Ενεργειακό σκονάκι Ανάπτυξη μιας αίσθησης για το τι είναι ενέργεια

 Ενεργειακό σκονάκι

Ανάπτυξη μιας αίσθησης για το τι είναι  ενέργεια

 

Βασικά στοιχεία ενέργειας

Εάν δεν είστε φυσικός, στην πραγματικότητα δεν είναι εκπληκτικά απλό να ορίσετε με ακρίβεια την ενέργεια. Η Wikipedia περιγράφει την ενέργεια ως "την ποσοτική ιδιότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα ή σε ένα φυσικό σύστημα, αναγνωρίσιμο στην εκτέλεση της εργασίας και με τη μορφή θερμότητας και φωτός".  Αλλά ένας λογικός λειτουργικός ορισμός είναι «η ικανότητα να κάνεις πράγματα:» να μετακινείς τα πράγματα, να αλλάζεις την κατάστασή τους και ούτω καθεξής. Ό, τι θέλουμε να κάνουμε - είτε οδηγείτε στο παντοπωλείο, μετατρέποντας το σιδηρομετάλλευμα σε χάλυβα ή βράζοντας μια κατσαρόλα με νερό - απαιτεί ενέργεια. Όσο περισσότερα πράγματα θέλουμε να κάνουμε, τόσο περισσότερη ενέργεια χρειαζόμαστε.

Αναφερόμαστε στις ΗΠΑ καθώς είναι από τις λίγες χώρες που  διαθέτει τόσο αναλυτική στατιστική, in time, αναφορικά με τους τύπους και μορφές ενέργειας που καταναλώνονται. Οτιδήποτε αναφέρουμε εδώ σχετικά με καταμέρισης της παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας, μπορούμε κάλλιστα σε μια πρώτη φάση  σαν τάση να την μεταφέρουμε και σε Ευρωπαϊκό επίπεδο και σε επίπεδο μέσης κιλματολογικής χώρας

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, δεν μπορούμε να δημιουργήσουμε ή να καταστρέψουμε ενέργεια, αλλά μπορούμε να αλλάξουμε τη μορφή της. Ο όρος «παραγωγή ενέργειας» είναι κάπως λανθασμένος - στην πραγματικότητα σημαίνει αλλαγή της ενέργειας από μια μορφή σε μια άλλη. Ένας αεριοστρόβιλος, για παράδειγμα, μετατρέπει τη χημική ενέργεια του φυσικού αερίου σε κινητική ενέργεια των περιστρεφόμενων πτερυγίων του στροβίλου. Όταν μιλάμε για ενέργεια ή ενεργειακή υποδομή, συνήθως μιλάμε είτε για

α) μετακίνηση ενέργειας,

β) αλλαγή της μορφής που παίρνει, είτε

γ) αποθήκευση ενέργειας ενώ περιμένουμε να κάνουμε το Α ή το Β.

Για μια σαφέστερη εικόνα του ενεργειακού μετασχηματισμού, ας βουτήξουμε μερικά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης σε ένα ταμιευτήρα φυσικού αερίου κάτω από τη λεκάνη Permian.2 Το φυσικό αέριο αποθηκεύει ενέργεια σε χημικούς δεσμούς μεταξύ υδρογόνου και άνθρακα. Το αέριο ταξιδεύει στην επιφάνεια μέσω μιας γεώτρησης φυσικού αερίου και στη συνέχεια μεταφέρεται σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας, όπου απομακρύνονται οι μολυσματικοί παράγοντες. Μετά την επεξεργασία, το αέριο μεταφέρεται σε προσωρινή αποθήκευση σε ένα μεγάλο υπόγειο σπήλαιο και στη συνέχεια ταξιδεύει με αγωγό σε τερματικό σταθμό εξαγωγής φυσικού αερίου. Στον τερματικό σταθμό, το αέριο ψύχεται, μετατρέπεται σε υγροποιημένο φυσικό αέριο και φορτώνεται σε ένα μεταφορέα υγροποιημένου φυσικού αερίου για μεταφορά μέσω του Ατλαντικού. Όταν φτάσει στον τερματικό σταθμό προορισμού του, μετατρέπεται ξανά σε αέριο και αποστέλλεται μέσω αγωγού σε μονάδα παραγωγής ενέργειας με αεριοστρόβιλο.

Στη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το αέριο καίγεται σε αεριοστρόβιλο. Η καύση μετατρέπει την ενέργεια των χημικών δεσμών σε θερμότητα και στη συνέχεια μετατρέπει τη θερμότητα αυτή σε κινητική ενέργεια των περιστρεφόμενων πτερυγίων του στροβίλου. Μια γεννήτρια συνδεδεμένη με τον στρόβιλο μετατρέπει αυτή την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία παίρνει τη μορφή ηλεκτρονίων που κινούνται μπρος-πίσω σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια κινείται στη συνέχεια μέσω του συστήματος μεταφοράς και διανομής, με την τάση και το ρεύμα της να διαμορφώνονται κατά τη διάρκεια της διαδρομής από μετασχηματιστές για την ελαχιστοποίηση των απωλειών διανομής, μέχρι να φτάσει τελικά στο σπίτι κάποιου.

Στο εσωτερικό του σπιτιού, η ηλεκτρική ενέργεια ρέει μέσω της καλωδίωσης του σπιτιού και σε έναν φορτιστή τηλεφώνου, όπου χρησιμοποιείται για να εξαναγκάσει τα ιόντα λιθίου από μια κάθοδο νικελίου-μαγνησίου-κοβαλτίου μέσω ενός ηλεκτρολύτη και σε μια άνοδο γραφίτη, μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική. Όταν στη συνέχεια το τηλέφωνο χρησιμοποιηθεί, τα ιόντα θα ρέουν πίσω από την άνοδο στην κάθοδο, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα και μετατρέποντας τη χημική ενέργεια ξανά σε ηλεκτρική. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια ρέει στη συνέχεια μέσω διαφόρων ηλεκτρικών εξαρτημάτων και τελικά εκλύεται ως θερμότητα.

Μόλις ακολουθήσαμε μια μικρή ποσότητα ενέργειας χιλιάδες χιλιόμετρα, από τα βάθη ενός ταμιευτήρα φυσικού αερίου μέχρι ένα ελαφρώς θερμαινόμενο κινητό τηλέφωνο, και πάνω από δώδεκα μετασχηματισμούς.

Φυσικά, υπάρχουν αναρίθμητες διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει μια δεδομένη ποσότητα ενέργειας. Το φυσικό αέριο από μόνο του θα μπορούσε να διοχετευθεί απευθείας στους καταναλωτές για να καεί στις σόμπες ή στους θερμοσίφωνες, να διοχετευθεί σε ένα χημικό εργοστάσιο που το χρησιμοποιεί για την παραγωγή θερμότητας ή να εκτοξευθεί απευθείας στο πηγάδι, όπου μετατρέπεται κατευθείαν σε θερμότητα.

Ο σκοπός της ενεργειακής μας υποδομής είναι να δημιουργεί διαδρομές για τη μαζική μετακίνηση της ενέργειας και να αλλάζει τη μορφή της ανάλογα με το τι διευκολύνει τη μετακίνησή της και τι είδους εργασία πρέπει να γίνει στον προορισμό της.

 

Ενεργειακές μονάδες

Το εύρος των διαφορετικών μονάδων που χρησιμοποιούμε για την ποσοτικοποίηση της ενέργειας μπορεί να δυσχεράνει τη δημιουργία διαισθήσεων σχετικά με την ενέργεια. Διαφορετικές βιομηχανίες και τομείς χρησιμοποιούν τις μετρήσεις της επιλογής τους: joule, κιλοβατώρες, βρετανικές θερμικές μονάδες κ.ο.κ. Μερικές φορές, ακόμη και ο ίδιος τύπος συσκευής χρησιμοποιεί διαφορετικές μονάδες σε διαφορετικά μέρη. Στα ηλεκτρικά οχήματα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δίνουν τη χωρητικότητά τους σε κιλοβατώρες, αλλά στα smartphones, χρησιμοποιούν χιλιοστοαμπέρ ώρες. Άλλες φορές, το ενεργειακό περιεχόμενο θα είναι μόνο υπονοούμενο: ένα βαρέλι πετρελαίου, ένα κυβικό feet φυσικού αερίου και ένα γαλόνι βενζίνης είναι όλα όγκοι μιας συγκεκριμένης ουσίας, αλλά είναι επίσης αποδεκτά μέτρα του ενεργειακού περιεχομένου.

Ένας τρόπος για να βοηθήσουμε την ενεργειακή μας διαίσθηση είναι να κάνουμε μερικές απλές μετατροπές μονάδων και να εξετάσουμε μερικές τιμές αναφοράς για το τι αντιπροσωπεύουν τα διάφορα ποσά ενέργειας.

Η βασική μετρική μονάδα ενέργειας είναι το joule, το οποίο είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την επιτάχυνση μιας μάζας βάρους 1 κιλού με ταχύτητα 1 μέτρο/δευτερόλεπτο^2 σε απόσταση 1 μέτρου. Η Βικιπαίδεια δίνει μερικά ωραία παραδείγματα για το πόση ενέργεια είναι ένα joule:

… είναι  η τυπική ενέργεια που απελευθερώνεται ως θερμότητα από ένα άτομο σε κατάσταση ηρεμίας κάθε 17 χιλιοστά του δευτερολέπτου

·       Η κινητική ενέργεια μιας μάζας 2 χιλιογράμμων που ταξιδεύει με ταχύτητα 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο

·       Η ενέργεια που απαιτείται για την ανύψωση ενός μήλου κατά 1 μέτρο

·       Η θερμότητα που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 0,239 γραμμαρίων νερού από 0 °C σε 1 °C

·       Η κινητική ενέργεια ενός ανθρώπου 50 κιλών που κινείται πολύ αργά (0,2 m/s ή 0,72 km/h)

·       Η κινητική ενέργεια μιας μπάλας του τένις βάρους 56 g που κινείται με 6 m/s (22 km/h)

·       Η  ενέργεια της τροφής (kcal) είναι λίγο περισσότερο από το μισό ενός συνηθισμένου μεγέθους κρυστάλλου ζάχαρης (0,102 mg/κρύσταλλο)

Σχετική με την ενέργεια είναι η ισχύς, η οποία είναι ο ρυθμός με τον οποίο μεταφέρεται η ενέργεια. Η μετρική μονάδα ισχύος είναι το watt, όπου 1 watt είναι ενέργεια που μεταφέρεται με ρυθμό 1 joule/δευτερόλεπτο.

Ένα πρόβλημα με τη χρήση joules είναι ότι ένα joule είναι μια μικρή ποσότητα ενέργειας και η χρήση του για να περιγράψει ποσότητες ενέργειας που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή οδηγεί σε τεράστιους αριθμούς: η καύση ενός γαλονιού αερίου απελευθερώνει περίπου 121 εκατομμύρια joules. Για τη δημιουργία διαίσθησης, είναι χρήσιμο να χρησιμοποιήσετε μια μονάδα που δεν έχει τόσα πολλά ψηφία που ακολουθούν.

Μια κοινή μονάδα είναι η κιλοβατώρα (kWh), η ποσότητα ενέργειας που μετακινείται από μια πηγή ενέργειας 1000 watt σε διάστημα μίας ώρας (δηλαδή: 1000 joules το δευτερόλεπτο ή 3,6 εκατομμύρια joules). Μια κιλοβατώρα είναι μια αισθητικά δυσάρεστη μονάδα, δεδομένου ότι ορίζει την ενέργεια από την άποψη της ισχύος, η οποία ορίζεται από την άποψη της ενέργειας - αλλά αποδεικνύεται ότι είναι μια ωραία μονάδα για την εργασία με ένα είδος "καθημερινών" ποσοτήτων ενέργειας. Οι αριθμοί δεν είναι πολύ μεγάλοι, οπότε η kWh χρησιμοποιείται σε πολλές κοινές περιπτώσεις ενέργειας, όπως ο λογαριασμός ενέργειας και τα μεγέθη μπαταριών EV. Οι kWh είναι επίσης εύκολα μετατρέψιμες σε μεγαβάτ, το πιο κοινό μέτρο της χωρητικότητας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής.

Για μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πρόσθετα προθέματα:

1 μεγαβατώρα = 1000 κιλοβατώρες

1 γιγαβατώρα = 1000 μεγαβατώρες (1 εκατομμύριο κιλοβατώρες)

1 τεραβατώρα = 1000 γιγαβατώρες (1 δισεκατομμύριο κιλοβατώρες)

  

Ακολουθεί ένας πίνακας με διάφορες δραστηριότητες και ποσότητες που μετατρέπονται σε κιλοβατώρες, μεγαβατώρες και γιγαβατώρες:

 

Δραστηριότητα	Kilowatt- hours
Πυροβόλησε μια σφαίρα 9mm	0.0001389
Κάνοντας 1 κιλό χάλυβα σε ηλεκτρικό φούρνο τόξου	0.238
Οδηγώντας ένα μίλι σε ένα Tesla Model 3	0.240
Παράγοντας 1 κιλό τσιμέντου	0.478
Οδηγώντας ένα μίλι σε ένα Toyota Corolla ICE του 2025	0.950
Βράζοντας ένα γαλόνι νερού θερμοκρασίας δωματίου	2.7
Σύνθεση 1 κιλού αμμωνίας (NH3) μέσω Haber-Bosch	11.40
Κάνοντας 1 κιλό αλουμινίου μέσω της διαδικασίας Hall-Heroult	7.0
Μέση μηνιαία χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από τα νοικοκυριά των ΗΠΑ	899.0
Μεταφορά εμπορευματοκιβωτίου από τη Σαγκάη στο Λος Άντζελες	2,000.0
Μέση μηνιαία χρήση βενζίνης από τα νοικοκυριά των ΗΠΑ	2,010.8
Θέρμανση και ψύξη ενός σπιτιού 2500 ft2 στην Καλιφόρνια για ένα χρόνο	4,615.9
Θέρμανση και ψύξη ενός σπιτιού 2500 ft2 στη Νέα Υόρκη για ένα χρόνο	23,445.8
Μέση ετήσια κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας στις ΗΠΑ	81,900.0
Δραστηριότητα	Kilowatt- hours
Πυροβόλησε μια σφαίρα 9mm	0.0001389
Κάνοντας 1 κιλό χάλυβα σε ηλεκτρικό φούρνο τόξου	0.238
Οδηγώντας ένα μίλι σε ένα Tesla Model 3	0.240
Παράγοντας 1 κιλό τσιμέντου	0.478
Οδηγώντας ένα μίλι σε ένα Toyota Corolla ICE του 2025	0.950
Βράζοντας ένα γαλόνι νερού θερμοκρασίας δωματίου	2.7
Σύνθεση 1 κιλού αμμωνίας (NH3) μέσω Haber-Bosch	11.40
Κάνοντας 1 κιλό αλουμινίου μέσω της διαδικασίας Hall-Heroult	7.0
Μέση μηνιαία χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από τα νοικοκυριά των ΗΠΑ	899.0
Μεταφορά εμπορευματοκιβωτίου από τη Σαγκάη στο Λος Άντζελες	2,000.0
Μέση μηνιαία χρήση βενζίνης από τα νοικοκυριά των ΗΠΑ	2,010.8
Θέρμανση και ψύξη ενός σπιτιού 2500 ft2 στην Καλιφόρνια για ένα χρόνο	4,615.9
Θέρμανση και ψύξη ενός σπιτιού 2500 ft2 στη Νέα Υόρκη για ένα χρόνο	23,445.8
Μέση ετήσια κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας στις ΗΠΑ	81,900.0

Έτσι, ένα γαλόνι βενζίνης είναι περίπου 33,7 κιλοβατώρες, ένα βαρέλι πετρελαίου είναι περίπου 1700 κιλοβατώρες, ένα βυτιοφόρο είναι περίπου 300.000 κιλοβατώρες και ένας μεταφορέας LNG είναι περίπου 1 δισεκατομμύριο κιλοβατώρες (1000 γιγαβατώρες).

Αποθήκευση ενέργειας: Όταν κοιτάξτε αυτόν τον πίνακα, αυτό που ξεχωρίζει είναι πόση ενέργεια μπορούν να αποθηκεύσουν οι υδρογονάνθρακες (βενζίνη, πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο).

1 γαλόνι αερίου αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια από ό, τι τρόφιμα αξίας 2 εβδομάδων. Η ενέργεια σε ένα βαρέλι πετρελαίου είναι μόνο ελαφρώς μικρότερη από ό, τι απαιτείται για να μετακινηθεί ένα εμπορευματοκιβώτιο πολλών τόνων χιλιάδες μίλια πέρα από τον ωκεανό και περισσότερο από ό, τι είναι σε έναν τόνο TNT. Ένα βυτιοφόρο περιέχει το ισοδύναμο σχεδόν 30 ΧΡΟΝΙΩΝ μέσης χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας από ένα νοικοκυριό των ΗΠΑ. Ένας μεταφορέας υγροποιημένου φυσικού αερίου έχει περίπου τόση ενέργεια όση μια έκρηξη βόμβας υδρογόνου. Ένα υπερδεξαμενόπλοιο πετρελαίου έχει περίπου την ισοδύναμη ενέργεια που απαιτείται για τη θέρμανση και την ψύξη σχεδόν μισού εκατομμυρίου σπιτιών στην Καλιφόρνια για ένα χρόνο.

Αλλά όπως θα δούμε, ένας σημαντικός περιορισμός των υδρογονανθράκων είναι ότι μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας θα χαθεί ως θερμότητα κατά τη μετατροπή σε άλλους τύπους ενέργειας ή σε χρήσιμη εργασία.

Για πραγματικά τεράστιες ποσότητες, όπως οι ποσότητες ενέργειας που χρησιμοποιούνται από ολόκληρες χώρες, είναι χρήσιμο να εισαχθεί μια ακόμη μονάδα: η τετραπλή. Ένα quad είναι συντομογραφία για "ένα τετράκις εκατομμύριο βρετανικές θερμικές μονάδες" και είναι ο τρόπος με τον οποίο μετράται συχνά η κατανάλωση ενέργειας σε επίπεδο χώρας. 1 quad είναι περίπου 293 τεραβατώρες ή 293 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες. Ακολουθούν οι 20 κορυφαίες χώρες με βάση την κατανάλωση ενέργειας όσον αφορά τόσο τις τεραβατώρες όσο και τα quads:

 

Top 10 χώρες κατανάλωσης ενέργειας Κατανάλωση ενέργειας σε quads, TWh και kWH κατά κεφαλήν.	Ετήσια κατανάλωση σε quads	Ετήσια κατανάλωση σε TWh	Kilo-Watthours per capita
US	94	27,429	82
Κίνα	174	50,994	36
Ινδία	35	10,333	7,2
Ιαπωνία	17	4,95	40
Γερμανία	11	3,251	38
Ρωσία	33	9,537	66
Ιράν	14	3,957	44
Καναδάς	12	3,595	90
Νότια Κορέα	12	3,577	69
Σαουδική Αραβία	11	3,35	91

 

Μονάδες ισχύος

Για την ισχύ, μπορούμε επίσης να δημιουργήσουμε  κάποια διαίσθηση μετατρέποντας διάφορους ρυθμούς κατανάλωσης ενέργειας σε ένα ενιαίο σύνολο μονάδων. Χρησιμοποιήσαμε κιλοβατώρες, μεγαβατώρες και γιγαβατώρες για να ποσοτικοποιήσουμε την ενέργεια, αλλά για την ενέργεια, θα χρησιμοποιήσουμε κιλοβάτ, μεγαβάτ και γιγαβάτ. Ο παρακάτω πίνακας δίνει μερικές κοινές δραστηριότητες και τμήματα ενεργειακών υποδομών και ποια είναι η ισχύς τους:

	Kilowatts	Megawatts	Gigawatts
Βιώσιμη ημερήσια παραγωγή ενός εργάτη	0.08
Έξοδος από 1 τετραγωνικό μέτρο τυπικών ηλιακών συλλεκτών (απόδοση 21%)	0.21
Επιτοίχιο  ηεκτρ συνδετήρα Tesla	11,5
Tesla Supercharger	250
Μεγάλη χερσαία ανεμογεννήτρια	6,1	6
Τυπική γραμμή διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (15 kV)	8	8
Μεγάλη υπεράκτια ανεμογεννήτρια	14,7	15
Τυπική αντλία αερίου των ΗΠΑ	20,22	20
Τυπική ημερήσια παραγωγή πετρελαιοπηγής (500 βαρέλια)	35,417	35
Τυπική γραμμή μεταφοράς (150 kV)	150	150
Μεγάλο βενζινάδικο (20 αντλίες)	404,4	404
Μεγάλος αεριοστρόβιλος	500	500
Έξοδος από 1 τετραγωνικό μίλι τυπικών ηλιακών συλλεκτών	543,9	544
Ηλεκτρική ισχύς μεγάλου αντιδραστήρα πυρηνικής ενέργειας	1,000,000	1	1
Ένας μεταφορέας LNG που διασχίζει τον Ατλαντικό (χρόνος ταξιδιού 18 ημερών)	2,604,664	2,605	3
Αγωγός φυσικού αερίου Nord Stream	33,582,500	33,583	34
Αγωγός Trans Alaska	151,300,000	151,3	151
Ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ	1,189,000,000	1,189,000	1,189

 

Εδώ βλέπουμε και πάλι την τεράστια ενεργειακή ικανότητα των υδρογονανθράκων. Η μετακίνηση πετρελαίου, βενζίνης ή φυσικού αερίου έχει ως αποτέλεσμα πολύ υψηλή πραγματική ισχύ, επειδή μετακινείται πολλή ενέργεια σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Μια τυπική αντλία βενζίνης στις ΗΠΑ λειτουργεί με 10 γαλόνια ανά λεπτό (600 γαλόνια την ώρα). Με 33,7 κιλοβατώρες ανά γαλόνι φυσικού αερίου, αυτό αντιστοιχεί σε παραγωγή ισχύος άνω των 20 μεγαβάτ, μεγαλύτερη από την παραγωγή ισχύος μιας υπεράκτιας ανεμογεννήτριας ύψους 800 ποδιών. Ο αγωγός Trans-Alaska, ένας αγωγός διαμέτρου 4 ποδιών, μπορεί να μεταφέρει τόση ενέργεια όσο 1.000 μεσαίου μεγέθους γραμμές μεταφοράς και 8 τέτοιοι αγωγοί θα μεταφέρουν περισσότερη ενέργεια από όση παρέχουν όλες οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ μαζί.

 

Παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας στις ΗΠΑ

Ας κάνουμε σμίκρυνση από μεμονωμένα κομμάτια ενεργειακών υποδομών και τις δυνατότητές τους για να δούμε από πού προέρχεται η ενέργειά μας και πώς ρέει σε διάφορες χρήσεις. Ένα καλό μέρος για να ξεκινήσετε είναι αυτό το διάγραμμα Sankey από το Lawrence Livermore Lab, το οποίο δείχνει τις συνολικές ροές ενέργειας των ΗΠΑ σε τετράγωνα. Παραθέτουμε για σύγκριση και τη παραγωγή και κατανάλωση Γερμανίας ναι μεν σε μια άλλη χρονική περίοδο αλλα η διαρθρωτική σύγκριση είναι εφικτή.

 

 

 Μέσω energy-2023-united-state

Υπάρχουν μερικά προφανή γεγονότα εδώ και στις δύο χώρες. Το ένα είναι,

-      ότι η περισσότερη ενέργεια που καταναλώνουμε σπαταλιέται. Από τα 93,6 quads  (~27.400 TWh) που θα καταναλώσουν οι ΗΠΑ το 2023, μόνο το 1/3 αυτής θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χρήσιμου έργου. Το υπόλοιπο χάθηκε λόγω διαφόρων αναποτελεσματικοτήτων, όπως οι απώλειες των μηχανών θερμότητας και της μετάδοσης (θα εξετάσουμε τις απώλειες και τις αναποτελεσματικότητες πιο διεξοδικά παρακάτω).

 

Ένα άλλο προφανές γεγονός είναι ότι,

-      παρά την εκρηκτική κατασκευή υποδομών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η πλειονότητα της ενέργειάς εξακολουθεί να προέρχεται από την καύση υδρογονανθράκων. Το πετρέλαιο, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο μαζί είναι υπεύθυνα για το 82% περίπου της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στις ΗΠΑ.consumption in the US.

Το γεγονός αυτό σχετίζεται με το ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί ένα σχετικά μικρό κλάσμα του ενεργειακού μας συστήματος: περίπου το ⅓ των ενεργειακών εισροών κατευθύνεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για την οικιακή και εμπορική κατανάλωση, μόνο το ήμισυ περίπου της χρήσης ενέργειας προέρχεται από την ηλεκτρική ενέργεια. Για τη βιομηχανική ενέργεια και την ενέργεια των μεταφορών (οι δύο μεγαλύτερες πηγές κατανάλωσης), η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί περίπου το 13% και λιγότερο από το 0,1%.3

Αυτό που καθιστά σαφές αυτό το διάγραμμα, αλλά και κατά κάποιο τρόπο αφηρημένο, είναι ο τεράστιος όγκος υποδομών που έχουμε κατασκευάσει για τη μετακίνηση υδρογονανθράκων. Οι ΗΠΑ διαθέτουν σχεδόν 1 εκατομμύριο πηγάδια πετρελαίου και φυσικού αερίου, 3 εκατομμύρια μίλια αγωγών φυσικού αερίου, 145.000 βενζινάδικα και ικανότητα διύλισης 18,4 εκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου την ημέρα.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι υποστηρικτές του περιβάλλοντος συχνά επικεντρώνονται στην ηλεκτροδότηση των πάντων: η απαλλαγή από τον άνθρακα των ενεργειακών υποδομών απαιτεί πολύ περισσότερα από την απλή κατασκευή πηγών ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα, όπως ηλιακά πάνελ και ανεμογεννήτριες - απαιτεί ριζική αναμόρφωση του τρόπου και του μεγέθους με τον οποίο η κοινωνία μας καταναλώνει και μεταφέρει την ενέργεια. Είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο η εξάλειψη των εμποδίων και των σημείων συμφόρησης στην κατασκευή ενεργειακών υποδομών είναι τόσο σημαντικός.

Μπορούμε επίσης να εμβαθύνουμε και να εξετάσουμε την κατανομή της χρήσης ενέργειας ανά τομέα. Ο οικιακός τομέας χρησιμοποιεί περίπου 11,5 quads (3370 TWh) ενέργειας, λίγο περισσότερο από το 12% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Αυτός ο πίνακας το αναλύει:

Κατανάλωση κατοικιών ενέργειας στις ΗΠΑ
Σε quads.
Συνολική κατανάλωση τελικής χρήσης	11,87
Θέρμανση χώρων	5,74
Ψύξη χώρων	0,91
Θέρμανση νερού	1,69
Ψύξη	0,30
Μαγείρεμα	0,18
Στεγνωτήρια ρούχων	0,26
Καταψύκτες	0,07
Φωτισμός	0,23
Πλυντήρια ρούχων	0,04
Πλυντήρια πιάτων	0,03
Τηλεοράσεις και συναφής εξοπλισμός	0,19
Υπολογιστές και συναφής εξοπλισμός	0,12
Ανεμιστήρες φούρνων και αντλίες κυκλοφορίας λεβήτων	0,09
Άλλες χρήσεις	2,00
1 quad = 1,000,000,000,000,000 BTUs
Table: Brian PotterSource: EIA Annual Energy Outlook 2023

 

Ένα σημαντικό συμπέρασμα εδώ είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος της οικιακής κατανάλωσης ενέργειας πηγαίνει στη θέρμανση των πραγμάτων: Η θέρμανση χώρων (5,74 τετράκλινα), η θέρμανση νερού (1,69 τετράκλινα) και τα στεγνωτήρια ρούχων (0,26 τετράκλινα) μαζί αντιπροσωπεύουν  τα 2/3 της οικιακής κατανάλωσης ενέργειας.4 Μερικές φορές βλέπετε τα κλιματιστικά να επικρίνονται ως σπάταλα από τους περιβαλλοντολόγους που σκέφτονται την ενέργεια, αλλά ο κλιματισμός είναι πολύ μικρότερο μερίδιο της κατανάλωσης ενέργειας από τη θέρμανση.

Για τις μεταφορές, μπορούμε να αναλύσουμε την κατανάλωση ενέργειας ανάλογα με το είδος του χρησιμοποιούμενου καυσίμου.

Κατανάλωση ενέργειας στις μεταφορές
Ανά τύπο καυσίμου.
Συνολικά	27,99
Βενζίνη	15,91
Καύσιμα Jet	3,11
Καύσιμο ντίζελ	6,71
Άλλα	2,26
1 quad = 1,000,000,000,000,000 BTUs
Table: Brian PotterSource: EIA Annual Energy Outlook 2023
Institute for Progress

 

Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας για τις μεταφορές στις ΗΠΑ καταναλώνεται με τη μορφή βενζίνης και ντίζελ, με μια σχετικά μικρή ποσότητα καυσίμου αεριωθούμενων αεροσκαφών. Αν το εξετάσουμε ανά τρόπο μεταφοράς, η περισσότερη ενέργεια (~78%) καταναλώνεται από αυτοκίνητα, φορτηγά και μοτοσικλέτες.

Η τεράστια ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιείται από τις μεταφορές σημαίνει επίσης ότι τα νοικοκυριά καταναλώνουν πολλή ενέργεια που δεν αποτυπώνεται στις παραπάνω στατιστικές κατανάλωσης ενέργειας των κατοικιών. Στην πραγματικότητα, σε ένα χρόνο, το μέσο νοικοκυριό των ΗΠΑ καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από την καύση βενζίνης (~24.000 κιλοβατώρες) από ό,τι καταναλώνει ολόκληρο το υπόλοιπο σπίτι (~22.500 κιλοβατώρες).

Ο εμπορικός τομέας δεν διαφέρει πολύ από τον οικιακό τομέα, με τον αέρα θέρμανσης και το νερό να χρησιμοποιούν το μεγαλύτερο κλάσμα, ενώ η ψύξη και ο εξαερισμός (δηλαδή: ο μετακινούμενος αέρας) χρησιμοποιούν επίσης μεγάλα κλάσματα. Όπως και με τις κατοικίες, η κατανάλωση ενέργειας κατανέμεται χονδρικά μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου.

Και τελευταίο, εδώ είναι η βιομηχανική χρήση ενέργειας.

Με τη βιομηχανική χρήση ενέργειας, βλέπουμε πολλά από τα ίδια πρότυπα που βλέπουμε σε άλλους τομείς. Το ένα είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια κοινής ωφέλειας είναι μια σχετικά μικρή ποσότητα βιομηχανικής κατανάλωσης ενέργειας (λιγότερο από 20%). Το μεγαλύτερο μέρος της βιομηχανικής ενέργειας προέρχεται απευθείας από την καύση καυσίμων (κυρίως φυσικού αερίου). Για άλλη μια φορά, βλέπουμε ότι η θέρμανση αντιπροσωπεύει ένα τεράστιο κλάσμα της κατανάλωσης ενέργειας: περίπου το ήμισυ του συνόλου της παραγόμενης ενέργειας πηγαίνει στη θέρμανση διεργασιών: Αν προσθέσουμε τη θερμότητα διεργασίας στην οικιακή και εμπορική θέρμανση αέρα και νερού, διαπιστώνουμε ότι περίπου το 20% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στις ΗΠΑ πηγαίνει για τη θέρμανση των πραγμάτων.

 

Μετατροπές και αποδοτικότητα

Επιστρέφοντας στο διάγραμμα Sankey της συνολικής ροής ενέργειας στις ΗΠΑ, είναι σαφές ότι η περισσότερη ενέργεια που χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ τελικά σπαταλιέται, ενώ μόνο ένα μικρό ποσοστό χρησιμοποιείται για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας (κίνηση αυτοκινήτων, θέρμανση σπιτιών, λειτουργία ηλεκτρονικών συσκευών κ.ο.κ.). Η μετακίνηση της ενέργειας και η αλλαγή της μορφής της δεν μπορεί να γίνει απόλυτα αποτελεσματικά (εν μέρει χάρη στον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής), και όλες αυτές οι μετατροπές που απαιτούνται για να φτάσει η ενέργεια εκεί που πρέπει να είναι και στη μορφή που χρειαζόμαστε, μειώνουν τη διαθέσιμη ενέργεια για να γίνουν πράγματα.

(Σε ορισμένες περιπτώσεις, ωστόσο, μπορείτε να μετακινήσετε έξυπνα την ενέργεια με τρόπους που αποφεύγουν αυτές τις απώλειες. Οι αντλίες θερμότητας, για παράδειγμα, οι οποίες μεταφέρουν θερμότητα από τόπο σε τόπο, μπορούν να λειτουργούν με απόδοση μεγαλύτερη από 100%, με την έννοια ότι μπορούν να παρέχουν 3 ή 4 κιλοβάτ θερμικής ενέργειας για κάθε κιλοβάτ ενέργειας που καταναλώνουν. Και οι υπεραγωγοί επιτρέπουν τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας με μηδενικές απώλειες. Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις η μετακίνηση ενέργειας και ο μετασχηματισμός της σημαίνει ότι χάνεται κάποια ποσότητα κατά τη διαδικασία).

Η μεγαλύτερη πηγή απωλειών είναι πιθανότατα η ανεπάρκεια της θερμικής μηχανής. Στην ενεργειακή μας οικονομία που βασίζεται στους υδρογονάνθρακες, συχνά πρέπει να μετατρέπουμε την ενέργεια με την καύση καυσίμων και τη μετατροπή της θερμότητας σε χρήσιμο έργο. Υπάρχουν όρια στο πόσο αποτελεσματικά μπορούμε να μετατρέψουμε τη θερμότητα σε μηχανικό έργο (για περισσότερα σχετικά με τη λειτουργία των μηχανών θερμότητας, δείτε το κείμενό μου για τους αεριοστρόβιλους.

Ο θερμικός βαθμός απόδοσης μιας μηχανής είναι το κλάσμα της θερμικής ενέργειας που μπορεί να μετατρέψει σε χρήσιμο έργο. Ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με άνθρακα λειτουργεί συνήθως με θερμική απόδοση περίπου 30 έως 40%. Ένας αεριοστρόβιλος συνδυασμένου κύκλου θα φτάσει πιο κοντά στο 60% της θερμικής απόδοσης. Από την άλλη πλευρά, ένα αυτοκίνητο που κινείται με φυσικό αέριο λειτουργεί με θερμική απόδοση περίπου 25%. Το μεγάλο κλάσμα ενέργειας που χάνεται από τις θερμικές μηχανές είναι ο λόγος για τον οποίο ορισμένες θερμικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αναγράφουν την ισχύ τους σε MWe, την παραγωγή ισχύος σε μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας.

Οι περισσότερες άλλες απώλειες δεν είναι τόσο κραυγαλέες, αλλά εμφανίζονται σε κάθε βήμα της αλυσίδας μεταφοράς ενέργειας. Η μετακίνηση ηλεκτρικής ενέργειας κατά μήκος των γραμμών μεταφοράς και διανομής έχει ως αποτέλεσμα απώλειες, καθώς μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα. Οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές, οι οποίοι ελαχιστοποιούν αυτές τις απώλειες μετασχηματίζοντας την ηλεκτρική ενέργεια σε υψηλή τάση και χαμηλό ρεύμα πριν από τη μετάδοση, λειτουργούν με απόδοση περίπου 98% ή περισσότερο. Ακολουθεί ένας πίνακας με τις αποδόσεις μετατροπής διαφόρων τμημάτων της ενεργειακής υποδομής:

Η χαμηλή θερμική απόδοση των αυτοκινήτων εσωτερικής καύσης και των μηχανών θερμότητας γενικότερα και η υψηλή απόδοση του ηλεκτρικού εξοπλισμού (ιδίως πράγματα όπως οι αντλίες θερμότητας) αποτελούν το μεγαλύτερο αντίβαρο στην υψηλή ενεργειακή ικανότητα των υδρογονανθράκων. Το ρεζερβουάρ βενζίνης σε ένα αυτοκίνητο εσωτερικής καύσης αποθηκεύει τεχνικά πολύ περισσότερη ενέργεια από ό,τι μια μπαταρία Tesla, αλλά μόνο ένα μικρό μέρος αυτής της ενέργειας της βενζίνης μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη κίνηση. Η μετάβαση σε ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, ακόμη και αν αυτή η ηλεκτρική ενέργεια εξακολουθεί να παρέχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων, θα μπορούσε να εξοικονομήσει μεγάλες ποσότητες ενέργειας (και συνεπώς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα), καθώς θα μπορούσε να σημαίνει τη μετάβαση από έναν βενζινοκινητήρα με απόδοση 25% σε έναν αεριοστρόβιλο συνδυασμένου κύκλου με απόδοση 60%. Και φυσικά, με τα ηλεκτρικά οχήματα, υπάρχει η δυνατότητα να τροφοδοτούνται από πηγές ηλεκτρικής ενέργειας που δεν εκπέμπουν άνθρακα, όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια.6 Υπάρχει ένας παρόμοιος υπολογισμός για την αντικατάσταση των κλιβάνων αερίου με αντλίες θερμότητας.

 

Μεταβλητότητα και αποθήκευση

Το ενεργειακό σύστημα πρέπει να παρέχει αρκετή ενέργεια για να καλύπτει τη ζήτηση ανά πάσα στιγμή. Και κάθε φορά που ένα σύστημα παρέχει κάτι για να καλύψει τη ζήτηση, είναι χρήσιμο να διαθέτει αποθηκευτικό χώρο για την πλεονάζουσα προσφορά. Η ζήτηση μπορεί να παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις με την πάροδο του χρόνου και η αποθήκευση μπορεί να λειτουργήσει ως ρυθμιστικό στοιχείο για την εξομάλυνση των αιχμών της ζήτησης, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται να κατασκευάσετε υποδομές μόνο για την κάλυψη της μέσης ζήτησης. Χωρίς αποθήκευση, η κάλυψη της ζήτησης μπορεί να σημαίνει υπερκατασκευή υποδομών, μεγάλο μέρος των οποίων θα ήταν απαραίτητο μόνο σε σύντομες στιγμές αιχμής της ζήτησης.

Κατά τρόπο βολικό, οι υδρογονάνθρακες αποθηκεύονται πολύ εύκολα. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με άνθρακα έχουν δίπλα τους τεράστιους σωρούς άνθρακα. Το φυσικό αέριο αποθηκεύεται σε τεράστια υπόγεια σπήλαια, μεγάλες δεξαμενές, ή σε παλιά κοιτάσματα φυσικού αερίου, συνολικά 5 τρισεκατομμύρια κυβικά πόδια αποθήκευσης φυσικού αερίου μόνο στις ΗΠΑ. Τα βενζινάδικα έχουν υπόγειες δεξαμενές που περιέχουν δεκάδες χιλιάδες γαλόνια. Το στρατηγικό απόθεμα πετρελαίου μπορεί να χωρέσει 714 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου σε τεράστιες υπόγειες αλατούχες σπηλιές. Η συνολική αποθήκευση ενέργειας στις ΗΠΑ ανέρχεται σε περίπου 22 τετράγωνα, ή κοντά στο 25% της ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας στις ΗΠΑ.

Ωστόσο, η ηλεκτρική ενέργεια ιστορικά δεν μπορούσε να αποθηκευτεί εύκολα ή φθηνά. Ενώ οι υδρογονάνθρακες μπορούν να αποθηκευτούν σε μια μεγάλη δεξαμενή, για την ηλεκτρική ενέργεια χρειάζονται τεράστιες, ειδικές αντλητικές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις ή συγκριτικά ακριβές μπαταρίες.7 Η συνολική αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο των ΗΠΑ, κυρίως με τη μορφή αντλητικής υδροηλεκτρικής ενέργειας, είναι σήμερα περίπου 600.000 μεγαβατώρες ή 0,002 τετράγωνα: περίπου 10.000 φορές λιγότερο από την αποθήκευση ενέργειας υδρογονανθράκων

Η έλλειψη αποθήκευσης σήμαινε ιστορικά ότι η ηλεκτρική παραγωγή πρέπει να ταιριάζει με την προσφορά ανά λεπτό, γεγονός που έδινε κίνητρα για την ύπαρξη μεγάλων, συνδεδεμένων δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας για την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της ζήτησης και τη μείωση των απαιτήσεων για υποδομές.

Η απαίτηση εξισορρόπησης της προσφοράς και της ζήτησης στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται πιο δύσκολη με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική (και ακόμη και, σε κάποιο βαθμό, η υδροηλεκτρική ενέργεια), όπου η προσφορά της μεταβάλλεται εκτός του ελέγχου μας. Σε αντίθεση με έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί σχεδόν συνεχώς και να έχει πολύ υψηλό συντελεστή δυναμικότητας, ή έναν αεριοστρόβιλο, ο οποίος μπορεί να απενεργοποιείται και να ενεργοποιείται γρήγορα ανάλογα με τις ανάγκες, η παροχή ηλιακής και αιολικής ενέργειας είναι συνάρτηση του μεταβαλλόμενου περιβάλλοντος.

Η Terraform Industries κλιμακώνει την τεχνολογία για την παραγωγή φθηνού φυσικού αερίου με το φως του ήλιου και τον αέρα. Δεσμευόμαστε να μειώσουμε την καθαρή ροή CO2 από τον φλοιό στην ατμόσφαιρα το συντομότερο δυνατό. Καθώς η ηλιακή ενέργεια γίνεται φθηνότερη, θα έρθει η στιγμή που θα είναι φθηνότερη η λήψη άνθρακα από την ατμόσφαιρα από ό,τι μια πετρελαιοπηγή.

https://terraformindustries.com/

 

Συμπέρασμα

Το όχι ιδιαίτερα πρωτοποριακό συμπέρασμά μου από αυτή την άσκηση ακονίσματος της ενεργειακής μου διαίσθησης είναι ότι χτίσαμε την ενεργειακή μας υποδομή κυρίως γύρω από τους υδρογονάνθρακες, μια τεχνολογία με ένα συγκεκριμένο σύνολο δυνατοτήτων και περιορισμών. Οι υδρογονάνθρακες έχουν μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα, μετακινούνται εύκολα και αποθηκεύονται εύκολα, γεγονός που σε κάποιο βαθμό αντισταθμίζει το γεγονός ότι είναι δύσκολο να μετατραπούν σε άλλους τύπους ενέργειας χωρίς μεγάλες απώλειες.

Η τεχνολογία με την οποία θα την αντικαταστήσουμε πιθανότατα δεν θα έχει αυτές τις συγκεκριμένες δυνατότητες: η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε διαφορετικές μορφές ενέργειας με λιγότερες απώλειες, αλλά δεν είναι τόσο εύκολο να αποθηκευτεί και να μετακινηθεί όσο οι υδρογονάνθρακες. Η απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές δεν σημαίνει απλώς την κατασκευή πολλών ηλιακών και αιολικών συστημάτων - πιθανώς σημαίνει πλήρη επανεξέταση του τρόπου λειτουργίας της ενεργειακής μας υποδομής.

Ένα άλλο συμπέρασμα είναι ότι είναι πολύ σημαντικό να δίνουμε προσοχή στους ρυθμούς ανάπτυξης της ανάπτυξης πραγμάτων όπως η ηλιακή ενέργεια και οι μπαταρίες. Αυτή τη στιγμή η ηλιακή ενέργεια παράγει περίπου το 1% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται στις ΗΠΑ, αλλά οι ηλιακές εγκαταστάσεις στις ΗΠΑ αυξάνονται με ρυθμό περίπου 25% ετησίως. Εάν συνεχιστούν αυτοί οι ρυθμοί ανάπτυξης, η ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε πολύ γρήγορα να αποτελέσει ένα μεγάλο κλάσμα της συνολικής παραγωγής ενέργειας. Αν όμως μειωθούν, οι υδρογονάνθρακες θα παραμείνουν η πηγή του μεγαλύτερου μέρους της ενέργειάς μας για πολύ περισσότερο καιρό.

Το κυριότερο όμως είναι, ότι άνθρωπος ο λεγόμενος sapiens οφείλει να περισκεφτεί τα του οίκου του και ιδιαίτερα το θέμα των επιθυμιών του που προκαλούν ενεργειακή χρήση και κατανάλωση. Η όποια κρίση έχουμε να αντιμετωπίσουμε αναφορικά με περιβάλλον και κλίμα δεν συνδέεται με την κρίση ορυκτών καυσίμων αλλά  με την κρίση ενεργειακών αναγκών μας.

Κύριος συγγραφέας και πηγές πινάκων Μπράιαν Πότερ,

Δρ. Νικος Θεοδοσακης  κοινωνιολογικές, οικονομικές αναφορές και έγχρωμη γραμματοσειρά 12.01.2025