Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας – Χριστοφής Ι Κορωναίος 229 7 Η ΕΞΕΡΓΕΙΑ 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της εξέργειας Όπου υπάρχει υπολογισμός ενεργειακών μεγεθών, υπάρχει παράλληλα μεγάλη σύγχυση στα μεγέθη που πρέπει να μετρηθούν και να εκτιμηθούν. Πολύ συχνά η λύση επιδιώκεται να δοθεί με νέες μονάδες μέτρησης όπως η Wh και οι τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου (Τ.Ι.Π.). Όμως και έτσι δημιουργούνται προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη σύγχυση που προκαλείται από τις διαφορετικές μονάδες που μετρούν το ίδιο μέγεθος. Επιπλέον υπάρχει διαφοροποίηση των μονάδων από χώρα σε χώρα ανάλογα με το σύστημα που χρησιμοποιείται. Για διεργασίες που αφορούν μετατροπές ενέργειας πολλές φορές προκύπτουν έννοιες απόδοσης λανθασμένες που δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Ο βασικός λόγος είναι ότι τέτοιες έννοιες δεν έχουν θεμελιώδη σύνδεση με το φυσικό περιβάλλον. Εντούτοις σε πολλές περιπτώσεις, όπως για παράδειγμα στη θέρμανση ενός χώρου, το περιβάλλον παίζει το καθοριστικό ρόλο. Η σχέση ανάμεσα στις φυσικές πρώτες ύλες και τις κοινωνικές και οικονομικές δομές συχνά παραμελείται από τους επιστήμονες, τους ερευνητές και τους οικονομολόγους. Από την άλλη μεριά όσοι ασχολήθηκαν με τις φυσικές πρώτες ύλες δεν έδειξαν ενδιαφέρον στη σχέση αυτών με την κοινωνία και την οικονομία γενικά. Υπάρχουν εντούτοις και εξαιρέσεις. Μερικοί έλαβαν υπό όψιν φυσικούς αλλά και κοινωνικό-οικονομικούς παράγοντες. Επιπλέον αναλύσεις που αφορούν οικολογικά θέματα έγιναν ιδιαίτερα διαδεδομένες τα τελευταία χρόνια. Πολλά εξαιρετικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα έχουν προκύψει από τις έρευνες αυτές. Είναι απαραίτητη η κατανόηση των διεργασιών μετατροπής ενέργειας και υλικών σε κάθε σχεδιασμό που αφορά το μέλλον. Το ενδιαφέρον σε τέτοια θέματα είναι σχετικά πρόσφατο. Για τη σωστή επιλογή ανάμεσα σε διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις και για μια αειφόρο ανάπτυξη χρειάζεται όλα αυτά να ληφθούν υπό όψιν. Κι αυτό γιατί οι ίδιες οι λειτουργίες της κοινωνίας είναι άμεσα συσχετισμένες με τις μετατροπές ενέργειας και ύλης στη φύση. Η εξέργεια είναι ένας όρος σχετικά πρόσφατος και είναι πιο συχνός στην τεχνική ορολογία. Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσό ενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, για παράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγει ένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του. Η έννοια της εξέργειας πηγάζει από την έννοια της εντροπίας. Σε ένα σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με εξάτμιση ρευστού και κίνηση στροβίλου, υπάρχουν μεγάλες διαφορές στη μεταβολή της ενέργειας και της εξέργειας. Τέτοιες θεωρήσεις μπορούν να γενικευτούν ακόμη και για τις ενεργειακές μετατροπές σε μια κοινωνία. Η ανθρώπινη κοινωνία σήμερα, εξαρτάται από τις ροές εξέργειας των πεπερασμένων αποθεμάτων εξέργειας που βρίσκονται στη Γη και πιο συγκεκριμένα, σε πετρώματα, καύσιμα, άλλα κυρίως στις ανανεώσιμες πηγές εξέργειας όπως τα δάση που μετατρέπουν και εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια. Το κάθε άτομο, η κάθε ομάδα και όλη η κοινωνία εξαρτάται άμεσα από τις ροές αυτές. Από τη φυσική περιγραφή της κοινωνίας μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις της αποδοτικότητας και να συγκριθούν μεταξύ τους τα διάφορα αποτελέσματα που θα προκύψουν. 7.2 Ενέργεια, ύλη και ποιότητα Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνται και δεν καταστρέφονται. Αυτός είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης. Δεν υπάρχουν δηλαδή πηγές ή καταβόθρες για την ενέργεια και την ύλη. Απλώς μπορούν να μετασχηματίζονται σε διαφορετικές μορφές. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της υποβάθμισης της ποιότητας. Τοπικά η ποιότητα μπορεί να βελτιώνεται αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο τη μεγαλύτερη υποβάθμιση της ποιότητας κάπου αλλού. Συνολικά είναι ένα θέμα συνεχούς υποβάθμισης της ποιότητας. Αυτό είναι επίσης θεμελιώδης νόμος της φύσης. Η ροή ύλης και ενέργειας (σχήμα 7.1) σε ένα σύστημα οδηγείται σε συνεχή ελάττωση της ποιότητας. Η ροή πρέπει να ορίζεται επακριβώς στο χρόνο και στο χώρο. Καθώς υπάρχει ροή, μόνο ένα μικρό μέρος του μέσου εγκλωβίζεται στο σύστημα. Η κινητήριος δύναμη της ροής ενέργειας ή ύλης μέσα από το σύστημα' είναι η ποιότητα. Αυτή συνεχώς χειροτερεύει καθώς πραγματοποιείται η ροή. Η ενέργεια και η ύλη απλώς υπηρετούν ως φορείς ποιότητας και είναι η τελευταία αυτή που καταναλώνεται κατά τη μετατροπή τους από τη μια μορφή στην άλλη. Σύμφωνα με αυτήν την οπτική πλευρά είναι εσφαλμένο να γίνεται λόγος για
225
Embed
7 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της ...environ.survey.ntua.gr/files/mathimata/6420/APE-kef7-10.pdf · 2016-03-03 · Ανανεώσιμες Πηγές
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της εξέργειας Όπου υπάρχει υπολογισμός ενεργειακών μεγεθών, υπάρχει παράλληλα μεγάλη σύγχυση στα μεγέθη που πρέπει να μετρηθούν και να εκτιμηθούν. Πολύ συχνά η λύση επιδιώκεται να δοθεί με νέες μονάδες μέτρησης όπως η Wh και οι τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου (Τ.Ι.Π.). Όμως και έτσι δημιουργούνται προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη σύγχυση που προκαλείται από τις διαφορετικές μονάδες που μετρούν το ίδιο μέγεθος. Επιπλέον υπάρχει διαφοροποίηση των μονάδων από χώρα σε χώρα ανάλογα με το σύστημα που χρησιμοποιείται. Για διεργασίες που αφορούν μετατροπές ενέργειας πολλές φορές προκύπτουν έννοιες απόδοσης λανθασμένες που δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Ο βασικός λόγος είναι ότι τέτοιες έννοιες δεν έχουν θεμελιώδη σύνδεση με το φυσικό περιβάλλον. Εντούτοις σε πολλές περιπτώσεις, όπως για παράδειγμα στη θέρμανση ενός χώρου, το περιβάλλον παίζει το καθοριστικό ρόλο.
Η σχέση ανάμεσα στις φυσικές πρώτες ύλες και τις κοινωνικές και οικονομικές δομές συχνά παραμελείται από τους επιστήμονες, τους ερευνητές και τους οικονομολόγους. Από την άλλη μεριά όσοι ασχολήθηκαν με τις φυσικές πρώτες ύλες δεν έδειξαν ενδιαφέρον στη σχέση αυτών με την κοινωνία και την οικονομία γενικά.
Υπάρχουν εντούτοις και εξαιρέσεις. Μερικοί έλαβαν υπό όψιν φυσικούς αλλά και κοινωνικό-οικονομικούς παράγοντες. Επιπλέον αναλύσεις που αφορούν οικολογικά θέματα έγιναν ιδιαίτερα διαδεδομένες τα τελευταία χρόνια. Πολλά εξαιρετικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα έχουν προκύψει από τις έρευνες αυτές. Είναι απαραίτητη η κατανόηση των διεργασιών μετατροπής ενέργειας και υλικών σε κάθε σχεδιασμό που αφορά το μέλλον. Το ενδιαφέρον σε τέτοια θέματα είναι σχετικά πρόσφατο. Για τη σωστή επιλογή ανάμεσα σε διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις και για μια αειφόρο ανάπτυξη χρειάζεται όλα αυτά να ληφθούν υπό όψιν. Κι αυτό γιατί οι ίδιες οι λειτουργίες της κοινωνίας είναι άμεσα συσχετισμένες με τις μετατροπές ενέργειας και ύλης στη φύση.
Η εξέργεια είναι ένας όρος σχετικά πρόσφατος και είναι πιο συχνός στην τεχνική ορολογία. Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσό ενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, για παράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγει ένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του. Η έννοια της εξέργειας πηγάζει από την έννοια της εντροπίας.
Σε ένα σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με εξάτμιση ρευστού και κίνηση στροβίλου, υπάρχουν μεγάλες διαφορές στη μεταβολή της ενέργειας και της εξέργειας. Τέτοιες θεωρήσεις μπορούν να γενικευτούν ακόμη και για τις ενεργειακές μετατροπές σε μια κοινωνία. Η ανθρώπινη κοινωνία σήμερα, εξαρτάται από τις ροές εξέργειας των πεπερασμένων αποθεμάτων εξέργειας που βρίσκονται στη Γη και πιο συγκεκριμένα, σε πετρώματα, καύσιμα, άλλα κυρίως στις ανανεώσιμες πηγές εξέργειας όπως τα δάση που μετατρέπουν και εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια. Το κάθε άτομο, η κάθε ομάδα και όλη η κοινωνία εξαρτάται άμεσα από τις ροές αυτές.
Από τη φυσική περιγραφή της κοινωνίας μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις της αποδοτικότητας και να συγκριθούν μεταξύ τους τα διάφορα αποτελέσματα που θα προκύψουν.
7.2 Ενέργεια, ύλη και ποιότητα Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνται και δεν καταστρέφονται. Αυτός είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης. Δεν υπάρχουν δηλαδή πηγές ή καταβόθρες για την ενέργεια και την ύλη. Απλώς μπορούν να μετασχηματίζονται σε διαφορετικές μορφές. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της υποβάθμισης της ποιότητας. Τοπικά η ποιότητα μπορεί να βελτιώνεται αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο τη μεγαλύτερη υποβάθμιση της ποιότητας κάπου αλλού. Συνολικά είναι ένα θέμα συνεχούς υποβάθμισης της ποιότητας. Αυτό είναι επίσης θεμελιώδης νόμος της φύσης.
Η ροή ύλης και ενέργειας (σχήμα 7.1) σε ένα σύστημα οδηγείται σε συνεχή ελάττωση της ποιότητας. Η ροή πρέπει να ορίζεται επακριβώς στο χρόνο και στο χώρο. Καθώς υπάρχει ροή, μόνο ένα μικρό μέρος του μέσου εγκλωβίζεται στο σύστημα. Η κινητήριος δύναμη της ροής ενέργειας ή ύλης μέσα από το σύστημα' είναι η ποιότητα. Αυτή συνεχώς χειροτερεύει καθώς πραγματοποιείται η ροή. Η ενέργεια και η ύλη απλώς υπηρετούν ως φορείς ποιότητας και είναι η τελευταία αυτή που καταναλώνεται κατά τη μετατροπή τους από τη μια μορφή στην άλλη. Σύμφωνα με αυτήν την οπτική πλευρά είναι εσφαλμένο να γίνεται λόγος για
κατανάλωση και παραγωγή ενέργειας ή ύλης. Διότι είναι μόνο η ποιότητα αυτή που παράγεται ή καταναλώνεται. Για παράδειγμα αν ένα αυτοκίνητο μένει ακάλυπτο και σκουριάζει είναι η ποιότητα που καταστρέφεται και όχι η ύλη, γιατί αυτή παραμένει, θα συνδυαστεί με το περιβάλλον σε νέες χημικές ενώσεις, π.χ. σκουριά. Από οικονομικής πλευράς, η αξία του υλικού φθίνει και τελικά μηδενίζεται.
Ροές ενέργειας και ύλης μπορούν να θεωρηθούν ως διαφορετικά φαινόμενα που μεταφέρουν ποιότητα. Η διαφοροποίηση μεταξύ τους είναι συχνά ασαφής και προσεγγιστική. Μια ροή είναι συχνά ροή και ύλης και ενέργειας.
Σχήμα 7. 1: Ροή ενέργειας ή ύλης σε ένα σύστημα.
Η υποβάθμιση της ποιότητας είναι ισοδύναμη ουσιαστικά με την αύξηση εντροπίας. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο οι μετατροπές ενέργειας και ύλης πρέπει να γίνονται από μια κατάσταση χαμηλής θερμοδυναμικής πιθανότητας προς μια κατάσταση υψηλότερης. Η ενέργεια και η ύλη τείνουν να κατανεμηθούν προς ένα συνεχώς αυξανόμενο αριθμό πιθανών καταστάσεων. Παράδειγμα αυτού είναι μια ψυχρή και μια θερμή ροή αέρα που συναντώνται και όπου η ποιότητα και η αντίθεση καθορίζονται από τις διαφορές στη θερμοκρασία οι οποίες στη συνέχεια μηδενίζονται για μια ομοιόμορφη ροή. Η ομοιόμορφη ροή δεν έχει διαφορές θερμοκρασιών και ως εκ τούτου, χαμηλότερη ποιότητα από τις αρχικές ροές. Αυτό εκφράζεται ποσοτικά με στατιστική μηχανική ως μια αύξηση της εντροπίας του συστήματος. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τις ροές εισόδου και εξόδου και από τις διατάξεις μετατροπής που βρίσκονται ανάμεσα τους.
Η εντροπία που συμβολίζεται με S ισούται με:
1
ln ii PPkS Σ 7. 1
όπου με k συμβολίζεται η σταθερά του Boltzmann και δείχνει τον αριθμό των επιτρεπτών καταστάσεων του
συστήματος και με Pi η πιθανότητα για κάθε επιτρεπτή κατάσταση, τέτοια ώστε το άθροισμα να ισούται με 1:
1
1iPkS Σ 7. 2
Η πιθανότητα για μια κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με τη γνώση του συνολικού συστήματος. Αν υπάρχει βεβαιότητα ότι το σύστημα είναι σε μια καθορισμένη κατάσταση, η πιθανότητα για αυτήν την κατάσταση είναι ίση με 1. Η πιθανότητα για τις άλλες καταστάσεις είναι ίση με 0. Η γνώση της εντροπίας του συστήματος είναι τότε πλήρης και τότε αυτή είναι Ο (S = 0). Στην αντίθετη περίπτωση αν δεν υπήρχε καμία πληροφορία για το σύστημα τότε όλες οι δυνατές καταστάσεις θα ήταν ισοπίθανες. Ο αριθμός τους είναι Ω. Η πιθανότητα για κάθε μια θα είναι 1/Ω. Η εντροπία του συστήματος ισούται με S = k * ΙηΩ. Αυτή είναι η μέγιστη εντροπία για κάθε σύστημα και δείχνει την πλήρη αταξία.
Η μετατροπή ενέργειας και ύλης που λαμβάνει χώρα σε έναν πεπερασμένο ρυθμό, αναπόφευκτα οδηγεί σε παραγωγή εντροπίας. Ο ρυθμός παραγωγής της αυξάνεται όσο αυξάνεται ο βαθμός μετατροπής. Μια μετατροπή που μπορεί να αντιστραφεί ονομάζεται αντιστρεπτή. Αυτή είναι απειροστά αργή αλλά δεν περιλαμβάνει απώλειες. Έτσι δεν παράγεται εντροπία. Είναι δυνατόν να υπάρχουν τοπικές μεταβολές της εντροπίας αλλά η συνολική παραγωγή είναι μηδενική. Από τα παραπάνω συνεπάγεται ότι σε μια αντιστρεπτή μεταβολή δεν υπάρχει συγκεκριμένη κατεύθυνση και ως εκ τούτου αυτή δεν ολοκληρώνεται ποτέ. Αντιστρεπτές μεταβολές δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, παρά μόνο θεωρητικά. Όλες οι μεταβολές είναι μη αντιστρεπτές, που σημαίνει ότι πραγματοποιούνται με απώλειες. Έτσι, αυτές είναι αναπόφευκτες και ως ένα βαθμό, απαραίτητες. Κάθε επιθυμητή μεταβολή πρέπει να έχει κάποιες απώλειες όσο το δυνατόν μικρότερες.
Μπορεί εδώ να δοθεί ένας ορισμός της εξέργειας ως εξής:
Η εξέργεια είναι το τμήμα της ενέργειας που είναι μετατρέψιμο σε όλες τις άλλες μορφές ενέργειας.
Η εξέργεια ενός συστήματος σε συγκεκριμένο περιβάλλον είναι η ποσότητα του μέγιστου μηχανικού έργου που μπορεί να αποβληθεί από το σύστημα σε αυτό το περιβάλλον. Μερικά παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι π.χ. συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου σε μια δεξαμενή ή ο θερμός αέρας που βρίσκεται μέσα σε ένα κτίριο το χειμώνα.
Ο ορισμός αυτός είναι πολύ γενικός και μπορεί να επεκταθεί για να συμπεριλάβει και την ύλη. Μια τέτοια επέκταση είναι πλήρως δικαιολογημένη. Μια συνηθισμένη μπαταρία παράδειγμα αποτελεί παράδειγμα μετατροπών ύλης από τη μια μορφή στην άλλη μέσω χημικών αντιδράσεων προσδίδοντας εξέργεια υπό τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου.
Η εντροπία έχει αρνητική έννοια καθώς δείχνει έλλειψη ποιότητας. Μπορεί επομένως να δοθεί ο ορισμός της αρνητικής εντροπίας (negentropy) η οποία θα έχει θετική έννοια. Η αρνητική εντροπία γίνεται έτσι μονάδα μέτρησης της ποιότητας. Ελαττώνεται μαζί με την ποιότητα.
7.3 Μαθηματικός υπολογισμός της εξέργειας
7.3.1 Υπολογισμός για ένα θερμοδυναμικό σύστημα Έστω το σχήμα 7.2 στο οποίο φαίνονται το σύστημα Α και το περιβάλλον Αο, το οποίο θεωρείται ομογενές και πολύ μεγαλύτερο από το Α. Το περιβάλλον Αο χαρακτηρίζεται από τα εντατικά μεγέθη To, po και μο, (θερμοκρασία, πίεση και χημικό δυναμικό). Οι αντίστοιχες παράμετροι για το Α είναι οι Τ, ρ και μ. Αρχικά, το Α είναι επίσης ομογενές. Τα υπόλοιπα μεγέθη για το Α είναι τα U, V, S, και ηι (εσωτερική ενέργεια, όγκος, εντροπία και αριθμός των moles των διαφόρων χημικών στοιχείων) και τα αντίστοιχα για το Αο, είναι Uο, Vo, So, και niο και υποτίθεται να είναι επίσης κατά πολύ μεγαλύτερα από του Α.
To συνδυασμένο σύστημα που αποτελείται από το Α και το Αο θεωρείται μονωμένο. Έτσι λαμβάνεται μόνο έργο W από το Α και ισχύει:
dU+dUo+dW=0
dV+dVo=0
dni+dnio=0 Σ 7. 4
Η αλληλεπίδραση μεταξύ του Α και του Αο μπορεί να λάβει χώρα με έναν ελεγχόμενο τρόπο μέσα στο Α. Αφού το Α είναι μικρό, δεν αλλάζουν τα εντατικά μεγέθη του Αο. Επομένως:
Το διαφορικό της εντροπίας του περιβάλλοντος Αο είναι:
oo
ii
ioo
o
ioi
ioooo
o T
dW
T
dndVpdU
T
dndVpdUdS
Σ 7. 6
όπου έχει χρησιμοποιηθεί η σχέση (7.1). Το συνολικό διαφορικό της εντροπίας και για το σύστημα και για το περιβάλλον είναι:
oi
iiooo
oo T
dWnddSTdVpdU
TdSdSdS
1
Σ 7. 7
Η τελευταία σχέση μπορεί να γραφτεί και ως εξής:
dWdET
dSo
1
Σ 7. 8
όπου εισάγεται η εξέργεια Ε και ισχύει:
i
iiooo nSTVpUE Σ 7. 9
Αν χρησιμοποιηθεί η σχέση
i
ii dnVpSTU Σ 7. 10
στην (7.9) τότε προκύπτει:
i
ioiioo nppVTTSE Σ 7. 11
η οποία δείχνει ότι η εξέργεια μηδενίζεται στην κατάσταση ισορροπίας (Τ = Το, p= po, i = iο)
Ας υποτεθεί ότι το Α μεταβάλλεται προς την ισορροπία με το Αο χωρίς να παράγει έργο (dW = 0). Η εξέργεια μεταβάλλεται από Ε προς Ο και η συνολική εντροπία αλλάζει από Sολ προς Sολ
ισ (το ολ. για ολικό και το ισ. για την ισορροπία). Χρησιμοποιώντας και την (7.2) λαμβάνεται
oT
ESS
Σ 7. 12
και έτσι:
SSTE o Σ 7. 13
Αν οριστεί η αρνητική εντροπία Σ ως η διαφορά:
SS Σ 7. 14
τότε προκύπτει ότι
0 oTE Σ 7. 15
Η εξέργεια του Α επομένως είναι Το πολλαπλασιασμένη με την αρνητική εντροπία του Α και του περιβάλλοντος του Αο. Παρατηρεί κανείς ότι στον ορισμό της εξέργειας Ε (σχέση (7.9)) μόνο τα εντατικά μεγέθη του Α εμφανίζονται.
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στην οποία επιτυγχάνεται ισορροπία, η εξέργεια μεταβάλλεται κατά -Ε. Έστω ότι η αύξηση της ολικής εντροπίας είναι ΔSολ και το έργο που λαμβάνεται είναι W. Η ολοκληρωμένη έκφραση της (7.8) θα είναι:
και με την ισότητα να ισχύει μόνο για αντιστρεπτή διαδικασία, λαμβάνεται:
EW Σ 7. 19
δηλαδή, η εξέργεια Ε είναι το μέγιστο ποσό έργου που μπορεί να αποληφθεί από το Α στη διαδικασία κατά την οποία θα πραγματοποιηθεί η ισορροπία με το περιβάλλον Αο.
Από τη σχέση (7.9) μπορεί να αφαιρεθεί η αντίστοιχη σχέση της ισορροπίας. Καθώς το Ε εξαφανίζεται στην ισορροπία, βρίσκεται ότι:
i
iiooo nnSSTVVpUUE Σ 7. 20
που είναι μια χρήσιμη σχέση για πρακτικούς ορισμούς της εξέργειας.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαφορές εξέργειας σχετίζονται με άλλα πιο γνωστά, από τη θερμοδυναμική, δυναμικά, όπως φαίνεται στον πίνακα 7.1.
Πίνακας 7. 1: Δυναμικά που χρησιμοποιούνται στη θερμοδυναμική.
Περίπτωση ΔΕ=ΔΧ Ορισμός του Χ Συνήθης ονομασία
Δni = 0 ΔΕ = ΔGο Go = U+poV - ToS
Δni = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔFο Fo = U-ToS
Δni = 0, ΔS= 0 ΔΕ = ΔΗο Ho = U + poV
Δni = 0, p = po ΔΕ = ΔG G = U + pV - TS Ελεύθ.ενέργεια
Δni = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔF F = U - TS Ελεύθ.ενέργεια
Δni = 0, ΔS = 0 ΔΕ = ΔΗ H = U + pV Ενθαλπία
Θα ήταν ίσως ενδιαφέρον να εξεταστεί και η περίπτωση ενός συστήματος Α που βρίσκεται μέσα σε ένα τοπικό περιβάλλον Ατ, το οποίο με τη σειρά του είναι περικυκλωμένο από ένα περιβάλλον Αο (σχήμα 7.3 ).
όπου ο παράγοντας Ετ.ο δείχνει τη συνεισφορά της εξέργειας εξαιτίας της απόκλισης ίου τοπικού περιβάλλοντος από το συνολικό. Ισχύει:
i
ioiioo nppVTTSE Σ 7. 23
που είναι η έκφραση της εξέργειας η αντίστοιχη με τη (7.11) και με τα εντατικά μεγέθη του Ατ να αντικαθιστούν αυτά του Α.
7.3.2 Εξεργειακό περιεχόμενο των υλικών Έστω ότι η πίεση ρ και η θερμοκρασία Τ είναι σταθερές και ίσες με p = po και Τ =Το. Σύμφωνα με την εξίσωση (7.11) έχουμε:
i
ioiinE Σ 7. 24
Το χημικό δυναμικό μi για το i στοιχείο μπορεί να γραφτεί ως εξής:
iooii cTR ln Σ 7. 25
όπου ci είναι η συγκέντρωση του στοιχείου i και μio το δυναμικό στην κατάσταση αναφοράς.
Επιπλέον:
ioooioio cTR ln Σ 7. 26
Από τις δύο τελευταίες σχέσεις, η (7.24) μπορεί να γραφτεί ως εξής:
i oio
I
oio
oii c
cnTRnE ln Σ 7. 27
Η εξέργεια ενός υλικού μπορεί να υπολογιστεί με αυτόν τον τρόπο από το χημικό του δυναμικό και τη συγκέντρωση τον, στην κατάσταση αναφοράς.
Αν έχουμε ένα στοιχείο, η (7.27) γίνεται
o
oo
o
c
cTRnE ln Σ 7. 28
7.4 Φορείς εξέργειας Η ποιότητα της ενέργειας μπορεί να εκφραστεί ως η ποσότητα της αρνητικής εντροπίας ανά μονάδα ενέργειας του εξεταζόμενου συστήματος. Οι πιο καθαρές μορφές ενέργειας είναι η μηχανική και η ηλεκτρική για τις οποίες η αρνητική εντροπία είναι 0. Αντίθετα η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας έχει τη χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα χειροτερεύει με τη θερμοκρασία (εφόσον αυτή είναι υψηλότερη από αυτήν του περιβάλλοντος). Στον πίνακα που ακολουθεί οι διάφορες μορφές ενέργειας κατατάσσονται ανάλογα με την ποιότητα από την πιο υψηλή στην πιο χαμηλή. Ο δείκτης του πίνακα 7.2 δείχνει το περιεχόμενο σε εξέργεια ως ποσοστό του περιεχομένου του υλικού σε ενέργεια.
Πίνακας 7. 2: Περιεχόμενο σε εξέργεια για διάφορες μορφές ενέργειας
Ποιότητα Μορφή ενέργειας Δείκτης ποιότητας
Άριστη Δυναμική ενέργεια1 100
Κινητική ενέργεια2 100
Ηλεκτρική ενέργεια 100
Εξαιρετική Πυρηνική ενέργεια3 σχεδόν 100
Ηλιακή ενέργεια 95
Χημική ενέργεια4 95
θερμός ατμός 60
Τηλεθέρμανση 30
Κατώτερη Απώλειες θερμότητας 5
Άχρηστη Θερμότητα ως ακτινοβολία από τη 0
Εντούτοις, φορείς εξέργειας δεν είναι μόνο τα συστήματα που φέρουν ενέργεια. Αν ένα σύστημα στερείται ενέργεια (και έτσι διαφοροποιείται από το περιβάλλον) τότε είναι φορέας εξέργειας. Για παράδειγμα ένας κύβος πάγου που βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου είναι φορέας εξέργειας. Όταν ο πάγος λιώνει παίρνει ενέργεια από τον περιβάλλοντα αέρα. Αν παρεμβληθεί μια αντλία θερμότητας μπορεί να παραχθεί ωφέλιμο έργο. Αυτό καθιστά τον πάγο πηγή ενέργειας. Αντίστοιχα ένα κενό δοχείο εφόσον μπορεί να γεμίσει με αέρα είναι φορέας εξέργειας.
Ανάλογα με την ποιότητα της ενέργειας, η ποιότητα ενός υλικού μπορεί να εκφραστεί από την εξέργεια του υλικού. Η πιο αγνή μορφή ύλης είναι αυτή που περιέχει μόνο γνωστά στοιχεία για τα οποία η εντροπία είναι 0. Διαλυμένα ή αναμειγμένα υλικά έχουν μια υψηλότερη εντροπία και ως εκ τούτου χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα μειώνεται όσο μεγαλύτερη είναι η διάλυση και η ανάμειξη. Ένα πέτρωμα καθαρό έχει τη μέγιστη περιεκτικότητα σε εξέργεια. Καθώς εξορύγνεται και διανέμεται στο περιβάλλον, το περιεχόμενο σε εξέργεια μειώνεται. Στον επόμενο πίνακα φαίνονται κάποια υλικά ταξινομημένα συναρτήσει της μείωσης της ποιότητας τους. Σε κάθε περίπτωση υπάρχει ευδιάκριτη διαφορά ανάμεσα στα υλικά που βρίσκονται ψηλά στη στήλη και σε αυτά που βρίσκονται χαμηλά.
Η ποιότητα της μορφής του υλικού εκφράζεται από ένα δείκτη που δίνει το προσεγγιστικό περιεχόμενο σε ενέργεια ως ποσοστό της ποσότητας του υλικού. Ο ορισμός του δείκτη είναι ανάλογος με τον ορισμό για τον προηγούμενο πίνακα. Από τον ακόλουθο πίνακα προκύπτει ότι μόνο ένα μέρος, που δίνεται από την εξέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανακτηθεί καθαρό υλικό, εφόσον βέβαια δεν καταναλωθεί εξωτερική ποσότητα εξέργειας. Όταν εκτιμάται το περιεχόμενο σε εξέργεια για το εξεταζόμενο υλικό χρησιμοποιείται η εξίσωση (7.9). Καθώς η εξέργεια δεν διαφοροποιείται ανάμεσα σε ανώτερη και κατώτερη ή σε αυτήν της ύλης και αυτήν της ενέργειας, υπάρχει σαφής σύνδεση ανάμεσα στους δύο τελευταίους φορείς. Η μαθηματική διατύπωση της θεωρίας της σχετικότητας (Ε=mc2) είναι επίσης μια θεμελιώδης αρχή. Καθώς καθαρίζεται ένα ορυκτό από τις προσμίξεις, ουσιαστικά ανταλλάσσεται ενέργεια υψηλής ποιότητας με εξέργεια που βρίσκεται στην ύλη του.
Πίνακας 7. 3: Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων υλικών
Μορφή της ύλης Δείκτης ποιότητας
Ύλη σε ταξινομημένη κατάσταση' 100
Ύλη στη μορφή του εμπορίου2 σχεδόν 100
Μείγματα στοιχείων περίπου 90
Πλούσια αποθέματα ορυκτών4 50-80
Ορυκτά 50
Φτωχά αποθέματα ορυκτών5 20-50
Ορυκτά διαλυμένα στο έδαφος ή στη περίπου 0
i. π.χ. κάρβουνο ως διαμάντι
ii. π.χ. σίδηρος, χρυσός, ή μόλυβδος
iii. π.χ. χάλυβας, κράματα, ή πλαστικά
iv. π.χ. λεμονίτης
v. π.χ. βωξίτης
Από τον πίνακα 7.3 συμπεραίνεται ότι υλικά τα οποία είναι ακριβά έχουν μεγάλο περιεχόμενο σε εξέργεια. Αντιθέτως, υλικά τα οποία είναι αναμειγμένα (π.χ. άμμος) έχουν μικρό περιεχόμενο σε εξέργεια.
Συστήματα πλούσια σε εξέργεια όπως για παράδειγμα υλικά, χημικές ενώσεις μπορούν στην πράξη να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα μετασχηματισμού ηλεκτρικής σε χημική και αντίστροφα.
7.5 Παγκόσμια και τοπικά περιβαλλοντικά πρότυπα Καθώς η εξέργεια ορίζεται σύμφωνα με το περιβάλλον της είναι απαραίτητο να καθιερωθούν κατάλληλες περιβαλλοντικές αναφορές. Κάτι τέτοιο μπορεί να οριστεί με μια καθορισμένη ατμόσφαιρα και ένα ορισμένο επίπεδο θαλάσσης όπου οι κανονικές καταστάσεις συσχετίζονται με μέσες γεωφυσικές συνθήκες. Για την εξεργειακή ανάλυση των συναλλασσόμενων αγαθών και για τη χρήση της εξέργειας στις γεωφυσικές επιστήμες ένας τέτοιος ορισμός είναι απαραίτητος.
Οι θερμοκρασιακές συνθήκες ποικίλουν ανάμεσα στα διαφορετικά μέρη του κόσμου και το ίδιο ισχύει για την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ομοίως τα χημικά δυναμικά του νερού στις λίμνες και τους ποταμούς διαφέρουν ουσιωδώς από αυτά της θάλασσας. Η κατασκευή του εδάφους και του υπεδάφους επίσης ποικίλει και στην επιφάνεια της γης αλλά και στο βυθό της θάλασσας. Έτσι επίσης καθίσταται απαραίτητη η καθιέρωση τοπικών συνθηκών αναφοράς.
Η έκταση στην οποία οι συνθήκες αυτές μετριάζονται ή ποικίλουν με εποχιακές ή ημερήσιες μεταβλητές αποτελεί ένα θέμα που χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Για την περιγραφή της θέρμανσης χώρων εποχιακές παράμετροι είναι εμφανώς απαραίτητες. Αν χρησιμοποιηθούν ημερήσιες, τότε είναι μεγάλη η συνάρτηση και από τον τόπο. Αυτή όμως η ποικιλία μπορεί να σχετίζεται με την οικονομική αξία ενός συστήματος. Η διαφορά στην εξέργεια ενός κομματιού πάγου που βρίσκεται στην Ανταρκτική και ενός που βρίσκεται στην Αφρική είναι προφανώς τεράστια.
7.6.1 Η εξέργεια ως όρος για τις φυσικές επιστήμες Στην επιφάνεια της γης λαμβάνουν χώρα άπειρες διεργασίες μεταφοράς, μετατροπής και ροής ενέργειας στα συστήματα. Πολλές φυσικές επιστήμες, όπως η οικολογία, η φυσική, η ωκεανογραφία προσπαθούν να περιγράψουν τις αλλαγές που συμβαίνουν στο αντικείμενο τους.
Το νερό είναι το μοναδικό στοιχείο που βρίσκεται και στις τρεις φάσεις (πάγος, υγρό, ατμός). Επιπλέον είναι μια τεράστια αποθήκη θερμότητας που εξισορροπεί και εκμηδενίζει όλες τις διαφοροποιήσεις που συμβαίνουν τοπικά. Σημαντικό ρόλο παίζουν επιπλέον η ατμόσφαιρα, το έδαφος αλλά και όλα τα ζωντανά όντα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες αλληλοεπηρεάζονται. Η επικοινωνία τους πραγματοποιείται με τη βοήθεια της εξέργειας.
Η εξέργεια από την αντίθεση ανάμεσα στον ήλιο και το διάστημα οδηγεί ροές ενέργειας και ύλης στην επιφάνεια της γης. Υπάρχει μια ισορροπία ανάμεσα στην προσδιδόμενη και την αποδιδόμενη ροή ενέργειας. Η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης καθορίζεται από, εκτός των άλλων, από την ενέργεια που ακτινοβολείτε προς τη γη. Σε αυτήν οδηγείται και ύλη μέσα από αμέτρητους κύκλους και αλληλεπιδράσεις συστημάτων. Οι περίοδοι κυκλοφορίας για αυτούς τους κύκλους ύλης μπορεί να ποικίλουν από κλάσματα του δευτερολέπτου μέχρι και δισεκατομμύρια ετών.
Όταν η εξέργεια φτάνει στη γη σταδιακά καταστρέφεται αλλά με τέτοιο τρόπο που να προωθεί, ανάμεσα στα άλλα, τον άνεμο, τα νερά και τη ζωή στη γη. Και μόνο η κυκλοφορία των υδάτων χρειάζεται 7000 φορές την ενέργεια που μετατρέπεται στο περιβάλλον από όλη την ανθρωπότητα. Πολύπλοκες συνθέσεις, πλούσιες σε ενέργεια και με δυνατότητα αναπαραγωγής σχηματίζονται από τη φωτοσύνθεση στη βιόσφαιρα. Τα πράσινα φυτά παίρνουν εξέργεια από τον ήλιο με τη φωτοσύνθεση και τη μετατρέπουν σε χημική εξέργεια σε ουσίες που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές τροφικές αλυσίδες. Σε κάθε σύνδεση, εξέργεια καταναλώνεται. Ο τελευταίος σύνδεσμος απεικονίζει μικροοργανισμούς που αποσυνθέτουν τα υλικά. Η εξέργεια που δεν γίνεται εκμεταλλεύσιμη από αυτούς τους οργανισμούς σταδιακά γίνεται πετρέλαιο ή πετρώματα.
Προκειμένου να αντιστραφεί μια διαδικασία, π.χ. μεταβολισμού σε ένα ζωντανό οργανισμό, προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση χρειάζεται μια θερμοδυναμική μη αντιστρεπτότητα. Μια αύξηση στην ασφάλεια μπορεί να επιτευχθεί μέσω της αύξησης της μη αντιστρεπτότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με το αντίστοιχο κόστος σε ενέργεια, π.χ. κατανάλωση της. Η αντιστροφή επομένως χρειάζεται και προϋποθέτει την κατανάλωση εξέργειας.
7.6.2 Εξέργεια φυσικών πόρων και πηγών ενέργειας Πολλές πηγές ενέργειας μπορούν να μελετηθούν υπό το πρίσμα της εξέργειας. Οι πηγές ενέργειας έχουν περιεχόμενο σε εξέργεια που είναι πολύ κοντά στις τιμές που συχνά τους αποδίδονται. Είναι είτε σε μορφή μηχανικής ενέργειας, που εξ ορισμού είναι πλήρη σε εξέργεια, είτε σε χημική μορφή, που είναι επίσης υψηλής ποιότητας και που η ενθαλπία τους είναι σχεδόν ίση με την εξέργεια τους. Σε οποιαδήποτε μετατροπή, όπου συμβαίνει με την παραγωγή θερμότητας χρησιμοποιείται ένα μεγάλο μέρος εξέργειας. Ένας τρόπος για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού είναι η εξέλιξη ενεργειακών κυψελών που δίδουν απ' ευθείας ηλεκτρισμό.
Στη μελέτη της εξέργειας των πυρηνικών καυσίμων εγείρονται δυσκολίες όπως η ραδιενέργεια που παράγεται και η έλλειψη σαφώς ορισμένης τελικής κατάστασης.
Υπάρχουν και άλλες πηγές εκτός από τις ενεργειακές που έχουν εξέργεια. Ένα μέταλλο διαφέρει πολύ από το ορυκτό που ήταν κάποτε. Η εξέργεια διατηρείται όταν υπάρχει εξόρυξη. Όταν το μέταλλο καθαρίζεται από το ορυκτό προστίθεται εξέργεια από τις πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για να γίνει η διεργασία αυτή. Η εξέργεια δεν χάνεται παρά μόνο όταν το μέταλλο σκουριάσει, ή φθαρεί με άλλο τρόπο.
Από την άλλη, πετρώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης ή στο θαλασσινό νερό είναι φτωχά σε εξέργεια.
Ακόμη, εξέργεια βρίσκεται στις μορφές χαμηλής εντροπίας (μικρή πιθανότητα) που χρησιμοποιούν οι ζώντες οργανισμοί. Χρησιμοποιείται όταν το ξύλο λειτουργεί ως υλικό κατασκευών, ή το μαλλί ως ίνα. Όταν λαμβάνεται τροφή, χρησιμοποιείται η χημική εξέργεια και η εξέργεια από τις δομές των αμινοξέων και των βιταμινών.
Γιατί μπορεί η εξεργειακή απώλεια να είναι μια σχετική μέτρηση της ελάττωσης και χρήσης των πηγών; Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες απόψεις με μικρές διαφορές . Η ενεργειακή άποψη δηλώνει ότι η χρήσιμη ενέργεια (εξέργεια) είναι η απώτερη πηγή περιορισμού . Αυτό μπορεί να ισχυρισθεί επειδή κάθε πηγή υλικού έχει ένα σχετικό ενεργειακό κόστος , έτσι ώστε κάθε ενδεχόμενη περιορισμένη πηγή περιορίζεται εν μέρει επειδή το ενεργειακό της κόστος είναι πολύ υψηλό . Δεδομένων επαρκών ποσών , μια κοινωνία μπορεί να εκτρέψει εξέργεια , εντός της τρέχουσας τεχνολογικής κλίμακας πιθανοτήτων , στην απόκτηση ή κινητικότητα οποιουδήποτε υλικού είναι σε μικρή παροχή . Η εξέργεια , αντί της ενέργειας , χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη αφού έμφαση δίνεται στην ποιότητα της ενέργειας και την χημική εξέργεια παραδοσιακά μη ενεργειακών ακατέργαστων υλικών . Ένα άλλο σημείο τριβής βασίζεται στην ερώτηση ‘όταν μιλάμε για ελάττωση πηγών ή κατανάλωση , τι ελαττώνεται ή καταναλώνεται ;’ . Δεν είναι ούτε υλικό , αφού το υλικό μπορεί μόνο να μεταφερθεί , όχι να καταστραφεί (αποκλείονται οι πυρηνικές αντιδράσεις) , ούτε ενέργεια . Μια λογική απάντηση μπορεί να είναι ότι καταναλώνονται χρήσιμο υλικό και ενέργεια και μπορούν να ελαττωθούν . Μια μέτρηση της χρήσιμης ενέργειας είναι η εξέργεια όπως συζητάτε εδώ . Για να είναι ένα υλικό χρήσιμο , πρέπει κανονικά να συγκεντρωθεί , να δομηθεί και να διευθετηθεί σε σχέση με το περιβάλλον . Μια γνωστή επιστημονική ποσότητα που συχνά ερμηνεύεται σαν μια μέτρηση της ανωμαλίας του συστήματος είναι η εντροπία . Εάν ένα υλικό πρέπει να είναι χρήσιμο , πρέπει κανονικά να έχει χαμηλότερη εντροπία από το περιβάλλον . Οι κοινωνίες και τα τεχνικά συστήματα μπορούν να περιγραφούν ότι τρέφονται με χαμηλής εντροπίας υλικό και ενέργεια που την μετατρέπουν σε υλικό υψηλής εντροπίας και ενέργειας . Έτσι η παραγωγή εντροπίας μπορεί να είναι ένα χρήσιμος δείκτης της κατανάλωσης πηγής σε σχέση με την ΑΚΖ . Όπως φαίνεται από την εξίσωση (1) , η εντροπία και η εξέργεια σχετίζονται μεταξύ τους .
Υπολογισμός της εξέργειας φυσικών πηγών σε διάφορες εφαρμογές
Όπως σημειώθηκε , έχει ενδιαφέρον να υπολογίσουμε την εξέργεια φυσικών πηγών σε έναν αριθμό διαφορετικών εφαρμογών εκτός από την ΑΚΖ. Ωστόσο , όταν οι εξέργειες φυσικών πηγών έχουν υπολογιστεί σε κοινωνικές αναλύσεις , ή όταν υπολογίζουμε την αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση , έχουν χρησιμοποιηθεί άλλα όρια συστήματος από αυτά της ΑΚΖ. Στις ΑΚΖ, οι είσοδοι πρέπει να είναι οι φυσικές πηγές όπως βρίσκονται στο περιβάλλον ενώ σε άλλες εφαρμογές , έχουν περιληφθεί μόνο μέρη των φυσικών πηγών . Για παράδειγμα , μόνο ένας ειδικός συνδυασμός μετάλλου σε ένα μετάλλευμα μπορεί να περιληφθεί αλλά όχι όλο το περιεχόμενο του μεταλλεύματος . Έτσι , για ορυκτά μετάλλων και μερικές άλλες πηγές , πρέπει να γίνουν νέοι υπολογισμοί έτσι ώστε να βρούμε συμβατά δεδομένα ΑΚΖ.
Μέθοδοι Ανάλυσης
Για να υπολογίσουμε την εξέργεια ενός ορυκτού και άλλων στερεών υλικών , οι συνθέσεις πρέπει να είναι γνωστές . Αυτοί οι τύποι δεδομένων είναι συνήθως σπάνιοι αφού μεταλλιολογικές αναλύσεις εκτελούνται σπάνια σε συνολικά υλικά. Η προσέγγιση που επιλέγεται εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε πραγματικές περιγραφές ορυκτών βασισμένες σε πληροφορίες ειδικών μεταλλευμάτων και εκτιμήσεις βασισμένες σε γεωλογική γνώση .
Ένα στερεό υλικό μπορεί είτε να θεωρηθεί σαν ένα στερεό διάλυμα ή σαν μίγμα ξεχωριστών κόκκων . Η χημική εξέργεια Εch ενός διαλύματος (βλέπε πίνακα 1) υπολογίζεται από την εξίσωση (4) . Για ιδανικά υγρά και διαλύματα στερεών , η δραστηριότητα μπορεί να αντικατασταθεί για τα κλάσματα mole . Εάν το υλικό θεωρείται ότι αποτελείται από ξεχωριστούς κόκκους , ο δεύτερος όρος της εξίσωσης (4) μπορεί να παραλειφθεί πράγμα που οδηγεί στην εξίσωση (5) . Εφόσον η εξέργεια είναι μια ιδιότητα και του συστήματος και του περιβάλλοντος , απαιτείται μια κατάσταση αναφοράς . Εδώ χρησιμοποιείται η κατάσταση αναφοράς που προτάθηκε από τον Szargut . H μερική μοριακή
χημική εξέργεια ech μπορεί να προσεγγιστεί από την στάνταρ μοριακή χημική εξέργεια echo . Τιμές για
την echo μπορούν να παρθούν από την εξίσωση (6) . Δεδομένα για τον όρο f i
oG μπορούν να υπολογιστούν από τις εξισώσεις (7) και (8) .
Εξισώσεις που χρησιμοποιούνται όταν υπολογίζουμε εξέργειες στερεών υλικών .
Σημείωση : ni = αριθμός των mole της ουσίας i ,ech,i =μερική μοριακή χημική εξέργεια της ουσίας i , R
= σταθερά αερίων , αi = δραστηριότητα της ουσίας i , echo = σταθερή μερική μοριακή εξέργεια , f i
oG = σταθερή ελεύθερη ενέργεια Gibbs σχηματισμού της ουσίας i ,el = στοιχεία στην ουσία i , Kr = σταθερά ισορροπίας , r = αντίδραση στην οποία παράγεται η ουσία i
E n e R T nch i ch i o i i , ln Σ 7.29
E n ech i ch i , Σ 7.30
e G n ech io
f io
el ch elo
el, , Σ 7.31
r io
f io
f productso
otherproductsf products
o
reac ts
G G G G tan
Σ 7.32
r io
rG R T K ln Σ 7.33
Τα δεδομένα για διάφορα στερεά υλικά παρουσιάζονται παρακάτω όπου οι συγκεντρώσεις των συστατικών δίνονται σε % κ.β. . Η χημική σύνθεση των διαφόρων μεταλλευμάτων δίνεται στον πίνακα 2 . Εξαιτίας της έλλειψης δεδομένων σε χημική εξέργεια , μερικά μεταλλεύματα έχουν αντικατασταθεί από χημικά όμοια μεταλλεύματα , που θεωρούνταν να έχουν όμοιες χημικές εξέργειες , όπως επισημαίνεται για κατάλληλες καταχωρήσεις .
Οι χημικές εξέργειες των στερεών υλικών δίνονται στον πίνακα 3 .
Εφόσον, πολλά ορυκτά μπορούν να περιγραφούν είτε σαν στερεά διαλύματα ή σαν ξεχωριστοί κόκκοι, η χημική εξέργεια μπορεί να υπολογιστεί από τις εξισώσεις 7.32 και 7.33. Στην πράξη, ωστόσο, παίρνονται παρόμοια αποτελέσματα. Για παράδειγμα, η χημική εξέργεια όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση 7.32 είναι 0,413ΜJ/Kg και 0,415ΜJ/Kg όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση 7.33. Τα δεδομένα στον πίνακα 7.5 έχουν υπολογιστεί με την εξίσωση 7.33. Ωστόσο είναι αναμενόμενο ότι δεν θα υπάρχουν μεγάλες διαφορές αν χρησιμοποιηθεί η εξίσωση 7.35.
Τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.5 περιγράφουν την χημική εξέργεια ανά kg ενός ορυκτού. Πολλά από τα ορυκτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουμε διάφορα προϊόντα. Για να υπολογίσουμε την εξεργειακή κατανάλωση που συνδέεται με ένα από αυτά , η χημική εξέργεια του ορυκτού πρέπει να επιμερίζεται σε διάφορα προϊόντα που παράγονται από το ορυκτό. Ένας περιοριστικός παράγοντας για αυτόν τον επιμερισμό είναι να αποδώσουμε όλη την εξέργεια σε ένα από τα προϊόντα. Εάν αυτό γίνεται για τα μέταλλα και τα παραδείγματα φωσφόρου, τα αποτελέσματα που παίρνουμε φαίνονται στον πίνακα 7.6. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι αν χρησιμοποιηθούν άλλες αρχές επιμερισμού, τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.6 θα είναι χαμηλότερα. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι δεν έχουν θεωρηθεί απώλειες παραγωγής .
Πίνακας 7.6. Χημική εξέργεια του ορυκτού που απαιτείται για να παράγουμε 1 kg προϊόντος, θεωρώντας ότι όλη η εξέργεια επιμερίζεται στο προϊόν και ότι δεν υπάρχουν απώλειες.
Υλικό ech (από ορυκτό) (MJ / kg προϊόντος)
Σίδηρος 0,88
Χαλκός , απο το ορυκτό τύπου 1 130
Χαλκός , από το ορυκτό τύπου 2 990
Μόλυβδος 13
Ψευδάργυρος 19
Νικέλιο 350
Χρυσός 3500000
Αλουμίνιο 4,1
Χρώμιο 1,2
Πλατίνα 5800
Φώσφορος 11
Τα δύο διαφορετικά ορυκτά χαλκού έχουν οριστεί με διαφορετικές χημικές εξέργειες (πίνακας 3) . Ο τύπος με την μεγαλύτερη εξέργεια (τύπος 2) είναι μεγαλύτερος εξαιτίας του μεγαλύτερου ποσού των εξεργειακά-πλούσιων σουλφιδίων. Η διαφορά στην εξέργεια ανά kg του παραγόμενου μετάλλου (πίνακας 4) είναι μικρότερη για τα δύο ορυκτά. Η διαφορά θα ήταν ακόμη μικρότερη αν στον επιμερισμό είχε παρθεί υπόψη η χρήση του ορυκτού σε άλλα προϊόντα. Αυτό εξαιτίας του γεγονότος ότι το πλουσιότερο ορυκτό περιέχει μεγαλύτερα ποσά άλλων πολύτιμων μετάλλων. Οι χημικές εξέργειες των καυσίμων είναι κοντά στις ενέργειες. Τυπικές τιμές του λόγου της εξέργειας προς τις καθαρές θερμιδικές τιμές VI και των ολικών θερμιδικών τιμών VF φαίνονται στον πίνακα 5.
Πίνακας 7.7: Τυπικές τιμές του λόγου των χημικών εξεργειών προς τις καθαρές VI και τις συνολικές VF θερμιδικές τιμές
Καύσιμο e / VI e / VF
Ασφαλτώδες κάρβουνο
1,09 1,03
Λιγνίτης 1,17 1,04
Καύσιμο πετρέλαιο 1,07 0,99
Βενζίνη 1,07 0,99
Φυσικό αέριο 1,04 0,94
Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τις απαιτήσεις καυσίμων για την παραγωγή 1 kg διαφορετικών μετάλλων (πίνακας 6). Σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή Fe, Al και Cr, η εξέργεια του ορυκτού είναι αμελητέα . Ωστόσο , η εξέργεια είναι σημαντική σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για τα πιο σπάνια μέταλλα Cu , Ni , Pb και Zn .
Πίνακας 7.8: Απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή διαφόρων μετάλλων από ορυκτό στο έδαφος
Υλικό Απαίτηση καυσίμου (ΜJ / kg)
Χάλυβας ~ 30 - 40
Χαλκός ~ 100
Μόλυβδος ~ 10 - 50
Ψευδάργυρος ~ 40 - 70
Νικέλιο ~ 100 - 800
Αλουμίνιο ~ 300
Ενισχυμένο τσιμέντο ~ 100
Εφαρμογή σε σχέση με την ΑΚΖ
Όπως δείξαμε , οι χημικές εξέργειες των φυσικών πηγών μπορούν να υπολογιστούν για όρια συστημάτων συμβατά με την ΑΚΖ. Εφόσον η αντιπροσωπευτικότητα των ορυκτών που ορίστηκαν σε αυτή την έρευνα μπορεί να αμφισβητηθεί , έχουν βεβαιωθεί οι υπολογισμοί διαφόρων συνθέσεων ορυκτών . Τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν μπορούν ωστόσο να χρησιμοποιηθούν σε πιο προσεγγιστικούς υπολογισμούς όπως σε μια αρχική , διαχωριστική ή οργανωτική, ΑΚΖ όπου ο σκοπός είναι να αναγνωρίσουμε τις κρίσιμες περιοχές του κύκλου ζωής. Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν στον πίνακα 3 παρέχουν χαρακτηριστικούς σημαντικούς παράγοντες (Qij) για μη βιοτικές αποθηκεύσεις στην εξίσωση (2) , όπου το Μi είναι η επιμερισμένη εισροή του υλικού στο τεχνικό σύστημα , ενώ τα δεδομένα στον πίνακα 5 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουμε τις εξέργειες των καυσίμων. Η εξεργειακή κατανάλωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια χαρακτηριστική παράμετρος και στην περίπτωση της μη βιοτικής συσσώρευσης και στις πηγές ροής , και πιθανόν ακόμη και για να περιγράψουμε τον ανταγωνισμό των βιοτικών πηγών . Πρέπει , όμως ,να γίνει αντιληπτό ότι η εξεργειακή κατανάλωση δεν περιγράφει όλες τις σχετικές πτυχές που σχετίζονται με την εξάλειψη πηγών και τον ανταγωνισμό . Για παράδειγμα , οι επιπτώσεις στην βιολογική ποικιλία από την χρήση των βιοτικών πηγών συσσώρευσης δεν περιγράφονται από την εξεργειακή κατανάλωση . Επιπλέον έρευνα που περιλαμβάνει μελέτες για άλλες πηγές , ανάλυση ευαισθησίας και δοκιμή σε όλη την ΑΚΖ είναι ωστόσο εγγυημένη.
Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τα δεδομένα για τα ακατέργαστα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε υπολογισμούς της αθροιστικής εξεργειακής κατανάλωσης . Για τα σπάνια μέταλλα Cu , Zn , Pb και Ni , η εξέργεια ορυκτού στον πίνακα 4 είναι σημαντικά υψηλότερη , σε μερικές περιπτώσεις δυο τάξεων μεγέθους , από την εξέργεια των ακατέργαστων υλικών που χρησιμοποιήθηκε από τον Szargut . Εφόσον η επιλογή του ορίου συστήματος μπορεί να έχει μια σημαντική επίδραση στα αποτελέσματα , είναι φανερά σημαντικό να περιγράψουμε τα χρησιμοποιούμενα όρια και να δικαιολογήσουμε την επιλογή σε σχέση με την εφαρμογή και τα εξαγόμενα συμπεράσματα . Εάν τα όρια συστήματος παρουσιάζουν τις εισροές σαν φυσικές πηγές που βρίσκονται στο περιβάλλον , οι υπολογισμοί της αθροιστικής κατανάλωσης εξέργειας θα ήταν όμοιοι με την ΑΚΖ. Η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση θα ήταν τότε σημαντικά μεγαλύτερη για πολλά μέταλλα , και οι εξεργειακές αποδόσεις αντίστοιχα χαμηλότερες .
Προτείνετε ότι το όριο συστήματος που χρησιμοποιείται εδώ είναι κατάλληλο και για άλλες εφαρμογές , π.χ. όταν μελετάται η μετατροπή πηγής σε μια κοινωνία , η εξεργειακή απόδοση μιας διαδικασίας , ή η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση . Εάν συμβαίνει κάτι τέτοιο , τα δεδομένα που παρουσιάζονται στον πίνακα 3 , είναι χρήσιμα ακόμη και για αυτές τις εφαρμογές . Αυτό θα δώσει σε μερικές περιπτώσεις νέα και διαφορετικά αποτελέσματα .
Προκύπτει από τα παραπάνω ότι όλες οι μορφές πηγών ενέργειας αναπόφευκτα ανήκουν στην κοινή ενότητα της εξέργειας που είναι η έκφραση ταυτόχρονα και της δυνατότητας για παραγωγή έργου αλλά και της δομής της πληροφορίας στο σύστημα.
7.6.3 Παγκόσμιο εμπόριο και ροή εξέργειας Το διεθνές εμπόριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ροή πηγών μετρούμενες με την εξέργεια. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να δώσει κάποιο νέο φως στον τομέα αυτό παρέχοντας πληροφορίες συμπληρωματικές στο χρηματικό σύστημα που χρησιμοποιείται.
Ένα ενδιαφέρον σημείο είναι ότι οι απαιτήσεις σε εξέργεια για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου προϊόντος διαφέρει από τόπο σε τόπο. Αυτός είναι ένας λόγος που υπάρχει το εμπόριο. Μια περαιτέρω ανάλυση αυτού μπορεί να διερευνήσει σε τι έκταση το εμπόριο προκαλείται από διαφορές στις φυσικές πηγές, στο περιβάλλον που υπάρχει σε κάθε τόπο και στη δομή των συστημάτων παραγωγής.
7.6.4 Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειας και της ενέργειας Όσοι ασχολούνται με τις διάφορες μορφές ενέργειας πρέπει να λαμβάνουν υπό όψιν ότι σε κάθε σύστημα υπάρχουν είτε ως τελικά, είτε ως ενδιάμεσα, ποικίλα προϊόντα και οι πολλές μεταβολές που πραγματοποιούνται μειώνουν τη συνολική διαθέσιμη εξέργεια.
Μπορεί να ληφθεί για παράδειγμα η λειτουργία ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής (σχήμα 7.4). Το πάνω μέρος του σχήματος δείχνει ένα λέβητα όπου θερμαίνεται νερό μέχρις εξατμίσεως. Πηγή ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας μπορεί να είναι οποιοδήποτε καύσιμο (κάρβουνο, πετρέλαιο ή ακόμη και ουράνιο).Ο ατμός που παράγεται περιστρέφει ένα στρόβιλο που θέτει σε κίνηση ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Όταν ο ατμός περνάει ανάμεσα από τον στρόβιλο μεταδίδει εξέργεια στη γεννήτρια. Μετά από εκεί, ψύχεται σε έναν συμπυκνωτή προς υγρό και επανοδηγείται στο λέβητα. Αυτή η ψύξη είναι απαραίτητη για να βελτιώσει τη μετάδοση ενέργειας στο στρόβιλο καθώς τότε έχουμε μέγιστη απολαβή έργου.
Η χημική ενέργεια στο κάρβουνο και το πετρέλαιο, ή και το πυρηνικό καύσιμο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, όχι χωρίς απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναι μεγάλες: σε ένα σταθμό πετρελαίου τουλάχιστον 60% ενώ σε έναν πυρηνικό, φτάνει ακόμα και το 70%. Μετρώντας το σύστημα συνολικά, για την προετοιμασία της πρώτης ύλης για την ενέργεια, μέχρι και τη διαχείριση των απορριμμάτων της καύσης υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες απώλειες από την ωφέλιμη.
Στο κάτω μέρος του διαγράμματος απεικονίζονται δύο ροές, τα διαγράμματα Sankey. Στο άνω εκ των δύο, το πλάτος της ροής είναι ανάλογο με το περιεχόμενο σε ενέργεια για την εκάστοτε μορφή ενέργειας, ενώ στο κάτω το πλάτος είναι ανάλογο του περιεχομένου σε εξέργεια. Παρατηρείται ότι τα πλάτη είναι σχεδόν ίσα. Αυτό οφείλεται στο ότι τόσο οι εισροές όσο και οι εκροές είναι ενέργειες υψηλής μορφής. Στην ηλεκτρική ενέργεια το περιεχόμενο εξέργειας είναι εξίσου μεγάλο με το περιεχόμενο σε ενέργεια. Οι απώλειες εντούτοις είναι διαφορετικές. Υπάρχουν απώλειες στην καύση. Η χημική ενέργεια του καυσίμου
μετατρέπεται σε θερμότητα μέσω εναλλακτών ενέργειας η θερμότητα προσδίδεται στο βραστό νερό. Η πίεση είναι υψηλή οπότε ο βρασμός πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες (μεγαλύτερες από 300 °C). Η θερμότητα επίσης οδηγείται μέσω των αγωγών μεταφοράς και των τοιχωμάτων στο περιβάλλον, όπου χάνεται. Επίσης ενέργεια χάνεται λόγω της υψηλής ενθαλπίας των καυσαερίων. Αυτές οι απώλειες είναι ένα μικρό ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας. Εντούτοις στο σχήμα φαίνεται ότι η πιο δραστική απώλεια εξέργειας είναι οι απώλειες αυτές. Έτσι στο σημείο αυτό χάνεται περισσότερο από το 1/3 της διαθέσιμης εξέργειας. Επιπλέον χάνεται στην ίδια τη διαδικασία. Ένα μικρό μόνο μέρος αυτής φεύγει στο περιβάλλον. Έτσι η ροή εξέργειας γίνεται στενότερη και παράγεται μεγάλη ποσότητα εντροπίας. Αυτό οφείλεται στο ότι ο ατμός που φεύγει από το λέβητα έχει χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση από αυτές που θα έπρεπε. Ο λόγος αυτού είναι οι φυσικοί περιορισμοί όλων των υλικών που συμμετέχουν στις διεργασίες, κυρίως στο λέβητα. Σε έναν πυρηνικό σταθμό περισσότερη από τη μισή εξέργεια χάνεται σε αυτό το σημείο της διεργασίας.
Το πλάτος των ροών της θερμικής ενέργειας και της εξέργειας του θερμού ατμού δείχνουν τη μεγαλύτερη διαφορά ανάμεσα στη ροή της ενέργειας και της εξέργειας. Αυτό είναι επίσης μια τελείως διαφορετική θεώρηση του πώς συμβαίνουν οι απώλειες στις διάφορες διεργασίες. Σε ένα διάγραμμα ροών ενέργειας οι απώλειες είναι μεγαλύτερες στο συμπυκνωτή. Όμως η απώλεια συμβαίνει από ένα μέσο το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασία και έτσι οι απώλειες σε εξέργεια είναι μικρές. Αυτό φαίνεται στο διάγραμμα των απωλειών της εξέργειας.
Κατά την αλλαγή από μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική - που και οι δυο έχουν εξεργειακό περιεχόμενο 100% - δημιουργούνται μικρές απώλειες εξαιτίας της τριβής. Τέτοιες απώλειες είναι εξίσου μικρές και στα δυο διαγράμματα. Μέρος των απωλειών οφείλεται και στην κόπωση των υλικών και κυρίως της φτερωτής και του άξονα μετάδοσης της κίνησης.
Σχήμα 7. 4: Ροές εξέργειας και ενέργειας σε σταθμό ηλεκτροπαραγωγής.
7.6.5 Η εξέργεια και άλλες μετρήσεις Οι φυσικές πηγές χωρίζονται στις ενεργειακές πηγές και στις υπόλοιπες πηγές. Το εξεργειακό περιεχόμενο των ενεργειακών πηγών καθορίζεται πολλαπλασιάζοντας το ενεργειακό περιεχόμενο με το δείκτη ποιότητας της πηγής. Οι ενεργειακές πηγές μετριούνται με μονάδες ενέργειας που μπορεί να είναι όμοιες με αυτές της εξέργειας. Για παράδειγμα, στην ξυλεία χρησιμοποιούνται τα m3 ξύλου ενώ στην κτηνοτροφία, αριθμός ζώων. Η επιλογή γίνεται καθαρά με πρακτικά κριτήρια.
Σε στατιστικές μελέτες δεν υπάρχει κοινό μέτρο σύγκρισης μεταξύ ανόμοιων μεγεθών. Έτσι αυτές δεν μπορούν να συνοψιστούν σε ένα συνολικό διάγραμμα ροής. Το μόνο κοινό στοιχείο σε τέτοιες μετρήσεις είναι η νομισματική μονάδα κάθε χώρας. Το μειονέκτημα τέτοιων μέτρων είναι ότι κάθε μέγεθος μετριέται με κόστη παραγωγής, ζήτησης, ή προσφοράς. Η οικονομική αξία μπορεί επίσης να επηρεαστεί από επιδοτήσεις, φόρους ή δάνεια, Αυτά συνεπάγονται μεγάλη μεταβλητότητα μεγεθών από διάφορους παράγοντες, ακόμη και αν αυτά ουσιαστικά παραμένουν αμετάβλητα. Για να αποφευχθεί αυτός ο κίνδυνος, χρειάζεται εκτίμηση του κάθε μεγέθους από τις φυσικές του ιδιότητες.
Είναι φυσιολογικό να επιλεχθεί η εξέργεια για να γίνει οποιαδήποτε μέτρηση ενός μεγέθους, καθώς αυτή είναι η εκτίμηση της φυσικής αξίας του, συναρτήσει με το περιβάλλον του. Όμοια με πριν, η εξέργεια υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την ποσότητα του μεγέθους με το δείκτη ποιότητας του, που καθορίζεται τόσο από το ίδιο το μέγεθος, όσο και από το περιβάλλον του. Μπορούν με αυτόν τον υπολογισμό να προκύψουν διάφορα μεγέθη με μονάδες για παράδειγμα kWh ανά τόνο ή kW/m2.
Έτσι, η αλλαγή προς την ποσοτικοποίηση των ροών των υλικών από την εξέργεια σημαίνει μόνο τον καθορισμό του βαθμού μετατροπής κάθε υλικού. Το επιπλέον πλεονέκτημα που αυτόματα προκύπτει από όλη τη διαδικασία είναι ότι οι μονάδες στις μετρήσεις των μεγεθών θα είναι ίδιες, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση τους. Αυτό συμβαίνει ακόμη και όταν τα μεγέθη αυτά δεν είναι ομοειδή. Για παράδειγμα, η διαφοροποίηση μεταξύ ξύλου και πετρελαίου δεν μπορεί να είναι ιδιαίτερα καθαρή, καθώς και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για κάποιο άλλο προϊόν αλλά και ως καύσιμα. Επομένως, θα έπρεπε να μελετηθούν μαζί και η εξέργεια θα ήταν το πιο χρήσιμο εργαλείο για κάτι τέτοιο.
Η έννοια της εξέργειας μπορεί να απεικονίσει μόνο τη φυσική ποιότητα ενός αντικειμένου. Οι ιδιότητες που ενδιαφέρουν στην εξέργεια είναι η συγκέντρωση, η χημική σύσταση και η ποσότητα. Πάντως δεν υπάρχει καμία αναφορά στις φυσικές ή στις βιολογικές ιδιότητες του αντικειμένου, π.χ. η αγωγιμότητα του, η διατροφική του αξία, η τοξικότητα, κ.ά. Κι αυτό γιατί όλα τα συστήματα θεωρούνται γενικά, φορείς εξέργειας.
Η εξέργεια υπάρχει εν μέρει ως ροή και εν μέρει ως απόθεμα. Η ηλιακή ακτινοβολία μεταφράζεται ουσιαστικά ως μια ροή. Το ίδιο συμβαίνει και με το νερό ενός ποταμού. Η ροή είναι πάντα περιορισμένη ως ποσότητα αλλά συμβαίνει συνεχώς. Ένα οικοσύστημα, όπως για παράδειγμα ένα δάσος, είναι ένα πολύτιμο απόθεμα. Δημιουργείται από ροές ηλιακής ακτινοβολίας, νερού και διοξειδίου του άνθρακα.
Στα αποθέματα γίνεται διάκριση ανάμεσα στα νεκρά και τα ζωντανά Τα πρώτα αδειάζουν καθώς χρησιμοποιούνται, π.χ. ένα κοίτασμα πετρελαίου, ενώ τα δεύτερα, χωρίς να χρησιμοποιούνται, μετατρέπουν μια ροή από τη μια μορφή σε μια άλλη, με επιθυμητό τρόπο. Για παράδειγμα, για κάποια φυλή που καλλιεργεί για να ζήσει, το δάσος είναι ένα σύστημα το οποίο μετατρέπει ροές ηλιακής ακτινοβολίας σε ροές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φαγώσιμα από αυτήν. Ακόμη και η ίδια η γη αποτελεί σύστημα μετατροπής διαφόρων πηγών ενέργειας σε άλλες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τον άνθρωπο πιο αποδοτικά. Τα νεκρά αποθέματα, όπως είναι το κάρβουνο και το πετρέλαιο ανανεώνονται με τέτοιους ρυθμούς που ουσιαστικά είναι άνευ σημασίας. Τα ορυκτά δημιουργούνται οπό γεωλογικές διεργασίες, επίσης αμελητέας ταχύτητας.
Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μόνο μια πολύ μικρή πηγή εξέργειας από τον ήλιο, για θέρμανση. Έτσι στην κοινωνία υπάρχει συνολικά μια συνεχής απώλεια εξέργειας. Επιπλέον άλλες ροές συνεχώς μειώνουν το εξεργειακό τους περιεχόμενο.
7.6.6 Η εξεργειακή ανάλυση Το εξεργειακό περιεχόμενο ενός προϊόντος δεν ανταποκρίνεται στην εξέργεια που καταναλώθηκε για την παραγωγή του. Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες οι ποσότητες εξέργειας που προσδίδονται κατά τη διεργασία. Ο υπολογισμός αυτός ονομάζεται ενεργειακή ανάλυση και ως μέτρο χρησιμοποιείται η ελεύθερη ενέργεια Gibbs.
Η εξεργειακή ανάλυση έχει κατακριθεί από πολλές μεριές. Συνήθως μετριέται μόνο ένα μέγεθος, η πηγή ενέργειας χωρίς να λαμβάνονται υπόψη και οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που συμμετέχουν στη διεργασία. Αυτό οφείλεται στα περιορισμένα όρια της έννοιας της ενέργειας. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας την έννοια της εξέργειας, μερικώς ξεπερνιούνται αυτοί οι περιορισμοί. Εντούτοις, κάποιοι γενικοί κανόνες πρέπει να εισαχθούν. Αυτός ο τρόπος υπολογισμού ονομάζεται εξεργειακή ανάλυση.
Όταν εφαρμόζεται η εξεργειακή ανάλυση σε μια διαδικασία παραγωγής, δεν πρέπει αυτή να περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος της διαδικασίας, αλλά η συνολική διαδικασία να λαμβάνεται και να αναλύεται ως ένα σύνολο. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και στη μελέτη κοινωνικών φαινομένων και μεγεθών, όπως είναι οι μεταφορές.
Για να γίνει μια εξεργειακή ανάλυση πρέπει πρώτα να διασφαλιστούν κλειστά υλικά και ενεργειακές ισορροπίες . Ασφαλώς κλειστή μαζική ισορροπία περιλαμβάνει κλειστή ατομική ισορροπία σε περίπτωση μη πυρηνικών αντιδράσεων . Στην ακόλουθη μελέτη ξεχωρίζουμε τρεις τρόπους μεταφοράς εξέργειας : μεταφορά εξέργειας με έργο και με θερμική αλληλεπίδραση και εξέργεια που συνδέεται με ροή μάζας . Άλλα στοιχεία εξεργειακής μεταφοράς είτε αγνοούνται , όπως δυναμική και κινητική εξέργεια , είτε αποκλείονται , όπως πυρηνικές επιδράσεις .
Στην ενεργειακή ανάλυση , που βασίζεται στον 1ο θερμοδυναμικό νόμο , όλες οι μορφές ενέργειας θεωρούνται να είναι ισοδύναμες . Η απώλεια της ποιότητας της ενέργειας δεν παίρνεται υπόψη . Για παράδειγμα , η αλλαγή της ποιότητας της θερμικής ενέργειας καθώς μεταφέρεται από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη θερμοκρασία δεν μπορεί να εξηγηθεί στην ενεργειακή ανάλυση . Δείχνει την ροή ενέργειας να είναι συνεχόμενη . Μια εξεργειακή ανάλυση , που βασίζεται στον 2ο θερμδυναμικό νόμο , δείχνει την θερμοδυναμική ατέλεια μιας διαδικασίας , περιλαμβάνοντας όλες τις ποιοτικές απώλειες των υλικών και της ενέργειας , περιλαμβάνοντας και αυτή που μόλις αναφέρθηκε. Μια ενεργειακή ισορροπία είναι πάντα κλειστή όπως αναφέρει ο 1ος θερμοδυναμικός νόμος . Εκεί δεν μπορεί να υπάρξει ποτέ ενεργειακή απώλεια , μόνο ενεργειακή μεταφορά στο περιβάλλον στην οποία κατάσταση είναι άχρηστη . Για να εντοπίσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε τις αντιστρεπτότητες πρέπει να εκτελεστεί μια εξεργειακή ανάλυση. Η βασική εξεργειακή εξίσωση για ένα kg ουσίας σε ανοιχτά συστήματα , αγνοώντας όρους κινητικής και δυναμικής εξέργειας είναι
E H H T S Sx o o o ( ) ( ) (Σ 7.34)
Συχνά γίνεται μια υποδιαίρεση σε φυσική , χημική και εξέργεια ανάμιξης . Στον υπολογισμό της εξεργειακής ροής , οι όροι της εξέργειας πολλαπλασιάζονται με την ροή
E F E E Ex x x mix xtot chem phys
.
[ ] (Σ 7.35)
Για να υπολογιστεί η εξέργεια , κάθε όρος της πρέπει να υπολογιστεί ξεχωριστά . α. Χημική εξέργεια
Η χημική εξέργεια Exchem σε πίεση Ρο μπορεί να υπολογιστεί φέρνοντας το καθαρό συστατικό σε
χημική ισορροπία με το περιβάλλον . Για καθαρά συστατικά αναφοράς , που υπάρχουν επίσης στο περιβάλλον , η χημική εξέργεια αποτελείται από την εξέργεια που μπορεί να αποκτηθεί με διάχυση των συστατικών στην συγκέντρωση αναφοράς Ρref .Όταν θεωρούμε τον νόμο ιδανικών αερίων ισχύει η ακόλουθη εξίσωση
E R TP
Px oo
ref ichemref i
0 ln (Σ 7.36)
Όταν μια ουσία δεν υπάρχει στο περιβάλλον αναφοράς , πρέπει πρώτα να αντιδράσει στις ουσίες αναφοράς έτσι ώστε να πάει σε ισορροπία με το περιβάλλον . Η εξέργεια αντίδρασης στις συνθήκες
αναφοράς ισούται με την σταθερή ενέργεια αλλαγής του Gibbs r r o rG H T S0 0 0
Έτσι ο συνολικός όρος της χημικής εξέργειας γίνεται
E v E Gx j xj
n
r ichemref i chemref j
0
1
0 (Σ 7.38)
Εφόσον η τιμή της εξέργειας είναι ανεξάρτητη από τις συνθήκες της διαδικασίας , η τιμή της χημικής εξέργειας μπορεί να αποθηκευτεί σε μια βάση δεδομένων , που συνδέεται με τον εξομοιωτή ροής .
β. Φυσική εξέργεια
Εφόσον ο υπολογισμός της φυσικής εξέργειας συμπληρώνεται από την εξέργεια ανάμιξης , οι υπολογισμοί της τροχιάς από Ρ , Τ σε Ρο , Το υπολογίζουν μόνο τις ενθαλπίες και εντροπίες των καθαρών συστατικών της ροής υλικού . Εφόσον μπορεί να συμβούν αλλαγές στην σύνθεση σε αστραπιαίους υπολογισμούς , πρέπει να γίνουν ξεχωριστοί υπολογισμοί για την φάση εξάτμισης και την φάση υγροποίησης . Για ένα kg ουσίας , η εξίσωση για το εξεργειακό περιεχόμενο δίνει
E L x H T x S V x H T x Sx actual o i iL
i
n
o i iL
i
n
i iV
i
n
o i iV
i
n
phys
( [ ] [ ])
1 1 1 1
(Σ 7.39)
γ. Εξέργεια ανάμιξης
Η εξέργεια ανάμιξης αντιπροσωπεύει την εξέργεια που χάνεται όταν καθαρές ουσίες αναμιγνύονται . Έτσι η εξέργεια ανάμιξης , που συχνά ενσωματώνεται στην χημική εξέργεια , έχει πάντα μια αρνητική τιμή. Η εξέργεια ανάμιξης μπορεί να υπολογιστεί με την χρησιμοποίηση αλγορίθμων για την ενθαλπία και την εντροπία της ανάμιξης , που είναι ευρέως διαθέσιμα σε χαρτιά εξομοίωσης ροής .
E H T Sx mix o mixmix
(Σ 7.40)
Για ιδανικά αέρια (με την ενθαλπία ανάμιξης ίση με μηδέν) για παράδειγμα , η εξέργεια ανάμιξης είναι
E R T x xx o i ii
n
mix
ln
1
(Σ 7.41)
7.6.7 Η έννοια της αποδοτικότητας Αντίστοιχα με τις έννοιες της ενέργειας και της εξέργειας μπορούμε να ορίσουμε δύο έννοιες της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη.
i. Η ενέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή ενέργειας. Ονομάζεται ενεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεν.
ii. Η εξέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή εξέργειας. Ονομάζεται εξεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεξ.
Σε μετατροπές ενέργειας ανάμεσα σε διάφορες μορφές υπάρχουν πάντα απώλειες. Επειδή το φυσικό περιβάλλον των μετατροπών αυτών συχνά παραμελείται, ο ενεργειακός βαθμός απόδοσης μπορεί να είναι και μεγαλύτερος της μονάδας, (nεv > 1). Παράδειγμα μιας τέτοιας μετατροπής είναι η αντλία θερμότητας
σχήμα 2.5 Η αντλία θερμότητας έχει απεριόριστη ενέργεια να λάβει από το περιβάλλον (με δείκτη ποιότητας 0). Ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι πάντοτε μικρότερος του 1. Αυτό συμβαίνει βέβαια, γιατί δεν γίνεται να δημιουργηθεί εξέργεια, καθώς αυτή είτε καταναλώνεται, είτε καταστρέφεται. Το σχήμα 7.5 δείχνει τις διαφορές ανάμεσα στις ροές εξέργειας και ενέργειας και ως εκ τούτου της απόδοσης, για 4 συστήματα μετατροπής: έναν καυστήρα πετρελαίου, μια ηλεκτρική αντίσταση, μια ηλεκτρική αντλία θερμότητας, και μια μονάδα συμπαραγωγής θερμού νερού και ηλεκτρισμού.
Στο σχήμα 7.5 φαίνεται η μετατροπή του καυσίμου σε θερμότητα σε έναν τυπικό καυστήρα. Ο βαθμός απόδοσης περιορίζεται στο 85% κυρίως εξαιτίας των απωλειών από τα καυσαέρια. Η χαμηλή τιμή στον εξεργειακό βαθμό απόδοσης οφείλεται στο ότι η πτώση της θερμοκρασίας από τους 1000 °C της φλόγας στους 60 °C του νερού, δεν χρησιμοποιείται.
Σχήμα 7. 5: Ροές εξέργειας για διαφορετικά καύσιμα και συστήματα.
Η παραγωγή θερμότητας από μια ηλεκτρική αντίσταση έχει βαθμό απόδοσης 100%. Αυτό, όπως φαίνεται
και στο διάγραμμα δεν είναι το μέγιστο που μπορεί να επιτευχθεί στη μετατροπή καυσίμου σε θερμότητα. Μια αντλία θερμότητας μπορεί να συνδεθεί με μια μηχανή εσωτερικής καύσης και να λειτουργεί με καύσιμο. Επίσης μπορεί με αυτόν τον τρόπο να αντικαταστήσει έναν συμβατικό καυστήρα και να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση χώρων. Αν αμεληθεί το περιβάλλον, η μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας ή καυσίμων σε θερμότητα, μπορεί να υπερβαίνει και το 100%. Όμως, σε ότι αφορά την εξέργεια, τα πράγματα αλλάζουν. Ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης για τη θέρμανση είναι 5% και για την αντλία θερμότητας, 15%.
Στο σχήμα 7.4 έγινε σύγκριση ροών ενέργειας και εξέργειας διαμέσου ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με χρήση ατμού. Η απόδοση ήταν η ίδια είτε εξετάστηκε η εξέργεια, είτε η ενέργεια. Αυτό συνέβη γιατί η εισροή καυσίμων και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν υψηλή ποιότητα και επομένως υψηλό εξεργειακό περιεχόμενο. Στο τελευταίο σχήμα παρατηρείται επίσης ότι ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι περίπου ο ίδιος για έναν σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με συμπυκνώμενο ρευστό με αυτόν ενός σταθμού συμπαραγωγής. Αυτό γίνεται πιο εύκολα κατανοητό αν εξεταστεί η κατανομή των απωλειών εξέργειας στον σταθμό που χρησιμοποιεί ατμό. Η μεγαλύτερη απώλεια εξέργειας συνέβη στη μετατροπή καυσίμου σε θερμότητα μέσα στο λέβητα. Καθώς η μετατροπή είναι η ίδια ανάμεσα σε αυτούς τους δύο σταθμούς ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης θα είναι επίσης κοινός, περίπου ίσος με 40%. Όταν εξετάζεται η ενέργεια, οι συνθήκες είναι αρκετά διαφορετικές. Σπάνια αναφέρεται ότι ο μέγιστος βαθμός απόδοσης είναι 300% και όχι 100%.
Σήμερα δεν υπάρχουν βαθμοί απόδοσης για τις μετατροπές των υλικών. Αυτό συμβαίνει γιατί δεν υπάρχει τρόπος μέτρησης. Για παράδειγμα στη γεωργία η απόδοση ορίζεται ως η προσδιδόμενη ενέργεια διαιρεμένη από την αποδιδόμενη ενέργεια. Σε ότι αφορά τα δάση, ακόμη και αυτή η προσέγγιση δεν υπάρχει. Το μέγεθος που χρησιμοποιείται συχνότερα είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs. Μαζί με δεδομένα για τις κανονικές συνθήκες των ουσιών που συμμετέχουν στο εξεταζόμενο σύστημα, προκύπτουν αποτελέσματα του εξεργειακού βαθμού απόδοσης για αυτό.
Η έννοια του εξεργειακού βαθμού απόδοσης σχετίζεται ξεκάθαρα με την πρακτική χρήση της ενέργειας. Σύμφωνα όμως με το 2° θερμοδυναμικό αξίωμα, απόδοση 100% μπορεί να επιτευχθεί μόνο με αντιστρεπτή διαδικασία που διαρκεί άπειρο χρόνο. Γενικά ορίζεται ένας μέγιστος εξεργειακός βαθμός απόδοσης nεξ.max ο οποίος εξαρτάται από το ρυθμό της διεργασίας. Επίσης ορίζεται ένας σχετικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης ηεξ. σχ. που συνδέει τον μέγιστο με τον πραγματικό, με τη σχέση:
nεξ. = nεξ.σχ.*nεξ.max Σ 7. 42
7.7 Η έννοια της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας Όταν λαμβάνει χώρα μια μετατροπή με έναν μη μηδενικό ρυθμό ν (εξέργεια / μονάδα χρόνου), αυτή πρέπει να συμβαίνει από μια μη μηδενική βαθμίδα g. Σε τέτοιες εφαρμογές, μια γραμμική σχέση είναι αρκετά κοντά στην πραγματικότητα.
ν = λ* g Σ 7. 43
όπου το λ είναι σταθερό και ανεξάρτητο του g.
Η παραγωγή εντροπίας ανά μονάδα χρόνου σε μια τέτοια διεργασία δίνεται από μια σχέση της μορφής:
2
min
vvdt
dSo
Σ 7. 44
Έτσι η ελάχιστη καταστροφή εξέργειας ανά μονάδα χρόνου είναι:
vdt
dSTo
min
με Το την περιβαλλοντική θερμοκρασία. Έτσι, το μέγιστο ποσό που μπορεί να αποληφθεί από τα επιθυμητά προϊόντα (εξέργεια / μονάδα χρόνου) είναι:
και έτσι οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι ο μέγιστος εξεργειακός βαθμός απόδοσης μιας μετατροπής που συμβαίνει με ρυθμό ν είναι:
ov
vvn 1max Σ 7. 46
όπου oo
o Tv
1, που είναι η χαρακτηριστική ισχύς που συνδέεται με τη διαδικασία μετατροπής.
Η σχέση (7.41) προκύπτει με αυτόν τον τρόπο.
7.8 Εξέργεια και οικολογικά συστήματα Τα οικοσυστήματα είναι συστήματα τα οποία ανταποκρίνονται σε αλλαγές των εξωτερικών παραγόντων ή αντίκτυπους ακολουθώντας διάφορους κανόνες και σε διάφορα επίπεδα.. Το αποτέλεσμα είναι ότι παρατηρούνται μικρές αλλαγές στην λειτουργία τους , παρά τις αλλαγές των εξωτερικών παραγόντων .
Αυτό το κεφάλαιο ασχολείται με την περιγραφή αλλαγών στην οικολογική δομή και στην σύνθεση των ειδών μέσω μιας ποσοτικής μεθόδου που αναπτύσσεται για την ερμηνεία ‘επιβίωσης των προσαρμόσιμων’.
7.8.1 Υπόθεση
Όλα τα είδη αντιμετωπίζουν την ερώτηση πως θα επιβιώσουν και θα αναπτυχθούν κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες . Οι συνθήκες αυτές περιλαμβάνουν όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν τα είδη , εξωτερικούς και εσωτερικούς οι οποίοι σχετίζονται με εκείνους από άλλα είδη . Το ερώτημα είναι ποια από αυτά τα είδη είναι ικανά να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν και ποια είναι ικανά να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν μια χρονική μονάδα αργότερα , δυο χρονικές μονάδες αργότερα κ.λ.π. .
Η θεωρία του Darwin θεωρεί ότι οι πληθυσμοί αποτελούνται από άτομα τα οποία : 1) κατά μέσο όρο παράγουν περισσότερους απόγονους από ότι χρειάζεται για να τους αντικαταστήσουν μετά το θάνατο , η ιδιότητα της υψηλής αναπαραγωγής 2) έχουν απόγονους που τους μοιάζουν περισσότερο από ότι μοιάζουν σε άλλα άτομα του πληθυσμού , η κληρονομική ιδιότητα 3) ποικίλουν στα κληρονομικά γνωρίσματα επηρεάζουν την επιβίωση και αναπαραγωγή τους , η ιδιότητα της απόκλισης.
Ας ερμηνεύσουμε την θεωρία του Darwin στη θερμοδυναμική . Κατ’ αρχήν χρειάζεται να ορίσουμε την έννοια της Εξέργειας Εx, η οποία ορίζετε ως εξής :
x oT
όπου Τo είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος και Σ είναι η αρνητική εντροπία του συστήματος (ανεντροπία). Ο ορισμός αυτός δείχνει ότι η Εx μετράει την ελεύθερη ενέργεια που έχει το σύστημα σε σχέση με το περιβάλλον . Η Εx δεν είναι μια κατάσταση η οποία ποικίλει θερμοδυναμικά. Εξαρτάται από την κατάσταση του συστήματος και , σε αντίθεση με την ενέργεια , μπορεί να καταστραφεί ή να καταναλωθεί . Η Εx , οποία είναι η ελεύθερη ενέργεια σε σχέση με το περιβάλλον μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της ανάπτυξης και της δυνατότητας επιβίωσης .
Η θεωρία του Darwin μπορεί να τροποποιηθεί σε θερμοδυναμικούς όρους ως εξής : Οι υπάρχουσες συνθήκες ενός οικοσυστήματος αλλάζουν διαρκώς και το σύστημα επιλέγει συνεχώς εκείνα τα είδη τα οποία στην διατήρηση και αύξηση της Εξέργειας του συστήματος . Αυτό δεν παραβιάζει τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο ο οποίος λεει ότι ένα απομονωμένο σύστημα μεταβάλλεται προς την κατεύθυνση στην οποία η εντροπία αυξάνεται , που σημαίνει μείωση ανεντροπίας ή μείωση εξέργειας. Τα οικοσυστήματα είναι απομονωμένα συστήματα αλλά παίρνουν ηλιακή ενέργεια. Αυτή μεταφέρει χαμηλή εντροπία ενώ η ακτινοβολία της θερμότητας από το οικοσύστημα μεταφέρει υψηλή εντροπία. Εάν W είναι η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας και η μέση θερμοκρασία του συστήματος είναι Τo , τότε η αύξηση εξέργειας ανά μονάδα χρόνου , ΔEx , είναι
όπου Τ2 είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος και Τ1 η θερμοκρασία του ήλιου.
Η παραπάνω ερμηνεία της θεωρίας του Darwin απαιτεί πληθυσμούς που έχουν τις ιδιότητες της αναπαραγωγής , κληρονομικότητας και απόκλισης . Οι ιδιότητες της αναπαραγωγής και απόκλισης πρέπει να είναι υψηλές και εφόσον συμβεί μια αλλαγή να μπορεί να μεταφερθεί και στις επόμενες γενιές
Μια άλλη ιδέα που δείχνει την ικανότητα ενός συστήματος να καταλαβαίνει αλλαγές δ των εξωτερικών παραγόντων δηλώνεται από την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης , β , και ορίζεται ως :
Αυτή ποσοτικοποιεί την ικανότητα ενός οικοσυστήματος να προσαρμόζεται σε εξωτερικούς παράγοντες . Δηλαδή ένα οικοσύστημα , μέσω των μηχανισμών του , έχει την ικανότητα να διατηρεί την εξέργεια όσο το δυνατόν υψηλότερα κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες . Γι’ αυτό φαίνεται να υπάρχει μια σχέση ανάμεσα στην δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης ενός οικοσυστήματος και στην ικανότητα του να διατηρεί το όσο το δυνατόν υψηλότερο επίπεδο εξέργειας κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες .
7.8.2 Υποστήριξη της υπόθεσης Είναι αδύνατο να μετρήσουμε την εξέργεια , μπορούμε μόνο να την υπολογίσουμε αν είναι γνωστά τα στοιχεία ενός οικοσυστήματος . Οι Mejer και Jorgensen απέδειξαν ότι ισχύει η εξής σχέση για τα στοιχεία ενός οικοσυστήματος :
E R T XX
XX XX i
i
eq ii eq i
i
n
ln( ) ( ),
,1
όπου R είναι η σταθερά των αερίων , Τ είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε Kelvin , το Xi αντιπροσωπεύει το i-οστό στοιχείο του συστήματος σε κατάλληλη μονάδα (για παράδειγμα για φυτοπλαγκτόν σ μια λίμνη το Xi μπορεί να είναι milligram φυτοπλαγκτόν ανά λίτρο νερού της λίμνης) , Xeq,i είναι η συγκέντρωση του i-οστού στοιχείου σε μια θερμοδυναμική ισορροπία . Το άθροισμα Σ είναι από 1 έως n , όπου n είναι ο αριθμός των στοιχείων .
Η μεταβολή της εξέργειας μπορεί να διαιρεθεί σε δύο μεταβολές : Στην μεταβολή λόγω εξωτερικών παραγόντων και στην μεταβολή λόγω της αντίδρασης των ζωντανών οργανισμών στους εξωτερικούς παράγοντες . Η πρώτη μεταβολή σχετίζεται με τις διαθέσιμες πηγές του οικοσυστήματος ενώ η δεύτερη προκαλείται από την προσπάθεια των οργανισμών να επιζήσουν και να αναπαραχθούν . Δηλαδή όταν μεταβάλλονται οι εξωτερικοί παράγοντες παρατηρούμε μια μεταβολή της εξέργειας ΔΕx που εκφράζεται ως :
ΔΕx = ΔΕxR +ΔExE
όπου ο δείκτης R αναφέρεται σε αλλαγές που προκαλούνται από εξωτερικούς παράγοντες ενώ ο δείκτης E αναφέρεται στις προσπάθειες των οργανισμών να πετύχουν την μεγαλύτερη δυνατή ανάπτυξη και αναπαραγωγή στις δεδομένες συνθήκες . Η ΔExR μπορεί να είναι θετική ή αρνητική , ενώ η ΔExE είναι πάντα 0 .
Για τον έλεγχο της μέγιστης εξεργειακής υπόθεσης έχουν αναπτυχθεί τρία μοντέλα : Το Eutrophication Model , το Toxic Substance Model και το Stream Model . Το Eutrophication Model έχει χρησιμοποιηθεί σε 16 μελέτες με διάφορες τροποποιήσεις και έχει βαθμονομηθεί και επικυρωθεί .Το Toxic Substance Model μελετά τα αποτελέσματα ιόντων χαλκού σε μια λίμνη . Τα αποτελέσματα του Stream Model συμφωνούν με πολλά ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα για ποτάμια .
Στα τρία μοντέλα επιβλήθηκαν διαταραχές και παρατηρήθηκαν οι αντιδράσεις καθώς και οι μεταβολές στην εξέργεια και την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης και συγκρίθηκαν με εμπειρικές μετρήσεις . Τα αποτελέσματα των μετρήσεων μπορούν να συνοψιστούν στα ακόλουθα σημεία :
1) H άμεση αντίδραση της εξέργειας (ΔExR) σε μεταβολές των εξωτερικών παραγόντων είναι να αυξηθεί ή να μειωθεί σύμφωνα με τις μεταβολές στις διαθέσιμες πηγές . Αργότερα όταν η σύνθεση των ειδών έχει αρκετό χρόνο να αντιδράσει η εξέργεια πάντα θα αυξάνεται . Εάν η εισαγωγή φωσφόρου ξαφνικά μειωθεί . οι πηγές μειώνονται και η εξέργεια αρχικά μειώνεται . Όμως οι μεταβολές των ειδών σαν απάντηση στο λιγότερο ευτροφικό νερό θα προκαλέσουν μια αύξηση ξανά
2) Η δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης πάντα αυξάνεται σαν ανταπόκριση στις μεταβολές . Εάν η εισαγωγή φωσφόρου μεταβληθεί , η βρ , αυξάνεται ενώ οι άλλες δυνατότητες ενδιάμεσης μνήμης μπορεί να ελαττωθούν (οι ορισμοί των δυνατοτήτων ενδιάμεσης μνήμης δίνονται στον Πίνακα 1) .
3) Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει μια σχέση μεταξύ εξέργειας και δυνατότητας ενδιάμεσης μνήμης :
Εx = Σαj*βj
όπου το αj εκφράζει τον συντελεστή απόκλισης και το βj την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης . Μερικές δυνατότητες ενδιάμεσης μνήμης μπορεί να μειώνονται παρά την αύξηση της εξέργειας αλλά αυτό αντισταθμίζεται από την αύξηση των άλλων δυνατοτήτων ενδιάμεσης μνήμης . Αυτό δικαιολογεί το γεγονός ότι είναι δύσκολο να βρεθεί μια σχέση μεταξύ της ισορροπίας ενός οικοσυστήματος και της απόκλισης των ειδών . Αυξημένο φορτίο φωσφόρου οδηγεί σε μειωμένη απόκλιση αλλά σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μοντέλων που αναφέρονται εδώ η εξέργεια και η δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης φωσφόρου αυξάνονται ενώ άλλες δυνατότητες ενδιάμεσης αποθήκευσης μειώνονται . Με άλλα λόγια , η ισορροπία είναι μια πολυδιάστατη ιδέα και έτσι η σχέση μεταξύ απόκλισης ειδών και ισορροπίας δεν είναι απλή και μπορεί να εκφραστεί μόνο με μια πολυδιάστατη σχέση . Εάν η απόκλιση των ειδών μειώνεται η ισορροπία όπως εκφράζεται από την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης μειώνεται προς κάποιες κατευθύνσεις αλλά αυξάνεται προς άλλες .
4) Και τα τρία μοντέλα είναι πραγματικά και υποστηρίζονται από καλά δεδομένα . Η ανταπόκριση των μοντέλων ανταποκρίνεται σε γενικές οικολογικές παρατηρήσεις .
βp = d (P εισαγώμενo) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )
βτ = d (θερμοκρασία) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )
βR = d (ακτινοβολία ) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )
βN = d ( N εισαγόμενο ) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )
βtox = d (εισαγόμενη τοξική ουσία ) / d (μείωση συγκέντρωσης φυτοπλαγκτόν )
βBOD = d (BOD ) / d (μικροβιολογική δραστηριότητα )
Η μέγιστη εξεργειακή υπόθεση υποστηρίζεται και από τους Prigogine και Stengers οι οποίοι εκφράζουν την βιολογική ανάπτυξη μέσω της σχέσης :
dN
dtr N K N m N ( )
όπου Ν είναι ο αριθμός των ατόμων σε ένα πληθυσμό , r είναι ο ρυθμός αναπαραγωγής , Κ είναι η δυνατότητα μεταφοράς και m είναι ο ρυθμός θνησιμότητας . Οι σταθερές δεν είναι ίδιες για όλους τους οργανισμούς ενός είδους , αλλά μπορούμε να βγάλουμε ένα μέσο όρο .
7.8.3 Συσχέτιση με άλλες θεωρίες οικοσυστημάτων Η εντροπία και η εξέργεια σχετίζονται αλλά η δεύτερη έχει ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι της εντροπίας .
1) Η εξέργεια εξαρτάται από το περιβάλλον , ενώ η εντροπία είναι δύσκολο να βρεθεί για οικοσύστημα που δεν είναι σε ισορροπία και καθοδηγείται από το περιβάλλον .
2) Η εξέργεια είναι μια μορφή ενέργειας που είναι δυνατόν να μετατραπεί σε γνωστές μορφές ενέργειας καθώς και σε βιολογικούς όρους όπως ανάπτυξη και αναπαραγωγή .
3) Η εξέργεια περιλαμβάνει στον ορισμό της την θερμοκρασία , καθιστώντας έτσι δυνατή την σύγκριση μεταξύ εξεργειών σε διαφορετικές θερμοκρασίες , ενώ η σύγκριση μεταξύ εντροπιών μπορεί να είναι παραπλανητική αν οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές .
Η αρχή της εξέργειας δεν συμβαδίζει με την αρχή της μέγιστης ισχύος . Η δεύτερη προϋποθέτει ότι θα επιλεγεί το σύστημα με τον γρηγορότερο κύκλο εργασιών , ενώ η αρχή της εξέργειας προϋποθέτει ότι θα επιλεγεί το σύστημα με το μεγαλύτερο ‘κεφάλαιο’ σε είδος πληροφοριών και βιομάζας , το οποίο μπορεί να μετρηθεί μέσω της εξέργειας και το οποίο αντιστέκεται σε αλλαγές και αλλαγές που επιβάλλονται από εξωτερικούς παράγοντες .
Επίσης ο Ulanowicz υποστηρίζει ότι η αρχή της μέγιστης ισχύος μπορεί να εφαρμόζεται στα πρώτα στάδια ανάπτυξης αλλά δεν μπορεί τις αντιδράσεις ενός συστήματος σε μετέπειτα στάδια ωρίμανσης.
7.9 Εξέργεια και πληροφορία Η εξέργεια είναι ένας τρόπος μέτρησης του πόσο ένα σύστημα αποκλίνει από την ισορροπία του με το περιβάλλον. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση, τόσο περισσότερες πληροφορίες χρειάζονται για να περιγραφεί και τόσο μεγαλύτερη είναι και η περιεκτικότητα του σε πληροφορίες. Έτσι, υπάρχει μια στενή σχέση μεταξύ εξέργειας και πληροφορίας. Αυτή η σχέση είναι μεγάλης σημασίας. Η σχέση μεταξύ εξέργειας Ε, σε Joule (J) και πληροφορίας Ι, σε δυϊκές μονάδες (bits) είναι:
E=K'*To*I
όπου Το η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε Kelvin και K' να δίνεται από τη σχέση:
Κ' = k * ln2
με το k, η σταθερά του Boltzmann.
Η πληροφορία πρέπει να αποθηκεύεται και να μεταφέρεται χρησιμοποιώντας τις πλέον ασφαλέστερες μεθόδους. Στην καθημερινή επικοινωνία των πληροφοριών η κατανάλωση ενέργειας είναι αρκετά υψηλή. Έτσι, ο λόγος εξέργειας ανά bit είναι μεγάλος, πράγμα που σημαίνει ότι μόνο ένα μικρό μέρος της προσδιδόμενης πληροφορίας χρησιμοποιείται. Όμως, αν εξεταστούν ορισμένα παραδείγματα όπου συμβαίνει κάτι τέτοιο, όπως είναι η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα φυτά, διαπιστώνεται ότι, αν και το ποσοστό αυτό είναι μικρό, εντούτοις η ποσότητα που εκμεταλλεύεται είναι τεράστια.
Έχει ενδιαφέρον να γίνει σύγκριση της απόδοσης της μεταφοράς πληροφορίας ανάμεσα σε διαφορετικά συστήματα. Ένα μέτρο της απόδοσης είναι η ποσότητα εξέργειας ανά bit πληροφορίας που μετατρέπεται. Η διάσταση αυτού του μεγέθους είναι η θερμοκρασία. Όσο χαμηλότερη είναι αυτή, τόσο πιο αποδοτική είναι η μετάδοση πληροφορίας. Παρόλα αυτά, αν η θερμοκρασία είναι εξαιρετικά χαμηλή, είναι δυνατόν, τελικά θερμοκρασιακές μεταβολές να καταστρέψουν την περιεχόμενη πληροφορία. Σχετικά με αυτά παρατίθεται ο πίνακας 7.9 που δείχνει τη αποδοτικότητα στη μεταφορά πληροφορίας, εκφρασμένη σε εξέργεια/bit πληροφορίας και χαρακτηριστική θερμοκρασία.
Η ευαισθησία της ίριδας είναι τέτοια που οι λειτουργίες του ανθρώπινου ματιού είναι αστραπιαίες. Είναι δυνατόν, με ελάχιστο φως να δημιουργηθεί ερέθισμα στο μάτι. Η αποθήκευση της πληροφορίας στη μνήμη ενός Η/Υ έχει χαρακτηριστική θερμοκρασία 105 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ματιού. Αλλά από την άλλη μεριά, ο ρυθμός μεταφοράς είναι και αυτός 105 φορές μεγαλύτερος σε έναν Η/Υ. Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι ότι και ο άνθρωπος, και ο υπολογιστής παρουσιάζουν υψηλή απόδοση στη μεταφορά πληροφορίας. Βεβαίως, η σύνθεση πρωτεϊνών σε ένα κύτταρο, είναι πολλές φορές πιο αποδοτική.
Οι βιολογικές δομές ζουν μετατρέποντας ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη. Η ηλιακή ενέργεια
χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει πολύπλοκη οργανική ύλη. Οι πληροφορίες για αυτές τις μετατροπές μεταφέρονται από γενιά σε γενιά. Η πληροφορία αυτή αποθηκεύεται σε γενετικό υλικό (μόριο DNA) το οποίο κατευθύνει την κατασκευή της ύλης. Όταν η ύλη αυτή, όπως για παράδειγμα, το ξύλο, χρησιμοποιείται ως υλικό κατασκευών, γίνεται εκμετάλλευση αυτής ακριβώς της δομής και της πληροφορίας.
Πίνακας 7.9: Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων συστημάτων μετάδοσης πληροφοριών.
Εξέργεια / bit (J / bit) Θερμοκρασία μεταφοράς
Τ (Κ)
Ηλεκτρική γραφομηχανή 1 1023
Ραδιοφωνικός δέκτης 5*10-4 5*109
Τηλεόραση 2*10-5 2*108
Μνήμη Η / Υ 10-12 1011
Ανθρώπινος λόγος 10-16 107
Ανθρώπινο αυτί 10-17 106
Ανθρώπινο μάτι 5*10-18 5*105
Σύνθεση πρωτεϊνών σε κύτταρο 4,6*10-21 460
Τόσο η εξέργεια, όσο και η πληροφορία, είναι δείκτες απόκλισης από την κατάσταση αναφοράς, που είναι το περιβάλλον. Η εξέργεια είναι το μέγιστο ποσό έργου που μπορεί να αποληφθεί από μια τέτοια απόκλιση, αλλά και επιπλέον, χρειάζεται ενέργεια για τη διατήρηση και τη μετάδοση της πληροφορίας, συνεπώς, η σχέση μεταξύ τους είναι πολύ στενή.
[1]. Baehr Η. D., Thermodynamics, Springer-Verlag, Berlin, 1973
[2]. Cornelissen Rene L., Hirs Gerard G., The value of the exergetic life cycle assessment beside the LCA, Netherlands 2002
[3]. Fratzscher W and Schmidt D., "Zur Bestimmung der Spezifishen Exergie von Brennstoffen," Wiss. Z. Dresden Techn. Univ. 10, 183 (1961).
[4]. Patten C. Bernard, Jorgensen E. Sven, Complex Ecology, The part – WholeRelation in Ecosystems, Prentice Hall PTR, Englewood, New Jersey, 1995
[5]. Stepanov V. S., Chemical Energy and Exergv of Substances (in Russian), 2nd ed., Nauka, Novosibirsk (1990).
[6]. Wall G, Exergy – a useful concept within resource accounting (http://www.exergy.se/goran/thesis/paper1/paper1.html, Institute of theoretical physics, University of Goteborg, Sweden, Μάιος 1997)
[7]. Zakharov N. D., "Exergy of Organic Fuels," Izvestiya vuzov. Energetika (in Russian), No. 9, 63 (1970).
8.1 Εισαγωγή-Ορισμός της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Α.Κ.Ζ.) Η ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης και της τεχνολογίας τα τελευταία 100 χρόνια, έχει προσφέρει πάρα πολλά νέα προϊόντα και υπηρεσίες, με γνώμονα πάντα τη βελτίωση της ποιότητας ζωής του ανθρώπινου είδους. Βέβαια, κανένας δε μπορεί να αμφισβητήσει το γεγονός ότι τα νέα τεχνολογικά δεδομένα έχουν διαμορφώσει ένα περιβάλλον για τον άνθρωπο, που παρουσιάζει ποικίλες επιπτώσεις για τη ζωή του, τόσο θετικές όσο και αρνητικές. Με τη χρήση της τεχνολογίας επιλύθηκαν πολλά προβλήματα και ευκολύνθηκε η ζωή των ανθρώπων. Από την άλλη μεριά δεν είναι λίγες οι αρνητικές συνέπειες που έχουν προκληθεί κυρίως στο φυσικό περιβάλλον. Οι εκτεταμένες ρυπάνσεις και μολύνσεις του φυσικού περιβάλλοντος από την ανάπτυξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, έχουν δημιουργήσει μεγάλη ανησυχία τόσο στην επιστημονική κοινότητα όσο και γενικότερα στην ανθρώπινη κοινωνία. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για αυτό το θέμα οδήγησε τους επιστήμονες στην έρευνα για την ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων, οι οποίες θα κάνουν κατανοητές αλλά και θα μειώσουν τις αρνητικές επιπτώσεις των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο περιβάλλον.
Μία από αυτές τις μεθόδους, η οποία θεωρείται σήμερα ως η πιο ολοκληρωμένη είναι η
μέθοδος της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής. Επειδή, λοιπόν, είναι η πιο έγκριτη και διεθνώς αποδεκτή
μέθοδος εξέτασης του περιβαλλοντικού προφίλ ενός προϊόντος, για αυτό και χρησιμοποιείται
ευρέως.
Το πλαίσιο μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται στην εφαρμογή της ανάλυσης κύκλου ζωής σε
οποιοδήποτε προϊόν προτάθηκε και οριοθετήθηκε από τον οργανισμό SETAC (Society of
Environmental Toxicology and Applied Chemistry). Ο SETAC ορίζει την Α.Κ.Ζ. ως «μία τεχνική
εκτίμησης των περιβαλλοντικών επιβαρύνσεων που συνδέονται με κάποιο προϊόν, διεργασία ή
δραστηριότητα, προσδιορίζοντας και ποσοτικοποιώντας την ενέργεια και τα υλικά που
χρησιμοποιούνται, καθώς και τα απόβλητα που απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Στη συνέχεια
εκτιμώνται οι επιπτώσεις από τη χρήση της ενέργειας και των υλικών καθώς και των αποβλήτων
και αναγνωρίζονται οι δυνατότητες περιβαλλοντικών βελτιώσεων. Η ανάλυση περιλαμβάνει
ολόκληρο τον κύκλο ζωής του προϊόντος, της διεργασίας ή της δραστηριότητας: εξαγωγή και
επεξεργασία πρώτων υλών, κατασκευή, μεταφορά και διανομή, χρήση, πιθανή
επαναχρησιμοποίηση, συντήρηση, ανακύκλωση και τελική απόρριψη. Όπως άλλωστε
χαρακτηριστικά λέγεται, η Α.Κ.Ζ. είναι μία αναλυτική και λεπτομερής μελέτη του προϊόντος ή
διεργασίας από την «κούνια μέχρι το θάνατο». ∆ηλαδή αναλύουμε τα διάφορα στάδια από τα
οποία περνάει το προς εξέταση προϊόν, από την γέννησή του μέχρι την τελική απόρριψή του.
Το σημαντικότερο πρόβλημα που προκύπτει στην ανάλυση και μελέτη προϊόντων είναι ο
τρόπος με τον οποίο μπορούν να προσαρμοστούν οι οικονομικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί
στο σχεδιασμό και στη λειτουργία των φυσικοχημικών διεργασιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι
για να έχουμε ένα ομοιογενές αποτέλεσμα θα πρέπει να ποσοτικοποιήσουμε την περιβαλλοντική
ρύπανση και μάλιστα με οικονομικούς συντελεστές βαρύτητας. Σε αυτό ακριβώς το σημείο
Οι ομάδες εργασίας 2 και 3 ασχολούνται με την καταγραφή της υπάρχουσας κατάστασης.
Γενικά δεν έχουν κάποιες διαφορές μεταξύ τους. ∆ιαφοροποίηση υπάρχει σε εξαιρετικές
περιπτώσεις, όπου έχουμε να ασχοληθούμε με πολύπλοκα συστήματα.
Η ομάδα εργασίας 4 ασχολείται με την εκτίμηση των επιπτώσεων των προϊόντων ή
διεργασιών.
H oμάδα εργασίας 5 έχει ως αντικείμενό της την επεξεργασία των αποτελεσμάτων που έχει
μεγάλη σημασία για να είναι χρήσιμα τα αποτελέσματα.
Ο SETAC και o ISO πραγματεύονται τα παραπάνω θέματα κατά παρόμοιο τρόπο. Εκεί που
αρχίζουν να διαφέρουν οι δύο προσεγγίσεις είναι στο τελικό βήμα της μελέτης. Ο μεν SETAC
προτείνει την Εκτίμηση Βελτιώσεων όπως θα την περιγράψουμε παρακάτω, ο δε ISO θεωρεί ότι
μια Α.Κ.Ζ. πρέπει να ολοκληρωθεί με την Ερμηνεία και τον Έλεγχο των αποτελεσμάτων. Αυτό που
πρέπει εξ’αρχής να τονίσουμε είναι ότι τα 2 τελικά βήματα δεν έχουν κοινά σημεία.
Μελετώντας τις τελευταίες εργασίες των μελών του ISO μπορούμε να συμπεράνουμε ότι
κατά τη διεθνή τυποποίηση, η Εκτίμηση Βελτιώσεων δε θεωρείται τμήμα μίας μελέτης Α.Κ.Ζ..
Όμως ακόμη και αν τη συμπεριλάβουμε στην Α.Κ.Ζ., σίγουρα δε μπορεί να αντικαταστήσει την
Ερμηνεία & Έλεγχο των αποτελεσμάτων.
Μπαίνοντας στην ουσία της 5ης ομάδας εργασίας θα λέγαμε ότι σκοπός της είναι να κάνει
καλύτερα κατανοητό το νόημα των αποτελεσμάτων. Προσπαθεί να προσδιορίσει κατά πόσο τα
βήματα στη μελέτη έγιναν σύμφωνα με το σκοπό και το αντικείμενό της και αν οι υποθέσεις που
υποχρεωθήκαμε να κάνουμε καλύπτουν ή όχι τις απαιτήσεις μας. Ομαδοποιούμε τα δεδομένα και
υπολογίζουμε τη συνεισφορά κάθε υποσυστήματος στη συνολική δραστηριότητα που μελετούμε.
Ακόμη κάνουμε μία συνολική αποτίμηση του κύκλου ζωής του προϊόντος σύμφωνα με
επιστημονικά αλλά και πολιτικά κριτήρια, που έχουν θεσπιστεί.
Τέλος, για να σιγουρέψουμε την σταθερότητα των αποτελεσμάτων πρέπει να φροντίσουμε για μια ανάλυση ευαισθησίας. Το πολύτιμο αυτό εργαλείο της επιχειρησιακής έρευνας χρησιμοποιείται για να ελέγξουμε τη μεταβλητότητα των αποτελεσμάτων λόγω αλλαγής κάποιων παραμέτρων. Για να είμαστε πλήρεις κάνουμε ένα τελευταίο έλεγχο ως προς την πληρότητα του περιεχομένου της μελέτης και στη συνέχεια προχωρούμε στα συμπεράσματά μας.
Στη δική μας μελέτη ακολουθούμε το μοντέλο που προτείνεται από το ISO. Χρησιμοποιούμε συγκεκριμένα εργαλεία υπολογισμού της ενέργειας που καταναλώνεται και παράγεται και των ρύπων που εξέρχονται από το σύστημα θέτοντας όλα τα μεγέθη σε μία ισοδύναμη βάση ώστε να είναι δυνατή μία συνολική αποτίμηση. Όσον αφορά την ανάλυση ευαισθησίας, είναι γεγονός ότι ολόκληρη η μελέτη στηρίζεται ακριβώς σε αυτή τη λογική. Αναλύουμε τέσσερις διαφορετικές τεχνολογικές υποθέσεις που αντικατοπτρίζουν το παρόν και το μέλλον της Φ/Β τεχνολογίας, κάνοντας ουσιαστικά τέσσερις διαφορετικές αναλύσεις κύκλου ζωής. Επίσης
για τη διερεύνηση των ωφελειών που μπορεί να έχει η ανακύκλωση του αλουμινίου, υποθέτουμε σε καθεμιά από τις τέσσερις τεχνολογικές υποθέσεις ότι υπάρχει εναλλακτικά η δυνατότητα για χρήση αλουμινίου ανακυκλωμένου κατά 50% στο σκελετό των πλαισίων. Η χρησιμότητα αυτού του εγχειρήματος φαίνεται στο τέλος όπου μας δίνεται η δυνατότητα να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα των υπολογισμών μας.
8.3 Στάδια κύκλου ζωής Η ανάλυση που γίνεται στην Α.Κ.Ζ. εξετάζει το προϊόν από τη βάση της παραγωγής του
μέχρι την τελική του διάθεση. Αναλυτικά όλα τα ενδιάμεσα στάδια είναι:
i. Απόκτηση πρώτων υλών
ii. Κατασκευή (υλικών και προϊόντων)
iii. Συσκευασία / Τυποποίηση
iv. Μεταφορά / ∆ιανομή
v. Χρήση / Επαναχρησιμοποίηση / Συντήρηση
vi. Ανακύκλωση / Ανάκτηση αποβλήτων
vii. Τελική διάθεση / Απόρριψη
8.4 Μεθοδολογία Για να γίνει σωστά μια Α.Κ.Ζ. πρέπει να ακολουθήσουμε τα παρακάτω βασικά σημεία.
i. Προσδιορισμός του σκοπού και του αντικειμένου της μελέτης
ii. Απογραφή δεδομένων
iii. Εκτίμηση Επιπτώσεων
iv. Εκτίμηση Βελτιώσεων
Βέβαια, πρέπει να τονίσουμε ότι δεν είναι απολύτως απαραίτητο να ολοκληρώσουμε την απογραφή δεδομένων και ταυτόχρονα την εκτίμηση επιπτώσεων για κάποιο προϊόν προκειμένου να διαπιστώσουμε ότι υπάρχουν δυνατότητες για βελτίωσή του σε σχέση με το περιβάλλον. Μπορούμε για παράδειγμα να αναγνωρίσουμε περιβαλλοντικές βελτιώσεις κάνοντας μόνο την απογραφή δεδομένων στην κατεύθυνση της μείωσης της χρήσης ενέργειας και υλικών. Στη δική μας περίπτωση η εκτίμηση των βελτιώσεων προκύπτει από την ανάλυση ευαισθησίας, δηλαδή από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των τεσσάρων διαφορετικών Φ/Β τεχνολογικών υποθέσεων.
8.5 Προσδιορισμός του σκοπού και του αντικειμένου της μελέτης Το πρώτο τμήμα μιας μελέτης Α.Κ.Ζ. είναι ο προσδιορισμός του σκοπού και του
αντικειμένου της (Goal Definition and Scoping). Εδώ πρέπει να καθορίσουμε το σκοπό (ή
την επιδίωξη) της μελέτης, το αντικείμενό της, τη λειτουργική μονάδα και τέλος να
υιοθετήσουμε μία διαδικασία εκτίμησης της ποιότητας δεδομένων της μελέτης. Οι
πληροφορίες και τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται σε όλα τα στάδια της ανάλυσης
πρέπει να αναγνωρίζονται εύκολα κατά τον προσδιορισμό του σκοπού και του αντικειμένου
Κάθε σύστημα περιέχει όλα τα στάδια του κύκλου ζωής του “προϊόντος”. Στο περιβάλλον του
συστήματος ανήκουν όλες οι ροές μάζας και ενέργειας που εισέρχονται στο σύστημα, καθώς και οι
ροές που εξέρχονται από αυτό. Η απογραφή δεδομένων είναι μια ποσοτική περιγραφή όλης της
ροής μάζας και ενέργειας που περνούν από τα όρια του συστήματος. Κατά την απογραφή των
δεδομένων θα πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη όλους εκείνους τους παράγοντες που επηρεάζουν
την απογραφή. Αυτοί μπορεί να είναι είτε ιδιαιτερότητες στην παραγωγική διαδικασία είτε
παράγοντες που σχετίζονται με το χρόνο, τόπο, τρόπο συλλογής τους.
Προχωρώντας τώρα στην ουσία της απογραφής δεδομένων, που δεν είναι άλλη από την
κατανομή των ροών μάζας και ενέργειας θα λέγαμε τα παρακάτω :
i. Οι εισροές και εκροές του αρχικού συστήματος πρέπει να εξισώνονται με αυτές του συστήματος στο οποίο έγινε κατανομή των φορτίων. Αν υπάρχουν αποκλίσεις στο ενεργειακό ισοζύγιο ή στο ισοζύγιο μάζας, τότε αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη.
ii. Αν μπορούν να εφαρμοστούν εναλλακτικές προσεγγίσεις για την κατανομή τότε εφαρμόζουμε ανάλυση ευαισθησίας.
iii. Η κατανομή των φορτίων στις διάφορες διεργασίες θα πρέπει να αποφεύγεται ή τουλάχιστο να ελαχιστοποιείται. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί υποδιαιρώντας το σύστημα σε μια αλληλουχία διεργασιών ή υποσυστημάτων. Κάθε ένα από τα υποσυστήματα έχει ως είσοδο την έξοδο μιας διεργασίας που προηγείται, ενώ η έξοδος του υποσυστήματος αποτελεί την είσοδο αυτού που ακολουθεί. Η έκταση που θα πάρει η υποδιαίρεση του αρχικού συστήματος εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα δεδομένων και τις απαιτήσεις που έχουμε από τη μελέτη. Τέλος, αν δεν μπορεί να εφαρμοστεί μία φυσική σχέση ως βάση για την κατανομή των φορτίων τότε οι εισερχόμενες ροές πρέπει να διανεμηθούν στα προϊόντα ή διεργασίες με ένα τρόπο που να αντανακλά τις οικονομικές σχέσεις μεταξύ τους.
Στην παρούσα ανάλυση κύκλου ζωής δεν έχουμε πρόβλημα με κατανομές φορτίων διότι
ακόμη και το Φ/Β πλαίσιο που είναι ένα αυτόνομο σύστημα σε σχέση με τα υπόλοιπα μέρη του
Φ/Β συστήματος, διακρίνεται σε περισσότερα ανεξάρτητα υποσυστήματα στα οποία οι εισροές και
εκροές είναι ξεκάθαρες.
8.6.2 ∆ιαγράμματα ροής διεργασίας Ο καλύτερος τρόπος παρουσίασης των διεργασιών που απαρτίζουν ένα σύστημα είναι η
ανάπτυξη ενός διαγράμματος ροής που να παριστάνει τον τρόπο σύνδεσης των διαφόρων
υποσυστημάτων. Ένα διάγραμμα ροής αποτελείται κυρίως από τρεις βασικές ομάδες διεργασιών:
την βασική παραγωγή, την παραγωγή βοηθητικών υλών και τις βιομηχανίες παραγωγής
9. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΠΑΤΜΟΥ
Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν αρχικά κάποια γενικά χαρακτηριστικά που αφορούν το νησί της Πάτμου (θέση, κλίμα, πληθυσμός, κλπ). Στη συνέχεια θα γίνει μια εκτεταμένη αναφορά στο ενεργειακό σκηνικό του συνόλου των Δωδεκανήσων, τόσο όσον αφορά τους ξεχωριστούς τομείς κατανάλωσης ενέργειας, όσο και της δυναμικότητας παραγωγής ενέργειας. Τέλος θα γίνει μια προσπάθεια παρουσίασης των ενεργειακών αναγκών του νησιού της Πάτμου, ενώ θα εξεταστούν οι δυνατότητες χρησιμοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Πιο συγκεκριμένα θα μελετηθεί η εκτεταμένη χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, θερμού νερού για διάφορες χρήσεις, καθώς και πόσιμου νερού.
9.1 Εισαγωγή
9.1.1 Γενικά χαρακτηριστικά Η Πάτμος ανήκει στον ευρύτερο σχηματισμό των ∆ωδεκανήσων, μαζί με άλλα έντεκα νησιά,
τα οποία είναι: H Ρόδος, η Κως, η Κάρπαθος, η Κάσος, η Χάλκη, η Σύμη, η Τήλος, η Νίσυρος, η
Αστυπάλαια, η Κάλυμνος και η Λέρος.
Η Πάτμος βρίσκεται κοντά στη Μικρασιατική ακτή, στα νότια της Σάμου και απέχει περίπου
163 ν.μ. νότιο - ανατολικά του Πειραιά. Πολιτικός χάρτης του νησιού παρουσιάζεται στην εικ 9.1.
Εικόνα 9.2: Γεωφυσικός – Οδικός χάρτης της Πάτμου.
Όσον αφορά το κλίμα του νησιού, αυτό δεν αποτελεί εξαίρεση από το θαλάσσιο, ήπιο κλίμα
των ∆ωδεκανήσων, με γλυκό χειμώνα και δροσερό καλοκαίρι.
H Πάτμος με τη θρησκευτική της παράδοση (λέγεται και νησί της Αποκάλυψης, μια και εκεί ο
Ιωάννης ο Ευαγγελιστής έγραψε την Αποκάλυψη και ίσως το ευαγγέλιό του), το καλό κλίμα και τις
πλούσιες φυσικές ομορφιές της, έχει εξελιχθεί σε ένα πλούσιο, τουριστικά αναπτυγμένο νησί.
9.1.2 Τοπογραφία - Μορφολογία του νησιού Η Πάτμος, το νησί της Αποκάλυψης, έχει έκταση 34,55 km2 και η περίμετρος των ακτών της
έχει μήκος 61 km. Μαζί με τα νησιά Αρκοί και Μάραθος (που βρίσκονται ανατολικά της), αποτελεί
ομώνυμο δήμο με έκταση 45 km2. Έδρα της είναι η Χώρα και μεγαλύτερος οικισμός της η Σκάλα.
Έχει στενόμακρο σχήμα, με μέγιστο μήκος 63 km και μέγιστο πλάτος 10 km. Τα εδάφη της είναι
ηφαιστειογενούς προέλευσης, βραχώδη και άδεντρα. Η Πάτμος δεν χαρακτηρίζεται από πληθώρα
οικισμών και τα κατοικήσιμα τμήματα του νησιού είναι λίγα. Ξεχωρίζουν:
Πάτμος ή Χώρα
Έχει 700 κάτοικους περίπου, βρίσκεται νότια του νησιού, απέχει 4 km από το λιμάνι (Σκάλα) και είναι η πρωτεύουσα του νησιού.
Η Χώρα είναι χτισμένη γύρω από το μοναστήρι του Αγίου Ιωάννου του Θεολόγου και
χαρακτηρίζεται από τα κάτασπρα σπίτια, τα στενά και περίπλοκα δρομάκια καθώς και τις πολλές
εκκλησίες. Όλα αυτά, μέσα στο ξερό τοπίο δίνουν στην πόλη καθαρό αιγαιοπελαγίτικο χρώμα.
Γροίκος
Έχει λίγους κάτοικους, βρίσκεται νότιο – ανατολικά του νησιού και απέχει 8 km από τη Σκάλα. Το χωριό συνδέεται οδικά με τη Χώρα και το λιμάνι.
Βρίσκεται χτισμένο σε κόλπο, έχοντας απέναντί του το Τραγονήσι. Εντυπωσιακός είναι ο βράχος, που βρίσκεται στη θέση Πέτρα. Ο βράχος είναι λαξευμένος και αυτό μαρτυρά πως ήταν τόπος λατρείας από την αρχαιότητα.
Κάμπος
Έχει 500 κάτοικους περίπου, βρίσκεται βόρεια του νησιού και απέχει 5 km από τη Σκάλα. Μεσογειακό χωριό, όπου δεσπόζουν οι εκκλησίες του Αγ. Νικολάου και του Ευαγγελισμού. Γύρω από το χωριό υπάρχουν πανέμορφες αμμουδερές παραλίες, όπως στον όρμο του Κάμπου, στις Λεύκες και στην Λάμπη.
Σκάλα
Έχει 1.500 κατοίκους περίπου, βρίσκεται στο κέντρο του νησιού και είναι το λιμάνι του. Χτισμένη στη θέση της αρχαίας πρωτεύουσας του νησιού, όπως μαρτυρούν και τα ερείπια της αρχαίας ακρόπολης, πάνω στο Καστέλι, όπου σώζεται η κρηπίδα του αρχαίου ναού του Απόλλωνα και τμήματα οχυρωματικών πύργων. Αποτελεί το πιο τουριστικό μέρος του νησιού. Αξιολάτρευτες παραλίες υπάρχουν στον Άγιο Ιωάννη, στο Μέρικα, στο Χάλακα και στο Μελό.
Στον πίν 9.1 παρουσιάζεται η μορφολογία του νησιού [6]. Όπως φαίνεται, επί συνόλου 45 χιλ.στρ., τα 26,6 χιλ.στρ. αντιστοιχούν σε κοινοτικούς βοσκότοπους (59,1 %), ενώ 13,7 χιλ.στρ. αντιστοιχούν σε ιδιωτικούς βοσκότοπους (30,4 %). Τα υπόλοιπα τμήματα καταλαμβάνουν πολύ μικρότερες εκτάσεις και παρουσιάζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα.
Πίνακας 9.1: Μορφολογία της Πάτμου (km2)
ΑΝΑΓΛΥΦΟ Πεδι
νό
ΚΑΛΛΙΕΡΓ. Κ΄
ΑΓΡΑΝΑΠ.
3,2
ΚΟΙΝΟΤ.
ΒΟΣΚΟΤΟΠΟΙ
26,6
Ι∆ΙΩΤ. ΒΟΣΚΟΤΟΠΟΙ 13,7
∆ΑΣΗ 0,2
Υ∆ΑΤΑ 0,0
ΟΙΚΙΣΜΟΙ 1,4
ΑΛΛΕΣ 0.0
ΣΥΝΟΛΟ ΕΚΤΑΣΕΩΝ 45,1
Το οδικό σύστημα του νησιού είναι αρκετά καλό. Ξεχωρίζει ο κεντρικός δρόμος που διανύει σχεδόν όλο το νησί, από βορά προς νότο και συνδέει τον Κάμπο, τη Σκάλα, τη Χώρα και το Γροίκο καθώς και τα γύρω χωριά. Υπάρχουν επίσης μικρότεροι δρόμοι που καταλήγουν στους διάφορους όρμους του νησιού (βλέπε και εικ 9.2).
9.1.3 Κλιματολογικές συνθήκες Η Πάτμος, ανήκοντας στα Δωδεκάνησα, ακολουθεί και αυτή τις τυπικές ιδιομορφίες όλου αυτού του νησιώτικου σχηματισμού. Με λίγα λόγια, το κλίμα του νησιού είναι ήπιο, όλες τις εποχές του χρόνου. Αυτό έχει ως συνέπεια να επικρατούν ικανοποιητικές θερμοκρασίες τόσο το χειμώνα, όσο και το καλοκαίρι, κάτι που δημιουργεί ευχάριστες και άνετες συνθήκες διαβίωσης. Τα τελευταία χρόνια έγιναν προσπάθειες συλλογής διάφορων μετεωρολογικών στοιχείων που καθορίζουν τις κλιματολογικές συνθήκες ενός τόπου, όπως η θερμοκρασία, οι βροχοπτώσεις, η σχετική υγρασία, η ταχύτητα του ανέμου και η ηλιοφάνεια για τα Δωδεκάνησα. Χωρίς μεγάλο σφάλμα, μπορεί να υποτεθεί πως τα στοιχεία αυτά προσεγγίζουν ικανοποιητικά
τις αντίστοιχες τιμές για τη νήσο Πάτμο. Έτσι προέκυψε ο πίν 9.2 [7], όπου οι τιμές που εμφανίζονται είναι μέσες μηνιαίες, ενώ στο τέλος έχουν υπολογιστεί και οι τιμές για όλο το έτος.
Πραγματικά είναι φανερό από τα στοιχεία του πίν 9.2, πως οι κλιματολογικές συνθήκες του τόπου είναι αποδεκτές για όλο το φάσμα του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, η ηλιοφάνεια, μια και αυτό είναι το στοιχείο που ενδιαφέρει περισσότερο, αφού το αντικείμενο της παρουσίασης αυτής είναι η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας, παρουσιάζει ιδιαίτερα αυξημένα ποσοστά εμφάνισης. Έτσι παρατηρούμε πως το μήνα Ιούλιο επικρατεί ηλιοφάνεια 377 ώρες, ενώ τον Αύγουστο 356 και τον Ιούνιο 353. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός πως ακόμα και τον Ιανουάριο (140 ώρες) ή το Δεκέμβριο (142 ώρες) επικρατεί ηλιοφάνεια σχεδόν για το 19,5 % της συνολικής διάρκειας της μέρας, ενώ επί συνόλου του έτους (3.006 ώρες), το αντίστοιχο ποσοστό ανεβαίνει στο 43,5 %. Οι τιμές αυτές είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικές αν σκεφτεί κανείς πως το χειμώνα το μεγαλύτερο ποσοστό από τη ζητούμενη ενέργεια, καλύπτεται από τις συμβατικές πηγές ενέργειας, ενώ το καλοκαίρι το ποσοστό κάλυψης της ζητούμενης ενέργειας, από ανανεώσιμους πόρους, μπορεί να φτάσει και το 100 %.
Πίνακας 9.2: Ετήσια μετεωρολογικά δεδομένα της Πάτμου
Επίσης, όσον αφορά τις επικρατούσες θερμοκρασίες, αυτές χαρακτηρίζονται ικανοποιητικές (μέση ετήσια 19 0C). Πρέπει να τονιστεί πως η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα, είναι ιδιαίτερα σημαντικός παράγοντας για την απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη μια και επηρεάζει τις απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Εξάλλου στον πίν 9.2 παρουσιάζονται και οι μέσες μηνιαίες ταχύτητες του ανέμου (4,72 m/sec ετησίως) ως περαιτέρω ένδειξη για τις απώλειες του συλλέκτη συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι γνωστό πως η ταχύτητα του αέρα επηρεάζει άμεσα τις απώλειες συναγωγής του συλλέκτη και επομένως τη βέλτιστη λειτουργία του.
Ενεργειακά, ο ελλαδικός χώρος χωρίζεται σε επτά ζώνες, ανάλογα με τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας που παρουσιάζουν τα επί μέρους γεωγραφικά τμήματα (βλέπε εικ 9.3 [1]), ενώ στον πίν 9.3 [1] αναφέρονται αναλυτικά τα επίπεδα της μέσης ηλιακής ακτινοβολίας ανά ζώνη.
Εικόνα 9.3: Οι 7 ζώνες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας στον ελλαδικό χώρο.
Πίνακας 9.3: Επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα.
Ζ
ώνη
Μέση ηλιακή ακτινοβολία (GJ
/ m2·yr)
A > 5,94
B 5,76 – 5,94
C 5,58 – 5,76
D 5,4 – 5,58
E 5,22 – 5,4
F 5,04 – 5,22
G < 5,22
Η Πάτμος βάσει του πίν 9.3 ανήκει στη δεύτερη πιο κερδοφόρα, από άποψη ηλιακών κερδών, ζώνη της Ελλάδας, με μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία να κυμαίνεται μεταξύ 5,76 – 5,94 GJ/m2. Εξάλλου με τόπο μέτρησης τη Ρόδο (πρωτεύουσα των Δωδεκανήσων), τα ολικά ηλιακά κέρδη ανά έτος, φτάνουν τις 1.686 kWh/m2 ή 4,56 GWh σε όλη την έκταση των Δωδεκανήσων [1]. Όλα τα παραπάνω στοιχεία συγκλίνουν στο συμπέρασμα ότι η ευρύτερη περιοχή των Δωδεκανήσων και πιο συγκεκριμένα η Πάτμος, αποτελεί ιδανική επιλογή για ανάπτυξη ενεργειακών μοντέλων, που θα έχουν ως βάση τους τη χρήση ανανεώσιμων ενεργειακών πόρων και πιο συγκεκριμένα της «άφθονης» ηλιακής ακτινοβολίας, με γνώμονα τόσο την οικονομία στα συμβατικά καύσιμα, όσο και την προστασία του περιβάλλοντος.
9.1.4 Πληθυσμός - Απασχόληση Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη παράγραφο, το νησί της Πάτμου, αποτελείται κυρίως από τέσσερις οικισμούς (Πάτμος ή Χώρα, Σκάλα, Γροίκος και Κάμπος), με συνολικό πληθυσμό 2.715 κατοίκους (σύμφωνα με την απογραφή ΕΣΥΕ 1991).
Μεγαλύτερος από αυτούς είναι η Σκάλα με 1.442 κατοίκους, ακολουθεί η πρωτεύουσα του νησιού Πάτμος ή Χώρα με 670 κατοίκους. Το 80 % του πληθυσμού είναι συγκεντρωμένο σε αυτούς τους δύο οικισμούς. Στα νησιά Αρκοί έχουμε πληθυσμό 50 άτομα και στο Μαράθι 2. Στον πίν 9.4 [6] παριστάνεται η μεταβολή του πληθυσμού του νησιού από το 1961 μέχρι σήμερα (τελευταία απογραφή το 1991), ανά 10 χρόνια, ενώ η τάση της μεταβολής του πληθυσμού παρουσιάζεται στο διάγραμμα της εικ 9.4.
Πίνακας 9.4: Μεταβολή του πληθυσμού της Πάτμου
Έτος 1961 1971 1981 1991
Πληθυσμός 2.686 2.486 2.607 2.715
Μεταβολή (%) -7,4 4,9 4,2
Είναι φανερό πως από το 1971 και μετά, παρουσιάζεται μια σημαντική αύξηση του πληθυσμού (περίπου 4,5% ανά 10 χρόνια), κάτι που σημαίνει πως ο πληθυσμός ηλικιακά αναπτύσσεται. Το γεγονός αυτό είναι μια ένδειξη για περαιτέρω αύξηση και ανάπτυξη στο μέλλον.
Εικόνα 9.4: Τάση μεταβολής του πληθυσμού στην Πάτμου.
Επίσης, όσον αφορά το επίπεδο εκπαίδευσης που παρέχεται στην Πάτμο, σήμερα υπάρχουν 3 Νηπιαγωγεία, 3 Δημοτικά σχολεία, 1 Γυμνάσιο – Λύκειο και η Πατμιάδα σχολή, που είναι εκκλησιαστικό Γυμνάσιο – Λύκειο. Περίπου σε όλες τις βαθμίδες φοιτούν σήμερα 500 μαθητές.
Στον εργατικό τομέα τώρα, σύμφωνα με στοιχεία της απογραφής του 1991, το εργατικό δυναμικό ανέρχεται στα 976 άτομα. Από αυτά τα 46 δήλωσαν άνεργοι. Στον πίν 9.5 [6] υπάρχει η κατανομή του εργατικού δυναμικού ανά τομέα απασχόλησης.
Πίνακας 9.5: Κατανομή εργατικού δυναμικού στην Πάτμο, 1991
Ο τριτογενής τομέας υπερέχει αισθητά, μια και απασχολεί 505 άτομα επί συνόλου 976 ατόμων (51,7 %), ακολουθεί ο δευτερογενής τομέας με 260 άτομα (26,64 %) και τέλος ο πρωτογενής τομέας με 146 άτομα (14,96 %). Επίσης 46 άτομα δήλωσαν άνεργοι (4,7 %), ενώ 19 άτομα δεν απάντησαν.
Πιο αναλυτικά τώρα, στον πρωτογενή τομέα, κυριαρχεί η γεωργία, ενώ σημαντική θέση έχει και η αλιεία. Οι αρδευόμενες γεωργικές εκτάσεις βρίσκονται κυρίως στην περιοχή του Κάμπου και στις Λεύκες. Στον πίν 9.6 [13] της επόμενης σελίδας υπάρχουν οι καλλιέργειες (σε στρέμματα) για τα διάφορα γεωργικά είδη, σύμφωνα με στοιχεία της Γεωργικής Στατιστικής για το έτος 1995. Οι συνολικές καλλιεργήσιμες εκτάσεις φτάνουν τα 287 στρ., ενώ η συνολική γεωργική έκταση ανέρχεται σε 3.200 στρ. Είναι φανερό πως καλλιεργείται ένα μικρό ποσοστό της γης, μόλις 9 %.
Πίνακας 9.6: Οι καλλιέργειες στην Πάτμο, 1995
Καλλιέργειες Στρέμματα
Εσπεριδοειδή 25
Τομάτες - Αγγούρια 63
Πατάτες 55
Πεπονοειδή 34
Κηπευτικά διάφορα 97
Θερμοκήπια κηπευτικών 13
Σύνολο 287
Όσον αφορά τον τομέα της αλιείας τώρα, τα διαθέσιμα στοιχεία είναι λιγοστά. Η ποσότητα των αλιευμάτων που αλιεύθηκαν με κωπηλάτες λέμβους για το έτος 1992 ήταν 40 tn., ενώ οι ψαράδες ανέρχονται στους 138.
Στον δευτερογενή τομέα τώρα, όπως συμβαίνει σε όλα τα νησιά της Δωδεκανήσου, η ανάπτυξη είναι ελάχιστη. Στο νησί υπάρχουν 3 εργαστήρια Κεραμικής και ένα Λαϊκής τέχνης.
Από την άλλη, στον τριτογενή τομέα, όπου απασχολείται και το μεγαλύτερο μέρος του εργατικού δυναμικού, κυρίαρχο ρόλο κατέχει ο τουρισμός. Σύμφωνα με τα επίσημα στοιχεία του Ελληνικού Οργανισμού Τουρισμού υπάρχουν 41 ξενοδοχειακές μονάδες συνολικής δυναμικότητας 1.744 κλινών. Επίσης υπάρχουν 133 μονάδες ενοικιαζόμενων δωματίων συνολικής δυναμικότητας 1.065 κλινών. Η τουριστική περίοδος διαρκεί από το Μάιο μέχρι τον Σεπτέμβριο. Το 1996 οι αφίξεις ήταν 11.650, ενώ οι αντίστοιχες για το 1997 έφτασαν τις 13.907 με πρώτους επισκέπτες (για το 1996) τους Έλληνες (7.133), δεύτεροι ακολουθούν οι Γερμανοί (1.208) και τρίτοι οι Ιταλοί (643). Οι διανυκτερεύσεις το 1996 έφτασαν τις 44.065, ενώ το 1997 τις 53.434. Σήμερα στο νησί υπάρχουν πολλά τουριστικά καταστήματα, εστιατόρια, καφενεία, που εξυπηρετούν τους επισκέπτες.
9.2 Ενεργειακό σκηνικό Δωδεκανήσων Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστούν οι ενεργειακές απαιτήσεις των Δωδεκανήσων, τόσο ανά μορφή καυσίμου και ενέργειας, όσο και ανά τομέα. Τα διαθέσιμα στοιχεία είναι από προηγούμενα έτη (Περιφερειακό Γραφείο Ενέργειας Δωδεκανήσων), αλλά θα χρησιμοποιηθούν αφού δεν υπάρχει νεότερη πηγή πληροφόρησης. Επίσης πρέπει να τονιστεί πως επειδή ακριβώς τα στοιχεία αφορούν γενικά το σύνολο των Δωδεκανήσων, στη συνέχεια θα γίνει μια αναγωγή, βάση του πληθυσμού της Πάτμου. Για αυτό το λόγο παρουσιάζονται τα στοιχεία του πίν 9.7 που αφορούν τις πληθυσμιακές μεταβολές στα Δωδεκάνησα ανά νησί και συνολικά, από το 1951 μέχρι το 1991 [7]. Σύμφωνα με τα στοιχεία του πίν 9.7, θα προκύψει μια τάση μεταβολής του πληθυσμού για τα αμέσως προσεχή έτη, βάσει της οποίας θα εκτιμηθούν και οι ενεργειακές απαιτήσεις. Επόμενο βήμα θα είναι η διαστασιολόγηση των ηλιακών ενεργειακών συστημάτων, με γνώμονα πάντα το βέλτιστο συνδυασμό χρήσης ηλιακής και συμβατικής μορφής ενέργειας και με στόχο την ετήσια κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του νησιού της Πάτμου.
9.2.1 Κατανάλωση Ενέργειας Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα της εικ 9.5 [7], η ηλεκτρική ενέργεια (25,2 %), το ντίζελ (32,4 %) και η βενζίνη (33,6 %) αποτελούν τις βασικότερες πηγές κατανάλωσης ενέργειας στα Δωδεκάνησα.
Το ντίζελ και τα βαριά καύσιμα παράγουν όλη την ηλεκτρική ενέργεια. Είναι αναγκαίο λοιπόν, να ερμηνευτεί η απαίτηση σε ηλεκτρικό ρεύμα σαν απαίτηση κυρίως σε ντίζελ, αλλά και βαριά καύσιμα. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό το γεγονός πως τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται εισάγονται στην Ελλάδα από εξωτερικές πηγές. Ένα μακρυπρόθεσμο πλάνο το οποίο θα έχει ως σκοπό την αύξηση της συνεισφοράς από τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας είναι δυνατό να δημιουργήσει οικονομίες και κοινωνίες ουσιαστικά αυτόνομες.
Αναλυτικά λοιπόν, ο ηλεκτρισμός καταλαμβάνει το 25,2 %, το ντίζελ το 32,4 %, η βενζίνη το 33,6 %, η βιομάζα το 4,1 %, η ηλιακή ενέργεια το 2,9 %, το φυσικό αέριο το 1,5 % και τέλος τα βαριά καύσιμα το 0,3 %. Η συνολικά απαιτούμενη ενέργεια για το έτος 1992 φτάνει τα 6.873 TJ. Από τον πίν 3.7 υπολογίζεται πως ο πληθυσμός της Πάτμου, που για το έτος 1991 ήταν 2.715 κάτοικοι, αντιστοιχεί στο 1,66 % του συνολικού πληθυσμού των Δωδεκανήσων (163.476). Θεωρώντας, χωρίς μεγάλο σφάλμα πως το ποσοστό αυτό δεν αλλάζει σημαντικά για ένα χρονικό ορίζοντα δέκα ετών, προκύπτει πως οι ενεργειακή κατανάλωση της Πάτμου για το έτος 1992 έφθασε τα 114,15 TJ. Σε επόμενη παράγραφο θα υπολογιστούν οι ενεργειακές ανάγκες της Πάτμου σε ηλεκτρικό ρεύμα για κάποιο μελλοντικό χρόνο αναφοράς και οι τιμές που θα προκύψουν θα χρησιμοποιηθούν αργότερα για τη μελέτη και τη διαστασιολόγηση των ενεργειακών συστημάτων που θα αναπτυχθούν. Επίσης γίνεται η εκτίμηση πως τα ποσοστά καταναλώσεων ανά μορφή ενέργειας και καυσίμου παραμένουν (ουσιαστικά) αμετάβλητα, τόσο για το σύνολο των Δωδεκανήσων, όσο και για την Πάτμο.
Πίνακας 9.7: Οι πληθυσμιακές μεταβολές στα Δωδεκάνησα ανά νησί
Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ενεργειακή κατανάλωση ανά οικονομικό τομέα για τα Δωδεκάνησα (εικ 9.6) [7] και θεωρείται πως η κατανομή αυτή εκφράζει σε ικανοποιητικό βαθμό και το νησί της Πάτμου.
Έτσι λοιπόν προκύπτει πως ο τομέας μεταφορών υπερέχει αισθητά, καταλαμβάνοντας το 57 % (65 TJ), ακολουθούν οι καταναλώσεις κατοικιών με 18 % (20,55 TJ), τα ξενοδοχεία 9 % (10,27 TJ), ο τομέας
εμπορίου με 6 % (6,89 TJ), η βιομηχανία με 5 % (5,7 TJ), ο δημόσιος τομέας με 3 % (3,42 TJ) και τέλος η γεωργία με 2 % (2,28 TJ).
Eικόνα 9.6: Ενεργειακή κατανάλωση ανά οικονομικό τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992
Κατανάλωση Ντίζελ
Η συνολικά καταναλισκόμενη ενέργεια από χρήση ντίζελ για το1992 σε όλα τα ∆ωδεκάνησα,
έφτασε τα 2.227 ΤJ (37 TJ μόνο για την Πάτμο).Είναι φανερό από το διάγραμμα της εικ 9.7 [7],
πως το ντίζελ καταναλώνεται κυρίως στον τομέα μεταφορών (77 %), ενώ ακολουθεί με μεγάλη
Η ενεργειακή κατανάλωση στον οικιακό τομέα κατανέμεται ανάμεσα σε ηλεκτρισμό, ντίζελ, βιομάζα, φυσικό αέριο και ηλιακή ενέργεια, με το ηλεκτρικό ρεύμα να είναι η βασικότερη ενεργειακή πηγή. Στον πίν 9.8 [7] αναφέρονται αναλυτικά οι διάφορες καταναλώσεις, καθώς και η ξεχωριστή χρήση τους σε διάφορους τομείς (μαγείρεμα, θέρμανση χώρων, ζεστό νερό, ψύξη, και διάφορες άλλες χρήσεις).
Τα στοιχεία που δίνονται αφορούν το έτος 1992, ενώ στην εικ 9.11 [7] παριστάνεται η κατανομή των διάφορων μορφών ενέργειας που χρησιμοποιούνται για οικιακή χρήση. Αναλυτικά λοιπόν, από ηλεκτρική χρήση καταναλώνονται 610 TJ (49,7 %) για όλες τις χρήσεις, από βιομάζα 276 TJ (22,5 %) για μαγείρεμα, θέρμανση και ζεστό νερό, από χρήση ντίζελ 217 TJ (17,7 %) για θέρμανση, από χρήση φυσικού αερίου 97 TJ (7,9 %) για μαγείρεμα και θέρμανση και από χρήση ηλιακής ενέργειας 27 TJ (2,2 %) για ζεστό νερό, σύνολο δηλαδή 1.227 TJ.
Πίνακας 9.8: Κατανάλωση των διάφορων ενεργειακών πηγών για οικιακή χρήση, Δωδεκάνησα 1992
Εικόνα 9.11: Κατανομή οικιακής κατανάλωσης, ανά μορφή ενέργειας, Δωδεκάνησα 1992
Η κατανομή της ενεργειακής κατανάλωσης στον οικιακό τομέα, δείχνει πως ένα μεγάλο ποσοστό καταναλώνεται στη θέρμανση χώρων (εικ 9.12 [7]). Αυτή είναι μια εποχιακή ανάγκη (εικ 9.14) [7], η οποία μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τον κατάλληλο σχεδιασμό. Η θέρμανση νερού αντιστοιχεί στο 12 % της απαιτούμενης ενέργειας με μια υψηλή απαίτηση το χειμώνα (εικ 9.13 [7]), όπου ο πληθυσμός εμφανίζεται αισθητά μικρότερος σε σχέση με το καλοκαίρι, όπου υπάρχει μεγάλη εισροή τουριστών.
Εικόνα 9.12: Κατανομή οικιακής κατανάλωσης ενέργειας, ανά χρήση, Δωδεκάνησα 1992
Εικόνα 9.13: Ενεργειακή κατανάλωση για οικιακή θέρμανση νερού, Δωδεκάνησα 1992.
Εικόνα 9.14: Ενεργειακή κατανάλωση για οικιακή θέρμανση χώρων, Δωδεκάνησα 1992.
Γεωργία
Η ενέργεια που χρησιμοποιείται στον τομέα της γεωργίας ή αλλιώς στον πρωτογενή τομέα, αποτελεί μόνο το 2 % της ολικής ενεργειακής κατανάλωσης, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Αναλυτικά, κατανέμεται 85 % στην άρδευση και το πότισμα, 12 % στη λειτουργία των διάφορων μηχανημάτων και 3 % στη θέρμανση χώρων. Στην εικ 9.15 [7] παρουσιάζεται η παραπάνω κατανομή.
Εικόνα 9.15: Κατανάλωση ενέργειας στη γεωργία, ∆ωδεκάνησα 1992
Τριτογενής τομέας
Ο τριτογενής τομέας περιλαμβάνει το εμπόριο, το δημόσιο τομέα (σχολεία, νοσοκομεία, δημόσιες υπηρεσίες) και τον τουρισμό. Οι ενεργειακές απαιτήσεις στον τομέα αυτό φθάνουν το 18 % της ολικά απαιτούμενης ενέργειας, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Η μισή ενέργεια χρησιμοποιείται στα ξενοδοχεία (50 %), ενώ 34 % καταναλώνεται στον τομέα του εμπορίου και 16 % στο δημόσιο τομέα. Τα παραπάνω στοιχεία παριστάνονται στην εικ 9.16 [7].
Εικόνα 9.16: Κατανάλωση ενέργειας στον τριτογενή τομέα, Δωδεκάνησα 1992
Είναι προφανές πως οι αιχμές κατανάλωσης εμφανίζονται τους καλοκαιρινούς μήνες, μια και σχεδόν όλα τα ξενοδοχεία δεν λειτουργούν κατά τη χειμερινή περίοδο.
Τομέας εμπορίου
Η ενέργεια που καταναλώνεται στον τομέα του εμπορίου κατανέμεται κυρίως στη θέρμανση χώρων και τη ψύξη. Αποτελεί το 6 % της ολικής ενέργειας (εικ 9.6) και έχει καθαρά εποχιακό χαρακτήρα, όπως φαίνεται και στις εικ 9.17/9.18 [7].
Eικόνα 9.18: Κατανάλωση ενέργειας για ψύξη (τομέας εμπορίου), ∆ωδεκάνησα 1992
Ξενοδοχεία
Στη συντριπτική τους πλειοψηφία τα ξενοδοχεία λειτουργούν τη μισή περίοδο του χρόνου. Η συνεισφορά των ξενοδοχείων στην ολική κατανάλωση ενέργειας φθάνει το 9 % (εικ 9.6). Η ενέργεια που καταναλώνεται στα ξενοδοχεία, κατανέμεται στη θέρμανση νερού (εικ 9.19 [7]), την ψύξη, το φωτισμό και τη θέρμανση χώρων.
Eικονα 9.19: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση νερού (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992
Η ζήτηση φθάνει το μέγιστο κατά τον Αύγουστο, όπου η τουριστική κίνηση βρίσκεται στο αποκορύφωμα. Η ενεργειακή πηγή για την κάλυψη των αναγκών, είναι κυρίως ο ηλεκτρισμός αλλά και η ηλιακή ενέργεια. Η συνεισφορά της ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να ήταν πολύ μεγαλύτερη με την τοποθέτηση επιπλέον συστοιχιών ηλιακών συλλεκτών. Η κατανάλωση ενέργειας λόγω ψύξης και φωτισμού έχει την ίδια εποχιακή συμπεριφορά με αυτή της θέρμανσης νερού (εικ 9.20/9.21 [7]) και παρέχεται αποκλειστικά από τον ηλεκτρισμό.
Eικόνα 9.20: Κατανάλωση ενέργειας για ψύξη (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992.
Eικόνα 9.21: Κατανάλωση ενέργειας για φωτισμό (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992
Eικόνα 9.22: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση χώρων (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992
Η συνεισφορά της ενέργειας που καταναλώνεται για θέρμανση χώρων στην ολική κατανάλωση ενέργειας των ξενοδοχείων δεν είναι σημαντική και περιορίζεται στους χειμερινούς μήνες (εικ 9.22 [7]).
Δημόσιος τομέας
Ο δημόσιος τομέας συνεισφέρει κατά 3 % περίπου (203 TJ) στην ολική ενεργειακή κατανάλωση. Οι διαφορετικές περιοχές που συνεισφέρουν στην κατανάλωση αυτή παρουσιάζονται στην εικ 9.23 [7]. Τα σχολεία και τα νοσοκομεία, όπως ειπώθηκε και παραπάνω, είναι οι κύριοι καταναλωτές ενέργειας στο δημόσιο τομέα. Η ενέργεια αυτή καταναλώνεται κυρίως στη θέρμανση χώρων και το φωτισμό.
Eικόνα 9.23: Κατανάλωση ενέργειας στο δημόσιο τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992
Οι μεταφορές αποτελούν τη μεγαλύτερη πηγή κατανάλωσης ενέργειας στα Δωδεκάνησα. Συνεισφέρουν κατά 57 % στην ολική κατανάλωση ενέργειας, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Η βενζίνη αποτελεί το βασικό καύσιμο και χρησιμοποιείται σε ποσοστό 57 %, ενώ το υπόλοιπο 43 % προέρχεται από χρήση ντίζελ. Στην εικ 9.26 [7] παριστάνεται η παραπάνω κατανομή για το έτος 1992.
Eικόνα 9.26: Κατανάλωση ενέργειας ανά μορφή καυσίμου (μεταφορές), Δωδεκάνησα 1992
Βιομηχανία
Ο τομέας της βιομηχανίας δεν είναι ιδιαίτερα αναπτυγμένος στα Δωδεκάνησα. Η κατανομή της ενεργειακής κατανάλωσης για το έτος 1994 (πίν 9.9 [7]), δείχνει πως το μεγαλύτερο τμήμα της ενέργειας καταναλώνεται στην παραγωγή αναψυκτικών. Ο πίν 9.9 παρουσιάζει το σύνολο των βιομηχανιών στα Δωδεκάνησα τόσο κατά είδος, όσο και κατά αριθμό. Επίσης στον ίδιο πίνακα φαίνονται οι καταναλώσεις (tn) σε πετρέλαιο, ντίζελ και νερό, καθώς και σε ηλεκτρική ενέργεια (kWh).
Πίνακας 9.9: Ενεργειακή κατανάλωση στη Βιομηχανία, Δωδεκάνησα 1994
9.2.2 Εναλλακτικές λύσεις Στις προηγούμενες παραγράφους παρουσιάστηκαν κάποια στοιχεία για τις ενεργειακές ανάγκες των
Δωδεκανήσων, καθώς και οι τρόποι κάλυψης των ενεργειακών αυτών αναγκών, κυρίως με συμβατικές πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια παραθέτεται ένα πλάνο για πιθανή αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων, από ανανεώσιμες πηγές. Η αντικατάσταση αυτή είναι συνάρτηση κυρίως του είδους της χρήσης, για την οποία
μελετάται αντικατάσταση, αλλά και του τύπου καυσίμου προς αντικατάσταση. Ο πίν 9.10 [7] αντιπροσωπεύει μια αρχική ανάλυση για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν συμβατικές μορφές ενέργειας οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα και αφορά την
ευρύτερη περιοχή των Δωδεκανήσων. Πιο αναλυτικά τώρα, στον πίν 9.10 αναφέρονται οι διάφοροι τομείς κατανάλωσης ενέργειας (οικιακός 1.227 TJ, γεωργίας 122 TJ, βιομηχανίας 344 TJ, μεταφορές 3.909 TJ, εμπορίου 430 TJ, δημοσίου 198 TJ και ξενοδοχείων 643 TJ, σύνολο 6.873 TJ), ενώ παρουσιάζονται
αναλυτικά οι ενεργειακές καταναλώσεις για τις διάφορες χρήσεις του εκάστοτε τομέα για το έτος 1992. Ο οικιακός τομέας για παράδειγμα, περιλαμβάνει χρήσεις όπως το μαγείρεμα, τη θέρμανση χώρων και νερού, τη ψύξη και διάφορες άλλες ηλεκτρικές εφαρμογές, η βιομηχανία ζήτηση σε θερμότητα και ηλεκτρικό ρεύμα και η γεωργία τη θέρμανση θερμοκηπίων, την άρδευση και τις καλλιέργειες. Είναι κατανοητό πως όλες αυτές οι πηγές κατανάλωσης συμβατικών μορφών ενέργειας δεν είναι δυνατό να τροποποιηθούν έτσι ώστε να εφαρμοστούν τεχνικές χρησιμοποίησης ανανεώσιμων ενεργειακών πόρων, στον ίδιο βαθμό. Η
μελέτη έδειξε πως τόσο η ηλιακή ενέργεια, όσο και η γεωθερμία, μαζί με τη βιομάζα και την καύση ξύλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ικανοποιητικό βαθμό για διάφορες χρήσεις. Στον αμέσως επόμενο πίνακα (πίν 9.11 [7]), παρουσιάζονται οι ίδιες καταναλώσεις, αυτή τη φορά όμως ανά μορφή ενέργειας, για το έτος
1992. Επειδή αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ηλιακή ενέργεια και οι εκτεταμένες εφαρμογές που αυτή μπορεί να έχει στο μέλλον, θα τονιστούν κυρίως οι δυνατότητες χρήσης αυτής της μορφής ενέργειας στους διάφορους τομείς. Γίνεται κατανοητή από τον πίν 9.10, η μεγάλη δυνατότητα εφαρμογής ηλιακών
συστημάτων στο σύνολο των διαφόρων χρήσεων, μια και τα θερμικά ηλιακά συστήματα (θερμοσίφωνα), μαζί με τα φωτοβολταϊκά μπορούν να καλύψουν σε μεγάλο βαθμό τις ενεργειακές απαιτήσεις. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, όταν θα γίνει προσπάθεια να ποσοτικοποιηθούν οι ενεργειακές ανάγκες ειδικότερα της Πάτμου, κυρίως σε ηλεκτρικό ρεύμα και ζεστό νερό, θα γίνουν κατανοητές οι διαδικασίες επιλογής και
διαστασιολόγησης των διαφόρων ενεργειακών συστημάτων.
Πίνακας 9.10: Δυνατότητα χρήσης των ΑΠΕ στα Δωδεκάνησα (1992)
9.2.3 Μοντέλο υπολογισμού ηλεκτρικής κατανάλωσης στο μέλλον Η κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος για οικιακή, βιομηχανική και άλλες χρήσεις από το έτος 1990 έως το 1996 (βλέπε και εικ 9.8), δείχνει πως η κατανομή της ηλεκτρική κατανάλωσης δεν έχει μεταβληθεί ιδιαίτερα μέσα σε αυτά τα χρόνια. Οι άλλες χρήσεις αναφέρονται στο εμπόριο, τα ξενοδοχεία, τη γεωργία και το δημόσιο τομέα (υπηρεσίες, δρόμοι, κλπ).
Η ολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αντίθετα, έχει δείξει μια σταθερή αύξηση από το 1981 μέχρι το 1996 με μέσο ετήσιο ρυθμό 8,15 %. Η μεγαλύτερη συνεισφορά στην αύξηση αυτή, είναι από τις «άλλες χρήσεις», εξαιτίας της αύξησης του τουρισμού (κατά μέσο όρο 9,43 % ετησίως). Ακολουθεί η οικιακή κατανάλωση με μέση αύξηση 7,16 % και η βιομηχανική κατανάλωση με 3,67 %.
Ο λόγος μεταβολής της ετήσιας ηλεκτρικής κατανάλωσης μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ του 1981 και του 1996 για τις τρεις χρήσεις και ιδιαίτερα για τη βιομηχανική, αλλά παραμένει πάντα θετικός για τις ολικές ανάγκες, κάτι που αποδεικνύει τη συνεχή αύξηση στις απαιτήσεις σε ηλεκτρικό ρεύμα.
Με σκοπό να εκτιμηθούν οι μελλοντικές ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα, είναι λογικό να υποτεθεί ότι ο λόγος μεταβολής της ετήσιας ηλεκτρικής κατανάλωσης θα μειωθεί (βλέπε και εικ 9.27 [7], περίοδος ΄93 -΄96), κάτι που θα οδηγήσει σε πιθανό κορεσμό.
Όπου: DH (t), η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t
0D , η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t = 0
D , η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t
r , ο λόγος μεταβολής
Οι τιμές των παραπάνω μεταβλητών καθορίζονται με τη μέθοδο παλινδρόμησης. Ο καθορισμός των παραπάνω μεταβλητών πραγματοποιήθηκε για κάθε χρήση χωριστά (οικιακή, βιομηχανική, και άλλες), χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Levenberg-Marquardt. Τα αποτελέσματα παριστάνονται στο διάγραμμα της εικ 9.28 [7].
Σύμφωνα με τα συμπεράσματα που εξάγονται από την εφαρμογή του παραπάνω μοντέλου, η ολική ηλεκτρική κατανάλωση θα συνεχίσει να αυξάνει. Για παράδειγμα, η κατανάλωση το 2004 θα είναι 50 % μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του 1996, ενώ το 2018, 100 % μεγαλύτερη.
Η συνεισφορά του οικιακού και του βιομηχανικού τομέα στην ολική ηλεκτρική κατανάλωση, σύμφωνα με τις υποθέσεις του μοντέλου, θα ελαττωθεί. Η μείωση για τον οικιακό τομέα θα είναι από το 34,2 % το 1996, σε 31,8 % το 2010 και για βιομηχανικές χρήσεις από 6 % το 1996, σε 3,4 % το 2010. Η συνεισφορά των «άλλων χρήσεων», κυρίως εξαιτίας του τουρισμού, στην ολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στα Δωδεκάνησα, θα αυξηθεί από 59,7 % το 1996 σε 64,8 % το 2010. Τα αποτελέσματα αυτά ήταν αναμενόμενα, αν σκεφτεί κανείς την έντονη τουριστική κίνηση που αναμένεται στο προσεχές μέλλον στην περιοχή. Το παραπάνω σκηνικό παρουσιάζεται αναλυτικά στo διάγραμμα της εικ 9.29 [7].
Eικόνα 9.29: Εκτίμηση κατανομής ηλεκτρικής κατανάλωσης στα ∆ωδεκάνησα
9.2.4 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ο ηλεκτρισμός στα Δωδεκάνησα, παράγεται κυρίως σε αυτόνομους σταθμούς ισχύος, οι οποίοι βρίσκονται σε διάφορα νησιά της περιφέρειας των Δωδεκανήσων. Το αιολικό πάρκο στην Κάρπαθο είναι μικρής ισχύος και συνεισφέρει ελάχιστα στην κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας. Επίσης, μικρές φωτοβολταϊκές μονάδες έχουν τοποθετηθεί, ώστε να καλύπτουν κυρίως μικρά τοπικά φορτία (μικρές κατοικίες, νησάκια).
Υπάρχουν τρία κύρια δίκτυα σταθμών:
Λειψοί – Λέρος – Κάλυμνος – Κως – Νίσυρος - Τήλος
Ρόδος – Χάλκη
Κάρπαθος – Κάσος
Υπάρχουν διάφορα άλλα μικρά νησιά, αυτόνομα, τα οποία τροφοδοτούνται από ξεχωριστούς θερμικούς σταθμούς. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται ντίζελ και πετρέλαιο. Για παράδειγμα, το 1992 στα Δωδεκάνησα, καταναλώθηκαν 1.498 TJ από τη χρήση ντίζελ και 4.089 TJ από τη χρήση πετρελαίου, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [7].
9.2.4.1 Αυτόνομοι σταθμοί ισχύος
Τα χαρακτηριστικά τέτοιων σταθμών διαφέρουν σημαντικά. Στην περιφέρεια των Δωδεκανήσων, υπάρχουν μόνο τρεις μεγάλοι, αυτόνομοι σταθμοί:
Στον πίν 9.12 [7] παρουσιάζεται αναλυτικά για κάθε νησί (1994), η δυναμικότητα κάθε σταθμού (εγκατεστημένη ισχύς), η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, το φορτίο αιχμής, καθώς και το κόστος ανά παραγόμενη kWh.
Πίνακας 9.12: Ηλεκτροπαραγωγή από αυτόνομους σταθμούς, Δωδεκάνησα 1994
ΡΟΔΟΣ: Η ολική εγκατεστημένη ισχύς φθάνει τα 145.060 kW. Το νησί Χάλκη συνδέεται στο δίκτυο της Ρόδου και τροφοδοτείται από αυτό.
ΚΑΛΥΜΝΟΣ – ΚΩΣ – ΝΙΣΥΡΟΣ: Τα νησιά Κάλυμνος, Κως, Λέρος, Νίσυρος, Τήλος, Λειψοί, Ψέριμος και Τέλενδος διασυνδέονται και αποτελούν το μεγαλύτερο ηλεκτρικό δίκτυο της περιφέρειας των Δωδεκανήσων. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε δυο σταθμούς ισχύος, που βρίσκονται στην Κάλυμνο και την Κω (δυναμικότητας 11.800 και 36.017 kW αντίστοιχα). Επιπλέον ένας τρίτος σταθμός υπάρχει στη Νίσυρο (310 kW), αλλά από τότε που το νησί συνδέθηκε με το δίκτυο της Κω, παραμένει σε κατάσταση ετοιμότητας. Με σκοπό οι ανάγκες του κόμβου να καλύπτονται πλήρως, ένας νέος σταθμός παραγωγής ισχύος στην Κω, δυναμικότητας 50 MW, είναι υπό κατασκευή.
ΚΑΡΠΑΘΟΣ: Στην Κάρπαθο, ο υπάρχων σταθμός λειτουργεί χρησιμοποιώντας ντίζελ και τροφοδοτεί και το νησί της Κάσου.
ΠΑΤΜΟΣ: Σχεδιάζεται να συνδεθεί μέσω Ικαρίας, στον αυτόνομο ηλεκτρικό σταθμό της Σάμου. Ο σταθμός ισχύος που ήδη υπάρχει στο νησί και χρησιμοποιεί ντίζελ, πρόκειται να κλείσει. Το φορτίο αιχμής, πρόκειται να καλύπτεται από μια μικρή μονάδα.
ΣΥΜΗ: Οι ηλεκτρικές ανάγκες του νησιού καλύπτονται από ένα σταθμό ισχύος, δυναμικότητας 1.600 kW ο οποίος χρησιμοποιεί ντίζελ.
ΑΓΑΘΟΝΗΣΙ – ΜΕΓΙΣΤΗ (Καστελόριζο) – ΑΣΤΥΠΑΛΑΙΑ: Το καθένα από τα παραπάνω νησιά, τροφοδοτείται από αυτόνομους σταθμούς, που χρησιμοποιούν ντίζελ ή βαρύ καύσιμο.
Κανένα από αυτά τα νησιά δεν διασυνδέεται, ούτε καν σε τοπικό επίπεδο. Επίσης στον πίν 9.13 [7] παρουσιάζονται οι εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες στην Κάρπαθο, καθώς και η παραγόμενη ισχύς.
Πίνακας 9.13: Εγκατεστημένο αιολικό δυναμικό στην Κάρπαθο
9.3 Η Πάτμος και η κάλυψη μελλοντικών ενεργειακών αναγκών Στην παράγραφο αυτή πλέον, μοναδικό αντικείμενο μελέτης θα είναι το νησί της Πάτμου. Σε
προηγούμενη παράγραφο, έγινε μια παρουσίαση των ενεργειακών αναγκών του συνόλου των
∆ωδεκανήσων με συγκεκριμένες αναφορές, οι οποίες αφορούσαν κυρίως το έτος 1994. Υπήρχαν
διαθέσιμα στοιχεία για όλους τους τομείς κατανάλωσης ενέργειας χωριστά, με αποτέλεσμα να
διαφαίνεται μια γενική εικόνα περί της ενεργειακής κατάστασης (μέτρο, ποσοστά, τάσεις κλπ).
Το πλάνο που θα αφορά την Πάτμο θα έχει τρεις κύριες συνιστώσες. Αρχικά θα εκτιμηθούν
οι ενεργειακές ανάγκες του νησιού σε ηλεκτρικό ρεύμα (φωτοβολταϊκά), ζεστό νερό (ηλιακά
θερμοσίφωνα) και πόσιμο νερό (ηλιακή αφαλάτωση), για ένα ορίζοντα πέντε ετών. ∆ηλαδή θα
υποτεθεί πως οι διάφορες εγκαταστάσεις θα λειτουργήσουν το έτος 2005. Αυτό γίνεται έτσι ώστε η
όλη μελέτη να είναι όσο το δυνατόν ρεαλιστική, μια και θα περιλαμβάνει και το χρόνο μελέτης -
κατασκευής - εγκατάστασης. Είναι απολύτως κατανοητό πως η απαιτούμενη ενέργεια σε κάθε
τομέα και για κάθε χρήση, ποικίλλει από έτος σε έτος, αλλά υπάρχει μια δεδομένη τάση, η οποία
επιτρέπει να βγουν όσο το δυνατόν αξιόπιστα συμπεράσματα για το μέλλον.
Στη συνέχεια, με δεδομένες τις ενεργειακές απαιτήσεις, θα γίνει μια προσπάθεια διαστασιολόγησης των συστημάτων και τέλος αφού αυτά θα έχουν υπολογιστεί σε καθαρά θεωρητική βάση, θα εκτιμηθεί η
λειτουργικότητά τους και θα αξιολογηθούν για πιθανή βελτιστοποίηση.
την ικανοποίηση των πρωταρχικών αναγκών των κατοίκων της Πάτμου, αλλά και όποτε είναι
δυνατόν για δευτερεύουσες οικιακές χρήσεις. Εννοείται πως στους υπολογισμούς θα ληφθούν
υπόψη όλες οι ξενοδοχειακές μονάδες και τα ενοικιαζόμενα διαμερίσματα. Πόσιμο νερό θα
παραχθεί με τη μέθοδο της αφαλάτωσης και μάλιστα θα χρησιμοποιηθεί η τεχνική της ηλιακής
απόσταξης.
Βάσει του προβλεπόμενου πληθυσμού της Πάτμου το 2005, τόσο σε χειμερινή, όσο και σε
θερινή περίοδο και με γνώμονα μια μέση κατανάλωση νερού ανά άτομο, θα προκύψει η
κατανάλωση νερού ανά μήνα. Χρησιμοποιώντας τις τιμές που θα προκύψουν και λαμβάνοντας
υπόψη τη δυσμενέστερη περίπτωση (μέγιστη κατανάλωση), θα διαστασιολογηθούν τα ηλιακά
συστήματα απόσταξης. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας στοιχεία που αφορούν τη μέση ηλιακή
ακτινοβολία (kWh / m2·mo) στην Πάτμο, θα εκλεγούν τα κατάλληλα συστήματα, έτσι ώστε να
καλύπτουν την απαιτούμενη ενέργεια. Ανάλογα με τη μορφή και τις ιδιότητες των συστημάτων
αυτών, θα προκύψουν οι δυναμικότητες– αποδόσεις των συστημάτων.
Οι απαιτήσεις σε πόσιμο νερό θα υπολογιστούν για την περίοδο μέγιστης κατανάλωσης, δηλαδή το καλοκαίρι, όπου εκτός του υπάρχοντος πληθυσμού, το νησί φιλοξενεί το μέγιστο δυνατό αριθμό τουριστών
(πληρότητα ξενοδοχείων και ενοικιαζόμενων δωματίων 100 %). Στις προηγούμενες δύο παραγράφους, εκτιμήθηκε πως το έτος 2005, οι μόνιμοι κάτοικοι του νησιού θα φτάνουν τους 2.900, ενώ οι επιπλέον κάτοικοι που θα μπορούν να φιλοξενήσουν τα διάφορα τουριστικά καταλύματα τους 3.090. Δηλαδή ο
πληθυσμός του νησιού θα φτάνει περίπου τα 6.000 άτομα σε περίοδο μέγιστης τουριστικής κίνησης. Φυσικά πρέπει να τονιστεί πως οι υπολογισμοί αυτοί είναι καθαρά εμπειρικοί και σε καμία περίπτωση δεν μπορούν να χαρακτηριστούν ως πραγματικά δεδομένα. Πάντως, τα στοιχεία αυτά είναι σε θέση να δώσουν μια γενική εικόνα των αναγκών του νησιού και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαστασιολόγηση των ηλιακών
συστημάτων.
Η μέση κατανάλωση νερού ανά άτομο, για πόσιμο νερό, επιλέγεται 5 lt/d, οπότε η ημερήσια
παραγωγή για την κάλυψη των αναγκών του συνόλου του πληθυσμού (6.000 άτομα), θα πρέπει να
πλησιάζει τα 30.000 lt (30 m3). Η επιλογή της παραπάνω τιμής δίνει τη δυνατότητα σε μια
τετραμελή οικογένεια για παράδειγμα, να της αντιστοιχεί μια ημερήσια ποσότητα καθαρού νερού
της τάξης των 20 lt. Η τιμή αυτή φαντάζει ιδιαίτερα ικανοποιητική, μια και προκύπτει ένα ημερήσιο
πλεόνασμα της τάξης των 12 lt, αν αναλογιστεί κανείς πως ένας άνθρωπος πίνει κατά μέσο όρο 2
lt νερό την ημέρα Το πλεόνασμα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δευτερεύουσες χρήσεις όπως
μαγείρεμα, πλύσιμο δοντιών, πιάτων, κλπ. Αναλυτική παρουσίαση του συστήματος θα γίνει σε
θερμοκρασία αέρα 20 0C, μέση ταχύτητα ανέμου 1 m/s, κάθετος προσανατολισμός στον ήλιο.
Απόδοση κυψέλης χωρίς επικάλυψη (nC ~ 0,14)
Προκύπτει για θερμοκρασία κυψέλης 28 0C και ακτινοβολία 100 mW / cm2.
Απόδοση συνένωσης κυψελών (nP ~ 0,92)
Απόδοση οπτικής μεταφοράς (nT ~ 0,95)
Προκύπτει από τη συμπίεση των διάφορων υλικών στην κατασκευή της ηλιακής κυψέλης
Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτει μια μέση απόδοση του πλαισίου nM = 0,112.
ii. Καλωδιώσεις μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος (nDC ~ 0,98)
Η απόδοση είναι συνάρτηση κυρίως του μήκους των καλωδιώσεων και λαμβάνεται ως
μια αντιπροσωπευτική τιμή nDC ~ 0,98.
iii. Μονάδα μετατροπής ισχύος nPC (ρυθμιστές τάσης, μετασχηματιστής DC/AC)
Μια μέση απόδοση λαμβάνεται περίπου nPC ~ 0,9.
Τελικά μετά από όλα αυτά προκύπτει:
nol = nM · nDC · nPC = 0,112 · 0,98 · 0,9 = 0,1
Η απόδοση αυτή μπορεί να ελαττωθεί από πρόσθετους παράγοντες, όπως είναι η κάλυψη
του πλαισίου από σκόνη (95 %), η ύπαρξη καλύμματος (95 %), η παλαίωση πλακετών (97 %), οι
απώλειες της μπαταρίας εφόσον υπάρχει (85 %). Λαμβάνοντας υπόψη και αυτούς τους
παράγοντες, εκλέγεται μια μέση απόδοση nol = 0,09 τιμή, που θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια.
Χρησιμοποιώντας λοιπόν τους πίν 9.22 και πίν 2.2 προκύπτει ο πίν 9.24, όπου υπολογίζεται η απαιτούμενη επιφάνεια συλλογής ώστε σε κάθε περίπτωση να καλύπτονται οι ανάγκες 100%.
απαιτούμενη επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Η επιλογή της τελικής θέσης
εγκατάστασης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, οι κυριότεροι των οποίων είναι η μορφολογία
του εδάφους, η αξία της γης και φυσικά η απόσταση από την κατανάλωση. Το μεγαλύτερο κομμάτι
του πληθυσμού του νησιού της Πάτμου, συγκεντρώνεται σε τέσσερις οικισμούς (Σκάλα, Χώρα,
Κάμπος και Γροίκος), με τη Σκάλα να συγκεντρώνει σχεδόν το 50 % του πληθυσμού. Είναι
προφανές, παρατηρώντας το χάρτη της εικ 9.2, πως η πιο ενδεδειγμένη περιοχή για εγκατάσταση
θα ήταν κάποια κατάλληλα διαμορφωμένη έκταση (όσο το δυνατόν επίπεδη), βόρεια της Σκάλας,
όπου είναι φανερό πως προσφέρονται μεγάλες διαθέσιμες εκτάσεις, μια και το σύνολο σχεδόν των
κατοικιών βρίσκονται στα νότια του νησιού ( με εξαίρεση την ευρύτερη περιοχή του Κάμπου).
Φυσικά για να γίνει η επιλογή της τελικής θέσης, θα πρέπει πρώτα να υπολογιστεί η συνολικά απαιτούμενη επιφάνεια γης, η οποία θα φιλοξενήσει το σύνολο των Φ/Β πλαισίων, μαζί με τα υπόλοιπα τμήματα της
εγκατάστασης.
Στην παράγραφο 2.4.5.8, παρουσιάστηκε ένα μοντέλο τοποθέτησης των πλαισίων έτσι ώστε
να μην σκιάζει το ένα το άλλο, κάτι που θα δημιουργούσε ιδιαίτερα προβλήματα στην παραγωγή
της επιθυμητής ισχύος. Τα πλαίσια θα συνενωθούν κατά μήκος της μικρής διάστασης τους (990,6
mm), σχηματίζοντας έτσι τις λεγόμενες σειρές πλαισίων, το πλήθος των οποίων θα δημιουργήσει
τη συστοιχία των φωτοβολταϊκών (Φ/Β πάρκο). Τα πλαίσια ναι μεν εφάπτονται, αλλά ηλεκτρικά
είναι συνδεδεμένα ανά δύο. Το πλήθος των πλαισίων που θα αποτελούν την κάθε σειρά θα
προκύψει με γνώμονα τη μικρότερη δυνατή επιφάνεια. Για να προκύψει το πλήθος των 123.742
τεμαχίων πολλαπλασιάζονται το πλήθος των σειρών με τον αριθμό των πλαισίων ανά σειρά. Στην
κάθε σειρά επιλέγεται να ενωθούν ηλεκτρικά κάποιος αριθμός πλαισίων, έτσι ώστε το σύστημα να
παρουσιάζει μια σχετική αυτοδυναμία, σε περίπτωση που κάποιο από τα πλαίσια πάψει για
οποιοδήποτε λόγο να λειτουργεί. Ο αριθμός αυτός θα είναι συνάρτηση τόσο της επιθυμητής τάσης
εξόδου, όσο και του πλήθους των inverter που θα προκύψουν (βλέπε επόμενη παράγραφο).
Στη συνέχεια θα πρέπει να υπολογιστεί η ελάχιστη απαιτούμενη απόσταση μεταξύ των σειρών, έτσι ώστε να αποφεύγεται το φαινόμενο της σκίασης (βλέπε και εικ 2.40).
Με χρήση των σχέσεων Σ 2.50 και Σ 2.51 και με τη βοήθεια του διαγράμματος α) της εικ 2.41
προκύπτει ο πίν 9.26, όπου επιλέγονται διαδοχικά διάφορες κατακόρυφες αποστάσεις δ, ανάμεσα
στις σειρές πλαισίων και προκύπτουν έτσι οι απαιτούμενες εκτάσεις κάθε φορά. Μαζί με την
κατακόρυφη απόσταση δ, επιλέγεται αυθαίρετα και το πλήθος των σειρών, ώστε να προκύψει έτσι
το βέλτιστο αποτέλεσμα (μικρότερη έκταση εγκατάστασης).
Από την ανάλυση των δεδομένων του πίν 9.26 προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:
i) Αύξηση της κατακόρυφης απόστασης μεταξύ των σειρών δ, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση
της συνολικής επιφάνειας εγκατάστασης. Η ελάττωση πάντως, της προκύπτουσας
επιφάνειας εξαιτίας της αύξησης αυτής, δε φαίνεται να δικαιολογεί το επιπλέον κόστος που
είναι συνέπεια της ανάγκης για κατασκευή πολύπλοκων βάσεων στήριξης των πλαισίων.
Κατά συνέπεια παρουσιάζεται ασύμφορη η σταδιακή υπερύψωση των σειρών, επιλέγεται
δηλαδή δ = 0. Πρέπει εδώ να τονιστεί πως η επιλογή αυτή είναι σημαντικά εξαρτώμενη από
τη μορφή της διαθέσιμης έκτασης (σχήμα, επιπεδότητα, κλπ.).
ii) Το πλήθος των σειρών δεν μεταβάλλει αισθητά το εμβαδόν της επιφάνειας (αύξηση του Ν έχει σαν αποτέλεσμα ελαφρά αύξηση της επιφάνειας), αλλά επηρεάζει σημαντικά τη μορφή της έκτασης,
δηλαδή το μήκος των πλευρών του ορθογωνίου που προκύπτει. Αυτός ο παράγοντας πρέπει να τύχει ιδιαίτερης προσοχής, σε περίπτωση που η τελική επιφάνεια εγκατάστασης είναι καθορισμένη.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω συμπεράσματα επιλέγεται ενδεικτικά (βάσει του πίν 9.26), η εξής κατανομή:
δ = 0 (∆εν υπάρχει ανύψωση πλαισίων ανάμεσα στις διάφορες σειρές).
Ν = 211 σειρές (ε ~ 2,1 m), που δημιουργούν μια διάσταση L = 442 m περίπου.
Κάθε σειρά θα αποτελείται από 588 πλαίσια, ενώ η τελευταία σειρά θα έχει 262 (326 πλαίσια
λιγότερα). Το μήκος της κάθε σειράς αποτελεί ταυτόχρονα και την άλλη διάσταση της
προκύπτουσας έκτασης και είναι D = 650 m περίπου. Το εμβαδόν της συνολικής έκτασης θα είναι:
L·D = 442·650 = 287.300 m2 (288 στρέμματα περίπου). Η επιπλέον επιφάνεια που προκύπτει θα
χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση των βοηθητικών τμημάτων (μπαταρίες inverter, καλωδιώσεις,
κλπ. Τέλος πρέπει να επισημανθεί πως τα Φ/Β πλαίσια θα έχουν γωνία κλίσης 30 0 (βλέπε
9.3.2.1.1), ενώ για τη μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών θα έχουν νότιο-ανατολικό
προσανατολισμό.
Πίνακας 9.26: Υπολογισμός απαιτούμενης έκτασης για την εγκατάσταση των Φ/Β πλαισίων
Τα υπόλοιπα 395 m2 αντιστοιχούν σε 112 συλλέκτες οι οποίοι θα κατανεμηθούν
ανάλογα με τις ανάγκες.
Η επιλογή των δεξαμενών αποθήκευσης (boiler), θα γίνει έτσι ώστε να αντιστοιχούν
περίπου 50 lt ζεστού νερού ανά κάτοικο. Έτσι αν επιλεχθούν τυποποιημένα boiler 200 lt, τότε
για οικιακή χρήση θα πρέπει να υπάρχουν συνολικά στο νησί:
boiler
ltά
ltά
200
50 900.2
= 725 boiler
Για την εγκατάσταση του συνόλου των συλλεκτών (οικιακό τομέα), αλλά και των boiler εκτιμάται πως μια συνολική έκταση 50 περίπου στρεμμάτων (4 ξεχωριστές εκτάσεις) είναι αρκετή. Επιλέγεται απόσταση στήριξης κατά τη μεγάλη διάσταση των συλλεκτών (πλάγια) 2 m και 3 m κατά τη μικρή διάσταση (μπρος-πίσω). Έτσι αποφεύγονται προβλήματα σκίασης κατά την κίνηση του ήλιου και εξασφαλίζεται η απρόσκοπτη και αποδοτική λειτουργία των συλλεκτών. Φυσικά πρέπει να τονιστεί πως είναι δυνατή η τοποθέτηση των συλλεκτών, αλλά και των boiler στις ταράτσες ή στις αυλές των επιμέρους κατοικιών.
Ξενοδοχεία
Όσον αφορά τα ξενοδοχεία, τα πράγματα είναι κάπως διαφορετικά και αυτό γιατί ο
πληθυσμός μεταβάλλεται ανάλογα με την πληρότητα του μήνα. Η μέγιστη συλλεκτική
επιφάνεια που υπολογίστηκε, έτσι ώστε οι ενεργειακές ανάγκες να καλύπτονται 100 %, είναι
3.863 m2 (Αύγουστος). Με δεδομένη πληρότητα 100 %, οι τουρίστες που μπορούν να
φιλοξενηθούν ημερησίως από τα διάφορα τουριστικά καταλύματα, στην Πάτμο
υπολογίστηκαν σε 3.090 άτομα. Αυτό σημαίνει πως αντιστοιχούν περίπου 1,25 m2 ανά
άτομο. Με δεδομένη μια κατανάλωση περίπου 80 lt/ατ, θα επιλεχθούν boiler των 300L
(Τύπος 10, εικ 9.35) και συλλεκτικής επιφάνειας 3,9 m2. Επομένως για να καλυφθεί η
συνολική επιφάνεια των 3.863 m2 υπολογίζεται πως απαιτούνται περίπου 991 ηλιακοί
Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα ισοζύγια ενέργειας για κάθε τμήμα, υπολογίζονται
εκφράσεις για τις θερμοκρασίες τόσο του νερού Tw, όσο και του γυάλινου καλύμματος Tc, για
την ημερήσια παραγωγή, καθώς και για τη στιγμιαία απόδοση του ηλιακού αποστακτήρα.
9.3.2.3.1 Περιγραφή και λειτουργία του συστήματος
Ένας συμβατικός ηλιακός αποστακτήρας (βλέπε εικ 2.59 του προηγούμενου κεφαλαίου), αποτελεί το πιο απλό και πρακτικό σύστημα, το οποίο μπορεί να παράγει πόσιμο νερό, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες χρήσεις, όπως φόρτιση μπαταριών, σε χημικά εργαστήρια, σε εκπαιδευτικές παρουσιάσεις, κλπ.
Η παραγωγή νερού ενός ηλιακού αποστακτήρα μπορεί να βελτιωθεί, αυξάνοντας τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο νερό και το γυάλινο κάλυμμα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε αυξάνοντας τη θερμοκρασία του νερού, είτε ελαττώνοντας τη θερμοκρασία του καλύμματος, είτε με συνδυασμό των δύο.
Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού είναι δυνατή με τους παρακάτω τρόπους:
Εισάγοντας μαύρη βαφή στο νερό
Ελαττώνοντας τις πλευρικές απώλειες καθώς και τις απώλειες στο κάτω τμήμα
Ελαττώνοντας τη μάζα νερού
Κάπου εδώ πρέπει να τονιστεί πως δεν λαμβάνεται υπόψη η περίπτωση της
συγκέντρωσης της ακτινοβολίας (συγκεντρωτικοί συλλέκτες, γραμμικής ή σημειακής
εστίασης) για δύο κυρίως λόγους:
α) Είναι γνωστό πως οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες δεν εκμεταλλεύονται τη διάχυτη
ακτινοβολία, αλλά μόνο την άμεση. Επειδή ακριβώς οι ηλιακοί αποστακτήρες θα
λειτουργούν όλο το χρόνο, οι απώλειες μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικές, αφού τα
επίπεδα διάχυτης ακτινοβολίας, ιδιαίτερα το χειμώνα είναι εξίσου σημαντικά με τα
αντίστοιχα επίπεδα της άμεσης. Εκτός όμως από το θέμα της «χαμένης» ενέργειας,
τίθεται και θέμα κόστους. Έτσι λοιπόν αν ζητηθεί κατασκευή του συστήματος με τέτοιο
τρόπο, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη απορρόφηση ακτινοβολίας (άμεση και διάχυτη),
τότε θα πρέπει να κατασκευαστούν πολύπλοκα καθοδηγητικά συστήματα σε κάθε
συλλέκτη, έτσι ώστε αυτός να παρακολουθεί πάντα την πορεία του ήλιου. Το κόστος
που προκύπτει θα είναι σημαντικά υψηλότερο αν αναλογιστεί κανείς το πλήθος των
συσκευών που θα προκύψουν για μια εγκατάσταση τέτοιας δυναμικότητας.
β) Σκοπός της παρουσίασης αυτής είναι η μελέτη για μια εγκατάσταση αφαλάτωσης
θαλασσινού νερού με ηλιακή απόσταξη και πρέπει να τονιστεί πως δεν αναμένεται να
έχει βιομηχανική εφαρμογή, αφού κύριος στόχος είναι η παραγωγή πόσιμου νερού
για οικιακή χρήση. Είναι γνωστό πως η χρήση συγκεντρωτικών συλλεκτών παρέχει τη
δυνατότητα παραγωγής, ακόμα και ατμού (> 300 0C). Αυτά τα επίπεδα θερμοκρασιών
σίγουρα είναι αναγκαία, σε άλλες όμως εφαρμογές και όχι για οικιακή χρήση, αφού
στην περίπτωση αυτή επιδιώκονται επίπεδα θερμοκρασιών πολύ κάτω των 100 0 C.
Κύριο μέλημα λοιπόν, στην περίπτωση αυτή, θα είναι η ελάττωση των απωλειών και
για αυτό ο αποστακτήρας έχει κατάλληλη διαμόρφωση (εικ 9.37 [9]), ενώ η απορρόφηση της
ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται από το κάτω τμήμα του (επιδιώκεται «προστασία» της πλάκας
iv. Οι θερμοκρασίες του νερού Tw, καθώς και του καλύμματος συμπύκνωσης Tc, έχουν χρησιμοποιηθεί ώστε να εκτιμηθούν οι εσωτερικοί συντελεστές μεταφοράς θερμότητας.
Έτσι η εξίσωση Σ 9.23 παίρνει τη μορφή:
tTttf
T ww
expexp1)(
0 (Σ
9.31)
όπου 0wT η θερμοκρασία του νερού τη χρονική στιγμή t = 0.
Επίσης από τη Σ 9.11 προκύπτει η θερμοκρασία του καλύμματος συμπύκνωσης Tc ,
ως συνάρτηση της θερμοκρασίας του νερού Tw.
cw
acwwc hh
ThThT
(Σ
9.32)
ενώ η παραγωγή νερού ανά ώρα και μονάδα επιφανείας cwm.
(kg/m2·h), προκύπτει με
συνδυασμό των Σ 9.23 και Σ 9.32.
cwm.
L
TTh cwew · 3.600 (Σ
9.33)
Τo μόνο που μένει να οριστεί είναι η στιγμιαία απόδοση απόσταξης, η οποία
υπολογίζεται ως εξής:
)()()(
.
tI
TTh
tI
qtn cw
ewew
(Σ 9.34)
Ονοματολογία
As = Επιφάνεια απορρόφησης ηλιακού αποστακτήρα (m2)
Το έδαφος της δεδομένης περιοχής θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν επίπεδο, με εύκολη πρόσβαση και υπάρχον οδικό δίκτυο φυσικά. Το σημαντικότερο ίσως κριτήριο που θα πρέπει να ικανοποιείται όμως, είναι το χαμηλό υψόμετρο σε σχέση με το επίπεδο της θάλασσας. Αυτό, γιατί δεδομένου ότι το νερό θα πρέπει να αντληθεί από τη θάλασσα, μέχρι το κατακόρυφο επίπεδο, όπου βρίσκονται οι αποστακτήρες, υπεισέρχεται ένας βασικός παράγοντας που διαμορφώνει το κόστος της εγκατάστασης και είναι το κόστος αντλιών.
Οι αντλίες, όπως είναι ευρύτερα γνωστό, διακρίνονται από δύο κύρια τεχνικά
χαρακτηριστικά, το μανομετρικό ύψος και τη μέγιστη παροχή ρευστού.
Το μανομετρικό ύψος (διαστάσεις πίεσης), είναι με λίγα λόγια οι αντιστάσεις που
πρέπει να υπερνικήσει η αντλία κατά τη μεταφορά του ρευστού και έχει τρεις συνιστώσες.
i. Γεωδετικό ύψος
Είναι το κατακόρυφο ύψος που πρέπει να ανυψώσει η αντλία, τη δεδομένη ποσότητα ρευστού. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, είναι η διαφορά υψομέτρου ανάμεσα στο επίπεδο της θάλασσας και το επίπεδο των αποστακτήρων.
ii. Απώλειες ευθύγραμμων τμημάτων
Είναι οι απώλειες πίεσης του ρευστού κατά την κίνησή του σε ευθύγραμμα τμήματα του συστήματος των σωληνώσεων. Είναι ανάλογες του τετραγώνου της ταχύτητας. Έτσι επιδιώκεται στο μέτρο του δυνατού, μεγάλη διατομή των αγωγών τροφοδοσίας, έτσι ώστε η ταχύτητα ροής να παραμένει μικρή
(«νόμος συνέχειας»,
cm )
Όπου:
m , η παροχή ρευστού (kg/sec)
c , η ταχύτητα του ρευστού (m/sec)
, η πυκνότητα του ρευστού (kg/m3)
, η διατομή του αγωγού (m2)
iii. Επιμέρους απώλειες
Είναι συνάρτηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του δικτύου (καμπύλες, ορθές γωνίες, διακλαδώσεις, κλπ).
Γίνεται κατανοητό πως όσο μεγαλύτερο το μανομετρικό ύψος της αντλίας, τόσο αυξάνεται και το κόστος της.
Η παροχή ρευστού της αντλίας από την άλλη, είναι συνάρτηση των ιδιαίτερων αναγκών που αναμένεται να καλύψει και επιλέγεται ανάλογα.
Απόσταση από την κατανάλωση
Οι αποστακτήρες θα πρέπει να εγκατασταθούν σε μια περιοχή, όσο το δυνατόν κοντά σε κεντρικό αγωγό ύδρευσης, έτσι ώστε να προσαχθεί το αφαλατωμένο νερό άμεσα στο υπάρχον δίκτυο, χωρίς
επιπλέον κόστος κατασκευής σωληνώσεων. Επίσης, επιδιώκεται ο κεντρικός αγωγός, όπου θα συγκεντρώνεται η ποσότητα αφαλατωμένου ρευστού από κάθε αποστακτήρα, να βρίσκεται πιο ψηλά από τον αγωγό ύδρευσης (όπου θα καταλήγει το ρευστό), έτσι ώστε με τη βοήθεια της διαφοράς υψομέτρου, να υπάρχει διαρκής φυσική ροή προς την κατανάλωση.
Όσον αφορά τη διάταξη των αποστακτήρων, στον πίν 9.32 υπολογίζεται η συνολικά απαιτούμενη έκταση για την εγκατάσταση των 6.049 συσκευών με την προϋπόθεση ότι κάθε συσκευή πρέπει να απέχει 1,5 m από τις γειτονικές της συσκευές και αυτό για να μην δημιουργούνται προβλήματα σκίασης, κάτι που θα επιδρούσε αρνητικά στην επιθυμητή ημερήσια παραγωγή. Επίσης στον ενδιάμεσο χώρο τοποθετούνται τόσο ο αγωγός προσαγωγής του θαλασσινού νερού, όσο και του αγωγού απαγωγής του αφαλατωμένου νερού. Από τα αποτελέσματα του πίν 9.32, προκύπτει πως μία έκταση γύρω στα 37 στρέμματα θα ήταν απαραίτητη. Έτσι επιλέγονται 60 σειρές αποστακτήρων από 101 αποστακτήρες η κάθε σειρά (6.060 αποστακτήρες). Η προκύπτουσα επιφάνεια είναι 37,2 στρέμματα περίπου και οι διαστάσεις θα είναι 148,5 m · 251 m. Στο κεφάλαιο 4, όπου αναζητείται η βέλτιστη λύση από άποψη κόστους και ποσοστού κάλυψης, προτείνεται και το τελικό σύστημα προς εφαρμογή.
Πίνακας 9.32: Υπολογισμός της απαιτούμενης έκτασης για εγκατάσταση των ηλιακών αποστακτήρων, Πάτμος 2005
10 ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΠΑΤΜΟΥ
10.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο 9 έγινε μια προσπάθεια υπολογισμού των ενεργειακών αναγκών, σε ετήσια βάση, για το νησί της Πάτμου. Πιο συγκεκριμένα, οι υπολογισμοί αφορούσαν την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών για χρήση ηλεκτρικού ρεύματος και παραγωγή ζεστού νερού για το σύνολο των χρήσεων. Προχωρώντας ένα στάδιο παρακάτω, έγινε μια προσπάθεια εκτίμησης των απαιτούμενων ενεργειακών συστημάτων και των κυριότερων χαρακτηριστικών τους. Η διαστασιολόγηση των συστημάτων αυτών έγινε με κριτήριο την κάλυψη του 100 % της απαιτούμενης ενέργειας, αποκλειστικά από ηλιακή ενέργεια. Στο κεφάλαιο αυτό, το οποίο αποτελεί και το τελευταίο βήμα μελέτης, θα αξιολογηθούν τα παραπάνω συστήματα και θα υπολογιστεί το κόστος εγκατάστασής τους. Έτσι θα βγουν τα τελικά συμπεράσματα και θα προκύψει κατά πόσο είναι εφικτό να εφαρμοστούν και να λειτουργήσουν σε πραγματική βάση. Επίσης, ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε ενεργειακού συστήματος, είναι ο χρόνος απόσβεσής του ή αλλιώς όπως λέγεται, ο χρονικός ορίζοντας στον οποίο το σύστημα αποδίδει τα χρήματα επένδυσης. Ο παραπάνω παράγοντας είναι καθοριστικής σημασίας και ουσιαστικά χαρακτηρίζει ένα σύστημα ως εφαρμόσιμο ή μη. Φυσικά για να υπολογιστεί ο χρόνος απόσβεσης κάποιου ενεργειακού συστήματος προς εφαρμογή, είναι απαραίτητος πρώτα από όλα ο υπολογισμός κόστους παραγωγής και χρήσης της ενέργειας, από το δεδομένο σύστημα προς αντικατάσταση. Κάτι ανάλογο θα υπολογιστεί και για το σύστημα παραγωγής πόσιμου νερού με τη μέθοδο της ηλιακής απόσταξης.
Τέλος, θα παρουσιαστούν οι επιπτώσεις στο νησί, από τη χρήση τέτοιων συστημάτων (ανανεώσιμων μορφών ενέργειας), κυρίως στον τομέα της προστασίας του περιβάλλοντος, ενώ θα αναλυθούν οι συνέπειες ευρύτερα, στον κοινωνικό και αναπτυξιακό τομέα του νησιού.
Στην παράγραφο αυτή θα γίνει η συνολική αξιολόγηση της επένδυσης (για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού) και θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της καθαρής παρούσας αξίας. Έτσι θα υπολογιστεί αναλυτικά το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το υπάρχον σύστημα (συμπεριλαμβανομένου και του κόστους παραγωγής ζεστού νερού), ενώ στη συνέχεια θα υπολογιστεί το κόστος επένδυσης του συστήματος προς εφαρμογή. Τέλος θα εκτιμηθούν και θα επιλεγούν κατάλληλα όλα τα απαραίτητα οικονομικά δεδομένα ώστε να εφαρμοστεί η παραπάνω μέθοδος. Στόχος θα είναι ο υπολογισμός του χρονικού ορίζοντα, στο τέλος του οποίου η συνολική εγκατάσταση και χρήση του συστήματος θα έχει αποφέρει οικονομικά οφέλη. Τα οφέλη αυτά θα προκύψουν από τη μη χρησιμοποίηση του υπάρχοντος συστήματος παραγωγής ενέργειας και την εξοικονόμηση των οικονομικών πόρων που συνεπάγεται το γεγονός αυτό.
Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 9, οι ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα του νησιού της Πάτμου, καλύπτονται προς το παρόν από κάποιο μικρό σταθμό ισχύος που είναι ήδη εγκατεστημένος εκεί. Εκτιμήθηκε πως η αναμενόμενη ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια το 2005, για το νησί της Πάτμου, θα φτάνει τις 16.849.387 kWh. Αυτή η τιμή θα χρησιμοποιηθεί και για την εκτίμηση του κόστους λειτουργίας ενός συμβατικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (συμπεριλαμβανομένου και θερμότητας για ζεστό νερό), έτσι ώστε να προκύψουν άμεσα συγκρίσιμα στοιχεία.. Εδώ κάπου θα γίνει η θεώρηση πως η παραπάνω τιμή είναι η ανώτατη τιμή που μπορεί να συναντήσει κανείς και πως κατά μέσο όρο, θα εμφανίζεται ως ζήτηση τα επόμενα χρόνια. Με άλλα λόγια, θεωρείται ότι η ανεξέλεγκτη αύξηση της ζήτησης σε ηλεκτρικό ρεύμα, θα πάρει ένα τέλος και πως η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας θα κυμανθεί στα επίπεδα της παραπάνω τιμής. Στον πίν 9.12 του προηγούμενου κεφαλαίου, αναφέρονται τα κόστη ηλεκτροπαραγωγής από τους διάφορους αυτόνομους σταθμούς ισχύος στα Δωδεκάνησα. Τα στοιχεία αφορούν το έτος 1994 και θα χρησιμοποιηθούν μια και αποτελούν τα μόνα διαθέσιμα στοιχεία. Από τα στοιχεία του πίν 9.12 λοιπόν, λαμβάνεται ένα κόστος ηλεκτροπαραγωγής για τον αυτόνομο σταθμό ισχύος της Πάτμου 63,62 δρχ/kWh.
Θεωρώντας την παραπάνω τιμή αντιπροσωπευτική και πρακτικά αμετάβλητη, θα υπολογιστεί το μέσο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο για θέρμανση νερού, όσο και για καθαρά ηλεκτρικές χρήσεις.
Λαμβάνοντας τα δεδομένα των πινάκων 9.19, 9.21, 9.22, προκύπτει πως για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά και ζεστού νερού για οικιακή και ξενοδοχειακή χρήση, απαιτούνται συνολικά 16.117.348 kWh. Με δεδομένο, λοιπόν κόστος ηλεκτροπαραγωγής 63,62 δρχ./kWh, τότε σύμφωνα με τα παραπάνω, η ΔΕΗ θα πληρώνει ετησίως, μόνο για καθαρή ηλεκτροπαραγωγή:
Φυσικά, το κόστος λειτουργίας του σταθμού θα είναι πολύ μεγαλύτερο, αφού θα πρέπει να συνυπολογιστούν τόσο τα έξοδα αμοιβής του προσωπικού, όσο και τα έξοδα, συντήρησης, αντικατάστασης μηχανημάτων, κλπ. Αναλυτικά λοιπόν, γίνονται οι παρακάτω προσαυξήσεις [11]:
10 % για αμοιβές προσωπικού
15 % για συντήρηση και αποκατάσταση ζημιών
15 % για ασφάλιση εξοπλισμού, εγκαταστάσεων και ανθρώπινου δυναμικού
Οι παραπάνω προσαυξήσεις δημιουργούν ένα μέσο, ετήσιο κόστος λειτουργίας που φθάνει τα 1.435.540.000 δρχ. Το κόστος αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσιο κέρδος κατά την εφαρμογή της μεθόδου, μια και τα χρήματα αυτά θα εξοικονομούνται, από τη μη λειτουργία του συμβατικού σταθμού ισχύος.
10.2.2 Εκτίμηση κόστους των επιμέρους ενεργειακών συστημάτων προς εφαρμογή
Στην παράγραφο αυτή θα γίνει μια προσπάθεια εκτίμησης του συνολικού κόστους για κάθε σύστημα χωριστά, λαμβάνοντας υπόψη τόσο το κόστος αγοράς και διαμόρφωσης της εκάστοτε έκτασης, όσο και το κόστος χρήσης των συστημάτων, αμοιβές προσωπικού, συντήρηση, κλπ.
10.2.2.1 Κόστος φωτοβολταϊκού συστήματος Η ανάλυση κόστους θα αρχίσει από μηδενική βάση και θα αποτελείται από τα επιμέρους κόστη [11]:
Οικόπεδο
Στην παράγραφο 9.3.2.1.2 υπολογίστηκε πως για την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων, αλλά και του βοηθητικού εξοπλισμού, μπαταρίες, inverter, καλωδιώσεις κλπ, απαιτείται έκταση 288 στεμμάτων περίπου. Λαμβάνεται μια ενδεικτική τιμή γύρω στα 140.000.000 για όλη την έκταση (ακατοίκητη, απομακρυσμένη, εκτός σχεδίου περιοχή). Στο κόστος συμπεριλαμβάνεται και τυχών διαμόρφωση του χώρου, συρματοπλέγματα, δημιουργία υπόστεγων για προστασία των ηλεκτρικών συσκευών κλπ.
Τα παραπάνω στοιχεία δημιουργούν ένα κόστος 35.389.274.000 δρχ. Σε αυτή την τιμή θα γίνει μια προσαύξηση 5 % περίπου, η οποία θα περιλαμβάνει τις καλωδιώσεις, τα διάφορα στηρίγματα, κάποια ρυθμιστικά τάσης και έντασης και τη βοηθητική γεννήτρια. Έτσι, εκτιμάται πως το κόστος εξοπλισμού θα φτάσει τα 37.158.737.700 δρχ.
Μεταφορά και εγκατάσταση εξοπλισμού
Το κόστος μεταφοράς εκτιμάται περίπου 2 % της αξίας του εξοπλισμού, ενώ το κόστος εγκατάστασης 3 % της αξίας του εξοπλισμού. Τα δύο αυτά μαζί διαμορφώνουν ένα επιπλέον κόστος 1.857.937.000 δρχ.
Συντήρηση και αντικατάσταση
Τα έξοδα συντήρησης εκτιμάται πως θα αγγίζουν το 1 % της αξίας του εξοπλισμού. Αυτό σημαίνει πως διαμορφώνουν ένα επιπλέον κόστος 371.588.000 δρχ. Το κόστος αυτό δεν αφορά το πάγιο κόστος του συστήματος, αλλά θεωρείται ως ετήσια δαπάνη.
Συνολικά τώρα το πάγιο κόστος για τη δημιουργία της απαραίτητης έκτασης, μαζί με την αγορά του οικοπέδου, την αγορά, μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού, προκύπτει:
KΦ/Β = 39.016.675.000 δρχ.
(Όλες οι παραπάνω τιμές αναφέρονται στο έτος 2001. Οι αρχικές αξίες είχαν βρεθεί σε $ και μετατράπηκαν σε δρχ., λαμβάνοντας μια ισοτιμία δολαρίου έναντι δραχμής 1$ ~ 410 δρχ.)
Στην παράγραφο 9.3.2.2.1 εκτιμήθηκε πως μια έκταση 50 περίπου στρεμμάτων είναι αρκετή για την εγκατάσταση όλου του εξοπλισμού. Η παραπάνω έκταση διαμορφώνει ένα κόστος αγοράς και διαμόρφωσης οικοπέδου 25.000.000 δρχ. περίπου.
Οι συλλέκτες και τα boiler μαζί δημιουργούν ένα κόστος 942.972.000 δρχ.
Η παραπάνω τιμή προσαυξάνεται για τους εξής λόγους:
10 % για τη δημιουργία των βάσεων στήριξης
10 % για την αγορά βοηθητικού εξοπλισμού (αντλίες, ρυθμιστικά πίεσης, σωληνώσεις, κλπ)
10 % για τη μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού
Όλα τα παραπάνω διαμορφώνουν ένα πάγιο κόστος αγοράς και εγκατάστασης του εξοπλισμού: KΘΕΡ = 1.225.863.600 δρχ.
Στις ετήσιες δαπάνες, οι οποίες θα αφορούν κάποια επίβλεψη, συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση κάποιων τμημάτων αντιστοιχεί ένα μέσο ετήσιο κόστος 5 % της αξίας του εξοπλισμού [11], δηλαδή 62.000.000 δρχ. περίπου.
10.2.2.3 Εφαρμογή της μεθόδου Η συγκεκριμένη μέθοδος αξιολόγησης μιας επένδυσης, λαμβάνει υπόψη της, τη χρονική αξία του χρήματος. Συγκεκριμένα, υπολογίζονται οι παρούσες αξίες όλων των μελλοντικών χρηματικών ποσών, είτε αυτά είναι έσοδα, είτε δαπάνες και διαμορφώνεται το συνολικό άθροισμά τους. Η σχέση υπολογισμού της καθαρής παρούσας αξίας δίνεται από τη Σ 10.1 [11]:
ΠΑ (p) =
n
t
ttt pPP
3
1 (Σ 10.1)
Δεδομένου ότι σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει ορισμένος χρονικός ορίζοντας μέσα στον οποίο πρέπει να αξιολογηθεί η συνολική επένδυση, αλλά αναζητείται το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο αποσβένεται αυτή, τότε το παραπάνω άθροισμα θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με μηδέν [11]. Τα μεγέθη που εμφανίζονται στη Σ 10.1 είναι τα εξής:
Pεt: Οποιοδήποτε χρηματικό ποσό που εμφανίζεται ως έσοδο το έτος t.
Pδt: Οποιοδήποτε χρηματικό ποσό που εμφανίζεται ως δαπάνη το έτος t.
p: το επιτόκιο της χρηματαγοράς ή αλλιώς το επιτόκιο κεφαλαίου.
n: το πλήθος των ετών μετά το 2001 (παρούσα αξία), όπου αποσβένεται η επένδυση.
Δεδομένου ότι η παραπάνω διαφορά εσόδων – εξόδων πρέπει να είναι θετική, ώστε να έχει νόημα η επένδυση, το p προκύπτει ως εξής:
Θεωρείται ότι η θετική χρηματοροή που προκύπτει το έτος i, επενδύεται ώστε να δώσει οικονομικό όφελος το έτος i +1. Αν υποτεθεί πως το επιτόκιο καταθέσεων (σε τρέχουσες τιμές) κυμαίνεται από 4
– 6 %, με δεδομένο πληθωρισμό 3 %, προκύπτει ένα επιτόκιο κεφαλαίου p που κυμαίνεται από 1 – 3 %. Αυτές θα είναι και οι τιμές με τις οποίες θα υπολογιστεί και ο χρόνος απόσβεσης της επένδυσης.
Δηλαδή γίνεται η υπόθεση πως ένα απαραίτητο κεφάλαιο υπάρχει και επενδύεται στο τέλος του 2001, ώστε να αποφέρει οικονομικά οφέλη μετά το 2004, όπου μελετάται η εφαρμογή και η λειτουργία του νέου ενεργειακού συστήματος. Στη συνέχεια υπολογίζονται αναλυτικά τα παραπάνω στοιχεία και προκύπτει ο πίν 10.1, όπου αναγράφονται οι χρηματοροές για ένα υποτιθέμενο χρονικό ορίζοντα 52 ετών.
Έτος 2004
Στα τέλη του 2004 δεν υπάρχουν έσοδα, αλλά υπάρχει το κόστος εγκατάστασης τόσο του φωτοβολταϊκού συστήματος (39.016.675.000 δρχ.), όσο και του συστήματος των ηλιακών θερμοσιφώνων (1.225.863.600 δρχ.). Επομένως προκύπτει αρνητική χρηματοροή και ίση με
Στα επόμενα χρόνια οι χρηματοροές είναι ίδιες και διαμορφώνονται ως εξής:
Τα έσοδα προκύπτουν από τη μη χρήση του συμβατικού σταθμού ισχύος και εκτιμήθηκαν στην παράγραφο 10.2.1 σε 1.435.540.000 δρχ. Τα έξοδα προκύπτουν από τη συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση τμήματος του εξοπλισμού, τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος. Υπολογίστηκαν σε 371.588.000 δρχ. και 62.000.000 δρχ. αντίστοιχα. Και τα δύο μαζί διαμορφώνουν ένα μέσο ετήσιο κόστος 433.588.000 δρχ.
Με αντικατάσταση όλων των στοιχείων στον πίν 10.1 προκύπτει πως για επιτόκιο κεφαλαίου 1 %, ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος πλησιάζει τα 52 χρόνια, ενώ για επιτόκια κεφαλαίου 2 και 3 % αντίστοιχα, ο αντίστοιχος χρόνος είναι πολύ μεγαλύτερος (82 και άνω των 100 ετών αντίστοιχα, βλέπε Σ 10.2). Ο χρόνος προκύπτει από το έτος κατά το οποίο οι χρηματοροές που αθροίζονται κατακόρυφα στις στήλες 10-12 του πίν 10.1, έχουν άθροισμα μεγαλύτερο του μηδενός. Αυτό συμβαίνει στο τέλος του έτους 2056. Πιο συγκεκριμένα, η τιμή που προέκυψε (223.725.973,5 δρχ.), αντικατοπτρίζει τη σημερινή αξία της οικονομικής ωφέλειας, που θα προέκυπτε αν πραγματοποιούσαμε την επένδυση στο τέλος του 2004 με επιτόκιο κεφαλαίου p = 1 %.
Πρέπει να τονιστεί πως τα τρία πρώτα χρόνια (2001-2004), δεν αναφέρονται διότι ούτως ή άλλως δημιουργούν μηδενικές χρηματοροές. Εξάλλου, τα παραπάνω μπορούν να υπολογιστούν πιο σύντομα, με τη χρήση του πίν 10.2 [11], ο οποίος παρέχει τις ετήσιες αναλήψεις επί n έτη από μια παρούσα αξία μιας δραχμής. Δεδομένου ότι αντιμετωπίζεται μια δαπάνη (που στην πραγματικότητα, είναι η αρχική επένδυση), που γίνεται στην αρχή του χρονικού ορίζοντα που μας απασχολεί και αυτή ακολουθείται από μια ομοιόμορφη σειρά καθαρών εισπράξεων στη διάρκεια ζωής της επένδυσης, υπάρχει η εξής εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού.
Ο χρόνος απόσβεσης της επένδυσης για ορισμένο επιτόκιο κεφαλαίου, μπορεί να υπολογιστεί και από τη σχέση Σ 10.2 [11]:
11
1n
n
p
pp
Επένδυση Αρχική
Εισπράξεις Καθαρές Ετήσιες =
600.538.242.40
000.952.001.1 = 0,02489 (Σ 10.2)
Στη συνέχεια με χρήση του πίν 10.2 (επόμενη σελίδα) προκύπτει πως για επιτόκιο κεφαλαίου 1%, ο χρόνος απόσβεσης φτάνει τα 52 χρόνια, ενώ οι αντίστοιχοι χρόνοι για επιτόκια 2 και 3% προκύπτουν 82 και άνω των 100 ετών αντίστοιχα. Φαίνεται δηλαδή η τεράστια σημασία που έχει το επιτόκιο κεφαλαίου για τη βιωσιμότητα μιας επένδυσης, μια και καθορίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό το χρόνο στον οποίο η επένδυση αποσβένεται.
Υπενθυμίζεται πως ο χρόνος απόσβεσης αφορά την εγκατάσταση τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος και υπολογίστηκε για ποσοστό κάλυψης 100 % από την ηλιακή
ενέργεια. Στη συνέχεια, όπου αντικείμενο μελέτης θα είναι η βελτιστοποίηση του συστήματος, από άποψη ποσοστού κάλυψης, κόστους και χρόνου απόσβεσης, θα προκύψουν σαφώς πιο ευνοϊκά και ελπιδοφόρα αποτελέσματα.
Πίνακας 10.2: Ετήσιες αναλήψεις από n έτη, από παρούσα αξία μιας δραχμής,
11
1
n
n
p
pp.
10.2.3 Άμεσα συμπεράσματα - Βελτιστοποίηση Η εφαρμογή λοιπόν, της μεθόδου της καθαρής παρούσας αξίας για την αξιολόγηση συνολικά της επένδυσης τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος στην Πάτμο, έδειξε πως ο αναμενόμενος χρόνος απόσβεσης της, είναι ιδιαίτερα υψηλός και φτάνει τα 52 χρόνια για επιτόκιο κεφαλαίου 1 %. Αν παρατηρήσει κανείς τα επιμέρους κόστη που διαμορφώνουν τις ετήσιες χρηματοροές, διακρίνει πολύ εύκολα, πως το στοιχείο εκείνο που «εκτινάσσει» το πάγιο κόστος της επένδυσης, δεν είναι άλλο από την αξία των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Πράγματι επί συνόλου 40.242.538.600 δρχ. που είναι το συνολικό πάγιο κόστος, πριν τη λειτουργία του συστήματος, τα 30.316.790.000 δρχ. αντιστοιχούν στην αξία των φωτοβολταϊκών πανέλων, ποσοστό δηλαδή 75,2 %. Πρώτο άμεσο συμπέρασμα λοιπόν, είναι πως πρέπει, με κάποιο τρόπο να ελαττωθεί το συγκεκριμένο
κόστος. Για να βρεθούν όμως οι εναλλακτικές λύσεις θα πρέπει πάνω από όλα να αναλυθεί το στοιχείο που βρίσκεται πίσω από όλα αυτά και δεν είναι άλλο από το ποσοστό κάλυψης της απαιτούμενης ενέργειας από τα δύο συστήματα.
Έστω λοιπόν α % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ηλεκτρικό ρεύμα (ετήσια βάση) από το συμβατικό σύστημα (υπάρχων σταθμός ισχύος της ΔΕΗ) και β % το ποσοστό κάλυψης από το σύστημα προς εφαρμογή (φωτοβολταϊκά πλαίσια). Τότε προφανώς ισχύει:
α + β = 1 (Σ 10.3)
Επίσης, έστω ότι γ % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών για θέρμανση νερού από το συμβατικό σύστημα και δ % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών με χρήση των ηλιακών θερμοσιφώνων που προτείνονται. Τότε επίσης θα ισχύει:
γ + δ = 1 (Σ 10.4)
Στη συνέχεια αναλύονται τα επιμέρους ποσοστά και αναζητείται η βέλτιστη λύση από άποψη κόστους. Τα συστήματα θα αναλυθούν χωριστά.
10.2.3.1 Σύστημα θέρμανσης νερού Στην παράγραφο αυτή θα γίνει η αξιολόγηση της επένδυσης μόνο για παραγωγή ζεστού νερού, θα προκύψει δηλαδή κατά πόσο είναι ωφέλιμη η εισαγωγή ενός νέου συστήματος παραγωγής ζεστού νερού, που θα βασίζεται αποκλειστικά στη χρήση της ηλιακής ενέργειας. Όπως και στην παράγραφο 10.2.3, έτσι και εδώ θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της παρούσας αξίας.
Στην παράγραφο 9.3.2.2.1 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών για θέρμανση νερού στην Πάτμο το 2005, τόσο για οικιακή, όσο και για ξενοδοχειακή χρήση απαιτούνται συνολικά 3.480.308 kWh (βλέπε και πίν 9.28). Με δεδομένο ότι η ενέργεια αυτή θα καλύπτεται από ηλεκτροπαραγωγή και έχοντας ένα μέσο κόστος παραγωγής 63,62 δρχ./kWh, προκύπτει ένα μέσο ετήσιο κόστος για τον συμβατικό σταθμό της τάξης των 221.417.195 δρχ. Θα γίνει η παραδοχή πως το κόστος αυτό παραμένει σχεδόν αμετάβλητο στο χρονικό ορίζοντα υπολογισμού (υπονοείται πως τα επίπεδα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ελάχιστα μεταβάλλονται). Το κόστος αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσιο κέρδος, που θα απορρέει από την παύση λειτουργίας του συμβατικού σταθμού.
Όπως και στην παράγραφο 10.2.1, έτσι και εδώ θα γίνουν οι παρακάτω προσαυξήσεις:
10 % για αμοιβές προσωπικού
15 % για συντήρηση και αποκατάσταση ζημιών
15 % για ασφάλιση εξοπλισμού, εγκαταστάσεων και ανθρώπινου δυναμικού
Όλα μαζί διαμορφώνουν ένα κόστος λειτουργίας του σταθμού ίσο με 309.984.073 δρχ.
Το πάγιο κόστος αγοράς και εγκατάστασης του συστήματος των ηλιακών θερμοσιφώνων (συλλέκτες, boiler, κλπ), εκτιμήθηκε στην παράγραφο 10.2.2.2 ίσο με 1.225.863.600 δρχ.
Επίσης για συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση τμήματος του εξοπλισμού εκτιμήθηκε ένα ποσό 62.000.000 δρχ. Το ποσό αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσια δαπάνη στους υπολογισμούς.
Θέτοντας τώρα ως αρχική επένδυση τις 1.225.863.600 δρχ. και ως ετήσιο οικονομικό όφελος το ποσό των 309.984.073 δρχ. - 62.000.000 δρχ. = 247.984.073 δρχ., μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας η Σ 10.2, μια και οι ετήσιες χρηματοροές είναι ομοιόμορφες. Έτσι λοιπόν:
Με χρήση του πίν 10.2 για p = 1, 2 και 3 % προκύπτουν: n = 5,5 χρόνια περίπου και για τις τρεις περιπτώσεις.
Είναι φανερό πως η επένδυση σε ένα τέτοιο ενεργειακό σύστημα είναι ιδιαίτερα προσοδοφόρα και αποσβένεται σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, οπότε προτείνεται άφοβα η εφαρμογή του για παραγωγή ζεστού νερού σε όλο το νησί και μάλιστα για την κάλυψη του 100 % των αναγκών.
Αναλυτικά τώρα (πίν 10.3), προκύπτει πως για τον 6o χρόνο λειτουργίας (2010) του συστήματος θερμοσιφώνων, για p = 1 % προκύπτει ένα κέρδος της τάξης 20,5 εκ. δρχ., ενώ για p = 2 % το κέρδος είναι 15,4 εκ. δρχ. και για p = 3 %, 10,8 εκ δρχ. περίπου. Τα κέρδη αναγράφονται με έντονη γραφή, κάτω από την τελευταία χρηματοροή.
Στην παράγραφο 10.2.3 έγινε σαφές πως για να ελαττωθεί το πάγιο κόστος εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού συστήματος στην Πάτμο, είναι αναγκαία κάποια επέμβαση στον αριθμό των φωτοβολταϊκών πανέλων που δημιουργούν τη συνολική επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι προφανές πως κάτι τέτοιο θα επιδρούσε αρνητικά στη δυνατότητα κάλυψης του απαιτούμενου φορτίου από το δεδομένο σύστημα, αλλά θα έδινε σίγουρα μια λύση από άποψη κόστους. Στόχος της παραγράφου αυτής λοιπόν, θα είναι η βέλτιστη λύση με κύριες παραμέτρους το ποσοστό κάλυψης και το χρόνο απόσβεσης.
Η απαιτούμενη ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, όλο το χρόνο είναι 12.637.040 kWh. Η ανάλυση θα γίνει με κύρια παράμετρο την επιφάνεια απορρόφησης Α (m2), των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Θα προκύψει μια συνάρτηση τόσο για το μέσο κόστος επένδυσης, όσο και για τα μέσα ετήσια κέρδη. Έτσι δίνοντας διάφορες τιμές στο Α, θα προκύψει ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος, αλλά και το ποσοστό κάλυψης για κάθε περίπτωση (πίν 9.23).
Κόστος επένδυσης
Το κόστος επένδυσης του συστήματος αντιστοιχεί στην αγορά και τοποθέτηση των επιμέρους τμημάτων του. Ότι εμφανίζεται με Ε, λαμβάνεται ως έσοδο κατά την εφαρμογή της μεθόδου, ενώ ότι εμφανίζεται με Δ, λαμβάνεται ως δαπάνη. Έτσι λοιπόν, αναλυτικά έχουμε:
Κόστος οικοπέδου
Στην παράγραφο 9.3.2.1.2 εκτιμήθηκε απαιτούμενη έκταση για την εγκατάσταση του συνόλου των τμημάτων του φωτοβολταϊκού συστήματος (136.117 m2 επιφάνεια απορρόφησης) 288 στρέμματα. Με υποτιθέμενη τιμή αγοράς γης 500.000 δρχ. ανά στρέμμα, προκύπτει μια αξία της έκτασης:
Έστω Α m2, η συνολική επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι θα χρησιμοποιηθούν πλαίσια επιφάνειας 1,1 m2 (βλέπε 9.3.2.1.1), τα συνολικά τεμάχια προκύπτουν Α / 1,1 και το κόστος θα είναι:
Δεδομένου ότι το μέγεθος του inverter δεν εξαρτάται από την επιφάνεια των πλαισίων, αλλά από το φορτίο αιχμής, προκύπτει δαπάνη ανεξάρτητη του Α (βλέπε και 9.3.2.1.3). Δηλαδή:
Αν υποτεθεί Α m2 επιφάνεια απορρόφησης, τότε η μέγιστη μηνιαία παραγόμενη ενέργεια από το σύστημα θα είναι ίση με (πίν 9.24): A (m2) · 0,09 · 207 (kWh/m2·mo, Ιούλιος) = 18,63 Α. Η συνολική ημερήσια παραγόμενη ενέργεια προκύπτει: 18,63 Α / 31 = 0,6 A (kWh/d). Εκτιμάται βραδινό φορτίο 18 % της άνω τιμής, οπότε με χρήση της Σ 9.5 προκύπτει:
LBAT = 1,18 · 0,6 A / 0,85 = 0,833 A (kWh/d)
Από Σ 9.6, CBAT = 0,833 A / 0,5 = 1,666 Α (kWh/d)
Από Σ 9.7, (τμχ.) = 1.666 A /(6V · 225Ah) = 1,234 A
Οι ετήσιες εισπράξεις προκύπτουν από τη μη παραγωγή κάποιου ποσού ενέργειας από το συμβατικό σύστημα. Δεδομένου ότι το φωτοβολταϊκό σύστημα θα παράγει (πίν 2.2):
1.766 Α (kWh/yr) · 0,09 = 158,94 Α (kWh/yr), τότε εξοικονομούνται οικονομικοί πόροι από τη μη παραγωγή της παραπάνω ενέργειας από το συμβατικό σύστημα. Το μέσο κόστος παραγόμενης kWh από το συμβατικό σύστημα εκτιμήθηκε σε 63,62 δρχ./kWh (10.2.1).Δηλαδή:
Εδώ θα πρέπει να γίνει μια διευκρίνιση, ιδιαίτερα σημαντική. Ας ληφθούν οι ακραίες τιμές για την επιφάνεια Α, που όπως φαίνεται και στον πίν 9.24 είναι 56.690 m2 για τον Μάιο και 136.117 για τον Δεκέμβριο. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα ετησίως θα φτάνει τις 1.766 · 56.690 · 0,09 = 9.010.309 kWh στη μία περίπτωση και στις 21.634.436 kWh στην άλλη. Είναι φανερό δηλαδή πως στη μία περίπτωση υπάρχουν σημαντικά ελλείμματα ενέργειας, όλους τους μήνες, ενώ στην άλλη περίπτωση, όχι απλά καλύπτεται η ζήτηση όλο το χρόνο, αλλά ταυτόχρονα εμφανίζονται τεράστια αποθέματα ενέργειας, τα οποία ουσιαστικά είναι μη εκμεταλλεύσιμα, δεδομένου ότι η αποθηκευτική δυνατότητα του συστήματος είναι περιορισμένη.
Ξαναγυρνώντας τώρα, στην εκτίμηση των οικονομικών μεγεθών, στα μέσα ετήσια έσοδα πρέπει να συμπεριληφθούν και οι αμοιβές προσωπικού, οι ασφαλίσεις, η συντήρηση και η αποκατάσταση ζημιών που αντιστοιχούν στην παραγωγή των παραπάνω kWh. Οι συνολικές προσαυξήσεις φθάνουν το 40 % (βλέπε και 10.2.1). Δηλαδή:
E2 = 0,4 E1 = 4.044,7 A δρχ./yr (Σ 10.12)
Τελικά τα μέσα ετήσια έσοδα προκύπτουν:
E = E1 + E2 = 14.156,5 A δρχ./yr (Σ 10.13)
Από την παραπάνω τιμή, πρέπει να αφαιρεθούν τα έξοδα παραγωγής του υπόλοιπου ποσού ενέργειας από το συμβατικό σύστημα (μαζί με τις προσαυξήσεις 40 %), καθώς και τα έξοδα επίβλεψης και συντήρησης του εξοπλισμού του φωτοβολταϊκού συστήματος. Αναλυτικά:
Το συμβατικό σύστημα θα παράγει τις υπόλοιπες kWh, δηλαδή (12.637.040 - 158,94 Α) με μέσο κόστος 63,62 δρχ./kWh (10.2.1).
Είναι προφανές πως θα πρέπει Α < 12.637.040 / 158,94 = 79.508 m2. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί πως αν η συνολική επιφάνεια των πλαισίων ξεπερνά τα 79.508 m2, τότε θα εμφανίζονται πλεονάσματα ενέργειας μη εκμεταλλεύσιμα, ενώ η ετήσια παραγωγή ενέργειας θα ξεπερνά τις 12.637.040 kWh (Ετήσιες Ανάγκες).
Επομένως προκύπτει μέσο κόστος παραγωγής από τη ΔΕΗ:
Επίσης στα ετήσια έξοδα πρέπει να συμπεριληφθεί, το κόστος συντήρησης και επίβλεψης των τμημάτων του φωτοβολταϊκού σταθμού, το οποίο εκτιμάται σε 1 % της αξίας του εξοπλισμού. Δηλαδή:
Είναι προφανές πως για να υπάρχουν ετήσια κέρδη, θα πρέπει η συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων να ξεπερνά τα 1.147.644.134 / 25.611,56 = 44.810 m2.
Συμπερασματικά, βάσει των παραπάνω σχέσεων, προκύπτουν άμεσα τα πρώτα συμπεράσματα.
α) Για να υπάρχουν ετήσια έσοδα, τα οποία θα συσσωρεύονται σταδιακά, έτσι ώστε μέσα σε κάποιο χρονικό ορίζοντα να αποσβένεται το σύστημα, θα πρέπει η συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων να ξεπερνά τα 44.810 m2. Σε αντίθετη περίπτωση, οι οικονομικοί πόροι που εξοικονομούνται από την παραγωγή κάποιου ποσού ηλεκτρικής ενέργειας από το Φ/Β σύστημα, έναντι του συμβατικού (ΔΕΗ), δεν είναι αρκετοί να αντισταθμίσουν τα ετήσια έξοδα λειτουργίας και συντήρησης του συνδυασμένου συστήματος.
β) Είναι αναγκαίο, η επιφάνεια των πλαισίων να μην ξεπερνά τα 79.508 m2, διότι σε αυτήν την περίπτωση, σε ετήσια βάση παράγονται μεγάλα ποσά ενέργειας τα οποία «σπαταλούνται», διότι το σύστημα κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην επιτρέπει την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Στη συνέχεια δίνονται διάφορες τιμές στη συνολική επιφάνεια των πλαισίων Α και προκύπτουν το κόστος επένδυσης, τα μέσα ετήσια κέρδη, καθώς και ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος. Όλα τα δεδομένα παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίν 10.4.
Στην πρώτη στήλη του πίν 10.4 αναγράφονται οι διάφορες συνολικές επιφάνειες απορρόφησης. Κατώτερη τιμή επιλέγεται η Α = 44.810 m2, διότι μόνο πάνω από αυτή την τιμή το σύστημα αποδίδει κάποιο ποσοστό από το δαπανούμενο κεφάλαιο ετησίως. Ανώτερη τιμή επιλέγεται η Α = 79.508 m2, διότι οποιαδήποτε τιμή επιφάνειας πάνω από αυτή δημιουργεί πλεονάσματα ενέργειας (ετησίως), τα οποία δεν είναι δυνατό να εκμεταλλευτούν. Στις στήλες 2 και 3 του πίν 10.4 υπολογίζονται τα ετήσια έσοδα και οι ετήσιες δαπάνες αντίστοιχα, η διαφορά των οποίων δημιουργεί τις μέσες, ετήσιες, καθαρές εισπράξεις (στήλη 4). Όλες οι εκτιμώμενες τιμές, εμφανίζονται σε δραχμές. Στη στήλη 5 του πίν 10.4 υπολογίζεται το κεφάλαιο επένδυσης για κάθε τιμή της επιφάνειας των πλαισίων, ενώ στη στήλη 6 του ίδιου πίνακα υπολογίζεται ο λόγος των μέσων ετήσιων καθαρών εισπράξεων προς το συνολικό κεφάλαιο επένδυσης (Σ 10.2). Η τιμή του λόγου αυτού δίνει και το χρονικό ορίζοντα απόσβεσης του συστήματος. Έτσι για επιτόκιο κεφαλαίου p, από 1 – 3 % (στήλες 7 – 9) υπολογίζονται τα έτη απόσβεσης (n), από τον πίν 10.2.
Πιο συγκεκριμένα, για την ανώτερη τιμή της επιφάνειας των πλαισίων (79.508 m2), οι εκτιμώμενοι χρόνοι απόσβεσης φτάνουν τα 33, 42 και 62 χρόνια για p = 1, 2 και 3 % αντίστοιχα.
Επίσης για την ίδια τιμή της επιφάνειας, το κόστος επένδυσης φτάνει τα 25 δισ. δρχ. περίπου, ενώ τα μέσα ετήσια οικονομικά οφέλη τα 889 εκ. δρχ. περίπου.
Πίνακας 10.4: Οικονομική ανάλυση και υπολογισμός χρόνου απόσβεσης βελτιστοποιημένου Φ/Β συστήματος, Πάτμος 2005.
Τέλος στον πίν 10.5 για δεδομένη επιφάνεια πλαισίων 79.508 m2, υπολογίζονται τα ποσοστά κάλυψης ανά μήνα, για συνδυασμένη χρήση του φωτοβολταϊκού και του συμβατικού σταθμού.
Πίνακας 10.5: Προτεινόμενο ποσοστό κάλυψης ηλεκτρικής ενέργειας για συνδυασμένη
Αθροίζοντας τις kWh που παράγονται από τα δύο συστήματα σε ετήσια βάση, προκύπτει πως 90 % περίπου της απαιτούμενης ενέργειας, παράγεται από το φωτοβολταϊκό σύστημα και 10 % από το συμβατικό σταθμό ισχύος. Έτσι σε σχέση με τους συμβολισμούς που εισήχθησαν στην παράγραφο 10.2.3, επιλέγεται α = 0,1 και β = 0,9.
Εδώ κάπου πρέπει να επισημανθεί πως έχοντας γνωστά τα δεδομένα του πίν 10.4, μπορεί να αναπροσαρμοστεί το σύστημα ανάλογα με τις ανάγκες, το επιθυμητό ποσοστό κάλυψης, καθώς και το διαθέσιμο κεφάλαιο προς επένδυση.
Στην επόμενη παράγραφο αναλύεται το σύστημα μετά τις επεμβάσεις που προτείνονται και προκύπτει πλέον η τελική του μορφή.
Προτεινόμενο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας
Σύμφωνα με την ανάλυση που παρουσιάστηκε στην παράγραφο 10.2.3.2, τα αποτελέσματα της οποίας παραθέτονται στον πίν 10.4, επιλέγεται μια συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων ίση με Α = 79.508 m2. Όσο και αν φαίνεται παράξενο αύξηση της επιφάνειας Α, έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο χρόνο απόσβεσης του συστήματος, παρόλο που το κόστος επένδυσης αυξάνει σημαντικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μεγαλύτερη επιφάνεια πλαισίων συνεπάγεται ένα μεγαλύτερο ετήσιο ποσοστό κάλυψης από το Φ/Β σύστημα, έναντι του συμβατικού και κατά συνέπεια μεγαλύτερες ετήσιες εξοικονομήσεις χρηματικών πόρων. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται και τα χρηματικά ποσά που θα ξοδεύονταν στην περίπτωση που τα ίδια ποσά ενέργειας παράγονταν από το συμβατικό σταθμό. Ουσιαστικά δηλαδή δεν πρόκειται για εισροή χρημάτων, αλλά εξοικονόμηση αυτών. Είναι προφανές πως η επιφάνεια των πλαισίων έχει ένα ανώτατο όριο, η υπέρβαση του οποίου δημιουργεί τεράστιο κόστος επένδυσης, αλλά ταυτόχρονα και σημαντικότατα πλεονάσματα ενέργειας μη εκμεταλλεύσιμα.
Σύμφωνα με τα παραπάνω κριτήρια λοιπόν, επιλέγεται η τιμή Α = 79.508 m2, βάσει της οποίας θα διαστασιολογηθεί το τελικό σύστημα προς εφαρμογή. Επίσης θα επαναπροσδιοριστεί το κόστος του, έτσι ώστε να συγκριθεί με το κόστος επένδυσης, που υπολογίστηκε στον πίν 10.4.
Το μέγεθος, καθώς και το πλήθος των επιμέρους inverter, παραμένει το ίδιο, που υπολογίστηκε στην παράγραφο 10.2.3.2, αφού δεν εξαρτάται από τη συνολική ημερήσια παραγόμενη ενέργεια (kWh), αλλά από το ημερήσιο φορτίο αιχμής (kW). Έτσι:
Στην παραπάνω τιμή γίνεται μια προσαύξηση 5 % για μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού, ενώ προστίθεται και η αξία του οικοπέδου (Σ 10.5) οπότε προκύπτει ένα μέσο κόστος επένδυσης:
ΔΕΠΕ = 1,05 ΔΕΞ + ΔΟΙΚ = 24.960.775.000 δρχ.
Η τιμή αυτή πλησιάζει πολύ την αντίστοιχη του πίν 10.4 (24.955.926.584 δρχ.), με μια απόκλιση της τάξης των 5 εκ. δρχ., τιμή που μπορεί να θεωρηθεί πως προέρχεται από διαδοχικές προσεγγίσεις κατά τους υπολογισμούς.
Το παραπάνω σύστημα λοιπόν είναι σε θέση να καλύπτει το 90 % των αναγκών του νησιού της Πάτμου (κάποιους μήνες το ποσοστό φτάνει το 100 %). Η επιπλέον ενέργεια θα καλύπτεται από τον υπάρχων συμβατικό σταθμό ισχύος.
Εγκατάσταση και διάταξη των πλαισίων
Ο αναγκαίος αριθμός των πλαισίων υπολογίστηκε σε 72.280 τμχ.
Επιλέγονται 260 σειρές πλαισίων με 278 πλαίσια η κάθε σειρά. Τα πλαίσια της κάθε σειράς ενώνονται ηλεκτρικά ανά δύο, ενώ όλα της σειράς εφάπτονται κατά τη μικρή διάσταση. Στο τέλος του πίν 9.27 υπολογίζεται πως τα 278 πλαίσια σε σειρά δημιουργούν μια διάσταση
D = 308 m περίπου, ενώ οι 260 σειρές πλαισίων δημιουργούν μια διάσταση L = 544 m. Κατά συνέπεια, η απαιτούμενη έκταση για εγκατάσταση των πλαισίων προκύπτει:
D · L = 308 · 544 = 167.552 m2 (168 στρέμματα περίπου)
Πρέπει να τονιστεί πως έχει επιλεχθεί να μην υπάρχει κατακόρυφη ανύψωση (δ) ανάμεσα στις σειρές, αλλά επιλέγεται μια απόσταση 2,1 m περίπου (ε) μεταξύ τους, ώστε να μην εμφανίζονται προβλήματα σκίασης. Επίσης επισημαίνεται πως τα πλαίσια βρίσκονται υπό κλίση 30 0 και έχουν νότιο-ανατολικό προσανατολισμό για μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών.
Όσον αφορά τη σύνδεση των πλαισίων με τους επιμέρους inverter, όπως και στην παράγραφο 9.3.2.1.3, επιλέγεται ο κάθε inverter να δέχεται τάση 24 V, δηλαδή συνδέεται άμεσα με ένα ζεύγος πανέλων, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους σε σειρά. Δεδομένου ότι κάθε σειρά πλαισίων αποτελείται από 278 πλαίσια, τότε ο αριθμός inverter ανά σειρά θα είναι 139 τμχ. Εξάλλου, μια και το σύνολο των inverter θα είναι 1.468 τμχ., επιλέγονται 11 σειρές inverter από 78 inverter ανά σειρά και 10 σειρές inverter από 61 inverter ανά σειρά (11·78+10·61=1.468). Με άλλα λόγια οι πρώτοι 78 inverter ανά σειρά, ενώνονται ηλεκτρικά (παράλληλα) με τόσα ζεύγη πλαισίων ώστε να προκύπτουν 11 σειρές inverter, ενώ οι 61 εναπομείναντες inverter ανά σειρά, ενώνονται με τόσα ζεύγη πλαισίων ώστε να προκύπτουν 10 σειρές inverter.
Σύμφωνα με τη βελτιστοποίηση που παρουσιάστηκε στην προηγούμενη παράγραφο, βάσει της οποίας ήταν η παραμετροποίηση των συναρτήσεων εσόδων – δαπανών, ως συνάρτηση της επιφάνειας απορρόφησης των Φ/Β πλαισίων Α, προέκυψε βέλτιστη επιφάνεια 79.508 m2. Η λύση που προτείνεται ως βέλτιστη έχει κάποιο μειονέκτημα, που δεν είναι άλλο από τον αρκετά μεγάλο χρόνο απόσβεσης του συστήματος. Πράγματι προτείνεται η ετήσια κάλυψη του 90 % του συνόλου των ενεργειακών αναγκών σε ηλεκτρισμό από το Φ/Β σύστημα, κάτι που οδηγεί σε μια περίοδο απόσβεσης 33 ετών. Η τιμή αυτή είναι αρκετά υψηλή αν σκεφτεί κανείς πως τα Φ/Β πλαίσια έχουν μια διάρκεια ζωής περί τα 30 χρόνια.
Αν παρατηρήσει κανείς τον πίν 10.4, είναι φανερό πως για μειωμένο χρόνο απόσβεσης απαιτείται περαιτέρω αύξηση στην επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων, κάτι που εξηγήθηκε αναλυτικά στην προηγούμενη παράγραφο.
Ας υποτεθεί λοιπόν επιφάνεια απορρόφησης Α > 79.508 m2. Τότε η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα ξεπερνά τις μέσες ετήσιες ενεργειακές ανάγκες της Πάτμου που είναι 12.637.040 kWh. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει η περίσσεια της ηλεκτρικής ενέργειας να επιστρέφεται με κάποιο τρόπο στον συμβατικό σταθμό ισχύος ή να αποθηκεύεται π.χ με την άντληση νερού σε κάποιο ύψος και εκμετάλλευση της δυναμικής πλέον ενέργειας του νερού. Αυτή είναι μια αναγκαία συνθήκη έτσι ώστε η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος να είναι επιτυχής. Ξαναγυρνώντας τώρα στο μοντέλο της προηγούμενης παραγράφου, θα γίνουν κάποιες μετατροπές έτσι ώστε το μοντέλο (10.2.3.2) να παραμένει σε ισχύ.
Το κόστος επένδυσης παραμένει ως έχει: ΔΕΠΕ = 284.709,2 Α + 2.319.267.510 δρχ.
Οι μέσες ετήσιες καθαρές εισπράξεις προκύπτουν (Σ 10.18) ως εξής:
Έστω Α > 79.508 m2 η επιφάνεια απορρόφησης και H (kWh/m2·mo) η μέση μηνιαία ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στην Πάτμο. Τότε η μηνιαία παραγωγή ενέργειας από το Φ/Β σύστημα θα είναι:
E = A · H · 0,09 (kWh)
Δίνοντας διαδοχικές τιμές στην επιφάνεια απορρόφησης Α (Για Α > 79.508 m2) και με δεδομένες τις τιμές για τη μέση μηνιαία ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (Η) θα προκύψουν οι παραγόμενες kWh από το Φ/Β (Ε1), αλλά και από το συμβατικό σύστημα (Ε2) αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίν 10.6.
Πίνακας 10.6: Παραγόμενη ενέργεια από το Φ/Β και το συμβατικό σύστημα (εναλλακτική λύση)
Στη συνέχεια δημιουργείται ο πίν 10.7, όπου προκύπτει το μέσο κόστος επένδυσης, τα ετήσια οικονομικά οφέλη, καθώς και οι χρόνοι απόσβεσης για Α = 80.000, 100.000 και 120.000 m2.
A (m2) ΔΕΠΕ (δρχ.) Ε (δρχ.) Δ (δρχ.) Ε-Δ (δρχ) ΔΕΠΕ / Ε-Δ n
(p=1%) n
(p=2%) n
(p=3%)
80.000 25.096.
003.510
1.132.
520.000 238.203.462
894.3
16.538
0.0
35636
3
3
4
2
6
2
100.000 30.790.
187.510
1.415.
650.000 292.232.262
1.123.
417.738
0.0
36486
3
2
4
0
5
9
120.000 36.484.
371.510
1.698.
780.000 346.261.062
1.352.
518.938
0.0
37071
3
1,5
3
9
5
6
Στη δεύτερη στήλη του πίν 10.7 έχει υπολογιστεί το κόστος επένδυσης με χρήση της Σ 10.10.
Στην τρίτη στήλη έχουν υπολογιστεί τα μέσα ετήσια έσοδα Ε σύμφωνα με την Σ 10.13. Στην τέταρτη στήλη υπάρχουν οι ετήσιες δαπάνες Δ (Σ 10.17), όπου οι δαπάνες Δ1 υπολογίζονται ως το γινόμενο του αριθμού των kWh που παράγει το συμβατικό σύστημα ετησίως (Ε2), για κάθε τιμή του Α, επί το
κόστος παραγόμενης kWh (63,62 δρχ.). Οι δύο επόμενες στήλες είναι προφανείς, ενώ στις τρεις τελευταίες στήλες προκύπτουν τα έτη απόσβεσης για επιτόκια κεφαλαίου 1, 2 και 3 %.
Είναι προφανές πως η περαιτέρω αύξηση της επιφάνειας απορρόφησης Α (πάνω από 79.508 m2 δεν ενδείκνυται, μια και για τη μείωση του χρόνου απόσβεσης κατά 1,5 έτος (33→31,5) απαιτείται ένα κόστος επένδυσης της τάξης των 36,5 δισ. περίπου (12 δισ. επιπλέον). Με άλλα λόγια, το όφελος που προκύπτει από την αύξηση της επιφανείας απορρόφησης Α όσον αφορά τη μείωση του χρόνου απόσβεσης, είναι μηδαμινό σε σύγκριση με το τεράστιο κόστος επένδυσης που προκύπτει. Κατά συνέπεια προβάλει ως βέλτιστη λύση η επιλογή των 79.508 m2 για την επιφάνεια απορρόφησης των Φ/Β πλαισίων.
10.2.4 Αξιολόγηση συστήματος ηλιακής αφαλάτωσης Στον πίν 9.29 του κεφαλαίου 9 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των αναγκών του νησιού σε πόσιμο νερό (30 m3/d), για το καλοκαίρι, απαιτούνται συνολικά 6.049 ηλιακοί αποστακτήρες (αντίθετης απορρόφησης), απορροφητικής επιφάνειας 1 m2. Εξάλλου στην παράγραφο 9.3.2.3.4 έγινε σαφές πως είναι σχεδόν αδύνατο να καλυφθούν οι ανάγκες του νησιού και το χειμώνα, παρόλο που ο πληθυσμός του νησιού είναι ο μισός αυτήν την περίοδο. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τη χειμερινή περίοδο, τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα χαμηλά, όπως άλλωστε και οι επικρατούσες θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Οι δύο παράγοντες αυτοί (μεγάλα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας, υψηλές θερμοκρασίες), είναι αναγκαίοι για τη σωστή και αποδοτική λειτουργία των αποστακτήρων. Συνέπεια της απουσίας τους είναι η μικρή παραγωγή πόσιμου νερού, η οποία καλύπτει μόλις το 35,4 % των αναγκών του πληθυσμού (Ιανουάριος). Άμεσο συμπέρασμα λοιπόν, είναι η ύπαρξη βοηθητικής παροχής για τους χειμερινούς μήνες. Παρόλα αυτά, στην παράγραφο αυτή θα γίνει μια προσπάθεια εύρεσης της βέλτιστης λύσης, τόσο από άποψη ποσοστού κάλυψης, όσο και κόστους. Αρωγός στην προσπάθεια αυτή θα είναι τα δεδομένα του πίν 9.29, βάσει των οποίων θα διαστασιολογηθεί το τελικό σύστημα προς εφαρμογή.
Στην παράγραφο 9.3.2.3.5 επιλέχθηκε επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας 6.049 m2, επιφάνεια που ισοδυναμεί με 6.049 ηλιακούς αποστακτήρες. Με δεδομένη επιφάνεια απορρόφησης και παρατηρώντας τα δεδομένα του πίν 9.29, είναι προφανές πως δεν καλύπτεται η ζήτηση όλους τους μήνες του χρόνου. Στον πίν 10.8 παρουσιάζονται τα ποσοστά κάλυψης που προκύπτουν ανά μήνα για αυτό τον αριθμό συσκευών αφαλάτωσης και για πληθυσμό που μεταβάλλεται από περίοδο σε περίοδο (βλέπε και πίν 9.29).
Πίνακας 10.8: Ποσοστά κάλυψης σε πόσιμο νερό από το προτεινόμενο σύστημα ηλιακής αφαλάτωσης, Πάτμος 2005
Από τα αποτελέσματα του πίνακα 10.8, είναι φανερό πως υπάρχουν μήνες όπου η ζήτηση δεν καλύπτεται από το προτεινόμενο σύστημα αφαλάτωσης (Δεκέμβριος, Ιανουάριος, Νοέμβριος), ενώ σε κάποιους μήνες εμφανίζονται μεγάλα αποθέματα πόσιμου νερού (Μάιος, Απρίλιος, Μάρτιος). Η ύπαρξη αποθεμάτων δίνει την ιδέα της αποθήκευσης του νερού σε περιόδους όπου η παραγωγή υπερκαλύπτει τη ζήτηση. Έτσι αν τα αποθέματα αυτά διατεθούν την κατάλληλη περίοδο, ο ίδιος αριθμός αποστακτήρων είναι σε θέση να καλύψει μεγαλύτερο τμήμα της ζήτησης. Ο πίνακας 10.9, δίνει ένα παράδειγμα σωστής διαχείρισης αποθεμάτων με σκοπό τη μικρότερη δυνατή συνεισφορά βοηθητικής παροχής πόσιμου νερού.
Τα άμεσα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι τα εξής:
α) H ζήτηση μπορεί να καλυφθεί ετησίως από το προτεινόμενο σύστημα, μια και η ετήσια ζήτηση σε πόσιμο νερό εκτιμάται σε 7.433.970 lt, ενώ η ετήσια παραγωγή από το σύστημα φθάνει τα 7.469.357 lt, δηλαδή υπάρχει ένα ετήσιο πλεόνασμα 35.387 lt.
β) Το έλλειμμα που παρουσιάζεται τους μήνες Οκτώβριο, Νοέμβριο και Δεκέμβριο, καλύπτεται από το νερό που έχει αποθηκευτεί κατά τους μήνες Μάρτιο έως Σεπτέμβριο.
γ) Το έλλειμμα που παρουσιάζεται τους μήνες Ιανουάριο και Φεβρουάριο το έτος i+1 είναι δυνατό να καλυφθεί από το πλεόνασμα που προκύπτει το έτος i. Αυτό όμως ισχύει εφόσον τον πρώτο χρόνο λειτουργίας του συστήματος οι δεξαμενές αποθήκευσης τροφοδοτούνται με 9.695 lt/d τον Ιανουάριο και 3.150 lt/d το Φεβρουάριο (όσο είναι και το έλλειμμα των δύο πρώτων μηνών του χρόνου), από τη βοηθητική πηγή. Πράγματι, τα ετήσια αποθέματα νερού φθάνουν τα 1.170.659 lt – 746.527 lt = 424.132 lt, ενώ η βοηθητική παροχή που απαιτείται για τους μήνες Ιανουάριο και Φεβρουάριο φθάνει τα 9.695 lt/d · 31 d/mo + 3.150 lt/d · 28 d/mo = 388.745 lt < 424.132 lt.
δ) Η ετήσια αποθήκευση νερού, από το Μάρτιο έως τον Σεπτέμβριο, φτάνει τα 1.170 m3 περίπου, κατά συνέπεια επιλέγεται μια ενιαία δεξαμενή αποθήκευσης διάστασης 16×15×5 και όγκου V = 1.200 m3. Απαραίτητη προϋπόθεση για την αποθήκευση, είναι να τηρούνται όλοι οι κανόνες υγιεινής, όπως συχνή χλωρίωση, εσωτερική αντιοξειδωτική επένδυση της δεξαμενής και ό,τι άλλο χρειάζεται.
ε) Ουσιαστικά δεν χρειάζεται βοηθητική παροχή νερού (για πόσιμο νερό), εκτός από τους δύο πρώτους μήνες του πρώτου χρόνου λειτουργίας του συστήματος. Αντίθετα η βοηθητική παροχή είναι αναγκαία για την κάλυψη των αναγκών άλλων χρήσεων, όπως ντους, πότισμα, κλπ.
Το παραπάνω πλάνο μπορεί να φανεί μια ικανοποιητική λύση όσον αφορά την αντιμετώπιση της εύρεσης υδάτινων πόρων για το νησί της Πάτμου. Φυσικά, είναι αυτονόητο πως για να αντεπεξέλθει το δεδομένο σύστημα στην αναμενόμενη ζήτηση, θα πρέπει να γίνει σαφές το γεγονός πως έχει διαστασιολογηθεί για μία ημερήσια κατανάλωση νερού 5 lt ανά άτομο. Η τιμή αυτή παρουσιάζεται ιδιαίτερα αντιπροσωπευτική και είναι σε θέση να καλύψει εκτός τις ανάγκες σε πόσιμο νερό και κάποιες δευτερεύουσες ανάγκες, όπως πλύσιμο χεριών (όχι ντους). Οποιαδήποτε σπατάλη νερού όμως, είναι δυνατό να «τινάξει» το σύστημα στον αέρα και να προκύψουν πολύ μεγαλύτερες καταναλώσεις και κατά συνέπεια μεγαλύτερη συνεισφορά από το βοηθητικό σύστημα.
10.2.4.1 Εκτίμηση κόστους και χρόνου απόσβεσης του συστήματος
Στην παράγραφο αυτή, θα επιχειρηθεί να εκτιμηθεί στο μέτρο του δυνατού, το κόστος επένδυσης της συνολικής εγκατάστασης συμπεριλαμβανομένου και του βοηθητικού εξοπλισμού, καθώς και του πιθανού χρόνου απόσβεσης του συστήματος.
Γενικά, το κόστος κατασκευής ενός ηλιακού αποστακτήρα είναι συνάρτηση πολλών μεταβλητών, οι κυριότερες των οποίων είναι:
Το κόστος παραγωγής ή απόχτησης νερού με χρήση εναλλακτικών λύσεων
Οι ανάγκες σε πόσιμο νερό
Η διαθεσιμότητα της ηλιακής ενέργειας
Το κόστος των τοπικά διαθέσιμων υλικών
Οι τοπικές αμοιβές εργασίας
Το κόστος εισαγόμενων ή μεταφερόμενων υλικών
Η δυνατότητα δανειοδότησης και τα επιτόκια
Κόστος συστήματος
Όπως φαίνεται και στην εικ 9.37 (9.3.2.3), ένας ηλιακός αποστακτήρας αντίστροφης απορρόφησης αποτελείται ουσιαστικά από δύο τμήματα. Το ένα τμήμα (γυάλινο δοχείο), ουσιαστικά αποτελεί έναν απλό συμβατικό αποστακτήρα με την προσθήκη της πλάκας απορρόφησης στο κάτω τμήμα του. Οι ενδεικτικές τιμές στην αγορά για παροχές αποστακτήρα μέχρι 6 lt/d (πίν 9.29) και επιφάνεια απορρόφησης 1 m2, είναι γύρω στις 85.000 δρχ. ανά αποστακτήρα. Το άλλο κομμάτι, αποτελεί τον κατάλληλα διαμορφωμένο κυλινδρικό ανακλαστήρα (κάτοπτρο), μαζί με τα δύο γυάλινα καλύμματα. Το τμήμα αυτό κοστολογείται γύρω στις 92.000.
Τα δύο αυτά τμήματα αποτελούν και το βασικό εξοπλισμό ενός αποστακτήρα, με συνολικό κόστος που φθάνει τα 177.000 δρχ. ανά τεμάχιο.
Στην τιμή αυτή θα γίνει μια προσαύξηση 50 % που θα περιλαμβάνει το βοηθητικό εξοπλισμό, όπως αντλία, χρονοδιακόπτη, βαλβίδα αντεπιστροφής, πλαστικές σωληνώσεις (σιλικόνη). Μετά από αυτά προκύπτει μια συνολική τιμή ανά αποστακτήρα, ίση με 266.000 δρχ.
Οι παραπάνω τιμές προέκυψαν μετά από προσεκτική συλλογή στοιχείων που αφορούσαν την αγορά στο εξωτερικό. Οι αρχικές τιμές ήταν σε $ και μετατράπηκαν σε δρχ., λαμβάνοντας μια ισοτιμία $ έναντι δρχ. 1$ = 410 δρχ.
Με δεδομένο αριθμό αποστακτήρων 6.049 τμχ., το κόστος των αποστακτήρων συμπεριλαμβανομένου και του βοηθητικού εξοπλισμού προκύπτει:
Η παραπάνω τιμή προσαυξάνεται 10 %, δαπάνη η οποία περιλαμβάνει το κόστος άντλησης και μεταφοράς του θαλασσινού νερού προς την εγκατάσταση (αντλίες, σωληνώσεις, βαλβίδες αντεπιστροφής, δεξαμενή αποθήκευσης, κλπ.).
Στο ετήσιο κόστος λειτουργίας πρέπει να υπολογιστεί μια δαπάνη 5 % του εξοπλισμού, για λειτουργία αντλιών, στοιχειώδη συντήρηση, διατήρηση του αποθηκευμένου νερού και τυχών αποκατάσταση βλαβών. Το ποσοστό αυτό αντιστοιχεί σε ΔΣΥΝΤ = 88.497.000 δρχ. περίπου.
Χρόνος απόσβεσης συστήματος
Και εδώ, όπως και στην παράγραφο 10.2.2.3, για την αξιολόγηση της συνολικής επένδυσης του συστήματος, θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της καθαρής παρούσας αξίας, θα ληφθεί υπόψη δηλαδή, η χρονική αξία του χρήματος.
Δεδομένο ότι υπολογίστηκε μέσο κόστος επένδυσης 1.769.937.000 δρχ., το μόνο που υπολείπεται, είναι να εκτιμηθούν τα μέσα ετήσια έσοδα (εξοικονόμηση πόρων) από τη χρήση του παραπάνω συστήματος. Αυτά θα εκτιμηθούν με τον εξής συλλογισμό.
Στον πίν 10.9, υπολογίστηκε ετήσια παραγωγή νερού από το σύστημα 7.469.357 lt. Αν η ποσότητα αυτή αγοραζόταν σε μπουκάλια 1,5 lt, θα απαιτούνταν 4.979.572 μπουκάλια νερό ετησίως για την κάλυψη των αναγκών 100 %. Αν ληφθεί μια μέση τιμή ανά μπουκάλι 200 δρχ., τότε προκύπτει πως για την ικανοποίηση των αναγκών θα έπρεπε να ξοδεύονται ετησίως:
Η τιμή αυτή εμφανίζεται σαν έσοδο κατά την εφαρμογή της μεθόδου, μια και είναι χρήματα τα οποία εξοικονομούνται από τη χρήση του δεδομένου συστήματος ηλιακής αφαλάτωσης. Για τον υπολογισμό των μέσων ετήσιων εσόδων αρκεί από την παραπάνω τιμή, να αφαιρεθεί το ποσό που ξοδεύεται ετησίως για λειτουργία αντλιών, συντήρηση, αποκατάσταση βλαβών και αποθήκευσης νερού. Έτσι:
Με χρήση του πίν 10.2 και για επιτόκια κεφαλαίου p = 1, 2, 3 % προκύπτουν περίπου 2 – 2,5 έτη απόσβεσης για κάθε περίπτωση. Με άλλα λόγια το σύστημα αποδίδει τα χρήματα επένδυσης σε λιγότερο από 2,5 χρόνια από την εφαρμογή του. Είναι προφανές πως μια τέτοια επένδυση, με την οικονομική ανάλυση που παρουσιάστηκε, προκύπτει ιδιαίτερα ωφέλιμη και προσοδοφόρα και ενδείκνυται για εφαρμογή.
10.2.4.2 Υλικοτεχνική ανάλυση
Κατασκευή
Πάνω απ’ όλα, για να εξασφαλιστεί η αποδοτική και απρόσκοπτη λειτουργία του συστήματος, έτσι ώστε αυτό να ανταποκριθεί στις αρχικές προσδοκίες, θα πρέπει τα υλικά από τα οποία αποτελείται, να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
Τα υλικά κατασκευής θα πρέπει να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, έναντι των συνθηκών έκθεσης και να μην έχουν απαγορευτικό κόστος, έτσι ώστε να αντικαθίστανται με μικρό κόστος σε περίπτωση φθοράς.
Να είναι αρκετά ανθεκτικά και να αντέχουν έναντι του ανέμου, καθώς και των συνεχών, ελαφρών δονήσεων της γης.
Να είναι μη τοξικά και να μην εκπέμπουν ατμούς ή να προσδίδουν δυσάρεστη γεύση στο νερό, σε υψηλές θερμοκρασίες.
Να έχουν αντιδιαβρωτικές ιδιότητες, έναντι τόσο του αλμυρού, όσο και του αφαλατωμένου νερού.
Το βάρος και οι διαστάσεις τους πρέπει να είναι τέτοιες, ώστε να μεταφέρονται εύκολα, όποτε χρειαστεί, ακόμα και από τα τοπικά μέσα μεταφοράς.
Παρόλο που η χρήση τοπικών, διαθέσιμων υλικών είναι αποδεκτή, έτσι ώστε να μειώνεται το κόστος επένδυσης και να διευκολύνονται οι τυχών επισκευές, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που πρέπει να λάβει κανείς υπόψη του κατά την τελική επιλογή.
Οι ηλιακοί αποστακτήρες, που είναι κατασκευασμένοι από φθηνά, ασταθή υλικά, έχουν διάρκεια ζωής σαφώς πολύ μικρότερη από τους αντίστοιχους αποστακτήρες στους οποίους έχουν επιλεγεί ακριβά και υψίστης ποιότητας υλικά. Από αυτή την άποψη, πρέπει να αποφασίσει κανείς, αν επιζητεί μια φθηνή κατασκευή, μικρής διάρκειας ζωής, η οποία θα χρειάζεται αντικατάσταση ή επισκευή σε λίγα χρόνια ή μια αντίστοιχη στιβαρή, μεγάλης διάρκειας ζωής με την ελπίδα ότι το κόστος παραγωγής πόσιμου νερού μακροπρόθεσμα θα είναι σαφώς μειωμένο.
Πολλοί φθηνοί αποστακτήρες, που χρησιμοποιήθηκαν ανά τον κόσμο, δεν λειτουργούν πλέον, λόγω φθοράς και ελλιπής λειτουργίας. Από την άλλη, η επιλογή ενός «καλοφτιαγμένου» αποστακτήρα, ο οποίος θα λειτουργεί ικανοποιητικά για παραπάνω από 20 χρόνια, φαίνεται να είναι μια πολύ καλή επένδυση, παρά το αναμφίβολα μεγαλύτερο αρχικό κόστος.
Η επιλογή των υλικών για τα επιμέρους τμήματα του αποστακτήρα, σε σχέση με την παρουσία του νερού, αποτελεί ένα πολύπλοκο πρόβλημα.
Πολλά από τα πλαστικά, προσδίδουν στο παραγόμενο νερό μια δυσάρεστη γεύση ή οσμή, σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ένας γενικός κανόνας σε περίπτωση που κάποιος αποφασίσει να μη χρησιμοποιήσει γυαλί ή μέταλλο (σε επαφή με το νερό), είναι να βράσει για μισή ώρα καθαρό νερό μαζί με δείγμα από το επιλεγμένο υλικό σε ένα δοχείο. Στη συνέχεια μπορεί να αφήσει το νερό να ψυχθεί και να το πιει ή να το μυρίσει. Το τεστ αυτό αποτελεί μια πολύ καλή προσομοίωση για το τι συμβαίνει πραγματικά μέσα στον αποστακτήρα. Αν δεν παρατηρήσει κανείς διαφορά στο νερό πριν και μετά το τεστ, τότε πιθανότατα, το υλικό είναι κατάλληλο για χρήση. Για να δοκιμάσει κανείς μπορεί να χρησιμοποιήσει, σωλήνες πολυαιθυλενίου ή PVC, καθώς και πλαίσια από ρητίνη (resin) και ινώδες γυαλί (fiberglass).
Προτεινόμενα Υλικά
Με αντικειμενικό σκοπό τη μείωση του κόστους του παραγόμενου νερού, σε ένα ορίζοντα 20 χρόνων, τα καταλληλότερα υλικά είναι:
Επικάλυψη από συνθετικό σιλικόνης, για μαύρισμα της πλάκας απορρόφησης.
Μεταλλικοί ράβδοι, τοποθετημένοι ανά 40 cm, για να υποστηρίζουν το κάτω τμήμα του αποστακτήρα.
25 – 38 mm μόνωσης (από ινώδες γυαλί ή αφρό ουρεθάνης), ανάμεσα στις μεταλλικές ράβδους.
Για την κάλυψη του κάτω μέρους του αποστακτήρα, ελαφρύ, επιψευδαργυρομένο (γαλβανιζέ) χάλυβα ή φύλλο αλουμινίου. Αν σχεδιάζεται να τοποθετηθεί ο αποστακτήρας στο έδαφος και χρησιμοποιηθεί μόνωση αδιαπέραστη από το νερό, δεν χρειάζεται.
Μεταλλικά τοιχώματα π.χ. από εξελασμένο αλουμίνιο, για υποστήριξη της κατασκευής. Πρέπει να σημειωθεί ότι το εξελασμένο αλουμίνιο συναρμολογείται εύκολα, αλλά είναι ακριβό. Έτσι μπορεί να προτιμηθεί ένα υλικό χαμηλότερου κόστους, όπως βαμμένος χάλυβας ή απλό αλουμίνιο.
Εσωτερικά τοιχώματα από ανοξείδωτο χάλυβα.
Συμπαγές τζάμι ή διπλό κρύσταλλο (παραθύρων).
Εξελασμένα παρεμβύσματα (τσιμούχες) έναντι στεγανοποίησης, εφαρμοζόμενα στην τελική θέση με συμπίεση.
Εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα (π.χ. 316). Ο μπρούντζος δεν είναι αποδεκτός, ενώ το PVC αστοχεί σε ιδιαίτερα ζεστά κλίματα.
Ένα κάτοπτρο πίσω από τον αποστακτήρα (ενδείκνυται ιδιαίτερα για περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους).
Τα παραπάνω υλικά είναι αντιπροσωπευτικά για την κατασκευή υψηλού κόστους αποστακτήρων και αποτελούν μια καλή επένδυση αν σκεφτεί κανείς ότι οι χαμηλής ποιότητας κατασκευές δεν έχουν επιβιώσει στην αγορά.
Παρόλα αυτά πρέπει να αναρωτηθεί κανείς, «Τι είναι ακριβό σε σχέση με τι;»
Συγκρινόμενο με τη μεταφορά πόσιμου νερού σε μπουκάλια ή δεξαμενές, το αποσταγμένο νερό με τη μέθοδο της ηλιακής απόσταξης, θα εμφανίζεται πάντα φθηνότερο. Συγκρινόμενο με την απόσταξη μέσω βρασμού, η ηλιακή απόσταξη είναι ανταγωνίσιμη σε πολλές περιπτώσεις.
Συμπερασματικά, μπορεί να πει κανείς, πως αν και τα υλικά κατασκευής των ηλιακών αποστακτήρων θα είναι πάντα ακριβά, η αυξανόμενη παραγωγή αποσταγμένου νερού, μπορεί να μειώσει δραματικά το κόστος κατασκευής ανά παραγόμενη μάζα νερού.
Σωστή λειτουργία και συντήρηση των αποστακτήρων
Προστασία του αποσταγμένου νερού από μόλυνση
Η προστασία ενός ηλιακού αποστακτήρα από την είσοδο εντόμων και μολυσμένου νερού είναι ιδιαίτερα σημαντική και για αυτό πρέπει να ακολουθούνται τα εξής:
Απολύμανση εσωτερικά του αποστακτήρα και των σωληνώσεων με συνθετικά χλωρίου (προσθέτοντας π.χ. λίγες κουταλιές λευκαντικό πλυντηρίου, σε μερικά lt νερού).
Παρουσία ενός ανεμιστήρα στον αγωγό τροφοδοσίας (για ανακυκλοφορία του αέρα). Πρέπει να συνοδεύεται από ανοξείδωτο φίλτρο στην ένωση με τον αποστακτήρα, έτσι ώστε να αποφεύγεται η εισροή βρώμικου νερού.
Αν αυτές οι προφυλάξεις αμεληθούν, διάφορα έντομα, τα οποία έλκονται από την υγρασία, θα εισχωρήσουν στην κατασκευή και θα παραμείνουν εκεί μέχρι να πεθάνουν.
Η πρόληψη της μόλυνσης στη δεξαμενή αποθήκευσης είναι περισσότερο δύσκολη, μια και οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για αποστείρωση δεν είναι πάντα διαθέσιμες. Παρόλα αυτά με συνεχή, διαρκή προσοχή, το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες, χωρίς εμφάνιση μόλυνσης.
Τροφοδοσία και καθαρισμός του αποστακτήρα
Η τροφοδοσία του αποστακτήρα με νερό, είναι μια διαδικασία που γίνεται μια φορά τη μέρα αργά το βράδυ ή νωρίς το πρωί. Για ένα αποστακτήρα τέτοιου είδους 5 – 7 % της ημερήσιας παραγωγής πόσιμου νερού, παράγεται αφού δύσει ο ήλιος, οπότε είναι απαραίτητο η τροφοδοσία να γίνεται αφού κρυώσει ο αποστακτήρας.
Δεν είναι απαραίτητο να αδειάζει εντελώς ο αποστακτήρας. Να τροφοδοτείται με τουλάχιστον διπλή ποσότητα νερού απ’ ότι παράγει, τον ξεπλένει εξίσου καλά. Με τριπλάσια πετυχαίνεται καλύτερος καθαρισμός και ενδείκνυται σε περίπτωση που το κόστος τροφοδοσίας του νερού είναι μικρό.
Τροφοδοσία του αποστακτήρα με ζεστό νερό
Αν ο αποστακτήρας τροφοδοτείται με νερό ζεστότερο από τον αέρα του περιβάλλοντος, η μονάδα μετατρέπεται σε μια συμβατική συσκευή απόσταξης με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί γυαλί έναντι χαλκού (σε συμπυκνωτή). Εφόσον το ζεστό νερό παρέχεται ελεύθερα, π.χ. γεωθερμικά ρευστά, είναι μια καλή λύση. Αντίθετα, σε περίπτωση που το νερό θερμαίνεται από συμβατικά καύσιμα ή ηλιακά πανέλα, το κόστος είναι μάλλον απαγορευτικό.
10.2.4.3 Κοινωνικές επιπτώσεις Η αποδοχή νέων τεχνολογιών, όπως είναι η ηλιακή απόσταξη, είναι έντονα εξαρτώμενη από το πόσο
καλά ο καθένας, αντιλαμβάνεται και χειρίζεται τα διάφορα κοινωνικά ζητήματα, αλλά και τους πολιτιστικούς προβληματισμούς, στοιχεία που μπορούν να αποτρέψουν την εισαγωγή και εφαρμογή νέων τεχνολογιών. Κάποια από τα σημαντικότερα ζητήματα, που μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά
την αποδοχή της ηλιακής απόσταξης, περιγράφονται στη συνέχεια.
Οι αποστακτήρες που προορίζονται για χρήση σε μικρές, τοπικές κοινωνίες, όπως στην περίπτωση της Πάτμου, απαιτούν συνεργασία ανάμεσα στα μέλη τους.
Αν το αποσταγμένο νερό δε διανέμεται ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα να υπάρχουν οικογένειες οι οποίες δε λαμβάνουν το ποσοστό που τους αναλογεί, τότε η εμφάνιση προβλημάτων είναι πολύ πιθανή. Από αυτή την άποψη, ένας αυτόνομος ηλιακός αποστακτήρας ανά κατοικία, μπορεί να είναι μια πιο πρακτική λύση από μια κεντρική μονάδα, η οποία εξυπηρετεί το σύνολο του πληθυσμού.
Ενδεχομένως το νερό να θεωρηθεί άγευστο ή κάτι διαφορετικό από το συνηθισμένο, με κίνδυνο να αμφισβητηθεί η ποιότητά του. Το πρόβλημα της γεύσης θα πρέπει επομένως να ξεκαθαριστεί από την αρχή.
Το πόσιμο νερό είναι ανάγκη και όχι πολυτέλεια. Λαμβάνοντας υπόψη τους ενδεχόμενους κινδύνους για τη δημόσια υγεία, η σχεδίαση του όλου συστήματος θα πρέπει να γίνει με προσεκτικό και συνειδητοποιημένο τρόπο και επιπλέον, θα πρέπει να πειστούν οι μελλοντικοί χρήστες πως η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος δεν εμπεριέχει απολύτως κανένα κίνδυνο.
Τα παραπάνω προβλήματα βέβαια, ελαχιστοποιούνται μπροστά στη δυνατότητα που
θα προσφέρει η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος. Οι κάτοικοι, χωρίς την απαίτηση
ιδιαίτερων τεχνικών γνώσεων, θα μπορούν να διαχειρίζονται μόνοι τους τα αποθέματα σε
πόσιμο νερό. Συμπερασματικά, μία κοινωνία είναι πολύ πιθανό να αποδεχθεί μια τέτοια
τεχνολογία, η οποία λύνει το πρόβλημα ύπαρξης πόσιμου νερού στις απομακρυσμένες
περιοχές, αρκεί να είναι διαθέσιμη να αλλάξει ορισμένες πτυχές του τρόπου ζωής της.
10.3 Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, φυσικό αέριο, πετρέλαιο και τα παράγωγά του), για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, μολύνει τη θάλασσα, πλήττει τη χλωρίδα και την πανίδα, δημιουργεί τοξικά απόβλητα και επιφέρει παγκόσμια άνοδο της θερμοκρασίας. Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας για τον ίδιο σκοπό εγκυμονεί πολύ σοβαρούς κινδύνους. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να προσφέρουν πολλά άμεσα οφέλη, αποφεύγοντας σε μεγάλο βαθμό τους κινδύνους και τις δυσάρεστες συνέπειες και βοηθώντας στη διαφύλαξη των ορυκτών καυσίμων για τη χρήση τους από τις μεταγενέστερες γενιές. Φυσικά και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν αρνητικές επιδράσεις στο περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης βιομάζας εκπέμπουν ρυπαντικές ουσίες και το καύσιμο συλλέγεται σε ακατάπαυστους ρυθμούς. Τα αιολικά πάρκα αλλάζουν το τοπίο και σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν επηρεάσει τα πουλιά που ζουν στη γύρω περιοχή. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια, μπορούν να επιδράσουν σε μεγάλο βαθμό στην πανίδα και το οικοσύστημα της περιοχής. Παρόλα αυτά, οι επιπτώσεις αυτές είναι γενικά πολύ πιο ήπιες και πιο τοπικές από αυτές των ορυκτών καυσίμων και της πυρηνικής ενέργειας, αυτό όμως δε σημαίνει ότι δε χρειάζεται να καταβληθούν προσπάθειες ώστε οι επιρροές στο περιβάλλον να ελαχιστοποιηθούν.
Επιπλέον, ο άνθρακας και το πετρέλαιο περιέχουν ίχνη μετάλλων τοξικών στον αέρα,
όπως ο υδράργυρος, το αρσενικό και ο μόλυβδος. Παρόλα αυτά, είναι δύσκολο να
παγιδευτούν με συστήματα ελέγχου. Μόλις ελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα, τα τοξικά
μέταλλα συσσωρεύονται στο λιπώδη ιστό των ζώων και του ανθρώπου. Μπορούν να
προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα υγείας, όπως διανοητική καθυστέρηση, βλάβη στο
νευρικό σύστημα και ανάπτυξη δυσλειτουργιών. Λόγω της συσσώρευσης των τοξικών
μετάλλων στα ψάρια, εν μέρει εξαιτίας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, η κατανάλωση των
τελευταίων μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να θεωρηθεί επικίνδυνη, ιδιαίτερα για τα παιδιά
και τις έγκυες γυναίκες.
10.3.2 Αποφυγή μόλυνσης των θαλασσών, του εδάφους και θερμικής μόλυνσης
Η παραγωγή και η κατανάλωση ενέργειας έχουν επιδράσεις και στις θάλασσες, αλλά
και στο έδαφος. Υπάρχουν άμεσες επιπτώσεις, όπως οι πετρελαιοκηλίδες και τα ορυχεία
εξόρυξης κάρβουνου και έμμεσες, όπως οι διάφορες αέριες ρυπαντικές ουσίες που
καταλήγουν, είτε στο έδαφος, είτε στη θάλασσα. Η μόλυνση του εδάφους και των θαλασσών
μπορεί να συμβεί στον κύκλο ζωής των ορυκτών καυσίμων, από την εξόρυξη, τη γεώτρηση
και τη διύλιση, μέχρι τη μεταφορά, τη χρήση και την απόρριψή τους.
Η εξόρυξη του κάρβουνου συμμετέχει και στη θαλάσσια και στην εδαφική μόλυνση. Οι
καινούριες τεχνικές εξόρυξης, ορισμένες φορές ισοπεδώνουν τα βουνά. Τα τοξικά χημικά
που έρχονται στην επιφάνεια κατά τη διεργασία της εξόρυξης, υπάρχει πιθανότητα να
καταλήξουν στο δίκτυο παροχής πόσιμου νερού. Η μεταφορά του κάρβουνου με τους
σιδηρόδρομους και τα φορτηγά πλοία, απελευθερώνει σκόνη άνθρακα και εκτός των άλλων
είναι επιρρεπής στα ατυχήματα. Στο τέλος, μετά την καύση του άνθρακα, μένουν
υπολείμματα στάχτης.
Η γεώτρηση για ανεύρεση πετρελαίου και φυσικού αερίου μπορεί επίσης να μολύνει την περιβάλλουσα περιοχή. Οι διαρροές πετρελαίου σκοτώνουν τα φυτά και τα ζώα και συχνά καθιστούν
τα ρυάκια και τις τριγύρω ακτές ακατάλληλους βιότοπους.
Τα ορυκτά καύσιμα παράγουν θερμική ενέργεια κατά την καύση τους, μέρος της οποίας μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό. Καθώς η διεργασία αυτή δεν είναι τέλεια, περίπου τα δύο τρίτα της θερμότητας
απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα ή στη θάλασσα. Το θερμό νερό, όταν επιστρέψει στις θάλασσες ή στις λίμνες μπορεί να διαταράξει το τοπικό οικοσύστημα.
Στην παράγραφο αυτή, θα γίνει μια προσπάθεια να ποσοτικοποιηθούν οι εκπεμπόμενες αέριες μάζες ρύπων, σε ετήσια βάση. Ο υπολογισμός θα αφορά τη λειτουργία ενός συμβατικού σταθμού
ηλεκτροπαραγωγής και μάλιστα κατά τον υπολογισμό θα χρησιμοποιηθούν στοιχεία που αφορούν αποκλειστικά τον υπάρχων σταθμό ισχύος της Πάτμου.
Οι ετήσιες ποσότητες ρύπων προκύπτουν από την πολύ απλή έκφραση υπολογισμού, η οποία περιλαμβάνει την ποσότητα καυσίμου που καίγεται ετησίως mb (tn/yr), τη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου Hu (kJ/kg) και τέλος τους συντελεστές εκπομπής των διαφόρων ρύπων ei (gr/GJ). Ο παράγοντας 10 -9 προκύπτει κατά τη μετατροπή των μονάδων, έτσι ώστε οι τελικές εκπομπές να
προκύψουν σε tn/yr. Αναλυτικά λοιπόν ισχύει:
Εκπομπές = mb · Hu · ei · 10 -9 [tn/yr] (Σ 10.19)
Θερμογόνος Δύναμη
Δεδομένου ότι ο υπάρχων συμβατικός σταθμός ισχύος της ΔΕΗ καιει αποκλειστικά ντίζελ για ηλεκτροπαραγωγή και χρησιμοποιώντας τα στοιχεία του πίν 10.10 [10], λαμβάνεται μια μέση τιμή θερμογόνου δύναμης, Hu = 42.500 kJ/kg.
Πίνακας 10.10: Πυκνότητα, μέση σύσταση και θερμογόνος δύναμη υγρών καυσίμων
Καύσιμο Πυκνότητα στους 15 0C
[kg / lt]
Σύσταση [% κ. β.] Θερμογόνος ΔύναμηHu [KJ / kg] C H O + N S
Στον πίν 9.14 του κεφαλαίου 9, φαίνεται πως για ηλεκτροπαραγωγή στην Πάτμο καταναλώθηκαν 2.728.689 kg ντίζελ, από τον υπάρχων σταθμό ισχύος, για το έτος 1998. Δεδομένου της αύξησης της
ζήτησης σε ηλεκτρικό ρεύμα, λαμβάνεται μια ενδεικτική τιμή 3.000 tn/yr για το έτος 2005.
Συντελεστές Εκπομπές
Οι συντελεστές εκπομπής για τους κυριότερους ρύπους, αναγράφονται στον πίν 10.11 [12] της επόμενης σελίδας και αφορούν τις ουσίες: SO2, NOX, CH4, VOC, NMVOC, CO, CO2.
Στον ίδιο πίνακα, αναγράφονται και οι ετήσιες εκπομπές ουσιών σε tn/yr, που προκύπτουν με χρήση της Σ 10.19. Αυτές θα είναι και οι ποσότητες οι οποίες δεν θα απορρίπτονται στο περιβάλλον ετησίως,
σε περίπτωση που αποφασιστεί η παύση της λειτουργίας του συμβατικού σταθμού.
Μόλυνση του αέρα: Η κατασκευή των φωτοβολταϊκών κυψελών λεπτού στρώματος
απαιτεί μεγάλες ποσότητες αερίων. Ορισμένα από αυτά φαίνονται στον πίν 10.13 [13] της
επόμενης σελίδας.
Πολλά από αυτά είναι πολύ τοξικά (AsH3, PH3, SiF4, B2H6), πυροφορικά (SiH4) ή
εύφλεκτα (H2, CH4). Ένας μεγάλος αριθμός από τα αέρια που χρειάζονται στην παραγωγή
κυψελών λεπτού στρώματος, χρησιμοποιούνται ήδη στη βιομηχανία, όμως οι ποσότητες και
οι εφαρμογές τους διαφέρουν. Ο όγκος ορισμένων αερίων, όπως του PH3, που
χρησιμοποιούνται στην κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών σε μεγάλη κλίμακα, εκτιμάται να
είναι μεγαλύτερος από τον όγκο των ίδιων αερίων που απαιτείται σε όλες τις υπόλοιπες
περιπτώσεις. Επομένως, οι επιλογές διαχείρισης των αερίων αυτών και η απόρριψη των
ποσοτήτων τους που δεν αντέδρασαν (η αποδοτικότητα των διάφορων διαδικασιών
κυμαίνεται μεταξύ 10 και 30 %), χρειάζεται προσεκτικό σχεδιασμό.
Η διαφυγή επιβλαβών αερίων στο περιβάλλον μπορεί να είναι αποτέλεσμα διαρροής
των συστημάτων αποθήκευσης, διανομής και κύριας λειτουργίας ή κατά τον αερισμό του
εξοπλισμού λειτουργίας και ελέγχου κάτω από δυσμενείς συνθήκες (φωτιά, διακοπή
ρεύματος, κλπ). Κάτι τέτοιο θέτει τον πληθυσμό, που ζει κοντά σε αυτές τις εγκαταστάσεις,
κάτω από σοβαρό κίνδυνο, λόγω των μεγάλων ποσοτήτων των αερίων που
χρησιμοποιούνται.
Τέλος, στον πίν 10.14 [13] που παραθέτεται στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι
ποσότητες κάποιων επικίνδυνων για την ατμόσφαιρα, ρυπαντικών ουσιών, οι οποίες
παράγονται στις εγκαταστάσεις κατασκευής φωτοβολταϊκών κυψελών.
Επεξηγήσεις:
α) Η συγκέντρωση που είναι άμεσα επικίνδυνη για τη ζωή ή την υγεία (ΑΕΖΥ). Αντιπροσωπεύει το όριο όπου η διαφυγή πρέπει να γίνει μέσα σε 30 λεπτά, χωρίς την εμφάνιση συμπτωμάτων ή μη αντιστρέψιμων θερμικών επιπτώσεων στον άνθρωπο.
β) Η οριακή τιμή (ΟΤ) του Αμερικάνικου Συνεδρίου Κυβερνητικής και Βιομηχανικής Υγιεινής (ΑΣΚΒΥ), είναι ο μέγιστος χρονικός μέσος όρος συγκέντρωσης για μία εργάσιμη μέρα (8 ώρες) ή μία εργάσιμη εβδομάδα (40 ώρες).
Πίνακας 10.14: Περιβαλλοντικοί έλεγχοι για τοξικές ή επικίνδυνες, ρυπαντικές για την ατμόσφαιρα ουσίες, από εγκαταστάσεις κατασκευής φωτοβολταϊκών κυψελών
∆ημόσιοι φυσικοί κίνδυνοι: Οι τρόποι διασφάλισης των τμημάτων των φωτοβολταϊκών
συσκευών, όπως δίοδοι, καλύμματα διόδων, καλωδιώσεις και σκελετοί στήριξης, προς
αποφυγή ηλεκτροπληξίας και φωτιάς από τις συστοιχίες που βρίσκονται στις στέγες κτιρίων,
έχουν ήδη αναγνωριστεί και θα πρέπει να εμπεριέχονται σε όλες τις φωτοβολταϊκές
συσκευές.
iii. Συμπεράσματα
Τα φωτοβολταϊκά ενεργειακά συστήματα μπορούν να προσφέρουν υπολογίσιμα ποσά
ηλεκτρικής ενέργειας στο μέλλον. Τα στάδια κατασκευής τους, είναι δυνατό να απειλήσουν τη
δημόσια υγεία, αν δεν επιβληθεί συνετός και τακτικός έλεγχος της παραγωγής, ιδίως στη
διαχείριση τοξικών και εκρηκτικών αερίων και των συστημάτων αποθήκευσης. Η εμπειρία
από εργοστάσια που σχετίζονται με τέτοιες ουσίες, υποδηλώνει ότι η εφαρμογή των
διαθέσιμων συστημάτων ελέγχου μπορεί να μειώσει σε ικανοποιητικό βαθμό τους όποιους
κινδύνους εμφανίζονται. Ομοίως, οι κίνδυνοι που γεννούνται από τη χρήση
ραδιοσυχνοτήτων, λέιζερ και ηλεκτρικού ρεύματος, μπορούν να ελαχιστοποιηθούν εύκολα με
τεχνολογικά και διοικητικά μέτρα προφύλαξης. Όσο περισσότερο εφαρμόζονται οι
τεχνολογίες αυτές στους διάφορους τομείς της βιομηχανίας, τόσο καλύτερα θα ελέγχονται και
οι κίνδυνοι που αναφέρθηκαν παραπάνω.
10.5 Η αποδοχή των ηλιακών συστημάτων Οι αναπτυσσόμενες χώρες είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν σε μεγάλο βαθμό την ηλιακή ενέργεια, διότι και την απαιτούμενη τεχνογνωσία - τεχνολογία διαθέτουν και την πρέπουσα νοοτροπία, ώστε να αποδεχθούν και να υιοθετήσουν το πλήθος εφαρμογών που αυτή προσφέρει. Πολλά ηλιακά συστήματα κατασκευάζονται και λειτουργούν ανά τον κόσμο παρέχοντας ενέργεια με μικρό κόστος.
Οι άνθρωποι, κυρίως σε φτωχές περιοχές του πλανήτη, χρειάζονται ενέργεια κυρίως για χαμηλής θερμοκρασίας εφαρμογές, όπως μαγείρεμα, ξήρανση προϊόντων και απόσταξη νερού, έτσι ώστε να ικανοποιούν τις πιο βασικές ανάγκες.
Ο ηλεκτρισμός είναι επίσης απαραίτητος σε πολλές περιοχές του πλανήτη για διάφορες χρήσεις, όπως άντληση νερού, τηλεπικοινωνίες, ψύξη, φωτισμό και άλλες. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες (PV), οι οποίες χρησιμοποιούνται για απευθείας μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό, μεταφέρονται εύκολα, είναι περιβαλλοντικά καθαρές και εύκολες στη χρήση. Για αυτό το λόγο ενδείκνυνται ιδιαίτερα για εφαρμογή σε μικρές αγροτικές κοινωνίες.
Η αποτελεσματική εφαρμογή των ηλιακών συστημάτων, μπορεί να είναι προβληματική σε αναπτυσσόμενες περιοχές. Ο κλιματικός και ο παραδοσιακός ή πολιτιστικός χαρακτήρας ενός τόπου, σε συνδυασμό με τη διαθέσιμη τεχνογνωσία ή τεχνολογία, είναι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη, πριν την εισαγωγή τέτοιων τεχνολογιών. Επιπλέον, τα διαθέσιμα υλικά, καθώς επίσης και το εργατικό δυναμικό δεν μπορούν να αγνοηθούν. Πολλές προσπάθειες ανά τον κόσμο, έχουν γίνει για την εφαρμογή ιδιαίτερα αξιόλογων ενεργειακών προγραμμάτων και τεχνολογιών και έχουν αποτύχει παταγωδώς εξαιτίας τοπικών παραγόντων.
Παρά το γεγονός ότι η ηλιακή ενέργεια σε τριτοκοσμικές χώρες, είναι συνήθως άφθονη, σε σχέση με εκβιομηχανισμένες περιοχές, η γεωγραφική θέση, καθώς και το κλίμα ενός τόπου καθορίζουν τη λειτουργικότητα των ηλιακών συστημάτων. Είναι εντελώς παράδοξο να υλοποιούνται ηλιακά συστήματα, αγνοώντας τη διαθεσιμότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα τόπο. Εξάλλου, τοπικές κλιματολογικές παράμετροι, όπως η συννεφιά, επιδρούν αρνητικά στην αποτελεσματικότητα αυτών των εφαρμογών, ακόμα και στις πιο θερμές περιοχές του πλανήτη. Για το λόγο αυτό, η γενική άποψη ότι οι καταλληλότερες περιοχές για χρήση ηλιακών συστημάτων, είναι η ευρύτερη τροπική ζώνη, δεν είναι πάντα σωστή. Για παράδειγμα, η εφαρμογή των ηλιακών ξηραντηρίων για καλλιέργεια, σε τροπικές περιοχές του πλανήτη, είναι ουσιαστικά άσκοπη και αντιαποτελεσματική, αφού η περίοδος συγκομιδής της σοδειάς συνοδεύεται από υψηλά ποσοστά συννεφιάς.
Επίσης, όπως άλλωστε αναφέρθηκε και παραπάνω, πολιτιστικοί παράγοντες μπορούν να επιδράσουν αρνητικά στην εισαγωγή και υιοθέτηση ηλιακών συστημάτων, ακόμα και σε περιοχές με ιδανικό κλίμα και ανεξάντλητη ηλιακή ενέργεια. Στην Αφρική για παράδειγμα, πολλές γυναίκες διάφορων φυλών, έχουν μαγειρέψει με χρήση ξύλου, τόσο πριν την ανατολή, όσο και μετά τη δύση. «Πόσο εύκολο είναι λοιπόν να πείσει κάποιος μια τέτοια γυναίκα να μαγειρέψει με χρήση ηλιακής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας;»
Η αλλαγή των κοινωνικών συμπεριφορών ή συνηθειών, είναι μια χρονοβόρα διαδικασία, που απαιτεί σταδιακή εξοικείωση και πάνω από όλα σταθερή θεμελίωση, κάτι που δεν κατανοείται εύκολα από κάποιον εξωτερικό παρατηρητή. Άμεσο συμπέρασμα του γεγονότος αυτού, είναι ότι η εισαγωγή τεχνολογιών που σχετίζονται με τη χρήση ηλιακής ενέργειας, πρέπει να είναι ελαστικές και όσο το δυνατόν συμβιβαστικές, ώστε να προσαρμόζονται εύκολα και άμεσα στις κοινωνικές προτιμήσεις. Αυτό που προκύπτει άμεσα από την παραπάνω ανάλυση, είναι ότι μια πληθώρα παραγόντων όπως, κοινωνικοί, οικονομικοί, κλιματολογικοί, τεχνολογικοί θα καθορίσουν την επιτυχία ή όχι ενός πλάνου σε οποιοδήποτε μέρος του πλανήτη. Το κλειδί της επιτυχίας για μια αποτελεσματική χρήση της ηλιακής ενέργειας, είναι να εντοπιστούν και να εκτιμηθούν σωστά, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ενός ηλιακού συστήματος, έτσι ώστε να είναι σύμφωνο αυτό, τόσο με τις απαιτήσεις, όσο και με τους διαθέσιμους πόρους, ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη, ο ξεχωριστός χαρακτήρας και η υποδομή της κοινωνίας, όπου αναμένεται να εφαρμοστεί το εκάστοτε σύστημα.
Ηλεκτρισμού, Διεύθυνση Περιφέρειας Νήσων, Τομέας Εκμετάλλευσης Παραγωγής. 9. Tiwari, G.N, “Performance Evaluation of an Inverted Absorber Solar Still”, Energy
11. Τhe OECD Compass Project, “Environmental impacts of renewable energy”, Paris 1998. 12. Alan Nogee, Steven Clemmer, Bentham Paulos, Brent Haddad, Union of Concerned
Scientists, “Powerful solutions, 7 ways to switch America to renewable electricity.”, January 1999.
13. Γ. Τσιλιγκιρίδης, Κ. Γάτσος, Κ. Τζουτζομήτρος, Β. Σωτηρόπουλος, «Επεξεργασία Μετρήσεων Μετεωρολογικών Στοιχείων στο Ηλιακό Χωριό 3 στη Λυκόβρυση Αττικής.», Πρακτικά 6ου Εθνικού Συνεδρίου του Ι.Η.Τ, για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόμος Α΄. «Βελτιστοποίηση των Ενεργειακών Διεργασιών», Εκδόσεις Γιαχούδη – Γιαπούλη, Βόλος 3 – 5 Νοέμβριου 1999, σελ 9 – 22.
14. Κατερίνα Μαρκετάκη, Βασίλης Γκέκας, «Χρήση θερμοδυναμικού κύκλου Stirling στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.», Πρακτικά 6ου Εθνικού Συνεδρίου του Ι.Η.Τ, για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόμος Β΄. «Βελτιστοποίηση των Ενεργειακών Διεργασιών», Εκδόσεις Γιαχούδη – Γιαπούλη, Βόλος 3 – 5 Νοέμβριου 1999, σελ 283 – 290.
15. Phylipsen, G.J.M., E.A. Alsema, Environmental life-cycle assessment of multicrystalline silicon solar cell modules, Department of Science, Technology and Society, Utrecht University, Utrecht (no.95057), 1995.
16. Web site: wysiwyg://5/http://www.chem.ruu.nl/nws/www/publica/95057.htm 17. E.A.Alsema, P.Frankl, K.Kato, Energy pay-back time of photovoltaic energy systems:
present status and prospects, Dept. of Science, Technology and Society, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands. Center for the Management of Environmental Resources, INSEAD, Fontainebleau, France. Electrotechnical Laboratory, AIST, MITI, Ibaraki, Japan.
24. Y.S.Tsuo, NREL / J.M.Gee, Sandia National Laboratories / P.Menna, National Agency for New Technologies Energy & Environment and D.S.Strevkov, A.Pinov and V.Zadde, Environmentally benign silicon solar cell manufacturing, 2nd Photovoltaic World Conference, Vienna, Austria 1998.
25. Bent Sørensen, Life-Cycle Analysis of Present and Future Si-based solar cells, Roskilde University, Institute of Mathematics & Physics, Energy & Environment Group, 2nd Photovoltaic World Conference, Vienna, Austria, July 1998.
26. D.S. Ruby, P. Yang, S. Zaidi, S. Brueck, M. Roy and S. Narayanan, Plasma Etching, Texturing and Passivation of Silicon Solar Cells, Sandia National Laboratories, Albuquerque. University of New Mexico, Albuquerque. Solarex, Frederick, USA.
27. US DOE Program, web site: http://www.eren.doe.gov/pv/aboutpv.html. 28. Geoffrey M. Lewis & Gregory A. Keoleian, Life Cycle Design of Amorphous Silicon
Photovoltaic Modules, Project summary, October 1997. 29. Ecosite Standards and Methodology-Back Information. 30. Web site: http://www.ecosite.co.uk 31. Robert G. Seippel, Photovoltaics, Reston Publishing Company, Inc.,Reston, Virginia,
1983. 32. Anna Fay Williams, The Handbook of Photovoltaic Applications, The Fairmont Press,
Inc., Atlanta, Georgia, 1986. 33. David F. Ciambrone, Environmental Life Cycle Analysis, Hughes Aircraft Company,
Newport Beach, California, Lewis Publishers, New York, 1997. 34. Franklin F.Y. Wang, Chandra P. Khattak, K.V Ravi, Silicon Processing for Photovoltaics
I, North Holland Physics Publishing, Amsterdam, The Netherlands, 1985. 35. The Book of Popular Science, Grolier Inc., U.S.A., 1971. 36. Design and Installation of PV systems. Web site:
http://www.sandia.gov/pv/pvsys/dsninstl.html. 37. The International Journal of Life Cycle Assessment (Editor-in-Chief: Walter Klöpffer),
Vol.2, No.1, Ecomed publishers, 1997. 38. Aixon Elektrotechnik GmbH. Web site: http://www.aixon.de/solar/PU3/PU3.html 39. No.772. Consumer Price Indexes (CPI-U), Statistical Abstract of the United States. 40. Hoppecke Batterien, Hoppecke HOPzS, Stationary lead acid batteries.
41. Threshold Limit Values (TLV), Values Immediately dangerous to Life and Health (IDLH). Web site: http://www.airgas.com/products/productdata/threshold.html#note.\
42. Occupational Safety & Health Administration (OSHA), U.S. Department of Labor, Chemical Sampling Information-Field Label Abbreviations & Descriptions. Web site: http://www.osha-slc.gov/OCIS/field.html
43. Thermoplastic Material selection Guide. Web site: http://www.endura.com/tpguide.htm#7
44. Dodwell Keyt, SOLAR: Power of the Future, Issue 49-Solar cells. Web site: http://www.ata.org.au/~ata/49solcl2.htm
45. CPF DUALAM, Material Technology. Web site: http://www.dualam.com/mat.html 46. Typical Properties of Tedlar. Web site: http://www.dualam.com/etfe.html 47. Plastic material properties. Web site: http://www.plasticsusa.com/EVA.html 48. «Geothermal Energy as a source of Electricity» (Ronald Di Pippo, Brown University and
Southestern Massachusetts University, January 19800. 49. «Handbook of Geothermal Energy» (L.M.Edwards, G.V.Chilingar, H.H. Rieke III, W,H
Fertl January 1982.). 50. «Geothermal Energy, Sandia laboratory develops Process for producing hydrogen from
molten rock» ( Νοέμβριος 1977 ) 51. Stanley L.Milora and Jefferson W.Tester, «Geothermal Energy as a source of Electric
Power» (The MIT Press) 52. «The US Geothermal Industry» (http://www.id.inel.gov/geothermal/articles/mclarty) 53. «Energy technology characterizations Handbook. Environmental pollution and control
factors» (US DOE, Μάρτιος 1983) 54. «Country energy data report» (http://www.eia.doc.emeu/world/country) 55. «Demonstration of EIC's copper sulfate process for removal of hydrogen sulfide and
other trace contaminates from geothermal steam at turbine inlet temperatures and pressures» (Columbia University, DOE, Οκτώβριος 1980)
56. «Process technology and flowsheets» (Chemical engineering magazine) 57. «Geothermal energy applications»
(http://www.worldbank.org/html/fpd/energy/geothermal/applications.html) 58. «Ενημερωτικός οδηγός για τις δυνατότητες αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας στην
Ελλάδα » (Ευρωπαική επιτροπή, Γενική Διεύθυνση Ενέργειας Ε.Τ.Β.Α, Σεπτέβριος 1995) 59. Goran Wall, «Εxergy - a useful concept within resource accounting »
(http://www.exergy.se./goran/thesis/paper1/paper/html),institute of theoretical physics,University of Goteborg, Sweden Μάιος 1997)\
60. «Exergy analysis og geothermal power plants efficiency» (Dr O.A Siniougine Laboratory of renewable sources of Energy , Moscow, State university ,Russia)
61. Μπομπόλιας Χρήστος , «Μελέτη μονάδος συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμού νερού από το γεωθερμικό πεδίο Ερατεινού Ν.Καβάλας» (Διπλωματική εργασία, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΠΘ , Θεσσαλονίκη 2000)
62. «Isotope and chemical studies for a geothermal assessment of the island of Nisyros (Greece)» (Pergamon,November 1998)
1 foot (ft) = 0.3048* meter (m) = 30.48* centimeters (cm) 1 inch (in.) = 0.0254* m = 2.54* cm 1 mile (mi.) = 1609.344* m = 1.609344* kilometers (km) 1 km = 1000* m
Μονάδες Όγκου (Χωρητικότητας):
1 barrel (bbl) = 42* U.S. gallons = 0.1589873 m3 1 U.S. gallon = 3.785412 liters = 3.785412 x 10-3 m3 1 cubic foot (cu ft, ft3) = 2.831685 x 10-2 m3 1 liter (L) = 0.001* m3 1 milliliter (mL) = 0.001* L = 1* cubic centimeter (cm3) = 1.0* x 10-6 m3
Μονάδες Βάρους:
1 pound-mass (lbm) = 0.4535924 kilogram (kg) = 453.5924 grams (g) 1 short ton (ts) = 1* U.S. ton = 2000* lbm = 907.1847 kg 1 long ton (tl) = 1* U.K. ton = 2240* lbm = 1016.047 kg 1 metric ton (tm) = 1* tonne = 1000* kg = 1,000,000* grams (g) = 1* Megagram (Mg)
Mass basis: o 1 Btu/lbm = 2.326 x 103 J/kg o 1 cal/g = 4184* J/kg o 1 cal/lbm = 9.224141 J/kg
Volume basis: o 1 Btu/U.S. gallon = 7.742119 x 10-2 (kW-hr)/m3 = 2.787163 x 105 J/m3 o 1 Btu/ft3 = 1.034971 x 10-2 (kW-hr)/m3 = 3.725895 x 104 J/m3 o 1 ft-lbf/U.S. gallon = 3.581692 x 102 J/m3 o 1 cal/cm3 = 4.184* x 106 J/m3
1 barrel (bbl) crude oil = 42* gallons = 5.8 x 106 Btu = 6.12 x 109 J 1 standard cubic foot (std ft3) of natural gas (SCF) = 1000 Btu 1 gallon gasoline = 1.24 x 105 Btu 106 cubic feet of natural gas = 172 barrels of crude oil 1 ton coal = 20-40 x 106 Btu 1 lbm bituminous coal = 1.3 x 104 Btu 1 ton uranium-235 (235U) = 70 x 1012 Btu 1000 bbl/day of oil = 2.117 x 1012 Btu/yr 1 million barrels of oil per day (1 MBOPD)
= 5.8 x 1012 Btu/day = 80 million tons per year of coal = 5.8 x 109 ft3 per day of natural gas
Προσεγγιστικές Θερμικές Μονάδες:
Petroleum: = 5.8 x 106 Btu/bbl = 1.4 x 105 Btu/U.S. gallon = 19,000 Btu/lbm (using a density of 7.4 lbm/gallon) = 42,000 Btu/kg
Coal: = 6,000 to 15,000 Btu/lbm, depending on the rank of coal = 13,200-33,000 Btu/kg
Natural gas: = 1000 Btu/ft3 = 25,000 Btu/lbm (using a density of 0.04 lbm/ft3) = 55,000 Btu/kg
Uranium-235: = 3.3 x 1010 Btu/lbm = 7.3 x 1010 Btu/kg
Απαιτήσεις σε καύσιμο για ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας 1000 MWe (2.4 x 1011 Btu/day input):
Coal: 9000 tons/day or 1 unit train load (100 90-ton cars)/day Oil: 40,000 bbl/day or 1 tanker per week Natural gas: 2.4 x 108 SCF/day Uranium (as 235U): 3 kg/day
Ενεργειακές ανάγκες:
U.S. Total Energy Consumption (1994) = 88 x 1015 Btu (88 Quads) = 40.6 million barrels of oil equivalent per day = 92.8 exajoules (EJ)
Καθημερινή χρήση και ισοδύναμο ενέργειας:
1 barrel of oil = driving 1400 km (840 miles) in average car Electricity of city of 100,000 takes 4000 bbl per day of oil State of California energy needs for 8 hours = 106 bbl = 1 million barrels 1 gal gasoline = 11 kW-hr electricity (@ 30% generation efficiency)
= 5 hours of operation of standard air conditioner = 200 days of electric clock = 48 hours of color TV = average summer days solar energy incident on 2 m2 (22 ft2)
Ένα εκατομμύριο Btu ισούται περίπου με:
90 pounds of coal 125 pounds of oven-dried wood 10 therms of natural gas 1.1 day energy consumption per capita in the U.S. 1 million Btu (MBtu) of fossil fuels burned at a power plant that can generate about 100 kW-hr of
electricity
Δεδομένα Ισχύος:
1000 MWe utility, at 60% load factor, generates 5.3 x 109 kW-hr/year, enough for a city of about 1 million people
U.S. per capita power use = 11 kW Human, sitting = 60 watts = 0.86 food Calories/minute Human, running = 1000 watts = 14.34 food Calories/minute Automobile at 55 mph = 28 kW