1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενέργεια είναι κύρια ιδιότητα της ύλης που εκδηλώνεται με διάφορες μορφές (κίνηση, θερμότητα, ηλεκτρισμός, φως, κλπ.) και γίνεται αντιληπτή (α) όταν μεταφέρεται από ένα φυσικό σύστημα σε ένα άλλο (π.χ. η ενέργεια του ανέμου που κινεί τον ανεμόμυλο), και (β) όταν μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη (π.χ. ηλεκτρική ενέργεια που γίνεται θερμότητα στην ηλεκτρική κουζίνα). Κυριότερη πηγή ενέργειας που δέχεται η επιφάνεια της γης, είναι η ακτινοβολία του ήλιου. Η ενέργεια αυτή με τους αδιάφορους τρόπους μεταφοράς της (π.χ. κίνηση ανέμων) και μετατροπής της (π.χ. στη χλωροφύλλη των φυτών) δημιουργεί το φυσικό ενεργειακό κύκλο. Ο άνθρωπος παρεμβαίνει σ' αυτόν τον κύκλο και χρησιμοποιώντας κατάλληλες πρώτες ύλες και τεχνολογία, προκαλεί μεταφορές και μετατροπές ενέργειας για δικούς του σκοπούς. Δημιουργεί έτσι ένα τεχνητό ενεργειακό σύστημα, 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 τα σπίτια, 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 μορφή που χρειάζεται ο άνθρωπος, συνιστούν το ενεργειακό πρόβλημα. Κάθε σώμα ή σύστημα περιέχει ενέργεια. Το περιεχόμενο ενός σώματος σε ενέργεια δεν μπορεί να μετρηθεί όπως π.χ. μετριέται 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 ΕΙΣ - 1.
Χημική ενέργεια (καύσιμα) Πυρηνική ενέργεια Θερμότητα, κ.α. 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" (πίνακας ΕΙΣ-1). Πίνακας ΕΙΣ-1: Τι ενέργεια τελικής χρήσης χρειάζεται ο άνθρωπος ΑΝΑΓΚΕΣ Α. Παρασκευή φαγητού Θέρμανση χώρου Θέρμανση νερού χρήσης (πλύσιμο ρούχων, σώματος) Β. Μετακίνηση αντικειμένων ή ατόμων Μεταφορά / ανύψωση βάρους Άλεση Μορφοποίηση Υποκατάσταση ανθρώπινης εργασίας (μυϊκής δύναμης) Γ. Φωτισμός Επικοινωνίες Χρήση Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (συστημάτων πληροφορικής) 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) Την ανθρώπινη μυϊκή ενέργεια υποκαθιστά η μηχανική ενέργεια (σήκωμα βάρους, μεταφορά, άλεση). Η θερμότητα είναι επίσης σημαντική μορφή ενέργειας γιατί χρειάζεται οπωσδήποτε για την παραγωγή του φαγητού, το πλύσιμο και τη θέρμανση. ΕΙΣ - 2.
Η χημική και η πυρηνική ενέργεια χρειάζονται κυρίως για την παραγωγή 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 χωρίς απώλειες σε μηχανική ενέργεια και θερμότητα Η θερμότητα είναι ιδιαίτερη μορφή ενέργειας γιατί η δυνατότητα να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία που έχει. Η θερμοκρασία είναι κατά κάποιο τρόπο ένας βαθμός αξιολόγησης της θερμότητας. π.χ. θερμότητα σε θερμοκρασία του περιβάλλοντος δεν έχει καμια 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 το ίδιο ποσό μιας άλλης μορφής ενέργειας. Αυτό είναι το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα. Μόνο για τη θερμότητα ισχύει και ένα άλλο, 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. 1.2. 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 σαν ανανεώσιμες (ανεξάντλητες) και μη ανανεώσιμες (εξαντλήσιμες) και φαίνονται στον πίνακα ΕΙΣ- 2. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) έχουν κύρια χαρακτηριστικά το ότι είναι ανεξάντλητες (ανανεώσιμες), άφθονες, με ελάχιστες αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Από την άλλη όμως είναι αραιές μορφές ενέργειας και - μέχρι στιγμής τουλάχιστον - με υψηλό κόστος ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας τελικής χρήσης για τις περισσότερες από αυτές. 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 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. Η χώρα μας έχει προικιστεί ευνοϊκά σε ανεξάντλητες πηγές ενέργειας, αυτές όμως συμμετέχουν σε πολύ μικρό ποσοστό στο ενεργειακό της ισοζύγιο. Παράλληλα, η χώρα μας διαθέτει πλούσια 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 ουσιαστική διερεύνηση). ΕΙΣ - 3.
Πίνακας ΕΙΣ-2: Κατάταξη 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 2. Υδρογονάνθρακες Παλίρροια πετρέλαιο αργό Θερμοκρασιακή διαφορά πετρέλαιο πισσούχων άμμων 6. Γεωθερμία πετρέλαιο πισσούχων σχιστόλιθων φυσικό αέριο, υγρά φυσικού αερίου 3. Ουράνιο 235 4. Ουράνιο 238 Πλεονεκτήματα ανεξάντλητες (ανανεώσιμες) άφθονες περιβαλλοντολογικά καθαρότερες μικρό λειτουργικό κόστος υπάρχουν στις περισσότερες περιοχές του κόσμου και συμβάλλουν στην ενεργειακή αυτοδυναμία των διαφόρων χωρών (ή περιοχών) Μειονεκτήματα αραιές μορφές ενέργειας με υψηλό κόστος ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας τελικής χρήσης (για αρκετές από αυτές) διακοπτόμενες, παρουσιάζουν χρονική μεταβλητότητα που δημιουργεί ανάγκη αποθήκευσης κ.α. κατά περίπτωση πυκνές μορφές ενέργειας με πλήθος εφαρμογών συγκεντρωμένες σε πεδία εξαντλήσιμες αρκετές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον Σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό της εσωτερικής διάθεσης ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση και της ενέργειας τελικής χρήσης καλύπτεται από το πετρέλαιο. Το 1990 το 45% της εσωτερικής διάθεσης ενέργειας και το 50% της ενέργειας τελικής χρήσης καλύφθηκε από προϊόντα πετρελαίου. Τα ποσοστά αυτά για το 1960 ήταν 35% και 34% αντίστοιχα. Στην Ελλάδα μέχρι τη δεκαετία του '40 η κύρια πηγή ενέργειας ήταν η Βιομάζα (καυσόξυλα). Στη συνέχεια την πρώτη θέση κατέλαβαν ραγδαία τα προϊόντα του πετρελαίου για να φθάσουν το 1973 το 75,5% της εγχώριας ζήτησης ενέργειας. ΕΙΣ - 4.
Πίνακας ΕΙΣ-3: Μορφές ΑΠΕ Ηλιακή ενέργεια Αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που εκμεταλλεύονται και τη θερμότητα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ήλιου. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε Ενεργητικά ηλιακά συστήματα Μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα Παθητικά ηλιακά συστήματα Αφορούν κατάλληλες αρχιτεκτονικές λύσεις και χρήση κατάλληλων δομικών υλικών για τη μεγιστοποίηση της απευθείας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, δροσισμό ή φωτισμό. Φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα Μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υδραυλική ενέργεια Ενέργειες της θάλασσας Βιομάζα Αστικά Απορρίμματα Η κινητική ενέργεια των αέριων μαζών που μετατρέπεται σε απολήψιμη μηχανική ενέργεια ή και σε ηλεκτρική ενέργεια Η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα Αξιοποιεί τις υδατοπτώσεις με στόχο την παραγωγή απολήψιμης μηχανικής ενέργειας ή/και ηλεκτρικής ενέργειας Αξιοιπόιηση θερμοκρασιακών διαφορών στα νερά των ωκεανών και της δυναμικής/κινητικής ενέργεας των παλιρροιών και των κυμάτων Είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, που μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλυσης Αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου τους ΕΙΣ - 5.