CCourseourse::““Renewable Energy SourcesRenewable Energy Sources””

Interdisciplinary programme of postgraduateInterdisciplinary programme of postgraduatestudiesstudies ““Environment & DevelopmentEnvironment & Development””,,National Technical University of AthensNational Technical University of Athens

C.J. KoroneosC.J. Koroneos ((koroneos@aix.meng.auth.grkoroneos@aix.meng.auth.gr))G. Xydis (G. Xydis (gxydis@gmail.comgxydis@gmail.com))

ExergyExergy

ΕξέργειαΕξέργειαΓιώργοςΓιώργος ΞύδηςΞύδηςΜηχανολόγοςΜηχανολόγος ΜηχανικόςΜηχανικός ΑΠΘΑΠΘΥπΥπ.. ΔιδάκτοραςΔιδάκτορας ΕΜΠΕΜΠVectorVector ΑιολικάΑιολικά ΠάρκαΠάρκα ΕλλάδοςΕλλάδος A.E.A.E.ΤηλΤηλ. (0030). (0030) 69375685566937568556Email:Email: gxydis@gmail.comgxydis@gmail.com

Ορισμός

Η εξέργεια μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τηνενέργεια που είναι διαθέσιμη για να χρησιμοποιηθεί

Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσόενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, γιαπαράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγειένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του.

Η εξέργεια ενός συστήματος είναι το μέγιστο δυνατόέργο κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που φέρνει τοσύστημα σε «θερμική» ισορροπία με το περιβάλλον

Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνταικαι δεν καταστρέφονται

Βασικές Θερμοδυναμικές ΈννοιεςΠρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος: Το αλγεβρικό άθροισμα της μεταβολής τηςεσωτερικής ενέργειας και του έργου που είτε παράγεται είτε δαπανάται απόένα σύστημα ισούται με το πόσο θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται απότο σύστημα αυτό

Q = ΔU + WΔεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος: Σύμφωνα με το “δεύτερο Θερμοδυναμικόαξίωμα”, η εντροπία, δηλαδή η αταξία ενός συστήματος τείνει, αν αφεθεί μόνοτου, να αυξηθεί. Δηλαδή δεν μπορεί από μόνο του ένα σύστημα να πάει σεκατάσταση μεγαλύτερης τάξης, αλλά τείνει σε κατάσταση μεγαλύτερηςαταξίας. Απαγορεύει δηλαδή σε δύο σώματα ίσης θερμοκρασίας, που είναι σεεπαφή μεταξύ τους και απομονωμένα από το περιβάλλον, από το ναεξελιχθούν σε μια κατάσταση στην οποία το ένα από τα δύο να έχει μιασημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από το άλλο.

ΕντροπίαΗ εντροπία είναι μία εκτατική μεταβλητή ενόςθερμοδυναμικού συστήματος. Η έννοια τηςεντροπίας είναι μία από τις σημαντικότερεςέννοιες στις φυσικές επιστήμες, λόγω τηςδιατύπωσης του Δεύτερου ΘερμοδυναμικούΑξιώματος, σύμφωνα με το οποίο σε μίαμεταβολή ενός απομονωμένου συστήματος ηεντροπία αυξάνεται πάντοτε.

Πιό απλά η εντροπία θεωρείται ότι εκφράζειμέτρο της αταξίας ενός συστήματος.

Εντροπία - ΕξέργειαΗ υποβάθμιση της ποιότητας είναι ισοδύναμηουσιαστικά με την αύξηση εντροπίας.

Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος: οι μετατροπέςενέργειας και ύλης πρέπει να γίνονται από μιακατάσταση χαμηλής θερμοδυναμικής πιθανότητας προςμια κατάσταση υψηλότερηςχαμηλότερη ποιότητα = αύξηση της εντροπίας τουσυστήματοςΗ εξέργεια είναι το τμήμα της ενέργειας που είναιμετατρέψιμο σε όλες τις άλλες μορφές ενέργειας.

Περιεχόμενο σε εξέργεια για διάφορες μορφές ενέργειας

0Θερμότητα ως ακτινοβολία από τη ΓηΆχρηστη5Απώλειες θερμότηταςΚατώτερη

30Τηλεθέρμανση

60θερμός ατμός

95Χημική ενέργεια4

95Ηλιακή ενέργειασχεδόν 100Πυρηνική ενέργειαΕξαιρετική

100Ηλεκτρική ενέργεια

100Κινητική ενέργεια100Δυναμική ενέργειαΆριστηΔείκτης ποιότηταςΜορφή ενέργειαςΠοιότητα

Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων υλικών

περίπου 0Ορυκτά διαλυμένα στο έδαφος ή στηθάλασσα

20-50Φτωχά αποθέματα ορυκτών

50Ορυκτά

50-80Πλούσια αποθέματα ορυκτών

περίπου 90Μείγματα στοιχείων

σχεδόν 100Ύλη στη μορφή του εμπορίου

100Ύλη σε ταξινομημένη κατάσταση

Δείκτης ποιότηταςΜορφή της ύλης

Εξέργεια φυσικών πόρων και πηγών ενέργειαςΟι πηγές ενέργειας έχουν περιεχόμενο σε εξέργεια που είναι πολύκοντά στις τιμές που συχνά τους αποδίδονται. Είναι είτε σε μορφήμηχανικής ενέργειας, που εξ ορισμού είναι πλήρη σε εξέργεια, είτεσε χημική μορφή, που είναι επίσης υψηλής ποιότητας και που ηενθαλπία τους είναι σχεδόν ίση με την εξέργεια τους.

ΠαράδειγμαΈνα μέταλλο διαφέρει πολύ από το ορυκτό που ήταν κάποτε. Ηεξέργεια διατηρείται όταν υπάρχει εξόρυξη. Όταν το μέταλλοκαθαρίζεται από το ορυκτό προστίθεται εξέργεια από τις πηγέςπου χρησιμοποιήθηκαν για να γίνει η διεργασία αυτή. Η εξέργειαδεν χάνεται παρά μόνο όταν το μέταλλο σκουριάσει, ή φθαρεί μεάλλο τρόπο.

Η εξέργεια σαν δείκτης για πηγέςΕάν ένα υλικό πρέπει να είναι χρήσιμο, πρέπεικανονικά να έχει χαμηλότερη εντροπία από τοπεριβάλλον.

ΕρώτησηΤι εννοούμε όταν μιλάμε για «ελάττωση ήκατανάλωση πηγών»

Εννοούμε ότι καταναλώνονται και μπορούν ναελαττωθούν χρήσιμο υλικό και ενέργεια

Υπολογισμός της εξέργειας φυσικών πηγών σεδιάφορες εφαρμογές

Για να υπολογίσουμε την εξέργεια ενός ορυκτού και άλλωνστερεών υλικών, οι συνθέσεις πρέπει να είναι γνωστές (δενγίνεται συχνά)

Ένα στερεό υλικό μπορεί είτε να θεωρηθεί σαν ένα στερεόδιάλυμα ή σαν μίγμα ξεχωριστών κόκκωνΗ χημική εξέργεια Εch ενός διαλύματος χρησιμοποιείταισυνήθως για να περιγραψει εξεργειακά ένα διάλυμαΠολλά από τα ορυκτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ναπαράγουμε διάφορα προϊόντα. Για να υπολογίσουμε τηνεξεργειακή κατανάλωση που συνδέεται με ένα από αυτά , ηχημική εξέργεια του ορυκτού πρέπει να επιμερίζεται σεδιάφορα προϊόντα που παράγονται από το ορυκτό.

Χημική εξέργεια του ορυκτού που απαιτείται για να παράγουμε1 kg προϊόντος, θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν απώλειες.

11Φώσφορος5800Πλατίνα1,2Χρώμιο4,1Αλουμίνιο

3500000Χρυσός350Νικέλιο19Ψευδάργυρος13Μόλυβδος

990Χαλκός , από το ορυκτό τύπου 2

130Χαλκός , απο το ορυκτό τύπου 1

0,88Σίδηρος

ech (από ορυκτό) (MJ / kg προϊόντος)Υλικό

Απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή διαφόρωνμετάλλων από ορυκτό στο έδαφος

~ 100Ενισχυμένο τσιμέντο

~ 300Αλουμίνιο

~ 100 - 800Νικέλιο

~ 40 - 70Ψευδάργυρος

~ 10 - 50Μόλυβδος

~ 100Χαλκός

~ 30 - 40Χάλυβας

Απαίτηση καυσίμου (ΜJ / kg)Υλικό

Εφαρμογή σε σχέση με την ΑΚΖΣκοπός είναι να αναγνωρίσουμε τις κρίσιμες περιοχές τουκύκλου ζωήςΗ εξεργειακή κατανάλωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μιαχαρακτηριστική παράμετρος και στην περίπτωση της μηβιοτικής συσσώρευσης και στις πηγές ροής , και πιθανόνακόμη και για να περιγράψουμε τον ανταγωνισμό τωνβιοτικών πηγώνΗ εξεργειακή κατανάλωση δεν περιγράφει όλες τις σχετικέςπτυχές που σχετίζονται με την εξάλειψη πηγών και τονανταγωνισμό . Για παράδειγμα, οι επιπτώσεις στην βιολογικήποικιλία από την χρήση των βιοτικών πηγών συσσώρευσηςδεν περιγράφονται από την εξεργειακή κατανάλωση

Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή τηςεξέργειας και της ενέργειας (1)

Σε κάθε σύστημα υπάρχουν είτε ως τελικά, είτε ως ενδιάμεσα,ποικίλα προϊόντα και οι πολλές μεταβολές πουπραγματοποιούνται μειώνουν τη συνολική διαθέσιμη εξέργεια

Παράδειγμα: ΛέβηταςΠηγή ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας (π.χ. κάρβουνο ήπετρέλαιο. Ο ατμός που παράγεται περιστρέφει ένα στρόβιλο πουθέτει σε κίνηση ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Όταν ο ατμός περνάειανάμεσα από τον στρόβιλο μεταδίδει εξέργεια στη γεννήτρια.Μετά από εκεί, ψύχεται σε έναν συμπυκνωτή προς υγρό καιεπανοδηγείται στο λέβητα. Αυτή η ψύξη είναι απαραίτητη για ναβελτιώσει τη μετάδοση ενέργειας στο στρόβιλο καθώς τότεέχουμε μέγιστη απολαβή έργου.

Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειαςκαι της ενέργειας (2)

Η χημική ενέργεια στο κάρβουνο και το πετρέλαιο, ήκαι το πυρηνικό καύσιμο μετατρέπεται σε ηλεκτρικήενέργεια, όχι χωρίς απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναιμεγάλες: σε ένα σταθμό πετρελαίου τουλάχιστον 60%ενώ σε έναν πυρηνικό, φτάνει ακόμα και το 70%.Μετρώντας το σύστημα συνολικά, για την προετοιμασίατης πρώτης ύλης για την ενέργεια, μέχρι και τηδιαχείριση των απορριμμάτων της καύσης υπάρχουνπολύ μεγαλύτερες απώλειες από την ωφέλιμη.

Η εξεργειακή ανάλυση (1)

Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός είναι απαραίτητο ναληφθούν υπόψη όλες οι ποσότητες εξέργειας που προσδίδονταικατά τη διεργασία.Συνήθως μετριέται μόνο ένα μέγεθος, η πηγή ενέργειας χωρίς ναλαμβάνονται υπόψη και οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας πουσυμμετέχουν στη διεργασία. Αυτό οφείλεται στα περιορισμέναόρια της έννοιας της ενέργειας. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας τηνέννοια της εξέργειας, μερικώς ξεπερνιούνται αυτοί οι περιορισμοί.Όταν εφαρμόζεται η εξεργειακή ανάλυση σε μια διαδικασίαπαραγωγής, δεν πρέπει αυτή να περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένομέρος της διαδικασίας, αλλά η συνολική διαδικασία να λαμβάνεταικαι να αναλύεται ως ένα σύνολο.

Η εξεργειακή ανάλυση (2)Μια εξεργειακή ανάλυση, που βασίζεται στον 2οθερμδυναμικό νόμο, δείχνει την θερμοδυναμική ατέλεια μιαςδιαδικασίας, περιλαμβάνοντας όλες τις ποιοτικές απώλειες τωνυλικών και της ενέργειας..Μια ενεργειακή ισορροπία είναι πάντα κλειστή όπωςαναφέρει ο 1ος θερμοδυναμικός νόμος . Εκεί δεν μπορεί ναυπάρξει ποτέ ενεργειακή απώλεια, μόνο ενεργειακή μεταφοράστο περιβάλλον στην οποία κατάσταση είναι άχρηστη.Η βασική εξεργειακή εξίσωση για ένα kg ουσίας σε ανοιχτάσυστήματα , αγνοώντας όρους κινητικής και δυναμικήςεξέργειας είναι:

E H H T S Sx o o o ( ) ( )

Η έννοια της αποδοτικότητας Αντίστοιχα με τις έννοιες της ενέργειας και της εξέργειας

μπορούμε να ορίσουμε δύο έννοιες της απόδοσης στιςμετατροπές ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη.

Η ενέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροήενέργειας. Ονομάζεται ενεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεταιμε nεν.

Η εξέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροήεξέργειας. Ονομάζεται εξεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεταιμε nεξ.

Σε μετατροπές ενέργειας ανάμεσα σε διάφορες μορφέςυπάρχουν πάντα απώλειες. Επειδή το φυσικό περιβάλλον τωνμετατροπών αυτών συχνά παραμελείται, ο ενεργειακός βαθμόςαπόδοσης μπορεί να είναι και μεγαλύτερος της μονάδας, (nεv >1). Παράδειγμα μιας τέτοιας μετατροπής είναι η αντλίαθερμότητας. Η αντλία θερμότητας έχει απεριόριστη ενέργειανα λάβει από το περιβάλλον (με δείκτη ποιότητας 0).

Στο σχήμα φαίνεται ημετατροπή του καυσίμου

σε θερμότητα σε έναντυπικό καυστήρα. Οβαθμός απόδοσης

περιορίζεται στο 85%κυρίως εξαιτίας των

απωλειών από τακαυσαέρια. Η χαμηλήτιμή στον εξεργειακό

βαθμό απόδοσηςοφείλεται στο ότι η

πτώση της θερμοκρασίαςαπό τους 1000 °C της

φλόγας στους 60 °C τουνερού, δεν

χρησιμοποιείται.

Ερωτήσεις;

ΓιώργοςΓιώργος ΞύδηςΞύδηςΜηχανολόγοςΜηχανολόγος ΜηχανικόςΜηχανικός ΑΠΘΑΠΘ

ΥπΥπ.. ΔιδάκτοραςΔιδάκτορας ΕΜΠΕΜΠVectorVector ΑιολικάΑιολικά ΠάρκαΠάρκα ΕλλάδοςΕλλάδος A.E.A.E.

Tel. 210 9592323Tel. 210 9592323Email:Email: gxydis@gmail.comgxydis@gmail.com