Формы и качество энергии

Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, хими- ческая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др. Формы энергии различны по способности производить полезную работу. Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии.

Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т. е. ее эксергию (гр. ех - высшая степень, ergon - работа).

Эксергия - это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.2, 3.3).

Рисунок 3.2- Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Одуму)

На рис. 3.2 показано, что количество энергии, поступающей от Солнца, на каждом последующем уровне снижается, но качество ее возрастает. Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений.

Рисунок 3.3- Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму)

Рабочий потенциал электрической энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.3). В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца.

Использование энергии в биосфере определяется количественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией

2 кал*см ^-2мин ^-1 (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, т. е. 1,34кал*см ^-2мин ^-1 . Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30 %, превращается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 -1,0%.

Клетки растений, связывая на свету СО₂ и Н₂О, образуют гидраты углерода (СН₂О) - строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия накапливалась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком: городов, заводов, машин, автомобилей и т. п. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

В эпоху открытий новых источников ископаемого топлива большинство людей не понимают, что концентрированная энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности городов и всего общества, потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии. Энергия высокой концентрации совершает больший объем работы, управляет большим числом процессов. Чтобы сконцентрировать энергию, разные виды ее должны взаимодействовать.

Но, пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, возможно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например, солнечную энергию для отопления зданий.

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом - использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Горючие ископаемые должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, автомобилей и др.); не следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.

Важным показателем эффективности использования энергии является отношение количества энергии на выходе системы ко всей энергии на входе.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в процессе производства, с энергией топлива, или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных материалов. На самом деле энергия, затраченная на добычу, производство, обработку и перевозку топлива, может превышать энергию, получаемую при сжигании этого топлива. Очевидно, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты на бензин. Они включают в себя энергию, затраченную на производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

В экономике также следует исходить из понятий полезной энергии. Энергоэффективность должна рассчитываться как отношение энергии, воплощенной в продукции, ко всем затратам энергии. Большинство достижений экономики основано на применении многих скрытых косвенных интеллектуальных или дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции.

Необходимо разрабатывать меры по сохранению как количества, так и качества энергии.