Τροφοδοτώντας με ενέργεια τον κόσμο Understand article

Ενέργεια – γιατί είναι τόσο σημαντική, από πού την παίρνουμε και πόση χρησιμοποιούμε; Ο Gieljan de Vries  από τo Ολλανδικό FOM – Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος Rijnhuizen  ερευνά.

Ξεχάστε το δολλάριο, το ευρώ και το γιέν. Ο,τιδήποτε θέλουμε να κάνουμε στον κόσμο μας είναι απαραίτητο να ξοδέψουμε ενέργεια. Από το να κινήσουμε ένα αυτοκίνητο, να ενεργοποιήσουμε  έναν υπολογιστή ή να κατασκευάσουμε  κάτι σε ένα εργοστάσιο- όλα αυτά απαιτούν ενέργεια. Λοιπόν, τι είναι ενέργεια και πως αυτή δίνει «μορφή» στον κόσμο μας;

Οι φυσικοί ορίζουν την ενέργεια ως την ικανότητα να παράγεται έργο. Κάπως αφηρημένος ορισμός καθότι η έννοια της ενέργειας έχει εφαρμογή σε τόσες διαφορετικές καταστάσεις και υλικά. Ασχοληθείτε με όποια δραστηριότητα και αμέσως μπορείτε να υπολογίσετε τη συνολική ποσότητα ενέργειας σε joules (J) που απαιτείται για να την ολοκληρώσετε, ή την ισχύ (ενέργεια ανά δευτερόλεπτο) η οποία είναι απαραίτητο να καταναλωθεί σε watts (W ίσο με J/s). Φαίνεται ότι κάθε πτυχή της ζωής μας έχει ένα ενεργειακό τίμημα το οποίο πρέπει να πληρώσουμε.

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούμε ενέργεια συνεχώς. Απλά και μόνο το ότι καθόμαστε στην καρέκλα μας το σώμα μας χρειάζεται 100J ανά δευτερόλεπτο (100W).  Ενέργεια είναι η δύναμη που κινητοποιεί τους μυς όπως η καρδιά και προκαλεί τις βιοχημικές αντιδράσεις στα διάφορα όργανα. Φυσικά, οι άνθρωποι κάνουν πολύ περισσότερα πράγματα από το να «κάθονται» απλά.

Ανεβαίνοντας μια σκάλα ή σηκώνοντας κουτιά μπορούμε να παράγουμε  περίπου Ανεβαίνοντας μια σκάλα ή σηκώνοντας κουτιά μπορούμε να παράγουμε  περίπου 100 W  ωφέλιμης ενέργειας για  ώρες. Ωστόσο, για να γίνει αυτό, οι μύες μας θα καταναλώσουν 300-400 W – τρεις έως τέσσερις φορές την ενέργεια που παράγουν. Ένα ευρωπαϊκό νοικοκυριό τριών έως τεσσάρων ατόμων καταναλώνει συνεχώς κατά μέσο όρο περίπου 400 W λειτουργώντας θερμοσίφωνες, ενεργοποιώντας ηλεκτρικές συσκευές και ούτω καθεξής. Θα χρειαστούν δώδεκα άτομα σε διάδρομο γυμναστηρίου (τέσσερις ανά βάρδια σε τρεις βάρδιες των οκτώ ωρών) για να παρέχουν τόσο πολύ ενέργεια.

Είκοσι χιλιάδες ώρες εργασίας

Ευτυχώς, δεν είναι απαραίτητο να προσφύγουμε στην εργασία σκλάβων για να παράγουμε ενέργεια. Αντί για αυτό, κατά προσέγγιση 81% των ενεργειακών αναγκών μας καλύπτονται από τη χημική ενέργεια που εμπεριέχεται στα απολιθωμένα καύσιμα: πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακα. Είναι βασικά η ηλιακή ενέργεια που έχει απορροφη8εί από τα φυτά που αναπτύχθηκαν εκατομμύρια χρόνια πριν. Αφότου τα φυτά πεθαίνουν  και θαφτούν κάτω από  νέα στρώματα  γης, η υπόγεια θερμότητα και πίεση μετατρέπουν τα νεκρά κύτταρα σε  πολύ πλούσια σε ενέργεια μόρια.

Το πετρέλαιο, ο άνθρακας  και το φυσικό αέριο χρησιμοποιούνται σε κατά προσέγγιση ίσες ποσότητες για να παράγουν τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες, αλλά το πετρέλαιο έχει ίσως την πιό ορατή χρήση των τριών: όλα τα μέσα μεταφοράς βασίζουν κυριολεκτικά την κίνησή τους στα καύσιμα που παράγονται από το πετρέλαιο. Η καύση ενός τυποποιημένου βαρελιού πετρελαίου, που χωράει 159 λίτρα, θα απελευθερώσει περίπου 6100 MJ (εκατομμύρια τζάουλ) ενέργειας.

Όχι μόνο πρόκειται για αρκετή ενέργεια αλλά είναι και απίστευτα φτηνή. Ακόμα κι αν η αξία ενός βαρελιού πετρελαίου έχει κυμανθεί μεταξύ €30 και €150 στο προηγούμενο έτος, ένας άνθρωπος θα έπρεπε να εκτελέσει  σκληρή εργασία για 22 000 ώρες για να αποδεσμεύσει το ποσό ενέργειας που περιλαμβάνεται σε ένα βαρέλι. Αυτό σημαίνει  ότι κάποιος πρέπει να δαπανήσει 11 χρόνια καθημερινής εργασίας από τις 9 π.μ. μέχρι τις 5 μ.μ. Καλή τύχη σε εκείνον που θα βρεί κάποιον που θα ήθελε να δουλέψει τόσες ώρες και τόσο σκληρά γι’ αυτό το ποσό  χρημάτων!

Πίσω στη μέση ενεργειακή χρήση μας: χρειαζόμαστε  περισσότερο από 100 W ελάχιστης κατανάλωσης για  κάθε άτομο ή  400 W τροφοδοσίας για το σπίτι μας για να διατηρήσουμε ως έχει τον τρόπο ζωής μας – εξετάστε την ενέργεια που χρησιμοποιείται για να παραχθούν και να  μεταφερθούν  οι οικιακές συσκευές κατά πρώτο λόγο. Αποδεικνύεται ότι τα νοικοκυριά ενός έθνους είναι υπεύθυνα για το ένα τέταρτο της ενεργειακής χρήσης του, με τη μεταφορά και τη βιομηχανία κάθε μία υπεύθυνες χωριστά για το άλλο ένα τρίτο. Οι επιχειρήσεις, η υποδομή και η γεωργία συμπληρώνουν τον κατάλογο των ενεργειακών καταναλωτών.

Μία λίμνη πετρελαίου

Ας βάλουμε τα πράγματα σε προοπτική: το 2006, η Ευρωπαϊκή Ένωση χρησιμοποίησε 49,2 TJ (terajoule) ενέργειας. Αυτό σημαίνει 49 εκατομμύρια εκατομμυρίων joule, ένα πραγματικά εντυπωσιακό ποσό. Ακόμη και αν αυτό μοιραστεί σε πάνω από 500 εκατομμύρια Ευρωπαίων, η ετήσια κατανάλωση ενέργειας για μας είναι τεράστια: 95 800 MJ για καθένα από εμάς (περίπου 16 βαρέλια πετρέλαιο). Για το σύνολο της Ευρώπης, θα έπρεπε να κάψουμε ισοδύναμο των 1176 εκατομμυρίων τόνων αργού πετρελαίου για να απελευθερωθεί τόσο μεγάλη ποσότητα ενέργειας, ικανή για να καλύψει μία λίμνη 20 μέτρων βάθους και 20 επί 30 χιλιομέτρων πλάτους. Και αυτό είναι μόνο για να ικανοποιήσει την ετήσια ευρωπαϊκή ζήτηση για ενέργεια. Αυτό το ίδιο έτος, (2006) οι ΗΠΑ χρησιμοποίησαν ισοδύναμο 2340 εκατομμυρίων τόνων αργού πετρελαίου και η Κίνα έκαψε μέχρι 1717 εκατομμύρια τόνους. Η χρήση ενέργειας από την Κίνα έχει αυξηθεί θεαματικά από τότε που ξεκίνησε η ταχεία οικονομική της ανάπτυξη. Αλλά υπολογίζοντας ανά πολίτη, η Κίνα εξακολουθεί να μην αποτελεί ενεργοβόρο χρήστη. Κάθε Κινέζος πολίτης χρησιμοποιεί το ισοδύναμο των 1,3 τόνων πετρελαίου ετησίως. Ένας αμερικανός πολίτης, ωστόσο, χρησιμοποιεί 7,4 τόνων πετρελαίου, και ένα ευρωπαίος φτάνει κατά μέσο όρο τους 3,7 τόνους ανά έτος.

Κάθε χρόνο, ένας στόλος από 3.500 πετρελαιοφόρα, μερικά από αυτά 400 μέτρα μήκος, μεταφέρουν 2 δισεκατομμύρια τόνους πετρελαίου σε όλη την υδρόγειο. Αυτό δεν είναι όλο το πετρέλαιο που χρησιμοποιούμε, γιατί υπάρχουν και οι αγωγοί που μεταφέρουν ένα άλλο μέρος αυτού του φορτίου. Το 2006, η υφήλιος χρησιμοποίησε 3481 εκατομμύρια τόνους πετρελαίου, παρέχοντας το 43% της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας.

Τα νούμερα αυτά είναι τεράστια και δεν αναμένεται να μειωθούν. Σύμφωνα με πρόχειρες εκτιμήσεις, το 2100 ο κόσμος θα χρειαστεί τέσσερις φορές το ποσό ενέργειας που χρησιμοποιεί σήμερα. Κατά τη διάρκεια αυτού του αιώνα, η Κίνα, η Ινδία και άλλα αναπτυσσόμενα κράτη αναμένεται να αυξηθούν στο μέγεθος του πληθυσμού τους και να φέρουν την ενεργειακή τους κατανάλωση ανά κάτοικο στα ευρωπαϊκά επίπεδα κατανάλωσης.

Αυτό δηλώνει ότι τέσσερα δισεκατομμύρια άνθρωποι θα χρειάζονται τόση ενέργεια όση είναι αυτή που ο μέσος Ευρωπαίος χρησιμοποιεί σήμερα. Και από την άλλη δεν μπορούμε να τους κατηγορήσουμε.

Η ενέργεια συνδέεται με το βιοτικό επίπεδο

Για την πλειονότητα του κόσμου η ενέργεια δεν είναι κάτι που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε λιγότερο, αλλά κάτι πολύ επιθυμητό για την εκπλήρωση των βασικών αναγκών. Εύκολη πρόσβαση σε ηλεκτρικό ρεύμα και πόσιμο νερό είναι καθημερινή πραγματικότητα για τους περισσότερους από εμάς. Για τα δύο τρίτα της ανθρωπότητας, είναι μία πολύτιμη αλλά  δυσβάσταχτη πολυτέλεια. Χωρίς ηλεκτρικό φως προκύπτει πολύ δουλειά να κάνουμε σε μια μέρα. Χωρίς την ενέργεια που απαιτείται για τον καθαρισμό και τη μεταφορά νερού, οι άνθρωποι στις αναπτυσσόμενες χώρες πρέπει να περπατήσουν χιλιόμετρα στο πλησιέστερο καθαρό πηγάδι. Και πρέπει να περπατήσουν επειδή συχνά δεν υπάρχουν ποδήλατα ή καλοφτιαγμένοι δρόμοι για να ταξιδέψουν γρήγορα.

Μπορούμε να βελτιώσουμε το επίπεδο  ζωής μας αν έχουμε ενέργεια να καταναλώσουμε.

Το ηλεκτρικό φως παρέχει τη δυνατότητα να παρατείνουμε τις εργάσιμες ημέρες, το  καύσιμο ντίζελ κινητοποιεί βαριά μηχανήματα για την κατασκευή δρόμων, την κατασκευή κτιρίων ή βοηθά  στη γεωργία. Με αρκετή ενέργεια τα εργοστάσια μπορούν να παράγουν καταναλωτικά αγαθά και τα φορτηγά που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα μπορούν να τα μεταφέρουν. Η ενέργεια κάνει τη ζωή ευκολότερη.

Αρκεί να δούμε τις φτωχότερες χώρες για να διαπιστώσουμε ότι ο τρόπος ζωής μας εξαρτάται απόλυτα από την εύκολα διαθέσιμη ενέργεια: ενέργεια που χρειαζόμαστε για τη διαχείριση νερού, αλλά επίσης ενέργεια που επιτρέπει την άρδευση και την παραγωγή χημικών λιπασμάτων, τα οποία βοηθούν στον επισιτισμό του πληθυσμού. Χρησιμοποιούμε την ενέργεια για τη θέρμανση ή ψύξη σπίτια μας και για την εύκολη μεταφορά. Η ενέργεια κρατά τα  εργοστάσια και τις πόλεις σε λειτουργία, προσφέροντας θέσεις εργασίας σε εκατομμύρια ανθρώπους. Όπου η ενέργεια είναι δυσεύρετη, αν και είναι κάτι που θεωρούμε δεδομένο,  είναι και ακριβή –  προνόμιο των πλουσίων. Και το αντίστροφο είναι επίσης αλήθεια: μια χώρα που μπορεί να διαθέσει περισσότερη ενέργεια στον πληθυσμό της μπορεί να βελτιώσει γενικά την ποιότητα ζωής των κατοίκων της. Φυσικά, η ενέργεια δεν είναι η θαυματουργή λύση για τα προβλήματα στην Αφρική, αλλά το να μην υπάρχει ενέργεια κάνει τα προβλήματα πολύ πιο δύσκολο να επιλυθούν.

Σε αναζήτηση:  νέες πηγές ενέργειας

Ο κόσμος απαιτεί περισσότερη ενέργεια.  Βραχυπρόθεσμα, αυτό σημαίνει μεγαλύτερη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Ρυπογόνες μονάδες καύσης άνθρακα, μέχρι πρότινος ασήμαντες, χτίζονται σήμερα σε ρυθμό μία ανά εβδομάδα στην Κίνα.  Η ζήτηση για πετρέλαιο μόνο προβλέπεται ότι θα αυξηθεί κατά 47% έως το 2030,

έτσι οι εταιρείες αναζητούν ακόμα και τις πιο δυσπρόσιτες πηγές του περιβάλλοντος, όπως η βαθιά θάλασσα ή η Αρκτική, για το φυσικό αέριο που θα τροφοδοτήσει σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και  εργοστάσια. Σύμφωνα με το Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (IEA), οι επενδύσεις αυτές θα διατηρήσουν το μερίδιο των ορυκτών καυσίμων περίπου στο 81% του ενεργειακού μείγματος. Σε απόλυτους όρους, οι συνολικές ενεργειακές ανάγκες – και, ως εκ τούτου, η ζήτηση για ορυκτά καύσιμα – αναμένεται να αυξηθεί σχεδόν κατά το ήμισυ το 2030.

Κάποια μέρα τα ορυκτά αποθέματα θα εξαντληθούν. Τα ανθρακωρυχεία μπορεί να έχουν διάρκεια ζωής περίπου 200 χρόνια ακόμα με τους σημερινούς ρυθμούς εκμετάλλευσης. Η παραγωγή πετρελαίου, ορισμένοι φοβούνται, έχει ήδη κορυφωθεί: ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας  φοβάται ότι οι υπάρχουσες πετρελαιοπηγές έχουν όλο και μικρότερη παραγωγή  κάθε χρόνο, και ανακαλύπτονται πολύ λίγες νέες πηγές για να σταματήσει η αργή μείωση της παραγωγής. Θα είμαστε σε ανάγκη βιώσιμων μορφών ενέργειας αν θέλουμε να αποφευχθούν συγκρούσεις όσο θα μειώνονται τα αποθέματα. Εξάλλου, ο τρόπος εκμετάλλευσης των ορυκτών καυσίμων επιταχύνει την αλλαγή του κλίματος μέσω του φαινομένου του θερμοκηπίου  και κάνει την κατάσταση πολύ ανησυχητική καλώντας για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Ευτυχώς, έχει αρχίσει ήδη να γίνεται έργο για να αλλάξουμε τον τρόπο που παρέχουμε ενέργεια στον κόσμο μας. Ενέργεια που συλλέγεται από το φως του ήλιου, αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, ακόμη και  θερμότητα από τον πυρήνα της Γης, προστίθενται αργά στα ορυκτά καύσιμα. Υποσχόμενες πηγές ενέργειας, όπως η πυρηνική σύντηξη, αποτελούν αντικείμενο έρευνας από τους επιστήμονες (βλ. Warrick, 2006). Έχουμε αρχίσει να αναπτύσσουμε  αυτές τις πηγές έγκαιρα; Ή θα υποφέρουμε από ενεργειακή στέρηση στο μέλλον; Το  Science in School θα διερευνήσει εναλλακτικές πηγές ενέργειας στα επόμενα τεύχη του περιοδικού. Διαβάστε προσεκτικά – οι εν λόγω τεχνολογίες θα αλλάξουν τον κόσμο.

Για τη δοκιμή εναλλακτικών πηγών ενέργειας στη σχολική τάξη, βλ. Dudley Shallcross και το άρθρο συναδέλφων σε αυτό  το τεύχος (Shallcross et al., 2009).

Download

Download this article as a PDF