Качество энергии: от термодинамики к экологии и экономике.

Введение

Качество энергии – это мера того, насколько легко данная форма энергии может быть преобразована в полезную работу или другую форму энергии, то есть её содержание в термодинамической свободной энергии. Высококачественная форма энергии обладает высоким содержанием термодинамической свободной энергии, и, следовательно, большая её часть может быть преобразована в работу, в то время как низкокачественные формы энергии позволяют преобразовать в работу лишь небольшую долю, а остальная часть рассеивается в виде тепла. Концепция качества энергии также применяется в экологии для отслеживания потока энергии между различными трофическими уровнями в пищевой цепи, а также в термоэкономике, где она используется для оценки экономической эффективности на единицу потребленной энергии. Методы оценки качества энергии часто включают в себя разработку иерархической классификации различных видов энергии по качеству.

Примеры: Индустриализация, Биология

Рассмотрение качества энергии было фундаментальным фактором индустриализации с XVIII по XX века. Рассмотрим, например, индустриализацию Новой Англии в XVIII веке. Она связана со строительством текстильных фабрик, оснащенных механическими ткацкими станками для производства ткани. Самым простым, экономичным и прямым источником энергии были водяные колеса, извлекающие энергию из пруда-отстойника за плотиной на местном ручье. Если другой землевладелец поблизости также решал построить мельницу на том же ручье, возведение их плотины снижало бы общий напор воды, необходимый для работы существующего водяного колеса, тем самым ухудшая выработку энергии и эффективность. В конечном итоге это стало проблемой, распространенной во всем регионе, снижая общую прибыльность старых мельниц по мере строительства новых. Поиск энергии более высокого качества был основным стимулом на протяжении XIX и XX веков. Например, использование угля для получения пара и генерации механической энергии было бы немыслимо в XVIII веке; к концу XIX века использование водяных колес давно устарело. Аналогично, качество энергии, получаемой от электричества, предлагает огромные преимущества по сравнению с паром, но стало экономически выгодным и практически осуществимым только в XX веке. Приведенный выше пример фокусировался на экономических последствиях использования энергии. Схожий сценарий наблюдается в природе и биологии, где живые организмы могут извлекать энергию различного качества из окружающей среды, в конечном счете движимые солнечной энергией как основным фактором термодинамического неравновесия на Земле. Экологический баланс экосистем основан на потоках энергии внутри системы. Например, дождевая вода вызывает эрозию горных пород, высвобождая химические вещества, которые могут использоваться в качестве питательных веществ; эти вещества поглощаются планктоном, который использует солнечную энергию для роста и процветания; киты получают энергию, поедая планктон, тем самым косвенно используя солнечную энергию, но уже в гораздо более концентрированной и высококачественной форме. Водяные колеса также приводятся в движение дождевой водой, посредством цикла солнечного испарения и конденсации; таким образом, в конечном итоге, промышленное производство ткани было обусловлено суточным циклом солнечного излучения. Это целостный взгляд на источники энергии как на систему в целом. Поэтому обсуждение качества энергии иногда можно встретить в гуманитарных науках, таких как диалектика, марксизм и постмодернизм. Это связано с тем, что такие дисциплины, как экономика, не смогли признать термодинамические входы в экономику (теперь известные как термоэкономика), в то время как такие дисциплины, как физика и инженерия, не могли учесть ни экономические последствия человеческой деятельности, ни влияние термодинамических потоков в биологических экосистемах. Таким образом, обсуждение глобальных систем в широком масштабе было взято на себя теми, кто лучше всего подготовлен для рассуждений, требующих неопределенности и отсутствия конкретики, необходимых для таких сложных систем. В результате несоответствие терминологии и подходов между различными дисциплинами может приводить к значительным разногласиям.

The consideration of energy quality was a fundamental driver of industrialization from the 18th through 20th centuries. Consider for example the industrialization of New England in the 18th century. This refers to the construction of textile mills containing power looms for weaving cloth. The simplest, most economical and straightforward source of energy was provided by water wheels, extracting energy from a millpond behind a dam on a local creek. If another nearby landowner also decided to build a mill on the same creek, the construction of their dam would lower the overall hydraulic head to power the existing waterwheel, thus hurting power generation and efficiency. This eventually became an issue endemic to the entire region, reducing the overall profitability of older mills as newer ones were built. The search for higher quality energy was a major impetus throughout the 19th and 20th centuries. For example, burning coal to make steam to generate mechanical energy would not have been imaginable in the 18th century; by the end of the 19th century, the use of water wheels was long outmoded. Similarly, the quality of energy from electricity offers immense advantages over steam, but did not become economic or practical until the 20th century. The above example focused on the economic impacts of the exploitation of energy. A similar scenario plays out in nature and biology, where living organisms can extract energy of varying quality from nature, ultimately driven by solar energy as the primary driver of thermodynamic disequilibrium on Earth. The ecological balance of ecosystems is predicated on the energy flows through the system. For example, rainwater drives the erosion of rocks, which liberates chemicals that can be used as nutrients; these are taken up by plankton, using solar energy to grow and thrive; whales obtain energy by eating plankton, thus indirectly using solar energy as well, but this time in a much more concentrated and higher quality form. Water wheels are also driven by rainwater, via the solar evaporation condensation water cycle; thus ultimately, industrial cloth making was driven by the day night cycle of solar irradiation. This is a holistic view of energy sources as a system in the large. Thus, discussions of energy quality can sometimes be found in the Humanities, such as dialectics, Marxism and postmodernism. This is effectively because disciplines such as economics failed to recognize the thermodynamic inputs into the economy (now recognized as thermoeconomics), while disciplines such as physics and engineering were unable to address either the economic impacts of human activity, or the impacts of thermodynamic flows in biological ecosystems. Thus, the broad stroke, global system in the large discussions were taken up by those best trained for the nebulous, non specific reasoning that such complex systems require. The resulting mismatch of vocabulary and outlook across disciplines can lead to considerable contention.

История

Согласно Ота (1994, с. 90–91) ранжирование и научный анализ качества энергии впервые были предложены в 1851 году Уильямом Томсоном под понятием «доступность». Эта концепция получила дальнейшее развитие в Германии благодаря З. Ранту, который разработал ее под названием «die Exergie» (эксергия). Впоследствии она была продолжена и стандартизирована в Японии. Анализ эксергии теперь является общепринятой частью многих промышленных и экологических энергетических анализов. Например, И. Динсер и Й. А. Cengel (2001, с. 132) отмечают, что энергетические формы различного качества широко используются в современной паровой энергетике. В этом контексте «индекс качества» представляет собой отношение эксергии к энергетическому содержанию (там же). Однако энергетики давно осознавали, что понятие качества тепла подразумевает понятие ценности – например, А. Туман писал: «Существенное качество тепла заключается не в количестве, а скорее в его «ценности»» (1984, с. 113), что поднимает вопрос о телеологии и более широких, в том числе экологических, целевых функциях. В экологическом контексте С. Е. Йоргенсен и Г. Бендориккио утверждают, что эксергия используется в качестве целевой функции в экологических моделях и выражает энергию «с уже встроенным показателем качества, подобно энергии» (2001, с. 392).

Методы оценки качества энергии

Существует два основных типа методологии, используемых для расчета качества энергии. Их можно классифицировать как методы, основанные на приёмнике, или методы, основанные на доноре. Одним из основных различий между этими классами является предположение о том, возможно ли повышение качества энергии в процессе преобразования. Методы, основанные на приёмнике, рассматривают качество энергии как меру и показатель относительной легкости, с которой энергия преобразуется из одной формы в другую, то есть, сколько энергии получается в результате процесса преобразования или передачи. Например, А. Груплер использовал два типа показателей энергетического качества pars pro toto: отношение водорода к углероду (H/C) и обратное ему – углеродоёмкость энергии. Груплер использовал последнее в качестве показателя относительного качества окружающей среды. Однако Охта утверждает, что в многоступенчатых промышленных системах преобразования, таких как система производства водорода с использованием солнечной энергии, качество энергии не повышается (1994, с. 125). Методы, основанные на доноре, рассматривают качество энергии как меру количества энергии, затраченной на энергетическую трансформацию и необходимой для поддержания продукта или услуги (H. T. Odum 1975, с. 3), то есть, сколько энергии передаётся процессу преобразования. Эти методы используются в экологической физико-химии и оценке экосистем. С этой точки зрения, в отличие от позиции Охты, качество энергии повышается в многоступенчатых трофических преобразованиях в экологических системах. В этом случае повышенное качество энергии обладает большей способностью к обратной связи и контролю над более низкими уровнями качества энергии. Методы, основанные на доноре, стремятся понять полезность энергетического процесса, количественно оценивая степень, в которой энергия более высокого качества контролирует энергию более низкого качества.

Форма постоянной энергии, но переменный поток энергии

Т. Охта предположил, что концепция качества энергии может быть более понятной, если рассматривать примеры, где форма энергии остается неизменной, а изменяется количество протекающей или передаваемой энергии. Например, если рассматривать только инерциальную форму энергии, то качество энергии движущегося тела выше при большей скорости. Если рассматривать только тепловую форму энергии, то более высокая температура обладает более высоким качеством. И если рассматривать только световую форму энергии, то свет с более высокой частотой имеет более высокое качество (Ohta 1994, с. 90). Все эти различия в качестве энергии, следовательно, легко измеримы соответствующими научными приборами.

Переменная форма энергии, но постоянный поток энергии

Ситуация становится более сложной, когда форма энергии не остается постоянной. В этом контексте Охта сформулировал вопрос о качестве энергии с точки зрения преобразования энергии из одной формы в другую, то есть трансформации энергии. Здесь качество энергии определяется относительной легкостью, с которой энергия преобразуется из формы в форму. Если энергию А относительно легко преобразовать в энергию В, но энергию В относительно сложнее преобразовать в энергию А, то качество энергии А определяется как более высокое, чем качество энергии В. Рейтинг качества энергии также определяется аналогичным образом. (Охта 1994, с. 90). Номенклатура: До определения, данного Охтой, А. В. Калп разработал таблицу преобразования энергии, описывающую различные преобразования между формами энергии. В работе Калпа использовался индекс, чтобы указать, о какой форме энергии идет речь. Поэтому, вместо записи "энергия А", как это сделал Охта, Калп использовал обозначение "Je" для указания электрической формы энергии, где "J" обозначает "энергию", а индекс "e" – электрическую форму. Обозначение Калпа предвосхитило более поздний принцип, сформулированный Scienceman (1997), согласно которому вся энергия должна быть указана как энергия определенной формы с соответствующим индексом.

Обилие энергии и относительная легкость преобразования как мера иерархического ранга и/или иерархического положения

Охта стремился упорядочить преобразования форм энергии в соответствии с их качеством и ввел иерархическую шкалу для ранжирования качества энергии, основанную на относительной легкости преобразования энергии (см. таблицу справа после Охта, с. 90). Очевидно, что Охта не проанализировал все формы энергии. Например, вода исключена из его оценки. Важно отметить, что ранжирование качества энергии определяется не только эффективностью преобразования энергии. То есть оценка "относительной легкости" преобразования энергии лишь частично зависит от эффективности трансформации. Как писал Охта, "турбогенератор и электродвигатель имеют почти одинаковую эффективность, поэтому нельзя сказать, какой из них обладает более высоким качеством" (1994, с. 90). Таким образом, Охта включил в критерии определения ранга качества энергии также и "распространенность в природе". Например, Охта утверждал, что "единственной формой электрической энергии, существующей в естественных условиях, является молния, в то время как механической энергии существует множество" (Там же). (См. также таблицу 1 в статье Уолла для другого примера ранжирования качества энергии).

Трансформация как мера энергии иерархического ранга

Как и Охта, Х. Т. Одум также стремился упорядочить преобразования форм энергии в соответствии с их качеством, однако его иерархическая шкала ранжирования основывалась на расширении концепций экологических пищевых цепей до термодинамики, а не просто на относительной легкости трансформации. Для Х. Т. Одума ранг качества энергии определяется количеством энергии одной формы, необходимой для получения единицы энергии другой формы. Отношение затрат энергии одной формы к полученной энергии другой формы Х. Т. Одум и его коллеги назвали трансформитивностью: "ЭМЕРГИЯ на единицу энергии, выраженная в эмджоулях на джоуль" (H. T. Odum 1988, с. 1135).