Útmutató kezdők részére az energia és a teljesítmény megértéséhez Neil Packer cikke, Staffordshire Egyetem, Egyesült Királyság - 2011. február Az energia Az energia a munkához való képesség. A történelemben gyakran előfordul, hogy egy mértékegység, ebben az esetben az energia egységét, egy kutató után nevezték el, aki munkásságával az adott területen különös szerepet töltött be és hozzájárult annak megértéséhez. A nemzetközileg elismert energia egységét joule-nak nevezik. James Joule, fizikus és sörfőző (1818-1889) karrierjét (35 év) azzal töltötte, hogy az energia átalakulásának a különböző formáit minden téren - bármelyik más előtte élő kutatótól eltérően - nagy pontossággal tanulmányozta. 1
A mechanikai energia hővé, azaz termikus energiává való alakulását tanulmányozta. Egyenértékűséget állapított meg az adott munka mennyiségének elvégzése és az ezáltal eredményezett hőtermelés között. Munkája megerősítette az energia konzerváválásának az elvét, mely figyelembe vette a surlódást és a levegő ellenállását is. Az energia mértékegysége, azaz az - 1 Joule az energia nagyságrendjének tekintetében kis mennyiséget jelöl, ezért az energia alkalmazásának tekintetében egy másik energia mértékegységet szoktak használni, melyet kilowattórának (kwh) hívnak. Az átváltás 1 kwh = 3,6 millió Joules 1 kwh energia annyit jelent folyamatos működés mellett, mint: egy kis kompakt fénycső 2 napos használata a televízió 10 órás használata 5 órás PC használat mikrohullámú sütő 70 perces használata 60 perces fűnyírás 4 perc háztartási kazán használat teljesítményének teljes kihasználtsága mellett egy kisebb autó 100 másodperces használata teljesítményének teljes kihasználtsága mellett Látható, hogy maga a kwh sem egy kifejezetten nagy energia mennyiséget takar, ezért gyakran a megawatt-kifejezést (rövidítve MWh) azaz 1.000 kwh/t szokták használni.
Üzemanyag összehasonlítások A történelem során, az energiát nagy mértékben a fosszilis anyagokból nyertük ki, ezért az egy egységre vonatkozó energiatartalom összehasonlítva különböző forrásokkal, tanulságos lehet. Néhány tájékoztató érték az alábbiakban következik: 1 kg antracit (4% nedvesség tartalommal) = 36 MJ = 10 kwh 1 kg szén (5-10% nedvesség tartalommal) = 37 MJ = 10.3 kwh 1 m3 földgáz = 39 MJ = 10.8 kwh 1 liter benzin = 34 MJ = 9.4 kwh 1 liter gázolaj = 41 MJ = 11.4 kwh 1 liter fűtőolaj= 44 MJ = 12.2 kwh (A fenti értékek a bruttó fűtőértéken alapulnak, azaz azt feltételezik, hogy az égés folyamán keletkezett és felszabaduló víz folyékony állapotú). Összehasonlításként, 1 kg megújuló üzemanyag mint pl. a fás biomassza, hozzávetőlegesen 4,2 kwh-t tartalmaz. Az energia tartalom szerinti árképzés egy igen érdekes fogalom. Például, egy liter dízel kb. 18%-kal több energiát tartalmaz, mint 1 liter benzin, de az ára ennek ellenére a benzinkútnál csak néhány %-al magasabb, mint a benziné. Teljesítmény A teljesítmény a munka mértékegysége A teljesítmény egységét ismét egy kutató után nevezték el, akinek közreműködése az adott terület megértéséhez nagy jelentőséggel bírt. A teljesítmény nemzetközileg (nem amerikai) elfogadott mértékegysége a Watt. James Watt (1736-1819) skót mérnök és feltaláló, a Glasgowi Egyetem dolgozott a kor akkori legfejlettebb gőzgépén, a Newcomen gőzgép javításán. 3
Watt több termikus és mechanikai fejlesztést vezetett be rajta, amely a gép teljesítményét mintegy 300%-al növelte, és ezzel lehetővé tette, hogy a gépet az emberiség használni tudja mindenkor, amikor mechanikai teljesítményre volt szükség. A Watt 1 Joule / másodpercteljesítmény kiadását jelenti. A teljesítmény értékét feltüntetik az energia felhasználó vagy energia termelő berendezéseken és jelzést ad arról, hogy a gép milyen gyorsan használja vagy termeli az energiát. 1 Watt szintén nem igazán nagy teljesítmény-érték, ezért ennek egy szorzó egységét, azaz a kilowatt-ot (rövidítve kw), azaz 1000 Watt -ot szoktak használni. Illusztrációként, néhány berendezés teljesítménye: - PC: 50-200 W (fogyasztás) - Mikrohullámú sütő: 650-850 W (fogyasztás) - Fűnyíró: 1-1,7 kw (fogyasztás) - 20 m2 monokristályos fotóvoltaikus felület : 2,5 kw csúcs (termelés) - háztartási biomassza pellet kazán: 15 kw (termelés) - 50 m átmérőjű merőleges szélturbina : 500 kw csúcs (termelés) - Gőzturbinák: 60 mwig (termelés) - Gázturbinák: 100 mwig (termelés) Energia - teljesítmény összefüggés Az energia és a teljesítmény elválaszthatatlanul összefonódik. A teljesítmény felhasználása egy bizonyos időben termel és felhasznál energiát.
Matematikailag egyszerű a kapcsolat, ha megfelelően alkalmazzuk a mértékegységeket (kwh, kw és óra) A kapcsolat a következő: Energia (kwh) = teljesitmény (kw) x idő (óra) Példák: 1. Egy elektromos fűtőtest, amely 1 kw óra teljesítmény szerepel, működése alatt: - 1 óra alatt 1 x 1 = kwh-t használ fel - 30 perc alatt 1 x (30/60) = 0,5 kwh-t használ fel 2. Egy kompakt fénycső, amely 20 wattot fogyaszt 8 óra alatt az 20/1000 x 8 = 0,16 kwh-t használ fel. Záró gondolat A teljesítmény (kilowattban mérve) és energia (kilowattóra vagy joules-ban mérve) nem azonos és nem felcserélhető, viszont egy kis gyakorlattal, könnyű az átszámítás. Ha többet szeretne tudni a témában kövesse az alábbiakat: http://www.kayelaby.npl.co.uk/ http://www.simetric.co.uk Neil Packer okleveles mérnök és egyetemi adjunktus a Staffordshire Egyetem számítástechnikai, mérnöki és műszakai karán. Közel 20 évig tanított thermo-folyadék és környezetvédelmi mérnöki tanulmányokat, és az energetikai szolgáltatások témájában együttműködik számos vállalkozással, az ipar és a helyi hatóságokkal együtt, mint szén-dioxid-szaktanácsadó. Elérhetőségek: Számítástechnikai kar, Engineering and Technology Staffordshire University Beaconside, Stafford, ST18 0AD Tel.: 01785 353243 E-mail küldése n.packer @ staffs.ac.uk 5
Ez a szakmai anyag az Interreg IV. C program Megújuló Energia Transzfer Rendszer - Renewable Energies Transfer System (RETS) projekt keretében került bemutatásra, melynek a finanszírozását az Európai Regionális Fejlesztési Alap látta el. A projekt 2010. januártól 2012. decemberig tartott. Ha további információra lenne szüksége, az alábbi honlapon ezek elérhetők: http://www.retscommunity.eu/