Az energiagazdálkodás fizikai alapjai
2.4 Az energiagazdálkodás fizikai alapelvei
Az energiagazdálkodás technikai oldalának megértése érdekében meg kell magyarázni néhány alapfogalmat a fizikából. Az energiamenedzsernek meg kell értenie és meg kell különböztetnie ezeket a kifejezéseket. Csak így lehet megérteni és felmérni az energetikai intézkedések előnyeit.
2.4.1 Erő
A mindennapjainkban szinte mindenhez erő szükséges valamilyen formában, legyen az ajtónyitás, lépcsőzés vagy a laptop zsebben tartása. A klasszikus mechanikában:
Erő = tömeg szorozva a gyorsulással
Ismerjük ezt az erő mechanikus meghatározását a mindennapi életből. Amikor beülünk egy autóba és gyorsulunk, az az ülésbe taszít minket. Amint az autó egyenletes sebességgel halad tovább, már nem érezzük ezt az erőt, a gyorsulás nulla, és az erő is. Ha az autó most fékezett, akkor nekünk nyomja a biztonsági övet, és érezzük a fékerőt. Tehát fékezéskor is gyorsulunk, de ellenkező irányba. Fizikailag valami mindig felgyorsul, ha megváltoztatja a sebességét, vagyis amikor gyorsabbá vagy lassabbá válik. Továbbá valaminek van sebessége, amikor megváltoztatja a helyét. Két helyszín között megmérhetjük az l távolságot méterben (m). Ha meg akarjuk tudni, mennyi időre van szükségünk egyik helyről a másikra, akkor megmérjük a t időt, például megszámoljuk a másodperceket. Tehát a sebesség megmondja, milyen gyorsan tudjuk megváltoztatni a helyet:
Sebesség = helyváltozás időnként
Bizonyos értelemben a gyorsulás megmondja, milyen gyorsan változik a sebesség:
Gyorsulás = másodpercenkénti sebességváltozás
Az erők a természetben és a technológiában sokféle formában fordulnak elő, legyen az gravitáció, súrlódási erő, elektromágneses erő vagy bármilyen más forma. Mindegyiket kicsit másképp számolják, de mindig Newtonban (N) mérik őket. Ennek eredményeként az erőket összeadhatjuk, kivonhatjuk és összehasonlíthatjuk egymással.
2.4.2 Energia és munka
Az energia az élet kulcsa. Ezért fontos ismerni e kifejezés fizikai jelentését. A munka fogalma szorosan kapcsolódik az energia fogalmához.
A biciklizésből tudjuk, hogy kell vagy munkát kell végeznie, például a tó mentén haladni Zürichtől Rapperswilig. Először fel kell gyorsulnunk, ehhez erőre van szükségünk a pedálozáshoz, és megteszünk egy bizonyos távolságot. Annak érdekében, hogy ne lassítsunk, folyamatosan alkalmaznunk kell az erőnket, vagyis folyamatosan kell pedálozni, amíg megérkezünk Rapperswilbe. Tehát amikor a kerékpáron dolgozunk, a pedál erejét alkalmazzuk, ezáltal a kerekek elfordulnak, és ezért megtesszük a távolságot. Ez az erő annak a súrlódásnak a leküzdésére szolgál, amely egyébként ismét lelassít minket. Ezzel ellentétben nem lehet rúgni és nem teljesíteni a távolságot. Valójában:
Munka = hatalom szorozza az utat
Egység: Joule J = Nm = Nm
De rúgás nélkül le lehet gördülni egy hegyről. Tehát egy utat bejárunk anélkül, hogy erőt kellene használnunk. A munka meghatározásával könnyen kiderül, hogy nem dolgozunk, ami természetesen egyetért tapasztalatainkkal.
Ahhoz, hogy Zürichtől Rapperswil felé könnyebben el tudjunk menni, e-biciklit is használhatunk. Most kevesebbet kell dolgoznunk, a többi munkát az elektromos motor végzi. Az elektromos motor működéséhez elektromos energiára van szüksége, amelyet akkumulátorból merít. Ha az akkumulátor lemerült, a motor is leáll. Röviden: nincs munka energia nélkül.
Fizikai értelemben az energiát helyesen „munkaképességnek” nevezik. A munka mint fizikai kifejezés az energia felhasználásaként értelmezhető. Ezzel szemben az energia „tárolt” vagy „potenciális” munka. Egy bizonyos mennyiségű munka mindig megfelelő mennyiségű energiát emészt fel. Az egység és az érték megegyezik, feltéve, hogy nincsenek nemkívánatos mellékhatások, ami sajnos a valós világban soha nem fordul elő. Ha 100 joule-nál végeznek munkát, akkor 100 joule energiára van szükség. A való világban 100 joule energia felel meg az elméleti minimális energiafogyasztásnak.
Ahhoz, hogy az akkumulátor ismét energiát szabadítson fel, először fel kell tölteni. Ez azt jelenti, hogy az elektromos energiát egy tápkábelen keresztül veszi fel és tárolja, hogy később később újra felszabadulhasson. Mi emberek is éhesek vagyunk munkánk elvégzése után, és új energiára van szükségünk, amelyet élelmiszer formájában veszünk fel, és későbbi felhasználásra tárolunk. A szállított energia kémiailag meg van kötve az akkumulátorban és a testben.
Mi történik azzal az energiával, amelyet kerékpározáskor használunk? Az az energia, amelyre a menet elején szükség volt a gyorsuláshoz, nagy valószínűséggel érezhető: az út végén felmelegíti a fékbetéteket. Ezek fékezéskor felmelegednek. A környezetet a maradék energiával is felmelegítik (a súrlódás hőt okoz), így elméletileg a lakók részesülhetnek a kerékpárút mellett található valamivel magasabb léghőmérsékletből. Csak a hőmérséklet-emelkedés marad olyan kicsi, hogy senki sem érzi ezt, ezért nem köszönünk érte.
Ezeket a kapcsolatokat a termodinamika első törvénye a következőképpen határozza meg, amely egy álló helyzetre vonatkozik:
A rendszerbe juttatott és leadott összes energia összege nulla.
Nyilvánvaló, hogy az energiát nem lehet fogyasztani, csak átalakítani. Ez lehetetlenné is teszi (és látszólag értelmetlen) az energiatakarékosságot. És mégis tudjuk, hogy az úgynevezett energiafogyasztás az emberiség egyik legnagyobb problémája. Felderíthetjük a problémát, amikor rájövünk, hogy a kiváló minőségű energia formáit folyamatosan hulladékhővé alakítjuk, amelyek már nem használhatók fel.
A fenti főmondat az alábbiak szerint is átírható:
Az energia csak egyik formából alakítható át a másikba, de soha nem veszik el.
Az energiát a joule egységben (J) mérik, ahol a joule az az energiamennyiség, amely egy méter megtételéhez szükséges egy newton erejével: 1 joule = 1 newton méter (1 J = 1 Nm). A joule nagyon kis energiamennyiség, ezért szokták használni a kilojoule-t (kJ) (joule ezerszer) vagy a megajoule-t (MJ), millió joule-szor.
Egy másik gyakori és praktikus mennyiség, amellyel az energiát mérik, a kilowattóra, vagy röviden kWh. A kilowattórát a villanyszámlánkból ismerjük, amelyet rendszeresen fizetnünk kell. A villany azonban helytelen szó a számlán. Nem az áramért fizetünk, hanem az energiaért, mégpedig a kilowattóráért. A villanyszámlánk valójában egy energiaszámla.
A joule-kat (Ws) kilowattórává alakítják a következő átalakítással: 1 kWh = 1000 (kiló esetén) 1 W 3600 s = 3 600 000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3,6 MJ (megajoule) vagy rövid:
1 kWh = 3,6 MJ
Az energia vagy a munka mérésének régi módja a kalória. A mindennapi életben ezt az intézkedést csak az ételekben található kalóriákra vonatkozó információk alapján ismerjük. Az alábbiak érvényesek:
1 cal = 4,18 J vagy. 1 kcal = 4,18 kJ
2.4.3 Teljesítmény
Az energia (és a munka) után most bevezetjük a teljesítmény fogalmát. A tömeghez és a tömeghez hasonlóan az energiát és az energiát is gyakran összekeverik vagy egyenlővé teszik egymással. Van összefüggés, de a kifejezések nem ugyanazt jelentik. A kontextus az idő. Az előadás megmondja, milyen gyorsan használjuk fel az energiát, vagy végezzünk munkát. Gyorsan vagy lassan végezhetünk munkát, a munka ugyanaz marad, de a teljesítmény más. Nem dolgozhatunk előadás nélkül, vagy fordítva. Mindig fontos tudni, hogy érdekel-e minket az, hogy milyen gyorsan történik valami, ami megfelel az előadásnak, vagy szeretnénk tudni, hogy mi történik, ami megfelel a munkának vagy az energiának. A szolgáltatás meghatározása a következő:
P teljesítmény = E energia t időegységenként
Egység: watt = joule/másodperc
Egy watt nagyon kicsi eredmény. Testünk még ülve is majdnem 100 wattot alakít át, amelyet hő formájában bocsát ki. Kerékpározáskor a sebesség (és a lejtés) függvényében legfeljebb 500 watt. A technológiában ezért a teljesítmény általában kilowattban (1 kW = 1000 W) van megadva (hasonlítsuk össze gramm g és kilogramm kg).
Mivel a kilowatt (kW) egy "praktikus" mennyiség, ezért az energiát is gyakran használják ennek az egységnek az alkalmazásával, idővel kombinálva. Az óra (h) alkalmas időnek; az eredmény a kilowattóra (kWh) az energiára. Egy másik teljesítményegység, bár elavult, a lóerő (PS, 1 PS = 0,736 kW). Ezt az egységet csak az autóhirdetésekből ismerjük.
2.4.4 Az energia és a teljesítmény kapcsolata
Az energia és az erő viszonyát itt példával kell elmagyarázni és elmélyíteni. Nézzünk egy raclette sütőt és a tűzhelyen lévő órát. A raclette kemence teljesítménye 1000 W = 1 kW. Évente 8 alkalommal kapcsolják be, minden alkalommal 1 órára és 6 percre. A tűzhely óra (elektronikus digitális óra, fénykibocsátó dióda kijelzővel) 2 watt energiát fogyaszt. Mivel azonban az aljzatból 230 V-os feszültséggel nem működtethető, szükség van egy tápegységre, amely a hálózati feszültséget alacsony feszültséggé alakítja. Ezt csak az ár szempontjából optimalizálják, ezért 8 wattos energiavesztesége van, így a kályha egész évben 10 wattot vesz le a hálózatból. A két eszköz közül melyiknek van szüksége több energiára?
Raclette sütő: 8-szor 1 óra 6 perc 8-szor 1,1 óra = 8,8 óra
Energia = teljesítményidő = 1 kW 8,8 h = 8,8 kWh
Óra a tűzhelytől: Az óra egész évben működik: 365 nap 24 óra 8760 órát ad.
Energia = 10 W 8760 h = 87 600 Wh = 87,6 kWh
A tűzhelyen lévő órának körülbelül tízszer több energiára van szüksége, annak ellenére, hogy nagyon alacsony a teljesítménye!
A kilowattórás (kWh) energiaegység valóban hasznos. Az energia joule alapegységére konvertálva a következőket eredményezi:
8,8 kWh = 8,8 1000 W 3600 s = 31 680 000 J vagy 31 680 kJ ill. 31,68 MJ.
Mivel a joule egy nagyon kicsi energiaegység, a kilowattórákat általában közvetlenül megajoule-ká (MJ) alakítják át. Az átváltási tényező 3,6 MJ/kWh (lásd fent).
A villanyszámlánkon, ami egy energiaszámla, számlázunk a kilowattórákért. Az energiaárak a terméktől (napenergia, víz, atomerőmű vagy más erőforrás-összetétel) és a napszaktól függően változnak. Körülbelül 0,15 CHF-ot fizetünk egy kilowattóráért. A fenti átalakítás után egy joule 0,000000040 CHF-be kerül. A joule teljesen alkalmatlan a számításra. A mega joule 0,040 CHF-rel sokkal kezelhetőbb lenne. De megszoktuk a kilowattórát, és ha a számokat nézzük, annak is van értelme.
Az energiát (a "mindennapi élethez" többnyire kWh-ban megadva és így is kiszámítva) és a teljesítményt (többnyire kW-ban) szigorúan el kell különíteni. A nagy kimenet nem feltétlenül jelent sok energiát, a kicsi, hosszú ideig bekapcsolt teljesítmény sok energiát jelenthet.
Gyakran egy eszköz változó kimenettel rendelkezik (például fénymásoló, amelynek fűtőberendezése nagy teljesítményű, de amely csak fűtéshez szükséges). Másoláskor a fénymásolónak áramellátásra van szüksége a mechanikus papírszállításhoz és a fényre, az állásidő alatt (bekapcsolt állapotban, készen áll a másolásra, készenléti állapotban) alacsony energiafogyasztásra, hogy melegen tartsa a beégetőgörgőt. Talán még mindig van energiatakarékos funkciója. Ezután a beégetőgörgőt csak alacsonyabb hőmérsékleten tartják, a készenléti teljesítmény még alacsonyabb (rövid ideig várni kell, mielőtt másolna). A fűtési teljesítmény változatlan marad, de az energiatakarékossági funkciónak köszönhetően az energiafogyasztás jelentősen csökkenthető, mivel a legtöbb fénymásoló legtöbbször készenléti üzemmódban van. A fénymásoló adattábláján szereplő teljesítményadatok nem segítenek az energiafogyasztás kiszámításában. Az energiafogyasztás az átlagos teljesítmény és a működési idő szorzata (vagy matematikailag a pillanatnyi teljesítmény időbeli integrálja). Az átlagos teljesítmény a fénymásoló használatától függ (intenzív vagy ritkán használt, energiatakarékos gomb használatával stb.), És a gyakorlatban kell mérni.
2.4.5 Energia és entrópia
A termodinamika második törvénye ezeket az összefüggéseket egyszerűsített formában írja le a következőképpen:
A rendellenesség mindig növekszik.
Az energiatakarékosság helyett azt kell jelentenie: a dolgok rendben tartása .
A termodinamikában ezt a "rendellenességet" entrópiának nevezik. Az entrópia (S szimbólum) csak növekedhet, vagy legfeljebb ugyanaz maradhat. Az entrópia növekedése nélküli folyamatok visszafordíthatók (reverzibilis folyamatok), de a gyakorlatban nem léteznek. Minél kevésbé reverzibilis egy folyamat, annál nagyobb lesz az entrópia növekedése.
A hőmérséklet sorrendnek is tekinthető: minél magasabb a hőmérséklet, annál magasabb a sorrend. Ezért alkalmazandó:
A hő mindig magasabbról alacsonyabb hőmérsékletre áramlik, soha nem fordítva.
A fizika szempontjából az alapvető mennyiség tehát nem az energia, hanem az entrópia. Minél kevesebb entrópiát okozunk, annál kevesebb lesz az "energiaproblémánk". Minden energiamegtakarítási intézkedés végül az entrópia növekedésének csökkenéséhez vezet, vagy nem igazán hatékony. Ez fordítva azt jelenti, hogy csökkenteni kell az entrópia növekedését, vagyis kerülni kell a rendezetlenséget.
Hasonlóképpen, a nyersanyagok fogyasztása entrópia-termelésként is felfogható. Vagy a nyersanyagok egyre egyenletesebben oszlanak el az egész világon egyre kisebb részeken, amíg azokat már nem lehet visszanyerni (pl. Réz, amely egyre vékonyabb huzalokba húzódik és egyre jobban eloszlik). Vagy a nyersanyagokat úgy "fogyasztják", hogy más anyagokká alakítják át, amelyeket például már nem lehet felhasználni (pl. Műtrágya). Ezek az anyagok még mindig jelen vannak, azonban a "rendellenesség" csak jelentősen megnőtt.
Exergia és anergia
Ma az energia gyakran exergiára és anergiára oszlik. Az exergia alatt azt a hőmennyiséget értjük, amely ideális termodinamikai ciklus révén mechanikai energiává alakítható. Ekkor érvényes a Carnot-hatékonyság, amely magasabb, annál nagyobb a különbség a rendszer felső és alsó hőmérséklete között a ciklusban. Az anergia az energia maradék része, amelyet nem lehet átalakítani a Carnot-hatékonyság szerint. Leegyszerűsítve gyakran azt mondják, hogy az exergia az energia felhasználható része, az anergia a használhatatlan rész. Mind fizikai, mind gyakorlati szempontból ez a felosztás kérdéses és önkényes. Ez nagymértékben függ a peremfeltételektől (pl. A rendszer hőmérsékletétől) és a kívánt energiafelhasználás típusától. Például fűtést, hűtést vagy fényt szeretne létrehozni? Ettől függően egy bizonyos mennyiségű energia felhasználása egy bizonyos hőmérsékleti szinten nagyon eltérő.
Sokkal produktívabb, ha az energia és az entrópia kifejezéseket értjük. Ez azt jelenti, hogy az optimális megoldások mindig fizikailag helyesen kereshetők.