Calitatea energiei - Energy quality
Calitatea energiei este o măsură a ușurinței cu care o formă de energie poate fi transformată în muncă utilă sau într-o altă formă de energie. O formă de energie de înaltă calitate este ușor convertită în muncă sau într-o formă de energie de calitate inferioară, în timp ce conversia unor forme de energie de calitate scăzută în muncă sau o formă de calitate superioară poate fi ineficientă, dificilă sau imposibilă. Conceptul de calitate a energiei este, de asemenea, utilizat în ecologie , unde este utilizat pentru a urmări fluxul de energie între diferite niveluri trofice într-un lanț alimentar și în termoeconomie , unde este utilizat ca o măsură a producției economice pe unitate de energie. Metodele de evaluare a calității energiei implică deseori dezvoltarea unui clasament al calităților energetice în ordine ierarhică .
Exemple: Industrializare, Biologie
Considerarea calității energiei a fost un motor fundamental al industrializării din secolele XVIII-XX. Luați în considerare, de exemplu, industrializarea Noii Anglii în secolul al XVIII-lea. Aceasta se referă la construcția fabricilor de textile care conțin războaie electrice pentru țesut pânză. Cea mai simplă, cea mai economică și mai directă sursă de energie a fost asigurată de roțile de apă , care extrageau energia dintr-o moară din spatele unui baraj de pe un pârâu local. Dacă un alt proprietar de teren din apropiere ar decide să construiască și o moară pe același pârâu, construcția barajului lor ar reduce capul hidraulic general pentru a alimenta roata de apă existentă, afectând astfel generarea de energie și eficiența . Acest lucru a devenit în cele din urmă o problemă endemică pentru întreaga regiune, reducând profitabilitatea generală a morilor mai vechi pe măsură ce au fost construite altele mai noi. Căutarea energiei de calitate superioară a fost un impuls major pe parcursul secolelor XIX și XX. De exemplu, arderea cărbunelui pentru a produce abur pentru a genera energie mecanică nu ar fi fost imaginabilă în secolul al XVIII-lea; până la sfârșitul secolului al XIX-lea, utilizarea roților de apă a fost demult depășită. În mod similar, calitatea energiei din electricitate oferă avantaje imense față de abur, dar nu devine economică sau practică până în secolul al XX-lea.
Exemplul de mai sus s-a axat pe impactul economic al exploatării energiei. Un scenariu similar se desfășoară în natură și biologie, în care organismele vii pot extrage din natură o energie de calitate diferită, în cele din urmă condusă de energia solară ca principal motor al inechilibrului termodinamic de pe Pământ. Echilibrul ecologic al ecosistemelor este bazat pe fluxurile de energie prin sistem. De exemplu, apa de ploaie antrenează eroziunea de roci , care eliberează substanțe chimice care pot fi utilizate ca substanțe nutritive; acestea sunt preluate de plancton , folosind energia solară pentru a crește și a prospera; balenele obțin energie consumând plancton, folosind astfel indirect și energia solară, dar de data aceasta într-o formă mult mai concentrată și de calitate superioară.
Rețineți că roțile de apă sunt acționate și de apa de ploaie, prin ciclul de evaporare solară-condensare a apei ; astfel, în cele din urmă, fabricarea industrială a pânzelor a fost condusă de ciclul zi-noapte al iradierii solare . Aceasta este o viziune holistică a surselor de energie ca un sistem în mare. Astfel, discuțiile despre calitatea energiei pot fi uneori găsite în științele umaniste , cum ar fi dialectica , marxismul și postmodernismul . Acest lucru se datorează efectiv faptului că discipline precum economia nu au reușit să recunoască intrările termodinamice în economie (acum recunoscute ca termoeconomie ), în timp ce discipline precum fizica și ingineria nu au putut aborda nici impactul economic al activității umane, nici impactul fluxurilor termodinamice în ecosisteme biologice. Astfel, discuțiile globale în sistem larg în linii mari au fost preluate de cei mai bine instruiți pentru raționamentul nebulos, nespecific pe care îl necesită astfel de sisteme complexe . Nepotrivirea rezultată a vocabularului și a perspectivelor între discipline poate duce la o dispută considerabilă.
Istorie
Potrivit lui Ohta (1994, pp. 90-91) clasamentul și analiza științifică a calității energiei au fost propuse pentru prima dată în 1851 de William Thomson sub conceptul de „disponibilitate”. Acest concept a fost continuat în Germania de Z. Rant, care l-a dezvoltat sub titlul „die Exergie” ( exergia ). Ulterior a fost continuat și standardizat în Japonia . Analiza exergică formează acum o parte comună a multor analize energetice industriale și ecologice. De exemplu, I.Dincer și YA Cengel (2001, p. 132) afirmă că formele energetice de diferite calități sunt acum tratate în mod obișnuit în industria de inginerie a aburului . Aici „indicele de calitate” este relația exergiei cu conținutul de energie (Ibid.). Cu toate acestea, inginerii energetici erau conștienți de faptul că noțiunea de calitate a căldurii implica noțiunea de valoare - de exemplu A. Thumann a scris: „Calitatea esențială a căldurii nu este cantitatea, ci mai degrabă„ valoarea ”ei (1984, p. 113) - care aduce în joc problema teleologiei și funcțiile de scop mai largi sau la scară ecologică. Într-un context ecologic, SE Jorgensen și G. Bendoricchio spun că exergia este utilizată ca funcție de scop în modelele ecologice și exprimă energia „cu o măsură încorporată a calității, precum energia” (2001, p. 392).
Metode de evaluare a calității energiei
Se pare că există două tipuri principale de metodologie utilizate pentru calcularea calității energiei. Acestea pot fi clasificate ca metode de primire sau de donare. Una dintre principalele diferențe care distinge aceste clase este presupunerea dacă calitatea energiei poate fi îmbunătățită într-un proces de transformare a energiei.
Metode de recepție: vedeți calitatea energiei ca o măsură și un indicator al ușurinței relative cu care energia se transformă de la o formă la alta. Adică câtă energie este primită dintr-un proces de transformare sau transfer. De exemplu, A. Grubler [1] a folosit două tipuri de indicatori de calitate energetică pars pro toto : raportul hidrogen / carbon (H / C) și inversul său, intensitatea carbonului energiei. Grubler l-a folosit pe acesta din urmă ca indicator al calității relative a mediului. Totuși, Ohta spune că în sistemele industriale de conversie cu mai multe etape, cum ar fi un sistem de producere a hidrogenului care utilizează energie solară, calitatea energiei nu este îmbunătățită (1994, p. 125).
Metode ale donatorilor: priviți calitatea energiei ca o măsură a cantității de energie utilizată într-o transformare a energiei și care merge în susținerea unui produs sau serviciu ( HTOdum 1975, p. 3). Aceasta este cantitatea de energie donată unui proces de transformare a energiei. Aceste metode sunt utilizate în chimia fizică ecologică și evaluarea ecosistemelor. Din această perspectivă, spre deosebire de cea subliniată de Ohta, calitatea energiei este îmbunătățită în conversiile trofice multietajate ale sistemelor ecologice. Aici, calitatea energiei îmbunătățită are o capacitate mai mare de feedback și control al calităților inferioare ale calității energiei. Metodele donatorilor încearcă să înțeleagă utilitatea unui proces energetic prin cuantificarea măsurii în care energia de calitate superioară controlează energia de calitate inferioară.
Calitatea energiei în știința fizico-chimică (transformări directe ale energiei)
Formă de energie constantă, dar flux de energie variabil
T. Ohta a sugerat că conceptul de calitate a energiei poate fi mai intuitiv dacă se iau în considerare exemple în care forma energiei rămâne constantă, dar cantitatea de energie care curge sau transferă este variată. De exemplu, dacă luăm în considerare doar forma inerțială a energiei, atunci calitatea energetică a unui corp în mișcare este mai mare atunci când se deplasează cu o viteză mai mare. Dacă luăm în considerare doar forma de căldură a energiei, atunci o temperatură mai ridicată are o calitate superioară. Și dacă luăm în considerare doar forma de lumină a energiei, atunci lumina cu frecvență mai mare are o calitate mai mare (Ohta 1994, p. 90). Toate aceste diferențe în calitatea energiei sunt, prin urmare, ușor de măsurat cu instrumentul științific adecvat.
Formă de energie variabilă, dar flux de energie constant
Situația devine mai complexă atunci când forma energiei nu rămâne constantă. În acest context, Ohta a formulat problema calității energiei în ceea ce privește conversia energiei dintr-o formă în alta, adică transformarea energiei. Aici, calitatea energiei este definită de ușurința relativă cu care energia se transformă, de la formă la formă.
Dacă energia A este relativ mai ușor de convertit în energia B, dar energia B este relativ mai greu de convertit în energia A, atunci calitatea energiei A este definită ca fiind mai mare decât cea a B. Clasamentul calității energiei este, de asemenea, definit într-un mod similar cale. (Ohta 1994, p. 90).
Nomenclatură: înainte de definiția lui Ohta de mai sus, AW Culp a produs un tabel de conversie a energiei care descrie diferitele conversii de la o energie la alta. Tratamentul Culp a folosit un indice pentru a indica despre ce formă de energie se vorbește. Prin urmare, în loc să scrie „energia A”, la fel ca Ohta mai sus, Culp s-a referit la „J e ”, pentru a specifica forma electrică a energiei, unde „J” se referă la „energie”, iar indicele „ e ” se referă la forma electrică a energie. Notarea lui Culp a anticipat maxima ulterioară a lui Scienceman (1997) conform căreia toată energia ar trebui specificată ca formă de energie cu indicele corespunzător.
Calitatea energiei în economia biofizică (transformări indirecte ale energiei)
Noțiunea de calitate a energiei a fost recunoscută și în științele economice. În contextul economiei biofizice, calitatea energiei a fost măsurată prin cantitatea de producție economică generată pe unitate de energie (CJ Cleveland și colab. 2000). Estimarea calității energiei într-un context economic este, de asemenea, asociată cu metodologiile energetice încorporate . Un alt exemplu de relevanță economică a conceptului de calitate a energiei este dat de Brian Fleay. Fleay spune că „Raportul profitului energetic (EPR) este o măsură a calității energiei și un indice esențial pentru evaluarea performanței economice a combustibililor. Atât intrările de energie directe, cât și indirecte, înglobate în bunuri și servicii, trebuie incluse în numitor.” (2006; p. 10) Fley calculează EPR ca ieșire de energie / intrare de energie.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Clasarea calității energiei
Abundența de energie și ușurința relativă de transformare ca măsură a rangului ierarhic și / sau a poziției ierarhice
Ohta a căutat să ordoneze conversiile de formă energetică în funcție de calitatea lor și a introdus o scară ierarhică pentru clasarea calității energiei pe baza ușurinței relative de conversie a energiei (vezi tabelul de la dreapta după Ohta, p. 90). Este evident că Ohta nu a analizat toate formele de energie. De exemplu, apa este lăsată în afara evaluării sale. Este important de reținut că clasamentul calității energiei nu este determinat numai cu referire la eficiența conversiei energiei. Aceasta înseamnă că evaluarea „ușurinței relative” a unei conversii de energie depinde doar parțial de eficiența transformării. Așa cum a scris Ohta, „generatorul de turbină și motorul electric au aproape aceeași eficiență, prin urmare nu putem spune care are calitatea superioară” (1994, p. 90). Prin urmare, Ohta a inclus și „abundența în natură” ca un alt criteriu pentru determinarea rangului calității energiei. De exemplu, Ohta a spus că „singura energie electrică care există în circumstanțe naturale este fulgerul, în timp ce există multe energii mecanice”. (Ibidem). (Vezi și tabelul 1. în articolul lui Wall pentru un alt exemplu de clasare a calității energiei).
Transformitatea ca măsură energetică de rang ierarhic
La fel ca Ohta, HTOdum a căutat, de asemenea, să ordoneze conversiile de forme de energie în funcție de calitatea lor, cu toate acestea, scara sa ierarhică pentru clasare s-a bazat pe extinderea conceptelor lanțului alimentar al sistemului ecologic la termodinamică, mai degrabă decât la simplitatea relativă de transformare. Pentru HTOdum, calitatea energiei se bazează pe cantitatea de energie dintr-o formă necesară pentru a genera o unitate dintr-o altă formă de energie. Raportul dintre o formă de energie de intrare și o altă formă de energie de ieșire a fost ceea ce HTOdum și colegii au numit transformitate : „ EMERGIA pe unitate de energie în unități de emjoule pe joule” (HTOdum 1988, p. 1135).