ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ»

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ» Επιμέλεια: Δρ. Βενέτης Κανακάρης

2 Περιεχόμενα 1.0 ΓΕΝΙΚΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ... 5 ΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ... 5 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΡΟΕΞΟΦΛΗΣΗΣ... 6 ΠΡΟΕΞΟΦΛΗΜΕΝΗ ΧΡΗΜΑΤΟΡΡΟΗ... 6 ΚΑΘΑΡΗ ΠΑΡΟΥΣΑ ΑΞΙΑ... 7 ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ... 8 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΣΚΟΠΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΟΡΤΙΩΝ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Το «ενεργειακό πρόβλημα» Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στις μεταφορές Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στα κτίρια ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Ολοκληρωμένα ενεργειακά ισοζύγια Διαφορικά ενεργειακά ισοζύγια Ενεργειακή ανάλυση τεχνικών συστημάτων Ισοζύγιο τεχνικών συστημάτων Βασικά μεγέθη ενεργειακών συστημάτων Η επενδυτική διάσταση των ενεργειακών συστημάτων Σχεδιασμός, χρηματοδότηση και υλοποίηση επενδύσεων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 51

3 1.0 ΓΕΝΙΚΑ Η αλόγιστη χρήση της ενέργειας δεν έχει μόνο ως αποτέλεσμα την δραστική μείωση των ενεργειακών πόρων αλλά και την δραστική απαξίωση του περιβάλλοντος. Το γνωστό φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι αποτέλεσμα του διοξειδίου του άνθρακα και των άλλων αερίων που προέρχονται από τις καύσεις των συμβατικών καυσίμων για την παραγωγή ενέργειας. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα να επιβαρύνει την υγεία των ανθρώπων και να υποβαθμίζει δραστικά το οικοσύστημα με καταστρεπτικές συνέπειες για το περιβάλλον και την οικονομία. Η ενεργειακή οικονομία έχει ως σκοπό να καταστήσει τον αναγνώστη κοινωνό στις έννοιες και τις μεθόδους της ηλεκτρικής οικονομίας. Η αναγκαιότητα της ενεργειακής οικονομίας προκύπτει από το γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να εξυπηρετηθεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να συμφέρει στην Εθνική Οικονομία τόσο οικονομικά, όσο και από άποψη καλής διαχείρισης. Η ενεργειακή οικονομία ασχολείται με την τεχνοοικονομική και επιχειρησιακή άποψη του συστήματος παραγωγής μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας μέχρις του σημείου έκδοσης του λογαριασμού του καταναλωτή. Οι εγκαταστάσεις ηλεκτρικής ενέργειας ευρίσκονται στη διάθεση ιδιωτών περί το Αρχικά παρατηρούμε ότι χρησιμοποιούνται σε επίπεδο διαφήμισης και πολυτέλειας. Η πρώτη τάση που χρησιμοποιήθηκε ήταν η συνεχή τάση των 65 V. To εμφανίσθηκαν οι πρώτες εγκαταστάσεις που χρησιμοποίησαν ως κινητήρια δύναμη τις ατμομηχανές. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα της εποχής αυτής είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς τάσεως μέχρι και 2000 V για μεταφορά. Μετρητές δεν υπήρχαν και επικρατούσε ενιαία τιμή. Η παραγωγή και η κατανάλωση ήταν τοπικά, δεν είχαμε μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις. Ακολούθησε η εφαρμογή της εναλλασσόμενης τάσης αρχικά και στη συνέχεια η πλήρης καθιέρωση του τριφασικού συστήματος. Η κατασκευή των στροβιλομηχανών καθιέρωσε την δημιουργία των μεγάλων μονάδων παραγωγής. Η παράλληλη ανάπτυξη της τεχνολογίας των μετασχηματιστών και η τεχνολογία των υψηλών τάσεων έθεσε τις βάσεις για την μεταφορά μεγάλων ποσών ενέργειας καθώς και την βέλτιστη εκμετάλλευση των σταθμών. Έτσι παρατηρούμε οι πρώτες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να εγκαθίστανται σε περιοχές που το χρησιμοποιούμενο καύσιμο είναι φθηνό. Το επόμενο βήμα στην μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η διασύνδεση δηλαδή η δυνατότητα που έχουμε να συνδέσουμε δύο γειτονικές μονάδες παραγωγής σε μία μονάδα, αυτό οδήγησε στην εφαρμογή μεγάλων μονάδων εργαζόμενων συνεχώς. Αυτές μπορεί να έχουν βαθμούς απόδοσης μέχρι και 44%(=ηλεκτρική ενέργεια/ενέργεια καυσίμου). Η βελτίωση του βαθμού απόδοσης έχει μεγάλη σημασία για την Εθνική Οικονομία, γιατί το κέρδος είναι διπλό: Η κατανάλωση του καυσίμου ανά παραγόμενη κιλοβατώρα μειώνεται Το μέγεθος των εγκαταστάσεων ψύξεως μειώνετε.

4 1.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τους σταθμούς παραγωγής, διακρίνονται ανάλογα με την πρώτη ύλη που χρησιμοποιούν για την παραγωγή: Οι ατμοηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τον ατμό με ότι σημαίνει για την δημιουργία του δηλαδή χρήση άνθρακος, πετρελαίου και άλλων συμβατικών καυσίμων, Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη το νερό, Οι αεριοστροβιλο-ηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη φυσικά αέρια, Οι πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη την πυρηνική ενέργεια Χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (αέρας, ήλιος, θάλασσα) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενάργεια στην πατρίδα μας είναι τριφασική συχνότητας 50 Ηz 240/400 V. Η τροφοδοσία στο δίκτυο γίνετε με συνδεδεμένες μονάδες ως εξής: Μεγάλη ισχύς για επίπεδα υψηλής τάσης Μικρή ισχύς για δίκτυα διανομής και Τοπικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις 240/400 V. Η Διασύνδεση μας παρέχει την δυνατότητα να κατασκευάζουμε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πολύ μεγάλης ισχύος και την ελάττωση του αριθμού εφεδρικών εγκαταστάσεων. Οι καταναλωτές είναι διασυνδεδεμένοι έτσι εξομαλύνονται οι αιχμές ισχύος, γιατί η πιθανότητα ταυτόχρονης ζήτησης μειώνετε. Η θέση των σταθμών παραγωγής προσδιορίζετε από τα εξής κριτήρια: Περιοχές με νερό συνήθως προτιμώνται για την κατασκευή θερμοηλεκτρικών σταθμών για λόγους ψύξης. Επίσης πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται σε περιοχές με νερό. Περιοχές με λιγνίτη και υδατοπτώσεις χρησιμοποιούνται για τοπική κατασκευή σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ενώ οι σταθμοί ψύξης αν δεν υπάρχει νερό γίνετε με ψυκτικούς πύργους. Περιοχές πλούσιες σε λιθάνθρακα, πετρέλαιο και φυσικά αέρια ε ί ν α ι κ α λ ύ τ ε ρ α ν α μ ε τ α φ ε ρ θ ε ί η κ α ύ σ ι μ η ύ λ η σε μεγάλες αποστάσεις ώστε να εξυπηρετηθούν άλλοι παράγοντες όπως η σύνδεση του σταθμού με το δίκτυο και η ψύξη. Οικολογικοί λόγοι ενδέχεται να απορρίψουν την θέση εγκατάστασης του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

5 1.3 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ Η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από τον βαθμό τεχνολογικής ανάπτυξης της περιοχής. Τα είδη των καταναλωτών μπορούν να διαχωριστούν σε κατηγορίες σύμφωνα με την ποσότητα ενέργειας που καταναλώνουν: Βιομηχανική κατανάλωση Κατανάλωση από τα μέσα μεταφοράς Οικιακή κατανάλωση Γεωργική κατανάλωση Οι βασικές απαιτήσεις των καταναλωτών είναι: Αξιοπιστία και ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας. Ο πάροχος της ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να ανταποκρίνεται στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση. Η τιμολογιακή πολιτική του παρόχου πρέπει να δείχνει μία συνέχεια και να μη συμβαίνουν αυθαίρετες αυξήσεις. 1.4 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ Επένδυση είναι η δημιουργία ενός έργου που συνεπικουρεί στην επίλυση προβλημάτων αλλά και αύξηση κέρδους και πελατείας. Στην ενεργειακή οικονομία οι επενδύσεις πρέπει να δικαιολογηθούν μέσω της μείωσης των λειτουργικών εξόδων, που προκύπτουν από την μείωση του κόστους της ενέργειας. Για να είναι οικονομικά αξιόλογο θα πρέπει η απαιτούμενη επένδυση να είναι μικρότερη από το άθροισμα των ποσών εξοικονόμησης τα οποία προκύπτουν από την μείωση των λειτουργικών εξόδων. Η οικονομική αξιολόγηση γίνετε με την βοήθεια των παρακάτω δεικτών. ΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ Χρόνος απόσβεσης ή χρόνος αποπληρωμής είναι το πηλίκο του αρχικού κόστους της επένδυσης δια του ετήσιου οφέλους που προκύπτει από αυτήν. ΧΑ = Αρχικό Κόστος Επένδυσης Ετήσιο Όφελος

6 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΡΟΕΞΟΦΛΗΣΗΣ Πολλά από τα ενεργειακά έργα χαρακτηρίζονται από κύκλο ζωής δηλαδή έχουν μια συγκεκριμένη διάρκεια ζωής και απαιτούν σημαντικά κεφάλαια για την χρηματοδότησή τους. Στις περιπτώσεις αυτές πρέπει να συνυπολογισθεί η διαχρονική μείωση της αξίας του χρήματος. Διαχρονική μείωση έχουμε γιατί οι χρηματικές μονάδες που απαιτεί το σημερινό κόστος της επένδυσης αριθμητικά αξίζουν περισσότερο από τις ίδιες χρηματικές μονάδες που θα αποδοθούν μετα από ορισμένο χρονικό διάστημα από σήμερα αφού οι χρηματικές μονάδες που αποδίδονται σήμερα θα μπορούσαν να επενδυθούν με καλύτερη απόδοση μέχρι την στιγμή που θα αποδοθεί το άλλο ίσης αξίας ποσό. Η διαχρονική μείωση της αξίας του χρήματος εκφράζεται με το συντελεστή προεξόφλησης του μελλοντικού κόστους και οφέλους που υπολογίζεται από την σχέση. Σ Πν = 1 (1+r) ν Όπου r = επιτόκιο προεξόφλησης αυτό εξαρτάται από τον επενδυτή και το εμπορικό περιβάλλον που κινείται και είναι συνάρτηση του επιτοκίου δανεισμού του χρήματος, του επιτοκίου των τραπεζικών καταθέσεων και με την παραγωγή κεφαλαίου από την έκδοση μετοχών. ν = χρόνος προεξόφλησης είναι η χρονική διάρκεια ζωής της επένδυσης. Παράδειγμα Αν έχουμε r= 10 % και η διάρκεια ζωής του έργου ν = 2 τότε με την βοήθεια της παραπάνω σχέσεως προκύπτει Για ν = 0 ο συντελεστής προεξόφλησης είναι 1 Για ν = 1 ο συντελεστής προεξόφλησης είναι 0,952 Για ν = 2 ο συντελεστής προεξόφλησης είναι 0,907. ΠΡΟΕΞΟΦΛΗΜΕΝΗ ΧΡΗΜΑΤΟΡΡΟΗ Ετήσια χρηματορροή ονομάζεται το αλγεβρικό άθροισμα της ποσότητας του χρήματος που δαπανάται ή της ποσότητας του χρήματος που κερδίζεται στο τέλος κάθε έτους της χρονικής διάρκειας της ζωής ενός έργου.

7 Παράδειγμα Αν έχουμε να αξιολογήσουμε ένα έργο για το οποίο μας δίνονται τα εξής στοιχεία, δαπάνη 5000 Ευρώ και κέρδη 3000 ευρώ τότε η ετήσια χρηματορροή θα είναι Ε.Χ. = = Ευρώ. Ενώ αν η δαπάνη ήταν 3000 Ευρώ και κέρδη 5000 Ευρώ τότε η ετήσια χρηματορροή θα είναι Ε.Χ. = = 2000 Ευρώ. Όταν λέμε δαπάνη ή με άλλα λόγια έξοδα εννοούμε την ποσότητα του χρήματος που καταβάλλεται για την αγορά, λειτουργία και συντήρηση του εξοπλισμού ενώ όταν λέμε κέρδος ή έσοδα εννοείτε η ποσότητα του χρήματος που αποκτάται από την αποδοτικότερη λειτουργία. Προκειμένου να υπολογισθεί η προεξοφλημένη χρηματορροή για το έτος ν δηλαδή Π.Χ.ν μετά την επένδυση παίρνουμε το γινόμενο του συντελεστή προεξόφλησης για το συγκεκριμένο έτος Σ.Π.ν με την ετήσια χρηματορροή του ιδίου έτους Ε.Χ.. ΠΧ ν = ΣΠ ν ΕΧ ΚΑΘΑΡΗ ΠΑΡΟΥΣΑ ΑΞΙΑ Καθαρή παρούσα αξία Κ.Π.Α. ονομάζουμε το συνολικό όφελος που έχει ένας επενδυτής από την εφαρμογή του επενδυτικού του σχεδίου για όλη την διάρκεια ζωής της επενδύσεως και αυτή υπολογίζεται ως το άθροισμα των προεξοφλημένων χρηματορροών Π.Χ. για όλα τα έτη μετά την ολοκλήρωση της επενδύσεως. Κ.Π.Α. = Άθροισμα προεξοφλημένων χρηματορροών. ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΠΑ=( n ν=0 ΠΧ ν ) Ευρω 1. Αν Κ.Π.Α. > 0 είναι δηλαδή θετική η επένδυση θεωρείται βιώσιμη και αν λάβουμε υπόψη μας τους προηγούμενους δείκτες τότε η σχέση της Κ.Π.Α. διαμορφώνεται ως εξής: ΚΠΑ=( n ν=0 ΠΧ ν ) Ευρω = n ν=0 ΕΧ ν (1+r) ν Όπου Κ.Π.Α. σε Ευρώ και Ε.Χ.ν σε Ευρώ ανά έτος. 2. Αν Κ.Π.Α. < 0 είναι δηλαδή αρνητική η επένδυση δεν θεωρείται βιώσιμη.

8 ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Εσωτερικός συντελεστής απόδοσης Ε.Σ.Α. είναι το επιτόκιο προεξόφλησης για το οποίο τα έσοδα από την ολοκλήρωση της επενδύσεως για όλη την χρονική διάρκεια της ζωής της είναι ίσα με την ποσότητα χρήματος που δαπανήθηκε για την ολοκλήρωση της επενδύσεως. Διερεύνηση: Εάν Κ.Π.Α. = 0 τότε Ε.Σ.Α. = r τότε παρατηρούμε ότι η παραπάνω σχέση παίρνει την παρακάτω μορφή: n ΠΧ ν ν=0 (1+ΕΣΑ) ν =0 Να σημειωθεί ότι Ε.Σ.Α. είναι ο δείκτης που χρησιμοποιείται από τον επενδυτή που δεν έχει συγκεκριμένη πολιτική για τη επιλογή του επιτοκίου προεξόφλησης. Τότε για να προχωρήσουμε στην οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης υπολογίζουμε την Κ.Π.Α. για διάφορα επιτόκια προεξόφλησης και προβαίνουμε στη γραμμική παρεμβολή μεταξύ δύο τιμών της Κ.Π.Α. μίας αρνητικής και μίας θετικής που βρίσκονται κοντά στο 0 (μηδέν). ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 1. Σε ένα υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προσπαθώντας να μειώθει το ετήσιο ενεργειακό κόστος, για να επιτευχθεί η στρατηγική που θέλουμε να χαράξουμε, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι απαιτείται η οικονομική αξιολόγηση του προκύψαντος επενδυτικού σχεδίου. Από την τεχνολογική μελέτη προέκυψε ότι στο επενδυτικό σχέδιο πρέπει να συμπεριλάβουμε τα παρακάτω: Αντικατάσταση των υφισταμένων φωτιστικών σωμάτων με άλλα φωτιστικά σώματα συνολική αξίας Ευρώ. Το ετήσιο χρηματικό όφελος από την παραπάνω δαπάνη εκτιμήθηκε σε 5000 ευρώ. Να γίνει η οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης και να διατυπωθεί το συμπέρασμα αν το παραπάνω επενδυτικό σχέδιο κρίνετε βιώσιμο ή όχι όταν το επιτόκιο προεξόφλησης είναι 7% και η διάρκεια ζωής n = 4 έτη. Πρέπει να υπολογίσουμε πρώτα τον χρόνο απόσβεσης του παραπάνω επενδυτικού σχεδίου. Σύμφωνα με τα παραπάνω θα έχουμε: Χ.Α. = Αρχική δαπάνη απόσβεσης/ετήσιο όφελος = / 5000 = 5 έτη.

9 Πρέπει να υπολογίσουμε την ετήσια χρηματορροή σύμφωνα με τα παραπάνω θα έχουμε: Έτος ν = 0 η δαπάνη που πραγματοποιήσαμε είναι ευρώ και τα έσοδά μας 0 επομένως Ε.Χ.ν=0 = ευρώ. Έτος ν = 1 η δαπάνη που πραγματοποιήσαμε είναι 0 ευρώ και τα έσοδά μας 5000 επομένως Ε.Χ.ν=1 = 5000 ευρώ. Έτος ν = 2 η δαπάνη που πραγματοποιήσαμε είναι 0 ευρώ και τα έσοδά μας 5000 επομένως Ε.Χ.ν=2 = 5000 ευρώ. Έτος ν = 3 η δαπάνη που πραγματοποιήσαμε είναι 0 ευρώ και τα έσοδά μας 5000 επομένως Ε.Χ.ν=3 = 5000 ευρώ. Έτος ν = 4 η δαπάνη που πραγματοποιήσαμε είναι 0 ευρώ και τα έσοδά μας 5000 επομένως Ε.Χ.ν=4 = 5000 ευρώ. Πρέπει να υπολογίσουμε το Σ.Π. για όλη την διάρκεια ζωής της επενδύσεως. Σύμφωνα πε την σχέση : Θα έχουμε: Για ν = ο 1 / (1+0,07) 0 = 1 Για ν = 1 1 / (1+0,07) 1 = 0,935 Για ν = 2 1 /(1+0,07) 2 = 0,873 Για ν = 3 1/ (1+0,07) 3 = 0,816 Για ν = 4 1/ (1+0,07) 4 = 0,763 Σ Πν = 1 (1+r) ν Πρέπει να υπολογίσουμε την Π.Χ. σύμφωνα με τη παρακάτω σχέση θα έχουμε : ΠΧ ν = ΣΠ ν ΕΧ Για ν = ο Π.Χ.0 = 1 * (-25000) = Ευρώ ετησίως Για ν = 1 Π.Χ.1 = 0,935*5000 = 4675 Για ν = 2 Π.Χ.2 = 0,873*5000 = 4365 Για ν = 3 Π.Χ.3 = 0,816*5000 = 4080 Για ν= 4 Π.Χ.4 = 0,763*5000 = 3815 Επομένως η Κ.Π.Α. του παραπάνω επενδυτικού σχεδίου θα είναι: Κ.Π.Α. = = ευρώ. Σύμφωνα με τα παραπάνω εκτιμητικά στοιχεία παρατηρούμε ότι η Κ.Π.Α. του επενδυτικού σχεδίου είναι αρνητική επομένως το παραπάνω επενδυτικό σχέδιο κρίνετε ως μη βιώσιμο.

10 Για να αναστραφεί το αρνητικό κλίμα, θα πρέπει να εξετασθεί, μήπως το προτεινόμενο επιχειρηματικό σχέδιο δύναται να έχει μεγαλύτερο κύκλο ζωής, οπότε να κάνουμε επανάληψη των παραπάνω υπολογισμών για να δούμε αν η Κ.Π.Α. γίνει θετική. 2. Για μια βιομηχανία ξύλου προτείνετε ένα επιχειρηματικό σχέδιο (επένδυση) της οποίας αφού λάβαμε υπόψη μας το αρχικό κόστος της 3. επένδυσης και το ετήσιο όφελος της βιομηχανίας υπολογίσαμε την καθαρά παρούσα αξία Κ.Π.Α. της επένδυσης για διάφορα επιτόκια προεξόφλησης r και για μία χρονική διάρκεια ζωής n = 10 έτη. Ζητείται να υπολογισθεί ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης ΕΣΑ για τις τιμές : r1 = 5% Κ.Π.Α.1 = Ευρώ. r2 = 10% Κ.Π.Α.2 = Ευρώ. r3 = 15% Κ.Π.Α.3 = 6000 Ευρώ. r4 = 20% Κ.Π.Α.4 = 2000 Ευρώ. r5 = 25% Κ.Π.Α.5 = -250 Ευρώ. Γνωρίζουμε ότι ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης ΕΣΑ είναι το επιτόκιο για το οποίο η καθαρά παρούσα αξία Κ.Π.Α. γίνεται μηδέν. Από τις τιμές που μας δίδονται φαίνεται ότι ο εσωτερικός συντελεστής ΕΣΑ παρεμβάλλεται μεταξύ των τιμών r4 και r5. Για να υπολογισθεί λοιπόν ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης ΕΣΑ πρέπει να γίνει γραμμική παρεμβολή μεταξύ των δύο τιμών που βρίσκονται κοντά στο μηδέν για την θέση ίσο με το μηδέν. Από τα μαθηματικά γνωρίζουμε ότι για να βρούμε την ζητούμενη τιμή δια της γραμμικής παρεμβολής ισχύει η σχέση: x 3 = x 1 f (x1) x 2 x 1 f (x2) f (x1) Δr = r4 Κ.Π.Α5 * ( r5 r1 )/(Κ.Π.Α.5 Κ.Π.Α4 )=0, * (0,25-0,2) / ( ) =0, χ (0,05)/ (-2250) = 0,20 +0,04 = 0,24 ή 24%. Άρα το επιτόκιο για το οποίο η Κ.Π.Α. που γίνεται μηδέν είναι 0,2+0,04= 0,24 ή 24%.

11 1.5 ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι πλέον βασικές παρεμβάσεις που μπορούμε να κάνουμε σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση ή ευρύτερα σ ένα ηλεκτρικό σύστημα προκειμένου ν αντιμετωπίσουμε θέματα εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Βελτίωση συντελεστή ισχύος ( cos φ ) Όπως γνωρίζουμε από την θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, τα ηλεκτρικά φορτία διακρίνονται σε στατικά ή ωμικά (λαμπτήρες πυρακτώσεως, ωμικές ή ηλεκτρικές αντιστάσεις) και σε επαγωγικά (λαμπτήρες φθορισμού, ηλεκτρικοί κινητήρες, ηλεκτρικοί μετασχηματιστές κ.λ.π.) Στα στατικά ή ωμικά φορτία όπως γνωρίζουμε η ισχύς P που απορροφάτε από το ηλεκτρικό δίκτυο είναι όλη ωφέλιμη σε αντίθεση με τα επαγωγικά φορτία όπου η ισχύς P είναι μικρότερη από την απορροφημένη ισχύ από το ηλεκτρικό δίκτυο. Το πηλίκο της ωφέλιμης ισχύος δια της απορροφημένης ισχύος ονομάζεται συντελεστής ισχύος ή cosφ. Οι τιμές που λαμβάνει είναι από -1 έως το 1. Η πρόσθετη ισχύς που απαιτείται για την ομαλή λειτουργία των επαγωγικών φορτίων ονομάζεται άεργος ή φανταστική ισχύς Pα. Απορροφημένη ισχύς από δίκτυο S = U x I = (V) x (A) = (VA) Ωφέλιμη ισχύς ή πραγματική ισχύς P = U x I x cos φ = (V) x (A) x cos φ = (W). Άεργος ισχύς ή φανταστική ισχύς Q = U x I x sin φ = (V) x (A) x sinφ = (VAR). -1 < Cos φ < 1 Ο μικρός συντελεστής ισχύος όπως γνωρίζουμε απαιτεί μεγαλύτερης έντασης ρεύμα για ομαλή λειτουργία των ηλεκτρικών φορτίων. Αυτό σημαίνει ότι οι χρησιμοποιούμενοι αγωγοί είναι μεγαλύτερης διατομής και ο μετασχηματιστής μεγαλύτερης ισχύος. Επομένως θα έχουμε και υψηλότερη μηνιαία χρέωση ισχύος ή ενέργειας στο λογαριασμό της ΔΕΗ. Όπως γνωρίζουμε για την βελτίωση του συντελεστή ισχύος χρησιμοποιούμαι πυκνωτές οι οποίοι ονομάζονται πυκνωτές αντιστάθμισης και συνδέονται παράλληλα προς το ηλεκτρικό φορτίο. Η βελτίωση του συντελεστή ισχύος μπορεί να είναι τοπική για το συγκεκριμένο ηλεκτρικό φορτίο ή κεντρική για το σύνολο της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Το ύψος της άεργου ισχύος που απαιτεί η αντιστάθμιση του συντελεστή ισχύος δίδεται από την σχέση: και ΔQ = P (εφφ 1 εφφ 2 ) (VAR) C = ΔQ U 2 ω Χρησιμοποίηση ηλεκτρικών κινητήρων βελτιωμένου βαθμού απόδοσης.

12 Οι επαγωγικοί κινητήρες ή ασύγχρονοι κινητήρες κατέχουν το μεγαλύτερο ποσοστό σε αντιδιαστολή με τους σύγχρονους κινητήρες. Τα μέρη από τα οποία αποτελούνται οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι δύο μέρη ο στάτης και τον περιστρεφόμενο ρότορα και μετατρέπουν την παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Τα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη επάγει ρεύμα και συνεπώς δημιουργεί μαγνητικό πεδίο στην περιέλιξη του ρότορα. Το επαγόμενο στο ρότορα μαγνητικό πεδίο τον περιστρέφει με διαφορετική ταχύτητα από αυτή του στάτη και η διαφορά αυτή των ταχυτήτων ονομάζεται ολίσθηση. Λόγω της κατασκευής τους οι επαγωγικοί κινητήρες είναι επαγωγικά φορτία με επαγωγικό συντελεστή ισχύος ή συντελεστής ισχύος με υστέρηση. Οι ασύγχρονοι κινητήρες που χρησιμοποιούνται για την κίνηση των εργομηχανών έχουν σταθερή ταχύτητα. Οι σύγχρονοι κινητήρες αποτελούνται από τον ακίνητο στάτη και τον περιστρεφόμενο ρότορα για την μετατροπή πάλι της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Το μαγνητικό πεδίο του ρότορα δημιουργείται από συνεχές ρεύμα που τροφοδοτεί τον ρότορα. Έτσι ο ρότορας περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με το μαγνητικό πεδίο του στάτη οπότε τα δυο μαγνητικά πεδία περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα συγχρόνως και γι αυτό ονομάζονται σύγχρονοι κινητήρες. Η συμπεριφορά του σύγχρονου κινητήρα είναι χωρητική δηλαδή μπορεί να συμπεριφερθεί όπως ένας πυκνωτής γι αυτό και ονομάζονται και στρεφόμενοι πυκνωτές. Επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Τα κριτήρια για την επιλογή ενός κινητήρα είναι η ισχύς στον άξονα δηλαδή η παραγόμενη μηχανική ισχύς Pμ ο δε λόγος της μηχανικής ισχύος προς την ηλεκτρική ισχύ Pμ / Pη ονομάζεται βαθμός απόδοσης του ηλεκτρικού κινητήρα nκ και δίδεται από τον παραπάνω λόγο. Με βάση τον βαθμό απόδοσης οι ηλεκτρικοί κινητήρες διακρίνονται σε κινητήρες συνήθους και βελτιωμένης απόδοσης. Οι δεύτεροι σαφώς είναι κατασκευασμένοι από υλικά καλύτερης ποιότητας και έχουν σωστότερο σχεδιασμό με αποτέλεσμα να έχουμε καλύτερο βαθμό απόδοσης και επομένως είναι και ακριβότεροι. Η χρήση των κινητήρων μεταβλητής ταχύτητας είναι πολλαπλή όπως σε αντλίες, σε ανεμιστήρες και αεροσυμπιεστές και αντιπροσωπεύουν το 50%της ηλεκτρικής κατανάλωσης στη βιομηχανία. Υπάρχουν διατάξεις που για την λειτουργία τους απαιτούν κινητήρες μεταβλητής ταχύτητας οι οποίοι για τις συγκεκριμένες περιπτώσεις εξασφαλίζουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Πολλές φορές απαιτείται εκσυγχρονισμός όλων των παλαιών δικτύων με στόχο την μείωση των απωλειών, ο εκσυγχρονισμός θα έχει ως αποτέλεσμα και την μείωση του κόστους λειτουργίας και την εξάλειψη προβλημάτων στη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Βασικά μέτρα που μπορεί να πάρει κανείς προκειμένου να επιτύχει τους παραπάνω στόχους είναι ν αυξήσει την διατομή των αγωγών, να βελτιώσει την τοπογραφική θέση των κυκλωμάτων, η αναβάθμιση των χρησιμοποιουμένων μετασχηματιστών κ.λ.π. Όπως γνωρίζουμε από τα ηλεκτρικά κυκλώματα, εάν αυξήσουμε την διατομή του αγωγού ουσιαστικά μειώνουμε την ωμική αντίσταση του αγωγού επομένως μειώνουμε τις απώλειες Q οι οποίες ως γνωστόν είναι ανάλογες του Ι 2 του τετραγώνου της εντάσεως του ρεύματος και της ωμικής αντίστασης R, καθώς και της πτώσης τάσεως U που είναι ανάλογη της Ι εντάσεως του ρεύματος και της ωμικής αντίστασης R. Η εξοικονόμηση της ενέργειας και κατά συνέπεια της ηλεκτρικής ισχύος γίνεται με την χρησιμοποίηση ενός ηλεκτρικού κινητήρα βελτιωμένης απόδοσης αντί ενός συνήθους απόδοσης. ΔPH=PM ( 1 nκπ 1 nkm ) PΜ= σε ΚW ή σε HP είναι η μηχανική παραγόμενη ισχύς (στον άξονα του κινητήρα) =>1ΚW=1.34HP=>1HP=0.746KW

13 nκπ = ο βαθμός απόδοσης του υπάρχοντος κινητήρα nκm = ο βαθμός απόδοσης του καινούργιου κινητήρα Η εξοικονόμηση της ενέργειας που έχουμε τελικά είναι ΔΕ(ολική εξοικονόμηση ενέργειας)=δpη*ν*σφπ(κwh/έτος) ΔPH= (KW) η εξοικονόμηση της ηλεκτρικής ισχύος N= ο ετήσιος αριθμός ωρών λειτουργίας ΣΦΠ = συντελεστής φορτίου του υπάρχοντος κινητήρα. ΣΦΠ = Ι Ι ν Ι= μετρούμενη ένταση του υπάρχοντος κινητήρα Ιν= ονομαστική ένταση του υπάρχοντος κινητήρα

14 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Η συνηθέστερη παρέμβαση που μπορεί να κάνει κανείς σε συστήματα φωτισμού προκειμένου να έχει εξοικονόμηση ενέργειας είναι να μειώσει την φωτεινή ισχύ των φωτιστικών σωμάτων. Όπως γνωρίζουμε από την φωτοτεχνία αυτό επιτυγχάνετε την χρήση καταλλήλων λαμπτήρων. Έ τ σ ι έ χ ο υ μ ε τις εξής κατηγορίες λαμπτήρων: Λαμπτήρες πυρακτώσεως που αποτελούνται από ένα υάλινο κώδωνα κενό ή με αδρανές αέριο υπό πίεση και ένα μεταλλικό νήμα από βολφράμιο που όταν θερμαίνεται εκπέμπει φώς. Ο μέσος όρος ζωής των λαμπτήρων αυτών είναι 1000 ώρες και είναι ευρύτατα διαδεδομένοι. Λαμπτήρες αλογόνου είναι όπως η προηγούμενη κατηγορία με μόνη διαφορά το αδρανές αέριο εμπεριέχει και στοιχεία αλογόνου αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η μέση διάρκεια ζωής να γίνει 2000 ώρες. Λαμπτήρες φθορισμού αποτελούνται από υάλινο σωλήνα που εμπεριέχει μίγμα αδρανούς αερίου κυρίως αργού και υγρού υδραργύρου. Σε κάθε μία άκρη του σωλήνα έχει ένα ηλεκτρόδιο. Όταν αυτά βρεθούν υπό τάση δημιουργείτε ηλεκτρικό τόξο (έναυση του λαμπτήρα) ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα ο εξατμιζόμενος υδράργυρος να εκπέμπει ακτινοβολία στο υπεριώδες φάσμα. Προς τούτο το εσωτερικό του υάλινου σωλήνα φέρει μία στρώση φωσφόρου που μετατρέπει την υπεριώδη ακτινοβολία σε ορατή. Η χρήση τους είναι ευρύτατη ιδιαίτερα σε γραφεία και εμπορικά καταστήματα και βιοτεχνίες ορισμένων κατηγοριών. Έχουν μέση διάρκεια ζωής 6000 ώρες αι τριπλάσια φωτεινή απόδοση σε σύγκριση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Η συνηθισμένη απόδοση των λαμπτήρων φθορισμού είναι 70 lm/w και μπορεί να αυξηθεί κατά % αν αντί του μίγματος που προαναφέρθηκε χρησιμοποιηθεί μίγμα αργού κρυπτού και να φθάσει μέχρι 100 lm/w αν βελτιωθεί η στρώση του φωσφόρου. Έχουμε επίσης τους συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού που είναι μικρότερης διαμέτρου και μήκους και η μέση φωτεινή τους απόδοση είναι lm/w Λαμπτήρες υψηλής πιέσεως ατμών υδραργύρου : αυτοί εμπεριέχουν σωλήνα από χαλαζία πληρωμένο από ευγενές αέριο και υδράργυρο σε υγρή μορφή. Η έναυσή τους καθυστερεί γύρω στα 3-5 λεπτά και έχουν μέση φωτεινή απόδοση 60 lm/w και μεγάλη διάρκειας ζωής. Χρησιμοποιούνται κυρίως δε εξωτερικούς χώρους σε οδικό φωτισμό σε φωτισμό πλατειών πάρκων κ.λ.π. Λαμπτήρες ατμών νατρίου : και αυτοί αποτελούνται από σωλήνα που περιέχει ποσότητα νατρίου και μίγματος νέου και αργού. Αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια και ένα βοηθητικό, όταν τα ηλεκτρόδια βρεθούν υπό τάση προκαλούν εκκένωση των ατμών και παράγει ακτινοβολία, παρουσιάζουν και αυτοί πολύ μεγάλη απόδοση και μέση διάρκεια ζωής ώρες. Επαγωγικοί λαμπτήρες είναι λαμπτήρες εκκένωσης χαμηλής πιέσεως όπως οι λαμπτήρες φθορισμού η δε εκκένωση προκαλείτε από επαγωγικό πηνίο. Η απόδοσή τους φθάνει μέχρι 70 lm/w και έχουν μέση διάρκεια ζωής ώρες. Τα κριτήρια με τα οποία επιλέγουμε τους λαμπτήρες όπως μάθαμε και στη φωτοτεχνία είναι η φωτεινή απόδοση (lm/w), η καταναλισκόμενη ισχύς σε (w), η διάρκεια ζωής, η απόδοση των χρωμάτων και το κόστος αγοράς. Κρίνετε απαραίτητο να αναφερθεί όπως γνωρίζουμε και από τις Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις

15 για την έναυση και την λειτουργία των λαμπτήρων και κατ επέκταση θα μπορούσε να αναφερθεί και για τα φωτιστικά σώματα απαιτούνται κάποιες διατάξεις: Εκκινητής ή starter απαραίτητο στοιχείο για την έναυση των λαμπτήρων φθορισμού. Ως γνωστό η τάση του δικτύου δεν είναι ικανή να δημιουργήσει το ηλεκτρικό τόξο μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Αυτό επιτυγχάνεται με τον εκκινητή ο οποίος όταν χαλάσει δεν επιτρέπει την έναυση του λαμπτήρα. Στραγγαλιστικό πηνίο ή ballast είναι το στοιχείο που συνδέετε εν σειρά με τον λαμπτήρα και περιορίζει το ρεύμα λειτουργίας με αποτέλεσμα να έχουμε εξοικονόμηση ενέργειας χωρίς να επηρεάζεται η φωτεινή ισχύς του λαμπτήρα. Ανακλαστήρες απαραίτητοι στα φωτιστικά σώματα, χωρίς αυτούς ο βαθμός απόδοσής τους είναι υψηλότατος το παραγόμενο φώς αποδίδεται όλο στο περιβάλλον με αποτέλεσμα να τα καθιστά χρήσιμα, για χώρους που απαιτείται ομοιομορφία φωτός, αντιθέτως με το ανακλαστήρα για χώρους που είναι το ύψος τους χαμηλό και απαιτούνται μεγάλο βαθμοί ανάκλασης Ο αριθμός των φωτιστικών πρέπει να είναι αυτός που προκύπτει από την ορθολογική μελέτη φωτισμού σύμφωνα με τις προδιαγραφές της φωτοτεχνίας. Η εξοικονόμηση δε εξασφαλίζεται εφόσον η λειτουργία τους είναι ορθολογική και σύμφωνα με τις ανάγκες μας. Γι αυτό τον λόγο έχουμε την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε διακόπτες που ρυθμίζουν την παρεχόμενη φωτεινή ισχύ οι γνωστοί μας dimmers. Ακόμη έχουμε την δυνατότητα προγραμματιζόμενα συστήματα ελέγχου τα γνωστά μας plc καθώς και άλλες διατάξεις. Τέλος απαραίτητο είναι να τονισθεί και η τακτική συντήρηση των φωτιστικών σωμάτων. Η καθημερινές βρωμιές του περιβάλλοντος επικάθονται στα φωτιστικά σώματα με αποτέλεσμα η απόδοσή τους να πέφτει σταδιακά. Η εξοικονόμηση της ηλεκτρικής ενέργειας που προκύπτει από επεμβάσεις σε ένα σύστημα φωτισμού είναι: ΔΕ = ΝΦΝ(Φ Π Φ Μ ) 1000 (KWh/έτος) Νφ = αριθμός φωτιστικών σωμάτων Ν = ετήσιος αριθμός λειτουργίας του κάθε φωτιστικού Φπ = ονομαστική φωτεινή ισχύς(παλιών φωτιστικών) ΦM = ονομαστική φωτεινή ισχύς(ισχύς νέων φωτιστικών σωμάτων). Όπως γνωρίζουμε από την φωτοτεχνία η ονομαστική φωτεινή ισχύς ενός φωτιστικού σώματος είναι ανάλογη με τον αριθμό των λαμπτήρων και την Ονομαστική φωτεινή ισχύ του λαμπτήρα. Φ = ΝΑ*ΦΑ(W)*N*ΦΑ(W) NΑ = αριθμός λαμπτήρων ΦΑ = φωτεινή ισχύς του λαμπτήρα.

16 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 1. Σε μία βιομηχανία μεταποίησης μας δίδονται τα παρακάτω στοιχεία: η εγκατάσταση της βιομηχανίας περιλαμβάνει 8 ηλεκτρικά φορτία των οποίων η συνολική ωφέλιμος ισχύς είναι 100 KW το κάθε φορτίο έχει cosφ = 0,75. Μας ζητείται να υπολογίσουμε την εξοικονόμηση της ενέργειας που θα προκύψει εάν βελτιώσουμε το cosφ = 0,95. Λύση Όπως γνωρίζουμε από τα ηλεκτρικά το κάθε φορτίο απορροφά ισχύ ΡΠ =Ρω /cosφπ = 100/0,75 =133,33 KVA επομένως η συνολική απορροφημένη ισχύς θα είναι ΡΣΠ = 8*133,33 = 1066,64 KVA. Το κάθε φορτίο με το νέο cosφ απορροφά ισχύ ΡΜ = 100 /0,95 = 105,26 KVA επομένως η συνολική απορροφημένη ισχύς θα είναι ΡΣΜ=8*105,26 = 886,40 KVA. Επομένως η εξοικονόμηση της ενέργειας θα είναι 1066,64-886,40= 180,24 KVA. Συμπερασματικά παρατηρούμε ότι βελτίωση του cosφ κατά 0,20 έχει σαν αποτέλεσμα να εξοικονομήσουμε 180,24 KVA. Εάν για την βελτίωση του cosφ της παραπάνω βιομηχανίας την επιτύχουμε με την τοποθέτηση πυκνωτών στο κεντρικό πίνακα διανομής ζητείται να υπολογισθεί το ύψος της απαιτούμενης αντιστάθμισης και η μείωση της άεργου ισχύος. Όπως γνωρίζουμε από τα ηλεκτρικά κυκλώματα το ύψος της απαιτούμενης αντιστάθμισης υπολογίζετε ως εξής: Cosφ = 0,75 tanφ = 0,882 και cosφ = 0,95 tanφ =0,329 Ρα = Ρω ( tanφ tanφ ) = 800*(0,882-0,329) = 800* 0,553 = 442,40 KVAR. Η απαιτούμενη άεργος ισχύς πριν την βελτίωση είναι: Ρα = 800*0,882 = 705,60 KVAR. Η απαιτούμενη άεργος ισχύς μετά την βελτίωση είναι: Ρα = 800*0,329 = 263,20 KVAR. Επομένως η μείωση είναι: ΔΡ α = (705,60-263,20)*100/705,60 = 62,70% Συμπερασματικά βλέπουμε ότι από την κεντρική αντιστάθμιση της εγκατάστασης είχαμε όφελος 62,70% ή ότι μείωσε την άεργο ισχύ κατά 62,70%.

17 2. Σε μία ηλεκτρική γερανογέφυρα που λειτουργεί στην παραπάνω βιομηχανία μεταποίησης έχουμε τα εξής δεδομένα: ο μεταφορέας λειτουργεί 18 ώρες την ημέρα επί 6 ημέρες την εβδομάδα και λειτουργεί με την βοήθεια ηλεκτροκινητήρα ισχύος ΡΜ=40 HP, με βαθμό απόδοσης ηκπ =0,85 και συντελεστή φορτίου ΣΦΠ = 0,65. Μας ζητείται να υπολογισθεί η εξοικονόμηση ενέργειας που θα προκύψει αν ο ηλεκτροκινητήρας αντικατασταθεί από άλλον με βαθμό απόδοσης η ΚΜ = 0,90. Λύση Η εξοικονόμηση της ενέργειας προκύπτει από: ΔΡΗ = 40*0,746* (1/0,85 1/0,90 )= 1,95 KW. Η παραγόμενη ισχύς θα είναι 40*0746 = 29,84 KW. Η εξοικονομούμενη ενέργεια θα είναι: ΔΕ = 1,95 * 5616 * 0,65 =7118,28 KWh/έτος. Ο ετήσιος αριθμός ωρών λειτουργίας είναι: 18 * 6 *52 = 5616 h/έτος. Συμπερασματικά βλέπουμε ότι η χρήση ενός ηλεκτροκινητήρα βελτιωμένης απόδοσης έχει ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας 7118,28 KWh ετησίως. 3. Σε μία βιοτεχνία φασόν έχουμε 200 φωτιστικά σώματα και λειτουργούν 8 ώρες ημερησίως και 5 ημέρες την εβδομάδα όλη την διάρκεια του έτους. Κάθε φωτιστικό σώμα έχει 3 λαμπτήρες φωτεινής ισχύος 60W. Ζητείται να υπολογισθεί η εξοικονόμηση ενέργειας που προκύπτει αν οι 3 λαμπτήρες αντικατασταθούν με 2 λαμπτήρες υψηλής αποδοτικότητας και της ιδίας φωτεινής ισχύος. Λύση Η ονομαστική ισχύς των φωτιστικών σωμάτων: ΦΠ =3*60 = 180 W Ονοματική ισχύς φωτιστικών σωμάτων με νέους λαμπτήρες: ΦΜ = 2*60 = 120 W Ώρες λειτουργίας ετησίως: 8*5*52 = 2080 ώρες ετησίως. ΔΕ = 200*2080*( )/1000= KWh/ ετησίως. Συμπερασματικά βλέπουμε ότι αντικατάσταση των λαμπτήρων είχε σαν αποτέλεσμα την εξοικονόμηση KWh ετησίως.

18 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Εξοικονόμηση Ενέργειας Σταμάτη Πέρδιου 2. Φωτοτεχνία Αντωνίου Τσακίρη 3 Φωτοτεχνία Φρ. Τοπαλής Λαμπ. Οικονόμου Σταυρ. Κουρτέση 3. Εισαγωγή στην Ηλεκτρική Οικονομία Π. Ντοκόπουλου 4. Οικονομική λειτουργία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας Α. Μπακιρτζή.

19 2.1 ΣΚΟΠΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι το σύνολο των εγκαταστάσεων και των μέσων που χρησιμοποιούνται με σκοπό την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις περιοχές κατανάλωσης, τις οποίες εξυπηρετεί το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να έχει μελετηθεί και να λειτουργεί σωστά. Επίσης, θα πρέπει να ικανοποιεί τις ακόλουθες απαιτήσεις: Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε όλες τις περιοχές κατανάλωσης που εξυπηρετεί. Το σύστημα θα πρέπει να μπορεί να ικανοποιεί τη διαρκώς ηλεκτρικής ενέργειας. μεταβαλλόμενη ζήτηση Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να παρέχει ποιοτική ηλεκτρική ενέργεια, το οποίο σημαίνει ότι θα πρέπει να διασφαλίζει σταθερή συχνότητα, σταθερή τάση και υψηλή αξιοπιστία τροφοδότησης. Το σύστημα θα πρέπει να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια με το ελάχιστο δυνατό οικονομικό κόστος και τις ελάχιστες επιπτώσεις στο περιβάλλον. 2.2 ΔΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τα ακόλουθα τέσσερα κύρια μέρη: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας Διανομή ηλεκτρικής ενέργειας Φορτία Η ηλεκτρική ενέργεια ως γνωστόν παράγεται στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια γεννητριών. Οι σταθμοί παραγωγής βρίσκονται συνήθως μακριά από τα σημεία κατανάλωσης, οπότε η ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να μεταφερθεί στα σημεία κατανάλωσης με τη βοήθεια των γραμμών μεταφοράς. Για να είναι οικονομική η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, θα πρέπει να γίνεται σε υψηλή τάση πράγμα που επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των τριφασικών μετασχηματιστών ανύψωσης τάσης. Μετά στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υπάρχουν οι μετασχηματιστές υποβιβασμού της τάσης από την υψηλή τάση στη μέση τάση και στη χαμηλή τάση. Το σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τις γραμμές διανομής μέσης τάσης και με την βοήθεια των μετασχηματιστών διανομής υποβιβάζεται σε χαμηλή τάση και τις γραμμές διανομής χαμηλής τάσης που μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στους καταναλωτές χαμηλής τάσης. 2.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η διαδικασία μετατροπής μίας μορφής πρωτογενούς ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται από συμβατικούς σταθμούς και από σταθμούς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι ατμοηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν τον ατμό ως μέσο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας μέσω ατμοστροβίλων, η οποία μηχανική ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των γεννητριών. Οι ντηζελοηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν το πετρέλαιο ως μέσο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας μέσω μηχανών εσωτερικής καύσης, η οποία μηχανική ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των γεννητριών.

20 Στους σταθμούς συνδυασμένου κύκλου υπάρχει συνδυασμός λειτουργίας αεριοστρόβιλου και ατμοστρόβιλου: από την ίδια αρχική πηγή ενέργειας, συνήθως φυσικό αέριο, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια πρώτα στον αεριοστρόβιλο και μετά στον ατμοστρόβιλο. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν την κινητική και δυναμική ενέργεια του νερού ως μέσο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας μέσω υδροστροβίλων, η οποία μηχανική ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των γεννητριών. Οι πυρηνικοί σταθμοί είναι ατμοηλεκτρικοί σταθμοί, όπου ο λέβητας έχει αντικατασταθεί από πυρηνικό αντιδραστήρα, στον οποίο γίνεται η πυρηνική σχάση ουρανίου ή πλουτωνίου. Οι συμβατικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επιβαρύνουν το περιβάλλον. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι μειώνονται τα αποθέματα σε πρώτη ύλη (πετρέλαιο, λιγνίτης, φυσικό αέριο) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικούς σταθμούς. Επιπλέον, η τιμή του πετρελαίου ως πρώτη ύλη στους ντηζελοηλεκτρικούς σταθμούς) έχει αυξητικές τάσεις και καθίστανται οικονομικά ασύμφοροι. Τα τελευταία χρόνια οι σταθμοί ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κερδίζουν έδαφος, καθώς είναι περιβαλλοντικά φιλικοί επίσης επειδή χρησιμοποιούν πηγές ενέργειας που βρίσκονται στη φύση ανεξάντλητες (πχ άνεμος, ήλιος). Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι τα αιολικά, τα φωτοβολταϊκά, τα μικρά υδροηλεκτρικά, οι κυψέλες καυσίμου, η κυματική ενέργεια, η γεωθερμική ενέργεια και η βιομάζα. Οι σταθμοί ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομονωμένες περιοχές ή αυτόνομα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για σύνδεση με συμβατικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, σήμερα οι πλέον διαδεδομένες είναι τα αιολικά πάρκα, τα μικρά υδροηλεκτρικά εργοστάσια και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν μέσω των ανεμογεννητριών την κινητική ενέργεια του ανέμου, την οποία μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αξιοποιούν μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων την ηλιακή ενέργεια, την οποία μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί, όπως και οι συμβατικοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί, αξιοποιούν την κινητική και δυναμική ενέργεια του νερού ως μέσο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας μέσω υδροστροβίλων, η οποία μηχανική ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των γεννητριών. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί αξιοποιούν υδάτινα ρεύματα, για τα οποία δεν απαιτούνται μεγάλα έργα αποθήκευσης του νερού. Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, χρησιμοποιώντας κατάλληλες διατάξεις και ηλεκτρολύτες. Οι σταθμοί κυματικής ενέργειας στοχεύουν στη μετατροπή της κινητικής ενέργειας των κυμάτων της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια, με τη χρήση κατάλληλων διατάξεων. Η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα των εσωτερικών στρωμάτων της γης, η οποία είναι αξιοποιήσιμη όταν υπάρχουν κατάλληλες γεωλογικές συνθήκες. Η βιομάζα περιλαμβάνει τα διάφορα γεωργικά και δασικά υπολείμματα, από τα οποία με κατάλληλες θερμοχημικές επεξεργασίες μπορούν να ληφθούν καύσιμα. 2.4 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

21 Το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μεταφέρει μεγάλες ποσότητες ισχύος από τους σταθμούς παραγωγής προς τα σημεία όπου γίνεται η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να συνδέει μεταξύ τους διαφορετικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας γειτονικών χωρών. Ακόμη, από το σύστημα μεταφοράς τροφοδοτούνται οι καταναλωτές υψηλής τάσης. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με υψηλή τάση, επειδή έχει σαν αποτέλεσμα μικρότερες ηλεκτρικές απώλειες και κατά συνέπεια οικονομικότερη λειτουργία. 2.5 ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υπεύθυνο για τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές μέσης και χαμηλής τάσης. Το σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τρία υποσυστήματα: Το σύστημα διανομής μέσης τάσης Τους υποσταθμούς διανομής Το σύστημα διανομής χαμηλής τάσης. Το σύστημα διανομής μέσης τάσης τροφοδοτείται από τους υποσταθμούς υποβιβασμού υψηλής τάσης προς μέση τάση. Το σύστημα διανομής μέσης τάσης τροφοδοτεί τόσο τους καταναλωτές μέσης τάσης όσο και τους υποσταθμούς διανομής χαμηλής τάσης. Οι υποσταθμοί διανομής χαμηλής τάσης με τη σειρά τους τροφοδοτούν τους καταναλωτές. 2.6 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΟΡΤΙΩΝ Τα φορτία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ταξινομούνται σε βιομηχανικά, εμπορικά και οικιακά. Τα πολύ μεγάλα βιομηχανικά φορτία μπορεί να εξυπηρετούνται από το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μικρά βιομηχανικά φορτία εξυπηρετούνται από το σύστημα διανομής μέσης τάσης. Τα βιομηχανικά φορτία είναι σύνθετα φορτία (έχουν ωμικό και επαγωγικό μέρος), καθώς οι κινητήρες επαγωγής αποτελούν μεγάλο τμήμα των φορτίων αυτών. Τα σύνθετα αυτά βιομηχανικά φορτία εξαρτώνται από την τάση και τη συχνότητα και αποτελούν ένα σημαντικό μέρος του φορτίου του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Τα εμπορικά και οικιακά φορτία αποτελούνται κυρίως από φορτία φωτισμού, θέρμανσης, και ψύξης. Τα φορτία αυτά είναι ανεξάρτητα της συχνότητας και καταναλώνουν αμελητέα άεργο ισχύ. Η πραγματική ισχύς των φορτίων εκφράζεται σε kw ή MW. Το μέτρο του φορτίου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η ημερήσια καμπύλη φορτίου μίας ηλεκτρικής εταιρίας είναι μία σύνθεση της ζήτησης φορτίου των διάφορων κατηγοριών καταναλωτών. Η μέγιστη τιμή του φορτίου στη διάρκεια ενός εικοσιτετράωρου ονομάζεται ημερήσια αιχμή φορτίου ή μέγιστο ημερήσιο φορτίο. Ο συντελεστής φορτίου σε μία χρονική περίοδο είναι ίσος με το λόγο της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην περίοδο αυτή προς τη μέγιστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που θα μπορούσε να έχει ο καταναλωτής αν ζητούσε συνεχώς το μέγιστο φορτίο της περιόδου αυτής. Ο συντελεστής φορτίου μπορεί να αφορά περίοδο μίας μέρας, ενός μήνα, ή ενός χρόνου.

22 Γενικά υπάρχει διαφορά στην αιχμή φορτίου μεταξύ διαφορετικών κατηγοριών καταναλωτών, η οποία βελτιώνει το συνολικό συντελεστή φορτίου του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Για να λειτουργεί οικονομικά το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θα πρέπει να είναι υψηλός ο συντελεστής φορτίου του συστήματος. Τα σημερινά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας έχουν τυπικούς συντελεστές φορτίου Από 55 % έως 70 %. 2.7 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα παρακάτω: Η τάση Η ισχύς βραχυκύκλωσης Η τάση μόνωσης. Ως τάση ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζουμε την μεγίστη τάση λειτουργίας μιας γραμμής μεταφοράς. Ως ισχύς βραχυκύκλωσης ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζουμε την συμβατική ισχύς που αντιστοιχεί στη μεγίστη ισχύ, που αποδίδεται στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση βραχυκυκλώματος μέσα σε αυτό. Ως στάθμη μόνωσης ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας αναφέρεται στην τιμή της κρουστικής αντοχής αυτού, δηλαδή της διηλεκτρικής αντοχής της μόνωσης του εξοπλισμού των υποσταθμών σε κρουστικές υπερτάσεις τυποποιημένης μορφής. 2.8 ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Όταν η λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι καλή και ασφαλής, τότε λέμε ότι το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι σε κανονική κατάσταση λειτουργίας ή μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Ο όρος καλή λειτουργία αφορά περισσότερο τους καταναλωτές, ενώ ο όρος ασφαλής λειτουργία σχετίζεται με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Καλή λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας θεωρείται εκείνη κατά την οποία η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας προς τους καταναλωτές είναι απρόσκοπτη και η τάση τροφοδοσίας των καταναλωτών τηρείται μέσα στα συμβατικά όρια που καθορίζει το συμβόλαιο που υπογράφουμε με τον εκάστοτε παρόχου ηλεκτρικού ρεύματος. Ασφαλής λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας θεωρείται εκείνη κατά την οποία μπορούν οι εγκαταστάσεις και ο εξοπλισμός του συστήματος να υφίστανται ακίνδυνα διηλεκτρικές, θερμικές και δυναμικές καταπονήσεις, και οι καταπονήσεις αυτές τηρούνται μέσα στα προκαθορισμένα όρια για την ασφάλεια του συστήματος. Η ανάλυση της μόνιμης κατάστασης λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει τις μελέτες ροών φορτίου και την οικονομική κατανομή φορτίου. Η ανάλυση ροών φορτίου οδηγεί στον υπολογισμό των τάσεων, των ρευμάτων και των ροών ενεργού και αέργου ισχύος σε όλα τα σημεία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κάτω από πραγματικές ή θεωρητικές συνθήκες φόρτισης και λειτουργίας. Η ανάλυση ροών φορτίου είναι αναγκαία για τη λειτουργία, την οικονομική κατανομή φορτίου, το σχεδιασμό και την επέκταση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, η ανάλυση ροών φορτίου απαιτείται για τον υπολογισμό της ανταλλαγής ισχύος μεταξύ

23 διασυνδεδεμένων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, η ανάλυση ροών φορτίου χρειάζεται και σε άλλες αναλύσεις όπως στη μεταβατική ευστάθεια και στην ανάλυση ενδεχόμενων διαταραχών. Σε ένα τυπικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, οι σταθμοί παραγωγής έχουν διαφορετικά κόστη καυσίμου και ακόμα οι μονάδες παραγωγής δε βρίσκονται στην ίδια απόσταση από το κέντρο της ζήτησης του φορτίου. Επίσης, κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η εγκατεστημένη ισχύς των σταθμών παραγωγής είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα του φορτίου και των απωλειών. Έτσι, υπάρχουν πολλές εναλλακτικές λύσεις για τον προγραμματισμό της παραγωγής των γεννητριών. Με τον όρο οικονομική κατανομή φορτίου εννοούμε την εύρεση της ενεργού και της άεργου ισχύος κάθε μίας από τις μονάδες παραγωγής έτσι ώστε να εξυπηρετείται το φορτίο και να ικανοποιούνται όλοι οι περιορισμοί του συστήματος με το ελάχιστο συνολικό κόστος λειτουργίας. Οι περιορισμοί του συστήματος περιλαμβάνουν τα όρια ενεργού και άεργου ισχύος των μονάδων, τα όρια τάσεων υποσταθμών και τα θερμικά όρια των γραμμών μεταφοράς. Τα πρώτα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εμφανίσθηκα στις αρχές της δεκαετίας του 1880 και έκτοτε αυξήθηκαν δραστικά σε μέγεθος και πολυπλοκότητα. Η βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας παρουσίασε την πρώτη ειρηνική εφαρμογή της πυρηνικής ενέργειας και ήταν από τις πρώτες βιομηχανίες που χρησιμοποίησαν αναλογικό έλεγχο και ψηφιακούς υπολογιστές σε πραγματικό χρόνο. Με την αύξηση του μεγέθους των συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας η λειτουργία τους έγινε πιο πολύπλοκη οπότε παρουσιάστηκε επιτακτικά η ανάγκη του συντονισμού της λειτουργίας του συστήματος από ένα κεντρικό σημείο όπου συλλέγονται όλες οι πληροφορίες για το σύστημα το οποίο αρχικά ονομάσθηκε κέντρο κατανομής φορτίου (ΚΚΦ). Τα σύγχρονα κέντρα κατανομής φορτίου επιφορτίσθηκαν με πολλές πρόσθετες λειτουργίες με στόχο την ασφάλεια του συστήματος γι αυτό ονομάσθηκαν κέντρα ελέγχου ενέργειας (ΚΕΕ). Σήμερα τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνουν ένα ή περισσότερα περιφερειακά κέντρα ελέγχου ενέργειας (ΠΚΕΕ) στα οποία συλλέγονται οι πληροφορίες από διάφορες περιοχές του ηλεκτρικού συστήματος, και ενός κεντρικού κέντρου ελέγχου ενέργειας (ΚΚΕΕ) το οποίο συντονίζει την λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος και έτσι δημιουργείται ένα σύστημα ελέγχου ενέργειας (ΣΕΕ). Θεμελιώδης αρχή για τον σχεδιασμό των κέντρων ελέγχων ενέργειας (ΚΕΕ ) είναι ότι η λειτουργία του συστήματος είναι δυνατή και χωρίς το κέντρο ελέγχου ενέργειας. Ωστόσο χωρίς κεντρικό έλεγχο δεν εξασφαλίζεται η αξιόπιστη και η οικονομική λειτουργία του συστήματος. Το βάρος του ελέγχου καθημερινότητας για την ομαλή λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος την αναλαμβάνει ο ηλεκτρονικός υπολογιστής του κέντρου ελέγχου ενέργειας και σε έκτακτες ανάγκες την ευθύνη για τον έλεγχο του ηλεκτρικού συστήματος αναλαμβάνει ο άνθρωπος χειριστής. Στις κτιριακές εγκαταστάσεις του κέντρου ελέγχου ενέργειας υπάρχουν οι κεντρικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, ο περιφερειακός εξοπλισμός, οι εμπρόσθιοι υπολογιστές και ο εξοπλισμός του συστήματος επικοινωνίας ανθρώπου μηχανής. Βασική απαίτηση είναι η εξασφάλιση της απαιτούμενης διαθεσιμότητας των κέντρων σε ποσοστό της τάξης του 99%.

24 Να σημειωθεί ότι διατίθεται προσομοιωτής εκπαίδευσης χειριστών που περιλαμβάνει τις εφαρμογές μοντελοποίησης του κέντρου ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου ενέργειας της ΔΕΗ αποτελείται από το Εθνικό κέντρο ελέγχου ενέργειας (ΕΚΕΕ) και δύο περιφερειακά κέντρα ελέγχου ενέργειας (ΠΚΕΕ) και ανέλαβε τον πλήρη έλεγχο του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας από τις αρχές του Το Εθνικό κέντρο ελέγχου ενέργειας (ΕΚΚΕ) και το νότιο κέντρο ελέγχου ενέργειας (ΝΠΚΕΕ) συστεγάζονται στον Άγιο Στέφανο Αττικής όπου στην ευρύτερη περιοχή καταναλώνεται το 33% της ηλεκτρικής ενέργειας ενώ το βόρειο περιφερειακό κέντρο ελέγχου ενέργειας (ΒΠΚΕΕ) που στεγάζεται σε κτίριο της περιοχής της Πτολεμαΐδας όπου παράγεται το 68% της εγχώριας ηλεκτρικής ενέργειας. Αναφορικά με τον προγραμματισμό και τον έλεγχο του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να αναφέρει κανείς τα παρακάτω: Αρχικά εδώ θα ασχοληθούμε με τον βραχυπρόθεσμο προγραμματισμό και έλεγχο του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ιδιαίτερα με τις λειτουργίες του υποσυστήματος παραγωγής των κέντρων ελέγχου ενέργειας. Ο βραχυπρόθεσμος προγραμματισμός περιλαμβάνει όλα τα προγράμματα ένταξης των μονάδων παραγωγής με μοναδικό στόχο την κάλυψη της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τον πλέον οικονομικό και αξιόπιστο τρόπο. Ο προγραμματισμός του συστήματος παραγωγής για ένα χρονικό ορίζοντα χρόνια αποφασίζει για την εγκατάσταση νέων μονάδων παραγωγής στο σύστημα ώστε να καλυφθεί αξιόπιστα η διαχρονική αύξηση της ζήτησης των καταναλωτών κατά τρόπο που να ελαχιστοποιεί (να βελτιστοποιεί )το συνδυασμένο κόστος επενδύσεων και λειτουργίας του συστήματος στον μακροχρόνιο ορίζοντα του προγραμματισμού. Με τον μεσοπρόθεσμο χρονικό ορίζοντα προγραμματισμού φροντίζει για την αγορά καυσίμων ή την χρήση υδάτινων πόρων και καταρτίζει πρόγραμμα συντήρησης των μονάδων παραγωγής (1-5 έτη). Το «ενεργειακό πρόβλημα» «Ως Βιομηχανική Επανάσταση μπορεί να οριστεί η διαδικασία εκείνη, μέσω της οποίας η κοινωνία απέκτησε τον έλεγχο τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας, ασύλληπτων για τον προηγούμενο βουκολικό κόσμο, η οποία βρίσκονταν ενσωματωμένη σε θύλακες της ύλης που ως τότε ήταν ανεκμετάλλευτη από τον άνθρωπο. Ο ορισμός αυτός, μολονότι αναφέρεται σε μία συνιστώσα μόνο της Βιομηχανικής Επανάστασης, δίνει το στίγμα της σημασίας της έννοιας "ενέργεια" η οποία προσδιορίζει καθοριστικά την ποιότητα αν όχι την ίδια τη ζωή της ανθρώπινης κοινωνίας του 20ου αιώνα. Σχηματικά, και καθόλου υπερβολικά, θα μπορούσε να ειπωθεί ότι η ύπαρξη και χρήση τεραστίων ποσοτήτων ενέργειας, με τον τρόπο που αυτό συμβαίνει στις χώρες του αναπτυγμένου δυτικού κόσμου, σηματοδοτεί τη διαφορά ανάμεσα σ' αυτόν και τον αναπτυσσόμενο τρίτο κόσμο όσο και την ασύγκριτη εξέλιξη αυτού του ίδιου από την εποχή του Μεσαίωνα ως σήμερα. Αυτό αποτυπώνεται άλλωστε και στην ιστορική εξέλιξη της κατά κεφαλήν κατανάλωσης ενέργειας, που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η Βιομηχανική Επανάσταση σηματοδοτεί την απαρχή της δημιουργίας του κράτους, της πόλης και της ζωής

25 με τη σημερινή τους έννοια. Η μετάβαση από τη φεουδαρχία, τη ζωή στην ύπαιθρο και τις μικρές πόλεις συναλλακτικά κέντρα στη βιομηχανική και τη μεταβιομηχανική κοινωνία, τις πόλεις - παραγωγούς και τον αστικό τρόπο ζωής, είναι μία από τις δραματικότερες και συντομότερα συντελεσθείσες αλλαγές στην ιστορία του ανθρώπινου πολιτισμού. Οι μεταβολές από την κλασική αρχαιότητα ως το Μεσαίωνα είναι πολύ λιγότερες απ' ότι αυτές ανάμεσα στον 18ο και τον 20ο αιώνα. Η περίοδος της Αναγέννησης και των ανακαλύψεων απέφερε πλούσιες γνώσεις, αλλά ελάχιστες πρακτικές διαφοροποιήσεις στην καθημερινή ζωή του ανθρώπινου γένους στο σύνολό του. Αντίθετα, η δημιουργία της βιομηχανίας και η εμφάνιση του καπιταλισμού και του κομουνισμού, ως κυρίαρχα και αντιμαχόμενα οικονομικά και πολιτικοκοινωνικά συστήματα, σηματοδοτεί τη μετάβαση σε μία τελείως διαφορετική μορφή κοινωνικού βίου, αυτήν της βιομηχανικής κοινωνίας. Εξίσου ραγδαία, όμως, είναι και η αρνητική πλευρά αυτής της πορείας, όπως έχει αρχίσει να αποτυπώνεται με τη μορφή περιβαλλοντικών προβλημάτων, κυρίως την τελευταία εικοσαετία. Γράφημα 1 Απεικόνιση κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας Ο 20ος αιώνας αποτέλεσε την περίοδο των εντονότερων μεταβολών που έχει καταγράψει ως τώρα η ιστορία, ακόμη, αποτέλεσε τον «αιώνα του εμφράγματος» εξαιτίας του ραγδαίου ρυθμού των γεγονότων. Το θέμα της ενέργειας παραμένει στο επίκεντρο του αιώνα αυτού, θα καθορίσει αναμφίβολα τις εξελίξεις του επόμενου και μπορεί να τις προσεγγίσει κανείς από τρεις διαφορετικές απόψεις: την εξασφάλιση της αναγκαίας ποσότητας ενέργειας, στην κατάλληλη για την κάθε χρήση μορφή, δηλαδή της ενεργειακής επάρκειας. το κόστος αυτής της ενέργειας. τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρήση της.

26 Οι παραπάνω τρεις απόψεις συνθέτουν ότι έχει γίνει ευρύτερα γνωστό με τον όρο «ενεργειακό πρόβλημα». Αποτελούν, επομένως, το απαραίτητο υπόβαθρο που πρέπει να αναλυθεί προτού κανείς μπορέσει να ασχοληθεί με το πρόβλημα της χρήσης και διαχείρισης ενεργειακών πόρων και της αξιολόγησης ενεργειακών συστημάτων. Ωστόσο, η «ενέργεια», με την έννοια της διαθεσιμότητας ενεργειακών πόρων δεν επαρκεί από μόνη της. Προϋπόθεση για την ενεργειακή επάρκεια είναι η ύπαρξη του κατάλληλου συστήματος που θα μπορέσει να μετατρέψει τη διαθέσιμη ενέργεια σε ωφέλιμη ισχύ και αυτό έναντι ενός αποδεκτού κόστους. Αυτό το τρίγωνο αποτελεί τον πυρήνα του μαθήματος της Οικονομικής Ανάλυσης Ενεργειακών Συστημάτων. Μπορούμε επομένως να ορίσουμε ως ενεργειακό σύστημα τη διάταξη εκείνη που μετατρέπει την οργανική ή ανόργανη ύλη σε μορφές ενέργειας μεταφέρσιμες, αποθηκεύσιμες και τελικά αξιοποιήσιμες υπό μορφή ισχύος από τον καταναλωτή, για την παραγωγή ωφέλιμου έργου. Προτού προχωρήσουμε αναλυτικά στον εξέταση όλων αυτών των εννοιών στις επόμενες ενότητες θα ήταν ίσως σκόπιμο να εξετάσουμε μερικά μεγέθη που καταδεικνύουν τη σημασία και το μέγεθος αυτών των εννοιών. Η εξέλιξη της τεχνολογίας επέτρεψε την ανάπτυξη διαθέσιμης ισχύος με εκθετικό ρυθμό τους τελευταίους δύο αιώνες. Από το σχήμα που ακολουθεί, και στο οποίο η κλίμακα της ισχύος στον άξονα των y είναι λογαριθμική, προκύπτει ότι από το 1840 ως σήμερα η τυπική «μηχανή», το τυπικό ενεργειακό σύστημα παραγωγής ισχύος της εποχής του, αύξησε με σχεδόν γραμμικό τρόπο την ισχύ του από 1 σε kw. Γράφημα 2 Απεικόνιση της εξέλιξης των συστημάτων παραγωγής ισχύος Κι αν η ισχύς του 1 kw φαίνεται, κατά τρόπο εύλογο, αμελητέα στον άνθρωπο του 2000 θα μπορούσαμε να την σεβαστούμε λίγο περισσότερο εξετάζοντας τη ισχύ του ανθρώπου σε σχέση με τις θεωρούμενες αυτονόητες απαιτήσεις της σύγχρονης ζωής μας, από τα στοιχεία που παρατίθενται στο παρακάτω σχήμα.

27 Γράφημα 3 Απεικόνιση των απαιτήσεων ενέργειας Μπορεί κανείς να προσέξει ότι ο φυσιολογικός άνθρωπος αναπτύσσει στη διάρκεια της καθημερινής του εργασίας μία μέση ισχύ μόλις 0,035 kw. Ένας καλογυμνασμένος αθλητής αναπτύσσει στη διάρκεια της σχετικά σύντομης, προσπάθειάς του την τριακονταπλάσια ισχύ του 1 kw. Η αύξηση της ισχύος είναι τεράστια, ωστόσο 1 kw απέδιδε η ατμομηχανή του Ταυτόχρονα, μία απλή διαδικασία όπως το καθημερινό μας μπάνιο απαιτεί ανάπτυξη ισχύος 2 kw, ή αλλιώς την ισχύ δύο αθλητών. Τέλος, η γρήγορη βόλτα ως τη Χαλκιδική απαιτεί ισχύ περίπου 70 kw. Αν επομένως περιγράψει κανείς τη διαθέσιμη ισχύ του 1 kw ως έναν ενεργειακό σκλάβο, τότε μπορούμε να κάνουμε τον εξής συλλογισμό: Η συνολική διαθέσιμη ισχύς που παρέχεται στους πολίτες μίας χώρας αποτελείται, εν πολλοίς, από το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το σύνολο της ισχύος των οχημάτων μεταφοράς. Διαιρώντας αυτό το άθροισμα με τον πληθυσμό της χώρας προκύπτει η μέση κατά κεφαλήν διαθέσιμη ισχύς. Κι αν αυτήν την εκφράσουμε σε μονάδες kw μπορούμε να προσδιορίσουμε τον αριθμό των διαθέσιμων ενεργειακών σκλάβων. Έχει ενδιαφέρον να παρατηρήσει κανείς, από τα στοιχεία του σχήματος, πόσους ενεργειακούς σκλάβους έχει στη διάθεσή του ο μέσος Έλληνας, σε σχέση με τον μέσο πολίτη των ΗΠΑ ή τις Ινδίας.

28 Γράφημα 4 Απεικόνιση της διαθέσιμης ισχύος που παρέχεται στους πολίτες μίας χώρας Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ενεργειακό σύστημα από μόνο του δεν επαρκεί. Απαιτείται η ύπαρξη του κατάλληλου ενεργειακού πόρου και βέβαια σε «λογικό» κόστος. Στο παρακάτω σχήμα μπορεί να δούμε τις τιμές διάθεσης της ενέργειας ένα ενδεικτικό παράδειγμα.

29 Γράφημα 5 Απεικόνιση του κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας ανά χώρα Παρατηρώντας τις τιμές διάθεσης αμόλυβδης βενζίνης, πετρελαίου θέρμανσης και ηλεκτρικής ενέργειας στη μέση τάση σε πέντε χώρες του κόσμου, και σε συνδυασμό με τα στοιχεία του παρακάτω διαγράμματος μπορεί κανείς να διαπιστώσει ότι οι ΗΠΑ παρέχουν στους πολίτες τους όχι μόνο τους περισσότερους ενεργειακούς σκλάβους, αλλά και τη φθηνότερη ενέργεια. Αν μάλιστα αναλογιστεί κανείς ότι πρέπει να αναγάγει τις τιμές και βάσει του κατά κεφαλήν εισοδήματος, που στις ΗΠΑ είναι περίπου δυόμισι φορές υψηλότερο από την Ελλάδα, το οποίο με τη σειρά του είναι τρεις φορές υψηλότερο απ ότι στην Ινδία, καταλήγει κανείς εύκολα στο συμπέρασμα ότι για τον μέσο Ινδό η ενέργεια είναι ουσιώδες αγαθό εν ανεπάρκεια,

30 ελλείψει ισχύος και χρημάτων, ενώ για τον μέσο Αμερικανό είναι το πλέον αυτονόητο και προσιτό δεδομένο. Η υψηλή κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας δεν αποτελεί, ωστόσο, από μόνη της τεκμήριο τεχνολογικής, κοινωνικής ή οικονομικής προόδου. Αντίθετα, μπορεί να αποτελεί ένδειξη ανεπάρκειας και σπατάλης, αφού σημασία δεν έχει να καταναλώνει κανείς ενέργεια, αλλά να παράγει με αυτήν ωφέλιμο έργο. Έτσι μπορούμε να δούμε το δείκτη ενεργειακής έντασης, που εκφράζει το λόγο της κατανάλωσης ενέργειας προς το Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν μίας χώρας, ή αλλιώς το σύνολο των παραγομένων αγαθών και υπηρεσιών. Είναι χαρακτηριστικό ότι στις χώρες της πρώην ΕΣΣΔ, με τα πολλά τεχνολογικά και οικονομικά προβλήματα, απαιτείται περίπου η δεκαπλάσια ποσότητα ενέργειας για την παραγωγή μίας μονάδας ΑΕΠ απ ότι στις χώρες του ΟΟΣΑ. Το ζητούμενο επομένως είναι ο προσδιορισμός, καταρχήν, και η βελτίωση, στη συνέχεια, της ενεργειακής απόδοσης. Ενεργειακή απόδοση Το Μάρτιο του 2000 η Επιτροπή της ΕΕ παρουσίασε το σχέδιο δράσης για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στην ΕΕ (COM(2000)247). Σε αυτό το σχέδιο δράσης σημειώνεται πως το εκτιμώμενο δυναμικό για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στην ΕΕ εξακολουθεί να υφίσταται και είναι σημαντικό, αφού υπερβαίνει το 18% της σημερινής ενεργειακής κατανάλωσης. Αυτό οφείλεται στα εμπόδια της αγοράς που αποτρέπουν την ικανοποιητική διάδοση ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών και, κατά συνέπεια, την πιο ορθολογική χρήση της ενέργειας. Το δυναμικό αυτό είναι ισοδύναμο με παραπάνω από 160 Mtoe ή 1990 TWh (1 Mtoe = TWh) και ισοδυναμεί με τη συνολική ζήτηση στην Αυστρία, το Βέλγιο, την Φιλανδία, την Ελλάδα και την Ολλανδία. Το σχέδιο δράσης περιλαμβάνει πολιτικές και μέτρα για την άρση αυτών των εμποδίων και τη συνειδητοποίηση αυτού του δυναμικού, εστιαζόμενο στους τρεις βασικούς τομείς της οικονομίας: τη βιομηχανία, τις μεταφορές και τα κτίρια. Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στη βιομηχανία. Η ενέργεια που καταναλώθηκε στον βιομηχανικό τομέα το έτος 1998 ανήλθε σε 262 Mtoe (3259,28 TWh) που αναλογεί περίπου στο 28% της ετήσιας τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ. Η πρόβλεψη είναι ότι η κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί και θα ανέλθει σε 290 Mtoe (3607,60 TWh) το έτος Ο ηλεκτρισμός και η παραγωγή θερμότητας αναλογούν στο 8% και 18,6% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται στη βιομηχανία αντίστοιχα και οι ανανεώσιμες πηγές στο 1,6%. Οι δύο μεγαλύτεροι καταναλωτές είναι οι βιομηχανίες χάλυβα και σιδήρου και οι χημικές βιομηχανίες που καταναλώνουν αντίστοιχα το 20 και 16,3 % της ενέργειας που χρησιμοποιείται στον βιομηχανικό τομέα. Περίπου το 25% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται παράγεται από την ίδια τη βιομηχανία. Τα τελευταία 20 χρόνια πολλοί τομείς της βιομηχανίας έχουν βελτιώσει την ενεργειακή τους απόδοση. Αν και δεν υπάρχει ευρωπαϊκή νομοθεσία για την ενεργειακή απόδοση, μερικά κράτη μέλη διαθέτουν σχετικούς νόμους. Τα βήματα προόδου της βιομηχανίας σε αυτό το θέμα πραγματοποιήθηκαν κυρίως αυτοβούλως από τις ίδιες τις βιομηχανίες.

31 Γράφημα 6 Απεικόνιση της ζήτησης υλικών σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειας μέσα στην Ευρωπαϊκή Ένωση Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στις μεταφορές Το έτος 1998 η κατανάλωση ενέργειας στις μεταφορές ανήλθε σε 299 Mtoe (3719,56 TWh) που αναλογεί στο 32% της συνολικής ετήσιας τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ. Η πρόβλεψη καταγράφει μια αύξηση σε 379 Mtoe (4714,76 TWh) το έτος Τα τελευταία 20 χρόνια το μερίδιο της κατανάλωσης των οδικών μεταφορών αυξήθηκε από 30% σε 50% ενώ την ίδια στιγμή σημειώθηκε μείωση στις σιδηροδρομικές μεταφορές από 21% σε 8%. Οι σημερινές εκτιμήσεις προβλέπουν ότι η ζήτηση ενέργειας θα συνεχίσει να αυξάνεται, πιθανόν κατά τον ίδιο ρυθμό με το ακαθάριστο εθνικό προϊόν, με ιδιαίτερη έμφαση στις οδικές μεταφορές και τις αερομεταφορές. Σε αντίθεση με τους άλλους τομείς, οι μεταφορές εξαρτώνται ολοκληρωτικά μόνο από ένα καύσιμο, το πετρέλαιο. Η ενεργειακή ένταση στις μεταφορές αυξήθηκε περίπου 10% στο χρονικό διάστημα Η ενεργειακή απόδοση στις μεταφορές έχει αυξηθεί σημαντικά από το Ωστόσο, κατά το ίδιο χρονικό διάστημα τα χιλιόμετρα που διανύουν τα επιβατικά αυτοκίνητα έχουν υπερδιπλασιαστεί και τα χιλιόμετρα μεταφοράς εμπορευμάτων έχουν σχεδόν τριπλασιαστεί. Προβλέπεται μάλιστα τα τελευταία να αυξηθούν περισσότερο από 50% ως το Στις αερομεταφορές, οι οποίες εξαιρέθηκαν από το πρωτόκολλο του Kyoto και από συγκεκριμένους ενεργειακούς φόρους και νόμους, η κίνηση διπλασιάζεται κάθε 8 χρόνια από το Η μεταφορά των επιβατών προβλέπεται να αυξηθεί κατά 147% από τη σημερινή το Ο τομέας των μεταφορών καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από ότι πριν από 30 χρόνια.

32 Ως εκ τούτου η ενεργειακή απόδοση, αν και σημαντική, δεν είναι δυνατό από μόνη της να αντισταθμίσει την αυξημένη ζήτηση. Η μεγάλη πρόκληση στις μεταφορές είναι η εύρεση τρόπων μείωσης της ζήτησης ενέργειας χωρίς να προκληθεί οικονομική καταστροφή. Η αύξηση της χρήσης ενέργειας στις μεταφορές αναδεικνύει προβλήματα, όχι μόνο σε ότι αφορά την ασφάλεια τροφοδοσίας και την εξάντληση των πεπερασμένων ορυκτών καυσίμων, αλλά και στις κλιματικές αλλαγές που συντελούνται παγκόσμια, την υγεία και την ποιότητα της ζωής στα αστικά κέντρα και στην ύπαιθρο. Η αυξημένη ζήτηση έχει καταστήσει τον τομέα των μεταφορών κλειδί στην τεχνολογική ανάπτυξη, που εστιάζετε κυρίως στις οδικές μεταφορές. Είναι δεδομένο, ότι εξακολουθεί να υπάρχει αξιόλογο δυναμικό για τεχνολογικές βελτιώσεις, όπως μικρά και ελαφριά αυτοκίνητα, οχήματα εκπομπής χαμηλών ή και μηδενικών ρύπων και υβριδικά αυτοκίνητα. Ωστόσο, η ελαστικότητα της τιμής της ενέργειας και του ΑΕΠ είναι περιορισμένη σε αυτόν τον τομέα και η τάση οδηγεί σε μεγαλύτερα αυτοκίνητα για χρήση μικρότερων αποστάσεων. Βραχυπρόθεσμα δεν αναμένεται σημαντική διείσδυση άλλων καυσίμων πέρα του πετρελαίου. Παρόλα αυτά μακροπρόθεσμα η διαθεσιμότητα φθηνότερων υβριδικών αυτοκινήτων ή αυτοκινήτων με τεχνολογία κυψελών καυσίμου μπορεί να ανατρέψει την ισχύουσα σημερινή κατάσταση στην αγορά οχημάτων. Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στα κτίρια Η κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τομέα ανήλθε το 1998 σε 384 Mtoe (4776,96 KWh) που αντιστοιχεί στο 40% περίπου της συνολικής ετήσιας τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ. Ως το έτος 2020 προβλέπεται να αυξηθεί στα 457 Mtoe (5685,08 TWh). Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας ανέρχεται σε 10,5% και 27,5% αντίστοιχα. Το υπόλοιπο 2,5% αναφέρεται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που κυρίως χρησιμοποιούνται στις κατοικίες και είναι ένα ποσοστό που μπορεί να αυξηθεί δραματικά με τα κατάλληλα κίνητρα. Η οικιακή χρήση αποτελεί το 70% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης του κτιριακού τομέα. Στα νοικοκυριά η κατανάλωση ανέρχεται σε 252 Mtoe (3134,88 TWh) και στα εμπορικά και δημόσια κτίρια σε 108 Mtoe 1343,52 TWh) ενώ ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα είναι 0,25 και 0,68 αντίστοιχα. Η μέση κατανάλωση ανά τετραγωνικό μέτρο αυξάνεται κατά 1,3% ετησίως στον τομέα των υπηρεσιών.

33 Στον κτιριακό τομέα η νομοθεσία αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στα κτίρια και ιδιαίτερα στη μείωση της ενεργειακής έντασης στις νέες κατασκευές, με κλασικό παράδειγμα τους αυστηρότερους κανονισμούς θερμομόνωσης. Επιπρόσθετα, προγράμματα επίδειξης και διάχυσης της τεχνολογίας, όπως προγράμματα προώθησης ηλιακών συλλεκτών, έχουν αυξήσει τη χρήση των εναλλακτικών μορφών ενέργειας στα κτίρια. Μονάδες μικρής κλίμακας με τεχνολογίες συμπαραγωγής έχουν επιτυχώς εφαρμοστεί σε αρκετά κράτη μέλη. Σημαντικό δυναμικό εξακολουθεί να υπάρχει στην ενεργειακή ανακαίνιση του υπάρχοντος κτιριακού αποθέματος, με παρεμβάσεις στο κέλυφος και τα ΗΜ συστήματα, επενδύσεις σε συσκευές μεγαλύτερης ενεργειακής απόδοσης και, τέλος, με την εκπαίδευση για την αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας. Είναι γενικά παραδεκτό ότι το 20% της σήμερα χρησιμοποιούμενης ενέργειας θα μπορούσε να εξοικονομηθεί με άμεσα μέτρα, οδηγώντας στην μη εκπομπή 430 εκ. τόνων CO2 ετησίως. Εφαρμόζοντας μεγαλύτερης έκτασης μέτρα, το σημερινό επίπεδο τεχνολογίας είναι ικανό να μειώσει την κατανάλωση στα νοικοκυριά και τα γραφεία έως και 60%. Συνοψίζοντας Η ενέργεια είναι πολύτιμη, ακόμη και σε εποχές που είναι φθηνή, επειδή είναι πεπερασμένη και η χρήση της επιβαρύνει το περιβάλλον. Η τρομακτική εξέλιξη των ενεργειακών συστημάτων επέτρεψε τη χρήση ασύλληπτων ποσοτήτων ενέργειας από όλους μας, διασφαλίζοντας μία πρωτόγνωρη ποιότητα ζωής αποστολή του μηχανικού που έρχεται σε επαφή με ενεργειακά συστήματα, είναι να μεριμνά ώστε αυτά να αξιοποιούν την καταναλισκόμενη ενέργεια με τον πλέον ορθολογικό και οικονομικό τρόπο, προκειμένου να διατηρηθεί, στο βαθμό του δυνατού, αδιατάρακτη αυτή η εξελικτική πορεία, προς όφελος του μεμονωμένου ανθρώπου και του κοινωνικού συνόλου. 2.9 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Στην καθημερινή μας ζωή, αλλά και στο ευρύτερο κοινωνικό-οικονομικό σύστημα, πρωταρχικής σημασίας είναι η διαθεσιμότητα των απαιτούμενων μορφών ενέργειας. Για το μαγείρεμα του φαγητού π.χ. χρειαζόμαστε ενέργεια με μορφή θερμότητας. Για να διαβάσουμε ένα βιβλίο χρειαζόμαστε ενέργεια με μορφή ακτινοβολίας συγκεκριμένου μήκους κύματος, δηλαδή φως. Αν είχαμε την ίδια ενέργεια διαθέσιμη πάλι σε μορφή ακτινοβολίας, διαφορετικού όμως μήκους κύματος, π.χ. υπέρυθρου, θα μας ήταν τελείως άχρηστη για τη συγκεκριμένη χρήση.

34 Είναι λοιπόν απαραίτητο να έχουμε διαθέσιμη την κατάλληλη μορφή ενέργειας για το συγκεκριμένο πάντα σκοπό. Η διαθεσιμότητα της κατάλληλης μορφής ενέργειας στον κατάλληλο τόπο και στον κατάλληλο χρόνο επιτυγχάνεται με τα τεχνικά συστήματα, τα οποία εξασφαλίζουν τόσο την μετατροπή της πρωτογενώς διαθέσιμης ενέργειας στη συγκεκριμένη, χρήσιμη, μορφή της, όσο και τη μεταφορά και ενδεχομένως την αποθήκευσή της. Βέβαια κατά την μετατροπή μιας διαθέσιμης μορφής ενέργειας σε μια άλλη, δεν προκύπτουν μόνο οι επιθυμητές μορφές ενέργειας αλλά πιθανά και άλλες μορφές ενέργειας. Αυτές οι ανεπιθύμητες μορφές ονομάζονται απώλειες ενέργειας. Οι απώλειες ενέργειας υπολογίζονται κατά κύριο λόγο βάσει των νόμων της φυσικής, αφού ληφθεί υπόψη το γεγονός, ότι ιδανικές μηχανές και ιδανικά συστήματα μετατροπής ενέργειας δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, αλλά πάντα συνδέονται με απώλειες. Η ενέργεια είναι για την ανθρώπινη κλίμακα ένας περιορισμένος πόρος, επειδή τα αποθέματα πρωτογενών αρχικών πόρων είναι συγκεκριμένα και περιορισμένα. Ακόμη και οι λεγόμενες ανανεώσιμες μορφές ενέργειας προέρχονται από άλλες, περιορισμένες και εξαντλήσιμες, πηγές. Για παράδειγμα, η ηλιακή ενέργεια που δέχεται η γη για ένα συγκεκριμένο διάστημα είναι μια πεπερασμένη ποσότητα, επειδή προέρχεται από την ακτινοβολία του αστέρα ήλιου. Απλώς, στην περίπτωση αυτή, η διάρκεια ζωής του ήλιου είναι τόσες τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν του ανθρώπου, ώστε να θεωρείται για μας ανεξάντλητη. Στα πλαίσια της δουλειάς του μηχανικού προκύπτει, επομένως, η ανάγκη να υπολογιστεί η «ποιότητα» των ενεργειακών συστημάτων, με την έννοια του προσδιορισμού της ποσότητας και της μορφής της πρωτογενούς μορφής ενέργειας που πρέπει να χρησιμοποιηθεί, ώστε να αποδοθεί στον χρήστη η επιθυμητή, άμεσα εκμεταλλεύσιμη, τελική μορφή ενέργειας κατά τον πλέον αποδοτικό τρόπο. Για την ολοκληρωμένη μελέτη των ενεργειακών συστημάτων δεν αρκεί, ωστόσο, να υπολογιστούν η ποιότητα της μετατροπής και της μεταφοράς ενέργειας. Απαιτείται ακόμη η γνώση των επιδράσεων στο περιβάλλον καθώς και η ύπαρξη εκτενών αναλύσεων και Πληροφοριών για ευρύτερα τεχνολογικά, κοινωνικά και οικονομικά θέματα. Επίσης πρέπει να αναλυθούν τα ποσοτικά μεγέθη των συστημάτων, τα οποία υπολογίζονται μέσω ενός ισοζυγίου του συνολικού συστήματος ή των μερικών κλειστών υποσυστημάτων, με τρόπο που εμπίπτει στα πλαίσια του γνωστικού αντικειμένου της θερμοδυναμικής. Με την επιλογή των ορίων του ισοζυγίου μπορούν να προσδιορισθούν οι εσωτερικές σχέσεις και αλληλεξαρτήσεις των επιμέρους συστημάτων που υπεισέρχονται σ αυτό, συνθέτοντας αυτό που αποτελεί το ενεργειακό σύστημα που χρησιμοποιούμε. Στη φυσική υπάρχουν, εκτός από την ενέργεια, ένας μεγάλος αριθμός μεγεθών όπως η μάζα, η ορμή, η εντροπία, η ποσότητα σωματιδίων ή ακόμα και μεμονωμένες μορφές ενέργειας. Όλα αυτά τα μεγέθη έχουν το κοινό ότι, παρ όλο που το ισοζύγιό τους υπολογίζεται με διαφορετικές σχέσεις, μπορούν να αναχθούν σε μια βασική δομή, η οποία αναφέρεται για όλα τα ισοζύγια στις εξής τρεις βασικές διεργασίες: Αποθήκευση Μεταβίβαση ή μεταφορά πέρα από τα όρια του συστήματος, και μετατροπή Από τα παραπάνω προκύπτει η γενική μορφή ενός ισοζυγίου: Αποθήκευση = Μετατροπή + Μεταφορά

35 Στα πλέον γνωστά παραδείγματα εξισώσεων ισοζυγίου στη φυσική ανήκει το ισοζύγιο ενέργειας, που ακολουθεί το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα, το ισοζύγιο εντροπίας, το οποίο ακολουθεί το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, οι εξισώσεις Navier-Stokes από τη μηχανική ρευστών που ακολουθούν το θεώρημα διατήρησης της ορμής. Ακόμη, ο δεύτερος νόμος του Fourier για τη μετάδοση θερμότητας είναι ένα ισοζύγιο θερμότητας και ο δεύτερος νόμος του Fick για τη διάχυση είναι ένα ισοζύγιο σωματιδίων. Τα ισοζύγια των φυσικών μεγεθών, μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το είδος του ισοζυγίου: Στα ολοκληρωμένα ισοζύγια, τα οποία χρησιμοποιούνται για ολόκληρες εγκαταστάσεις ή τμήματα αυτών και για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και Στα διαφορικά ισοζύγια, τα οποία επιτρέπουν τη θεωρητική εξέταση και μοντελοποίηση της χρονικής και τοπικής έννοιας στα συστήματα. Το μέγεθος ισοζυγίου είναι γενικά ένα τυχαίο μέγεθος Χ, το οποίο είναι ανάλογο της μάζας της ύλης, μπορεί λοιπόν να αναχθεί στη μονάδα μάζας. Βάσει αυτής της ιδιότητας μπορεί να προστεθεί και να υπεισέλθει σε ένα ισοζύγιο. Στη μελέτη ενεργειακών συστημάτων τα σπουδαιότερα φυσικά μεγέθη που μπορούν να μπουν στο ισοζύγιο είναι η μάζα m, τα σωματίδια n, η ενέργεια E, η εντροπία S, η ορμή J, η στροφορμή L, και η εξέργεια Eχ. Τα μεγέθη αυτά μπορούν να είναι γραμμικά (π.χ. m, n, E, S, ή Eχ) ή διανυσματικά (π.χ. J, ή L). Υπάρχουν και άλλες ποσότητες που μπορούν να μπουν σε ένα ισοζύγιο, οι οποίες με την πρώτη ματιά δεν δείχνουν φυσικά μεγέθη. Τέτοιες ποσότητες είναι π.χ. το χρήμα, οι άνθρωποι ή τα αυτοκίνητα. Αν μελετήσει, όμως, κανείς επί της ουσίας αυτές τις ποσότητες, διαπιστώνει ότι κατά βάσει δεν είναι τίποτα άλλο από εξειδικευμένες ποσότητες σωματιδίων, οι οποίες εκφράζουν φυσικά μεγέθη. Για τη μελέτη ισοζυγίων, εκτός από τα μεγέθη του ισοζυγίου, επιβάλλεται να καθοριστεί και το πεδίο ισοζυγίου μέσω συγκεκριμένων ορίων ή συνόρων, τα οποία περικλείουν το σύστημα. Τα όρια αυτά δεν είναι απαραίτητα υπαρκτές διαχωριστικές γραμμές (π.χ. ένας τοίχος), αλλά μπορούν να είναι τυχαίες νοητές γραμμές ή επιφάνειες. Είναι, όμως, απαραίτητο να περικλείουν εξ ολοκλήρου το πεδίο εφαρμογής του ισοζυγίου. Για την επιλογή των κατάλληλων κριτηρίων δεν υπάρχουν συγκεκριμένοι κανόνες, αλλά η επιλογή τους εξαρτάται από τις πληροφορίες και τα συμπεράσματα που θέλουμε να εξάγουμε. Ο χώρος που καθορίζεται από τα όρια αυτά ονομάζεται σύστημα επειδή πρόκειται για το σύστημα που μελετούμε. Σε τεχνικά ισοζύγια ο χώρος αυτός είναι συχνά ένας κλειστός όγκος ή ένα απειροελάχιστα μικρό στοιχείο όγκου. Μπορεί, όμως, να είναι και μία μηχανική εγκατάσταση, ένα τμήμα της εγκατάστασης ή συγκεκριμένες διατάξεις της εγκατάστασης. Το πεδίο ισοζυγίου δεν χρειάζεται να είναι χωροταξικά σταθερό, μπορεί να είναι και μια ροή ενός εν κινήσει στοιχείου, με όγκο dv. Καθορίζοντας το πεδίο του ισοζυγίου, παρατηρεί κανείς ότι υπάρχουν κατά βάση τρία διαφορετικά είδη συστημάτων: τα αποκλεισμένα συστήματα, στα οποία δεν υπάρχει καμία ανταλλαγή με το περιβάλλον τα κλειστά συστήματα, στα οποία μπορεί να ανταλλαγεί ενέργεια με το περιβάλλον και τα ανοιχτά συστήματα, στα οποία μπορεί να γίνει ανταλλαγή ύλης και ενέργειας με το περιβάλλον. Τέλος υπάρχουν και τα αδιαβατικά συστήματα, στα οποία δεν είναι εφικτή η μεταφορά ενέργειας από και προς το περιβάλλον.

36 Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, τα ισοζύγια αποτελούνται από τρεις βασικές διεργασίες, την αποθήκευση, τη μεταφορά και τη μετατροπή, οι οποίες θα μελετηθούν στη συνέχεια αναλυτικότερα. Καταρχήν πρέπει να παρατηρήσουμε ότι όλα τα ενεργειακά ισοζύγια ορίζονται για ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα Δt12 = t2-t1 ή για ένα απειροελάχιστα μικρό χρονικό διάστημα dt. Κατά συνέπεια αντίστοιχα πεπερασμένες (ΔΧ) ή απειροελάχιστα μικρές (dχ) είναι και οι μεταβολές των μεγεθών του ισοζυγίου. Η διεργασία αποθήκευσης, στην οποία μια ποσότητα Χ, σε χρόνο Δt12 αποθηκεύεται ή εξάγεται από το σύστημα, μπορεί να περιγραφεί και μέσω της ποσότητας ΔΧ, που είναι η μεταβολή του μεγέθους Χ από την κατάσταση Χ1 στην κατάσταση Χ2. Αν μάλιστα αναφερθεί κανείς στο απειροελάχιστα μικρό διάστημα dt, τότε μπορεί να περιγραφεί από την χρονική μεταβολή dχ/dt του μεγέθους Χ που έχει αποθηκευτεί στο σύστημα. Μεταβολές κατά τις οποίες η ποσότητα του μεγέθους αυξάνεται, υπεισέρχονται στο ισοζύγιο με θετικό σύμβολο, ενώ αυτές που μειώνουν την ποσότητα του μεγέθους με αρνητικό. H διεργασία μεταφοράς ενέργειας περιγράφεται από την ποσότητα ΔΧ12, η οποία είναι η ποσότητα του μεγέθους Χ του ισοζυγίου, που μεταφέρεται από ή προς το σύστημα στη διάρκεια του χρόνου Δt12. Αν αναγάγουμε τη διεργασία μεταφοράς σε ένα απειροελάχιστα μικρό χρονικό διάστημα dt, τότε ή ποσότητα dχ που μεταφέρεται στο χρόνο dt, μπορεί να περιγραφεί ως ροή X = dχ / dt του μεγέθους Χ. Για τα πρόσημα, η σύμβαση είναι η ίδια, δηλαδή ποσότητες που προστίθενται στο σύστημα υπεισέρχονται στο ισοζύγιο με θετικό πρόσημο, ενώ ποσότητες που αφαιρούνται από το σύστημα με αρνητικό πρόσημο. Στην τρίτη βασική διεργασία, στη διεργασία μεταφοράς, η ποσότητα Χ εξαφανίζεται ή στην αντίθετη περίπτωση εμφανίζεται, δηλαδή σε ένα χρονικό διάστημα Δt εξαφανίζεται ή εμφανίζεται η ποσότητα ΔΓ12χ του μεγέθους Χ μέσω μεταφοράς. Αν αυτή η διαδικασία αναχθεί σε ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα dt, προκύπτει πάλι μια ροή Γx = dχ / dt, η οποία αντιστοιχεί στη μεταβολή της ποσότητας Χ του ισοζυγίου μέσω μεταφοράς. Για να υπάρχει διαφοροποίηση από τις άλλες διεργασίες, συμβολίζουμε τις αλλαγές τις τρίτης διεργασίας με το γράμμα Γ. Η εμφάνιση της ποσότητας Χ στο ισοζύγιο εισάγεται με θετικό πρόσημο, ενώ η απομάκρυνσή της με αρνητικό. Ολοκληρωμένα ενεργειακά ισοζύγια Το ολοκληρωμένο ενεργειακό ισοζύγιο εξυπηρετεί τον έλεγχο ολόκληρων συστημάτων ή ολόκληρων τμημάτων εγκαταστάσεων, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της μάζας και της ενέργειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θεωρητικές αναλύσεις σε σταθερά και δυναμικά συστήματα. Χρησιμοποιείται για την επίλυση διεργασιών σε τεχνικά συστήματα ή τμήματα αυτών, στα οποία είναι γνωστές οι εισερχόμενες ροές μεγεθών ή μερικά σταθερά μεγέθη του συστήματος. Τα ολοκληρωμένα ενεργειακά ισοζύγια μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, «ολοκληρωμένα ισοζύγια ενέργειας» και «ολοκληρωμένα ισοζύγια ροών». Στα «ολοκληρωμένα ισοζύγια ενέργειας» παρατηρεί κανείς πεπερασμένες ποσότητες, οι οποίες μεταφέρονται, αποθηκεύονται ή μετατρέπονται στο σύστημα.

37 Η γενική εξίσωση ισοζυγίου για το μέγεθος Χ δίνεται από τη σχέση: Δχ = ΔΧ12 + ΔΓ12,χ Στα «ολοκληρωμένα ισοζύγια ροών» παρατηρεί κανείς μία ή περισσότερες ροές, οι οποίες εισρέουν, αποθηκεύονται ή μετατρέπονται μέσα στο σύστημα. Η γενική εξίσωση του ισοζυγίου δίνεται από τη σχέση: dχ / dt = X + Γx Σε πραγματικά συστήματα μία διεργασία σπάνια αποτελείται από μία μόνο ροή. Γι αυτό και η εξίσωση του ισοζυγίου δίνεται γενικά από τη εξής σχέση αθροισμάτων: Σ Δχ = Σ ΔΧ12 + Σ ΔΓ ή 12,χ ή Σ (dχ / dt) =Σ Χ + Σ Γx Διαφορικά ενεργειακά ισοζύγια Τα διαφορικά ενεργειακά ισοζύγια αναφέρονται σε απειροελάχιστα μικρά στοιχεία όγκου dv και περιγράφουν διεργασίες του μεγέθους Χ στο χώρο και στο χρόνο, δηλαδή εξυπηρετούν τον υπολογισμό της χωρικής και χρονικής μεταβολής πεδίων. Με τις σχέσεις που περιγράφουν αυτό το πεδίο, προκύπτει ένα μοντέλο με τη βοήθεια του οποίου μπορούν να υπολογιστούν ειδικές ροές μεγεθών σε τεχνικές εγκαταστάσεις ή τμήματα τεχνικών εγκαταστάσεων. Με τα διαφορικά ενεργειακά ισοζύγια γίνεται προσπάθεια να περιγράφουν διεργασίες στο εσωτερικό ενός συστήματος, όπως π.χ. η μεταβολή της θερμοκρασίας σε έναν τοίχο, η μεταβολή της πυκνότητας σωματιδίων ενός αερίου πίσω από μία καπνοδόχο ή οι ταχύτητες ροής σε ένα σωλήνα ως συνάρτηση του χώρου και του χρόνου. Νόμοι εξειδικευμένων ισοζυγίων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, υπάρχουν τρεις βασικές διεργασίες στα ισοζύγια, οι διεργασίες αποθήκευσης, μεταφοράς και μετατροπής. Στην πράξη, όμως, κι επειδή μερικές διεργασίες δεν συμβαίνουν πάντα, κάποια μεγέθη μπορούν να απλοποιηθούν και, κατά συνέπεια, απλοποιείται και το ίδιο το ισοζύγιο. Ισοζύγια αρχής διατήρησης της Ενέργειας, της Μάζας ή της Ορμής Αν μελετήσουμε την ενέργεια τότε, όπως είναι γνωστό από τη θερμοδυναμική, ισχύει το πρώτο αξίωμα της θερμοδυναμικής, σύμφωνα με το οποίο δεν μπορεί να εξαφανιστεί ούτε να δημιουργηθεί ενέργεια, δηλαδή ο όρος της μετατροπής πρέπει να είναι μηδέν ΔΓ12,Ε =0. Η γενική μορφή του ισοζυγίου δίνεται από την εξίσωση: ΔΕ =ΔΕ12 ή de / dt = E Η ίδια εξίσωση ισχύει και για άλλα μεγέθη για τα οποία ισχύει η αρχή διατήρησης, π.χ. για την ορμή, τη στροφορμή και τη μάζα, για την οποία η παραπάνω σχέση δίνεται: Δm = Δm12 ή dm / dt = m Γιατί, όμως, μιλάμε για μετατροπή ενέργειας όταν ο όρος της μετατροπής στο ισοζύγιο πρέπει να είναι μηδενικός; Επειδή, παρ όλο που σύμφωνα με το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα η μετατροπή ενέργειας πρέπει να είναι συνολικά μηδέν. Μορφές ενέργειας μπορούν να μετατραπούν σε άλλες μορφές και αυτό ακριβώς αποτελεί τη μετατροπή του ισοζυγίου. Αν, όμως, το ισοζύγιο υπολογιστεί για μία συγκεκριμένη μορφή ενέργειας, τότε δεν ισχύει η αρχή διατήρησης και επομένως ο όρος της μετατροπής στο ισοζύγιο δεν μπορεί να είναι μηδενικός. Πρέπει λοιπόν να δίνεται μεγάλη προσοχή, για ποια ακριβώς μεγέθη ισχύει το ισοζύγιο.

38 Ενεργειακά ισοζύγια εντροπίας Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, η αρχή διατήρησης δεν ισχύει για την εντροπία. Στα ενεργειακά ισοζύγια εντροπίας ο όρος μετατροπής πρέπει να αυξάνει συνεχώς ή να είναι μηδενικός ΔΓ12,s 0 ή Γs 0. Η εντροπία μπορεί να μειωθεί μόνο μέσω μεταφοράς ενέργειας έξω από τα σύνορα του συστήματος. Η γενική εξίσωση του ισοζυγίου εντροπίας παίρνει την μορφή: ΔS = ΔS12 + ΔΓ12,s ή ds / dt = S + Γ Ενεργειακό ισοζύγιο εξέργειας Για την εξέργεια δεν ισχύει η αρχή διατήρησης, αλλά, αντίθετα από την εντροπία και σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, ο όρος μετατροπής στο ισοζύγιο εξέργειας πρέπει να μειώνεται συνεχώς ή να είναι μηδενικός ΔΕ12,Εχ 0 ή ΓEχ 0. Η εξέργεια μπορεί να αυξηθεί μόνο μέσω μεταφοράς ενέργειας μέσα στο σύστημα. Η γενική εξίσωση του ισοζυγίου εξέργειας παίρνει την μορφή: ΔΕχ = ΔE12,χ + ΔΓ12Εχ ή deχ / dt = Eχ + ΓΕχ Ισοζύγια σταθερών συστημάτων Σε σταθερά συστήματα, δηλαδή συστήματα που δεν μεταβάλουν την κατάστασή τους με το χρόνο, ο όρος της αποθήκευσης ενέργειας στο ισοζύγιο πρέπει να είναι μηδενικός. Το ισοζύγιο τότε δίνεται από την εξίσωση: 0 = ΔX12 + ΔΓ12,χ ή 0 = X + Γχ Ισοζύγια κλειστών συστημάτων Στην εξειδικευμένη περίπτωση, στην οποία το σύστημα είναι κλειστό, δηλαδή δεν είναι δυνατή καμία ανταλλαγή με το περιβάλλον, ο όρος της μεταφοράς ενέργειας πρέπει να είναι μηδενικός ΔΧ12 = 0 ή Χ = 0: ΔX = 0 + ΔΓ12,χ ή dχ / dt = 0 + Γχ Για μεγέθη για τα οποία ισχύει η αρχή διατήρησης ΔΓ12,χ = 0 ή Γχ = 0), προκύπτει η εξής εξίσωση για κλειστό σύστημα: ΔX = 0 ή dχ / dt = 0 Ενεργειακή ανάλυση τεχνικών συστημάτων Ένα από τα σημαντικότερα ερωτήματα στη μελέτη συστημάτων μετατροπής ενέργειας είναι το πόση ενέργεια πρέπει να προσδοθεί στο σύστημα για να αποκτήσουμε μία συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας στην επιθυμητή μορφή. Αυτή η επιθυμητή μορφή ενέργειας μπορεί να ονομασθεί τελική επιθυμητή ενέργεια, ενώ η ενέργεια η οποία παίρνει ανεπιθύμητη μορφή χαρακτηρίζεται ως απώλεια ενέργειας. Οι μορφές ενέργειας που προσδίδονται στο σύστημα, μπορούν να διαχωριστούν σε αυτές που εισάγονται στο σύστημα μέσω ενός φορέα ενέργειας και σε αυτές που προστίθενται ως θερμότητα στο σύστημα από το περιβάλλον. Η πρώτη κατηγορία αποτελεί ένα έξοδο ή μία δαπάνη, ενώ η δεύτερη είναι δωρεάν. Στην αποτίμηση των ενεργειακών συστημάτων ενδιαφέρουν κυρίως οι μορφές ενέργειας που εισάγονται μέσω κάποιου φορέα, για λόγους που είναι προφανείς και θα ποσοτικοποιηθούν στη συνέχεια.

39 Ισοζύγιο τεχνικών συστημάτων Τα ενεργειακά ισοζύγια των τεχνικών συστημάτων μπορούν να παρασταθούν με διαγράμματα ροής που ονομάζονται και διαγράμματα Sankey. Τα διαγράμματα αυτά επιτρέπουν την ποσοτική περιγραφή διεργασιών του συστήματος για μετατροπή και χρήση ενέργειας και δίνουν μια καλή σύνοψη της τελικής επιθυμητής ενέργειας, με τη γραφική παρουσίαση των εμφανιζόμενων ροών ενέργειας καθώς και των ροών απώλειας ενέργειας που παρατηρούνται στο σύστημα. Είναι, επομένως, κατάλληλα για σύγκριση διαφορετικών ενεργειακών συστημάτων που εξασφαλίζουν την ίδια τελική επιθυμητή ενέργεια αλλά την αποκτούν με διαφορετικούς τρόπους. Σκοπός των διαγραμμάτων αυτών, όπως άλλωστε και των ενεργειακών ισοζυγίων γενικότερα, είναι να διευκολύνουν τη βελτιστοποίηση της σχέσης τελικής επιθυμητής και χρησιμοποιούμενης ενέργειας με τις ροές ενέργειας, τις απώλειες και τις δυνατότητες εξοικονόμησης, ώστε να μπορέσουμε να βελτιστοποιήσουμε ένα τεχνικό σύστημα. Για να μπορεί να γίνει εύκολα μια σύγκριση διαφορετικών συστημάτων, τα αριθμητικά δεδομένα ανάγονται όλα σε διάθεση 100 μονάδων επιθυμητής ή τελικής ενέργειας. Στα σχήματα που ακολουθούν απεικονίζονται τα διαγράμματα Sankey ενός απλού ενεργειακού ισοζυγίου σε μια εγκατάσταση θέρμανσης ενός κτιρίου. Μπορεί εύκολα να αναγνωρισθεί σε ποια υποσυστήματα εμφανίζονται ροές απωλειών και πόσο υψηλές είναι, η αρχική χρησιμοποιούμενη ενέργεια και η τελική ενέργεια που καταναλώνεται, όταν πρέπει να διατεθούν 100 μονάδες χρήσιμης ενέργειας, στο παράδειγμά μας, θερμότητας για τη θέρμανση του κτιρίου. Στα σχήματα φαίνονται οι διαφορετικές ροές ενέργειας ανάλογα με το σύστημα και τον πρωτογενή πόρο που χρησιμοποιείται. Τα μεγέθη δίνονται συνοπτικά στον ακόλουθο πίνακα 2.1. Από τον παραπάνω πίνακα μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί πόση αρχική ενέργεια πρέπει να δοθεί από κάθε διαφορετικό σύστημα για να παραχθεί η ίδια ποσότητα τελικής χρήσιμης ενέργειας και ποιες απώλειες εμφανίζονται σε ποια υποσυστήματα. Επίσης, δίνονται οι αντίστοιχοι συντελεστές και βαθμοί απόδοσης των υποσυστημάτων, ώστε να μπορούν να συνταχθούν με ευκολία τα αντίστοιχα ισοζύγια ενέργειας. Για παράδειγμα στο σύστημα της

40 ηλεκτρικής θέρμανσης, εμφανίζονται μηδενικές απώλειες στο σύστημα προετοιμασίας ή παραγωγής χρήσιμης ενέργειας για το χρήστη, αντίθετα όμως παρατηρούνται υψηλές απώλειες στο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και στο σύστημα μεταφοράς. Έτσι, τελικά, απαιτούνται 294 μονάδες αρχικής ενέργειας για να παραχθούν 100 μονάδες χρήσιμης ενέργειας στην τελική της μορφή. Αντιθέτως, σε περίπτωση χρησιμοποίησης μιας ηλεκτροκίνητης αντλίας θερμότητας, απαιτούνται μόνο 101 μονάδες αρχικής ενέργειας, ενώ σε μια αντλία θερμότητας, που λειτουργεί με φυσικό αέριο μόνο 71 μονάδες. Η καλή απόδοση αυτών των συστημάτων οφείλεται στο ότι και στα δύο συστήματα η θερμότητα του περιβάλλοντος, η οποία δεν αποτελεί έξοδο, μπορεί εν μέρει να αξιοποιηθεί για την κάλυψη των αναγκών θερμότητας. Το σύστημα θέρμανσης με αντλία θερμότητας που χρησιμοποιεί φυσικό αέριο απαιτεί λοιπόν τη μικρότερη κατανάλωση αρχικής ενέργειας, εξαιτίας του γεγονότος ότι ακόμη και η θερμότητα που εκπέμπεται από τη διάταξη καύσης του φυσικού αερίου μπορεί να προστεθεί στην τελική χρήσιμη ενέργεια. Βασικά μεγέθη ενεργειακών συστημάτων Για να μπορεί να είναι εφικτή η σύγκριση μεταξύ ενεργειακών συστημάτων, εισάγονται κάποια βασικά μεγέθη τα οποία ανάγουν το άθροισμα των τελικών μορφών ενέργειας (επιθυμητό αποτέλεσμα) στο άθροισμα των εισαγόμενων αρχικών μορφών ενέργειας (κόστος). Μια κατηγορία βασικών μεγεθών είναι οι «βαθμοί απόδοσης» του ισοζυγίου. Παίρνουν τιμές ανάμεσα στο μηδέν και τη μονάδα, την οποία προφανώς δεν μπορούν να ξεπεράσουν ποτέ, μια και, σύμφωνα με το πρώτο αξίωμα της θερμοδυναμικής, η ωφέλιμη τελική ενέργεια δεν μπορεί να είναι ποτέ μεγαλύτερη από την ενέργεια που προσδίδεται στο σύστημα. Μια άλλη κατηγορία βασικών μεγεθών είναι οι «αριθμοί απόδοσης» ή «συντελεστές απόδοσης», οι οποίοι σε συνάρτηση με την προσδιδόμενη θερμότητα του περιβάλλοντος ή τη θερμότητα που αποδίδεται από τα ίδια τα συστήματα, μπορούν να πάρουν τιμές μεγαλύτερες από τη μονάδα. Οι δύο αυτές κατηγορίες μεγεθών ορίζονται ως εξής (Rudolpund Schaefer, 1994): Στους βαθμούς απόδοσης μπορεί να γίνει ο διαχωρισμός μεταξύ του βαθμού απόδοσης που συμβολίζεται με το γράμμα η και του βαθμού ωφέλειας που συμβολίζεται με το γράμμα ζ. Οι βαθμοί απόδοσης αναφέρονται σε συγκεκριμένα τμήματα του συστήματος. Θέτουν σε σχέση την προσδιδόμενη στο σημείο αυτό ροή ενέργειας Επρ,I με την εμφανιζόμενη χρήσιμη ροή ενέργειας Εχρ,I. Επιβάλλεται, να γίνεται συγκεκριμένη αναφορά στους βαθμούς απόδοσης για το υπό εξέταση σύστημα. η = Σ Επρ,i / Σ Εχρ,i Οι βαθμοί ωφέλειας, αντίθετα, αναφέρονται σε συγκεκριμένους χρόνους, συσχετίζοντας τις ποσότητες ενέργειας που προσφέρονται ή απάγονται από το σύστημα μέσα σε καθορισμένο

41 χρονικό διάστημα Δt12= t2-t1. Με τον τρόπο αυτό περιγράφουν τον ολοκληρωμένο κύκλο διεργασιών (σταθερών και μεταβατικών καταστάσεων) για το διάστημα Δt12. Με το βαθμό ωφελείας πρέπει πάντα να δίνεται και ο αντίστοιχος χρόνος αναφοράς. ζ = Σ ΔΕζ.i,12 / Σ ΔΕπρ,i,12 Ανάλογα με τους βαθμούς απόδοσης και ωφέλειας διαφοροποιούνται οι αριθμοί σε αριθμούς απόδοσης και αριθμούς εργασίας. Οι αριθμοί απόδοσης συνδέουν τις ροές τελικής ενέργειας Εζi, με τις ροές ενέργειας που προσδίδονται στους φορείς ενέργειας Εt,πρ,I, και συσχετίζουν με αυτόν τον τρόπο καταστάσεις λειτουργίας ή διεργασίας του συστήματος ανάλογα με το βαθμό απόδοσης: ε = Σ Εζ,i / Σ Εt,πρ,i Οι αριθμοί εργασίας συνδέουν τις ποσότητες τελικής ενέργειας ΔΕζ,I,12 που παίρνουμε στο χρόνο Δt12 με τις προσδιδόμενες ποσότητες ΔΕt,πρ,I,12 και συσχετίζουν με τον τρόπο αυτό συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα ανάλογα με το βαθμό ωφέλειας. β = Σ Εζ,I,12 / Σ Εt,πρ,i,12 Στον επόμενο πίνακα δίνονται παραδείγματα από βαθμούς και αριθμούς ενεργειακών συστημάτων. Βασικές έννοιες και μεγέθη της ανάλυσης ενεργειακών συστημάτων Βασικές έννοιες Φορείς Ενέργειας Είναι η ύλη (σωματίδια, ποσότητες ύλης) ή άλλες φυσικές μορφές ύπαρξης (ακτινοβολία) από τις οποίες μπορεί να αποδοθεί μέσω μετατροπών και συγκεκριμένα μέσω μετάδοσης ενέργειας, η επιθυμητή μορφή τελικής ενέργειας (π.χ. καύσιμα υλικά, ζεστό νερό, ηλεκτρική ενέργεια κ.λ.π.). Πρωτογενής ενέργεια

42 Είναι το ενεργειακό περιεχόμενο των φορέων ενέργειας, η οποία δεν έχει υποστεί ακόμα καμία μετατροπή ή μεταποίηση (π.χ. το ενεργειακό περιεχόμενο του πετρελαίου, του φυσικού αερίου, του άνθρακα κ.λ.π.). Δευτερογενής ενέργεια Είναι το ενεργειακό περιεχόμενο των φορέων ενέργειας, το οποίο προκύπτει από τη μετατροπή μορφών πρωτογενούς ή δευτερογενούς ενέργειας (π.χ. το ενεργειακό περιεχόμενο του καύσιμου πετρελαίου μετά την μετατροπή του από αργό πετρέλαιο σε ένα διυλιστήριο, ή η ηλεκτρική ενέργεια της γεννήτριας σε ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας). Τελική μορφή ενέργειας Είναι το ενεργειακό περιεχόμενο, το οποίο αναφέρεται στην ενέργεια που χρησιμοποιείται από τον τελικό χρήστη, μειωμένο κατά τις απώλειες από τις διάφορες χρήσεις και μετατροπές ενέργειας. Τελική μορφή ενέργειας είναι για παράδειγμα το ενεργειακό περιεχόμενο του πετρελαίου θερμάνσεως, το οποίο βρίσκεται ήδη στη δεξαμενή στο σπίτι του καταναλωτή ή η κατανάλωση σε ηλεκτρική ενέργεια ενός πελάτη της ΔΕΗ. Αντίθετα, δεν αποτελεί τελική μορφή ενέργειας το ενεργειακό περιεχόμενο του άνθρακα, το οποίο πηγαίνει για κατανάλωση σε ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας ή το ενεργειακό περιεχόμενο του βαρέως πετρελαίου (μαζούτ) που χρησιμοποιείται σε μία χημική βιομηχανία ως πρώτη ύλη για την παραγωγή συνθετικών προϊόντων. Ωφέλιμη ενέργεια Είναι η ενέργεια η οποία είναι διαθέσιμη για χρήση μετά τις τελευταίες μετατροπές στα μηχανήματα και στις διεργασίες τελικής χρήσης, π.χ. η τεχνική μορφή ενέργειας η οποία θα χρησιμοποιηθεί τελικά από τον καταναλωτή (θερμότητα, μηχανική ενέργεια, φως). Προέρχεται από την τελική μορφή ενέργειας μειωμένη κατά τις απώλειες των τελευταίων μετατροπών. Ενεργειακές Υπηρεσίες Είναι οι υπηρεσίες που προκύπτουν κατά την ικανοποίηση αναγκών με την παραγωγή ωφέλιμης ενέργειας (π.χ. οι ικανοποιητικά θερμαινόμενοι και φωτιζόμενοι χώροι, η παροχή ατμού σε παραγωγικές διαδικασίες, η διατήρηση του εργαζόμενου μέσου υπό πίεση σε ένα υδραυλικό σύστημα κ.λ.π.) Βασικά ενεργειακά μεγέθη Στους επόμενους πίνακες παρατίθενται συνοπτικά οι συνηθέστερες χρησιμοποιούμενες μονάδες ενέργειας καθώς και η θερμογόνος ισχύς των βασικότερων ενεργειακών πόρων.

43 Το ενεργειακό περιεχόμενο ενός πόρου προσδιορίζεται με το όρο της θερμογόνου ισχύος, που, όπως είναι γνωστό από τη θερμοδυναμική, διακρίνεται σε ανώτερη και κατώτερη. Η τελευταία χρησιμοποιείται στη μελέτη των ενεργειακών συστημάτων. Στον πίνακα που ακολουθεί παρατίθενται ενδεικτικά οι τιμές των πιο διαδεδομένων ενεργειακών πόρων. Η επενδυτική διάσταση των ενεργειακών συστημάτων Τα ενεργειακά συστήματα αποτελούν επενδύσεις, αφού δεσμεύουν χώρο και οικονομικούς και ανθρώπινους πόρους. Η υλοποίηση αυτών των επενδύσεων απαιτεί την γνώση βασικών αρχών του σχεδιασμού, της εξεύρεσης των οικονομικών πόρων και της διαδικασίας υλοποίησής τους. Στις επόμενες παραγράφους δίνονται συνοπτικά αυτά τα χαρακτηριστικά, διαιρούμενα για μεθοδολογικούς σκοπούς σε δύο κατηγορίες, των μεγάλων κεντρικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας και των μικρότερων συστημάτων που αξιοποιούν την ενέργεια που παράγεται στα πρώτα. Κεντρικά συστήματα παραγωγής ενέργειας

44 Τέτοια συστήματα είναι αυτά της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα εξόρυξης άντλησης, μεταφοράς και διάθεσης υδρογονανθράκων. Έχουν τα εξής βασικά χαρακτηριστικά: Τα ενεργειακά συστήματα αποτελούν επενδύσεις έντασης κεφαλαίου. Τα συστήματα παραγωγής ενέργειας έχουν σημαντικό αρχικό κόστος, που επιδρά σε επίπεδο εθνικής οικονομίας. Η αρχική επιλογή ενεργειακού πόρου δεσμεύει το χρήστη για μεγάλο χρονικό διάστημα. Απαιτείται σημαντική υποδομή σε δίκτυα μεταφορών. Ο χρονικός ορίζοντας σχεδιασμού είναι μεγάλος. Ο χρόνος υλοποίησης είναι μεγάλος. Η οικονομία κλίμακας είναι σημαντικός παράγοντας. Η επιλογή της θέσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από γεωμορφολογικά δεδομένα. Η περιβαλλοντική παράμετρος καθίσταται ολοένα σημαντικότερη. Τέλος, οι επιλογές εξαρτώνται από κοινωνικούς, τοπικούς και εν γένει πολιτικούς παράγοντες. Ως παράδειγμα που καθιστά ορατή την έκταση και την πολυπλοκότητα του ενεργειακού συστήματος μπορεί κανείς να αναφέρει το σύστημα τροφοδοσίας υγρών καυσίμων, που περιλαμβάνει τα εξής στάδια: Άντληση Μεταφορά με πετρελαιοφόρα και αγωγούς ανά τον κόσμο Αποθήκευση σε λιμάνια Μεταφορά σε διυλιστήρια Επεξεργασία στα διυλιστήρια Αποθήκευση Μεταφορά σε χονδρεμπόρους Αποθήκευση Μεταφορά στο πρατήριο Αποθήκευση Μεταφορά στο κτίριο και αποθήκευση στη δεξαμενή για καύση στο σύστημα θέρμανσης ή διάθεση από το πρατήριο στον αυτοκινητιστή ή μοτοσικλετιστή για καύση στη ΜΕΚ. Αντίστοιχα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει σχηματικά το σύστημα παραγωγής, μεταφοράς και διάθεσης του ηλεκτρισμού.

45 Από τις δύο αυτές αναφορές συνάγεται εύκολα το συμπέρασμα ότι τα μεγέθη είναι μεγάλα και τα συστήματα περίπλοκα. Αυτό γίνεται ακόμη πιο κατανοητό από τη σύγκριση των βασικών χαρακτηριστικών ενός πυρηνικού και ενός ανθρακικού θερμοηλεκτρικού σταθμού στον ακόλουθο πίνακα. Σύγκριση των βασικών χαρακτηριστικών ενός πυρηνικού και ενός ανθρακικού θερμοηλεκτρικού σταθμού

46 (*) : Οριζόμενη ως λόγος των ωρών λειτουργίας σε πλήρη ισχύ το έτος. Συστήματα χρήσης ενέργειας Πρόκειται για μικρότερα συστήματα παραγωγής θερμικής ισχύος, συστήματα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, συστήματα παραγωγής μηχανικής ισχύος κλπ. Έχουν τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά: Τα ενεργειακά συστήματα αποτελούν επενδύσεις έντασης κεφαλαίου. Η μεγάλη πλειοψηφία των συστημάτων που χρησιμοποιούν συμβατικές μορφές ενέργειας έχουν μικρό αρχικό κόστους σε σχέση με τις λειτουργικές δαπάνες. Η οικονομία κλίμακας είναι λιγότερο σημαντικός παράγοντας. Η αρχική επιλογή ενεργειακού πόρου δεσμεύει το χρήστη για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η απαιτούμενη υποδομή εμπίπτει στην πρώτη κατηγορία. Η εξάρτηση του καταναλωτή από τον προμηθευτή είναι καθοριστική. Ο χρονικός ορίζοντας σχεδιασμού είναι σχετικά μεγάλος. Ο χρόνος υλοποίησης είναι αμελητέος. Πρόκειται επομένως για συστήματα που είναι πιο μικρά και λιγότερο πολύπλοκα, από αυτά της πρώτης κατηγορίας, όπως φαίνεται από τα παραδείγματα ενός λέβητα πετρελαίου και μίας ανεμογεννήτριας, ή ακόμη και από τα χαρακτηριστικά που προκύπτουν κατά τη σύγκριση ενός ηλεκτρικού και ενός ηλιακού θερμοσίφωνα.

47