Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα 1: Ενεργειακές Πηγές & Αποθέματα Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Στόχοι Η μελέτη της ενέργειας από τεχνικής πλευράς και παράλληλα η εξέταση των οικονομικών, περιβαλλοντικών και κοινωνικών ζητημάτων Η σύγκριση των διαφόρων μορφών ενέργειας Η αξιολόγηση των πέντε χρησιμοποιούμενων σήμερα βασικών πηγών ενέργειας και η συμμετοχή τους στην συνολική παροχή ενέργειας Η ανάλυση των ρυθμών αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας και η εκτίμηση της κατάστασης των ενεργειακών αποθεμάτων Η παρουσίαση ενός μοντέλου καθαρών αποφάσεων για την πράσινη ενέργεια 4
Ορολογία Ενέργεια Μετατροπή Χρήση ενέργειας Εντροπία Ισχύς Θερμοδυναμική Ακαθάριστο Εθνικό Προϊόν (ΑΕΠ) Ακαθάριστο Εγχώριο Εθνικό Προϊόν (ΑΕΕΠ) 5
Ιστορικά στοιχεία Η Γη δημιουργήθηκε πριν από ~5 δις έτη Η ζωή εκτιμάται ότι άρχισε πριν από ~4 δις έτη Ιστορικά γεγονότα καταγράφονται εδώ και ~ 6.000 έτη Η γνώση ότι η Γη δεν είναι επίπεδη έγινε αποδεκτή εδώ και τέσσερεις αιώνες Η γνώση του ηλεκτρισμού εδώ και τρεις αιώνες Η κίνηση χωρίς άλογα έναν αιώνα Η πυρηνική σχάση πενήντα χρόνια 6
Η σημασία της ενέργειας (1/4) Η κοινωνική και πολιτισμική ανάπτυξη του ανθρώπου και η διαφοροποίηση του από τα ζώα, έχει καταστεί δυνατή με την εκμετάλλευση των ενεργειακών πηγών. Οι ικανότητες του ανθρώπου που τον διαφοροποιούν από τα ζώα είναι ότι: σκέφτεται λογικά επικοινωνεί με τον γραπτό και προφορικό λόγο κατασκευάζει και να χρησιμοποιεί σύνθετα εργαλεία και μηχανές παράγει και να ελέγχει την φωτιά 7
Η σημασία της ενέργειας (2/4) Η ικανότητα των ανθρώπων να μετατρέπουν κάποια πηγή ενέργειας επέτρεψε τον καλύτερο έλεγχο των συνθηκών ζωής. Έδωσε την δυνατότητα διαμονής σε ψυχρότερες περιοχές, την ποιοτική βελτίωση της διατροφής και την προστασία από τα ζώα. Η χρήση της ενέργειας (ανακάλυψη της φωτιάς) από τον άνθρωπο εκτιμάται ότι χρονολογείται πριν από ~8.000 έτη. Η χρήση της ενέργειας έγινε επιτακτική ανάγκη κατά την τελευταία εποχή των παγετώνων. Η δημιουργία πόλεων έκανε επιτακτική την ανάγκη ύπαρξης αποθεμάτων καύσιμων υλών. 8
Η σημασία της ενέργειας (3/4) Η πρώτη ενεργειακή κρίση προκάλεσε την καταστροφή των πρώτων πολιτισμών. Σχετικά με την ενέργεια η ανθρωπότητα δεν έχει υποκατάστατο (δεν υπάρχει μέθοδος παραγωγής της). Μεμονωμένοι καταναλωτές εξαρτώνται από την ενέργεια στις διάφορες μορφές της, για την θέρμανση των σπιτιών και την παρασκευή τροφής, την μεταφορά αγαθών και ατόμων. Σήμερα οι διαφορές στην πρόσβαση στις πηγές ενέργειας, στο υλικό βιοτικό επίπεδο και στο δυναμικό επιβίωσης που έχουν οι κοινωνίες είναι οι μεγαλύτερες στην ιστορία του ανθρώπου. 9
Η σημασία της ενέργειας (4/4) Η ενέργεια βρίσκεται στο επίκεντρο της ζωής καθώς υπάρχει πλήρης εξάρτηση από αυτή για τις μεταφορές, τη θέρμανση και την ψύξη των κατοικίας και για τη λειτουργία των εργοστασίων, των γεωργικών εκμεταλλεύσεων και των γραφείων. Καθώς τα ορυκτά καύσιμα έχουν ημερομηνία λήξης και προκαλούν υπερθέρμανση του πλανήτη δεν μπορεί σήμερα να θεωρείται η ενέργεια από ορυκτά καύσιμα ως κάτι δεδομένο. Πρέπει να διαμορφωθεί μια ολοκληρωμένη ενεργειακή και περιβαλλοντική πολιτική βάσει σαφών στόχων και χρονοδιαγραμμάτων, ώστε να υπάρξει μετάβαση προς μια οικονομία με χαμηλή χρήση άνθρακα και εξοικονόμηση ενέργειας. 10
Πρωτογενής και Δευτερογενής Ενέργεια (1/4) Τα στερεά, υγρά και αέρια που χρησιμοποιούνται για καύση εκλύουν θερμότητα και αποτελούν φορείς ενέργειας. Αυτό εκφράζεται με τον όρο θερμογόνος ή θερμαντική δύναμη Οι καύσιμες ύλες (ή καύσιμα), παράλληλα με τον νερό, την θερμότητα της γης και του ήλιου και σε συνδυασμό με τα ουράνια (ως ύλη εκκίνησης της πυρηνικής σχάσης) αποτελούν ένα μέρος από τους υπάρχοντες φορείς ενέργειας Το περιεχόμενο του όρου ενέργεια σ αυτούς τους φορείς για συντομία ονομάζεται απλά ενέργεια μπορεί να είναι κάποια πρωτογενής ή δευτερογενής ενέργεια 11
Πρωτογενής και Δευτερογενής Ενέργεια (2/4) Με τον όρο πρωτογενής ενέργεια εννοείται η ενέργεια που περιέχεται στους φυσικούς φορείς ενέργειας, όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, το ουράνιο, ο άνεμος, η θερμότητα της γης και του ήλιου. Η παροχή πρωτογενούς ενέργειας διαφέρει από χώρα σε χώρα. Οι καύσιμες ύλες (ή καύσιμα), παράλληλα με τον νερό, την θερμότητα της γης και του ήλιου και σε συνδυασμό με τα ουράνια (ως ύλη εκκίνησης για την πυρηνική σχάση) αποτελούν ένα μέρος από τους υπάρχοντες φορείς ενέργειας. 12
Πρωτογενής και Δευτερογενής Ενέργεια (3/4) Η Ευρώπη χρησιμοποιεί ένα ευρύ μίγμα διαφορετικών φορέων ενέργειας, οι ορυκτοί φορείς (πχ. άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) όμως εξακολουθούν να συνεισφέρουν με ένα μερίδιο της τάξης του 80 85%. Το μερίδιο της πυρηνικής ενέργειας ανέρχεται σε ~12%, ενώ η ενέργεια που παράγεται με μεθόδους φιλικές προς το περιβάλλον ανέρχεται στο ~2%. 13
Πρωτογενής και Δευτερογενής Ενέργεια (4/4) Η πρωτογενής ενέργεια μπορεί να μετατραπεί και σε άλλες μορφές ενέργειας στους διάφορους σταθμούς παραγωγής. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης και οι ηλεκτρικές γεννήτριες μπορούν να περιληφθούν στις εγκαταστάσεις μετατροπής ενέργειας. Η αποκτηθείσα ενέργεια χάρη στην μετατροπή της πρωτογενούς ενέργειας ονομάζεται δευτερογενής ενέργεια. Η δευτερογενής ενέργεια είναι αρχικά ηλεκτρική ενέργεια και συνάμα θερμική και μηχανική ενέργεια. 14
Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (1/5) Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η αντίστοιχη ζήτηση αυξάνονται διαρκώς. Το ~20% της ενέργειας που καταναλώνεται το 2010 είναι με την μορφή του ηλεκτρισμού. Οι εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής πρωτεύουσας ενέργειας με μερίδιο ~40% το 2010. 15
Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (2/5) Η πρωτεύουσα ενέργεια είναι το άθροισμα των αποθεμάτων καυσίμων που καταναλώνονται από τους τέσσερεις μεγάλους τομείς χρηστών (οικιακούς, εμπορικούς, βιομηχανικούς και μεταφορές) και της παραγόμενης υδροηλεκτρικής ισχύος. Οι απαιτήσεις ηλεκτρικής ενέργειας έχουν περίπου διπλασιαστεί στις αρχές του 21 ου αιώνα. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η αντίστοιχη ζήτηση αυξάνονται διαρκώς. 16
Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (3/5) Οι μεταβολές στην οικονομική ανάπτυξη, εκτός από τις καιρικές συνθήκες, έχουν μεγάλη επίπτωση στην ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Οικονομικοί παράγοντες, παγκόσμιες τιμές ενέργειας και κυβερνητική σταθερότητα προκαλούν μεταβολές στην ποσότητα της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. 17
Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (4/5) Σε περιόδους οικονομικής ευημερίας οι ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια είναι αυξημένες, καθώς χρησιμοποιείται στην παραγωγή και κατανάλωση των περισσότερων αγαθών και υπηρεσιών. Την δεκαετία 70 το ΑΕΠ (σήμερα ΑΕΕΠ) αυξανόταν με μέσο ετήσιο ρυθμό 2,8%, ενώ η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αυξανόταν, κατά μέσο όρο με 4,2% ετησίως. 18
Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (5/5) Η συνολική ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα την περίοδο 2000 2009 παρουσίασε μέση ετήσια αύξηση, περίπου 3%. Τα σημερινά επίπεδα κατανάλωσης ηλεκτρισμού στην Ελλάδα, 5.000 περίπου κιλοβατώρες ανά κάτοικο δείχνουν ότι η ζήτηση στην Ελληνική αγορά θα συνεχίσει να αυξάνεται για την επερχόμενη δεκαετία, με μέσο ετήσιο ρυθμό της τάξης του 2% στην ηπειρωτική χώρα και 2,5% - 3,5% για τις νησιωτικές περιοχές. 19
Φορείς Ενέργειας Ανάλογα με την κατάσταση τους Σε στερεά κατάσταση (άνθρακας, βιομάζα ) Σε υγρή κατάσταση (πετρέλαιο, νερό ) Σε αέρια κατάσταση (φυσικό αέριο, αέρας ) Ανάλογα με το αν εξαντλούνται ή όχι Μη ανανεώσιμοι φορείς ενέργειας ορυκτοί φορείς (πετρέλαιο, άνθρακας ) και πυρηνικά καύσιμα Φορείς ανανεώσιμης ενέργειας νερό, αέρας, ήλιος βιοκαύσιμα Οι ανανεώσιμοι φορείς ενέργειας λέγονται και εναλλακτικοί φορείς ενέργειας (ανανεώσιμη και εναλλακτική ενέργεια) γιατί μπορούν να υποκαταστήσουν τα συμβατικά καύσιμα που προκαλούν ρύπανση του περιβάλλοντος 20
Παραγωγή & Κατανάλωση Πρωτογενούς Ενέργειας (1/4) 21
Παραγωγή & Κατανάλωση Πρωτογενούς Ενέργειας (2/4) 22
Παραγωγή & Κατανάλωση Πρωτογενούς Ενέργειας (3/4) 23
Παραγωγή & Κατανάλωση Πρωτογενούς Ενέργειας (4/4) 24
Αποδοτική Χρήση & Εξοικονόμηση Ενέργειας (1/2) Τα οικονομικά και κοινωνικά επιτεύγματα σημαίνουν πάντοτε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας; Γίνεται αποδοτική χρήση της ενέργειας; 25
Αποδοτική Χρήση & Εξοικονόμηση Ενέργειας (2/2) Η αποδοτική χρήση της ενέργειας έχει γίνει πολύ σημαντική τα τελευταία χρόνια. Η αποδοτικότητα σχετίζεται με το ποσό της ενέργειας που χρησιμοποιείται και το ποσό της ενέργειας που σπαταλείται. Στόχος η εξοικονόμηση ενέργειας στην κατασκευαστική διαδικασία και η παραγωγή περισσότερο αποδοτικών ενεργειακά προϊόντων. Η αποδοτική χρήση της ενέργειας και η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αναμένεται να παίξουν σημαντικό ρόλο, σήμερα και το μέλλον. 26
Παράγοντες που ελέγχουν την χρήση ενέργειας Αύξηση του πληθυσμού Προϊόντα που διευκολύνουν την ζωή Πλήρης (σχεδόν) εξηλεκτρισμός Μη αποδοτική χρήση ενέργειας Άγνοια περί της οικονομίας της ενέργειας Ανάπτυξη επιχειρήσεων & βιομηχανιών Προφανώς η τεχνολογία ενέργειας απαιτεί προσεκτική μελέτη όλων των παραπάνω παραγόντων. Ως κοινωνία πρέπει να μάθουμε να χρησιμοποιούμε αποδοτικά την ενέργεια. 27
Ορισμός και Μορφές Ενέργειας (1/2) Η ενέργεια ορίζεται ως η δυνατότητα παραγωγής έργου. Η ισχύς είναι το μέγεθος που μετρά το παραγόμενο έργο στην μονάδα του χρόνου. Το μεγαλύτερο ποσό της ενέργειας που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα προέρχεται, έμμεσα ή άμεσα από τον ήλιο. Η φωτοσύνθεση παρέχει στους ανθρώπους τροφή για τους ίδιους και τα ζώα. Τα αποθέματα των γαιανθράκων, του φυσικού αερίου και του πετρελαίου είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια. 28
Ορισμός και Μορφές Ενέργειας (2/2) Η ενέργεια ταξινομείται σε: Ακτινοβολία Χημική ενέργεια Μηχανική ενέργεια (βαρύτητα, κίνηση, ήχος) Θερμική ενέργεια Πυρηνική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια 29
Ακτινοβολία (1/5) Η Ακτινοβολία αποτελεί μορφή ενέργειας που προέρχεται από ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία. Η πηγή της ακτινοβολίας μπορεί να είναι φυσική (ήλιος) ή τεχνητή (φωτογραφικό φλας). Λέγεται και φωτεινή ακτινοβολία και έχει χαρακτηριστικά κύματος. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση στο χώρο μέσα στην οποία το κύμα επαναλαμβάνεται. Η ενέργεια ακτινοβολίας υπάρχει σε πολλές μορφές (ακτίνες Χ, ακτίνες γ κλπ). Το κάθε είδος ακτινοβολίας περιλαμβάνει κάποιο φάσμα διαφορετικών μηκών κύματος. 30
Ακτινοβολία (2/5) Η υπεριώδης ακτινοβολία έχει μήκος κύματος 10-15 cm, ενώ η υπέρυθρη έχει 100 φορές μεγαλύτερο μήκος κύματος Μονάδες μήκους κύματος: 1 nm = 10-9 m, 1 Angstrom = 0.1 nm 31
Ακτινοβολία (3/5) Η ακτινοβολία διαθέτει σωματιδιακές ιδιότητες. Σε ορισμένες μορφές η ακτινοβολία φθάνει στον προορισμό της σε διακριτές ομάδες που λέγονται φωτόνια. Τα φωτόνια μπορούν να περιγραφούν ως διαδιδόμενες ομάδες μηκών κύματος. Οι διάφορες ακτινοβολίες μπορούν να ταξινομηθούν και ως προς την συχνότητα. Η συχνότητα αποτελεί μέτρο της ταχύτητας ταλαντώσεων μέσα σε κάποιο συγκεκριμένο διάστημα και μετράται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο. 32
Ακτινοβολία (4/5) Η συχνότητα αποτελεί χαρακτηριστικό που προσδιορίζει την τιμή της ενέργειας, υψηλής συχνότητας ακτινοβολία διαθέτει μεγαλύτερο ποσό ενέργειας. Οποιοδήποτε σώμα έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη του απόλυτου μηδενός (-273,15 C) εκπέμπει ακτινοβολία. Η εκπεμπόμενη από τον ήλιο ακτινοβολία περιλαμβάνει πολλές συχνότητες που μπορούν εύκολα να συλλεχθούν και να παράγουν θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια. 33
Ακτινοβολία (5/5) Η ακτινοβολία μπορεί (α) να ανακλαστεί από το αντικείμενο (β) να απορροφηθεί και να μετατραπεί σε θερμότητα (γ) να απορροφηθεί και να επανεκπεμφθεί (δ) να απορροφηθεί προκαλώντας χημική αντίδραση 34
Χημική ενέργεια (1/3) Η χημική ενέργεια παράγεται από την αναδιάταξη των ατόμων των μορίων ή από τον συνδυασμό ελεύθερων ατόμων 35
Χημική ενέργεια (2/3) Η ηλιακή ενέργεια, μέσω της φωτοσύνθεσης, μετατρέπεται σε χημική ενέργεια. Χημική ενέργεια βρίσκεται στα ορυκτά καύσιμα και προέρχεται από νεκρή οργανική ύλη. Η ενέργεια των ηλεκτρικών μπαταριών μπορεί και αυτή να θεωρηθεί χημική ενέργεια. Η χημική ενέργεια των ορυκτών καυσίμων αποτελεί την πλέον σημαντική εμπορεύσιμη πηγή ενέργειας. 36
Χημική ενέργεια (3/3) 37
Μηχανική ενέργεια (1/3) Η Μηχανική ενέργεια υπάρχει σε αντικείμενα που βρίσκονται σε κίνηση. Πρώτος νόμος του Newton: Ένα σώμα σε ηρεμία παραμένει σε ηρεμία, ενώ ένα σώμα σε κίνηση παραμένει σε ομοιόμορφη κίνηση πάνω σε ευθύγραμμη τροχιά εκτός εάν επάνω του επιδράσει κάποια εξωτερική δύναμη. Υπάρχουν δύο τύποι μηχανικής ενέργειας, η δυναμική και η κινητική ενέργεια. Η Δυναμική ενέργεια εμφανίζεται λόγω της σχετικής θέσης ενός σώματος ως προς κάποιο άλλο αντικείμενο. Η Κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα το οποίο βρίσκεται σε κίνηση. Η ενέργεια των κυμάτων πίεσης, γνωστή ως ηχητική ενέργεια, αποτελεί μια άλλη μορφή μηχανικής ενέργειας. 38
Μηχανική ενέργεια (2/3) 39
Μηχανική ενέργεια (3/3) 40
Θερμική ενέργεια (1/2) Το συνολικό ποσό της θερμικής ενέργειας στο εσωτερικό κάποιου αντικειμένου ή ουσίας μπορεί να θεωρηθεί ως το άθροισμα της δυναμικής και κινητικής ενέργειας όλων των μορίων του υλικού. Η Θερμική ενέργεια περιλαμβάνει τις εσωτερικές ενέργειες που προέρχονται από την περιστροφή ή την ταλάντωση των ατόμων και τη δυναμική ενέργεια των συνδυασμένων δυνάμεων μέσα στα άτομα. Όταν δύο σώματα με διαφορετική θερμική ενέργεια έλθουν σε επαφή, τότε η ενέργεια (κινητική και δυναμική) που περιέχεται στο εσωτερικό τους θα μεταβιβαστεί από το ένα σώμα στο άλλο. 41
Θερμική ενέργεια (2/2) Τυπικό παράδειγμα θερμικής ενέργειας είναι η καύση ορυκτών καυσίμων. Κατά την διαδικασία της καύσης ένα μέρος της δυναμικής ενέργειας του καυσίμου μετατρέπεται σε θερμική. Καύσιμα όπως οι γαιάνθρακες, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, έχουν αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια υπό μορφή χημικής, μέσω της φωτοσύνθεσης των φυτών από τα οποία προήλθαν. Τεχνικά, θερμική ενέργεια υπάρχει σε κάθε σώμα που η θερμοκρασία του υπερβαίνει το απόλυτο μηδέν (- 273,15 C). 42
Πυρηνική ενέργεια Η Πυρηνική ενέργεια προέρχεται από την σχάση (διάσπαση) κάποιων ατόμων και ασταθών πυρήνων ατόμων. Πυρηνική ενέργεια μπορεί να προέλθει και από την σύντηξη (ένωση) υδρογόνου ή άλλων πυρήνων ατόμων. Κατά την σχάση ή σύντηξη πυρήνων η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι κυρίως θερμική. Η χημική ενέργεια του πυρηνικού καυσίμου μετατρέπεται σε θερμική, που αποθηκεύεται σε νερό. Μέσω της παραγωγής ατμού μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια, που μέσω στροβίλου κινεί κάποια ηλεκτρική γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στην πυρηνική ενέργεια κατατάσσεται και η ενέργεια σύντηξης που προέρχεται από την σύντηξη πυρήνων 43
Ηλεκτρική ενέργεια (1/2) Η Ηλεκτρική ενέργεια είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων από μόριο σε μόριο μέσα στους αγωγούς. Ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνουν πολλές μηχανές (πχ. Οικιακές συσκευές, βιομηχανικοί κινητήρες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα κλπ). Τυπικά, η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται σε μπαταρίες με την μορφή χημικής ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται σε μεγάλες μονάδες που χρησιμοποιούν ως καύσιμα άνθρακες, πετρέλαιο, πυρηνικά καύσιμα 44
Ηλεκτρική ενέργεια (2/2) 45
Χρήση ενέργειας (1/2) Μια σημαντική ιδιότητα της ενέργειας είναι η ικανότητα της να μπορεί να μετατρέπεται από μία μορφή σε οποιαδήποτε άλλη. Η χρήση της ενέργειας είναι η τεχνολογία μετατροπής της από την μία μορφή στην άλλη, με σκοπό την παραγωγή έργου. 1 ο Θερμοδυναμικό αξίωμα: Αρχή διατήρησης της ενέργειας. Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Σε ένα κλειστό σύστημα η συνολική ενέργεια διατηρείται σταθερή. 46
Χρήση ενέργειας (2/2) 2 ο Θερμοδυναμικό αξίωμα: Αρχή υποβάθμισης της ενέργειας. Η θερμότητα ρέει πάντοτε αυθόρμητα από τα θερμά στα ψυχρά σώματα και ποτέ το αντίθετο, χωρίς να δαπανήσουμε ενέργεια. Μια φυσική διαδικασία διεξάγεται πάντοτε προς εκείνη την κατεύθυνση η οποία αυξάνει την εντροπία (τυχαιότητα ή αταξία) του συστήματος. 47
Εντροπία (1/2) Η Εντροπία αποτελεί μέγεθος μέτρησης της μη διαθέσιμης ενέργειας σε ένα κλειστό σύστημα και θεωρείται ως το μέτρο του βαθμού αταξίας κάποιας συγκεκριμένης μορφής ενέργειας. Η ενέργεια ρέει πάντοτε προς την κατεύθυνση αύξησης της εντροπίας. Η εντροπία δείχνει την φυσική ροή των πραγμάτων να ρέπουν προς την αταξία. Η κατεύθυνση της μετατροπής της ενέργειας από την μια μορφή στην άλλη είναι προς την υψηλότερη εντροπία ή την μεγαλύτερη αταξία. 48
Εντροπία (2/2) Σε όλες τις φυσικές μεταβολές η εντροπία τείνει να αυξηθεί. Η ενέργεια δεν χάνεται ποτέ, τείνει όμως να μετατραπεί σε άλλες λιγότερο χρήσιμες και περισσότερο τυχαίες μορφές. Προκειμένου η ενέργεια να είναι εμπορικά και οικονομικά χρήσιμη, πρέπει να αποκτάται σε κατάλληλες ποσότητες και σε μια μορφή που θα επιτρέπει την εύκολη μετατροπή της. Επίσης θα πρέπει να είναι εύκολα αποθηκεύσιμη και μεταφερόμενη 49
Χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας (1/3) Κάθε πολίτης στην Γερμανία καταναλώνει κατά μέσο όρο ετησίως ενέργεια από την καύση 6 τόνων άνθρακα από την οποία παράγονται πάνω από 12 τόνοι CO 2 Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων σε συνδυασμό με την κλιματική αλλαγή επιβάλλουν την στροφή προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που. 50
Χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας (2/3) Προσφέρουν απεριόριστα αποθέματα και είναι εγχώριες. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και προφυλάσσουν τα αποθέματα του πλανήτη. Εν μέρει έχουν καλύτερες φυσικές προϋποθέσεις στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η ανανεώσιμη ενέργεια είναι αποδεκτή σε ευρύτερο κοινωνικό εύρος και παρέχει στην βιομηχανία πεδίο τεχνολογικής καινοτομίας. 51
Χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας (3/3) Υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα μέχρι ποιο σημείο οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (εναλλακτικές πηγές ενέργειας) μπορούν να χρησιμοποιηθούν οικονομικά και οικολογικά. 52
Βιομάζα Βιομάζα ονομάζεται οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών, κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Πρόκειται για ηλιακή ενέργεια δεσμευμένη στις φυτικές ουσίες. Η φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία των μονάδων βιομάζας προϋποθέτει (α) την αποκλειστική χρήση φυσικών καύσιμων υλών, (β) την χρήση ξηρών καύσιμων υλών, (γ) τον επαρκή αέρα προσαγωγής, την τήρηση καθαρής εστίας φωτιάς, την αποφυγή καπνού. 53
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (1/20) Μια μεγάλη πηγή αποθηκευμένης ενέργειας είναι η ομάδα καυσίμων, γνωστών ως υδρογονάνθρακες. Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Άνθρακας 54
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (2/20) Πετρέλαιο 55
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (3/20) Πετρέλαιο 56
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (4/20) Πετρέλαιο 57
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (5/20) Πετρέλαιο 58
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (6/20) Πετρέλαιο 59
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (7/20) Πετρέλαιο 60
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (8/20) Πετρέλαιο 61
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (9/20) Πετρέλαιο 62
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (10/20) Πετρέλαιο 63
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (11/20) Πετρέλαιο 64
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (12/20) Φυσικό αέριο 65
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (13/20) Φυσικό αέριο 66
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (14/20) Φυσικό αέριο 67
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (15/20) Φυσικό αέριο 68
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (16/20) Φυσικό αέριο 69
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (17/20) Φυσικό αέριο 70
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (18/20) Φυσικό αέριο 71
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (19/20) Φυσικό αέριο 72
Αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων (20/20) Φυσικό αέριο 73
Λήψη αποφάσεων για την ενέργεια (1/2) Στην σημερινή κοινωνία οι καταναλωτές, οι επιχειρήσεις και οι κυβερνήσεις λαμβάνουν συνεχώς αποφάσεις για την ενέργεια και την σχετική τεχνολογία Κάθε απόφαση λαμβάνει υπόψη διάφορους παράγοντες Όσο καλύτερα εξετάζονται οι παράγοντες αυτοί, τόσο καλύτερα παρατηρείται το πρόβλημα και οι λαμβανόμενες αποφάσεις θα είναι σαφέστερες και τεκμηριωμένες 74
Λήψη αποφάσεων για την ενέργεια (2/2) Κοινωνικές και πολιτιστικές αξίες Πολιτικές επιρροές Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Τεχνικές επιδράσεις Οικονομικές επιρροές Κοινωνικοί και πολιτικοί παράγοντες Πολιτικοί παράγοντες Περιβαλλοντικοί παράγοντες Τεχνικοί παράγοντες Οικονομικοί παράγοντες 75
Συμπεράσματα (1/2) Το πρόβλημα δημιούργησαν οι τρεις τελευταίοι αιώνες της βιομηχανικής επανάστασης μαζί με τα προβλήματα των μεγάλων πόλεων από τη αρχαιότητα μέχρι σήμερα αποτέλεσαν τα κύρια πεδία αφύπνισης απέναντι στο περιβάλλον. Η τεχνολογική έκρηξη οδήγησε σε καταλυτική πλέον επίδραση του ανθρώπου στο περιβάλλον, απελευθέρωσε νέες δυνατότητες πληθυσμιακής ανάπτυξης της ανθρωπότητας και μια τελείως διαφορετικής κλίμακας επίδραση στην παγκόσμια βιοποικιλότητα. Ο άνθρωπος έχει πλέον τη δυνατότητα να επιδρά ακόμη και στους κλιματικούς συντελεστές, όπως πχ με την εξαιρετικά μεγάλη απελευθέρωση στην ατμόσφαιρα αερίων του θερμοκηπίου. 76
Συμπεράσματα (2/2) Αυτά σε συνδυασμό με την πλάνη της απειρότητας τόσο των φυσικών πόρων όσο και των δυνατοτήτων της φέρουσας ικανότητας του οικοσυστήματος είχαν ως αποτέλεσμα να οδηγηθούμε σε μια ακραία μεταβαλλόμενη παγκόσμια περιβαλλοντική και οικολογική ισορροπία. 77
Συμπεράσματα (3/2) Οι ΑΠΕ, παρότι έχουν γίνει αντιληπτές ως η λύση στα παραπάνω, ακόμη και σήμερα δεν έχουν αξιοποιηθεί στον επιθυμητό βαθμό στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η χρήση των συμβατικών καυσίμων αποτελούν τη βάση λειτουργίας, ανάπτυξης και ευημερίας των επί μέρους κοινωνιών. Σήμερα στον κατάλογο των προτεινόμενων λύσεων για μείωση του ενεργειακού προβλήματος, έρχονται να προστεθούν και οι εξωτικές πηγές ενέργειας, οι οποίες προβλέπεται να ανοίξουν νέες τεράστιες προοπτικές. 78
Συμπεράσματα (4/2) Με δεδομένη την απειλή της κλιματικής αλλαγής η στροφή προς την λεγόμενη πράσινη οικονομία φαντάζει τόσο υποχρεωτική όσο και μονόδρομος. Η Πράσινη Οικονομία δεν συνδέεται μόνο με την τεχνολογική μετατροπή της παραγωγής, τον τεχνολογικό μετασχηματισμό της παραγωγικής διαδικασίας «σε πιο φιλική» για το περιβάλλον. Συνδέεται χαρακτηριστικά με την πλήρη αναδιάρθρωση της οικονομίας. Η αισιόδοξη αυτή προοπτική εκτός από το ενεργειακά και περιβαλλοντικά προβλήματα αναμένεται να δώσει μεγάλη ώθηση στην οικονομία και να εξασφαλίσει πολλές νέες θέσεις εργασίας. 79
Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https:// eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 80
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 81
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 82