این یک پُست تبلیغاتی برای کاهش مصرف برق و سوخت نیست.
اگر بپرسم برای جوشاندن آب در کتری برقی چه مقدار انرژی لازم است، احتمالا تصویری از المنتهای داغ داخلش را در ذهن مجسم میکنید. اگر بپرسم یک ماشین چقدر انرژی هدر میدهد هم لابد گرمای خروجی از اگزوز را تصور خواهید کرد؟
اما اگر بپرسم صرف وجود ما انسانهای مدرن در جهان مدرن چقدر انرژی هدررفته بر جا میگذارد، از نیروگاه برق تا پریز برق، از پمپ بنزین تا جاده، مغز همهی ما قفل خواهد کرد.
ما در محاصرهی انرژی زندگی میکنیم، مبدا آن را بهتر میشناسیم اما هیچ درک بنیادینی از مقصد آن نداریم. وسواس ما روی سوختی است که به باک خودرو میریزیم، اما ۶۰ درصد آن را که پیش از حرکت به شکل گرما ناپدید میشود هرگز نمیبینیم. نگران خاموش کردن یک لامپ هستیم اما حقیقتا معتقدیم دستگاههایی که بیکار به پریز متصلند مصرف انرژی ندارند.
چرا؟ چون مغز ما برای شکار ماموتها، و نه برای محاسبهی آنتروپی ترمودینامیکی، تکامل یافته است. نقطهی کور ما کجاست؟ حتی همین سوال هم نادانی است.
سفسطهی تبدیل یک مرحلهای
انسانها خطی و علت و معلولی فکر میکنند. بنزین در باک به حرکت ماشین منجر میشود. گاز در نیروگاه میسوزد تا لامپ روشن شود.
اما انرژی زنجیرهای طولانی را طی میکند تا به لامپ رشتهای معمولی ما برسد:
- مرحلهی اول که سوزاندن گاز برای جوشاندن آب در نیروگاه است ۶۰ درصد انرژی را به شکل گرما تلف میکند.
- مرحلهی دوم که چرخاندن توربین برای تولید برق است ۵ درصد دیگر تلف میکند.
- مرحلهی سوم که انتقال برق از طریق سیمهاست نیز ۸ درصد دیگر را تلف میکند.
- مرحلهی آخر عبور جریان از رشتهی لامپ است، به خانه خوش آمدید؛ ۹۰ درصد آن به گرما تبدیل میشود.
تا زمانی که نور چراغ به چشم شما برسد فقط ۱ درصد از انرژی شیمیایی گاز یا زغالسنگ به نور تبدیل شده است. ما لامپی ۱۰۰ وات را نگاه میکنیم و نور آن چشم ما را میزند، اما ۹۹ دصد گرمای مادون قرمز تولیدی را نمیبینیم. درک زنجیرهی تلفات نمایی و پله پله برای ما بسیار دشوار است. محصول نهایی را، منهای کوهی از زبالهی انرژی در پشت سر آن، میبینیم.
ماهیت نامرئی گرما
ما موجوداتی بصری هستیم. دود و شعلهی آتش را میبینیم، اما بیشتر اتلاف انرژي به صورت گرمای درجه پایین است. تقریبا ۵۰ درصد مغز ما برای پایش و پردازش مرتبط با بینایی توسعه یافته، در حالیکه اغلب حیوانات جهان را از دماغشان تجربه میکنند. اگر پنجاه درصد مغز ما را به جای پردازشگری بصری، سنسوری حرارتی تشکیل میداد چه؟
وقتی موتور ماشین شما ۹۰ درجه سانتیگراد دما دارد، در حقیقت این گرما انرژی است و به سوی جو خداحدافظی میکند. وقتی کمپرسور یخچال روشن میشود گرما را از داخل جعبه بیرون کشیده و به آشپزخانه میفرستد. ما این گرما را نمیبینیم؛ شاید گاهی و به شکلی مبهم آن را حس کنیم، اما هرگز بر روی آن برچسبی مالی یا احساسی نمیزنیم.
گرمای تلف شده برای ما چیزی مشابه هوای اطرافمان، رایگان و بسیار بسیار زیاد، است. اما در فیزیک این گرما بیانگر افت در اگزرژی است. گرمای تلفشده به قدری مورد بیمهری است که حتی کارشناسان ارشد مهندسی هم اسمی از مفهوم اگزرژی نشنیده اند. لابد غلط املایی بود.
وقتی انرژی به دمای محیط تبدیل میشود دیگر برای همیشه ناپدید میشود. ما این نزول جایگاه انرژی را ندیده و بیمقدار میگیریم.
این دستگاه راندمان ۹۰ درصدی دارد.
پس یعنی فقط ۱۰ درصد انرژی هدر میرود، عالی است.اما در حقیقت مراحل متعددی پشت سر هم قرار گرفتهاند و هرکدام راندمانی داشته اند. مثلا در کارخانه موتور الکتریکی ۹۰ درصد، کمپرسور ۸۵ درصد، سیستم انتقال قدرت ۹۰ درصد، تجهیزات بهبود کیفیت هوای فشرده ۹۰ درصد راندمان دارند. این یعنی فقط ۶۲ درصد از انرژی اولیه به خروجی مفید تبدیل میشود.
«کافی» خوب است.
از نظر تکاملی ما بهینهساز نیستیم، بلکه به دنبال دستیابی به رضایتیم. اگر غار محل زندگی به اندازهی کافی گرم بود دیگر برایمان مهم نبود که آتش فقط ۲۰ درصد بازدهی داشته باشد. اگر ماشین ما را از نقطهی الف به نقطهی ب میبرد، چه اهمیتی دارد که ۳۰ اسب بخار از قدرت موتور صرفا برای خنک کردن موتور خرج میشود؟
ما مصرف انرژی را با نتیجهی آن و نه با بهرهوری و بازدهی میسنجیم.
اگر برای رفتن به محل کار ۳۰۰ هزار تومان خرج کنیم یا قبض برقمان ۲ میلیون تومان بیاید دچار مفهوم هزینه میشویم. اما هرگز نخواهیم پرسید ۱۰ میلیون تومان دیگر کار مفید بالقوه کجا رفت؟! حتی شکل و شمایل این سوال هم برای مغز ما غریب است. اصطکاک مسئلهای انتزاعی و ناملموس بوده و وقتی که سیستم کار میکند، فرض میکنیم که کار خوب پیش رفته است.
اقتصاد عجیب هوای فشرده
کمپرسور انرژی الکتریکی را دریافت کرده و بخشی از آن را در قالب انرژی ذخیرهی هوای فشرده تحویل میدهد. اما این مسیر هدررفتهای فراوان دارد:
- گرما
- اصطکاک مکانیکی
- تلفات موتور کمپرسور
- افت فشار
- گردش روغن کمپرسور
- سیستم خنک کاری
- نشتی هوای فشرده
- خفگی و کنترل نامناسب جریان
- تولید بیش از نیاز فشار
- کارکرد بدون بار کمپرسور
ژول و وات؟ فارسی حرف بزن!
در مهندسی با نارسایی زبانی روبرو هستیم. انرژی با واحدهایی سنجیده میشود که برای دستگاه عصبی ما بیمعناست. یک ژول انرژی لازم برای بلند کردن سیبی کوچک به اندازهی یک متر است و هر وات یک ژول در هر ثانیه است. تا همینجا هم پیچیدگی ماجرا از مغز من فراتر رفت.
اینها مفاهیمی انتزاعی هستند. حجم را با بطری شیر و وزن را با کیلوگرم گوشت به خوبی درک میکنیم، اما شار که کمیتی است با واحد انرژی در واحد زمان را درک نمیکنیم. اگر باتری ۶۰ کیلووات ساعت ظرفیت داشته باشد ذهن ما به سراغ تجسم جعبهای فیزیکی میرود، نه جریانی از الکترون که با دقت بسیار مدیریت میشود. معلمها و محققان فیزیک هم هیچ زحمت نکشیدند تا ما آنها را بفهمیم، حتی گویا خلاف مسیر برای گیچتر کردن ما انگیزه داشتهاند.
انسان برای درک جریان سادهی انرژی تکامل یافته است. غذا ← حرکت ← توقف
ما میبینیم که خودرو حرکت میکند، روتور کمپرسور میچرخد، مته سنگ را خرد میکند، شافت موتور میچرخد و هوای فشرده با صدای گوشخراش از شیلنگ خارج میشود، اما درکی سفر واقعی انرژی در این سیستمها نداریم.
ما بزرگی اتلاف انرژی را در ابعاد لحظهای میبینیم، اما نشتی ۲۴ ساعت و ۳۶۵ روز سال هدر میدهد. شارژر داخل پریز هم همینطور، پمپ خارج از نقطهی بهینه یا کمپرسوری که یک بار بیشتر از نیاز تولید میکند نیز همچنین و هرکدام از اینها در لحظه چیزی نیست. اما اگر در هزاران ساعت کارکرد ضرب کنیم هزینهی عظیمی برای انرژی میپردازیم.
انسان برای تشخیص رویداد تکامل یافته است. انسان در تشخیص جریانها شدیدا ضعیف است.
چون در ذهن هیچگونه ظرف فیزیکی برای انرژی نداریم آن را دست کم میگیریم. برق را همچون مایع تجسم میکنیم و در نتیجه ولتاژ با فشار و جریان با دبی برابر خواهد کرد. اما درک نمیکنیم که مقاومت همیشه، همه جا و بدون سر و صدا رخ میدهد. مقاومت یعنی افت انرژی.
توهم صفر
اگر دستگاهی خاموش است، پس لابد صفر واحد انرژی مصرف میکند.
- شارژرهای گوشی در پریز ماندهاند
- تلوزیون در حالت استندبای است
- کامپیوتر را هایبرنیت کردهایم
چراغ دستگاه که روشن یا خاموش باشد، رسالت ما تمام شده است. اما روشنی و خاموشی واقعی به حالت مدار بازمیگردد. آداپتور شارژر موبایل در پریز است؟ آن آداپتور کوچک به طور پیوسته در حال تبدیل برق AC به DC و تراوش ذره ذرهی گرماست. همین مصارف به تنهایی ۵ تا ۱۰ درصد مصرف برق مسکونی در اکثر کشورها را شامل میشود. جمع زدن تلفات کوچک نقطه ضعف آشکار انسان است.
درک مفاهیم اتلاف انرژی نیازمند همزمانی تفکر مهندسی و تفکر زیستی است. هر تبدیلی هزینه دارد و هرچه در اطراف خود مشاهده میکنید یک مبدل حرارتی است. اصطکاک مالیاتی است که جهان به هستی میپردازد.
انسان هستیم و درک انرژی هیچ ربطی به ما نداشته، تا همین ۲۰ سال اخیر: ما برای بقا و نه برای ترمودینامیک ساخته شدهایم. در حال حاضر نادانی خود را شناختهایم، این یعنی گام اول. نوبت بعدی که گوشی خود را به برق میزنید سوال اینجاست که گرمای حاصل از این فرآیند به کجا میرود؟
گرما همیشه مترادف اتلاف نیست.
اگر کمپرسور انرژی الکتریکی را به هوای فشرده تبدیل کرده و در طول مسیر بخش عظیمی از آن را به گرما تبدیل کرده، ما آن را اتلاف انرژی مینامیم.
اما از نظر فنی این صحیح نیست. انرژی به شکلی تبدیل شده که برای هدف اولیهی ما بهینه نیست. سوال این است که چه مقدار از انرژی هنوز به شکلی قابل استفاده مانده است؟
اگزرژی از مفاهیم جالب ترمودینامیک است. دغدغهی اگزرژی آن است که چه مقدار از انرژی در شرایطی معین قابل تبدیل به کار مفید است.
نقاط کور اتلاف انرژی
در صنعت هوای فشرده عدد فشار ۷ بار بسیار محبوب و مشهور است. فرض کنید دستگاهی در کارخانه به ۶ بار فشار نیاز دارد ولی فشار سیستم روی ۷ بار تنظیم شده است. یک بار فشار بیشتر که چیزی نیست و کار از محکمکاری عیب نمیکند. اما آن یک بار فشار اضافه پیوسته تولید میشود. کمپرسور سرش نمیشود که شما به این فشار اضافه احتیاج ندارید.
در موارد بسیاری که مشکلی در سیستم توزیع شبکهی هوای فشرده رخ میدهد اپراتور به جای رفع آن مشکل، فقط فشار کمپرسور را بالاتر میبرد. ما به جای رفع اتلاف انرژی بیشتری مصرف میکنیم تا بر آن غلبه کنیم.
در مناطق سردسیر میتوان انرژی زیادی را با ریکاوری حرارتی از سیستم هوای فشرده به دست آورد. این سیستم در تابستان هوای گرم را به خروجی هدایت کرده و در زمستان برای گرمایش فضا و پیشگرمایش عملیات از آن بهره میبرد.
در شرایط بهینه تا ۹۰ درصد از گرمای حاصل از فشردهسازی هوا را می توان بازیابی کرد. یک سیستم ریکاوری گرما می تواند هزینهی تولید آب گرم برای دستشوییها و تجهیزات شستشو (پاکسازی) و یا هزینههای هدایت هوای گرم به محل کار و انبار یا ورودی را خنثی کند. برای مطالعهی بیشتر کلیک کنید.
در خودرو
مصرف سوخت هنگام حرکت را میبینیم اما مصرف ناشی از درجا کار کردن، مقاومت هوا و شتابگیری مکرر را در نظر نداریم.
در ساختمان
قسمتی از عایقبندی که ضعیف است مقدار کمی گرما هدر میدهد. ناچیز به نظر میرسد ولی این اتلاف هر روز و در تمام طول فصل سرد تکرار میشود.
در مراکز داده
مصرف برق سرورها مشهود بوده و محاسبه میشود. اما انرژی مورد نیاز برای دفع گرمایی که همین سرورها تولید میکنند کمتر به چشم میآید. (صدقه سر اتلاف انرژی عظیم استخراج رمزارز بیشتر به چشم آمده است)
در پمپها
چند متر فشار یا هد اضافی ناچیز به نظر میرسد، اما پمپ شما سالها در همین شرایط کار میکند و این اختلاف کوچک به هزینهای دائمی برای انرژی تبدیل میشود.
در سیستمهای هیدرولیک
افت فشار در سیستمهای هیدرولیکی در نهایت به گرما تبدیل شده و برای دفع همین گرما باید انرژی بیشتری را صرف خنککاری کنید.
در موتور الکتریکی
موتور الکتریکی بزرگتر از حد نیاز سالها در شرایطی خارج از محدودهی بهینه کار میکند و هیچکس مسئله را بزرگ نمیکند.
در تجهیزات معدنی
دستگاه حفاری فقط در نقطهی مته انرژی مصرف نمیکند. انرژی از موتور به سیستم انتقال قدرت، هیدرولیک یا پنوماتیک، کمپرسور و در نهایت به سنگ منتقل میشود. هرچه انرژی مسیر طولانیتری را در سیستم طی کند فرصتهای هدررفت و کاهش اگزرژی آن بیشتر میشود.
