1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενέργεια αποτελεί αγαθό πρώτης ανάγκης και ο άνθρωπος, όσο αναπτύσσει τον πολιτισμό του, τη χρειάζεται συνεχώς σε μεγαλύτερες ποσότητες. Ιδιαίτερα κατά τους τελευταίους δύο αιώνες η κατά κεφαλή κατανάλωση ενέργειας σημείωσε μεγάλη αύξηση και στηρίχθηκε κυρίως στα ορυκτά καύσιμα, κάρβουνο και πετρέλαιο. Το 2005 τα ορυκτά καύσιμα κάλυψαν περίπου το 80% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στον κόσμο. Αυτή η ισχυρή εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα θα είναι πολύ δύσκολο να συνεχιστεί στο άμεσο μέλλον [1], καθώς η ζήτηση ενέργειας θα συνεχίσει με υψηλούς ρυθμούς, αν και σημαντικά μειωμένους σε σχέση με το παρελθόν. Για λόγους εξαντλησιμότητας, προστασίας του περιβάλλοντος αλλά και σε σημαντικό βαθμό γεωπολιτικούς, απεξάρτησης από παραγωγούς και προμηθευτές πετρελαίου και φυσικού αερίου, έχει ήδη αρχίσει και θα συνεχίσει με αυξημένους ρυθμούς, τόσο διεθνώς όσο και στη χώρα μας, η διεύρυνση της χρήσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) σε συνδυασμό με την Ορθολογική Χρήση & την Εξοικονόμηση Ενέργειας (ΟΧ/ΕΕ) [2], [3]. 1.2 Η ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 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 μιας υδατόπτωσης που κινεί ένα νεροτροχό ή έναν υδροστρόβιλο), και (β) όταν μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη (π.χ. η χημική ενέργεια των καυσίμων που γίνεται θερμότητα κατά την καύση τους) [4]. Για τον άνθρωπο η ενέργεια έχει τεράστια σημασία γιατί καθιερώνει τη σημερινή "τεχνολογική ποιότητα ζωής". Με την ενέργεια που έχει ο άνθρωπος στη διάθεσή του, μαγειρεύει, ζεσταίνει και φωτίζει το χώρο του, κινεί μηχανές, στέλνει μηνύματα σε μεγάλες αποστάσεις (πίνακας ΕΙΣ-1). Στη φύση όμως δεν υπάρχει αφθονία ενέργειας σε μορφές άμεσα αξιοποιήσιμες ή σε μορφές που είναι εύκολη η μετατροπή τους με την εκάστοτε υπάρχουσα τεχνολογία. Συνήθως χρειάζεται ορισμένη επεξεργασία για να μετατραπεί στην απαιτούμενη από τις διάφορες χρήσεις μορφή. Οι δυσκολίες που αντιμετωπίζονται, μέχρι να γίνει διαθέσιμη η ενέργεια στην κατάλληλη μορφή και στην απαιτούμενη ποσότητα που χρειάζεται ο άνθρωπος, συνιστούν το ενεργειακό πρόβλημα [4]. 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. Η εσωτερική ενέργεια δεν είναι μορφή ενέργειας αλλά η ίδια η ενέργεια. Οι μορφές ΕΙΣ - 1.
ενέργειας εμφανίζονται μόνο κατά τη μεταφορά τους από σώμα σε σώμα (ή από σύστημα σε σύστημα). Κατά την ανταλλαγή μεταξύ των διαφόρων συστημάτων η ενέργεια εμφανίζεται σε διάφορες μορφές, όπως μηχανική (κινητική, δυναμική), χημική (καύσιμα), ηλεκτρική, πυρηνική, θερμότητα, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κ.α. Η μηχανική ενέργεια (ανύψωση/μετακίνηση αντικειμένων, μεταφορά, άλεση) υποκαθιστά τη μυϊκή δύναμη του ανθρώπου. Η θερμότητα χρειάζεται για την παρασκευή του φαγητού, το πλύσιμο και τη θέρμανση, σε διάφορες παραγωγικές διεργασίες, ενώ από τη θερμότητα που παράγεται σε υψηλές θερμοκρασίες παίρνουμε μηχανική/ηλεκτρική ενέργεια. Η χημική και η πυρηνική ενέργεια χρειάζονται κυρίως για την παραγωγή της θερμότητας. 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 Πίνακας ΕΙΣ-1: Κύριες ανάγκες που καλύπτουν οι διάφορες μορφές ενέργειας ΑΝΑΓΚΕΣ Α. Παρασκευή φαγητού Θέρμανση χώρου Θέρμανση νερού χρήσης (πλύσιμο ρούχων/σώματος) Ξήρανση/αφύγρανση αγαθών (Θερμότητα διαφόρων θερμοκρασιών) Β. Μετακίνηση (μεταφορά/ανύψωση) αντικειμένων ή ατόμων Άλεση, μορφοποίηση, κτλ (Υποκατάσταση ανθρώπινης εργασίας/μυϊκής δύναμης) Γ. Φωτισμός Επικοινωνίες Χρήση Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (συστημάτων πληροφορικής) (Ηλεκτρική ενέργεια) ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Θερμότητα (διαφόρων θερμοκρασιών) 2. Μηχανική ενέργεια (κινητική, δυναμική) 3. Χημική ενέργεια 4. Πυρηνική ενέργεια 5. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία 6. Ηλεκτρική ενέργεια (μία μορφή μεταφοράς ενέργειας) 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 αξία. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι εκτός από τη θερμότητα όλες οι άλλες μορφές ενέργειας μπορούν να αλληλομετατραπούν χωρίς ουσιαστικά 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. Για τη θερμότητα όμως 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. ΕΙΣ - 2.
1.3. 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. 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 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 αέριοικαι τα ορυκτά ουρανίου. Είναι πυκνές μορφές ενέργειας -σε σχέση με τις ανανεώσιμες- καλύπτουν πλήθος εφαρμογών, αλλά έχουν σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) σε σχέση με την χρονική κλίμακα της ανθρώπινης ζωής και παρουσίας στη Γη είναι ανεξάντλητες καθώς η εξαντλησιμότητά τους εξαρτάται από τη ζωή του ήλιου. Ανεξάρτητα από το ρυθμό εκμετάλλευσής τους συνεχίζουν να είναι άμεσα διαθέσιμες (βλ. αιολική ενέργεια) ή αναπληρώνονται σε σύντομο χρονικό διάστημα (βλ. βιομάζα). Υπάρχουν όμως μόνο τρεις κύριες πηγές ενέργειας που είναι ανανεώσιμες: η ηλιακή, η γεωθερμία και η παλιρροϊκή. Όλες οι άλλες ανανεώσιμες πηγές προέρχονται από την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στη Γη, για το λόγο αυτό η αιολική, η υδροϊσχύς, η βιομάζα, η κυματική και η θερμοκρασιακή διαφορά των ωκεανών θεωρούνται δευτερογενείς, ή έμμεσες μορφές ηλιακής ενέργειας [5]. Οι ΑΠΕ έχουν κύρια χαρακτηριστικά το ότι είναι άφθονες και με ελάχιστες αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Από την άλλη όμως είναι αραιές μορφές ενέργειας (μικρής ροής ενέργειας) και στις περισσότερες περιπτώσεις -μέχρι στιγμής τουλάχιστον- με υψηλότερο 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 (πίνακας ΕΙΣ-3). Είναι οι πρώτες πηγές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος και μέχρι τις αρχές του 19 ου αιώνα σχεδόν αποκλειστικά, οπότε και στράφηκε στην έντονη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης των ΑΠΕ βρίσκονται σήμερα σε διάφορα επίπεδα ανάπτυξης. Άλλες βρίσκονται σε υψηλό επίπεδο ανάπτυξης, όπως π.χ. οι ανεμογεννήτριες, ενώ άλλες σε αρχικό, όπως π.χ. οι μηχανισμοί αξιοποίησης της ενέργειας των κυμάτων. Οι τεχνολογίες αυτές μπορούν να κατανεμηθούν σε τέσσερεις μεγάλες κατηγορίες. Σε τεχνολογίες που παράγουν μηχανικό έργο, όπως στην περίπτωση της ιδροϊσχύος ή της ενέργειας των κυμάτων, τεχνολογίες που παράγουν άμεσα ηλεκτρισμό χωρίς τη μεσολάβηση θερμοδυναμικών κύκλων, όπως στην περίπτωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου, τεχνολογίες που παράγουν θερμότητα, όπως π.χ. τα ηλιακά θερμικά συστήματα, και τεχνολογίες παραγωγής καυσίμων, όπως στην περίπτωση των βιοκαυσίμων. Λόγω των χαρακτηριστικών τους πολλές φορές οι ΑΠΕ αποκαλούνται και καθαρές μορφές ενέργειας ή ήπιες μορφές ενέργειας ή εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Οι ορισμοί αυτοί δεν είναι ακριβείς, καθώς ορισμένες ΑΠΕ μπορεί να μην είναι τόσο «καθαρές» (βλ. καυσόξυλα) ή ήπιες (βλ. μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα), αλλά και κάποιες εξαντλήσιμες μορφές ενέργειας να είναι εναλλακτικές για το ενεργειακό ισοζύγιο κάποιας χώρας (πχ πυρηνική ενέργεια για την χώρα μας). Η συνεχής βελτίωσης κατά τις τελευταίες δεκαετίες των τεχνολογιών χρήσης των ΑΠΕ έχει ως αποτέλεσμα τη σταθερή μείωση του κόστους τόσο της επένδυσης όσο και της παραγόμενης ενέργειας και τη βελτίωση της ανταγωνιστικότητάς τους. Παράλληλα οι ΑΠΕ μαζί με τη ΟΧ/ΕΕ θεωρούνται ως το σημαντικότερο εργαλείο μείωσης των εκπομπών αεριών θερμοκηπίου από την καύση ορυκτών καυσίμων και μείωσης της κλιματικής αλλαγής [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 [7]. Από τις αρχές τις δεκαετίας του 90, δόθηκε τόσο για λόγους περιβαλλοντικούς όσο και γεωπολιτικούς - απεξάρτησης από το πετρέλαιο και τους προμηθευτές του - έμφαση στη χρήση των ΑΠΕ, οπότε και η συμμετοχή τους στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των περισσότερων κρατών αυξήθηκε σημαντικά. ΕΙΣ - 3.
Η χώρα μας έχει προικιστεί ευνοϊκά σε ΑΠΕ, αυτές όμως συμμετέχουν σε πολύ μικρό ποσοστό στο ενεργειακό της ισοζύγιο. Παράλληλα, η χώρα μας διαθέτει πλούσια διαπιστωμένα κοιτάσματα λιγνίτη, που είναι και ο κυριότερος εγχώριος ενεργειακός μας πόρος, καθώς και μικρές ποσότητες τύρφης και υδρογονανθράκων. Για τους τελευταίους, αν και οι έρευνες είχαν ξεκινήσει εδώ και δεκαετίες, δεν έχει γίνει ακόμη ουσιαστική διερεύνηση, και μόλις σχετικά πρόσφατα αυτές εντάθηκαν με συστηματικό τρόπο. 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 [8]. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Ngo C., Natowitz J., Our Energy Future: Resources, alternatives, and the environment. J. Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-0-470-11600-9. [2] Energy: The Next Fifty Years, OECD 1999, ISBN 92-64-17016-2. [3] Directive 2009/28/EC of the European Parliament: Promotion of the use of energy from renewable sources. [4] Ζητήματα της ενεργειακής μας πολιτικής, 1982, Σύγχρονη Εποχή, Αθήνα, 1982. [5] Dorf R., Energy, Resources & Policy, Addison-Wesley Publ. Comp., 1978, ISBN 0-201-01673-7. [6] RENEWABLE ENERGY SOURCES AND CLIMATE CHANGE MITIGATION, Special Report of IPCC. IPCC 2012, Cambridge University Press, NY USA, ISBN 978-1-107-02340-6. [7] Energy Balance Flows. World 2012, International Energy Agency, Statistics, http://www.iea.org/statistics/statisticssearch/. (πρόσβαση 14 Νοεμ. 2014) [8] Energy Balance Flows. Greece 2012, International Energy Agency, Statistics, http://www.iea.org/sankey/#?c=greece&s=balance. (πρόσβαση 14 Νοεμ. 2014) ΕΙΣ - 4.
Πίνακας ΕΙΣ-2: Κατάταξη των πηγών ενέργειας ανάλογα με τη διαθεσιμότητά τους 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 Πλεονεκτήματα φυσικό αέριο, υγρά φυσικού αερίου μη συμβατικές πηγές φυσικού αερίου (σχιστολιθικό, κ.ά) 3. Πυρηνικά ορυκτά Ουράνιο 235 Ουράνιο 238 ανεξάντλητες (ανανεώσιμες) άφθονες περιβαλλοντολογικά καθαρότερες με χαμηλό συνήθως λειτουργικό κόστος, ανεπηρέαστο από διεθνείς διακυμάνσεις τιμών και άλλων οικονομικών μεγεθών υπάρχουν στις περισσότερες περιοχές του κόσμου και συμβάλλουν στην ενεργειακή αυτοδυναμία τους Μειονεκτήματα αραιές μορφές ενέργειας (με χαμηλή πυκνότητα ισχύος) διασπαρμένο συνήθως δυναμικό, που για μεγάλα μεγέθη απαιτεί συγκέντρωση, μεταφορά, αποθήκευση διακοπτόμενες, παρουσιάζουν χρονική μεταβλητότητα που δημιουργεί ανάγκη αποθήκευσης ή/και εφεδρικών πηγών ενέργειας. με υψηλό κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκαταστημένης ισχύος και σε αρκετές περιπτώσεις και παραγόμενης ενέργειας τελικής χρήσης κ.α. κατά περίπτωση πυκνές μορφές ενέργειας με πλήθος εφαρμογών συγκεντρωμένες σε πεδία εξαντλήσιμες αρκετές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον ΕΙΣ - 5.
Πίνακας ΕΙΣ-3: Μορφές ΑΠΕ Ηλιακή ενέργεια Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ήλιου, που αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών μετατροπής της σε θερμότητα ή ηλεκτρισμό. Οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε: Ενεργητικά θερμικά ηλιακά συστήματα Παθητικά θερμικά ηλιακά συστήματα Μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία άμεσα σε θερμότητα και τη μεταφέρουν με τη χρήση κατάλληλων ρευστών. Αρχιτεκτονικές σχεδιαστικές λύσεις και χρήση κατάλληλων δομικών υλικών για την απευθείας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, δροσισμό ή φωτισμό, χωρίς τη χρήση Η/Μ εξοπλισμού. Φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα Μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια αξιοποιώντας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υδραυλική ενέργεια Ενέργειες της θάλασσας Βιομάζα Αστικά Απορρίμματα Η κινητική ενέργεια των αέριων μαζών της ατμόσφαιρας που μετατρέπεται σε μηχανική/ηλεκτρική ενέργεια. Η φυσική θερμική ενέργεια της που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης προς την επιφάνεια είτε με θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων είτε με φυσική ή τεχνητή κατακόρυφη κίνηση υπόγειων ρευστών. Η δυναμική ενέργεια του νερού μέσα στο πεδίο βαρύτητας της Γης, που μετατρέπεται σε μηχανική /ηλεκτρική ενέργεια σε υδατοπτώσεις. Η δυναμική/κινητική ενέργεια των παλιρροιών και των κυμάτων, καθώς και το ενεργειακό δυναμικό λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς στα νερά των ωκεανών. Υλικά φυτικής ή ζωικής προέλευσης που αντιμετωπίζονται ως ενεργειακοί πόροι. Το ενεργειακό τους περιεχόμενο είναι αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης Το ενεργειακό περιεχόμενο των απορριμμάτων ΕΙΣ - 6.