ΕΙΣΑΓΩΓΗ. ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενέργεια είναι κύρια ιδιότητα της ύλης που εκδηλώνεται με διάφορες μορφές (κίνηση, θερμότητα, ηλεκτρισμός, φως, κτλ.) και γίνεται αντιληπτή (α) όταν μεταφέρεται από ένα φυσικό σύστημα σε ένα άλλο (π.χ. η ενέργεια του ανέμου που κινεί έναν ανεμόμυλο), και (β) όταν μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη (π.χ. ηλεκτρική ενέργεια που γίνεται θερμότητα στην ηλεκτρική κουζίνα) [1]. Σημαντικότερη πηγή ενέργειας που δέχεται η επιφάνεια της γης είναι η ακτινοβολία του ήλιου. Η ενέργεια αυτή με τους διάφορους τρόπους μεταφοράς της (π.χ. κίνηση ανέμων) και μετατροπής της (π.χ. στη χλωροφύλλη των φυτών) δημιουργεί το φυσικό ενεργειακό κύκλο (εικ. ΕΙΣ-1). Ο άνθρωπος παρεμβαίνει σ' αυτόν τον κύκλο και χρησιμοποιώντας κατάλληλες πρώτες ύλες και τεχνολογία, προκαλεί μεταφορές και μετατροπές ενέργειας για δικούς του σκοπούς. ημιουργεί έτσι ένα τεχνητό ενεργειακό σύστημα (εικ. ΕΙΣ-2) που του δίνει τη δυνατότητα να βελτιώνει τις συνθήκες της ζωής του και να αναπτύσσει την κοινωνική του οργάνωση. Με την ενέργεια που έχει ο άνθρωπος στη διάθεσή του, μαγειρεύει, ζεσταίνει και φωτίζει τις κατοικίες, κινεί μηχανές, στέλνει μηνύματα σε μεγάλες αποστάσεις. Από την άποψη αυτή η ενέργεια αποτελεί αγαθό πρώτης ανάγκης και ο άνθρωπος τη χρειάζεται συνεχώς σε μεγαλύτερες ποσότητες, όσο αναπτύσσει τον πολιτισμό του. Αλλά στη φύση δεν υπάρχει απόλυτη αφθονία ενέργειας σε άμεσα αξιοποιήσιμες μορφές ή σε μορφές που είναι εύκολη η μετατροπή τους με την υπάρχουσα τεχνολογία. Συνήθως χρειάζεται ορισμένη επεξεργασία για να φτάσει στη μορφή την απαιτούμενη από τις διάφορες χρήσεις. Οι δυσκολίες που αντιμετωπίζονται, μέχρι να γίνει διαθέσιμη η ενέργεια στην απαιτούμενη ποσότητα και στην κατάλληλη μορφή που χρειάζεται ο άνθρωπος, συνιστούν το ενεργειακό πρόβλημα (το θέμα θίγεται αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο). Κάθε σώμα ή σύστημα περιέχει ενέργεια. Το περιεχόμενο ενός σώματος σε ενέργεια δεν μπορεί να μετρηθεί όπως μετριέται π.χ. η θερμοκρασία ή η πίεση. Η ενέργεια που περιέχει ένα σώμα ή σύστημα ονομάζεται εσωτερική ενέργεια. Κατά την ανταλλαγή μεταξύ των διαφόρων συστημάτων η ενέργεια εμφανίζεται σε διάφορες μορφές, όπως: Μηχανική ενέργεια (κινητική, περιστροφική, δυναμική). Ηλεκτρική ενέργεια. Χημική ενέργεια (καύσιμα). Πυρηνική ενέργεια. Θερμότητα, κ.α. ΕΙΣ-1

2 ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών Εικ. ΕΙΣ-1: ιάγραμμα ροής ενέργειας στη Γη (φυσικός ενεργειακός κύκλος) [2]. ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΙΣ-2

3 1. Κεντρική Μετατροπή 2. Μεταφορά, Αποθήκευση, ιανομή 3. Τοπική Μετατροπή 4. ημιουργία Προστιθέμενης Αξίας / Κάλυψη ανάγκης Ωφέλιμη Υπηρεσίες Ενέργειας 4 Ενέργεια Τελική Ενέργεια 3 Εξοπλισμός Πρώτες Ύλες Εργασία ευτερογενής Ενέργεια 2 Πρωτογενής Ενέργεια 1 Απώλειες Ενέργειας 1. Κεντρική Μετατροπή Ηλεκτρικός Σταθμός ιυλιστήριο Μονάδα αεριοποίησης άνθρακα 2. Μεταφορά, Αποθήκευση, ιανομή ίκτυο υψηλής τάσης εξαμενές υγρών καυσίμων ίκτυο τηλεθέρμανσης 3. Τοπική Μετατροπή Λαμπτήρας Κινητήρας Θερμάστρα 4. Υπηρεσίες από χρήση ενέργειας Προϊόν Θέρμανση χώρου Φωτισμός Εικ. ΕΙΣ-2: Στάδια μετατροπής, μεταφοράς και χρήσης της ενέργειας (τεχνητό ενεργειακό σύστημα) [3]. ΕΙΣ-3

4 Η εσωτερική ενέργεια δεν είναι μορφή ενέργειας αλλά η ίδια η ενέργεια. Οι μορφές ενέργειας εμφανίζονται μόνο κατά τη μεταφορά τους από σώμα σε σώμα (ή από σύστημα σε σύστημα). Για τον άνθρωπο η ενέργεια έχει τεράστια σημασία γιατί καθιερώνει τη σημερινή "τεχνολογική ποιότητα ζωής". Η μηχανική ενέργεια (σήκωμα βάρους, μεταφορά, άλεση) υποκαθιστά την ανθρώπινη εργασία/δραστηριότητα. Η θερμότητα είναι επίσης σπουδαία μορφή ενέργειας γιατί χρειάζεται οπωσδήποτε για την παρασκευή του φαγητού, το πλύσιμο και τη θέρμανση. Η χημική και η πυρηνική ενέργεια χρειάζονται κυρίως για την παραγωγή της θερμότητας. Από τη θερμότητα που παράγεται σε υψηλές θερμοκρασίες παίρνουμε μηχανική ενέργεια. Η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια μορφή μεταφοράς της ενέργειας από τόπο σε τόπο. Το κύριο πλεονέκτημα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι το ότι μετατρέπεται σε θερμότητα χωρίς απώλειες και με ελάχιστες σε μηχανική ενέργεια Η θερμότητα είναι ιδιαίτερη μορφή ενέργειας γιατί η δυνατότητά της να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία που έχει. Η θερμοκρασία είναι κατά κάποιο τρόπο ένας βαθμός αξιολόγησης της θερμότητας. Για παράδειγμα θερμότητα σε θερμοκρασία του περιβάλλοντος δεν έχει καμιά αξία. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι εκτός από τη θερμότητα όλες οι άλλες μορφές ενέργειας μπορούν να αλληλομετατραπούν χωρίς απώλειες. Η ενέργεια δεν παράγεται ούτε καταστρέφεται. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια του σύμπαντος είναι σταθερή. Όταν μια μορφή ενέργειας εξαφανίζεται πρέπει στη θέση της να εμφανιστεί μια άλλη μορφή ενέργειας με το ίδιο ποσό. Αυτό είναι το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα. Μόνο για τη θερμότητα ισχύει και το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, σύμφωνα με το οποίο θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας δεν μπορεί αυθόρμητα να μετασχηματιστεί σε θερμότητα υψηλότερης θερμοκρασίας. Η θερμότητα κατά κάποιο τρόπο τείνει αυθόρμητα να πάρει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Συνέπεια αυτού του αξιώματος είναι το ότι μόνο ένα μέρος της θερμότητας μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στη φύση υπάρχουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας που προσφέρονται από πολλές πηγές και σε διάφορες μορφές. Πολλές απ' αυτές είναι εκμεταλλεύσιμες αρκεί να διαθέτουμε την κατάλληλη τεχνολογία (πίνακας ΕΙΣ-1). Οι πηγές ενέργειας ανάλογα με την διάρκεια της διαθεσιμότητάς τους χαρακτηρίζονται ως ανανεώσιμες (ανεξάντλητες) και μη ανανεώσιμες (εξαντλήσιμες) και φαίνονται στον πίνακα ΕΙΣ- 2. Οι ανεξάντλητες (ανανεώσιμες) πηγές ενέργειας έχουν κύρια χαρακτηριστικά το ότι είναι άφθονες και περιβαλλοντολογικά καθαρότερες. Από την άλλη όμως είναι αραιές μορφές ενέργειας (μικρής ροής ενέργειας) και -μέχρι στιγμής τουλάχιστον- με υψηλό κόστος ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας τελικής χρήσης. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν η ηλιακή ενέργεια, με τη στενότερη σημασία του όρου, η αιολική ενέργεια, η βιομάζα, η γεωθερμία, οι ενέργειες της θάλασσας και η υδραυλική ενέργεια. Η χώρα μας έχει προικιστεί ευνοϊκά σε ανεξάντλητες πηγές ενέργειας, αυτές όμως συμμετέχουν σε μικρό ποσοστό στο ενεργειακό της ισοζύγιο, και μόλις πρόσφατα άρχισε η συμμετοχή τους να αυξάνει. Οι εξαντλήσιμες μορφές ενέργειας καλύπτουν σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας όλων σχεδόν των χωρών και θα εξακολουθήσουν να καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό για αρκετές 10ετίες ακόμη. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι άνθρακες, οι υδρογονάνθρακες -υγροί και αέριοι- και τα ορυκτά ουρανίου. Είναι πυκνές μορφές ενέργειας -σε σχέση με τις ανανεώσιμες- καλύπτουν πλήθος εφαρμογών, αλλά έχουν αρκετές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. ΕΙΣ-4

5 Πίνακας ΕΙΣ-1: Πηγές-μορφές ενέργειας ΠΗΓΗ ΦΟΡΕΑΣ ΜΟΡΦΗ ΗΛΙΟΣ ΘΕΡΜΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΗΣ ΓΗΣ ΕΛΞΗ ΟΥΡΑΝΙΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ (ΗΛΙΟΥ - ΣΕΛΗΝΗΣ) ΑΝΕΜΟΣ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΙΣ Υ ΑΤΟΣ (ΒΡΟΧΗ, ΧΙΟΝΙ, ΧΑΛΑΖΙ) ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Ε ΑΦΟΣ ΥΠΟΓΕΙΑ Υ ΑΤΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ Υ ΑΤΑ ΓΗΣ (ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ) ΚΙΝΟΥΜΕΝΕΣ ΑΕΡΙΕΣ ΜΑΖΕΣ ΚΥΜΑΤΑ ΚΙΝΟΥΜΕΝΟ ΝΕΡΟ (Υ ΑΤΟΠΤΩΣΗ, ΡΟΗ) ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΘΕΡΜΙΚΗ ΥΝΑΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΥΝΑΜΙΚΗ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΥΛΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΟΡΥΚΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ (ΥΓΡΑ, ΣΤΕΡΕΑ, ΑΕΡΙΑ) ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ, ΚΑΡΒΟΥΝΟ, ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗ ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΩΜΑΤΙ ΙΩΝ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Πίνακας ΕΙΣ-2: Ανανεώσιμες και εξανλήσιμες πηγές ενέργειας Ανανεώσιμες/Ανεξάντλητες Μη Ανανεώσιμες/Εξαντλήσιμες 1. Ηλιακή ακτινοβολία 1. Στερεά καύσιμα 2. Άνεμος λιθάνθρακας 3. Βιομάζα γαιάνθρακες 4. Υδροϊσχύς λιγνίτης 5. Ενέργειες της θάλασσας τύρφη Κύματα / ρεύματα 2. Υδρογονάνθρακες Παλίρροια πετρέλαιο αργό Θερμοκρασιακή διαφορά πετρέλαιο πισσούχων άμμων 6. Γεωθερμία πετρέλαιο πισσούχων σχιστόλιθων φυσικό αέριο, υγρά φυσικού αερίου 3. Πυρηνικά καύσιμα Ουράνιο 235 Ουράνιο 238 Πλουτώνιο Η χώρα μας διαθέτει πλούσια διαπιστωμένα κοιτάσματα λιγνίτη, που είναι και ο κυριότερος εγχώριος ενεργειακός μας πόρος, καθώς και μικρές ποσότητες υδρογονανθράκων χωρίς όμως να έχει γίνει ακόμη για τους υδρογονάνθρακες ολοκληρωμένη διερεύνηση. ΕΙΣ-5

6 Σήμερα (2012), το 41% της διάθεσης πρωτογενούς ενέργειας στον κόσμο, και το 54% της ενέργειας τελικής χρήσης, καλύπτεται από το πετρέλαιο (τα ποσοστά αυτά το 1990 ήταν 45% και 50% και το 1960 ήταν 35% και 34%, αντίστοιχα), το 25,5% καλύπτεται από τα στερεά καύσιμα, το 20% από φυσικό αέριο, το 9,5% από ΑΠΕ και το 3,5% από πυρηνική ενέργεια [4]. Στην Ελλάδα μέχρι τη δεκαετία του '40 η κύρια πηγή ενέργειας ήταν η Βιομάζα (με τη μορφή των καυσόξυλων). Στη συνέχεια την πρώτη θέση κατέλαβαν ραγδαία τα προϊόντα του πετρελαίου για να φθάσουν το 1973 να καλύπτουν το 75,5% της εγχώριας διάθεσης ενέργειας. Όμως από τα μέσα της δεκαετίας του '70, και σαν συνέπεια της πετρελαϊκής κρίσης, δόθηκε μεγάλο βάρος αφ ενός στην ανακάλυψη νέων κοιτασμάτων και αφ ετέρου στην αύξηση της συμμετοχής των λοιπών μορφών ενέργειας. Σήμερα (2012) το 65% της εγχώριας διάθεσης ενέργειας καλύπτεται από πετρέλαιο, το 19,5% από λιγνίτη, το 8,5% από φυσικό αέριο, το 6% από ΑΠΕ και το 1% από εισαγωγές ηλεκτρικής ενέργειας [5] ΒΑΘΜΙ ΕΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Όταν αναφερόμαστε στην ενέργεια πρέπει να κάνουμε διάκριση μεταξύ των μορφών ενέργειας στις διάφορες βαθμίδες μετατροπής και χρήσης της. Η διάκριση αυτή είναι απαραίτητη γιατί μεταξύ των διάφορων βαθμίδων μετατροπής και χρήσης της ενέργειας μεσολαβούν απώλειες, είτε μετατροπής είτε μεταφοράς, που σε πολλές περιπτώσεις είναι σημαντικές. Έτσι: ως πρωτογενής ενέργεια χαρακτηρίζεται η ενέργεια που αντλείται κατευθείαν από τη φύση (π.χ. αργό πετρέλαιο), ως δευτερογενής ενέργεια χαρακτηρίζεται, όταν προκύπτει από κάποια διαδικασία μετατροπής πρωτογενούς ενέργειας στη μορφή που είναι αναγκαία για τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες (π.χ. βενζίνη στο διυλιστήριο), ως τελική ενέργεια ή ενέργεια τελικής χρήσης χαρακτηρίζεται, όταν διατίθεται αφενός στη μορφή που είναι αναγκαία για τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες και αφετέρου στη θέση της χρήσης (π.χ. βενζίνη στη δεξαμενή καυσίμου ενός οχήματος), και ως ωφέλιμη ή χρήσιμη ενέργεια χαρακτηρίζεται η ενέργεια που πράγματι συντελεί στην παραγωγή ενός προϊόντος ή προσφέρει κάποια υπηρεσία (π.χ. κίνηση οχήματος). Τα διάφορα στάδια μετατροπής και χρήσης της ενέργειας φαίνονται στις εικόνες ΕΙΣ-2 και ΕΙΣ-3, ενώ στην εικόνα ΕΙΣ-4 φαίνονται οι τυπικές απώλειες στα διάφορα στάδια μετατροπής και χρήσης στην περίπτωση του άνθρακα ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι διάφορες μορφές ενέργειας ανάλογα με την ποιότητα της ενέργειας που είναι ικανές να αποδώσουν, θεωρούνται υψηλής ποιότητας όταν μπορούν να μετατρέπονται σε άλλες χωρίς την ταυτόχρονη ανάπτυξη μεγάλου ποσοστού θερμότητας ή αλλιώς με μεγάλο βαθμό απόδοσης κατά τη μετατροπή τους (μηχανική ενέργεια, ηλεκτρική), και χαμηλής ποιότητας, όταν έχουν μικρό βαθμό απόδοσης κατά τη μετατροπή τους σε άλλες μορφές ενέργειας (θερμική ενέργεια). Με τον όρο ποιότητα της ενέργειας εννοούμε τη δυνατότητά της να μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη. Αυτή η ποιότητα εκφράζεται ποσοτικά με το βαθμό απόδοσης κατά τη διαδικασία της μετατροπής. Έτσι ως γνωστόν είναι αδύνατο να μετατραπεί ολοκληρωτικά η θερμική ενέργεια σε μηχανική, ενώ το αντίστροφο είναι δυνατό. Φυσικά ο βαθμός απόδοσης κατά τη μετατροπή μιας οποιασδήποτε ενεργειακής μορφής είναι συνάρτηση και της χρησιμοποιούμενης τεχνολογίας. Συνεπώς μπορούμε να πούμε ότι στόχος της ενεργειακής τεχνολογίας είναι ο περιορισμός στο ελάχιστο του υποβιβασμού της ενέργειας (απώλειες θερμότητας) και η αποφυγή στο βαθμό που είναι δυνατό των ενδιάμεσων μετατροπών της (χρησιμοποίηση ενέργειας ακόμα και στην πρωτογενή της μορφή, όπως π.χ. στην περίπτωση του φυσικού αερίου). ΕΙΣ-6

7 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΟΡΥΚΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΟΡΥΚΤΑ ΟΥΡΑΝΙΟΥ - ΕΞΟΡΥΞΗ - ΣΥΛΛΟΓΗ - ΑΝΤΛΗΣΗ - ΗΛΙΟΣ, ΑΝΕΜΟΣ - ΒΙΟΜΑΖΑ - ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΙΣ ΥΔΑΤΟΣ - ΕΛΞΗ ΟΥΡΑΝΙΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ - ΘΕΡΜΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΗΣ ΓΗΣ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΑΡΓΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ, ΚΑΡΒΟΥΝΟ, ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (ΣΤΟ ΚΟΙΤΑΣΜΑ) - ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ - ΜΕΤΑΠΟΙΗΣΗ - ΜΕΤΑΦΟΡΑ - ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ - ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ, ΚΙΝΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΜΑΖΩΝ, ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ, ΚΥΜΑΤΑ, ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ, ΡΕΥΜΑΤΑ, κτλ - ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ - ΠΑΡΑΓΩΓΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ - ΜΕΤΑΦΟΡΑ - ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ - ΔΙΑΝΟΜΗ - ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (ΣΕ ΑΓΩΓΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ) ΤΕΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ - ΒΕΝΖΙΝΗ - ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ - ΧΡΗΣΗ - ΑΠΩΛΕΙΕΣ - ΑΝΘΡΑΚΑΣ - ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (ΣΤΟ ΣΠΙΤΙ / ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟ) - ΚΑΥΣΟΞΥΛΑ ΩΦΕΛΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ - ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΣΧΥΣ - ΦΩΣ - ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΣΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΘΕΡΜΑΝΣΗ - ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΩΝ - ΜΕΤΑΦΟΡΕΣ - ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΓΑΘΩΝ Εικ. ΕΙΣ-3: Πηγές ενέργειας και στάδια μετατροπής τους. ΕΙΣ-7

8 Εξόρυξη Επεξεργασία Μεταφορά Άνθρακας η = 0,80 e η = 0,92 p η = 0,98 tp Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Μεταφορά η t = 0,91 Ηλεκτρική Ισχύς Μετατροπή η c = 0, ηe η Ποσοστό απωλειών: p η tp η c η t = 0,75 Εικ. ΕΙΣ-4: Απώλειες στα διάφορα στάδια μετατροπής, μεταφοράς και χρήσης του άνθρακα εκφρασμένες με τους βαθμούς απόδοσης μετατροπής [2] ΣΤΑ ΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στην εικόνα ΕΙΣ-2 παρουσιάζονται τα στάδια μετατροπής και χρήσης της ενέργειας που σε συνδυασμό με την εικόνα ΕΙΣ-3 βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση των διαφόρων πλευρών του ενεργειακού συστήματος. Πρωτογενής ενέργεια είναι η ενέργεια που αποκτιέται από τη φύση (νερό που τρέχει από ένα φράγμα, νεοεξορυγμένο κάρβουνο, φυσικό αέριο, φυσικό ουράνιο). Μόνο σπάνια μπορεί η πρωτογενής ενέργεια να χρησιμοποιηθεί ως τελική ενέργεια, ενέργεια που χρησιμοποιείται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του ανθρώπου. Μια από τις λίγες μορφές πρωτογενούς ενέργειας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα σαν τελική ενέργεια, είναι το φυσικό αέριο, γεγονός που αποτελεί ένα από τα βασικά πλεονεκτήματά του και για το οποίο προτιμάται όπου κι αν είναι διαθέσιμο. Το μεγαλύτερο μέρος πρωτογενούς ενέργειας μετατρέπεται σε δευτερογενή ενέργεια, μορφή ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Ηλεκτρικό ρεύμα και βενζίνη είναι τα πιο ενδεικτικά παραδείγματα. Λιγότερο εύχρηστες μορφές δευτερογενούς ενέργειας είναι ο ξυλάνθρακας, το καύσιμο κάρβουνο, τα έτοιμα καυσόξυλα (αυτός είναι και ο λόγος μείωσης του μεριδίου τους στην αγορά). Για να χρησιμοποιείται η ενέργεια χωρίς να δημιουργούνται υπερβολικές ανάγκες στον χρήστη πρέπει να έχει μετατραπεί σε μια μορφή που μπορεί εύκολα να μεταφέρεται να διανέμεται και να χρησιμοποιείται από μια ποικιλία μηχανών. Η τάση είναι προς τα (ενεργειακά) δίκτυα, για προφανείς λόγους, συγκεκριμένα προς τον ηλεκτρισμό, τα αέρια καύσιμα και τα δίκτυα θέρμανσης (τηλεθέρμανσης). Για ευκολία αποθήκευσης και μεταφοράς η τάση είναι προς τα υγρά καύσιμα. Η βενζίνη και το πετρέλαιο diesel είναι τα καλύτερα παραδείγματα. Η πρωτογενής ενέργεια μετατρέπεται σε δευτερογενή με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, οι ηλεκτρικοί σταθμοί παράγουν ηλεκτρισμό και μερικές φορές θερμότητα για θέρμανση μιας περιοχής και τα διυλιστήρια μετατρέπουν το αργό πετρέλαιο σε πιο εύχρηστα υγρά καύσιμα (βενζίνη, βενζίνη αεροπλάνων, πετρέλαιο diesel κτλ). Ορισμένες φορές η εγκατάσταση μετατροπής βρίσκεται στο τελικό σημείο ενός συστήματος, όπως π.χ. με την πυρηνική ενέργεια σχάσης (για την οποία η χημική μετατροπή, ο εμπλουτισμός σε ισότοπα και η επεξεργασία του καύσιμου προηγούνται του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος). Aλλες φορές η εγκατάσταση μετατροπής είναι μια απλή μηχανή, π.χ. η υδροηλεκτρική γεννήτρια, η ανεμογεννήτρια. Αλλά, ανεξάρτητα από τα προηγούμενα, υπάρχουν απώλειες κατά τη ΕΙΣ-8

9 μετατροπή από την πρωτογενή στη δευτερογενή ενέργεια και απώλειες κατά τη μεταφορά της ενέργειας αυτής στον καταναλωτή. Οι τελικές βαθμίδες είναι η μετατροπή της δευτερογενούς ενέργειας σε τελική ενέργεια (η ενέργεια σ' έναν κινητήρα, μια θερμάστρα, έναν υπολογιστή ή ένα λαμπτήρα) και της τελικής ενέργειας σε χρήσιμη/ωφέλιμη ενέργεια (η ενέργεια που ενσωματώνεται σε ένα προϊόν ή προσφέρει κάποια υπηρεσία). Είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι κατά την παροχή μιας υπηρεσίας, π.χ. σε ένα φωτισμένο δωμάτιο, η ενέργεια δεν είναι μόνο μια ενσωματωμένη οντότητα, αλλά κάτι ακόμη περισσότερο: ένα προαπαιτούμενο για την αποδοτική χρησιμοποίηση των άλλων πόρων, της εργατικής δύναμης και του εξοπλισμού, και ιδιαίτερα για την επιτέλεση της κάθε ερ γασίας ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η χρήση της ενέργειας εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα των αποθεμάτων της και από την ανάπτυξη της τεχνολογικής δυνατότητας για τη χρησιμοποίησή της. Ενεργειακοί πόροι ήταν πάντα διαθέσιμοι στον άνθρωπο, από την εποχή για την οποία έχουμε διάφορα καταγραμμένα στοιχεία. Το μεγαλύτερο μέρος από την ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο έως την ανακάλυψη της πυρηνικής ενέργειας γεννήθηκε στον ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια παρέχει την ενεργειακή βάση (μέσω της φωτοσύνθεσης) των τροφίμων, δημιουργεί τους ανέμους που για αιώνες έδιναν ισχύ στους ανεμόμυλους και τη βροχή που γεμίζει με νερό τα ποτάμια και κινούνται οι υδρόμυλοι. Η ενέργεια του άνθρακα και του πετρελαίου δημιουργήθηκε από την ηλιακή ακτινοβολία (μέσω της αποσύνθεσης φυτών και οργανισμών που έζησαν πριν εκατομμύρια χρόνια). Η ανακάλυψη της φωτιάς και η δυνατότητα χρησιμοποίησης της ενέργειας από την καύση ήταν το πρώτο βήμα του ανθρώπου στη χρήση των ενεργειακών αποθεμάτων. Μέχρι τότε η μοναδική πηγή ενέργειας ήταν η μυϊκή του δύναμη (μια σχετικά μικρή πηγή ενέργειας ισχύος περίπου 0,1 ΗP) και η μυϊκή δύναμη των ζώων. Η προϊστορική εξημέρωση των ζώων αντιπροσώπευε πολλαπλασιασμό των αποθεμάτων ενέργειας που ήταν διαθέσιμα για τον άνθρωπο. Όμως η χρησιμοποίηση των ζώων διέθετε περιορισμένη ισχύ για άρδευση, καλλιέργεια και μεταφορές. Η ενέργεια του ανέμου χρησιμοποιήθηκε για την πλεύση πλοίων από την προϊστορία. Από το 250 π.χ. χρησιμοποιόντουσαν ήδη οι ανεμόμυλοι για άντληση νερού και άλεσμα. Ο πρώτος ανεμόμυλος εμφανίστηκε στη υτική Ευρώπη τον 12 ο αι. και χρησιμοποιούταν για άλεση σιτηρών, ανύψωση αντικειμένων, άντληση νερού. Είχε βαθμό απόδοσης περί το 5%. Η ισχύς των ανεμόμυλων είχε εύρος από μερικές χιλιάδες έως πάνω από W. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα τους ήταν η ασυνεχής λειτουργία τους. Ο οριζόντιος υδραυλικός κινητήρας (νεροτροχός) εμφανίστηκε στον 1 ο π.χ. αι. και είχε ισχύ περίπου 300 W. Γύρω στον 4 ο αι. αναπτύχθηκε ο κατακόρυφος υδραυλικός κινητήρας που παρείχε ισχύ περίπου W. Αυτοί οι νεροτροχοί που χρησιμοποιούνταν κυρίως για άλεση σιτηρών, μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και για άλλες μηχανουργικές εργασίες. Κατά τον 16 ο αι. ο υδραυλικός κινητήρας ήταν ο πρωταρχικός κινητήρας των πρώτων μηχανημάτων (πριονιστήρια, θραυστήρες μεταλλεύματος, κτλ). Αν ο νεροτροχός ήταν η μηχανή που χαρακτήρισε τη φεουδαρχία, η μηχανή που χαρακτήρισε την άνοδο του καπιταλισμού ήταν η ατμομηχανή. Από τα τέλη του 13 ου αι. άρχισε το κάρβουνο να χρησιμοποιείται ως καύσιμο στην Βρετανία λόγω της ανάγκης για ένα νέο καύσιμο που δημιουργήθηκε από την επικίνδυνη μείωση των δασών. Στα τέλη του 17 ου αι. το κάρβουνο χρησιμοποιούνταν σε πολλούς τομείς της οικονομίας της Βρετανίας (σιδηρουργεία, επεξεργασία μετάλλων, παραγωγή ατσαλιού, γυαλιού, πυρίτιδας, τούβλων) αντικαθιστώντας το ξύλο, και στα μέσα του 18 ου αι. ήταν το κύριό της καύσιμο. Έτσι αυξήθηκε η ανάγκη για το νέο καύσιμο, γεγονός που οδήγησε σε βελτιώσεις και καινοτομίες ΕΙΣ-9

10 στον τομέα της εξόρυξής του (η εφεύρεση μηχανής άντλησης των υπόγειων νερών των ορυχείων ήταν από τις πιο σημαντικές). Ατμομηχανή με πρακτική εφαρμογή πρωτοεμφανίστηκε το 1722 για να αντλεί νερό από τα ορυχεία κοντά στο Birmingham (βαθμός απόδοσης 2-3%). Από τότε βελτιωνόταν συνεχώς (β.α. 23%). Στα μέσα του 19 ου αι. επιβλήθηκε στις ωκεάνιες μεταφορές στη θέση των ιστιοφόρων και στις ηπειρωτικές μεταφορές με τις ατμομηχανές. Στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ στην παραγωγή υιοθετήθηκε το σύστημα της μανιφακτούρας, όπου οι μηχανές και οι χειριστές τους ήταν συγκεντρωμένοι σ' ένα μοναδικό κτίριο γύρω από μια πηγή ενέργειας. Στην ανάγκη να βρεθεί μια μέθοδος υπολογισμού της απόδοσης των ατμομηχανών αναπτύχθηκε η επιστήμη της θερμοδυναμικής. Φαίνεται λοιπόν ότι το κάρβουνο ήταν το καύσιμο που διευκόλυνε τη γέννηση και την ανάπτυξη της Βιομηχανικής Επανάστασης. Στα τέλη του 18 ου αι. το αέριο χρησιμοποιήθηκε για φωτισμό σε ένα εργαστήριο. Η ιδέα της χρήσης καύσιμου αερίου αναπτύχθηκε από την ανάγκη να υπάρχει ενέργεια αμέσως διαθέσιμη σε κάθε ζήτηση, όπως το νερό στη βρύση. Έτσι, ο 19 ος αι. ήταν ο αιώνας του φωτισμού με αέριο, γεγονός που επέκτεινε τον αξιοποιήσιμο από τον άνθρωπο χρόνο και στη νύκτα (εργοστάσια δούλευαν, άνθρωποι μελετούσαν, διασκέδαζαν, κτλ). Στα τέλη του 19 ου αι. άρχισε να χρησιμοποιείται η ηλεκτρική ενέργεια. Στην απογραφή του 1900 στις ΗΠΑ δηλώθηκε ότι η βιομηχανία είχε εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ ΗΡ (e) (223 ΜW e ). Η χρήση ηλεκτροκινητήρων έδωσε τη δυνατότητα στις βιομηχανικές επιχειρήσεις να χρησιμοποιούν ενέργεια που παραγόταν κάπου αλλού. Ήδη το 1878 είχε ιδρυθεί η εταιρία παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας του T. Edison. Ο ίδιος το 1882 ανακάλυψε τον ηλεκτρικό λαμπτήρα (με νήμα άνθρακα). Εικ. ΕΙΣ-5: Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς επιλεγμένων μηχανών κατά την περίοδο 1700 έως 1980 [2]. ΕΙΣ-10

11 Το πρώτο πετρέλαιο αντλήθηκε το 1859 στην Πενσυλβάνια. Η εποχή του πετρελαίου οδήγησε στα τέλη του 19 ου αι. στην ανάπτυξη της μηχανής εσωτερικής καύσης, καθώς οι βαριές ατμομηχανές δεν ικανοποιούσαν πλέον την ανάγκη για μηχανική ενέργεια. Υπήρχε η ανάγκη για μια ελαφριά ισχυρή μηχανή, που θα έδινε κινητήρια ισχύ για τις μεταφορές. Το 1876 ο Otto ανακάλυψε τρόπο συμπίεσης καύσιμου μίγματος μέσα σε έναν κύλινδρο και στη συνέχεια την ανάφλεξή του. Στα επόμενα 25 χρόνια αναπτύχθηκε ένας ισχυρός κι ελαφρύς κινητήρας βασισμένος στο πετρέλαιο. Πλεονεκτήματα ήταν το μικρότερο μέγεθος και η προσαρμοστικότητά του σε διακοπτόμενη λειτουργία. Στα 1900 παράγονται τα πρώτα αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Από το 1830 αναπτύχθηκε ο στρόβιλος. Στα 1837 χρησιμοποιήθηκε υδροστρόβιλος 45 kw και βαθμού απόδοσης 80%. Στις αρχές του 20 ου αι. αναπτύχθηκαν οι ατμοστρόβιλοι με ισχύ, για τους σημερινούς, αρκετές εκατοντάδες MW. Η εξέλιξη συνεχίζεται και σήμερα με πιο σύγχρονες τεχνολογίες, όπως των πυρηνικών αντιδραστήρων σχάσης, των φωτοβολταϊκών, της πυρηνικής σύντηξης κτλ. Όλα τα παραπάνω υπογραμμίζουν τη σχέση ανάμεσα στο επίπεδο ανάπτυξης της ενεργειακής οικονομίας και της τεχνικής γενικότερα από τη μια πλευρά, και της ανάπτυξης της οικονομίας και γενικότερα της εξέλιξης της κοινωνίας από την άλλη. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Ζητήματα της ενεργειακής μας πολιτικής, 1982, εκδόσεις Σύγχρονη Εποχή, Αθήνα. [2] R. C. Dorf, Energy, Resources & Policy, 1978, Addison-Wesley Publ. Comp., ISBN [3] J. Anderer, A. McDonald, N. Nakicenovic, Energy in a Finite World, 1981 IIASA, ISBN [4] Energy Balance Flows. World 2012, International Energy Agency, Statistics, [5] Energy Balance Flows. Greece 2012, International Energy Agency, Statistics, ΕΙΣ-11