Качество энергии — это мера легкости, с которой та или иная форма энергии может быть преобразована в полезную работу или в другую форму энергии: т.е. содержание термодинамической свободной энергии . Высококачественная форма энергии имеет высокое содержание термодинамической свободной энергии, и поэтому значительная ее часть может быть преобразована в работу; тогда как при низкокачественных формах энергии лишь небольшая часть может быть преобразована в работу, а остальная часть рассеивается в виде тепла. Понятие качества энергии также используется в экологии , где оно используется для отслеживания потока энергии между различными трофическими уровнями в пищевой цепи, и в термоэкономике , где оно используется как мера экономического производства на единицу энергии. Методы оценки качества энергии часто включают в себя ранжирование энергетических качеств в иерархическом порядке.
Учет качества энергии был фундаментальной движущей силой индустриализации с 18 по 20 века. Возьмем, к примеру, индустриализацию Новой Англии в 18 веке. Речь идет о строительстве текстильных фабрик , содержащих ткацкие станки для ткачества ткани. Самым простым, экономичным и понятным источником энергии были водяные колеса , извлекавшие энергию из мельничного пруда за плотиной на местном ручье. Если другой соседний землевладелец также решит построить мельницу в том же ручье, строительство их плотины снизит общий гидравлический напор , необходимый для приведения в действие существующего водяного колеса, что нанесет ущерб выработке электроэнергии и эффективности . В конечном итоге это стало проблемой, характерной для всего региона, снижая 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 производства механической энергии было невозможно вообразить в 18 веке; к концу XIX века использование водяных колес давно вышло из моды. Точно так же качество энергии из электричества предлагает огромные преимущества по сравнению с паром, но не стало экономическим и практичным до 20-го века.
В приведенном выше примере основное внимание уделяется экономическим последствиям эксплуатации энергии. Похожий сценарий разыгрывается в природе и биологии, где живые организмы могут извлекать энергию различного качества из природы, что в конечном итоге обусловлено солнечной энергией как основной движущей силой термодинамического неравновесия на Земле. [1] [2] Экологический баланс экосистем зависит от потоков энергии через систему. Например, дождевая вода вызывает эрозию горных пород , в результате чего высвобождаются химические вещества, которые можно использовать в качестве питательных веществ; они поглощаются планктоном , использующим солнечную энергию для роста и процветания; киты получают энергию, поедая планктон, таким образом, косвенно используя и солнечную энергию, но на этот раз в гораздо более концентрированной и качественной форме.
Водяные колеса также приводятся в движение дождевой водой в результате солнечного цикла испарения-конденсации воды ; таким образом, в конечном итоге промышленное производство одежды было обусловлено циклом солнечной радиации день-ночь . Это целостный взгляд на источники энергии как на систему в целом. Так, дискуссии о качестве энергии иногда можно встретить в гуманитарных науках , таких как диалектика , марксизм и постмодернизм . Фактически это происходит потому, что такие дисциплины, как экономика, не смогли признать термодинамические факторы, влияющие на экономику (теперь признанные термоэкономикой ), в то время как такие дисциплины, как физика и инженерия , были неспособны учитывать ни экономические последствия человеческой деятельности, ни воздействия термодинамических потоков в экономике. биологические экосистемы. Таким образом, в широкие, глобальные дискуссии о системе в целом были вовлечены те, кто лучше всего подготовлен к туманным, неконкретным рассуждениям, которые требуются для таких сложных систем . Возникающее в результате несоответствие словарного запаса и мировоззрений между дисциплинами может привести к серьезным разногласиям.
По словам Охты (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, разработав ее под названием «die Exergie» (эксергия ) . Позже он был продолжен и стандартизирован в Японии . Эксергетический анализ теперь является общей частью многих анализов промышленной и экологической энергетики. Например, И.Динцер и Ю.А.Ценгель (2001, с. 132) утверждают, что в настоящее время в пароэнергетике широко распространены формы энергии различного качества . Здесь «показателем качества» является отношение эксергии к энергосодержанию (Там же). Однако инженеры-энергетики осознавали, что понятие качества тепла включает в себя понятие стоимости – например, А. Туманн писал: «Основное качество тепла – это не количество, а, скорее, его «ценность»» (1984, стр. 113), что ставит в игру вопрос телеологии и более широких целевых функций экологического масштаба. В экологическом контексте С. Е. Йоргенсен и Г. Бендориккио говорят, что эксергия используется в качестве целевой функции в экологических моделях и выражает энергию «со встроенной мерой качества, такой как энергия» (2001, стр. 392).
По-видимому, существует два основных типа методологии, используемые для расчета качества энергии. Их можно классифицировать как методы-приемники или доноры. Одним из основных различий, отличающих эти классы, является предположение о том, можно ли повысить качество энергии в процессе преобразования энергии.
Методы приемника: рассматривайте качество энергии как меру и индикатор относительной легкости, с которой энергия преобразуется из одной формы в другую. То есть, сколько энергии получено в результате процесса трансформации или передачи. Например, А. Грублер [1] использовал два типа показателей энергетического качества pars pro toto : соотношение водород/углерод (Н/С) и обратное ему - углеродоемкость энергии . Грублер использовал последнее как индикатор относительного качества окружающей среды. Однако Охта говорит, что в многоступенчатых промышленных системах преобразования, таких как системы производства водорода с использованием солнечной энергии, качество энергии не повышается (1994, стр. 125).
Методы доноров: рассматривать качество энергии как меру количества энергии, используемой при преобразовании энергии и которая 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 отличие от точки зрения Охты, качество энергии повышается в ходе многоступенчатых трофических преобразований экологических систем. Здесь повышенное качество энергии имеет большую способность обратной связи и контроля более низких уровней качества энергии. Донорские методы пытаются понять полезность энергетического процесса путем количественного определения степени, в которой энергия более высокого качества контролирует энергию более низкого качества.
Т. Охта предположил, что концепция качества энергии может быть более интуитивной, если рассмотреть примеры, когда форма энергии остается постоянной, но количество текущей или передаваемой энергии варьируется. Например, если рассматривать только инерционную форму энергии, то энергетическое качество 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 большее качество (Охта 1994, стр. 90). Поэтому все эти различия в качестве энергии легко измерить с помощью соответствующего научного прибора.
Ситуация усложняется, когда форма энергии не остается постоянной. В этом контексте Охта сформулировал вопрос о качестве энергии с точки зрения преобразования энергии одной формы в другую, то есть трансформации энергии . Здесь качество энергии определяется относительной легкостью , с которой энергия преобразуется из формы в форму.
Если энергию A относительно легче преобразовать в энергию B, а энергию B сравнительно сложнее преобразовать в энергию A, то качество энергии A определяется как более высокое, чем качество энергии B. Ранжирование качества энергии также определяется аналогичным образом. способ. (Охта 1994, стр. 90).
Номенклатура: До определения Охты, приведенного выше, AW Culp разработал таблицу преобразования энергии, описывающую различные преобразования одной энергии в другую. В трактовке Калпа использовался нижний индекс, указывающий, о какой форме энергии идет речь. Поэтому вместо того, чтобы писать «энергию A», как выше Охта, Калп использовал «J e », чтобы указать электрическую форму энергии, где «J» относится к «энергии», а нижний индекс « e » относится к электрической форме энергии. энергия. Обозначения Калпа предвосхитили более позднюю максиму Scienceman (1997) о том, что вся энергия должна быть указана как энергия формы с соответствующим индексом.
Понятие качества энергии также получило признание в экономических науках. В контексте биофизической экономики качество энергии измерялось количеством экономической продукции, произведенной на единицу затрат энергии (CJ Cleveland et al., 2000). Оценка качества энергии в экономическом контексте также связана с внедренными энергетическими методологиями. Другой пример экономической значимости концепции качества энергии приводит Брайан Фли. Фли говорит, что «Коэффициент энергетической прибыли (EPR) является одним из показателей качества энергии и ключевым индексом для оценки экономической эффективности топлива. В знаменатель должны быть включены как прямые, так и косвенные затраты энергии, воплощенные в товарах и услугах». (2006; стр. 10) Фли рассчитывает ЭПР как выходную/входную энергию.
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 сразу после Охты, стр. 90). Очевидно, что Охта не анализировал все формы энергии. Например, вода не входит в его оценку. Важно отметить, что рейтинг качества энергии определяется не только эффективностью 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 более качественный» (1994, с. 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, существующая в естественных условиях, — это молния, хотя существует множество механических энергий». (Там же.). (Другой пример рейтинга качества энергии см. в таблице 1 в статье Уолла).
Как и Охта, ХТОдум также стремился упорядочить преобразования форм энергии в соответствии с их качеством, однако его иерархическая шкала ранжирования была основана на расширении концепций пищевой цепи экологической системы до термодинамики, а не просто на относительной легкости трансформации. Для HTOdum рейтинг качества энергии основан на количестве энергии одной формы, необходимой для генерации единицы другой формы энергии. Отношение поступления одной формы энергии к выходу другой формы энергии было тем, что ХТОдум и его коллеги назвали трансформацией : « ЭКСТРЕННОСТЬ на единицу энергии в единицах эмджоулей на джоуль» (ХТОдум 1988, стр. 1135).
