Bazele fizice în managementul energiei
2.4 Principii fizice în managementul energiei
Pentru a înțelege latura tehnică a managementului energiei, trebuie explicați câțiva termeni de bază din fizică. Un manager de energie trebuie să înțeleagă și să facă distincția între acești termeni. Acesta este singurul mod de a înțelege și a evalua beneficiile măsurilor energetice.
2.4.1 Forța
Aproape orice în viața noastră de zi cu zi necesită putere într-o formă, fie pentru a deschide ușa, pentru a urca scările sau pentru a purta laptopul în buzunar. În mecanica clasică:
Forța = masa înmulțită cu accelerația
Suntem familiarizați cu această definiție mecanică a forței din viața de zi cu zi. Când stăm într-o mașină și accelerăm, aceasta ne împinge în scaun. De îndată ce mașina continuă să circule cu o viteză constantă, nu mai simțim această forță, accelerația este zero și la fel și forța. Dacă mașina este acum frânată, ne apasă de centura de siguranță și simțim forța de frânare. Deci, suntem și accelerați la frânare, dar în direcția opusă. Fizic vorbind, ceva este întotdeauna accelerat atunci când își schimbă viteza, adică atunci când devine mai rapid sau mai lent. Mai mult, ceva are o viteză când își schimbă locul. Putem măsura distanța l între două locații în metri (m). Dacă vrem să știm cât timp avem nevoie dintr-un loc în altul, măsurăm timpul t, numărăm de ex. secunde. Deci viteza ne arată cât de repede putem schimba locul:
Viteza = schimbarea locației de fiecare dată
În consecință, accelerația ne spune cât de repede se schimbă viteza:
Accelerare = schimbarea vitezei pe secundă
Forțele apar în multe forme în natură și tehnologie, fie ca gravitație, forță de frecare, forță electromagnetică sau orice altă formă. Toate sunt calculate puțin diferit, dar sunt întotdeauna măsurate în Newtoni (N). Ca rezultat, forțele pot fi adăugate, scăzute și comparate între ele.
2.4.2 Energie și muncă
Energia este cheia vieții. Prin urmare, este important să cunoaștem semnificația fizică a acestui termen. Conceptul de muncă este strâns legat de conceptul de energie.
Știm din ciclism că este nevoie sau are nevoie de energie. trebuie să lucrați, de exemplu pentru a conduce de-a lungul lacului de la Zurich la Rapperswil. Mai întâi trebuie să accelerăm, pentru a face acest lucru avem nevoie de forță pentru a pedala și parcurgem o anumită distanță. Pentru a nu încetini, trebuie să continuăm să ne aplicăm forța, adică să continuăm să pedalăm până ajungem în Rapperswil. Deci, atunci când lucrăm pe bicicletă, folosim puterea pentru a pedala, roțile se rotesc și, prin urmare, parcurgem o distanță. Această forță servește pentru a depăși fricțiunea care altfel ne-ar încetini din nou. Dimpotrivă, nu este posibil să lovești și să nu parcurgi o distanță. De fapt:
Munca = puterea de mai multe ori
Unitate: Joule J = Nm = Nm
Dar este posibil să te rostogolești pe un munte fără să dai cu piciorul. Așadar, parcurgem o cale fără a fi nevoie să adunăm forță. Cu definiția muncii, aflăm cu ușurință că nu lucrăm, ceea ce, desigur, este de acord cu experiența noastră.
Pentru a ne ușura drumul de la Zurich la Rapperswil, putem folosi și o bicicletă electronică. Acum trebuie să lucrăm mai puțin, motorul electric face restul lucrului. Pentru ca motorul electric să funcționeze, are nevoie de energie electrică, pe care o extrage dintr-o baterie. Dacă bateria este descărcată, motorul nu va mai funcționa. Pe scurt: nici o muncă fără energie.
În termeni fizici, energia este denumită corect „capacitatea de lucru”. Munca ca termen fizic poate fi înțeleasă ca utilizarea energiei. În schimb, energia este „stocată” sau „potențială”. O anumită cantitate de muncă consumă întotdeauna o cantitate corespunzătoare de energie. Unitatea și valoarea sunt aceleași, cu condiția să nu existe efecte secundare nedorite, ceea ce, din păcate, nu este niciodată cazul în lumea reală. Dacă se lucrează pentru 100 de juli, atunci sunt necesari 100 de juli de energie. În lumea reală, 100 de jouli de energie corespund consumului teoretic minim de energie.
Pentru ca bateria să poată elibera din nou energie, trebuie mai întâi să fie reîncărcată. Aceasta înseamnă că preia energie electrică printr-un cablu de alimentare și o stochează astfel încât să poată fi eliberată din nou mai târziu. Noi, oamenii, de asemenea, ne este foame după ce ne-am terminat munca și avem nevoie de energie nouă, pe care o luăm sub formă de alimente și depozităm pentru o utilizare ulterioară. Energia furnizată este legată chimic în baterie, precum și în corp.
Ce se întâmplă cu energia pe care o folosim pentru a merge cu bicicleta? Energia necesară pentru a accelera la începutul călătoriei este cel mai probabil să fie resimțită: la sfârșitul călătoriei, încălzește plăcuțele de frână. Acestea se încălzesc la frânare. Energia din jur este, de asemenea, încălzită cu energia rămasă (fricția provoacă căldură), astfel încât teoretic locuitorii pot beneficia de o temperatură a aerului puțin mai mare lângă pista ciclabilă. Numai creșterea temperaturii rămâne atât de mică încât nimeni nu o simte, așa că nu primim mulțumiri pentru aceasta.
Aceste relații sunt definite în prima lege a termodinamicii după cum urmează, care se aplică unui caz staționar:
Suma tuturor energiei furnizate și descărcate într-un sistem este zero.
Evident, energia nu poate fi consumată, ci doar convertită. Acest lucru face, de asemenea, imposibilă (și aparent fără sens) economisirea energiei. Și totuși știm că așa-numitul consum de energie este una dintre marile probleme cu care se confruntă omenirea. Putem depista problema atunci când ne dăm seama că transformăm în mod constant forme de energie de înaltă calitate în căldură reziduală care nu mai poate fi utilizată.
Clauza principală de mai sus poate fi, de asemenea, rescrisă după cum urmează:
Energia poate fi convertită doar de la o formă la alta, dar nu se pierde niciodată.
Energia este măsurată în unitatea de joule (J), unde un joule este cantitatea de energie necesară pentru a călători un metru cu forța unui newton: 1 joule = 1 newton metru (1 J = 1 Nm). Un joule este o cantitate foarte mică de energie, motiv pentru care se folosește de obicei kilojoul (kJ) (de o mie de ori pe joule) sau megajoulul (MJ), de un milion de ori pe joule.
O altă cantitate obișnuită și la îndemână cu care se măsoară energia este kilowatul oră, sau kWh pe scurt. Știm kilowatul oră din factura noastră de energie electrică, pe care trebuie să o plătim regulat. Cu toate acestea, electricitatea este cuvântul greșit pentru factură. Nu plătim pentru electricitate, plătim pentru energie, și anume kilowatul-oră. Factura noastră de energie electrică este, de fapt, o factură de energie.
Joulii (Ws) sunt convertiți în kilowatt-ore cu conversia: 1 kWh = 1000 (pentru kilograme) 1 W 3600 s = 3.600.000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3.6 MJ (megajouli), sau scurt:
1 kWh = 3,6 MJ
Vechiul mod de a măsura energia sau munca este caloriile. În viața de zi cu zi, această măsură o cunoaștem doar din informațiile privind caloriile conținute în alimente. Se aplică următoarele:
1 cal = 4,18 J. sau. 1 kcal = 4,18 kJ
2.4.3 Performanță
După energie (și muncă) introducem acum conceptul de performanță. La fel ca masa și greutatea, puterea și energia sunt adesea confundate sau echivalate între ele. Există o legătură, dar termenii nu înseamnă același lucru. Contextul este timpul. Performanța ne spune cât de repede folosim energia sau facem o treabă. Putem face o treabă rapid sau încet, treaba rămâne aceeași, dar performanța este diferită. Nu putem lucra fără performanță sau invers. Este întotdeauna important să știm dacă ne interesează cât de repede se face ceva, care corespunde performanței sau dacă vrem să știm ce se face, care corespunde muncii sau energiei. Serviciul este definit după cum urmează:
Puterea P = energia E pe unitate de timp t
Unitate: watt = joule pe secundă
Un watt este o realizare foarte mică. Chiar și atunci când stăm, corpul nostru convertește aproape 100 de wați, pe care îl emite sub formă de căldură. Când mergeți cu bicicleta, este de până la 500 de wați, în funcție de viteză (și înclinație). Prin urmare, în tehnologie, puterea este de obicei dată în kilowați (1 kW = 1000 W) (comparați grame g și kilograme kg).
Deoarece kilowatul (kW) este o cantitate „la îndemână”, energia este adesea utilizată folosind această unitate, combinată cu un timp. Ora (h) este potrivită ca timp; rezultatul este kilowatt-ora (kWh) pentru energie. O altă unitate de putere, deși una depășită, este puterea (PS, 1 PS = 0,736 kW). Această unitate o cunoaștem doar din publicitatea auto.
2.4.4 Relația dintre energie și performanță
Relația dintre energie și putere ar trebui explicată și aprofundată aici cu un exemplu. Să ne uităm la un cuptor cu raclete și la ceasul de pe aragaz. Cuptorul cu raclete are o putere de 1000 W = 1 kW. Este pornit de 8 ori pe an timp de 1 oră și 6 minute de fiecare dată. Ceasul aragazului (un ceas digital electronic cu afișaj cu diode emițătoare de lumină) consumă 2 wați de energie. Cu toate acestea, deoarece nu poate fi acționat cu o tensiune de 230 V de la priză, este necesară o unitate de alimentare care să transforme tensiunea de rețea în tensiune joasă. Acest lucru este optimizat doar din punct de vedere al prețului și, prin urmare, are o pierdere de putere de 8 wați, astfel încât aragazul să scoată 10 wați din rețea pe tot parcursul anului. Care dintre cele două dispozitive are nevoie de mai multă energie?
Cuptor Raclette: de 8 ori 1 oră 6 minute sunt de 8 ori 1,1 ore = 8,8 ore
Energie = timp putere = 1 kW 8,8 h = 8,8 kWh
Ceas din sobă: ceasul funcționează pe tot parcursul anului: 365 de zile de 24 de ore oferă 8760 de ore.
Energie = 10 W 8760 h = 87.600 Wh = 87.6 kWh
Ceasul de pe aragaz are nevoie de aproximativ 10 ori mai multă energie, în ciuda puterii sale foarte mici!
Unitatea de energie kilowatt oră (kWh) este de fapt foarte utilă. Transformat în unitatea de bază a julilor de energie rezultă:
8,8 kWh = 8,8 1000 W 3600 s = 31,680,000 J or 31.680 kJ resp. 31,68 MJ.
Deoarece un joule este o unitate foarte mică de energie, kilowatt-orele sunt de obicei convertite direct în megajoule (MJ). Factorul de conversie este de 3,6 MJ/kWh (vezi mai sus).
Pe factura noastră de energie electrică, care este o factură de energie, suntem facturați pentru kilowata-oră. Prețurile energiei variază în funcție de produs (energie solară, apă, energie nucleară sau un alt amestec de energie) și de momentul zilei. Pentru un kilowat oră plătim în jur de 0,15 CHF. După conversia de mai sus, un joule costă 0,000000040 CHF. Joule-ul este complet nepotrivit pentru calcul. Mega joule-ul cu 0,040 CHF ar fi mult mai ușor de gestionat. Dar suntem obișnuiți cu kilowatul-oră și, atunci când ne uităm la cifre, are sens și el.
Energia (pentru „viața de zi cu zi”, specificată în principal în kWh și calculată în acest fel) și puterea (mai ales în kW) trebuie să fie strict separate. O ieșire mare nu înseamnă neapărat multă energie, o ieșire mică care rămâne pornită mult timp poate însemna multă energie.
Adesea un dispozitiv are o ieșire variabilă (de exemplu, o fotocopiator, care are un încălzitor cu multă putere, dar care este necesar doar pentru încălzire). La copiere, fotocopiatorul are nevoie de energie pentru transportul mecanic al hârtiei și de lumină, în timpul perioadelor de nefuncționare (când este pornit, gata de copiere, în regim de așteptare) o putere redusă pentru a menține rola fuzorului caldă. Poate că încă mai are o funcție de economisire a energiei. Apoi, rola fuzorului este menținută doar la o temperatură mai scăzută, performanța de așteptare este chiar mai mică (trebuie să așteptați puțin timp înainte de a copia din nou). Puterea de încălzire rămâne aceeași, dar consumul de energie poate fi redus semnificativ datorită funcției de economisire a energiei, deoarece majoritatea copiatorelor sunt în modul stand-by de cele mai multe ori. Informațiile de performanță de pe placa de identificare a copiatorului nu ne ajută să calculăm consumul de energie al acestuia. Consumul de energie este puterea medie de timpul de funcționare (sau din punct de vedere matematic integralul puterii instantanee în timp). Performanța medie depinde de utilizarea copiatorului (intensiv sau rar utilizat, cu utilizarea butonului de economisire a energiei etc.) și trebuie măsurată în practică.
2.4.5 Energie și entropie
A doua lege a termodinamicii descrie aceste relații într-o formă simplificată după cum urmează:
Tulburarea crește întotdeauna.
În loc de a economisi energie, ar trebui să însemne: păstrarea lucrurilor ordonate .
În termodinamică, această „tulburare” se numește entropie. Entropia (simbolul S) poate crește sau cel mult rămâne aceeași. Procesele fără o creștere a entropiei ar fi reversibile (procese reversibile), dar în practică nu există. Cu cât un proces este mai puțin reversibil, cu atât crește entropia.
Temperatura poate fi privită și ca o comandă: cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare ordinea. Prin urmare, se aplică și:
Căldura curge întotdeauna de la o temperatură mai mare la o temperatură mai mică, niciodată invers.
Prin urmare, cantitatea esențială din punct de vedere al fizicii nu este energie, ci entropie. Cu cât provocăm mai puțină entropie, cu atât devine mai puțin „problema noastră energetică”. Toate măsurile de economisire a energiei duc în cele din urmă la o reducere a creșterii entropiei sau nu sunt cu adevărat eficiente. În schimb, aceasta înseamnă că creșterea entropiei ar trebui redusă, adică ar trebui evitată tulburarea.
În mod similar, consumul de materii prime poate fi de asemenea înțeles ca producție de entropie. Fie materiile prime sunt distribuite din ce în ce mai uniform în întreaga lume în părți din ce în ce mai mici, până când nu mai pot fi recuperate (de exemplu, cuprul, care este tras în fire din ce în ce mai subțiri și este distribuit din ce în ce mai mult). Sau materiile prime sunt „consumate” prin transformarea în alte substanțe, de ex. atunci nu mai poate fi folosit (de exemplu, utilizarea îngrășămintelor). Aceste substanțe sunt încă prezente, cu toate acestea, „tulburarea” tocmai a crescut semnificativ.
Exergie și anergie
Astăzi energia este adesea împărțită în exergie și anergie. Exergia se înțelege a fi acea parte a unei cantități de căldură care poate fi convertită în energie mecanică prin intermediul unui ciclu termodinamic ideal. Apoi se aplică eficiența Carnot, care este mai mare, cu atât diferența dintre temperatura superioară și cea inferioară a sistemului din ciclu este mai mare. Anergia este apoi partea rămasă a energiei care nu poate fi convertită în funcție de eficiența Carnot. În termeni simplificați, se spune adesea că exergia este partea utilizabilă a energiei, anergia partea inutilizabilă. Atât din punct de vedere fizic, cât și din punct de vedere practic, însă, această subdiviziune este discutabilă și arbitrară. Depinde foarte mult de condițiile limită (de exemplu, de temperaturile din sistem) și de tipul dorit de utilizare a energiei. Vrei de ex. Încălziți, răciți sau generați lumină? În funcție de aceasta, utilizabilitatea unei anumite cantități de energie la un anumit nivel de temperatură este foarte diferită.
Este mult mai productiv dacă se înțeleg termenii energie și entropie. Aceasta înseamnă că soluțiile optime pot fi căutate întotdeauna într-un mod corect din punct de vedere fizic.