Ενέργεια και Ισχύς
Το ενεργειακό πρόβλημα
Τρόποι παραγωγής ενέργειας
Ορυκτά καύσιμα
Ανανεώσιμες μορφές ενέργειας
Ηλεκτρική ενέργεια
Aεργος ισχύς
Ηλεκτρική ενέργεια:
Θα επικεντρωθούμε στην ηλεκτρική ενέργεια μιας και αυτή είναι η περισσότερο συνδεδεμένη μορφή ενέργειας με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη του ηλεκτρισμού είναι η τάση V (volt), η ένταση Ι (ampere) και η συχνότητα με την οποία μεταβάλλεται f (Hertz) το ηλεκτρικό πεδίο.
Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους ηλεκτρικού πεδίου.
– Το σταθερό (συνεχές ρεύμα, Direct current, DC) όπου η συχνότητα μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου είναι μηδέν Hz.
Τέτοιο είναι και το ρεύμα που παράγουν τα φωτοβολταϊκά και αυτό που μας δίνουν οι μπαταρίες.
– Το μεταβλητό (ή εάν μεταβάλλεται με σταθερό ρυθμό: εναλλασσόμενο) πεδίο (εναλλασσόμενο ρεύμα, Alternative current, AC) όπου το πλάτος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου μεταβάλλεται.
Τέτοιο είναι το ρεύμα που έχουμε στο σπίτι μας, αυτό που μας δίνει η ΔΕΗ δηλαδή. Η (φασική: μεταξύ αγωγού και γης) τάση του δικτύου της ΔΕΗ είναι 230Volt ενώ η συχνότητα του δικτύου είναι 50Hz (Φυσικά, υπάρχουν μικρές αποκλίσεις σε αυτά τα νούμερα και το μέγεθος των αποκλίσεων είναι που χαρακτηρίζει και την ποιότητα του δικτύου).
Στην περίπτωση του τριφασικού εναλλασσόμενου συστήματος η τροφοδοσία γίνεται από τρεις αγωγούς οι οποίοι έχουν φασική τάση 230 Volt ο καθένας αλλά έχουν διαφορά φάσης 120 μοιρών μεταξύ τους. Η πολική τάση (μεταξύ των αγωγών) είναι 400 Volt.
Ο ηλεκτρισμός (ροή ηλεκτρονίων από ένα σημείο με υψηλό δυναμικό σε ένα άλλο με χαμηλό δυναμικό) εμφανίζεται όταν εφαρμόζουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο σε κάποια κατανάλωση (φορτίο).
Τα είδη των φορτίων είναι: ωμικά (πχ μια αντίσταση),
επαγωγικά (πχ ένα πηνίο, κινητήρας
χωρητικά (πχ ένας πυκνωτής)
Στην φύση πάντως δεν υπάρχουν υλικά ή φορτία που να έχουν απόλυτα ωμική, επαγωγική ή χωρητική συμπεριφορά.
Πολλές φορές δημιουργείται σύγχυση σχετικά με τους όρους ενέργεια και ισχύς. Ένας ορισμός που συσχετίζει την ισχύ με την ενέργεια είναι ότι: Η ισχύς περιγράφει το μέγεθος της στιγμιαίας δυνατότητας ενός συστήματος να παράγει (ή να καταναλώνει) μια μορφή ενέργειας όπως ηλεκτρική, θερμική κλπ.
Με μαθηματικούς όρους, η ενέργεια που καταναλώνεται ή παράγεται σε κάποιο χρονικό διάστημα ΔΤ ισούται με το ολοκλήρωμα της συνάρτησης της ισχύος P(t) στο χρονικό διάστημα ΔΤ.
Για παράδειγμα μονάδα ηλεκτρικής ισχύος είναι το κιλοβάτ – killoWatt (kW). Ενώ η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας είναι η κιλοβατώρα – kilowatt-hour (kWh).
Μία κιλοβατώρα θεωρητικά αντιστοιχεί στην ενέργεια που καταναλώθηκε από μια συσκευή ισχύος 1kilowatt (κιλοβάτ) που λειτούργησε για την διάρκεια της μιας ώρας (1hour).
1 kWh = 1 kW x 1h = 1 kilowatt-hour = 1 κιλοβατώρα
Υποδιαιρέσεις μονάδας ενεργού ισχύος
1 kW (kilowatt) = 1000 W (watt)
1 MW (megawatt) = 1000 kW (kilowatt)
1 TW (terawatt) = 1000 MW (megawatt)
Aεργος ισχύς:
Στην πραγματικότητα η κιλοβατώρα είναι η μονάδα μέτρησης της κατανάλωσης ή παραγωγής ενεργού ισχύος. Στην πράξη οι καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας στην συνολική ενέργεια που «απορροφούν», «καταναλώνουν» ή «παράγουν» και ένα άλλο ποσοστό ενέργειας ανάλογα με τα ποιοτικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της εγκατάστασης (χωρητικά, επαγωγικά φορτία).
Αυτή είναι η άεργος ισχύς (reactive power) ή οποία είναι ανεπιθύμητη αφού δεν παράγει κανένα έργο και ακόμα χειρότερα επιβαρύνει τα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με μια επιπλέον ποσότητα ρεύματος που αναλογεί απλά σε αντίστοιχες θερμικές απώλειες (I2R) ενώ επίσης αλλοιώνει τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας.
Η ΔΕΗ μάλιστα (σωστά) χρεώνει τους μεγάλους καταναλωτές όταν ξεπεράσουν κάποιο όριο «έγχυσης» ή «κατανάλωσης» ( συντελεστής ισχύος, συνφ <=0.85 ) άεργου ισχύος στο δίκτυο. Βελτίωση του «συνημίτονου» μιας εγκατάστασης που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να γίνει με την προσθήκη φορτίων πυκνωτών ή με την προσθήκη καταναλώσεων επαγωγικών ρευμάτων (πηνίων) ανάλογα με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά μιας εγκατάστασης (επαγωγική συμπεριφορά ή χωρητική αντιστοίχως).
Η μονάδα της άεργου ισχύος είναι το VoltAmpereReactive (VAR)
Η συνολική ισχύς λέγεται και «φαινόμενη» και έχει μονάδα το Volt-Ampere (VA)
Το μέτρο της φαινόμενης ισχύος είναι S=VI=(ρίζα(P2+Q2)) Volt Ampere
Το P είναι η ενεργός ισχύς ενώ το Q η άεργος
Το ενεργειακό πρόβλημα:
Το ενεργειακό πρόβλημα ήταν πάντα στην επικαιρότητα τις τελευταίες δεκαετίες που διανύουμε και πολλές φορές υπήρξε το αίτιο (ως διεκδικούμενος φυσικός πόρος ή ως πηγή ισχύος) για μεγάλες πολιτικοοικονομικές ανακατατάξεις στον παγκόσμιο χάρτη. Τα τελευταία χρόνια μάλιστα και με δεδομένο ότι κάποιοι από τους φυσικούς πόρους είναι πεπερασμένοι (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) ο ανταγωνισμός για τον έλεγχο της αγοράς ενέργειας έχει γίνει ακόμα πιο έντονος.
Πίνακας των κρατών με την μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας
Ο πληθυσμός των ανθρώπων της γης έχει πια ξεπεράσει τα 6 δισεκατομμύρια. Οι άνθρωποι χρειάζονται ενέργεια για να βελτιώσουν το επίπεδο της διαβίωσης τους. Πολλοί επιστήμονες μάλιστα συσχετίζουν την ποιότητα διαβίωσης με την κατανάλωση ενέργειας. Πολλές αναπτυσσόμενες χώρες αυξάνουν ραγδαία την εγκατεστημένη ισχύ τους κάτι που είναι και αποτέλεσμα του αυξανόμενου βιοτικού επίπεδου τους. Στην Δημοκρατία της Κίνας το 1997 κατασκευάζονταν μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ρυθμό 300MW / εβδομάδα. (Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην Ελλάδα είναι περίπου 13.000MW)
Η κατανάλωση ενέργειας γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη. Στον σύνδεσμο που ακολουθεί μπορείτε να δείτε τις χώρες με την μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας το 2007.
Τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας: Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται παγκοσμίως προέρχεται κυρίως από γαιάνθρακες, φυσικό αέριο, πυρηνική ενέργεια και μεγάλα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι μόνο 2%.
Ποσοστό παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμές πηγές παραγωγής ενέργειας.
Η τάση πάντως της χρησιμοποίησης των ανανεώσιμων τεχνολογιών δίνει ενθαρρυντικά μηνύματα για το μέλλον.
Ορυκτά καύσιμα:
Τα ορυκτά καύσιμα (fossil fuels) είναι ένας γενικός ορισμός που αποδίδεται σε καύσιμα που σχηματίζονται στην γη από υπολείμματα φυτικών ή ζωικών οργανισμών. Τα κυριότερα ορυκτά καύσιμα είναι υδρογονάνθρακες και είναι τα παρακάτω.
Οι γαιάνθρακες
Υπάρχουν πολλές μορφές
γαιανθράκων και κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες. Η περισσότερο γνωστή μορφή είναι ο λιγνίτης. Όσον αφορά την ηλεκτροπαραγωγή χαρακτηρίζονται από την χαμηλή απόδοση μετατροπής σε ηλεκτρική ενέργεια που φτάνει στην καλύτερη περίπτωση το 35%.
Πετρέλαιο
Το πετρέλαιο λόγω της μεγάλης ενεργειακής πυκνότητας, της εύκολης σχετικά μεταφοράς και των δεκάδων χρήσεων του είναι ή πιο σημαντική ενεργειακή πηγή από την δεκαετία του 1950 και μετά.
Σημαντικότερες χρήσεις του σαν υγρό καύσιμο στις μεταφορές και την θέρμανση.
Φυσικό αέριο
Το φυσικό αέριο αποτελείτε κυρίως από μεθάνιο. Είναι το καθαρότερο από τα ορυκτά καύσιμα όσων αφορά την εκπομπή αεριών θερμοκηπίου. Οι μεγαλύτερες υπόγειες δεξαμενές φυσικού αεριού βρίσκονται στο Ιράν και την Ρωσία. 
Επιστήμονες εκτιμούν ότι τα αποθέματα του φυσικού αερίου θα εξαντληθούν το 2085.
Όλες οι παγκόσμιες οικονομίες εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα ενεργειακά από τα ορυκτά καύσιμα.
Εκτός από το μειονέκτημα της πεπερασμένης πρώτης ύλης τα ορυκτά καύσιμα ευθύνονται κατά πολύ για την ρύπανση του πλανήτη και για διάφορα περιβαλλοντολογικά προβλήματα. Στο παρακάτω γράφημα φαίνονται οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα αν
ά έτος για τα τελευταία 200 χρόνια και οι αντίστοιχες εκπομπές των ορυκτών καυσίμων.
Πυρηνική ενέργεια
Άλλη πολύ σημαντική πηγή ενέργειας είναι η πυρηνική. Παρόλα αυτά και η πυρηνική ενέργεια σχετίζεται με ορυκτό καύσιμο μιας και το ουράνιο που χρησιμοποιείται είναι ορυκτό και μάλιστα δυσεύρετο. Η πυρηνική ενέργεια είναι μια ιδιαίτερα αμφιλεγόμενη μορφή ενέργειας γιατί παρά το αρκετά χαμηλό κόστος παραγωγής, σε περίπτωση ατυχήματος τα αποτελέσματα θα είναι δραματικά. Ένα ακόμα πρόβλημα είναι ότι τα απόβλητα μιας τέτοιας παραγωγικής διαδικασίας είναι ιδιαίτερα ραδιενεργά με αποτέλεσμα να απαιτούνται ειδικές εγκαταστάσεις για την επ’ αόριστων αποθήκευση των αποβλήτων. Τη μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρισμού από πυρηνική ενέργεια έχει η Γαλλία με 59 αντιδραστήρες και ποσοστό ενεργειακής κάλυψης 78%.
Υδροηλεκτρική ενέργεια
Σε ποσοστό 16% της ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως παράγεται από μεγάλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η εκμετάλλευση υδάτινου δυναμικού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτει μεγάλες ανάγκες ειδικά σε χώρες όπου υπάρχουν μεγάλα ποτάμια.
Έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν περισσότερα χρόνια από ότι ένας αντιδραστήρας καυσίμου ενώ υπάρχουν αρκετές εγκαταστάσεις στον κόσμο που λειτουργούν τα τελευταία 50 με 100 χρόνια. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παρουσιάζουν πολλά περιβαλλοντολογικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας αφού δεν υπάρχει εκπομπή καυσαερίων αλλά συνήθως δημιουργούν ανακατατάξεις στα οικοσυστήματα που εγκαθίστανται λόγω της μεγάλης ανθρώπινης παρέμβασης στην φύση. Υπάρχουν αρκετές χώρες που έχουν μεγάλη ενεργειακή εξάρτηση από τις υδροηλεκτρικές τους εγκαταστάσεις όπως ο Καναδάς και η Βραζιλία.
Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: Τέλος, υπάρχουν και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Διαθέτουν ένα ισχυρό πλεονέκτημα. Θα διαρκέσουν όσο θα υπάρχει και ο πλανήτης σε μορφή που να μπορούσε να ζει άνθρωπος.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εκπέμπουν περιορισμένα ή καθόλου αέρια που ευθύνονται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Άλλα πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα που δίνουν οι ανανεώσιμες πηγές για την δημιουργία κατανεμημένων δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Για τις περισσότερες ΑΠΕ δεν υπάρχει κόστος πρώτης ύλης ενώ και το κόστος συντήρησης είναι περιορισμένο.
Οι ενεργειακές ανάγκες παγκοσμίως εξαρτώνται κατά κύριο λόγω από τα ορυκτά καύσιμα και θα συνεχίσουν να εξαρτώνται από αυτά για αρκετές δεκαετίες ακόμα. Η ανάγκη όμως της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει γίνει αντιληπτή σε όλο τον κόσμο και οι περισσότερες χώρες έχουν υπογράψει αντίστοιχες δεσμεύσεις για χρήση των ΑΠΕ.
Σε κάποιες χώρες ήδη υπάρχουν ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα από την χρήση τεχνολογιών ΑΠΕ. Αυτές οι χώρες λειτούργησαν λίγο διαφορετικά και σαφώς πιο καινοτόμα και οδηγήθηκαν σε ερευνητικά προγράμματα εκμετάλλευσης εναλλακτικών πηγών ενέργειας αρχικά και στην συνέχεια σε εντατικοποιημένη βιομηχανική παραγωγή μηχανισμών παραγωγής ανανεώσιμης, ηλεκτρικής κυρίως, ενέργειας. Για παράδειγμα η Γερμανία και η Ιαπωνία πρωτοπορούν στην εκμετάλλευση φωτοβολταϊκών συστημάτων ενέργειας είτε με τις εγκατεστημένες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είτε με την υψηλή τεχνογνωσία τους στον κλάδο των εξαρτημάτων και μηχανών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι περισσότερο γνωστές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι:
– Η μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό, της οποίας η εγκατεστημένη ισχύ ανεβαίνει με εκθετική πρόοδο. Οι χώρες με την μεγαλύτερη χρήση αιολικής ενέργειας είναι η Γερμανία, ή Ισπανία και οι ΗΠΑ. 
– Η ηλιακή ενέργεια της οποίας η χρήση διακρίνεται σε πολλές υποκατηγορίες.
Οι σημαντικότερες από αυτές είναι:
– Tα φωτοβολταϊκά συστήματα (photovoltaic) παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι μια τεχνολογία ημιαγωγών με τεράστια πλεονεκτήματα αλλά μεγάλο κόστος.
Για να υπολογίσετε πόση ενέργεια παράγουν τα φωτοβολταϊκά σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εντελώς δωρεάν τις φόρμες υπολογισμού ηλιακής ενέργειας.
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που αναπτύσσεται με ραγδαίο ρυθμό τα τελευταία χρόνια και ή αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος σε ΦΒ έχει ξεπεράσει και το πιο αισιόδοξο σενάριο.
– Συστήματα συλλεκτών ηλιακής θέρμανσης ζεστού νερού (solar water heating)
Στα συστήματα αυτά η Ελλάδα παρουσιάζει μια αρκετά μεγάλη αγορά. Για το έτος 2005 βρεθήκαμε στην 5η θέση μεταξύ των χωρών με τις περισσότερες εγκαταστάσεις συλλεκτών στον κόσμο με πρώτη την Κίνα.
– Στα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα (solar concentrators) παραγωγής ενέργειας, τα οποία με την σειρά τους διακρίνονται σε αρκετές υποκατηγορίες και εκμεταλλεύονται την ανάκλαση του φωτός σε συνδυασμό με διάφορες τεχνικές.
– Οι μικρές υδροηλεκτρικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Είναι από τις παλαιότερες μορφές ενέργειας (νερόμυλοι, υδραυλικοί τροχοί κλπ) και έχουν κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η δυνατότητα άμεσης σύνδεσης με το δίκτυο. Οι μεγάλες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις δεν περιλαμβάνονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας λόγω της ογκώδους παρέμβασης στο φυσικό περιβάλλον.
– Τα βιοκαύσιμα. Σύμφωνα με την κοινοτική οδηγία 2003/30/ΕΚ βιοκαύσιμα θεωρούνται κάθε υγρό ή αέριο καύσιμο για τις μεταφορές το οποίο παράγεται από βιομάζα όπου βιομάζα είναι το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων από γεωργικές (συμπεριλαμβανομένων φυτικών και ζωικών ουσιών), δασοκομικές και συναφείς βιομηχανικές δραστηριότητες, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των βιομηχανικών και αστικών αποβλήτων. Τα βιοκαύσιμα χαρακτηρίζονται από μικρότερες εκπομπές ρύπων CO2 σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα.
Στα βιοκαύσιμα συγκαταλέγονται
– Η βιοαιθανόλη
– Το βιοντίζελ
– Το βιοαέριο
– Η βιομεθανόλη
– Ο βιοδιμεθυλαιθέρας
– Τα συνθετικά βιοκαύσιμα
– Το βιοϋδρογόνο
– Τα καθαρά φυτικά έλαια
Στο σύνολο τους οι ΑΠΕ υπόσχονται να δώσουν σπουδαίες εναλλακτικές τεχνικές στο ενεργειακό πρόβλημα αλλά και να δώσουν λύσεις στα τεράστια περιβαλλοντικά προβλήματα του πλανήτη.