7 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της...

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας – Χριστοφής Ι Κορωναίος

229

7 Η ΕΞΕΡΓΕΙΑ

7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της εξέργειας Όπου υπάρχει υπολογισμός ενεργειακών μεγεθών, υπάρχει παράλληλα μεγάλη σύγχυση στα μεγέθη που πρέπει να μετρηθούν και να εκτιμηθούν. Πολύ συχνά η λύση επιδιώκεται να δοθεί με νέες μονάδες μέτρησης όπως η Wh και οι τόνοι ισοδύναμου πετρελαίου (Τ.Ι.Π.). Όμως και έτσι δημιουργούνται προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη σύγχυση που προκαλείται από τις διαφορετικές μονάδες που μετρούν το ίδιο μέγεθος. Επιπλέον υπάρχει διαφοροποίηση των μονάδων από χώρα σε χώρα ανάλογα με το σύστημα που χρησιμοποιείται. Για διεργασίες που αφορούν μετατροπές ενέργειας πολλές φορές προκύπτουν έννοιες απόδοσης λανθασμένες που δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Ο βασικός λόγος είναι ότι τέτοιες έννοιες δεν έχουν θεμελιώδη σύνδεση με το φυσικό περιβάλλον. Εντούτοις σε πολλές περιπτώσεις, όπως για παράδειγμα στη θέρμανση ενός χώρου, το περιβάλλον παίζει το καθοριστικό ρόλο.

Η σχέση ανάμεσα στις φυσικές πρώτες ύλες και τις κοινωνικές και οικονομικές δομές συχνά παραμελείται από τους επιστήμονες, τους ερευνητές και τους οικονομολόγους. Από την άλλη μεριά όσοι ασχολήθηκαν με τις φυσικές πρώτες ύλες δεν έδειξαν ενδιαφέρον στη σχέση αυτών με την κοινωνία και την οικονομία γενικά.

Υπάρχουν εντούτοις και εξαιρέσεις. Μερικοί έλαβαν υπό όψιν φυσικούς αλλά και κοινωνικό-οικονομικούς παράγοντες. Επιπλέον αναλύσεις που αφορούν οικολογικά θέματα έγιναν ιδιαίτερα διαδεδομένες τα τελευταία χρόνια. Πολλά εξαιρετικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα έχουν προκύψει από τις έρευνες αυτές. Είναι απαραίτητη η κατανόηση των διεργασιών μετατροπής ενέργειας και υλικών σε κάθε σχεδιασμό που αφορά το μέλλον. Το ενδιαφέρον σε τέτοια θέματα είναι σχετικά πρόσφατο. Για τη σωστή επιλογή ανάμεσα σε διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις και για μια αειφόρο ανάπτυξη χρειάζεται όλα αυτά να ληφθούν υπό όψιν. Κι αυτό γιατί οι ίδιες οι λειτουργίες της κοινωνίας είναι άμεσα συσχετισμένες με τις μετατροπές ενέργειας και ύλης στη φύση.

Η εξέργεια είναι ένας όρος σχετικά πρόσφατος και είναι πιο συχνός στην τεχνική ορολογία. Αντιπροσωπεύει το διαθέσιμο προς εκμετάλλευση ποσό ενέργειας ενός συστήματος από το περιβάλλον, για παράδειγμα το ποσό του έργου που μπορεί να παράγει ένα μηχανικό σύστημα στο περιβάλλον του. Η έννοια της εξέργειας πηγάζει από την έννοια της εντροπίας.

Σε ένα σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με εξάτμιση ρευστού και κίνηση στροβίλου, υπάρχουν μεγάλες διαφορές στη μεταβολή της ενέργειας και της εξέργειας. Τέτοιες θεωρήσεις μπορούν να γενικευτούν ακόμη και για τις ενεργειακές μετατροπές σε μια κοινωνία. Η ανθρώπινη κοινωνία σήμερα, εξαρτάται από τις ροές εξέργειας των πεπερασμένων αποθεμάτων εξέργειας που βρίσκονται στη Γη και πιο συγκεκριμένα, σε πετρώματα, καύσιμα, άλλα κυρίως στις ανανεώσιμες πηγές εξέργειας όπως τα δάση που μετατρέπουν και εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια. Το κάθε άτομο, η κάθε ομάδα και όλη η κοινωνία εξαρτάται άμεσα από τις ροές αυτές.

Από τη φυσική περιγραφή της κοινωνίας μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις της αποδοτικότητας και να συγκριθούν μεταξύ τους τα διάφορα αποτελέσματα που θα προκύψουν.

7.2 Ενέργεια, ύλη και ποιότητα Η ενέργεια και η ύλη δεν δημιουργούνται και δεν καταστρέφονται. Αυτός είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης. Δεν υπάρχουν δηλαδή πηγές ή καταβόθρες για την ενέργεια και την ύλη. Απλώς μπορούν να μετασχηματίζονται σε διαφορετικές μορφές. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της υποβάθμισης της ποιότητας. Τοπικά η ποιότητα μπορεί να βελτιώνεται αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο τη μεγαλύτερη υποβάθμιση της ποιότητας κάπου αλλού. Συνολικά είναι ένα θέμα συνεχούς υποβάθμισης της ποιότητας. Αυτό είναι επίσης θεμελιώδης νόμος της φύσης.

Η ροή ύλης και ενέργειας (σχήμα 7.1) σε ένα σύστημα οδηγείται σε συνεχή ελάττωση της ποιότητας. Η ροή πρέπει να ορίζεται επακριβώς στο χρόνο και στο χώρο. Καθώς υπάρχει ροή, μόνο ένα μικρό μέρος του μέσου εγκλωβίζεται στο σύστημα. Η κινητήριος δύναμη της ροής ενέργειας ή ύλης μέσα από το σύστημα' είναι η ποιότητα. Αυτή συνεχώς χειροτερεύει καθώς πραγματοποιείται η ροή. Η ενέργεια και η ύλη απλώς υπηρετούν ως φορείς ποιότητας και είναι η τελευταία αυτή που καταναλώνεται κατά τη μετατροπή τους από τη μια μορφή στην άλλη. Σύμφωνα με αυτήν την οπτική πλευρά είναι εσφαλμένο να γίνεται λόγος για


230

κατανάλωση και παραγωγή ενέργειας ή ύλης. Διότι είναι μόνο η ποιότητα αυτή που παράγεται ή καταναλώνεται. Για παράδειγμα αν ένα αυτοκίνητο μένει ακάλυπτο και σκουριάζει είναι η ποιότητα που καταστρέφεται και όχι η ύλη, γιατί αυτή παραμένει, θα συνδυαστεί με το περιβάλλον σε νέες χημικές ενώσεις, π.χ. σκουριά. Από οικονομικής πλευράς, η αξία του υλικού φθίνει και τελικά μηδενίζεται.

Ροές ενέργειας και ύλης μπορούν να θεωρηθούν ως διαφορετικά φαινόμενα που μεταφέρουν ποιότητα. Η διαφοροποίηση μεταξύ τους είναι συχνά ασαφής και προσεγγιστική. Μια ροή είναι συχνά ροή και ύλης και ενέργειας.

Σχήμα 7. 1: Ροή ενέργειας ή ύλης σε ένα σύστημα.

Η υποβάθμιση της ποιότητας είναι ισοδύναμη ουσιαστικά με την αύξηση εντροπίας. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο οι μετατροπές ενέργειας και ύλης πρέπει να γίνονται από μια κατάσταση χαμηλής θερμοδυναμικής πιθανότητας προς μια κατάσταση υψηλότερης. Η ενέργεια και η ύλη τείνουν να κατανεμηθούν προς ένα συνεχώς αυξανόμενο αριθμό πιθανών καταστάσεων. Παράδειγμα αυτού είναι μια ψυχρή και μια θερμή ροή αέρα που συναντώνται και όπου η ποιότητα και η αντίθεση καθορίζονται από τις διαφορές στη θερμοκρασία οι οποίες στη συνέχεια μηδενίζονται για μια ομοιόμορφη ροή. Η ομοιόμορφη ροή δεν έχει διαφορές θερμοκρασιών και ως εκ τούτου, χαμηλότερη ποιότητα από τις αρχικές ροές. Αυτό εκφράζεται ποσοτικά με στατιστική μηχανική ως μια αύξηση της εντροπίας του συστήματος. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τις ροές εισόδου και εξόδου και από τις διατάξεις μετατροπής που βρίσκονται ανάμεσα τους.

Η εντροπία που συμβολίζεται με S ισούται με:

1

ln ii PPkS Σ 7. 1

όπου με k συμβολίζεται η σταθερά του Boltzmann και δείχνει τον αριθμό των επιτρεπτών καταστάσεων του

Ενέργεια ή και Ύλη

Σύστημα

Π.χ

Γη

Ενέργεια ή και Ύλη

Υψηλή

ποιότητα

Χαμηλή

ποιότητα

Π.χ

ηλιακή

ενέργεια

Π.χ

Θερμότητα

και

καυσαέρια


231

συστήματος και με Pi η πιθανότητα για κάθε επιτρεπτή κατάσταση, τέτοια ώστε το άθροισμα να ισούται με 1:

1

1iPkS Σ 7. 2

Η πιθανότητα για μια κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με τη γνώση του συνολικού συστήματος. Αν υπάρχει βεβαιότητα ότι το σύστημα είναι σε μια καθορισμένη κατάσταση, η πιθανότητα για αυτήν την κατάσταση είναι ίση με 1. Η πιθανότητα για τις άλλες καταστάσεις είναι ίση με 0. Η γνώση της εντροπίας του συστήματος είναι τότε πλήρης και τότε αυτή είναι Ο (S = 0). Στην αντίθετη περίπτωση αν δεν υπήρχε καμία πληροφορία για το σύστημα τότε όλες οι δυνατές καταστάσεις θα ήταν ισοπίθανες. Ο αριθμός τους είναι Ω. Η πιθανότητα για κάθε μια θα είναι 1/Ω. Η εντροπία του συστήματος ισούται με S = k * ΙηΩ. Αυτή είναι η μέγιστη εντροπία για κάθε σύστημα και δείχνει την πλήρη αταξία.

Η μετατροπή ενέργειας και ύλης που λαμβάνει χώρα σε έναν πεπερασμένο ρυθμό, αναπόφευκτα οδηγεί σε παραγωγή εντροπίας. Ο ρυθμός παραγωγής της αυξάνεται όσο αυξάνεται ο βαθμός μετατροπής. Μια μετατροπή που μπορεί να αντιστραφεί ονομάζεται αντιστρεπτή. Αυτή είναι απειροστά αργή αλλά δεν περιλαμβάνει απώλειες. Έτσι δεν παράγεται εντροπία. Είναι δυνατόν να υπάρχουν τοπικές μεταβολές της εντροπίας αλλά η συνολική παραγωγή είναι μηδενική. Από τα παραπάνω συνεπάγεται ότι σε μια αντιστρεπτή μεταβολή δεν υπάρχει συγκεκριμένη κατεύθυνση και ως εκ τούτου αυτή δεν ολοκληρώνεται ποτέ. Αντιστρεπτές μεταβολές δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, παρά μόνο θεωρητικά. Όλες οι μεταβολές είναι μη αντιστρεπτές, που σημαίνει ότι πραγματοποιούνται με απώλειες. Έτσι, αυτές είναι αναπόφευκτες και ως ένα βαθμό, απαραίτητες. Κάθε επιθυμητή μεταβολή πρέπει να έχει κάποιες απώλειες όσο το δυνατόν μικρότερες.

Μπορεί εδώ να δοθεί ένας ορισμός της εξέργειας ως εξής:

Η εξέργεια είναι το τμήμα της ενέργειας που είναι μετατρέψιμο σε όλες τις άλλες μορφές ενέργειας.

Η εξέργεια ενός συστήματος σε συγκεκριμένο περιβάλλον είναι η ποσότητα του μέγιστου μηχανικού έργου που μπορεί να αποβληθεί από το σύστημα σε αυτό το περιβάλλον. Μερικά παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι π.χ. συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου σε μια δεξαμενή ή ο θερμός αέρας που βρίσκεται μέσα σε ένα κτίριο το χειμώνα.

Ο ορισμός αυτός είναι πολύ γενικός και μπορεί να επεκταθεί για να συμπεριλάβει και την ύλη. Μια τέτοια επέκταση είναι πλήρως δικαιολογημένη. Μια συνηθισμένη μπαταρία παράδειγμα αποτελεί παράδειγμα μετατροπών ύλης από τη μια μορφή στην άλλη μέσω χημικών αντιδράσεων προσδίδοντας εξέργεια υπό τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου.

Η εντροπία έχει αρνητική έννοια καθώς δείχνει έλλειψη ποιότητας. Μπορεί επομένως να δοθεί ο ορισμός της αρνητικής εντροπίας (negentropy) η οποία θα έχει θετική έννοια. Η αρνητική εντροπία γίνεται έτσι μονάδα μέτρησης της ποιότητας. Ελαττώνεται μαζί με την ποιότητα.

7.3 Μαθηματικός υπολογισμός της εξέργειας

7.3.1 Υπολογισμός για ένα θερμοδυναμικό σύστημα Έστω το σχήμα 7.2 στο οποίο φαίνονται το σύστημα Α και το περιβάλλον Αο, το οποίο θεωρείται ομογενές και πολύ μεγαλύτερο από το Α. Το περιβάλλον Αο χαρακτηρίζεται από τα εντατικά μεγέθη To, po και μο, (θερμοκρασία, πίεση και χημικό δυναμικό). Οι αντίστοιχες παράμετροι για το Α είναι οι Τ, ρ και μ. Αρχικά, το Α είναι επίσης ομογενές. Τα υπόλοιπα μεγέθη για το Α είναι τα U, V, S, και ηι (εσωτερική ενέργεια, όγκος, εντροπία και αριθμός των moles των διαφόρων χημικών στοιχείων) και τα αντίστοιχα για το Αο, είναι Uο, Vo, So, και niο και υποτίθεται να είναι επίσης κατά πολύ μεγαλύτερα από του Α.


232

Σχήμα 7.2: Σύστημα και περιβάλλον

Σ 7. 3

To συνδυασμένο σύστημα που αποτελείται από το Α και το Αο θεωρείται μονωμένο. Έτσι λαμβάνεται μόνο έργο W από το Α και ισχύει:

dU+dUo+dW=0

dV+dVo=0

dni+dnio=0 Σ 7. 4

Η αλληλεπίδραση μεταξύ του Α και του Αο μπορεί να λάβει χώρα με έναν ελεγχόμενο τρόπο μέσα στο Α. Αφού το Α είναι μικρό, δεν αλλάζουν τα εντατικά μεγέθη του Αο. Επομένως:

Σ 7. 5

dTo=0

dpo=0

dμio=0

Ισχύει δηλαδή

U<<UO

V<<VO

ni<<nio

P.T,μI

U,V,Si,ni

Po.To,μοI

Uο,Vο,Siο,nο

Α

Αο

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας - Χριστοφής Ι Κορωναίος

257

Το διαφορικό της εντροπίας του περιβάλλοντος Αο είναι:

oo

ii

ioo

o

ioi

ioooo

o T

dW

T

dndVpdU

T

dndVpdUdS

Σ 7. 6

όπου έχει χρησιμοποιηθεί η σχέση (7.1). Το συνολικό διαφορικό της εντροπίας και για το σύστημα και για το περιβάλλον είναι:

oi

iiooo

oo T

dWnddSTdVpdU

TdSdSdS

1

Σ 7. 7

Η τελευταία σχέση μπορεί να γραφτεί και ως εξής:

dWdET

dSo

1

Σ 7. 8

όπου εισάγεται η εξέργεια Ε και ισχύει:

i

iiooo nSTVpUE Σ 7. 9

Αν χρησιμοποιηθεί η σχέση

i

ii dnVpSTU Σ 7. 10

στην (7.9) τότε προκύπτει:

i

ioiioo nppVTTSE Σ 7. 11

η οποία δείχνει ότι η εξέργεια μηδενίζεται στην κατάσταση ισορροπίας (Τ = Το, p= po, i = iο)

Ας υποτεθεί ότι το Α μεταβάλλεται προς την ισορροπία με το Αο χωρίς να παράγει έργο (dW = 0). Η εξέργεια μεταβάλλεται από Ε προς Ο και η συνολική εντροπία αλλάζει από Sολ προς Sολ

ισ (το ολ. για ολικό και το ισ. για την ισορροπία). Χρησιμοποιώντας και την (7.2) λαμβάνεται

oT

ESS

Σ 7. 12

και έτσι:

SSTE o Σ 7. 13

Αν οριστεί η αρνητική εντροπία Σ ως η διαφορά:

SS Σ 7. 14

τότε προκύπτει ότι

0 oTE Σ 7. 15

Η εξέργεια του Α επομένως είναι Το πολλαπλασιασμένη με την αρνητική εντροπία του Α και του περιβάλλοντος του Αο. Παρατηρεί κανείς ότι στον ορισμό της εξέργειας Ε (σχέση (7.9)) μόνο τα εντατικά μεγέθη του Α εμφανίζονται.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στην οποία επιτυγχάνεται ισορροπία, η εξέργεια μεταβάλλεται κατά -Ε. Έστω ότι η αύξηση της ολικής εντροπίας είναι ΔSολ και το έργο που λαμβάνεται είναι W. Η ολοκληρωμένη έκφραση της (7.8) θα είναι:

WET

So

1 Σ 7. 16


258

ή ομοίως:

STEW o Σ 7. 17

Καθώς:

0 S Σ 7. 18

και με την ισότητα να ισχύει μόνο για αντιστρεπτή διαδικασία, λαμβάνεται:

EW Σ 7. 19

δηλαδή, η εξέργεια Ε είναι το μέγιστο ποσό έργου που μπορεί να αποληφθεί από το Α στη διαδικασία κατά την οποία θα πραγματοποιηθεί η ισορροπία με το περιβάλλον Αο.

Από τη σχέση (7.9) μπορεί να αφαιρεθεί η αντίστοιχη σχέση της ισορροπίας. Καθώς το Ε εξαφανίζεται στην ισορροπία, βρίσκεται ότι:

i

iiooo nnSSTVVpUUE Σ 7. 20

που είναι μια χρήσιμη σχέση για πρακτικούς ορισμούς της εξέργειας.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαφορές εξέργειας σχετίζονται με άλλα πιο γνωστά, από τη θερμοδυναμική, δυναμικά, όπως φαίνεται στον πίνακα 7.1.

Πίνακας 7. 1: Δυναμικά που χρησιμοποιούνται στη θερμοδυναμική.

Περίπτωση ΔΕ=ΔΧ Ορισμός του Χ Συνήθης ονομασία

Δni = 0 ΔΕ = ΔGο Go = U+poV - ToS

Δni = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔFο Fo = U-ToS

Δni = 0, ΔS= 0 ΔΕ = ΔΗο Ho = U + poV

Δni = 0, p = po ΔΕ = ΔG G = U + pV - TS Ελεύθ.ενέργεια

Δni = 0, ΔF = 0 ΔΕ = ΔF F = U - TS Ελεύθ.ενέργεια

Δni = 0, ΔS = 0 ΔΕ = ΔΗ H = U + pV Ενθαλπία

Θα ήταν ίσως ενδιαφέρον να εξεταστεί και η περίπτωση ενός συστήματος Α που βρίσκεται μέσα σε ένα τοπικό περιβάλλον Ατ, το οποίο με τη σειρά του είναι περικυκλωμένο από ένα περιβάλλον Αο (σχήμα 7.3 ).

Σχήμα 7. 3: Δύο συστήματα και περιβάλλον.

Τότε ορίζεται μια 'τοπική' εξέργεια:

i

ii nSTVpUE Σ 7. 21

που σχετίζεται με την ολική, με τη σχέση:

i

iiooo nSTVpUE Σ 7. 11


259

μέσω της:

Ε = Ετο + Ετ Σ 7. 22

όπου ο παράγοντας Ετ.ο δείχνει τη συνεισφορά της εξέργειας εξαιτίας της απόκλισης ίου τοπικού περιβάλλοντος από το συνολικό. Ισχύει:

i

ioiioo nppVTTSE Σ 7. 23

που είναι η έκφραση της εξέργειας η αντίστοιχη με τη (7.11) και με τα εντατικά μεγέθη του Ατ να αντικαθιστούν αυτά του Α.

7.3.2 Εξεργειακό περιεχόμενο των υλικών Έστω ότι η πίεση ρ και η θερμοκρασία Τ είναι σταθερές και ίσες με p = po και Τ =Το. Σύμφωνα με την εξίσωση (7.11) έχουμε:

i

ioiinE Σ 7. 24

Το χημικό δυναμικό μi για το i στοιχείο μπορεί να γραφτεί ως εξής:

iooii cTR ln Σ 7. 25

όπου ci είναι η συγκέντρωση του στοιχείου i και μio το δυναμικό στην κατάσταση αναφοράς.

Επιπλέον:

ioooioio cTR ln Σ 7. 26

Από τις δύο τελευταίες σχέσεις, η (7.24) μπορεί να γραφτεί ως εξής:

i oio

I

oio

oii c

cnTRnE ln Σ 7. 27

Η εξέργεια ενός υλικού μπορεί να υπολογιστεί με αυτόν τον τρόπο από το χημικό του δυναμικό και τη συγκέντρωση τον, στην κατάσταση αναφοράς.

Αν έχουμε ένα στοιχείο, η (7.27) γίνεται

o

oo

o

c

cTRnE ln Σ 7. 28

7.4 Φορείς εξέργειας Η ποιότητα της ενέργειας μπορεί να εκφραστεί ως η ποσότητα της αρνητικής εντροπίας ανά μονάδα ενέργειας του εξεταζόμενου συστήματος. Οι πιο καθαρές μορφές ενέργειας είναι η μηχανική και η ηλεκτρική για τις οποίες η αρνητική εντροπία είναι 0. Αντίθετα η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας έχει τη χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα χειροτερεύει με τη θερμοκρασία (εφόσον αυτή είναι υψηλότερη από αυτήν του περιβάλλοντος). Στον πίνακα που ακολουθεί οι διάφορες μορφές ενέργειας κατατάσσονται ανάλογα με την ποιότητα από την πιο υψηλή στην πιο χαμηλή. Ο δείκτης του πίνακα 7.2 δείχνει το περιεχόμενο σε εξέργεια ως ποσοστό του περιεχομένου του υλικού σε ενέργεια.

i. π.χ. τεχνητή λίμνη σε υδροηλεκτρικό σταθμό

ii. π.χ. υδατόπτωση

iii. π.χ. η ενέργεια σε πυρηνικό καύσιμο

iv. π.χ. πετρέλαιο, λιγνίτης κ.ά.


260

Πίνακας 7. 2: Περιεχόμενο σε εξέργεια για διάφορες μορφές ενέργειας

Ποιότητα Μορφή ενέργειας Δείκτης ποιότητας

Άριστη Δυναμική ενέργεια1 100

Κινητική ενέργεια2 100

Ηλεκτρική ενέργεια 100

Εξαιρετική Πυρηνική ενέργεια3 σχεδόν 100

Ηλιακή ενέργεια 95

Χημική ενέργεια4 95

θερμός ατμός 60

Τηλεθέρμανση 30

Κατώτερη Απώλειες θερμότητας 5

Άχρηστη Θερμότητα ως ακτινοβολία από τη 0

Εντούτοις, φορείς εξέργειας δεν είναι μόνο τα συστήματα που φέρουν ενέργεια. Αν ένα σύστημα στερείται ενέργεια (και έτσι διαφοροποιείται από το περιβάλλον) τότε είναι φορέας εξέργειας. Για παράδειγμα ένας κύβος πάγου που βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου είναι φορέας εξέργειας. Όταν ο πάγος λιώνει παίρνει ενέργεια από τον περιβάλλοντα αέρα. Αν παρεμβληθεί μια αντλία θερμότητας μπορεί να παραχθεί ωφέλιμο έργο. Αυτό καθιστά τον πάγο πηγή ενέργειας. Αντίστοιχα ένα κενό δοχείο εφόσον μπορεί να γεμίσει με αέρα είναι φορέας εξέργειας.

Ανάλογα με την ποιότητα της ενέργειας, η ποιότητα ενός υλικού μπορεί να εκφραστεί από την εξέργεια του υλικού. Η πιο αγνή μορφή ύλης είναι αυτή που περιέχει μόνο γνωστά στοιχεία για τα οποία η εντροπία είναι 0. Διαλυμένα ή αναμειγμένα υλικά έχουν μια υψηλότερη εντροπία και ως εκ τούτου χαμηλότερη ποιότητα. Η ποιότητα μειώνεται όσο μεγαλύτερη είναι η διάλυση και η ανάμειξη. Ένα πέτρωμα καθαρό έχει τη μέγιστη περιεκτικότητα σε εξέργεια. Καθώς εξορύγνεται και διανέμεται στο περιβάλλον, το περιεχόμενο σε εξέργεια μειώνεται. Στον επόμενο πίνακα φαίνονται κάποια υλικά ταξινομημένα συναρτήσει της μείωσης της ποιότητας τους. Σε κάθε περίπτωση υπάρχει ευδιάκριτη διαφορά ανάμεσα στα υλικά που βρίσκονται ψηλά στη στήλη και σε αυτά που βρίσκονται χαμηλά.

Η ποιότητα της μορφής του υλικού εκφράζεται από ένα δείκτη που δίνει το προσεγγιστικό περιεχόμενο σε ενέργεια ως ποσοστό της ποσότητας του υλικού. Ο ορισμός του δείκτη είναι ανάλογος με τον ορισμό για τον προηγούμενο πίνακα. Από τον ακόλουθο πίνακα προκύπτει ότι μόνο ένα μέρος, που δίνεται από την εξέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανακτηθεί καθαρό υλικό, εφόσον βέβαια δεν καταναλωθεί εξωτερική ποσότητα εξέργειας. Όταν εκτιμάται το περιεχόμενο σε εξέργεια για το εξεταζόμενο υλικό χρησιμοποιείται η εξίσωση (7.9). Καθώς η εξέργεια δεν διαφοροποιείται ανάμεσα σε ανώτερη και κατώτερη ή σε αυτήν της ύλης και αυτήν της ενέργειας, υπάρχει σαφής σύνδεση ανάμεσα στους δύο τελευταίους φορείς. Η μαθηματική διατύπωση της θεωρίας της σχετικότητας (Ε=mc2) είναι επίσης μια θεμελιώδης αρχή. Καθώς καθαρίζεται ένα ορυκτό από τις προσμίξεις, ουσιαστικά ανταλλάσσεται ενέργεια υψηλής ποιότητας με εξέργεια που βρίσκεται στην ύλη του.


261

Πίνακας 7. 3: Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων υλικών

Μορφή της ύλης Δείκτης ποιότητας

Ύλη σε ταξινομημένη κατάσταση' 100

Ύλη στη μορφή του εμπορίου2 σχεδόν 100

Μείγματα στοιχείων περίπου 90

Πλούσια αποθέματα ορυκτών4 50-80

Ορυκτά 50

Φτωχά αποθέματα ορυκτών5 20-50

Ορυκτά διαλυμένα στο έδαφος ή στη περίπου 0

i. π.χ. κάρβουνο ως διαμάντι

ii. π.χ. σίδηρος, χρυσός, ή μόλυβδος

iii. π.χ. χάλυβας, κράματα, ή πλαστικά

iv. π.χ. λεμονίτης

v. π.χ. βωξίτης

Από τον πίνακα 7.3 συμπεραίνεται ότι υλικά τα οποία είναι ακριβά έχουν μεγάλο περιεχόμενο σε εξέργεια. Αντιθέτως, υλικά τα οποία είναι αναμειγμένα (π.χ. άμμος) έχουν μικρό περιεχόμενο σε εξέργεια.

Συστήματα πλούσια σε εξέργεια όπως για παράδειγμα υλικά, χημικές ενώσεις μπορούν στην πράξη να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα μετασχηματισμού ηλεκτρικής σε χημική και αντίστροφα.

7.5 Παγκόσμια και τοπικά περιβαλλοντικά πρότυπα Καθώς η εξέργεια ορίζεται σύμφωνα με το περιβάλλον της είναι απαραίτητο να καθιερωθούν κατάλληλες περιβαλλοντικές αναφορές. Κάτι τέτοιο μπορεί να οριστεί με μια καθορισμένη ατμόσφαιρα και ένα ορισμένο επίπεδο θαλάσσης όπου οι κανονικές καταστάσεις συσχετίζονται με μέσες γεωφυσικές συνθήκες. Για την εξεργειακή ανάλυση των συναλλασσόμενων αγαθών και για τη χρήση της εξέργειας στις γεωφυσικές επιστήμες ένας τέτοιος ορισμός είναι απαραίτητος.

Οι θερμοκρασιακές συνθήκες ποικίλουν ανάμεσα στα διαφορετικά μέρη του κόσμου και το ίδιο ισχύει για την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ομοίως τα χημικά δυναμικά του νερού στις λίμνες και τους ποταμούς διαφέρουν ουσιωδώς από αυτά της θάλασσας. Η κατασκευή του εδάφους και του υπεδάφους επίσης ποικίλει και στην επιφάνεια της γης αλλά και στο βυθό της θάλασσας. Έτσι επίσης καθίσταται απαραίτητη η καθιέρωση τοπικών συνθηκών αναφοράς.

Η έκταση στην οποία οι συνθήκες αυτές μετριάζονται ή ποικίλουν με εποχιακές ή ημερήσιες μεταβλητές αποτελεί ένα θέμα που χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Για την περιγραφή της θέρμανσης χώρων εποχιακές παράμετροι είναι εμφανώς απαραίτητες. Αν χρησιμοποιηθούν ημερήσιες, τότε είναι μεγάλη η συνάρτηση και από τον τόπο. Αυτή όμως η ποικιλία μπορεί να σχετίζεται με την οικονομική αξία ενός συστήματος. Η διαφορά στην εξέργεια ενός κομματιού πάγου που βρίσκεται στην Ανταρκτική και ενός που βρίσκεται στην Αφρική είναι προφανώς τεράστια.


262

7.6 Η εξέργεια και η εκτίμηση των πρώτων υλών

7.6.1 Η εξέργεια ως όρος για τις φυσικές επιστήμες Στην επιφάνεια της γης λαμβάνουν χώρα άπειρες διεργασίες μεταφοράς, μετατροπής και ροής ενέργειας στα συστήματα. Πολλές φυσικές επιστήμες, όπως η οικολογία, η φυσική, η ωκεανογραφία προσπαθούν να περιγράψουν τις αλλαγές που συμβαίνουν στο αντικείμενο τους.

Το νερό είναι το μοναδικό στοιχείο που βρίσκεται και στις τρεις φάσεις (πάγος, υγρό, ατμός). Επιπλέον είναι μια τεράστια αποθήκη θερμότητας που εξισορροπεί και εκμηδενίζει όλες τις διαφοροποιήσεις που συμβαίνουν τοπικά. Σημαντικό ρόλο παίζουν επιπλέον η ατμόσφαιρα, το έδαφος αλλά και όλα τα ζωντανά όντα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες αλληλοεπηρεάζονται. Η επικοινωνία τους πραγματοποιείται με τη βοήθεια της εξέργειας.

Η εξέργεια από την αντίθεση ανάμεσα στον ήλιο και το διάστημα οδηγεί ροές ενέργειας και ύλης στην επιφάνεια της γης. Υπάρχει μια ισορροπία ανάμεσα στην προσδιδόμενη και την αποδιδόμενη ροή ενέργειας. Η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης καθορίζεται από, εκτός των άλλων, από την ενέργεια που ακτινοβολείτε προς τη γη. Σε αυτήν οδηγείται και ύλη μέσα από αμέτρητους κύκλους και αλληλεπιδράσεις συστημάτων. Οι περίοδοι κυκλοφορίας για αυτούς τους κύκλους ύλης μπορεί να ποικίλουν από κλάσματα του δευτερολέπτου μέχρι και δισεκατομμύρια ετών.

Όταν η εξέργεια φτάνει στη γη σταδιακά καταστρέφεται αλλά με τέτοιο τρόπο που να προωθεί, ανάμεσα στα άλλα, τον άνεμο, τα νερά και τη ζωή στη γη. Και μόνο η κυκλοφορία των υδάτων χρειάζεται 7000 φορές την ενέργεια που μετατρέπεται στο περιβάλλον από όλη την ανθρωπότητα. Πολύπλοκες συνθέσεις, πλούσιες σε ενέργεια και με δυνατότητα αναπαραγωγής σχηματίζονται από τη φωτοσύνθεση στη βιόσφαιρα. Τα πράσινα φυτά παίρνουν εξέργεια από τον ήλιο με τη φωτοσύνθεση και τη μετατρέπουν σε χημική εξέργεια σε ουσίες που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές τροφικές αλυσίδες. Σε κάθε σύνδεση, εξέργεια καταναλώνεται. Ο τελευταίος σύνδεσμος απεικονίζει μικροοργανισμούς που αποσυνθέτουν τα υλικά. Η εξέργεια που δεν γίνεται εκμεταλλεύσιμη από αυτούς τους οργανισμούς σταδιακά γίνεται πετρέλαιο ή πετρώματα.

Προκειμένου να αντιστραφεί μια διαδικασία, π.χ. μεταβολισμού σε ένα ζωντανό οργανισμό, προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση χρειάζεται μια θερμοδυναμική μη αντιστρεπτότητα. Μια αύξηση στην ασφάλεια μπορεί να επιτευχθεί μέσω της αύξησης της μη αντιστρεπτότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με το αντίστοιχο κόστος σε ενέργεια, π.χ. κατανάλωση της. Η αντιστροφή επομένως χρειάζεται και προϋποθέτει την κατανάλωση εξέργειας.

7.6.2 Εξέργεια φυσικών πόρων και πηγών ενέργειας Πολλές πηγές ενέργειας μπορούν να μελετηθούν υπό το πρίσμα της εξέργειας. Οι πηγές ενέργειας έχουν περιεχόμενο σε εξέργεια που είναι πολύ κοντά στις τιμές που συχνά τους αποδίδονται. Είναι είτε σε μορφή μηχανικής ενέργειας, που εξ ορισμού είναι πλήρη σε εξέργεια, είτε σε χημική μορφή, που είναι επίσης υψηλής ποιότητας και που η ενθαλπία τους είναι σχεδόν ίση με την εξέργεια τους. Σε οποιαδήποτε μετατροπή, όπου συμβαίνει με την παραγωγή θερμότητας χρησιμοποιείται ένα μεγάλο μέρος εξέργειας. Ένας τρόπος για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού είναι η εξέλιξη ενεργειακών κυψελών που δίδουν απ' ευθείας ηλεκτρισμό.

Στη μελέτη της εξέργειας των πυρηνικών καυσίμων εγείρονται δυσκολίες όπως η ραδιενέργεια που παράγεται και η έλλειψη σαφώς ορισμένης τελικής κατάστασης.

Υπάρχουν και άλλες πηγές εκτός από τις ενεργειακές που έχουν εξέργεια. Ένα μέταλλο διαφέρει πολύ από το ορυκτό που ήταν κάποτε. Η εξέργεια διατηρείται όταν υπάρχει εξόρυξη. Όταν το μέταλλο καθαρίζεται από το ορυκτό προστίθεται εξέργεια από τις πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για να γίνει η διεργασία αυτή. Η εξέργεια δεν χάνεται παρά μόνο όταν το μέταλλο σκουριάσει, ή φθαρεί με άλλο τρόπο.

Από την άλλη, πετρώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης ή στο θαλασσινό νερό είναι φτωχά σε εξέργεια.

Ακόμη, εξέργεια βρίσκεται στις μορφές χαμηλής εντροπίας (μικρή πιθανότητα) που χρησιμοποιούν οι ζώντες οργανισμοί. Χρησιμοποιείται όταν το ξύλο λειτουργεί ως υλικό κατασκευών, ή το μαλλί ως ίνα. Όταν λαμβάνεται τροφή, χρησιμοποιείται η χημική εξέργεια και η εξέργεια από τις δομές των αμινοξέων και των βιταμινών.


263

Η εξέργεια σαν δείκτης για πηγές

Γιατί μπορεί η εξεργειακή απώλεια να είναι μια σχετική μέτρηση της ελάττωσης και χρήσης των πηγών; Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες απόψεις με μικρές διαφορές . Η ενεργειακή άποψη δηλώνει ότι η χρήσιμη ενέργεια (εξέργεια) είναι η απώτερη πηγή περιορισμού . Αυτό μπορεί να ισχυρισθεί επειδή κάθε πηγή υλικού έχει ένα σχετικό ενεργειακό κόστος , έτσι ώστε κάθε ενδεχόμενη περιορισμένη πηγή περιορίζεται εν μέρει επειδή το ενεργειακό της κόστος είναι πολύ υψηλό . Δεδομένων επαρκών ποσών , μια κοινωνία μπορεί να εκτρέψει εξέργεια , εντός της τρέχουσας τεχνολογικής κλίμακας πιθανοτήτων , στην απόκτηση ή κινητικότητα οποιουδήποτε υλικού είναι σε μικρή παροχή . Η εξέργεια , αντί της ενέργειας , χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη αφού έμφαση δίνεται στην ποιότητα της ενέργειας και την χημική εξέργεια παραδοσιακά μη ενεργειακών ακατέργαστων υλικών . Ένα άλλο σημείο τριβής βασίζεται στην ερώτηση ‘όταν μιλάμε για ελάττωση πηγών ή κατανάλωση , τι ελαττώνεται ή καταναλώνεται ;’ . Δεν είναι ούτε υλικό , αφού το υλικό μπορεί μόνο να μεταφερθεί , όχι να καταστραφεί (αποκλείονται οι πυρηνικές αντιδράσεις) , ούτε ενέργεια . Μια λογική απάντηση μπορεί να είναι ότι καταναλώνονται χρήσιμο υλικό και ενέργεια και μπορούν να ελαττωθούν . Μια μέτρηση της χρήσιμης ενέργειας είναι η εξέργεια όπως συζητάτε εδώ . Για να είναι ένα υλικό χρήσιμο , πρέπει κανονικά να συγκεντρωθεί , να δομηθεί και να διευθετηθεί σε σχέση με το περιβάλλον . Μια γνωστή επιστημονική ποσότητα που συχνά ερμηνεύεται σαν μια μέτρηση της ανωμαλίας του συστήματος είναι η εντροπία . Εάν ένα υλικό πρέπει να είναι χρήσιμο , πρέπει κανονικά να έχει χαμηλότερη εντροπία από το περιβάλλον . Οι κοινωνίες και τα τεχνικά συστήματα μπορούν να περιγραφούν ότι τρέφονται με χαμηλής εντροπίας υλικό και ενέργεια που την μετατρέπουν σε υλικό υψηλής εντροπίας και ενέργειας . Έτσι η παραγωγή εντροπίας μπορεί να είναι ένα χρήσιμος δείκτης της κατανάλωσης πηγής σε σχέση με την ΑΚΖ . Όπως φαίνεται από την εξίσωση (1) , η εντροπία και η εξέργεια σχετίζονται μεταξύ τους .

Υπολογισμός της εξέργειας φυσικών πηγών σε διάφορες εφαρμογές

Όπως σημειώθηκε , έχει ενδιαφέρον να υπολογίσουμε την εξέργεια φυσικών πηγών σε έναν αριθμό διαφορετικών εφαρμογών εκτός από την ΑΚΖ. Ωστόσο , όταν οι εξέργειες φυσικών πηγών έχουν υπολογιστεί σε κοινωνικές αναλύσεις , ή όταν υπολογίζουμε την αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση , έχουν χρησιμοποιηθεί άλλα όρια συστήματος από αυτά της ΑΚΖ. Στις ΑΚΖ, οι είσοδοι πρέπει να είναι οι φυσικές πηγές όπως βρίσκονται στο περιβάλλον ενώ σε άλλες εφαρμογές , έχουν περιληφθεί μόνο μέρη των φυσικών πηγών . Για παράδειγμα , μόνο ένας ειδικός συνδυασμός μετάλλου σε ένα μετάλλευμα μπορεί να περιληφθεί αλλά όχι όλο το περιεχόμενο του μεταλλεύματος . Έτσι , για ορυκτά μετάλλων και μερικές άλλες πηγές , πρέπει να γίνουν νέοι υπολογισμοί έτσι ώστε να βρούμε συμβατά δεδομένα ΑΚΖ.

Μέθοδοι Ανάλυσης

Για να υπολογίσουμε την εξέργεια ενός ορυκτού και άλλων στερεών υλικών , οι συνθέσεις πρέπει να είναι γνωστές . Αυτοί οι τύποι δεδομένων είναι συνήθως σπάνιοι αφού μεταλλιολογικές αναλύσεις εκτελούνται σπάνια σε συνολικά υλικά. Η προσέγγιση που επιλέγεται εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε πραγματικές περιγραφές ορυκτών βασισμένες σε πληροφορίες ειδικών μεταλλευμάτων και εκτιμήσεις βασισμένες σε γεωλογική γνώση .

Ένα στερεό υλικό μπορεί είτε να θεωρηθεί σαν ένα στερεό διάλυμα ή σαν μίγμα ξεχωριστών κόκκων . Η χημική εξέργεια Εch ενός διαλύματος (βλέπε πίνακα 1) υπολογίζεται από την εξίσωση (4) . Για ιδανικά υγρά και διαλύματα στερεών , η δραστηριότητα μπορεί να αντικατασταθεί για τα κλάσματα mole . Εάν το υλικό θεωρείται ότι αποτελείται από ξεχωριστούς κόκκους , ο δεύτερος όρος της εξίσωσης (4) μπορεί να παραλειφθεί πράγμα που οδηγεί στην εξίσωση (5) . Εφόσον η εξέργεια είναι μια ιδιότητα και του συστήματος και του περιβάλλοντος , απαιτείται μια κατάσταση αναφοράς . Εδώ χρησιμοποιείται η κατάσταση αναφοράς που προτάθηκε από τον Szargut . H μερική μοριακή

χημική εξέργεια ech μπορεί να προσεγγιστεί από την στάνταρ μοριακή χημική εξέργεια echo . Τιμές για

την echo μπορούν να παρθούν από την εξίσωση (6) . Δεδομένα για τον όρο f i

oG μπορούν να υπολογιστούν από τις εξισώσεις (7) και (8) .


264

Εξισώσεις που χρησιμοποιούνται όταν υπολογίζουμε εξέργειες στερεών υλικών .

Σημείωση : ni = αριθμός των mole της ουσίας i ,ech,i =μερική μοριακή χημική εξέργεια της ουσίας i , R

= σταθερά αερίων , αi = δραστηριότητα της ουσίας i , echo = σταθερή μερική μοριακή εξέργεια , f i

oG = σταθερή ελεύθερη ενέργεια Gibbs σχηματισμού της ουσίας i ,el = στοιχεία στην ουσία i , Kr = σταθερά ισορροπίας , r = αντίδραση στην οποία παράγεται η ουσία i

E n e R T nch i ch i o i i , ln Σ 7.29

E n ech i ch i , Σ 7.30

e G n ech io

f io

el ch elo

el, , Σ 7.31

r io

f io

f productso

otherproductsf products

o

reac ts

G G G G tan

Σ 7.32

r io

rG R T K ln Σ 7.33

Τα δεδομένα για διάφορα στερεά υλικά παρουσιάζονται παρακάτω όπου οι συγκεντρώσεις των συστατικών δίνονται σε % κ.β. . Η χημική σύνθεση των διαφόρων μεταλλευμάτων δίνεται στον πίνακα 2 . Εξαιτίας της έλλειψης δεδομένων σε χημική εξέργεια , μερικά μεταλλεύματα έχουν αντικατασταθεί από χημικά όμοια μεταλλεύματα , που θεωρούνταν να έχουν όμοιες χημικές εξέργειες , όπως επισημαίνεται για κατάλληλες καταχωρήσεις .

Πίνακας 7.4 . Χημική εξέργεια μεταλλευμάτων

Όνομα μεταλλεύματος Χημική σύσταση echo (kJ / g)

Ακαντίτης Ag2S 2,863

Αδουραλίνη KAlSi3O8 0,359

Ανορτίτης CaAl2SiO8 0,983

Αραγονίτης CaCO3 0,01

Βαρίτης BaSO4 0,015

Βωιμίτης AlOOH 1,607

Χαλκοπυρίτιο CuFeSO4 11,19

Χρωμίτης FeCr2O4 0,557

Κοβελίτης CuS 7,221

Διοψίδη CaMgSi2O6 0,037

Δολομίτης CaMgCO3 0,082

Φαγιαλίτης FeSiO4 1,159

Φλουορίτης CaF2 0,146

Φλουοροαπατίτης Ca5F(PO4)3 0,013

Φορστερίτης MgSiO4 0,532

Θειούχος μόλυβδος PbS 3,11

Υδρογονούχο οξείδιο σιδήρου

FeOOH 0,111

Χρυσός Au 0,078


265

Ιαματίτης Fe2O3 0,103

Υδροξυαπατίτης Ca5OH(PO4)3 0,126

Χαμηλός αλμπίτης NaAlSi3O8 0,402

Μαγνητίτης Fe3O4 0,525

Μικροκλίνη KAlSi3O8 0,361

Μιλερίτης NiS 8,404

Μόσχοβος KAl3Si3O10(OH)2 1,33

Φλογοπίτης KMg3AlSi3O10(OH)2 0,418

Σιδηροπυρίτιο FeS2 11,908

Πυρφοτίτης FeS 10,07

Χαλαζίας SiO2 0,032

Διοξείδιο τιτανίου TiO2 0,268

Σφαλερίτης ZnS 7,67

Τρεμολίτης Ca2Mg5Si8O22(OH)2 0,1

Βολαστονίτης CaSiO3 0,203

Al(OH)3 1,48

CdS 5,17

FeSiO3 1,226

MnS 10,04

Αποτελέσματα υπολογισμών

Οι χημικές εξέργειες των στερεών υλικών δίνονται στον πίνακα 3 .

Εφόσον, πολλά ορυκτά μπορούν να περιγραφούν είτε σαν στερεά διαλύματα ή σαν ξεχωριστοί κόκκοι, η χημική εξέργεια μπορεί να υπολογιστεί από τις εξισώσεις 7.32 και 7.33. Στην πράξη, ωστόσο, παίρνονται παρόμοια αποτελέσματα. Για παράδειγμα, η χημική εξέργεια όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση 7.32 είναι 0,413ΜJ/Kg και 0,415ΜJ/Kg όταν χρησιμοποιείται η εξίσωση 7.33. Τα δεδομένα στον πίνακα 7.5 έχουν υπολογιστεί με την εξίσωση 7.33. Ωστόσο είναι αναμενόμενο ότι δεν θα υπάρχουν μεγάλες διαφορές αν χρησιμοποιηθεί η εξίσωση 7.35.

Πίνακας 7.5. Χημικές εξέργειες στερεών υλικών

Υλικό ech (ΜJ / kg ορυκτού)

Ορυκτό σιδήρου 0,42

Ορυκτό χαλκού , τύπου 1 0,63

Ορυκτό χαλκού , τύπος 2 7,9

Ορυκτό μολύβδου 0,56

Ορυκτό ψευδαργύρου 1,9

Ορυκτό νικελίου 8,8

Ορυκτό χρυσού 8,3

Ορυκτό αλουμινίου 1,1

Ορυκτό χρωμίου 0,51


266

Ορυκτό πλατίνας 0,58

Ορυκτό φωσφόρου 0,28

Άσβεστος 0,034

Πέτρα 0,32

Άμμος 0,032

Επεξεργασία

Τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.5 περιγράφουν την χημική εξέργεια ανά kg ενός ορυκτού. Πολλά από τα ορυκτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουμε διάφορα προϊόντα. Για να υπολογίσουμε την εξεργειακή κατανάλωση που συνδέεται με ένα από αυτά , η χημική εξέργεια του ορυκτού πρέπει να επιμερίζεται σε διάφορα προϊόντα που παράγονται από το ορυκτό. Ένας περιοριστικός παράγοντας για αυτόν τον επιμερισμό είναι να αποδώσουμε όλη την εξέργεια σε ένα από τα προϊόντα. Εάν αυτό γίνεται για τα μέταλλα και τα παραδείγματα φωσφόρου, τα αποτελέσματα που παίρνουμε φαίνονται στον πίνακα 7.6. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι αν χρησιμοποιηθούν άλλες αρχές επιμερισμού, τα αποτελέσματα στον πίνακα 7.6 θα είναι χαμηλότερα. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι δεν έχουν θεωρηθεί απώλειες παραγωγής .

Πίνακας 7.6. Χημική εξέργεια του ορυκτού που απαιτείται για να παράγουμε 1 kg προϊόντος, θεωρώντας ότι όλη η εξέργεια επιμερίζεται στο προϊόν και ότι δεν υπάρχουν απώλειες.

Υλικό ech (από ορυκτό) (MJ / kg προϊόντος)

Σίδηρος 0,88

Χαλκός , απο το ορυκτό τύπου 1 130

Χαλκός , από το ορυκτό τύπου 2 990

Μόλυβδος 13

Ψευδάργυρος 19

Νικέλιο 350

Χρυσός 3500000

Αλουμίνιο 4,1

Χρώμιο 1,2

Πλατίνα 5800

Φώσφορος 11

Τα δύο διαφορετικά ορυκτά χαλκού έχουν οριστεί με διαφορετικές χημικές εξέργειες (πίνακας 3) . Ο τύπος με την μεγαλύτερη εξέργεια (τύπος 2) είναι μεγαλύτερος εξαιτίας του μεγαλύτερου ποσού των εξεργειακά-πλούσιων σουλφιδίων. Η διαφορά στην εξέργεια ανά kg του παραγόμενου μετάλλου (πίνακας 4) είναι μικρότερη για τα δύο ορυκτά. Η διαφορά θα ήταν ακόμη μικρότερη αν στον επιμερισμό είχε παρθεί υπόψη η χρήση του ορυκτού σε άλλα προϊόντα. Αυτό εξαιτίας του γεγονότος ότι το πλουσιότερο ορυκτό περιέχει μεγαλύτερα ποσά άλλων πολύτιμων μετάλλων. Οι χημικές εξέργειες των καυσίμων είναι κοντά στις ενέργειες. Τυπικές τιμές του λόγου της εξέργειας προς τις καθαρές θερμιδικές τιμές VI και των ολικών θερμιδικών τιμών VF φαίνονται στον πίνακα 5.


267

Πίνακας 7.7: Τυπικές τιμές του λόγου των χημικών εξεργειών προς τις καθαρές VI και τις συνολικές VF θερμιδικές τιμές

Καύσιμο e / VI e / VF

Ασφαλτώδες κάρβουνο

1,09 1,03

Λιγνίτης 1,17 1,04

Καύσιμο πετρέλαιο 1,07 0,99

Βενζίνη 1,07 0,99

Φυσικό αέριο 1,04 0,94

Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τις απαιτήσεις καυσίμων για την παραγωγή 1 kg διαφορετικών μετάλλων (πίνακας 6). Σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή Fe, Al και Cr, η εξέργεια του ορυκτού είναι αμελητέα . Ωστόσο , η εξέργεια είναι σημαντική σε σχέση με την απαίτηση καυσίμων για τα πιο σπάνια μέταλλα Cu , Ni , Pb και Zn .

Πίνακας 7.8: Απαίτηση καυσίμων για την παραγωγή διαφόρων μετάλλων από ορυκτό στο έδαφος

Υλικό Απαίτηση καυσίμου (ΜJ / kg)

Χάλυβας ~ 30 - 40

Χαλκός ~ 100

Μόλυβδος ~ 10 - 50

Ψευδάργυρος ~ 40 - 70

Νικέλιο ~ 100 - 800

Αλουμίνιο ~ 300

Ενισχυμένο τσιμέντο ~ 100

Εφαρμογή σε σχέση με την ΑΚΖ

Όπως δείξαμε , οι χημικές εξέργειες των φυσικών πηγών μπορούν να υπολογιστούν για όρια συστημάτων συμβατά με την ΑΚΖ. Εφόσον η αντιπροσωπευτικότητα των ορυκτών που ορίστηκαν σε αυτή την έρευνα μπορεί να αμφισβητηθεί , έχουν βεβαιωθεί οι υπολογισμοί διαφόρων συνθέσεων ορυκτών . Τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν μπορούν ωστόσο να χρησιμοποιηθούν σε πιο προσεγγιστικούς υπολογισμούς όπως σε μια αρχική , διαχωριστική ή οργανωτική, ΑΚΖ όπου ο σκοπός είναι να αναγνωρίσουμε τις κρίσιμες περιοχές του κύκλου ζωής. Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν στον πίνακα 3 παρέχουν χαρακτηριστικούς σημαντικούς παράγοντες (Qij) για μη βιοτικές αποθηκεύσεις στην εξίσωση (2) , όπου το Μi είναι η επιμερισμένη εισροή του υλικού στο τεχνικό σύστημα , ενώ τα δεδομένα στον πίνακα 5 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουμε τις εξέργειες των καυσίμων. Η εξεργειακή κατανάλωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια χαρακτηριστική παράμετρος και στην περίπτωση της μη βιοτικής συσσώρευσης και στις πηγές ροής , και πιθανόν ακόμη και για να περιγράψουμε τον ανταγωνισμό των βιοτικών πηγών . Πρέπει , όμως ,να γίνει αντιληπτό ότι η εξεργειακή κατανάλωση δεν περιγράφει όλες τις σχετικές πτυχές που σχετίζονται με την εξάλειψη πηγών και τον ανταγωνισμό . Για παράδειγμα , οι επιπτώσεις στην βιολογική ποικιλία από την χρήση των βιοτικών πηγών συσσώρευσης δεν περιγράφονται από την εξεργειακή κατανάλωση . Επιπλέον έρευνα που περιλαμβάνει μελέτες για άλλες πηγές , ανάλυση ευαισθησίας και δοκιμή σε όλη την ΑΚΖ είναι ωστόσο εγγυημένη.


268

Η καταλληλότητα σε άλλες εφαρμογές

Τα αποτελέσματα στον πίνακα 4 μπορούν να συγκριθούν με τα δεδομένα για τα ακατέργαστα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε υπολογισμούς της αθροιστικής εξεργειακής κατανάλωσης . Για τα σπάνια μέταλλα Cu , Zn , Pb και Ni , η εξέργεια ορυκτού στον πίνακα 4 είναι σημαντικά υψηλότερη , σε μερικές περιπτώσεις δυο τάξεων μεγέθους , από την εξέργεια των ακατέργαστων υλικών που χρησιμοποιήθηκε από τον Szargut . Εφόσον η επιλογή του ορίου συστήματος μπορεί να έχει μια σημαντική επίδραση στα αποτελέσματα , είναι φανερά σημαντικό να περιγράψουμε τα χρησιμοποιούμενα όρια και να δικαιολογήσουμε την επιλογή σε σχέση με την εφαρμογή και τα εξαγόμενα συμπεράσματα . Εάν τα όρια συστήματος παρουσιάζουν τις εισροές σαν φυσικές πηγές που βρίσκονται στο περιβάλλον , οι υπολογισμοί της αθροιστικής κατανάλωσης εξέργειας θα ήταν όμοιοι με την ΑΚΖ. Η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση θα ήταν τότε σημαντικά μεγαλύτερη για πολλά μέταλλα , και οι εξεργειακές αποδόσεις αντίστοιχα χαμηλότερες .

Προτείνετε ότι το όριο συστήματος που χρησιμοποιείται εδώ είναι κατάλληλο και για άλλες εφαρμογές , π.χ. όταν μελετάται η μετατροπή πηγής σε μια κοινωνία , η εξεργειακή απόδοση μιας διαδικασίας , ή η αθροιστική εξεργειακή κατανάλωση . Εάν συμβαίνει κάτι τέτοιο , τα δεδομένα που παρουσιάζονται στον πίνακα 3 , είναι χρήσιμα ακόμη και για αυτές τις εφαρμογές . Αυτό θα δώσει σε μερικές περιπτώσεις νέα και διαφορετικά αποτελέσματα .

Προκύπτει από τα παραπάνω ότι όλες οι μορφές πηγών ενέργειας αναπόφευκτα ανήκουν στην κοινή ενότητα της εξέργειας που είναι η έκφραση ταυτόχρονα και της δυνατότητας για παραγωγή έργου αλλά και της δομής της πληροφορίας στο σύστημα.

7.6.3 Παγκόσμιο εμπόριο και ροή εξέργειας Το διεθνές εμπόριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ροή πηγών μετρούμενες με την εξέργεια. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να δώσει κάποιο νέο φως στον τομέα αυτό παρέχοντας πληροφορίες συμπληρωματικές στο χρηματικό σύστημα που χρησιμοποιείται.

Ένα ενδιαφέρον σημείο είναι ότι οι απαιτήσεις σε εξέργεια για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου προϊόντος διαφέρει από τόπο σε τόπο. Αυτός είναι ένας λόγος που υπάρχει το εμπόριο. Μια περαιτέρω ανάλυση αυτού μπορεί να διερευνήσει σε τι έκταση το εμπόριο προκαλείται από διαφορές στις φυσικές πηγές, στο περιβάλλον που υπάρχει σε κάθε τόπο και στη δομή των συστημάτων παραγωγής.

7.6.4 Διαφορές ανάμεσα στην περιγραφή της εξέργειας και της ενέργειας Όσοι ασχολούνται με τις διάφορες μορφές ενέργειας πρέπει να λαμβάνουν υπό όψιν ότι σε κάθε σύστημα υπάρχουν είτε ως τελικά, είτε ως ενδιάμεσα, ποικίλα προϊόντα και οι πολλές μεταβολές που πραγματοποιούνται μειώνουν τη συνολική διαθέσιμη εξέργεια.

Μπορεί να ληφθεί για παράδειγμα η λειτουργία ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής (σχήμα 7.4). Το πάνω μέρος του σχήματος δείχνει ένα λέβητα όπου θερμαίνεται νερό μέχρις εξατμίσεως. Πηγή ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας μπορεί να είναι οποιοδήποτε καύσιμο (κάρβουνο, πετρέλαιο ή ακόμη και ουράνιο).Ο ατμός που παράγεται περιστρέφει ένα στρόβιλο που θέτει σε κίνηση ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Όταν ο ατμός περνάει ανάμεσα από τον στρόβιλο μεταδίδει εξέργεια στη γεννήτρια. Μετά από εκεί, ψύχεται σε έναν συμπυκνωτή προς υγρό και επανοδηγείται στο λέβητα. Αυτή η ψύξη είναι απαραίτητη για να βελτιώσει τη μετάδοση ενέργειας στο στρόβιλο καθώς τότε έχουμε μέγιστη απολαβή έργου.

Η χημική ενέργεια στο κάρβουνο και το πετρέλαιο, ή και το πυρηνικό καύσιμο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, όχι χωρίς απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναι μεγάλες: σε ένα σταθμό πετρελαίου τουλάχιστον 60% ενώ σε έναν πυρηνικό, φτάνει ακόμα και το 70%. Μετρώντας το σύστημα συνολικά, για την προετοιμασία της πρώτης ύλης για την ενέργεια, μέχρι και τη διαχείριση των απορριμμάτων της καύσης υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες απώλειες από την ωφέλιμη.

Στο κάτω μέρος του διαγράμματος απεικονίζονται δύο ροές, τα διαγράμματα Sankey. Στο άνω εκ των δύο, το πλάτος της ροής είναι ανάλογο με το περιεχόμενο σε ενέργεια για την εκάστοτε μορφή ενέργειας, ενώ στο κάτω το πλάτος είναι ανάλογο του περιεχομένου σε εξέργεια. Παρατηρείται ότι τα πλάτη είναι σχεδόν ίσα. Αυτό οφείλεται στο ότι τόσο οι εισροές όσο και οι εκροές είναι ενέργειες υψηλής μορφής. Στην ηλεκτρική ενέργεια το περιεχόμενο εξέργειας είναι εξίσου μεγάλο με το περιεχόμενο σε ενέργεια. Οι απώλειες εντούτοις είναι διαφορετικές. Υπάρχουν απώλειες στην καύση. Η χημική ενέργεια του καυσίμου


269

μετατρέπεται σε θερμότητα μέσω εναλλακτών ενέργειας η θερμότητα προσδίδεται στο βραστό νερό. Η πίεση είναι υψηλή οπότε ο βρασμός πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες (μεγαλύτερες από 300 °C). Η θερμότητα επίσης οδηγείται μέσω των αγωγών μεταφοράς και των τοιχωμάτων στο περιβάλλον, όπου χάνεται. Επίσης ενέργεια χάνεται λόγω της υψηλής ενθαλπίας των καυσαερίων. Αυτές οι απώλειες είναι ένα μικρό ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας. Εντούτοις στο σχήμα φαίνεται ότι η πιο δραστική απώλεια εξέργειας είναι οι απώλειες αυτές. Έτσι στο σημείο αυτό χάνεται περισσότερο από το 1/3 της διαθέσιμης εξέργειας. Επιπλέον χάνεται στην ίδια τη διαδικασία. Ένα μικρό μόνο μέρος αυτής φεύγει στο περιβάλλον. Έτσι η ροή εξέργειας γίνεται στενότερη και παράγεται μεγάλη ποσότητα εντροπίας. Αυτό οφείλεται στο ότι ο ατμός που φεύγει από το λέβητα έχει χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση από αυτές που θα έπρεπε. Ο λόγος αυτού είναι οι φυσικοί περιορισμοί όλων των υλικών που συμμετέχουν στις διεργασίες, κυρίως στο λέβητα. Σε έναν πυρηνικό σταθμό περισσότερη από τη μισή εξέργεια χάνεται σε αυτό το σημείο της διεργασίας.

Το πλάτος των ροών της θερμικής ενέργειας και της εξέργειας του θερμού ατμού δείχνουν τη μεγαλύτερη διαφορά ανάμεσα στη ροή της ενέργειας και της εξέργειας. Αυτό είναι επίσης μια τελείως διαφορετική θεώρηση του πώς συμβαίνουν οι απώλειες στις διάφορες διεργασίες. Σε ένα διάγραμμα ροών ενέργειας οι απώλειες είναι μεγαλύτερες στο συμπυκνωτή. Όμως η απώλεια συμβαίνει από ένα μέσο το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασία και έτσι οι απώλειες σε εξέργεια είναι μικρές. Αυτό φαίνεται στο διάγραμμα των απωλειών της εξέργειας.

Κατά την αλλαγή από μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική - που και οι δυο έχουν εξεργειακό περιεχόμενο 100% - δημιουργούνται μικρές απώλειες εξαιτίας της τριβής. Τέτοιες απώλειες είναι εξίσου μικρές και στα δυο διαγράμματα. Μέρος των απωλειών οφείλεται και στην κόπωση των υλικών και κυρίως της φτερωτής και του άξονα μετάδοσης της κίνησης.

Σχήμα 7. 4: Ροές εξέργειας και ενέργειας σε σταθμό ηλεκτροπαραγωγής.


270

7.6.5 Η εξέργεια και άλλες μετρήσεις Οι φυσικές πηγές χωρίζονται στις ενεργειακές πηγές και στις υπόλοιπες πηγές. Το εξεργειακό περιεχόμενο των ενεργειακών πηγών καθορίζεται πολλαπλασιάζοντας το ενεργειακό περιεχόμενο με το δείκτη ποιότητας της πηγής. Οι ενεργειακές πηγές μετριούνται με μονάδες ενέργειας που μπορεί να είναι όμοιες με αυτές της εξέργειας. Για παράδειγμα, στην ξυλεία χρησιμοποιούνται τα m3 ξύλου ενώ στην κτηνοτροφία, αριθμός ζώων. Η επιλογή γίνεται καθαρά με πρακτικά κριτήρια.

Σε στατιστικές μελέτες δεν υπάρχει κοινό μέτρο σύγκρισης μεταξύ ανόμοιων μεγεθών. Έτσι αυτές δεν μπορούν να συνοψιστούν σε ένα συνολικό διάγραμμα ροής. Το μόνο κοινό στοιχείο σε τέτοιες μετρήσεις είναι η νομισματική μονάδα κάθε χώρας. Το μειονέκτημα τέτοιων μέτρων είναι ότι κάθε μέγεθος μετριέται με κόστη παραγωγής, ζήτησης, ή προσφοράς. Η οικονομική αξία μπορεί επίσης να επηρεαστεί από επιδοτήσεις, φόρους ή δάνεια, Αυτά συνεπάγονται μεγάλη μεταβλητότητα μεγεθών από διάφορους παράγοντες, ακόμη και αν αυτά ουσιαστικά παραμένουν αμετάβλητα. Για να αποφευχθεί αυτός ο κίνδυνος, χρειάζεται εκτίμηση του κάθε μεγέθους από τις φυσικές του ιδιότητες.

Είναι φυσιολογικό να επιλεχθεί η εξέργεια για να γίνει οποιαδήποτε μέτρηση ενός μεγέθους, καθώς αυτή είναι η εκτίμηση της φυσικής αξίας του, συναρτήσει με το περιβάλλον του. Όμοια με πριν, η εξέργεια υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την ποσότητα του μεγέθους με το δείκτη ποιότητας του, που καθορίζεται τόσο από το ίδιο το μέγεθος, όσο και από το περιβάλλον του. Μπορούν με αυτόν τον υπολογισμό να προκύψουν διάφορα μεγέθη με μονάδες για παράδειγμα kWh ανά τόνο ή kW/m2.

Έτσι, η αλλαγή προς την ποσοτικοποίηση των ροών των υλικών από την εξέργεια σημαίνει μόνο τον καθορισμό του βαθμού μετατροπής κάθε υλικού. Το επιπλέον πλεονέκτημα που αυτόματα προκύπτει από όλη τη διαδικασία είναι ότι οι μονάδες στις μετρήσεις των μεγεθών θα είναι ίδιες, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση τους. Αυτό συμβαίνει ακόμη και όταν τα μεγέθη αυτά δεν είναι ομοειδή. Για παράδειγμα, η διαφοροποίηση μεταξύ ξύλου και πετρελαίου δεν μπορεί να είναι ιδιαίτερα καθαρή, καθώς και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για κάποιο άλλο προϊόν αλλά και ως καύσιμα. Επομένως, θα έπρεπε να μελετηθούν μαζί και η εξέργεια θα ήταν το πιο χρήσιμο εργαλείο για κάτι τέτοιο.

Η έννοια της εξέργειας μπορεί να απεικονίσει μόνο τη φυσική ποιότητα ενός αντικειμένου. Οι ιδιότητες που ενδιαφέρουν στην εξέργεια είναι η συγκέντρωση, η χημική σύσταση και η ποσότητα. Πάντως δεν υπάρχει καμία αναφορά στις φυσικές ή στις βιολογικές ιδιότητες του αντικειμένου, π.χ. η αγωγιμότητα του, η διατροφική του αξία, η τοξικότητα, κ.ά. Κι αυτό γιατί όλα τα συστήματα θεωρούνται γενικά, φορείς εξέργειας.

Η εξέργεια υπάρχει εν μέρει ως ροή και εν μέρει ως απόθεμα. Η ηλιακή ακτινοβολία μεταφράζεται ουσιαστικά ως μια ροή. Το ίδιο συμβαίνει και με το νερό ενός ποταμού. Η ροή είναι πάντα περιορισμένη ως ποσότητα αλλά συμβαίνει συνεχώς. Ένα οικοσύστημα, όπως για παράδειγμα ένα δάσος, είναι ένα πολύτιμο απόθεμα. Δημιουργείται από ροές ηλιακής ακτινοβολίας, νερού και διοξειδίου του άνθρακα.

Στα αποθέματα γίνεται διάκριση ανάμεσα στα νεκρά και τα ζωντανά Τα πρώτα αδειάζουν καθώς χρησιμοποιούνται, π.χ. ένα κοίτασμα πετρελαίου, ενώ τα δεύτερα, χωρίς να χρησιμοποιούνται, μετατρέπουν μια ροή από τη μια μορφή σε μια άλλη, με επιθυμητό τρόπο. Για παράδειγμα, για κάποια φυλή που καλλιεργεί για να ζήσει, το δάσος είναι ένα σύστημα το οποίο μετατρέπει ροές ηλιακής ακτινοβολίας σε ροές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φαγώσιμα από αυτήν. Ακόμη και η ίδια η γη αποτελεί σύστημα μετατροπής διαφόρων πηγών ενέργειας σε άλλες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τον άνθρωπο πιο αποδοτικά. Τα νεκρά αποθέματα, όπως είναι το κάρβουνο και το πετρέλαιο ανανεώνονται με τέτοιους ρυθμούς που ουσιαστικά είναι άνευ σημασίας. Τα ορυκτά δημιουργούνται οπό γεωλογικές διεργασίες, επίσης αμελητέας ταχύτητας.

Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μόνο μια πολύ μικρή πηγή εξέργειας από τον ήλιο, για θέρμανση. Έτσι στην κοινωνία υπάρχει συνολικά μια συνεχής απώλεια εξέργειας. Επιπλέον άλλες ροές συνεχώς μειώνουν το εξεργειακό τους περιεχόμενο.

7.6.6 Η εξεργειακή ανάλυση Το εξεργειακό περιεχόμενο ενός προϊόντος δεν ανταποκρίνεται στην εξέργεια που καταναλώθηκε για την παραγωγή του. Για να πραγματοποιηθεί ένας υπολογισμός είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες οι ποσότητες εξέργειας που προσδίδονται κατά τη διεργασία. Ο υπολογισμός αυτός ονομάζεται ενεργειακή ανάλυση και ως μέτρο χρησιμοποιείται η ελεύθερη ενέργεια Gibbs.


271

Η εξεργειακή ανάλυση έχει κατακριθεί από πολλές μεριές. Συνήθως μετριέται μόνο ένα μέγεθος, η πηγή ενέργειας χωρίς να λαμβάνονται υπόψη και οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που συμμετέχουν στη διεργασία. Αυτό οφείλεται στα περιορισμένα όρια της έννοιας της ενέργειας. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας την έννοια της εξέργειας, μερικώς ξεπερνιούνται αυτοί οι περιορισμοί. Εντούτοις, κάποιοι γενικοί κανόνες πρέπει να εισαχθούν. Αυτός ο τρόπος υπολογισμού ονομάζεται εξεργειακή ανάλυση.

Όταν εφαρμόζεται η εξεργειακή ανάλυση σε μια διαδικασία παραγωγής, δεν πρέπει αυτή να περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος της διαδικασίας, αλλά η συνολική διαδικασία να λαμβάνεται και να αναλύεται ως ένα σύνολο. Η εξεργειακή ανάλυση μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και στη μελέτη κοινωνικών φαινομένων και μεγεθών, όπως είναι οι μεταφορές.

Για να γίνει μια εξεργειακή ανάλυση πρέπει πρώτα να διασφαλιστούν κλειστά υλικά και ενεργειακές ισορροπίες . Ασφαλώς κλειστή μαζική ισορροπία περιλαμβάνει κλειστή ατομική ισορροπία σε περίπτωση μη πυρηνικών αντιδράσεων . Στην ακόλουθη μελέτη ξεχωρίζουμε τρεις τρόπους μεταφοράς εξέργειας : μεταφορά εξέργειας με έργο και με θερμική αλληλεπίδραση και εξέργεια που συνδέεται με ροή μάζας . Άλλα στοιχεία εξεργειακής μεταφοράς είτε αγνοούνται , όπως δυναμική και κινητική εξέργεια , είτε αποκλείονται , όπως πυρηνικές επιδράσεις .

Στην ενεργειακή ανάλυση , που βασίζεται στον 1ο θερμοδυναμικό νόμο , όλες οι μορφές ενέργειας θεωρούνται να είναι ισοδύναμες . Η απώλεια της ποιότητας της ενέργειας δεν παίρνεται υπόψη . Για παράδειγμα , η αλλαγή της ποιότητας της θερμικής ενέργειας καθώς μεταφέρεται από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη θερμοκρασία δεν μπορεί να εξηγηθεί στην ενεργειακή ανάλυση . Δείχνει την ροή ενέργειας να είναι συνεχόμενη . Μια εξεργειακή ανάλυση , που βασίζεται στον 2ο θερμδυναμικό νόμο , δείχνει την θερμοδυναμική ατέλεια μιας διαδικασίας , περιλαμβάνοντας όλες τις ποιοτικές απώλειες των υλικών και της ενέργειας , περιλαμβάνοντας και αυτή που μόλις αναφέρθηκε. Μια ενεργειακή ισορροπία είναι πάντα κλειστή όπως αναφέρει ο 1ος θερμοδυναμικός νόμος . Εκεί δεν μπορεί να υπάρξει ποτέ ενεργειακή απώλεια , μόνο ενεργειακή μεταφορά στο περιβάλλον στην οποία κατάσταση είναι άχρηστη . Για να εντοπίσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε τις αντιστρεπτότητες πρέπει να εκτελεστεί μια εξεργειακή ανάλυση. Η βασική εξεργειακή εξίσωση για ένα kg ουσίας σε ανοιχτά συστήματα , αγνοώντας όρους κινητικής και δυναμικής εξέργειας είναι

E H H T S Sx o o o ( ) ( ) (Σ 7.34)

Συχνά γίνεται μια υποδιαίρεση σε φυσική , χημική και εξέργεια ανάμιξης . Στον υπολογισμό της εξεργειακής ροής , οι όροι της εξέργειας πολλαπλασιάζονται με την ροή

E F E E Ex x x mix xtot chem phys

.

[ ] (Σ 7.35)

Για να υπολογιστεί η εξέργεια , κάθε όρος της πρέπει να υπολογιστεί ξεχωριστά . α. Χημική εξέργεια

Η χημική εξέργεια Exchem σε πίεση Ρο μπορεί να υπολογιστεί φέρνοντας το καθαρό συστατικό σε

χημική ισορροπία με το περιβάλλον . Για καθαρά συστατικά αναφοράς , που υπάρχουν επίσης στο περιβάλλον , η χημική εξέργεια αποτελείται από την εξέργεια που μπορεί να αποκτηθεί με διάχυση των συστατικών στην συγκέντρωση αναφοράς Ρref .Όταν θεωρούμε τον νόμο ιδανικών αερίων ισχύει η ακόλουθη εξίσωση

E R TP

Px oo

ref ichemref i

0 ln (Σ 7.36)

Όταν μια ουσία δεν υπάρχει στο περιβάλλον αναφοράς , πρέπει πρώτα να αντιδράσει στις ουσίες αναφοράς έτσι ώστε να πάει σε ισορροπία με το περιβάλλον . Η εξέργεια αντίδρασης στις συνθήκες

αναφοράς ισούται με την σταθερή ενέργεια αλλαγής του Gibbs r r o rG H T S0 0 0


272

E v E Gx j xj

n

r ichemref i chemref j

0

1

0 (Σ 7.37)

Έτσι ο συνολικός όρος της χημικής εξέργειας γίνεται

E v E Gx j xj

n

r ichemref i chemref j

0

1

0 (Σ 7.38)

Εφόσον η τιμή της εξέργειας είναι ανεξάρτητη από τις συνθήκες της διαδικασίας , η τιμή της χημικής εξέργειας μπορεί να αποθηκευτεί σε μια βάση δεδομένων , που συνδέεται με τον εξομοιωτή ροής .

β. Φυσική εξέργεια

Εφόσον ο υπολογισμός της φυσικής εξέργειας συμπληρώνεται από την εξέργεια ανάμιξης , οι υπολογισμοί της τροχιάς από Ρ , Τ σε Ρο , Το υπολογίζουν μόνο τις ενθαλπίες και εντροπίες των καθαρών συστατικών της ροής υλικού . Εφόσον μπορεί να συμβούν αλλαγές στην σύνθεση σε αστραπιαίους υπολογισμούς , πρέπει να γίνουν ξεχωριστοί υπολογισμοί για την φάση εξάτμισης και την φάση υγροποίησης . Για ένα kg ουσίας , η εξίσωση για το εξεργειακό περιεχόμενο δίνει

E L x H T x S V x H T x Sx actual o i iL

i

n

o i iL

i

n

i iV

i

n

o i iV

i

n

phys

( [ ] [ ])

1 1 1 1

(Σ 7.39)

γ. Εξέργεια ανάμιξης

Η εξέργεια ανάμιξης αντιπροσωπεύει την εξέργεια που χάνεται όταν καθαρές ουσίες αναμιγνύονται . Έτσι η εξέργεια ανάμιξης , που συχνά ενσωματώνεται στην χημική εξέργεια , έχει πάντα μια αρνητική τιμή. Η εξέργεια ανάμιξης μπορεί να υπολογιστεί με την χρησιμοποίηση αλγορίθμων για την ενθαλπία και την εντροπία της ανάμιξης , που είναι ευρέως διαθέσιμα σε χαρτιά εξομοίωσης ροής .

E H T Sx mix o mixmix

(Σ 7.40)

Για ιδανικά αέρια (με την ενθαλπία ανάμιξης ίση με μηδέν) για παράδειγμα , η εξέργεια ανάμιξης είναι

E R T x xx o i ii

n

mix

ln

1

(Σ 7.41)

7.6.7 Η έννοια της αποδοτικότητας Αντίστοιχα με τις έννοιες της ενέργειας και της εξέργειας μπορούμε να ορίσουμε δύο έννοιες της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη.

i. Η ενέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή ενέργειας. Ονομάζεται ενεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεν.

ii. Η εξέργεια στο επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα διαιρεμένη με την εισροή εξέργειας. Ονομάζεται εξεργειακός βαθμός απόδοσης και συμβολίζεται με nεξ.

Σε μετατροπές ενέργειας ανάμεσα σε διάφορες μορφές υπάρχουν πάντα απώλειες. Επειδή το φυσικό περιβάλλον των μετατροπών αυτών συχνά παραμελείται, ο ενεργειακός βαθμός απόδοσης μπορεί να είναι και μεγαλύτερος της μονάδας, (nεv > 1). Παράδειγμα μιας τέτοιας μετατροπής είναι η αντλία θερμότητας


273

σχήμα 2.5 Η αντλία θερμότητας έχει απεριόριστη ενέργεια να λάβει από το περιβάλλον (με δείκτη ποιότητας 0). Ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι πάντοτε μικρότερος του 1. Αυτό συμβαίνει βέβαια, γιατί δεν γίνεται να δημιουργηθεί εξέργεια, καθώς αυτή είτε καταναλώνεται, είτε καταστρέφεται. Το σχήμα 7.5 δείχνει τις διαφορές ανάμεσα στις ροές εξέργειας και ενέργειας και ως εκ τούτου της απόδοσης, για 4 συστήματα μετατροπής: έναν καυστήρα πετρελαίου, μια ηλεκτρική αντίσταση, μια ηλεκτρική αντλία θερμότητας, και μια μονάδα συμπαραγωγής θερμού νερού και ηλεκτρισμού.

Στο σχήμα 7.5 φαίνεται η μετατροπή του καυσίμου σε θερμότητα σε έναν τυπικό καυστήρα. Ο βαθμός απόδοσης περιορίζεται στο 85% κυρίως εξαιτίας των απωλειών από τα καυσαέρια. Η χαμηλή τιμή στον εξεργειακό βαθμό απόδοσης οφείλεται στο ότι η πτώση της θερμοκρασίας από τους 1000 °C της φλόγας στους 60 °C του νερού, δεν χρησιμοποιείται.

Σχήμα 7. 5: Ροές εξέργειας για διαφορετικά καύσιμα και συστήματα.

Η παραγωγή θερμότητας από μια ηλεκτρική αντίσταση έχει βαθμό απόδοσης 100%. Αυτό, όπως φαίνεται


274

και στο διάγραμμα δεν είναι το μέγιστο που μπορεί να επιτευχθεί στη μετατροπή καυσίμου σε θερμότητα. Μια αντλία θερμότητας μπορεί να συνδεθεί με μια μηχανή εσωτερικής καύσης και να λειτουργεί με καύσιμο. Επίσης μπορεί με αυτόν τον τρόπο να αντικαταστήσει έναν συμβατικό καυστήρα και να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση χώρων. Αν αμεληθεί το περιβάλλον, η μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας ή καυσίμων σε θερμότητα, μπορεί να υπερβαίνει και το 100%. Όμως, σε ότι αφορά την εξέργεια, τα πράγματα αλλάζουν. Ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης για τη θέρμανση είναι 5% και για την αντλία θερμότητας, 15%.

Στο σχήμα 7.4 έγινε σύγκριση ροών ενέργειας και εξέργειας διαμέσου ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με χρήση ατμού. Η απόδοση ήταν η ίδια είτε εξετάστηκε η εξέργεια, είτε η ενέργεια. Αυτό συνέβη γιατί η εισροή καυσίμων και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν υψηλή ποιότητα και επομένως υψηλό εξεργειακό περιεχόμενο. Στο τελευταίο σχήμα παρατηρείται επίσης ότι ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι περίπου ο ίδιος για έναν σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με συμπυκνώμενο ρευστό με αυτόν ενός σταθμού συμπαραγωγής. Αυτό γίνεται πιο εύκολα κατανοητό αν εξεταστεί η κατανομή των απωλειών εξέργειας στον σταθμό που χρησιμοποιεί ατμό. Η μεγαλύτερη απώλεια εξέργειας συνέβη στη μετατροπή καυσίμου σε θερμότητα μέσα στο λέβητα. Καθώς η μετατροπή είναι η ίδια ανάμεσα σε αυτούς τους δύο σταθμούς ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης θα είναι επίσης κοινός, περίπου ίσος με 40%. Όταν εξετάζεται η ενέργεια, οι συνθήκες είναι αρκετά διαφορετικές. Σπάνια αναφέρεται ότι ο μέγιστος βαθμός απόδοσης είναι 300% και όχι 100%.

Σήμερα δεν υπάρχουν βαθμοί απόδοσης για τις μετατροπές των υλικών. Αυτό συμβαίνει γιατί δεν υπάρχει τρόπος μέτρησης. Για παράδειγμα στη γεωργία η απόδοση ορίζεται ως η προσδιδόμενη ενέργεια διαιρεμένη από την αποδιδόμενη ενέργεια. Σε ότι αφορά τα δάση, ακόμη και αυτή η προσέγγιση δεν υπάρχει. Το μέγεθος που χρησιμοποιείται συχνότερα είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs. Μαζί με δεδομένα για τις κανονικές συνθήκες των ουσιών που συμμετέχουν στο εξεταζόμενο σύστημα, προκύπτουν αποτελέσματα του εξεργειακού βαθμού απόδοσης για αυτό.

Η έννοια του εξεργειακού βαθμού απόδοσης σχετίζεται ξεκάθαρα με την πρακτική χρήση της ενέργειας. Σύμφωνα όμως με το 2° θερμοδυναμικό αξίωμα, απόδοση 100% μπορεί να επιτευχθεί μόνο με αντιστρεπτή διαδικασία που διαρκεί άπειρο χρόνο. Γενικά ορίζεται ένας μέγιστος εξεργειακός βαθμός απόδοσης nεξ.max ο οποίος εξαρτάται από το ρυθμό της διεργασίας. Επίσης ορίζεται ένας σχετικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης ηεξ. σχ. που συνδέει τον μέγιστο με τον πραγματικό, με τη σχέση:

nεξ. = nεξ.σχ.*nεξ.max Σ 7. 42

7.7 Η έννοια της απόδοσης στις μετατροπές ενέργειας Όταν λαμβάνει χώρα μια μετατροπή με έναν μη μηδενικό ρυθμό ν (εξέργεια / μονάδα χρόνου), αυτή πρέπει να συμβαίνει από μια μη μηδενική βαθμίδα g. Σε τέτοιες εφαρμογές, μια γραμμική σχέση είναι αρκετά κοντά στην πραγματικότητα.

ν = λ* g Σ 7. 43

όπου το λ είναι σταθερό και ανεξάρτητο του g.

Η παραγωγή εντροπίας ανά μονάδα χρόνου σε μια τέτοια διεργασία δίνεται από μια σχέση της μορφής:

2

min

vvdt

dSo

Σ 7. 44

Έτσι η ελάχιστη καταστροφή εξέργειας ανά μονάδα χρόνου είναι:

vdt

dSTo

min

με Το την περιβαλλοντική θερμοκρασία. Έτσι, το μέγιστο ποσό που μπορεί να αποληφθεί από τα επιθυμητά προϊόντα (εξέργεια / μονάδα χρόνου) είναι:

2vTv oo Σ 7. 45


275

και έτσι οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι ο μέγιστος εξεργειακός βαθμός απόδοσης μιας μετατροπής που συμβαίνει με ρυθμό ν είναι:

ov

vvn 1max Σ 7. 46

όπου oo

o Tv

1, που είναι η χαρακτηριστική ισχύς που συνδέεται με τη διαδικασία μετατροπής.

Η σχέση (7.41) προκύπτει με αυτόν τον τρόπο.

7.8 Εξέργεια και οικολογικά συστήματα Τα οικοσυστήματα είναι συστήματα τα οποία ανταποκρίνονται σε αλλαγές των εξωτερικών παραγόντων ή αντίκτυπους ακολουθώντας διάφορους κανόνες και σε διάφορα επίπεδα.. Το αποτέλεσμα είναι ότι παρατηρούνται μικρές αλλαγές στην λειτουργία τους , παρά τις αλλαγές των εξωτερικών παραγόντων .

Αυτό το κεφάλαιο ασχολείται με την περιγραφή αλλαγών στην οικολογική δομή και στην σύνθεση των ειδών μέσω μιας ποσοτικής μεθόδου που αναπτύσσεται για την ερμηνεία ‘επιβίωσης των προσαρμόσιμων’.

7.8.1 Υπόθεση

Όλα τα είδη αντιμετωπίζουν την ερώτηση πως θα επιβιώσουν και θα αναπτυχθούν κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες . Οι συνθήκες αυτές περιλαμβάνουν όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν τα είδη , εξωτερικούς και εσωτερικούς οι οποίοι σχετίζονται με εκείνους από άλλα είδη . Το ερώτημα είναι ποια από αυτά τα είδη είναι ικανά να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν και ποια είναι ικανά να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν μια χρονική μονάδα αργότερα , δυο χρονικές μονάδες αργότερα κ.λ.π. .

Η θεωρία του Darwin θεωρεί ότι οι πληθυσμοί αποτελούνται από άτομα τα οποία : 1) κατά μέσο όρο παράγουν περισσότερους απόγονους από ότι χρειάζεται για να τους αντικαταστήσουν μετά το θάνατο , η ιδιότητα της υψηλής αναπαραγωγής 2) έχουν απόγονους που τους μοιάζουν περισσότερο από ότι μοιάζουν σε άλλα άτομα του πληθυσμού , η κληρονομική ιδιότητα 3) ποικίλουν στα κληρονομικά γνωρίσματα επηρεάζουν την επιβίωση και αναπαραγωγή τους , η ιδιότητα της απόκλισης.

Ας ερμηνεύσουμε την θεωρία του Darwin στη θερμοδυναμική . Κατ’ αρχήν χρειάζεται να ορίσουμε την έννοια της Εξέργειας Εx, η οποία ορίζετε ως εξής :

x oT

όπου Τo είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος και Σ είναι η αρνητική εντροπία του συστήματος (ανεντροπία). Ο ορισμός αυτός δείχνει ότι η Εx μετράει την ελεύθερη ενέργεια που έχει το σύστημα σε σχέση με το περιβάλλον . Η Εx δεν είναι μια κατάσταση η οποία ποικίλει θερμοδυναμικά. Εξαρτάται από την κατάσταση του συστήματος και , σε αντίθεση με την ενέργεια , μπορεί να καταστραφεί ή να καταναλωθεί . Η Εx , οποία είναι η ελεύθερη ενέργεια σε σχέση με το περιβάλλον μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της ανάπτυξης και της δυνατότητας επιβίωσης .

Η θεωρία του Darwin μπορεί να τροποποιηθεί σε θερμοδυναμικούς όρους ως εξής : Οι υπάρχουσες συνθήκες ενός οικοσυστήματος αλλάζουν διαρκώς και το σύστημα επιλέγει συνεχώς εκείνα τα είδη τα οποία στην διατήρηση και αύξηση της Εξέργειας του συστήματος . Αυτό δεν παραβιάζει τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο ο οποίος λεει ότι ένα απομονωμένο σύστημα μεταβάλλεται προς την κατεύθυνση στην οποία η εντροπία αυξάνεται , που σημαίνει μείωση ανεντροπίας ή μείωση εξέργειας. Τα οικοσυστήματα είναι απομονωμένα συστήματα αλλά παίρνουν ηλιακή ενέργεια. Αυτή μεταφέρει χαμηλή εντροπία ενώ η ακτινοβολία της θερμότητας από το οικοσύστημα μεταφέρει υψηλή εντροπία. Εάν W είναι η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας και η μέση θερμοκρασία του συστήματος είναι Τo , τότε η αύξηση εξέργειας ανά μονάδα χρόνου , ΔEx , είναι


276

E T WT Tx o ( )1 1

2 1

όπου Τ2 είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος και Τ1 η θερμοκρασία του ήλιου.

Η παραπάνω ερμηνεία της θεωρίας του Darwin απαιτεί πληθυσμούς που έχουν τις ιδιότητες της αναπαραγωγής , κληρονομικότητας και απόκλισης . Οι ιδιότητες της αναπαραγωγής και απόκλισης πρέπει να είναι υψηλές και εφόσον συμβεί μια αλλαγή να μπορεί να μεταφερθεί και στις επόμενες γενιές

Μια άλλη ιδέα που δείχνει την ικανότητα ενός συστήματος να καταλαβαίνει αλλαγές δ των εξωτερικών παραγόντων δηλώνεται από την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης , β , και ορίζεται ως :

β = δ(επιβαλλόμενης λειτουργίας)/δ(κατάστασης απόκλισης)

Αυτή ποσοτικοποιεί την ικανότητα ενός οικοσυστήματος να προσαρμόζεται σε εξωτερικούς παράγοντες . Δηλαδή ένα οικοσύστημα , μέσω των μηχανισμών του , έχει την ικανότητα να διατηρεί την εξέργεια όσο το δυνατόν υψηλότερα κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες . Γι’ αυτό φαίνεται να υπάρχει μια σχέση ανάμεσα στην δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης ενός οικοσυστήματος και στην ικανότητα του να διατηρεί το όσο το δυνατόν υψηλότερο επίπεδο εξέργειας κάτω από τις υπάρχουσες συνθήκες .

7.8.2 Υποστήριξη της υπόθεσης Είναι αδύνατο να μετρήσουμε την εξέργεια , μπορούμε μόνο να την υπολογίσουμε αν είναι γνωστά τα στοιχεία ενός οικοσυστήματος . Οι Mejer και Jorgensen απέδειξαν ότι ισχύει η εξής σχέση για τα στοιχεία ενός οικοσυστήματος :

E R T XX

XX XX i

i

eq ii eq i

i

n

ln( ) ( ),

,1

όπου R είναι η σταθερά των αερίων , Τ είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε Kelvin , το Xi αντιπροσωπεύει το i-οστό στοιχείο του συστήματος σε κατάλληλη μονάδα (για παράδειγμα για φυτοπλαγκτόν σ μια λίμνη το Xi μπορεί να είναι milligram φυτοπλαγκτόν ανά λίτρο νερού της λίμνης) , Xeq,i είναι η συγκέντρωση του i-οστού στοιχείου σε μια θερμοδυναμική ισορροπία . Το άθροισμα Σ είναι από 1 έως n , όπου n είναι ο αριθμός των στοιχείων .

Η μεταβολή της εξέργειας μπορεί να διαιρεθεί σε δύο μεταβολές : Στην μεταβολή λόγω εξωτερικών παραγόντων και στην μεταβολή λόγω της αντίδρασης των ζωντανών οργανισμών στους εξωτερικούς παράγοντες . Η πρώτη μεταβολή σχετίζεται με τις διαθέσιμες πηγές του οικοσυστήματος ενώ η δεύτερη προκαλείται από την προσπάθεια των οργανισμών να επιζήσουν και να αναπαραχθούν . Δηλαδή όταν μεταβάλλονται οι εξωτερικοί παράγοντες παρατηρούμε μια μεταβολή της εξέργειας ΔΕx που εκφράζεται ως :

ΔΕx = ΔΕxR +ΔExE

όπου ο δείκτης R αναφέρεται σε αλλαγές που προκαλούνται από εξωτερικούς παράγοντες ενώ ο δείκτης E αναφέρεται στις προσπάθειες των οργανισμών να πετύχουν την μεγαλύτερη δυνατή ανάπτυξη και αναπαραγωγή στις δεδομένες συνθήκες . Η ΔExR μπορεί να είναι θετική ή αρνητική , ενώ η ΔExE είναι πάντα 0 .

Για τον έλεγχο της μέγιστης εξεργειακής υπόθεσης έχουν αναπτυχθεί τρία μοντέλα : Το Eutrophication Model , το Toxic Substance Model και το Stream Model . Το Eutrophication Model έχει χρησιμοποιηθεί σε 16 μελέτες με διάφορες τροποποιήσεις και έχει βαθμονομηθεί και επικυρωθεί .Το Toxic Substance Model μελετά τα αποτελέσματα ιόντων χαλκού σε μια λίμνη . Τα αποτελέσματα του Stream Model συμφωνούν με πολλά ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα για ποτάμια .


277

Στα τρία μοντέλα επιβλήθηκαν διαταραχές και παρατηρήθηκαν οι αντιδράσεις καθώς και οι μεταβολές στην εξέργεια και την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης και συγκρίθηκαν με εμπειρικές μετρήσεις . Τα αποτελέσματα των μετρήσεων μπορούν να συνοψιστούν στα ακόλουθα σημεία :

1) H άμεση αντίδραση της εξέργειας (ΔExR) σε μεταβολές των εξωτερικών παραγόντων είναι να αυξηθεί ή να μειωθεί σύμφωνα με τις μεταβολές στις διαθέσιμες πηγές . Αργότερα όταν η σύνθεση των ειδών έχει αρκετό χρόνο να αντιδράσει η εξέργεια πάντα θα αυξάνεται . Εάν η εισαγωγή φωσφόρου ξαφνικά μειωθεί . οι πηγές μειώνονται και η εξέργεια αρχικά μειώνεται . Όμως οι μεταβολές των ειδών σαν απάντηση στο λιγότερο ευτροφικό νερό θα προκαλέσουν μια αύξηση ξανά

2) Η δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης πάντα αυξάνεται σαν ανταπόκριση στις μεταβολές . Εάν η εισαγωγή φωσφόρου μεταβληθεί , η βρ , αυξάνεται ενώ οι άλλες δυνατότητες ενδιάμεσης μνήμης μπορεί να ελαττωθούν (οι ορισμοί των δυνατοτήτων ενδιάμεσης μνήμης δίνονται στον Πίνακα 1) .

3) Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει μια σχέση μεταξύ εξέργειας και δυνατότητας ενδιάμεσης μνήμης :

Εx = Σαj*βj

όπου το αj εκφράζει τον συντελεστή απόκλισης και το βj την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης . Μερικές δυνατότητες ενδιάμεσης μνήμης μπορεί να μειώνονται παρά την αύξηση της εξέργειας αλλά αυτό αντισταθμίζεται από την αύξηση των άλλων δυνατοτήτων ενδιάμεσης μνήμης . Αυτό δικαιολογεί το γεγονός ότι είναι δύσκολο να βρεθεί μια σχέση μεταξύ της ισορροπίας ενός οικοσυστήματος και της απόκλισης των ειδών . Αυξημένο φορτίο φωσφόρου οδηγεί σε μειωμένη απόκλιση αλλά σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μοντέλων που αναφέρονται εδώ η εξέργεια και η δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης φωσφόρου αυξάνονται ενώ άλλες δυνατότητες ενδιάμεσης αποθήκευσης μειώνονται . Με άλλα λόγια , η ισορροπία είναι μια πολυδιάστατη ιδέα και έτσι η σχέση μεταξύ απόκλισης ειδών και ισορροπίας δεν είναι απλή και μπορεί να εκφραστεί μόνο με μια πολυδιάστατη σχέση . Εάν η απόκλιση των ειδών μειώνεται η ισορροπία όπως εκφράζεται από την δυνατότητα ενδιάμεσης μνήμης μειώνεται προς κάποιες κατευθύνσεις αλλά αυξάνεται προς άλλες .

4) Και τα τρία μοντέλα είναι πραγματικά και υποστηρίζονται από καλά δεδομένα . Η ανταπόκριση των μοντέλων ανταποκρίνεται σε γενικές οικολογικές παρατηρήσεις .

Πίνακας 7.9: Ορισμός δυνατοτήτων ενδιάμεσης μνήμης

βp = d (P εισαγώμενo) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )

βτ = d (θερμοκρασία) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )

βR = d (ακτινοβολία ) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )

βN = d ( N εισαγόμενο ) / d (συγκέντρωση φυτοπλαγκτόν )

βtox = d (εισαγόμενη τοξική ουσία ) / d (μείωση συγκέντρωσης φυτοπλαγκτόν )

βBOD = d (BOD ) / d (μικροβιολογική δραστηριότητα )

Η μέγιστη εξεργειακή υπόθεση υποστηρίζεται και από τους Prigogine και Stengers οι οποίοι εκφράζουν την βιολογική ανάπτυξη μέσω της σχέσης :

dN

dtr N K N m N ( )

όπου Ν είναι ο αριθμός των ατόμων σε ένα πληθυσμό , r είναι ο ρυθμός αναπαραγωγής , Κ είναι η δυνατότητα μεταφοράς και m είναι ο ρυθμός θνησιμότητας . Οι σταθερές δεν είναι ίδιες για όλους τους οργανισμούς ενός είδους , αλλά μπορούμε να βγάλουμε ένα μέσο όρο .


278

7.8.3 Συσχέτιση με άλλες θεωρίες οικοσυστημάτων Η εντροπία και η εξέργεια σχετίζονται αλλά η δεύτερη έχει ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι της εντροπίας .

1) Η εξέργεια εξαρτάται από το περιβάλλον , ενώ η εντροπία είναι δύσκολο να βρεθεί για οικοσύστημα που δεν είναι σε ισορροπία και καθοδηγείται από το περιβάλλον .

2) Η εξέργεια είναι μια μορφή ενέργειας που είναι δυνατόν να μετατραπεί σε γνωστές μορφές ενέργειας καθώς και σε βιολογικούς όρους όπως ανάπτυξη και αναπαραγωγή .

3) Η εξέργεια περιλαμβάνει στον ορισμό της την θερμοκρασία , καθιστώντας έτσι δυνατή την σύγκριση μεταξύ εξεργειών σε διαφορετικές θερμοκρασίες , ενώ η σύγκριση μεταξύ εντροπιών μπορεί να είναι παραπλανητική αν οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές .

Η αρχή της εξέργειας δεν συμβαδίζει με την αρχή της μέγιστης ισχύος . Η δεύτερη προϋποθέτει ότι θα επιλεγεί το σύστημα με τον γρηγορότερο κύκλο εργασιών , ενώ η αρχή της εξέργειας προϋποθέτει ότι θα επιλεγεί το σύστημα με το μεγαλύτερο ‘κεφάλαιο’ σε είδος πληροφοριών και βιομάζας , το οποίο μπορεί να μετρηθεί μέσω της εξέργειας και το οποίο αντιστέκεται σε αλλαγές και αλλαγές που επιβάλλονται από εξωτερικούς παράγοντες .

Επίσης ο Ulanowicz υποστηρίζει ότι η αρχή της μέγιστης ισχύος μπορεί να εφαρμόζεται στα πρώτα στάδια ανάπτυξης αλλά δεν μπορεί τις αντιδράσεις ενός συστήματος σε μετέπειτα στάδια ωρίμανσης.

7.9 Εξέργεια και πληροφορία Η εξέργεια είναι ένας τρόπος μέτρησης του πόσο ένα σύστημα αποκλίνει από την ισορροπία του με το περιβάλλον. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση, τόσο περισσότερες πληροφορίες χρειάζονται για να περιγραφεί και τόσο μεγαλύτερη είναι και η περιεκτικότητα του σε πληροφορίες. Έτσι, υπάρχει μια στενή σχέση μεταξύ εξέργειας και πληροφορίας. Αυτή η σχέση είναι μεγάλης σημασίας. Η σχέση μεταξύ εξέργειας Ε, σε Joule (J) και πληροφορίας Ι, σε δυϊκές μονάδες (bits) είναι:

E=K'*To*I

όπου Το η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε Kelvin και K' να δίνεται από τη σχέση:

Κ' = k * ln2

με το k, η σταθερά του Boltzmann.

Η πληροφορία πρέπει να αποθηκεύεται και να μεταφέρεται χρησιμοποιώντας τις πλέον ασφαλέστερες μεθόδους. Στην καθημερινή επικοινωνία των πληροφοριών η κατανάλωση ενέργειας είναι αρκετά υψηλή. Έτσι, ο λόγος εξέργειας ανά bit είναι μεγάλος, πράγμα που σημαίνει ότι μόνο ένα μικρό μέρος της προσδιδόμενης πληροφορίας χρησιμοποιείται. Όμως, αν εξεταστούν ορισμένα παραδείγματα όπου συμβαίνει κάτι τέτοιο, όπως είναι η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα φυτά, διαπιστώνεται ότι, αν και το ποσοστό αυτό είναι μικρό, εντούτοις η ποσότητα που εκμεταλλεύεται είναι τεράστια.

Έχει ενδιαφέρον να γίνει σύγκριση της απόδοσης της μεταφοράς πληροφορίας ανάμεσα σε διαφορετικά συστήματα. Ένα μέτρο της απόδοσης είναι η ποσότητα εξέργειας ανά bit πληροφορίας που μετατρέπεται. Η διάσταση αυτού του μεγέθους είναι η θερμοκρασία. Όσο χαμηλότερη είναι αυτή, τόσο πιο αποδοτική είναι η μετάδοση πληροφορίας. Παρόλα αυτά, αν η θερμοκρασία είναι εξαιρετικά χαμηλή, είναι δυνατόν, τελικά θερμοκρασιακές μεταβολές να καταστρέψουν την περιεχόμενη πληροφορία. Σχετικά με αυτά παρατίθεται ο πίνακας 7.9 που δείχνει τη αποδοτικότητα στη μεταφορά πληροφορίας, εκφρασμένη σε εξέργεια/bit πληροφορίας και χαρακτηριστική θερμοκρασία.

Η ευαισθησία της ίριδας είναι τέτοια που οι λειτουργίες του ανθρώπινου ματιού είναι αστραπιαίες. Είναι δυνατόν, με ελάχιστο φως να δημιουργηθεί ερέθισμα στο μάτι. Η αποθήκευση της πληροφορίας στη μνήμη ενός Η/Υ έχει χαρακτηριστική θερμοκρασία 105 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ματιού. Αλλά από την άλλη μεριά, ο ρυθμός μεταφοράς είναι και αυτός 105 φορές μεγαλύτερος σε έναν Η/Υ. Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι ότι και ο άνθρωπος, και ο υπολογιστής παρουσιάζουν υψηλή απόδοση στη μεταφορά πληροφορίας. Βεβαίως, η σύνθεση πρωτεϊνών σε ένα κύτταρο, είναι πολλές φορές πιο αποδοτική.

Οι βιολογικές δομές ζουν μετατρέποντας ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη. Η ηλιακή ενέργεια


279

χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει πολύπλοκη οργανική ύλη. Οι πληροφορίες για αυτές τις μετατροπές μεταφέρονται από γενιά σε γενιά. Η πληροφορία αυτή αποθηκεύεται σε γενετικό υλικό (μόριο DNA) το οποίο κατευθύνει την κατασκευή της ύλης. Όταν η ύλη αυτή, όπως για παράδειγμα, το ξύλο, χρησιμοποιείται ως υλικό κατασκευών, γίνεται εκμετάλλευση αυτής ακριβώς της δομής και της πληροφορίας.

Πίνακας 7.9: Περιεχόμενο σε εξέργεια διαφόρων συστημάτων μετάδοσης πληροφοριών.

Εξέργεια / bit (J / bit) Θερμοκρασία μεταφοράς

Τ (Κ)

Ηλεκτρική γραφομηχανή 1 1023

Ραδιοφωνικός δέκτης 5*10-4 5*109

Τηλεόραση 2*10-5 2*108

Μνήμη Η / Υ 10-12 1011

Ανθρώπινος λόγος 10-16 107

Ανθρώπινο αυτί 10-17 106

Ανθρώπινο μάτι 5*10-18 5*105

Σύνθεση πρωτεϊνών σε κύτταρο 4,6*10-21 460

Τόσο η εξέργεια, όσο και η πληροφορία, είναι δείκτες απόκλισης από την κατάσταση αναφοράς, που είναι το περιβάλλον. Η εξέργεια είναι το μέγιστο ποσό έργου που μπορεί να αποληφθεί από μια τέτοια απόκλιση, αλλά και επιπλέον, χρειάζεται ενέργεια για τη διατήρηση και τη μετάδοση της πληροφορίας, συνεπώς, η σχέση μεταξύ τους είναι πολύ στενή.

Πρόσθετες Αναφορές


280

[1]. Baehr Η. D., Thermodynamics, Springer-Verlag, Berlin, 1973

[2]. Cornelissen Rene L., Hirs Gerard G., The value of the exergetic life cycle assessment beside the LCA, Netherlands 2002

[3]. Fratzscher W and Schmidt D., "Zur Bestimmung der Spezifishen Exergie von Brennstoffen," Wiss. Z. Dresden Techn. Univ. 10, 183 (1961).

[4]. Patten C. Bernard, Jorgensen E. Sven, Complex Ecology, The part – WholeRelation in Ecosystems, Prentice Hall PTR, Englewood, New Jersey, 1995

[5]. Stepanov V. S., Chemical Energy and Exergv of Substances (in Russian), 2nd ed., Nauka, Novosibirsk (1990).

[6]. Wall G, Exergy – a useful concept within resource accounting (http://www.exergy.se/goran/thesis/paper1/paper1.html, Institute of theoretical physics, University of Goteborg, Sweden, Μάιος 1997)

[7]. Zakharov N. D., "Exergy of Organic Fuels," Izvestiya vuzov. Energetika (in Russian), No. 9, 63 (1970).

Ηλεκτρονικές Αναφορές

Exergy or Availability www.taftan.com

8 Η ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ


281

8.1 Εισαγωγή-Ορισμός της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Α.Κ.Ζ.) Η ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης και της τεχνολογίας τα τελευταία 100 χρόνια, έχει προσφέρει πάρα πολλά νέα προϊόντα και υπηρεσίες, με γνώμονα πάντα τη βελτίωση της ποιότητας ζωής του ανθρώπινου είδους. Βέβαια, κανένας δε μπορεί να αμφισβητήσει το γεγονός ότι τα νέα τεχνολογικά δεδομένα έχουν διαμορφώσει ένα περιβάλλον για τον άνθρωπο, που παρουσιάζει ποικίλες επιπτώσεις για τη ζωή του, τόσο θετικές όσο και αρνητικές. Με τη χρήση της τεχνολογίας επιλύθηκαν πολλά προβλήματα και ευκολύνθηκε η ζωή των ανθρώπων. Από την άλλη μεριά δεν είναι λίγες οι αρνητικές συνέπειες που έχουν προκληθεί κυρίως στο φυσικό περιβάλλον. Οι εκτεταμένες ρυπάνσεις και μολύνσεις του φυσικού περιβάλλοντος από την ανάπτυξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, έχουν δημιουργήσει μεγάλη ανησυχία τόσο στην επιστημονική κοινότητα όσο και γενικότερα στην ανθρώπινη κοινωνία. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για αυτό το θέμα οδήγησε τους επιστήμονες στην έρευνα για την ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων, οι οποίες θα κάνουν κατανοητές αλλά και θα μειώσουν τις αρνητικές επιπτώσεις των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο περιβάλλον.

Μία από αυτές τις μεθόδους, η οποία θεωρείται σήμερα ως η πιο ολοκληρωμένη είναι η

μέθοδος της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής. Επειδή, λοιπόν, είναι η πιο έγκριτη και διεθνώς αποδεκτή

μέθοδος εξέτασης του περιβαλλοντικού προφίλ ενός προϊόντος, για αυτό και χρησιμοποιείται

ευρέως.

Το πλαίσιο μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται στην εφαρμογή της ανάλυσης κύκλου ζωής σε

οποιοδήποτε προϊόν προτάθηκε και οριοθετήθηκε από τον οργανισμό SETAC (Society of

Environmental Toxicology and Applied Chemistry). Ο SETAC ορίζει την Α.Κ.Ζ. ως «μία τεχνική

εκτίμησης των περιβαλλοντικών επιβαρύνσεων που συνδέονται με κάποιο προϊόν, διεργασία ή

δραστηριότητα, προσδιορίζοντας και ποσοτικοποιώντας την ενέργεια και τα υλικά που

χρησιμοποιούνται, καθώς και τα απόβλητα που απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Στη συνέχεια

εκτιμώνται οι επιπτώσεις από τη χρήση της ενέργειας και των υλικών καθώς και των αποβλήτων

και αναγνωρίζονται οι δυνατότητες περιβαλλοντικών βελτιώσεων. Η ανάλυση περιλαμβάνει

ολόκληρο τον κύκλο ζωής του προϊόντος, της διεργασίας ή της δραστηριότητας: εξαγωγή και

επεξεργασία πρώτων υλών, κατασκευή, μεταφορά και διανομή, χρήση, πιθανή

επαναχρησιμοποίηση, συντήρηση, ανακύκλωση και τελική απόρριψη. Όπως άλλωστε

χαρακτηριστικά λέγεται, η Α.Κ.Ζ. είναι μία αναλυτική και λεπτομερής μελέτη του προϊόντος ή

διεργασίας από την «κούνια μέχρι το θάνατο». ∆ηλαδή αναλύουμε τα διάφορα στάδια από τα

οποία περνάει το προς εξέταση προϊόν, από την γέννησή του μέχρι την τελική απόρριψή του.

Το σημαντικότερο πρόβλημα που προκύπτει στην ανάλυση και μελέτη προϊόντων είναι ο

τρόπος με τον οποίο μπορούν να προσαρμοστούν οι οικονομικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί

στο σχεδιασμό και στη λειτουργία των φυσικοχημικών διεργασιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι

για να έχουμε ένα ομοιογενές αποτέλεσμα θα πρέπει να ποσοτικοποιήσουμε την περιβαλλοντική

ρύπανση και μάλιστα με οικονομικούς συντελεστές βαρύτητας. Σε αυτό ακριβώς το σημείο


282

βρίσκεται η υπεροχή της Α.Κ.Ζ. σε σχέση με τις άλλες μεθόδους μελέτης προϊόντων. Έτσι, η

μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων και ανάλυση επικινδυνότητας ενώ κάνει εμπεριστατωμένη

ανάλυση των περιβαλλοντικών κινδύνων από τη βιομηχανική δραστηριότητα, παρ’όλα αυτά δεν

υπεισέρχεται καθόλου στα οικονομικά μεγέθη.

Αλλά και η μέθοδος της στρατηγικής ελαχιστοποίησης αποβλήτων παρά το γεγονός ότι

αναφέρεται στις διεργασίες που γίνονται εντός της μονάδας παραγωγής, εντούτοις δεν κάνει λόγο

για την κατεργασία των εξερχομένων ροών.

Η μέθοδος της Α.Κ.Ζ. αποτελεί ένα εργαλείο με εξαιρετικές δυνατότητες για ολοκληρωτική

ανάλυση παραγωγικών διαδικασιών και προϊόντων λαμβάνοντας υπόψη όχι μόνο τις εσωτερικές

διεργασίες αλλά και την επεξεργασία των εξερχόμενων ροών. Ταυτόχρονα δίνει τη δυνατότητα

συνεκτίμησης των οικονομικών μεγεθών.

Στο κεφάλαιο αυτό θα δώσουμε τις βασικές αρχές της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής αναλύοντας

ταυτόχρονα τα βασικά σημεία της συγκεκριμένης μελέτης.

8.2 Η Α.Κ.Ζ. και η οικογένεια προτύπων ISO 14040 Η Α.Κ.Ζ. είναι ένα μόνο από τα πολλά εργαλεία που έχουν αναπτυχθεί για να αποτιμηθούν

τα περιβαλλοντικά προβλήματα που δημιουργούνται από τον κύκλο ζωής προϊόντων και

διεργασιών. Ολόκληρος ο προβληματισμός, σε σχέση με τις μεθόδους και τεχνικές που πρέπει να

εξελιχθούν και εφαρμοστούν, έχει κυριαρχήσει με τις διεθνείς προσπάθειες που καταβάλλονται.

Εξάλλου, το γεγονός ότι ο ∆ιεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (ISO) ασχολείται έντονα με το θέμα,

δείχνει τη σπουδαιότητά του. Οι διαδικασίες τυποποίησης, που αφορούν το περιβάλλον,

συγκεντρώνονται υπό το ISO TC 207. To ISO TC 207 υποδιαιρείται σε 6 τομείς ενδιαφέροντος.

ISO TC 207

SC 1 SC 2 SC 3 SC 4 SC 5


283

SC 6

περιβαλλοντικά οικολογικοί τυποποίηση περιβαλλοντική ανάλυση

προσδιορισμός

συστήματα έλεγχοι προϊόντων εκτέλεση κύκλου ορίων

διαχείρισης ζωής

WG 1 : Βασικές αρχές και Οδηγίες

WG 2 : Απογραφή, γενικά

WG 3 : Απογραφή, ειδικά

WG 4 : Εκτίμηση Βελτιώσεων

WG 5 : Ερμηνεία & Έλεγχος Αποτελεσμάτων

Σχήμα 8.1: ISO TC 207(εργαλεία περιβαλλοντικής διαχείρισης )

Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα η Α.Κ.Ζ. υποδιαιρείται ως μέθοδος σε 5 Ομάδες

Εργασίας ( Working GroupsWG )

Η 1η ομάδα εργασίας ασχολείται με τις βασικές αρχές τυποποίησης των ενεργειακών

ισοζυγίων ( ISO 14040 ). Προσδιορίζονται ο σκοπός και το αντικείμενο της μελέτης.


284

Οι ομάδες εργασίας 2 και 3 ασχολούνται με την καταγραφή της υπάρχουσας κατάστασης.

Γενικά δεν έχουν κάποιες διαφορές μεταξύ τους. ∆ιαφοροποίηση υπάρχει σε εξαιρετικές

περιπτώσεις, όπου έχουμε να ασχοληθούμε με πολύπλοκα συστήματα.

Η ομάδα εργασίας 4 ασχολείται με την εκτίμηση των επιπτώσεων των προϊόντων ή

διεργασιών.

H oμάδα εργασίας 5 έχει ως αντικείμενό της την επεξεργασία των αποτελεσμάτων που έχει

μεγάλη σημασία για να είναι χρήσιμα τα αποτελέσματα.

Ο SETAC και o ISO πραγματεύονται τα παραπάνω θέματα κατά παρόμοιο τρόπο. Εκεί που

αρχίζουν να διαφέρουν οι δύο προσεγγίσεις είναι στο τελικό βήμα της μελέτης. Ο μεν SETAC

προτείνει την Εκτίμηση Βελτιώσεων όπως θα την περιγράψουμε παρακάτω, ο δε ISO θεωρεί ότι

μια Α.Κ.Ζ. πρέπει να ολοκληρωθεί με την Ερμηνεία και τον Έλεγχο των αποτελεσμάτων. Αυτό που

πρέπει εξ’αρχής να τονίσουμε είναι ότι τα 2 τελικά βήματα δεν έχουν κοινά σημεία.

Μελετώντας τις τελευταίες εργασίες των μελών του ISO μπορούμε να συμπεράνουμε ότι

κατά τη διεθνή τυποποίηση, η Εκτίμηση Βελτιώσεων δε θεωρείται τμήμα μίας μελέτης Α.Κ.Ζ..

Όμως ακόμη και αν τη συμπεριλάβουμε στην Α.Κ.Ζ., σίγουρα δε μπορεί να αντικαταστήσει την

Ερμηνεία & Έλεγχο των αποτελεσμάτων.

Μπαίνοντας στην ουσία της 5ης ομάδας εργασίας θα λέγαμε ότι σκοπός της είναι να κάνει

καλύτερα κατανοητό το νόημα των αποτελεσμάτων. Προσπαθεί να προσδιορίσει κατά πόσο τα

βήματα στη μελέτη έγιναν σύμφωνα με το σκοπό και το αντικείμενό της και αν οι υποθέσεις που

υποχρεωθήκαμε να κάνουμε καλύπτουν ή όχι τις απαιτήσεις μας. Ομαδοποιούμε τα δεδομένα και

υπολογίζουμε τη συνεισφορά κάθε υποσυστήματος στη συνολική δραστηριότητα που μελετούμε.

Ακόμη κάνουμε μία συνολική αποτίμηση του κύκλου ζωής του προϊόντος σύμφωνα με

επιστημονικά αλλά και πολιτικά κριτήρια, που έχουν θεσπιστεί.

Τέλος, για να σιγουρέψουμε την σταθερότητα των αποτελεσμάτων πρέπει να φροντίσουμε για μια ανάλυση ευαισθησίας. Το πολύτιμο αυτό εργαλείο της επιχειρησιακής έρευνας χρησιμοποιείται για να ελέγξουμε τη μεταβλητότητα των αποτελεσμάτων λόγω αλλαγής κάποιων παραμέτρων. Για να είμαστε πλήρεις κάνουμε ένα τελευταίο έλεγχο ως προς την πληρότητα του περιεχομένου της μελέτης και στη συνέχεια προχωρούμε στα συμπεράσματά μας.

Στη δική μας μελέτη ακολουθούμε το μοντέλο που προτείνεται από το ISO. Χρησιμοποιούμε συγκεκριμένα εργαλεία υπολογισμού της ενέργειας που καταναλώνεται και παράγεται και των ρύπων που εξέρχονται από το σύστημα θέτοντας όλα τα μεγέθη σε μία ισοδύναμη βάση ώστε να είναι δυνατή μία συνολική αποτίμηση. Όσον αφορά την ανάλυση ευαισθησίας, είναι γεγονός ότι ολόκληρη η μελέτη στηρίζεται ακριβώς σε αυτή τη λογική. Αναλύουμε τέσσερις διαφορετικές τεχνολογικές υποθέσεις που αντικατοπτρίζουν το παρόν και το μέλλον της Φ/Β τεχνολογίας, κάνοντας ουσιαστικά τέσσερις διαφορετικές αναλύσεις κύκλου ζωής. Επίσης


285

για τη διερεύνηση των ωφελειών που μπορεί να έχει η ανακύκλωση του αλουμινίου, υποθέτουμε σε καθεμιά από τις τέσσερις τεχνολογικές υποθέσεις ότι υπάρχει εναλλακτικά η δυνατότητα για χρήση αλουμινίου ανακυκλωμένου κατά 50% στο σκελετό των πλαισίων. Η χρησιμότητα αυτού του εγχειρήματος φαίνεται στο τέλος όπου μας δίνεται η δυνατότητα να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα των υπολογισμών μας.

8.3 Στάδια κύκλου ζωής Η ανάλυση που γίνεται στην Α.Κ.Ζ. εξετάζει το προϊόν από τη βάση της παραγωγής του

μέχρι την τελική του διάθεση. Αναλυτικά όλα τα ενδιάμεσα στάδια είναι:

i. Απόκτηση πρώτων υλών

ii. Κατασκευή (υλικών και προϊόντων)

iii. Συσκευασία / Τυποποίηση

iv. Μεταφορά / ∆ιανομή

v. Χρήση / Επαναχρησιμοποίηση / Συντήρηση

vi. Ανακύκλωση / Ανάκτηση αποβλήτων

vii. Τελική διάθεση / Απόρριψη

8.4 Μεθοδολογία Για να γίνει σωστά μια Α.Κ.Ζ. πρέπει να ακολουθήσουμε τα παρακάτω βασικά σημεία.

i. Προσδιορισμός του σκοπού και του αντικειμένου της μελέτης

ii. Απογραφή δεδομένων

iii. Εκτίμηση Επιπτώσεων

iv. Εκτίμηση Βελτιώσεων

Βέβαια, πρέπει να τονίσουμε ότι δεν είναι απολύτως απαραίτητο να ολοκληρώσουμε την απογραφή δεδομένων και ταυτόχρονα την εκτίμηση επιπτώσεων για κάποιο προϊόν προκειμένου να διαπιστώσουμε ότι υπάρχουν δυνατότητες για βελτίωσή του σε σχέση με το περιβάλλον. Μπορούμε για παράδειγμα να αναγνωρίσουμε περιβαλλοντικές βελτιώσεις κάνοντας μόνο την απογραφή δεδομένων στην κατεύθυνση της μείωσης της χρήσης ενέργειας και υλικών. Στη δική μας περίπτωση η εκτίμηση των βελτιώσεων προκύπτει από την ανάλυση ευαισθησίας, δηλαδή από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των τεσσάρων διαφορετικών Φ/Β τεχνολογικών υποθέσεων.

8.5 Προσδιορισμός του σκοπού και του αντικειμένου της μελέτης Το πρώτο τμήμα μιας μελέτης Α.Κ.Ζ. είναι ο προσδιορισμός του σκοπού και του

αντικειμένου της (Goal Definition and Scoping). Εδώ πρέπει να καθορίσουμε το σκοπό (ή

την επιδίωξη) της μελέτης, το αντικείμενό της, τη λειτουργική μονάδα και τέλος να

υιοθετήσουμε μία διαδικασία εκτίμησης της ποιότητας δεδομένων της μελέτης. Οι

πληροφορίες και τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται σε όλα τα στάδια της ανάλυσης

πρέπει να αναγνωρίζονται εύκολα κατά τον προσδιορισμό του σκοπού και του αντικειμένου

της μελέτης.

8.5.1 Ο Σκοπός της μελέτης


286

Όταν ξεκινούμε μια Α.Κ.Ζ., είναι απαραίτητο στην αρχή της μελέτης να οριστεί ξεκάθαρα ο

σκοπός της μελέτης. Είναι ανάγκη να διασαφηνιστεί η αιτία διεξαγωγής της Α.Κ.Ζ. αλλά και η

σκοπιμότητα της χρήσης των αποτελεσμάτων. Για παράδειγμα μια διάκριση είναι το αν τα

αποτελέσματα της Α.Κ.Ζ. θα χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές σε μια εταιρεία για τη βελτίωση της

περιβαλλοντικής απόδοσης του συστήματος ή αν τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν

εξωτερικά.

Στην παρούσα ανάλυση κύκλου ζωής, σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση των

δυνατοτήτων των Φ/Β συστημάτων σε μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις για την τροφοδότηση

νησιών ή χωριών (στην περίπτωσή μας η νήσος Νίσυρος) με ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης

μελετώνται οι ενεργειακές και περιβαλλοντικές παράμετροι που συνοδεύουν αυτά τα συστήματα

συγκρίνοντας τις Φ/Β τεχνολογικές υποθέσεις μεταξύ τους αλλά και με το υπάρχον ενεργειακό

σύστημα τροφοδότησης με ηλεκτρική ενέργεια της Νισύρου, που είναι συμβατικές

ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες καύσης diesel.

8.5.2 Το Αντικείμενο της Α.Κ.Ζ. Το αντικείμενο μιας μελέτης καθορίζει το σύστημα, τα όρια, τις απαιτήσεις δεδομένων,

τις υποθέσεις και τους περιορισμούς. Πρέπει να καθορίζεται με λεπτομέρεια, ώστε να

εξασφαλίζει το απαιτούμενο εύρος και βάθος ανάλυσης. Είναι επίσης απαραίτητο να

συμπεριληφθεί μια εκτίμηση της μεταβλητότητας των δεδομένων, εκτός της μέσης τιμής. Στη

μελέτη μας, και στις τέσσερις τεχνολογικές υποθέσεις, το σύστημα αποτελείται από τα Φ/Β πλαίσια

της εγκατάστασης, τους αντιστροφείς DC/AC, τους συσσωρευτές και τα χαλύβδινα αρθρωτά

στηρίγματα. Τα όρια του συστήματος φαίνονται σε επόμενα διαγράμματα και εδώ μπορούμε να

αναφέρουμε περιγραφικά ότι η ανάλυση των διαφόρων μερών του συστήματος προχωρά μέχρι τις

πρωτογενείς ενεργειακές πηγές τόσο στην ενεργειακή ανάλυση όσο και στην ανάλυση όλων των

μορφών των ρύπων.

8.5.3 Η Λειτουργική μονάδα Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία σε μια μελέτη κύκλου ζωής είναι η ξεκάθαρη

διατύπωση της λειτουργικής μονάδας. Αποτελεί ένα βήμα “κλειδί” για την αποφυγή

ασαφειών κατά τη διατύπωση του σκοπού και του αντικειμένου.

Σημαντικό είναι να καθορίζεται πλήρως, να είναι μετρήσιμη και σχετική με τα

δεδομένα εισόδου και εξόδου. Η λειτουργική μονάδα είναι ένα μέτρο απόδοσης του υπό


287

μελέτη συστήματος. Μερικά παραδείγματα λειτουργικών μονάδων είναι :

i. μονάδα επιφανείας μιας περιοχής που καλύπτεται με μπογιά σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα,

ii. η ποσότητα καθαριστικών που απαιτούνται για την καθαριότητα ενός νοικοκυριού,

iii. η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε ένα ηλεκτροπαραγωγικό σταθμό με δεδομένη την κατανάλωση καυσίμου κ.τ.λ.

Τέλος για να συγκρίνουμε δυο μελέτες είναι απαραίτητο να μετατρέψουμε τις

δεδομένες διαφορετικές λειτουργικές μονάδες σε ισοδύναμες μονάδες.

Στη μελέτη μας η βασική λειτουργική μονάδα είναι το Φ/Β πλαίσιο και οι περισσότεροι

υπολογισμοί γίνονται με βάση αυτή τη μονάδα αναφοράς ή τείνουν προς αυτή τη μονάδα. Η

μονάδα που προαναφέραμε διευκολύνει πολύ στους υπολογισμούς διότι τελικά από τα

αποτελέσματα που προκύπτουν ανά Φ/Β πλαίσιο και από τον αριθμό των πλαισίων ανά Φ/Β

εγκατάσταση (ή ανά τεχνολογική υπόθεση) παράγουμε τα τελικά αποτελέσματα για κάθε υπόθεση.

Βέβαια για να μετατρέψουμε όλα τα δεδομένα ανά μονάδα Φ/Β πλαισίου, χρησιμοποιούμε

προηγούμενα άλλες βοηθητικές λειτουργικές μονάδες όπως την επιφάνεια ηλιακών κυψελών σε m2

και τη μάζα των υλικών (πυρίτιο, αλουμίνιο, γυαλί, EVA, Tedlar, ΕCCS χάλυβας) σε kg.

8.5.4 Ποιότητα δεδομένων Ανάλογα με τους στόχους της μελέτης, τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται πρέπει να

εκπληρώνουν συγκεκριμένες απαιτήσεις σε ποιότητα. Οι απαιτήσεις αυτές πρέπει να έχουν ήδη

προσδιοριστεί πριν ξεκινήσουμε με τη συλλογή των δεδομένων. Τόσο κατά τη διάρκεια, όσο και

μετά από τη συλλογή των δεδομένων, είναι αναγκαίο να διερευνηθεί κατά πόσο τα διαθέσιμα

δεδομένα πληρούν τις απαιτήσεις και προϋποθέσεις που έχουμε θέσει. Οι αρχικές μας απαιτήσεις

όσον αφορά την ποιότητα των δεδομένων προσδιορίζονται από τις παρακάτω παραμέτρους:

i. οι πηγές των δεδομένων,

ii. η μέθοδος συλλογής τους,

iii. ο τρόπος παραγωγής τους,

iv. ο χρόνος συλλογής τους (π.χ. 1 έτος),

v. ο γεωγραφικός χώρος όπου συλλέγονται τα δεδομένα (τοπικός, εθνικός, παγκόσμιος),

vi. το είδος της τεχνολογίας που θεωρείται ως αντιπροσωπευτική για τα δεδομένα της μελέτης,

vii. το κόστος συλλογής των δεδομένων.

Οι πηγές των δεδομένων μπορεί να είναι πρωτογενείς ή δευτερογενείς.

Οι πρωτογενείς πηγές δεδομένων χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις βιομηχανιών που

εκπονούν μελέτες Α.Κ.Ζ. για να βελτιώσουν κάποια προϊόντα τους. Όμως, παρά το ότι


288

συνήθως υπάρχουν διαθέσιμα πάρα πολλά στοιχεία, υπάρχουν συγκεκριμένες δυσκολίες στη

χρήση τους. Αυτό οφείλεται στο ότι από τη μια μεριά ο τεράστιος όγκος των στοιχείων και

από την άλλη ο παράγοντας της μεταβλητότητας των δεδομένων κάνει αδύνατη την

επεξεργασία τους. Για αυτό χρησιμοποιούμε δείγματα τα οποία πρέπει να είναι

αντιπροσωπευτικά του πληθυσμού. ∆ιότι ακόμη και να θεωρήσουμε όμοιες παραγωγικές

μονάδες, τα δεδομένα μπορεί να μεταβάλλονται λόγω των συστηματικών σφαλμάτων στην

τεχνολογία, ο τρόπος συντήρησης, η γεωγραφική θέση και τυχαία στατιστικά σφάλματα.

Τα δευτερογενή δεδομένα συλλέγονται από δημοσιευμένες πηγές και επηρεάζονται

τόσο από τα πρωτογενή προβλήματα όσο και από άλλα. Τέτοια είναι η ομοιογένεια των

στοιχείων που συλλέγονται από διαφορετικές πηγές και η αβεβαιότητα σε σχέση με τις

συνθήκες υπό τις οποίες έγινε η συλλογή των δεδομένων.

Γενικά οι πηγές των δεδομένων είναι :

i. βιομηχανικές και κρατικές αναφορές,

ii. δεδομένα εργαστηριακών δοκιμών,

iii. βιβλία αναφοράς, 4) δημοσιεύσεις και βάσεις δεδομένων,

iv. λίστες θεσμοθετημένων ορίων,

v. συμβούλους και εμπορικούς συνδέσμους,

vi. παρόμοιες μελέτες Α.Κ.Ζ.

Στη δική μας Α.Κ.Ζ. οι πηγές των δεδομένων είναι ποικίλες και στη συνέχεια θα αναφερθούμε

εν συντομία σε αυτές. Έτσι όσον αφορά την παραγωγή την παραγωγή των ηλιακών κυψελών και

τη γενική κατασκευή των Φ/Β πλαισίων η μελέτη στηρίχθηκε σε περιληπτική επιστημονική

δημοσίευση του ολλανδικού Πανεπιστημίου Utrecht. Η δημοσίευση αυτή είναι του 1995 και

αναλύει τον κύκλο ζωής των πολυκρυσταλλικών Φ/Β πλαισίων για τρεις τεχνολογικές υποθέσεις.

Τα βιομηχανικά στοιχεία των υποθέσεων αυτών τα χρησιμοποιούμε και εμείς χωρίς

διαφοροποιήσεις. Τα στοιχεία της μελέτης αυτής δεν προέρχονται από την επεξεργασία

βιβλιογραφίας αλλά από βιομηχανικές πηγές και για αυτό έχουν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας. Όμως η

μελέτη αυτή αναλύει κυρίως την παραγωγή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου και δίνει στοιχεία για

τη συναρμολόγηση των πλαισίων χωρίς να αναφέρεται στα άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται για

την κατασκευή τους.

Οι απογραφές δεδομένων για το αλουμίνιο του σκελετού του Φ/Β πλαισίου, για τα πλαστικά

EVA και Tedlar και για τη γυάλινη πλάκα ανά 1000 kg παραγόμενου προϊόντος λαμβάνονται από


289

συγκεκριμένη επιστημονική βιβλιογραφία για την οποία ευθύνεται ένας μεγάλος ελβετικός

περιβαλλοντικός οργανισμός· πρόκειται για τον οργανισμό SAEFL (Swiss Agency for the

Environment, Forests and Landscape) o οποίος έχει μεγάλη σχετική εμπειρία από διάφορες

έρευνες του παρελθόντος. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε από αυτή τη βιβλιογραφία είναι του

1998 με πολλές βελτιώσεις παρελθόντων εκδόσεων.

Εκτός από τα Φ/Β πλαίσια ένα Φ/Β σύστημα συμπληρώνεται από τα υπόλοιπα του

συστήματος ή όπως αλλιώς λέγονται μέρη-BOS (Balance of System components). Όπως εξηγούμε

και στο Κεφάλαιο 2, τα υπόλοιπα του συστήματος είναι οι αντιστροφείς DC/AC με τα ηλεκτρονικά

ισχύος, οι συσσωρευτές, οι καλωδιώσεις, οι βάσεις στήριξης των Φ/Β πλαισίων (ή των πανέλων),

μηχανισμός συνεχούς παρακολούθησης των ηλιακών ακτινών. Από αυτά τα μέρη του συστήματος

εμείς αναλύουμε τον κύκλο ζωής των μετατροπέων DC/AC, τους συσσωρευτές και τα χαλύβδινα

αρθρωτά στηρίγματα. Κρίνουμε ότι ειδικός μηχανισμός παρακολούθησης των ηλιακών ακτινών δεν

είναι απαραίτητος (μάλιστα είναι πανάκριβος) και επίσης οι καλωδιώσεις θεωρούνται

δευτερεύουσας σημασίας. Έτσι όσον αφορά τους αντιστροφείς και τις μπαταρίες δεν μελετούμε την

βιομηχανική παραγωγή τους παρά λαμβάνουμε υπόψη όλες τις εισερχόμενες και εξερχόμενες ροές

της παραγωγής των συσκευών αυτών. Αυτό γίνεται με τη χρήση των οικονομικών μοντέλων

εισερχόμενων-εξερχόμενων ροών ενέργειας, συμβατικών ρύπων και τοξικών ουσιών.

Υπολογίζοντας με άλλα λόγια την αξία του εξοπλισμού μετατροπέων και συσσωρευτών που

χρειαζόμαστε για τη λειτουργία της Φ/Β εγκατάστασης είμαστε σε θέση με βάση το μοντέλο της

Green Design Initiative να υπολογίσουμε αναλυτικά την κατανάλωση ενεργειακών πόρων για την

παραγωγή τους, τους εκπεμπόμενους ρύπους και τις παραγόμενες τοξικές ουσίες. Η ανάλυση της

παραγωγής των χαλύβδινων αρθρωτών στηριγμάτων γίνεται με βάση τα δεδομένα της

βιβλιογραφίας του οργανισμού SAEFL όπως και στα δευτερεύοντα υλικά των Φ/Β πλαισίων.

8.5.4.1 ∆είκτες ποιότητας δεδομένων Υπάρχουν κάποιοι δείκτες οι οποίοι καταδεικνύουν την ποιότητα των δεδομένων που έχουμε

χρησιμοποιήσει στη μελέτη μας.

Στον επόμενο πίνακα της διακρίνεται καθαρά ποιοι είναι οι δείκτες που έχουν σχέση με συγκεκριμένους στόχους.

Πίνακας 8.1: ∆είκτες ποιότητας δεδομένων

Σκοπός Βελτίωση Αξιολόγη Προώθησ


290

μελέτης

∆ε

ίκτες

εσωτερικής

παραγωγής

ση προϊόντος η προϊόντος

ΠΟΣΟΤΙΚΟΙ

Ακρίβεια + + +

Πληρότητα + + +

Κατανομή + +

Ομοιογένεια +

Σχέσεις

αλληλοεξάρτησης

+

Αβεβαιότητα +

ΠΟΙΟΤΙΚΟΙ

Αλληλουχία + + +

Εφαρμοσιμότητα + +

Συγκρισιμότητα + +

Αντιπροσωπευτικότη

τα

+ +

Αναγνώριση

ιδιομορφών

+ +

Ικανότητα

αναπαραγωγής

+ +

∆ιαθεσιμότητα + + +

Ο πίνακας αυτός είναι γενικός και δεν συμπεριλαμβάνεται στη μελέτη μας ανάλυση ποιότητας

δεδομένων.


291

8.6 Απογραφή δεδομένων κύκλου ζωής ( Inventory Analysis ) H δεύτερη φάση μίας μελέτης Α.Κ.Ζ. αφορά τη συλλογή και την επεξεργασία των δεδομένων.

Η συλλογή των δεδομένων εξακολουθεί να αντιπροσωπεύει στις περισσότερες μελέτες εκείνο το

βήμα το οποίο απαιτεί την πιο εντατική εργασία και βέβαια είναι το πιο ακριβό. Σε αυτό το πεδίο

ωστόσο το υπολογιστικό πρόγραμμα ISD CD 14041 μπορεί να προσφέρει γενικές πληροφορίες,

αφού οι λεπτομέρειες εξαρτώνται άμεσα από το συγκεκριμένο αντικείμενο.

Ο μελετητής έχει στη διάθεσή του κάποια προγράμματα Η/Υ για την επεξεργασία των

δεδομένων. Είναι επιτακτική ανάγκη, η διαμόρφωση των δεδομένων να διακρίνεται από μία

συγκεκριμένη τυποποίηση και συμβατότητα.

Στη δική μας μελέτη δε χρησιμοποιούμε κάποιο ιδιαίτερο υπολογιστικό πρόγραμμα για

αναλύσεις κύκλου ζωής παρά μόνο το excel της Microsoft.

8.6.1 Καθορισμός και οριοθέτηση συστήματος Κατά το στάδιο της απογραφής δεδομένων, κάθε προϊόν πρέπει να παρουσιάζεται ως ένα

σύστημα. Ένα οποιοδήποτε σύστημα προσδιορίζεται από ένα σύνολο διεργασιών που συνδέονται

υλικά ή ενεργειακά. Για παράδειγμα ορισμένες διεργασίες που οδηγούν στην παραγωγή ενός

προϊόντος είναι:

i. η διαδικασία κατασκευής,

ii. η διαδικασία μεταφοράς,

iii. η διαδικασία εξόρυξης καυσίμων.

Το σύστημα διαχωρίζεται από αυτά που το περιβάλλον μέσω κάποιων ορίων. Ολόκληρη η

περιοχή έξω από τα όρια είναι γνωστή ως “το περιβάλλον του συστήματος”.

Περιβάλλον του

Όρια του

Είσοδοι ΈξΣύστημα


292

Σχήμα 8.2: Σύστημα και περιβάλλον του συστήματος

Κάθε σύστημα περιέχει όλα τα στάδια του κύκλου ζωής του “προϊόντος”. Στο περιβάλλον του

συστήματος ανήκουν όλες οι ροές μάζας και ενέργειας που εισέρχονται στο σύστημα, καθώς και οι

ροές που εξέρχονται από αυτό. Η απογραφή δεδομένων είναι μια ποσοτική περιγραφή όλης της

ροής μάζας και ενέργειας που περνούν από τα όρια του συστήματος. Κατά την απογραφή των

δεδομένων θα πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη όλους εκείνους τους παράγοντες που επηρεάζουν

την απογραφή. Αυτοί μπορεί να είναι είτε ιδιαιτερότητες στην παραγωγική διαδικασία είτε

παράγοντες που σχετίζονται με το χρόνο, τόπο, τρόπο συλλογής τους.

Προχωρώντας τώρα στην ουσία της απογραφής δεδομένων, που δεν είναι άλλη από την

κατανομή των ροών μάζας και ενέργειας θα λέγαμε τα παρακάτω :

i. Οι εισροές και εκροές του αρχικού συστήματος πρέπει να εξισώνονται με αυτές του συστήματος στο οποίο έγινε κατανομή των φορτίων. Αν υπάρχουν αποκλίσεις στο ενεργειακό ισοζύγιο ή στο ισοζύγιο μάζας, τότε αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη.

ii. Αν μπορούν να εφαρμοστούν εναλλακτικές προσεγγίσεις για την κατανομή τότε εφαρμόζουμε ανάλυση ευαισθησίας.

iii. Η κατανομή των φορτίων στις διάφορες διεργασίες θα πρέπει να αποφεύγεται ή τουλάχιστο να ελαχιστοποιείται. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί υποδιαιρώντας το σύστημα σε μια αλληλουχία διεργασιών ή υποσυστημάτων. Κάθε ένα από τα υποσυστήματα έχει ως είσοδο την έξοδο μιας διεργασίας που προηγείται, ενώ η έξοδος του υποσυστήματος αποτελεί την είσοδο αυτού που ακολουθεί. Η έκταση που θα πάρει η υποδιαίρεση του αρχικού συστήματος εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα δεδομένων και τις απαιτήσεις που έχουμε από τη μελέτη. Τέλος, αν δεν μπορεί να εφαρμοστεί μία φυσική σχέση ως βάση για την κατανομή των φορτίων τότε οι εισερχόμενες ροές πρέπει να διανεμηθούν στα προϊόντα ή διεργασίες με ένα τρόπο που να αντανακλά τις οικονομικές σχέσεις μεταξύ τους.

Στην παρούσα ανάλυση κύκλου ζωής δεν έχουμε πρόβλημα με κατανομές φορτίων διότι

ακόμη και το Φ/Β πλαίσιο που είναι ένα αυτόνομο σύστημα σε σχέση με τα υπόλοιπα μέρη του

Φ/Β συστήματος, διακρίνεται σε περισσότερα ανεξάρτητα υποσυστήματα στα οποία οι εισροές και

εκροές είναι ξεκάθαρες.

8.6.2 ∆ιαγράμματα ροής διεργασίας Ο καλύτερος τρόπος παρουσίασης των διεργασιών που απαρτίζουν ένα σύστημα είναι η

ανάπτυξη ενός διαγράμματος ροής που να παριστάνει τον τρόπο σύνδεσης των διαφόρων

υποσυστημάτων. Ένα διάγραμμα ροής αποτελείται κυρίως από τρεις βασικές ομάδες διεργασιών:

την βασική παραγωγή, την παραγωγή βοηθητικών υλών και τις βιομηχανίες παραγωγής


293

καυσίμου. Επίσης, κατά το στάδιο της απογραφής δεδομένων θα πρέπει να παρουσιαστούν οι

εκπεμπόμενοι ρύποι και να προσδιοριστούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του υπό εξέταση

συστήματος. Ο μελετητής επιδιώκει τον υπολογισμό των επιπτώσεων του προϊόντος εξετάζοντας

στις εξόδους των υποσυστημάτων τις επιπτώσεις ή καταστροφικές συνέπειες, οι οποίες

προκαλούνται. Έτσι, γίνεται μια εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του προϊόντος και

βρίσκονται τα στάδια της ζωής του προϊόντος στα οποία συμβαίνουν. Στα δύο παρακάτω σχήματα

δίνονται:

α) ένα τυπικό διάγραμμα ροής διεργασίας και β) ένα διάγραμμα που απεικονίζει συνοπτικά

τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

ΣΤΑ∆ΙΑ ΚΥΚΛΟΥ ΥΛΙΚΑ ΜΕΤΑ ΤΗ

ΧΡΗΣΗ

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΓΡΑ

ΑΠΟΒΛΗΤΑ

ΖΩΗΣ - ΣΤΕΡΕΑ

ΑΠΟΒΛΗΤΑ

ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΑΕΡΙΕΣ

ΕΚΠΟΜΠΕΣ

∆ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΛΟΙΠΕΣ

ΕΚΡΟΕΣ

Σχήμα 8.3: Τυπικό διάγραμμα ροής διεργασιών

Έξοδοι

Είσοδοι

ΕΞΑΝΤΛΗΣΗ

ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ

ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΣΤΟΝ ΑΕΡΑ,ΝΕΡΟ,

Ε∆ΑΦΟΣ, CFC, Pb,Cb,VOC,DDI,CO2,

SO2,NΟx, P, ΡΑΗ, Σκόνη

ΜΑΖΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

∆ιαδικασία παραγωγής &

Θανατηφόρα κρούσματα Παραγωγή Αποβλήτων


294

κατασκευής

∆ιαδικασία παραγωγής ενέργειας

Εξάντληση Αποθεμάτων

Βλάβη του οικοσυστήματος

∆ιαδικασία διάθεσης,

ταφή, καύση

Αισθητική όχληση Αισθητική όχληση

∆ιαδικασία μεταφοράς

ΒΛΑΒΕΣ-ΖΗΜΙΕΣ

Εξάντληση αποθεμάτων

Καταστροφή όζοντος, φαινόμενο θερμοκηπίου, βαρέα μέταλλα, νέφος κτλ.

Παραγωγή Αποβλήτων

ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ

Σχήμα 8.4: Συνοπτική παρουσίαση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκύπτουν από τον

κύκλο ζωής ενός προϊόντος ή διεργασίας.

Στη συνέχεια παραθέτουμε το διάγραμμα (Σχήμα 8.5) που δείχνει τα όρια του συστήματος

για την ανάλυση κύκλου ζωής της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης μεγάλης κλίμακας, συνδεδεμένη

με το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και με μία σχετική αυτονομία μέσω συσσωρευτών.

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα στο σύστημα περιλαμβάνονται τα Φ/Β πλαίσια, οι

αντιστροφείς DC/AC, οι συσσωρευτές και τα χαλύβδινα αρθρωτά στηρίγματα. Οτιδήποτε άλλο θα

μπορούσε να ανήκει στη Φ/Β εγκατάσταση βρίσκεται στο περιβάλλον του συστήματος. Με τον όρο

«∆ιάφορα υλικά» προσδιορίζονται υλικά όπως αλουμίνιο, χάλυβας, χαλκός, ψευδάργυρος,

διάφορα πλαστικά τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των μετατροπέων τάσης DC/AC

και για τους συσσωρευτές αλλά δεν αναφέρονται λεπτομερώς στη μελέτη μας. Επίσης είναι

σημαντικό να σημειώσουμε ότι στις απογραφές δεδομένων περιλαμβάνονται οι τρόποι μεταφοράς

των πιο σημαντικών πρώτων υλών για την παραγωγή των βασικότερων υλικών που

χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών πλαισίων όπως το

πυρίτιο, το αλουμίνιο, το γυαλί, το EVA και το Tedlar.

Μέρη του

Φωτοβολ

ST

Αντιστροί

Συσσωρε

∆ιάφ

Χα


295

Σχήμα 8.5: Βασικά στοιχεία της Φ/Β εγκατάστασης μεγάλης κλίμακας, συνδεδεμένη με το

δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και με μία σχετική αυτονομία μέσω συσσωρευτών.

Στο σχήμα 8.6 παρατίθεται το πλήρες διάγραμμα ροής παραγωγής του χάλυβα ECCS και

είναι αναγκαίο να σημειώσουμε ότι τα χαλύβδινα στηρίγματα είναι το μόνο μέρος του συστήματος

ισορροπίας BOS που αναλύεται πλήρως στην εργασία αυτή, λόγω βέβαια διαθεσιμότητας

στοιχείων.


296

Όσον αφορά τα Φ/Β πλαίσια, που είναι και τα βασικά μέρη της Φ/Β εγκατάστασης,

αναλύονται πλήρως στα υλικά τους και επίσης γίνεται αναλυτική ενεργειακή και περιβαλλοντική

μελέτη (ρύποι, απόβλητα). Η παραγωγή του Φ/Β πλαισίου στο σύνολό της φαίνεται στο σχήμα

8.7. Στο σχήμα αυτό παρουσιάζονται τα επιμέρους διαγράμματα ροής των βασικών υλικών που

συμμετέχουν στην κατασκευή του πλαισίου καθώς επίσης και τα όρια του συστήματος. Το

διάγραμμα ροής κατασκευής των ηλιακών κυψελών προέρχεται από τη μελέτη: ‘Environmental life-

cycle assessment of multicrystalline silicon solar cell modules’ των G.J.M. Phylipsen and E.A.

Alsema. Τα υπόλοιπα διαγράμματα ροής περιλαμβάνονται στη μελέτη του οργανισμού SAEFL

(Swiss Agency for the Environment, Forests and Landscape με την επωνυμία ‘Life Cycle

Inventories for Packagings’. Στα διαγράμματα ροής του αλουμινίου και του γυαλιού υπάρχουν

ορισμένες προσθήκες οι οποίες είναι απαραίτητες για την πληρότητα της μελέτης. Εν συντομία

αναφέρουμε ότι τα δύο τελευταία στάδια στην παραγωγή των προφίλ αλουμινίου, για την

κατασκευή του σκελετού των Φ/Β πλαισίων, δεν περιλαμβάνονται στο διάγραμμα ροής της μελέτης

SAEFL. Η κατασκευή των προφίλ αλουμινίου από φύλλα αλουμινίου και η ανοδείωση αυτών (για

αύξηση της αντοχής τους) απαιτούν επιπλέον ποσότητα ενέργειας. Το ίδιο συμβαίνει και με το

τελευταίο στάδιο της παραγωγής φύλλων γυαλιού, όπου η παραγωγή επίπεδων και χημικά

σκληρυνθέντων πλακών γυαλιού απαιτεί μία πρόσθετη ποσότητα ενέργειας. Τα δεδομένα που

χρησιμοποιούνται σε αυτά τα στάδια προέρχονται από βιομηχανικά στοιχεία

Άτηκτα

μέταλλα

κατά

Άχρηστο

Αργός

τήγ

Άτηκτα

Μετάλλευμα

κωκ

λιθάν

λιθάνθ

κ

ασβεστόλιθος

άσβεστο

Αργός

απόβλητο απ

Ακατέργα

Ακατέργαστο

Εξόρυξ

Εργοστάσιο παραγωγής κωκ

Χαλυβουργ

είο & μονάδα

Χαλυβουρ

Μονάδα

Υψικάμι


297


298

Σχήμα 8.6: Παραγωγή των χαλύβδινων ελασμάτων ECCS.


299

Αργό

Μονομ

ερή

ακετατικού

Μετα

Μετα

Μετ

Παραγωγή πυριτίου

χύτευσ

Παραγωγή φύλλων πυριτίου

Επεξεργασία κυψελών

Παραγωγή Φ/Β πλαισίου

Εξόρυξη βωξίτη

Al

Ηλεκτρόλυση τηγμένου άλατος 60% EU, 40% Hydro

χύτευση

Ελασματοποίηση

Παραγωγή ηλιακών Αλουμίνιο

Μεταφ

Γ

Χαλαζιακή

άμμος, Άστριος,

∆ολομίτης,

Κάμινος

Τροφοδότης

Μηχανή

Θάλαμος ψύξης

Μηχανή συσκευασίας

E

άμμος άνθρακας

Διϋλιστήριο

Nάφθα

Απόσταξη

Μονομε

ρή

Πρ

όσθετα

Παραγωγή

Tedla

Χλωριούχο νάτριο

Ηλεκτρόλυση

Υδροξείδιο του νατρίου

Χλώρι

Χλωρίωση

Χλωριούχο

καθαρισμός

Πολυμερισμός

Παραγωγή Tedlar

Ηλεκτ

Πρωτογενείς ενεργειακοί πόροι

Λοιπά δευτερεύοντα υλικά

∆ιαμόρφωσ

Κατεργ

Επεξε

ργασία

Όρια του


300

Σχήμα 8.7: Αναφέρεται στα όρια του συστήματος των ροών ενέργειας, υλικών και ρύπων χωρίς καμία διαφοροποίηση.


271

8.7 Εκτίμηση Επιπτώσεων Η εκτίμηση των επιπτώσεων στην Α.Κ.Ζ. είναι μια τεχνική, ποσοτική ή και ποιοτική

διαδικασία για να μπορέσει ο μελετητής να χαρακτηρίσει και να εκτιμήσει τις συνέπειες των

περιβαλλοντικών επιπτώσεων, οι οποίες προσδιορίζονται στο στάδιο της απογραφής δεδομένων.

Σε αυτή τη φάση της εκτίμησης επιπτώσεων, δεν έχει οριστικοποιηθεί μία συγκεκριμένη

μεθοδολογία. Το θέμα βρίσκεται υπό συζήτηση. Η εκτίμηση επιπτώσεων αποτελείται από τρία

μέρη: 1) ταξινόμηση, 2) χαρακτηρισμός, 3) αξιολόγηση.

8.7.1 Ταξινόμηση Στη φάση αυτή αναζητούνται οι επιπτώσεις που προκαλούνται από τις εισροές και εκροές

ενέργειας και μάζας στο σύστημα. Αυτό γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε ένα φορτίο που εισέρχεται να

μπορεί να συμπεριληφθεί σε περισσότερες από μία κατηγορίες επιπτώσεων (π.χ. οι εκπομπές

ΝΟx προκαλούν τόσο όξυνση όσο και ευτροφισμό).

Κατά το βήμα αυτό, οι επιπτώσεις ταξινομούνται στα τρία “γενικά πεδία προστασίας” που είναι:

1)της εξάντλησης των φυσικών πόρων, 2) της ανθρώπινης υγείας και 3) της υγείας του

οικοσυστήματος.

Για να μπορέσουμε να αναλύσουμε επαρκώς και με σαφήνεια τις επιπτώσεις, θα πρέπει να

δώσουμε έμφαση στις περιβαλλοντικές διεργασίες.

Στο επόμενο διάγραμμα δίνουμε τις πιο σημαντικές κατηγορίες επιπτώσεων σε σχέση με τα

“γενικά πεδία προστασίας ”.

8.7.2 Χαρακτηρισμός Σε αυτή τη φάση επιχειρούμε την ποσοτικοποίηση και την άθροιση των επιπτώσεων με

επιστημονική προσέγγιση. Συγκεκριμένα, αναπτύσσουμε ισοδύναμους όρους για τις διάφορες

κατηγορίες επιπτώσεων, που χρησιμοποιούν ως βάση μία επίδραση που μας ενδιαφέρει πολύ. Για

παράδειγμα, υπολογίζουμε την επίδραση των διαφόρων κατηγοριών επιπτώσεων αθροιστικά σε

σχέση με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη.

8.7.3 Αξιολόγηση


272

`Με την αξιολόγηση επιδιώκεται η περαιτέρω και πρόσθεση των δεδομένων της εκτίμησης

επιπτώσεων. Η ιεράρχηση των κατηγοριών επιπτώσεων συγκρίνοντάς τες μεταξύ τους είναι μια

διαδικασία συσχέτισης αξιών, που εκφράζει κοινωνικές αξίες και προτιμήσεις.

Οι αποφάσεις που θα παρθούν θα πρέπει να είναι αποτέλεσμα μιας ποιοτικής ή / και

ποσοτικής διαδικασίας.

Σε μια ποσοτική διαδικασία χρησιμοποιούνται συγκεκριμένοι συντελεστές για να αθροίσουν

τις επιπτώσεις.

Σε μια ποιοτική διαδικασία, το αποτέλεσμα δεν εξάγεται με βάση υπολογισμούς ή μετρήσεις,

αλλά βάση προτεραιοτήτων που υπηρετούν το δημόσιο συμφέρον.

8.7.4 Κατηγορίες επιπτώσεων Οι κατηγορίες των επιπτώσεων είναι αρκετές και η ανάλυση που θα κάνουμε εξαρτάται

κυρίως από δύο παράγοντες: 1) από τη σκοπιά που μελετούμε το αντικείμενο, δηλαδή αν μας

ενδιαφέρουν περισσότερο οι επιπτώσεις στον άνθρωπο ή γενικότερα στο οικοσύστημα και 2) η

ποσότητα και ποιότητα των στοιχείων που έχουμε στη διάθεσή μας για την ανάλυση.

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η ανάλυση των επιπτώσεων του κύκλου ζωής των

πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών συστημάτων αναφέρεται στις παρακάτω κατηγορίες:

i. Φαινόμενο του θερμοκηπίου (αέριοι ρύποι)

ii. Μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος (αέριοι ρύποι)

iii. Χειμερινό νέφος (αέριοι ρύποι)

iv. Θερινό νέφος (αέριοι ρύποι)

v. Όξυνση της ατμόσφαιρας (αέριοι ρύποι)

vi. Ευτροφισμός (αέριοι και υδάτινοι ρύποι)

vii. Βαρέα μέταλλα (αέριοι και υδάτινοι ρύποι)

viii. Καρκινογενέσεις (αέριοι ρύποι)

ix. Τοξικές ουσίες (ρύποι στον αέρα, νερό, έδαφος, υπέδαφος, μεταφερόμενες)

x. Ραδιενεργές ενώσεις (ρύποι στον αέρα και στο νερό)

8.7.5 Τρόποι ποσοτικοποίησης των επιπτώσεων Για την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα και

προσεγγίσεις. Όλα αυτά τα μοντέλα έχουν ως σκοπό να θέσουν σε μια κοινή βάση όλες τις εισροές


273

και εκροές του συστήματος παράγοντας ένα αποτέλεσμα για κάθε κατηγορία επιπτώσεων, το

οποίο θα αντικατοπτρίζει την ισοδύναμη συνεισφορά κάθε χημικής ένωσης στην τελική επίδραση.

Έτσι στη δική μας μελέτη επιλέξαμε ως εργαλεία για την εκτίμηση των επιπτώσεων τους

περιβαλλοντικούς δείκτες ή όπως διεθνώς λέγονται “Eco-indicators”. Οι δείκτες αυτοί

χρησιμοποιούν ισοδύναμες τιμές δυναμικού (Potentials) για να τεθούν σε μια κοινή βάση οι χημικές

ενώσεις που επηρεάζουν τις δεδομένες κατηγορίες επιπτώσεων. Σε ορισμένες περιπτώσεις

εμπλέκεται στις ισοδύναμες τιμές και η παράμετρος του χρόνου, όπως για παράδειγμα συμβαίνει

στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Οι τιμές αυτές έχουν μεγάλη αξιοπιστία και είναι αποτέλεσμα

πολλών διεθνών ερευνών. Αναλυτική αναφορά στο θέμα αυτό παρατίθεται στο κεφάλαιο 11 περί

ανάλυσης επιπτώσεων.

8.7.6 Χρήση της ενέργειας Μέχρι στιγμής αναφερθήκαμε στις επιπτώσεις που προκύπτουν σε ολόκληρο το

οικοσύστημα από τις εκροές του συστήματος που βρίσκεται υπό μελέτη. Η κατανάλωση

ενεργειακών πόρων προκαλεί έμμεσα άλλες επιπτώσεις εκ των οποίων η σημαντικότερη είναι η

εξάντληση των φυσικών πόρων. Από την άλλη για να μπορούμε να μιλάμε για χρήση ενός νέου

ενεργειακού συστήματος όπως είναι τα φωτοβολταϊκά, πρέπει να εξασφαλίζονται πλέον οι όροι της

ενεργειακής οικονομίας και του σεβασμού του περιβάλλοντος. Όσον αφορά το θέμα της ενέργειας,

μας ενδιαφέρει το ενεργειακό σύστημα να μπορέσει να αποδώσει ως ηλεκτρισμό την ενέργεια που

θα καταναλώσει στη διάρκεια της ωφέλιμης ζωής του. Ο χρόνος που θα χρειαστεί για να επιτευχθεί

αυτό είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας. Έτσι το υπολογιστικό εργαλείο Χ.Α.Κ.Ε. (Χρόνος

Ανταπόδοσης της Καταναλισκόμενης Ενέργειας) υπολογίζει σε έτη το απαραίτητο χρονικό

διάστημα για την εξίσωση της παραγόμενης με την καταναλισκόμενη ενέργεια.

Ένα άλλο υπολογιστικό εργαλείο που βοηθά πολύ στη σύγκριση διαφόρων τεχνολογιών είναι

η Απόδοση Παραγωγής Ηλεκτρισμού (Α.Π.Ε.). Πρόκειται για το βαθμό απόδοσης που προκύπτει

από το πηλίκο της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα προς την καταναλισκόμενη

ποσότητα ενέργειας για την κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία, συντήρηση και απόρριψή του.

Ένα σύστημα το οποίο θα παράγει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από αυτή που χρειάζεται για

τη παραγωγή του, θα έχει έναν Α.Π.Ε. μεγαλύτερο από τη μονάδα και μπορεί να θεωρηθεί ως ένα

ενεργειακό σύστημα βιώσιμης ανάπτυξης (sustainable energy system).


274

8.8 Εκτίμηση Βελτιώσεων (Improvement Assessment) Αποτελεί το τελικό βήμα μιας ανάλυσης Κύκλου Ζωής. Η ανάλυση που έχει προηγηθεί

χρησιμοποιείται στο να ληφθούν αποφάσεις που θα βελτιώσουν διαδικασίες και καταστάσεις που

αφορούν την βιομηχανία ή / και γενικότερα το περιβάλλον.

Σύμφωνα με τον SETAC, ως εκτίμηση βελτιώσεων ορίζεται η συστηματική αξιολόγηση των

αναγκών και δυνατοτήτων για την μείωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης που συνδέεται με τη

χρήση ενέργειας και των πρώτων υλών και τις περιβαλλοντικές εκπομπές καθ’όλη τη διάρκεια του

κύκλου ζωής προϊόντων, διεργασιών, δραστηριοτήτων. Η ανάλυση αυτή είναι δυνατό να περιέχει

τόσο ποσοτικά, όσο και ποιοτικά μέτρα βελτίωσης, όπως αλλαγές στο προϊόν, στη διεργασία και το

σχεδιασμό, στη χρήση των πρώτων υλών, στη χρήση από τον καταναλωτή και στη διαχείριση των

απορριμμάτων.

Η πλήρωση του τελευταίου αυτού σταδίου της ανάλυσης κύκλου ζωής επιτυγχάνεται στη

μελέτη μας μέσα από τη σύγκριση των διαφόρων τεχνολογικών Φ/Β υποθέσεων. Η βελτιωμένη και

η προωθημένη υπόθεση δίνουν μία σαφή εικόνα των βελτιώσεων που μπορούν να

πραγματοποιηθούν στην τεχνολογία των Φ/Β συστημάτων με ηλιακά στοιχεία πολυκρυσταλλικού

πυριτίου τόσο στον τομέα της κατανάλωσης ενεργειακών πόρων, όσο και στις περιβαλλοντικές

κατηγορίες επιπτώσεων.


275

9. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΠΑΤΜΟΥ

Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν αρχικά κάποια γενικά χαρακτηριστικά που αφορούν το νησί της Πάτμου (θέση, κλίμα, πληθυσμός, κλπ). Στη συνέχεια θα γίνει μια εκτεταμένη αναφορά στο ενεργειακό σκηνικό του συνόλου των Δωδεκανήσων, τόσο όσον αφορά τους ξεχωριστούς τομείς κατανάλωσης ενέργειας, όσο και της δυναμικότητας παραγωγής ενέργειας. Τέλος θα γίνει μια προσπάθεια παρουσίασης των ενεργειακών αναγκών του νησιού της Πάτμου, ενώ θα εξεταστούν οι δυνατότητες χρησιμοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Πιο συγκεκριμένα θα μελετηθεί η εκτεταμένη χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, θερμού νερού για διάφορες χρήσεις, καθώς και πόσιμου νερού.

9.1 Εισαγωγή

9.1.1 Γενικά χαρακτηριστικά Η Πάτμος ανήκει στον ευρύτερο σχηματισμό των ∆ωδεκανήσων, μαζί με άλλα έντεκα νησιά,

τα οποία είναι: H Ρόδος, η Κως, η Κάρπαθος, η Κάσος, η Χάλκη, η Σύμη, η Τήλος, η Νίσυρος, η

Αστυπάλαια, η Κάλυμνος και η Λέρος.

Η Πάτμος βρίσκεται κοντά στη Μικρασιατική ακτή, στα νότια της Σάμου και απέχει περίπου

163 ν.μ. νότιο - ανατολικά του Πειραιά. Πολιτικός χάρτης του νησιού παρουσιάζεται στην εικ 9.1.


276

Εικόνα 9.1: Πολιτικός χάρτης της Πάτμου.

Έχει έκταση περίπου 35 km2, ενώ αριθμεί σχεδόν 3.000 κάτοικους το χειμώνα. Το καλοκαίρι

λόγω της τουριστικής κίνησης που παρουσιάζει το νησί, ο αριθμός είναι πολύ μεγαλύτερος.

Το έδαφος του νησιού είναι βραχώδες και ηφαιστειογενές, ενώ χαρακτηριστικό είναι πως δεν

έχει βουνά, αλλά μικρούς λόφους (εικ 9.2).


277

Εικόνα 9.2: Γεωφυσικός – Οδικός χάρτης της Πάτμου.

Όσον αφορά το κλίμα του νησιού, αυτό δεν αποτελεί εξαίρεση από το θαλάσσιο, ήπιο κλίμα

των ∆ωδεκανήσων, με γλυκό χειμώνα και δροσερό καλοκαίρι.

H Πάτμος με τη θρησκευτική της παράδοση (λέγεται και νησί της Αποκάλυψης, μια και εκεί ο

Ιωάννης ο Ευαγγελιστής έγραψε την Αποκάλυψη και ίσως το ευαγγέλιό του), το καλό κλίμα και τις

πλούσιες φυσικές ομορφιές της, έχει εξελιχθεί σε ένα πλούσιο, τουριστικά αναπτυγμένο νησί.

9.1.2 Τοπογραφία - Μορφολογία του νησιού Η Πάτμος, το νησί της Αποκάλυψης, έχει έκταση 34,55 km2 και η περίμετρος των ακτών της

έχει μήκος 61 km. Μαζί με τα νησιά Αρκοί και Μάραθος (που βρίσκονται ανατολικά της), αποτελεί

ομώνυμο δήμο με έκταση 45 km2. Έδρα της είναι η Χώρα και μεγαλύτερος οικισμός της η Σκάλα.

Έχει στενόμακρο σχήμα, με μέγιστο μήκος 63 km και μέγιστο πλάτος 10 km. Τα εδάφη της είναι

ηφαιστειογενούς προέλευσης, βραχώδη και άδεντρα. Η Πάτμος δεν χαρακτηρίζεται από πληθώρα

οικισμών και τα κατοικήσιμα τμήματα του νησιού είναι λίγα. Ξεχωρίζουν:

Πάτμος ή Χώρα

Έχει 700 κάτοικους περίπου, βρίσκεται νότια του νησιού, απέχει 4 km από το λιμάνι (Σκάλα) και είναι η πρωτεύουσα του νησιού.

Η Χώρα είναι χτισμένη γύρω από το μοναστήρι του Αγίου Ιωάννου του Θεολόγου και

χαρακτηρίζεται από τα κάτασπρα σπίτια, τα στενά και περίπλοκα δρομάκια καθώς και τις πολλές

εκκλησίες. Όλα αυτά, μέσα στο ξερό τοπίο δίνουν στην πόλη καθαρό αιγαιοπελαγίτικο χρώμα.

Γροίκος

Έχει λίγους κάτοικους, βρίσκεται νότιο – ανατολικά του νησιού και απέχει 8 km από τη Σκάλα. Το χωριό συνδέεται οδικά με τη Χώρα και το λιμάνι.

Βρίσκεται χτισμένο σε κόλπο, έχοντας απέναντί του το Τραγονήσι. Εντυπωσιακός είναι ο βράχος, που βρίσκεται στη θέση Πέτρα. Ο βράχος είναι λαξευμένος και αυτό μαρτυρά πως ήταν τόπος λατρείας από την αρχαιότητα.

Κάμπος

Έχει 500 κάτοικους περίπου, βρίσκεται βόρεια του νησιού και απέχει 5 km από τη Σκάλα. Μεσογειακό χωριό, όπου δεσπόζουν οι εκκλησίες του Αγ. Νικολάου και του Ευαγγελισμού. Γύρω από το χωριό υπάρχουν πανέμορφες αμμουδερές παραλίες, όπως στον όρμο του Κάμπου, στις Λεύκες και στην Λάμπη.

Σκάλα

Έχει 1.500 κατοίκους περίπου, βρίσκεται στο κέντρο του νησιού και είναι το λιμάνι του. Χτισμένη στη θέση της αρχαίας πρωτεύουσας του νησιού, όπως μαρτυρούν και τα ερείπια της αρχαίας ακρόπολης, πάνω στο Καστέλι, όπου σώζεται η κρηπίδα του αρχαίου ναού του Απόλλωνα και τμήματα οχυρωματικών πύργων. Αποτελεί το πιο τουριστικό μέρος του νησιού. Αξιολάτρευτες παραλίες υπάρχουν στον Άγιο Ιωάννη, στο Μέρικα, στο Χάλακα και στο Μελό.


278

Στον πίν 9.1 παρουσιάζεται η μορφολογία του νησιού [6]. Όπως φαίνεται, επί συνόλου 45 χιλ.στρ., τα 26,6 χιλ.στρ. αντιστοιχούν σε κοινοτικούς βοσκότοπους (59,1 %), ενώ 13,7 χιλ.στρ. αντιστοιχούν σε ιδιωτικούς βοσκότοπους (30,4 %). Τα υπόλοιπα τμήματα καταλαμβάνουν πολύ μικρότερες εκτάσεις και παρουσιάζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 9.1: Μορφολογία της Πάτμου (km2)

ΑΝΑΓΛΥΦΟ Πεδι

νό

ΚΑΛΛΙΕΡΓ. Κ΄

ΑΓΡΑΝΑΠ.

3,2

ΚΟΙΝΟΤ.

ΒΟΣΚΟΤΟΠΟΙ

26,6

Ι∆ΙΩΤ. ΒΟΣΚΟΤΟΠΟΙ 13,7

∆ΑΣΗ 0,2

Υ∆ΑΤΑ 0,0

ΟΙΚΙΣΜΟΙ 1,4

ΑΛΛΕΣ 0.0

ΣΥΝΟΛΟ ΕΚΤΑΣΕΩΝ 45,1

Το οδικό σύστημα του νησιού είναι αρκετά καλό. Ξεχωρίζει ο κεντρικός δρόμος που διανύει σχεδόν όλο το νησί, από βορά προς νότο και συνδέει τον Κάμπο, τη Σκάλα, τη Χώρα και το Γροίκο καθώς και τα γύρω χωριά. Υπάρχουν επίσης μικρότεροι δρόμοι που καταλήγουν στους διάφορους όρμους του νησιού (βλέπε και εικ 9.2).

9.1.3 Κλιματολογικές συνθήκες Η Πάτμος, ανήκοντας στα Δωδεκάνησα, ακολουθεί και αυτή τις τυπικές ιδιομορφίες όλου αυτού του νησιώτικου σχηματισμού. Με λίγα λόγια, το κλίμα του νησιού είναι ήπιο, όλες τις εποχές του χρόνου. Αυτό έχει ως συνέπεια να επικρατούν ικανοποιητικές θερμοκρασίες τόσο το χειμώνα, όσο και το καλοκαίρι, κάτι που δημιουργεί ευχάριστες και άνετες συνθήκες διαβίωσης. Τα τελευταία χρόνια έγιναν προσπάθειες συλλογής διάφορων μετεωρολογικών στοιχείων που καθορίζουν τις κλιματολογικές συνθήκες ενός τόπου, όπως η θερμοκρασία, οι βροχοπτώσεις, η σχετική υγρασία, η ταχύτητα του ανέμου και η ηλιοφάνεια για τα Δωδεκάνησα. Χωρίς μεγάλο σφάλμα, μπορεί να υποτεθεί πως τα στοιχεία αυτά προσεγγίζουν ικανοποιητικά


279

τις αντίστοιχες τιμές για τη νήσο Πάτμο. Έτσι προέκυψε ο πίν 9.2 [7], όπου οι τιμές που εμφανίζονται είναι μέσες μηνιαίες, ενώ στο τέλος έχουν υπολογιστεί και οι τιμές για όλο το έτος.

Πραγματικά είναι φανερό από τα στοιχεία του πίν 9.2, πως οι κλιματολογικές συνθήκες του τόπου είναι αποδεκτές για όλο το φάσμα του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, η ηλιοφάνεια, μια και αυτό είναι το στοιχείο που ενδιαφέρει περισσότερο, αφού το αντικείμενο της παρουσίασης αυτής είναι η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας, παρουσιάζει ιδιαίτερα αυξημένα ποσοστά εμφάνισης. Έτσι παρατηρούμε πως το μήνα Ιούλιο επικρατεί ηλιοφάνεια 377 ώρες, ενώ τον Αύγουστο 356 και τον Ιούνιο 353. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός πως ακόμα και τον Ιανουάριο (140 ώρες) ή το Δεκέμβριο (142 ώρες) επικρατεί ηλιοφάνεια σχεδόν για το 19,5 % της συνολικής διάρκειας της μέρας, ενώ επί συνόλου του έτους (3.006 ώρες), το αντίστοιχο ποσοστό ανεβαίνει στο 43,5 %. Οι τιμές αυτές είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικές αν σκεφτεί κανείς πως το χειμώνα το μεγαλύτερο ποσοστό από τη ζητούμενη ενέργεια, καλύπτεται από τις συμβατικές πηγές ενέργειας, ενώ το καλοκαίρι το ποσοστό κάλυψης της ζητούμενης ενέργειας, από ανανεώσιμους πόρους, μπορεί να φτάσει και το 100 %.

Πίνακας 9.2: Ετήσια μετεωρολογικά δεδομένα της Πάτμου

Μήνας

Βροχοπτ

ώσεις

(Ώρες)

Θερμοκ

ρασία

( 0C )

Σχετικ

ή

υγρασί

α (%)

Άν

εμος

(

m/sec )

Ηλιοφ

άνεια

(

Ώρες )

Ιανουάριος 149,4 11,86 70,3

4,0

5 140

Φεβρο

υάριος 104,8 11,93 69 4,5 152

Μάρτιο

ς 72,9 13,72 68,9

4,5

2 206

Απρίλι

ος 22,3 16,5 66,5

4,8

1 244

Μάιος 18,5 20,44 64,1

4,6

4 308

Ιούνιος 2,4 24,71 57,5

5,6

8 353

Ιούλιος 0,3 26,97 57,2

6,3

6 377


280

Αύγου

στος 0,2 27,05 59,7

6,1

2 356

Σεπτέμ

βριος 6 24,66 61,3 5,2 302

Οκτώβ

ριος 63,4 20,87 67,4

3,5

6 246

Νοέμβ

ριος 94,5 16,41 71,2

3,3

3 181

∆εκέμβ

ριος 159,7 13,27 71,6 3,9 142

Ανά

έτος 694,4 19 65,4

4,7

2 3.006

Επίσης, όσον αφορά τις επικρατούσες θερμοκρασίες, αυτές χαρακτηρίζονται ικανοποιητικές (μέση ετήσια 19 0C). Πρέπει να τονιστεί πως η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα, είναι ιδιαίτερα σημαντικός παράγοντας για την απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη μια και επηρεάζει τις απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Εξάλλου στον πίν 9.2 παρουσιάζονται και οι μέσες μηνιαίες ταχύτητες του ανέμου (4,72 m/sec ετησίως) ως περαιτέρω ένδειξη για τις απώλειες του συλλέκτη συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι γνωστό πως η ταχύτητα του αέρα επηρεάζει άμεσα τις απώλειες συναγωγής του συλλέκτη και επομένως τη βέλτιστη λειτουργία του.

Ενεργειακά, ο ελλαδικός χώρος χωρίζεται σε επτά ζώνες, ανάλογα με τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας που παρουσιάζουν τα επί μέρους γεωγραφικά τμήματα (βλέπε εικ 9.3 [1]), ενώ στον πίν 9.3 [1] αναφέρονται αναλυτικά τα επίπεδα της μέσης ηλιακής ακτινοβολίας ανά ζώνη.


281

Εικόνα 9.3: Οι 7 ζώνες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας στον ελλαδικό χώρο.

Πίνακας 9.3: Επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα.

Ζ

ώνη

Μέση ηλιακή ακτινοβολία (GJ

/ m2·yr)

A > 5,94

B 5,76 – 5,94

C 5,58 – 5,76

D 5,4 – 5,58

E 5,22 – 5,4

F 5,04 – 5,22

G < 5,22

Η Πάτμος βάσει του πίν 9.3 ανήκει στη δεύτερη πιο κερδοφόρα, από άποψη ηλιακών κερδών, ζώνη της Ελλάδας, με μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία να κυμαίνεται μεταξύ 5,76 – 5,94 GJ/m2. Εξάλλου με τόπο μέτρησης τη Ρόδο (πρωτεύουσα των Δωδεκανήσων), τα ολικά ηλιακά κέρδη ανά έτος, φτάνουν τις 1.686 kWh/m2 ή 4,56 GWh σε όλη την έκταση των Δωδεκανήσων [1]. Όλα τα παραπάνω στοιχεία συγκλίνουν στο συμπέρασμα ότι η ευρύτερη περιοχή των Δωδεκανήσων και πιο συγκεκριμένα η Πάτμος, αποτελεί ιδανική επιλογή για ανάπτυξη ενεργειακών μοντέλων, που θα έχουν ως βάση τους τη χρήση ανανεώσιμων ενεργειακών πόρων και πιο συγκεκριμένα της «άφθονης» ηλιακής ακτινοβολίας, με γνώμονα τόσο την οικονομία στα συμβατικά καύσιμα, όσο και την προστασία του περιβάλλοντος.


282

9.1.4 Πληθυσμός - Απασχόληση Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη παράγραφο, το νησί της Πάτμου, αποτελείται κυρίως από τέσσερις οικισμούς (Πάτμος ή Χώρα, Σκάλα, Γροίκος και Κάμπος), με συνολικό πληθυσμό 2.715 κατοίκους (σύμφωνα με την απογραφή ΕΣΥΕ 1991).

Μεγαλύτερος από αυτούς είναι η Σκάλα με 1.442 κατοίκους, ακολουθεί η πρωτεύουσα του νησιού Πάτμος ή Χώρα με 670 κατοίκους. Το 80 % του πληθυσμού είναι συγκεντρωμένο σε αυτούς τους δύο οικισμούς. Στα νησιά Αρκοί έχουμε πληθυσμό 50 άτομα και στο Μαράθι 2. Στον πίν 9.4 [6] παριστάνεται η μεταβολή του πληθυσμού του νησιού από το 1961 μέχρι σήμερα (τελευταία απογραφή το 1991), ανά 10 χρόνια, ενώ η τάση της μεταβολής του πληθυσμού παρουσιάζεται στο διάγραμμα της εικ 9.4.

Πίνακας 9.4: Μεταβολή του πληθυσμού της Πάτμου

Έτος 1961 1971 1981 1991

Πληθυσμός 2.686 2.486 2.607 2.715

Μεταβολή (%) -7,4 4,9 4,2

Είναι φανερό πως από το 1971 και μετά, παρουσιάζεται μια σημαντική αύξηση του πληθυσμού (περίπου 4,5% ανά 10 χρόνια), κάτι που σημαίνει πως ο πληθυσμός ηλικιακά αναπτύσσεται. Το γεγονός αυτό είναι μια ένδειξη για περαιτέρω αύξηση και ανάπτυξη στο μέλλον.

Εικόνα 9.4: Τάση μεταβολής του πληθυσμού στην Πάτμου.

Επίσης, όσον αφορά το επίπεδο εκπαίδευσης που παρέχεται στην Πάτμο, σήμερα υπάρχουν 3 Νηπιαγωγεία, 3 Δημοτικά σχολεία, 1 Γυμνάσιο – Λύκειο και η Πατμιάδα σχολή, που είναι εκκλησιαστικό Γυμνάσιο – Λύκειο. Περίπου σε όλες τις βαθμίδες φοιτούν σήμερα 500 μαθητές.

Στον εργατικό τομέα τώρα, σύμφωνα με στοιχεία της απογραφής του 1991, το εργατικό δυναμικό ανέρχεται στα 976 άτομα. Από αυτά τα 46 δήλωσαν άνεργοι. Στον πίν 9.5 [6] υπάρχει η κατανομή του εργατικού δυναμικού ανά τομέα απασχόλησης.

Πίνακας 9.5: Κατανομή εργατικού δυναμικού στην Πάτμο, 1991

Τομέας Απασχόλησης Άτομα

Α' γενής 146


283

Β' γενής 260

Γ' γενής 505

Δεν δήλωσαν 19

Άνεργοι 46

Σύνολο 9

76

Ο τριτογενής τομέας υπερέχει αισθητά, μια και απασχολεί 505 άτομα επί συνόλου 976 ατόμων (51,7 %), ακολουθεί ο δευτερογενής τομέας με 260 άτομα (26,64 %) και τέλος ο πρωτογενής τομέας με 146 άτομα (14,96 %). Επίσης 46 άτομα δήλωσαν άνεργοι (4,7 %), ενώ 19 άτομα δεν απάντησαν.

Πιο αναλυτικά τώρα, στον πρωτογενή τομέα, κυριαρχεί η γεωργία, ενώ σημαντική θέση έχει και η αλιεία. Οι αρδευόμενες γεωργικές εκτάσεις βρίσκονται κυρίως στην περιοχή του Κάμπου και στις Λεύκες. Στον πίν 9.6 [13] της επόμενης σελίδας υπάρχουν οι καλλιέργειες (σε στρέμματα) για τα διάφορα γεωργικά είδη, σύμφωνα με στοιχεία της Γεωργικής Στατιστικής για το έτος 1995. Οι συνολικές καλλιεργήσιμες εκτάσεις φτάνουν τα 287 στρ., ενώ η συνολική γεωργική έκταση ανέρχεται σε 3.200 στρ. Είναι φανερό πως καλλιεργείται ένα μικρό ποσοστό της γης, μόλις 9 %.

Πίνακας 9.6: Οι καλλιέργειες στην Πάτμο, 1995

Καλλιέργειες Στρέμματα

Εσπεριδοειδή 25

Τομάτες - Αγγούρια 63

Πατάτες 55

Πεπονοειδή 34

Κηπευτικά διάφορα 97

Θερμοκήπια κηπευτικών 13

Σύνολο 287

Όσον αφορά τον τομέα της αλιείας τώρα, τα διαθέσιμα στοιχεία είναι λιγοστά. Η ποσότητα των αλιευμάτων που αλιεύθηκαν με κωπηλάτες λέμβους για το έτος 1992 ήταν 40 tn., ενώ οι ψαράδες ανέρχονται στους 138.

Στον δευτερογενή τομέα τώρα, όπως συμβαίνει σε όλα τα νησιά της Δωδεκανήσου, η ανάπτυξη είναι ελάχιστη. Στο νησί υπάρχουν 3 εργαστήρια Κεραμικής και ένα Λαϊκής τέχνης.

Από την άλλη, στον τριτογενή τομέα, όπου απασχολείται και το μεγαλύτερο μέρος του εργατικού δυναμικού, κυρίαρχο ρόλο κατέχει ο τουρισμός. Σύμφωνα με τα επίσημα στοιχεία του Ελληνικού Οργανισμού Τουρισμού υπάρχουν 41 ξενοδοχειακές μονάδες συνολικής δυναμικότητας 1.744 κλινών. Επίσης υπάρχουν 133 μονάδες ενοικιαζόμενων δωματίων συνολικής δυναμικότητας 1.065 κλινών. Η τουριστική περίοδος διαρκεί από το Μάιο μέχρι τον Σεπτέμβριο. Το 1996 οι αφίξεις ήταν 11.650, ενώ οι αντίστοιχες για το 1997 έφτασαν τις 13.907 με πρώτους επισκέπτες (για το 1996) τους Έλληνες (7.133), δεύτεροι ακολουθούν οι Γερμανοί (1.208) και τρίτοι οι Ιταλοί (643). Οι διανυκτερεύσεις το 1996 έφτασαν τις 44.065, ενώ το 1997 τις 53.434. Σήμερα στο νησί υπάρχουν πολλά τουριστικά καταστήματα, εστιατόρια, καφενεία, που εξυπηρετούν τους επισκέπτες.


284

9.2 Ενεργειακό σκηνικό Δωδεκανήσων Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστούν οι ενεργειακές απαιτήσεις των Δωδεκανήσων, τόσο ανά μορφή καυσίμου και ενέργειας, όσο και ανά τομέα. Τα διαθέσιμα στοιχεία είναι από προηγούμενα έτη (Περιφερειακό Γραφείο Ενέργειας Δωδεκανήσων), αλλά θα χρησιμοποιηθούν αφού δεν υπάρχει νεότερη πηγή πληροφόρησης. Επίσης πρέπει να τονιστεί πως επειδή ακριβώς τα στοιχεία αφορούν γενικά το σύνολο των Δωδεκανήσων, στη συνέχεια θα γίνει μια αναγωγή, βάση του πληθυσμού της Πάτμου. Για αυτό το λόγο παρουσιάζονται τα στοιχεία του πίν 9.7 που αφορούν τις πληθυσμιακές μεταβολές στα Δωδεκάνησα ανά νησί και συνολικά, από το 1951 μέχρι το 1991 [7]. Σύμφωνα με τα στοιχεία του πίν 9.7, θα προκύψει μια τάση μεταβολής του πληθυσμού για τα αμέσως προσεχή έτη, βάσει της οποίας θα εκτιμηθούν και οι ενεργειακές απαιτήσεις. Επόμενο βήμα θα είναι η διαστασιολόγηση των ηλιακών ενεργειακών συστημάτων, με γνώμονα πάντα το βέλτιστο συνδυασμό χρήσης ηλιακής και συμβατικής μορφής ενέργειας και με στόχο την ετήσια κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του νησιού της Πάτμου.

9.2.1 Κατανάλωση Ενέργειας Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα της εικ 9.5 [7], η ηλεκτρική ενέργεια (25,2 %), το ντίζελ (32,4 %) και η βενζίνη (33,6 %) αποτελούν τις βασικότερες πηγές κατανάλωσης ενέργειας στα Δωδεκάνησα.

Το ντίζελ και τα βαριά καύσιμα παράγουν όλη την ηλεκτρική ενέργεια. Είναι αναγκαίο λοιπόν, να ερμηνευτεί η απαίτηση σε ηλεκτρικό ρεύμα σαν απαίτηση κυρίως σε ντίζελ, αλλά και βαριά καύσιμα. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό το γεγονός πως τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται εισάγονται στην Ελλάδα από εξωτερικές πηγές. Ένα μακρυπρόθεσμο πλάνο το οποίο θα έχει ως σκοπό την αύξηση της συνεισφοράς από τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας είναι δυνατό να δημιουργήσει οικονομίες και κοινωνίες ουσιαστικά αυτόνομες.

Αναλυτικά λοιπόν, ο ηλεκτρισμός καταλαμβάνει το 25,2 %, το ντίζελ το 32,4 %, η βενζίνη το 33,6 %, η βιομάζα το 4,1 %, η ηλιακή ενέργεια το 2,9 %, το φυσικό αέριο το 1,5 % και τέλος τα βαριά καύσιμα το 0,3 %. Η συνολικά απαιτούμενη ενέργεια για το έτος 1992 φτάνει τα 6.873 TJ. Από τον πίν 3.7 υπολογίζεται πως ο πληθυσμός της Πάτμου, που για το έτος 1991 ήταν 2.715 κάτοικοι, αντιστοιχεί στο 1,66 % του συνολικού πληθυσμού των Δωδεκανήσων (163.476). Θεωρώντας, χωρίς μεγάλο σφάλμα πως το ποσοστό αυτό δεν αλλάζει σημαντικά για ένα χρονικό ορίζοντα δέκα ετών, προκύπτει πως οι ενεργειακή κατανάλωση της Πάτμου για το έτος 1992 έφθασε τα 114,15 TJ. Σε επόμενη παράγραφο θα υπολογιστούν οι ενεργειακές ανάγκες της Πάτμου σε ηλεκτρικό ρεύμα για κάποιο μελλοντικό χρόνο αναφοράς και οι τιμές που θα προκύψουν θα χρησιμοποιηθούν αργότερα για τη μελέτη και τη διαστασιολόγηση των ενεργειακών συστημάτων που θα αναπτυχθούν. Επίσης γίνεται η εκτίμηση πως τα ποσοστά καταναλώσεων ανά μορφή ενέργειας και καυσίμου παραμένουν (ουσιαστικά) αμετάβλητα, τόσο για το σύνολο των Δωδεκανήσων, όσο και για την Πάτμο.

Πίνακας 9.7: Οι πληθυσμιακές μεταβολές στα Δωδεκάνησα ανά νησί

Α

/Α ΝΗΣΙ

19

51

1

961

1

971

1

981

1

991

ΜΕΤΑ

ΒΟΛΗ

81- 91

(%)

1 ΡΟ∆ΟΣ 59

.087

6

3.954

6

6.609

8

7.833

9

8.181

11,9

2 ΜΕΓΙΣΤΗ 58 4 2 2 2 23,8


285

4 81 68 22 75

3 ΣΥΜΗ 4.

003

3

.126

2

.497

2

.273

2

.332

2,6

4 ΧΑΛΚΗ 62

1

5

23

3

87

3

34

2

81

-15,8

5 ΤΗΛΟΣ 1.

052

7

89

3

49

3

01

2

79

-7,3

6 ΚΩΣ 19

.076

1

8.187

1

6.650

2

0.350

2

6.379

29,6

7 ΝΙΣΥΡΟΣ 2.

327

1

.800

1

.289

9

84

9

29

-5,5

8 ΚΑΛΥΜΝΟ

Σ

13

.712

1

4.249

1

3.281

1

4.457

1

5.842

9,6

9 ΑΣΤΥΠΑΛΑ

ΙΑ

1.

807

1

.558

1

.146

1

.034

1

.073

0,4

1

0

ΛΕΙΨΟΙ 88

5

7

24

5

97

5

74

6

06

5,5

1

1

ΛΕΡΟΣ 7.

075

6

.626

8

.512

8

.136

8

.061

-0,9

1

2

ΠΑΤΜΟΣ 2.

731

2

.686

2

.486

2

.607

2

.715

4,1

1

3

ΑΓΑΘΟΝΗ

ΣΙ

19

6

1

89

1

60

1

33

1

12

-15,8

1

4

ΚΑΡΠΑΘΟ

Σ

6.

970

6

.707

5

.433

4

.649

5

.323

14,5


286

1

5

ΚΑΣΟΣ 1.

396

1

.422

1

.353

1

.184

1

.088

-8,1

ΣΥΝΟΛΙΚΑ 12

1.522

1

23.021

1

21.017

1

45.071

1

63.476

12,7

Εικόνα 9.5: Πηγές κατανάλωσης ενέργειας, Δωδεκάνησα 1992

Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ενεργειακή κατανάλωση ανά οικονομικό τομέα για τα Δωδεκάνησα (εικ 9.6) [7] και θεωρείται πως η κατανομή αυτή εκφράζει σε ικανοποιητικό βαθμό και το νησί της Πάτμου.

Έτσι λοιπόν προκύπτει πως ο τομέας μεταφορών υπερέχει αισθητά, καταλαμβάνοντας το 57 % (65 TJ), ακολουθούν οι καταναλώσεις κατοικιών με 18 % (20,55 TJ), τα ξενοδοχεία 9 % (10,27 TJ), ο τομέας

εμπορίου με 6 % (6,89 TJ), η βιομηχανία με 5 % (5,7 TJ), ο δημόσιος τομέας με 3 % (3,42 TJ) και τέλος η γεωργία με 2 % (2,28 TJ).

Eικόνα 9.6: Ενεργειακή κατανάλωση ανά οικονομικό τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992

Κατανάλωση Ντίζελ

Η συνολικά καταναλισκόμενη ενέργεια από χρήση ντίζελ για το1992 σε όλα τα ∆ωδεκάνησα,

έφτασε τα 2.227 ΤJ (37 TJ μόνο για την Πάτμο).Είναι φανερό από το διάγραμμα της εικ 9.7 [7],

πως το ντίζελ καταναλώνεται κυρίως στον τομέα μεταφορών (77 %), ενώ ακολουθεί με μεγάλη


287

διαφορά η οικιακή χρήση (10 %), η γεωργία και τα ξενοδοχεία (4 %), η βιομηχανία και ο δημόσιος

τομέας (2 %) και το εμπόριο (1 %). Η κατανάλωση σε ντίζελ τα τελευταία χρόνια, αυξάνεται

ραγδαία κυρίως λόγω της ευρείας εισαγωγής αυτοκινήτων, καθώς και νέων συσκευών θέρμανσης.

Eικόνα 9.7: Κατανάλωση ντίζελ ανά οικονομικό τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992

Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας

Ο ηλεκτρισμός είναι μία από τις κυριότερες μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται στα

∆ωδεκάνησα, όπως φαίνεται και στην εικ 9.5. Μια πιο γενική εικόνα της κατανάλωσης ηλεκτρικής

ενέργειας για οικιακή, βιομηχανική και για άλλες χρήσεις, από το 1990 έως το 1996, παρουσιάζεται

στην εικ 9.8 [7].

Οι άλλες χρήσεις αναφέρονται στον εμπορικό τομέα, τα ξενοδοχεία, τη γεωργία, τα δημόσια

κτίρια και τους δρόμους. Είναι φανερό πως η κατανομή κατανάλωσης ηλεκτρισμού δεν έχει

μεταβληθεί σημαντικά μέσα σε αυτά τα χρόνια. Αντιθέτως, εμφανίζεται μια ραγδαία αύξηση στην

κατανάλωση από το 1990 μέχρι το 1996, όπως παρουσιάζεται στο διάγραμμα της εικ 9.8. Η

αύξηση αυτή έχει τρεις πτυχές. Η μεγαλύτερη αύξηση εμφανίζεται στις άλλες χρήσεις, και οφείλεται

στην αύξηση του τουρισμού. Η κατανομή της κατανάλωσης ηλεκτρικού ρεύματος στους διάφορους

οικονομικούς τομείς (εικ 9.9 [7]) δείχνει πως ο οικιακός τομέας καταναλώνει το μεγαλύτερο

ποσοστό (36,2 %) με το εμπόριο να ακολουθεί (24,6 %) και τα ξενοδοχεία (22,7%).


288

Eικόνα 9.8: Κατανομή ηλεκτρικής κατανάλωσης, ∆ωδεκάνησα 1990 – 1996

Eικ 9.9: Κατανομή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ανά τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992

Αν κάποιος αναλογιστεί το γεγονός πως τα ξενοδοχεία λειτουργούν μόνο κατά τη μισή

περίοδο του χρόνου, γίνεται αντιληπτό ότι μια πιο λεπτομερής εξέταση της ενεργειακής χρήσης στα

ξενοδοχεία, καθώς και η καθιέρωση συγκεκριμένων μέτρων αντιμετώπισης θα μπορούσε να

ελαττώσει σημαντικά την απαιτούμενη ενέργεια. Στο διάγραμμα της εικ 9.10 [7] παρουσιάζεται η

κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος στο νησί της Πάτμου για το έτος 1998 και για κάθε μήνα

χωριστά.

Είναι φανερό από το διάγραμμα της εικ 9.10 πως τους καλοκαιρινούς μήνες η ζήτηση

ηλεκτρικού ρεύματος σχεδόν διπλασιάζεται. Αυτή η παράμετρος πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη

κατά τη διαστασιολόγηση των συστημάτων, έτσι ώστε να καλύπτεται σε μεγάλο ποσοστό η

προβλεπόμενη ζήτηση από μη συμβατικές πηγές, εν προκειμένω ηλιακή ακτινοβολία.


289

Εικόνα 9.10: Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, Πάτμος 1998.

Οικιακή κατανάλωση

Η ενεργειακή κατανάλωση στον οικιακό τομέα κατανέμεται ανάμεσα σε ηλεκτρισμό, ντίζελ, βιομάζα, φυσικό αέριο και ηλιακή ενέργεια, με το ηλεκτρικό ρεύμα να είναι η βασικότερη ενεργειακή πηγή. Στον πίν 9.8 [7] αναφέρονται αναλυτικά οι διάφορες καταναλώσεις, καθώς και η ξεχωριστή χρήση τους σε διάφορους τομείς (μαγείρεμα, θέρμανση χώρων, ζεστό νερό, ψύξη, και διάφορες άλλες χρήσεις).

Τα στοιχεία που δίνονται αφορούν το έτος 1992, ενώ στην εικ 9.11 [7] παριστάνεται η κατανομή των διάφορων μορφών ενέργειας που χρησιμοποιούνται για οικιακή χρήση. Αναλυτικά λοιπόν, από ηλεκτρική χρήση καταναλώνονται 610 TJ (49,7 %) για όλες τις χρήσεις, από βιομάζα 276 TJ (22,5 %) για μαγείρεμα, θέρμανση και ζεστό νερό, από χρήση ντίζελ 217 TJ (17,7 %) για θέρμανση, από χρήση φυσικού αερίου 97 TJ (7,9 %) για μαγείρεμα και θέρμανση και από χρήση ηλιακής ενέργειας 27 TJ (2,2 %) για ζεστό νερό, σύνολο δηλαδή 1.227 TJ.

Πίνακας 9.8: Κατανάλωση των διάφορων ενεργειακών πηγών για οικιακή χρήση, Δωδεκάνησα 1992

Χρήση Ηλεκτρ

ισμός

Ν

τίζελ

Βι

ομάζα

Φυσικό

αέριο

Ή

λιος

Συνολικ

ά (TJ)

Μαγείρεμα 78 - 14 84 - 176

Θέρμανση χώρων 101 2

17

25

6

13 - 587

Ζεστό νερό 111 - 6 - 2

7

144


290

Ψύξη 22 - - - - 22

Διάφ. Ηλεκτρ. Xρήσεις 298 - - - - 298

Συνολικά 610 2

17

27

6

97 2

7

1.227

Εικόνα 9.11: Κατανομή οικιακής κατανάλωσης, ανά μορφή ενέργειας, Δωδεκάνησα 1992

Η κατανομή της ενεργειακής κατανάλωσης στον οικιακό τομέα, δείχνει πως ένα μεγάλο ποσοστό καταναλώνεται στη θέρμανση χώρων (εικ 9.12 [7]). Αυτή είναι μια εποχιακή ανάγκη (εικ 9.14) [7], η οποία μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τον κατάλληλο σχεδιασμό. Η θέρμανση νερού αντιστοιχεί στο 12 % της απαιτούμενης ενέργειας με μια υψηλή απαίτηση το χειμώνα (εικ 9.13 [7]), όπου ο πληθυσμός εμφανίζεται αισθητά μικρότερος σε σχέση με το καλοκαίρι, όπου υπάρχει μεγάλη εισροή τουριστών.

Εικόνα 9.12: Κατανομή οικιακής κατανάλωσης ενέργειας, ανά χρήση, Δωδεκάνησα 1992


291

Εικόνα 9.13: Ενεργειακή κατανάλωση για οικιακή θέρμανση νερού, Δωδεκάνησα 1992.

Εικόνα 9.14: Ενεργειακή κατανάλωση για οικιακή θέρμανση χώρων, Δωδεκάνησα 1992.

Γεωργία

Η ενέργεια που χρησιμοποιείται στον τομέα της γεωργίας ή αλλιώς στον πρωτογενή τομέα, αποτελεί μόνο το 2 % της ολικής ενεργειακής κατανάλωσης, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Αναλυτικά, κατανέμεται 85 % στην άρδευση και το πότισμα, 12 % στη λειτουργία των διάφορων μηχανημάτων και 3 % στη θέρμανση χώρων. Στην εικ 9.15 [7] παρουσιάζεται η παραπάνω κατανομή.


292

Εικόνα 9.15: Κατανάλωση ενέργειας στη γεωργία, ∆ωδεκάνησα 1992

Τριτογενής τομέας

Ο τριτογενής τομέας περιλαμβάνει το εμπόριο, το δημόσιο τομέα (σχολεία, νοσοκομεία, δημόσιες υπηρεσίες) και τον τουρισμό. Οι ενεργειακές απαιτήσεις στον τομέα αυτό φθάνουν το 18 % της ολικά απαιτούμενης ενέργειας, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Η μισή ενέργεια χρησιμοποιείται στα ξενοδοχεία (50 %), ενώ 34 % καταναλώνεται στον τομέα του εμπορίου και 16 % στο δημόσιο τομέα. Τα παραπάνω στοιχεία παριστάνονται στην εικ 9.16 [7].

Εικόνα 9.16: Κατανάλωση ενέργειας στον τριτογενή τομέα, Δωδεκάνησα 1992

Είναι προφανές πως οι αιχμές κατανάλωσης εμφανίζονται τους καλοκαιρινούς μήνες, μια και σχεδόν όλα τα ξενοδοχεία δεν λειτουργούν κατά τη χειμερινή περίοδο.

Τομέας εμπορίου

Η ενέργεια που καταναλώνεται στον τομέα του εμπορίου κατανέμεται κυρίως στη θέρμανση χώρων και τη ψύξη. Αποτελεί το 6 % της ολικής ενέργειας (εικ 9.6) και έχει καθαρά εποχιακό χαρακτήρα, όπως φαίνεται και στις εικ 9.17/9.18 [7].


293

Eικόνα 9.17: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση χώρων (τομέας εμπορίου), Δωδεκάνησα 1992

Eικόνα 9.18: Κατανάλωση ενέργειας για ψύξη (τομέας εμπορίου), ∆ωδεκάνησα 1992

Ξενοδοχεία

Στη συντριπτική τους πλειοψηφία τα ξενοδοχεία λειτουργούν τη μισή περίοδο του χρόνου. Η συνεισφορά των ξενοδοχείων στην ολική κατανάλωση ενέργειας φθάνει το 9 % (εικ 9.6). Η ενέργεια που καταναλώνεται στα ξενοδοχεία, κατανέμεται στη θέρμανση νερού (εικ 9.19 [7]), την ψύξη, το φωτισμό και τη θέρμανση χώρων.

Eικονα 9.19: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση νερού (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992


294

Η ζήτηση φθάνει το μέγιστο κατά τον Αύγουστο, όπου η τουριστική κίνηση βρίσκεται στο αποκορύφωμα. Η ενεργειακή πηγή για την κάλυψη των αναγκών, είναι κυρίως ο ηλεκτρισμός αλλά και η ηλιακή ενέργεια. Η συνεισφορά της ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να ήταν πολύ μεγαλύτερη με την τοποθέτηση επιπλέον συστοιχιών ηλιακών συλλεκτών. Η κατανάλωση ενέργειας λόγω ψύξης και φωτισμού έχει την ίδια εποχιακή συμπεριφορά με αυτή της θέρμανσης νερού (εικ 9.20/9.21 [7]) και παρέχεται αποκλειστικά από τον ηλεκτρισμό.

Eικόνα 9.20: Κατανάλωση ενέργειας για ψύξη (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992.

Eικόνα 9.21: Κατανάλωση ενέργειας για φωτισμό (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992


295

Eικόνα 9.22: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση χώρων (ξενοδοχεία), ∆ωδεκάνησα 1992

Η συνεισφορά της ενέργειας που καταναλώνεται για θέρμανση χώρων στην ολική κατανάλωση ενέργειας των ξενοδοχείων δεν είναι σημαντική και περιορίζεται στους χειμερινούς μήνες (εικ 9.22 [7]).

Δημόσιος τομέας

Ο δημόσιος τομέας συνεισφέρει κατά 3 % περίπου (203 TJ) στην ολική ενεργειακή κατανάλωση. Οι διαφορετικές περιοχές που συνεισφέρουν στην κατανάλωση αυτή παρουσιάζονται στην εικ 9.23 [7]. Τα σχολεία και τα νοσοκομεία, όπως ειπώθηκε και παραπάνω, είναι οι κύριοι καταναλωτές ενέργειας στο δημόσιο τομέα. Η ενέργεια αυτή καταναλώνεται κυρίως στη θέρμανση χώρων και το φωτισμό.

Eικόνα 9.23: Κατανάλωση ενέργειας στο δημόσιο τομέα, ∆ωδεκάνησα 1992


296

Όσον αφορά στη θέρμανση χώρων, αυτή παρουσιάζει μέγιστη ζήτηση το χειμώνα (εικ 9.24 [7]).

Eικόνα 9.24: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση χώρων στο δημόσιο τομέα, Δωδεκάνησα 1992.

Η ενεργειακή ζήτηση για θέρμανση νερού είναι σχετικά χαμηλή (εικ 9.25 [7]) και έχει την ίδια περίπου εποχιακή συμπεριφορά.

Eικόνα 9.25: Κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση νερού στα νοσοκομεία, Δωδεκάνησα 1992

Μεταφορές


297

Οι μεταφορές αποτελούν τη μεγαλύτερη πηγή κατανάλωσης ενέργειας στα Δωδεκάνησα. Συνεισφέρουν κατά 57 % στην ολική κατανάλωση ενέργειας, όπως φαίνεται και στην εικ 9.6. Η βενζίνη αποτελεί το βασικό καύσιμο και χρησιμοποιείται σε ποσοστό 57 %, ενώ το υπόλοιπο 43 % προέρχεται από χρήση ντίζελ. Στην εικ 9.26 [7] παριστάνεται η παραπάνω κατανομή για το έτος 1992.

Eικόνα 9.26: Κατανάλωση ενέργειας ανά μορφή καυσίμου (μεταφορές), Δωδεκάνησα 1992

Βιομηχανία

Ο τομέας της βιομηχανίας δεν είναι ιδιαίτερα αναπτυγμένος στα Δωδεκάνησα. Η κατανομή της ενεργειακής κατανάλωσης για το έτος 1994 (πίν 9.9 [7]), δείχνει πως το μεγαλύτερο τμήμα της ενέργειας καταναλώνεται στην παραγωγή αναψυκτικών. Ο πίν 9.9 παρουσιάζει το σύνολο των βιομηχανιών στα Δωδεκάνησα τόσο κατά είδος, όσο και κατά αριθμό. Επίσης στον ίδιο πίνακα φαίνονται οι καταναλώσεις (tn) σε πετρέλαιο, ντίζελ και νερό, καθώς και σε ηλεκτρική ενέργεια (kWh).

Πίνακας 9.9: Ενεργειακή κατανάλωση στη Βιομηχανία, Δωδεκάνησα 1994

Bιομηχανία (παραγωγή)Αρ

ιθμός

Ηλεκτρ

ισμός

(kWh)

Πετρ

έλαιο

(tn)

Ν

τίζελ

(t

n)

Ν

ερό

(

tn)

Κρασί 1 640.00

0

140 0 0


298

Μεταλλικό νερό /

Αναψυκτικά

2 1.325.5

00

119.

250

0 3

8.354

Ρούχα (Ραπτική) 1 405.28

0

0 1

74

1

7.363

Ασβέστης 1 342.85

0

606 1

10

2

0.000

Γύψος 1 0 0 6

76

0

Οικοδομικά παράγωγα

τσιμέντου

1 19.000 0 4

9.000

1

.500

Γενικά παράγωγα

τσιμέντου

1 500.00

0

0 4

73.000

0

Μεταλλικές κατασκευές 1 35.000 0 0 0

Κατασκευή κοσμημάτων 1 128 0 0 0

9.2.2 Εναλλακτικές λύσεις Στις προηγούμενες παραγράφους παρουσιάστηκαν κάποια στοιχεία για τις ενεργειακές ανάγκες των

Δωδεκανήσων, καθώς και οι τρόποι κάλυψης των ενεργειακών αυτών αναγκών, κυρίως με συμβατικές πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια παραθέτεται ένα πλάνο για πιθανή αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων, από ανανεώσιμες πηγές. Η αντικατάσταση αυτή είναι συνάρτηση κυρίως του είδους της χρήσης, για την οποία

μελετάται αντικατάσταση, αλλά και του τύπου καυσίμου προς αντικατάσταση. Ο πίν 9.10 [7] αντιπροσωπεύει μια αρχική ανάλυση για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν συμβατικές μορφές ενέργειας οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα και αφορά την

ευρύτερη περιοχή των Δωδεκανήσων. Πιο αναλυτικά τώρα, στον πίν 9.10 αναφέρονται οι διάφοροι τομείς κατανάλωσης ενέργειας (οικιακός 1.227 TJ, γεωργίας 122 TJ, βιομηχανίας 344 TJ, μεταφορές 3.909 TJ, εμπορίου 430 TJ, δημοσίου 198 TJ και ξενοδοχείων 643 TJ, σύνολο 6.873 TJ), ενώ παρουσιάζονται

αναλυτικά οι ενεργειακές καταναλώσεις για τις διάφορες χρήσεις του εκάστοτε τομέα για το έτος 1992. Ο οικιακός τομέας για παράδειγμα, περιλαμβάνει χρήσεις όπως το μαγείρεμα, τη θέρμανση χώρων και νερού, τη ψύξη και διάφορες άλλες ηλεκτρικές εφαρμογές, η βιομηχανία ζήτηση σε θερμότητα και ηλεκτρικό ρεύμα και η γεωργία τη θέρμανση θερμοκηπίων, την άρδευση και τις καλλιέργειες. Είναι κατανοητό πως όλες αυτές οι πηγές κατανάλωσης συμβατικών μορφών ενέργειας δεν είναι δυνατό να τροποποιηθούν έτσι ώστε να εφαρμοστούν τεχνικές χρησιμοποίησης ανανεώσιμων ενεργειακών πόρων, στον ίδιο βαθμό. Η

μελέτη έδειξε πως τόσο η ηλιακή ενέργεια, όσο και η γεωθερμία, μαζί με τη βιομάζα και την καύση ξύλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ικανοποιητικό βαθμό για διάφορες χρήσεις. Στον αμέσως επόμενο πίνακα (πίν 9.11 [7]), παρουσιάζονται οι ίδιες καταναλώσεις, αυτή τη φορά όμως ανά μορφή ενέργειας, για το έτος

1992. Επειδή αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ηλιακή ενέργεια και οι εκτεταμένες εφαρμογές που αυτή μπορεί να έχει στο μέλλον, θα τονιστούν κυρίως οι δυνατότητες χρήσης αυτής της μορφής ενέργειας στους διάφορους τομείς. Γίνεται κατανοητή από τον πίν 9.10, η μεγάλη δυνατότητα εφαρμογής ηλιακών


299

συστημάτων στο σύνολο των διαφόρων χρήσεων, μια και τα θερμικά ηλιακά συστήματα (θερμοσίφωνα), μαζί με τα φωτοβολταϊκά μπορούν να καλύψουν σε μεγάλο βαθμό τις ενεργειακές απαιτήσεις. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, όταν θα γίνει προσπάθεια να ποσοτικοποιηθούν οι ενεργειακές ανάγκες ειδικότερα της Πάτμου, κυρίως σε ηλεκτρικό ρεύμα και ζεστό νερό, θα γίνουν κατανοητές οι διαδικασίες επιλογής και

διαστασιολόγησης των διαφόρων ενεργειακών συστημάτων.

Πίνακας 9.10: Δυνατότητα χρήσης των ΑΠΕ στα Δωδεκάνησα (1992)

Τομέας

Κατανάλ

ωση

(TJ)

Ή

λιος

Φωτοβολ

ταϊκά

Βι

ομάζα

Κ

αύση

ξύλων

Γεωθ

ερμία

ΚΑΤΟΙΚΙΕΣ 1.227

Μαγείρεμα 176 * *

Θέρμανση

χώρων

587 * *

Ζεστό νερό 144 * *

Ψύξη 22 *

∆ιάφορες

ηλεκτρ.

χρήσεις

298 *

ΓΕΩΡΓΙΑ 122

Θέρμανση

θερμοκηπίων

4 * * *

Άρδευση

Θερμοκηπίων

3 * *

Καλλιέργειες 115 * *

ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ 344

Ηλεκτρισμός 88 *


300

Θερμότητα 256 * *

ΜΕΤΑΦΟΡΕΣ 3.909

ΕΜΠΟΡΙΟ 430

Θέρμανση

χώρων

16 * *

Φωτισμός 214 *

Ψύξη 200 * *

ΔΗΜΟΣΙΟ 198

Θέρμανση

χώρων

37 * *

Θέρμανση

νερού

1 *


Ψύξη 2 *

∆ημοτικός

φωτισμός

45 *

∆ιάφορες

χρήσεις

83 *

ΞΕΝΟΔΟΧΕΙΑ 643

Θέρμανση

χώρων

6 * *


Ψύξη 9 *


301

Θέρμανση

νερού

570 *

ΣΥΝΟΛΙΚΑ 6.873

9.2.3 Μοντέλο υπολογισμού ηλεκτρικής κατανάλωσης στο μέλλον Η κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος για οικιακή, βιομηχανική και άλλες χρήσεις από το έτος 1990 έως το 1996 (βλέπε και εικ 9.8), δείχνει πως η κατανομή της ηλεκτρική κατανάλωσης δεν έχει μεταβληθεί ιδιαίτερα μέσα σε αυτά τα χρόνια. Οι άλλες χρήσεις αναφέρονται στο εμπόριο, τα ξενοδοχεία, τη γεωργία και το δημόσιο τομέα (υπηρεσίες, δρόμοι, κλπ).

Η ολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αντίθετα, έχει δείξει μια σταθερή αύξηση από το 1981 μέχρι το 1996 με μέσο ετήσιο ρυθμό 8,15 %. Η μεγαλύτερη συνεισφορά στην αύξηση αυτή, είναι από τις «άλλες χρήσεις», εξαιτίας της αύξησης του τουρισμού (κατά μέσο όρο 9,43 % ετησίως). Ακολουθεί η οικιακή κατανάλωση με μέση αύξηση 7,16 % και η βιομηχανική κατανάλωση με 3,67 %.

Ο λόγος μεταβολής της ετήσιας ηλεκτρικής κατανάλωσης μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ του 1981 και του 1996 για τις τρεις χρήσεις και ιδιαίτερα για τη βιομηχανική, αλλά παραμένει πάντα θετικός για τις ολικές ανάγκες, κάτι που αποδεικνύει τη συνεχή αύξηση στις απαιτήσεις σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Με σκοπό να εκτιμηθούν οι μελλοντικές ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα, είναι λογικό να υποτεθεί ότι ο λόγος μεταβολής της ετήσιας ηλεκτρικής κατανάλωσης θα μειωθεί (βλέπε και εικ 9.27 [7], περίοδος ΄93 -΄96), κάτι που θα οδηγήσει σε πιθανό κορεσμό.

Eικόνα 9.27: Ρυθμός μεταβολής ηλεκτρικής κατανάλωσης, ∆ωδεκάνησα 1981 – 1995

Ο υπολογισμός της μελλοντικής κατανάλωσης σε ηλεκτρικό ρεύμα [7] μπορεί να γίνει βάσει της παρακάτω συνάρτησης, η οποία δεν αυξάνει ανεξέλεγκτα.

DH (t) = trDDD

DD

exp00

0 (Σ 9.1)


302

Όπου: DH (t), η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t

0D , η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t = 0

D , η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση το έτος t

r , ο λόγος μεταβολής

Οι τιμές των παραπάνω μεταβλητών καθορίζονται με τη μέθοδο παλινδρόμησης. Ο καθορισμός των παραπάνω μεταβλητών πραγματοποιήθηκε για κάθε χρήση χωριστά (οικιακή, βιομηχανική, και άλλες), χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Levenberg-Marquardt. Τα αποτελέσματα παριστάνονται στο διάγραμμα της εικ 9.28 [7].

Πίνακας 9.11: Κατανάλωση ενέργειας, Δωδεκάνησα 1992 (TJ)

Τομέας Ηλεκτρ

ισμός

Ν

τίζελ

Β

ενζίνη

Βι

ομάζα

Φ

υσικό

Αέριο

Ή

λιος

Βα

ριά

Καύσιμα

Συνολικά

ΚΑΤΟΙΚΙ

ΕΣ

610 2

17

27

6

9

7

2

7

1.2

27

Μαγείρεμ

α

78 14 8

4

17

6

Θέρμανσ

η χώρων

101 2

17

25

6

1

3

58

7

Ζεστό

νερό

111 6 2

7

14

4

Ψύξη 22 22

∆ιάφ.ηλεκ

τρ.χρ.

298 29

8

ΓΕΩΡΓΙΑ 29 8

9

4 12

2

Θέρμανσ

η θερμοκηπίων

4 4


303

Άρδευση

θερμοκηπίων

3 3

Καλλιέργε

ιες

26 8

9

11

5

ΒΙΟΜΗΧ

ΑΝΙΑ

88 4

6

1

89

21 34

4

Ηλεκτρισ

μός

88 88

Θερμότητ

α

4

6

1

89

21 25

6

ΜΕΤΑΦΟ

ΡΕΣ

1

.665

2.

244

3.9

09

ΕΜΠΟΡΙ

Ο

414 1

6

43

0

Θέρμανσ

η χώρων

1

6

16

Φωτισμός 214 21

4

Ψύξη 200 20

0

∆ΗΜΟΣΙ

Ο

160 3

8

19

8

Θέρμανσ

η χώρων

3

7

37

Ζεστό 1 1


304

νερό


Ψύξη 2 2

∆ημοτικό

ς Φωτισμός

45 45

∆ιάφορα 83 83

ΞΕΝΟ∆Ο

ΧΕΙΑ

383 9

0

17

0

64

3

Θέρμανσ

η χώρων

6 6


Ψύξη 9 9

Ζεστό

νερό

316 8

4

17

0

57

0

ΣΥΝΟΛΙΚ

Α

1.684 2

.161

2.

244

27

6

9

7

2

20

19

1

6.8

73

Eικόνα 9.28: Μοντέλο υπολογισμού ηλεκτρικής κατανάλωσης για διάφορες χρήσεις, στα


305

∆ωδεκάνησα.

Σύμφωνα με τα συμπεράσματα που εξάγονται από την εφαρμογή του παραπάνω μοντέλου, η ολική ηλεκτρική κατανάλωση θα συνεχίσει να αυξάνει. Για παράδειγμα, η κατανάλωση το 2004 θα είναι 50 % μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του 1996, ενώ το 2018, 100 % μεγαλύτερη.

Η συνεισφορά του οικιακού και του βιομηχανικού τομέα στην ολική ηλεκτρική κατανάλωση, σύμφωνα με τις υποθέσεις του μοντέλου, θα ελαττωθεί. Η μείωση για τον οικιακό τομέα θα είναι από το 34,2 % το 1996, σε 31,8 % το 2010 και για βιομηχανικές χρήσεις από 6 % το 1996, σε 3,4 % το 2010. Η συνεισφορά των «άλλων χρήσεων», κυρίως εξαιτίας του τουρισμού, στην ολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στα Δωδεκάνησα, θα αυξηθεί από 59,7 % το 1996 σε 64,8 % το 2010. Τα αποτελέσματα αυτά ήταν αναμενόμενα, αν σκεφτεί κανείς την έντονη τουριστική κίνηση που αναμένεται στο προσεχές μέλλον στην περιοχή. Το παραπάνω σκηνικό παρουσιάζεται αναλυτικά στo διάγραμμα της εικ 9.29 [7].

Eικόνα 9.29: Εκτίμηση κατανομής ηλεκτρικής κατανάλωσης στα ∆ωδεκάνησα

9.2.4 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ο ηλεκτρισμός στα Δωδεκάνησα, παράγεται κυρίως σε αυτόνομους σταθμούς ισχύος, οι οποίοι βρίσκονται σε διάφορα νησιά της περιφέρειας των Δωδεκανήσων. Το αιολικό πάρκο στην Κάρπαθο είναι μικρής ισχύος και συνεισφέρει ελάχιστα στην κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας. Επίσης, μικρές φωτοβολταϊκές μονάδες έχουν τοποθετηθεί, ώστε να καλύπτουν κυρίως μικρά τοπικά φορτία (μικρές κατοικίες, νησάκια).

Υπάρχουν τρία κύρια δίκτυα σταθμών:

Λειψοί – Λέρος – Κάλυμνος – Κως – Νίσυρος - Τήλος

Ρόδος – Χάλκη

Κάρπαθος – Κάσος

Υπάρχουν διάφορα άλλα μικρά νησιά, αυτόνομα, τα οποία τροφοδοτούνται από ξεχωριστούς θερμικούς σταθμούς. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται ντίζελ και πετρέλαιο. Για παράδειγμα, το 1992 στα Δωδεκάνησα, καταναλώθηκαν 1.498 TJ από τη χρήση ντίζελ και 4.089 TJ από τη χρήση πετρελαίου, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [7].

9.2.4.1 Αυτόνομοι σταθμοί ισχύος

Τα χαρακτηριστικά τέτοιων σταθμών διαφέρουν σημαντικά. Στην περιφέρεια των Δωδεκανήσων, υπάρχουν μόνο τρεις μεγάλοι, αυτόνομοι σταθμοί:

Ρόδου

Κω – Καλύμνου


306

Κάρπαθου

Στον πίν 9.12 [7] παρουσιάζεται αναλυτικά για κάθε νησί (1994), η δυναμικότητα κάθε σταθμού (εγκατεστημένη ισχύς), η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, το φορτίο αιχμής, καθώς και το κόστος ανά παραγόμενη kWh.

Πίνακας 9.12: Ηλεκτροπαραγωγή από αυτόνομους σταθμούς, Δωδεκάνησα 1994

Σταθμ

ός Ισχύος

Εγκατεστ

ημένη Ισχύς

(kW)

Παραγωγή

Ηλεκτρισμού

(MWh)

Φορτίο

Αιχμής

(kW)

Κόστο

ς

(δρχ. /

kWh)

Αγαθονήσι - 163 - 238,17

Αστυ

πάλαια

1.250 2.457 880 124,19

Κάλυ

μνος

11.800 71.064 39.400 17,93

Κάρπ

αθος

5.300 16.576 4.450 59,37

Κως 36.017 80.381 - 37,61

Μεγίσ

τη

360 718 200 274,35

7

Νίσυρ

ος

310 Σταθμός σε ετοιμότητα

Πάτμο

ς

3.260 7.820 2.480 63,62

Ρόδος 145.060 396.503 94.000 29,19

Σύμη 1.600 5.523 1.370 68,79

Σύστη - 33.940.663 - 10,14


307

μα

Αναλυτικά λοιπόν, ισχύει:

ΡΟΔΟΣ: Η ολική εγκατεστημένη ισχύς φθάνει τα 145.060 kW. Το νησί Χάλκη συνδέεται στο δίκτυο της Ρόδου και τροφοδοτείται από αυτό.

ΚΑΛΥΜΝΟΣ – ΚΩΣ – ΝΙΣΥΡΟΣ: Τα νησιά Κάλυμνος, Κως, Λέρος, Νίσυρος, Τήλος, Λειψοί, Ψέριμος και Τέλενδος διασυνδέονται και αποτελούν το μεγαλύτερο ηλεκτρικό δίκτυο της περιφέρειας των Δωδεκανήσων. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε δυο σταθμούς ισχύος, που βρίσκονται στην Κάλυμνο και την Κω (δυναμικότητας 11.800 και 36.017 kW αντίστοιχα). Επιπλέον ένας τρίτος σταθμός υπάρχει στη Νίσυρο (310 kW), αλλά από τότε που το νησί συνδέθηκε με το δίκτυο της Κω, παραμένει σε κατάσταση ετοιμότητας. Με σκοπό οι ανάγκες του κόμβου να καλύπτονται πλήρως, ένας νέος σταθμός παραγωγής ισχύος στην Κω, δυναμικότητας 50 MW, είναι υπό κατασκευή.

ΚΑΡΠΑΘΟΣ: Στην Κάρπαθο, ο υπάρχων σταθμός λειτουργεί χρησιμοποιώντας ντίζελ και τροφοδοτεί και το νησί της Κάσου.

ΠΑΤΜΟΣ: Σχεδιάζεται να συνδεθεί μέσω Ικαρίας, στον αυτόνομο ηλεκτρικό σταθμό της Σάμου. Ο σταθμός ισχύος που ήδη υπάρχει στο νησί και χρησιμοποιεί ντίζελ, πρόκειται να κλείσει. Το φορτίο αιχμής, πρόκειται να καλύπτεται από μια μικρή μονάδα.

ΣΥΜΗ: Οι ηλεκτρικές ανάγκες του νησιού καλύπτονται από ένα σταθμό ισχύος, δυναμικότητας 1.600 kW ο οποίος χρησιμοποιεί ντίζελ.

ΑΓΑΘΟΝΗΣΙ – ΜΕΓΙΣΤΗ (Καστελόριζο) – ΑΣΤΥΠΑΛΑΙΑ: Το καθένα από τα παραπάνω νησιά, τροφοδοτείται από αυτόνομους σταθμούς, που χρησιμοποιούν ντίζελ ή βαρύ καύσιμο.

Κανένα από αυτά τα νησιά δεν διασυνδέεται, ούτε καν σε τοπικό επίπεδο. Επίσης στον πίν 9.13 [7] παρουσιάζονται οι εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες στην Κάρπαθο, καθώς και η παραγόμενη ισχύς.

Πίνακας 9.13: Εγκατεστημένο αιολικό δυναμικό στην Κάρπαθο

Έτος 993 994

1

995

Αριθμός ανεμογεννητριών (Α/Γ) 6

Εγκατεστημένη Ισχύς (kW) 555 και

1175*

Ολική Εγκατεστημένη Ισχύς

(kW) 275 (450)*

Παραγωγή Ενέργειας

(MWh)

2

67

9

34

1

85


308

* ∆ε λειτουργεί

Τέλος στον πίν 9.14 [8] που ακολουθεί, αναγράφονται στοιχεία που αφορούν ειδικότερα την

Πάτμο και έχουν να κάνουν με την ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το έτος 1994 έως

το 1998. Τα στοιχεία είναι επίσημα και προέρχονται από τη ∆ημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού.

Πίνακας 9.14: ΔΕΗ, Ετήσια Στοιχεία Παραγωγής Ηλεκτρισμού, Πάτμος

Έτος 1998 1997 199

6

199

5

199

4

Ώρες.λειτ. 8.75

7

8.75

0

8.7

83

8.7

51

8.7

57

Συν.Παρ.

(kWh)

10.7

70.676

10.1

83.548

9.6

27.682

9.1

08.528

8.2

29.400

Εσωτ.Κατ.

(kWh)

439.

320

390.

904

309

.556

403

.612

409

.226

Καθ.Παρ.

(kWh)

10.3

31.356

9.79

2.644

9.3

18.306

8.7

04.916

7.8

20.174

Μεγ.Ισχύς

(kW)

3.03

0

3.00

0

2.5

70

2.5

00

2.4

80

Ελάχ.Ισχύς

(kW)

610 600 590 550 400

Ονομ.Ισχύς

(kVA)

6.88

0

8.50

5

7.5

05

6.5

05

4.7

35

Καταν. Diesel 2.72 2.58 1.1 2.3 2.1


309

(kg) 8.689 1.794 81.481 58.748 52.364

Καταν. Λαδιού

(kg)

32.0

67

22.3

60

15.

221

22.

020

22.

540

Αποδ.Ισχύς

(kW)

4.15

0

5.05

0

4.4

50

4.0

00

2.7

70

Συντελ.Φόρτ.

(%)

40,5

9

38,7

9

42,

65

41,

63

37,

89

Συντελ.Εκμετ.

(%)

63,9

5

64,8

7

65,

58

63,

86

60,

85

9.3 Η Πάτμος και η κάλυψη μελλοντικών ενεργειακών αναγκών Στην παράγραφο αυτή πλέον, μοναδικό αντικείμενο μελέτης θα είναι το νησί της Πάτμου. Σε

προηγούμενη παράγραφο, έγινε μια παρουσίαση των ενεργειακών αναγκών του συνόλου των

∆ωδεκανήσων με συγκεκριμένες αναφορές, οι οποίες αφορούσαν κυρίως το έτος 1994. Υπήρχαν

διαθέσιμα στοιχεία για όλους τους τομείς κατανάλωσης ενέργειας χωριστά, με αποτέλεσμα να

διαφαίνεται μια γενική εικόνα περί της ενεργειακής κατάστασης (μέτρο, ποσοστά, τάσεις κλπ).

Το πλάνο που θα αφορά την Πάτμο θα έχει τρεις κύριες συνιστώσες. Αρχικά θα εκτιμηθούν

οι ενεργειακές ανάγκες του νησιού σε ηλεκτρικό ρεύμα (φωτοβολταϊκά), ζεστό νερό (ηλιακά

θερμοσίφωνα) και πόσιμο νερό (ηλιακή αφαλάτωση), για ένα ορίζοντα πέντε ετών. ∆ηλαδή θα

υποτεθεί πως οι διάφορες εγκαταστάσεις θα λειτουργήσουν το έτος 2005. Αυτό γίνεται έτσι ώστε η

όλη μελέτη να είναι όσο το δυνατόν ρεαλιστική, μια και θα περιλαμβάνει και το χρόνο μελέτης -

κατασκευής - εγκατάστασης. Είναι απολύτως κατανοητό πως η απαιτούμενη ενέργεια σε κάθε

τομέα και για κάθε χρήση, ποικίλλει από έτος σε έτος, αλλά υπάρχει μια δεδομένη τάση, η οποία

επιτρέπει να βγουν όσο το δυνατόν αξιόπιστα συμπεράσματα για το μέλλον.

Στη συνέχεια, με δεδομένες τις ενεργειακές απαιτήσεις, θα γίνει μια προσπάθεια διαστασιολόγησης των συστημάτων και τέλος αφού αυτά θα έχουν υπολογιστεί σε καθαρά θεωρητική βάση, θα εκτιμηθεί η

λειτουργικότητά τους και θα αξιολογηθούν για πιθανή βελτιστοποίηση.


310

9.3.1 Εκτίμηση μελλοντικών αναγκών

9.3.1.1 Ηλεκτρικό ρεύμα

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η εκτίμηση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας θα

αφορά το έτος 2005. Περιλαμβάνει διαφορετικούς τομείς, όπως είναι ο οικιακός ή ο βιομηχανικός

για παράδειγμα. Ο υπολογισμός θα γίνει συνολικά, χρησιμοποιώντας τα στοιχεία του πίν 9.14, ο

οποίος αφορά το νησί της Πάτμου και τις ενεργειακές ανάγκες του νησιού σε ηλεκτρικό ρεύμα από

το έτος 1994 έως το 1998. Τα στοιχεία είναι επίσημα και προέρχονται από τη ∆ημόσια Επιχείρηση

Ηλεκτρισμού (βλέπε και [8]). Χρησιμοποιώντας τη στήλη που αφορά την καθαρή παραγόμενη

ενέργεια (kWh) και παίρνοντας τις τιμές για κάθε χρόνο, θα υπολογιστεί ένας μέσος ρυθμός

μεταβολής, βάσει του οποίου θα γίνει αναγωγή στο έτος 2005. Είναι σαφές πως ο παραπάνω

τρόπος υπολογισμού των μελλοντικών ενεργειακών αναγκών, δεν είναι ακριβής 100 %, αλλά θα

δώσει μια αρκετά αξιόπιστη και βάσιμη τιμή, η οποία θα αντιπροσωπεύει στο μέτρο του δυνατού

την πραγματική.

Έτσι λοιπόν στον πίν 9.15 αναγράφονται οι καθαρές παραγόμενες kWh, καθώς και ο ετήσιος

ρυθμός μεταβολής, ενώ προκύπτει και ο μέσος ετήσιος ρυθμός μεταβολής.

Πίνακας 9.15: Ετήσιος ρυθμός μεταβολής κατανάλωσης ηλεκτρικού ρεύματος, Πάτμος

Έτος 199

4

199

5

199

6

199

7

1998 Μ

έσος

Παραγ.

Ισχύς N (kWh)

7.8

20.174

8.7

04.916

9.3

18.306

9.7

92.644

10.3

31.356

Ρυθμός

Μεταβολής r (%)

- +11

,313

+7,

046

+5,

09

+5,5

01

+

7,2375

Τελικά προκύπτει ένας μέσος ετήσιος ρυθμός μεταβολής r, +7,2375 (%). Χρησιμοποιώντας

την παρακάτω σχέση, προκύπτουν οι ενεργειακές ανάγκες (κατά προσέγγιση), για το έτος 2005.

N2005 = N1998 · (1+r)7 (Σ 9.2)


311

Όπου: N2005, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια (kWh) το 2005

r, ο μέσος ετήσιος ρυθμός μεταβολής κατανάλωσης (0,072375)

Με αντικατάσταση των τιμών από τον πίν 9.15 προκύπτει πως η απαιτούμενη ενέργεια για

κάλυψη της ζήτησης σε ηλεκτρικό ρεύμα, στην Πάτμο, για το έτος 2005 φθάνει τις 16.849.387 kWh.

Κανονικά θα έπρεπε να γίνει μια σχετική προσαύξηση αυτής της τιμής, έτσι ώστε να

καλυφθούν πιθανά σφάλματα κατά τον υπολογισμό. Παρόλα αυτά, επειδή αναμενόταν μειωμένος

ρυθμός μεταβολής με την πάροδο των χρόνων και επειδή το δείγμα (τιμές για 5 έτη) ήταν μικρό, ο

μέσος ετήσιος ρυθμός που προέκυψε ήταν σχετικά μεγάλος.

Εξάλλου, σύμφωνα με το πλάνο υπολογισμού των μελλοντικών αναγκών σε ηλεκτρικό

ρεύμα, που αφορά το σύνολο των ∆ωδεκανήσων και αναπτύχθηκε στην παράγραφο 9.2.3

(βλέπε και εικ 9.28), εκτιμάται μια ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια, για το 2005, της τάξης των

910.000 MWh. Από τον πίν 9.7, σύμφωνα με την απογραφή του 1991, ο πληθυσμός της Πάτμου

ήταν 2.715 άτομα, ενώ το σύνολο των ∆ωδεκανήσων αριθμούσε 163.476 άτομα. ∆ηλαδή ο

πληθυσμός της Πάτμου αντιστοιχούσε στο 1,66 % περίπου του συνόλου του πληθυσμού των

∆ωδεκανήσων. Κατά συνέπεια η ενέργεια που θα αντιστοιχούσε στην Πάτμο για κατανάλωση

ηλεκτρικού ρεύματος το 2005, θα ήταν:

N2005΄ = 910.000 · 0,016608 = 15.113,228 MWh = 15.113.228 kWh

Παρατηρείται δηλαδή μια απόκλιση της τάξης του 11 % προς τα κάτω από την αρχικά

υπολογιζόμενη τιμή. Και αυτός ο υπολογισμός όμως, εμπεριέχει σφάλματα τόσο στο πλάνο, όσο

και στην υπόθεση σταθερής αναλογίας πληθυσμού μετά από 14 χρόνια (1991-2005).

Θα ήταν προτιμότερο να κρατηθεί η πρώτη τιμή υπολογισμού, μια και ως μεγαλύτερη, μπορεί

να απορροφήσει τυχών απρόβλεπτα μεγάλη ζήτηση ή σφάλματα κατά τους υπολογισμούς.

Έτσι, αυτή θα είναι η τιμή που θα χρησιμοποιηθεί αργότερα, χωρίς προσαυξήσεις, για τη

διαστασιολόγηση των φωτοβολταϊκών συστημάτων, που θα εγκατασταθούν στην Πάτμο (κατοικίες,

ξενοδοχεία κλπ).

Εδώ πρέπει να τονιστεί πως στην παραπάνω ηλεκτρική κατανάλωση συμπεριλαμβάνεται και

η χρήση ενέργειας για θέρμανση νερού. Από τον πίν 9.11, για τα δεδομένα του 1992 προκύπτει

πως η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για θέρμανση νερού αντιστοιχεί στο 25% περίπου της

συνολικής χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας (427 στα 1.684 TJ). Αν θεωρηθεί το ποσοστό αυτό


312

περίπου σταθερό και αντιπροσωπευτικό για το νησί της Πάτμου, τότε για τη διαστασιολόγηση του

φωτοβολταϊκού συστήματος θα ληφθεί υπόψη το 75 % της παραπάνω τιμής, κάτι που αντιστοιχεί

σε 12.637.040 kWh. Επίσης θα υποτεθεί αρχικά 100 % κάλυψη από την ηλιακή ακτινοβολία, έτσι

ώστε να καλυφθεί η χειρότερη περίπτωση. Φυσικά εφόσον υπάρχουν διαθέσιμες συμβατικές

μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού, θα χρησιμοποιηθούν παράλληλα, εφόσον χρειαστεί, σε

περιόδους αιχμής φορτίου για να καλύπτεται η ζήτηση άμεσα και αποτελεσματικά.

Στη συνέχεια, για να έχει η παραπάνω τιμή πρακτική αξία, θα πρέπει με κάποιο τρόπο το

σύνολο των kWh να καταμεριστούν στους διάφορους μήνες, αφού είναι απολύτως κατανοητό, πως

η ζήτηση δεν κατανέμεται ομοιόμορφα όλες τις περιόδους του χρόνου. Για αυτό το λόγο θα

χρησιμοποιηθούν στοιχεία που αφορούν την ηλεκτρική κατανάλωση στην Πάτμο ανά μήνα, για το

έτος 1998 [7]. Θα υποτεθεί αντίστοιχη αναλογία κατανάλωσης ανά μήνα και θα προκύψουν τα

ποσά με αναγωγή στην αναμενόμενη κατανάλωση για το 2005.

Από τον πίν 9.15 λοιπόν, λαμβάνεται μια συνολική κατανάλωση για το 1998, της τάξης των

10.331.356 kWh, ενώ τα αντίστοιχα ποσοστά ανά μήνα φαίνονται στην εικ 9.30. Βάσει αυτών των

ποσοστών λοιπόν, θα προκύψει η ηλεκτρική κατανάλωση ανά μήνα για το 2005 και τα

αποτελέσματα παριστάνονται στον πίν 9.16 της επόμενης σελίδας.

Eικόνα 9.30: Ετήσια κατανομή ηλεκτρικής κατανάλωσης, Πάτμος 1998

Πίνακας 9.16: Εκτίμηση ηλεκτρικής κατανάλωσης, Πάτμος 2005

Μήνας Ενέργεια Ποσοστ


313

9.3.1.2 Θέρμανση νερού

Για τον υπολογισμό των

ενεργειακών απαιτήσεων για

θέρμανση νερού στην Πάτμο, θα

αναπτυχθεί το παρακάτω μοντέλο,

όπου οι υπολογισμοί θα

βασίζονται σε ημερήσιες

καταναλώσεις. Οι υπολογισμοί θα

γίνουν ξεχωριστά για κατοικίες και για

ξενοδοχεία μια και η πληρότητα των ξενοδοχείων – ενοικιαζόμενων μεταβάλλεται από περίοδο σε

περίοδο.

(kWh) ό (%)

Ιανουάρι

ος 969.261

7,67

Φεβρου

άριος 850.473

6,73

Μάρτιος 1.013.491 8,02

Απρίλιο

ς 913.658

7,23

Μάιος 954.097 7,55

Ιούνιος 1.080.467 8,55

Ιούλιος 1.403.975 11,11

Αύγουστ

ος 1.603.640

12,69

Σεπτέμβ

ριος 1.119.642

8,86

Οκτώβρι

ος 902.285

7,14

Νοέμβρι

ος 784.760

6,21

∆εκέμβρ

ιος 1.041.292

8,24

Συνολικ

ά 12.637.040

100


314

Κατοικίες

Οι ανάγκες σε ζεστό νερό (θερμικό φορτίο), που αναμένεται να καλύψουν οι ηλιακοί

θερμοσίφωνες στην Πάτμο το 2005 θα είναι:

LW = NΚΑΤ · .

V W · ρW · CP · (TW – TM) (Σ 9.3)

Όπου: LW, το μέσο ημερήσιο θερμικό φορτίο για το σύνολο των κατοικιών στην Πάτμο [kJ/d].

NΚΑΤ, ο αριθμός των μόνιμων κάτοικων της Πάτμου.

WV.

, η μέση ημερήσια κατανάλωση ανά άτομο [lt / ατ·d].

ρW, η μέση πυκνότητα του νερού [1kg / lt].

CP, η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού [4,18 kJ / kg·K].

TW, η μέση θερμοκρασία εξόδου του νερού από το συλλέκτη [0C].

TM, η μέση θερμοκρασία των υπόγειων υδάτων [0C].

Σύμφωνα με την απογραφή του 1991, ο πληθυσμός της Πάτμου έφτανε τα 2.715 άτομα.

Βάσει των στοιχείων του πίν 9.4, προκύπτει ένας μέσος ρυθμός αύξησης 4,5 % περίπου ανά

δεκαετία, με αποτέλεσμα ο πληθυσμός του νησιού το 2005 να πλησιάζει (εκτίμηση) τα 2.900 άτομα

περίπου (ΝΚΑΤ). Επίσης μπορεί να υποτεθεί μια μέση ημερήσια κατανάλωση ανά άτομο WV.

= 50 lt

(αντιπροσωπευτική τιμή, βλέπε και πίν 9.17 [1]).

Πίνακας 9.17: Χρήση ζεστού νερού σε διάφορα κτίρια

Είδος κτιρίου Μέση κατανάλωση νερού (lt /

άτ·d)

Οικοτροφεία 50

Σχολεία 5

Κατοικίες (Μέση) 50


315

Κατοικίες (Υψηλή) 100

Νοσοκομεία 60


LUX 100

Α΄ και Β΄ 80

Γ ΄ 60

Γραφεία 6

Αθλοπαιδιές 40

Κουζίνες (Πλήρες

γεύμα)

9 lt / γεύμα

Κουζίνες (Πρόχειρο

γεύμα)

2,5 lt / γεύμα

Όσον αφορά τη μέση θερμοκρασία εξόδου του νερού από το συλλέκτη, μπορεί να επιλεχθεί

TW = 55 0C (αρκετά αντιπροσωπευτική). Η μέση θερμοκρασία των υπόγειων υδάτων TM,

λαμβάνεται από τον πίν 9.18 [1], όπου παρουσιάζονται διάφορες τιμές ανάλογα με την περιοχή και

το μήνα.

Πίνακας 9.18: Θερμοκρασία κρύου νερού σε μεγάλα δίκτυα διανομής

Ζ

ΩΝΗ ΑΝ

Φ

ΕΒ

Μ

ΑΡ

Α

ΠΡ ΑΙ

Ι

ΟΥΝ

Ι

ΟΥΛ ΥΓ ΕΠ ΚΤ

Ν

ΟΕ

∆

ΕΚ

1

,2 2

1

2

1

4 6 9

2

2

2

4 4 2 9 6 4

3

,4 0

1

0

1

2 5 9

2

1

2

4 4 2 9 5 2


316

5

,6

8 1

0 3 7

1

9

2

2 2 0 7 3 0

Βάσει της εικ 9.3, η Πάτμος ανήκει στη ζώνη 2, οπότε οι αντίστοιχες τιμές θερμοκρασιών

παίρνονται από την πρώτη σειρά. Με αντικατάσταση των τιμών στην Σ 9.3, προκύπτει μια

συνάρτηση του ημερήσιου φορτίου με μόνη μεταβλητή την TM. Πιο συγκεκριμένα προκύπτει:

LW = 606.100 · (55 - TM) [kJ / d] (Σ 9.4)

Η παραπάνω συνάρτηση παριστάνεται στo διάγραμμα της εικ 9.31, ενώ στον πίν 9.19

αναγράφονται τα φορτία ανά μήνα, αυτή τη φορά όμως σε kWh (1 kWh = 3.600 kJ).

Eικόνα 9.31: Εκτίμηση της απαιτούμενης ενέργειας για οικιακή θέρμανση νερού ως

συνάρτηση της θερμοκρασίας εισόδου του νερού στο συλλέκτη, Πάτμος 2005

Πίνακας 9.19: Εκτίμηση μηνιαίου θερμικού φορτίου (κατοικίες), Πάτμος 2005

Μήνας ΤΜ (

0C )

LW (KJ

/ d)

LW (KWh / mo)

Ιανουάριος 12 26.062.

300 224.428

Φεβρουάριο

ς

12 26.062.

300 202.706

Μάρτιος 14 24.850. 213.987


317

100

Απρίλιος 16 23.637.

900 196.983

Μάιος 19 21.819.

600 187.891

Ιούνιος 22 20.001.

300 166.677

Ιούλιος 24 18.789.

100 161.795

Αύγουστος 24 18.789.

100 161.795

Σεπτέμβριος 22 20.001.

300 166.677

Οκτώβριος 19 21.819.

600 187.891

Νοέμβριος 16 23.637.

900 196.983

∆εκέμβριος 14 24.850.

100 213.987

Έτος

(σύνολο)

2.281.800

Σύμφωνα με τον πίν 9.19 λοιπόν, και με δεδομένο το γεγονός ότι θεωρήθηκε σταθερός

πληθυσμός όλο το χρόνο, μεγαλύτερη ζήτηση προκύπτει τους μήνες Ιανουάριο (224.428 kWh),

∆εκέμβριο (213.987 kWh), Μάρτιο (213.987 kWh) και Φεβρουάριο (202.706 kWh).


318


Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 9.1.4, στην Πάτμο υπάρχουν 41 ξενοδοχειακές

μονάδες δυναμικότητας 1.744 κλινών και 133 μονάδες ενοικιαζόμενων διαμερισμάτων συνολικής

δυναμικότητας 1.065 κλινών. ∆ηλαδή η Πάτμος μπορεί να φιλοξενήσει 2.809 επιπλέον άτομα

ημερησίως πέραν του μόνιμου πληθυσμού. Για πιθανές μεταβολές του αριθμού αυτού εξαιτίας της

τουριστικής ανάπτυξης που παρουσιάζει το νησί, θεωρείται σκόπιμο να γίνει μια προσαύξηση 10

%, έτσι ώστε να καλυφθούν τυχών αιχμές ζήτησης. Έτσι τα άτομα φτάνουν περίπου τα 3.090 και

σύμφωνα με αυτό τον αριθμό θα γίνει ο υπολογισμός των ενεργειακών αναγκών και η

διαστασιολόγηση του συστήματος.

Και εδώ θα χρησιμοποιηθεί το μοντέλο της προηγούμενης παραγράφου με μόνη εξαίρεση

των αριθμό των ατόμων (εξαρτάται από την πληρότητα ανά μήνα) και τη μέση ημερήσια

κατανάλωση ανά άτομο. Θα θεωρηθεί πως το σύνολο των ξενοδοχείων και των ενοικιαζόμενων

διαμερισμάτων ανήκουν στην κατηγορία Α΄ ή Β΄, οπότε σύμφωνα με τον πίν 9.17 λαμβάνεται μια

μέση ημερήσια κατανάλωση WV.

= 80 lt/άτ.

Επίσης, όσον αφορά την πληρότητα, δημιουργείται ο πίν 9.20 της επόμενης σελίδας, όπου

έχει υποτεθεί μια πληρότητα ανά μήνα για το 2005, έτσι ώστε να προκύψει ο πληθυσμός ανά μήνα

(100 % = 3.090 άτομα).

Με τη βοήθεια του πίν 9.20 και της Σ 9.3 προκύπτει ο πίν 9.21, όπου φαίνονται οι μηνιαίες

καταναλώσεις βάσει των οποίων θα προκύψουν αργότερα οι απαιτούμενες επιφάνειες συλλογής.

Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονιστεί πως η παραπάνω πληρότητα των τουριστικών καταλυμάτων

είναι ενδεικτική, αλλά πάντως αρκετά αντιπροσωπευτική έτσι ώστε να προκύψουν όσο το δυνατόν

αξιόπιστες τιμές για το πλήθος των ενοίκων που θα φιλοξενούν τα τουριστικά καταλύματα στο νησί

της Πάτμου το έτος 2005, καθ’ όλη τη διάρκεια του χρόνου. Σύμφωνα με τα στοιχεία του πίν 9.21,

προκύπτει όπως ήταν αναμενόμενο, μέγιστη ζήτηση τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο (275.833

kWh), μια και η πληρότητα τότε φτάνει το 100 %.

Πίνακας 9.20: Πληρότητα ξενοδοχείων (εκτίμηση), Πάτμος 2005


319

Πίνακας 9.21: Εκτίμηση μηνιαίου θερμικού φορτίου (ξενοδοχεία), Πάτμος

2005

Μήνας ΤΜ (

0C )

LW (kJ

/ d)

LW (kWh / mo)

Ιανουάρι 12 - -

Μήνας Πληρότητ

α (%)

Ένοικ

οι

Ιανουάριο

ς

- -

Φεβρουάρ

ιος

- -

Μάρτιος - -

Απρίλιος - -

Μάιος 30 927

Ιούνιος 80 2.472

Ιούλιος 100 3.090

Αύγουστο

ς

100 3.090

Σεπτέμβρι

ος

80 2.472

Οκτώβριο

ς

30 927

Νοέμβριο

ς

- -

∆εκέμβριο

ς

- -


320

ος

Φεβρουά

ριος

12

- -

Μάρτιος 14 - -

Απρίλιος 16 - -

Μάιος 19 11.159.

597 96.097

Ιούνιος 22 27.279.

014 227.325

Ιούλιος 24 32.032.

176 275.833

Αύγουστ

ος

24 32.032.

176 275.833

Σεπτέμβ

ριος

22 27.279.

014 227.325

Οκτώβρι

ος

19 11.159.

597 96.097

Νοέμβρι

ος

16

- -

∆εκέμβρι

ος

14

- -

Έτος

(σύνολο)

1.198.508

9.3.1.3 Πόσιμο νερό

Με τον όρο πόσιμο νερό, εννοούμε καθαρό νερό το οποίο θα χρησιμοποιείται κατά βάση για


321

την ικανοποίηση των πρωταρχικών αναγκών των κατοίκων της Πάτμου, αλλά και όποτε είναι

δυνατόν για δευτερεύουσες οικιακές χρήσεις. Εννοείται πως στους υπολογισμούς θα ληφθούν

υπόψη όλες οι ξενοδοχειακές μονάδες και τα ενοικιαζόμενα διαμερίσματα. Πόσιμο νερό θα

παραχθεί με τη μέθοδο της αφαλάτωσης και μάλιστα θα χρησιμοποιηθεί η τεχνική της ηλιακής

απόσταξης.

Βάσει του προβλεπόμενου πληθυσμού της Πάτμου το 2005, τόσο σε χειμερινή, όσο και σε

θερινή περίοδο και με γνώμονα μια μέση κατανάλωση νερού ανά άτομο, θα προκύψει η

κατανάλωση νερού ανά μήνα. Χρησιμοποιώντας τις τιμές που θα προκύψουν και λαμβάνοντας

υπόψη τη δυσμενέστερη περίπτωση (μέγιστη κατανάλωση), θα διαστασιολογηθούν τα ηλιακά

συστήματα απόσταξης. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας στοιχεία που αφορούν τη μέση ηλιακή

ακτινοβολία (kWh / m2·mo) στην Πάτμο, θα εκλεγούν τα κατάλληλα συστήματα, έτσι ώστε να

καλύπτουν την απαιτούμενη ενέργεια. Ανάλογα με τη μορφή και τις ιδιότητες των συστημάτων

αυτών, θα προκύψουν οι δυναμικότητες– αποδόσεις των συστημάτων.

Οι απαιτήσεις σε πόσιμο νερό θα υπολογιστούν για την περίοδο μέγιστης κατανάλωσης, δηλαδή το καλοκαίρι, όπου εκτός του υπάρχοντος πληθυσμού, το νησί φιλοξενεί το μέγιστο δυνατό αριθμό τουριστών

(πληρότητα ξενοδοχείων και ενοικιαζόμενων δωματίων 100 %). Στις προηγούμενες δύο παραγράφους, εκτιμήθηκε πως το έτος 2005, οι μόνιμοι κάτοικοι του νησιού θα φτάνουν τους 2.900, ενώ οι επιπλέον κάτοικοι που θα μπορούν να φιλοξενήσουν τα διάφορα τουριστικά καταλύματα τους 3.090. Δηλαδή ο

πληθυσμός του νησιού θα φτάνει περίπου τα 6.000 άτομα σε περίοδο μέγιστης τουριστικής κίνησης. Φυσικά πρέπει να τονιστεί πως οι υπολογισμοί αυτοί είναι καθαρά εμπειρικοί και σε καμία περίπτωση δεν μπορούν να χαρακτηριστούν ως πραγματικά δεδομένα. Πάντως, τα στοιχεία αυτά είναι σε θέση να δώσουν μια γενική εικόνα των αναγκών του νησιού και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαστασιολόγηση των ηλιακών

συστημάτων.

Η μέση κατανάλωση νερού ανά άτομο, για πόσιμο νερό, επιλέγεται 5 lt/d, οπότε η ημερήσια

παραγωγή για την κάλυψη των αναγκών του συνόλου του πληθυσμού (6.000 άτομα), θα πρέπει να

πλησιάζει τα 30.000 lt (30 m3). Η επιλογή της παραπάνω τιμής δίνει τη δυνατότητα σε μια

τετραμελή οικογένεια για παράδειγμα, να της αντιστοιχεί μια ημερήσια ποσότητα καθαρού νερού

της τάξης των 20 lt. Η τιμή αυτή φαντάζει ιδιαίτερα ικανοποιητική, μια και προκύπτει ένα ημερήσιο

πλεόνασμα της τάξης των 12 lt, αν αναλογιστεί κανείς πως ένας άνθρωπος πίνει κατά μέσο όρο 2

lt νερό την ημέρα Το πλεόνασμα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δευτερεύουσες χρήσεις όπως

μαγείρεμα, πλύσιμο δοντιών, πιάτων, κλπ. Αναλυτική παρουσίαση του συστήματος θα γίνει σε

επόμενη παράγραφο.

9.3.2 Σύστημα


322

9.3.2.1 Φωτοβολταϊκά

Στην παράγραφο αυτή θα αναπτυχθεί το μοντέλο υπολογισμού των φωτοβολταϊκών

συστημάτων για κάθε μήνα, οπότε θα ληφθεί η δυσμενέστερη περίπτωση (μέγιστη απαιτούμενη

επιφάνεια συλλογής). Αρχικά θα υπολογιστούν οι τυπικές ημερήσιες καταναλώσεις για κάθε μήνα

χωριστά, χρησιμοποιώντας τον πίν 9.16. Έτσι προκύπτει ο

πίν 9.22, όπου προκύπτουν οι μέσες ημερήσιες συνολικές ηλεκτρικές καταναλώσεις για την

Πάτμο το 2005. Στη συνέχεια υπολογίζονται συνολική επιφάνεια πλαισίων, μέγεθος inverter,

μπαταρίες, κλπ.

Πίνακας 9.22: Εκτίμηση ημερήσιας κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, Πάτμος 2005

Μήνας Ενέργεια

(kWh)

Ημέρες /

μήνα

Ενέργεια

(kWh / d)

Ιανουάρι

ος 969.261 31 31.267

Φεβρου

άριος 850.473 28 30.374

Μάρτιος 1.013.491 31 32.693

Απρίλιο

ς 913.658 30 30.455

Μάιος 954.097 31 30.777

Ιούνιος 1.080.467 30 36.016

Ιούλιος 1.403.975 31 45.290

Αύγουστ

ος 1.603.640 31 51.730


323

9.3.2.1.1 Επιφάνεια Συλλογής

Για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών πλαισίων (πανέλα), θα χρησιμοποιηθούν κύτταρα

πολυκρυσταλλικού Si, τα οποία και έχουν ευρεία εφαρμογή, αλλά και είναι πιο προσιτά από άποψη

κόστους, σε σχέση με τα μονοκρυσταλλικά ή άλλου τύπου πανέλα. Μειονέκτημά τους η μειωμένη

απόδοση μετατροπής, η οποία μερικές φορές μπορεί να είναι προτιμότερη έναντι αυξημένου

κόστους επένδυσης, που κάποια άλλη επιλογή θα συνεπαγόταν. Στον πίν 9.23 παρουσιάζονται

συγκριτικά οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων ως συνάρτηση του υλικού κατασκευής.

Πίνακας 9.23: Απόδοση των Φ/Β στοιχείων ως συνάρτηση του υλικού κατασκευής

Τύπος Φ/Β

Θεωρ

ητική

Απόδ

οση (%)

Εργαστη

ριακή

Απόδοσ

η (%)

Απόδο

ση

Πρωτό

τυπου

Πραγμ

ατική

Απόδ

οση (%)

Μονοκρυσταλλικό

Si 30-33 24,2 17,8 10-15

Πολυκρυσταλλικό

Si - 18,2 - 8-12

Σεπτέμβ

ριος 1.119.642 30 37.321

Οκτώβρι

ος 902.286 31 29.106

Νοέμβρι

ος 784.760 30 26.159

∆εκέμβρ

ιος 1.041.292 31 33.590


324

Μεμβράνες

άμορφου Si 27-28 6-13 8 3-5

Μεμβράνες CdTe 27-28 15,8 10 -

Μεμβράνες

CuInSe2 23,5 14,8 11,1 -

Μεμβράνες GaAs - 25,5 - -

Μεμβράνες GaAs

με συγκέντρωση - 28 22 -

Μεμβράνες GaAs-

GaSb

με συγκέντρωση

- 34 - -

Η ολική επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ενέργειας θα προκύψει βάσει της απλής σχέσης Σ

9.3. Σύμφωνα με αυτή, η μέση μηνιαία προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια ανά m2 σε κάποιο κεκλιμένο

επίπεδο γωνίας θ, επί την επιφάνεια συλλογής, επί τον ολικό βαθμό απόδοσης μετατροπής της

ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη μέση μηνιαία απαιτούμενη

ενέργεια. ∆ηλαδή:

Ηθ · Α · nol Lμην (Σ 9.3)

Όπου: Ηθ, η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία σε επίπεδο κλίσης θ [kWh / m2·mo]

Α, η ολική επιφάνεια συλλογής ηλιακής ακτινοβολίας [m2]

nol, ο ολικός βαθμός απόδοσης μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική

Lμην, το μέσο μηνιαίο απαιτούμενο φορτίο [kWh / mo]

Στη συνέχεια θα υπολογιστούν οι παραπάνω μεταβλητές χωριστά.

Μέση ημερήσια Ηλιακή ακτινοβολία

Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, τα ηλιακά κέρδη για μια κεκλιμένη


325

επιφάνεια ορισμένης κλίσης θ, είναι συνάρτηση δύο παραγόντων, της περιόδου του χρόνου και του

γεωγραφικού πλάτους της περιοχής όπου βρίσκεται αυτή η επιφάνεια. ∆εδομένου ότι οι

υπολογισμοί θα γίνουν για κάθε μήνα του έτους και με βάση το γεγονός πως η Πάτμος έχει

συγκεκριμένο γεωγραφικό πλάτος, θα γίνει μια προσπάθεια βελτιστοποίησης των ηλιακών κερδών

«παίζοντας» με την κλίση της επιφάνειας. Είναι γνωστό πως τα μέγιστα ηλιακά κέρδη για περίοδο

λειτουργίας του συλλέκτη, το καλοκαίρι είναι για θ = 0 0, ενώ το χειμώνα για θ = 60 0. Στην

περίπτωσή μας, οι συλλέκτες θα λειτουργήσουν όλη τη διάρκεια του χρόνου, οπότε συνολικά τα

μέγιστα κέρδη προκύπτουν για γωνία κλίσης θ ίση περίπου με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ.

Στην προκειμένη περίπτωση, η Πάτμος βρίσκεται σε γεωγραφικό πλάτος φ = 37,2 0 περίπου,

βόρεια. Θα διερευνηθούν δύο περιπτώσεις, για θ = 30 0 και για θ = 45 0 και θα υπολογιστεί έτσι για

ποια κλίση προκύπτουν τα μέγιστα συνολικά ηλιακά κέρδη για περίοδο ενός έτους. Από τους πίν

2.2 και πίν 2.3 [1] φαίνεται πως για κλίση 30 0 εμφανίζονται τα μεγαλύτερα ηλιακά κέρδη (1.766

kWh/m2) ετησίως. Εδώ πρέπει να τονιστεί πως σημείο αναφοράς είναι η Σύρος με γεωγραφικό

πλάτος 37,27 0 βόρεια και αυτό αφενός γιατί δεν υπάρχουν επαρκή διαθέσιμα στοιχεία για την

Πάτμο, αφετέρου γιατί οι δυο τοποθεσίες έχουν ίδιο σχεδόν γ.π με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν

σχεδόν τα ίδια ηλιακά κέρδη. Έτσι από τον πίν 2.2 θα χρησιμοποιηθούν οι τιμές ολικής ηλιακής

ακτινοβολίας για τη Σύρο και για κάθε μήνα χωριστά.

Ολικός βαθμός απόδοσης

Είναι λογικό μια και δεν υπάρχει δεδομένο σύστημα να αξιολογηθεί, να χρησιμοποιηθούν

εμπειρικές τιμές για τον ολικό βαθμό απόδοσης μετατροπής, οι οποίες θα προκύψουν από

ανάλυση κάποιου θεωρητικού συστήματος. Σκοπός αυτής της ανάλυσης είναι να καθοριστούν ο

αριθμός και το μέγεθος των πλαισίων, τα οποία θα δημιουργήσουν τη συνολική απαιτούμενη

επιφάνεια απορρόφησης.

Ένας φωτοβολταϊκός σταθμός αποτελείται από τρία κύρια τμήματα [1]:

i. Μονάδα μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα (φωτοβολταϊκό πλαίσιο)

Η απόδοση του πλαισίου (nM) καθορίζεται από τις επιμέρους αποδόσεις:

Ονομαστική απόδοση (nNOCT ~ 0,92)

Προκύπτει για συνθήκες λειτουργίας της ηλιακής κυψέλης, ηλιακής έκθεσης 100 mW/cm2,


326

θερμοκρασία αέρα 20 0C, μέση ταχύτητα ανέμου 1 m/s, κάθετος προσανατολισμός στον ήλιο.

Απόδοση κυψέλης χωρίς επικάλυψη (nC ~ 0,14)

Προκύπτει για θερμοκρασία κυψέλης 28 0C και ακτινοβολία 100 mW / cm2.

Απόδοση συνένωσης κυψελών (nP ~ 0,92)

Απόδοση οπτικής μεταφοράς (nT ~ 0,95)

Προκύπτει από τη συμπίεση των διάφορων υλικών στην κατασκευή της ηλιακής κυψέλης

Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτει μια μέση απόδοση του πλαισίου nM = 0,112.

ii. Καλωδιώσεις μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος (nDC ~ 0,98)

Η απόδοση είναι συνάρτηση κυρίως του μήκους των καλωδιώσεων και λαμβάνεται ως

μια αντιπροσωπευτική τιμή nDC ~ 0,98.

iii. Μονάδα μετατροπής ισχύος nPC (ρυθμιστές τάσης, μετασχηματιστής DC/AC)

Μια μέση απόδοση λαμβάνεται περίπου nPC ~ 0,9.

Τελικά μετά από όλα αυτά προκύπτει:

nol = nM · nDC · nPC = 0,112 · 0,98 · 0,9 = 0,1

Η απόδοση αυτή μπορεί να ελαττωθεί από πρόσθετους παράγοντες, όπως είναι η κάλυψη

του πλαισίου από σκόνη (95 %), η ύπαρξη καλύμματος (95 %), η παλαίωση πλακετών (97 %), οι

απώλειες της μπαταρίας εφόσον υπάρχει (85 %). Λαμβάνοντας υπόψη και αυτούς τους

παράγοντες, εκλέγεται μια μέση απόδοση nol = 0,09 τιμή, που θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια.

Χρησιμοποιώντας λοιπόν τους πίν 9.22 και πίν 2.2 προκύπτει ο πίν 9.24, όπου υπολογίζεται η απαιτούμενη επιφάνεια συλλογής ώστε σε κάθε περίπτωση να καλύπτονται οι ανάγκες 100%.

Πίνακας 9.24: Υπολογισμός απαιτούμενης επιφάνειας Φ/Β πλαισίων, Πάτμος 2005


327

Μήνας

Ηλιακή

Ακτινοβολία

H30 (kWh / m2

·mo)

Μηνιαίο

Φορτίο

L (kWh /

mo)

Βαθ

μός

Από

δοσης

nολ (

% )

Απαιτούμε

νη

Επιφάνεια

Α ( m2 )

Ιανουά

ριος 82 969.261 0,09 131.336

Φεβρου

άριος 100 850.473 0,09 94.497

Μάρτιο

ς 127 1.013.491 0,09 88.669

Απρίλιο

ς 159 913.658 0,09 63.848

Μάιος 187 954.097 0,09 56.690

Ιούνιος 187 1.080.467 0,09 64.199

Ιούλιος 207 1.403.975 0,09 75.361

Αύγουσ

τος 204 1.603.640 0,09 87.344

Σεπτέμ

βριος 176 1.119.642 0,09 70.685

Οκτώβ

ριος 148 902.285 0,09 67.739

Νοέμβρ

ιος 104 784.760 0,09 83.842


328

∆εκέμβ

ριος 85 1.041.292 0,09 136.117

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του πίν 9.24, η μεγαλύτερη απαιτούμενη επιφάνεια συλλογής

απαιτείται για το μήνα ∆εκέμβριο και είναι 136.117 m2, ενώ ακολουθεί ο Ιανουάριος με 131.336 m2

και ο Φεβρουάριος με 94.497 m2. Το γεγονός αυτό προκύπτει παρόλο που η ζήτηση σε ηλεκτρικό

ρεύμα την εποχή αυτή είναι χαμηλή και αυτό γιατί τα ποσά της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι

ιδιαίτερα χαμηλά.

Αντίθετα, τους καλοκαιρινούς μήνες, Αύγουστο, Ιούλιο, Σεπτέμβριο και Ιούνιο, παρόλο που η

ζήτηση είναι ιδιαίτερα υψηλή, η απαιτούμενη επιφάνεια προκύπτει μικρή εξαιτίας των μεγάλων

ηλιακών κερδών.

Αρχικά θα υποτεθεί 100 % κάλυψη μόνο από

τα φωτοβολταϊκά συστήματα, χωρίς βοηθητική

πηγή. Αυτό σημαίνει πως για 100 % κάλυψη των

αναγκών σε ηλεκτρικό ρεύμα, όλες τις εποχές, η

συνολική επιφάνεια συλλογής θα πρέπει να είναι

τουλάχιστον 136.117 m2. Στην περίπτωση αυτή

όμως, θα υπάρχουν τεράστια αποθέματα

ηλεκτρικής ενέργειας τους μήνες όπου η ζήτηση θα

είναι μικρή (μικρή απαιτούμενη επιφάνεια), όπως

το Μάιο, τον Απρίλιο και τον Ιούνιο.

Χρησιμοποιώντας την τιμή 136.117 m2 για

τη συνολική απαιτούμενη επιφάνεια, θα

επιλεχθούν οι διαστάσεις των πλαισίων (m2)

σύμφωνα με πραγματικά κριτήρια, έτσι ώστε να

προκύψουν οι διάφοροι ξεχωριστοί σταθμοί με

γνώμονα πάντα τις ενεργειακές ανάγκες. Εννοείται

δηλαδή πως θα χρησιμοποιηθούν πλαίσια ίδιας

επιφάνειας, τα οποία θα συνενώνονται

Eικόνα 9.32: Φ/Β πλαίσιο τύπου Solarex MSX-120 Wp.


329

προκειμένου να καλύψουν κάθε φορά την

απαιτούμενη ζήτηση.

Έτσι λοιπόν, επιλέγονται πλαίσια διάστασης:

Μήκος d = 43,63 in (1.108 mm), Πλάτος γ = 39 in (990,6 mm) και Πάχος s = 1,97 in (50 mm),

βλέπε και εικ 9.32, ενώ στην εικ 9.33 παρουσιάζεται αναλυτικό σχέδιο του πλαισίου.

Η συνολική επιφάνεια απορρόφησης ανά

πλαίσιο προκύπτει: Απ = 1,1m2, οπότε για την

κάλυψη της αναγκαίας επιφάνειας

απορρόφησης, απαιτούνται: 136.117 / 1,1 =

123.742 τμχ. τέτοιου τύπου.

Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των πλαισίων

παρουσιάζονται στον πίν 9.25. Βάσει του

ορισμού, το συγκεκριμένο πλαίσιο μπορεί να

δώσει μέγιστη ισχύς 120 W, όταν η

προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία έχει τιμή

1.000 W/m2, απόδοση δηλαδή 12 %. Από

άποψη απόδοσης είμαστε καλυμμένοι, αφού

πιο πάνω υποθέσαμε απόδοση πλαισίου nM =

0,112 (11,2 %). Το γεγονός αυτό δημιουργεί

ουσιαστικά ένα μικρό πλεόνασμα σε επιφάνεια

απορρόφησης (βλέπε και Σ 9.3), έτσι ώστε να

καλυφθεί τυχών απρόβλεπτα μεγάλη ζήτηση.

Eικόνα 9.33: Αναλυτικό σχέδιο του πλαισίου Solarex MSX-120 Wp

Πίνακας 9.25: Τεχνικά χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίων

Ρύθμιση τάσης

Vo

lts 12 ή 24


330

9.3.2.1.2 Εγκατάσταση – ∆ιάταξη των πλαισίων

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, οι οποίοι παρουσιάστηκαν στην παράγραφο 9.3.2.1.1, για

την κάλυψη του συνόλου των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, για όλο το χρόνο, απαιτούνται

123.742 φωτοβολταϊκά πλαίσια διαστάσεων (1.108×990,6×50). Είναι προφανές πως το πλήθος

των πλαισίων που προέκυψε δεν αποτελεί έναν αυθαίρετο αριθμό, αλλά προκύπτει από την

επιλογή των συγκεκριμένων πλαισίων, η συνολική επιφάνεια των οποίων θα δημιουργήσει την

Ονομαστική Ισχύς, P (peak) W

atts 120

Τάση (σε μέγιστη ισχύ) Vo

lts 17,1

Ένταση Ρεύματος (σε μέγιστη

ισχύ)

A

mps 7

Βραχυκυκλωμένη ένταση

ρεύματος, Isc

A

mps 7,6

Τάση ανοιχτού κυκλώματος, VocVo

lts 21,3

Αριθμός κυψελών (εν σειρά) - 36

Μήκος c

m (in)

1.108

(43,63)

Πλάτος c

m (in)

99,06

(39)

Πάχος c

m (in) 5 (2)

Βάρος kg

(lbs) 14 (31)


331

απαιτούμενη επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Η επιλογή της τελικής θέσης

εγκατάστασης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, οι κυριότεροι των οποίων είναι η μορφολογία

του εδάφους, η αξία της γης και φυσικά η απόσταση από την κατανάλωση. Το μεγαλύτερο κομμάτι

του πληθυσμού του νησιού της Πάτμου, συγκεντρώνεται σε τέσσερις οικισμούς (Σκάλα, Χώρα,

Κάμπος και Γροίκος), με τη Σκάλα να συγκεντρώνει σχεδόν το 50 % του πληθυσμού. Είναι

προφανές, παρατηρώντας το χάρτη της εικ 9.2, πως η πιο ενδεδειγμένη περιοχή για εγκατάσταση

θα ήταν κάποια κατάλληλα διαμορφωμένη έκταση (όσο το δυνατόν επίπεδη), βόρεια της Σκάλας,

όπου είναι φανερό πως προσφέρονται μεγάλες διαθέσιμες εκτάσεις, μια και το σύνολο σχεδόν των

κατοικιών βρίσκονται στα νότια του νησιού ( με εξαίρεση την ευρύτερη περιοχή του Κάμπου).

Φυσικά για να γίνει η επιλογή της τελικής θέσης, θα πρέπει πρώτα να υπολογιστεί η συνολικά απαιτούμενη επιφάνεια γης, η οποία θα φιλοξενήσει το σύνολο των Φ/Β πλαισίων, μαζί με τα υπόλοιπα τμήματα της

εγκατάστασης.

Στην παράγραφο 2.4.5.8, παρουσιάστηκε ένα μοντέλο τοποθέτησης των πλαισίων έτσι ώστε

να μην σκιάζει το ένα το άλλο, κάτι που θα δημιουργούσε ιδιαίτερα προβλήματα στην παραγωγή

της επιθυμητής ισχύος. Τα πλαίσια θα συνενωθούν κατά μήκος της μικρής διάστασης τους (990,6

mm), σχηματίζοντας έτσι τις λεγόμενες σειρές πλαισίων, το πλήθος των οποίων θα δημιουργήσει

τη συστοιχία των φωτοβολταϊκών (Φ/Β πάρκο). Τα πλαίσια ναι μεν εφάπτονται, αλλά ηλεκτρικά

είναι συνδεδεμένα ανά δύο. Το πλήθος των πλαισίων που θα αποτελούν την κάθε σειρά θα

προκύψει με γνώμονα τη μικρότερη δυνατή επιφάνεια. Για να προκύψει το πλήθος των 123.742

τεμαχίων πολλαπλασιάζονται το πλήθος των σειρών με τον αριθμό των πλαισίων ανά σειρά. Στην

κάθε σειρά επιλέγεται να ενωθούν ηλεκτρικά κάποιος αριθμός πλαισίων, έτσι ώστε το σύστημα να

παρουσιάζει μια σχετική αυτοδυναμία, σε περίπτωση που κάποιο από τα πλαίσια πάψει για

οποιοδήποτε λόγο να λειτουργεί. Ο αριθμός αυτός θα είναι συνάρτηση τόσο της επιθυμητής τάσης

εξόδου, όσο και του πλήθους των inverter που θα προκύψουν (βλέπε επόμενη παράγραφο).

Στη συνέχεια θα πρέπει να υπολογιστεί η ελάχιστη απαιτούμενη απόσταση μεταξύ των σειρών, έτσι ώστε να αποφεύγεται το φαινόμενο της σκίασης (βλέπε και εικ 2.40).

Με χρήση των σχέσεων Σ 2.50 και Σ 2.51 και με τη βοήθεια του διαγράμματος α) της εικ 2.41

προκύπτει ο πίν 9.26, όπου επιλέγονται διαδοχικά διάφορες κατακόρυφες αποστάσεις δ, ανάμεσα

στις σειρές πλαισίων και προκύπτουν έτσι οι απαιτούμενες εκτάσεις κάθε φορά. Μαζί με την

κατακόρυφη απόσταση δ, επιλέγεται αυθαίρετα και το πλήθος των σειρών, ώστε να προκύψει έτσι

το βέλτιστο αποτέλεσμα (μικρότερη έκταση εγκατάστασης).

Από την ανάλυση των δεδομένων του πίν 9.26 προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:


332

i) Αύξηση της κατακόρυφης απόστασης μεταξύ των σειρών δ, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση

της συνολικής επιφάνειας εγκατάστασης. Η ελάττωση πάντως, της προκύπτουσας

επιφάνειας εξαιτίας της αύξησης αυτής, δε φαίνεται να δικαιολογεί το επιπλέον κόστος που

είναι συνέπεια της ανάγκης για κατασκευή πολύπλοκων βάσεων στήριξης των πλαισίων.

Κατά συνέπεια παρουσιάζεται ασύμφορη η σταδιακή υπερύψωση των σειρών, επιλέγεται

δηλαδή δ = 0. Πρέπει εδώ να τονιστεί πως η επιλογή αυτή είναι σημαντικά εξαρτώμενη από

τη μορφή της διαθέσιμης έκτασης (σχήμα, επιπεδότητα, κλπ.).

ii) Το πλήθος των σειρών δεν μεταβάλλει αισθητά το εμβαδόν της επιφάνειας (αύξηση του Ν έχει σαν αποτέλεσμα ελαφρά αύξηση της επιφάνειας), αλλά επηρεάζει σημαντικά τη μορφή της έκτασης,

δηλαδή το μήκος των πλευρών του ορθογωνίου που προκύπτει. Αυτός ο παράγοντας πρέπει να τύχει ιδιαίτερης προσοχής, σε περίπτωση που η τελική επιφάνεια εγκατάστασης είναι καθορισμένη.

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω συμπεράσματα επιλέγεται ενδεικτικά (βάσει του πίν 9.26), η εξής κατανομή:

δ = 0 (∆εν υπάρχει ανύψωση πλαισίων ανάμεσα στις διάφορες σειρές).

Ν = 211 σειρές (ε ~ 2,1 m), που δημιουργούν μια διάσταση L = 442 m περίπου.

Κάθε σειρά θα αποτελείται από 588 πλαίσια, ενώ η τελευταία σειρά θα έχει 262 (326 πλαίσια

λιγότερα). Το μήκος της κάθε σειράς αποτελεί ταυτόχρονα και την άλλη διάσταση της

προκύπτουσας έκτασης και είναι D = 650 m περίπου. Το εμβαδόν της συνολικής έκτασης θα είναι:

L·D = 442·650 = 287.300 m2 (288 στρέμματα περίπου). Η επιπλέον επιφάνεια που προκύπτει θα

χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση των βοηθητικών τμημάτων (μπαταρίες inverter, καλωδιώσεις,

κλπ. Τέλος πρέπει να επισημανθεί πως τα Φ/Β πλαίσια θα έχουν γωνία κλίσης 30 0 (βλέπε

9.3.2.1.1), ενώ για τη μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών θα έχουν νότιο-ανατολικό

προσανατολισμό.

Πίνακας 9.26: Υπολογισμός απαιτούμενης έκτασης για την εγκατάσταση των Φ/Β πλαισίων

Πλαίσιο

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. βσ ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096 50

2

742.12

1

03.80

28

4651.1


333

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071 50

2

742.12

1

02.55

28

1223.4

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046 50

2

742.12

1

01.30

27

7795.8

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021 50

2

742.12

1

00.05

27

4368.1

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996 50

2

742.12

9

8.80

27

0940.5

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971 50

2

742.12

9

7.55

26

7512.8

1.

108 .9906 .05 30 .06 .435

3

7.2 .5 .088 .946 50

2

742.12

9

6.30

26

4085.2

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921 50

2

742.12

9

5.05

26

0657.5

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896 50

2

742.12

9

3.80

25

7229.9

1.

108 .9906 .05 30 .09 .405

3

7.2 .5 .013 .871 50

2

742.12

9

2.55

25

3802.2

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846 50

2

742.12

9

1.30

25

0374.6

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. βσ ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096

10

0

1

371.061

2

08.613

28

6022.2

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071

10

0

1

371.061

2

06.113

28

2594.5

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046

10

0

1

371.061

2

03.613

27

9166.8

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021

10

0

1

371.061

2

01.113

27

5739.2

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996

10

0

1

371.061

1

98.613

27

2311.5


334

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971

10

0

1

371.061

1

96.113

26

8883.9

1.

108 .9906 .05 30 .06 .435

3

7.2 .5 .088 .946

10

0

1

371.061

1

93.613

26

5456.2

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921

10

0

1

371.061

1

91.113

26

2028.6

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896

10

0

1

371.061

1

88.613

25

8600.9

1.

108 .9906 .05 30 .09 .405

3

7.2 .5 .013 .871

10

0

1

371.061

1

86.113

25

5173.3

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846

10

0

1

371.061

1

83.613

25

1745.6

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. βσ ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096

15

0

9

14.040

3

13.420

28

6479.2

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071

15

0

9

14.040

3

09.670

28

3051.5

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046

15

0

9

14.040

3

05.920

27

9623.9

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021

15

0

9

14.040

3

02.170

27

6196.2

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996

15

0

9

14.040

2

98.420

27

2768.6

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971

15

0

9

14.040

2

94.670

26

9340.9

1.

108 .9906 .05 30 .06 .435

3

7.2 .5 .088 .946

15

0

9

14.040

2

90.920

26

5913.3

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921

15

0

9

14.040

2

87.170

26

2485.6

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896

15

0

9

14.040

2

83.420

25

9057.9

1.30

3 15 9 2 25


335

108 .9906 .05 .09 .405 7.2 .5 .013 .871 0 14.040 79.670 5630.3

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846

15

0

9

14.040

2

75.920

25

2202.6

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. βσ ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096

20

0

6

85.530

4

18.227

28

6707.7

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071

20

0

6

85.530

4

13.227

28

3280

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046

20

0

6

85.530

4

08.227

27

9852.4

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021

20

0

6

85.530

4

03.227

27

6424.7

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996

20

0

6

85.530

3

98.227

27

2997.1

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971

20

0

6

85.530

3

93.227

26

9569.4

1.

108 .9906 .05 30 .06 .435

3

7.2 .5 .088 .946

20

0

6

85.530

3

88.227

26

6141.8

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921

20

0

6

85.530

3

83.227

26

2714.1

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896

20

0

6

85.530

3

78.227

25

9286.5

1.

108 .9906 .05 30 .09 .405

3

7.2 .5 .013 .871

20

0

6

85.530

3

73.227

25

5858.8

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846

20

0

6

85.530

3

68.227

25

2431.2

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. βσ ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096

21

1

6

49.792

4

41.284

28

6743.4

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071

21

1

6

49.792

4

36.009

28

3315.8


336

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046

21

1

6

49.792

4

30.734

27

9888.1

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021

21

1

6

49.792

4

25.459

27

6460.5

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996

21

1

6

49.792

4

20.184

27

3032.8

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971

21

1

6

49.792

4

14.909

26

9605.2

1.

108 .9906 .05 30 .06 .435

3

7.2 .5 .088 .946

21

1

6

49.792

4

09.634

26

6177.5

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921

21

1

6

49.792

4

04.359

26

2749.8

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896

21

1

6

49.792

3

99.084

25

9322.2

1.

108 .9906 .05 30 .09 .405

3

7.2 .5 .013 .871

21

1

6

49.792

3

93.809

25

5894.5

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846

21

1

6

49.792

3

88.534

25

2466.9

d

(m) (m) (m)

Κλίση

Πλ. ( 0) (m) (m)

γ

.π. ( 0) /u (m) (m)

N

(σειρές)

D

(m)

L

(m)

D·

L (m2)

1.

108 .9906 .05 30 .495

3

7.2 .5 .238 .096

26

0

5

27.331

5

43.995

28

6865.9

1.

108 .9906 .05 30 .01 .485

3

7.2 .5 .213 .071

26

0

5

27.331

5

37.495

28

3438.2

1.

108 .9906 .05 30 .02 .475

3

7.2 .5 .188 .046

26

0

5

27.331

5

30.995

28

0010.6

1.

108 .9906 .05 30 .03 .465

3

7.2 .5 .163 .021

26

0

5

27.331

5

24.495

27

6582.9

1.

108 .9906 .05 30 .04 .455

3

7.2 .5 .138 .996

26

0

5

27.331

5

17.995

27

3155.3

1.

108 .9906 .05 30 .05 .445

3

7.2 .5 .113 .971

26

0

5

27.331

5

11.495

26

9727.6

1.30

3 26 5 5 26


337

108 .9906 .05 .06 .435 7.2 .5 .088 .946 0 27.331 04.995 6300

1.

108 .9906 .05 30 .07 .425

3

7.2 .5 .063 .921

26

0

5

27.331

4

98.495

26

2872.3

1.

108 .9906 .05 30 .08 .415

3

7.2 .5 .038 .896

26

0

5

27.331

4

91.995

25

9444.7

1.

108 .9906 .05 30 .09 .405

3

7.2 .5 .013 .871

26

0

5

27.331

4

85.495

25

6017

1.

108 .9906 .05 30 .1 .395

3

7.2 .5 .988 .846

26

0

5

27.331

4

78.995

25

2589.3

9.3.2.1.3 Μονάδα μετατροπής συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (Inverter)

Εδώ περιλαμβάνονται άλλα στοιχεία όπως μετασχηματιστές, ανορθωτές, κλπ. Για να

καθοριστεί η μονάδα αυτή πρέπει να υπολογιστεί το «μέγεθος» του inverter, δηλαδή η

απαιτούμενη ισχύς του, η οποία καθορίζεται από το μέγιστο φορτίο, κατά τη διάρκεια της ημέρας

(φορτίο αιχμής), το οποίο προσαυξάνεται από ένα συντελεστή F, έτσι ώστε να καλυφθούν οι τυχών

απώλειες του ίδιου του inverter. ∆ηλαδή:

PINV = Ppeak, 2005 · F (Σ 9.4)

Ο συντελεστής απωλειών του inverter ποικίλλει και κυμαίνεται από 30 έως 40 %. Στην

προκειμένη περίπτωση θα ληφθεί μια μέση τιμή 35 %, οπότε ο συντελεστής προσαύξησης F θα

είναι 1,35.

Επόμενο βήμα είναι να υπολογιστεί το μέγιστο φορτίο, που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της

ημέρας (φορτίο αιχμής). Όπως και στην περίπτωση του υπολογισμού της επιφάνειας, έτσι και εδώ

θα υπολογιστεί ένας «εικονικός» ενιαίος inverter, σαν να ήταν μία η εγκατάσταση δηλαδή και στη

συνέχεια θα κατανεμηθεί η συνολική ισχύς στους επιμέρους inverters, ανά αριθμό φωτοβολταϊκών

πλαισίων.

Εδώ πρέπει να τονιστεί πως είναι ιδιαίτερα δύσκολο να εκτιμηθεί το μέγιστο φορτίο που

αναμένεται να εμφανιστεί κατά τη διάρκεια της ημέρας και αυτό διότι δεν είναι γνωστοί οι τύποι και

ο ακριβής αριθμός των ηλεκτρικών καταναλώσεων. Πάντως θα γίνει μια προσπάθεια, βάσει

στατιστικών και εμπειρικών δεδομένων να προσεγγιστεί στο μέτρο του δυνατού μια


338

αντιπροσωπευτική τιμή του φορτίου αιχμής για την Πάτμο. Σύμφωνα με τον πίν 9.12, όπου τα

στοιχεία είναι επίσημα και προέρχονται από τη ∆ΕΗ, το φορτίο αιχμής για την Πάτμο, το 1994

έφτασε τα 2.480 kW. Στον πίν 9.14 φαίνονται εκτός των άλλων τα μέγιστα ηλεκτρικά φορτία (kW),

που εμφανίστηκαν στην Πάτμο από το 1994 έως το 1998. Ο μέσος, ετήσιος ρυθμός αύξησης του

φορτίου αιχμής προκύπτει θετικός και ίσος με 5,3 %. Το φορτίο αιχμής για το 2005, θα προκύψει

με χρήση της πολύ απλής σχέσης:

Ppeak,2005 = Ppeak,1998 · (1 + 0, 053)7 = 3.030 · 1,435 = 4.349,5 kW

Με αντικατάσταση στην Σ 9.4 προκύπτει μια συνολική ισχύς για τον ενιαίο inverter

PINV = 5.872 kW.

Οι τιμές αυτές είναι αναμενόμενο να περιέχουν σφάλματα και αποκλίσεις και αυτό γιατί

βασίζονται σε υποθέσεις που αφορούν το μέλλον και όχι σε πραγματικά δεδομένα. Παρόλα αυτά

επειδή προκύπτουν από υπάρχοντα στοιχεία τα οποία ανάγονται με κάποιο τρόπο στο μέλλον,

μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρώτη φάση για εξαγωγή σχετικά αντιπροσωπευτικών

συμπερασμάτων. Επόμενο βήμα είναι να επιλεχθούν τα μεγέθη και οι τύποι των επί μέρους

inverter.

Αρχικά επιλέγεται ο κάθε inverter να τροφοδοτείται από τάση 24V. Αυτό σημαίνει πως τα

πλαίσια σε κάθε σειρά, είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα ανά δύο (κάθε πλαίσιο έχει ονομαστική τάση

εξόδου 12V), έτσι ώστε η τάση εισόδου στον inverter να είναι πράγματι 24V. Αυτό δίνει το

πλεονέκτημα στην εγκατάσταση να λειτουργεί αψήφιστα και αυτοδύναμα χωρίς σημαντικές

μεταβολές στην αποδιδόμενη ισχύ, ακόμα και αν κάποιο από τα επιμέρους πλαίσια πάψει να

λειτουργεί. Έτσι, στην ουσία «αχρηστεύεται» ένα μόνο ζευγάρι πλαισίων και αδρανεί ένας μόνο

inverter.

Στη συνέχεια επιλέγονται inverters με ισχύ εξόδου 4 kW, με δυνατότητα κάλυψης στιγμιαίου

φορτίου 10 kW. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους περιγράφονται στον πίν 9.27, ενώ στην εικ 9.34

παρουσιάζεται ένας τυπικός inverter εμπορίου.

Πίνακας 9.27: Τεχνικά χαρακτηριστικά επιλεγμένου Inverter

Μοντέλο Trace SW 4024

Ονομαστική Τάση 24 VDC


339

(εισόδου)

Ισχύς εξόδου 4 kW

Στιγμιαία Ισχύς 10 kW

Βάρος 105 lbs

∆ιαστάσεις 9 X 22,5 X

15,25 (in)

Επομένως για την κάλυψη των 5.872 kW απαιτούνται 5.872 / 4 = 1.468 τμχ.

Εφόσον ανά σειρά τοποθετούνται 294 inverters (1 ανά 2 πλαίσια), τότε συνολικά θα

υπάρχουν 5 σειρές πλαισίων από τις 211, που θα ενώνονται με τους inverters άμεσα.

H συνδεσμολογία αυτή έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

Οι τέσσερις πρώτες σειρές των inverter ενώνονται παράλληλα με 42 ζευγάρια πλαισίων,

συνδεδεμένα παράλληλα (ανά δύο σε σειρά) ενώ η τελευταία με 43 (οι τελευταίοι 262 inverters

συνδέονται με 42 ζεύγη πλαισίων). Πράγματι, 4 · 42 + 43 = 211 σειρές πλαισίων. Αριθμός inverter:

5 · 294 = 1.470 (Τα επιπλέον τεμάχια καλύπτουν τυχών ατέλειες ή λάθη στους υπολογισμούς).

Ο κάθε inverter δέχεται τάση 24 V (δύο

πλαίσια σε σειρά), ενώ η μέγιστη ένταση

ρεύματος προκύπτει από το άθροισμα των 43

εντάσεων ρεύματος ανά ζεύγος πλαισίων (43

ζεύγη παράλληλα).

Κάθε ζεύγος πλαισίων δίνει μέγιστη

ένταση ρεύματος 7 Amp και τάση 24 V (βλέπε

και πίν 9.25). Αυτό σημαίνει πως η μέγιστη

ισχύς που φθάνει στον κάθε inverter θα είναι:

P = 24 V · 43 · 7 A = 7,22 kW < 10 kW

Eικ 9.34: Inverter εμπορίου τύπου Trace SW 4024 Series. (SW4024)


378

Είναι γνωστό πως διάφορες μηχανικές συσκευές (κινητήρες, συμπιεστές, αντλίες κλπ),

όταν τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα, κατά το ξεκίνημα καταναλώνουν πολύ

περισσότερο ρεύμα από την ονομαστική τιμή λειτουργίας τους. Αυτό πρέπει να ληφθεί

υπόψη κατά την τελική επιλογή του inverter, ενώ και το είδος των καταναλώσεων (φορτίο)

αποτελεί σημαντικότατο κριτήριο για τη λήψη της τελικής απόφασης.

9.3.2.1.4 Μονάδες αποθήκευσης ενέργειας (Μπαταρίες)

Το φορτίο που πρέπει να καλύψουν συνολικά οι μπαταρίες LBAT (kWh), προκύπτει από

τη σχέση Σ 9.5.

LBAT = BAT

NHMN

n

LLNL (Σ 9.5)

Όπου: NL , Το φορτίο που πρέπει να καλυφθεί κατά τη διάρκεια της νύχτας (kWh)

HML , Το φορτίο που πρέπει να καλυφθεί κατά τη διάρκεια της ημέρας (kWh)

N , Οι ημέρες αυτοδυναμίας του συστήματος (Ο μέγιστος αριθμός ημερών που

μπορεί να λειτουργήσει το σύστημα χωρίς ήλιο). Επιλέγεται, N = 1.

BATn , Ο βαθμός απόδοσης των μπαταριών (Μια τυπική τιμή 0,85)

Το μέγιστο ημερήσιο (μέρα και νύχτα) φορτίο προκύπτει για τον Αύγουστο και είναι

51.730 kWh / d (πίν 9.22).

Πρέπει τώρα με κάποιο τρόπο να εκτιμηθεί τι ποσοστό από το φορτίο αυτό αντιστοιχεί σε νυχτερινό φορτίο.

Από τον πίν 9.14 για το 1998 υπολογίστηκε ελάχιστο ηλεκτρικό φορτίο 610 kW. Με τον

ίδιο τρόπο, όπως και στην προηγούμενη παράγραφο και θεωρώντας μέση ετήσια αύξηση 2

% προκύπτει:

Pmin, 2005 = Pmin,1998 · (1 + 0, 02)7 = 610 · 1,148 = 700,28 kW

Αν τώρα θεωρηθεί πως το φορτίο αυτό εμφανίζεται κάποια βραδινή ώρα και υποτεθεί

πως παραμένει περίπου σταθερό (μικρές αυξομειώσεις, θετικές ή αρνητικές) κατά τη

διάρκεια της νύχτας (10 ώρες, 8μμ - 6πμ), το νυχτερινό φορτίο προκύπτει LN = 7.003 kWh.

Θεωρείται σκόπιμο να γίνει μια προσαύξηση 30 %, κυρίως για να παραλάβει πιθανές


379

αυξημένες ζητήσεις τη νύχτα (φώτα, νυχτερινή ζωή κλπ). Τελικά προκύπτει LN = 9.104 kWh.

Με αντικατάσταση στην Σ 9.5 προκύπτει: LBAT = 71.570 kWh.

Είναι γνωστό πως από τις μπαταρίες ένα μόνο τμήμα της ενέργειάς τους είναι

εκμεταλλεύσιμο (βάθος εκφόρτισης DOD). H τιμή αυτή ποικίλει από μπαταρία σε μπαταρία

και από χρήση σε χρήση. Για τέτοιες εφαρμογές μια τιμή του DOD κοντά στο 50 % είναι

αρκετά αντιπροσωπευτική.

Η χωρητικότητα των μπαταριών (Capacity) προκύπτει ως:

CBAT =DOD

LBAT = 5,0

570.71= 143.140 kWh (Σ 9.6)

Στη συνέχεια θα πρέπει να επιλεγούν οι μπαταρίες (VAh), οπότε θα προκύψουν οι Wh

που μπορεί να καλύψει η κάθε μπαταρία. ∆ιαιρώντας λοιπόν τη συνολική χωρητικότητα των

μπαταριών (CBAT), με τις Wh της κάθε μπαταρίας, θα προκύψει ο απαιτούμενος αριθμός

μπαταριών.

Για παράδειγμα αν επιλεγούν συσσωρευτές μολύβδου 150 κυψελών (βλέπε και παρ.

2.4.7.2), τάσης 300 V και χωρητικότητας 420 Ah (χαρακτηριστική τιμή για τέτοιες εφαρμογές),

τότε τα απαιτούμενα τεμάχια θα είναι:

ΤΜΧ =

Wh

Wh

E

C

BAT

BAT

420300

10140.143 3

1.136 (Σ 9.7)

Είναι φανερό πως ο αριθμός μπαταριών που προέκυψε είναι ικανοποιητικός, οπότε

μπορεί να επιλεχθούν τέτοιου τύπου συσσωρευτές. Αυτό βέβαια θα πρέπει να υπολογιστεί

και σαν συνάρτηση του κόστους των μπαταριών (δρχ./τμχ.), έτσι ώστε να επιλεχθεί η

οικονομικότερη λύση. Κάπου εδώ πρέπει να τονιστεί πως επειδή το μέγεθος και τα φορτία

που αναμένεται να καλύψει η εγκατάσταση, είναι ιδιαίτερα μεγάλα, θεωρείται σκόπιμο να μην

χρησιμοποιηθούν τυποποιημένες μπαταρίες (εμπορίου), διότι αυτό θα οδηγούσε σε τεράστιο

αριθμό συσσωρευτών με ταυτόχρονη εκτίναξη του κόστους. Για παράδειγμα, οι μέγιστες

χωρητικότητες συσσωρευτών που συναντώνται στην αγορά, είναι περίπου 6.500Wh

(8V·820A ή 6V·1.025A). Αυτό σημαίνει πως για την κάλυψη των συγκεκριμένων αναγκών, θα

απαιτούνταν περίπου 22.022 τέτοιου τύπου μπαταρίες. Το νούμερο που προκύπτει είναι

μεγάλο και μεγάλο θα είναι αντίστοιχα και το κόστος αποθήκευσης της ενέργειας, μια και το


380

κόστος για κάθε τέτοια μπαταρία είναι ιδιαίτερα υψηλό.

Στη συνέχεια πάντως, δίνονται 4 τύποι συσσωρευτών εμπορίου, που θα μπορούσαν

να ανταποκριθούν στην κάλυψη των δεδομένων αναγκών. Στο επόμενο κεφάλαιο, όπου θα

γίνει μια προσπάθεια υπολογισμού του συνολικού κόστους της εγκατάστασης, θα γίνει και η

τελική επιλογή με γνώμονα φυσικά το μικρότερο κόστος, αλλά και την όσο το δυνατόν

αποδοτικότερη λειτουργία του συστήματος.

Τύποι Συσσωρευτών

o TROJAN T-105 (6V/225Ah, 28.000 δρχ.)

Για την κάλυψη των αναγκών απαιτούνται (Σ 9.7): 106.030 τμχ.

(Συνολικό κόστος 2.968.884.000 δρχ.)

o RES – 5 (12V/130Ah, 40.000 δρχ.)



o SURRETTE 4-KS-25PS (4V/1.350Ah, 305.000 δρχ.)



o SURRETTE 8-HHG-31PS (8V/344Ah, 161.000 δρχ.)



9.3.2.2 Φωτοθερμικά (Ηλιακά Θερμοσίφωνα)

Στην παράγραφο αυτή θα γίνει μια προσπάθεια να υπολογιστούν τα βασικά

χαρακτηριστικά ενός φωτοθερμικού συστήματος (ηλιακό θερμοσίφωνο), τόσο για οικιακή,

όσο και για ξενοδοχειακή χρήση, έτσι ώστε να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες για

θέρμανση νερού.

Θα χρησιμοποιηθούν συστήματα με επίπεδους συλλέκτες κλειστού κυκλώματος (βλέπε

2.3.1.2) και boiler διπλής ενέργειας (2Ε). Αυτό θα γίνει σε συνάρτηση με τα επίπέδα ηλιακής

ακτινοβολίας στην Πάτμο, κατά τη διάρκεια όλου του έτους.


381

9.3.2.2.1 Συλλεκτικές επιφάνειες

Η παραγόμενη από το ηλιακό σύστημα θερμική ενέργεια, θα είναι:

Q = H30 · AC · n (Σ 9.8)

Όπου: H30, η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία σε συλλέκτη με κλίση 30 0 (kWh /

m2·mo)

AC, η απαιτούμενη επιφάνεια συλλογής του συλλέκτη (m2)

n, ο συνολικός βαθμός απόδοσης του ηλιακού συστήματος

Εφόσον η ζήτηση καλύπτεται 100 % από την ηλιακή ακτινοβολία, θα πρέπει η

παραπάνω ενέργεια να είναι μεγαλύτερη ή τουλάχιστον ίση με τις υπολογισμένες μηνιαίες

καταναλώσεις (πίν 9.19, 9.21) για το 2005.

Με χρήση των πινάκων 9.19, 9.20 και 9.21,καθώς και της Σ 9.8 προκύπτει ο πίν 9.28

που ακολουθεί, όπου παρουσιάζονται οι απαιτούμενες επιφάνειες ανά μήνα, τόσο στον

οικιακό τομέα, όσο και στα ξενοδοχεία. Εδώ πρέπει να τονιστεί πως έχει επιλεχθεί μια μέση

απόδοση ηλιακού συστήματος n = 0,35 (τιμή ιδιαίτερα αντιπροσωπευτική για τέτοιες

εγκαταστάσεις).

Όπως ήταν αναμενόμενο, στον οικιακό τομέα μέγιστη επιφάνεια συλλογής προκύπτει

για τους χειμερινούς μήνες, Ιανουάριος (7.820 m2), ∆εκέμβριος (7.193 m2), Φεβρουάριος

(5.792 m2), ενώ το καλοκαίρι η ζήτηση πέφτει κατακόρυφα, Ιούλιος (2.233 m2),

Αύγουστος (2.266 m2), Ιούνιος (2.547 m2).

Αντίθετα, όσον αφορά τα ξενοδοχεία, η τάση είναι εντελώς διαφορετική, μια και τα

περισσότερα από αυτά λειτουργούν μόνο τους καλοκαιρινούς μήνες. Πιο συγκεκριμένα μήνες

όπως Αύγουστος (3.863 m2), Ιούλιος (3.807 m2) και Σεπτέμβριος (3.690 m2) απαιτούν τη

μεγαλύτερη συλλεκτική επιφάνεια και αυτό εξαιτίας της τεράστιας τουριστικής κίνησης αυτούς

τους μήνες.

Θα επιλεχθεί η κάλυψη της επιφάνειας για τη δυσμενέστερη περίπτωση που

εμφανίζεται κατά τη διάρκεια του έτους. Έτσι λοιπόν, η απαιτούμενη συλλεκτική επιφάνεια για

το σύνολο των κατοικιών προκύπτει 7.820 m2, ενώ για τα ξενοδοχεία

(συμπεριλαμβανομένων των ενοικιαζόμενων δωματίων), προκύπτει μια επιφάνεια 3.863 m2.


382

Κατοικίες

Οι μόνιμοι κάτοικοι στο νησί, εκτιμάται πως θα φτάνουν περίπου τα 2.900 άτομα

(9.3.1.2) το 2005. ∆εδομένου ότι για τις κατοικίες υπολογίστηκε απαιτούμενη συλλεκτική

επιφάνεια 7.820 m2 (100 % κάλυψη όλο το χρόνο), τότε σε κάθε άτομο αναλογούν περίπου

2,7 m2. Αν υποτεθεί ότι κάθε σπίτι θα έχει το δικό του ηλιακό θερμοσίφωνο και θεωρηθεί πως

σε κάθε σπίτι κατοικούν κατά μέσο όρο 4 άτομα, τότε η απαιτούμενη επιφάνεια για κάθε σπίτι

προκύπτει περίπου 10,8 m2.

Πίνακας 9.28: Υπολογισμός επιφάνειας συλλογής ηλιακής ακτινοβολίας για ζεστό νερό, Πάτμος 2005

Μήνας

Ηλιακ

ή

Ακτινοβολία

(kWh /

m2)

Κατ

οικίες

(kWh)

Ξενοδ

οχεία

(kWh)

Κατ

οικίες

(m2)

Ξενοδ

οχεία

(m2)

Ιανουά

ριος 82

224.

428 -

7.82

0 -

Φεβρο

υάριος 100

202.

706 -

5.79

2 -

Μάρτιο

ς 127

213.

987 -

4.81

4 -

Απρίλι

ος 159

196.

983 -

3.54

0 -

Μάιος 187 187.

891

96.09

7

2.87

1 1.468

Ιούνιος 187 166. 227.3 2.54 3.473


383

677 25 7

Ιούλιος 207 161.

795

275.8

33

2.23

3 3.807

Αύγου

στος 204

161.

795

275.8

33

2.26

6 3.863

Σεπτέμ

βριος 176

166.

677

227.3

25

2.70

6 3.690

Οκτώβ

ριος 148

187.

891

96.09

7

3.62

7 1.855

Νοέμβ

ριος 104

196.

983 -

5.41

2 -

∆εκέμβ

ριος 85

213.

987 -

7.19

3 -

Σύνολ

ο 1.766

2.28

1.800

1.198.

508

Από την εικ 9.35, όπου παρουσιάζονται τυποποιημένοι ηλιακοί θερμοσίφωνες γνωστής

κατασκευαστικής εταιρείας, είναι φανερό πως για τετραμελή οικογένεια (200L) και για διπλής

ενέργειας σύστημα (2Ε), η συνιστώμενη επιφάνεια δεν ξεπερνά τα 3,54 m2 (Τύπος 4, 2FC).

Αυτή η τιμή είναι μια χαρακτηριστική τιμή επιφάνειας για τέτοιες χρήσεις και για μια οικογένεια

τεσσάρων ατόμων.


384

Eικόνα 9.35: Τυποποιημένες διαστάσεις ηλιακών συλλεκτών – boiler

Αυτό που συμβαίνει στην προκειμένη περίπτωση είναι το εξής. Τα 10,8 m2/οικ που

υπολογίστηκαν σε θεωρητική βάση, ναι μεν φαντάζουν πολλά, αλλά ανταποκρίνονται στην

κάλυψη των ακραίων τιμών ζήτησης και μάλιστα αποκλειστικά από ηλιακή ενέργεια, χωρίς

πρόσθετη βοηθητική μορφή ενέργειας που θα μπορούσε να υπάρχει (π.χ. ηλεκτρική).

Αντίθετα οι τιμές που εμφανίζονται στην εικ 9.35 αναφέρονται στην κάλυψη μέσων

ετήσιων τιμών ζήτησης, με αποτέλεσμα το καλοκαίρι να παρουσιάζεται πλεόνασμα ενέργειας

και το χειμώνα έλλειμμα.

Η παραπάνω διευκρίνιση έγινε για να γίνει κατανοητό το γεγονός πως δεν είναι

δυνατόν στην περίπτωσή μας να χρησιμοποιηθούν τυποποιημένοι ηλιακοί συλλέκτες (σε

διαστάσεις). Βάσει της συνολικής επιφάνειας που προέκυψε και με γνώμονα τον πληθυσμό

του νησιού στις διάφορες κατοικήσιμες περιοχές (Σκάλα, Χώρα, κλπ), θα αναχθεί η συνολική

επιφάνεια σε επί μέρους επιφάνειες ανά περιοχή.

Πιο συγκεκριμένα, στη Σκάλα, όπου συγκεντρώνεται περίπου ο μισός πληθυσμός του

νησιού (1.500 κάτοικοι), αντιστοιχούν τα 4.050 m2, στη Χώρα (700 κάτοικοι), τα 1.890 m2,

στον Κάμπο (500 κάτοικοι), τα 1.350 m2, στα νησιά Αρκοί (50 κάτοικοι), 135 m2. Τα υπόλοιπα

395 m2 περίπου μπορούν να κατανεμηθούν σε άλλους μικρότερους οικισμούς, Γροίκος,

Μαράθι ή ακόμα και σε μεμονωμένες εξοχικές κατοικίες.

Επιλέγονται συλλέκτες τύπου 4 (εικ 9.35), με συλλεκτική επιφάνεια 3,54 m2.


385

Πιο αναλυτικά ισχύει:

Σκάλα: 4.050 / 3,54 = 1.144 συλλέκτες (2,7 m2 / άτομο)

Χώρα: 1.890 / 3,54 = 534 συλλέκτες

Κάμπο: 1.350 / 3,54 = 382 συλλέκτες

Αρκοί: 135 / 3,54 = 39 συλλέκτες

Τα υπόλοιπα 395 m2 αντιστοιχούν σε 112 συλλέκτες οι οποίοι θα κατανεμηθούν

ανάλογα με τις ανάγκες.

Η επιλογή των δεξαμενών αποθήκευσης (boiler), θα γίνει έτσι ώστε να αντιστοιχούν

περίπου 50 lt ζεστού νερού ανά κάτοικο. Έτσι αν επιλεχθούν τυποποιημένα boiler 200 lt, τότε

για οικιακή χρήση θα πρέπει να υπάρχουν συνολικά στο νησί:

boiler

ltά

ltά

200

50 900.2

= 725 boiler

Για την εγκατάσταση του συνόλου των συλλεκτών (οικιακό τομέα), αλλά και των boiler εκτιμάται πως μια συνολική έκταση 50 περίπου στρεμμάτων (4 ξεχωριστές εκτάσεις) είναι αρκετή. Επιλέγεται απόσταση στήριξης κατά τη μεγάλη διάσταση των συλλεκτών (πλάγια) 2 m και 3 m κατά τη μικρή διάσταση (μπρος-πίσω). Έτσι αποφεύγονται προβλήματα σκίασης κατά την κίνηση του ήλιου και εξασφαλίζεται η απρόσκοπτη και αποδοτική λειτουργία των συλλεκτών. Φυσικά πρέπει να τονιστεί πως είναι δυνατή η τοποθέτηση των συλλεκτών, αλλά και των boiler στις ταράτσες ή στις αυλές των επιμέρους κατοικιών.


Όσον αφορά τα ξενοδοχεία, τα πράγματα είναι κάπως διαφορετικά και αυτό γιατί ο

πληθυσμός μεταβάλλεται ανάλογα με την πληρότητα του μήνα. Η μέγιστη συλλεκτική

επιφάνεια που υπολογίστηκε, έτσι ώστε οι ενεργειακές ανάγκες να καλύπτονται 100 %, είναι

3.863 m2 (Αύγουστος). Με δεδομένη πληρότητα 100 %, οι τουρίστες που μπορούν να

φιλοξενηθούν ημερησίως από τα διάφορα τουριστικά καταλύματα, στην Πάτμο

υπολογίστηκαν σε 3.090 άτομα. Αυτό σημαίνει πως αντιστοιχούν περίπου 1,25 m2 ανά

άτομο. Με δεδομένη μια κατανάλωση περίπου 80 lt/ατ, θα επιλεχθούν boiler των 300L

(Τύπος 10, εικ 9.35) και συλλεκτικής επιφάνειας 3,9 m2. Επομένως για να καλυφθεί η

συνολική επιφάνεια των 3.863 m2 υπολογίζεται πως απαιτούνται περίπου 991 ηλιακοί


386

θερμοσίφωνες τέτοιου τύπου. Πράγματι οι 991 ηλιακοί θερμοσίφωνες τέτοιου τύπου

δημιουργούν ένα συνολικό όγκο ζεστού νερού: 991·300 lt = 297,3 m3. ∆ηλαδή αντιστοιχούν

ημερησίως 297.300 / 3.090 = 96 lt ζεστού νερού ανά άτομο. Στην εικ 9.36, παρουσιάζεται

ένας τέτοιος ηλιακός θερμοσίφωνας εξωτερικά, ενώ στην εικ 2.26 του προηγούμενου

κεφαλαίου παρουσιάστηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά του θερμοδοχείου (boiler) εσωτερικά.

Ο αριθμός των ηλιακών συστημάτων

που προέκυψε τόσο για οικιακή, όσο και

για ξενοδοχειακή χρήση, φαντάζει ιδιαίτερα

μεγάλος, αλλά αντιστοιχεί στην κάλυψη

των αναγκών 100% από τον ήλιο και

μάλιστα για την κάλυψη του μέγιστου

θερμικού φορτίου, ακόμα και το χειμώνα

όπου τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας

είναι ιδιαίτερα χαμηλά.

Τέλος πρέπει να σημειωθεί πως για

την καλύτερη και αποδοτικότερη λειτουργία

των συλλεκτών, συνίσταται αυτοί να έχουν

κλίση 30 0 (βλέπε και 9.3.2.1.1) και νότιο-

ανατολικό προσανατολισμό.

Eικόνα 9.36: Τυποποιημένος ηλιακός συλλέκτης, επιλεκτικής επιφάνειας, συνοδευόμενος από boiler 300 lt, διπλής ενέργειας (2Ε).

9.3.2.3 Ηλιακή Απόσταξη

Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 9.3.1.3, η ζητούμενη παραγωγή από το

σύστημα ηλιακής αφαλάτωσης πρέπει να ξεπερνά τα 30 m3/d. Ο πληθυσμός βάσει του

οποίου προέκυψε αυτή η τιμή, είναι 6.000 άτομα και αναφέρεται φυσικά στην καλοκαιρινή

περίοδο. Σκοπός αυτής της παρουσίασης είναι ο όσο το δυνατόν ακριβής υπολογισμός της

απαιτούμενης επιφάνειας συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. ∆εδομένου όμως, ότι για την

περίοδο αναφοράς (Ιούλιος, Αύγουστος), τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα

υψηλά, είναι πιθανό η επιφάνεια συλλογής που θα προκύψει να μην είναι αρκετή τους

χειμερινούς μήνες, όπου τα επίπεδα ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα χαμηλά. Φυσικά τη χειμερινή

περίοδο, ο πληθυσμός αναφοράς είναι ο μισός του αντίστοιχού καλοκαιρινού πληθυσμού


387

(περίπου 3.000 άτομα), για αυτό επιβάλλεται μια διερεύνηση με κύριες παραμέτρους τον

πληθυσμό και τα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας στην Πάτμο.

Πάντως ο αρχικός υπολογισμός θα αφορά τον μήνα Αύγουστο, όπου σε σχέση με τον

Ιούλιο (204 έναντι 207 kWh/m2, πίν 2.2) παρουσιάζει μικρότερη μέση ένταση ηλιακής

ακτινοβολίας, οπότε θα προκύψει και μεγαλύτερη απαιτούμενη επιφάνεια.

Η ηλιακή αφαλάτωση θα επιτευχθεί με το συνδυασμό ενός κοίλου ανακλαστήρα και

μιας δεξαμενής, με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπου λαμβάνει χώρα η απόσταξη του νερού.

Παράδειγμα μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στην εικ 9.37 (Ηλιακός αποστακτήρας

αντίστροφης απορρόφησης).

Eικόνα 9.37: Ηλιακός αποστακτήρας αντίστροφης απορρόφησης (Inverted Absorber

Solar Still).

Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα ισοζύγια ενέργειας για κάθε τμήμα, υπολογίζονται

εκφράσεις για τις θερμοκρασίες τόσο του νερού Tw, όσο και του γυάλινου καλύμματος Tc, για

την ημερήσια παραγωγή, καθώς και για τη στιγμιαία απόδοση του ηλιακού αποστακτήρα.

9.3.2.3.1 Περιγραφή και λειτουργία του συστήματος

Ένας συμβατικός ηλιακός αποστακτήρας (βλέπε εικ 2.59 του προηγούμενου κεφαλαίου), αποτελεί το πιο απλό και πρακτικό σύστημα, το οποίο μπορεί να παράγει πόσιμο νερό, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες χρήσεις, όπως φόρτιση μπαταριών, σε χημικά εργαστήρια, σε εκπαιδευτικές παρουσιάσεις, κλπ.


388

Η παραγωγή νερού ενός ηλιακού αποστακτήρα μπορεί να βελτιωθεί, αυξάνοντας τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο νερό και το γυάλινο κάλυμμα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε αυξάνοντας τη θερμοκρασία του νερού, είτε ελαττώνοντας τη θερμοκρασία του καλύμματος, είτε με συνδυασμό των δύο.

Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού είναι δυνατή με τους παρακάτω τρόπους:

Εισάγοντας μαύρη βαφή στο νερό

Ελαττώνοντας τις πλευρικές απώλειες καθώς και τις απώλειες στο κάτω τμήμα

Ελαττώνοντας τη μάζα νερού

Κάπου εδώ πρέπει να τονιστεί πως δεν λαμβάνεται υπόψη η περίπτωση της

συγκέντρωσης της ακτινοβολίας (συγκεντρωτικοί συλλέκτες, γραμμικής ή σημειακής

εστίασης) για δύο κυρίως λόγους:

α) Είναι γνωστό πως οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες δεν εκμεταλλεύονται τη διάχυτη

ακτινοβολία, αλλά μόνο την άμεση. Επειδή ακριβώς οι ηλιακοί αποστακτήρες θα

λειτουργούν όλο το χρόνο, οι απώλειες μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικές, αφού τα

επίπεδα διάχυτης ακτινοβολίας, ιδιαίτερα το χειμώνα είναι εξίσου σημαντικά με τα

αντίστοιχα επίπεδα της άμεσης. Εκτός όμως από το θέμα της «χαμένης» ενέργειας,

τίθεται και θέμα κόστους. Έτσι λοιπόν αν ζητηθεί κατασκευή του συστήματος με τέτοιο

τρόπο, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη απορρόφηση ακτινοβολίας (άμεση και διάχυτη),

τότε θα πρέπει να κατασκευαστούν πολύπλοκα καθοδηγητικά συστήματα σε κάθε

συλλέκτη, έτσι ώστε αυτός να παρακολουθεί πάντα την πορεία του ήλιου. Το κόστος

που προκύπτει θα είναι σημαντικά υψηλότερο αν αναλογιστεί κανείς το πλήθος των

συσκευών που θα προκύψουν για μια εγκατάσταση τέτοιας δυναμικότητας.

β) Σκοπός της παρουσίασης αυτής είναι η μελέτη για μια εγκατάσταση αφαλάτωσης

θαλασσινού νερού με ηλιακή απόσταξη και πρέπει να τονιστεί πως δεν αναμένεται να

έχει βιομηχανική εφαρμογή, αφού κύριος στόχος είναι η παραγωγή πόσιμου νερού

για οικιακή χρήση. Είναι γνωστό πως η χρήση συγκεντρωτικών συλλεκτών παρέχει τη

δυνατότητα παραγωγής, ακόμα και ατμού (> 300 0C). Αυτά τα επίπεδα θερμοκρασιών

σίγουρα είναι αναγκαία, σε άλλες όμως εφαρμογές και όχι για οικιακή χρήση, αφού

στην περίπτωση αυτή επιδιώκονται επίπεδα θερμοκρασιών πολύ κάτω των 100 0 C.

Κύριο μέλημα λοιπόν, στην περίπτωση αυτή, θα είναι η ελάττωση των απωλειών και

για αυτό ο αποστακτήρας έχει κατάλληλη διαμόρφωση (εικ 9.37 [9]), ενώ η απορρόφηση της

ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται από το κάτω τμήμα του (επιδιώκεται «προστασία» της πλάκας


389

απορρόφησης).

Η ηλιακή ακτινοβολία μετά από μεταφορά διαμέσου του γυάλινου καλύμματος 1,

ανακλάται από τον κοίλο ανακλαστήρα (καθρέφτη) και απορροφάται τελικά από το επίπεδο

απορρόφησης που βρίσκεται στο κάτω μέρος της δεξαμενής νερού. Η απορροφούμενη

ηλιακή ακτινοβολία μεταφέρεται μερικώς στη μάζα νερού που βρίσκεται στη δεξαμενή, ενώ το

υπόλοιπο τμήμα απομακρύνεται με τη μορφή απωλειών μέσω των γυάλινων καλυμμάτων g1

και g2. Έτσι το νερό θερμαίνεται, ενώ ταυτόχρονα εμφανίζονται απώλειες ακτινοβολίας,

συναγωγής και εξάτμισης από τη μάζα νερού προς το κάλυμμα συμπύκνωσης. Το νερό που

εξατμίζεται, συμπυκνώνεται στην εσωτερική επιφάνεια του καλύμματος απελευθερώνοντας

έτσι λανθάνουσα θερμότητα. Το συμπυκνωμένο νερό κυλάει προς τα κάτω, κατά μήκος του

καλύμματος, λόγω βαρύτητας και τελικά συλλέγεται μέσω κατάλληλου συστήματος

διοχέτευσης, στο κάτω άκρο.

9.3.2.3.2 Ισοζύγια Ενέργειας

Για να προκύψουν οι παρακάτω εξισώσεις ισοζυγίων ενέργειας, έχουν γίνει οι εξής

υποθέσεις:

i. Οι θερμοχωρητικότητες του γυάλινου καλύμματος, του απορροφητικού υλικού, του καλύμματος συμπύκνωσης και της μόνωσης, θεωρούνται αμελητέες.

ii. Ο ηλιακός αποστακτήρας θεωρείται στεγανός έναντι διαρροής ατμού.

iii. Η επιφάνεια του ανοίγματος είναι ίδια με την επιφάνεια απορρόφησης και ο λόγος συγκέντρωσης είναι 1:1.

iv. Η κλίση του καλύμματος συμπύκνωσης είναι μικρή.

Τα ενεργειακά ισοζύγια (σε W/m2) για τα διάφορα τμήματα είναι:

(Οι μεταβλητές ορίζονται στο τέλος της παραγράφου.)

Πλάκα Απορρόφησης

τg1·τg2 · rN · αp · I = hcpw · (Tp – Tw) + hrpg2 · (Tp – Tg2) (Σ 9.9)

Μάζα Νερού

hcpw · (Tp – Tw) = Mw·Cw· cwewrww qqq

dT

dT ...

(Σ


390

9.10)

Κάλυμμα Συμπύκνωσης

cwewrw qqq...

= ccrc qq..

(Σ 9.11)

Γυάλινο Κάλυμμα 2

hrpg2 · (Tp – Tg2) = Ur· (Tg2 – Tα) (Σ 9.12)

όπου: cwewrw qqq...

= hw · (Tw – Tc)

(Σ 9.13)

ccrc qq..

= hc · (Tc – Tα) (Σ 9.14)

hw = hew + hcw + hrw (Σ

9.15)

hc = hrc + hcc (Σ

9.16)

Οι διάφοροι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας που εμφανίζονται μπορούν να γραφτούν ως εξής:

hrw = eeff · σ · [(Tw+273)2 + (Tc+273)2]·[ Tw + Tc + 546] (Σ 9.17)

hcw = 0,884·[(Tw – Tc) +

w

wcw

P

TPP

3109,268

273]1/3 (Σ 9.18)

hew = 16,273 · 10-3 · hcw·cw

cw

TT

PP

(Σ 9.19)

όπου:

15,273

144.5317,25exp)(

TTP (Σ 9.20)


391

eeff =

1

111

wc ee (Σ 9.21)

hc = 5,7 + 3,8·V (Σ 9.22)

Οι εξισώσεις Σ 9.9 – Σ 9.12 μπορούν να συμπτυχθούν και στην ακόλουθη μορφή:

)(tfdT

dTw

w (Σ 9.23)

όπου: ww

L

CM

U (Σ 9.24)

ww

aLeff

CM

TUItf

)()(

(Σ 9.25)

UL = Uwc + Uwg2 (Σ 9.26)

Uwc =

111

cw hh (Σ 9.27)

Uwg2 =

1

2

11

pgcpw Uh (Σ 9.28)

Upg2 =

1

2

11

rrpg Uh (Σ 9.29)

eff)( = τg1·τg2 · rN · αp ·

2

2

pg

wg

U

U (Σ 9.30)

Στόχος της παρουσίασης σε πρώτη φάση είναι να βρεθεί μια έκφραση της

θερμοκρασίας του νερού Tw σαν συνάρτηση μόνο του χρόνου t. ∆ηλαδή επιδιώκεται

ουσιαστικά η λύση της εξίσωσης Σ 9.23. Για να συμβεί αυτό θα πρέπει πρώτα να γίνουν

κάποιες υποθέσεις:

i. Το χρονικό διάστημα αναφοράς ∆t (0 < t, ∆t) είναι μικρό.

ii. Η συνάρτηση )(tf είναι σταθερή για το χρονικό διάστημα ∆t.

iii. Η ποσότητα α δεν μεταβάλλεται στο χρονικό διάστημα ∆t.


392

iv. Οι θερμοκρασίες του νερού Tw, καθώς και του καλύμματος συμπύκνωσης Tc, έχουν χρησιμοποιηθεί ώστε να εκτιμηθούν οι εσωτερικοί συντελεστές μεταφοράς θερμότητας.

Έτσι η εξίσωση Σ 9.23 παίρνει τη μορφή:

tTttf

T ww

expexp1)(

0 (Σ

9.31)

όπου 0wT η θερμοκρασία του νερού τη χρονική στιγμή t = 0.

Επίσης από τη Σ 9.11 προκύπτει η θερμοκρασία του καλύμματος συμπύκνωσης Tc ,

ως συνάρτηση της θερμοκρασίας του νερού Tw.

cw

acwwc hh

ThThT

(Σ

9.32)

ενώ η παραγωγή νερού ανά ώρα και μονάδα επιφανείας cwm.

(kg/m2·h), προκύπτει με

συνδυασμό των Σ 9.23 και Σ 9.32.

cwm.

L

TTh cwew · 3.600 (Σ

9.33)

Τo μόνο που μένει να οριστεί είναι η στιγμιαία απόδοση απόσταξης, η οποία

υπολογίζεται ως εξής:

)()()(

.

tI

TTh

tI

qtn cw

ewew

(Σ 9.34)

Ονοματολογία

As = Επιφάνεια απορρόφησης ηλιακού αποστακτήρα (m2)


393

C = Ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού (J/kg·0C)

hc = Ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας, από το κάλυμμα συμπύκνωσης προς

το περιβάλλον (W/m2· 0C)

hcc = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, από το κάλυμμα

συμπύκνωσης προς το περιβάλλον (W/m2· 0C)

hcpw = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, από την πλάκα

απορρόφησης προς το νερό (W/m2· 0C)

hcw = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, από το νερό προς το κάλυμμα

συμπύκνωσης (W/m2· 0C)

hew = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξάτμιση, από το νερό προς το κάλυμμα


hrc = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία, από το κάλυμμα

συμπύκνωσης προς το περιβάλλον (W/m2· 0C)

hrpg2 = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία, από την πλάκα

απορρόφησης προς το γυάλινο κάλυμμα 2 (W/m2· 0C)

hrw = Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία, από το νερό προς το

κάλυμμα συμπύκνωσης (W/m2· 0C)

hw = Ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας, από το νερό προς το κάλυμμα


I(t) = Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (W/m2)

L = Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (J/kg)

M = Μάζα νερού (kg)

N = Μέσος αριθμός ανακλάσεων

Pc = Πίεση κορεσμού του ατμού στην επιφάνεια του καλύμματος συμπύκνωσης (N/m2)

Pw = Πίεση κορεσμού του ατμού στην επιφάνεια του νερού (N/m2)

ccq.

= Ρυθμός απωλειών συναγωγής από το κάλυμμα συμπύκνωσης προς το


394

περιβάλλον (W/m2)

cwq.

= Ρυθμός απωλειών συναγωγής από το νερό προς το κάλυμμα συμπύκνωσης

(W/m2)

ewq.

= Ρυθμός απωλειών εξάτμισης από το νερό προς το κάλυμμα συμπύκνωσης

(W/m2)

rwq.

= Ρυθμός απωλειών ακτινοβολίας από το νερό προς το κάλυμμα συμπύκνωσης

(W/m2)

rcq.

= Ρυθμός απωλειών ακτινοβολίας από το κάλυμμα συμπύκνωσης προς το

περιβάλλον (W/m2).

r = Ανακλαστικότητα κυλινδρικού κατόπτρου

t = Χρόνος (sec)

Τ = Θερμοκρασία (0C)

V = Ταχύτητα ανέμου (m/sec)

Upg2 = Ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από την πλάκα απορρόφησης, προς

το περιβάλλον, μέσω του γυάλινου καλύμματος 2 (W/m2· 0C)

rU = Συντελεστής απωλειών θερμότητας κάτω τμήματος (W/m2· 0C)

wcU = Ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας, από το νερό προς το περιβάλλον,

μέσω του καλύμματος συμπύκνωσης (W/m2· 0C)

2wgU = Ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας, από το νερό προς το περιβάλλον,

μέσω της πλάκας απορρόφησης και του γυάλινου καλύμματος 2 (W/m2· 0C)

Σταθερές

α = Απορροφητικότητα

e = Βαθμός εκπομπής


395

σ = Σταθερά Stefan Boltzmann 5,610-8 (W/m2·K4)

τ = ∆ιαπερατότητα

Δείκτες

α = Συνθήκες περιβάλλοντος

c = Κάλυμμα συμπύκνωσης

g = Γυάλινα καλύμματα 1 και 2

p = Πλάκα απορρόφησης

r = Κάτω τμήμα

w = Νερό

9.3.2.3.3 Υπολογισμοί

Από τη Σ 9.32 είναι φανερό πως πρέπει να υπολογιστούν οι συντελεστές μεταφοράς

θερμότητας hc και hw.

Από τη Σ 9.22 για μέση ταχύτητα ανέμου 6,12 m /sec (Αύγουστος, πίν 9.2), προκύπτει

hc = 29 W/m2· 0C.

Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονιστεί το γεγονός, πως η μεταβολή της ημερήσιας

ηλιακής ακτινοβολίας I(t), κατά τη διάρκεια της ημέρας, καθώς και της θερμοκρασίας

περιβάλλοντος Tα, αφορούν την Αθήνα, μια και διαθέσιμα αναλυτικά στοιχεία για την Πάτμο

δεν υπάρχουν. Πάντως οι δυο περιοχές μοιάζουν αρκετά όσον αφορά τα ηλιακά κέρδη, μια

και είναι πολύ κοντά όσον αφορά το γεωγραφικό τους πλάτος.

Η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού Cw μπορεί να υποτεθεί σταθερή, χωρίς μεγάλο

σφάλμα και ίση με 4.190 J/kg ·0C.

Στη συνέχεια γίνονται οι υποθέσεις [9], hcpw = 100 W/m2· 0C , 2rpgh = 6 W/m2· 0C, rU =


396

4,16 W/m2· 0C. Με αντικατάσταση στην Σ 9.29 προκύπτει, Upg2 = 2,456 W/m2· 0C και στην Σ

9.28, Uwg2 = 2,397 W/m2· 0C. Επίσης επιλέγονται ec = 0,9 και ew = 0,9 [9], οπότε με

αντικατάσταση στην Σ 9.21 προκύπτει, eeff = 0,818.

Ακόμα, επιλέγονται γυάλινα καλύμματα με διαπερατότητες τg1 = 0,9 και τg2 = 1, ενώ η

ανακλαστικότητα του κυλινδρικού κατόπτρου επιλέγεται r = 0,9 και η απορροφητικότητα της

πλάκας απορρόφησης αp = 0,95 [9]. Τέλος επιλέγεται ένας μέσος αριθμός ανακλάσεων

ανάμεσα στον κύλινδρο ανάκλασης και τα γυάλινα καλύμματα Ν = 2,5 [9]. Με αντικατάσταση

των παραπάνω στοιχείων στην Σ 9.30 προκύπτει eff)( = 0,6412.

Η διαδικασία υπολογισμού έχει ως εξής.

Από τη Σ 9.31 είναι φανερό πως πρέπει να υπολογιστούν οι συντελεστές α και f(t),

ώστε να προκύψει η έκφραση και η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού Tw με το χρόνο.

Υπολογισμός α

Απαιτείται ο υπολογισμός του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του νερού

προς το περιβάλλον UL. Από τις Σ 9.26 και Σ9.27 είναι φανερό πως 2,397 < UL < 31,397.

Επιλέγεται ένας μέσος συντελεστής UL,MEAN = 15,7 W/m2·0C. Στη συνέχεια επιλέγονται

διάφορες αρχικές μάζες νερού από 10 – 300 kg (στήλη 10, πίν 9.29) και από τη Σ 9.24

προκύπτει ο συντελεστής α για κάθε μάζα. Με την πάροδο του χρόνου, η αρχική μάζα του

νερού ελαττώνεται λόγω εξάτμισης και η νέα μάζα μετά την πάροδο μιας ώρας, προκύπτει αν

από την αρχική μάζα αφαιρεθεί η μάζα του νερού που αφαλατώθηκε κατά το διάστημα αυτής

της ώρας. Πρέπει να επισημανθεί πως επιλέγεται επιφάνεια απορρόφησης (εμβαδόν πάτου

δεξαμενής) As = 1m2, οπότε τα kg που εμφανίζονται αντιστοιχούν σε κάποια mm βάθους

νερού ( 1kg ~ 1 mm). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίν 9.29 (στήλη 11) στο τέλος

του κεφαλαίου.

Υπολογισμός f(t)/α

Για τον υπολογισμό των τιμών της συνάρτησης f(t), απαιτούνται οι ωριαίες μεταβολές

τόσο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, όσο και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος.

Οι τιμές αυτές παρουσιάζονται στους πίν 9.30 και πίν 9.31 που ακολουθούν, για τον μήνα


397

Αύγουστο και για την Αττική [15] και αναγράφονται στις στήλες 4 και 3 αντίστοιχα του πίν

9.29. Με αντικατάσταση στη Σ 9.25 προκύπτουν οι τιμές της f(t) και στη συνέχεια, με τη

βοήθεια της Σ 9.24, ο λόγος f(t) / α, οι τιμές του οποίου παρουσιάζονται στη στήλη 8 του πίν

9.29.

Πίνακας 9.30: Μέση ανά ημίωρο ολική ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο κατά την τριετία 1989 –1991 στην Αττική [W/m2]


398


399

Πίνακας 9.31: Μέση ανά ημίωρο θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος κατά την τριετία 1989 –1991 στην Αττική


400

Υπολογισμός Tw (t)

Χρησιμοποιώντας την Σ 9.31 και κάνοντας τις απαραίτητες αντικαταστάσεις,

προκύπτουν οι θερμοκρασίες του νερού (0C), ανά ώρα, για τις διάφορες μάζες νερού. Η

αρχική θερμοκρασία του νερού Τwo, επιλέγεται 24 0C (στήλη 13, πίν 9.29). Τα αποτελέσματα

παριστάνονται αναλυτικά στη στήλη 12 του πίν 9.29 και στο διάγραμμα της εικ 9.38 που

ακολουθεί. Είναι φανερό, πως τις μεσημβρινές ώρες, όπου τόσο η ένταση της ηλιακής

ακτινοβολίας I(t), όσο και η θερμοκρασία περιβάλλοντος Tα είναι υψηλές, οι θερμοκρασίες

του νερού είναι ιδιαίτερα αυξημένες και μάλιστα καθώς η αρχική μάζα του νερού ελαττώνεται

η αύξηση αυτή γίνεται όλο και πιο έντονη.

Eικόνα 9.38: Μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού, στον αποστακτήρα αντίστροφης

απορρόφησης, κατά τη διάρκεια της ημέρας

Υπολογισμός Tc (t)

Οι θερμοκρασίες του καλύμματος συμπύκνωσης Tc προκύπτουν με διαδοχικές

προσεγγίσεις (Try and Error). Πιο συγκεκριμένα, αφού έχουν υπολογιστεί οι διάφορες


401

θερμοκρασίες του νερού, υποθέτονται οι αντίστοιχες θερμοκρασίες Tc (στήλη 14, πίν 9.29).

Στη συνέχεια με δεδομένες τις θερμοκρασίες Τw, Tc, υπολογίζονται οι αντίστοιχες πιέσεις

κορεσμού του ατμού στην επιφάνεια του νερού (Pw) και στην επιφάνεια του καλύμματος

συμπύκνωσης (Pc) σε N/m2 με χρήση της Σ 9.20. Έπειτα από τις σχέσεις Σ 9.17 – Σ 9.19 και

της Σ 9.15 προκύπτει ο ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας του νερού προς το

κάλυμμα συμπύκνωσης hw (W/m2·0C) και από τη Σ 9.32 η θερμοκρασία του καλύμματος

συμπύκνωσης Tc (στήλη 21, πίν 9.29). Οι υποθέσεις για την Tc γίνονται διαδοχικά μέχρι οι Tc

και Tc να ταυτιστούν με ακρίβεια δεύτερου δεκαδικού ψηφίου, οπότε προκύπτουν και οι

πραγματικές θερμοκρασίες Tc. Πρέπει να τονιστεί πως όπου υπάρχουν αρνητικές τιμές στους

συντελεστές μεταφοράς θερμότητας hcw, hew (στήλες 18,19, πίν 9.29), σε μεγάλες αρχικές

μάζες νερού, αυτό συμβαίνει επειδή η διαφορά θερμοκρασιών Tw – Tc είναι αρνητική, εξαιτίας

του γεγονότος πως η μεγάλη μάζα νερού λαμβάνει πιο αργά την προσφερόμενη θερμότητα

με αποτέλεσμα να αυξάνει τη θερμοκρασία του νερού με ρυθμούς πιο αργούς από τους

αντίστοιχούς του καλύμματος συμπύκνωσης.

Υπολογισμός mcw

Με δεδομένα τώρα, τα ζεύγη τιμών Tw, Tc, προκύπτουν οι διαφορές θερμοκρασίας Tw-

Tc (στήλη 22, πίν 9.29) και με αντικατάσταση των τιμών του συντελεστή μεταφοράς

θερμότητας, λόγω εξάτμισης hew, (στήλη 19, πίν 9.29), στη Σ 9.33, προκύπτει η παροχή

μάζας του νερού σε kg/m2·h (στήλη 24, πίν 9.29). Αθροίζοντας τις ωριαίες παροχές νερού

προκύπτει η συνολική ημερήσια παραγωγή, που αναγράφεται ακριβώς κάτω από τη στήλη

24 για κάθε μήνα. Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης L, έχει επιλεγεί 2.022 kJ/kg [9]. Η

μεταβολή της παροχής του νερού με το χρόνο για τις διάφορες μάζες νερού, παριστάνονται

στην εικ 9.39, ενώ η ημερήσια παραγωγή παρουσιάζεται στο διάγραμμα της εικ 9.40. Άμεσο

συμπέρασμα από τα δύο διαγράμματα, είναι πως όσο μικρότερη είναι η αρχική μάζα νερού

στον αποστακτήρα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η παραγωγή νερού (ωριαία ή ημερήσια).


402

Eικόνα 9.39: Παραγωγή πόσιμου νερού, σε αποστακτήρα αντίστροφης απορρόφησης,

κατά τη διάρκεια της ημέρας

Eικόνα 9.40: Ημερήσια παραγωγή αποσταγμένου νερού ως συνάρτηση της αρχικής

μάζας νερού σε αποστακτήρα αντίστροφης απορρόφησης


403

Απαιτούμενη επιφάνεια απορρόφησης

Χρησιμοποιώντας τις ημερήσιες παραγωγές νερού για κάθε αρχική μάζα νερού (στήλη

25) και έχοντας ως δεδομένη μια ελάχιστη, απαιτούμενη, ημερήσια παραγωγή νερού 30.000

lt, για την κάλυψη του συνόλου των αναγκών, τότε με διαίρεση προκύπτει η απαιτούμενη

επιφάνεια απορρόφησης σε m2 (στήλη 27, πίν 9.29). Οι τιμές αυτές παριστάνονται και στο

διάγραμμα της εικ 9.41.

Eικόνα 9.41: Απαιτούμενη επιφάνεια απορρόφησης ως συνάρτηση της αρχικής μάζας

νερού σε αποστακτήρα αντίστροφης απορρόφησης

Είναι φανερό πως όσο μικρότερη είναι η αρχική μάζα νερού, τόσο μικρότερη είναι και η

απαιτούμενη επιφάνεια απορρόφησης και αυτό διότι η μικρότερη μάζα νερού απορροφά πιο

γρήγορα την προσπίπτουσα ακτινοβολία, μετατρέποντας τη σε θερμότητα, ανεβάζοντας έτσι

τη θερμοκρασία του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερες διαφορές θερμοκρασίας νερού

και καλύμματος συμπύκνωσης και επομένως μεγαλύτερες παροχές.

Βαθμός απόδοσης της ηλιακής απόσταξης

Από τη Σ 9.34 προκύπτει με αντικατάσταση των μεγεθών, ο στιγμιαίος βαθμός

απόδοσης της απόσταξης, η μεταβολή του οποίου παριστάνεται στο διάγραμμα της εικ 9.42.


404

Eικόνα 9.42: Μεταβολή του βαθμού απόδοσης ηλιακού αποστακτήρα αντίστροφης

απορρόφησης, κατά τη διάρκεια της ημέρας

Οι μεγαλύτερες τιμές επιτυγχάνονται τις μεσημβρινές ώρες και φθάνουν σχεδόν το 55

% για αρχική μάζα νερού 10 kg, ενώ καθώς η μάζα του νερού αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης

πέφτει σημαντικά. Τις πρώτες πρωινές ώρες (6-7), καθώς και μετά τις 7 το απόγευμα,

παρουσιάζεται απότομη αύξηση στο βαθμό απόδοσης, κάτι το οποίο οφείλεται στις πολύ

μικρές τιμές της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (εμφανίζεται στον παρανομαστή του

κλάσματος της Σ 9.34).

9.3.2.3.4 Συμπεράσματα

Όλη η παραπάνω διαδικασία υπολογισμού έκανε σαφές το γεγονός πως η αρχική μάζα

νερού στη δεξαμενή απόσταξης παίζει το σημαντικότερο ρόλο, τόσο στην ημερήσια

παραγωγή πόσιμου νερού, όσο και στον στιγμιαίο βαθμό απόσταξης της όλης διάταξης.

Αποδείχθηκε πως όσο μικρότερη είναι η αρχική μάζα νερού, τόσο μεγαλύτερη είναι και η

παραγόμενη ποσότητα νερού. Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, αυτό

συμβαίνει διότι η μικρότερη μάζα απορροφά πιο γρήγορα την εκπεμπόμενη ακτινοβολία,

μετατρέποντάς τη σε θερμότητα, ανεβάζοντας έτσι τη θερμοκρασία του νερού, με

αυξανόμενους ρυθμούς. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερες διαφορές θερμοκρασίας

μεταξύ νερού και καλύμματος συμπύκνωσης, καθώς και μεγαλύτερους συντελεστές


405

απωλειών εξάτμισης από το νερό προς το κάλυμμα συμπύκνωσης. Αυτοί οι δύο παράγοντες

είναι αυτοί που καθορίζουν την παραγωγή πόσιμου νερού (ωριαία ή ημερήσια), όπως

φαίνεται και από τη Σ 9.33, με αποτέλεσμα αυξανόμενες παροχές. Κατά συνέπεια, επιλέγεται

αρχική μάζα νερού 10 kg (1cm βάθος), ενώ η επιφάνεια απορρόφησης εκλέγεται 1 m2. Τα

τεχνικά χαρακτηριστικά της συσκευής και οι προδιαγραφές αναφέρονται στην προηγούμενη

παράγραφο. Βάσει των υπολογισμών, σε αυτή την περίπτωση, απαιτούνται 6.049 m2

επιφάνεια απορρόφησης (εικ 3.41), έτσι ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις σε πόσιμο νερού

του πληθυσμού τον Αύγουστο (6.000 άτομα). Κατά συνέπεια απαιτούνται 6.049 τέτοιες

συσκευές, μια και επιλέχθηκε επιφάνεια απορρόφησης Αs, 1m2 ανά συσκευή. Οι συσκευές

αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν, ανάλογα με τον πληθυσμό ανά περιοχή, έτσι ώστε να

καλυφθούν οι ανάγκες σε κάθε περιοχή (ενδεικτική κατανομή στην εικ 9.43).

Eικόνα 9.43: ∆ιάταξη ηλιακών αποστακτήρων σε σειρές

Είναι αλήθεια πως ο αριθμός φαντάζει ιδιαίτερα μεγάλος, αλλά αυτό οφείλεται στο

γεγονός πως καλύπτονται οι ημερήσιες ανάγκες του πληθυσμού 100 % και μάλιστα μια

περίοδο όπου το νησί παρουσιάζει πληρότητα 100 % (Αύγουστος). Πάντως πρέπει να

τονιστεί πως η πραγματική απαιτούμενη έκταση για εγκατάσταση είναι αρκετά μεγαλύτερη αν

σκεφτεί κανείς και τον ενδιάμεσο χώρο ανάμεσα στις συσκευές ο οποίος είναι απαραίτητος

για επίβλεψη, συντήρηση, επισκευή και ό,τι άλλο χρειαστεί. Κάπου εδώ θα πρέπει να γίνει

και ένας έλεγχος για το αν η παραπάνω συνολική επιφάνεια απορρόφησης επαρκεί τη


406

χειμερινή περίοδο, όπου τόσο η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, όσο και η προσπίπτουσα

ηλιακή ακτινοβολία πέφτει δραματικά.

Στο τέλος του πίν 9.29 έχει γίνει η ίδια μελέτη για μια συσκευή 1m2, όπου τροφοδοτείται

αρχικά με 10 kg νερού, για τον μήνα Ιανουάριο. Όπως προκύπτει από τους υπολογισμούς

για την κάλυψη των αναγκών σε πόσιμο νερό του πληθυσμού αυτή την εποχή (3.000 άτομα

~ 15.000 lt/d), απαιτούνται συνολικά 17.106 m2 επιφάνεια απορρόφησης. ∆εδομένο ότι για το

καλοκαίρι υπολογίστηκε εγκατάσταση 6.049 m2, αν επιλεχθεί η εγκατάσταση των 6.049

συσκευών, το χειμώνα θα καλύπτονται οι ανάγκες του 35,5 % περίπου του πληθυσμού.

Επομένως χρειάζεται βοηθητική παροχή για την κάλυψη των αναγκών του υπόλοιπου

πληθυσμού. Αυτό συμβαίνει διότι τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα μειωμένα,

ενώ και οι θερμοκρασίες περιβάλλοντος που αναπτύσσονται χαμηλές. Έτσι δεν προκύπτουν

μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας ανάμεσα στο νερό και το κάλυμμα συμπύκνωσης, με

αποτέλεσμα πολύ μικρές ημερήσιες παροχές ανά συσκευή. Οι ίδιοι υπολογισμοί γίνονται και

για τους υπόλοιπους μήνες του χρόνου, ενώ τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συγκριτικά

στο τέλος του πίν 9.29 (τέλος κεφαλαίου). Στο διάγραμμα της εικ 9.44 παριστάνονται οι

ωριαίες παροχές σε ένα αποστακτήρα αντίστροφης απορρόφησης για όλες τις περιόδους του

χρόνου. Οι απαιτούμενες παροχές προκύπτουν σε συνδυασμό με τις πληρότητες των

καταλυμάτων ανά μήνα (πίν 9.20). Η τελική επιλογή του αριθμού των συσκευών, που

αποτελεί αντικείμενο επόμενου κεφαλαίου, θα είναι συνάρτηση τόσο του επιθυμητού

ποσοστού κάλυψης ανά εποχή, όσο και του κόστους εγκατάστασης, λαμβάνοντας υπόψη το

πρόσθετο κόστος από πιθανή μεταφορά νερού από άλλες περιοχές, εφόσον επιλεχθεί

κάλυψη, όχι 100 % από ηλιακή ενέργεια.


407

Εικόνα 9.44: Μεταβολή της ωριαίας παραγωγής πόσιμου νερού σε αποστακτήρα αντίστροφης απορρόφησης, κατά τη διάρκεια ενός έτους (Mw = 10 kg)

9.3.2.3.5 Εγκατάσταση – ∆ιάταξη των αποστακτήρων

Στην παράγραφο 9.3.2.3.3 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των αναγκών σε πόσιμο

νερό, το καλοκαίρι (Αύγουστος), στην Πάτμο απαιτούνται συνολικά 6.049 ηλιακοί

αποστακτήρες τέτοιου τύπου. Επίσης για την δυσμενέστερη περίπτωση του χειμώνα, τον

Ιανουάριο δηλαδή (βλέπε και πίν 9.2, θερμοκρασία-ηλιοφάνεια), απαιτούνται συνολικά

17.106 συσκευές, ενώ σε περίπτωση που επιλεγεί η λύση των 6.049 συσκευών θα

καλύπτεται το 35 % περίπου των ημερήσιων αναγκών.

Πρέπει να διευκρινιστεί το γεγονός πως η Πάτμος διαθέτει δίκτυο ύδρευσης, δηλαδή

έτσι κι αλλιώς κάποιο ποσοστό ζήτησης μπορεί να καλύπτεται από το υπάρχον σύστημα

υδροδότησης. Η μελέτη λοιπόν, θα γίνει αρχικά για την εγκατάσταση των 6.049 συσκευών,

οπότε θα υπολογιστεί η συνολικά απαιτούμενη έκταση για εγκατάσταση, ενώ θα

διατυπωθούν κάποια βασικά κριτήρια που πρέπει να ικανοποιεί η τελική τοποθεσία.

Οι συσκευές αφαλάτωσης θα τροφοδοτούνται με θαλασσινό νερό, ενώ το παραγόμενο

αφαλατωμένο πλέον νερό, θα προσάγεται στο υπάρχον, κεντρικό δίκτυο ύδρευσης. Φυσικά

αυτό θα γίνεται ανάλογα με τις ανάγκες που θα παρουσιάζονται ανά περίοδο και δεδομένου

ότι αρχικά το αφαλατωμένο νερό θα συγκεντρώνεται σε μια ενιαία δεξαμενή αποθήκευσης.

Εδώ κάπου πρέπει να σκεφτεί κανείς, πως η τελική επιλογή της θέσης εγκατάστασης πρέπει

να καλύπτει δύο βασικά κριτήρια:


408

Μορφολογία εδάφους

Το έδαφος της δεδομένης περιοχής θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν επίπεδο, με εύκολη πρόσβαση και υπάρχον οδικό δίκτυο φυσικά. Το σημαντικότερο ίσως κριτήριο που θα πρέπει να ικανοποιείται όμως, είναι το χαμηλό υψόμετρο σε σχέση με το επίπεδο της θάλασσας. Αυτό, γιατί δεδομένου ότι το νερό θα πρέπει να αντληθεί από τη θάλασσα, μέχρι το κατακόρυφο επίπεδο, όπου βρίσκονται οι αποστακτήρες, υπεισέρχεται ένας βασικός παράγοντας που διαμορφώνει το κόστος της εγκατάστασης και είναι το κόστος αντλιών.

Οι αντλίες, όπως είναι ευρύτερα γνωστό, διακρίνονται από δύο κύρια τεχνικά

χαρακτηριστικά, το μανομετρικό ύψος και τη μέγιστη παροχή ρευστού.

Το μανομετρικό ύψος (διαστάσεις πίεσης), είναι με λίγα λόγια οι αντιστάσεις που

πρέπει να υπερνικήσει η αντλία κατά τη μεταφορά του ρευστού και έχει τρεις συνιστώσες.

i. Γεωδετικό ύψος

Είναι το κατακόρυφο ύψος που πρέπει να ανυψώσει η αντλία, τη δεδομένη ποσότητα ρευστού. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, είναι η διαφορά υψομέτρου ανάμεσα στο επίπεδο της θάλασσας και το επίπεδο των αποστακτήρων.

ii. Απώλειες ευθύγραμμων τμημάτων

Είναι οι απώλειες πίεσης του ρευστού κατά την κίνησή του σε ευθύγραμμα τμήματα του συστήματος των σωληνώσεων. Είναι ανάλογες του τετραγώνου της ταχύτητας. Έτσι επιδιώκεται στο μέτρο του δυνατού, μεγάλη διατομή των αγωγών τροφοδοσίας, έτσι ώστε η ταχύτητα ροής να παραμένει μικρή

(«νόμος συνέχειας»,

cm )

Όπου:

m , η παροχή ρευστού (kg/sec)

c , η ταχύτητα του ρευστού (m/sec)

, η πυκνότητα του ρευστού (kg/m3)

, η διατομή του αγωγού (m2)

iii. Επιμέρους απώλειες

Είναι συνάρτηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του δικτύου (καμπύλες, ορθές γωνίες, διακλαδώσεις, κλπ).

Γίνεται κατανοητό πως όσο μεγαλύτερο το μανομετρικό ύψος της αντλίας, τόσο αυξάνεται και το κόστος της.

Η παροχή ρευστού της αντλίας από την άλλη, είναι συνάρτηση των ιδιαίτερων αναγκών που αναμένεται να καλύψει και επιλέγεται ανάλογα.

Απόσταση από την κατανάλωση

Οι αποστακτήρες θα πρέπει να εγκατασταθούν σε μια περιοχή, όσο το δυνατόν κοντά σε κεντρικό αγωγό ύδρευσης, έτσι ώστε να προσαχθεί το αφαλατωμένο νερό άμεσα στο υπάρχον δίκτυο, χωρίς


409

επιπλέον κόστος κατασκευής σωληνώσεων. Επίσης, επιδιώκεται ο κεντρικός αγωγός, όπου θα συγκεντρώνεται η ποσότητα αφαλατωμένου ρευστού από κάθε αποστακτήρα, να βρίσκεται πιο ψηλά από τον αγωγό ύδρευσης (όπου θα καταλήγει το ρευστό), έτσι ώστε με τη βοήθεια της διαφοράς υψομέτρου, να υπάρχει διαρκής φυσική ροή προς την κατανάλωση.

Όσον αφορά τη διάταξη των αποστακτήρων, στον πίν 9.32 υπολογίζεται η συνολικά απαιτούμενη έκταση για την εγκατάσταση των 6.049 συσκευών με την προϋπόθεση ότι κάθε συσκευή πρέπει να απέχει 1,5 m από τις γειτονικές της συσκευές και αυτό για να μην δημιουργούνται προβλήματα σκίασης, κάτι που θα επιδρούσε αρνητικά στην επιθυμητή ημερήσια παραγωγή. Επίσης στον ενδιάμεσο χώρο τοποθετούνται τόσο ο αγωγός προσαγωγής του θαλασσινού νερού, όσο και του αγωγού απαγωγής του αφαλατωμένου νερού. Από τα αποτελέσματα του πίν 9.32, προκύπτει πως μία έκταση γύρω στα 37 στρέμματα θα ήταν απαραίτητη. Έτσι επιλέγονται 60 σειρές αποστακτήρων από 101 αποστακτήρες η κάθε σειρά (6.060 αποστακτήρες). Η προκύπτουσα επιφάνεια είναι 37,2 στρέμματα περίπου και οι διαστάσεις θα είναι 148,5 m · 251 m. Στο κεφάλαιο 4, όπου αναζητείται η βέλτιστη λύση από άποψη κόστους και ποσοστού κάλυψης, προτείνεται και το τελικό σύστημα προς εφαρμογή.

Πίνακας 9.32: Υπολογισμός της απαιτούμενης έκτασης για εγκατάσταση των ηλιακών αποστακτήρων, Πάτμος 2005

Συσκευές

κατά Χ

Συσκευές

κατά Υ

Σύνολο

αποστακτήρω

ν

∆ιάκεν

ο ( m )

Lx

( m )

DΥ

( m )

L ·

D ( m2 )

400 15 6.000 1,5

99

8,5 36

35.9

46

350 17 5.950 1,5

87

3,5 41

35.8

13,5

300 20 6.000 1,5

74

8,5

48,

5

36.3

02

250 24 6.000 1,5

62

3,5

58,

5

36.4

75

200 30 6.000 1,5

49

8,5

73,

5

36.6

40

150 41 6.150 1,5

37

3,5

10

1

37.7

24


410

100 61 6.100 1,5

24

8,5

15

1

37.5

24

50 121 6.050 1,5

12

3,5

30

1

37.1

74

30 202 6.060 1,5

73,

5

50

3,5

37.0

07

20 303 6.060 1,5

48,

5

75

6

36.6

66

10 605 6.050 1,5

23,

5

1.5

11

35.5

09

60 101 6.060 1,5

14

8,5

25

1

37.2

74


411

10 ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΠΑΤΜΟΥ

10.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο 9 έγινε μια προσπάθεια υπολογισμού των ενεργειακών αναγκών, σε ετήσια βάση, για το νησί της Πάτμου. Πιο συγκεκριμένα, οι υπολογισμοί αφορούσαν την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών για χρήση ηλεκτρικού ρεύματος και παραγωγή ζεστού νερού για το σύνολο των χρήσεων. Προχωρώντας ένα στάδιο παρακάτω, έγινε μια προσπάθεια εκτίμησης των απαιτούμενων ενεργειακών συστημάτων και των κυριότερων χαρακτηριστικών τους. Η διαστασιολόγηση των συστημάτων αυτών έγινε με κριτήριο την κάλυψη του 100 % της απαιτούμενης ενέργειας, αποκλειστικά από ηλιακή ενέργεια. Στο κεφάλαιο αυτό, το οποίο αποτελεί και το τελευταίο βήμα μελέτης, θα αξιολογηθούν τα παραπάνω συστήματα και θα υπολογιστεί το κόστος εγκατάστασής τους. Έτσι θα βγουν τα τελικά συμπεράσματα και θα προκύψει κατά πόσο είναι εφικτό να εφαρμοστούν και να λειτουργήσουν σε πραγματική βάση. Επίσης, ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε ενεργειακού συστήματος, είναι ο χρόνος απόσβεσής του ή αλλιώς όπως λέγεται, ο χρονικός ορίζοντας στον οποίο το σύστημα αποδίδει τα χρήματα επένδυσης. Ο παραπάνω παράγοντας είναι καθοριστικής σημασίας και ουσιαστικά χαρακτηρίζει ένα σύστημα ως εφαρμόσιμο ή μη. Φυσικά για να υπολογιστεί ο χρόνος απόσβεσης κάποιου ενεργειακού συστήματος προς εφαρμογή, είναι απαραίτητος πρώτα από όλα ο υπολογισμός κόστους παραγωγής και χρήσης της ενέργειας, από το δεδομένο σύστημα προς αντικατάσταση. Κάτι ανάλογο θα υπολογιστεί και για το σύστημα παραγωγής πόσιμου νερού με τη μέθοδο της ηλιακής απόσταξης.

Τέλος, θα παρουσιαστούν οι επιπτώσεις στο νησί, από τη χρήση τέτοιων συστημάτων (ανανεώσιμων μορφών ενέργειας), κυρίως στον τομέα της προστασίας του περιβάλλοντος, ενώ θα αναλυθούν οι συνέπειες ευρύτερα, στον κοινωνικό και αναπτυξιακό τομέα του νησιού.

10.2 Αξιολόγηση συνολικής επένδυσης


412

Στην παράγραφο αυτή θα γίνει η συνολική αξιολόγηση της επένδυσης (για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού) και θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της καθαρής παρούσας αξίας. Έτσι θα υπολογιστεί αναλυτικά το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το υπάρχον σύστημα (συμπεριλαμβανομένου και του κόστους παραγωγής ζεστού νερού), ενώ στη συνέχεια θα υπολογιστεί το κόστος επένδυσης του συστήματος προς εφαρμογή. Τέλος θα εκτιμηθούν και θα επιλεγούν κατάλληλα όλα τα απαραίτητα οικονομικά δεδομένα ώστε να εφαρμοστεί η παραπάνω μέθοδος. Στόχος θα είναι ο υπολογισμός του χρονικού ορίζοντα, στο τέλος του οποίου η συνολική εγκατάσταση και χρήση του συστήματος θα έχει αποφέρει οικονομικά οφέλη. Τα οφέλη αυτά θα προκύψουν από τη μη χρησιμοποίηση του υπάρχοντος συστήματος παραγωγής ενέργειας και την εξοικονόμηση των οικονομικών πόρων που συνεπάγεται το γεγονός αυτό.

10.2.1 Εκτίμηση κόστους λειτουργίας συμβατικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής

Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 9, οι ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα του νησιού της Πάτμου, καλύπτονται προς το παρόν από κάποιο μικρό σταθμό ισχύος που είναι ήδη εγκατεστημένος εκεί. Εκτιμήθηκε πως η αναμενόμενη ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια το 2005, για το νησί της Πάτμου, θα φτάνει τις 16.849.387 kWh. Αυτή η τιμή θα χρησιμοποιηθεί και για την εκτίμηση του κόστους λειτουργίας ενός συμβατικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (συμπεριλαμβανομένου και θερμότητας για ζεστό νερό), έτσι ώστε να προκύψουν άμεσα συγκρίσιμα στοιχεία.. Εδώ κάπου θα γίνει η θεώρηση πως η παραπάνω τιμή είναι η ανώτατη τιμή που μπορεί να συναντήσει κανείς και πως κατά μέσο όρο, θα εμφανίζεται ως ζήτηση τα επόμενα χρόνια. Με άλλα λόγια, θεωρείται ότι η ανεξέλεγκτη αύξηση της ζήτησης σε ηλεκτρικό ρεύμα, θα πάρει ένα τέλος και πως η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας θα κυμανθεί στα επίπεδα της παραπάνω τιμής. Στον πίν 9.12 του προηγούμενου κεφαλαίου, αναφέρονται τα κόστη ηλεκτροπαραγωγής από τους διάφορους αυτόνομους σταθμούς ισχύος στα Δωδεκάνησα. Τα στοιχεία αφορούν το έτος 1994 και θα χρησιμοποιηθούν μια και αποτελούν τα μόνα διαθέσιμα στοιχεία. Από τα στοιχεία του πίν 9.12 λοιπόν, λαμβάνεται ένα κόστος ηλεκτροπαραγωγής για τον αυτόνομο σταθμό ισχύος της Πάτμου 63,62 δρχ/kWh.

Θεωρώντας την παραπάνω τιμή αντιπροσωπευτική και πρακτικά αμετάβλητη, θα υπολογιστεί το μέσο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο για θέρμανση νερού, όσο και για καθαρά ηλεκτρικές χρήσεις.

Λαμβάνοντας τα δεδομένα των πινάκων 9.19, 9.21, 9.22, προκύπτει πως για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά και ζεστού νερού για οικιακή και ξενοδοχειακή χρήση, απαιτούνται συνολικά 16.117.348 kWh. Με δεδομένο, λοιπόν κόστος ηλεκτροπαραγωγής 63,62 δρχ./kWh, τότε σύμφωνα με τα παραπάνω, η ΔΕΗ θα πληρώνει ετησίως, μόνο για καθαρή ηλεκτροπαραγωγή:

16.117.348 kWh · 63,62 δρχ./kWh = 1.025.385.700 δρχ. (πρώτες ύλες)

Φυσικά, το κόστος λειτουργίας του σταθμού θα είναι πολύ μεγαλύτερο, αφού θα πρέπει να συνυπολογιστούν τόσο τα έξοδα αμοιβής του προσωπικού, όσο και τα έξοδα, συντήρησης, αντικατάστασης μηχανημάτων, κλπ. Αναλυτικά λοιπόν, γίνονται οι παρακάτω προσαυξήσεις [11]:

10 % για αμοιβές προσωπικού

15 % για συντήρηση και αποκατάσταση ζημιών

15 % για ασφάλιση εξοπλισμού, εγκαταστάσεων και ανθρώπινου δυναμικού

Οι παραπάνω προσαυξήσεις δημιουργούν ένα μέσο, ετήσιο κόστος λειτουργίας που φθάνει τα 1.435.540.000 δρχ. Το κόστος αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσιο κέρδος κατά την εφαρμογή της μεθόδου, μια και τα χρήματα αυτά θα εξοικονομούνται, από τη μη λειτουργία του συμβατικού σταθμού ισχύος.

10.2.2 Εκτίμηση κόστους των επιμέρους ενεργειακών συστημάτων προς εφαρμογή


413

Στην παράγραφο αυτή θα γίνει μια προσπάθεια εκτίμησης του συνολικού κόστους για κάθε σύστημα χωριστά, λαμβάνοντας υπόψη τόσο το κόστος αγοράς και διαμόρφωσης της εκάστοτε έκτασης, όσο και το κόστος χρήσης των συστημάτων, αμοιβές προσωπικού, συντήρηση, κλπ.

10.2.2.1 Κόστος φωτοβολταϊκού συστήματος Η ανάλυση κόστους θα αρχίσει από μηδενική βάση και θα αποτελείται από τα επιμέρους κόστη [11]:

Οικόπεδο

Στην παράγραφο 9.3.2.1.2 υπολογίστηκε πως για την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων, αλλά και του βοηθητικού εξοπλισμού, μπαταρίες, inverter, καλωδιώσεις κλπ, απαιτείται έκταση 288 στεμμάτων περίπου. Λαμβάνεται μια ενδεικτική τιμή γύρω στα 140.000.000 για όλη την έκταση (ακατοίκητη, απομακρυσμένη, εκτός σχεδίου περιοχή). Στο κόστος συμπεριλαμβάνεται και τυχών διαμόρφωση του χώρου, συρματοπλέγματα, δημιουργία υπόστεγων για προστασία των ηλεκτρικών συσκευών κλπ.

Εξοπλισμός

Πλαίσια: 123.742 τμχ. · 245.000 δρχ./τμχ. = 30.316.790.000 δρχ.

Inverters: 1.468 τμχ. · 1.433.000 δρχ./τμχ. = 2.103.644.000 δρχ.

Συσσωρευτές: 106.030 τμχ. · 28.000 δρχ./τμχ. = 2.968.840.000 δρχ.

Τα παραπάνω στοιχεία δημιουργούν ένα κόστος 35.389.274.000 δρχ. Σε αυτή την τιμή θα γίνει μια προσαύξηση 5 % περίπου, η οποία θα περιλαμβάνει τις καλωδιώσεις, τα διάφορα στηρίγματα, κάποια ρυθμιστικά τάσης και έντασης και τη βοηθητική γεννήτρια. Έτσι, εκτιμάται πως το κόστος εξοπλισμού θα φτάσει τα 37.158.737.700 δρχ.

Μεταφορά και εγκατάσταση εξοπλισμού

Το κόστος μεταφοράς εκτιμάται περίπου 2 % της αξίας του εξοπλισμού, ενώ το κόστος εγκατάστασης 3 % της αξίας του εξοπλισμού. Τα δύο αυτά μαζί διαμορφώνουν ένα επιπλέον κόστος 1.857.937.000 δρχ.

Συντήρηση και αντικατάσταση

Τα έξοδα συντήρησης εκτιμάται πως θα αγγίζουν το 1 % της αξίας του εξοπλισμού. Αυτό σημαίνει πως διαμορφώνουν ένα επιπλέον κόστος 371.588.000 δρχ. Το κόστος αυτό δεν αφορά το πάγιο κόστος του συστήματος, αλλά θεωρείται ως ετήσια δαπάνη.

Συνολικά τώρα το πάγιο κόστος για τη δημιουργία της απαραίτητης έκτασης, μαζί με την αγορά του οικοπέδου, την αγορά, μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού, προκύπτει:

KΦ/Β = 39.016.675.000 δρχ.

(Όλες οι παραπάνω τιμές αναφέρονται στο έτος 2001. Οι αρχικές αξίες είχαν βρεθεί σε $ και μετατράπηκαν σε δρχ., λαμβάνοντας μια ισοτιμία δολαρίου έναντι δραχμής 1$ ~ 410 δρχ.)

10.2.2.2 Κόστος φωτοθερμικού συστήματος (Ηλιακά Θερμοσίφωνα)

Οικόπεδο

Στην παράγραφο 9.3.2.2.1 εκτιμήθηκε πως μια έκταση 50 περίπου στρεμμάτων είναι αρκετή για την εγκατάσταση όλου του εξοπλισμού. Η παραπάνω έκταση διαμορφώνει ένα κόστος αγοράς και διαμόρφωσης οικοπέδου 25.000.000 δρχ. περίπου.


414

Στην παράγραφο 9.3.2.2.1 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των αναγκών σε ζεστό νερό 100 % από ηλιακή ενέργεια, απαιτούνται:

Κατοικίες

2.211 συλλέκτες (επιφάνειας 3,54 m2) · 205.000 δρχ./τμχ. = 453.255.000 δρχ.

725 boiler των 200 lt · 154.000 δρχ./τμχ. = 111.650.000 δρχ.


991 ηλιακοί θερμοσίφωνες, συλλεκτικής επιφάνειας 3,9 m2 με boiler 300 lt:

991 · (225.500 δρχ./συλλέκτη + 156.000 δρχ./boiler) = 378.067.000 δρχ.

Οι συλλέκτες και τα boiler μαζί δημιουργούν ένα κόστος 942.972.000 δρχ.

Η παραπάνω τιμή προσαυξάνεται για τους εξής λόγους:

10 % για τη δημιουργία των βάσεων στήριξης

10 % για την αγορά βοηθητικού εξοπλισμού (αντλίες, ρυθμιστικά πίεσης, σωληνώσεις, κλπ)

10 % για τη μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού

Όλα τα παραπάνω διαμορφώνουν ένα πάγιο κόστος αγοράς και εγκατάστασης του εξοπλισμού: KΘΕΡ = 1.225.863.600 δρχ.

Στις ετήσιες δαπάνες, οι οποίες θα αφορούν κάποια επίβλεψη, συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση κάποιων τμημάτων αντιστοιχεί ένα μέσο ετήσιο κόστος 5 % της αξίας του εξοπλισμού [11], δηλαδή 62.000.000 δρχ. περίπου.

10.2.2.3 Εφαρμογή της μεθόδου Η συγκεκριμένη μέθοδος αξιολόγησης μιας επένδυσης, λαμβάνει υπόψη της, τη χρονική αξία του χρήματος. Συγκεκριμένα, υπολογίζονται οι παρούσες αξίες όλων των μελλοντικών χρηματικών ποσών, είτε αυτά είναι έσοδα, είτε δαπάνες και διαμορφώνεται το συνολικό άθροισμά τους. Η σχέση υπολογισμού της καθαρής παρούσας αξίας δίνεται από τη Σ 10.1 [11]:

ΠΑ (p) =

n

t

ttt pPP

3

1 (Σ 10.1)

Δεδομένου ότι σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει ορισμένος χρονικός ορίζοντας μέσα στον οποίο πρέπει να αξιολογηθεί η συνολική επένδυση, αλλά αναζητείται το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο αποσβένεται αυτή, τότε το παραπάνω άθροισμα θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με μηδέν [11]. Τα μεγέθη που εμφανίζονται στη Σ 10.1 είναι τα εξής:

Pεt: Οποιοδήποτε χρηματικό ποσό που εμφανίζεται ως έσοδο το έτος t.

Pδt: Οποιοδήποτε χρηματικό ποσό που εμφανίζεται ως δαπάνη το έτος t.

p: το επιτόκιο της χρηματαγοράς ή αλλιώς το επιτόκιο κεφαλαίου.

n: το πλήθος των ετών μετά το 2001 (παρούσα αξία), όπου αποσβένεται η επένδυση.

Δεδομένου ότι η παραπάνω διαφορά εσόδων – εξόδων πρέπει να είναι θετική, ώστε να έχει νόημα η επένδυση, το p προκύπτει ως εξής:

Θεωρείται ότι η θετική χρηματοροή που προκύπτει το έτος i, επενδύεται ώστε να δώσει οικονομικό όφελος το έτος i +1. Αν υποτεθεί πως το επιτόκιο καταθέσεων (σε τρέχουσες τιμές) κυμαίνεται από 4


415

– 6 %, με δεδομένο πληθωρισμό 3 %, προκύπτει ένα επιτόκιο κεφαλαίου p που κυμαίνεται από 1 – 3 %. Αυτές θα είναι και οι τιμές με τις οποίες θα υπολογιστεί και ο χρόνος απόσβεσης της επένδυσης.

Δηλαδή γίνεται η υπόθεση πως ένα απαραίτητο κεφάλαιο υπάρχει και επενδύεται στο τέλος του 2001, ώστε να αποφέρει οικονομικά οφέλη μετά το 2004, όπου μελετάται η εφαρμογή και η λειτουργία του νέου ενεργειακού συστήματος. Στη συνέχεια υπολογίζονται αναλυτικά τα παραπάνω στοιχεία και προκύπτει ο πίν 10.1, όπου αναγράφονται οι χρηματοροές για ένα υποτιθέμενο χρονικό ορίζοντα 52 ετών.

Έτος 2004

Στα τέλη του 2004 δεν υπάρχουν έσοδα, αλλά υπάρχει το κόστος εγκατάστασης τόσο του φωτοβολταϊκού συστήματος (39.016.675.000 δρχ.), όσο και του συστήματος των ηλιακών θερμοσιφώνων (1.225.863.600 δρχ.). Επομένως προκύπτει αρνητική χρηματοροή και ίση με

Pεt - Pδt = - 40.242.538.600 δρχ. (στήλη 9, πίν 10.1).

Έτος 2005 και έπειτα

Στα επόμενα χρόνια οι χρηματοροές είναι ίδιες και διαμορφώνονται ως εξής:

Τα έσοδα προκύπτουν από τη μη χρήση του συμβατικού σταθμού ισχύος και εκτιμήθηκαν στην παράγραφο 10.2.1 σε 1.435.540.000 δρχ. Τα έξοδα προκύπτουν από τη συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση τμήματος του εξοπλισμού, τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος. Υπολογίστηκαν σε 371.588.000 δρχ. και 62.000.000 δρχ. αντίστοιχα. Και τα δύο μαζί διαμορφώνουν ένα μέσο ετήσιο κόστος 433.588.000 δρχ.

Έτσι Pεt - Pδt = 1.435.540.000 δρχ. - 433.588.000 δρχ. = 1.001.952.000 δρχ. (στήλη 9, πίν 10.1).

Με αντικατάσταση όλων των στοιχείων στον πίν 10.1 προκύπτει πως για επιτόκιο κεφαλαίου 1 %, ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος πλησιάζει τα 52 χρόνια, ενώ για επιτόκια κεφαλαίου 2 και 3 % αντίστοιχα, ο αντίστοιχος χρόνος είναι πολύ μεγαλύτερος (82 και άνω των 100 ετών αντίστοιχα, βλέπε Σ 10.2). Ο χρόνος προκύπτει από το έτος κατά το οποίο οι χρηματοροές που αθροίζονται κατακόρυφα στις στήλες 10-12 του πίν 10.1, έχουν άθροισμα μεγαλύτερο του μηδενός. Αυτό συμβαίνει στο τέλος του έτους 2056. Πιο συγκεκριμένα, η τιμή που προέκυψε (223.725.973,5 δρχ.), αντικατοπτρίζει τη σημερινή αξία της οικονομικής ωφέλειας, που θα προέκυπτε αν πραγματοποιούσαμε την επένδυση στο τέλος του 2004 με επιτόκιο κεφαλαίου p = 1 %.

Πίνακας 10.1: Υπολογισμός χρόνου απόσβεσης του αρχικού συστήματος (Φ/Β, Ηλιακά Θερμοσίφωνα), Πάτμος 2005

Έτ

ος (τέλος) 1 1+p1)-t 2 1+p2)

-t 3 1+p3)-t

Pε(t)

- Pδ(t) δρχ

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p1)-t

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p2)-t

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p3)-t

20

04 .01 .97059 .02 .94232 .03 .91514

-

40.242.538.600-39059011493 -37921442922 -36827623551

20

05 .01 .96098 .02 .92385 .03 .88849

1.001

.952.000 962856178.1 925648772.3 890221374.6

20

06 .01 .95147 .02 .90573 .03 .86261

1.001

.952.000 953322948.6 907498796.4 864292596.7

20

07 .01 .94205 .02 .88797 .03 .83748

1.001

.952.000 943884107.6 889704702.3 839119026

20

08 .01 .93272 .02 .87056 .03 .81309

1.001

.952.000 934538720.3 872259512.1 814678666

20

09 .01 .92348 .02 .85349 .03 .78941

1.001

.952.000 925285861.7 855156384.4 790950161.1


416

20

10 .01 .91434 .02 .83676 .03 .76642

1.001

.952.000 916124615.6 838388612.2 767912777.8

0

20

11 .01 .90529 .02 .82035 .03 .74409

1.001

.952.000 907054074.8 821949619.8 745546386.2

1

20

12 .01 .89632 .02 .80426 .03 .72242

1.001

.952.000 898073341.4 805832960.5 723831442.9

2

20

13 .01 .88745 .02 .78849 .03 .70138

1.001

.952.000 889181526.2 790032314.3 702748973.7

3

20

14 .01 .87866 .02 .77303 .03 .68095

1.001

.952.000 880377748.7 774541484.6 682280557

4

20

15 .01 .86996 .02 .75788 .03 .66112

1.001

.952.000 871661137.3 759354396.6 662408307.8

5

20

16 .01 .86135 .02 .74301 .03 .64186

1.001

.952.000 863030829 744465094.7 643114861.9

6

20

17 .01 .85282 .02 .72845 .03 .62317

1.001

.952.000 854485969.3 729867739.9 624383361.1

7

20

18 .01 .84438 .02 .71416 .03 .60502

1.001

.952.000 846025712.2 715556607.8 606197437.9

8

20

19 .01 .83602 .02 .70016 .03 .58739

1.001

.952.000 837649220 701526086.1 588541201.9

9

20

20 .01 .82774 .02 .68643 .03 .57029

1.001

.952.000 829355663.4 687770672.6 571399225.1

0

20

21 .01 .81954 .02 .67297 .03 .55368

1.001

.952.000 821144221.1 674284973.2 554756529.3

1

20

22 .01 .81143 .02 .65978 .03 .53755

1.001

.952.000 813014080.3 661063699.2 538598572.1

2

20

23 .01 .80340 .02 .64684 .03 .52189

1.001

.952.000 804964436 648101665.8 522911235

3

20

24 .01 .79544 .02 .63416 .03 .50669

1.001

.952.000 796994491.1 635393790 507680810.7

4

20

25 .01 .78757 .02 .62172 .03 .49193

1.001

.952.000 789103456.5 622935088.3 492893991

5

20

26 .01 .77977 .02 .60953 .03 .47761

1.001

.952.000 781290551 610720674.8 478537855.3

6

20

27 .01 .77205 .02 .59758 .03 .46369

1.001

.952.000 773555001 598745759.6 464599859.5

7

20

28 .01 .76440 .02 .58586 .03 .45019

1.001

.952.000 765896040.6 587005646.7 451067824.8

8

20

29 .01 .75684 .02 .57437 .03 .43708

1.001

.952.000 758312911.5 575495732 437929927

9

20

30 .01 .74934 .02 .56311 .03 .42435

1.001

.952.000 750804862.8 564211502 425174686.4

0

20

31 .01 .74192 .02 .55207 .03 .41199

1.001

.952.000 743371151.3 553148531.4 412790957.7

1

20

32 .01 .73458 .02 .54125 .03 .39999

1.001

.952.000 736011040.9 542302481.7 400767920.1

2

20

33 .01 .72730 .02 .53063 .03 .38834

1.001

.952.000 728723802.9 531669099.7 389095068

3

20

34 .01 .72010 .02 .52023 .03 .37703

1.001

.952.000 721508715.7 521244215.4 377762202

4

20

35 .01 .71297 .02 .51003 .03 .36604

1.001

.952.000 714365065.1 511023740.6 366759419.4

5

20

36 .01 .70591 .02 .50003 .03 .35538

1.001

.952.000 707292143.6 501003667.3 356077106.2

6

20

37 .01 .69892 .02 .49022 .03 .34503

1.001

.952.000 700289251.1 491180065.9 345705928.4

7

20

38 .01 .69200 .02 .48061 .03 .33498

1.001

.952.000 693355694.2 481549084.3 335636823.6

20 1.001 686490786.3 472106945.3 325860993.8


417

8 39 .01 .68515 .02 .47119 .03 .32523 .952.000

9

20

40 .01 .67837 .02 .46195 .03 .31575

1.001

.952.000 679693847.8 462849946.4 316369896.9

0

20

41 .01 .67165 .02 .45289 .03 .30656

1.001

.952.000 672964205.8 453774457.3 307155239.7

1

20

42 .01 .66500 .02 .44401 .03 .29763

1.001

.952.000 666301193.8 444876918.9 298208970.6

2

20

43 .01 .65842 .02 .43530 .03 .28896

1.001

.952.000 659704152.3 436153842.1 289523272.4

3

20

44 .01 .65190 .02 .42677 .03 .28054

1.001

.952.000 653172428 427601805.9 281090555.8

4

20

45 .01 .64545 .02 .41840 .03 .27237

1.001

.952.000 646705374.3 419217456.8 272903452.2

5

20

46 .01 .63905 .02 .41020 .03 .26444

1.001

.952.000 640302350.8 410997506.7 264954808

6

20

47 .01 .63273 .02 .40215 .03 .25674

1.001

.952.000 633962723.6 402938732 257237677.6

7

20

48 .01 .62646 .02 .39427 .03 .24926

1.001

.952.000 627685864.9 395037972.6 249745318.1

8

20

49 .01 .62026 .02 .38654 .03 .24200

1.001

.952.000 621471153.4 387292130 242471182.6

9

20

50 .01 .61412 .02 .37896 .03 .23495

1.001

.952.000 615317973.6 379698166.6 235408915.2

0

20

51 .01 .60804 .02 .37153 .03 .22811

1.001

.952.000 609225716.5 372253104.6 228552344.8

1

20

52 .01 .60202 .02 .36424 .03 .22146

1.001

.952.000 603193778.7 364954024.1 221895480.4

2

20

53 .01 .59606 .02 .35710 .03 .21501

1.001

.952.000 597221563.1 357798062.8 215432505.2

3

20

54 .01 .59016 .02 .35010 .03 .20875

1.001

.952.000 591308478.3 350782414.5 209157772.1

4

20

55 .01 .58431 .02 .34323 .03 .20267

1.001

.952.000 585453938.9 343904328 203065798.1

5

20

56 .01 .57853 .02 .33650 .03 .19677

1.001

.952.000 579657365.2 337161105.8 197151260.3

223725973.5 -7571410827 -12835065033

Πρέπει να τονιστεί πως τα τρία πρώτα χρόνια (2001-2004), δεν αναφέρονται διότι ούτως ή άλλως δημιουργούν μηδενικές χρηματοροές. Εξάλλου, τα παραπάνω μπορούν να υπολογιστούν πιο σύντομα, με τη χρήση του πίν 10.2 [11], ο οποίος παρέχει τις ετήσιες αναλήψεις επί n έτη από μια παρούσα αξία μιας δραχμής. Δεδομένου ότι αντιμετωπίζεται μια δαπάνη (που στην πραγματικότητα, είναι η αρχική επένδυση), που γίνεται στην αρχή του χρονικού ορίζοντα που μας απασχολεί και αυτή ακολουθείται από μια ομοιόμορφη σειρά καθαρών εισπράξεων στη διάρκεια ζωής της επένδυσης, υπάρχει η εξής εναλλακτική μέθοδος υπολογισμού.

Ο χρόνος απόσβεσης της επένδυσης για ορισμένο επιτόκιο κεφαλαίου, μπορεί να υπολογιστεί και από τη σχέση Σ 10.2 [11]:

11

1n

n

p

pp

Επένδυση Αρχική

Εισπράξεις Καθαρές Ετήσιες =

600.538.242.40

000.952.001.1 = 0,02489 (Σ 10.2)

Στη συνέχεια με χρήση του πίν 10.2 (επόμενη σελίδα) προκύπτει πως για επιτόκιο κεφαλαίου 1%, ο χρόνος απόσβεσης φτάνει τα 52 χρόνια, ενώ οι αντίστοιχοι χρόνοι για επιτόκια 2 και 3% προκύπτουν 82 και άνω των 100 ετών αντίστοιχα. Φαίνεται δηλαδή η τεράστια σημασία που έχει το επιτόκιο κεφαλαίου για τη βιωσιμότητα μιας επένδυσης, μια και καθορίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό το χρόνο στον οποίο η επένδυση αποσβένεται.

Υπενθυμίζεται πως ο χρόνος απόσβεσης αφορά την εγκατάσταση τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος και υπολογίστηκε για ποσοστό κάλυψης 100 % από την ηλιακή


418

ενέργεια. Στη συνέχεια, όπου αντικείμενο μελέτης θα είναι η βελτιστοποίηση του συστήματος, από άποψη ποσοστού κάλυψης, κόστους και χρόνου απόσβεσης, θα προκύψουν σαφώς πιο ευνοϊκά και ελπιδοφόρα αποτελέσματα.

Πίνακας 10.2: Ετήσιες αναλήψεις από n έτη, από παρούσα αξία μιας δραχμής,

11

1

n

n

p

pp.

10.2.3 Άμεσα συμπεράσματα - Βελτιστοποίηση Η εφαρμογή λοιπόν, της μεθόδου της καθαρής παρούσας αξίας για την αξιολόγηση συνολικά της επένδυσης τόσο του φωτοβολταϊκού, όσο και του φωτοθερμικού συστήματος στην Πάτμο, έδειξε πως ο αναμενόμενος χρόνος απόσβεσης της, είναι ιδιαίτερα υψηλός και φτάνει τα 52 χρόνια για επιτόκιο κεφαλαίου 1 %. Αν παρατηρήσει κανείς τα επιμέρους κόστη που διαμορφώνουν τις ετήσιες χρηματοροές, διακρίνει πολύ εύκολα, πως το στοιχείο εκείνο που «εκτινάσσει» το πάγιο κόστος της επένδυσης, δεν είναι άλλο από την αξία των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Πράγματι επί συνόλου 40.242.538.600 δρχ. που είναι το συνολικό πάγιο κόστος, πριν τη λειτουργία του συστήματος, τα 30.316.790.000 δρχ. αντιστοιχούν στην αξία των φωτοβολταϊκών πανέλων, ποσοστό δηλαδή 75,2 %. Πρώτο άμεσο συμπέρασμα λοιπόν, είναι πως πρέπει, με κάποιο τρόπο να ελαττωθεί το συγκεκριμένο


419

κόστος. Για να βρεθούν όμως οι εναλλακτικές λύσεις θα πρέπει πάνω από όλα να αναλυθεί το στοιχείο που βρίσκεται πίσω από όλα αυτά και δεν είναι άλλο από το ποσοστό κάλυψης της απαιτούμενης ενέργειας από τα δύο συστήματα.

Έστω λοιπόν α % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ηλεκτρικό ρεύμα (ετήσια βάση) από το συμβατικό σύστημα (υπάρχων σταθμός ισχύος της ΔΕΗ) και β % το ποσοστό κάλυψης από το σύστημα προς εφαρμογή (φωτοβολταϊκά πλαίσια). Τότε προφανώς ισχύει:

α + β = 1 (Σ 10.3)

Επίσης, έστω ότι γ % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών για θέρμανση νερού από το συμβατικό σύστημα και δ % το ποσοστό κάλυψης των αναγκών με χρήση των ηλιακών θερμοσιφώνων που προτείνονται. Τότε επίσης θα ισχύει:

γ + δ = 1 (Σ 10.4)

Στη συνέχεια αναλύονται τα επιμέρους ποσοστά και αναζητείται η βέλτιστη λύση από άποψη κόστους. Τα συστήματα θα αναλυθούν χωριστά.

10.2.3.1 Σύστημα θέρμανσης νερού Στην παράγραφο αυτή θα γίνει η αξιολόγηση της επένδυσης μόνο για παραγωγή ζεστού νερού, θα προκύψει δηλαδή κατά πόσο είναι ωφέλιμη η εισαγωγή ενός νέου συστήματος παραγωγής ζεστού νερού, που θα βασίζεται αποκλειστικά στη χρήση της ηλιακής ενέργειας. Όπως και στην παράγραφο 10.2.3, έτσι και εδώ θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της παρούσας αξίας.

Στην παράγραφο 9.3.2.2.1 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών για θέρμανση νερού στην Πάτμο το 2005, τόσο για οικιακή, όσο και για ξενοδοχειακή χρήση απαιτούνται συνολικά 3.480.308 kWh (βλέπε και πίν 9.28). Με δεδομένο ότι η ενέργεια αυτή θα καλύπτεται από ηλεκτροπαραγωγή και έχοντας ένα μέσο κόστος παραγωγής 63,62 δρχ./kWh, προκύπτει ένα μέσο ετήσιο κόστος για τον συμβατικό σταθμό της τάξης των 221.417.195 δρχ. Θα γίνει η παραδοχή πως το κόστος αυτό παραμένει σχεδόν αμετάβλητο στο χρονικό ορίζοντα υπολογισμού (υπονοείται πως τα επίπεδα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ελάχιστα μεταβάλλονται). Το κόστος αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσιο κέρδος, που θα απορρέει από την παύση λειτουργίας του συμβατικού σταθμού.

Όπως και στην παράγραφο 10.2.1, έτσι και εδώ θα γίνουν οι παρακάτω προσαυξήσεις:

10 % για αμοιβές προσωπικού

15 % για συντήρηση και αποκατάσταση ζημιών

15 % για ασφάλιση εξοπλισμού, εγκαταστάσεων και ανθρώπινου δυναμικού

Όλα μαζί διαμορφώνουν ένα κόστος λειτουργίας του σταθμού ίσο με 309.984.073 δρχ.

Το πάγιο κόστος αγοράς και εγκατάστασης του συστήματος των ηλιακών θερμοσιφώνων (συλλέκτες, boiler, κλπ), εκτιμήθηκε στην παράγραφο 10.2.2.2 ίσο με 1.225.863.600 δρχ.

Επίσης για συντήρηση και πιθανή αντικατάσταση τμήματος του εξοπλισμού εκτιμήθηκε ένα ποσό 62.000.000 δρχ. Το ποσό αυτό θα χρησιμοποιηθεί ως ετήσια δαπάνη στους υπολογισμούς.

Θέτοντας τώρα ως αρχική επένδυση τις 1.225.863.600 δρχ. και ως ετήσιο οικονομικό όφελος το ποσό των 309.984.073 δρχ. - 62.000.000 δρχ. = 247.984.073 δρχ., μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας η Σ 10.2, μια και οι ετήσιες χρηματοροές είναι ομοιόμορφες. Έτσι λοιπόν:

11

1n

n

p

pp



600.863.225.1

073.984.2470,20229


420

Με χρήση του πίν 10.2 για p = 1, 2 και 3 % προκύπτουν: n = 5,5 χρόνια περίπου και για τις τρεις περιπτώσεις.

Είναι φανερό πως η επένδυση σε ένα τέτοιο ενεργειακό σύστημα είναι ιδιαίτερα προσοδοφόρα και αποσβένεται σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, οπότε προτείνεται άφοβα η εφαρμογή του για παραγωγή ζεστού νερού σε όλο το νησί και μάλιστα για την κάλυψη του 100 % των αναγκών.

Αναλυτικά τώρα (πίν 10.3), προκύπτει πως για τον 6o χρόνο λειτουργίας (2010) του συστήματος θερμοσιφώνων, για p = 1 % προκύπτει ένα κέρδος της τάξης 20,5 εκ. δρχ., ενώ για p = 2 % το κέρδος είναι 15,4 εκ. δρχ. και για p = 3 %, 10,8 εκ δρχ. περίπου. Τα κέρδη αναγράφονται με έντονη γραφή, κάτω από την τελευταία χρηματοροή.

Πίνακας 10.3: Υπολογισμός χρόνου απόσβεσης ηλιακού συστήματος θέρμανσης

νερού, Πάτμος 2005

Έτο

ς (τέλος) 1 1+p1)-t 2 1+p2)

-t 3 1+p3)-t

Pε(t) -

Pδ(t) δρχ

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p1)-t

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p2)-t

[Pε(t) -

Pδ(t)]·(1+p3)-t

200

4 .01 .9706 .02 .9423 .03 .9151

-

1.225.863.600 -1189811133 -1155158649 -1121838849

200

5 .01 .9610 .02 .9238 .03 .8885

247.984.

073 238307819.9 229098951.6 220330636.9

200

6 .01 .9515 .02 .9057 .03 .8626

247.984.

073 235948336.5 224606815.3 213913239.8

200

7 .01 .9420 .02 .8880 .03 .8375

247.984.

073 233612214.4 220202760.1 207682757

200

8 .01 .9327 .02 .8706 .03 .8131

247.984.

073 231299222.2 215885058.9 201633744.7

200

9 .01 .9235 .02 .8535 .03 .7894

247.984.

073 229009130.9 211652018.5 195760917.2

201

0 .01 .9143 .02 .8368 .03 .7664

247.984.

073 226741713.7 207501978.9 190059142.9

205107304.7 *

153788933.8 *

107541589.5 *

* Η κατακόρυφη άθροιση των χρηματοροών από το έτος 2004 και μετά, δημιουργεί θετική τιμή το

έτος 2010.

Τελικά σε σχέση με τους συμβολισμούς που εισήχθηκαν στην παράγραφο 10.2.3, επιλέγεται:

γ = 0 και δ = 1 (βλέπε και Σ 10.4)

10.2.3.2 Φωτοβολταϊκό σύστημα


421

Στην παράγραφο 10.2.3 έγινε σαφές πως για να ελαττωθεί το πάγιο κόστος εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού συστήματος στην Πάτμο, είναι αναγκαία κάποια επέμβαση στον αριθμό των φωτοβολταϊκών πανέλων που δημιουργούν τη συνολική επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι προφανές πως κάτι τέτοιο θα επιδρούσε αρνητικά στη δυνατότητα κάλυψης του απαιτούμενου φορτίου από το δεδομένο σύστημα, αλλά θα έδινε σίγουρα μια λύση από άποψη κόστους. Στόχος της παραγράφου αυτής λοιπόν, θα είναι η βέλτιστη λύση με κύριες παραμέτρους το ποσοστό κάλυψης και το χρόνο απόσβεσης.

Η απαιτούμενη ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, όλο το χρόνο είναι 12.637.040 kWh. Η ανάλυση θα γίνει με κύρια παράμετρο την επιφάνεια απορρόφησης Α (m2), των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Θα προκύψει μια συνάρτηση τόσο για το μέσο κόστος επένδυσης, όσο και για τα μέσα ετήσια κέρδη. Έτσι δίνοντας διάφορες τιμές στο Α, θα προκύψει ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος, αλλά και το ποσοστό κάλυψης για κάθε περίπτωση (πίν 9.23).

Κόστος επένδυσης

Το κόστος επένδυσης του συστήματος αντιστοιχεί στην αγορά και τοποθέτηση των επιμέρους τμημάτων του. Ότι εμφανίζεται με Ε, λαμβάνεται ως έσοδο κατά την εφαρμογή της μεθόδου, ενώ ότι εμφανίζεται με Δ, λαμβάνεται ως δαπάνη. Έτσι λοιπόν, αναλυτικά έχουμε:

Κόστος οικοπέδου

Στην παράγραφο 9.3.2.1.2 εκτιμήθηκε απαιτούμενη έκταση για την εγκατάσταση του συνόλου των τμημάτων του φωτοβολταϊκού συστήματος (136.117 m2 επιφάνεια απορρόφησης) 288 στρέμματα. Με υποτιθέμενη τιμή αγοράς γης 500.000 δρχ. ανά στρέμμα, προκύπτει μια αξία της έκτασης:

ΔΟΙΚ = 500 δρχ./m2 · A m2 · 288.000 / 136.117 = 1.058 Α δρχ. (Σ 10.5)

Κόστος πλαισίων

Έστω Α m2, η συνολική επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι θα χρησιμοποιηθούν πλαίσια επιφάνειας 1,1 m2 (βλέπε 9.3.2.1.1), τα συνολικά τεμάχια προκύπτουν Α / 1,1 και το κόστος θα είναι:

ΔΠΛ = Α / 1,1 τμχ. · 245.000 δρχ./τμχ. = 222.728 Α δρχ. (Σ 10.6)

Inverter

Δεδομένου ότι το μέγεθος του inverter δεν εξαρτάται από την επιφάνεια των πλαισίων, αλλά από το φορτίο αιχμής, προκύπτει δαπάνη ανεξάρτητη του Α (βλέπε και 9.3.2.1.3). Δηλαδή:

ΔINV = 1.468 τμχ. · 1.433.000 δρχ./τμχ. = 2.103.644.000 δρχ.

Συσσωρευτές

Αν υποτεθεί Α m2 επιφάνεια απορρόφησης, τότε η μέγιστη μηνιαία παραγόμενη ενέργεια από το σύστημα θα είναι ίση με (πίν 9.24): A (m2) · 0,09 · 207 (kWh/m2·mo, Ιούλιος) = 18,63 Α. Η συνολική ημερήσια παραγόμενη ενέργεια προκύπτει: 18,63 Α / 31 = 0,6 A (kWh/d). Εκτιμάται βραδινό φορτίο 18 % της άνω τιμής, οπότε με χρήση της Σ 9.5 προκύπτει:

LBAT = 1,18 · 0,6 A / 0,85 = 0,833 A (kWh/d)

Από Σ 9.6, CBAT = 0,833 A / 0,5 = 1,666 Α (kWh/d)

Από Σ 9.7, (τμχ.) = 1.666 A /(6V · 225Ah) = 1,234 A

Επομένως ΔΜΠΑΤ = 1,234 A (τμχ.) · 28.000 δρχ./τμχ. = 34.552 Α δρχ. (Σ 10.7)

Για καλωδιώσεις, στηρίγματα κλπ, θα γίνει μια προσαύξηση 5 %, οπότε το κόστος εξοπλισμού προκύπτει:

ΔΕΞ = 1,05 · (ΔΠΛ + ΔINV + ΔΜΠΑΤ) = (270.144 Α + 2.208.826.200) δρχ. (Σ 10.8)

Για μεταφορά και εγκατάσταση πληρώνουμε 5 % της αξίας του εξοπλισμού, δηλαδή:

ΔΜΕΤ/ΕΓΚ = 0,05 · ΔΕΞ = (13.507,2 Α + 110.441.310) δρχ. (Σ 10.9)


422

Τελικά το πάγιο κόστος της αρχικής επένδυσης προκύπτει:

ΔΕΠΕ = ΔΟΙΚ + ΔΕΞ + ΔΜΕΤ/ΕΓΚ = (284.709,2 Α + 2.319.267.510) δρχ. (Σ 10.10)

Μέσες ετήσιες καθαρές εισπράξεις

Οι ετήσιες εισπράξεις προκύπτουν από τη μη παραγωγή κάποιου ποσού ενέργειας από το συμβατικό σύστημα. Δεδομένου ότι το φωτοβολταϊκό σύστημα θα παράγει (πίν 2.2):

1.766 Α (kWh/yr) · 0,09 = 158,94 Α (kWh/yr), τότε εξοικονομούνται οικονομικοί πόροι από τη μη παραγωγή της παραπάνω ενέργειας από το συμβατικό σύστημα. Το μέσο κόστος παραγόμενης kWh από το συμβατικό σύστημα εκτιμήθηκε σε 63,62 δρχ./kWh (10.2.1).Δηλαδή:

E1 = 158,94 Α kWh/yr · 63,62 δρχ./kWh = 10.111,8 Α δρχ./yr (Σ 10.11)

Εδώ θα πρέπει να γίνει μια διευκρίνιση, ιδιαίτερα σημαντική. Ας ληφθούν οι ακραίες τιμές για την επιφάνεια Α, που όπως φαίνεται και στον πίν 9.24 είναι 56.690 m2 για τον Μάιο και 136.117 για τον Δεκέμβριο. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα ετησίως θα φτάνει τις 1.766 · 56.690 · 0,09 = 9.010.309 kWh στη μία περίπτωση και στις 21.634.436 kWh στην άλλη. Είναι φανερό δηλαδή πως στη μία περίπτωση υπάρχουν σημαντικά ελλείμματα ενέργειας, όλους τους μήνες, ενώ στην άλλη περίπτωση, όχι απλά καλύπτεται η ζήτηση όλο το χρόνο, αλλά ταυτόχρονα εμφανίζονται τεράστια αποθέματα ενέργειας, τα οποία ουσιαστικά είναι μη εκμεταλλεύσιμα, δεδομένου ότι η αποθηκευτική δυνατότητα του συστήματος είναι περιορισμένη.

Ξαναγυρνώντας τώρα, στην εκτίμηση των οικονομικών μεγεθών, στα μέσα ετήσια έσοδα πρέπει να συμπεριληφθούν και οι αμοιβές προσωπικού, οι ασφαλίσεις, η συντήρηση και η αποκατάσταση ζημιών που αντιστοιχούν στην παραγωγή των παραπάνω kWh. Οι συνολικές προσαυξήσεις φθάνουν το 40 % (βλέπε και 10.2.1). Δηλαδή:

E2 = 0,4 E1 = 4.044,7 A δρχ./yr (Σ 10.12)

Τελικά τα μέσα ετήσια έσοδα προκύπτουν:

E = E1 + E2 = 14.156,5 A δρχ./yr (Σ 10.13)

Από την παραπάνω τιμή, πρέπει να αφαιρεθούν τα έξοδα παραγωγής του υπόλοιπου ποσού ενέργειας από το συμβατικό σύστημα (μαζί με τις προσαυξήσεις 40 %), καθώς και τα έξοδα επίβλεψης και συντήρησης του εξοπλισμού του φωτοβολταϊκού συστήματος. Αναλυτικά:

Το συμβατικό σύστημα θα παράγει τις υπόλοιπες kWh, δηλαδή (12.637.040 - 158,94 Α) με μέσο κόστος 63,62 δρχ./kWh (10.2.1).

Είναι προφανές πως θα πρέπει Α < 12.637.040 / 158,94 = 79.508 m2. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί πως αν η συνολική επιφάνεια των πλαισίων ξεπερνά τα 79.508 m2, τότε θα εμφανίζονται πλεονάσματα ενέργειας μη εκμεταλλεύσιμα, ενώ η ετήσια παραγωγή ενέργειας θα ξεπερνά τις 12.637.040 kWh (Ετήσιες Ανάγκες).

Επομένως προκύπτει μέσο κόστος παραγωγής από τη ΔΕΗ:

Δ1 = (12.637.040 - 158,94 Α) kWh · 63,62 δρχ./kWh δρχ. = (803.968.480 – 10.111,8 Α) δρχ. (Σ 10.14)

Επιπλέον υπάρχουν οι προσαυξήσεις (40 %) για αμοιβές προσωπικού, ασφαλίσεις, συντήρηση κλπ. Επομένως:

Δ2 = 0,4 Δ1 = (321.587.392 – 4.044,7 Α) δρχ. (Σ 10.15)

Επίσης στα ετήσια έξοδα πρέπει να συμπεριληφθεί, το κόστος συντήρησης και επίβλεψης των τμημάτων του φωτοβολταϊκού σταθμού, το οποίο εκτιμάται σε 1 % της αξίας του εξοπλισμού. Δηλαδή:

Δ3 = 0,01 ΔΕΞ = (2.701,44 Α + 22.088.262) δρχ. (Σ 10.16)

Τελικά οι μέσες ετήσιες δαπάνες από τη συνδυασμένη χρήση των δύο συστημάτων προκύπτουν:


423

Δ = Δ1 + Δ2 + Δ3 = (1.147.644.134 – 11.455,06 Α) δρχ. (Σ 10.17)

Τώρα πλέον μπορούν να υπολογιστούν οι μέσες ετήσιες καθαρές εισπράξεις, ως η διαφορά εσόδων – εξόδων. Επομένως:

ΕΕΙΣΠΡ = Ε – Δ = (25.611,56 Α - 1.147.644.134) δρχ. (Σ 10.18)

Είναι προφανές πως για να υπάρχουν ετήσια κέρδη, θα πρέπει η συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων να ξεπερνά τα 1.147.644.134 / 25.611,56 = 44.810 m2.

Συμπερασματικά, βάσει των παραπάνω σχέσεων, προκύπτουν άμεσα τα πρώτα συμπεράσματα.

α) Για να υπάρχουν ετήσια έσοδα, τα οποία θα συσσωρεύονται σταδιακά, έτσι ώστε μέσα σε κάποιο χρονικό ορίζοντα να αποσβένεται το σύστημα, θα πρέπει η συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων να ξεπερνά τα 44.810 m2. Σε αντίθετη περίπτωση, οι οικονομικοί πόροι που εξοικονομούνται από την παραγωγή κάποιου ποσού ηλεκτρικής ενέργειας από το Φ/Β σύστημα, έναντι του συμβατικού (ΔΕΗ), δεν είναι αρκετοί να αντισταθμίσουν τα ετήσια έξοδα λειτουργίας και συντήρησης του συνδυασμένου συστήματος.

β) Είναι αναγκαίο, η επιφάνεια των πλαισίων να μην ξεπερνά τα 79.508 m2, διότι σε αυτήν την περίπτωση, σε ετήσια βάση παράγονται μεγάλα ποσά ενέργειας τα οποία «σπαταλούνται», διότι το σύστημα κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην επιτρέπει την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Στη συνέχεια δίνονται διάφορες τιμές στη συνολική επιφάνεια των πλαισίων Α και προκύπτουν το κόστος επένδυσης, τα μέσα ετήσια κέρδη, καθώς και ο χρόνος απόσβεσης του συστήματος. Όλα τα δεδομένα παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίν 10.4.

Στην πρώτη στήλη του πίν 10.4 αναγράφονται οι διάφορες συνολικές επιφάνειες απορρόφησης. Κατώτερη τιμή επιλέγεται η Α = 44.810 m2, διότι μόνο πάνω από αυτή την τιμή το σύστημα αποδίδει κάποιο ποσοστό από το δαπανούμενο κεφάλαιο ετησίως. Ανώτερη τιμή επιλέγεται η Α = 79.508 m2, διότι οποιαδήποτε τιμή επιφάνειας πάνω από αυτή δημιουργεί πλεονάσματα ενέργειας (ετησίως), τα οποία δεν είναι δυνατό να εκμεταλλευτούν. Στις στήλες 2 και 3 του πίν 10.4 υπολογίζονται τα ετήσια έσοδα και οι ετήσιες δαπάνες αντίστοιχα, η διαφορά των οποίων δημιουργεί τις μέσες, ετήσιες, καθαρές εισπράξεις (στήλη 4). Όλες οι εκτιμώμενες τιμές, εμφανίζονται σε δραχμές. Στη στήλη 5 του πίν 10.4 υπολογίζεται το κεφάλαιο επένδυσης για κάθε τιμή της επιφάνειας των πλαισίων, ενώ στη στήλη 6 του ίδιου πίνακα υπολογίζεται ο λόγος των μέσων ετήσιων καθαρών εισπράξεων προς το συνολικό κεφάλαιο επένδυσης (Σ 10.2). Η τιμή του λόγου αυτού δίνει και το χρονικό ορίζοντα απόσβεσης του συστήματος. Έτσι για επιτόκιο κεφαλαίου p, από 1 – 3 % (στήλες 7 – 9) υπολογίζονται τα έτη απόσβεσης (n), από τον πίν 10.2.

Πιο συγκεκριμένα, για την ανώτερη τιμή της επιφάνειας των πλαισίων (79.508 m2), οι εκτιμώμενοι χρόνοι απόσβεσης φτάνουν τα 33, 42 και 62 χρόνια για p = 1, 2 και 3 % αντίστοιχα.

Επίσης για την ίδια τιμή της επιφάνειας, το κόστος επένδυσης φτάνει τα 25 δισ. δρχ. περίπου, ενώ τα μέσα ετήσια οικονομικά οφέλη τα 889 εκ. δρχ. περίπου.

Πίνακας 10.4: Οικονομική ανάλυση και υπολογισμός χρόνου απόσβεσης βελτιστοποιημένου Φ/Β συστήματος, Πάτμος 2005.

A

( m2 )

E (

δρχ. )

∆ (

δρχ. )

Ε - ∆

( δρχ. )

∆ΕΠΕ (

δρχ. )

( Ε - ∆ )

/ ∆ΕΠΕ

Έτη n

(p=1%)

Έτη n

(p=2%)

Έτη n

(p=3%)

4

4.810

634.3

52.765

6,3

E+08

9.869

,6

15.07

7.086.762

6,54609

E-07 >100 >100 >100

5

0.000

707.8

25.000

5,7

E+08

132.9

33.866

16.55

4.727.510

0,00802

9964 >100 >100 >100

5

5.000

778.6

07.500

5,2

E+08

260.9

91.666

17.97

8.273.510

0,01451

7059 >100 >100 >100


424

6

0.000

849.3

90.000

4,6

E+08

389.0

49.466

19.40

1.819.510

0,02005

2216 69 >100 >100

6

5.000

920.1

72.500

4E+

08

517.1

07.266

20.82

5.365.510

0,02483

0645 53 83 >100

7

0.000

990.9

55.000

3,5

E+08

645.1

65.066

22.24

8.911.510

0,02899

7601 43 60 >100

7

5.000

1.061

.737.500

2,9

E+08

773.2

22.866

23.67

2.457.510

0,03266

3397 37 47 85

7

9.508

1.125

.555.002

2,4

E+08

888.6

79.778,5

24.95

5.926.584

0,03560

9969 33 42 62

Τέλος στον πίν 10.5 για δεδομένη επιφάνεια πλαισίων 79.508 m2, υπολογίζονται τα ποσοστά κάλυψης ανά μήνα, για συνδυασμένη χρήση του φωτοβολταϊκού και του συμβατικού σταθμού.

Πίνακας 10.5: Προτεινόμενο ποσοστό κάλυψης ηλεκτρικής ενέργειας για συνδυασμένη

χρήση των δύο συστημάτων, Πάτμος 2005.

Μήνας

Απαιτούμε

νη

Επιφάνεια

Α ( m2 )

Προτεινόμεν

η

Επιφάνεια Α

( m2 )

Κάλυψη (

% )

Φ/Β

Σύστημα

Κάλυψη ( % )

Συμβατικό

Σύστημα

Ιανουά

ριος 131.336

79.508 60,53 39,47

Φεβρο

υάριος 94.497

79.508 84,13 15,87

Μάρτι

ος 88.669

79.508 89,66 10,34

Απρίλι

ος 63.848

79.508 100 -

Μάιος 56.690 79.508 100 -

Ιούνιο

ς 64.199

79.508 100 -

Ιούλιο

ς 75.361

79.508 100 -

Αύγου 87.344 79.508 91,02 8,98


425

στος

Σεπτέ

μβριος 70.685

79.508 100 -

Οκτώβ

ριος 67.739

79.508 100 -

Νοέμβ

ριος 83.842

79.508 94,83 5,17

∆εκέμ

βριος 136.117

79.508 58,41 41,59

Αθροίζοντας τις kWh που παράγονται από τα δύο συστήματα σε ετήσια βάση, προκύπτει πως 90 % περίπου της απαιτούμενης ενέργειας, παράγεται από το φωτοβολταϊκό σύστημα και 10 % από το συμβατικό σταθμό ισχύος. Έτσι σε σχέση με τους συμβολισμούς που εισήχθησαν στην παράγραφο 10.2.3, επιλέγεται α = 0,1 και β = 0,9.

Εδώ κάπου πρέπει να επισημανθεί πως έχοντας γνωστά τα δεδομένα του πίν 10.4, μπορεί να αναπροσαρμοστεί το σύστημα ανάλογα με τις ανάγκες, το επιθυμητό ποσοστό κάλυψης, καθώς και το διαθέσιμο κεφάλαιο προς επένδυση.

Στην επόμενη παράγραφο αναλύεται το σύστημα μετά τις επεμβάσεις που προτείνονται και προκύπτει πλέον η τελική του μορφή.

Προτεινόμενο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Σύμφωνα με την ανάλυση που παρουσιάστηκε στην παράγραφο 10.2.3.2, τα αποτελέσματα της οποίας παραθέτονται στον πίν 10.4, επιλέγεται μια συνολική επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων ίση με Α = 79.508 m2. Όσο και αν φαίνεται παράξενο αύξηση της επιφάνειας Α, έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο χρόνο απόσβεσης του συστήματος, παρόλο που το κόστος επένδυσης αυξάνει σημαντικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μεγαλύτερη επιφάνεια πλαισίων συνεπάγεται ένα μεγαλύτερο ετήσιο ποσοστό κάλυψης από το Φ/Β σύστημα, έναντι του συμβατικού και κατά συνέπεια μεγαλύτερες ετήσιες εξοικονομήσεις χρηματικών πόρων. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται και τα χρηματικά ποσά που θα ξοδεύονταν στην περίπτωση που τα ίδια ποσά ενέργειας παράγονταν από το συμβατικό σταθμό. Ουσιαστικά δηλαδή δεν πρόκειται για εισροή χρημάτων, αλλά εξοικονόμηση αυτών. Είναι προφανές πως η επιφάνεια των πλαισίων έχει ένα ανώτατο όριο, η υπέρβαση του οποίου δημιουργεί τεράστιο κόστος επένδυσης, αλλά ταυτόχρονα και σημαντικότατα πλεονάσματα ενέργειας μη εκμεταλλεύσιμα.

Σύμφωνα με τα παραπάνω κριτήρια λοιπόν, επιλέγεται η τιμή Α = 79.508 m2, βάσει της οποίας θα διαστασιολογηθεί το τελικό σύστημα προς εφαρμογή. Επίσης θα επαναπροσδιοριστεί το κόστος του, έτσι ώστε να συγκριθεί με το κόστος επένδυσης, που υπολογίστηκε στον πίν 10.4.

Πλαίσια

Τμχ. = 79.508 m2 / 1,1 m2 = 72.280 πλαίσια

ΔΠΛ = 72.280 · 245.000 δρχ./τμχ. = 17.708.600.000 δρχ.

Inverter

Το μέγεθος, καθώς και το πλήθος των επιμέρους inverter, παραμένει το ίδιο, που υπολογίστηκε στην παράγραφο 10.2.3.2, αφού δεν εξαρτάται από τη συνολική ημερήσια παραγόμενη ενέργεια (kWh), αλλά από το ημερήσιο φορτίο αιχμής (kW). Έτσι:


426

ΔINV = 1.468 τμχ. · 1.433.000 δρχ./τμχ. = 2.103.644.000 δρχ.

Συσσωρευτές

Το μέγιστο ημερήσιο φορτίο που καλούνται να αποδώσουν οι συσσωρευτές είναι:

207 kWh / (m2·mo) · 79.508 m2 / (31 d/mo) · 0,09 = 47.782 kWh (ημέρα)

και 18 % της άνω τιμής = 8.600,76 (νύχτα)

Τελικά προκύπτει (Σ 9.5):

LBAT = 56.382,76 / 0,85 = 66.333 kWh

CBAT = 66.333 / 0,5 = 132.666 kWh (Σ 9.6)

τμχ. = 132.666 · 1.000 Wh / (6 V · 225 Ah) = 98.272 τμχ. Επομένως:

ΔΜΠΑΤ = 98.272 τμχ. · 28.000 δρχ./τμχ. = 2.751.616.000 δρχ.

Για καλωδιώσεις, στηρίγματα, βοηθητική γεννήτρια, ρυθμιστικά, κλπ θα γίνει μια προσαύξηση 5 % της αξίας του εξοπλισμού, οπότε:

ΔΕΞ = 1,05 · (ΔΠΛ + ΔINV + ΔΜΠΑΤ) = 23.692.053.000 δρχ.

Στην παραπάνω τιμή γίνεται μια προσαύξηση 5 % για μεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισμού, ενώ προστίθεται και η αξία του οικοπέδου (Σ 10.5) οπότε προκύπτει ένα μέσο κόστος επένδυσης:

ΔΕΠΕ = 1,05 ΔΕΞ + ΔΟΙΚ = 24.960.775.000 δρχ.

Η τιμή αυτή πλησιάζει πολύ την αντίστοιχη του πίν 10.4 (24.955.926.584 δρχ.), με μια απόκλιση της τάξης των 5 εκ. δρχ., τιμή που μπορεί να θεωρηθεί πως προέρχεται από διαδοχικές προσεγγίσεις κατά τους υπολογισμούς.

Το παραπάνω σύστημα λοιπόν είναι σε θέση να καλύπτει το 90 % των αναγκών του νησιού της Πάτμου (κάποιους μήνες το ποσοστό φτάνει το 100 %). Η επιπλέον ενέργεια θα καλύπτεται από τον υπάρχων συμβατικό σταθμό ισχύος.

Εγκατάσταση και διάταξη των πλαισίων

Ο αναγκαίος αριθμός των πλαισίων υπολογίστηκε σε 72.280 τμχ.

Επιλέγονται 260 σειρές πλαισίων με 278 πλαίσια η κάθε σειρά. Τα πλαίσια της κάθε σειράς ενώνονται ηλεκτρικά ανά δύο, ενώ όλα της σειράς εφάπτονται κατά τη μικρή διάσταση. Στο τέλος του πίν 9.27 υπολογίζεται πως τα 278 πλαίσια σε σειρά δημιουργούν μια διάσταση

D = 308 m περίπου, ενώ οι 260 σειρές πλαισίων δημιουργούν μια διάσταση L = 544 m. Κατά συνέπεια, η απαιτούμενη έκταση για εγκατάσταση των πλαισίων προκύπτει:

D · L = 308 · 544 = 167.552 m2 (168 στρέμματα περίπου)

Πρέπει να τονιστεί πως έχει επιλεχθεί να μην υπάρχει κατακόρυφη ανύψωση (δ) ανάμεσα στις σειρές, αλλά επιλέγεται μια απόσταση 2,1 m περίπου (ε) μεταξύ τους, ώστε να μην εμφανίζονται προβλήματα σκίασης. Επίσης επισημαίνεται πως τα πλαίσια βρίσκονται υπό κλίση 30 0 και έχουν νότιο-ανατολικό προσανατολισμό για μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών.

Όσον αφορά τη σύνδεση των πλαισίων με τους επιμέρους inverter, όπως και στην παράγραφο 9.3.2.1.3, επιλέγεται ο κάθε inverter να δέχεται τάση 24 V, δηλαδή συνδέεται άμεσα με ένα ζεύγος πανέλων, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους σε σειρά. Δεδομένου ότι κάθε σειρά πλαισίων αποτελείται από 278 πλαίσια, τότε ο αριθμός inverter ανά σειρά θα είναι 139 τμχ. Εξάλλου, μια και το σύνολο των inverter θα είναι 1.468 τμχ., επιλέγονται 11 σειρές inverter από 78 inverter ανά σειρά και 10 σειρές inverter από 61 inverter ανά σειρά (11·78+10·61=1.468). Με άλλα λόγια οι πρώτοι 78 inverter ανά σειρά, ενώνονται ηλεκτρικά (παράλληλα) με τόσα ζεύγη πλαισίων ώστε να προκύπτουν 11 σειρές inverter, ενώ οι 61 εναπομείναντες inverter ανά σειρά, ενώνονται με τόσα ζεύγη πλαισίων ώστε να προκύπτουν 10 σειρές inverter.


427

Εναλλακτική λύση

Σύμφωνα με τη βελτιστοποίηση που παρουσιάστηκε στην προηγούμενη παράγραφο, βάσει της οποίας ήταν η παραμετροποίηση των συναρτήσεων εσόδων – δαπανών, ως συνάρτηση της επιφάνειας απορρόφησης των Φ/Β πλαισίων Α, προέκυψε βέλτιστη επιφάνεια 79.508 m2. Η λύση που προτείνεται ως βέλτιστη έχει κάποιο μειονέκτημα, που δεν είναι άλλο από τον αρκετά μεγάλο χρόνο απόσβεσης του συστήματος. Πράγματι προτείνεται η ετήσια κάλυψη του 90 % του συνόλου των ενεργειακών αναγκών σε ηλεκτρισμό από το Φ/Β σύστημα, κάτι που οδηγεί σε μια περίοδο απόσβεσης 33 ετών. Η τιμή αυτή είναι αρκετά υψηλή αν σκεφτεί κανείς πως τα Φ/Β πλαίσια έχουν μια διάρκεια ζωής περί τα 30 χρόνια.

Αν παρατηρήσει κανείς τον πίν 10.4, είναι φανερό πως για μειωμένο χρόνο απόσβεσης απαιτείται περαιτέρω αύξηση στην επιφάνεια απορρόφησης των πλαισίων, κάτι που εξηγήθηκε αναλυτικά στην προηγούμενη παράγραφο.

Ας υποτεθεί λοιπόν επιφάνεια απορρόφησης Α > 79.508 m2. Τότε η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα ξεπερνά τις μέσες ετήσιες ενεργειακές ανάγκες της Πάτμου που είναι 12.637.040 kWh. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει η περίσσεια της ηλεκτρικής ενέργειας να επιστρέφεται με κάποιο τρόπο στον συμβατικό σταθμό ισχύος ή να αποθηκεύεται π.χ με την άντληση νερού σε κάποιο ύψος και εκμετάλλευση της δυναμικής πλέον ενέργειας του νερού. Αυτή είναι μια αναγκαία συνθήκη έτσι ώστε η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος να είναι επιτυχής. Ξαναγυρνώντας τώρα στο μοντέλο της προηγούμενης παραγράφου, θα γίνουν κάποιες μετατροπές έτσι ώστε το μοντέλο (10.2.3.2) να παραμένει σε ισχύ.

Το κόστος επένδυσης παραμένει ως έχει: ΔΕΠΕ = 284.709,2 Α + 2.319.267.510 δρχ.

Οι μέσες ετήσιες καθαρές εισπράξεις προκύπτουν (Σ 10.18) ως εξής:

Έστω Α > 79.508 m2 η επιφάνεια απορρόφησης και H (kWh/m2·mo) η μέση μηνιαία ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στην Πάτμο. Τότε η μηνιαία παραγωγή ενέργειας από το Φ/Β σύστημα θα είναι:

E = A · H · 0,09 (kWh)

Δίνοντας διαδοχικές τιμές στην επιφάνεια απορρόφησης Α (Για Α > 79.508 m2) και με δεδομένες τις τιμές για τη μέση μηνιαία ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (Η) θα προκύψουν οι παραγόμενες kWh από το Φ/Β (Ε1), αλλά και από το συμβατικό σύστημα (Ε2) αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίν 10.6.

Πίνακας 10.6: Παραγόμενη ενέργεια από το Φ/Β και το συμβατικό σύστημα (εναλλακτική λύση)

Μήνα

ς

Η30

(kWh/m2 ·mo)

Ζήτηση

(kWh) Α (m2)

80.000 100.000 120.000

Ε1

(kWh)

Ε2

(kWh)

Ε1

(kWh)

Ε2

(kWh)

Ε1

(kWh)

Ε2

(kWh)

Ιανουά

ριος 82 969.261

590.

400

378.

861

738.

000

231.

261

885.

600

83.6

61

Φεβρο

υάριος 100 850.473

720.

000

130.

473

900.

000 -

1.08

0.000 -

Μάρτι

ος 127

1.013.49

1

914.

400

99.0

91

1.14

3.000 -

1.37

1.600 -


428

Απρίλι

ος 159 913.658

1.14

4.800 -

1.43

1.000 -

1.71

7.200 -

Μάιος 187 954.0971.34

6.400 -

1.68

3.000 -

2.01

9.600 -

Ιούνιο

ς 187

1.080.46

7

1.34

6.400 -

1.68

3.000 -

2.01

9.600 -

Ιούλιο

ς 207

1.403.97

5

1.49

0.400 -

1.86

3.000 -

2.23

5.600 -

Αύγου

στος 204

1.603.64

0

1.46

8.800

134.

840

1.83

6.000 -

2.20

3.200 -

Σεπτέ

μβριος 176

1.119.64

2

1.26

7.200 -

1.58

4.000 -

1.90

0.800 -

Οκτώβ

ριος 148 902.285

1.06

5.600 -

1.33

2.000 -

1.59

8.400 -

Νοέμβ

ριος 104 784.760

748.

800

35.9

60

936.

000 -

1.12

3.200 -

∆εκέμ

βριος 85

1.041.29

2

612.

000

429.

292

765.

000

276.

292

918.

000

123.

292

Συνολ

ικά 1.766

12.637.0

40

1.20

8.517

507.

553

206.

953

Στη συνέχεια δημιουργείται ο πίν 10.7, όπου προκύπτει το μέσο κόστος επένδυσης, τα ετήσια οικονομικά οφέλη, καθώς και οι χρόνοι απόσβεσης για Α = 80.000, 100.000 και 120.000 m2.

Πίνακας 10.7: Υπολογισμός χρόνου απόσβεσης συνδυασμένου συστήματος (εναλλακτική λύση)

A (m2) ΔΕΠΕ (δρχ.) Ε (δρχ.) Δ (δρχ.) Ε-Δ (δρχ) ΔΕΠΕ / Ε-Δ n

(p=1%) n

(p=2%) n

(p=3%)

80.000 25.096.

003.510

1.132.

520.000 238.203.462

894.3

16.538

0.0

35636

3

3

4

2

6

2

100.000 30.790.

187.510

1.415.

650.000 292.232.262

1.123.

417.738

0.0

36486

3

2

4

0

5

9

120.000 36.484.

371.510

1.698.

780.000 346.261.062

1.352.

518.938

0.0

37071

3

1,5

3

9

5

6

Στη δεύτερη στήλη του πίν 10.7 έχει υπολογιστεί το κόστος επένδυσης με χρήση της Σ 10.10.

Στην τρίτη στήλη έχουν υπολογιστεί τα μέσα ετήσια έσοδα Ε σύμφωνα με την Σ 10.13. Στην τέταρτη στήλη υπάρχουν οι ετήσιες δαπάνες Δ (Σ 10.17), όπου οι δαπάνες Δ1 υπολογίζονται ως το γινόμενο του αριθμού των kWh που παράγει το συμβατικό σύστημα ετησίως (Ε2), για κάθε τιμή του Α, επί το


429

κόστος παραγόμενης kWh (63,62 δρχ.). Οι δύο επόμενες στήλες είναι προφανείς, ενώ στις τρεις τελευταίες στήλες προκύπτουν τα έτη απόσβεσης για επιτόκια κεφαλαίου 1, 2 και 3 %.

Είναι προφανές πως η περαιτέρω αύξηση της επιφάνειας απορρόφησης Α (πάνω από 79.508 m2 δεν ενδείκνυται, μια και για τη μείωση του χρόνου απόσβεσης κατά 1,5 έτος (33→31,5) απαιτείται ένα κόστος επένδυσης της τάξης των 36,5 δισ. περίπου (12 δισ. επιπλέον). Με άλλα λόγια, το όφελος που προκύπτει από την αύξηση της επιφανείας απορρόφησης Α όσον αφορά τη μείωση του χρόνου απόσβεσης, είναι μηδαμινό σε σύγκριση με το τεράστιο κόστος επένδυσης που προκύπτει. Κατά συνέπεια προβάλει ως βέλτιστη λύση η επιλογή των 79.508 m2 για την επιφάνεια απορρόφησης των Φ/Β πλαισίων.

10.2.4 Αξιολόγηση συστήματος ηλιακής αφαλάτωσης Στον πίν 9.29 του κεφαλαίου 9 υπολογίστηκε πως για την κάλυψη των αναγκών του νησιού σε πόσιμο νερό (30 m3/d), για το καλοκαίρι, απαιτούνται συνολικά 6.049 ηλιακοί αποστακτήρες (αντίθετης απορρόφησης), απορροφητικής επιφάνειας 1 m2. Εξάλλου στην παράγραφο 9.3.2.3.4 έγινε σαφές πως είναι σχεδόν αδύνατο να καλυφθούν οι ανάγκες του νησιού και το χειμώνα, παρόλο που ο πληθυσμός του νησιού είναι ο μισός αυτήν την περίοδο. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τη χειμερινή περίοδο, τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα χαμηλά, όπως άλλωστε και οι επικρατούσες θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Οι δύο παράγοντες αυτοί (μεγάλα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας, υψηλές θερμοκρασίες), είναι αναγκαίοι για τη σωστή και αποδοτική λειτουργία των αποστακτήρων. Συνέπεια της απουσίας τους είναι η μικρή παραγωγή πόσιμου νερού, η οποία καλύπτει μόλις το 35,4 % των αναγκών του πληθυσμού (Ιανουάριος). Άμεσο συμπέρασμα λοιπόν, είναι η ύπαρξη βοηθητικής παροχής για τους χειμερινούς μήνες. Παρόλα αυτά, στην παράγραφο αυτή θα γίνει μια προσπάθεια εύρεσης της βέλτιστης λύσης, τόσο από άποψη ποσοστού κάλυψης, όσο και κόστους. Αρωγός στην προσπάθεια αυτή θα είναι τα δεδομένα του πίν 9.29, βάσει των οποίων θα διαστασιολογηθεί το τελικό σύστημα προς εφαρμογή.

Στην παράγραφο 9.3.2.3.5 επιλέχθηκε επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας 6.049 m2, επιφάνεια που ισοδυναμεί με 6.049 ηλιακούς αποστακτήρες. Με δεδομένη επιφάνεια απορρόφησης και παρατηρώντας τα δεδομένα του πίν 9.29, είναι προφανές πως δεν καλύπτεται η ζήτηση όλους τους μήνες του χρόνου. Στον πίν 10.8 παρουσιάζονται τα ποσοστά κάλυψης που προκύπτουν ανά μήνα για αυτό τον αριθμό συσκευών αφαλάτωσης και για πληθυσμό που μεταβάλλεται από περίοδο σε περίοδο (βλέπε και πίν 9.29).

Πίνακας 10.8: Ποσοστά κάλυψης σε πόσιμο νερό από το προτεινόμενο σύστημα ηλιακής αφαλάτωσης, Πάτμος 2005

Μήνας

Απαιτού

μενοι

αποστα

κτήρες

∆ιαθέσι

μοι

αποστα

κτήρες

Ποσοστό

Κάλυψης

( % )

Πλεό

νασμα

( % )

Έλ

λειμμα

( %

)

Ιανουάρι

ος

17.106 6.049 35,4 - 64,

6

Φεβρουά

ριος

7.657 6.049 79 - 21


430

Μάρτιος 4.572 6.049 100 32,3 -

Απρίλιος 3.830 6.049 100 58 -

Μάιος 3.819 6.049 100 58,4 -

Ιούνιος 4.582 6.049 100 32 -

Ιούλιος 5.331 6.049 100 13,5 -

Αύγουστ

ος

6.049 6.049 100 - -

Σεπτέμβ

ριος

5.838 6.049 100 3,6 -

Οκτώβρι

ος

7.697 6.049 76,7 - 23,

3

Νοέμβρι

ος

11.241 6.049 53,8 - 46,

2

∆εκέμβρι

ος

40.872 6.049 14,8 - 85,

2

Πίνακας 10.9: Ετήσια διαχείριση αποθεμάτων νερού, Πάτμος 2005 (lt/d)

Μήνας Παραγωγή

Κατανάλωση Βοηθητική Παροχή

Αποθήκευση Διάθεση εκ του αποθέματος

Ιανουάρι

ος

5.30

5

15.000 9.69

5

- -

Φεβρουά

ριος

11.8

50

15.000 3.15

0

- -

Μάρτιος 19.8

48

15.000 - 4.848 -

Απρίλιος 23.6

94

15.000 - 8.694 -

Μάιος 31.1

07

19.635 - 11.472 -

Ιούνιος 36.1

68

27.360 - 8.808 -

Ιούλιος 34.0 30.000 - 4.045 -


431

45

Αύγουστ

ος

30.0

04

30.000 - 4 -

Σεπτέμβ

ριος

27.8

32

27.360 - 472 -

Οκτώβρι

ος

15.0

38

19.635 4.59

7

- 4.597

Νοέμβρι

ος

8.07

2

15.000 6.92

8

- 6.928

∆εκέμβρι

ος

2.22

0

15.000 12.7

80

- 12.780

Σύνολο

έτους

7.46

9.357

7.433.97

0

1.13

5.272

1.170.

659

746.527

Από τα αποτελέσματα του πίνακα 10.8, είναι φανερό πως υπάρχουν μήνες όπου η ζήτηση δεν καλύπτεται από το προτεινόμενο σύστημα αφαλάτωσης (Δεκέμβριος, Ιανουάριος, Νοέμβριος), ενώ σε κάποιους μήνες εμφανίζονται μεγάλα αποθέματα πόσιμου νερού (Μάιος, Απρίλιος, Μάρτιος). Η ύπαρξη αποθεμάτων δίνει την ιδέα της αποθήκευσης του νερού σε περιόδους όπου η παραγωγή υπερκαλύπτει τη ζήτηση. Έτσι αν τα αποθέματα αυτά διατεθούν την κατάλληλη περίοδο, ο ίδιος αριθμός αποστακτήρων είναι σε θέση να καλύψει μεγαλύτερο τμήμα της ζήτησης. Ο πίνακας 10.9, δίνει ένα παράδειγμα σωστής διαχείρισης αποθεμάτων με σκοπό τη μικρότερη δυνατή συνεισφορά βοηθητικής παροχής πόσιμου νερού.

Τα άμεσα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι τα εξής:

α) H ζήτηση μπορεί να καλυφθεί ετησίως από το προτεινόμενο σύστημα, μια και η ετήσια ζήτηση σε πόσιμο νερό εκτιμάται σε 7.433.970 lt, ενώ η ετήσια παραγωγή από το σύστημα φθάνει τα 7.469.357 lt, δηλαδή υπάρχει ένα ετήσιο πλεόνασμα 35.387 lt.

β) Το έλλειμμα που παρουσιάζεται τους μήνες Οκτώβριο, Νοέμβριο και Δεκέμβριο, καλύπτεται από το νερό που έχει αποθηκευτεί κατά τους μήνες Μάρτιο έως Σεπτέμβριο.

γ) Το έλλειμμα που παρουσιάζεται τους μήνες Ιανουάριο και Φεβρουάριο το έτος i+1 είναι δυνατό να καλυφθεί από το πλεόνασμα που προκύπτει το έτος i. Αυτό όμως ισχύει εφόσον τον πρώτο χρόνο λειτουργίας του συστήματος οι δεξαμενές αποθήκευσης τροφοδοτούνται με 9.695 lt/d τον Ιανουάριο και 3.150 lt/d το Φεβρουάριο (όσο είναι και το έλλειμμα των δύο πρώτων μηνών του χρόνου), από τη βοηθητική πηγή. Πράγματι, τα ετήσια αποθέματα νερού φθάνουν τα 1.170.659 lt – 746.527 lt = 424.132 lt, ενώ η βοηθητική παροχή που απαιτείται για τους μήνες Ιανουάριο και Φεβρουάριο φθάνει τα 9.695 lt/d · 31 d/mo + 3.150 lt/d · 28 d/mo = 388.745 lt < 424.132 lt.

δ) Η ετήσια αποθήκευση νερού, από το Μάρτιο έως τον Σεπτέμβριο, φτάνει τα 1.170 m3 περίπου, κατά συνέπεια επιλέγεται μια ενιαία δεξαμενή αποθήκευσης διάστασης 16×15×5 και όγκου V = 1.200 m3. Απαραίτητη προϋπόθεση για την αποθήκευση, είναι να τηρούνται όλοι οι κανόνες υγιεινής, όπως συχνή χλωρίωση, εσωτερική αντιοξειδωτική επένδυση της δεξαμενής και ό,τι άλλο χρειάζεται.

ε) Ουσιαστικά δεν χρειάζεται βοηθητική παροχή νερού (για πόσιμο νερό), εκτός από τους δύο πρώτους μήνες του πρώτου χρόνου λειτουργίας του συστήματος. Αντίθετα η βοηθητική παροχή είναι αναγκαία για την κάλυψη των αναγκών άλλων χρήσεων, όπως ντους, πότισμα, κλπ.


432

Το παραπάνω πλάνο μπορεί να φανεί μια ικανοποιητική λύση όσον αφορά την αντιμετώπιση της εύρεσης υδάτινων πόρων για το νησί της Πάτμου. Φυσικά, είναι αυτονόητο πως για να αντεπεξέλθει το δεδομένο σύστημα στην αναμενόμενη ζήτηση, θα πρέπει να γίνει σαφές το γεγονός πως έχει διαστασιολογηθεί για μία ημερήσια κατανάλωση νερού 5 lt ανά άτομο. Η τιμή αυτή παρουσιάζεται ιδιαίτερα αντιπροσωπευτική και είναι σε θέση να καλύψει εκτός τις ανάγκες σε πόσιμο νερό και κάποιες δευτερεύουσες ανάγκες, όπως πλύσιμο χεριών (όχι ντους). Οποιαδήποτε σπατάλη νερού όμως, είναι δυνατό να «τινάξει» το σύστημα στον αέρα και να προκύψουν πολύ μεγαλύτερες καταναλώσεις και κατά συνέπεια μεγαλύτερη συνεισφορά από το βοηθητικό σύστημα.

10.2.4.1 Εκτίμηση κόστους και χρόνου απόσβεσης του συστήματος

Στην παράγραφο αυτή, θα επιχειρηθεί να εκτιμηθεί στο μέτρο του δυνατού, το κόστος επένδυσης της συνολικής εγκατάστασης συμπεριλαμβανομένου και του βοηθητικού εξοπλισμού, καθώς και του πιθανού χρόνου απόσβεσης του συστήματος.

Γενικά, το κόστος κατασκευής ενός ηλιακού αποστακτήρα είναι συνάρτηση πολλών μεταβλητών, οι κυριότερες των οποίων είναι:

Το κόστος παραγωγής ή απόχτησης νερού με χρήση εναλλακτικών λύσεων

Οι ανάγκες σε πόσιμο νερό

Η διαθεσιμότητα της ηλιακής ενέργειας

Το κόστος των τοπικά διαθέσιμων υλικών

Οι τοπικές αμοιβές εργασίας

Το κόστος εισαγόμενων ή μεταφερόμενων υλικών

Η δυνατότητα δανειοδότησης και τα επιτόκια

Κόστος συστήματος

Όπως φαίνεται και στην εικ 9.37 (9.3.2.3), ένας ηλιακός αποστακτήρας αντίστροφης απορρόφησης αποτελείται ουσιαστικά από δύο τμήματα. Το ένα τμήμα (γυάλινο δοχείο), ουσιαστικά αποτελεί έναν απλό συμβατικό αποστακτήρα με την προσθήκη της πλάκας απορρόφησης στο κάτω τμήμα του. Οι ενδεικτικές τιμές στην αγορά για παροχές αποστακτήρα μέχρι 6 lt/d (πίν 9.29) και επιφάνεια απορρόφησης 1 m2, είναι γύρω στις 85.000 δρχ. ανά αποστακτήρα. Το άλλο κομμάτι, αποτελεί τον κατάλληλα διαμορφωμένο κυλινδρικό ανακλαστήρα (κάτοπτρο), μαζί με τα δύο γυάλινα καλύμματα. Το τμήμα αυτό κοστολογείται γύρω στις 92.000.

Τα δύο αυτά τμήματα αποτελούν και το βασικό εξοπλισμό ενός αποστακτήρα, με συνολικό κόστος που φθάνει τα 177.000 δρχ. ανά τεμάχιο.

Στην τιμή αυτή θα γίνει μια προσαύξηση 50 % που θα περιλαμβάνει το βοηθητικό εξοπλισμό, όπως αντλία, χρονοδιακόπτη, βαλβίδα αντεπιστροφής, πλαστικές σωληνώσεις (σιλικόνη). Μετά από αυτά προκύπτει μια συνολική τιμή ανά αποστακτήρα, ίση με 266.000 δρχ.

Οι παραπάνω τιμές προέκυψαν μετά από προσεκτική συλλογή στοιχείων που αφορούσαν την αγορά στο εξωτερικό. Οι αρχικές τιμές ήταν σε $ και μετατράπηκαν σε δρχ., λαμβάνοντας μια ισοτιμία $ έναντι δρχ. 1$ = 410 δρχ.

Με δεδομένο αριθμό αποστακτήρων 6.049 τμχ., το κόστος των αποστακτήρων συμπεριλαμβανομένου και του βοηθητικού εξοπλισμού προκύπτει:

ΔΑΠΟ = 6.049 τμχ. · 266.000 δρχ./τμχ. = 1.609.034.000 δρχ.

Η παραπάνω τιμή προσαυξάνεται 10 %, δαπάνη η οποία περιλαμβάνει το κόστος άντλησης και μεταφοράς του θαλασσινού νερού προς την εγκατάσταση (αντλίες, σωληνώσεις, βαλβίδες αντεπιστροφής, δεξαμενή αποθήκευσης, κλπ.).

Τελικά προκύπτει ένα πάγιο κόστος επένδυσης:

ΔΕΠΕ = 1.769.937.000 δρχ.


433

Στο ετήσιο κόστος λειτουργίας πρέπει να υπολογιστεί μια δαπάνη 5 % του εξοπλισμού, για λειτουργία αντλιών, στοιχειώδη συντήρηση, διατήρηση του αποθηκευμένου νερού και τυχών αποκατάσταση βλαβών. Το ποσοστό αυτό αντιστοιχεί σε ΔΣΥΝΤ = 88.497.000 δρχ. περίπου.

Χρόνος απόσβεσης συστήματος

Και εδώ, όπως και στην παράγραφο 10.2.2.3, για την αξιολόγηση της συνολικής επένδυσης του συστήματος, θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της καθαρής παρούσας αξίας, θα ληφθεί υπόψη δηλαδή, η χρονική αξία του χρήματος.

Δεδομένο ότι υπολογίστηκε μέσο κόστος επένδυσης 1.769.937.000 δρχ., το μόνο που υπολείπεται, είναι να εκτιμηθούν τα μέσα ετήσια έσοδα (εξοικονόμηση πόρων) από τη χρήση του παραπάνω συστήματος. Αυτά θα εκτιμηθούν με τον εξής συλλογισμό.

Στον πίν 10.9, υπολογίστηκε ετήσια παραγωγή νερού από το σύστημα 7.469.357 lt. Αν η ποσότητα αυτή αγοραζόταν σε μπουκάλια 1,5 lt, θα απαιτούνταν 4.979.572 μπουκάλια νερό ετησίως για την κάλυψη των αναγκών 100 %. Αν ληφθεί μια μέση τιμή ανά μπουκάλι 200 δρχ., τότε προκύπτει πως για την ικανοποίηση των αναγκών θα έπρεπε να ξοδεύονται ετησίως:

EΑΓΟ = 4.979.572 μπ. · 200 δρχ./μπ. = 995.915.000 δρχ.

Η τιμή αυτή εμφανίζεται σαν έσοδο κατά την εφαρμογή της μεθόδου, μια και είναι χρήματα τα οποία εξοικονομούνται από τη χρήση του δεδομένου συστήματος ηλιακής αφαλάτωσης. Για τον υπολογισμό των μέσων ετήσιων εσόδων αρκεί από την παραπάνω τιμή, να αφαιρεθεί το ποσό που ξοδεύεται ετησίως για λειτουργία αντλιών, συντήρηση, αποκατάσταση βλαβών και αποθήκευσης νερού. Έτσι:

EEΣΟ = EΑΓΟ - ΔΣΥΝΤ = 995.915.000 δρχ. - 88.497.000 δρχ. = 907.418.000 δρχ.

Με εφαρμογή της Σ 10.2, προκύπτει:

11

1n

n

p

pp



000.937.769.1

000.418.907 = 0,5126

Με χρήση του πίν 10.2 και για επιτόκια κεφαλαίου p = 1, 2, 3 % προκύπτουν περίπου 2 – 2,5 έτη απόσβεσης για κάθε περίπτωση. Με άλλα λόγια το σύστημα αποδίδει τα χρήματα επένδυσης σε λιγότερο από 2,5 χρόνια από την εφαρμογή του. Είναι προφανές πως μια τέτοια επένδυση, με την οικονομική ανάλυση που παρουσιάστηκε, προκύπτει ιδιαίτερα ωφέλιμη και προσοδοφόρα και ενδείκνυται για εφαρμογή.

10.2.4.2 Υλικοτεχνική ανάλυση

Κατασκευή

Πάνω απ’ όλα, για να εξασφαλιστεί η αποδοτική και απρόσκοπτη λειτουργία του συστήματος, έτσι ώστε αυτό να ανταποκριθεί στις αρχικές προσδοκίες, θα πρέπει τα υλικά από τα οποία αποτελείται, να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

Τα υλικά κατασκευής θα πρέπει να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, έναντι των συνθηκών έκθεσης και να μην έχουν απαγορευτικό κόστος, έτσι ώστε να αντικαθίστανται με μικρό κόστος σε περίπτωση φθοράς.

Να είναι αρκετά ανθεκτικά και να αντέχουν έναντι του ανέμου, καθώς και των συνεχών, ελαφρών δονήσεων της γης.

Να είναι μη τοξικά και να μην εκπέμπουν ατμούς ή να προσδίδουν δυσάρεστη γεύση στο νερό, σε υψηλές θερμοκρασίες.

Να έχουν αντιδιαβρωτικές ιδιότητες, έναντι τόσο του αλμυρού, όσο και του αφαλατωμένου νερού.


434

Το βάρος και οι διαστάσεις τους πρέπει να είναι τέτοιες, ώστε να μεταφέρονται εύκολα, όποτε χρειαστεί, ακόμα και από τα τοπικά μέσα μεταφοράς.

Παρόλο που η χρήση τοπικών, διαθέσιμων υλικών είναι αποδεκτή, έτσι ώστε να μειώνεται το κόστος επένδυσης και να διευκολύνονται οι τυχών επισκευές, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που πρέπει να λάβει κανείς υπόψη του κατά την τελική επιλογή.

Οι ηλιακοί αποστακτήρες, που είναι κατασκευασμένοι από φθηνά, ασταθή υλικά, έχουν διάρκεια ζωής σαφώς πολύ μικρότερη από τους αντίστοιχους αποστακτήρες στους οποίους έχουν επιλεγεί ακριβά και υψίστης ποιότητας υλικά. Από αυτή την άποψη, πρέπει να αποφασίσει κανείς, αν επιζητεί μια φθηνή κατασκευή, μικρής διάρκειας ζωής, η οποία θα χρειάζεται αντικατάσταση ή επισκευή σε λίγα χρόνια ή μια αντίστοιχη στιβαρή, μεγάλης διάρκειας ζωής με την ελπίδα ότι το κόστος παραγωγής πόσιμου νερού μακροπρόθεσμα θα είναι σαφώς μειωμένο.

Πολλοί φθηνοί αποστακτήρες, που χρησιμοποιήθηκαν ανά τον κόσμο, δεν λειτουργούν πλέον, λόγω φθοράς και ελλιπής λειτουργίας. Από την άλλη, η επιλογή ενός «καλοφτιαγμένου» αποστακτήρα, ο οποίος θα λειτουργεί ικανοποιητικά για παραπάνω από 20 χρόνια, φαίνεται να είναι μια πολύ καλή επένδυση, παρά το αναμφίβολα μεγαλύτερο αρχικό κόστος.

Η επιλογή των υλικών για τα επιμέρους τμήματα του αποστακτήρα, σε σχέση με την παρουσία του νερού, αποτελεί ένα πολύπλοκο πρόβλημα.

Πολλά από τα πλαστικά, προσδίδουν στο παραγόμενο νερό μια δυσάρεστη γεύση ή οσμή, σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ένας γενικός κανόνας σε περίπτωση που κάποιος αποφασίσει να μη χρησιμοποιήσει γυαλί ή μέταλλο (σε επαφή με το νερό), είναι να βράσει για μισή ώρα καθαρό νερό μαζί με δείγμα από το επιλεγμένο υλικό σε ένα δοχείο. Στη συνέχεια μπορεί να αφήσει το νερό να ψυχθεί και να το πιει ή να το μυρίσει. Το τεστ αυτό αποτελεί μια πολύ καλή προσομοίωση για το τι συμβαίνει πραγματικά μέσα στον αποστακτήρα. Αν δεν παρατηρήσει κανείς διαφορά στο νερό πριν και μετά το τεστ, τότε πιθανότατα, το υλικό είναι κατάλληλο για χρήση. Για να δοκιμάσει κανείς μπορεί να χρησιμοποιήσει, σωλήνες πολυαιθυλενίου ή PVC, καθώς και πλαίσια από ρητίνη (resin) και ινώδες γυαλί (fiberglass).

Προτεινόμενα Υλικά

Με αντικειμενικό σκοπό τη μείωση του κόστους του παραγόμενου νερού, σε ένα ορίζοντα 20 χρόνων, τα καταλληλότερα υλικά είναι:

Επικάλυψη από συνθετικό σιλικόνης, για μαύρισμα της πλάκας απορρόφησης.

Μεταλλικοί ράβδοι, τοποθετημένοι ανά 40 cm, για να υποστηρίζουν το κάτω τμήμα του αποστακτήρα.

25 – 38 mm μόνωσης (από ινώδες γυαλί ή αφρό ουρεθάνης), ανάμεσα στις μεταλλικές ράβδους.

Για την κάλυψη του κάτω μέρους του αποστακτήρα, ελαφρύ, επιψευδαργυρομένο (γαλβανιζέ) χάλυβα ή φύλλο αλουμινίου. Αν σχεδιάζεται να τοποθετηθεί ο αποστακτήρας στο έδαφος και χρησιμοποιηθεί μόνωση αδιαπέραστη από το νερό, δεν χρειάζεται.

Μεταλλικά τοιχώματα π.χ. από εξελασμένο αλουμίνιο, για υποστήριξη της κατασκευής. Πρέπει να σημειωθεί ότι το εξελασμένο αλουμίνιο συναρμολογείται εύκολα, αλλά είναι ακριβό. Έτσι μπορεί να προτιμηθεί ένα υλικό χαμηλότερου κόστους, όπως βαμμένος χάλυβας ή απλό αλουμίνιο.

Εσωτερικά τοιχώματα από ανοξείδωτο χάλυβα.

Συμπαγές τζάμι ή διπλό κρύσταλλο (παραθύρων).

Εξελασμένα παρεμβύσματα (τσιμούχες) έναντι στεγανοποίησης, εφαρμοζόμενα στην τελική θέση με συμπίεση.

Εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα (π.χ. 316). Ο μπρούντζος δεν είναι αποδεκτός, ενώ το PVC αστοχεί σε ιδιαίτερα ζεστά κλίματα.


435

Ένα κάτοπτρο πίσω από τον αποστακτήρα (ενδείκνυται ιδιαίτερα για περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους).

Τα παραπάνω υλικά είναι αντιπροσωπευτικά για την κατασκευή υψηλού κόστους αποστακτήρων και αποτελούν μια καλή επένδυση αν σκεφτεί κανείς ότι οι χαμηλής ποιότητας κατασκευές δεν έχουν επιβιώσει στην αγορά.

Παρόλα αυτά πρέπει να αναρωτηθεί κανείς, «Τι είναι ακριβό σε σχέση με τι;»

Συγκρινόμενο με τη μεταφορά πόσιμου νερού σε μπουκάλια ή δεξαμενές, το αποσταγμένο νερό με τη μέθοδο της ηλιακής απόσταξης, θα εμφανίζεται πάντα φθηνότερο. Συγκρινόμενο με την απόσταξη μέσω βρασμού, η ηλιακή απόσταξη είναι ανταγωνίσιμη σε πολλές περιπτώσεις.

Συμπερασματικά, μπορεί να πει κανείς, πως αν και τα υλικά κατασκευής των ηλιακών αποστακτήρων θα είναι πάντα ακριβά, η αυξανόμενη παραγωγή αποσταγμένου νερού, μπορεί να μειώσει δραματικά το κόστος κατασκευής ανά παραγόμενη μάζα νερού.

Σωστή λειτουργία και συντήρηση των αποστακτήρων

Προστασία του αποσταγμένου νερού από μόλυνση

Η προστασία ενός ηλιακού αποστακτήρα από την είσοδο εντόμων και μολυσμένου νερού είναι ιδιαίτερα σημαντική και για αυτό πρέπει να ακολουθούνται τα εξής:

Απολύμανση εσωτερικά του αποστακτήρα και των σωληνώσεων με συνθετικά χλωρίου (προσθέτοντας π.χ. λίγες κουταλιές λευκαντικό πλυντηρίου, σε μερικά lt νερού).

Παρουσία ενός ανεμιστήρα στον αγωγό τροφοδοσίας (για ανακυκλοφορία του αέρα). Πρέπει να συνοδεύεται από ανοξείδωτο φίλτρο στην ένωση με τον αποστακτήρα, έτσι ώστε να αποφεύγεται η εισροή βρώμικου νερού.

Αν αυτές οι προφυλάξεις αμεληθούν, διάφορα έντομα, τα οποία έλκονται από την υγρασία, θα εισχωρήσουν στην κατασκευή και θα παραμείνουν εκεί μέχρι να πεθάνουν.

Η πρόληψη της μόλυνσης στη δεξαμενή αποθήκευσης είναι περισσότερο δύσκολη, μια και οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για αποστείρωση δεν είναι πάντα διαθέσιμες. Παρόλα αυτά με συνεχή, διαρκή προσοχή, το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες, χωρίς εμφάνιση μόλυνσης.

Τροφοδοσία και καθαρισμός του αποστακτήρα

Η τροφοδοσία του αποστακτήρα με νερό, είναι μια διαδικασία που γίνεται μια φορά τη μέρα αργά το βράδυ ή νωρίς το πρωί. Για ένα αποστακτήρα τέτοιου είδους 5 – 7 % της ημερήσιας παραγωγής πόσιμου νερού, παράγεται αφού δύσει ο ήλιος, οπότε είναι απαραίτητο η τροφοδοσία να γίνεται αφού κρυώσει ο αποστακτήρας.

Δεν είναι απαραίτητο να αδειάζει εντελώς ο αποστακτήρας. Να τροφοδοτείται με τουλάχιστον διπλή ποσότητα νερού απ’ ότι παράγει, τον ξεπλένει εξίσου καλά. Με τριπλάσια πετυχαίνεται καλύτερος καθαρισμός και ενδείκνυται σε περίπτωση που το κόστος τροφοδοσίας του νερού είναι μικρό.

Τροφοδοσία του αποστακτήρα με ζεστό νερό

Αν ο αποστακτήρας τροφοδοτείται με νερό ζεστότερο από τον αέρα του περιβάλλοντος, η μονάδα μετατρέπεται σε μια συμβατική συσκευή απόσταξης με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί γυαλί έναντι χαλκού (σε συμπυκνωτή). Εφόσον το ζεστό νερό παρέχεται ελεύθερα, π.χ. γεωθερμικά ρευστά, είναι μια καλή λύση. Αντίθετα, σε περίπτωση που το νερό θερμαίνεται από συμβατικά καύσιμα ή ηλιακά πανέλα, το κόστος είναι μάλλον απαγορευτικό.


436

10.2.4.3 Κοινωνικές επιπτώσεις Η αποδοχή νέων τεχνολογιών, όπως είναι η ηλιακή απόσταξη, είναι έντονα εξαρτώμενη από το πόσο

καλά ο καθένας, αντιλαμβάνεται και χειρίζεται τα διάφορα κοινωνικά ζητήματα, αλλά και τους πολιτιστικούς προβληματισμούς, στοιχεία που μπορούν να αποτρέψουν την εισαγωγή και εφαρμογή νέων τεχνολογιών. Κάποια από τα σημαντικότερα ζητήματα, που μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά

την αποδοχή της ηλιακής απόσταξης, περιγράφονται στη συνέχεια.

Οι αποστακτήρες που προορίζονται για χρήση σε μικρές, τοπικές κοινωνίες, όπως στην περίπτωση της Πάτμου, απαιτούν συνεργασία ανάμεσα στα μέλη τους.

Αν το αποσταγμένο νερό δε διανέμεται ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα να υπάρχουν οικογένειες οι οποίες δε λαμβάνουν το ποσοστό που τους αναλογεί, τότε η εμφάνιση προβλημάτων είναι πολύ πιθανή. Από αυτή την άποψη, ένας αυτόνομος ηλιακός αποστακτήρας ανά κατοικία, μπορεί να είναι μια πιο πρακτική λύση από μια κεντρική μονάδα, η οποία εξυπηρετεί το σύνολο του πληθυσμού.

Ενδεχομένως το νερό να θεωρηθεί άγευστο ή κάτι διαφορετικό από το συνηθισμένο, με κίνδυνο να αμφισβητηθεί η ποιότητά του. Το πρόβλημα της γεύσης θα πρέπει επομένως να ξεκαθαριστεί από την αρχή.

Το πόσιμο νερό είναι ανάγκη και όχι πολυτέλεια. Λαμβάνοντας υπόψη τους ενδεχόμενους κινδύνους για τη δημόσια υγεία, η σχεδίαση του όλου συστήματος θα πρέπει να γίνει με προσεκτικό και συνειδητοποιημένο τρόπο και επιπλέον, θα πρέπει να πειστούν οι μελλοντικοί χρήστες πως η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος δεν εμπεριέχει απολύτως κανένα κίνδυνο.

Τα παραπάνω προβλήματα βέβαια, ελαχιστοποιούνται μπροστά στη δυνατότητα που

θα προσφέρει η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος. Οι κάτοικοι, χωρίς την απαίτηση

ιδιαίτερων τεχνικών γνώσεων, θα μπορούν να διαχειρίζονται μόνοι τους τα αποθέματα σε

πόσιμο νερό. Συμπερασματικά, μία κοινωνία είναι πολύ πιθανό να αποδεχθεί μια τέτοια

τεχνολογία, η οποία λύνει το πρόβλημα ύπαρξης πόσιμου νερού στις απομακρυσμένες

περιοχές, αρκεί να είναι διαθέσιμη να αλλάξει ορισμένες πτυχές του τρόπου ζωής της.

10.3 Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, φυσικό αέριο, πετρέλαιο και τα παράγωγά του), για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, μολύνει τη θάλασσα, πλήττει τη χλωρίδα και την πανίδα, δημιουργεί τοξικά απόβλητα και επιφέρει παγκόσμια άνοδο της θερμοκρασίας. Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας για τον ίδιο σκοπό εγκυμονεί πολύ σοβαρούς κινδύνους. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να προσφέρουν πολλά άμεσα οφέλη, αποφεύγοντας σε μεγάλο βαθμό τους κινδύνους και τις δυσάρεστες συνέπειες και βοηθώντας στη διαφύλαξη των ορυκτών καυσίμων για τη χρήση τους από τις μεταγενέστερες γενιές. Φυσικά και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν αρνητικές επιδράσεις στο περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης βιομάζας εκπέμπουν ρυπαντικές ουσίες και το καύσιμο συλλέγεται σε ακατάπαυστους ρυθμούς. Τα αιολικά πάρκα αλλάζουν το τοπίο και σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν επηρεάσει τα πουλιά που ζουν στη γύρω περιοχή. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια, μπορούν να επιδράσουν σε μεγάλο βαθμό στην πανίδα και το οικοσύστημα της περιοχής. Παρόλα αυτά, οι επιπτώσεις αυτές είναι γενικά πολύ πιο ήπιες και πιο τοπικές από αυτές των ορυκτών καυσίμων και της πυρηνικής ενέργειας, αυτό όμως δε σημαίνει ότι δε χρειάζεται να καταβληθούν προσπάθειες ώστε οι επιρροές στο περιβάλλον να ελαχιστοποιηθούν.


437

10.3.1 Αποφυγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης Ο καθαρός αέρας είναι σημαντικός στη ζωή και την καλή υγεία. Η ατμοσφαιρική

ρύπανση, προκαλεί το άσθμα, το μεγαλύτερο πρόβλημα υγείας των παιδιών. Προκαλεί

επίσης αρρώστιες και πρόωρους θανάτους, στο ευαίσθητο μέρος του πληθυσμού της γης,

συμπεριλαμβανομένων των παιδιών, των ηλικιωμένων και των ατόμων με αναπνευστικά

προβλήματα. Σχετικές μελέτες που έχουν γίνει στις Η.Π.Α., δείχνουν ότι τα σωματίδια στον

αέρα ευθύνονται για 64.000 θανάτους το χρόνο, από ασθένειες της καρδιάς και των

πνευμόνων. Επίσης, η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η κυριότερη αιτία θανάτων, ξεπερνώντας

ακόμη και τις πιο σοβαρές μάστιγες της εποχής μας, όπως είναι τα αυτοκινητιστικά

δυστυχήματα, ο καρκίνος, ο διαβήτης, το AIDS, οι αυτοκτονίες και οι ανθρωποκτονίες.

Ορισμένες από τις πιο σημαντικές ρυπαντικές ουσίες παρουσιάζονται παρακάτω.

Οξείδια του θείου (SΟx): Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, κυρίως με την καύση

άνθρακα, είναι η κυριότερη πηγή εκπομπών οξειδίων του θείου. Οι χημικές αυτές ουσίες

ευθύνονται σε μεγάλο βαθμό για την όξινη βροχή, η οποία είναι ικανή να μετατρέψει τις

λίμνες και τα ποτάμια σε ακατάλληλους τόπους διαβίωσης για τους οργανισμούς που ζουν

σε αυτά. Η όξινη βροχή προσβάλει επίσης τις καλλιέργειες και τα κτίρια. Το διοξείδιο του

θείου (SO2) είναι η πιο σημαντική πηγή μικρών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα.

Οξείδια του αζώτου (ΝΟx): Η καύση των ορυκτών καυσίμων, είτε για την παραγωγή

ηλεκτρικού ρεύματος, είτε για τις μετακινήσεις (μεταφορές), εκπέμπει οξείδια του αζώτου. Με

την παρουσία ηλιακού φωτός, τα ΝΟx ενώνονται με άλλες χημικές ουσίες και δημιουργούν το

γνωστό νέφος ή αλλιώς αιθαλομίχλη. Τα ΝΟx και το όζον ερεθίζουν τους πνεύμονες,

προκαλούν βρογχίτιδα και πνευμονία και μειώνουν την αντίσταση του ανθρώπινου

οργανισμού στις μολύνσεις του αναπνευστικού συστήματος.

∆ιοξείδιο του άνθρακα (CO2): Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το πιο σημαντικό αέριο

από αυτά που συμμετέχουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, που συμβάλλει στην

παγκόσμια άνοδο της θερμοκρασίας, παγιδεύοντας τη θερμότητα στα κατώτερα στρώματα

της ατμόσφαιρας. Η κυριότερη πηγή απελευθέρωσης CO2 είναι οι μεταφορές και αμέσως


438

μετά ακολουθεί η ηλεκτροπαραγωγή. ∆είγματα φυσαλίδων αέρα που είναι βαθιά

παγιδευμένες στους πάγους της Ανταρκτικής, αποδεικνύουν ότι το CO2 και η θερμοκρασία

της γης συνδέονται στενά εδώ και 160.000 χρόνια. Η καύση των ορυκτών καυσίμων τα

τελευταία 150 χρόνια έχει οδηγήσει στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις CO2 που έχουν ποτέ

καταγραφεί. Και τα 10 θερμότερα χρόνια που έχουν καταγραφεί, ανήκουν στην τελευταία

δεκαπενταετία. Η δεκαετία του ´90 ήταν ήδη θερμότερη από τη δεκαετία του ´80 και μάλιστα

ήταν η θερμότερη δεκαετία στην ιστορία της σύγχρονης ανθρωπότητας [14]. Χωρίς τη λήψη

των κατάλληλων μέτρων, τα επίπεδα του CO2 θα διπλασιαστούν μέσα στον επόμενο αιώνα,

προκαλώντας μια αύξηση στην παγκόσμια θερμοκρασία, της τάξης των 1,8 με 6,3 βαθμών.

Η θερμότητα που θα παγιδευτεί στην ατμόσφαιρα θα προκαλέσει τη διαστολή του όγκου των

ωκεανών, καθώς το νερό στη επιφάνεια θα θερμαίνεται και θα λειώνει τους πάγους. Η

άνοδος της επιφάνειας των ωκεανών κατά 50 cm, μπορεί να οδηγήσει σε κάλυψη και

καταστροφή μέρους των ακτών και των υδροβιότοπων. Οι επιπτώσεις στα νησιά και σε

χώρες που βρίσκονται κοντά στο επίπεδο της θάλασσας, όπως η Ολλανδία, η Αίγυπτος, το

Μπαγκλαντές κ.ά., θα είναι πολύ χειρότερες. Η αλλαγή της θερμοκρασίας, σημαίνει αλλαγές

στο κλίμα, που θα έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ακραίων καιρικών φαινομένων.

Ορισμένες περιοχές θα υποφέρουν από ισχυρότατους ανέμους και άλλες από πλημμύρες,

δυσκολεύοντας εξαιρετικά την εκμετάλλευση των καλλιεργειών. Ο χαρακτήρας των δασών θα

αλλάξει δραματικά. Άλλες αναμενόμενες επιδράσεις περιλαμβάνουν την αύξηση των

θανάτων από θερμοπληξία, την εξαφάνιση ειδών της χλωρίδας και της πανίδας και την

εξάπλωση λοιμών και ασθενειών σε χώρες που ήδη υποφέρουν από αυτές.

Άλλες αέριες ρυπαντικές ουσίες: Η καύση των ορυκτών καυσίμων, ειδικά του άνθρακα

και των παραγώγων του πετρελαίου, παράγει και πλήθος άλλων επιβλαβών αέριων ουσιών,

όπως:

Μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το οποίο προκαλεί πονοκεφάλους και προσθέτει επιπλέον κινδύνους στα άτομα με καρδιακά προβλήματα.

Υδρογονάνθρακες (HC), οι οποίοι προέρχονται από τα άκαυστα ορυκτά καύσιμα και συνεισφέρουν στην αιθαλομίχλη.

Μεγάλα σωματίδια, όπως η σκόνη, η αιθάλη και ο καπνός ερεθίζουν τους πνεύμονες.

Μικρά σωματίδια, τα οποία συνδέονται με χρόνια βρογχίτιδα, βαρύ άσθμα και πρόωρους θανάτους.


439

Επιπλέον, ο άνθρακας και το πετρέλαιο περιέχουν ίχνη μετάλλων τοξικών στον αέρα,

όπως ο υδράργυρος, το αρσενικό και ο μόλυβδος. Παρόλα αυτά, είναι δύσκολο να

παγιδευτούν με συστήματα ελέγχου. Μόλις ελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα, τα τοξικά

μέταλλα συσσωρεύονται στο λιπώδη ιστό των ζώων και του ανθρώπου. Μπορούν να

προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα υγείας, όπως διανοητική καθυστέρηση, βλάβη στο

νευρικό σύστημα και ανάπτυξη δυσλειτουργιών. Λόγω της συσσώρευσης των τοξικών

μετάλλων στα ψάρια, εν μέρει εξαιτίας της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, η κατανάλωση των

τελευταίων μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να θεωρηθεί επικίνδυνη, ιδιαίτερα για τα παιδιά

και τις έγκυες γυναίκες.

10.3.2 Αποφυγή μόλυνσης των θαλασσών, του εδάφους και θερμικής μόλυνσης

Η παραγωγή και η κατανάλωση ενέργειας έχουν επιδράσεις και στις θάλασσες, αλλά

και στο έδαφος. Υπάρχουν άμεσες επιπτώσεις, όπως οι πετρελαιοκηλίδες και τα ορυχεία

εξόρυξης κάρβουνου και έμμεσες, όπως οι διάφορες αέριες ρυπαντικές ουσίες που

καταλήγουν, είτε στο έδαφος, είτε στη θάλασσα. Η μόλυνση του εδάφους και των θαλασσών

μπορεί να συμβεί στον κύκλο ζωής των ορυκτών καυσίμων, από την εξόρυξη, τη γεώτρηση

και τη διύλιση, μέχρι τη μεταφορά, τη χρήση και την απόρριψή τους.

Η εξόρυξη του κάρβουνου συμμετέχει και στη θαλάσσια και στην εδαφική μόλυνση. Οι

καινούριες τεχνικές εξόρυξης, ορισμένες φορές ισοπεδώνουν τα βουνά. Τα τοξικά χημικά

που έρχονται στην επιφάνεια κατά τη διεργασία της εξόρυξης, υπάρχει πιθανότητα να

καταλήξουν στο δίκτυο παροχής πόσιμου νερού. Η μεταφορά του κάρβουνου με τους

σιδηρόδρομους και τα φορτηγά πλοία, απελευθερώνει σκόνη άνθρακα και εκτός των άλλων

είναι επιρρεπής στα ατυχήματα. Στο τέλος, μετά την καύση του άνθρακα, μένουν

υπολείμματα στάχτης.

Η γεώτρηση για ανεύρεση πετρελαίου και φυσικού αερίου μπορεί επίσης να μολύνει την περιβάλλουσα περιοχή. Οι διαρροές πετρελαίου σκοτώνουν τα φυτά και τα ζώα και συχνά καθιστούν

τα ρυάκια και τις τριγύρω ακτές ακατάλληλους βιότοπους.

Τα ορυκτά καύσιμα παράγουν θερμική ενέργεια κατά την καύση τους, μέρος της οποίας μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό. Καθώς η διεργασία αυτή δεν είναι τέλεια, περίπου τα δύο τρίτα της θερμότητας

απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα ή στη θάλασσα. Το θερμό νερό, όταν επιστρέψει στις θάλασσες ή στις λίμνες μπορεί να διαταράξει το τοπικό οικοσύστημα.


440

10.3.3 Υπολογισμός ετήσιων ρύπων συμβατικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος

Στην παράγραφο αυτή, θα γίνει μια προσπάθεια να ποσοτικοποιηθούν οι εκπεμπόμενες αέριες μάζες ρύπων, σε ετήσια βάση. Ο υπολογισμός θα αφορά τη λειτουργία ενός συμβατικού σταθμού

ηλεκτροπαραγωγής και μάλιστα κατά τον υπολογισμό θα χρησιμοποιηθούν στοιχεία που αφορούν αποκλειστικά τον υπάρχων σταθμό ισχύος της Πάτμου.

Οι ετήσιες ποσότητες ρύπων προκύπτουν από την πολύ απλή έκφραση υπολογισμού, η οποία περιλαμβάνει την ποσότητα καυσίμου που καίγεται ετησίως mb (tn/yr), τη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου Hu (kJ/kg) και τέλος τους συντελεστές εκπομπής των διαφόρων ρύπων ei (gr/GJ). Ο παράγοντας 10 -9 προκύπτει κατά τη μετατροπή των μονάδων, έτσι ώστε οι τελικές εκπομπές να

προκύψουν σε tn/yr. Αναλυτικά λοιπόν ισχύει:

Εκπομπές = mb · Hu · ei · 10 -9 [tn/yr] (Σ 10.19)

Θερμογόνος Δύναμη

Δεδομένου ότι ο υπάρχων συμβατικός σταθμός ισχύος της ΔΕΗ καιει αποκλειστικά ντίζελ για ηλεκτροπαραγωγή και χρησιμοποιώντας τα στοιχεία του πίν 10.10 [10], λαμβάνεται μια μέση τιμή θερμογόνου δύναμης, Hu = 42.500 kJ/kg.

Πίνακας 10.10: Πυκνότητα, μέση σύσταση και θερμογόνος δύναμη υγρών καυσίμων

Καύσιμο Πυκνότητα στους 15 0C

[kg / lt]

Σύσταση [% κ. β.] Θερμογόνος ΔύναμηHu [KJ / kg] C H O + N S

Βενζίνη 0,725 85,6 14,35 - 0,05 43.500 Βενζίνη αεροπλάνων 0,72 85,1 14,9 - 0,01 43.500

Μίγμα Βενζίνης-Βενζολίου 0,786 89,05 10,9 - 0,05 45.000 Βενζόλιο 0,88 92 8 - - 40.500

Φωτιστικό πετρέλαιο 0,81 85,3 14,1 0,6 0,2 43.000 Ντίζελ 0,835 85,9 13,3 0,3 0,5 42.500

Θερμαντικό πετρέλαιο EL 0,84 86 13 0,4 0,2 42.500 Θερμαντικό πετρέλαιο L 0,88 85,5 12,5 0,8 1,2 42.000 Θερμαντικό πετρέλαιο Μ 0,92 85,3 11,6 0,6 2,5 41.000 Θερμαντικό πετρέλαιο S 0,97 84 11 1,5 3,5 40.500

Bunker C 0,98 84,5 10,8 1,5 3,2 40.000 Μαζούτ 0,92 85 11 1 3,5 40.500

Ποσότητα καυσίμου

Στον πίν 9.14 του κεφαλαίου 9, φαίνεται πως για ηλεκτροπαραγωγή στην Πάτμο καταναλώθηκαν 2.728.689 kg ντίζελ, από τον υπάρχων σταθμό ισχύος, για το έτος 1998. Δεδομένου της αύξησης της

ζήτησης σε ηλεκτρικό ρεύμα, λαμβάνεται μια ενδεικτική τιμή 3.000 tn/yr για το έτος 2005.

Συντελεστές Εκπομπές

Οι συντελεστές εκπομπής για τους κυριότερους ρύπους, αναγράφονται στον πίν 10.11 [12] της επόμενης σελίδας και αφορούν τις ουσίες: SO2, NOX, CH4, VOC, NMVOC, CO, CO2.

Στον ίδιο πίνακα, αναγράφονται και οι ετήσιες εκπομπές ουσιών σε tn/yr, που προκύπτουν με χρήση της Σ 10.19. Αυτές θα είναι και οι ποσότητες οι οποίες δεν θα απορρίπτονται στο περιβάλλον ετησίως,

σε περίπτωση που αποφασιστεί η παύση της λειτουργίας του συμβατικού σταθμού.


441

Πίνακας 10.11: Υπολογισμός ετήσιων ρύπων συμβατικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, Πάτμος 2005

Κατανάλωση (tn/yr) 3.000

Θερμογόνος δύναμη

(kJ/kg) 42.500

Σύσταση καυσίμου

(% κ. β.) c = 85,9 h = 13,3 o + n = 0,3 s = 0,5

Ρύπος SO2 NOX VOC NMVOC CH4 CO CO2

Συντελεστές εκπομπής

(gr/GJ)

1

45

1

00 3

1,

5

1,

5 2

76.

422

Σύνολο εκπομπών

(tn/yr)

1

8,4875

1

2,75

0

,3825

0,

19125

0,

19125 ,53

9.7

43,805

10.4 Παρενέργειες Η ηλιακή ενέργεια είναι η πιο ήπια περιβαλλοντικά, διαθέσιμη μορφή ενέργειας, αφού η

τεχνολογία της δεν ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, ούτε μολύνει το περιβάλλον, δεν μειώνει τους

φυσικούς πόρους και δεν θέτει σε κίνδυνο τη δημόσια υγεία ή ασφάλεια παρά μόνο σε

ελάχιστες περιπτώσεις.

Οι όποιες επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές και μπορούν να ελεγχθούν σχετικά

εύκολα. Η κατασκευή των φωτοβολταϊκών κυττάρων, για παράδειγμα, εμπεριέχει τη χρήση

τοξικών ουσιών, όπως το κάδμιο και το αρσενικό. Επειδή η παραγωγή γίνεται στον κλειστό

χώρο του εργοστασίου, οι τοξικές ουσίες μπορούν να κατακρατηθούν. Τα απόβλητα δεν

απορρίπτονται εσκεμμένα όπως στις μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού με καύση άνθρακα.

Οι διαδικασίες ανακύκλωσης των υλικών που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά κύτταρα

λεπτού στρώματος θα πρέπει να αναπτυχθούν, όμως δεν αναμένεται να δημιουργήσουν

προβλήματα.

Η κατάληψη χώρου είναι ένα πρόβλημα για τις αστικές ηλιακές μονάδες

ηλεκτροπαραγωγής. Οι τεχνολογίες απαιτούν περίπου 7,5 εκτάρια κατόπτρων ανά 1 MW

ισχύος ή 1 τετραγωνικό μίλι για μια μονάδα των 85 MW [14]. Παρόλα αυτά, μεγάλη ηλεκτρική

ισχύς θα μπορεί να παράγεται σε απομονωμένες περιοχές.

Όλοι οι κίνδυνοι και οι αρνητικές επιπτώσεις που οφείλονται στη χρήση της ηλιακής


442

ενέργειας, εξετάζονται λεπτομερέστερα παρακάτω και αφορούν κυρίως τα συστήματα

θέρμανσης νερού με ηλιακούς συλλέκτες και παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά

κύτταρα.

10.4.1 Ηλιακοί Συλλέκτες

i. Υλικά

Οι επίπεδοι συλλέκτες αποτελούνται από:

α) την πλάκα απορρόφησης, η οποία είναι συνήθως χάλκινη, ατσάλινη ή αλουμινένια

β) το υγρό μεταφοράς θερμότητας (έμμεσα συστήματα), το οποίο συνήθως είναι νερό με

κάποιες πρόσθετες ουσίες

γ) τους σωλήνες μεταφοράς της θερμότητας, συνήθως χάλκινους

δ) τη μόνωση, γυαλί ή διαφανές πλαστικό κάλυμμα

ε) τους αισθητήρες θερμότητας

στ) τις αντλίες (για τα ενεργά συστήματα)

Η συνολική χρήση υλικών, για δύο ενεργά συστήματα αναφοράς, ένα οικιακό κι ένα

εμπορικό, που βρίσκονται στο Denver, υπολογίστηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των

Η.Π.Α. (U.S. DOE). Στον πίν 10.12 [13], παρουσιάζεται μία εκτίμηση της ποσότητας κύριων

υλικών που απαιτείται για την παραγωγή επίπεδων συλλεκτών με συνολική απόδοση

ενέργειας 1015 J το χρόνο.

Πίνακας 10.12: Εκτίμηση απαιτούμενου ενεργού υλικού για κατασκευή επίπεδων

ηλιακών συλλεκτών, ανά 1015 J παραγόμενης ενέργειας (tn)

Υλικό Οικιακό σύστημα Εμπορικό σύστημα

Υαλοβάμβ

ακας

3.500 29.000

Ατσάλι 9.300 49.000


443

Γυαλί 4.900 49.000

Χαλκός 1.800 10.000

Αλουμίνιο 6.800 68.000

Οι συλλέκτες σωλήνων κενού χρησιμοποιούν παραπλήσια υλικά με τους επίπεδους

συλλέκτες, όμως η καλύτερη αποδοτικότητας τους, τους επιτρέπει να πετυχαίνουν

υψηλότερες θερμοκρασίες (ανάλογα με το υγρό μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιείται)

και συνεπώς να απαιτούν μικρότερη ποσότητα υλικών.

Παρόλο που πολλοί από τους ηλιακούς συλλέκτες χρησιμοποιούν σήμερα αρκετά

μεγάλες ποσότητες υλικών, πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό είναι ένα οικονομικό ή

περιβαλλοντικό κόστος που γίνεται μια φορά και επαναλαμβάνεται μόνο στο τέλος της

διάρκειας ζωής μιας μονάδας, η οποία υπολογίζεται σήμερα στα 20 χρόνια. Θα πρέπει

επίσης οι ποσότητες των υλικών αυτών να συγκριθούν με τις ποσότητες υλικών που

χρειάζονται κατά την εφαρμογή τεχνολογιών μετατροπής και μεταφοράς που χρησιμοποιούν

συμβατικά καύσιμα, όπως μηχανήματα εξόρυξης, τρένα που κινούνται με κάρβουνο,

σταθμούς συμπίεσης αερίου, σωληνώσεις και σχάρες. Αυτού του είδους η ανάλυση βέβαια,

είναι πολύ πιο σύνθετη, όμως μόνο έτσι υπάρχει ένα σωστό μέτρο σύγκρισης.

ii. Απαίτηση / Κατάληψη χώρου

Χαμηλή / Μέση θερμοκρασία: Ο απαιτούμενος χώρος εξαρτάται από το σύστημα που

επιλέγεται. Στην περίπτωση θέρμανσης νερού μονοκατοικίας ή θέρμανσης / ψύξης χώρου, το

σύστημα τοποθετείται συνήθως στη σκεπή του υπάρχοντος κτιρίου και επομένως δεν

απαιτείται πρόσθετος χώρος. Τα κοινόχρηστα συστήματα χαμηλής θερμοκρασίας ίσως

χρειαστεί να καλύψουν χώρο στο έδαφος, όμως και πάλι οι συλλεκτικές επιφάνειες μπορούν

να τοποθετηθούν στα ήδη υπάρχοντα κτίρια. Η επιπλέον κάλυψη εδάφους μπορεί να

χρειαστεί για την αποθήκευση θερμότητας.

Υψηλή θερμοκρασία: Οι απαιτήσεις χώρου ενός συστήματος συγκεντρωτικών

συλλεκτών είναι πιο απαιτητικές. Ένα σύστημα αναφοράς που χρησιμοποιήθηκε από το

Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. κάλυψε 47 m2 για να αποδώσει 65·109 J. Ο πραγματικός


444

λόγος κάλυψης χώρου και επιφάνειας συλλεκτών που χρησιμοποιήθηκε από το Υπουργείο

Ενέργειας των Η.Π.Α. είναι 1,3 και υποδηλώνει τη χρήση 60 m2 για την απόδοση της

ζητούμενης ενέργειας.

iii. Προβλεπόμενα απόβλητα

Μετά την ενεργοποίησή τους, οι ηλιακοί συλλέκτες απαιτούν πολύ μικρή πρόσδοση

υλικών και νερού. Τα ψυκτικά υγρά χρειάζονται αλλαγή κάθε 3 χρόνια περίπου. Στα

συστήματα αναφοράς του Υπουργείου Ενέργειας των Η.Π.Α. η συνολική πρόσδοση ψυκτικού

ανά 1015 J παραγόμενης ενέργειας κυμάνθηκε μεταξύ 750 και 2.700 lt. Τέτοιου είδους

απορρίμματα απαιτούν προσεκτική διάθεση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το ψυκτικό είναι

υδατικό διάλυμα, όμως σε όλα τα έμμεσα ηλιακά συστήματα είναι πολύ πιθανό να περιέχει

αντιπαγετικά ή ουσίες που προλαμβάνουν την εμφάνιση σκουριάς ή βιολογικής ανάπτυξης,

καθώς και ουσίες που διαφεύγουν από το σύστημα κατά τη χρήση του. Τα υγρά μεταφοράς

της θερμότητας μπορεί επομένως να περιέχουν γλυκόλη, νιτρικά, χρωμικά, θειώδη και θειικά

άλατα.. Οι εγκαταστάσεις υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούν πιο πολύπλοκες ουσίες,

όπως αρωματικές αλκοόλες, λάδια, φθοριούχους άνθρακες ή υγρό νάτριο. Η υιοθέτηση των

ηλιακών τεχνολογιών σε μεγάλη κλίμακα προϋποθέτει τον έλεγχο απόρριψης των ουσιών

αυτών.

iv. Απρόβλεπτα απόβλητα

Πέρα από την κανονική χρήση, υπάρχει ο κίνδυνος (ειδικά στα οικιακά συστήματα

θέρμανσης νερού) μόλυνσης του πόσιμου νερού λόγω διαρροής του υγρού μεταφοράς

θερμότητας.

Οι ηλιακοί μετατροπείς μπορούν να επιτύχουν σχετικά μεγάλες θερμοκρασίες εάν χαθεί

το ψυκτικό τους. Οι συμβατικοί επίπεδοι συλλέκτες με επιλεκτικές επιφάνειες μπορεί να

φτάσουν τους 200 0C, εφόσον παραμείνουν χωρίς ψυκτικό. Σε αυτές τις θερμοκρασίες

υπάρχει ο κίνδυνος ανάφλεξης, με το επιπλέον πρόβλημα της διαρροής αερίων από τα

συστατικά του συλλέκτη (μονωτικό, πλαστικά μέρη, εποξείδια) και την απελευθέρωση υγρών

μεταφοράς θερμότητας σε αέρια φάση ή ακόμα και ακολουθούμενη καύση (π.χ. από καμένο

φρέον).


445

v. Επιπτώσεις στην αισθητική των κτιρίων

Οι αισθητικές επιπτώσεις των ηλιακών συλλεκτών είναι καθαρά θέμα γούστου, αν και η

εμφάνισή τους μπορεί να θεωρηθεί λιγότερο αντιαισθητική από αυτή των τηλεοπτικών

κεραιών, οι οποίες είναι ευρέως αποδεκτές. Οι επίπεδοι συλλέκτες μπορούν να σχεδιαστούν

ώστε να ταιριάζουν στο σχήμα της σκεπής και να λάμπουν όσο το δυνατόν λιγότερο. Η

προσθήκη τέτοιου εξοπλισμού στη δομή του κτιρίου μπορεί όμως να αυξήσει τον κίνδυνο

φωτιάς ή εισροής νερού στο χώρο της σκεπής.

vi. Συμπεράσματα

Παρόλο που η κατασκευή ενεργών ηλιακών συστημάτων απαιτεί σχετικά μεγάλη

ποσότητα υλικών ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας, η κατανάλωση υλικών κατά τη χρήση

τους είναι μηδαμινή. Η μόνη πιθανή πηγή μόλυνσης κατά τη λειτουργία των συστημάτων

αυτών προέρχεται από την αλλαγή του ψυκτικού, κάτι που μπορεί εύκολα να ελεγχθεί με

προσεκτική απόρριψη. Η διαρροή ψυκτικού όμως μπορεί να προκαλέσει φωτιά και

απελευθέρωση αερίων, που επιδρούν δυσμενώς στη δημόσια υγεία και ασφάλεια. Από την

άλλη μεριά όμως, η υιοθέτηση των ηλιακών τεχνολογιών σε μεγάλη κλίμακα θα μειώσει

σημαντικά την καύση συμβατικών καυσίμων και συνεπώς, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις

που αυτή συνεπάγεται.

10.4.2 Φωτοβολταϊκά Συστήματα i. Περιβαλλοντικά ζητήματα

Θέματα περιβαλλοντικά και υγιεινής συσχετιζόμενα με τα φωτοβολταϊκά ενεργειακά

συστήματα μπορεί να προκύψουν κατά τον ενεργειακό κύκλο:

α) εξόρυξη, κατεργασία και εξευγενισμός των πρώτων υλών

β) κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία και συντήρηση των συσκευών

γ) απόρριψη των αναλωμένων συσκευών

Περισσότερη προσοχή έχει δοθεί στο δεύτερο στάδιο, διότι οι διεργασίες αυτές

αφορούν συγκεκριμένα τα φωτοβολταϊκά συστήματα και είναι οι κυριότερες που εμπεριέχουν

πιθανούς χημικούς και φυσικούς κινδύνους για το περιβάλλον, την υγεία και την ασφάλεια.

Ορισμένοι κίνδυνοι, όπως η ποσότητα των διάφορων επιβλαβών ουσιών που εκλύονται κατά

την παραγωγή των υλικών που χρειάζονται για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών κυψελών,


446

εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την τεχνολογία. Άλλοι κίνδυνοι, όπως η ηλεκτροπληξία

κατά την εγκατάσταση ή συντήρηση των φωτοβολταϊκών συσκευών, είναι πιο γενικοί. Το

είδος των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που οφείλονται στην παραγωγή και τη χρήση

φωτοβολταϊκών συστημάτων, παρουσιάζονται παρακάτω.

Μόλυνση του αέρα: Η κατασκευή των φωτοβολταϊκών κυψελών λεπτού στρώματος

απαιτεί μεγάλες ποσότητες αερίων. Ορισμένα από αυτά φαίνονται στον πίν 10.13 [13] της

επόμενης σελίδας.

Πολλά από αυτά είναι πολύ τοξικά (AsH3, PH3, SiF4, B2H6), πυροφορικά (SiH4) ή

εύφλεκτα (H2, CH4). Ένας μεγάλος αριθμός από τα αέρια που χρειάζονται στην παραγωγή

κυψελών λεπτού στρώματος, χρησιμοποιούνται ήδη στη βιομηχανία, όμως οι ποσότητες και

οι εφαρμογές τους διαφέρουν. Ο όγκος ορισμένων αερίων, όπως του PH3, που

χρησιμοποιούνται στην κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών σε μεγάλη κλίμακα, εκτιμάται να

είναι μεγαλύτερος από τον όγκο των ίδιων αερίων που απαιτείται σε όλες τις υπόλοιπες

περιπτώσεις. Επομένως, οι επιλογές διαχείρισης των αερίων αυτών και η απόρριψη των

ποσοτήτων τους που δεν αντέδρασαν (η αποδοτικότητα των διάφορων διαδικασιών

κυμαίνεται μεταξύ 10 και 30 %), χρειάζεται προσεκτικό σχεδιασμό.

Η διαφυγή επιβλαβών αερίων στο περιβάλλον μπορεί να είναι αποτέλεσμα διαρροής

των συστημάτων αποθήκευσης, διανομής και κύριας λειτουργίας ή κατά τον αερισμό του

εξοπλισμού λειτουργίας και ελέγχου κάτω από δυσμενείς συνθήκες (φωτιά, διακοπή

ρεύματος, κλπ). Κάτι τέτοιο θέτει τον πληθυσμό, που ζει κοντά σε αυτές τις εγκαταστάσεις,

κάτω από σοβαρό κίνδυνο, λόγω των μεγάλων ποσοτήτων των αερίων που

χρησιμοποιούνται.

Τέλος, στον πίν 10.14 [13] που παραθέτεται στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι

ποσότητες κάποιων επικίνδυνων για την ατμόσφαιρα, ρυπαντικών ουσιών, οι οποίες

παράγονται στις εγκαταστάσεις κατασκευής φωτοβολταϊκών κυψελών.

Επεξηγήσεις:

α) Η συγκέντρωση που είναι άμεσα επικίνδυνη για τη ζωή ή την υγεία (ΑΕΖΥ). Αντιπροσωπεύει το όριο όπου η διαφυγή πρέπει να γίνει μέσα σε 30 λεπτά, χωρίς την εμφάνιση συμπτωμάτων ή μη αντιστρέψιμων θερμικών επιπτώσεων στον άνθρωπο.

β) Η οριακή τιμή (ΟΤ) του Αμερικάνικου Συνεδρίου Κυβερνητικής και Βιομηχανικής Υγιεινής (ΑΣΚΒΥ), είναι ο μέγιστος χρονικός μέσος όρος συγκέντρωσης για μία εργάσιμη μέρα (8 ώρες) ή μία εργάσιμη εβδομάδα (40 ώρες).


447

γ) Μ∆: Μη διαθέσιμη τιμή και ΜΕ: Μη εφαρμόσιμη.

Πίνακας 10.13: Κίνδυνοι για την υγεία και την ασφάλεια από αέριες ενώσεις, κατά την παρασκευή Φ/Β κυψελών

Αέριο

Θανατηφό

ρο

σε λίγα

λεπτά

(ppm)

ΑΕΖΥ

(ppm)

Ο

Τ

(

ppm)

Σχόλια

Αρσενικό 250 6 0

,05 Πολύ δηλητηριώδες

∆ιβοράνιο

160

40

0

,1

Πολύ δηλητηριώδες. Υπάρχει κίνδυνος

έκρηξης αν εκτεθεί σε θερμότητα, φλόγα ή

αέρα. Αντιδρά εκρηκτικά με το Cl2.

Μεθάνιο Μη

θανατηφόρο ΜΕ

Μ

Ε

Κίνδυνος φωτιάς ή έκρηξης αν εκτεθεί

ανεξέλεγκτα σε θερμότητα ή φλόγα.

Υδρογόνο Μη

θανατηφόρο ΜΕ

Μ

Ε

Κίνδυνος φωτιάς ή έκρηξης αν εκτεθεί

σε θερμότητα, φωτιά ή οξειδωτικό μέσο.

Τελλουρίδ

ιο του καδμίου

(CdTe)

Μ∆

40

mg/m3

0

,05

mg/m3

Έντονα τοξικό. Αντιδρά με

αναθυμιάσεις οξέων ή υγρασία και εκπέμπει

ενώσεις τοξικού καδμίου.

Χλωριούχ

ες ενώσεις του

πυριτίου

Μ∆

8.000

5

Επικίνδυνες. Όταν θερμανθούν

αποσυντίθενται σε τοξικές αναθυμιάσεις (HCl +

Si2).

Υδροχλω

ρικό

Οξύ

1.300 100 5 Βλαβερό και έντονα διαβρωτικό

Υδροσελη

νίδιο - 2

0

,05 Έντονα τοξικό

Υδροσου

λφίδιο 500 300

1

0 Έντονα τοξικό

Άζωτο Μη ΜΕ Μ Αντιδράει έντονα με το Ti


448

θανατηφόρο Ε

Φωσφίνη

2.000

200

0

,3

Έντονα τοξική. Κίνδυνος φωτιάς και

έκρηξης. Εκπέμπει έντονα τοξικές

αναθυμιάσεις POx όταν θερμανθεί.

Ενώσεις

του πυριτίου

Μη

θανατηφόρες

Μη

θανατηφόρες

Μ

∆

Υψηλός κίνδυνος φωτιάς και έκρηξης.

Μπορεί να αυταναφλεχθούν στον αέρα και τότε

εκπέμπουν έντονα τοξικές αναθυμιάσεις.

Τετραφθο

ριούχο πυρίτιο

50 – 250

Μ∆

Μ

∆

Έντονα τοξικό. Όταν θερμανθεί ή έρθει

σε επαφή με οξέα παράγει έντονα τοξικές

αναθυμιάσεις.

Τριμεθύλι

ο Μ∆ Μ∆

Μ

∆

Κίνδυνος φωτιάς καθώς μπορεί να

αυταναφλεχθεί στον αέρα.

Τριμεθυλι

κός

ψευδάργυρος

Μ∆

Μ∆

Μ

Ε

Κίνδυνος φωτιάς και έκρηξης. Όταν

θερμανθεί εκπέμπει τοξικές ενώσεις

ψευδαργύρου.

Φωσφίδιο

του

ψευδαργύρου

Μ∆

Μ∆

Μ

Ε

Έντονα τοξικό. Αντιδρά με την υγρασία

ή αναθυμιάσεις οξέων και εκπέμπει έντονα

τοξική φωσφίνη.

Πίνακας 10.14: Περιβαλλοντικοί έλεγχοι για τοξικές ή επικίνδυνες, ρυπαντικές για την ατμόσφαιρα ουσίες, από εγκαταστάσεις κατασκευής φωτοβολταϊκών κυψελών

Συστατικό Υπολείμματα (kg / έτος)x

Μη ελεγχόμενα Ελεγχόμενα

Τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe)

40

200

*

10

∆ιβοράνιο

0,5

0,3

0,9

0

0

0

Υδρογόνο 8.900 *

Υδροσεληνίδιο 952 10

Υδροσουλφίδιο 366 4

Ατμοί μετάλλων * *

Μεθάνιο 960 *

Φωσφίνη 2.772 80

Ενώσεις του πυριτίου

1.423

396

7 3

Τετραφθοριούχο πυρίτιο

4.620 25

Zn3P2 * *


449

* : Αμελητέα ποσότητα

x : Εκθέτης που αντιπροσωπεύει το συνολικό κόστος του εξοπλισμού ελέγχου για μία

εγκατάσταση των 10 MWp

Στερεά απόβλητα: Στερεά απόβλητα παράγονται ως παραπροϊόντα των διαδικασιών

εναπόθεσης που μελετήθηκαν. Αυτά είναι υπολείμματα που προσκολλούνται στο θάλαμο

εναπόθεσης και πρέπει να απομακρύνονται συχνά με μηχανικά ή χημικά μέσα, ως μέρος της

συντήρησης. Ορισμένα από τα απόβλητα αυτά, για παράδειγμα ενώσεις του καδμίου και του

αρσενικού, είναι επικίνδυνα και απαιτούν προσεκτική διαχείριση και απόρριψη υπό

ελεγχόμενες συνθήκες. Η ανακύκλωση προβάλει ως η καλύτερη λύση.

Μόλυνση του νερού: Οι διαδικασίες εναπόθεσης που έχουν εξεταστεί λεπτομερώς δεν

παράγουν επιβλαβή υγρά απόβλητα.

Κίνδυνοι για την υγεία στο χώρο εργασίας: Στα εργοστάσια κατασκευής φωτοβολταϊκών

κυψελών οι πιο σημαντικοί κίνδυνοι για το προσωπικό προέρχονται από τη μεγάλη ποικιλία

τοξικών και επιβλαβών αερίων και από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται κατά

την παραγωγή. Οι κίνδυνοι από μηχανικά μέρη ή θόρυβο είναι σχετικά μικροί.

Ο ηλεκτρικός εξοπλισμός μπορεί να προκαλέσει κινδύνους για τους εργαζομένους από

σπίθες, λέιζερ, ηλεκτροπληξία και ραδιοσυχνότητες, αν ο εξοπλισμός έχει σχεδιαστεί ή

χρησιμοποιείται λανθασμένα. Θερμαινόμενα στοιχεία και ραδιοσυχνότητες υψηλής τάσης ή

πηγές συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούνται σε πολλές διεργασίες εναπόθεσης λεπτού

στρώματος. Ο κίνδυνος ανάφλεξης ηλεκτρικής σπίθας είναι επίσης πιθανός, αφού σε αυτές

τις διεργασίες χρησιμοποιούνται εύφλεκτα και εκρηκτικά αέρια.

Τα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων πλάσματος γεννούν δύο πιθανούς κινδύνους:

ηλεκτροπληξία από ρεύμα υψηλής έντασης και βιολογικές επιπτώσεις από ηλεκτρομαγνητική

ακτινοβολία. Οι γεννήτριες μη σταθερής κατάστασης λειτουργούν υπό υψηλή τάση και

μπορούν να προκαλέσουν θανατηφόρο ηλεκτρικό ρεύμα αν δεν είναι σωστά γειωμένες. Η

ακτινοβολία ραδιοσυχνότητας μπορεί να προκαλέσει μόνιμες βλάβες στα ανθρώπινα κύτταρα


450

μέσω θερμικών μηχανισμών, όμως μπορεί να γίνει επικίνδυνη για τους εργαζόμενους ακόμη

και σε επίπεδα πολύ χαμηλά για να θερμανθούν οι ανθρώπινοι ιστοί.

Κατά την παραγωγή φωτοβολταϊκών κυψελών είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν

ακτίνες λέιζερ για τη χάραξη λεπτών στρωμάτων από υλικά των κυψελών που εναποτίθενται

σε μεγάλα υποστρώματα, ώστε να σχηματίσουν στενές λωρίδες για την κάθε ηλιακή κυψέλη.

Η πιθανή έκθεση του προσωπικού στις ακτίνες λέιζερ ή στο ηλεκτρικό πεδίο της πηγής

εγκυμονεί κινδύνους. Η ακτίνα, είτε άμεση είτε διάχυτη, είναι επιβλαβής για τα μάτια. Τα

περισσότερα λέιζερ τροφοδοτούνται με υψηλής τάσης (από 10 έως 30 KV) συνεχές ρεύμα ή

ραδιοσυχνότητα και η ηλεκτροπληξία από το ρεύμα εισόδου ή την αποφόρτιση πυκνωτή

μπορεί να είναι θανατηφόρα.

Ένας ακόμη κίνδυνος είναι αυτός της φωτιάς ή των εγκαυμάτων λόγω των υψηλών

θερμοκρασιών στις οποίες βρίσκονται ορισμένα υλικά ή επιφάνειες. Οι περισσότερες μέθοδοι

εναπόθεσης λεπτού στρώματος απαιτούν τη θέρμανση του υποστρώματος και σε ορισμένες

περιπτώσεις των πρώτων υλών, σε θερμοκρασίες τόσο υψηλές, ώστε η απλή επαφή να είναι

ικανή να προκαλέσει σοβαρά εγκαύματα. Σε κάθε περίπτωση πάντως, οι θερμές επιφάνειες

απομονώνονται κατάλληλα μέσα στο θάλαμο αντίδρασης, με αποτέλεσμα η πιθανότητα

εγκαυμάτων να εμφανίζεται αρκετά μικρή.

Κίνδυνοι για τη δημόσια υγεία: Σε κάθε είδος ηλεκτρικής εγκατάστασης, τα άτομα που

εγκαθιστούν, συντηρούν ή αφαιρούν φωτοβολταϊκά συστήματα που βρίσκονται στη σκεπή

διατρέχουν κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα, αντίθετα με τις

συμβατικές εναλλακτικές λύσεις, παράγουν ρεύμα αμέσως μόλις εκτεθούν στην ηλιακή

ακτινοβολία. Παρόλο που η γείωση ή η επαφή με τα κυκλώματα αυτά είναι απίθανη, η

έκθεση σε ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να έχει

σοβαρές συνέπειες. Σχετικές μελέτες έχουν καταλήξει, ότι η τάση που προκαλείται από 6

μεσαίου μεγέθους πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά, είναι αρκετή για να προκαλέσει κοιλιακή

μαρμαρυγή και ίσως το θάνατο κάτω από κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας. Σε ψυχρότερο

καιρό, το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επέλθει με λιγότερα πλαίσια.

Οι ιδιοκτήτες των σπιτιών, που έχουν φωτοβολταϊκές συστοιχίες εγκατεστημένες στη

σκεπή τους, αντιμετωπίζουν τον κίνδυνο φωτιάς από τις παρακάτω αιτίες:


451

α) βραχυκυκλώματα

β) αυτανάφλεξη εξαιτίας της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται σε μη αεριζόμενους

χώρους

Η πιθανότητα των δύο αυτών κινδύνων δεν έχει εκτιμηθεί ακόμη για τα φωτοβολταϊκά

συστήματα, όμως οι συνέπειές τους έχουν μελετηθεί. Το 1980 στις Η.Π.Α., οι φωτιές από

ηλεκτρικά αίτια ήταν πέμπτες στη σειρά και η τέταρτη στη σειρά αιτία θανάτου από φωτιά. Η

ανάλυση του θέματος αυτού συνιστά, ότι οι κίνδυνοι για την υγεία, που προέρχονται από

φωτιά που προκλήθηκε από φωτοβολταϊκά συστήματα, δεν αποτελούν σοβαρό κοινωνικό

πρόβλημα, όμως μπορεί να είναι σημαντικοί για κατοίκους σπιτιών που φέρουν τέτοιο

εξοπλισμό.

Απαίτηση/Κατάληψη χώρου: Η απαιτούμενη επιφάνεια για εγκατεστημένα

φωτοβολταϊκά συστήματα είναι διαφορετική για επαρχιακές και αστικές εφαρμογές. Στις

μικρές ή μεσαίες, ατομικές ή εμπορικές επαρχιακές εφαρμογές, τα φωτοβολταϊκά συστήματα

μπορούν να εγκατασταθούν στη σκεπή ή σε μικρές κλειστές αποθήκες στο έδαφος.

Προφανώς, στην πρώτη περίπτωση η κατάληψη επιπλέον χώρου είναι μηδενική. Στη

δεύτερη, η απαιτούμενη επιφάνεια εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως την

ηλιοφάνεια και την απόδοση του συστήματος. Τα αστικά φωτοβολταϊκά συστήματα που είναι

τοποθετημένα στο έδαφος, απαιτούν περίπου 2 - 3 km2/MWp. Περιοχές κατάλληλες για

εφαρμογές μεγάλων κεντρικών σταθμών, είναι εκείνες που έχουν υψηλό δείκτη ετήσιας

ηλιοφάνειας, π.χ. τα νησιά του Αιγαίου. Άλλοι παράγοντες, όπως οι ενεργειακές ανάγκες της

περιοχής και η απόσταση από τα αστικά κέντρα, μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη θέση

εγκατάστασης ενός συστήματος.

Επιπτώσεις στην αισθητική: Όπως και στην απαιτούμενη επιφάνεια, οι επιπτώσεις στην

αισθητική ποικίλουν ανάλογα με το είδος της εφαρμογής. Αισθητικά όμορφα συστήματα

μικρού μεγέθους μπορούν να ενσωματώνονται στην αρχιτεκτονική καινούριων κατοικιών και

εμπορικών κέντρων. Η τοποθέτηση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε ήδη υπάρχοντα κτίρια

θα είναι οπτικά πιο αντιαισθητική. Τέλος, οι εφαρμογές μεγάλων κεντρικών σταθμών θα

έχουν πιθανότατα παραπλήσιες επιπτώσεις στην αισθητική με αυτές των συμβατικών


452

σταθμών.

Ηχορύπανση: ∆εν υπάρχουν προβλήματα ηχορύπανσης που να σχετίζονται με την

κατασκευή και τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων μια και στον εξοπλισμό δεν

διακρίνονται κινούμενα μέρη (στρόβιλοι, γεννήτριες, αντλίες, κλπ).

ii. Περιβαλλοντικός έλεγχος

Επικίνδυνα αέρια: Η λανθασμένη διαχείριση και απόρριψη των επικίνδυνων αερίων

μπορεί να έχει επιβλαβείς επιδράσεις στην υγεία. Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες που

μπορούν να μειώσουν τους κινδύνους στο χώρο εργασίας: εξαερισμός, αυτόματο κλείσιμο

βαλβίδων, κλπ.

Πολλά από τα αέρια που χρειάζονται κατά την κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών,

χρησιμοποιούνται ήδη από υπάρχουσες βιομηχανίες, με διαφορετικές απαιτήσεις στην

ποσότητα και στο είδος της εφαρμογής. Κάτω από κανονικές συνθήκες, οι ποσότητες των

ρυπαντικών ουσιών που παράγονται από τα εργοστάσια παραγωγής φωτοβολταϊκών

κυψελών, είναι μικρές. Για τα αέρια αυτά, το πιο συνηθισμένο σύστημα ελέγχου είναι οι

συσκευές καθαρισμού αερίων (wet scrubbing) ή η αποτέφρωση. Οι σωστά σχεδιασμένες

πολυβάθμιες συσκευές καθαρισμού (scrubbers) μπορούν να επιτύχουν και απόδοση 98 %,

ενώ η αποτέφρωση αποδίδει μέχρι και 100 % στην απομάκρυνση των εκπομπών PH3, SiF4,

SiΗ4 και B2H6 από τα υγρά απόβλητα. Η απομάκρυνση των υπόλοιπων ουσιών από τις

συσκευές καθαρισμού, οδηγεί σε συγκεντρώσεις που βρίσκονται στα κάτω όρια ασφαλείας

και επομένως, μειώνονται σημαντικά οι όποιοι κίνδυνοι υπάρχουν για την υγεία των

ανθρώπων, που κατοικούν κοντά στα εργοστάσια αυτά.

Παρόλα αυτά, η ακατάσχετη απόρριψη μεγάλων ποσοτήτων από τα επικίνδυνα αέρια

που είναι αποθηκευμένα στο εργοστάσιο, είναι απειλητική για τη δημόσια υγεία. Προς μείωση

του κινδύνου αυτού, είναι καλό να αποθηκεύονται μικρές ποσότητες πρώτων υλών και τα

αέρια θα πρέπει να φυλάγονται σε ανεξάρτητες, επαρκώς αεριζόμενες αποθήκες.

Απαραίτητη είναι επίσης η συνεχής παρακολούθηση των χώρων αποθήκευσης και η ύπαρξη

συσκευών προστασίας από διαρροές και φωτιά. Τέλος, το προσωπικό που διαχειρίζεται τα

επικίνδυνα αέρια επιβάλλεται να έχει επαρκή εκπαίδευση και να γνωρίζει καλά τους κανόνες


453

ασφαλείας.

Στερεά απόβλητα: Η ποσότητα και η ποιότητα των στερεών αποβλήτων εξαρτάται από

τη διαδικασία παραγωγής. Ορισμένα από αυτά μπορεί να είναι τοξικά ή επικίνδυνα και

απαιτούν ελεγχόμενη διάθεση (πίν 10.15, [13]).

Πίνακας 10.15: Τοξικά ή επικίνδυνα στερεά απόβλητα από εγκαταστάσεις κατασκευής φωτοβολταϊκών κυψελών

Συστατικό Υπολείμματα

(kg/έτος)

Ενώσεις

CuInSe2

3.430

2.770

CdS 2.060

1.660

CdZnS 1.820

CdTe

410

1.980

1.970

Ενώσεις Si 205

Ενώσεις GaAs 9.900

8.830

Zn3P2 1.140

653

Φυσικοί κίνδυνοι στο χώρο εργασίας: Όπως και στην περίπτωση διαχείρισης των

αερίων, έτσι κι εδώ είναι διαθέσιμα διάφορα μέτρα προφύλαξης, τεχνολογικής (π.χ.

θωράκιση από την ακτινοβολία ραδιοσυχνότητας) και διοικητικής φύσεως (π.χ. τακτική

επιθεώρηση όλων των καλωδιώσεων, τήρηση κανόνων ασφαλείας), με σκοπό τη μείωση

των κινδύνων στο χώρο εργασίας. Τα μέτρα αυτά τηρούνται ευρέως στη βιομηχανία και

επομένως δε θα πρέπει να αποτελέσουν σχεδιαστικό ή μηχανικό εμπόδιο στην ασφαλή


454

παραγωγή φωτοβολταϊκών ενεργειακών συστημάτων.

∆ημόσιοι φυσικοί κίνδυνοι: Οι τρόποι διασφάλισης των τμημάτων των φωτοβολταϊκών

συσκευών, όπως δίοδοι, καλύμματα διόδων, καλωδιώσεις και σκελετοί στήριξης, προς

αποφυγή ηλεκτροπληξίας και φωτιάς από τις συστοιχίες που βρίσκονται στις στέγες κτιρίων,

έχουν ήδη αναγνωριστεί και θα πρέπει να εμπεριέχονται σε όλες τις φωτοβολταϊκές

συσκευές.

iii. Συμπεράσματα

Τα φωτοβολταϊκά ενεργειακά συστήματα μπορούν να προσφέρουν υπολογίσιμα ποσά

ηλεκτρικής ενέργειας στο μέλλον. Τα στάδια κατασκευής τους, είναι δυνατό να απειλήσουν τη

δημόσια υγεία, αν δεν επιβληθεί συνετός και τακτικός έλεγχος της παραγωγής, ιδίως στη

διαχείριση τοξικών και εκρηκτικών αερίων και των συστημάτων αποθήκευσης. Η εμπειρία

από εργοστάσια που σχετίζονται με τέτοιες ουσίες, υποδηλώνει ότι η εφαρμογή των

διαθέσιμων συστημάτων ελέγχου μπορεί να μειώσει σε ικανοποιητικό βαθμό τους όποιους

κινδύνους εμφανίζονται. Ομοίως, οι κίνδυνοι που γεννούνται από τη χρήση

ραδιοσυχνοτήτων, λέιζερ και ηλεκτρικού ρεύματος, μπορούν να ελαχιστοποιηθούν εύκολα με

τεχνολογικά και διοικητικά μέτρα προφύλαξης. Όσο περισσότερο εφαρμόζονται οι

τεχνολογίες αυτές στους διάφορους τομείς της βιομηχανίας, τόσο καλύτερα θα ελέγχονται και

οι κίνδυνοι που αναφέρθηκαν παραπάνω.

10.5 Η αποδοχή των ηλιακών συστημάτων Οι αναπτυσσόμενες χώρες είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν σε μεγάλο βαθμό την ηλιακή ενέργεια, διότι και την απαιτούμενη τεχνογνωσία - τεχνολογία διαθέτουν και την πρέπουσα νοοτροπία, ώστε να αποδεχθούν και να υιοθετήσουν το πλήθος εφαρμογών που αυτή προσφέρει. Πολλά ηλιακά συστήματα κατασκευάζονται και λειτουργούν ανά τον κόσμο παρέχοντας ενέργεια με μικρό κόστος.

Οι άνθρωποι, κυρίως σε φτωχές περιοχές του πλανήτη, χρειάζονται ενέργεια κυρίως για χαμηλής θερμοκρασίας εφαρμογές, όπως μαγείρεμα, ξήρανση προϊόντων και απόσταξη νερού, έτσι ώστε να ικανοποιούν τις πιο βασικές ανάγκες.

Ο ηλεκτρισμός είναι επίσης απαραίτητος σε πολλές περιοχές του πλανήτη για διάφορες χρήσεις, όπως άντληση νερού, τηλεπικοινωνίες, ψύξη, φωτισμό και άλλες. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες (PV), οι οποίες χρησιμοποιούνται για απευθείας μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό, μεταφέρονται εύκολα, είναι περιβαλλοντικά καθαρές και εύκολες στη χρήση. Για αυτό το λόγο ενδείκνυνται ιδιαίτερα για εφαρμογή σε μικρές αγροτικές κοινωνίες.


455

Η αποτελεσματική εφαρμογή των ηλιακών συστημάτων, μπορεί να είναι προβληματική σε αναπτυσσόμενες περιοχές. Ο κλιματικός και ο παραδοσιακός ή πολιτιστικός χαρακτήρας ενός τόπου, σε συνδυασμό με τη διαθέσιμη τεχνογνωσία ή τεχνολογία, είναι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη, πριν την εισαγωγή τέτοιων τεχνολογιών. Επιπλέον, τα διαθέσιμα υλικά, καθώς επίσης και το εργατικό δυναμικό δεν μπορούν να αγνοηθούν. Πολλές προσπάθειες ανά τον κόσμο, έχουν γίνει για την εφαρμογή ιδιαίτερα αξιόλογων ενεργειακών προγραμμάτων και τεχνολογιών και έχουν αποτύχει παταγωδώς εξαιτίας τοπικών παραγόντων.

Παρά το γεγονός ότι η ηλιακή ενέργεια σε τριτοκοσμικές χώρες, είναι συνήθως άφθονη, σε σχέση με εκβιομηχανισμένες περιοχές, η γεωγραφική θέση, καθώς και το κλίμα ενός τόπου καθορίζουν τη λειτουργικότητα των ηλιακών συστημάτων. Είναι εντελώς παράδοξο να υλοποιούνται ηλιακά συστήματα, αγνοώντας τη διαθεσιμότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα τόπο. Εξάλλου, τοπικές κλιματολογικές παράμετροι, όπως η συννεφιά, επιδρούν αρνητικά στην αποτελεσματικότητα αυτών των εφαρμογών, ακόμα και στις πιο θερμές περιοχές του πλανήτη. Για το λόγο αυτό, η γενική άποψη ότι οι καταλληλότερες περιοχές για χρήση ηλιακών συστημάτων, είναι η ευρύτερη τροπική ζώνη, δεν είναι πάντα σωστή. Για παράδειγμα, η εφαρμογή των ηλιακών ξηραντηρίων για καλλιέργεια, σε τροπικές περιοχές του πλανήτη, είναι ουσιαστικά άσκοπη και αντιαποτελεσματική, αφού η περίοδος συγκομιδής της σοδειάς συνοδεύεται από υψηλά ποσοστά συννεφιάς.

Επίσης, όπως άλλωστε αναφέρθηκε και παραπάνω, πολιτιστικοί παράγοντες μπορούν να επιδράσουν αρνητικά στην εισαγωγή και υιοθέτηση ηλιακών συστημάτων, ακόμα και σε περιοχές με ιδανικό κλίμα και ανεξάντλητη ηλιακή ενέργεια. Στην Αφρική για παράδειγμα, πολλές γυναίκες διάφορων φυλών, έχουν μαγειρέψει με χρήση ξύλου, τόσο πριν την ανατολή, όσο και μετά τη δύση. «Πόσο εύκολο είναι λοιπόν να πείσει κάποιος μια τέτοια γυναίκα να μαγειρέψει με χρήση ηλιακής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας;»

Η αλλαγή των κοινωνικών συμπεριφορών ή συνηθειών, είναι μια χρονοβόρα διαδικασία, που απαιτεί σταδιακή εξοικείωση και πάνω από όλα σταθερή θεμελίωση, κάτι που δεν κατανοείται εύκολα από κάποιον εξωτερικό παρατηρητή. Άμεσο συμπέρασμα του γεγονότος αυτού, είναι ότι η εισαγωγή τεχνολογιών που σχετίζονται με τη χρήση ηλιακής ενέργειας, πρέπει να είναι ελαστικές και όσο το δυνατόν συμβιβαστικές, ώστε να προσαρμόζονται εύκολα και άμεσα στις κοινωνικές προτιμήσεις. Αυτό που προκύπτει άμεσα από την παραπάνω ανάλυση, είναι ότι μια πληθώρα παραγόντων όπως, κοινωνικοί, οικονομικοί, κλιματολογικοί, τεχνολογικοί θα καθορίσουν την επιτυχία ή όχι ενός πλάνου σε οποιοδήποτε μέρος του πλανήτη. Το κλειδί της επιτυχίας για μια αποτελεσματική χρήση της ηλιακής ενέργειας, είναι να εντοπιστούν και να εκτιμηθούν σωστά, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ενός ηλιακού συστήματος, έτσι ώστε να είναι σύμφωνο αυτό, τόσο με τις απαιτήσεις, όσο και με τους διαθέσιμους πόρους, ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη, ο ξεχωριστός χαρακτήρας και η υποδομή της κοινωνίας, όπου αναμένεται να εφαρμοστεί το εκάστοτε σύστημα.


456

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ

1. Bent Srensen, “Renewable Energy”, Denmark, 1979. 2. Εγκυκλοπαίδεια Πάπυρος, Larousse, Britannica, 1981,Τόμος 57, σελ 44. 3. Ι.Γ. Καούρης, Ν. Συρίμπεης, «Παράλληλη σύγκριση δύο πανομοιότυπων ηλιακών

θερμοσιφώνων, με διαφορετική κυκλοφορία κλειστού κυκλώματος.», Πρακτικά 6ου Εθνικού Συνεδρίου του Ι.Η.Τ για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόμος Α´. «Βελτιστοποίηση των Ενεργειακών Διεργασιών», Εκδόσεις Γιαχούδη – Γιαπούλη, Βόλος 3 – 5 Νοέμβριου 1999, σελ 222 – 231.

4. Νικόλαος Δ. Στύλος, «Ανάλυση Κύκλου Ζωής στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα», Διπλωματική Εργασία, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2000.

5. Τσιλιγκιρίδης Γεώργιος, «Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας», Διδακτικές Σημειώσεις, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Θεσσαλονίκη 2000

6. Ε.Σ.Υ.Ε, «Απογραφή πληθυσμού», 1991. 7. Ενεργειακό Γραφείο Δωδεκανήσου, Νομαρχία Δωδεκανήσου, Ρόδος 8. «Ετήσια Στοιχεία Παραγωγής ανά ΑΣΠ – ΤΣΠ, 1994 - 1998», Δημόσια Επιχείρηση

Ηλεκτρισμού, Διεύθυνση Περιφέρειας Νήσων, Τομέας Εκμετάλλευσης Παραγωγής. 9. Tiwari, G.N, “Performance Evaluation of an Inverted Absorber Solar Still”, Energy

Conversation, Vol 39, No 3/4, 1998, pp 173 – 180. 10. Β. Α. Σωτηρόπουλος, «Τεχνική Φυσικών Διεργασιών ΙΙ – Ατμοπαραγωγικές

Εγκαταστάσεις (Λέβητες)», Τόμος ΙΙ, Εκδόσεις «Σύγχρονη Παιδεία», Θεσσαλονίκη 1997, σελ 120, Πίνακας 3-3.

11. Τhe OECD Compass Project, “Environmental impacts of renewable energy”, Paris 1998. 12. Alan Nogee, Steven Clemmer, Bentham Paulos, Brent Haddad, Union of Concerned

Scientists, “Powerful solutions, 7 ways to switch America to renewable electricity.”, January 1999.

13. Γ. Τσιλιγκιρίδης, Κ. Γάτσος, Κ. Τζουτζομήτρος, Β. Σωτηρόπουλος, «Επεξεργασία Μετρήσεων Μετεωρολογικών Στοιχείων στο Ηλιακό Χωριό 3 στη Λυκόβρυση Αττικής.», Πρακτικά 6ου Εθνικού Συνεδρίου του Ι.Η.Τ, για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόμος Α΄. «Βελτιστοποίηση των Ενεργειακών Διεργασιών», Εκδόσεις Γιαχούδη – Γιαπούλη, Βόλος 3 – 5 Νοέμβριου 1999, σελ 9 – 22.

14. Κατερίνα Μαρκετάκη, Βασίλης Γκέκας, «Χρήση θερμοδυναμικού κύκλου Stirling στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.», Πρακτικά 6ου Εθνικού Συνεδρίου του Ι.Η.Τ, για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Τόμος Β΄. «Βελτιστοποίηση των Ενεργειακών Διεργασιών», Εκδόσεις Γιαχούδη – Γιαπούλη, Βόλος 3 – 5 Νοέμβριου 1999, σελ 283 – 290.


457

15. Phylipsen, G.J.M., E.A. Alsema, Environmental life-cycle assessment of multicrystalline silicon solar cell modules, Department of Science, Technology and Society, Utrecht University, Utrecht (no.95057), 1995.

16. Web site: wysiwyg://5/http://www.chem.ruu.nl/nws/www/publica/95057.htm 17. E.A.Alsema, P.Frankl, K.Kato, Energy pay-back time of photovoltaic energy systems:

present status and prospects, Dept. of Science, Technology and Society, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands. Center for the Management of Environmental Resources, INSEAD, Fontainebleau, France. Electrotechnical Laboratory, AIST, MITI, Ibaraki, Japan.

18. K.Καγκαράκη, Φωτοβολταϊκή τεχνολογία, Εθνικό Μετσόβειο Πολυτεχνείο, Αθήνα 1992. 19. Ν.Μουσιόπουλος, Α. Μπούρα, Ανάλυση Κύκλου Ζωής, Εργαστήριο Μετάδοσης

Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 1998.

20. Swiss Agency for the Environment, Forests and Landscape (SAEFL), Life cycle inventories for Packagings (Volume I, II), Berne 1998.

21. Society of Environmental Toxicology and Chemistry-Europe, Towards a Methodology for Life Cycle Impact Assessment, September 1996.

22. Green Design Initiative, Economic Input-Output Life Cycle Assessment, Carnegie Mellon University. Web site: http://www.eiolca.net.

23. Heike Lauer, Multicrystal Photovoltaic Module, Kyocera Corporation, Kyocera Fineceramics GmbH. Web site: http://kyocera.com/solar/

24. Y.S.Tsuo, NREL / J.M.Gee, Sandia National Laboratories / P.Menna, National Agency for New Technologies Energy & Environment and D.S.Strevkov, A.Pinov and V.Zadde, Environmentally benign silicon solar cell manufacturing, 2nd Photovoltaic World Conference, Vienna, Austria 1998.

25. Bent Sørensen, Life-Cycle Analysis of Present and Future Si-based solar cells, Roskilde University, Institute of Mathematics & Physics, Energy & Environment Group, 2nd Photovoltaic World Conference, Vienna, Austria, July 1998.

26. D.S. Ruby, P. Yang, S. Zaidi, S. Brueck, M. Roy and S. Narayanan, Plasma Etching, Texturing and Passivation of Silicon Solar Cells, Sandia National Laboratories, Albuquerque. University of New Mexico, Albuquerque. Solarex, Frederick, USA.

27. US DOE Program, web site: http://www.eren.doe.gov/pv/aboutpv.html. 28. Geoffrey M. Lewis & Gregory A. Keoleian, Life Cycle Design of Amorphous Silicon

Photovoltaic Modules, Project summary, October 1997. 29. Ecosite Standards and Methodology-Back Information. 30. Web site: http://www.ecosite.co.uk 31. Robert G. Seippel, Photovoltaics, Reston Publishing Company, Inc.,Reston, Virginia,

1983. 32. Anna Fay Williams, The Handbook of Photovoltaic Applications, The Fairmont Press,

Inc., Atlanta, Georgia, 1986. 33. David F. Ciambrone, Environmental Life Cycle Analysis, Hughes Aircraft Company,

Newport Beach, California, Lewis Publishers, New York, 1997. 34. Franklin F.Y. Wang, Chandra P. Khattak, K.V Ravi, Silicon Processing for Photovoltaics

I, North Holland Physics Publishing, Amsterdam, The Netherlands, 1985. 35. The Book of Popular Science, Grolier Inc., U.S.A., 1971. 36. Design and Installation of PV systems. Web site:

http://www.sandia.gov/pv/pvsys/dsninstl.html. 37. The International Journal of Life Cycle Assessment (Editor-in-Chief: Walter Klöpffer),

Vol.2, No.1, Ecomed publishers, 1997. 38. Aixon Elektrotechnik GmbH. Web site: http://www.aixon.de/solar/PU3/PU3.html 39. No.772. Consumer Price Indexes (CPI-U), Statistical Abstract of the United States. 40. Hoppecke Batterien, Hoppecke HOPzS, Stationary lead acid batteries.


458

41. Threshold Limit Values (TLV), Values Immediately dangerous to Life and Health (IDLH). Web site: http://www.airgas.com/products/productdata/threshold.html#note.\

42. Occupational Safety & Health Administration (OSHA), U.S. Department of Labor, Chemical Sampling Information-Field Label Abbreviations & Descriptions. Web site: http://www.osha-slc.gov/OCIS/field.html

43. Thermoplastic Material selection Guide. Web site: http://www.endura.com/tpguide.htm#7

44. Dodwell Keyt, SOLAR: Power of the Future, Issue 49-Solar cells. Web site: http://www.ata.org.au/~ata/49solcl2.htm

45. CPF DUALAM, Material Technology. Web site: http://www.dualam.com/mat.html 46. Typical Properties of Tedlar. Web site: http://www.dualam.com/etfe.html 47. Plastic material properties. Web site: http://www.plasticsusa.com/EVA.html 48. «Geothermal Energy as a source of Electricity» (Ronald Di Pippo, Brown University and

Southestern Massachusetts University, January 19800. 49. «Handbook of Geothermal Energy» (L.M.Edwards, G.V.Chilingar, H.H. Rieke III, W,H

Fertl January 1982.). 50. «Geothermal Energy, Sandia laboratory develops Process for producing hydrogen from

molten rock» ( Νοέμβριος 1977 ) 51. Stanley L.Milora and Jefferson W.Tester, «Geothermal Energy as a source of Electric

Power» (The MIT Press) 52. «The US Geothermal Industry» (http://www.id.inel.gov/geothermal/articles/mclarty) 53. «Energy technology characterizations Handbook. Environmental pollution and control

factors» (US DOE, Μάρτιος 1983) 54. «Country energy data report» (http://www.eia.doc.emeu/world/country) 55. «Demonstration of EIC's copper sulfate process for removal of hydrogen sulfide and

other trace contaminates from geothermal steam at turbine inlet temperatures and pressures» (Columbia University, DOE, Οκτώβριος 1980)

56. «Process technology and flowsheets» (Chemical engineering magazine) 57. «Geothermal energy applications»

(http://www.worldbank.org/html/fpd/energy/geothermal/applications.html) 58. «Ενημερωτικός οδηγός για τις δυνατότητες αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας στην

Ελλάδα » (Ευρωπαική επιτροπή, Γενική Διεύθυνση Ενέργειας Ε.Τ.Β.Α, Σεπτέβριος 1995) 59. Goran Wall, «Εxergy - a useful concept within resource accounting »

(http://www.exergy.se./goran/thesis/paper1/paper/html),institute of theoretical physics,University of Goteborg, Sweden Μάιος 1997)\

60. «Exergy analysis og geothermal power plants efficiency» (Dr O.A Siniougine Laboratory of renewable sources of Energy , Moscow, State university ,Russia)

61. Μπομπόλιας Χρήστος , «Μελέτη μονάδος συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμού νερού από το γεωθερμικό πεδίο Ερατεινού Ν.Καβάλας» (Διπλωματική εργασία, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΠΘ , Θεσσαλονίκη 2000)

62. «Isotope and chemical studies for a geothermal assessment of the island of Nisyros (Greece)» (Pergamon,November 1998)


459

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1

ΣΧΕΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΑΙ


460

ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ


461


462


463

ΣΧΕΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ

ΑΝΕΜΟΥ

Η Κινητική Ενέργεια μάζας m του ανέμου που κινείται με ταχύτητα V είναι:

Κινητική Ενέργεια (Κ.Ε.) = ½ m V2


464

Η ισχύς του κινούμενου αέρα η ροή της κινητικής ενέργειας ανά δευτερόλεπτο

Ισχύς = 2Vsec) ανά μάζας (ροή2

1

Η μηχανική ισχύς του κινούμενου αέρα είναι:

Όπου

P= Μηχανική ισχύς του κινούμενου αέρα, Watts

ρ= Πυκνότητα του αέρα, kg/m3

V= Ταχύτητα του αέρα, m/sec

A= Επιφάνεια που καλύπτουν τα πτερύγια της γεννήτριας, m2

∆ύο περιοχές προοριζόμενες για την εγκατάσταση αιολικών πάρκων μπορούν να συγκριθούν

με βάση την ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ που εκφράζεται σε watts ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας που

καλύπτουν τα πτερύγια

Πυκνότητα ισχύος πεδίου Watts/m2

Αυτή είναι η ισχύς του εισερχόμενου ανέμου.

Όλη η ισχύς του ανέμου πριν τον ρότορα και τα πτερύγια δεν είναι εκμεταλλεύσιμη αφού ο

αέρας μετά τον ρότορα συνεχίζει να κινείται.

Ισχύς που Απομαστεύεται απο τον Άνεμο


465

Η πραγματική ισχύς που απομαστεύεται από τον άνεμο είναι η διαφορά μεταξύ της ισχύος πριν

και μετά τον ρότορα.

2oV-V2 sec) / μάζας (ροή

2

1Po

Po = Μηχανική Ισχύς

V = Ταχύτητα ανέμου στην είσοδο του ρότορα

Vo = Ταχύτητα ανέμου μετά τον ρότορα

Ροή μάζας αέρα που διαπερνά τα πτερύγια

Η μηχανική ισχύς που απομαστεύει ο ρότορας και που κινεί την ηλεκτρογεννήτρια είναι:

ή

Η ισχύς που απομαστεύεται από τα πτερύγια είναι:

Συντελεστής ισχύος του ρότορα


466

Η ισχύς που απομαστεύεται από τον άνεμο είναι μέγιστη όταν η ταχύτητα μετά τον ρότορα είναι

το 1/3 της ταχύτητας πριν τον ρότορα. Η ανώτερη τιμή του Cp είναι 0.59 και ονομάζεται συντελεστής

Betz(Σχήμα 1 ).

Η θεωρητική ανώτερη τιμή του Cp = 0.59 δεν κατορθώνεται στην πράξη (Σχήμα 2)

Για δύο πτερύγια Cp ≈ 0.5 για υψηλές ταχύτητες

Cp ≈ 0.4 – 0.2 για χαμηλές ταχύτητες

Σχήμα 1. ∆ιάγραμμα Cp vs Vo/V

0


467

Σχήμα 2.

Εάν θεωρήσουμε Cp=0.5 ως το μέγιστο Cp, τότε

watts / m2 επιφάνειας πτερυγίων

ΚΑΛΥΠΤΟΜΕΝΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΠΤΕΡΥΓΙΩΝ

Όπως είπαμε η παραγόμενη ισχύς είναι γραμμική συνάρτηση της επιφάνειας. Για τις

ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα, η επιφάνεια είναι

όπου D είναι η διάμετρος του ρότορα

Για τις ανεμογεννήτριες Darrieus με κάθετο ρότορα η προσεγγιστική επιφάνεια είναι:


468

ρότορα) του(Ύψοςρότορα) του κέντροστο άνοιγμα (Μέγιστο3

2 A

Η σχέση της ακριβής επιφάνειας των πτερυγίων με αυτή που καλύπτουν είναι:

περιφοράς κύκλουΕπιφάνεια

πτερυγίωνεπιφάνεια ΑκριβήSolidity

ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΑΕΡΑ

Πυκνότητα αέρα: Η ισχύς του ανέμου είναι γραμμική συνάρτηση της πυκνότητας του αέρα.

σε ατμοσφαιρικές συνθήκες

P = 1 atm = 14,7 psi

T = 60 oF

ρ = 1.225 kg/m3

Η σχέση των πυκνοτήτων του αέρα με το ύψος (συμπεριλαμβανομένου της αλλαγής πίεσης και

θερμοκρασίας)

Απλοποιημένα

σε ύψος 2000 m, η πυκνότητα θα ήταν ρ = 0.986 kg, 20% μικρότερη από την αντίστοιχη στο


469

ύψος της θάλασσας.

Η θερμοκρασία αλλάζει με το ύψος ως εξής:

Κατανομή ταχύτητας ανέμου

Κατανομή Weibull

Η αλλαγή της ταχύτητας του ανέμου σε σχέση με μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή μπορεί να

εκφραστεί με την συνάρτηση Weibull με δύο παραμέτρους:

k = παράμετρος σχήματος

c = διασπορά ταχυτήτων (Μίλια/Ώρα)

To c εκφράζει τη διασπορά των ταχυτήτων γύρω από τη μέση ταχύτητα. Το k είναι αντιστρόφως

ανάλογο με το c. Μεγαλύτερες τιμές του k εκφράζουν μικρότερη διασπορά ταχυτήτων του ανέμου και

συνεπώς μεγαλύτερη συγκέντρωση γύρω από την μέση ταχύτητα.

Η πιθανότητα για ταχύτητα ανέμου να είναι V είναι:

για

Στο διάγραμμα πιθανότητας h,

Δu

Δuuu και μεταξύσείναι ανέμου του ταχύτηταη πουχρόνου ποσοστόh

Εάν πάρουμε την περίοδο χρόνου ίση με ένα έτος, τότε

Δu

Δuuu κ κα μεταξύσείναι ανέμου ττο τταχύτητη πποωρών αριθμόςh


470

Ο συνολικός αριθμός ωρών ανά έτος είναι 8760.

Το διάγραμμα ταχύτητας ανέμου ανά ποσοστό το έτος για διαφορετικές τιμές «κ» φαίνεται στο

Σχήμα 3. Τα διαγράμματα με διαφορετικές τιμές “c” φαίνονται στα σχήματα 4Α, 4Β, 4Γ.

Σχήμα 3.

Σχήμα 4Α


471

Σχήμα 4Β

Σχήμα 4Γ

Σχήμα 5. κ=2 και διαφορετικές τιμές “c”


472


473

ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Κατανομή Rayleigh του χρόνου και της ενέργειας ανά έτος ως προς την ταχύτητα ανέμου με

c=10 και k=2

Κατανομή Rayleigh του χρόνου και της ενέργειας ανά έτος ως προς την ταχύτητα ανέμου με


474

c=15 και k=1.5

Κατανομές Rayleigh των ωρών και της ενέργειας ανά έτος με k=2 και c=10, 15 και 20 mph

ΜΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΑΙ ΕΠΙΚΡΑΤΟΥΣΑ ΤΙΜΗ

Η Επικρατούσα τιμή ταχύτητας (Mode Speed) είναιη τιμή της ταχύτητας χωρίς τις ακραίες τιμές.

Η Μέση ταχύτητα (Mean Speed) είναι η μέση ταχύτηατα όλης της χρονικής περιόδου υπό εξέταση


475

ΜΕΣΗ ΤΡΙΤΗ ΡΙΖΑ (Root Mean Cube Speed)

rmc (root mean cube) = μέση τρίτη ρίζα

Μέση ετήσια ισχύς

Κατανομή ενέργειας


476

Επίδραση του ύψους


477

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΜΟΝΑΔΩΝ


478

Εξαγωγή Μονάδων SI

Συχνότητα

hertz: Hz = 1/s

∆ύναμη

newton: N = m kg/s2

Πίεση

pascal: Pa = N/m2 = kg/m s2

Ενέργεια, Έργο, Θερμότητα

joule: J = N m = m2 kg/s2

Ισχύς, υθμός εκπομπής της ενέργειας

watt: W = J/s = m2 kg/s3

Ηλεκτρικό Φορτίο

coulomb: C = s A

Ηλεκτρική Τάση

volt: V = W/A = m2 kg/s3 A

Χωρητικότητα Πυκνωτή

farad: F = C/V = s4 A2/m2 kg

Ηλεκτρική Αντίσταση

ohm: Omega = V/A = m2 kg/s3 A2

Αγωγιμότητα

siemens: S = A/V = s3 A2/m2 kg

Μαγνητική ροή

weber: Wb = V s = m2 kg/s2 A

Μαγνητική επαγωγή

tesla: T = Wb/m2 = kg/s2 A

Επαγωγή

henry: H = Wb/A = m2 kg/s2 A2

Φωτεινή ροή

lumen: lm = cd sr

Φωτεινή ροή ανά μονάδα επιφάνειας

lux: lx = lm/m2 = cd sr/m2

∆ραστηριότητα (ακτινοβολίες ιονισμού)

becquerel: Bq = 1/s

Απορροφημένη δόση

gray: Gy = J/kg = m2/s2

∆υναμικό ιξώδες

pascal second: Pa s = kg/m s

Στιγμιαία ισχύς

metre newton: N m = m2 kg/s2

Ένταση επιφάνειας

newton per metre: N/m = kg/s2

Πυκνότητα θερμικής ροής, ακτινοβολία

watt per square metre: W/m2 = kg/s3

Εντροπία

joule per kelvin: J/K = m2 kg/s2 K

Ειδική εντροπία

joule per kilogram kelvin: J/kg K =

m2/s2 K

Ειδική Ενέργεια

joule per kilogram: J/kg = m2/s2

Θερμική αγωγιμότητα

watt per metre kelvin: W/m K = m

kg/s3 K


479

Μετατροπές Μονάδων

Μονάδες Μήκους:

1 foot (ft) = 0.3048* meter (m) = 30.48* centimeters (cm) 1 inch (in.) = 0.0254* m = 2.54* cm 1 mile (mi.) = 1609.344* m = 1.609344* kilometers (km) 1 km = 1000* m

Μονάδες Όγκου (Χωρητικότητας):

1 barrel (bbl) = 42* U.S. gallons = 0.1589873 m3 1 U.S. gallon = 3.785412 liters = 3.785412 x 10-3 m3 1 cubic foot (cu ft, ft3) = 2.831685 x 10-2 m3 1 liter (L) = 0.001* m3 1 milliliter (mL) = 0.001* L = 1* cubic centimeter (cm3) = 1.0* x 10-6 m3

Μονάδες Βάρους:

1 pound-mass (lbm) = 0.4535924 kilogram (kg) = 453.5924 grams (g) 1 short ton (ts) = 1* U.S. ton = 2000* lbm = 907.1847 kg 1 long ton (tl) = 1* U.K. ton = 2240* lbm = 1016.047 kg 1 metric ton (tm) = 1* tonne = 1000* kg = 1,000,000* grams (g) = 1* Megagram (Mg)

Πυκνότητα:

1 lbm/ft3 = 1.601846 x 10-2 g/cm3 = 16.01846 kg/m3 1 lbm/bbl = 2.853010 x 10-3 g/cm3 = 2.853010 kg/m3 1 lbm/U.S. gallon = 0.1198264 g/cm3 = 119.8264 kg/m3 1 g/cm3 = 1000* kg/m3

Μονάδες Ενέργειας:

1 British thermal unit (Btu) = 1055.056 joules (J) = 252.1644 cal = 778.1693 ft-lbf 1 foot-pound (ft-lbf) = 1.355818 joules (J) = 0.3240483 cal 1 calorie (cal) = 4.184* joules (J) 1 dietary (food) Calorie (Cal) = 1000* calories = 1* kilocalorie (kcal) 1 hp-hr = 2.684520 x 106 J = 0.7456999 kilowatt-hour (kW-hr) 1 kilowatt-hour (kW-hr) = 3.6* x 106 J = 3412.141 Btu = 2.655224 x 106 ft-lbf 1 Quad = 1* quadrillion Btu = 1.0* x 1015 Btu = 1.055056 exajoule (EJ) 1 megajoule (MJ) = 1.0* x 106 J 1 gigajoule (GJ) = 1.0* x 109 J = 9.478170 x 105 Btu 1 terajoule (TJ) = 1.0* x 1012 J 1 petajoule (PJ) = 1.0* x 1015 J 1 exajoule (EJ) = 1.0* x 1018 J = 9.478170 x 1014 Btu = 0.9478170 Quad 1 Therm = 100,000* Btu = 1.055056 x 108 J

Μονάδες Ισχύος:

1 watt (W) = 1* joule/second (J/s) = 3.412141 Btu/hr 1 horsepower (hp) = 550* ft-lbf/s = 2544.433 Btu/hr = 745.6999 W 1 quadrillion Btu per year (Quad/yr) = 1.055056 x 1012 MJ/yr = 1.055056 x 106 TJ/yr = 1.055056

EJ/yr


480

Θερμικές Μονάδες:

Mass basis: o 1 Btu/lbm = 2.326 x 103 J/kg o 1 cal/g = 4184* J/kg o 1 cal/lbm = 9.224141 J/kg

Volume basis: o 1 Btu/U.S. gallon = 7.742119 x 10-2 (kW-hr)/m3 = 2.787163 x 105 J/m3 o 1 Btu/ft3 = 1.034971 x 10-2 (kW-hr)/m3 = 3.725895 x 104 J/m3 o 1 ft-lbf/U.S. gallon = 3.581692 x 102 J/m3 o 1 cal/cm3 = 4.184* x 106 J/m3

Γεωθερμική Αναλογία:

1 °F/ft = 1.822689 °C/m 1 °C/m = 0.54864* °F/ft 1 °F/1000 ft = 1.822689 °C/km 1 °C/km = 0.54864* °F/1000 ft

Ισοδύναμα Καυσίμων:

1 barrel (bbl) crude oil = 42* gallons = 5.8 x 106 Btu = 6.12 x 109 J 1 standard cubic foot (std ft3) of natural gas (SCF) = 1000 Btu 1 gallon gasoline = 1.24 x 105 Btu 106 cubic feet of natural gas = 172 barrels of crude oil 1 ton coal = 20-40 x 106 Btu 1 lbm bituminous coal = 1.3 x 104 Btu 1 ton uranium-235 (235U) = 70 x 1012 Btu 1000 bbl/day of oil = 2.117 x 1012 Btu/yr 1 million barrels of oil per day (1 MBOPD)

= 5.8 x 1012 Btu/day = 80 million tons per year of coal = 5.8 x 109 ft3 per day of natural gas

Προσεγγιστικές Θερμικές Μονάδες:

Petroleum: = 5.8 x 106 Btu/bbl = 1.4 x 105 Btu/U.S. gallon = 19,000 Btu/lbm (using a density of 7.4 lbm/gallon) = 42,000 Btu/kg

Coal: = 6,000 to 15,000 Btu/lbm, depending on the rank of coal = 13,200-33,000 Btu/kg

Natural gas: = 1000 Btu/ft3 = 25,000 Btu/lbm (using a density of 0.04 lbm/ft3) = 55,000 Btu/kg

Uranium-235: = 3.3 x 1010 Btu/lbm = 7.3 x 1010 Btu/kg


481

Απαιτήσεις σε καύσιμο για ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας 1000 MWe (2.4 x 1011 Btu/day input):

Coal: 9000 tons/day or 1 unit train load (100 90-ton cars)/day Oil: 40,000 bbl/day or 1 tanker per week Natural gas: 2.4 x 108 SCF/day Uranium (as 235U): 3 kg/day

Ενεργειακές ανάγκες:

U.S. Total Energy Consumption (1994) = 88 x 1015 Btu (88 Quads) = 40.6 million barrels of oil equivalent per day = 92.8 exajoules (EJ)

Καθημερινή χρήση και ισοδύναμο ενέργειας:

1 barrel of oil = driving 1400 km (840 miles) in average car Electricity of city of 100,000 takes 4000 bbl per day of oil State of California energy needs for 8 hours = 106 bbl = 1 million barrels 1 gal gasoline = 11 kW-hr electricity (@ 30% generation efficiency)

= 5 hours of operation of standard air conditioner = 200 days of electric clock = 48 hours of color TV = average summer days solar energy incident on 2 m2 (22 ft2)

Ένα εκατομμύριο Btu ισούται περίπου με:

90 pounds of coal 125 pounds of oven-dried wood 10 therms of natural gas 1.1 day energy consumption per capita in the U.S. 1 million Btu (MBtu) of fossil fuels burned at a power plant that can generate about 100 kW-hr of

electricity

Δεδομένα Ισχύος:

1000 MWe utility, at 60% load factor, generates 5.3 x 109 kW-hr/year, enough for a city of about 1 million people

U.S. per capita power use = 11 kW Human, sitting = 60 watts = 0.86 food Calories/minute Human, running = 1000 watts = 14.34 food Calories/minute Automobile at 55 mph = 28 kW


482

Προθέματα μονάδων SI

Multiplication Factor SI

Prefix

Meani

ng (U.S.)

Mea

ning in

Other

Countries

1 000 000 000 000 000 000

000 000 = 1024

yott

a (Y)

1 000 000 000 000 000 000

000 = 1021

zett

a (Z)

1 000 000 000 000 000 000 =

1018

exa

(E)

one

quintillion

times (1)

trillio

n

1 000 000 000 000 000 =

1015

peta

(P)

one

quadrillion

times (1)

thou

sand

billion

1 000 000 000 000 = 1012tera

(T)

one

trillion times

billio

n


483

(1)

1 000 000 000 = 109giga

(G)

one

billion times

(1)

milli

ard

1 000 000 = 106meg

a (M)

one

million

times

1 000 = 103kilo

(k)

one

thousand

times

100 = 102hect

o (h)

one

hundred

times

10 = 101dek

a (da)

ten

times

1 = 100

0.1 = 10-1deci

(d)

one

tenth of

0.01 = 10-2cent

i (c)

one

hundredth

of

0.001 = 10-3milli

(m)

one

thousandth

of

0.000 001 = 10-6micr

o (µ)

one

millionth of

0.000 000 001 = 10-9 nan one milli


484

o (n) billionth of

(1)

ardth

0.000 000 000 001= 10-12pico

(p)

one

trillionth of

(1)

billio

nth

0.000 000 000 000 001 = 10-

15

femt

o (f)

one

quadrillionth

of (1)

thou

sand

billionth

0.000 000 000 000 000 001 =

10-18

atto

(a)

one

quintillionth

of (1)

trillio

nth

0.000 000 000 000 000 000

001 = 10-21

zept

o (z)

0.000 000 000 000 000 000

000 001 = 10-24

yoct

o (y)


485

7 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της...

Documents

Transcript of 7 7.1 Εισαγωγή και ορισμός της έννοιας της...