Fyzikálne základy energetického manažmentu
2.4 Fyzikálne princípy v energetickom manažmente
Aby sme pochopili technickú stránku energetického manažmentu, je potrebné vysvetliť niekoľko základných pojmov z fyziky. Energetický manažér musí porozumieť týmto pojmom a rozlišovať ich. To je jediný spôsob, ako pochopiť a posúdiť výhody energetických opatrení.
2.4.1 Sila
Takmer všetko v našom každodennom živote si vyžaduje určitú formu sily, či už je to otvorenie dverí, výstup po schodoch alebo nosenie notebooku vo vrecku. V klasickej mechanike:
Sila = hmotnosť vynásobená zrýchlením
Túto mechanickú definíciu sily z každodenného života poznáme. Keď sedíme v aute a zrýchľujeme, tlačí nás do sedadla.Akonáhle auto pokračuje v jazde stabilnou rýchlosťou, túto silu už nepociťujeme, zrýchlenie je nulové a rovnako aj sila. Ak je teraz vozidlo brzdené, tlačí nás proti bezpečnostnému pásu a cítime brzdnú silu. Aj pri brzdení sme teda akcelerovaní, ale v protismere. Fyzicky povedané, niečo sa vždy zrýchli, keď zmení svoju rýchlosť, teda keď sa stane rýchlejšou alebo pomalšou. Okrem toho má niečo rýchlosť, keď zmení svoje miesto. Môžeme zmerať vzdialenosť l medzi dvoma miestami v metroch (m). Ak chceme vedieť, ako dlho potrebujeme z jedného miesta na druhé, zmeriame čas t, napríklad spočítame sekundy (s). Rýchlosť teda hovorí, ako rýchlo môžeme zmeniť miesto:
Rýchlosť = zmena polohy za čas
V určitom zmysle nám zrýchlenie hovorí, ako rýchlo sa rýchlosť mení:
Zrýchlenie = zmena rýchlosti za sekundu
Sily sa v prírode a technológii vyskytujú v mnohých formách, či už je to gravitácia, trecia sila, elektromagnetická sila alebo akákoľvek iná forma. Všetky sa počítajú trochu inak, ale vždy sa merajú v Newtonoch (N). Vďaka tomu je možné sily navzájom sčítať, odčítať a porovnávať.
2.4.2 Energia a práca
Energia je kľúčom k životu. Preto je dôležité poznať fyzikálny význam tohto výrazu. Koncept práce je úzko spätý s konceptom energie.
Z cyklistiky vieme, že to treba resp musíte robiť prácu, napríklad jazdiť popri jazere z Zürichu do Rapperswilu. Najprv musíme akcelerovať, aby sme to dosiahli, potrebujeme silu šliapať do pedálov a prekonáme určitú vzdialenosť. Aby sme nespomalili, musíme neustále vyvíjať sily, t. J. Šliapať do pedálov, kým prídeme do Rapperswilu. Takže keď pracujeme na bicykli, aplikujeme silu na pedál, čo spôsobí pretočenie kolies, a preto prejdeme vzdialenosť. Táto sila slúži na prekonanie trenia, ktoré by nás inak opäť spomalilo. Naopak nie je možné kopať a neprekonať vzdialenosť. V skutočnosti:
Práca = sila krát cesta
Jednotka: Joule J = Nm = Nm
Je však možné zvaliť sa z kopca bez kopania. Prejdeme teda cestu bez toho, aby sme museli zbierať silu. S definíciou práce ľahko zistíme, že nepracujeme, čo samozrejme zodpovedá našim skúsenostiam.
Aby sme si uľahčili cestu z Zürichu do Rapperswilu, môžeme použiť aj e-bike. Teraz musíme pracovať menej, zvyšok práce robí elektromotor. Na to, aby elektromotor fungoval, potrebuje elektrickú energiu, ktorú čerpá z batérie. Ak je batéria vybitá, zastaví sa aj motor. Skrátka: žiadna práca bez energie.
Z fyzikálneho hľadiska sa energia správne označuje ako «pracovná kapacita». Prácu ako fyzikálny pojem môžeme chápať ako využitie energie. Naopak, energia je „uložená“ alebo „potenciálna“ práca. Určité množstvo práce vždy spotrebuje zodpovedajúce množstvo energie. Jednotka a hodnota sú rovnaké, za predpokladu, že nedôjde k nežiaducim vedľajším účinkom, čo v skutočnom svete bohužiaľ nikdy neplatí. Ak sa pracuje za 100 joulov, potom sa vyžaduje 100 joulov energie. V skutočnom svete zodpovedá 100 joulov energie teoretickej minimálnej spotrebe energie.
Aby mohla batéria znova uvoľňovať energiu, musí sa najskôr nabiť. To znamená, že cez napájací kábel absorbuje elektrickú energiu a ukladá ju, aby sa mohla neskôr znova uvoľniť. Aj my ľudia máme hlad po práci a potrebujeme novú energiu, ktorú prijímame vo forme potravín a ukladáme na neskoršie použitie. Dodaná energia je chemicky viazaná v batérii aj v tele.
Čo sa stane s energiou, ktorú používame pri jazde na bicykli? Energiu potrebnú na zrýchlenie na začiatku jazdy pravdepodobne pocítite: na konci jazdy zahreje brzdové doštičky. Pri brzdení sa zahrejú. Prostredie sa tiež ohrieva zvyšnou energiou (trenie spôsobuje teplo), takže teoreticky môžu obyvatelia ťažiť z mierne vyššej teploty vzduchu vedľa cyklotrasy. Iba zvýšenie teploty zostáva také malé, že to nikto necíti, a preto za to nedostávame žiadnu vďaku.
Tieto vzťahy sú definované v prvom zákone termodynamiky nasledovne, ktorý platí pre stacionárny prípad:
Súčet všetkej energie dodanej a vybitej do systému je nulový.
Je zrejmé, že energiu nemožno spotrebovať, iba premeniť. To tiež znemožňuje (a zjavne nezmyselné) šetriť energiu. A napriek tomu vieme, že takzvaná spotreba energie je jedným z veľkých problémov, ktorým ľudstvo čelí. Problém môžeme vystopovať, keď si uvedomíme, že neustále premieňame formy vysoko kvalitnej energie na odpadové teplo, ktoré už nemožno ďalej využívať.
Hlavnú klauzulu vyššie je možné tiež prepísať takto:
Energiu je možné prevádzať iba z jednej formy do druhej, ale nikdy sa nestratí.
Energia sa meria v jednotkách joule (J), kde joule je množstvo energie potrebné na prejdenie jedného metra silou jedného newtonu: 1 joule = 1 newton meter (1 J = 1 Nm). Joule je veľmi malé množstvo energie, a preto sa zvyčajne používa kilojoule (kJ) (tisíckrát za joule) alebo megajoule (MJ), miliónkrát za joule.
Ďalšou bežnou a užitočnou veličinou, pomocou ktorej sa meria energia, je kilowatthodina alebo skrátene kWh. Kilowatthodinu poznáme z nášho účtu za elektrinu, ktorý musíme pravidelne platiť. Elektrina je však pre vyúčtovanie nesprávnym slovom. Neplatíme za elektrinu, platíme za energiu, konkrétne za kilowatthodiny. Náš účet za elektrinu je v skutočnosti účet za energiu.
Jouly (Ws) sa stanú kilowatthodinami s konverziou: 1 kWh = 1 000 (na kilogramy) 1 W 3600 s = 3 600 000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3,6 MJ (megajoulov) alebo krátke:
1 kWh = 3,6 MJ
Starý spôsob merania energie alebo práce je kalória. V každodennom živote poznáme toto opatrenie iba z informácií o kalóriách obsiahnutých v jedle. Platí nasledujúce:
1 kal. = 4,18 J. alebo. 1 kcal = 4,18 kJ
2.4.3 Výkon
Po energii (a práci) teraz predstavujeme koncept výkonu. Rovnako ako hmotnosť a váha, aj sila a energia sú často navzájom zamieňané alebo rovnocenné. Existuje spojenie, ale výrazy neznamenajú to isté. Kontext je čas. Predstavenie nám hovorí, ako rýchlo spotrebujeme energiu alebo robíme prácu. Môžeme robiť prácu rýchlo alebo pomaly, práca zostáva rovnaká, ale výkonnosť je iná. Nemôžeme pracovať bez vystúpenia alebo naopak. Vždy je dôležité vedieť, či nás zaujíma, ako rýchlo sa niečo urobí, čo zodpovedá výkonu, alebo či chceme vedieť, čo sa robí, čo zodpovedá práci alebo energii. Služba je definovaná takto:
Výkon P = energia E za jednotku času t
Jednotka: watt = joule za sekundu
Jeden watt je veľmi malý úspech. Aj keď sedíme, naše telo premieňa takmer 100 wattov, ktoré vydáva vo forme tepla. Pri jazde na bicykli je to až 500 wattov, v závislosti od rýchlosti (a sklonu). V technológii sa preto výkon zvyčajne uvádza v kilowattoch (1 kW = 1 000 W) (porovnajte gramy g a kilogramy kg).
Pretože kilowatt (kW) je „užitočné“ množstvo, pri použití tejto jednotky sa v kombinácii s časom často spotrebuje aj energia. Ako čas je vhodná hodina (h), výsledkom je kilowatthodina (kWh) energie. Ďalšou jednotkou výkonu, aj keď už zastaranou, je výkon koňa (PS, 1 PS = 0,736 kW). Túto jednotku poznáme iba z reklamy na auto.
2.4.4 Vzťah medzi energiou a výkonom
Tu treba vysvetliť a prehĺbiť vzťah medzi energiou a silou. Pozrime sa na rúru na raclette a hodiny na sporáku. Racletová pec má výkon 1 000 W = 1 kW. Zapína sa vždy 8-krát do roka, vždy na 1 hodinu a 6 minút. Hodiny variča (elektronické digitálne hodiny s displejom emitujúcim svetlo) spotrebujú 2 watty. Pretože ho však nie je možné napájať zo zásuvky s napätím 230 V, je potrebný napájací zdroj, ktorý prevádza sieťové napätie na nízke napätie. To je optimalizované iba z hľadiska ceny, a preto má stratu výkonu 8 wattov, takže kachle po celý rok odoberajú 10 wattov zo siete. Ktoré z týchto dvoch zariadení potrebuje viac energie?
Racletová pec: 8 krát 1 hodina 6 minút je 8 krát 1,1 hodiny = 8,8 hodín
Energia = čas napájania = 1 kW 8,8 h = 8,8 kWh
Hodiny zo sporáka: Hodiny fungujú celoročne: 365 dní v priebehu 24 hodín dáva 8760 hodín.
Energia = 10 W 8760 h = 87 600 Wh = 87,6 kWh
Hodiny na sporáku potrebujú aj napriek veľmi nízkemu výkonu asi 10-krát viac energie!
Jednotka energie kilowatthodina (kWh) je skutočne veľmi užitočná. Premena na základnú jednotku energetických joulov vedie k:
8,8 kWh = 8,8 1000 W 3600 s = 31 680 000 J alebo 31 680 kJ resp. 31,68 MJ.
Pretože joule je veľmi malá jednotka energie, kilowatthodiny sa zvyčajne prevádzajú priamo do megajoulov (MJ). Prepočítavací faktor je 3,6 MJ/kWh (pozri vyššie).
Na našom účte za elektrinu, čo je účet za energiu, sa účtujú poplatky za kilowatthodiny. Ceny energie sa líšia v závislosti od produktu (solárny, vodný, jadrový alebo iný zdroj elektriny) a dennej doby. Za jednu kilowatthodinu zaplatíme okolo 0,15 CHF. Po vyššie uvedenej premene stojí jeden jou 0,000000040 CHF. Joule je pre výpočet úplne nevhodný. Mega joule s CHF 0,040 by bol oveľa lepšie zvládnuteľný. Ale my sme si zvykli na kilowatthodinu, a keď sa pozrieme na čísla, dáva to tiež zmysel.
Energiu (pre „každodenný život“, väčšinou uvedenú v kWh a tiež vypočítanú týmto spôsobom) a výkon (väčšinou v kW), je potrebné posudzovať prísne osobitne. Veľký výstup nemusí nutne znamenať veľa energie, malý výstup, ktorý zostane dlho zapnutý, môže znamenať veľa energie.
Zariadenie má často premenlivý výkon (napr. Kopírka, ktorá má kúrenie s veľkým výkonom, ale ktorá je potrebná iba na vykurovanie). Pri kopírovaní potrebuje kopírka energiu pre mechanický transport papiera a svetlo, počas prestávky (keď je zapnutá, pripravená na kopírovanie, v pohotovostnom režime) nízku energiu, aby udržala fixačný valec v teple. Možno má aj funkciu úspory energie. Potom sa fixačný valček udržiava iba na nižšej teplote, pohotovostný režim je ešte nižší (pred ďalším kopírovaním musíte chvíľu počkať). Vykurovací výkon zostáva rovnaký, ale vďaka funkcii úspory energie je možné výrazne znížiť spotrebu energie, pretože väčšina kopírovacích strojov je väčšinu času v pohotovostnom režime. Informácie o výkone na typovom štítku kopírky nám nepomáhajú vypočítať jeho spotrebu energie. Spotreba energie je priemerný výkon krát doba prevádzky (alebo matematicky integrál okamžitého výkonu v čase). Priemerný výkon závisí od použitia kopírky (intenzívne alebo zriedka používané, s použitím tlačidla úspory energie atď.) A musí sa merať v praxi.
2.4.5 Energia a entropia
Druhý zákon termodynamiky popisuje tieto vzťahy v zjednodušenej podobe takto:
Porucha sa vždy zvyšuje.
Namiesto úspory energie by to malo znamenať: udržiavať poriadok .
V termodynamike sa táto „porucha“ nazýva entropia. Entropia (symbol S) sa môže iba zväčšiť alebo nanajvýš zostať rovnaká. Procesy bez zvýšenia entropie by boli reverzibilné (reverzibilné procesy), ale v praxi neexistujú. Čím menej je proces reverzibilný, tým väčší je nárast entropie.
Na teplotu sa dá pozerať aj ako na objednávku: čím vyššia je teplota, tým vyššia je objednávka. Preto tiež platí:
Teplo vždy prúdi z vyššej na nižšiu teplotu, nikdy nie naopak.
Podstatnou veličinou z pohľadu fyziky teda nie je energia, ale entropia. Čím menej entropie spôsobíme, tým menej sa stáva náš „energetický problém“. Všetky opatrenia na úsporu energie nakoniec vedú k zníženiu nárastu entropie, alebo nie sú skutočne účinné. To naopak znamená, že je potrebné znížiť nárast entropie, to znamená vyhnúť sa poruchám.
Podobne možno spotrebu surovín chápať aj ako produkciu entropie. Buď sú suroviny distribuované po celom svete rovnomernejšie v stále menších častiach, až kým sa už nedajú získať späť (napr. Meď, ktorá sa vtiahne do stále tenších drôtov a distribuuje sa čoraz viac). Alebo sa suroviny „spotrebúvajú“ premenou na iné látky, ktoré sa napríklad už nemôžu používať (napr. Použitie hnojív). Tieto látky sú stále prítomné, avšak „porucha“ sa práve výrazne zvýšila.
Exergia a anergia
Dnes sa energia často delí na exergiu a anergiu. Exergiou sa rozumie tá časť množstva tepla, ktorú je možné previesť na mechanickú energiu pomocou ideálneho termodynamického cyklu. Potom platí Carnotova účinnosť, ktorá je vyššia, tým väčší je rozdiel medzi hornou a dolnou teplotou systému v cykle. Anergia je potom zostávajúca časť energie, ktorú nie je možné premeniť podľa Carnotovej účinnosti. V zjednodušenom vyjadrení sa často hovorí, že exergia je využiteľná časť energie, anergia nepoužiteľná časť. Z fyzického aj z praktického hľadiska je však toto rozdelenie otázne a svojvoľné. Závisí to výrazne od okrajových podmienok (napr. Od teplôt v systéme) a od požadovaného typu využitia energie. Napríklad chcete generovať kúrenie, chladenie alebo svetlo? V závislosti od toho je využiteľnosť určitého množstva energie pri určitej teplotnej úrovni veľmi rozdielna.
Je oveľa produktívnejšie, ak sa rozumejú pojmy energia a entropia. To znamená, že optimálne riešenia možno vždy hľadať fyzicky správne.