Ενέργεια και Περιβάλλον: Εισαγωγή ΠΕΓΑ Πηγών Ενέργειας Σύγχρονες Τεχνολογίες Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας & Αντιρρύπανσης Ενέργεια και Περιβάλλον: Εισαγωγή Νίκος Ανδρίτσος Καθ. Τμ. Μηχ. Μηχ. Π.Θ.

Προβλήματα της ανθρωπότητας Πόλεμοι Έλλειμμα δημοκρατίας Τρομοκρατία Υπερπληθυσμός Φτώχια, ανεργία Κλιματική αλλαγή και άλλα περιβαλλοντικά προβλήματα Βιοποικιλότητα Έλλειψη νερού Ενεργειακό πρόβλημα- Εξάντληση συμβατικών καυσίμων …….

Ορισμοί Η ενέργεια ορίζεται ως η ικανότητα της ύλης για παραγωγή έργου. Υπάρχει και συναντάται σε κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα και αποτελεί καθοριστικό παράγοντα της επιβίωσης και της ανάπτυξης του ανθρώπινου γένους, σε όλη την ιστορική διαδρομή του πάνω στη γη. Εμφανίζεται και χρησιμοποιείται με διάφορες μορφές όπως: κινητική, δυναμική, θερμική, χημική, φωτεινή, ηλεκτρική κτλ. Ο ενεργειακός τομέας της οικονομίας ασχολείται και σχετίζεται με μετατροπές της ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Ενεργειακή πηγή: καθετί που άμεσα ή έμμεσα μπορεί να προσφέρει ενέργεια

Προβλέψεις για το 2050 ΙΕΑ (2014) WWF (2011) WEC (2013) By 2050 nearly 50% of global electricity could come from renewable energy sources. (solar will dominate) WWF (2011) WWF has a vision of a world that is powered by 100% renewable energy sources by the middle of this century. WEC (2013) 1. Energy system complexity will increase by 2050. 2. Energy efficiency is crucial in dealing with demand outstripping supply. 3. The energy mix in 2050 will mainly be fossil based. 4. The global economy will be challenged to meet the 450 ppm target 2007 Survey of Energy Resources - World Energy Council Το 70% των ενεργειακών αναγκών από τις ΑΠΕ to 2100

Προβλέψεις για το 2050 Πηγή: Renewables Global Futures Report 2013, REN21

Προβλέψεις για το 2035 ΙΕΑ (2014) By 2035 all the fossil fuel shares are clustered around 26-28% with no single dominant fuel – a first since the Industrial Revolution. Fossil fuels in aggregate lose share but remain the dominant form of energy in 2035 with a share of 81%, down from 86% in 2013.

Συστήματα μονάδων: Εκπαίδευση / έρευνα: SI Προθέματα Μονάδων Βρετανικό (π.χ. BTU): Μ. Βρετανία με τάση για υιοθέτηση του SI Αμερικανικό (συγγενές με το βρετανικό): ΗΠΑ Εκπαίδευση / έρευνα: SI kilo (k) = 103 = χιλιάδες mega (M) = 106 = εκατομμύριο giga (G) = 109 = δισεκατομμύριο tera (T) = 1012 = τρισεκατομμύριο peta (P) = 1015 = τετράκις εκατομμύριο exa (E) = 1018 = πεντάκις εκατομμύριο παράδειγμα: 1 EJ = 1018 J, 1 GW = 109 W Προθέματα Μονάδων

Μονάδες ενέργειας Joule (J) (προς τιμήν του James Joule): 1 J = 1 kg∙m/s2 1000 J = 0,945 Btu (1 Btu=1055 J) Calorie (cal): 1 gram calorie (η ενέργεια που απαιτείται για να ανέβει η θερμοκρασία 1 g νερού κατά 1ºC (από 14,5 σε 15,5ºC) 1 kcal = 1000 cal = 4,184 kJ Το BTU (British Thermal Unit) χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ, κυρίως για μέτρηση θερμότητας και ισχύος (π.χ. η ισχύς στα κλιματιστικά δίνονται σε Btu/hr). Το Btu αντιπροσωπεύει τη θερμότητα που απαιτείται για την ανύψωση της θερμοκρασίας 1 lbm νερού κατά 1 βαθμό Farhenheit. 1 Btu = 1055 J = 0,252 kcal = 0,00029 kWh 1 quad (quadrillion Btu)= 1015 Btu

Μονάδες ενέργειας (συν.) kilowatt-hour (kWh) [κιλοβατώρα] Χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική ενέργεια και αντιπροσωπεύει ενέργεια που καταναλώνεται σε μια ώρα με ονομαστική ισχύ 1 kW. 1 kWh = 3,6 MJ Barrel and TOE (Βαρέλια και Τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου – ΤΙΠ) Μονάδες της πετρελαιοβιομηχανίας, αλλά και για σύγκριση διαφορετικών μορφών ενέργειας 1 BBL = 1700 kWh ≈ 6 GJ* 1 TIP (TOE- ton of oil equivalent)= (7,2-7,5) bbl ≈ 42 GJ IEA/OECD ορίζουν το ΤΙΠ ως 41,868 GJ 1 BBL=42 gallons (USA)= 158,99 (L)x(~850 kg/1000 L)x(~10.500 kcal/kg)≈ 6 GJ 1 BBL πετρελαίου απαιτείται για ταξίδι 1400 km με ένα μέσο αυτοκίνητο TCE (Τόνοι ισοδύναμου άνθρακα – ΤΙΑ) Χρησιμοποιείται στη βιομηχανία άνθρακα (ενεργεια από τη καύση 1000 kg λιθάνθρακα Θ.Α. 7000 kcal/kg 1 TCE = 0,7 x107 kcal = 7500 kWh = 2,931x1010 J

Μονάδες ισχύος Μονάδες ισχύος Παραγωγή ηλεκτρισμού Κοινότερες μονάδες Στο σύστημα SI: Watt (W) [kW, MW, GW, TW] Άλλες: - ίππος (hp) [1 kW= 1,34 hp ] - Btu/h [1000 Btu/h ~ 293,071 W] - Τόνος ψύξης [=12000 Btu/h=3,517 kW] Παραγωγή ηλεκτρισμού Με την υπόθεση ότι ο ηλεκτρισμός παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα με απόδοση 30%. (Σημ.: μερικοί σύγχρονοι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν με απόδοση >40%). 1 GWh = 500 τόνοι άνθρακα = 280 τόνοι πετρελαίου = 2100 BBL πετρελαίου = 115 therms φυσικού αέριου Μια GWh μπορεί να θερμάνει 860.000 τόνους νερού κατά ένα βαθμό Κελσίου.

Ιστορικό της ενεργειακής χρήσης Η μεγάλης κλίμακας χρήση των ορυκτών καυσίμων σήμερα αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό των βιομηχανικών κοινωνιών. Η χρήση ορυκτών καυσίμων καλύπτει μία ελάχιστη χρονική περίοδο και έχει ημερομηνία λήξης. Η πρώτη φάση της χρήσης ενέργειας από τον άνθρωπο συνδέεται με τη χρήση της μυϊκής του δύναμης (~ 25 W). Η ηλιακή ενέργεια, εκτός την άμεση θέρμανση του ανθρώπου, πιθανόν να χρησίμευε για τη ξήρανση τροφών.

Ιστορικό της ενεργειακής χρήσης Η κατασκευή σπιτιών, σε πολλές περιπτώσεις (Αρχαία Ελλάδα, Ρώμη), συνεπαγόταν και τη χρήση της ηλιακής ενέργειας (παθητικά ηλιακά συστήματα). Στις περιοχές με σχετικά ψυχρό κλίμα, χρησιμοποιήθηκαν μια σειρά από μονωτικά υλικά (π.χ. στέγη από άχυρο) για να μειωθούν οι απώλειες θερμότητας. Πριήνη

Ιστορικό της ενεργειακής χρήσης Οι νερόμυλοι και οι ανεμόμυλοι έπαιξαν κάποιο, μικρό σχετικά, ρόλο στη χρήση ενέργειας. Η παλαιότερη αναφορά ανεμόμυλων σε χρήση είναι από την Ινδία και την Περσία, περίπου πριν από 2300 χρόνια. Αναφορές στους νερόμυλους από Έλληνες και Ρωμαίους γίνονται κατά τον 2ο π.Χ. αιώνα, ενώ κατά την ίδια εποχή οι Ρωμαίοι και οι Κινέζοι θερμαίνονταν με γεωθερμικά νερά. Το 1400 μ.Χ. οι Ολλανδοί χρησιμοποιούσαν τη ξυλεία για να ανεβάσουν την θερμοκρασία στα χυτήρια σιδήρου στους 1600ºC. H ξυλεία, ο άνεμος και το νερό, δηλαδή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, κυριαρχούσαν στην αγορά ενέργειας του Δυτικού Πολιτισμού μέχρι τον 16ο μ.Χ. αιώνα.

Ιστορικό της ενεργειακής χρήσης Από τα τέλη του 1600 ο γαιάνθρακας είχε γίνει η κοινότερη καύσιμη ύλη στην Αγγλία. Τότε τα ορυχεία πλημμύρισαν και απαιτούνταν κατάλληλες συσκευές για την άντληση του νερού. Έτσι, το 1696 αναπτύχθηκε η πρώτη ατμομηχανή (σε ατμοσφαιρική πίεση) από τον Thomas Savery για να κάνει αυτή τη δουλειά, ανοίγοντας με αυτό το τρόπο το δρόμο στη βιομηχανική επανάσταση, η οποία βέβαια βασίστηκε αρχικά στα κοιτάσματα άνθρακα και αργότερα στο πετρέλαιο. Η βιομηχανική επανάσταση, πριν από 200-300 χρόνια, συνδέθηκε με τη χρήση από το άνθρωπο σημαντικών ποσοτήτων ενέργειας. Οι κύριες ενεργειακές πηγές ήταν αρχικά, όπως αναφέρθηκε, τα καυσόξυλα και το κάρβουνο, ενώ η μεγάλη αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας κατά τον 20ο αιώνα έγινε δυνατή από τη διαθεσιμότητα φθηνών ορυκτών καυσίμων: κάρβουνου, πετρελαίου και φυσικού αερίου.

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΠΗΓΕΣ - ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ενεργειακές πηγές: οι πηγές από τις οποίες μπορεί να επιτευχθεί ενέργεια για με τη μορφή θερμότητας, φωτός και ισχύος. Ο όρος ενέργεια χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ποσότητα του έργου που επιτελείται. Δύο είδη ενέργειας: κινητική ενέργεια (έργο που επιτελείται από την κίνηση της ύλης) και δυναμική-βαρυτική ενέργεια (έργο που βρίσκεται αποθηκευμένο ή σε ηρεμία σε μία ύλη).

Κύρια ενέργεια (capital energy): οι ενεργειακοί πόροι που υπάρχουν «αποθηκευμένοι» στη γη Πρωτογενής ενέργεια (primary energy): η ενέργεια που προέρχεται κατευθείαν από τον ήλιο ή τη γη (ορυκτά καύσιμα), χωρίς καμία μετατροπή. Δευτερογενής ενέργεια (secondary energy): περιλαμβάνει τις μορφές ενέργειας που προκύπτουν από τη μετατροπή πρωτογενούς ενέργειας μέσω χημικών, φυσικών, μηχανικών, θερμικών ή πυρηνικών δράσεων (π.χ. βενζίνη, ηλεκτρική ισχύς). Ανανεώσιμη ενέργεια (renewable energy): ο όρος αναφέρεται στις μορφές δυναμικής ενέργειας, οι οποίες σε σταθερό ρυθμό και σχετικά γρήγορα ανανεώνονται. Η λέξη «γρήγορα» είναι η λέξη κλειδί στο ορισμό. Όπως έχει αναφερθεί προηγουμένως και τα ορυκτά καύσιμα ανανεώνονται, αλλά σε εξαιρετικά μικρό ρυθμό. Μη ανανεώσιμη ενέργεια (nonrenewable energy): οποιαδήποτε μορφή δυναμικής ενέργειας που δεν εμπίπτει στον ορισμό της ανανεώσιμης ενέργειας. Ενέργεια από τη διεργασία της καύσης (combustion process): Πολλές από τις δυναμικές μορφές ενέργειας θα πρέπει να αξιοποιηθούν μέσω της διεργασίας της καύσης για να μετατρέψουν την αποθηκευμένη ενέργεια σε έργο.

ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ

Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας στον κόσμο 2008  2014: 9,2% 2013  2014: 0,9% Εξέλιξη της παγκόσμιας κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας σε εκατομμύρια ΤΙΠ κατά την περίοδο 1965-2014.Δεν συμπεριλαμβάνονται τα μη-εμπορεύσιμα καύσιμα, όπως βιομάζα, απόβλητα ζώων, τύρφη κτλ. (Πηγή: BP statistical review, 2015.)

Κατανομή Πρωτογενούς ενέργειας στον κόσμο Κατανομή πρωτογενών πηγών ενέργειας για το 1973 και το 2012. Πηγή: IEA Energy Statistics, 2014

Παραγωγή ηλεκτρισμού στον κόσμο Κατανομή πρωτογενών πηγών ενέργειας στη συνολική παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 1973 και 2012. Πηγή: IEA Energy Statistics, 2014

Eνεργειακοί δείκτες Σε μία χώρα δύο είναι οι κυριότεροι ενεργειακοί δείκτες: η κατά κεφαλήν ενεργειακή κατανάλωση και η ένταση ενέργειας. Η ένταση ενέργειας ορίζεται ως ο λόγος της ενεργειακής κατανάλωσης προς κάποιο δείκτη οικονομικής δραστηριότητας. Στην περίπτωση της έντασης ενέργειας κάποιας χώρας, ο λόγος είναι ανάμεσα στη Συνολική Κατανάλωση Ενέργειας προς το Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν (gross domestic product, GNP) της χώρας, συνήθως σε μονάδες ΜJ/$US.

Κατά κεφαλήν ενεργειακή κατανάλωση (δεδομένα 2014)

Κατά κεφαλήν κατανάλωση ηλεκτρισμού (2014)

Ενέργεια και Οικονομία

Ένταση ενέργειας Μετά την πετρελαϊκή κρίση του 1973, μία μικρή «επανάσταση» άρχισε να πραγματοποιείται σχετικά με την ενεργειακή απόδοση και την ορθολογικότερη χρήση της ενέργειας, κυρίως στις ανεπτυγμένες χώρες. Για δύο δεκαετίες πριν από το 1973, η ενεργειακή κατανάλωση συσχετιζόταν πλήρως με την οικονομική ανάπτυξη της χώρας (Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν). Από το 1973 μέχρι το 1986, αυτό το πρότυπο διαφοροποιήθηκε δραστικά.

Ένταση ενέργειας (ΙΙ) Ένταση ενέργειας Ένταση ενέργειας Συσχέτιση της κατανάλωσης της ενέργειας και της οικονομίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης από το 1990 μέχρι το 2007 (Πηγή: Euros tat , May 2009)

Ενεργειακή εξάρτηση

Ενέργεια και ευημερία Εκθετική πρόβλεψη του πληθυσμού της γης: 1 δισ. κάτ., 1804: 100000-2000000 έτη 2 δισ. Κάτοικοι. 1927: 123 έτη 3 δισ. Κάτοικοι, 1959: 32 έτη 4 δισ. Κάτοικοι, 1974: 15 έτη 5 δισ. Κάτοικοι, 1987: 13 έτη 6 δισ. Κάτοικοι, 1999: 12 έτη 7 δισ. κάτοικοι, 2011: 12 έτη 8 δισ. κάτοικοι, ? ?

Ενέργεια και ευημερία (δεδομένα 2012) Οικονομική ανάπτυξη (κατά κεφαλήν ακαθάριστο εγχώριο προϊόν σε $1000/άτομο, διορθωμένο ως προς την αγοραστική αξία του δολαρίου σε τιμές 2005) και κατανάλωση ενέργειας (κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας σε ΤΙΠ) κατά το 2012.

Ενέργεια και ευημερία (δεδομένα 2012) Το προσδόκιμο επιβίωσης αυξάνει με την κατανάλωση ενέργειας. Καθώς μία χώρα φθάνει τα 2000 kWh κατά κεφαλήν το προσδόκιμο γίνεται περίπου 70 χρόνια.

Σημερινά δεδομένα (ΙV): Κόστος ενέργειας και ευημερία 2014-15 Ενεργειακές κρίσεις στη δεκαετία του 1970 Τιμή σε $ της εποχής Τιμή σε $ 2014

Τελικές χρήσεις ενέργειας Οι διάφορες τελικές χρήσεις της ενέργειας ταξινομούνται συνήθως στους παρακάτω τομείς: (1) Οικιακός τομέας (2) Εμπορικός τομέας (3) Βιομηχανικός τομέας (4) Τομέας μεταφορών Κατανομή της κατανάλωσης ενέργειας ανά τομέα χρήσης στον κόσμο το 2006 (European Commission, EU energy and transport in figures — Statistical pocketbook 2007).

Εκπομπές CO2 στην ατμόσφαιρα Εξέλιξη των εκπομπών CO2 σε τόνους αερίου ανά έτος από την κατανάλωση και καύση ορυκτών καυσίμων στον κόσμο. Πηγή: IEA Key World Energy Statistics 2014.

Εκπομπές CO2 ανά παραγόμενη ενέργεια Εκπομπές CO2 ανά μονάδα κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας για το 2012. (Πηγή: Key World Energy Statistics, IEA, 2014)

Ένταση άνθρακα Ένταση άνθρακα για το 2012 για συγκεκριμένες χώρες. Το ΑΕΠ (σε US$ 2005) τροποποιημένο ανάλογα με την αγοραστική αξία.

Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας στην Ελλάδα 1965  2008: ~5,2 φορές 2013  2014: -6,6% Εξέλιξη της παγκόσμιας κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας σε εκατομμύρια ΤΙΠ κατά την περίοδο 1965-2014. Δεν συμπεριλαμβάνονται τα μη-εμπορεύσιμα καύσιμα, όπως βιομάζα, απόβλητα ζώων, τύρφη κτλ. (Πηγή: BP statistical review, 2015.)

Ένταση ενέργειας σε Ελλάδα και ΕΕ Η εξέλιξη της έντασης ενέργειας σε ΤΙΠ/Μ€’2005 στην Ελλάδα και την ΕΕ-28 τα τελευταία 20 χρόνια.

Εκπομπές CO2 από κατανάλωση και καύση ορυκτών καυσίμων στην Ελλάδα.

Κατανάλωση ενέργειας στην ανά τομέα Ελλάδα ΕΕ-28 Πηγή: Eurostat , 2014

Ποιες είναι οι επιπτώσεις από τον τομέα της ενέργειας; Η ρύπανση του περιβάλλοντος φαίνεται αναπόφευκτη ως ένα βαθμό, αλλά μπορεί να ελαχιστοποιηθεί και να περιοριστούν σημαντικά οι επιπτώσεις της. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της παραγωγής και χρήσης ενέργειας απασχολούν σε μεγάλο βαθμό την ανθρωπότητα, τουλάχιστον από τις αρχές του 70. Τα κύρια περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με την παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας: θερμική ρύπανση από τους θερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, ρύπανση του αέρα από την καύση ορυκτών καυσίμων, αλλαγή μικροκλίματος από την εγκατάσταση μεγάλων υδροηλεκτρικών έργων ραδιενεργά απόβλητα και η ρύπανση του νερού κτλ

Ποιες είναι οι επιπτώσεις από τον τομέα της ενέργειας; Οι διάφοροι χημικοί, φυσικοί και βιολογικοί παράγοντες που προκαλούν υποβάθμιση του περιβάλλοντος είναι: Η ατμοσφαιρική ρύπανση, συμπεριλαμβανομένης και της αλλαγής μικροκλίματος από τη θερμική ρύπανση. Η ρύπανση του νερού. Η υποβάθμιση του εδάφους από τα στερεά απόβλητα. Ο θόρυβος. Η οπτική ρύπανση