01 - Szargut - Informatyzacja w energetyce

ENERGIA CZY EGZERGIA
Autor: Jan Szargut
(„Rynek Energii” – październik 2010)
Słowa kluczowe: jakość energii, generowanie entropii, straty egzergii
Streszczenie. W języku potocznym słowem "energia" określa się zwykle tylko energię podwyższonej jakości. Jakość tę określa
egzergia, nie podlegająca prawu zachowania. Straty egzergii są proporcjonalne do entropii generowanej. Należy dążyć do ich
zmniejszania w granicach opłacalności ekonomicznej i możliwości technologicznych. Znajomość analizy egzergetycznej jest
niezbędna przy projektowaniu i udoskonalaniu procesów energetycznych.
1. NIEJEDNOZNACZNOŚĆ SŁOWA "ENERGIA"
Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach. W języku fizyki oznacza ono wielkość podlegającą
prawu zachowania. Może ona przepływać między różnymi postaciami materii i zmieniać swoją jakość, nie
można jednak jej ani stworzyć ani zniszczyć.
W języku potocznym natomiast, słowa energia używa się tylko dla takich postaci energii, które charakteryzują się podwyższoną jakością i nadają się do podtrzymywania biegu procesów wytwarzających użyteczne
efekty. Są to więc takie postaci energii, które mają określoną wartość ekonomiczną. Dlatego w języku
potocznym oraz w publikacjach prasowych, radiowych i telewizyjnych pojawiają się wyrażenia: "dostawy
energii", "oszczędność energii", "kryzys energetyczny", "straty energii" i wiele podobnych [2]. Z punktu
widzenia praw fizyki wyrażenia te nie są poprawne. Nie jest na przykład możliwe występowanie strat
energii, energia może tylko zmienić swą postać, a jej ilość zawsze pozostaje bez zmiany. Nie jest też
celowe oszczędzanie energii, gdyż można ją czerpać z przyrody w dowolnej ilości. Oszczędzanie może
dotyczyć tylko określonej postaci energii, o wysokim poziomie jakości, np. energii chemicznej paliw.
2. DEFINICJA EGZERGII
W termodynamice jako miernik jakości energii przyjmuje się zdolność do wykonania pracy w naturalnym
otoczeniu, objętym działalnością wytwórczą człowieka. Wspomniany miernik jakości został przez Z.
Ranta nazwany egzergią. W pierwszych pracach autora z tej dziedziny stosowany był termin potencjał
energetyczny [3], który dość dobrze charakteryzuje rozpatrywaną wielkość, jednak termin "egzergia" został
dość powszechnie przyjęty w literaturze technicznej [4]. Termin ten brzmi dość tajemniczo, co odstrasza
wielu użytkowników od używania go. Trudno jednak wymagać wyeliminowania z języka potocznego
cytowanych wyżej niezupełnie poprawnych wyrażeń i zastąpienie ich takimi ściśle poprawnymi
wyrażeniami, jak "oszczędzanie egzergii", "kryzys egzergetyczny" itp.
Należy natomiast upowszechnić stosowanie terminu "strata egzergii", ale ma on inne znaczenie niż "strata
energii". Egzergia nie podlega bowiem prawu zachowania. W każdym rzeczywistym procesie występuje
nieunikniona i bezzwrotna strata egzergii. Straty egzergii, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, są
spowodowane przez nieodwracalność wszystkich procesów rzeczywistych. Każdy logicznie myślący
człowiek może zaobserwować tę nieodwracalność, nawet w życiu codziennym. Nasza noblistka Wisława
Szymborska pisze:
Nic dwa razy się nie zdarza
i nie zdarzy...
Choćbyśmy uczniami byli
najtępszymi w skali świata,
nie będziemy repetować
żadnej zimy ani lata.
W termodynamice miarą nieodwracalności jest suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących
w zjawisku, czyli tzw. entropia generowana. Pojawia się pojęcie "entropia". Wg. Boltzmanna można ją
wyjaśnić jako miarę prawdopodobieństwa rozpatrywanego stanu ciała. Wyjaśnienie to budzi wątpliwości
niektórych autorów [1]. Jeżeli rozpatrywany stan wynika z maksymalnego prawdopodobieństwa, to
możliwe są też inne stany nieco mniej prawdopodobne. Zagadnieniem tym zajmował się polski fizyk
M. Smoluchowski. Wykazał on, że samoczynne odchylenie w mierzalnej technicznie skali od stanu
maksymalnego prawdopodobieństwa jest niesłychanie mało prawdopodobne. Można więc przyjąć, że stan
maksymalnej entropii charakteryzujący równowagę termodynamiczną jest zdeterminowany. Tylko
w układach o bardzo małej liczbie cząstek materii lub o małym stężeniu objętościowym tych cząstek mogą
występować tzw. fluktuacje, tj. wyraźne odchylenia od stanu równowagi (np. ruchy Browna w zawiesinach
cząstek stałych).
3. ZNACZENIE STRAT EGZERGII
Strata egzergii wyraża się iloczynem entropii generowanej i temperatury otoczenia. Każde pojawienie się
straty egzergii oznacza albo zmniejszenie użytecznego efektu procesu albo zwiększenie zużycia środków
napędowych przy danym efekcie użytecznym [5]. Dlatego Bosnjakovic lansował hasło "zwalczajmy
nieodwracalność". Dziś jednak należy to hasło uzupełnić: zwalczajmy ale w granicach opłacalności
ekonomicznej i możliwości technologicznych. Jak wykazał D. Sama [3] niektóre straty egzergii należy
tolerować, gdyż zapewniają one zmniejszenie nakładów inwestycyjnych. Na przykład koszt budowy
wymiennika ciepła byłby nieskończenie wysoki, gdybyśmy choćby w jednym jego przekroju chcieli
uzyskać zerową stratę egzergii.
Straty energii (w rozumieniu potocznym) można porównać ze stratami egzergii na przykładzie kotła
parowego. Gorące spaliny odpływające z kotła do otoczenia unoszą pewną ilość energii. W rozumieniu
potocznym oznacza to pewną stratę energii. Energia ta jednak nie ulega zniszczeniu, lecz zostaje w całości
przekazana do otoczenia. Zniszczeniu ulega tylko jakość energii spalin, określona ich temperaturą
i składem tj. ich egzergia. Zresztą znacznie większe są inne straty egzergii występujące w kotle i
nieuchwytne dla bilansu energii. Są nimi straty egzergii spowodowane przez nieodwracalność spalania i
przepływu ciepła do wody ciekłej i pary. Dlatego przyrost egzergii wody ciekłej i pary uzyskany w kotle
jest znacznie mniejszy od zużycia egzergii paliwa, co prowadzi do obniżenia sprawności elektrowni
parowej. Niedostatecznie wysoka sprawność elektrowni parowej nie wynika więc z działania skraplacza, w
którym ogromne ilości ciepła odprowadza się do otoczenia, lecz głównie z nieodwracalności działania
kotła.
4. ZASTOSOWANIA ANALIZY EGZERGETYCZNEJ
Głównym zadaniem analizy egzergetycznej jest wykrywanie i ocena ilościowa strat egzergii. Istotna jest
też możliwość doboru schematów cieplnych w celu zmniejszenia strat egzergii. W tym celu opracowano
praktyczne reguły zmniejszania strat egzergii [6].
Wielu autorów podjęło próby stosowania egzergii do rozwiązywania problemów ekonomicznych. Nie ma
jednak bezpośredniego związku między wartością ekonomiczną bogactw naturalnych czerpanych
z przyrody (wynikającą głównie z gry rynkowej), a egzergią wynikającą z parametrów i składu rozpatrywanego materiału. Jeżeli natomiast przyjmie się wartość ekonomiczną egzergii napędowej rozpatrywanego
procesu według cen rynkowych, to za pomocą metod analizy termoekonomicznej [8] można obliczyć, w
jakim stopniu nieodwracalność każdej części urządzenia przyczynia się do zwiększenia kosztu
wytwarzania produktu użytecznego. Na przykład w elektrowni parowej na podstawie ceny rynkowej
paliwa można obliczyć przyrost kosztu produkcji elektryczności spowodowany przez nieodwracalność
działania kotła parowego.
Egzergia może być ponadto stosowana do oceny termodynamicznej bogactw naturalnych, szczególnie zaś
bogactw nieodnawialnych, którym grozi wyczerpywanie się. Działalność wytwórcza ludzkości opiera się
na wykorzystaniu bogactw naturalnych, których jakość można określić za pomocą egzergii. Skumulowane
zużycie egzergii nieodnawialnych bogactw naturalnych obciążające wszystkie etapy wytwarzania
rozpatrywanego produktu użytecznego nazwano kosztem termoekologicznym [7]. Jest on wyrażony nie w
jednostkach pieniężnych, lecz w jednostkach energii-egzergii. Wskaźnik kosztu termoekologicznego
określa wyczerpywanie nieodnawialnych zasobów egzergii obciążające dany produkt. Koszt
termoekologiczny może stanowić funkcję celu przy optymalizacji procesów wytwarzania pod kątem
widzenia możliwości zabezpieczenia przyszłych procesów wytwórczych przed niedoborem
nieodnawialnych bogactw naturalnych [7].
5. EGZERGIA W PROGRAMACH STUDIÓW
Znajomość podstawowych praw analizy egzergetycznej jest niezbędna dla uniknięcia wielu błędów
wynikających z braku zrozumienia zróżnicowanej jakości różnych postaci energii i strat tej jakości na
skutek nieodwracalności procesów technicznych. Wiedza ta jest też potrzebna dla prawidłowego
rozumienia potocznych zwrotów zawierających słowo "energia". Dlatego zasady analizy egzergetycznej
powinny być umieszczone w programach nauczania wszystkich tych kierunków studiów technicznych,
które mają styczność z zagadnieniami energetycznymi.
LITERATURA
[1] Rifkin J., Howard T.: Entropia, nowy światopogląd. Tłum.z ang. Wyd. Kos, 2008, Katowice.
[2] Rosen M.A.: Exergy conservation: An alternative to conserving the already conserved quantity energy.
Exergy an Intern. Journal, 2 (2002), 59-61.
[3] Sama D.: The use of the second law of thermodynamics in the design of heat exchangers, heat
exchanger networks and processes. Proc. ENSEC 1993, Kraków, 53-76.
[4] Szargut J.: Bilans potencjonalny procesów fizycznych wynikający z II zasady termodynamiki.
Archiwum Budowy Maszyn, t.3, z.3, 1956.
[5] Szargut J.: Egzergia; poradnik obliczania i stosowania. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
2007.
[6] Szargut J. Sama D.A.: Practical rules of the reduction of exergy losses caused by the imperfection of
thermal processes. Proc. The Second Intern. Thermal Energy Congress, 1995, Agadir, 282-285.
[7] Szargut J.: Depletion of unrestorable natural exergy resources. Bull. Pol. Acad. Sci. ser. Techn., 1997,
No 2, 241-250.
[8] Torres C., Valero A., Serra L., Roya J.: Structural theory and thermoecomomics diagnosis. Part I. n
malfunction and dysfunction analysis. Energy Conversion and Management, 43, 2002, No 9-12, 15031518.
ENERGY OR EXERGY
Key words: quality of energy, entropy generation, exergy losses
Summary. In a colloquial speech the word "energy" is used for the kinds of energy characterized with a higher quality. In a
scientitic speech the quality of energy is expressed by means of exergy, exempt from the law of conservation. The losses of
exergy are proportional to the generated entropy. For the reduction of these losses it should be striven in the limits of economic
profitability and technological possibilities. The knowledge of the exergy analysis is indispensable in the design and
improvement of energy processes.
Jan Szargut, prof. dr hab. inż., Politechnika Śląska w Gliwicach, ul. Konarskiego 22, 44-100 Gliwice.