Качество энергии - Energy quality
Качество энергии - это мера легкости, с которой одна форма энергии может быть преобразована в полезную работу или в другую форму энергии. Энергия высокого качества легко превращается в работу или в форму энергии более низкого качества, тогда как преобразование форм энергии низкого качества в работу или форму более высокого качества может быть неэффективным, трудным или невозможным. Концепция качества энергии также используется в экологии , где она используется для отслеживания потока энергии между различными трофическими уровнями в пищевой цепи, и в термоэкономике , где она используется в качестве меры экономической отдачи на единицу энергии. Методы оценки качества энергии часто включают построение рейтинга энергетических качеств в иерархическом порядке.
Примеры: индустриализация, биология.
Учет качества энергии был фундаментальной движущей силой индустриализации с 18 по 20 века. Рассмотрим, например, индустриализацию Новой Англии в 18 веке. Это относится к строительству текстильных фабрик с ткацкими станками для ткачества ткани. Самый простой, самый экономичный и понятный источник энергии - это водяные колеса , извлекающие энергию из мельничного пруда за плотиной на местном ручье. Если другой соседний землевладелец решит также построить мельницу на том же ручье, строительство его плотины снизит общий гидравлический напор для питания существующего водяного колеса, что нанесет ущерб выработке электроэнергии и эффективности . В конечном итоге это стало проблемой, характерной для всего региона, снизив общую прибыльность старых заводов по мере строительства новых. Поиск более качественной энергии был основным стимулом на протяжении 19 и 20 веков. Например, сжигание угля для получения пара для выработки механической энергии было невозможно вообразить в 18 веке; к концу 19 века использование водяных колес давно вышло из моды. Точно так же качество энергии электричества дает огромные преимущества по сравнению с паром, но не становится экономически выгодным или практичным до 20 века.
В приведенном выше примере основное внимание уделяется экономическим последствиям использования энергии. Похожий сценарий имеет место в природе и биологии, где живые организмы могут извлекать энергию разного качества из природы, в конечном итоге за счет солнечной энергии как основной движущей силы термодинамического неравновесия на Земле. Экологический баланс экосистем основан на потоках энергии через систему. Например, дождевая вода приводит в движение эрозии из горных пород , которая высвобождает химические вещества , которые могут быть использованы в качестве питательных веществ; они поглощаются планктоном , используя солнечную энергию для роста и развития; киты получают энергию, поедая планктон, таким образом, косвенно также используя солнечную энергию, но на этот раз в гораздо более концентрированной и более качественной форме.
Обратите внимание, что водяные колеса также приводятся в движение дождевой водой через цикл солнечного испарения-конденсации воды ; Таким образом, в конечном итоге промышленное производство тканей было обусловлено циклом солнечного излучения день-ночь . Это целостный взгляд на источники энергии как на систему в целом. Таким образом, обсуждения качества энергии иногда можно найти в гуманитарных науках , таких как диалектика , марксизм и постмодернизм . Это эффективно потому, что такие дисциплины, как экономика, не смогли распознать термодинамический вклад в экономику (теперь признанный термоэкономикой ), в то время как такие дисциплины, как физика и инженерия, были неспособны справиться ни с экономическими последствиями человеческой деятельности, ни с воздействиями термодинамических потоков в биологические экосистемы. Таким образом, широкие дискуссии о глобальной системе в целом были подхвачены теми, кто лучше всего обучен туманным, неспецифическим рассуждениям, которые требуются для таких сложных систем . В результате несоответствие словарного запаса и мировоззрения по дисциплинам может вызвать серьезные разногласия.
История
Согласно Ohta (1994, стр. 90–91) ранжирование и научный анализ качества энергии были впервые предложены в 1851 году Уильямом Томсоном в рамках концепции «доступности». Эту концепцию продолжил в Германии З. Рант, который разработал ее под названием «die Exergie» ( эксергия ). Позже это было продолжено и стандартизировано в Японии . Анализ эксергии в настоящее время составляет обычную часть многих промышленных и экологических анализов энергии. Например, I.Dincer и Ю.А. Cengel (2001, стр. 132) утверждают , что энергетические формы различных качеств теперь обычно рассматриваются в паросиловой инженерной промышленности. Здесь «показатель качества» - это отношение эксергии к содержанию энергии (Там же). Однако инженеры-энергетики знали, что понятие качества тепла включает понятие ценности - например, А. Туманн писал: «Существенным качеством тепла является не количество, а, скорее, его« ценность »(1984, с. 113), что вводит в игру вопрос телеологии и более широких, или экологических, целевых функций. В экологическом контексте SE Jorgensen и G.Bendoricchio говорят, что эксергия используется как целевая функция в экологических моделях и выражает энергию «со встроенной мерой качества, такой как энергия» (2001, стр. 392).
Методы оценки качества энергии
Как представляется, для расчета качества энергии используются два основных типа методологии. Их можно разделить на методы-получатели или доноры. Одним из основных отличий этих классов является предположение о том, можно ли улучшить качество энергии в процессе преобразования энергии.
Методы приемника: рассматривайте качество энергии как меру и показатель относительной легкости преобразования энергии из одной формы в другую. То есть, сколько энергии получено в процессе преобразования или передачи. Например, А. Грублер [1] использовал два типа индикаторов энергетического качества pars pro toto : соотношение водород / углерод (H / C) и его обратное значение - углеродоемкость энергии. Грублер использовал последнее как показатель относительного качества окружающей среды. Однако Охта говорит, что в многоступенчатых промышленных системах преобразования, таких как система производства водорода с использованием солнечной энергии, качество энергии не улучшается (1994, стр. 125).
Донорские методы: рассматривайте качество энергии как меру количества энергии, используемой в преобразовании энергии, которое идет на поддержание продукта или услуги ( HTOdum 1975, стр. 3). Именно столько энергии жертвуется на процесс преобразования энергии. Эти методы используются в экологической физической химии и оценке экосистем. С этой точки зрения, в отличии с тем, что изложена Охтой, качество энергии будет модернизировано в многоступенчатом трофическом превращении экологических систем. Здесь повышенное качество энергии имеет больше возможностей для обратной связи и контроля более низких уровней качества энергии. Донорские методы пытаются понять полезность энергетического процесса путем количественной оценки степени, в которой энергия более высокого качества контролирует энергию более низкого качества.
Качество энергии в физико-химической науке (прямые преобразования энергии)
Постоянная форма энергии, но переменный поток энергии
Т. Охта предположил, что концепция качества энергии может быть более интуитивной, если рассматривать примеры, в которых форма энергии остается постоянной, но количество текущей или передаваемой энергии варьируется. Например, если мы рассматриваем только инерционную форму энергии, то качество энергии движущегося тела выше, когда оно движется с большей скоростью. Если рассматривать только тепловую форму энергии, то более высокая температура имеет более высокое качество. А если рассматривать только световую форму энергии, то свет с более высокой частотой имеет более высокое качество (Ohta 1994, стр. 90). Поэтому все эти различия в качестве энергии легко измерить с помощью соответствующего научного прибора.
Переменная форма энергии, но постоянный поток энергии
Ситуация усложняется, когда форма энергии не остается постоянной. В этом контексте Охта сформулировал вопрос о качестве энергии в терминах преобразования энергии одной формы в другую, то есть преобразования энергии. Здесь качество энергии определяется относительной легкостью, с которой энергия трансформируется из формы в форму.
Если энергию A относительно легче преобразовать в энергию B, но энергию B относительно труднее преобразовать в энергию A, тогда качество энергии A определяется как более высокое, чем у B. Рейтинг качества энергии также определяется аналогичным образом. путь. (Охта 1994, с. 90).
Номенклатура: До приведенного выше определения Охты AW Culp производил таблицу преобразования энергии, описывающую различные преобразования одной энергии в другую. В лечении Калпа использовался индекс, чтобы указать, о какой форме энергии идет речь. Следовательно, вместо того, чтобы писать «энергия A», как и Ohta выше, Калп ссылался на «J e », чтобы указать электрическую форму энергии, где «J» относится к «энергии», а нижний индекс « e » относится к электрической форме энергия. Обозначения Калпа предвосхитили более позднюю максиму Scienceman (1997) о том, что вся энергия должна быть определена как энергия формы с соответствующим нижним индексом.
Качество энергии в биофизической экономике (непрямые преобразования энергии)
Понятие качества энергии было признано также в экономических науках. В контексте биофизической экономики качество энергии измерялось количеством произведенной экономической продукции на единицу потребляемой энергии (CJ Cleveland et al. 2000). Оценка качества энергии в экономическом контексте также связана с методологиями воплощения энергии . Другой пример экономической значимости концепции качества энергии привел Брайан Фли. Фли говорит, что «Коэффициент энергетической прибыли (EPR) является одним из показателей качества энергии и ключевым показателем для оценки экономических показателей топлива. В знаменатель должны быть включены как прямые, так и косвенные затраты энергии, воплощенные в товарах и услугах». (2006; стр. 10) Флей вычисляет EPR как выход энергии / вход энергии.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Рейтинг качества энергии
Изобилие энергии и относительная легкость преобразования как мера иерархического ранга и / или иерархического положения
Ohta стремился упорядочить преобразования формы энергии в соответствии с их качеством и ввел иерархическую шкалу для ранжирования качества энергии на основе относительной легкости преобразования энергии (см. Таблицу сразу после Ohta, стр. 90). Очевидно, что Охта не анализировал все формы энергии. Например, вода не учитывается. Важно отметить, что рейтинг качества энергии определяется не только исходя из эффективности преобразования энергии. Это означает, что оценка «относительной легкости» преобразования энергии лишь частично зависит от эффективности преобразования. Как писал Охта, «турбогенератор и электродвигатель имеют почти одинаковый КПД, поэтому мы не можем сказать, какой из них имеет более высокое качество» (1994, стр. 90). Поэтому Охта также включил «изобилие в природе» в качестве еще одного критерия для определения ранга качества энергии. Например, Охта сказал, что «единственная электрическая энергия, которая существует в естественных условиях, - это молния, в то время как существует множество механических энергий». (Там же.). (См. Также таблицу 1. в статье Уолла, где приведен еще один пример рейтинга качества энергии).
Трансформация как энергетическая мера иерархического ранга
Как и Охта, HTOdum также стремился упорядочить преобразования энергетических форм в соответствии с их качеством, однако его иерархическая шкала для ранжирования была основана на распространении концепций пищевой цепи экологической системы на термодинамику, а не просто на относительной простоте преобразования. Для HTOdum рейтинг качества энергии основан на количестве энергии одной формы, необходимой для генерации единицы другой формы энергии. Отношение одной входной формы энергии к выходу другой формы энергии было тем, что HTOdum и его коллеги назвали трансформацией : « АВАРИЙНЫЙ ВЫБОР на единицу энергии в единицах эмджоулей на джоуль» (HTOdum 1988, p. 1135).