόσθετα υπολογίζεται πόσο CO 2 δεσμεύτηκε από την λειτουργία των νάνο-ρομπότ, με αποτέλεσμα να περιοριστούν οι εκπομπές του CO 2 και να εξοικονομηθούν χρήματα σύμφωνα με την συνθήκη του Κιότο που αναλύθηκε παραπάνω. Άρα τελικά το πρόγραμμα κάνει μία σύγκριση και με οικονομικά κριτήρια που αφορούν το κόστος αγοράς των νάνο-ρομπότ και το κόστος που κερδίζει η χώρα από την μείωση των εκπομπών του CO 2 με αποτέλεσμα να εμφανίζει στο τέλος το οικονομικό κέρδος ή τη ζημία (γιατί το περιβαλλοντικό όφελος είναι δεδομένο) που είχε η χώρα επενδύοντας στην τεχνολογία των νάνο-ρομπότ. Για να γίνουν όλοι οι παραπάνω υπολογισμοί απαιτούνται μία σειρά δεδομένων τα οποία συγκεντρώνονται στους παρακάτω πίνακες (Πίνακες 3-6) για καλύτερη εποπτεία. Οι θεωρήσεις που έγιναν αφορούν στην λειτουργία των νάνο-ρομπότ, όπου έγινε υπόθεση ότι λειτουργούν χωρίς προβλήματα, διασπώντας σταθερά συγκεκριμένη ποσότητα ρύπων, ότι δεν υπάρχουν βλάβες και αστοχίες υλικού (0% πιθανότητα μη - καλής λειτουργίας) και ότι τα νάνο-ρομπότ λειτουργούν συνεχώς όλες τις ημέρες του χρόνου (365 ημέρες) και 24 ώρες το εικοσιτετράωρο. Ο υπολογισμός του ιδανικού αριθμού των νάνο-ρομπότ έγινε με βάση τον Πίνακα 3, ύστερα από δοκιμές με βάση την συνολική ποσότητα ρύπων που παράγεται από όλους τους ΣΠΗΕ μίας χώρας κατά την διάρκεια ενός έτους. Πίνακας 3: Επιλογή αριθμού ρομπότ με κριτήριο το σύνολο των ρύπων που παράγονται από όλους τους σταθμούς παραγωγής Συνολικοί ρύποι σε Mtn (Τόνοι *10 6 ) ,001-5, ,001-50, , Περισσότεροι από Αριθμός Ρομπότ (σε εκατομμύρια *10 6 ) 7

8 Επίσης όπως προαναφέρθηκε, έγινε η θεώρηση ότι τα είδη των ρύπων που διασπώνται και παράγεται ενέργεια (την οποία την χρησιμοποιούν τα ίδια για τις ανάγκες τους και αν περισσεύει την διοχετεύουν πίσω στο δίκτυο ηλεκτρική ενέργειας) από τα νάνο-ρομπότ είναι το CO 2 και τα NOx, ενώ τα είδη των ρύπων που μετατρέπονται σε φιλικά προς το περιβάλλον απόβλητα με την κατανάλωση ενέργειας είναι το SO 2 και τα αιωρούμενα σωματίδια που εκπέμπονται από την καύση κυρίως στερεών καυσίμων (λιγνίτη, λιθάνθρακα κτλ). Ενδεικτικές τιμές γ ια τις παραπάνω ενέργειες παρατίθενται στον Πίνακα 4 [Τελλάκης 2010, Τσακαλλάκης 2003, Φραγκογιαννόπουλος 2008]. Πίνακας 4: Παραγόμενη και καταναλισκόμενη ενέργεια από τα νάνο-ρομπότ μέσω της διάσπασης των ρύπων. Είδος Ρύπων (σε gr) Ενέργεια που καταναλώνεται για την μετατροπή των ρύπων (σε Wh) Ενέργεια που παράγεται κατά την διάσπαση των ρύπων (σε Wh) 1gr CO 2-0,5 Wh 1gr NO x - 0,1 Wh 1gr SO 2 0,3 Wh - 1gr Σωματιδίων 0,2 Wh Πίνακας 5: Ενδεικτικές τιμές διάσπασης ρύπων κατά την λειτουργία ενός νανό-ρομπότ σε μία ώρα. Είδος Ρύπου CO 2 25 NO x 1,5 SO 2 1,0 Σωματιδίων 5,5 Αριθμός Ρομπότ Διάσπαση ρύπων κατά την λειτουργία μίας ώρας ενός νάνο-ρομπότ (σε gr) Πίνακας 6: Ενδεικτικό Κόστος νάνο-ρομπότ Χρέωση 1 15 ευρώ Όλοι οι παραπάνω υπολογισμοί γίνονται αυτόματα από το πρόγραμμα με βάση τα δεδομένα που έχουν εισαχθεί στο πρώτο μέρος του προγράμματος που αναλύθηκε προηγουμένως και εμφανίζονται στην οθόνη με την μορφή μηνυμάτων όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. 8

9 Το πρόγραμμα αφού τελειώσουν όλοι οι υπολογισμοί και εμφανίσει τα αποτελέσματα στην οθόνη με την χρήση επεξηγηματικών μηνυμάτων, δίνει την δυνατότητα στο χρήστη να ξανακάνει ό,τι υπολογισμούς επιθυμεί ξανά απλά πατώντας ένα οποιοδήποτε πλήκτρο. Με τον τρόπο αυτό μπορεί κάποιος χρήστης να κάνει επαναλαμβανόμενα υπολογισμούς και δοκιμές και να εισάγει μοντέλα παραγωγής ενέργειας από διαφορετικές χώρες, ή προβλέψεις για μελλοντικές προβλέψεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και να υπολογίσει το όφελος από την χρήση των νάνορομπότ (Σχήμα 3). Σχήμα 3: Τρίτο Στάδιο του προγράμματος όπου υπολογίζει και εμφανίζει τα αποτελέσματα που αφορούν την λειτουργία των νάνο-ρομπότ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Για να γίνει πιο κατανοητή η λειτουργία του προγράμματος ακολουθεί ένα παράδειγμα υπολογισμού που αφορά την συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας της Ελλάδος. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν και τροφοδότησαν το πρόγραμμα προέρχονται από την ΔΕΗ. Α.Ε. (Γενική Διεύθυνση Ορυχείων) και αφορά στοιχεία ηλεκτροπαραγωγής και λιγνίτη του έτους Σύμφωνα λοιπόν με τα στοιχεία του 2002, η συνολική εγκατεστημένη Ισχύς του Διασυνδεδεμένου Συστήματος της χώρας είναι MW. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι GWh. Αυτή η συνολική ενέργεια κατανέμεται ως εξής: Λιγνίτης συνολικά (70%) GWh Πετρέλαιο (7,5%) GWh Φυσικό Αέριο (15%) GWh Υδροηλεκτρικοί σταθμοί (7,5%) GWh Εισάγοντας τα παραπάνω δεδομένα της ΔΕΗ στο πρόγραμμα προκύπτουν τα ακόλουθα αποτελέσματα που απεικονίζονται στο Σχήμα 4. 9

10 Σχήμα 4: Αποτελέσματα εκτέλεσης παραδείγματος για την συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα το ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Με το πρόγραμμα που δημιουργήθηκε μπορεί να υπολογιστεί για οποιαδήποτε κοινότητα (χώρα, εταιρεία, πόλη κτλ), πόση ενέργεια παράγει, την ποσότητα του καυσίμου που απαιτείται για την ενέργεια αυτή, τα είδη και την ποσότητα των ρύπων που εξάγονται στο περιβάλλον και τελικά να υπολογιστεί ο αριθμός των νάνο-ρομπότ που χρειάζονται για να διασπαστούν συγκεκριμένοι ρύποι ετησίως. Οι παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη από το πρόγραμμα: είναι το κόστος των νάνο-ρομπότ, οι επιδόσεις των νάνο-ρομπότ (είδος ρύπων προς διάσπαση, ταχύτητα διάσπασης, παραγόμενη ενέργεια από την διάσπαση των ρύπων), τα είδη των σταθμών παραγωγής που λειτουργούν στην χώρα (θερμικοί σταθμοί παραγωγής με διάφορα είδη καυσίμου λιγνίτη, 10

11 λιθάνθρακα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και σταθμοί παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας υδροηλεκτρικά εργοστάσια, αιολικά πάρκα, φωτοβολταϊκά πάρκα και ενέργεια από κύματα) και το πλήθος για κάθε είδος σταθμού παραγωγής. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, δείχνουν ότι μπορεί να υπάρχει πέραν του περιβαλλοντικού οφέλους και οικονομικό κέρδος το οποίο όμως αυξάνει με την αύξηση των επιδόσεων των νάνο-ρομπότ και με την μείωση του κόστους τους. Το οικονομικό κέρδος προκύπτει κυρίως από την μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, η οποία είναι πολύ σημαντική γιατί η τιμολόγηση για το υπερβάλλον διοξείδιο του άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σύμφωνα με το πρωτόκολλο του Κιότο. Το κέρδος αυτό φυσικά μειώνεται με την αύξηση του ποσοστού παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καθώς στην περίπτωση αυτή δεν εξάγεται διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Επίσης το οικονομικό κέρδος από την χρήση των νάνο-ρομπότ είναι αντιστρόφως ανάλογο με το κόστος του κάθε νάνο-ρομπότ και εξαρτάται από τις επιδόσεις των νάνο-ρομπότ (ταχύτητα διάσπασης ρύπων, είδη ρύπων που διασπώνται κτλ). Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι επιπλέον οικονομικό όφελος προκύπτει και από την ενέργεια που παράγουν τα νάνο-ρομπότ από την διάσπαση των ρύπων, η οποία υπολογίζεται από τον αλγόριθμο, καθώς η ενέργεια αυτή μπορεί να διοχετευθεί στο δίκτυο και έτσι να περιοριστούν οι εισαγωγές ενέργειας από άλλες χώρες που έχουν υψηλό κόστος. Το πρόγραμμα είναι ιδανικό για μια πρώτη βασική προσέγγιση στον τομέα της παραγωγής ενέργειας, τον υπολογισμό των βασικότερων ρύπων που παράγονται καθώς και την ποσότητα αλλά και τα οφέλη που μπορούν να προκύψουν από την χρήση πρωτοποριακών τεχνολογιών, όπως τα νάνο-ρομπότ ή τυχόν εξέλιξη τους θα υπάρξει στο μέλλον. Είναι ιδανικό για εκπαιδευτικούς σκοπούς από μαθητικές και φοιτητικές κοινότητες, αλλά ακόμη και από ηλεκτρολόγους μηχανικούς για μια πρόχειρη εκτίμηση της τάξεως μεγέθους των ποσοτήτων των καυσίμων, ενέργειας και των ρύπων που παράγουν οι ΣΠΗΕ. Μελλοντικά θα μπορούσαν να γίνουν βελτιώσεις στο πρόγραμμα για να γίνει πιο λειτουργικό και φιλικό στο χρήστη. Θα μπορούσε αρχικά να σχεδιαστεί ένα γραφικό περιβάλλον πάνω στο οποίο να τρέχει ο αλγόριθμος που κατασκευάστηκε στην παρούσα εργασία καθώς θα προσφέρει καλύτερη απεικόνιση των αποτελεσμάτων και θα γίνει πιο φιλικό προς το χρήστη με την χρήση εικόνων, αναδυόμενων μενού και πολλαπλών οθονών. Επιπλέον θα ήταν χρήσιμο αν μπορούσε να παραμετροποιηθεί από τον χρήστη ώστε τα δεδομένα που αφορούν κυρίως τα νάνο-ρομπότ αλλά ακόμη και τα δεδομένα που αφορούν την θερμογόνο δύναμη των καυσίμων μπορεί να αλλάξουν μελλοντικά και με τον τρόπο αυτό ο χρήστης θα μπορεί να επεμβαίνει και να κάνει εκ νέου τους υπολογισμούς με βάση τις καινούριες συνθήκες. Χρήσιμο θα ήταν αντί να προτείνει το πρόγραμμα και να κάνει τους υπολογισμούς των νάνο-ρομπότ με βάση κάποιες τιμές που έχουν εισαχθεί σαν προκαθορισμένες από τον προγραμματιστή, να δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να μπορεί να επιλέγει τον αριθμό των νάνο-ρομπότ, το κόστος τους καθώς και τις δυνατότητές τους ώστε να μπορεί να τρέξει διάφορα σενάρια και να βγάλει πολλαπλά αποτελέσματα, το οποίο αποτελεί το επόμενο βήμα της βελτίωσης του αλγορίθμου. Φυσικά όλα τα παραπάνω δεν θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν από κάθε 11

12 χρήστη αν δεν υπάρχει και ένα καλό και επεξηγηματικό εγχειρίδιο που να περιγράφει ακριβώς όλες τις δυνατότητες και τις λειτουργίες του προγράμματος. Κρίνεται επιτακτικής σημασίας η ευαισθητοποίηση των νέων πολιτών σε θέματα περιβαλλοντικής προστασίας και η ανάδειξη μέσω των εργαλείων που μας προσφέρει ο προγραμματισμός, πρακτικών μοντέλων αειφόρους ανάπτυξης. Η ανάπτυξη του παρόντος προγράμματος καταδεικνύει με σαφή τρόπο, τα μεγέθη και την ανοδική πορεία των ρύπων που εκλύονται από μονάδες παραγωγής ενέργειας και αναδεικνύει τα οφέλη που μπορούν να προκύψουν από την εφαρμογή καινοτόμων προϊόντων προστασίας του περιβάλλοντος. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βακάλη Α., Γιαννόπουλος Η., Ιωαννίδης Ν., Κοίλιας Χ., Μάλαμας Κ., Μανωλόπουλος Ι., Πολίτης Π. (2011). Ανάπτυξη Εφαρμογών σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον, Βιβλίο Μαθητή Γ Γενικού Λυκείου (Τεχνολογικής Κατεύθυνσης), ΟΕΔΒ. Διαμαντός Ν., Κόκκαλης Α., Μπόκαρη Α. Παπαγεωργίου Ν., Ρίζος Α. (2009). Περιβαλλοντικά & Ενεργειακά οφέλη, προβλήματα και προοπτικές της χρήσης του φυσικού αερίου στη Θεσσαλία, Εισήγηση από τη Μ.Ε. Ενέργειας και Βιομηχανίας & τη Μ.Ε. Περιβάλλοντος και Αειφορίας, ΤΕΕ Τμ. Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας. Κακαράς Ε., Γιαννακόπουλος Δ., Χατζηλάου Χ. (2005). Τα Εθνικά Σχέδια Κατανομής Δικαιωμάτων Εκπομπών CO2 και θέματα ηλεκτροπαραγωγής, Λιγνίτης και φυσικό αέριο στην ηλεκτροπαραγωγή της χώρας, ΤΕΕ, Αθήνα 9-10 Ιουλίου Μαμάσης Ν., Στεφανάκος Ι. (2011). Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία Ορυκτά καύσιμα και ενέργεια, Τοµέας Υδατικών Πόρων, ΕΜΠ. Μπακιρτζής Α. (1998). Οικονομική λειτουργία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, ΑΠΘ. Ντοκόπουλος Π. (1986). Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρική Ενέργειας, Τόμος Ι, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, ΑΠΘ Τελλάκης Α. (2010). Υπολογισμός συντελεστή εκπομπών (g CO2/kWh), Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, ΑΠΘ. Τσακαλάκης Κ. (2003). H επίδραση της καύσης των ορυκτών καυσίµων. Φραγκογιαννόπουλος Ε. (2008). Μέτρα Αύξησης Βαθμού Απόδοσης Ατμοηλεκτρικών Μονάδων, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ. Χατζηαθανασίου Β. (2004). Σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, ΑΠΘ. 12