Course: Renewable Energy Sources

Transcript

1 Course: Renewable Energy Sources Interdisciplinary programme of postgraduate studies Environment & Development, National Technical University of Athens C.J. Koroneos G. Xydis Exergy

2 Εξέργεια Γιώργος Ξύδης Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ Υπ. Διδάκτορας ΕΜΠ Vector Αιολικά Πάρκα Ελλάδος A.E. Τηλ.. (0030)

3 Ορισμός Η εξέργεια μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την ενέργεια που είναι διαθέσιμη για να χρησιμοποιηθεί Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσό ενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, για παράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγει ένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του. Η εξέργεια ενός συστήματος είναι το μέγιστο δυνατό έργο κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που φέρνει το σύστημα σε «θερμική» ισορροπία με το περιβάλλον

4 Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνται και δεν καταστρέφονται

5 Βασικές Θερμοδυναμικές Έννοιες Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος: Το αλγεβρικό άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας και του έργου που είτε παράγεται είτε δαπανάται από ένα σύστημα ισούται με το πόσο θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται από το σύστημα αυτό Q = ΔU + W Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος: Σύμφωνα με το δεύτερο Θερμοδυναμικό αξίωμα, η εντροπία, δηλαδή η αταξία ενός συστήματος τείνει, αν αφεθεί μόνο του, να αυξηθεί. Δηλαδή δεν μπορεί από μόνο του ένα σύστημα να πάει σε κατάσταση μεγαλύτερης τάξης, αλλά τείνει σε κατάσταση μεγαλύτερης αταξίας. Απαγορεύει δηλαδή σε δύο σώματα ίσης θερμοκρασίας, που είναι σε επαφή μεταξύ τους και απομονωμένα από το περιβάλλον, από το να εξελιχθούν σε μια κατάσταση στην οποία το ένα από τα δύο να έχει μια σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από το άλλο.

6 Εντροπία Η εντροπία είναι μία εκτατική μεταβλητή ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Η έννοια της εντροπίας είναι μία από τις σημαντικότερες έννοιες στις φυσικές επιστήμες, λόγω της διατύπωσης του Δεύτερου Θερμοδυναμικού Αξιώματος, σύμφωνα με το οποίο σε μία μεταβολή ενός απομονωμένου συστήματος η εντροπία αυξάνεται πάντοτε. Πιό απλά η εντροπία θεωρείται ότι εκφράζει μέτρο της αταξίας ενός συστήματος.

7 Εντροπία - Εξέργεια Η υποβάθμιση της ποιότητας είναι ισοδύναμη ουσιαστικά με την αύξηση εντροπίας. Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος: οι μετατροπές ενέργειας και ύλης πρέπει να γίνονται από μια κατάσταση χαμηλής θερμοδυναμικής πιθανότητας προς μια κατάσταση υψηλότερης χαμηλότερη ποιότητα συστήματος = αύξηση της εντροπίας του Η εξέργεια είναι το τμήμα της ενέργειας που είναι μετατρέψιμο σε όλες τις άλλες μορφές ενέργειας.

8 Περιεχόμενο σε εξέργεια για διάφορες μορφές ενέργειας Ποιότητα Άριστη Εξαιρετική Κατώτερη Άχρηστη Μορφή ενέργειας Δυναμική ενέργεια Κινητική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια Πυρηνική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Χημική ενέργεια 4 θερμός ατμός Τηλεθέρμανση Απώλειες θερμότητας Θερμότητα ως ακτινοβολία από τη Γη Δείκτης ποιότητας σχεδόν

9 Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων υλικών Μορφή της ύλης Ύλη σε ταξινομημένη κατάσταση Ύλη στη μορφή του εμπορίου Μείγματα στοιχείων Πλούσια αποθέματα ορυκτών Ορυκτά Φτωχά αποθέματα ορυκτών Ορυκτά διαλυμένα στο έδαφος ή στη θάλασσα Δείκτης ποιότητας 100 σχεδόν 100 περίπου περίπου 0

10 Εξέργεια φυσικών πόρων και πηγών ενέργειας Οι πηγές ενέργειας έχουν περιεχόμενο σε εξέργεια που είναι πολύ κοντά στις τιμές που συχνά τους αποδίδονται. Είναι είτε σε μορφή μηχανικής ενέργειας, που εξ ορισμού είναι πλήρη σε εξέργεια, είτε σε χημική μορφή, που είναι επίσης υψηλής ποιότητας και που η ενθαλπία τους είναι σχεδόν ίση με την εξέργεια τους. Παράδειγμα Ένα μέταλλο διαφέρει πολύ από το ορυκτό που ήταν κάποτε. Η εξέργεια διατηρείται όταν υπάρχει εξόρυξη. Όταν το μέταλλο καθαρίζεται από το ορυκτό προστίθεται εξέργεια από τις πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για να γίνει η διεργασία αυτή. Η εξέργεια δεν χάνεται παρά μόνο όταν το μέταλλο σκουριάσει, ή φθαρεί με άλλο τρόπο.

11 Η εξέργεια σαν δείκτης για πηγές Εάν ένα υλικό πρέπει να είναι χρήσιμο, πρέπει κανονικά να έχει χαμηλότερη εντροπία από το περιβάλλον. Ερώτηση Τι εννοούμε όταν μιλάμε για «ελάττωση ή κατανάλωση πηγών» Εννοούμε ότι καταναλώνονται και μπορούν να ελαττωθούν χρήσιμο υλικό και ενέργεια

12 Υπολογισμός της εξέργειας φυσικών πηγών σε διάφορες εφαρμογές Για να υπολογίσουμε την εξέργεια ενός ορυκτού και άλλων στερεών υλικών, οι συνθέσεις πρέπει να είναι γνωστές (δεν γίνεται συχνά) Ένα στερεό υλικό μπορεί είτε να θεωρηθεί σαν ένα στερεό διάλυμα ή σαν μίγμα ξεχωριστών κόκκων Η χημική εξέργεια Εch ενός διαλύματος χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγραψει εξεργειακά ένα διάλυμα Πολλά από τα ορυκτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουμε διάφορα προϊόντα. Για να υπολογίσουμε την εξεργειακή κατανάλωση που συνδέεται με ένα από αυτά, η χημική εξέργεια του ορυκτού πρέπει να επιμερίζεται σε διάφορα προϊόντα που παράγονται από το ορυκτό.

13 Χημική εξέργεια του ορυκτού που απαιτείται για να παράγουμε 1 kg προϊόντος, θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν απώλειες. Υλικό e ch (από ορυκτό) (MJ / kg προϊόντος) Σίδηρος Χαλκός, απο το ορυκτό τύπου 1 Χαλκός, από το ορυκτό τύπου 2 Μόλυβδος Ψευδάργυρος Νικέλιο Χρυσός Αλουμίνιο Χρώμιο Πλατίνα Φώσφορος 0, ,1 1,

14 Απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή διαφόρων μετάλλων από ορυκτό στο έδαφος Υλικό Χάλυβας Χαλκός Μόλυβδος Ψευδάργυρος Νικέλιο Αλουμίνιο Ενισχυμένο τσιμέντο Απαίτηση καυσίμου (ΜJ / kg) ~ ~ 100 ~ ~ ~ ~ 300 ~ 100

15 Εφαρμογή σε σχέση με την ΑΚΖ Σκοπός είναι να αναγνωρίσουμε τις κρίσιμες περιοχές του κύκλου ζωής Η εξεργειακή κατανάλωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια χαρακτηριστική παράμετρος και στην περίπτωση της μη βιοτικής συσσώρευσης και στις πηγές ροής, και πιθανόν ακόμη και για να περιγράψουμε τον ανταγωνισμό των βιοτικών πηγών Η εξεργειακή κατανάλωση δεν περιγράφει όλες τις σχετικές πτυχές που σχετίζονται με την εξάλειψη πηγών και τον ανταγωνισμό. Για παράδειγμα, οι επιπτώσεις στην βιολογική ποικιλία από την χρήση των βιοτικών πηγών συσσώρευσης δεν περιγράφονται από την εξεργειακή κατανάλωση

16 Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειας και της ενέργειας (1) Σε κάθε σύστημα υπάρχουν είτε ως τελικά, είτε ως ενδιάμεσα, ποικίλα προϊόντα και οι πολλές μεταβολές που πραγματοποιούνται μειώνουν τη συνολική διαθέσιμη εξέργεια Παράδειγμα: Λέβητας Πηγή ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας (π.χ. κάρβουνο ή πετρέλαιο. Ο ατμός που παράγεται περιστρέφει ένα στρόβιλο που θέτει σε κίνηση ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Όταν ο ατμός περνάει ανάμεσα από τον στρόβιλο μεταδίδει εξέργεια στη γεννήτρια. Μετά από εκεί, ψύχεται σε έναν συμπυκνωτή προς υγρό και επανοδηγείται στο λέβητα. Αυτή η ψύξη είναι απαραίτητη για να βελτιώσει τη μετάδοση ενέργειας στο στρόβιλο καθώς τότε έχουμε μέγιστη απολαβή έργου.

17 Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειας και της ενέργειας (2) Η χημική ενέργεια στο κάρβουνο και το πετρέλαιο, ή και το πυρηνικό καύσιμο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, όχι χωρίς απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναι μεγάλες: σε ένα σταθμό πετρελαίου τουλάχιστον 60% ενώ σε έναν πυρηνικό, φτάνει ακόμα και το 70%. Μετρώντας το σύστημα συνολικά, για την προετοιμασία της πρώτης ύλης για την ενέργεια, μέχρι και τη διαχείριση των απορριμμάτων της καύσης υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες απώλειες από την ωφέλιμη.

18 Η εξεργειακή ανάλυση (1) Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες οι ποσότητες εξέργειας που προσδίδονται κατά τη διεργασία. Συνήθως μετριέται μόνο ένα μέγεθος, η πηγή ενέργειας χωρίς να λαμβάνονται υπόψη και οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που συμμετέχουν στη διεργασία. Αυτό οφείλεται στα περιορισμένα όρια της έννοιας της ενέργειας. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας την έννοια της εξέργειας, μερικώς ξεπερνιούνται αυτοί οι περιορισμοί. Όταν εφαρμόζεται η εξεργειακή ανάλυση σε μια διαδικασία παραγωγής, δεν πρέπει αυτή να περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος της διαδικασίας, αλλά η συνολική διαδικασία να λαμβάνεται και να αναλύεται ως ένα σύνολο.

19 Η εξεργειακή ανάλυση (2) Μια εξεργειακή ανάλυση, που βασίζεται στον 2ο θερμδυναμικό νόμο, δείχνει την θερμοδυναμική ατέλεια μιας διαδικασίας, περιλαμβάνοντας όλες τις ποιοτικές απώλειες των υλικών και της ενέργειας.. Μια ενεργειακή ισορροπία είναι πάντα κλειστή όπως αναφέρει ο 1ος θερμοδυναμικός νόμος. Εκεί δεν μπορεί να υπάρξει ποτέ ενεργειακή απώλεια, μόνο ενεργειακή μεταφορά στο περιβάλλον στην οποία κατάσταση είναι άχρηστη. Η βασική εξεργειακή εξίσωση για ένα kg ουσίας σε ανοιχτά συστήματα, αγνοώντας όρους κινητικής και δυναμικής εξέργειας είναι: E ( H H ) T ( S S ) x o o o

20 Η έννοια της αποδοτικότητας Αντίστοιχα με τις έννοιες της ενέργειας και της εξέργειας μπορούμε να ορίσουμε δύο έννοιες της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Η ενέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή ενέργειας. Ονομάζεται ενεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεν. Η εξέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή εξέργειας. Ονομάζεται εξεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεξ. Σε μετατροπές ενέργειας ανάμεσα σε διάφορες μορφές υπάρχουν πάντα απώλειες. Επειδή το φυσικό περιβάλλον των μετατροπών αυτών συχνά παραμελείται, ο ενεργειακός βαθμός απόδοσης μπορεί να είναι και μεγαλύτερος της μονάδας, (n εv > 1). Παράδειγμα μιας τέτοιας μετατροπής είναι η αντλία θερμότητας. Η αντλία θερμότητας έχει απεριόριστη ενέργεια να λάβει από το περιβάλλον (με δείκτη ποιότητας 0).

21 Στο σχήμα φαίνεται η μετατροπή του καυσίμου σε θερμότητα σε έναν τυπικό καυστήρα. Ο βαθμός απόδοσης περιορίζεται στο 85% κυρίως εξαιτίας των απωλειών από τα καυσαέρια. Η χαμηλή τιμή στον εξεργειακό βαθμό απόδοσης οφείλεται στο ότι η πτώση της θερμοκρασίας από τους 1000 C της φλόγας στους 60 C του νερού, δεν χρησιμοποιείται.

22 Ερωτήσεις; Γιώργος Ξύδης Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ Υπ. Διδάκτορας ΕΜΠ Vector Αιολικά Πάρκα Ελλάδος A.E. Tel